2. 江西农业大学理学院 南昌 330045;
3. 江西农业大学生态科学研究中心/江西省高校生态学学科联盟 南昌 330045;
4. 中国科学院南京土壤研究所 南京 210008
2. College of Science, Jiangxi Agriculture University, Nanchang 330045, China;
3. Research Center on Ecological Science, Jiangxi Agriculture University/Ecology Discipline Alliance of Universities in Jiangxi Province, Nanchang 330045, China;
4. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
通过冬季种植绿肥实现“以田养田, 以地养地”的轮作方式, 是我国长江中下游双季稻田绿色可持续发展的重要措施之一。研究表明, 长期冬种绿肥还田一方面能显著增加稻田土壤有机质、全氮及碱解氮等的含量, 培肥提高稻田土壤质量, 增加水稻(Oryza sativa)产量[1-3], 同时还可以提高水稻产量的稳定性和可持续性[4]; 另一方面, 长期种植翻压绿肥能够改变稻田生态系统微生物群落结构和功能, 增加稻田土壤微生物多样性, 提高土壤微生物活性[5]; 稻田冬种绿肥还能提高稻田系统的耐瘠能力[6], 降低稻田杂草密度和减少杂草种类, 达到改善稻田生态系统环境的目的[7]。由此可见, 长期冬种绿肥翻压还田有利于改善稻田生态环境和提高稻田土壤质量。土壤质量是指土壤在生态系统边界范围内, 持续维持作物生产能力, 保持土壤环境质量及促进土壤动植物健康生长发育的能力[8]。土壤质量也是土壤多项功能的综合体现, 在探明土壤质量提升障碍因素的基础上, 对土壤质量进行综合评价, 以监测土壤的质量状况, 对农业的健康可持续发展具有重要意义[9-10]。
目前, 关于我国南方双季稻区稻田土壤质量的研究主要集中在不同土地利用方式[11-12]、稻田绿肥轮作[13]以及不同耕作措施[14]对稻田土壤质量的影响, 而对不同冬种方式下冬季作物和水稻秸秆双重还田对稻田土壤质量提升的量化研究较少。对土壤质量影响的评价也集中在稻田土壤重金属[15]、土壤肥力[16-17]、土壤有效养分[18]及土壤酶活性和养分之间的关系[19]等某一方面或几方面, 对稻田土壤质量影响因子的全面综合评价尚鲜见报道。考虑到土壤质量综合评价目的和尺度的差异, 以及土壤本身为复杂的多功能实体, 对于土壤质量综合评价依然没有统一的标准[20-21]。目前土壤质量综合评价方法主要有6大类: 1)基于农业(稻田)生产能力的评价[22]; 2)基于耕地潜力的评价[23]; 3)基于适宜性的评价[24]; 4)基于土壤及环境质量的评价[25]; 5)基于土壤可持续性的评价[26]; 6)基于分等定级的评价[27]。以上6类评价方法并非是相互独立的, 他们之间相互联系、各有优缺点。
而最小数据集(MDS)是可以反映土壤质量的最少指标参数的集合, 是国内外学者目前在土壤质量评价及管理监测工作中广泛应用的土壤质量评价参数选取方法[21, 28]。该方法应用范围较广, 主要用在不同气候区、不同土壤类型以及不同耕作类型的农田土壤质量综合评价[21, 28-29]。本研究从稻田土壤物理指标、化学指标和生物指标等方面选取26项候选指标, 利用主成分分析法和专家经验法, 结合Norm值和因子载荷, 筛选构建了双季稻区土壤质量评价的MDS, 并采用模糊数学的方法定量评价了双季稻区不同轮作、连作方式的土壤质量, 以期掌握该研究区域土壤质量的现状, 为长江中游地区双季稻田土壤改良和农业健康可持续发展提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验于2015年10月—2017年12月, 选择地处赣东北典型双季稻区的江西省万年县农业科学研究所陈营镇试验田(28°41′N, 116°55′E)进行。试验地属于亚热带季风气候, 气候湿润, 光照充足, 热量资源丰富, 气温季节性变化显著。试验期间年平均气温18.6 ℃, 极端最高气温38.3 ℃, 极端最低气温-5 ℃, 年平均降雨量1 906 mm, 年平均日照时长1 662 h, 年平均风速1.3 m·s-1, 年无霜期260 d。试验基地土壤为第四纪亚红黏土母质发育的潴育土, 试验前表层土壤(0~15 cm)肥力状况为: pH 6.08, 有机质41.81 g·kg-1, 全氮1.97 g·kg-1, 有效磷16.38 mg·kg-1, 速效钾130.00 mg·kg-1, 有机碳24.25 g·kg-1, C/N比为12.31, 阳离子交换量5.89 cmol·kg-1。
1.2 试验设计试验始于2012年春季早稻, 采取单因素随机区组设计, 共设置5个处理: WF-R-R处理(对照), 冬休—早稻—晚稻; MV-R-R处理, 紫云英(Astragalus sinicus)—早稻—晚稻; RP-R-R处理:油菜(Brassica chinensis)—早稻—晚稻; GC-R-R处理:大蒜(Allium sativum)—早稻—晚稻; PO-R-R处理:马铃薯(Solanum tuberosum)(轮)—早稻—晚稻, 此处理自2012年开始冬季种植作物在马铃薯、大蒜、油菜和紫云英之间循环轮作。试验小区采用随机区组设计, 小区周围设置宽1.5 m的保护带进行保护隔离, 每个小区面积为66.7 m2, 每个处理设3次重复, 共计15个试验小区, 试验前每个小区的土壤肥力状况基本一致。试验设计如表 1所示。
不同轮作处理作物品种及施肥量如表 2所示。本试验冬季作物(除大蒜)秸秆全量还田, 其中, 紫云英、油菜和马铃薯秸秆还田量分别为鲜重22 500 kg·hm–2、19 500 kg·hm–2和10 500 kg·hm–2。早稻品种为‘株两优09’, 晚稻品种为‘天优华占’, 早、晚稻化肥施用量为尿素(N 46%)193.2 kg·hm–2, 过磷酸钙(P2O5 12%)420 kg·hm–2, 氯化钾(K2O 60%)202 kg·hm-2。磷肥全部作基肥在水稻移栽前一次性施入; 水稻钾、氮肥施用比例为基肥:分蘖肥:穗肥=4:3:3, 分蘖肥在移栽后5~7 d施用, 穗肥在主茎幼穗长1~2 cm时施用, 早稻秸秆切碎全量还田, 晚稻秸秆覆盖还田。
本试验分别于2016年10月24日、2017年10月25日晚稻收获时, 在每个小区用土壤采集器采集0~20 cm土柱, 混合均匀装入自封袋, 带回实验室, 挑去动、植物残体、根系和石块后, 置于实验室阴凉通风处自然风干之后装袋保存。对于生物多样性的调查, 本研究分别于2年晚稻收获期前的一周内对样地进行全面的调查统计。
1.5 土壤相关指标测定方法土壤有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定, 全氮采用半微量开氏定氮法测定, 碱解氮采用扩散法测定, 速效磷采用Olsen法测定, 土壤pH采用pH计测定, 全钾采用NaOH熔融、火焰光度法测定, 速效钾用1 mol·L-1 NH4OAc浸提-火焰光度法测定[30]。
采用湿筛法, 按干筛后的土粒分布比例, 取100 g干土土样, 用土壤团粒分析仪(XY-100型), 孔径依次为 > 0.5 mm和 < 0.5 mm, 30次·min-1频率振荡40 min, 将各粒级土样烘干称重。用环刀法测定土壤容重, 用烘干法测定土壤含水量, 用比重瓶法测定土壤比重。
土壤微生物数量采用逐级稀释平板菌落计数法[31]测定, 细菌、真菌、放线菌和固氮菌的培养分别采用牛肉膏蛋白胨、孟加拉红、高氏一号(Gause’1)和瓦克斯曼氏77号培养基, 计数结果均以每克干土中的菌落数(CFU·g-1)表示; 土壤微生物量碳、氮的测定采用氯仿熏蒸浸提法, 其含量计算用熏蒸和未熏蒸样品碳含量之差除以回收系数KC=0.45和KN=0.45[32]; 土壤酶活性主要选取与稻田土壤碳、氮和磷等其他元素代谢有密切关系的蔗糖酶(3, 5-二硝基水杨酸比色法)、脲酶(苯酚-次氯酸钠比色法)、碱性磷酸酶活性(磷酸苯二钠比色法)、转化酶(高锰酸钾滴定法)和过氧化氢酶(高锰酸钾滴定法)代表总体土壤微生物酶活性, 其测定方法参照文献[33]。
本试验中多样性指数选择Simposn多样性指数(D)、Margalef丰富度指数(Ma)和Pielou均匀度指数(JP) [34], 公式为:
$ {\rm{Ma}} = (S - 1)/\ln N $ | (1) |
$ D = 1 - \sum {P_i^2} $ | (2) |
$ {\rm{JP}} = - \sum {{P_i}} \ln {P_i}{\rm{/}}\ln S $ | (3) |
式中: S为物种数目, N为物种个体总数, Pi代表某一物种的相对密度。
1.6 土壤质量综合评价方法 1.6.1 最小数据集的确定针对当前长江中游地区双季稻区典型的种植模式, 本研究选择冬季休闲和不同冬种复种5个处理为研究对象, 旨在构建更具普适性的土壤质量评价最小数据集。因此, 首先考虑了冬季休闲和冬季不同种植模式对土壤质量的影响, 通过对土壤因子的土壤属性多变量方差分析确定, 由此计算出可调整的决定系数(R2), 用来表示冬季休闲和冬季不同种植模式对土壤因子属性的影响大小[35]。其次, 计算各土壤因子的载荷矩阵, 确定所有特征值≥1的主成分(PC)上的载荷, 再据此将在旋转矩阵中同一主成分(PC)上载荷≥0.5的土壤质量指标归为1组, 如果某项土壤因子同时在两个主成分上的载荷均 > 0.5, 则该因子应归并到与其他土壤因子相关性程度较低的一组。同时还应综合考虑土壤因子在所有主成分(PC)载荷上的综合载荷Norm值[36]。该Norm值越大说明该土壤质量指标解释总体土壤质量信息的能力越强, 计算方法见公式(4)。再次, 线性转化已分组的各土壤因子的两项得分, 最终得到该土壤因子的分值。选择各组分值最高的5%范围内的指标[37], 作为综合评价土壤质量的候选指标数据集。最后, 在进一步分析候选指标间相关性的基础上, 结合专家经验法以确定最终的最小数据集(MDS)。
$ {N_{ik}} = \sqrt {\sum\nolimits_i^k {(u_{ik}^2{\lambda _k})} } $ | (4) |
式中: Nik为第i个变量在特征值≥1的前k个PC上的综合载荷, uik为第i个变量在第k个PC上的载荷, λk为第k个主成分的特征值。
1.6.2 多样性指标计算方法在模糊综合评价中, 隶属度值由评价指标所属的隶属度函数来决定, 一般主要分为升型(公式5)和降型函数(公式6):
$ fx = \left\{ \begin{array}{l} {\rm{ 0}}{\rm{.1 }}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{ }}x \le {x_1}\\ \frac{{{\rm{0}}{\rm{.9}}(x - {x_1})}}{{{x_2} - {x_1}}} + 0.1\;\;\;{x_1} < x < {x_2}\\ \;\;\;\;\;\;1.0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;x \ge {x_2} \end{array} \right. $ | (5) |
$ fx = \left\{ \begin{array}{l} {\rm{ 0}}{\rm{.1 }}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;x \ge {x_2}\\ \frac{{{\rm{0}}{\rm{.9}}({x_2} - x)}}{{{x_2} - {x_1}}} + 0.1\;\;\;{x_1} < x < {x_2}\\ \;\;\;\;\;1.0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;x \le {x_1} \end{array} \right. $ | (6) |
式中: x1、x2为隶属度函数的转折点, 根据最小数据集(MDS)中不同土壤质量指标因子对于冬季休闲和冬季不同种植模式土壤质量的正负效应选择相应的隶属度函数, 确定该土壤质量指标的隶属度值。各土壤质量指标在所有小区中所测定的最大值和最小值分别记为xmax和xmin。土壤质量综合评价指数(SQI)的计算公式为:
$ {\rm{SQI}} = \sum\nolimits_{i = 1}^n {{w_i} \times f({x_i})} $ | (7) |
式中:wi为土壤质量指标权重, f(xi)为土壤质量指标隶属度, n为土壤质量指标个数。其中, 土壤质量指标权重以某土壤质量指标与其他指标之间相关系数的平均值占所有土壤评价指标相关系数平均值总和的比来表示[36]。
2 结果与分析 2.1 不同轮作方式下土壤指标因子差异显著性分析通过对2016年和2017年晚稻收获期26项土壤指标值(均为2年的平均值, 下同)分析可知(表 3), 在不同轮作方式下, 与冬季休闲处理相比, 最大持水量、含水量、Margalef丰富度指数、pH、全磷、磷酸酶和全钾7项指标各冬季种植处理无显著变化; 容重、Simpson多样性指数、Pielou均匀度指数、有机质、全氮、碱解氮、速效钾、脲酶和转化酶9项指标各冬季种植处理间差异不显著; 与冬季休闲处理相比, 冬季种植紫云英(MV-R-R)和冬种轮作(PO-R-R)处理土壤细菌呈显著性差异, 冬季种植油菜(RP-R-R)和大蒜(GC-R-R)处理则差异不显著; 除冬种轮作(PO-R-R)的真菌外, 各冬季种植处理间土壤真菌、固氮菌和放线菌差异不显著; 而 > 0.5 mm团聚体、< 0.5 mm团聚体、速效磷、MBC、MBN和蔗糖酶6项指标的各冬季种植轮作处理间差异显著(P < 0.05)。由此可见, 不同轮作方式及秸秆双重还田对双季稻田土壤质量有较为明显的影响, 在构建双季稻田土壤质量MDS的过程中, 应该充分考虑其对土壤因子的影响程度。
本研究采用主成分分析法对土壤26项指标进行因子分析(表 4), 主成分(PC)中特征值> 1的有4个, 方差贡献率依次为59.510%、15.336%、7.304%和4.236%, 累计方差贡献率达86.386%, 说明本分析中的4个主成分基本上可以反映不同轮作方式土壤质量差异的主要影响指标。通过计算各主成分上的成分因子载荷大小, 并对其进行分组可知, 第1主成分和第2主成分分别由11项和10项指标构成, 主要反映了稻田土壤的物理、化学和生物学特性; 第3主成分主要由速效钾和pH 2项指标构成, 主要反映稻田土壤化学特性; 第4主成分主要包括土壤团聚体指标和杂草群落3项指标, 主要反映稻田土壤物理特性及间接反映土壤化学特性。在上述基础上, 按照前文介绍的方法, 计算各土壤质量指标的Norm值、可调整R2, 以及两者线性化值之和, 依次选择各组中最高得分值, 同时满足最高值在5%以内的土壤质量指标, 得到候选MDS指标。最终, 初步选定该MDS包括容重、含水量、有机质、全氮、全钾、MBC、MBN、细菌、固氮菌、> 0.5 mm团聚体、脲酶、磷酸酶、pH、碱解氮和速效钾共15项土壤质量指标, 可以大致反映最初选定的26项评价指标的土壤质量状况。
由于上述15项土壤质量指标之间存在显著的相关性, 根据土壤质量评价指标的相对独立性原则, 考虑到上述众多指标中, 各因子间存在显著相关, 采用专家经验法, 对上述15项土壤质量指标进行优化。在土壤物理指标方面, 土壤容重可以较好地综合性地反映土壤的结构、透气性、透水性和保水能力的高低, 因此, 选择土壤容重进入MDS; 在土壤化学指标方面, 相对于全氮、全钾, 一方面有机质与土壤容重、土壤团聚体含量之间相关性较低, 另一方面, 有机质和团聚体含量(> 0.5 mm团聚体)对于土壤水分、通气性、养分有效性以及微生物活性都具有明显影响, 可以更综合地反映土壤肥力状况, 同时 > 0.5 mm团聚体和 < 0.5 mm团聚体之间存在显著相关性, 而由于 > 0.5 mm团聚体与众多因素相关, 与有机质相关性较低, 因此, 选择有机质和 > 0.5 mm团聚体进入MDS; 同时, 考虑到MBC与有机质具有很高的相关性, 故将MBN纳入MDS; 酸性磷酸酶(AP)能够加速土壤有机质的脱磷速度, 提高土壤中磷的有效态含量, 一般也与速效磷呈现显著相关; 而脲酶有利于土壤有机质氮的转化, 一般与土壤有机质显著正相关, 考虑到碱解氮和全氮显著相关, 而脲酶与碱解氮显著相关, 因此, 选择酸性磷酸酶和碱解氮表征土壤酶活性和速效养分; 在微生物方面, 细菌得分值最高, 其在土壤养分转化过程中具有重要作用, 同时与真菌、放线菌也具有显著相关性, 因此, 将其选入MDS; 土壤pH在各处理模式下虽然变化不大, 但会影响土壤微生物活性和养分的吸收利用, 对水稻生长发育具有重要影响, 故选入MDS; 速效钾与其他候选土壤质量指标之间相对独立且相关性较低, 故也应选入MDS。综上所述, 最终确定冬季休闲与不同种植模式土壤质量评价因子MDS由容重、pH、有机质、MBN、碱解氮、速效钾、磷酸酶、细菌和 > 0.5 mm团聚体9项土壤质量指标组成。
2.3 不同轮作方式下土壤质量综合评价 2.3.1 不同轮作方式下土壤最小数据集的统计特征基于上述确定的9项入选MDS指标, 分别对冬季休闲与冬季不同种植模式的稻田土壤质量指标进行单因素方差分析, 结果如表 5所示。
与冬季休闲处理相比, 不同冬种处理稻田土壤容重有所差异, 但未达显著水平, 其土壤容重介于0.92~1.11 g·cm–3, 冬季各种植模式处理均略低于冬季休闲处理, 从低到高依次是冬季种植油菜 < 冬季种植紫云英 < 冬种轮作 < 冬季种植大蒜 < 冬季休闲, 但各冬季种植处理均表现为差异不显著。不同冬种复种各处理稻田土壤pH无显著差异, 最低的冬季种植紫云英处理6.43, 最高的冬种复种轮作处理6.69。除冬季种植油菜处理稻田土壤有机质呈显著增加外, 其余各冬季种植处理有机质差异不显著, 各处理的土壤有机质含量介于41.66~50.55 mg·kg-1且各冬种模式均高于冬季休闲, 从高到低依次是冬季种植油菜 > 冬季种植紫云英 > 冬种复种轮作 > 冬季种植大蒜 > 冬季休闲处理。除冬季种植大蒜处理稻田土壤微生物量氮差异不显著外, 其余各冬季种植处理差异均显著(P < 0.05)。各处理的土壤微生物量氮含量介于96.25~149.54 mg·kg–1, 各冬季种植模式处理均高于冬季休闲处理, 以冬季种植大蒜处理最低, 冬种复种轮作处理最高。不同冬种模式稻田土壤碱解氮之间有所差异, 但差异不显著。土壤碱解氮含量介于105~144.23 mg·kg–1, 各冬季种植模式处理均高于冬季休闲处理, 从低到高依次是冬季休闲 < 冬季种植紫云英 < 冬季种植油菜 < 冬季种植大蒜 < 冬种复种轮作处理。冬季休闲与冬季不同种植模式土壤速效钾含量介于58.56~78.79 mg·kg–1, 除冬季种植紫云英处理高于冬季休闲处理外, 其余各冬季种植处理均低于冬季休闲处理, 各冬季种植处理差异不显著, 以冬季种植紫云英处理最高。各冬季种植处理土壤磷酸酶含量差异不显著, 介于1.62~1.79 mg·g–1, 除冬季种植大蒜处理外, 其余各冬种植模式均略高于冬季休闲, 冬种复种轮作处理最高。冬种复种轮作和冬季种植紫云英处理稻田土壤细菌呈显著性差异, 冬季种植油菜和大蒜处理呈无显著性差异。各处理的土壤细菌含量介于90.47~101.28x105 CFU·g–1, 各冬季种植模式均略高于冬季休闲, 以冬种复种轮作和紫云英处理较高。各冬季种植模式稻田土壤 > 0.5 mm团聚体含量均显著高于冬季休闲处理(P < 0.05), 各处理土壤 > 0.5 mm团聚体含量介于16.67%~21.23%, 各冬季种植处理中以冬季种植油菜处理最高。
2.3.2 不同轮作方式下土壤质量评价通过对5种不同轮作方式样地MDS中土壤质量指标的统计特性进行分析, 并结合南方双季稻田土壤的适宜性, 确定各土壤因子(指标)的隶属度函数。其中, 稻田土壤容重属于降型隶属度函数, pH、有机质、MBN、碱解氮、速效钾、磷酸酶、细菌和 > 0.5 mm团聚体含量属于升型隶属度函数。此外, 按前述方法计算各土壤质量指标权重, 并结合表 4及公式(5)-(7), 最终得到南方双季稻区冬季休闲与不同冬季种植模式土壤质量的评价结果(表 5)。
从不同轮作方式看, 经过6 a冬季种植不同作物后发现, 与冬季休闲处理相比, 各处理的土壤质量从高到低依次是冬种复种轮作 > 冬季种植油菜 > 冬季种植紫云英 > 冬季休闲 > 冬季种植大蒜处理, 除冬季种植大蒜处理略低0.78%, 其余各冬季种植处理提高10.73%~12.91%, 以冬种复种轮作处理的土壤质量最高, 为0.726, 冬季种植大蒜处理最低, 为0.638, 说明冬种复种轮作更有利于提高土壤质量。
3 讨论本研究综合运用多元方差分析、相关性分析和主成分分析(PC)等统计方法, 定量分析了冬季休闲与不同冬季种植模式对土壤质量因子的影响程度, 并根据一定的标准对其进行分组, 最终确定了双季稻田冬季休闲与不同冬季种植模式土壤质量评价的最小数集(MDS)。在利用主成分分析(PC)确定候选MDS的过程中, 本研究既考虑了土壤质量指标在单个主成分上的载荷, 同时还综合考虑了土壤质量指标在全部主成分上的综合载荷Norm值, 以及冬季休闲与不同冬季种植模对土壤质量指标影响程度的可调整R2, 故更具普遍性。因此, 本研究最终确定的冬季休闲与不同冬季种植模式土壤质量评价MDS对于今后长江中游地区双季稻的研究和实践具有重要参考意义。
目前, 对于双季稻区冬季不同种植模式土壤质量的适宜性、实时性及其变化性仍然缺乏较为系统的研究。本研究在确定冬季休闲与不同种植模式土壤质量评价MDS中各土壤质量指标的隶属度函数时, 根据各试验小区所测定的各指标值, 结合专家经验法, 以各测定值没有对双季稻的生长产生明显限制为前提条件, 合理计算了各土壤质量指标的隶属度值。而在水稻实际生产过程中, 当某些土壤质量指标达到水稻生长限制的阈值时, 可能会严重影响水稻的生长, 从而导致水稻无法健康生长发育。因此, 本研究所确定的MDS中各土壤质量指标的隶属度函数应用到其他土壤时, 依然需要慎重考虑。
本研究表明, 长江中游双季稻区不同轮作方式下冬季作物及水稻秸秆双重还田对稻田土壤质量的影响较为明显。各冬季种植处理稻田土壤容重均比冬季休闲处理低7.21%~17.12%, 这与殷志遥等[17]、白建忠等[38]的研究结果一致, 这主要是由于秸秆还田和耕作措施导致土壤容重降低, 同时秸秆还田量越大, 土壤容重降低的相对较为明显。同时也有研究表明, 与单施化肥秸秆不还田相比, 在长期秸秆还田条件下, 随着施肥量的增加, 潮土土壤容重也有明显下降的趋势[39]。本试验各处理的pH无显著性差异, 这可能与本试验所有处理都对水稻秸秆进行了还田和配施了一定量的有机肥有关[40-41]。在有机质方面, 本试验中各冬季种植处理相比冬季休闲处理提高7.92%~20.38%, 由于冬季作物秸秆还田提供了有机质来源从而增加了土壤有机质含量, 这可能是由于不同秸秆及还田量对有机质提升效果不同导致, 但秸秆还田方式(粉碎与否)对提高土壤有机质的效果不明显[42-44], 这与长期(27 a)冬种绿肥研究中冬种紫云英处理比冬种黑麦草(Lolium perenne)和油菜处理的有机质积累量均要高的结论有所差异, 这可能与本研究中冬季种植年限较短有关[1-2]。当然, 秸秆还田和施肥量及施肥方式的交互作用也可能影响稻田土壤的有机质, 秸秆还田与氮、磷、钾配合正好达到土壤养分的平衡, 因而可能加速增加有机质[45], 而本文中秸秆双重还田和配施一定量的化肥对土壤有机质增加的各自作用力及其交互效应还有待于进一步深入分析和探讨。在微生物量氮(MBN)方面, 与冬季休闲处理相比, 各冬季种植处理呈显著提高态势, 主要是由于冬季作物秸秆还田增加了稻田土壤微生物量的缘故, 这与张帆等[45]的研究结果一致; 同时稻草与冬季作物秸秆双重还田能完善底物养分组分、提高微生物基数, 本研究中的冬季种植作物各处理的MBN含量均高于冬季休闲处理的单独稻草还田, 这与周国朋等[3]的研究结果相似, 但本研究中配施一定量的化肥在秸秆双重还田条件下对土壤MBN的影响还有待于进一步研究。在碱解氮方面, 各冬季种植处理相比冬季休闲处理提高20.00%~37.36%, 差异不显著, 这可能与施肥和秸秆还田对土壤碱解氮等养分具有重要影响有关[46], 这也与高菊生等[1]的研究结论基本一致, 同时建议秸秆还田量应控制在3.75~5.25 t·hm–2, 有利于作物增产和培肥地力[38]。在速效钾方面, 除冬季种植紫云英外, 其他各冬季种植处理均低于冬季休闲处理, 这一方面可能由于秸秆持续还田, 还田过量而引起了速效钾的减少[38], 另一方面还可能由于冬季种植油菜地上部钾素吸收较高, 而油菜收籽带走了部分养分而导致冬季种植油菜处理钾偏低[47]; 也有研究表明, 在NPK+100%秸秆还田条件下栗钙土壤的全钾和速效钾含量随着秸秆还田量和施钾的增加而逐渐增加, 但速效钾的增幅比全钾含量的增幅大[48]。在磷酸酶方面, 研究表明, 冬季作物秸秆还田和轮作能较好地提高土壤磷酸酶活性[49-50], 除冬种复种轮作处理外, 各冬季种植处理相比冬季休闲处理提高1.82%~8.48%, 但无显著性差异, 这可能与秸秆还田、冬季种植作物施肥和耕作措施有关, 但与张成兰等[51]研究表明冬种绿肥双季稻在长期施肥模式下, 稻田赤红壤酶活性提高4.9%~68.1%的结论有差异, 这可能与本试验冬季绿肥种植年限、土壤类型和施肥量有关。在细菌方面, 除冬季种植大蒜和油菜处理外, 各冬季种植紫云英和轮作处理相比冬季休闲处理差异显著(P < 0.05), 各冬季种植处理相比休闲处理提高2.39%~11.95%, 冬季作物及水稻秸秆还田能显著提高土壤细菌数量, 这主要是秸秆还田能为土壤新增有机质, 增加土壤酶活性[49, 52], 本试验中冬种作物秸秆及水稻秸秆双重还田条件下配施一定量的化肥, 有利于稻田增加微生物和提高酶活性, 这与张珺穜等[5]的研究结果类似, 而与张成兰等[51]研究发现的施用化肥提高了土壤磷酸酶的活性有所偏差, 这可能与土壤类型和土壤含磷量有关, 这也与本试验中冬种作物处理在冬作季大量施肥的事实基本相符。在 > 0.5 mm团聚体含量方面, 各冬季种植处理相比冬季休闲处理显著提高23.16%~27.35%(P < 0.05), 说明冬季种植作物有利于提高“较大”团聚体含量, 这可能与土壤有机质含量的增加有关, 这与胡诚等[53]的研究结果一致。
在上述入选MDS土壤质量指标的单因素方差分析的基础上, 利用模糊数学法和主成分分析法, 结合专家经验法, 通过计算得出本试验冬季休闲和不同冬季种植模式的土壤质量综合得分, 不同冬种轮作(0.726) > 冬季种植油菜(0.723) > 冬季种植紫云英(0.712) > 冬季休闲(0.643) > 冬季种植大蒜(0.638), 在配施一定量化肥和有机肥的条件下, 冬季种植配合冬季作物及水稻秸秆双重还田处理的稻田土壤质量综合评价优于冬季休闲处理和冬季种植大蒜处理, 同时有机肥(或秸秆还田替代)施用量越多越明显, 这与吕真真等[18]的研究结果相似, 但本试验冬季种植大蒜处理的土壤质量略低于冬季休闲处理, 这可能与冬季种植大蒜处理施用大量化肥和冬季作物秸秆还田量较少有关[53-54]。
总体而言, 通过利用上述评价方法对影响土壤质量的关键核心因子进行分析, 如果同时对其进行长期定位跟踪对比, 以进一步探索土壤质量的变化规律和特征, 阐明配施一定量化肥和秸秆双重还田因素在土壤质量演变过程中所起的作用和机制及其交互效应的大小, 将具有重要的理论和实践意义。
4 结论对长江中游双季稻区进行定位试验研究, 在不同冬种轮作方式配套冬季作物及水稻秸秆双重还田条件下, 对稻田初始26项土壤质量指标进行因子分析, 结合专家经验法, 采用主成分法和模糊数学分析法对入选最小数据集MDS的9项(容重、pH、有机质、MBN、碱解氮、速效钾、磷酸酶、细菌和 > 0.5 mm团聚体)土壤质量指标进行综合定量分析。结果表明在长江中游双季稻区, 冬季种植合适作物配套秸秆双重还田技术能有效提高稻田土壤质量, 以冬种复种轮作(在冬季每年轮流种植马铃薯、大蒜、油菜和紫云英)、冬季种植油菜和冬季种植紫云英的种植模式为佳, 本结果可为该区双季稻的土壤改良和健康可持续发展提供指导。
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