壟作免耕對紫色水稻土肥力演變的影響

張嵐， 秦川， 謝德體， 石秀麗， 蔣先軍

1. 西南大學 資源環境學院，重慶 400715；2. 西南大學 園藝園林學院，重慶 400715

土壤高強度的集約化利用雖能保障糧食產量, 但會破壞耕地土層, 使其變薄, 造成土壤養分流失, 土壤肥力不斷下降[1-2]． 而保護性耕作措施有望解決或延緩土壤肥力下降的問題． 傳統耕作措施會極大擾亂土壤表層, 加劇土壤侵蝕, 降低土壤養分含量． 少耕、 免耕等保護性耕作措施被認為有利于農業可持續發展． 張慶等[3]的研究發現, 長期免耕并有機肥培肥在一定程度上可以提高0～40 cm紅壤坡耕地有機質、 全氮、 堿解氮質量分數; 羅玉瓊等[4]的研究發現, 長期免耕和稻草還田能提高水田耕層土壤的肥力; 成臣等[5]研究發現, 秸稈還田條件下, 采用長期旋耕的方式能夠進一步提高0～20 cm水田土壤肥力． 中國南方稻區多以冬水田為主[6], 由于長期處于淹水狀態, 冬水田普遍存在土壤結構差、 養分轉化率和利用率低的問題． 我國著名土壤學家侯光炯院士在反復研究和實踐的基礎上提出了“壟作免耕”技術[7], 壟作將淹水稻田平面地表轉變成壟溝相間的半旱模式, 創造了土壤微環境, 改善了根際環境的通氣性, 而免耕減少了土壤擾動, 能有效促進土壤團聚, 增強了有機物質的物理保護[8-9]． 稻田壟作免耕對于解決深、 冷、 爛、 毒田水稻生長, 促進土壤結構穩定, 提升土壤肥力有積極作用． 國內外關于免耕措施下稻田生態環境和土壤內部物理化學性質變化開展了較深入的研究[10], 但是以往的研究結果多集中于短期免耕試驗且多為旱地系統, 關于長期耕作措施對水田土壤養分和綜合肥力變化規律的研究較少． 相較于常規耕作, 壟作免耕對紫色水稻土土壤肥力要素以及綜合肥力的長期影響規律作用如何尚不明晰． 基于上述需求, 本研究依托西南大學紫色土肥力肥效長期定位監測基地, 選取壟作免耕(Ridge and No-Tillage, RNT)、 常規耕作(Conventional Tillage, CT)和冬水田(Flooded Paddy Field, FPF)3種耕作措施, 統計分析了1990-2018年的土壤養分數據(土壤pH值, 有機質、 全氮、 全磷、 全鉀、 堿解氮、 有效磷、 速效鉀質量分數), 采用改進后的內梅羅指數法對長期試驗下不同耕作措施的土壤肥力指數進行計算, 探討長期不同耕作管理措施對紫色水稻土養分變化規律及土壤綜合肥力演變規律的影響, 從而對該地區的土壤耕作培肥管理進行綜合評估．

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于重慶市北碚區西南大學紫色土肥力肥效長期定位監測基地(106°26′E, 30°26′N), 耕作施肥處理的起始時間為1990年． 該區域年平均氣溫18.3 ℃, 年平均降雨量1 107.4 mm, 日照時數1 276.6 h． 土壤類型為侏羅紀沙溪廟組紫色砂泥巖發育而成的中性紫色土． 土壤基本理化性質如表1所示．

表1 試驗地土壤的基本理化性質

本試驗設計了3種耕作處理: ① 壟作免耕(RNT); ② 常規耕作(CT); ③ 冬水田(FPF)． 每個試驗區面積為20 m2, 每種耕作措施設4個小區隨機排列, 共12個小區． 具體耕作措施及施肥處理方法如表2所示．

1.2 采樣與分析

于2018年8月底水稻收獲后, 采用土鉆按照“5點法”分別在3種耕作措施的每個試驗小區采集0～20 cm表層土壤, 壟作免耕小區的采樣點選擇在壟梗上． 采集到的土壤裝入自封袋帶回試驗室風干后混合均勻, 制樣備用． 采用常規方法測定土壤pH值, 全量氮磷鉀、 速效氮磷鉀、 土壤有機質質量分數[11]．

1.3 土壤綜合肥力指數的計算

采用改進后的內梅羅指數法[12]來計算不同耕作措施下的紫色水稻土綜合肥力, 養分指標的屬性分級標準值來自全國第二次土壤普查(表3)．

表3 土壤養分指標分級標準

土壤分肥力系數計算公式為:

(1)

式中:IFIi為土壤單一指標養分分肥力系數;x為養分測定值;xa,xb,xc為分級標準值．

土壤綜合肥力指數(IFI)計算公式為:

(2)

式中: ave(IFIi)為每個肥力系數均值; min(IFIi)為每個肥力系數最小值;n為指標個數．

1.4 數據處理

數據的處理在Microsoft Excel 2013中進行, 使用SPSS 19.0軟件對數據進行相關性分析、 方差分析, 并結合Origin 8.6作圖．

2 結果與分析

2.1 土壤有機質、 pH值和氮素的年際變化特征

長期耕作模式的不同影響土壤有機質質量分數(圖1a)． 1990年至2018年3種耕作措施下稻田土壤有機質質量分數變化規律基本一致, 均是1990年至2000年逐年增加, 之后的18年逐漸減小至趨于穩定． 壟作免耕措施下稻田土壤的有機質質量分數在各個年份均為最高, 其平均值為32.86 g/kg, 分別比冬水田和常規耕作處理下有機質質量分數的平均值高2.46 g/kg和4.09 g/kg． 與1990年相比, 2018年土壤有機質質量分數增幅為42.2%, 說明長期壟作免耕能夠有效地提高稻田土壤有機質質量分數． 3種耕作措施下稻田土壤pH值變化均是先減小, 到2000年后逐漸增大, 2010年后趨于穩定(圖1b), 壟作免耕措施下稻田土壤pH值范圍為6.80～7.46, 其平均值為7.01, 冬水田和常規耕作措施下稻田土壤pH平均值分別為7.37和6.72．

RNT代表壟作免耕, CT代表常規耕作, FPF代表冬水田．

圖1c為不同耕作措施下稻田土壤全氮質量分數的年際演變規律． 由圖1c可知, 經過29年的長期耕作, 壟作免耕措施下稻田土壤全氮質量分數平均值(2.20 g/kg)高于冬水田(平均值為1.94 g/kg)和常規耕作(平均值為1.71 g/kg)． 3種耕作措施下全氮質量分數變化趨勢均表現為1990年至2000年逐年增加, 從2000年開始, 稻田土壤全氮質量分數逐漸趨于穩定． 1990-2018年, 壟作免耕措施下稻田土壤全氮質量分數由1.70 g/kg增加至2.33 g/kg, 增加了37.1%; 常規耕作措施下稻田土壤全氮質量分數由1.70 g/kg增加至1.82 g/kg, 增加了7.1%; 冬水田措施下稻田土壤全氮質量分數由1.70 g/kg增加至2.10 g/kg, 增加了23.5%． 3種耕作措施下稻田土壤堿解氮質量分數年際變化趨勢基本一致(圖1d), 在1990年至2000年均是先增大后減小, 之后的18年逐年增加并逐漸趨于穩定． 壟作免耕措施下稻田土壤堿解氮質量分數平均值為143.35 mg/kg, 分別比冬水田和常規耕作高17.46 mg/kg和16.63 mg/kg．

2.2 土壤磷素和鉀素質量分數的變化特征

圖2a為不同耕作措施下稻田土壤全磷質量分數的年際變化特征． 總體來看, 3種耕作措施下稻田土壤全磷質量分數增加值從大到小依次為: 壟作免耕、 冬水田、 常規耕作． 壟作免耕措施下, 稻田土壤全磷質量分數由1990年的0.80 g/kg增加至2010年的1.78 g/kg, 增幅最大, 為122.5%; 冬水田措施下, 稻田土壤全磷質量分數由1990年的0.80 g/kg增加至2010年的1.42 g/kg, 增幅為77.5%; 常規耕作措施下稻田土壤全磷質量分數增幅最小, 僅為31.3%． 壟作免耕措施下稻田土壤全磷質量分數平均值最高, 為1.38 g/kg, 常規耕作下全磷質量分數平均值最低, 僅為0.90 g/kg．

RNT代表壟作免耕, CT代表常規耕作, FPF代表冬水田．

3種耕作措施下稻田土壤有效磷質量分數年際變化如圖2b所示, 常規耕作措施下的有效磷質量分數范圍為7.52～26.40 mg/kg, 平均值為19.87 mg/kg; 壟作免耕措施下稻田土壤的有效磷質量分數范圍為7.51～33.90 mg/kg, 平均值為26.61 mg/kg; 冬水田措施下的有效磷質量分數范圍為7.55～15.30 mg/kg, 平均值為10.43 mg/kg． 壟作免耕措施下的有效磷質量分數平均值分別比冬水田和常規耕作高16.18 mg/kg和6.75 mg/kg． 經過29年的壟作免耕措施顯著提高了稻田土壤中的有效磷質量分數, 其增幅達到352.0%．

不同耕作措施下稻田土壤全鉀質量分數的年際變化如圖2c所示． 1990-2018年, 壟作免耕措施下稻田土壤全鉀質量分數范圍為20.70～22.70 g/kg, 平均值為21.43 g/kg; 冬水田和常規耕作措施下稻田土壤全鉀質量分數平均值分別為19.72 g/kg和19.25 g/kg． 總體來看, 29年間壟作免耕措施下稻田土壤全鉀質量分數基本沒有變化, 冬水田和常規耕作稻田土壤全鉀質量分數均在2005年減小至最低值后逐漸增加． 壟作免耕措施下稻田土壤全鉀質量分數平均值分別比常規耕作和冬水田措施高2.18 g/kg和1.71 g/kg． 3種耕作均能夠有效保持稻田土壤中的全鉀質量分數．

壟作免耕措施下稻田土壤速效鉀質量分數(圖2d)范圍為71.10～123.60 mg/kg, 平均值為82.78 mg/kg; 常規耕作措施下的速效鉀質量分數范圍為71.30～118.70 mg/kg, 平均值為81.17 mg/kg; 冬水田措施下速效鉀質量分數范圍為71.20～104.30 mg/kg, 平均值為87.50 mg/kg． 冬水田措施下稻田土壤速效鉀質量分數平均值分別比壟作免耕和常規耕作高4.72 mg/kg和6.33 mg/kg．

2.3 不同耕作措施下稻田土壤綜合肥力指數的變化

從1995-2018年的稻田土壤綜合肥力指數的變化趨勢看(圖3), 壟作免耕措施下稻田土壤綜合肥力指數平均值為0.66, 其次是常規耕作, 平均值為0.57, 冬水田的稻田土壤綜合肥力指數最低, 平均值僅為0.48． 整體來看, 壟作免耕措施下稻田土壤肥力指數顯著高于常規耕作和冬水田措施(p<0.05), 證明相對于傳統的耕作措施, 長期壟作免耕能夠顯著提高稻田土壤綜合肥力．

RNT代表壟作免耕, CT代表常規耕作, FPF代表冬水田． 不同小寫字母表示處理不同年份間差異有統計學意義(p<0.05), 不同大寫字母表示不同處理間差異有統計學意義(p<0.05)．

利用SPSS 18.0對稻田土壤綜合肥力指數與土壤基本性質進行相關性分析(表4), 結果表明, 土壤綜合肥力指數與土壤全鉀和有效磷質量分數有極顯著的正相關性(p<0.01), 相關系數分別為0.649和0.712． 土壤綜合肥力指數與全氮、 堿解氮和有機質質量分數顯著正相關(p<0.05), 而與土壤pH值呈顯著負相關(p<0.05)．

表4 土壤綜合肥力指數與土壤養分指標的相關性分析

3 討論

3.1 耕作方式對水稻土養分質量分數演變規律的影響

土壤養分是土壤供肥能力的直接反映, 稻田生態系統中土壤肥力演變的驅動力是養分循環． 經過29年長期定位試驗, 發現壟作免耕能顯著提高土壤有機質質量分數, 其有機質質量分數平均值由試驗初期的23.10 g/kg 提升到32.86 g/kg, 提升的幅度為42.3%, 這與前人的研究結果一致[13-14]． 免耕減少了對土壤層的擾動, 保持了表層土壤微生物的活性, 有利于在大團聚體內部形成更多微粒狀有機質, 從而提高土壤團聚體結構穩定性[15], 使表層土壤有機質累積． 而壟作能改善土壤的水肥氣熱條件, 在一定程度上提高并保持土壤溫度, 土壤通氣性增強, 土壤有機質累積[16]． 有研究表明[17], 連續10年的免耕和秸稈還田措施能有效提高稻田土壤有機質質量分數． 而常規耕作措施下干濕交替作用顯著, 有機質礦化作用強, 導致有機質增幅小． 冬水田屬于傳統粗放耕作模式, 具有一定的養地作用, 由于長期淹水致使土壤通氣狀況差、 溫度低、 有機質礦化分解慢, 也會產生有機質的積累現象．

土壤全氮作為供應作物生長的有效氮庫, 是評價土壤氮素肥力的重要指標． 有國外研究表明[18], 與傳統耕作相比, 免耕處理可以提升0～30 cm土層的全氮質量分數． 本試驗結果中, 壟作免耕處理水稻土全氮質量分數平均值高于冬水田與常規耕作． 土壤中的全氮來源除施入氮肥外, 主要是植物等有機殘體的分解, 免耕使大量有機質分解轉化到土壤中, 加速了微生物對秸稈等物質的腐化率, 有利于全氮的積累． 水稻土的氮肥利用率遠低于旱地, 通常只有旱地的50.0%[19], 壟作免耕實現了水稻的“半旱式”耕作, 改變了水稻土的氧化還原狀況, 從而直接對土壤中氮素的礦化、 硝化和反硝化作用等氮素循環過程產生劇烈的影響[20]． 壟作免耕還影響稻田土壤水穩性團聚體的數量, 促進水穩性團聚體形成, 每年均有植物秸稈還田, 提高了有機質和全氮質量分數． 土壤堿解氮的質量分數可以用來衡量土壤供氮強度, 有研究發現[21], 免耕措施配合秸稈還田可以有效提高稻田表層土壤的堿解氮質量分數． 本研究中, 3種耕作措施下稻田土壤堿解氮質量分數年際變化規律基本一致, 壟作免耕土壤堿解氮質量分數平均值分別比常規耕作和冬水田高16.63 mg/kg和17.46 mg/kg, 原因可能是免耕最大限度保護了土壤結構, 土壤通氣性良好, 有利于堿解氮的累積．

有效磷是作物生長發育的重要養分, 在一定程度上可以衡量耕地質量高低, 本試驗中, 經過29年的壟作免耕顯著提高了稻田土壤中全磷和有效磷的質量分數, 有效磷的增幅達到了352.0%, 可能是由于免耕可以保持土壤結構良好, 提高其蓄水保墑力, 提高營養物質的腐解效率, 從而提高了根際土壤有效磷的質量分數．

經過29年耕作試驗發現, 壟作免耕能夠有效維持稻田土壤中的全鉀質量分數, 常規耕作和冬水田處理對土壤全鉀質量分數沒有明顯影響． 土壤速效鉀是較易變動的養分指標, 在一項非洲北部半干旱區的研究中發現[22], 免耕處理可以顯著提高土壤中鉀元素的質量分數, 推測是由于免耕處理可以提高土壤有機質質量分數從而有效吸附鉀元素, 避免其流失． 本試驗中3種耕作措施下土壤速效鉀質量分數的差異并不大, 鉀離子為正一價陽離子, 能夠被土壤牢固地吸附, 不易被移動, 土壤中鉀元素的淋洗損失極少發生, 此外, 紫色土能夠提供穩定且持久的供鉀能力[23]． 本研究結果顯示, 3種耕作措施下稻田土壤中堿解氮和速效鉀質量分數呈現波動變化, 原因可能是試驗前期(1990-1995年)與后期施肥管理差異所致, 在前期有秸稈還田配施廄肥(豬糞)施入稻田土壤中, 導致土壤養分質量分數增加, 后期由于沒有有機肥的施入, 土壤中的堿解氮和速效鉀質量分數又開始降低． 綜上, 經過29年的長期耕作, 壟作免耕提高了稻田土壤有機質、 全氮、 全磷、 堿解氮、 有效磷的質量分數, 并且能有效保持稻田土壤中的全鉀質量分數．

3.2 耕作方式對土壤綜合肥力演變規律的影響

土壤綜合肥力指標可以有效避免由于主觀隨意性造成的測定結果不科學[24-25], 對大量信息進行系統化處理, 可以更好地反映土壤肥力高低． 經過長期耕作定位試驗, 不同耕作措施下稻田土壤綜合肥力指數從大到小依次為: 壟作免耕、 常規耕作、 冬水田, 3種措施下的土壤綜合肥力指數平均值分別為0.66, 0.57, 0.48． 常規耕作和冬水田措施由于長期淹水, 會引發稻田病蟲害問題, 造成水稻產量和質量下降, 還會降低土壤的氮肥利用率, 引發土壤質量退化、 肥力下降等一系列問題[6]． 而壟作免耕措施改變了土壤的水、 肥、 氣、 熱條件[7], 在改變土壤物理結構的同時也改變了土壤內部化學和生物環境, 使土壤生態系統的運轉更加平衡． 當平面地表形態轉變為起伏的壟溝相間模式后, 有效增厚了土壤耕作層, 擴大了植物根系活動層, 使根系遠離冷浸層． 壟作免耕措施下有機質氧化速率和微生物活性增加, 提高了植物根系對養分的吸收利用率, 促進水稻分蘗和有效穗數的生長, 在有效維持土壤肥力的同時為作物增產提供了有利條件． 本研究通過土壤綜合肥力指數與各土壤養分指標之間的相關系數分析發現, 稻田土壤中全鉀和有效磷質量分數與土壤綜合肥力相關性極有統計學意義(p<0.01), 是表征稻田土壤肥力的重要養分指標．

4 結論

通過研究稻田土壤養分年際變化特征, 經過長期耕作定位試驗, 發現不同耕作措施都能在一定程度上提高紫色水稻土土壤的養分質量分數, 但鉀素質量分數的變化并不明顯． 壟作免耕能夠顯著提高稻田土壤有機質、 全氮、 全磷、 堿解氮、 有效磷的質量分數(p<0.05)． 不同耕作措施下稻田土壤綜合肥力指數從大到小依次為: 壟作免耕、 常規耕作、 冬水田． 壟作免耕措施下稻田土壤綜合肥力指數平均值為0.66, 長期壟作免耕能夠有效提高稻田土壤綜合肥力．