红壤坡耕地免耕有机肥培肥对土壤质量和作物产量的影响

2019-04-27杨佩文王应学高家卫施竹凤徐胜涛李铭刚杨群辉朱红业

西南农业学报 2019年11期

张庆，何翔，杨佩文，王应学，高家卫，施竹凤，徐胜涛，李铭刚，杨群辉，朱红业*

(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南昆明 650205；2.云南农业大学植物保护学院，云南昆明 650201；3.曲靖市马龙区土壤肥料工作站，云南曲靖 655100；4.云南大学，云南昆明 650091)

【研究意义】按照坡耕地耕层土壤质量评价等级划分，云南坡耕地耕层土壤质量总体处于中等水平(0.4～0.6)[1]。耕地坡度陡，土壤土层浅薄、有机质含量低，水土流失和土壤侵蚀严重，诸多因素是制约云南坡耕地资源可持续利用的重要瓶颈。据估计，云南省坡耕地水土流失面积12.08万km2，年流失土壤超过4.5亿t，占水土流失总面积的90 % 以上，是坡耕地质量恶化的重要原因[2]。另一方面，耕地过度利用、重化肥和轻有机肥等不适宜的利用方式导致耕地质量不断退化。加强坡耕地土壤质量保育对云南山地资源的可持续利用意义重大[3-4]。【前人研究进展】保护性耕作是减少土壤表土流失，提高土壤抗侵蚀性，保持土层结构，改善土壤理化性状，实现节能降耗和节本增效的先进农业耕作技术，是坡耕地土壤保育的主要技术措施[5]。中国20 世纪70 年代末开始试验示范少(免)耕、深松、秸秆覆盖等保护性耕作技术，90 年代以来在西北旱区、华北灌溉两熟区、东北一熟旱作区和南方稻麦两熟及双季稻区得到了不同程度的推广应用。近年来保护性耕作技术已在中国北方15 个省(自治区、直辖市)推广应用面积超200×104hm2[6]。不同的耕作区，根据农业地理生态条件和作物生产特点及布局，与其他农业技术相结合，因地制宜形成了相应的保护性耕作模式，免耕技术研究逐步完善，免耕模式不断创新，免耕栽培应用面积迅速扩大，免耕栽培的成效显著。【本研究切入点】不同的土地耕作方式对土壤性质产生不同的影响，相应地改变土壤质量，从而导致作物产量的变化。针对云南坡耕地生产利用所存在的土壤侵蚀加剧、土壤有机质含量下降、土壤结构的稳定性降低等突出问题，以滇中典型红壤坡耕地长期旱作区域为研究对象，利用田间长期定位试验，研究免耕有机肥培肥与传统耕作土壤理化性状、土壤微生物群落结构变化规律；分析作物经济学产量与土壤理化和土壤微生物群落结构间的关系。【拟解决的关键问题】探讨红壤坡耕地免耕有机肥培肥耕作对土壤生态系统结构、功能、生产力的影响，揭示免耕耕作对红壤坡耕地土壤耕层构建的机制，为红壤坡耕地土壤可持续利用提供理论支撑，同时对于对维持红壤坡耕地作物高产、稳产及保证区域粮食安全具有重要的理论意义和实践价值。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

定位试验位于云南省曲靖市马龙区旧县镇高堡村委会下南屯村(东经103°22′19.03′′，北纬25°20′5.22′′，海拔1979 m)，所属区域气候为低纬高原季风型气候，冬春干旱，夏秋湿润，季节干湿分明，雨量充沛，年平均气温13.9 ℃，年降水量1040 mm，年平均日照时数1985 h以上，风向多西南风。土壤类型为山原红壤，坡耕地类型为坡改地(8°)，坡向西南，作物种植模式为玉米单作。

1.2 试验设计

从2015年开始，根据试验田作物种植模式，每年分别在玉米种植季节，持续开展坡耕地耕层构建长期定位试验，试验设2种不同模式(处理)，每个处理3个重复，共6个小区，随机区组排列，每个小区长3 m、宽15 m，面积为45 m2。处理1(NE)免耕配施有机肥：免耕(耕深0 cm)，配施堆沤肥、玉米配方复合肥和尿素；处理2(NA)免耕未施有机肥：免耕(耕深0 cm)，配施玉米配方复合肥和尿素。其中，堆沤肥为农家常规堆沤肥，养分含量分别为有机质88.10 %，氮(N)1.70 %，磷(P2O5)2.14 %，钾(K2O)0.81 %，用量为11 250 kg/hm2。复合肥养分含量为氮∶磷∶钾含量为15∶5∶5，总养分含量大于25 %，处理1(NE)用量为600 kg/hm2，处理2(NA)用量为1200 kg/hm2。堆沤肥和复合肥在玉米种子播种前施用。为保证各处理养分总投入量相等，处理2(NA)分别于拔节期追施46 %尿素196 kg/hm2、16 %过磷酸钙196 kg/hm2和50 %硫酸钾196 kg/hm2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品采集、处理于玉米收获期按照常规取样法取样，分别取0～20、20～40、40～60 cm 3个土层土样，每个小区对角线5 点取样，然后混合均匀为1个样，一部分土样过1 mm 筛后迅速放入做好标记的自封袋中，置于低温保温箱中带回实验室以备DNA提取，另一份进行自然风干，待充分干燥后置于室温妥善保藏，以备后续理化性状分析。

1.3.2 土壤养分指标测定土壤pH 值采用pH 仪测定；有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定；全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑比色法测定，速效磷含量采用碳酸氢钠提取法测定；全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定，速效钾含量采用盐酸浸提-AAS法测定[7]。

1.3.3 土壤容重、田间持水量和土壤含水量土壤容重用环刀法取样烘干测定：挖土壤剖面，用规格为高5 cm、容积100 cm3的环刀在0～20、20～40、40～60 cm分层取样，每层3 次重复，环刀样扣盖密封后带加实验室烘干测定。土壤含水量(%)=(原土重-烘干土重)/烘干土重×100，土壤体积含水量=土壤含水量×容重。

1.3.4 土壤细菌种群丰度分析 ①土壤样品DNA 提取、PCR扩增及高通量测序:用OMEGA 土壤DNA 提取试剂盒提取土壤微生物总DNA，高通量测序所用引物为16Sr RNA基因 V3-V4区引物：338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA -3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT -3’)，PCR扩增产物经2 %琼脂糖凝胶电泳进行检测，并对目标片段进行切胶回收、定量，最后送上海派森诺生物科技有限公司，采用Illumina MiSeq平台进行高通量测序。②测序数据分析:原始数据经过整理、过滤及质量评估，获得可用于后续分析的序列(Clean Data)。序列按97 %的序列相似度进行归并和OTU划分，根据OTU划分和分类地位鉴定结果，统计每个样本在各分类水平各自微生物类群的具体组成。进一步计算Chao1丰富度估计指数和ACE指数，评价各样品微生物群落的丰富度；计算Shannon多样性指数和Simpson 多样性指数，评价各样品微生物群落的丰富度和均匀度。最后使用QIIME软件，获取各样本在各分类水平上的组成和丰度分布。根据每个样本在各分类学水平的组成和序列分布，比较每个分类单元在样本(组)之间的丰度差异。

1.3.5 作物生物量和产量测定均按各小区实收计产，统计每个小区的有效株数和穗数量，各小区单独测产，测定小区穗总产量，茎叶风干后测干重。

1.4 数据统计分析

数据处理文中数据和图表分别采用Excel 2007和DPS7.0软件进行处理，差异显著性检验采用新复极差(DMRT)法，显著水平设定为a=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤容重、田间持水量和土壤含水量的变化

由表1可看出，处理1(NE)在0～20、20～40 cm 2个土层深度的土壤容重、田间持水量及土壤含水量高于相应的处理2(NA)，分别提高11.11 %和10.26 %、10.26 %和9.46 %、6.32 %和9.11 %；在40～60 cm土层深度的各项指标无差异。各土层深度下，持续免耕有机肥培肥处理4年后，在一定程度上提高了土壤容重、田间持水量及土壤含水量，其中土壤容重和土壤含水量差异不显著，而田间持水量差异显著。

2.2 土壤样本理化性状测试结果

不同处理土壤样本的理化性状测定结果表明，持续免耕有机肥培肥处理4年后，对土壤理化性状的影响不同(表2)。

处理1(NE)在0～20、20～40、40～60 cm 3个土层深度的pH、有机质、全氮、碱解氮 4项理化性状高于相应的处理2(NA)，pH分别提高10.80 %、7.19 %、3.54 %，有机质分别提高18.47 %、23.02 %和30.86 %，全氮分别提高11.28 %、17.86 %和16.22 %，碱解氮分别提高7.33 %、16.21 %和7.36 %，但差异不显著。而2个处理不同土层深度的土壤全磷、全钾、速效磷、速效钾 4个理化性状无差异。各土层深度下，持续免耕有机肥培肥处理4年后，相对提高了土壤pH、有机质、全氮、碱解氮 4项理化性状指标，对土壤全磷、全钾、速效磷、速效钾 4个理化性状影响则较小。

表1 不同处理的土壤容重、田间持水量及土壤含水量测定结果

注：表中测定值为平均值±标准差；同列同一土层数据后不同小写字母表示在0.05水平下差异显著。下同。

Note： The values in the table were mean ± SD; Different lowercase letters after data of the same soil layer in the same column indicate significant difference at 0.05 levels. The same as below.

表2 土壤样本主要理化性状

2.3 免耕有机肥培肥对土壤原核微生物群落结构组成的影响

2.3.1 土壤样品MiSeq高通量测序序列归并、OTU划分和细菌Alpha多样性特征采用Illumina Miseq高通量测序技术对土壤细菌群落组成进行对比分析，测序数据分析统计结果如表3所示。测序文库的覆盖度均达到97 %以上，说明绝大部分细菌的序列可以被测出，测序结果有较好的代表性。原始数据经整理、过滤及质量评估，土壤样品共获得201 860条Clean tags。基于≥97 %的相似度水平，通过OTU划分和分类地位鉴定，共获得45 291个OTUs。同一土层深度不同处理的ACE、ChaoI、Simpson和Shannon 4个Alpha多样性指数统计分析结果表明，各指数差异不显著。

2.3.2 土壤细菌群落分类学组成分析根据OTU划分和分类地位鉴定结果，获得每个样本在各分类水平的具体组成，土壤样本细菌群落在门分类水平上的组成及相对丰度结果如表4所示。

根据物种注释结果，在门的分类水平上，检测到的优势微生物种群主要有5大门类(≥1.91 %)，分别为Proteobacteria(变形菌门，10.96 %～34.88 %)、Chloroflexi(绿弯菌门，8.92 %～46.82 %)、Actinobacteria(放线菌门，9.51 %～31.44 %)、Acidobacteria(酸杆菌门，8.52 %～18.63 %)和Gemmatimonadetes(芽单胞菌，1.91 %～8.08 %)，其所占比例为85.93 %～93.34 %。其它门类种群仅占6.67 %～14.07 %，且其所占比例均小于1.91 %。

从2个处理细菌种群丰度差异对比结果来看，与免耕常规处理相比，免耕有机肥培肥处理主要影响0～20 cm深度土层的细菌种群丰度，相对提高了Proteobacteria、Acidobacteria和Gemmatimonadetes 3个门类的细菌种群的丰度，分别提高23.65 %、39.72 %和42.08 %，而降低了Chloroflexi和Actinobacteria的种群丰度，减少53.03 %和49.15 %。20～40 cm至40～60 cm土层的细菌种群丰度变化则相对较小。

表3 土壤样本细菌OTS丰度及α多样性指数

表4 土壤样本细菌群落在门分类水平上的组成及相对丰度

表5 不同处理对玉米作物生物量和产量的影响

2.4 不同处理作物生物量和产量测定结果

由表5可看出，持续免耕有机肥培肥处理4年后，对作物生物量和产量均有不同程度的影响。与免耕常规处理相比，免耕有机肥培肥处理提高玉米产量20.09 %，差异达显著水平；提高玉米秸秆生物量10.86 %，差异不显著。

3 讨论

3.1 免耕有机肥培肥对土壤物理性状的影响

土壤耕层厚度是土壤养分的重要载体和储存库，与土壤肥力紧密相关，直接反应土壤的发育程度，是评价土壤肥力的重要指标，也是判断土壤侵蚀程度的重要衡量指标。良好的耕作层厚度与结构有利于作物生长和根系分布，是作物高产稳产的基础[8]。相关研究表明，土层厚度与土壤生产力水平呈对数关系，增厚土层的增产效果存在报酬递减规律[9]。而耕层土壤变薄是坡耕地作物产量降低的最主要、最直接的原因[10]。传统的耕作方式使土壤的犁底层变厚、变硬，而使耕作层变薄，阻碍作物根系的下扎，不利于根系吸收深层养分。构建合理耕层结构是改善土壤结构、提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率的重要途径，而免耕、少耕、秸秆覆盖还田等保护性耕作则是构建合理耕层结构的有效措施。土壤物理结构决定土壤质量的变化趋势和强度，保护性耕作对土壤不同土层的理化性状产生不同程度的影响，使土壤结构向着自然土壤成土过程发展[11]。本试验研究结果表明，持续免耕有机肥培肥处理4年后，提高了0～20和20～40 cm田间持水量和土壤含水量，对于改善土壤的物理性质的有一定的促进作用，结果与报道的相关研究结果相同。另一方面，相对于免耕常规处理，持续免耕有机肥培肥处理在一定程度上提高了土壤容重，结果与刘武仁等研究结果相同，免耕土壤比较紧实，土壤容重偏大，还可能与试验区域的土壤类型、地理生态条件等因素有关，有待进一步研究[12]。

3.2 免耕有机肥培肥的土壤化学性质和对作物产量的影响

保护性耕作通过对耕地实行免耕、少耕，配以作物稻秆、残茬、有机物覆盖，尽可能减少土壤耕作，从而达到有效控制土壤侵蚀、减少水土流失和改良土壤环境提高土壤肥力的目的[13]。土壤保护性耕作与作物覆盖、以及氮磷钾肥对土壤有机碳和土壤肥力的影响的相关研究表明，土壤有机质、全氮、速效磷及速效钾等化学性质与秸秆覆盖量呈极显著的直线回归关系，保护性耕作能显著增加养分在土壤中的积累，并呈随着保护性耕作年限延长而增加的趋势[14]。本研究结果也表明，在滇中红壤坡耕地区域，持续免耕有机肥培肥有利于提高土壤pH、有机质、全氮和碱解氮含量，但对土壤全磷、全钾、速效磷、速效钾 4个理化性状影响较小。

保护性耕作通过改善土壤物理性质，蓄水保墒，提高水分利用率，同时增加土壤肥力和养分的有效性，使作物产量结构显著优化，而产生增产效应。保护性耕作所形成的土壤环境以及肥料运筹的差异等因素决定了作物的生长发育过程和产量形成。本试验结果表明，持续免耕有机肥培肥处理均能在一定程度上增加作物生物量和产量[15-16]。然而，关于保护性耕作对作物产量的影响，因研究者的试验区域生态类型区和土壤类型不同研究结果不尽相同。因此，保护性耕作技术应该结合不同生态类型区域进行相应的技术体系研究与应用。

3.3 免耕有机肥培肥对土壤微生物群落组成的影响

微生物是土壤养分循环关键过程的驱动者与调节者，具有相似功能的微生物类群构成微生物群落的基本功能单元，不同的功能群落共同调控和驱动养分循环各个过程，每个过程由微生物相应功能基因编码的关键酶所调控，微生物不同的代谢途径和生物周转过程影响了养分的生物地球化学循环过程[17]。不同生态区域的不同土壤类型，由于受土壤环境的影响，其微生物种群组成不同，微生物的多样性和均匀性反映了该土壤生态系统的稳定性、和谐性及对抗土壤微生态环境恶化的缓冲能力，是衡量土壤肥力的一个重要指标[18]。土壤微生物种群组成和数量与耕作方式密切相关，常规耕作土壤受机械扰动而呈相对均质性，免耕免除机械扰动呈相对异质性，从而影响微生物在土层中的垂直分布[19]。相关研究表明，免耕由于土壤机械扰动而保持了良好的土壤孔隙度，有利于提高好氧固氮菌、亚硝酸氧化细菌等细菌种群结构组成与多样性[20]。本试验结果表明，持续免耕有机肥培肥处理对土壤微生物Alpha多样性的影响差异不显著，但对土壤细菌种群有一定的选择作用，提高了Proteobacteria、Acidobacteria和Gemmatimonadetes等3个门类的细菌种群丰度，而降低了Chloroflexi和Actinobacteria种群丰度。微生物种群组成和数量受耕作制度、作物种类、土壤类型、生态环境等多种因素的影响，其调控机制有待进一步研究。