不同覆蓋材料對土壤理化性狀和微生物量碳氮含量的影響

任江波，李鈉鉀，秦平偉，陳慶明，汪代斌，江厚龍*

(1. 重慶市煙草公司彭水分公司，重慶 409600；2. 重慶煙草科學研究所，重慶 400715)

【研究意義】干旱是我國北方農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙因素之一[1]，嚴重制約了該區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展。地膜覆蓋作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，于1978年引進我國，成為解決我國干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)長期缺水問題的關(guān)鍵性措施之一。目前，我國已經(jīng)成為世界上地膜覆蓋栽培作物面積最大的國家[2]。地膜覆蓋栽培技術(shù)雖然緩解了干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)缺水問題，改善了農(nóng)作物生長環(huán)境，促進了作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量和效益的提升[3]，但土壤中大量的殘膜也破壞了土壤性狀[4]，危害了作物生長[5]，影響了機械化作業(yè)[6]，制約了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[7]。【前人研究進展】近年來，農(nóng)業(yè)工作者們進行了各種替代覆蓋材料研究，并取得了較好的效果。李富春等[8]以裸地栽培為對照，研究了生物可降解膜覆蓋和秸稈覆蓋對土壤含水量及玉米的根干重、根長、根表面積和根體積的影響時發(fā)現(xiàn)，生物可降解地膜覆蓋具有較高土壤含水量，同時玉米根系的長度、表面積和體積也較大。段義忠[9]研究發(fā)現(xiàn)，不同覆蓋材料的水分利用效率大小為液體地膜>綠肥>秸稈>普通地膜>傳統(tǒng)裸地。王敏[10]對比研究了生物降解膜、塑料地膜、液態(tài)膜、秸稈覆蓋和裸地平作種植玉米的土壤水溫效應(yīng)及玉米生長的影響時認為，覆蓋秸稈種植玉米具有較好的可行性和應(yīng)用價值。董海強等[11]對比分析了裸地栽培與白地膜、黑地膜、地布和麥草覆蓋對蘋果樹體生長及土壤理化特性的影響，結(jié)果表明地布覆蓋綜合效果最佳。景明[12]研究不同覆蓋株間蒸發(fā)量時發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋能最大限度地降低株間蒸發(fā)量，地膜覆蓋的效果較差，二者均好于裸地栽培。【本研究切入點】為了進一步探討不同覆蓋物對土壤理化性狀及微生物量的影響，本文以塑料地膜、小麥秸稈和玉米秸稈等3種覆蓋材料進行栽培試驗，擬通過研究不同覆蓋材料對土壤溫度、水分、養(yǎng)分、生物量碳氮量的影響，旨在為該地區(qū)篩選出蓄水保墑、低碳環(huán)保、低成本、無污染的覆蓋材料提供理論依據(jù)。【擬解決的關(guān)鍵問題】為改進和完善作物覆蓋種植技術(shù)、降低肥料流失、增加種植效益提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014年在重慶市武隆縣興順鄉(xiāng)進行，海拔1300 m，地勢平坦，肥力均勻，為中壤土。pH值為6.10，有機質(zhì)含量為24.20 g·kg-1，堿解氮含量為96.41 mg·kg-1，速效磷含量為17.95 mg·kg-1，速效鉀含量為292.34 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)3個處理：T1為覆蓋地膜，除寬行壟溝外均覆蓋地膜，于7月10日揭膜；T2為覆蓋小麥秸桿，壟體、壟溝均覆蓋長度約為10 cm的麥秸，覆蓋厚度為10 cm；T3為覆蓋玉米秸稈，壟體、壟溝均覆蓋長度約為10 cm的玉米秸稈，覆蓋厚度為10 cm；試驗以地面不進行任何覆蓋為對照(CK)；小區(qū)面積為12 m×10 m，每個處理3次重復，隨機排列。供試植物材料為：烤煙品種K3326，栽培密度為16 500株·hm-1，肥料用量為當?shù)爻Ｒ?guī)施肥量。

1.3 樣品采集

土壤溫度于5月15日、6月15日、7月15日、8月15日、9月15日進行測。測定土壤溫度時，分別取各小區(qū)土壤樣品，測定水分、堿解氮、速效磷、速效鉀、微生物碳和氮等含量。徑流液分別于5月10日、6月13日、8月18日、9月12日降雨當天在各小區(qū)中部收集，分別于徑流形成的初期、中期和后期分3次收集后混合，用于測定硝態(tài)氮、全磷和鉀離子。

1.4 測定方法

土壤含水量采烘干法測定[13]。土壤溫度采用曲管式溫度計每日觀測5～20 cm耕作層的土壤溫度，每日觀測記錄3次(8：00、14：00和20：00時)，取平均值為當日土壤溫度。參考鮑士旦[14]的方法進行各養(yǎng)分指標的測定，即堿解氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用乙酸銨提取法測定。徑流液養(yǎng)分測定參照魯如坤[15]的方法進行，即硝態(tài)氮含量用紫外分光光度法測定，全磷含量用硫酸-高氯酸氧化—鉬銻抗比色法，鉀離子含量用火焰光度計法測定。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測定[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋對土壤溫度的影響

溫度是表征土壤性質(zhì)的重要參數(shù)，對其物理、化學和生物學過程有著重要的影響[17]，決定著植物根系生長及其對水分、養(yǎng)分的吸收[18]。由圖1可知，不同處理間的土壤溫度呈極顯著性差異，前期(5月15日和6月15日)以T1最高，極顯著地高于T2、T3和CK；中后期(7月15日、8月15日和9月15日)以T1和CK最高，且與T2和T3間差異極顯著；T1和CK與T2和T3間的土壤溫度不具顯著性差異。T2和T3間差異不顯著，T1和CK間差異不顯著。5次測定中，T2、T3的土溫分別較CK降低了2.2和2.0 ℃。姚健等[19]研究發(fā)現(xiàn)覆蓋水稻秸稈和玉米秸稈均降低了土壤溫度。程宏波[20]在研究春小麥覆蓋栽培時也得到了類似的結(jié)論。

2.2 覆蓋對土壤含水量的影響

由圖2可知，不同覆蓋材料間土壤水分含量存在極顯著性差異，各處理的土壤含水量均以6月15日和9月15日較高，這主要是因為測定前期的有效降雨有關(guān)；8月15日的土壤含水量最大。5月15日的土壤含水量為T1>T2>T3>CK，說明覆蓋地膜的保墑效果最好，CK的效果最差；其它時期的土壤含水量均以T2最高，T3次之，T2與T3間的差異不顯著性；CK和T1的土壤含水量較低，且不具顯著性差異。說明覆蓋地膜和秸稈均有較好的保墑作用，覆蓋地膜雖然保墑效果最好，也降低了自然降水利用率。覆蓋小麥和玉米秸稈既能起到有效保墑的作用，又有利于充分利用降水。也有學者報道了覆蓋秸稈可以降低作物棵間蒸發(fā)[21]，進而提高土壤含水量[22]。

同列數(shù)值不同大寫字母表示在1 %水平差異顯著(P<0.01)，下同Different capital letters in the same column meant significant difference at 0.01 levels respectively. The same as below圖1 不同覆蓋材料對土壤溫度的影響Fig.1 Effect of different mulching materials on soil temperature

圖2 不同覆蓋材料對土壤含水量的影響Fig.2 Effect of different mulching materials on soil moisture content

2.3 覆蓋對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

速效養(yǎng)分是植物可以直接吸收利用[23]，其含量受施肥措施、種植制度、田間管理等影響[24]。由圖3可知，不同覆蓋材料間土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量存在極顯著性差異，且隨測定時期的推延，速效養(yǎng)分含量均呈逐漸下降趨勢。5月15日測定結(jié)果顯示，堿解氮含量以T1最高，T2次之，CK的堿解氮含量最低。其它測定時期的堿解氮含量均以T1最低。這可能與覆蓋地膜后改變了土壤的水熱條件，影響了養(yǎng)分的礦化有關(guān)[25]。

速效磷、速效鉀含量與堿解氮呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。前期以T1最高，T2、T3次之；后期以T2和T3的速效養(yǎng)分含量較高，T1次之；CK的速效磷和速效鉀含量均維持較低水平。這主要是因為覆膜促進了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化成速效養(yǎng)分而被植物吸收，揭膜后遇降雨淋失而進一步降低；而T2、T3處理的土壤溫濕度維持在適宜范圍內(nèi)，保障了養(yǎng)分緩慢而持續(xù)的釋放[26]。

圖3 不同覆蓋材料對土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量的影響Fig.3 Effect of different mulching materials on available N, P and K contents

(mg·kg-1)

注：同列數(shù)值不同大寫字母表示在1 %水平差異顯著(P<0.01)，下同。

Note：Different capital letters in the same column meant significant difference at 0.01 levels respectively. The same as below.

2.4 覆蓋對土壤微生物量碳、氮含量的影響

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[27]，是土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的動力[28]。土壤微生物量碳、氮是土壤有機碳、氮循環(huán)的重要指標[29]，是評價土壤綜合質(zhì)量和肥力狀況的指標之一[30]。如表1所示，不同覆蓋材料間土壤微生物量碳和氮含量存在極顯著差異，均在7月15日前后達到最高。就T1而言，揭膜前微生物量碳、氮含量均低于其它處理，揭膜后其含量逐漸提高并于后期高于對照(CK)。這主要是因為在高溫干旱條件下覆蓋地膜后改變了土壤的水熱狀況，進而影響了土壤微生物數(shù)量和種類[31]。而T2、T3的土壤微生物量碳、氮含量一直維持在較高水平，極顯著地高于T1和CK。這可能與覆蓋秸稈降低了地表徑流[32]，增加了土壤養(yǎng)分[33]，改善土壤理化性狀[34]，進而促進了微生物繁育[35]。顧愛星等[36]在研究秸稈覆蓋時也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論。

2.5 覆蓋對土壤養(yǎng)分流失的影響

地表徑流和降雨是土壤養(yǎng)分流失的主要動力，也是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因[37]。秸稈覆蓋是降低地表徑流和減少養(yǎng)分流失的有效耕作措施之一[38]。由表2可知，覆蓋秸稈極顯著地降低了土壤徑流液中硝態(tài)氮、全磷和鉀離子的濃度。T1前期徑流液的養(yǎng)分濃度顯著低于其它處理，揭膜后濃度顯著高于CK，T2和T3。T2和T3徑流液的養(yǎng)分濃度變化平穩(wěn)，且極顯著地低于CK和T1(揭膜后)，T2和T3間不具極顯著性差異。說明覆蓋秸稈能有效減少土壤養(yǎng)分的流失，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的面源污染。

表2 不同覆蓋材料對土壤徑流液中氮、磷、鉀濃度的影響

3 討 論

地表覆蓋作為一種傳統(tǒng)的農(nóng)作措施，具有顯著的蓄水保墑作用[39]；同時穩(wěn)定了土壤溫度，防止土溫過高而損失根系[40]。本研究表明，覆蓋地膜的增溫保溫效果最好，但高溫季節(jié)也易導致地溫過高而傷害根系；同時覆膜雖然減少了土壤水分的散失，但也降低了自然降水的利用率；因此，在生產(chǎn)上必須適時揭膜。覆蓋秸稈的增溫保溫效果雖不及覆蓋地膜，但土壤溫度的變幅較裸地栽培小[41-42]，對作物根系生長發(fā)育的影響小[43]。蘭雪梅[44]也報道了覆蓋秸稈種植可有效平抑土壤溫度的激變。另外，秸稈覆蓋也降低了土壤水分蒸發(fā)，增加了自然降水的利用率。同時，秸稈留在土壤中也具有改良土壤的作用。高飛[45]、吳婕等[46]也報道了類似的研究結(jié)論。

本文研究表明，覆蓋栽培增加了土壤中速效氮、磷、鉀的含量，但揭膜后的T1和CK的速效養(yǎng)分含量不具顯著性差異，這是因為覆蓋后土壤水熱狀況好[47]，其速效養(yǎng)分含量較其它處理高。覆蓋秸稈的速效養(yǎng)分含量較高、且變幅較小，這可能與秸稈覆蓋改良了土壤氧化還原狀況[48]，穩(wěn)定了土壤水熱條件有關(guān)[22]。時向東[49]研究表明，覆蓋地膜栽培不同程度地提高了根際土壤速效氮、磷、鉀含量，夏冬[50]也得出相似的研究結(jié)論。

土壤微生物量碳、氮是可溶性有機碳、氮的重要來源[51]，是反應(yīng)土壤被干擾程度的重要指標[52]。灌溉[53]、施肥[54]、覆蓋[55]等都影響土壤微生物量碳、氮的含量。本研究顯示，覆蓋地膜在一定程度上降低了土壤微生物量碳和氮的含量。這主要是因為在高溫干旱條件下覆蓋地膜后導致土壤溫濕度的劇烈變化，進而降低了土壤微生物的數(shù)量和種類[31]。張成娥[56]研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋栽培在一定程度上降低了玉米地的微生物量碳、氮含量。史建國[57]則發(fā)現(xiàn)連續(xù)覆膜有利于增加土壤微生物量氮含量。本研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋秸稈可增加土壤微生物量碳和氮的含量，這與覆蓋秸稈后降低了地溫的劇烈變化，改善了土壤的物理性狀，刺激了土壤微生物活性有關(guān)[58]。王仁杰[59]也報道了相似的研究結(jié)果。

自然降雨和地表徑流是土壤養(yǎng)分流失的主要動力，也是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因[37]。覆蓋栽培是降低地表徑流和減少養(yǎng)分流失的有效耕作措施之一[38]。本研究表明，覆蓋栽培技術(shù)極顯著地降低了徑流液中的硝態(tài)氮、全磷和鉀離子的濃度，有效降低了土壤養(yǎng)分的流失。其中，T1的效果最好，T2、T3次之，CK的養(yǎng)分流失量最大。林超文[60]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋不僅顯著減少地表徑流，而且降低了氮、磷和鉀的流失量。鄧偉[61]的研究得出了與本文相同的結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文對比分析了不同覆蓋物對土壤溫度、水分、養(yǎng)分、微生物量碳氮量的影響。結(jié)果顯示，覆蓋秸稈具有良好的調(diào)溫保墑作用，促進了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、提升了速效養(yǎng)分的含量，同時也降低了因降雨或地表徑流而造成的養(yǎng)分流失；并且覆蓋小麥秸稈的效果顯著好于覆蓋玉米秸稈，二者均好于覆蓋塑料地膜處理，裸地栽培效果最差。因此，考慮覆蓋后對土壤、養(yǎng)分及作物的影響認為，覆蓋小麥秸稈或玉米秸稈的綜合效果較好，既有利于改善土壤理化性狀，增強保水保肥特性，這種覆蓋方式可在該區(qū)域逐漸推廣應(yīng)用。