长江中游双季稻田不同轮作方式对土壤质量的影响*

王志强,缪建群,刘英,唐海鹰,张鹏,钟川,黄国勤**,赵其国

长江中游双季稻田不同轮作方式对土壤质量的影响*

王志强1,3, 缪建群2, 刘 英3, 唐海鹰3, 张 鹏3, 钟 川3,黄国勤3**,赵其国4

(1. 九江学院江西长江经济带研究院/九江学院经济与管理学院 九江 332005; 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)

研究长江中游地区不同种植模式和秸秆还田管理下农田土壤养分、有机碳及其酶活性的变化, 评估农业管理措施对土壤质量的影响, 可为长江中游双季稻区农业资源高效利用及可持续发展提供理论依据。2012—2017年进行不同轮、连作长期定位试验, 设置冬季休耕—双季稻, 冬种紫云英—、油菜—、大蒜—和轮作(马铃薯、大蒜、油菜和紫云英年际轮作)—双季稻5个处理, 在冬季作物秸秆和水稻秸秆双重还田条件下, 通过运用多元方差分析、相关性分析和主成分分析等统计方法, 结合南方双季稻田土壤的适宜性, 筛选出最小数据集(minimum data set, MDS)中土壤质量指标并测定, 最后采用模糊数学方法对双季稻区的土壤质量进行定量评价。结果表明, 在长江中游双季稻区, 经过6年的冬季种植合适作物并秸秆双重还田, 相比冬季休闲处理, 除冬季种植大蒜处理外, 其他冬种处理均能有效提高稻田土壤质量10.73%~12.91%, 不同冬种方式下双季稻田的土壤质量高低依次为不同冬种轮作(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)。由此可见, 适宜的轮作方式及秸秆双重还田能显著提高双季稻土壤质量, 这为南方稻田健康可持续发展提供了理论支撑。

双季稻田; 秸秆双重还田; 轮作方式; 土壤质量

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()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()—早稻—晚稻; RP-R-R处理: 油菜()—早稻—晚稻; GC-R-R处理: 大蒜()—早稻—晚稻; PO-R-R处理: 马铃薯()(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。

表1 稻田不同轮处理的试验设计

1.3 供试品种及田间管理

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(P2O512%)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。

1.4 样品采集

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-1NH4OAc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]。

表2 不同轮作方式的试验品种及肥料用量

WF-R-R(CK)、MV-R-R、RP-R-R、GC-R-R和PO-R-R含义见表1。The meaning of WF-R-R(CK), MV-R-R, RP-R-R, GC-R-R and PO-R-R is shown in the table 1.

本试验中多样性指数选择Simposn多样性指数()、Margalef丰富度指数(Ma)和Pielou均匀度指数(JP)[34], 公式为:

式中:为物种数目,为物种个体总数,P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(2), 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)。

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):

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(<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。

表3 不同轮作方式下土壤(指标)因子的测定值

WF-R-R(CK)、MV-R-R、RP-R-R、GC-R-R和PO-R-R含义见表1。数据为3个重复的平均值; 同行不同小写字母表示不同轮作模式间差异显著(<5%)。The meaning of WF-R-R(CK), MV-R-R, RP-R-R, GC-R-R and PO-R-R is shown in the table 1. Data is mean±S.E. of 3 replicates. Different lowercase letters in the same line indicate significant differences among various rotation patterns at<5% level.

2.2 不同轮作方式土壤质量评价因子最小数据集的构建

2.2.1 土壤质量评价因子的主成分分析

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2, 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。

表4 不同轮作方式下稻田土壤(指标)因子主成分旋转载荷矩阵及各因子得分计算结果

2.2.2 土壤质量评价的MDS的确定

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(<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90.47~101.28´105CFU×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(<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。

表5 不同轮作方式下土壤最小数据集的统计特征及土壤质量综合评价结果

WF-R-R(CK)、MV-R-R、RP-R-R、GC-R-R和PO-R-R含义见表1。数据为3个重复的平均值±标准误; 同列不同小写字母表示不同轮作方式间差异显著(<0.05)。The meaning of WF-R-R(CK), MV-R-R, RP-R-R, GC-R-R and PO-R-R is shown in the table 1. Data is mean±S.E. of 3 replicates. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different rotation patterns at<0.05 level.

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2, 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()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(<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%(<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。

[1] 高菊生, 徐明岗, 董春华, 等. 长期稻-稻-绿肥轮作对水稻产量及土壤肥力的影响[J]. 作物学报, 2013, 39(2): 343–349 GAO J S, XU M G, DONG C H, et al. Effects of long-term rice-rice-green manure cropping rotation on rice yield and soil fertility[J]. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(2): 343–349

[2] 高菊生, 曹卫东, 李冬初, 等. 长期双季稻绿肥轮作对水稻产量及稻田土壤有机质的影响[J]. 生态学报, 2011, 31(16): 4542–4548 GAO J S, CAO W D, LI D C, et al. Effects of long-term double-rice and green manure rotation on rice yield and soil organic matter in paddy field[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(16): 4542–4548

[3] 周国朋, 谢志坚, 曹卫东, 等. 稻草高茬-紫云英联合还田改善土壤肥力提高作物产量[J]. 农业工程学报, 2017, 33(23): 157–163 ZHOU G P, XIE Z J, CAO W D, et al. Co-incorporation of high rice stubble and Chinese milk vetch improving soil fertility and yield of rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(23): 157–163

[4] 张帆. 冬季作物-双季稻轮作种植模式氮、磷、钾养分循环与产量可持续性特征[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(5): 705–716 ZHANG F. Nitrogen, phosphorus and potassium cycling and sustainability of rice yield in a winter crop-double cropping rice rotation system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(5): 705–716

[5] 张珺穜, 曹卫东, 徐昌旭, 等. 种植利用紫云英对稻田土壤微生物及酶活性的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2012, 49(1): 19–25 ZHANG J T, CAO W D, XU C X, et al. Effects of incorporation of milk vetch () on microbial populations and enzyme activities of paddy soil in Jiangxi[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2012, 49(1): 19–25

[6] 王莉, 王鑫, 余喜初, 等. 长期绿肥还田对江南稻田系统生产力及抗逆性的影响[J]. 中国水稻科学, 2012, 26(1): 92–100 WANG L, WANG X, YU X C, et al. Effects of long-term green manure application on system productivity and stress resistance of paddy field in the south of the Yangtze River Valley[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2012, 26(1): 92–100

[7] 高菊生, 曹卫东, 董春华, 等. 长期稻-稻-绿肥轮作对水稻产量的影响[J]. 中国水稻科学, 2010, 24(6): 672–676 GAO J S, CAO W D, DONG C H, et al. Effects of long-term rice-rice-green manure rotation on rice yield[J]. Chinese Journal of Rice Science, 2010, 24(6): 672–676

[8] JONES A J. Methods for assessing soil quality[J]. Scientia Horticulturae, 1996, 36(4): 355–356

[9] 刘占锋, 傅伯杰, 刘国华, 等. 土壤质量与土壤质量指标及其评价[J]. 生态学报, 2006, 26(3): 901–913 LIU Z F, FU B J, LIU G H, et al. Soil quality: Concept, indicators and its assessment[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(3): 901–913

[10] 陶宝先, 张金池, 林杰, 等. 苏南丘陵不同林分类型土壤质量评价[J]. 南京林业大学学报: 自然科学版, 2009, 33(6): 74–78TAO B X, ZHANG J C, LIN J, et al. Soil quality assessment of different forest stands in the hilly region of southern Jiangsu Province[J]. Journal of Nanjing Forestry University: Natural Science Edition, 2009, 33(6): 74–78

[11] 李灵, 张玉, 江慧华, 等. 九曲溪生态保护区不同土地利用方式对土壤质量的影响[J]. 中国水土保持, 2011, 32(11): 41–45 LI L, ZHANG Y, JIANG H H, et al. Influence of different land use to soil quality in Jiuquxi ecological protection area[J]. Soil and Water Conservation in China, 2011, 32(11): 41–45

[12] 孔樟良. 利用方式转变对水稻土活性有机碳及碳库管理指数的影响[J]. 土壤通报, 2016, 47(2): 371–377 KONG Z L. Effects of land use change on labile organic carbon and carbon management index of paddy soils[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2016, 47(2): 371–377

[13] 兰延, 黄国勤, 杨滨娟, 等. 稻田绿肥轮作提高土壤养分增加有机碳库[J]. 农业工程学报, 2014, 30(13): 146–152 LAN Y, HUANG G Q, YANG B J, et al. Effect of green manure rotation on soil fertility and organic carbon pool[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(13): 146–152

[14] 孙国峰, 张海林, 徐尚起, 等. 轮耕对双季稻田土壤结构及水贮量的影响[J]. 农业工程学报, 2010, 26(9): 66–71 SUN G F, ZHANG H L, XU S Q, et al. Effects of rotational tillage treatments on soil structure and water storage in double rice cropping region[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(9): 66–71

[15] 尚二萍, 张红旗, 杨小唤, 等. 我国南方四省集中连片水稻田土壤重金属污染评估研究[J]. 环境科学学报, 2017, 37(4): 1469–1478 SHANG E P, ZHANG H Q, YANG X H, et al. Assessment of soil heavy metal of paddy field in four provinces in southern China[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017, 37(4): 1469–1478

[16] 黄晶, 蒋先军, 曾跃辉, 等. 稻田土壤肥力评价方法及指标研究进展[J]. 中国土壤与肥料, 2017, 54(6): 1–8 HUANG J, JIANG X J, ZENG Y H, et al. A review on the evaluation methods and indexes of soil fertility in paddy fields[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2017, 54(6): 1–8

[17] 殷志遥, 黄丽, 薛斌, 等. 稻-油轮作下保护性耕作对土壤肥力的影响及评价[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(11): 1604–1614 YIN Z Y, HUANG L, XUE B, et al. Effect of conservation tillage on soil fertility under rice-rape rotation system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(11): 1604–1614

[18] 吕真真, 吴向东, 侯红乾, 等. 有机-无机肥配施比例对双季稻田土壤质量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(4): 904–913 LYU Z Z, WU X D, HOU H Q, et al. Effect of different application ratios of chemical and organic fertilizers on soil quality in double cropping paddy fields[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(4): 904–913

[19] 杨曾平, 徐明岗, 聂军, 等. 长期冬种绿肥对双季稻种植下红壤性水稻土质量的影响及其评价[J]. 水土保持学报, 2011, 25(3): 92–97 YANG Z P, XU M G, NIE J, et al. Effect of long-term winter planting-green manure on reddish paddy soil quality and its comprehensive evaluation under double-rice cropping system[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(3): 92–97

[20] 黄勇, 杨忠芳. 土壤质量评价国外研究进展[J]. 地质通报, 2009, 28(1): 130–136 HUANG Y, YANG Z F. Recent research progress of overseas soil quality evaluation[J]. Geological Bulletin of China, 2009, 28(1): 130–136

[21] 刘金山, 胡承孝, 孙学成, 等. 基于最小数据集和模糊数学法的水旱轮作区土壤肥力质量评价[J]. 土壤通报, 2012, 56(5): 1145–1150 LIU J S, HU C X, SUN X C, et al. Evaluation of soil fertility quality with a minimum data set and fuzzy logic in the paddy-upland rotation region of Hubei Province[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2012, 56(5): 1145–1150

[22] 吴大放, 刘艳艳, 董玉祥, 等. 我国耕地数量、质量与空间变化研究综述[J]. 热带地理, 2010, 30(2): 108–113 WU D F, LIU Y Y, DONG Y X, et al. Review on the research of quantity, quality and spatial change of cultivated land in China[J]. Tropical Geography, 2010, 30(2): 108–113

[23] 周生路. 土地评价学[M]. 南京: 东南大学出版社, 2006 ZHOU S L. Land Evaluation[M]. Nanjing: Southeast University Press, 2006

[24] FAO. A Framework for Land Evaluation[M]. Rome: FAO, 1976

[25] 刘梦云, 翟丙年, 刘效栋, 等. 基于ARCGIS的商洛烟区土壤环境质量评价[J]. 湖北农业科学, 2016, 55(17): 4476–4479 LIU M Y, ZHAI B N, LIU X D, et al. Soil environment quality evaluation of the tobacco area of Shangluo based on ARCGIS[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2016, 55(17): 4476–4479

[26] MONING K J. Environmental policy performance indicators: A study on the development of indicators for environmental policy in the Netherlands[J]. Journal of the European Academy of Dermatology & Venereology, 2008, 23(1): 109–110

[27] 付强, 金菊良, 门宝辉, 等. 基于RAGA的PPE模型在土壤质量等级评价中的应用研究[J]. 水土保持通报, 2002, 22(5): 51–54 FU Q, JIN J L, MEN B H, et al. Applying RAGA-based PPE model to classify and evaluate soil grade[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2002, 22(5): 51–54

[28] D’HOSE T, COUGNON M, DE VLIEGHER A, et al. The positive relationship between soil quality and crop production: A case study on the effect of farm compost application[J]. Applied Soil Ecology, 2014, 75: 189–198

[29] LIU Z J, ZHOU W, SHEN J B, et al. Soil quality assessment of acid sulfate paddy soils with different productivities in Guangdong Province, China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(1): 177–186

[30] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000 LU R K. Soil Agricultural Chemical Analysis Methods[J]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000

[31] 李振高, 骆永明, 滕应. 土壤与环境微生物研究法[M]. 北京: 科学出版社, 2008 LI Z G, LUO Y M, TENG Y. Soil and Environmental Microorganism Research Method[M]. Beijing: Science Press, 2008

[32] 吴金水. 土壤微生物生物量测定方法及其应用[M]. 北京: 气象出版社, 2006 WU J S. Methods for the Determination of Soil Microbial Biomass and Their Application[M]. Beijing: China Meteorological Press, 2006

[33] 关松荫. 土壤酶及其研究法[M]. 北京: 农业出版社, 1986 GUAN S Y. Soil Enzyme and Its Research Method[M]. Beijing: Agricultural Press, 1986

[34] VAN DEN BERG L, KELLNER K. Restoring degraded patches in a semi-arid rangeland of South Africa[J]. Journal of Arid Environments, 2005, 61(3): 497–511

[35] 李桂林, 陈杰, 檀满枝, 等. 基于土地利用变化建立土壤质量评价最小数据集[J]. 土壤学报, 2008, 45(1): 16–25 LI G L, CHEN J, TAN M Z, et al. Establishment of a Minimum dataset for soil quality assessment based on land use change[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(1): 16–25

[36] 贡璐, 张雪妮, 冉启洋. 基于最小数据集的塔里木河上游绿洲土壤质量评价[J]. 土壤学报, 2015, 52(3): 682–689 GONG L, ZHANG X N, RAN Q Y. Quality assessment of oasis soil in the upper reaches of Tarim River based on minimum data set[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(3): 682–689

[37] SHARMA K L, MANDAL U K, SRINIVAS K, et al. Long-term soil management effects on crop yields and soil quality in a dryland Alfisol[J]. Soil and Tillage Research, 2005, 83(2): 246–259

[38] 白建忠, 陈泽, 丁永锋, 等. 秸秆还田量对水旱轮作作物产量和土壤肥力的影响[J]. 土壤通报, 2017, 48(5): 1185–1191 BAI J Z, CHEN Z, DING Y F, et al. Effect of different straw incorporation rates on crops yields and soil fertility in the paddy-upland rotation system[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2017, 48(5): 1185–1191

[39] 张娟琴, 郑宪清, 张翰林, 等. 长期秸秆还田与氮肥调控对稻田土壤质量及产量的影响[J]. 华北农学报, 2019, 34(1): 181–187 ZHANG J Q, ZHENG X Q, ZHANG H L, et al. Effects of long-term straw returning and nitrogen fertilizer regulation on soil quality and yields of rice field[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2019, 34(1): 181–187

[40] 贾立辉, 朱平, 彭畅, 等. 长期施肥下黑土碳氮和土壤pH的空间变化[J]. 吉林农业大学学报, 2017, 39(1): 67–73 JIA L H, ZHU P, PENG C, et al. Spatial distribution of soil carbon, nitrogen and pH of black soil under long-term fertilization[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 2017, 39(1): 67–73

[41] 黄容, 高明, 万毅林, 等. 秸秆还田与化肥减量配施对稻-菜轮作下土壤养分及酶活性的影响[J]. 环境科学, 2016, 37(11): 4446–4456 HUANG R, GAO M, WAN Y L, et al. Effects of straw in combination with reducing fertilization rate on soil nutrients and enzyme activity in the paddy-vegetable rotation soils[J]. Environmental Science, 2016, 37(11): 4446–4456

[42] 吴其聪, 张丛志, 张佳宝, 等. 不同施肥及秸秆还田对潮土有机质及其组分的影响[J]. 土壤, 2015, 47(6): 1034–1039 WU Q C, ZHANG C Z, ZHANG J B, et al. Effects of different fertilization and straw returning on soil organic matter and its components in fluvo-aquic soil[J]. Soils, 2015, 47(6): 1034–1039

[43] 张雅洁, 陈晨, 陈曦, 等. 小麦-水稻秸秆还田对土壤有机质组成及不同形态氮含量的影响[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(11): 2155–2161 ZHANG Y J, CHEN C, CHEN X, et al. Effects of wheat and rice straw returning on soil organic matter composition and content of different nitrogen forms in soil[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(11): 2155–2161

[44] 王晓波, 车威, 纪荣婷, 等. 秸秆还田和保护性耕作对砂姜黑土有机质和氮素养分的影响[J]. 土壤, 2015, 47(3): 483–489 WANG X B, CHE W, JI R T, et al. Effects of straw returning and conservation tillage patterns on the contents of organic matter and nitrogen nutrient in the lime concretion black soil[J]. Soils, 2015, 47(3): 483–489

[45] 张帆, 黄凤球, 肖小平, 等. 冬季作物对稻田土壤微生物量碳、氮和微生物熵的短期影响[J]. 生态学报, 2009, 29(2): 734–739 ZHANG F, HUANG F Q, XIAO X P, et al. Short-term influences of winter crops on microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and Cmic-to-Corg in a paddy soil[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(2): 734–739

[46] 田磊, 石少华, 张建峰, 等. 长期化肥施用与秸秆还田对玉米根部相关AMF和细菌的群落结构多样性的影响[J]. 土壤与作物, 2017, 6(4): 291–297 TIAN L, SHI S H, ZHANG J F, et al. Effects of long-term fertilization and straw return on diversity indices of AMF and bacteria in maize rhizosphere[J]. Soils and Crops, 2017, 6(4): 291–297

[47] 李继福, 薛欣欣, 李小坤, 等. 水稻-油菜轮作模式下秸秆还田替代钾肥的效应[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(2): 317–325 LI J F, XUE X X, LI X K, et al. Substituting effect of crop residues for potassium fertilizer in rice-rapeseed rotation system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(2): 317–325

[48] 张亚丽, 吕家珑, 金继运, 等. 施肥和秸秆还田对土壤肥力质量及春小麦品质的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(2): 307–314 ZHANG Y L, LYU J L, JIN J Y, et al. Effects of chemical fertilizer and straw return on soil fertility and spring wheat quality[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2012, 18(2): 307–314

[49] 赵亚丽, 郭海斌, 薛志伟, 等. 耕作方式与秸秆还田对土壤微生物数量、酶活性及作物产量的影响[J]. 应用生态学报, 2015, 26(6): 1785–1792 ZHAO Y L, GUO H B, XUE Z W, et al. Effects of tillage and straw returning on microorganism quantity, enzyme activities in soils and grain yield[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(6): 1785–1792

[50] 杨敏芳, 朱利群, 韩新忠, 等. 耕作措施与秸秆还田对稻麦两熟制农田土壤养分、微生物生物量及酶活性的影响[J]. 水土保持学报, 2013, 27(2): 272–275 YANG M F, ZHU L Q, HAN X Z, et al. Effects of tillage and crop residues incorporation on soil nutrient, microbial biomass and enzyme activity under rice-wheat rotation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(2): 272–275

[51] 张成兰, 艾绍英, 杨少海, 等. 双季稻-绿肥种植系统下长期施肥对赤红壤性状的影响[J]. 水土保持学报, 2016, 30(5): 184–189 ZHANG C L, AI S Y, YANG S H, et al. Effects of long-term fertilization on lateritic red soil traits in cropping-green manure planting system[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(5): 184–189

[52] 汪成忠, 胡永红, 周翔宇, 等. 水稻秸秆还田对崇明盐碱地土壤酶活性和微生物数量的影响[J]. 干旱区资源与环境, 2016, 30(8): 132–138 WANG C Z, HU Y H, ZHOU X Y, et al. The influence of rice straw return on soil enzyme activity and microorganism in Chongming saline-alkali[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2016, 30(8): 132–138

[53] 胡诚, 陈云峰, 乔艳, 等. 秸秆还田配施腐熟剂对低产黄泥田的改良作用[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(1): 59–66 HU C, CHEN Y F, QIAO Y, et al. Effect of returning straw added with straw-decomposing inoculants on soil melioration in low-yielding yellow clayey soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(1): 59–66

[54] 鲁艳红, 杨曾平, 郑圣先, 等. 长期施用化肥、猪粪和稻草对红壤水稻土化学和生物化学性质的影响[J]. 应用生态学报, 2010, 21(4): 921–929LU Y H, YANG Z P, ZHENG S X, et al. Effects of long-term application of chemical fertilizer, pig manure, and rice straw on chemical and biochemical properties of reddish paddy soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(4): 921–929

Effect of various crops rotations on soil quality in double cropping rice field in the middle reaches of the Yangtze River*

WANG Zhiqiang1,3, MIU Jianqun2, LIU Ying3, TANG Haiying3, ZHANG Peng3, ZHONG Chuan3, HUANG Guoqin3**, ZHAO Qiguo4

(1. Jiangxi Yangtze River Economic Belt Research Institute, Jiujiang University / School of Economics and Management, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China; 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)

Improved knowledge that may support the efficient utilization and sustainable development of agricultural resources in the middle reaches of the Yangtze River is still needed. Herein, changes on soil nutrients, organic carbon, and enzyme activities under different planting patterns and straw retention were assessed, and the impact of agricultural management measures on soil quality was evaluated in this particular geographical region. The long-term positioning experiment of different rotational and continuous cropping was carried out from 2012 to 2017, and five treatments of rotation patterns including winter fallow-early rice-late rice, winter Chinese milk vetch-early rice-late rice, winter oilseed rape-early rice-late rice, winter garlic-early rice-late rice, and winter rotation (interannual rotation of potato, Chinese milk vetch, oilseed rape, and garlic)-early rice-late rice were set up. Under the condition of winter crop straw and rice straw retention, the soil quality indexes in minimum data set were selected and determined using multiple variance analysis, correlation analysis, and principal component analysis combined with the suitability of the soil in the southern double cropping rice field. Lastly, the fuzzy mathematics method was used to evaluate the soil quality in the double cropping rice area. The data indicated that six years of winter planting suitable crops and straw retention in the double cropping rice area could effectively improve the soil quality of paddy field by 10.73%-12.91% compared with the winter fallow treatment, with exception of the garlic treatment. The soil quality of double cropping rice field under different rotation patterns was in the order of winter rotation (planting different crops in different years during winter) (0.726) > planting oilseed rape in winter (0.723) > planting Chinese milk vetch in winter (0.712) > winter fallow (0.643) > planting garlic in winter (0.638). Therefore, the soil quality of double cropping rice can be significantly improved by suitable rotation with winter crops and double straw returning, which provides a solid foundation for the healthy and sustainable development of paddy fields in southern China.

Double cropping rice field; Straw double return; Crop rotation; Soil quality

, E-mail: hgqjxes@sina.com

Mar. 9, 2020;

May 30, 2020

S55; S365

10.13930/j.cnki.cjea.200177

王志强, 缪建群, 刘英, 唐海鹰, 张鹏, 钟川, 黄国勤, 赵其国. 长江中游双季稻田不同轮作方式对土壤质量的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(11): 1703-1714

WANG Z Q, MIU J Q, LIU Y, TANG H Y, ZHANG P, ZHONG C, HUANG G Q, ZHAO Q G. Effect of various crops rotations on soil quality in double cropping rice field in the middle reaches of the Yangtze River[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(11): 1703-1714

* 国家重点研发计划课题(2016YFD0300208)、国家自然科学基金项目(41661070)、江西省科技厅重点研发项目(20161BBF60058)和江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ181379)资助

黄国勤, 主要研究方向为耕作制度、农业生态和农业可持续发展等。E-mail: hgqjxes@sina.com

王志强, 主要从事农业生态学研究。E-mail: 289459509@qq.com

2020-03-09

2020-05-30

* This study was supported by the National Key R&D Project of China (2016YFD0300208), the National Natural Science Foundation of China (41661070), the Key Research and Development Project of Science and Technology Department of Jiangxi Province (20161BBF60058) and the Science and Technology Research Project of Department of Education of Jiangxi Province (GJJ181379).