朱铭, 刘琛, 林义成, 郭彬, 李华, 傅庆林*
(1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021; 2.安吉县农业农村局,浙江 湖州 313300)
红壤地区黄筋泥田是分布在浙江低山丘陵地区的主要土壤类型[1],因存在土壤酸化[2]和有机质含量低下[3]等问题,土壤的自然肥力不强,严重制约了该区域的粮食生产和安全。如何快速提升红壤地区耕地的生产能力成为事关浙江省农业高质量发展的成败关键[4]。运用有机源土壤调理剂对红壤地区黄筋泥田进行理化性状改良是一种受到广泛认可的做法,不仅效果显著,还能实现资源循环利用,有利于农业绿色发展[5]。大量研究发现,有机物料的添加能够提高土壤肥力[6-8],通过改变土壤团聚体的分布来改善物理结构[9],增加土壤养分含量[10],进而增强土壤微生物丰度和群落多样性[11],实现耕地地力的提升和作物产量的增加[12]。
当前有机物料的来源主要有畜禽粪便、绿肥、秸秆和木屑等[6,13]。繁多的有机添加物料在提供丰富选择的同时,对土壤和作物的改善效果需进一步探究明确。本文选取牛粪、秸秆、木屑、菇渣和草木灰5种农业废弃物开展盆栽试验,通过在黑麦草-水稻轮作下不同有机物料配比组合对土壤养分和作物产量的影响研究,筛选出最适宜的改良黄筋泥田土壤性状的有机土壤调理剂。
供试土壤来源于浙江省东阳市六石街道王村村稻田,稻田土壤类型为黄筋泥田。采集0~20 cm土层的土壤,自然风干后过2 mm筛,装盆备用。供试土壤的基本化学性状:pH值5.4,有机质8.96 g·kg-1,全氮0.83 g·kg-1,碱解氮42.44 mg·kg-1,有效磷10.77 mg·kg-1,速效钾66.75 mg·kg-1。
采用牛粪、秸秆、木屑、菇渣和草木灰5种有机物料,通过一定比例混合造粒,制成4种颗粒状有机土壤调理剂(有机物料和调理剂成品均来源于金华的肥料厂)。石灰石粉(95.00%CaCO3+0.72%Al2O3+0.14%Fe2O3,pH值9.10,使用前过2.36 mm筛)与聚丙烯酰胺均来源于浙江省农科院环境资源与土壤肥料研究所。以上物料的养分含量测定方法均依据《土壤农业化学分析方法》[14]。第一季作物为黑麦草,种子购买于江苏萌蕴种业有限公司;第二季作物为水稻,品种为浙优18。
盆栽试验于2019年11月至2020年9月在浙江省农业科学院温室进行。共设6个处理,分别为牛粪+秸秆(T1)、牛粪+秸秆+木屑(T2)、菇渣(T3)、菇渣+草木灰(T4)、菇渣+草木灰+石灰石粉(T5)、菇渣+草木灰+石灰石粉+聚丙烯酰胺(T6)。6个处理间的碳和养分施用总量保持一致,N、P2O5、K2O含量分别为240、120、150 kg·hm-2。T1、T2、T3、T4调理剂施用量分别为35、50、40和35 g;T5在T4的基础上添加16.7 g石灰石粉,T6在T5的基础上再添加3.3 g聚丙烯酰胺。每处理重复4次,随机区组排列。施入有机物料养分不足的部分,用化学肥料投入补足。氮肥为尿素(46% N),磷肥为钙镁磷肥(12% P2O5),钾肥为氯化钾(60%K2O)。所有有机物料和肥料做基肥一次性施入,后期不再添加任何肥料。盆栽规格为42 cm×42 cm×31 cm(长×宽×高),每个盆中装入10 kg的风干土,与供试物料充分混匀后装入盆中。于2019年11月装盆种植黑麦草,2020年3月收获黑麦草;2020年4月下旬播种水稻,6月初移栽,9月中旬收获。各处理的黑麦草季和水稻季全生育期管理措施一致,水稻季不添加肥料。
在黑麦草和水稻收割前,分别从每个盆栽土中取500 g土壤样品,自然风干后过筛进行养分测定。黑麦草和水稻整株收获后,经清洗和烘干,测定生物量和株高。水稻籽粒烘干后测千粒重和产量;将植株烘干粉碎后测其氮磷钾含量,分析黑麦草和水稻的养分吸收利用情况。
根据《土壤农业化学分析方法》[14]测定土壤基本化学性状。pH值采用玻璃电极法测定,有机质采用重铬酸钾容量-外加热法测定,全氮采用浓硫酸催化消煮-凯氏定氮仪定氮法测定,碱解氮采用碱解扩散法测定,有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。
将植株先进行硫酸-过氧化氢消煮,全氮采用凯氏定氮仪定氮法测定,全磷采用钼锑抗比色法测定,全钾采用火焰光度计法测定。
采用Excel和SPSS分析软件进行数据分析,所有结果用平均数±标准偏差表示。采用SPSS 26.0统计软件对结果进行单因素方差分析(One-way ANOVA),利用Tukey法检验同一因数下各处理间差异显著性(P<0.05)。
不同有机物料配比组合的养分含量如表1。
表1 不同有机物料配比组合的养分含量
不同有机物料配比组合在黑麦草-水稻轮作下对土壤化学性状的影响如表2所示。
由表2可知,在黑麦草季,T5、T6的pH值显著高于其他处理,说明石灰石粉改善了黑麦草季土壤的酸性;T2、T3的有机质含量显著高于T4~T6,说明牛粪+秸秆+木屑、菇渣处理提升土壤有机质含量的作用优于菇渣+草木灰处理;T1、T2和T3间有机质含量无显著差异,表明牛粪+秸秆、牛粪+秸秆+木屑和菇渣3个处理在有机质的提升效果上相似;T3的土壤全氮指标显著高于T2和T4,与T1无显著差异,说明菇渣对土壤全氮的提升作用要优于牛粪+秸秆+木屑和菇渣+草木灰处理。各处理的土壤碱解氮和有效磷含量间无显著差异;T3的土壤速效钾含量显著低于其他处理,说明菇渣处理对土壤速效钾的提升效果最差。
表2 不同有机物料配比组合对黑麦草-水稻轮作下土壤化学性状的影响
在水稻季,T1、T2、T3和T4的土壤pH值间无显著差异,说明这4个处理对土壤酸性的改善作用相似。T4的土壤有机质含量显著低于其他各处理。各处理的全氮和碱解氮含量间无显著差异。T2的有效磷含量显著高于T4,说明牛粪+秸秆+木屑处理对土壤有效磷的提升效果显著优于菇渣+草木灰处理。T2的土壤速效钾含量显著高于T3和T4,而与T1间无显著差异。
如图1所示,黑麦草的产量为T3最高,产量为29.48 g·盆-1,显著高于其他处理,且其他5个处理间无显著差异,产量在8.83~16.16 g·盆-1之间。水稻稻谷的产量表现为T3、T4和T5无显著性差异,产量在50.42~54.30 g·盆-1,显著高于T1、T2和T6。
柱上无相同小写字母者表示同一作物组间差异显著(P<0.05)。图1 不同有机物料配比组合对黑麦草-水稻产量的影响
由表3可知,T3、T4和T5的黑麦草全氮含量间无显著性差异,但均显著高于T1和T2,其中T3的黑麦草全氮含量比T1提高53.45%;各处理黑麦草的全磷和全钾含量间无显著性差异。
表3 不同有机物料配比组合对水稻吸收养分的影响
水稻的全氮、全磷含量以T6处理最高,T6的全氮含量显著高于其他处理;各处理间全钾含量无显著性差异。
本研究表明,不同有机物料的配比投入对黑麦草-水稻轮作下的土壤肥力均有不同的提升和改善,如黑麦草季添加石灰石粉处理的pH值迅速升高,但到水稻季土壤pH值又有所下降,证明石灰石粉对土壤酸碱性的调理效果迅速,但不持久[15]。有机物料配比投入土壤并经微生物降解后,最直接的培肥效果就是土壤有机碳含量的增加[16]。黑麦草季和水稻季显示,牛粪+秸秆、牛粪+秸秆+木屑、菇渣处理对有机质的提升效果要明显优于菇渣+草木灰处理;而菇渣处理对黄筋泥田土壤全氮的提升作用要优于牛粪+秸秆+木屑和菇渣+草木灰2个处理,但在水稻季,牛粪+秸秆、牛粪+秸秆+木屑和菇渣处理的全氮含量间无明显差异,这表明可能3种有机物料配比组合对土壤全氮的提升作用迅速但短效。土壤速效氮磷钾养分在黑麦草季的差异并不显著,而在水稻季各有差异,这可能与有机质分解缓慢有关,在第二年种植水稻并经水分干湿交替加速分解后,有机物料对土壤的改善作用才逐渐显现[17]。由于黄筋泥田土壤的主要障碍因子是土壤有机质含量和土壤酸碱性高低,并且根据黑麦草-水稻两季作物的土壤理化性状综合判断,牛粪+秸秆、牛粪+秸秆+木屑和菇渣3种有机物料配比组合对土壤理化性状的改良作用要优于菇渣+草木灰处理。
水稻季各处理的生物量要远多于黑麦草,这可能与有机质到第二年才释放养分有关,也可能与种植作物种类有关。本研究还表明,在黑麦草季,菇渣处理的黑麦草产量要显著高于其他处理,说明菇渣处理对黑麦草的增产效果最佳,可能是因为与黑麦草季菇渣处理的土壤有机质和全氮养分含量较高有关;在水稻季,菇渣和菇渣+草木灰2个处理对水稻的增产效果最佳,但各处理下水稻对氮磷钾养分的吸收差异并不明显。
综合6个有机物料配比组合对黄筋泥田土壤性状、作物产量和养分吸收的影响,明确了菇渣对土壤理化性状的改良和作物养分的吸收优于其他处理,并且菇渣处理的黑麦草和水稻产量均显著优于其他处理,所以菇渣可作为改良黄筋泥田土壤的适宜有机物料。