土壤质量不仅关乎动植物的生产力, 还关乎人类赖以生存的大气和水^[1-2]。常规农业中长期大量使用化肥、农药等导致农田土壤肥力下降、土壤酸化、重金属污染等问题^[3], 并且会降低农田生物多样性^[4], 因此被看作土壤质量下降的重要因素之一。土壤有机质含量作为反映土壤肥力的主要指标之一, 其理想状况是达到50 g·kg^-1, 但我国实际平均值却不到10 g·kg^-1, 土壤有机质需要自然累积100年才能提高一个百分点^[5]。目前土壤酸化问题突显^[6], 土壤pH降低、交换性酸含量增加, 对生态环境和农业生产造成严重危害^[7]。随着工业水平的迅速发展, 工厂污水、生活废水的排放使土壤重金属污染严重, 我国遭受重金属污染的耕地约占全国耕地总面积的1/6^[8]。常规管理农田生产高度集约化, 农药化肥的过度使用会直接杀死土壤动物, 导致土壤动物数量减少, 生物多样性下滑^[9]。这些土壤问题会严重破坏农田生态系统的平衡与稳定, 进而影响农作物的产量和品质, 对农民的收入和消费者的健康也会造成负面影响^[10]。

相对于常规集约化农业的负面效益, 有研究发现通过有机管理可以提高土壤肥力、改善土壤质量^[11], 有机肥的使用有利于土壤质量和土壤肥力的恢复^[12-13]。有机农业作为可持续发展的农业模式之一, 是指遵循自然规律和生态学原理, 按照有机农业生产标准, 不使用化肥、农药等化学生产资料, 采用可持续发展技术使作物自然生长的一种农业^[14]。目前已有很多研究印证了有机管理可有效改善土壤质量^{[11, 13]}, 显著提高土壤酶活性^[15-16], 明显提高土壤有机质、氮、磷和速效钾含量^[17], 有效抑制土壤重金属的富集^[18]。土壤生物对有机农业的反映是积极的, 有机耕作会提高土壤动物的密度^[19]。另外, 有机管理措施也可以显著提高稻田中动物种类和数量^[20], 增加农田步甲科的物种丰富度^[21]。但也有研究表明有机种植改善土壤质量的效果还存在一定的不确定性, 不同土地利用方式可能也会影响最终的结果^[17]。

基于此, 在前人研究的基础上, 结合本研究设计, 本文提出如下2个假设: 1)总体上(综合5种土地利用方式的均值和方差), 有机管理农场的土壤质量显著优于常规管理农田; 2)有机管理农场每种土地利用方式的土壤质量指标均显著优于常规管理农田的相同土地利用方式。为此调查了浙江宁波一个多土地利用方式有机农场及其附近的常规农田区, 对大棚菜地、果园、露天菜地、农田边界、稻田田埂5种土地利用方式下的农田进行土壤取样和土壤动物调查, 对比了不同管理措施及不同土地利用方式下的农田土壤质量, 以探明有机管理对不同土地利用方式下土壤质量的影响, 从而为有机管理更有效地改善农田土壤质量提供数据支持。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于浙江省宁波市海曙区古林镇。该地区属亚热带季风气候, 年平均气温16.4 ℃, 年平均降水量1480 mm, 多年平均日照时数1850 h; 地形以平原为主。宁波市是传统粮食主产区, 同时也是长江三角洲南翼经济中心和化工基地, 城市周边的农田容易受到工业污染的影响, 农田土壤质量堪忧^[22]。

有机农场(29°80′N, 121°40′E)位于古林镇前虞村, 占地68.7 hm², 由宁波天胜农牧公司统一经营管理。自2011年建立至今, 农场在全区域范围内实行有机管理, 未使用化肥和农药。常规管理农田区(29°81′N, 121°45′E)位于有机农场西约5 km的古林镇共任村, 总面积约66.7 hm², 该区域农田为常规集约化耕作管理方式。有机农场和常规管理农田区位于姚江、奉化江上游区域, 土壤类型属于水稻土, 母质为各种酸性和基性岩, 受到的气候、水文的影响和后期的人为干扰基本相同, 具有基本一致的成土条件。研究区域有机管理区主要施用由禽、畜粪便、发酵床填料和部分农作物秸秆等堆肥调制的有机肥, 含总氮13.5 g·kg^-1、磷15.1 g·kg^-1、钾21.9 g·kg^-1和有机质688.0 g·kg^-1, 不施用农药杀虫剂; 常规管理区主要施用商品复合肥和化肥, 其中复合肥氮磷钾含量分别为150.0 g·kg^-1, 常用的农药杀虫剂有氯氟啶虫脒、啶虫哒螨灵、康枯、稻藤、有三唑磷、啶虫哒螨灵、吡虫啉等, 研究区域具体种植情况和施肥施药情况等见表 1。

1.2 样地设置

在有机农场选择大棚菜地(DC)、果园(GY)、露天菜地(LC)、农田边界(NB)、稻田田埂(SD) 5种土地利用方式。在每种土地利用方式下设置3个重复样地, 样地间间隔至少100 m。同时在相隔5 km外的一片常规管理农田区域内, 选取同样的土地利用方式和重复数, 两地共计30块样地。由于常规管理区果园数量有限, 按要求选入作为调查样地的2个果园已经荒废超过3年, 另外1个果园管理粗放, 未施用农药、化肥已3年。对于果园和露天菜地面状土地利用方式, 在样地中心取1个10 m×10 m的样方。对于大棚菜地、农田边界、稻田田埂带状土地利用方式, 在样地中间取1条1 m×100 m或2 m× 50 m的样带。

1.3 土壤理化性质测定与土壤动物调查

于2018年8月初采用五点法对面状土地利用方式各个样地的表层土壤进行取样。对于带状土地利用方式在样地中间线间隔5 m, 设置5个取样点。将取回的常温土壤风干、研磨后测定土壤有机质含量、pH、营养元素含量及重金属元素含量。分别用电位测定法、重铬酸钾容量法、重铬酸钾-硫酸消化法、碱解扩散法、硫酸-高氯酸消煮法、碳酸氢钠法、NaOH熔融-火焰光度计法测量土壤pH和有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾含量。用原子吸收仪测定重金属元素含量。

采用手拣法收集土壤中的蚯蚓。对于面状土地利用方式, 在每个样地中选取3个样点, 点间的距离5 m, 且距离样地边界的5 m以上。对于线状土地利用方式, 在样地中央线间隔5 m以上选取3个样点。每点挖取30 cm×30 cm×20 cm (深)的土块并将其放在一块白色塑料膜上, 用手分拣土块中的蚯蚓。分别于5月底和7月底进行两次调查, 合并统计每个样地3个样点和2次取样的蚯蚓总条数。

用地表陷阱法调查地表节肢动物。面状土地利用方式内采用五点法在每个样方内设置5个陷阱杯。带状样地内设5个陷阱杯, 分别沿样带中央线间隔5 m放置。陷阱杯为高度12 cm、杯口直径8 cm的硬质塑料杯。杯内倒入1/3的饱和食盐水, 添加几滴洗洁精溶液以破坏液面的表面阻力。使容器上边缘稍低于或者与土壤表面持平, 并在容器上方5 cm处支撑一块有机玻璃片作为防雨罩。在5月28日—6月11日、7月27日—8月24日期间开展调查, 共计6周, 每放置1周收集标本并更换溶液。合并每个样地6次调查的数据, 分别统计其中的蜘蛛、步甲和倍足纲的个体数量。

1.4 数据分析

采用方差分析法进行不同管理措施和不同土地利用方式下土壤各指标的差异显著性检验。综合5种土地利用方式下不同管理措施之间的比较采用双因素(不同管理措施+不同土地利用方式)方差分析, 而对于同一土地利用方式下不同管理措施间的比较采用单因素方差分析。利用软件Excel和SPSS 16.0对所得数据进行整理和分析, 并检验数据是否符合正态性和方差齐性的假设(P > 0.05), 如不符合进行log转换后再进行方差分析。为进一步分析不同管理措施下土壤质量的差异, 对营养元素、重金属元素、动物数量3个维度共计20个指标的原始数据标准化后进行主成分分析, 运用Canoco 4.5软件进行主成分分析并出图。

2 结果与分析 2.1 有机管理和常规管理下不同土地利用方式的土壤营养元素特征

针对有机管理和常规管理下不同土地利用方式的双因素方差分析表明, 总体上, 有机管理的土壤pH均值显著高于常规农田(P < 0.05)(图 1A), 但有机质含量在有机和常规管理间差异不显著(图 1B)。同一土地利用方式下, 有机管理和常规管理的单因素方差分析表明, 只有露天菜地土壤pH和有机质含量显著高于常规管理土壤, 分别提高23.95%和51.51%。另外, 有机管理方式下农田边界的土壤pH显著高于常规管理(图 1A), 但是有机管理果园的有机质含量却显著低于常规管理(图 1B)。

两种管理措施下不同土地利用方式土壤主要营养元素的差异显著性检验结果(表 2)显示, 综合5种土地利用方式的均值来看, 有机管理的土壤全磷、全钾、有效磷含量显著低于常规管理农田土壤(P < 0.05)。针对同一种土地利用方式, 露天菜地土壤全氮含量有机管理高于常规管理, 但是果园土壤全氮含量低于常规农田。另外, 有机管理下农田边界的有效磷显著低于常规管理。

2.2 有机管理和常规管理不同土地利用方式下土壤重金属元素含量

有机管理和常规管理方式下不同土地利用方式的双因素方差分析表明(表 3), 综合5种土地利用方式的均值来看, 有机管理的土壤Cr、Cu、Ni、Zn含量均值显著低于常规管理土壤(P < 0.05)。针对同一种土地利用方式, 不同管理方式的单因素方差分析表明, 有机管理下大棚菜地土壤Cr、Ni、Zn含量显著低于常规管理。另外, 有机管理农场中果园和稻田田埂土壤Cu含量、露天菜地和农田边界土壤Zn含量显著低于常规管理农田土壤。

2.3 有机管理和常规管理不同土地利用方式下土壤的动物数量

针对不同管理措施和各土地利用方式下土壤中动物数量的双因素方差分析显示(表 4), 综合5种土地利用方式的均值来看, 有机管理农场土壤中蜘蛛目、倍足纲、步甲、蚯蚓数量均显著高于常规管理农田(P < 0.05)。对于同一种土地利用方式, 不同管理措施土壤中动物数量的单因素方差分析表明, 有机管理的果园土壤倍足纲数量显著高于常规农田, 露天菜地土壤蜘蛛目、倍足纲和步甲数量均显著高于常规种植农田, 稻田田埂中步甲和蚯蚓数量均显著高于常规种植农田(表 4)。

2.4 有机管理和常规管理不同土地利用方式下土壤质量指标的主成分分析

通过主成分分析法对不同管理措施和不同土地利用方式下的20个土壤质量指标(土壤养分含量、重金属含量、动物数量等)进行综合评价, 结果如图 2所示。主成分分析提取的前两个主成分覆盖了原始数据47.6%的变异量。PCA结果表明, 有机管理下的样地除与常规管理的农田边界有交叉外, 稻田田埂(SD)、农田边界(NB)、果园(GY)和大棚(DC)在有机管理和常规管理下的土壤质量均有明显差异。总体来看, 有机管理的土壤动物蚯蚓、蜘蛛、步甲和倍足纲较多, 土壤pH较高, 土壤全P和有效磷含量较低, 重金属Cu、Pb、Zn、Cr含量较低。

3 讨论

张正等^[23]发现有机管理可以活化土壤养分, 显著提高土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量, 其中有机质含量比常规管理农田提高124.21%。而本研究5种土地利用方式土壤有机质含量均值在不同管理措施下差异并不明显。在考虑同一种土地利用方式下农田土壤质量时, 有机管理与常规管理有所差异, 如露天菜地的有机管理可以显著提高土壤有机质含量, 因为有机管理下露天菜地施用的有机肥量大, 且其有机质含量高, 而种植作物蔬菜强度有限, 有利于有机质的积累; 但果园土壤有机质含量有机管理显著低于常规管理, 这主要是由于该研究选取的常规管理果园处于荒废状态, 无喷洒农药、施用化肥等常规管理措施且未移除杂草, 因此有机质得以积累。本研究有机管理的土壤全磷、全钾、有效磷含量均值显著低于常规管理农田土壤, 可能是因为在常规种植过程中施用大量磷肥和钾肥, 而有机肥的养分在这个过程中没有完全有效释放^[24]。在同一土地利用方式下, 有机管理的露天菜地全氮含量高于常规管理, 是由于有机肥能提供均衡的养分, 不仅可以提高土壤有机质含量, 而且可以减少土壤氮素的流失^[24]。不过, 需要注意的是, 即使是同一种土地利用方式下, 有机管理和常规管理的肥料N、P、K和有机质的投入量是存在明显差异的, 因此, 针对养分和有机质的分析结果还需要更为严谨的控制试验进行验证。

综合5种土地利用方式的土壤pH均值和露天菜地、农田边界的土壤pH都显著高于常规种植土壤, 且露天菜地土壤pH提高23.95%, 这是由于有机肥在腐烂分解时会消耗较多的质子^[25]; 但是大棚菜地在有机和常规管理下pH均小于6, 说明该地区大棚菜地土壤酸化问题严峻, 有机管理方式并不能从根本上解决土壤酸化问题, 还需要更长期的跟踪或其他更直接的改善土壤酸化问题的方法, 如添加石灰。导致大棚菜地土壤酸化的原因很多, 大棚菜地的集约化强度远远高于露天菜地, 常规大棚菜地一年种植约6轮, 需大量化肥投入, 有机大棚菜地一年种植2轮绿叶蔬菜, 利用强度较大。同时, 有机农场使用的有机肥主要是由禽、畜粪便制成, 稻草、秸秆等使用量相对较少。过多使用禽、畜、人粪尿等制成的精有机肥虽然具有速效性, 能在土壤中及时分解转化为无机养分, 但如果过量施用精有机肥也会导致土壤酸化^[26]。

土壤重金属含量均低于土壤污染风险管制值。从总体来看, 有机管理的土壤Cr、Cu、Ni、Zn含量均值均低于常规管理土壤(P < 0.05)。该结果与陈怀锅^[27]的研究结果一致, 这与有机种植不施用化肥、农药有关^[18], 说明有机种植可以有效缓解农田土壤重金属污染。而在同一种土地利用方式下有机管理大棚菜地土壤Cr、Ni、Zn含量均显著低于常规管理, 果园和稻田田埂土壤Cu含量、露天菜地和农田边界土壤Zn含量也显著低于常规管理农田, 但As、Pb等含量差异并不显著, 这可能是由于有机管理长期大量施用含禽、畜粪便的有机肥导致土壤中As、Pb富集^[28]。

汪汇海等^[29]的研究发现, 有机管理下土壤动物个体数是常规管理的1.87倍, 说明有机管理可以明显提高土壤中动物数量。本研究中有机管理土壤各动物类群数量均显著高于常规管理(P < 0.05), 尤其是综合5种土地利用方式时, 有机管理土壤倍足纲数目是常规管理土壤的25.9倍, 该结果与毛妙^[30]的研究结果一致。这是因为有机管理不施用农药、化肥, 有助于改善土壤环境, 从而有利于土壤动物的生存繁殖^[14]。另外一方面, 有机管理增加土壤动物的效益在不同土地利用方式间的差异, 可能与每种土地利用方式具体的管理实践相关。例如大棚菜地, 不管是有机还是常规管理下的较强种植管理强度和半封闭的环境都不利于土壤动物的生存, 即使实施有机管理效果也不明显。很多研究发现在常规管理下, 农田边界的生物多样性要显著高于农田内部^[31-32], 因为农田边界作为一种半自然土地利用方式, 本身受到的集约化影响较小, 可以作为常规管理区土壤动物的栖息地。在本研究常规管理区中, 也发现农田边界土壤动物数量高于农田内部, 但是有机管理下露天菜地中的蜘蛛、备足纲等土壤动物数量甚至高于农田边界。这可能是由于有机管理农田内部受到的集约化影响有限, 主要是耕作栽培等, 而无农药化肥影响, 因此其环境和农田边界相差不大, 且还能为土壤动物提供更多的食物来源。可见, 相对于常规管理, 有机管理更有助于提升农田内部的土壤动物数量。

上述研究结果与本研究提出的假设1)相符, 即综合5种土地利用方式的均值来看, 有机管理下土壤质量显著优于常规管理农田, 与相关研究结果一致^[24]。但并不符合假设2), 有机管理并非在所有土地利用方式中均能改善土壤质量和所有指标。不同土地利用方式有不同的管理实践和农田环境, 因此会对有机管理改善土壤质量的效果产生不确定的影响。在大棚菜地中, 半密封的环境和过度的集约化导致有机和常规两种管理措施下土壤pH、有机质、养分、动物数量差异不显著, 仅Cr、Ni、Zn等重金属差异显著。而有机管理下的露天菜地有更多指标显著高于常规管理, 这可能是由于土壤pH、有机质、动物等在露天开放的环境下, 更能获取有机管理带来农田环境改善的益处。由于本研究中常规管理的果园基本无管理, 也不存在使用化肥农药的情况, 而有机管理的果园进行了机器除草等活动, 因此土壤有机质和全氮等含量反而在有机管理方式下更低。这说明有机和常规之间的差异, 关键是具体的管理实践措施。农田边界和水稻田埂属于半自然土地利用方式, 受人为管理的影响较小, 而稻田田埂在常规管理下存在更少的蚯蚓和步甲可能是由于常规稻田的蔺草(Juncus effusus)和水稻轮种中大量施用农药所致。因此, 针对不同的土地利用方式和不同的土壤质量指标, 采取针对性的实践措施才能更好地改善土壤质量。例如针对大棚菜地, 相对于有机管理, 降低集约化和人为干扰程度可能是改善土壤质量更好的方式。对于露天菜地来说, 虽然有机管理能增加土壤有机质和土壤动物, 但是还需要改善有机肥的品质, 以便快速发挥肥效, 提升其养分质量, 从而更好地改善土壤质量。

4 结论

有机管理措施可以有效改善土壤质量, 包括有效防止农田土壤酸化, 降低Cr、Zn、Cu、Ni等重金属含量, 提升露天菜地等土地利用方式有机质含量, 特别是增加露天菜地内部的蚯蚓、蜘蛛、步甲和倍足纲等土壤动物数量, 但是并非在所有土地利用方式下都能取得显著效果, 甚至降低土壤P、K含量, 且每项指标在不同土地利用方式间不存在一致性的规律。例如, 对于大棚菜地来说, 有机种植也存在土壤酸化的问题, 但有助于降低土壤Cr、Ni、Zn含量。有机管理下的水稻田埂能为步甲、蚯蚓等土壤动物提供更好的栖息地, 但对于露天菜地的农田边界不存在此规律。因此, 在实际耕种及土壤养护过程中要因地制宜, 根据不同的土地利用方式针对不同土壤质量指标选用不同的实践措施有效改善土壤质量。对于露天菜地和蔬菜大棚, 除了有机管理, 还需要采取其他技术措施进一步改善土壤养分供给和减低土壤重金属含量。总的来说, 有机种植对露天菜地的土壤质量改善效果较好。农田土壤质量的改善不仅与管理措施有关, 还与所处土地利用方式等环境因素有关, 因此生产者应针对不同的种植环境选择合适的有机种植技术, 从而更好地改善土壤质量, 提高农业生产力, 有效促进增收。

致谢: 感谢宁波天胜农牧“四不用”农场职工陈良才、华家宁的田间协助。感谢古林镇共任村经济合作社吴红峰社长对于调查的支持和帮助。