不同土壤改良措施对机械压实酸化蔗地土壤理化性质及微生物群落结构的影响

罗 俊 林兆里 李诗燕 阙友雄 张才芳 杨仔奇 姚坤存 冯景芳 陈建峰 张 华,*

不同土壤改良措施对机械压实酸化蔗地土壤理化性质及微生物群落结构的影响

罗 俊1林兆里1李诗燕1阙友雄1张才芳1杨仔奇1姚坤存1冯景芳1陈建峰2张 华1,*

1福建农林大学 / 农业农村部福建甘蔗生物学与遗传育种重点实验室, 福建福州 350002;2来宾市利拓农业服务有限公司, 广西来宾 546100

探讨不同土壤改良措施对土壤物理性质、养分、微生物和甘蔗产量的影响, 对机械压实后酸性土壤改良策略的制定具有较为重要的意义。本研究设置添加松土精(B2)、添加生物菌肥(B3)、添加有机肥(B4)、添加生石灰(B5) 4种土壤改良处理, 以不添加土壤改良剂作为对照(B1), 连续2个作物季对蔗地土壤物理性质、养分、微生物和甘蔗产量构成等指标进行研究。结果表明, B4处理可显著降低土壤容重、紧实度、贯入阻力和抗剪强度, 提高土壤总孔隙度、通气孔隙度和毛孔孔隙度, 其固相容积率显著低于对照, 液相容积率显著高于对照, 土壤有机质含量、全氮含量得到显著提升, B2、B3处理紧实度和总孔隙度降低, 土壤物理性状得到一定改善, B5处理土壤pH值显著提升, 土壤酸性得到改善, B3、B5处理土壤有效磷含量得到显著提升。4种土壤改良措施土壤细菌和真菌Shannon指数、Chao1指数和ACE指数均高于对照, 均能提升土壤耕层细菌和真菌的物种多样性和物种丰富度, 降低土壤细菌中Proteobacteria (变形菌门)和Acidobacteria (酸杆菌门)的相对丰度、真菌中Basidiomycota (担子菌门)的相对丰度, 增加细菌中Actinobacteria (放线菌)和Chloroflexi (绿弯菌门)的相对丰度、真菌中Ascomycota (子囊菌门)的相对丰度, 并改变其他真菌群落组成。4种土壤改良措施均可不同程度地提高成熟期甘蔗有效茎数和单茎重, 从而增加甘蔗产量; 效果以添加有机肥最好, 生物菌肥其次。本研究为筛选适合改良和培肥机械压实酸性土壤措施, 提高甘蔗产量提供了科学依据。

甘蔗; 蔗地; 土壤改良; 土壤物理性状; 产量; 微生物群落结构

我国是世界主要产糖国, 甘蔗是重要制糖工业原料, 种植区域集中在桂中南、滇西南、粤西琼北, 2018年种植面积约120万公顷, 蔗糖产量944.5万吨, 占食糖总产的88%[1-2]。我国主蔗区75%以上属坡耕地, 地力基础瘠薄, 加之长期连作, 忽视地力养蓄, 过施偏施化肥, 反复浅层耕作以及南方季节性暴雨淋溶和高温干旱, 使土壤结构脆弱, 退化风险加剧, 养分有效利用率低下, 亟待养蓄和提升[3-4]。

生产全程机械化是我国甘蔗产业竞争力提升的重大关键技术。机械化不仅是处理劳动力不足的基本路径, 也是集成现代农业生产模式和技术, 打破甘蔗单产瓶颈的重要途径[5]。以机械化为甘蔗生产方式转变的抓手, 可形成品种更新、地力改良、宿根改善、营养高效的新型生产系统, 降成本、提效率、增产量, 提升产业竞争力[6]。生产全程机械化还是引领土地流转, 推动种植业、加工业、服务业联动系统性改革的关键性纽带, 从而整体推进我国蔗糖产业的转型升级发展[7-8]。随着规模化经营的推进, 我国甘蔗生产全程机械化作业条件日渐改善[3]。目前生产全程机械化机具装备的研制、引进和推广应用进入新的发展阶段。农机农艺融合技术日益成熟, 但高产稳产的全程机械化基地所占比重仍然有待提高, 同时因产区类型特点差异、气候不利影响、农机农艺技术融合程度不高、技术的模式化和标准化适应性不强等因素, 技术应用推广效果有待加强。

甘蔗生产全程机械化与传统的人工栽培管理模式相比, 对土壤的最直接影响就是大型机具作业行走对土壤的压实及其造成的土壤物理结构、化学性质、养分吸收、转化特征和微生物生态等的响应和变化[10-11]。田间作业时农机具轮胎及器械对土壤的碾压作用, 会压实土壤, 导致土壤物理结构改变, 孔隙度降低、土壤养分降低、土壤退化[12]。为了缓解和改善生产全程机械化可能伴生的上述对土壤结构和功能的不良影响, 目前采取的主要技术策略, 一是实施保护性耕作技术模式[13], 减少农机具下田作业次数, 采用机械化耕整地、机械化种植或破垄松蔸、机械化收获、结合一次性施肥或用药[11]。二是采用生产全程机械化作业固定路径行走技术模式。借助卫星导航驾驶控制系统, 使耕、种、管、收、运各环节机具作业行走均在预设的全田轮胎接触面积最小、对甘蔗地下部的机械压实传导影响最小、对土壤结构性能影响最少的优化路径上进行。三是持续不断地将甘蔗地力维护和土壤改良作为甘蔗生产最重要的基础性工作。如普遍实施作物轮作制, 如甘蔗与玉米间作、甘蔗与马铃薯间作、大豆与甘蔗轮作[14]。大豆在常用的豆科作物中地上部的生物产量优势最为明显, 可占其总生物量的87.8%, 其中蛋白含量约为2.58%, 被世界各国广泛应用为甘蔗的轮作作物, 甘蔗-大豆间作根际土壤细菌和固氮菌的群落结构和群落多样性受到显著改变[15]。此外, 通常还可以利用生物改良措施来改良土壤, 常用的措施主要有秸秆、农林废弃物、农家肥、生物菌肥以及含有机质的加工副产品如发酵残液、滤泥还田。生物改良措施可以增加土壤有机质, 结合深耕后疏松的土壤环境, 增强微生物活动, 将有机养分分解为可利用形态, 通过长期的效应积累, 改善土壤结构、功能的协调性和养分供给能力[16-18], 持续提高作物产量, 增加土壤中的有效无机氮含量[19]。大量研究表明, 土壤改良剂可以改善土壤理化性状和养分状况, 改善作物生长环境, 提高作物产量[20-24]。

酸性土壤在我国南方分布广、面积大, 具有酸性强、地力贫瘠、土壤易板结、易渗漏的特点, 土壤酸化导致土壤中大量营养元素淋失, 影响作物生长, 降低作物产量[25]。对酸性土壤的修复, 最常用的改良剂是石灰[26], 但长期使用土壤易板结。针对机械压实甘蔗地土壤偏酸性, 缺乏速效磷、速效钾等营养元素, 微生物活性弱的问题, 前人主要利用石灰呈碱性, 生物菌肥含有大量有益微生物, 有机肥富含有机质, 松土精可有效改善土壤团粒结构, 缓解土壤板结等综合改土的作用[21], 以生石灰、松土精、生物菌肥和有机肥等作为改良剂对土壤进行改良。前人研究表明, 粤西酸性土壤增施有机土壤调理剂能提高土壤有机质含量和pH值, 提高土壤有效磷、碱解氮和速效钾含量[27]。合理施用石灰, 可提高土壤pH值和改善土壤养分状况, 提高甘蔗产量和蔗糖分[28], 增加微生物多样性[29]。施用复合微生物菌肥能显著提高甘蔗叶片氮平衡指数和叶绿素SPAD值, 增强根系活力, 促进甘蔗生长, 提高产量[30]。施用有机肥和生物菌肥能改善土壤养分、微生物生物量和微生物群落结构[31-32]。罗俊等[10]则认为深松可打破犁底层, 降低土壤容重、紧实度、贯入阻力和抗剪强度, 实施机械化深松的作业深度应不小于40 cm。前人有关蔗地土壤改良方式的探索都是单一因素[27-29], 关于松土精、生物菌肥、有机肥和生石灰对土壤理化性质和微生物影响的比较研究较少, 国内尚未见针对机械压实酸化土壤的综合改良措施对蔗地理化性质及微生物群落特征影响的相关报道。本研究在明确深松作业的针对性土壤区位和障碍因子基础上, 采用前期研究推荐的深松45 cm[10], 配合深层土壤的外施物料改良措施, 探讨不同土壤改良剂对土壤物理性质、土壤养分、土壤微生物和甘蔗生长的影响, 构建机械压实酸化蔗地合理耕层, 实现高效节能的机具匹配、节本增效, 形成甘蔗良好耕层构建的关键技术体系, 对指导土壤改良策略的制定具有较为重要的意义。

1 材料与方法

1.1 概况

2017年和2018年在来宾市利拓农业服务有限公司机械化示范基地进行试验, 基地地处广西来宾市兴宾区, 东经23°24¢, 北纬108°57¢, 海拔205 m左右, 属南亚热带季风气候区, 多年平均降雨量1500 mm左右, 试验地块为坡度8°~10°缓坡蔗地, 土壤酸性较强, pH (3.57±0.13), 类型为沙质黏土[11]。

1.2 试验设计

采用随机区组设计, 设置添加松土精(B2)、添加生物菌肥(B3)、添加有机肥(B4)、添加生石灰(B5) 4个土壤改良处理, 以不添加土壤改良剂为对照(B1); 参照产品说明书推荐用量确定松土精、生物菌肥添加量, 参照敖俊华等[28]推荐的生石灰用量, 综合考虑各处理投入水平确定有机肥添加量, 同时适当减少复合肥的用量, 使基肥(复合肥+有机肥) N-P-K含量和对照基本一致, 具体实施方案见表1。分别在2017年新植季种植前和2018年宿根季破垄时施用。每个处理6次重复, 5个行区, 行距1.3 m, 行长10.0 m, 小区面积65 m2, 试验周期2年。试验区各处理耕作措施为深松45 cm+旋耕25 cm, 深松作业和旋耕作业分别采用185马力拖拉机悬挂Labrador可调式深松犁和120马力拖拉机悬挂1GKN-300中高箱型旋耕机完成。甘蔗供试品种为‘桂柳05-136’, 下种量为10 t hm-2, 2017年4月下旬种植, 按表1方案进行第1次土壤改良, 2018年3月中旬新植季收获, 2018年4月进行宿根季破垄施肥管理, 按表1方案进行第2次土壤改良, 2019年3月宿根季收获。全程采用机种、机管、机收。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤物理指标 分别于2017年新植季和2018年宿根季甘蔗成熟期从每个小区取3个采样点, 按60 cm × 60 cm × 40 cm规格挖取土壤剖面, 从上到下每隔10 cm分层取样, 共测定4个土层土壤物理性状, 用TJSD-750-II型紧实度仪测定紧实度, 用PT型袖珍贯入仪测定贯入阻力, 用PS-VST-M型剪切仪测定抗剪强度, 分别用环刀取样法、烘干法、室内环刀法、比重瓶法测定容重、含水率、田间持水量、土壤比重, 根据容重、田间持水量、土壤比重和含水率计算毛管孔隙度、总孔隙度和三相容积率[11-12]。

1.3.2 土壤化学指标 分别于2017年新植季和2018年宿根季甘蔗成熟期从每个小区选取3个采样点, 在剖面纵向挖取0~40 cm耕层土壤1 kg样品, 在实验室风干后, 用于测定土壤养分指标。采用电位法测定土壤pH值, 容量法测定土壤有机质, 凯氏蒸馏法测定土壤全氮, 钼锑抗比色法测定土壤有效磷, 原子吸收分光光度法测定土壤速效钾[24,33]。

表1 试验实施方案

1.3.3 土壤微生物测序分析 分别于2017年新植季和2018年宿根季甘蔗成熟期从每个小区选取3个采样点, 用无菌铲于0~40 cm耕层土壤混合取样, 置无菌袋中, 去除石子、植株残体等杂质, 放入冰盒带回实验室, 贮于-80℃冰箱。取每个重复1个土壤样品, 将同一处理的6个土壤样品充分混合作为送检样品。取0.50 g新鲜土壤采用Fast DNA spin Kit (Qbiogene, Carlsbad, CA, United States)试剂盒提取土壤DNA, 每个样品重复3次。通过Bio-Tek Synergy H1全功能酶标仪, 基于波长260/280 nm和260/230 nm的光谱测定吸光度, 测定与评估DNA浓度与质量后送北京诺禾致源科技股份有限公司利用 IonS5TMXL平台进行高通量测序。细菌16S rDNA采用V3-V4通用引物341F (5¢-CCTAYGGGRBGCASCA G-3¢)和806R (5¢-GGACTACNNGGGTATCTAAT- 3¢)[34], 真菌18S rDNA采用V4 通用引物528F (5¢-GCGGTAATTCCAGCTCCAA-3¢)和706R (5¢-AA TCCRAGAATTTCACCTCT-3¢)[35]。通过barcode 区分样品序列, 并对下机原始数据进行质量控制, 去除特异性扩增序列及嵌合体。将多条序列聚类后, 根据序列间的相似性作为域值分成操作分类单元(OTUs)。对OTUs进行分析, 计算群落多样性Chao1指数、ACE指数和Shannon指数。将序列进行物种分类, 对每个样本和每个物种进行序列丰度计算构建样本和物种分类单元序列丰度矩阵, 基于物种分类对门水平和属水平群落绘制条形图。

1.3.4 甘蔗产量性状 分别在新植季和宿根季甘蔗伸长初期(7月)调查甘蔗茎蘖数, 在甘蔗成熟期(12月)调查甘蔗株高、茎径、有效茎数和田间锤度[36-38]。单茎重= (0.785×株高×茎径2)/1000, 蔗茎产量= 单茎重×单位面积有效茎数/1000, 蔗糖分= 田间锤度×1.0825-7.703。

1.4 数据处理

采用DPSv16.05高级版统计软件进行方差分析, 用Duncan’s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤改良措施对土壤容重和紧实度的影响

从表2可知, 不同改良措施全耕层平均土壤容重以B4处理最小, 新宿两季分别比对照(B1)降低11.20%和6.72%, 是唯一对新宿两季土壤容重均有显著改善的改良措施; 分土层看, 0~10 cm和10~20 cm土层, B4处理新植季土壤容重显著低于对照; 20~30 cm和30~40 cm土层, B4处理新宿两季土壤容重均显著低于对照。全耕层平均紧实度以B5处理最大, 新宿两季分别比对照提高10.72%、21.27%, B4处理新宿两季分别比对照降低11.55%和6.35%, B3处理新植季比对照降低14.82%, 宿根季比对照提高10.87%。分土层看, 0~10 cm和10~20 cm土层, B3、B4处理新植季紧实度显著低于对照, B5处理宿根季紧实度显著高于其他3个处理和对照; 20~30 cm土层, B5处理新宿两季紧实度显著高于对照, B4处理宿根季紧实度显著低于对照; 在30~40 cm土层, B5处理新植季紧实度显著高于B2、B3处理。可见, 添加有机肥处理显著降低了耕层土壤容重和紧实度, 随着深度增加、种植年限的增加, 有机质对容重的改善效应有下降趋势。添加松土精处理也在一定程度上降低了土壤耕层的容重和紧实度, 具有疏松土壤的作用, 而添加石灰使土壤耕层紧实度显著升高, 土壤有板结的趋势。

表2 不同土壤改良措施对土壤容重和紧实度的影响

同列标以不同小写字母的值在同一土层不同耕作措施间差异显著(<0.05)。*< 0.05;**< 0.01。

Value followed by different lowercase letters in the same soil layer are significantly different between different tillage measures in the same row spacing at< 0.05.*< 0.05;**< 0.01.

2.2 土壤改良措施对贯入阻力和抗剪强度的影响

从表3可以看出, 不同改良措施全耕层平均贯入阻力B5处理最大, 新宿两季分别比对照提高9.57%和29.49%, B3处理新宿两季分别比对照降低9.29%和提高16.25%; B4处理新植季比对照降低12.49%。分土层分析, 0~10 cm土层, B3、B4处理新植季贯入阻力显著低于对照, B4处理宿根季贯入阻力显著低于B5处理; 10~20 cm和20~30 cm土层, 均表现为B5处理新宿两季贯入阻力处理显著高于对照; 30~40 cm土层, 各处理贯入阻力与对照比无显著差异。不同改良措施全耕层平均抗剪强度B5处理分别比对照提高8.82%和20.83%, 达显著水平, B4处理分别比对照降低17.65%和8.33%, 其中新植季差异达显著水平。0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层, 均表现为B5处理新宿两季抗剪强度显著高于对照, B4处理新植季显著低于对照; 30~40 cm土层, 各处理抗剪强度与对照比无显著差异。贯入阻力代表土壤的机械化适耕性, 抗剪强度反映土体抵抗剪切破坏的极限强度。添加有机肥处理能显著降低贯入阻力和抗剪强度, 添加生物菌肥处理新植季表现为贯入阻力和抗剪强度降低, 具有疏松土壤的作用, 宿根季却表现为贯入阻力和抗剪强度升高, 土壤结构变劣。添加石灰处理贯入阻力和抗剪强度显著升高, 土壤结构变劣。

表3 不同土壤改良措施对土壤贯入阻力和抗剪强度的影响

(续表3)

同列标以不同小写字母的值在同一土层不同耕作措施间差异显著(< 0.05)。*< 0.05;**< 0.01。

Value followed by different lowercase letters in the same soil layer are significantly different between different tillage measures in the same row spacing at< 0.05.*< 0.05;**< 0.01.

2.3 土壤改良措施对土壤孔隙度的影响

从表4可以看出, B4处理新宿两季全耕层平均总孔隙度、毛管孔隙度、通气孔隙度显著高于对照。0~10 cm土层, B4处理新宿两季土壤总孔隙度、毛管孔隙度显著高于对照, B5处理新植季耕层通气孔隙度显著高于对照; 10~20 cm土层, B4处理新植季土壤总孔隙度、毛管孔隙度显著高于对照; 20~30 cm土层, B4处理新植季土壤总孔隙度、宿根季毛管孔隙度显著高于对照; 30~40 cm土层, 各处理土壤总孔隙度、毛管孔隙度、通气孔隙度与对照比无显著差异。可见添加有机肥处理, 土壤总孔隙度及通气孔隙度显著增加, 改善了土壤通气保水性能, 对土壤深层水分蓄积与运输具有促进作用, 而其他3种土壤改良措施对土壤总孔隙度及通气孔隙度的改善效果明显不如添加有机肥处理。

表4 不同土壤改良措施对土壤孔隙度的影响

(续表4)

同列标以不同小写字母的值在同一土层不同耕作措施间差异显著(< 0.05)。*< 0.05;**< 0.01。

Value followed by different lowercase letters in the same soil layer are significantly different between different tillage measures in the same row spacing at< 0.05.*< 0.05;**< 0.01.

2.4 土壤改良措施对土壤三相容积率的影响

从表5可以看出, B4处理新宿两季全耕层平均固相容积率、气相容积率显著低于对照、液相容积率显著高于对照。0~10 cm土层, B4处理新宿两季固相容积率最低, 但仅新植季显著低于对照, 新宿两季液相容积率高于对照; 10~20 cm土层和20~30 cm土层, B4处理新植季固相容积率显著低于对照, 新宿两季液相容积率显著高于对照; 30~40 cm土层, 新宿两季均表现为B4处理固相容积率显著低于对照。可见新植季添加有机肥处理, 降低了土壤固相容积率, 提高了土壤耕层的液相容积率, 对土壤物理结构的改善具有积极作用, 而宿根季上述指标改善效应不显著。

表5 不同土壤改良措施对土壤三相容积率的影响

同列标以不同小写字母的值在同一土层不同耕作措施间差异显著(< 0.05)。*< 0.05;**< 0.01。

Value followed by different lowercase letters in the same soil layer are significantly different between different tillage measures in the same row spacing at< 0.05.*< 0.05;**< 0.01.

2.5 土壤改良措施对土壤养分的影响

从表6可以看出, B5处理新宿两季土壤pH值分别比对照提高10.36%和49.86%, 均达显著水平, B4处理新植季土壤pH值显著高于比对照。新宿两季土壤有机质含量B4处理分别比对照提高15.43%和26.72%, 均达显著水平, B2、B3、B5处理宿根季土壤有机质含量比对照略有提升, 但未达显著水平。新宿两季土壤全氮含量B4处理分别比对照提高15.84%和5.96%, 均达显著水平, B2、B3、B5处理新宿两季土壤全氮含量与对照持平。新宿两季土壤有效磷含量B3处理分别比对照提高55.37%和11.70%, 新植季达显著水平, B5处理分别比对照提高66.28%和2.05%, 新植季达显著水平, B4处理新宿两季土壤有效磷含量比对照略低, 但差异不显著。B2、B3、B4、B5处理新宿两季土壤速效钾含量与对照相比均无显著差异。增施有机肥处理土壤有机质含量、土壤全氮含量得到显著提升, 有效磷含量有降低趋势; 而增施生石灰处理土壤pH值得到显著提升, 改良酸性土壤作用显著, 同时土壤有效磷含量得到显著提升。

表6 不同土壤改良措施对土壤养分的影响

同列标以不同小写字母的值在同一土层不同耕作措施间差异显著(< 0.05)。

Value followed by different lowercase letters in the same soil layer are significantly different between different tillage measures in the same row spacing at< 0.05.

2.6 不同土壤改良措施处理对土壤微生物多样性的影响

Shannon指数是微生物多样性指标, 其值越大物种多样性越大; Chao1指数和ACE指数是微生物物种丰富度指标, 其值越大物种越丰富。由表7可见, B2、B3、B4、B5处理新宿两季的土壤细菌Chao1指数和ACE指数均高于对照, 说明4种土壤改良措施处理均可显著提升土壤耕层细菌的物种丰富度, 新植季B2、B3、B4、B5处理土壤细菌Shannon指标高于对照, 宿根季仅B3处理土壤细菌Shannon指标高于对照。B2、B3、B4、B5处理新植季和宿根季的土壤真菌Shannon指数、Chao1指数和ACE指数均高于对照, 说明4种土壤改良措施均能提升土壤耕层真菌的物种多样性和物种丰富度, 其中添加有机肥处理的效果最明显。

2.7 土壤改良措施对土壤微生物群落结构的影响

从图1可以看出, 不同土壤改良处理细菌和真菌门水平相对丰度和群落组成发生一定改变, 且随时间推移, 细菌群落稳定性低于真菌。土壤中优势的细菌群落包括Proteobacteria (变形菌门)、Acidobacteria (酸杆菌门)、Actinobacteria (放线菌)、Chloroflexi (绿弯菌门), 非优势细菌包括Firmicutes (厚壁菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Gemmatimonadetes (芽单胞菌门)、Nitrospirae (硝化螺旋菌门)、Cyanobacteria (蓝细菌门)等(图1-A, C), 同时新植季和宿根季优势群落的相对丰度会发生调整。与对照相比, B2、B3、B4、B5处理在新植季中降低了土壤Proteobacteria和Acidobacteria的相对丰度, 增加了Actinobacteria、Chloroflexi、Firmicutes的相对丰度, 不同土壤改良处理措施可以调整微生物的相对丰度。值得注意的是, 新植季各土壤改良处理措施的土壤中Chloroflexi是第二大优势门, 然而宿根季第二大优势门是Acidobacteria, 同时与新植季相反的是宿根季添加4种土壤改良措施均提高了Proteobacteria的相对丰度, 说明甘蔗种植不同时期土壤微生物的相对丰度是动态变化的。Ascomycota (子囊菌门)和Basidiomycota (担子菌门)是土壤中含量最丰富的两大真菌群落, 其中Ascomycota、Basidiomycota、Arthropoda (节肢动门)、Chlorophyta (绿藻门)是新植季土壤真菌门水平优势群落, Ascomycota、Basidiomycota 、Mucoromycota (毛霉菌门)、Arthropoda 是宿根季土壤真菌门水平优势群落(图1-B, D)。与对照相比, B2、B3、B4、B5处理在新植季和宿根季中均增加了Ascomycota的相对丰度, 其相对丰度均表现为B1< B2< B3< B4< B5, 在新植季和宿根季均降低了Basidiomycota的相对丰度, 其相对丰度表现为B5< B2< B4< B3< B1。新植季和宿根季通过添加4种土壤改良措施均不同程度上改变了其他真菌群落组成。

表7 不同土壤改良措施对土壤微生物多样性的影响

图1 不同土壤改良处理对细菌和真菌群落组成的影响

A: 新植季不同土壤改良处理门水平细菌群落组成; B: 新植季不同土壤改良处理门水平真菌群落组成; C: 宿根季不同土壤改良处理门水平细菌群落组成; D: 宿根季不同土壤改良处理门水平真菌群落组成。B1: 对照; B2: 松土精; B3: 生物菌肥; B4: 有机肥; B5: 生石灰。

A: bacterial community composition at different levels of soil amelioration treatments in new planting season; B: fungal community composition at different levels of soil amelioration treatments in new planting season; C: bacterial community composition at different levels of soil amelioration treatments in ratoon season; D: fungal community composition at different levels of soil amelioration treatments in ratoon season. B1: control; B2: loose soil essence; B3: biological bacterial fertilizer; B4: organic fertilizer; B5: quick lime.

2.8 土壤改良措施对甘蔗产量的影响

从表8可看出, B3、B4、B5处理新宿两季甘蔗茎蘖数均比对照有不同程度的提升, B2处理新宿两季甘蔗茎蘖数与对照持平。B2、B3、B4、B5处理新宿两季甘蔗株高均显著高于对照, B2、B3、B4、B5处理新宿两季甘蔗有效茎数均高于对照, 其中B4、B5处理新植季甘蔗有效茎数显著高于对照, B3、B4处理宿根季甘蔗有效茎数显著高于对照。B2、B3、B4、B5处理新宿两季甘蔗单茎重均显著高于对照, 其中B3、B4处理新宿两季甘蔗单茎重提升最显著。B2、B3、B4、B5处理新宿两季甘蔗产量均显著高于对照, 其中新植季分别比对照增产12.56%、18.44%、22.89%和15.97%, 宿根季分别比对照增产38.63%、76.23%、76.84%和36.94%。可见, 4种土壤改良措施均可不同程度地提高成熟期甘蔗有效茎数和单茎重, 从而增加甘蔗产量; 从添加效果来看, 添加有机肥效果最好, 其次为生物菌肥。从投入产出情况分析, 按450元吨-1甘蔗收购价计, 新植季B4处理比对照增加土壤改良成本投入1935元 hm-2, 增加甘蔗产量18 t hm-2, 扣除成本后增加收入6165元 hm-2, 位居第一, B3处理比对照增加土壤改良成本投入1050元 hm-2, 增加甘蔗产量14.5 t hm-2, 扣除成本, 增加收入5475元 hm-2, 位居第二。宿根季B3处理比对照增加投入1050元 hm-2, 增加甘蔗产量45.29 t hm-2, 增加收入19,168.5元 hm-2, 位居第一, B4处理比对照增加投入1935元 hm-2, 增加甘蔗产量45.29 t hm-2, 增加收入18,445.5元 hm-2, 位居第二。可见B3和B4处理, 虽比B2、B5处理投入成本增加, 但由于其改良效果明显, 甘蔗增产幅度大, 增加的纯收入也远高于B2(新植3771元 hm-2, 宿根9571.5元 hm-2)、B5(新植5202元 hm-2, 宿根9346.5元 hm-2)。

3 讨论

3.1 不同改良措施对土壤理化性质的影响

地力维护和土壤改良包括化学方式如石灰调酸, 物理方式如土壤结构调理剂, 机械方式如采用改沟植为垄作来增厚耕层、蔗叶地表覆盖疏解机械压实, 生物改良方式如农家肥、生物菌肥以及含有机质的加工副产品如发酵残液、滤泥还田[18]。本研究表明, 增施有机肥处理对改良酸性蔗地效果最为理想, 该措施可以增加土壤有机质, 结合耕作后的疏松土壤环境, 促进微生物活动和使有机养分分解为便于利用的形态, 并通过长期的效应积累, 改善土壤结构、功能的协调性和养分供给能力[16-18]。

本研究中增施有机肥是对新宿2个生长季的土壤容重均有显著改善的唯一的改良措施, 0~20 cm土层有机肥处理仅在新植季显著降低土壤容重, 通过20~40 cm土层表现可以看到随着深度增加、种植年限的增加, 有机质对容重的改善效应有下降趋势。添加有机肥处理在新植季显著降低了土壤紧实度、贯入阻力与抗剪强度, 显著增加了新植季0~30 cm土层总孔隙度、0~20 cm土层毛管孔隙度, 显著降低了新植季0~30 cm土层固相容积率, 显著提高了10~20 cm土层液相容积率, 但宿根季上述指标改善效应不显著。增施有机肥构建的土壤耕层土壤有机质提升最为明显, 且随着施用年份的增加土壤有机质也逐年增加, 提升土壤耕层全氮含量, 施用有机肥对酸化土壤pH值的提升不如石灰, 但可提升土壤对酸的缓冲性, 缓解土壤的酸化[39]。有机肥处理的显著优势也反映出当前蔗区土壤有机质水平低下的突出障碍, 应作为蔗区土壤改良重点。值得注意的是, 如何进一步提高有机质对宿根季土壤孔隙度和三相容积率, 尤其是宿根季20 cm以下土层土壤液相容积率的持续改良效应, 还需进一步开展技术改进。施用有机肥至宿根季表现出对提高土壤有机质含量的显著效果, 总体看有机肥处理土壤有效磷含量有降低趋势。

前人研究认为施用生物菌肥改善了黄瓜连作土壤的理化性状, 提高了土壤酶活性、增加土壤细菌、放线菌数量, 降低真菌数量[40]。本研究中新植季添加生物菌肥处理改善了土壤0~20 cm耕层的土壤紧实度, 降低了土壤耕层贯入阻力和抗剪强度, 土壤总孔隙度也得到改善, 宿根季则表现为0~30 cm土层土壤紧实度显著提高, 贯入阻力和抗剪强度升高, 土壤结构变劣。由于增施生物菌肥能显著提升土壤有效磷含量, 增加土壤细菌的Shannon指数、Chao1指数和ACE指数, 因此, 虽然添加生物菌肥处理宿根季土壤物理性质变劣, 其甘蔗株高、单茎重, 有效茎数均显著大于其他处理, 但依然保持良好的增产效应, 具有良好的投入产出效果。

土壤酸化是我国蔗区的普遍现象, 多用石灰作为改良剂修复酸性土壤, 可中和土壤酸性, 促进作物生长, 是改良酸化土壤, 提高作物产量的有效手段[41]。改良pH值是一个长期的过程, 对于强酸性土壤采用化学法效果较直接和明显。本研究发现连续添加生石灰可显著改善土壤pH值, 同时可以提升土壤有效磷含量, 提高成熟期甘蔗有效茎数和单茎重, 从而增加甘蔗产量, 但施用生石灰虽然容重和孔隙度没有明显变化, 但土壤紧实度、贯入阻力和抗剪强度比对照显著增加, 对土壤物理特性产生不利影响, 连续施用石灰后对产量的提升作用也明显不如施用有机肥和生物菌肥处理, 这与李玉辉等在植烟酸性土壤施用石灰的研究结果一致[41]。

松土精是一种高分子、高活性、无公害、无残留自然降解的生物聚合物, 稳定性强, 能有效地调理改善土壤团粒结构, 消除土壤板结, 增强土壤渗透能力, 提高土壤保蓄养分能力。本研究中, 以新植季为例, 与对照比, 添加松土精处理全耕层土壤紧实度降低6.36%, 容重降低3.20%, 固相容积率降低3.80%, 孔隙度增加3.81%, pH值增加5.32%, 有机质含量增加2.61%, 有效磷含量提高41.91%, 产量增产9.88%, 具有一定的改善土壤物理特性的作用。本研究中添加松土精对土壤物理特性的改善不如添加有机质明显, 主要原因可能是, 土壤深松导致单位面积松土精添加量相对较少; 松土精添加量为每小区600 g, 与5 kg复合肥混合使用, 可能存在施用不均的情况; 土壤深松和松土精均可改善土壤物理特性, 可能存在松土精改善土壤物理特性效应被深松效应所掩盖。因此在甘蔗地上使用松土精可以适当增加松土精用量, 同时可用施松土精来替代深松以改善土壤物理特性。

3.2 不同改良措施对土壤微生物群体结构的影响

Shannon指数反映群落中物种的变化度, Shannon指数高代表群落中物种丰富度高且分布均匀[42]。王桂君研究认为有机肥的施加显著增加土壤细菌群落多样性, 土壤细菌群落的结构组成得到改善, 土壤细菌群落的Chao1指数、Shannon指数、Richness指数显著高于对照, 群落多样性指数与土壤理化指标显著相关, 推测添加改良剂可通过改善土壤理化性质而增加土壤细菌群落的多样性[43]。本研究4种土壤改良剂的施用均提高了土壤微生物的Shannon指数、Chao1指数和ACE指数, 其土壤耕层细菌和真菌的物种多样性和物种丰富度均得到了显著提升。

本研究中, 甘蔗根际土壤中细菌门水平的优势群落包括Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria和Chloroflexi, 真菌门水平的优势群落包括 Ascomycota和Basidiomycota, 这与张聘[44]对甘蔗根际土壤的研究结果基本一致。4种不同土壤改良方案均改变了细菌和真菌门水平相对丰度和群落组成, 新植季和宿根季群落变化中细菌群落稳定性低于真菌,与前人研究结果一致[45], 同时也揭示甘蔗新植和宿植对土壤微生物群落组成有显著影响。Proteobacteria是土壤中最丰富的门[46], 不同的变形菌纲在土壤中的功能差异显著。有研究表明, Proteobacteria可参与产生甲烷和一氧化二氮这2种温室气体。因此, 4种土壤改良措施可降低新植季温室气体增加, 但随着改良时间的推移, 在宿根季继续添加土壤改良措施却有增加温室气体产生的可能。Acidobacteria包括许多寡营养细菌, 在新植季和宿根季4种土壤改良剂均降低其相对丰度, 说明4种土壤改良方案均可改善土壤养分状况。Actinobacteria具有产生多种代谢物如抗生素及分解难降解物质转化为有机物的作用[47]。Chloroflexi是一种丝状光合细菌, 可以摄取二氧化碳[48]。本研究中, 新植季4种土壤改良剂可提高Actinobacteria和Chloroflexi的相对丰度, 说明添加这4种土壤改良剂可促进碳循环, 增加碳储存, 改善土壤环境; 而宿根季再增施松土精和生石灰降低了Actinobacteria的相对丰度, 说明长期施用松土精和生石灰可能降低土壤储碳能力。同时, 新植季细菌第二大优势门为Chloroflexi, 而宿根季为Acidobacteria, 可能由于宿根季甘蔗分泌物或当年环境因素对土壤微生物的影响。Ascomycota是含真菌最多的门, 具有降解有机物质作用, 在有机质含量高的土壤中含量丰富[49-50]。新植季和宿根季Ascomycota相对丰度均提高, 说明添加4种土壤改良剂提高了土壤有机质含量, 且生石灰和有机肥处理效果最为显著。Basidiomycota是真菌中最高等的一门, 种类繁多, 既有与植物共生的有益菌, 也有致使植物病害的有害菌, 4种土壤改良措施均降低了其相对丰度, 可作进一步研究, 以便了解土壤改良措施的改良效果。总之, 我们的研究中, 细菌和真菌相对丰度的变化均反映出4种土壤改良剂提高了土壤碳循环, 改善了土壤养分。新植季增施生石灰和松土精对土壤微生物群落改善更显著, 宿根季增施生物菌肥和生石灰对土壤微生物群落更有利。

3.3 机械压实酸化蔗地的改良措施建议

甘蔗是一种多年生深根型作物, 罗俊等[10]研究认为, 耕作深度达40 cm以上, 配合深层土壤添加改良物料, 构建蔗地合理耕层, 可以提升甘蔗产量。本研究中, 耕作措施统一采用深松45 cm,进行深层土壤的外施物料改良措施, 取得良好效果。试验区土壤pH值达到3.57, 为强酸性土壤, 连续施用2年生石灰后土壤pH值提升1.87个单位, 达到5.44, 土壤酸性得到显著改善, 土壤有效磷含量显著提升, 但连续施用生石灰后紧实度、贯入阻力和抗剪强度显著增加, 造成土壤板结, 对土壤物理性质造成不利影响。而增施有机肥处理降低了土壤容重、紧实度、贯入阻力和抗剪强度, 提高了土壤总孔隙度、通气孔隙度和毛孔孔隙度, 降低了固相容积率, 提高了液相容积率, 提升了土壤有机质含量、全氮含量, 对作物产量提升作用显著, 但对土壤pH值提升作用并不明显, 有效磷含量甚至略低于对照。生物菌肥的土壤改良效果仅次于有机肥, 具有投入水平较低, 产出较高的特点。新植蔗的分蘖能力和成茎能力受土壤酸化的影响可能甚于宿根蔗, 在新植季进行降酸处理对促进产量更为有效、合理。新植季施用生石灰降酸, 持续提高土壤有机质含量、微生物种群数量和活跃度是持续丰产的技术策略。石灰和有机肥联合施用可以弥补各自的劣势, 有效解决单施石灰对土壤结构的不良影响。因此不建议单独用松土精或生石灰改良机械压实酸化蔗地, 在有深松机械的蔗区建议采用深松45 cm+生石灰+有机肥(或生物菌肥)的土壤改良模式, 在没有深松机械的蔗区可以用松土精来替代机械深松, 采用松土精+生石灰+有机肥(或生物菌肥)的土壤改良模式, 在酸性不强的蔗区建议采用深松45 cm+有机肥(或生物菌肥)的土壤改良模式。有机质提升是一个长期的过程, 要注意酸性红壤有效磷含量低的问题, 可以考虑配施磷肥或蔗叶还田。

4 结论

增施有机肥可显著降低土壤容重、土壤紧实度、土壤贯入阻力和抗剪强度, 显著改善土壤总孔隙度、通气孔隙度和毛孔孔隙度, 显著降低土壤固相容积率, 显著提高土壤液相容积率, 以及土壤有机质含量、土壤全氮含量。增施生石灰显著升高土壤pH值得到, 改良土壤酸性, 显著提升土壤有效磷含量。4种土壤改良处理土壤细菌和真菌 Shannon指数、Chao1指数和ACE指数均高于对照, 提升了土壤耕层细菌和真菌的物种多样性和物种丰富度, 降低土壤细菌中Proteobacteria和Acidobacteria的相对丰度、真菌中Basidiomycota的相对丰度, 增加细菌中Actinobacteria和Chloroflexi的相对丰度、真菌中Ascomycota的相对丰度, 并改变其他真菌群落组成。细菌中Proteobacteria为甘蔗根际土壤中含量最丰富的门, 新植季Chloroflexi和宿根季Acidobacteria均为第二大优势菌。4种土壤改良措施均提高了土壤细菌和真菌群落对碳循环的促进能力, 改善土壤养分, 同时表现出真菌比细菌群落更稳定。由真菌和细菌群落的综合影响反映出生石灰、生物菌肥和松土精对土壤微生物改良效果最佳。4种土壤改良措施均可不同程度地提高成熟期甘蔗有效茎数和单茎重, 从而增加甘蔗产量; 效果以有机肥最好, 生物菌肥其次。本研究为筛选适合甘蔗机械化作业后的土壤改良措施, 改良和培肥机械压实后酸性土壤, 提高甘蔗产量提供了科学依据。

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Effects of different soil improvement measures on soil physicochemical properties and microbial community structures in mechanically compacted acidified sugarcane field

LUO Jun1, LIN Zhao-Li1, LI Shi-Yan1,QUE You-Xiong1, ZHANG Cai-Fang1, YANG Zai-Qi1, YAO Kun-Cun1, FENG Jing-Fang1, CHEN Jian-Feng2, and ZHANG Hua1,*

1Key Laboratory of Sugarcane Biology and Genetic Breeding, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian, China;2Lituo Agricultural Services Co. Ltd., Laibin 546100, Guangxi, China

Exploring the effects of different soil improvement measures on soil physical properties, soil nutrients, soil microorganisms and sugarcane yield is of great significance to make the improvement strategy for mechanically compacted acidic soil. In the present study, four soil improvement treatments including applications of loosening soil essence (B2), bacterial manure (B3), organic fertilizer (B4), and quicklime (B5) were set up, with no soil amendment as control (B1) to explore the physical properties, nutrients and microorganisms of soil and sugarcane yield components in two successive crop seasons. The application of organic fertilizer (B4) significantly reduced soil bulk density, soil compactness, soil penetration resistance and shear strength resistance and significantly improved total porosity, aeration porosity and pore porosity of soil. The solid-phase volume ratio of soil was significantly lower than that of control, while the liquid-phase volume ratio of soil was significantly higher than that of control, and the organic matter content and total nitrogen of soil were also significantly improved in B2treatment. The soil compactness and total porosity of B2and B3treatments were reduced, improving the soil physical properties to some extent. The soil pH of B5treatment was significantly improved. The soil available phosphorus content of B3and B5treatments was significantly increased. The Shannon index, Chao1 index, and ACE index of soil bacteria and fungi treated with B2, B3, B4, and B5were higher than those of the control. The four soil improvement measures improved the species diversity and richness of bacteria and fungi in tilled soil layer, reduced the relative abundance of Proteus, Acidobacteria, and basidiomycetes increased the relative abundance of Actinomycetes, Curvularia and ascomycetes, and changed the composition of other fungal communities. These four soil improvement measures improved the number of effective stems and single stem quality of sugarcane at maturity stage to varying degrees, resulting in increased yield of sugarcane. Among them, the effect of organic fertilizer was the best, and followed by that of bacterial manure. This study provides a scientific basis for screening suitable measures to improve the fertility of the mechanically compacted acidic soil, and increase sugarcane yield.

sugarcane; sugarcane field; soil improvement; soil physical properties; yield; microbial community structures

2019-07-19;

2019-09-26;

2019-10-11.

10.3724/SP.J.1006.2020.94102

张华, E-mail: zhanghua4553@sina.com

E-mail: sisluojun@126.com

本研究由福建农林大学科技创新专项(CXZX2017345), 国家公益性行业(农业)科研专项(201503119-04-01), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-17)和国家甘蔗工程技术研究中心开放课题基金(2016-3-1, 2017-2-1)资助。

This study was supported by the Science Foundation of Fujian Agriculture and Forestry University (CXZX2017345), the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503119-04-01), the Earmarked Fund for China Agriculture Research System (CARS-17) and the National Engineering Research Center of Sugarcane Open Fund (2016-3-1, 2017-2-1).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20191011.0855.002.html