黑土低山丘陵区水平梯田地力提升措施对土壤质量和玉米产量的影响

张 瑜徐子棋徐长林于艳秋芦贵君李红蕊李昊伦

(1.吉林省水土保持科学研究院,吉林 长春130033;2.敦化市水土保持工作站,吉林 敦化133700;3.东丰县水土保持技术服务中心,吉林 东辽136300)

吉林省黑土区耕地面积约4.60×106hm2,对粮食产量贡献率超过80%。由于利用管理模式不合理,加之水土流失严重,该地区黑土层不断变薄,肥力不断降低[1]。因此,如何提高黑土区地力成为当前的研究热点之一。化肥虽然能提高地力,但由于使用量过多,造成的土壤板结与酸化已成为黑土质量恶化重要因素[2]。

很多研究[2-3]表明施用适量的秸秆和有机肥是既经济又环保的黑土区的改土、增产措施。如有研究发现秸秆中富含营养元素,其与N肥配施后,能够增加土壤有机C含量,促进大团聚体形成,从而改善土壤通透性。此外,秸秆不仅可腐化、作为营养的补充源,而且可提高土壤营养物质对植物的可吸收性[2,4]。秸秆还田能够促进玉米地上、地下部分生长,改善光合作用状况,且混拌还田方式优于覆盖还田[5]。有机肥不仅显著提升土壤中有机C,N,P,K含量[6],还能够提高土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、碱性P酸酶活性,增加土壤有益细菌丰富度,使土壤系统向稳定、健康的方向发展[7]。与单施用化肥相比,混施有机肥、化肥一方面可切实提高土壤肥力[8],提高土壤阳离子交换量、田间持水量、总孔隙度,且猪粪肥的效果优于鸡粪肥[9]。长期使用有机肥配合化肥能够使玉米高产、稳产[10]。另一方面还可以改善土壤机械结构,促使更多大粒径团聚体形成、增加团聚体水稳性。

此外,秸秆和有机肥配施也具有较好的效果。秸秆和有机肥交替施用能够降低土壤容重、紧实度,提高土壤有机C和水稳性团聚体含量,同时削减土壤中对植物有害的真菌数量[11-12]。在秸秆还田的基础上,进一步增施有机肥不仅对土壤自身理化性状的改良具有重要作用,同时还能促进玉米根系生长,且二者的相互作用实现正向促进目标[3]。在坡改梯的过程中很容易造成底土上翻,造成耕层土壤肥力下降,进而影响作物产量,亟需开展地力培肥工作,然而,有关黑土区坡改梯地力提升措施高效配置的文献却鲜有报道。

为此,本研究选择吉林省黑土区典型坡改梯措施点,施用有机肥、无机肥、秸秆不同组合处理,研究不同地力提升措施对土壤养分含量、化学计量和玉米生长、产量的影响,以及其间的相互作用机理,旨在为黑土区耕地地力提升和黑土地保护提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉林省东辽县安石镇杏木小流域(125°22′40″—125°26′10″E,42°58′05″—43°01′40″N),属低山丘陵暗棕壤区。区域为温带大陆性气候特征,四季分明、光热水充足,无霜期年平均135 d。年平均日照时数2 504.20 h,年平均降水量658.10 mm,年平均降水日数为120 d。降雨集中在每年5—9月,7月最多。研究区主要树种有落叶松、樟子松、红松、云杉,还有部分柞树桦树、五角枫等。当地传统种植作物为玉米,种植方式为坡面横垄。主要土类有暗棕壤、棕壤、白浆土、冲积土、水稻土、草甸土、沼泽土、泥炭土等。

1.2 措施布设

试验田为水平梯田,位于阳坡,坡度为8°的直线型坡,坡长228 m,同坡位0—20 cm混合样土壤理化性质详见表1。梯田2018年建成,埂坎长度20 m,类型分别为土坎梯田、生态膜带梯田、石坎梯田和组装薄壁梯田。每个田坎分7个处理(表2),每个处理3个重复,编号为2—8措施处理,1号空白对照(CK)。措施实施时间为2021年。玉米种植株距为30 cm,行距为65 cm。试验区无人为灌溉,来水方式为天然降水。

表1 研究坡面土壤物理性质本底值

表2 研究区水平梯田不同地力提升处理组

化肥为复合肥(总养分≥45%,配比为24%N,10%P2O5,11%K2O),有机肥来源为牛粪,含N量为1.33%,秸秆为来自当地农户玉米秸秆粉碎。玉米种子为吉东54号(吉林省辽源市农科院监制),2021年5月初播种。化肥与有机肥在播种前一次性施入。

1.3 指标测定

1.3.1 土壤理化指标 在每个处理的3个重复小区采用S形取样方法进行采样,取3个重复平均值,作为各处理代表值。在对照处理各坡位的3个样点取土,取平均值。作物生长季土壤水分测定时间为2021年6月1日、7月1日、8月1日、9月1日、10月1日,测定深度为0—20 cm,方法为烘干称重法。在2021年11月初采集0—20 cm耕层土壤分析全N、全P、全K、碱解N、速效P、速效K、有机质、容重、含水率和总孔隙度。采集20—40 cm(亚耕层)土壤分析全N、全P、全K。全N采用半微量开氏法;全P采用NaOH熔融—钼锑抗比色法;全K采用火焰光度法;有机C采用重铬酸K法—外加热法测定;化学计量为全量比值;碱解N采用扩散吸收法;速效P采用化学浸提法;速效K采用火焰光度计法测定。容重、含水率和总孔隙度采用为烘干称重法计算。

1.3.2 作物指标 作物株高测定于2021年6月1日、7月1日、8月1日、9月1日、10月1日,每个处理选10株测定,结果取3个重复平均值。作物农艺性状和产量指标测定时间为10月中旬。从各处理随机抽取15穗玉米,进行玉米考种。测玉米的穗长、穗行数、行粒数、穗粗、穗重、穗粒重、出籽率、千粒重,取3个重复平均。

1.4 数据处理及分析

利用Excel进行数据整理和图形绘制。利用SPSS 19.0进行方差分析(ANONA单因素方差分析Duncan法)和主成分分析。利用Canoco 4.5进行典范对应分析(CCA)。

2 结果与分析

2.1 地力提升措施对梯田土壤养分影响

由表3可知,研究区土壤对照组和地力改良处理组的耕层全量N,P,K的含量都大于亚耕层。其中,耕层全N、全P和全K含量范围分别为0.50～0.82 g/kg,0.68～0.7 g/kg,16.39～17.46 g/kg,亚耕层全N、全P和全K含量范围分别为0.22～0.35 g/kg,0.40～0.45 g/kg,11.53～15.23 g/kg。各地力改良处理对耕层全N、全P和全K含量提高比例为4.00%～64.00%,0.00%～2.90%,3.20%～5.40%,对亚耕层全N、全P和全K含量提高比例为36.30%～50.00%,2.50%～12.50%,3.40%～29.40%。其中,耕层和亚耕层的全P改良效果不显著,其他效果均显著(p＜0.05)。各处理耕层全N改良效果的排序为:处理4＞处理7＞处理5＞处理6＞处理8＞处理3＞处理2;耕层全K改良效果的排序为:处理6＞处理7＞处理2＞处理8＞处理5＞处理3＞处理4;亚耕层全N改良效果的排序为:处理4＞处理3=处理8＞处理5处理＞6＞处理7＞处理2;亚耕层全P改良效果的排序为:处理2＞处理3=处理5＞处理6＞处理7＞处理8=处理4;亚耕层全K改良效果的排序为:处理5＞处理7＞处理6＞处理8＞处理2＞处理3＞处理4。

由表4可知,各处理可显著提高土壤碱解N、速效P、有机C的含量(p＜0.05),但对速效K没有显著的改善作用。其中,各处理提高土壤碱解N、速效P、速效K、有机C的比例范围分别为:3.50%～4.80%,1.10%～15.90%,0.10%～0.60%,1.20%～11.20%。

表4 收获季不同处理水平梯田土壤速效N,P,K和有机C含量

各处理提高土壤碱解N幅度排序为:处理4＞处理5＞处理3＞处理6＞处理8＞处理7＞处理2;提高土壤速效P幅度排序为:处理4＞处理5＞处理6＞处理3＞处理8＞处理7＞处理2;提高土壤有机C幅度排序为:处理8＞处理7＞处理6＞处理4=处理5＞处理3＞处理2。此外,结合表1和表3可知,单施化肥改善全N、碱解N、速效P和有机C的效果远不如搭配有机肥或秸秆的处理。

2.2 地力提升措施对梯田土壤物理性状的影响

由图1可知,各处理土壤含水量6—9月逐渐升高,9—10月逐渐降低。除处理2外,各处理均能显著提高土壤含水率(p＜0.05)。其中,处理3—8在6,7,8,9,10月提高土壤含水率的范围分别为21.10%～48.70%,15.30%～44.40%,14.60%～34.30%,5.90%～14.60%,28.20%～42.00%。且由图1可知,有机肥+秸秆不仅可有效提高土壤含水率,而且也能够维持土壤水分含量在一定水平。由表5可知,除处理2外,各种地力提升措施显著改善土壤物理性质。各措施提高土壤含水率的范围为7.00%～69.10%,降低容重的范围为7.60%～11.40%,提高总孔隙度的范围为5.80%～11.10%,均差异显著(p＜0.05)。其中,处理7和处理8效果较为明显,即化肥、有机肥和秸秆混施改善土壤物理性质效果最好。

图1 生长季不同处理水平梯田土壤水率

表5 收获季不同处理水平梯田土壤物理性状

2.3 地力提升措施对土壤C,N,P化学计量的影响

由表6可知,各种地力提升措施显著降低了C∶N,提高了N∶P,C∶P,均差异显著(p＜0.05)。其中,C∶N的降低范围为3.70%～34.20%,N∶P的提高比例为3.30%～62.90%,C∶P的提高比例为1.20%～11.50%。相比其他混合措施,单施化肥的化学计量特征值变化较小。

表6 收获季不同处理水平梯田土壤C,N,P化学计量特征

2.4 水平梯田收获季各处理土壤理化性质主成分分析评价

根据特征值≥1的原则选择主成分共3个。由表7可知,3个主成分的累计共为93.13%。由表8可知,各土壤理化性质指标在3个主成分中的荷载。施用不同地力改良措施后各指标在土壤理化特征中的重要程度详见表7。由表7可知,所有指标中只有土壤容重是负载荷指标,即指标越大土壤质量越差。在主成分1种,载荷前3的指标分别为:碱解N＞总孔隙度＞有机C,荷载均超过0.90;在主成分2种,荷载前3的指标分别为:含水率＞全P＞速效P,荷载均超过0.50;在主成分3种,荷载前3的指标分别为:全P＞全K＞速效P(表8)。根据图2可知,水平梯田各地力改良措施的效果评分排序为:处理4＞处理7＞处理5＞处理8＞处理6＞处理3＞处理2＞处理1。处理4,5,7评分达3.00以上,地力提升效果较好,处理6,8评分达2.00～3.00效果适宜,处理2,3评分负值,效果较差。即化肥+有机肥+秸秆处理提升地力效果最好,化肥+秸秆处理效果也较为理想,化肥+有机肥的处理不够理想,技术有待提升。

图2 水平梯田不同处理土壤质量综合评分

表7 各主成分的特征值及贡献率

表8 土壤理化指标在不同主成分中的荷载

2.5 地力提升措施对玉米农艺性状和产量的影响

由图3可知,各措施可显著促进玉米株高生长(p＜0.05),其中,6月1日、7月1日、8月1日、9月1日、10月1日株高提升百分比范围分别为10.00%～32.00%,23.80%～57.14%,13.80%～63.86,9.60%～38.40%,4.50%～32.00%。由表9可知,各措施可以显著改善除出籽率外所有的玉米农艺性状和产量状况指标。各措施改善穗长、穗行数、穗粗、穗重、穗粒重、千粒重和产量的范围分别为:11.60%～13.60%,9.80%～30.80%,6.10%～96.30%,15.10%～17.00%,10.20%～16.20%,2.40%～26.20%,34.87%～81.29%。

表9 不同处理水平梯田玉米农艺性状、产量状况

图3 不同处理水平梯田玉米株高生长影响

其中,各处理组提高产量比例排序为:处理4＞处理5＞处理3＞处理6＞处理8＞处理7＞处理2,差异显著(p＜0.05)。即,化肥0.75 t/hm2+有机肥3.75 t/hm2和化肥0.75 t/hm2+秸秆还田3.00 t/hm2处理改善产量效果最为优异。

2.6 土壤因子与作物因子的典范对应分析

由表10可知,作物因子和土壤因子作物第一排序轴和第二排序轴的相关性分别为0.92和0.91,作物因子与土壤因子关系的变化累计比例在作物第一轴和第二轴分别为86.00%和97.60%。由表11可知,土壤因子与第一轴的相关系数绝对值在0.17～0.99之间,与第二轴的相关系数绝对值在0.12,0.92之间。在第一轴中,相关系数绝对值超过0.80的因子分别为:土壤含水率＞容重＞总孔隙度＞有机C,第二轴中相关系数超过0.80的因子为:速效K＞速效P＞全N。说明上述土壤物理性状与有机质含量是影响黑土丘陵区新开梯田玉米生长和产量最重要的因子。

表10 CCA排序轴特征值及生长因子与环境因子的相关性

表11 土壤因子与CCA作物排序轴的相关系数

3 讨论

土壤肥力状况是土壤特征的重要组成部分,也是直接决定作物生长、产量状况的重要因子[13]。在本文中研究区土壤全量N,P,K的含量都为耕层大于亚耕层(p＜0.05)。这与邹文秀等的研究结果相似[14]。同时邹文秀等[13]认为,秸秆中富含有机酸,施用到土壤中能够提高土壤养分有效态含量。多位学者也认为混施无机肥、有机肥和秸秆是改善地力的高效措施。王传杰等称施用化肥提高作物产量,但加速土壤N素的耗竭,而有机物料为土壤带来了较多的N源,且促进微生物对土壤的固N效应,因此配施效果更好[15]。王忠波等[16]认为,施用N肥能够促进秸秆腐化和发挥作用,秸秆腐化率与土壤养分含量呈正相关。而本研究施用秸秆、有机肥、无机肥等措施能够有效提升土壤全N、全K、有机C、碱解N、速效P含量,但对耕层全P、耕层和亚耕层速效K没有显著作用,且单施化肥改善全N、碱解N、速效P和有机C的效果远不如搭配有机肥或秸秆处理。各种地力提升措施显著改善土壤物理性质,而化肥、有机肥和秸秆混施改善土壤物理性质效果最好。这与左婷等和王庆鲁等的研究结论相似[17-18]。化学计量比强调的是C,N,P等元素在生命体中的平衡与耦合,其在一定程度上能够反映土壤元素水平和养分供给状况,本研究土壤肥力化学计量中,各措施显著降低了C∶N,提高了N∶P,C∶P,均差异显著(p＜0.05),相比其他混合措施,单施化肥的化学计量变化较小。较低的CN比,通常更适宜土壤中各种细菌群落的发育与生长,进而促进微生物固化N,降低N矿化速率和C∶N[13]。此外,本研究水平梯田各地力改良措施的效果评分排序为:处理4＞处理7＞处理5＞处理8＞处理6＞处理3＞处理2＞处理1,即化肥+有机肥+秸秆处理提升地力效果最好,化肥+秸秆处理效果也较为理想,化肥+有机肥的处理不够理想,技术有待提升。

农作物的生长状况和产量状况是经济效益的基础,也是土壤等生态环境条件质量的重要指征[14]。合适的有机肥和无机肥施用配比有利于改善玉米水分利用效率和生长状况[19]。本研究表明,各措施可以显著改善除出籽率外所有的玉米农艺性状和产量状况指标,化肥0.75 t/hm2+有机肥3.75 t/hm2和化肥0.75 t/hm2+秸秆还田3.00 t/hm2处理改善产量效果最为优异。典范对应分析结果表明,与作物因子第一轴相关系数绝对值超过0.80的因子分别为:土壤含水率＞容重＞总孔隙度＞有机C,说明改善土壤持水能力与有机质含量是提升区域玉米生长和产量的关键因子,即想要改善作物经济效益从土壤水分、疏松程度和有机C含量方面加强管理。前人也有相似结论。有学者认为,施用秸秆主要能够改善玉米的百粒重、穗粒数,并降低秃尖长[20]。黑土区施用有机肥和秸秆后,改良效果较明显,且有机肥和秸秆配施土壤肥力改良和玉米产量提高效果最为显著[13]。此外,郭占强称在一定范围内,提高土壤有机C含量有利于增强玉米的光合作用能力,从而改善玉米的生长、产量状况[21]。

图1与表5表明秸秆与有机肥的添加可有效改善土壤蓄水能力,减少产生地表径流的概率,进而提高土壤抗蚀能力。而土壤有机质的增加,更是进一步削弱土壤产沙的可能。众多学者的研究也有类似发现,即施用秸秆、有机肥能够改良土壤、增加玉米产量与其水土保持作用有关。李飞等[22]的研究结果称,秸秆还田对黑土坡耕地地表径流和土壤流失阻控率均超过90.00%,对土壤中总N、总P阻控率均超过85%。曹尤淞等[23]研究得出,秸秆还田能够减缓径流移动,滞后初始产流时间,从而减少产流产沙。贺云锋等[24]研究表明,秸秆还田方式的水土保持效果排序为:免耕留茬＞碎混＞深还。有学者[8]认为,施用有机肥能够促进大粒径水稳性团聚体形成,从而增加土壤抗蚀性,减少侵蚀量。因此,秸秆和有机肥作用下拦蓄住的土壤和营养物质能够为玉米的生长、增产提供更好的条件。

综上所述,未来还应对各种地力改良措施与坡改梯埂坎稳定性保存状况和养分流失的关系进行研究。

4 结论

(1)秸秆配施有机肥措施对耕层大部分土壤养分元素起到了非常显著的改良作用,仅对全P和速效K效果不明显;

(2)添加秸秆与有机肥均可显著改善土壤物理性质,且化肥、有机肥和秸秆混施改善土壤物理性质效果最好;

(3)地力提升措施显著降低了C∶N,提高了N∶P,C∶P,为土壤微生物群落发育提供了更为理想的环境;

(4)土壤物理性状与有机C是对作物产量影响最大的因素;

(5)化肥混合有机肥3.75 t/hm2或秸秆3.00 t/hm2是提高黑土丘陵区梯田产量的最佳施肥量。