盤禮東,李 瑞,*,張玉珊,黎慶貴,高家勇,袁 江

1 貴州師范大學喀斯特研究院,貴陽 550001

2 國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴陽 550001

西南喀斯特區(qū)是世界上石漠化面積最大、巖溶發(fā)育最典型的地帶,水土地表流失和地下漏失都十分嚴重[1—2]。然而,坡耕地是西南喀斯特區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要載體,頻繁地耕作及不合理的土地利用加劇了區(qū)域坡耕地的水土流失。據(jù)報道,坡耕地已成為西南喀斯特區(qū)水土流失的策源地,其中貴州省尤為嚴重,90%的泥沙流失量主要來源于坡耕地,部分地區(qū)坡耕地巖石完全裸露,已發(fā)展到無土可侵的地步[3—4]。與此同時,導致了一系列生態(tài)問題的發(fā)生。例如,土壤養(yǎng)分隨著水土的流失而流失,造成土壤肥力下降,加劇了土壤貧瘠程度。而土壤肥力是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,土壤養(yǎng)分的大量流失及養(yǎng)分間的失衡,將導致作物產(chǎn)量下降。土壤養(yǎng)分流失的同時,降低了地表覆蓋物和作物根系與土壤之間的輸入和周轉(zhuǎn),這兩個過程直接或間接影響土壤的C、N、P、K化學計量特征[5]。毋庸置疑,水土流失造成土壤耕作質(zhì)量下降,嚴重制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

秸稈覆蓋還田作為一種保護性耕作措施,可有效地減少土壤養(yǎng)分隨水土的流失而流失,提高土壤肥力[6]。原因是覆蓋于地表的秸稈作為一種緩沖介質(zhì),降雨期間可顯著降低土壤養(yǎng)分的流失量,可起到較好的保肥效果[7]。此外,秸稈作為一種有機材料,本身含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),通過微生物腐蝕可為土壤提供C、N、P、K等營養(yǎng)元素[8]。相關(guān)研究表明,秸稈覆蓋可補充土壤中流失的碳元素,維持土壤中碳平衡[9—10]。除此之外,秸稈覆蓋還可改善作物生長發(fā)育的土壤條件,增加作物產(chǎn)量[11—12]。

我國開展的秸稈覆蓋試驗主要集中在西北黃土高原區(qū)和東北黑土區(qū),且較為廣泛地認為秸稈覆蓋可以提高土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量[13—14],但相關(guān)研究表明高秸稈覆蓋條件下作物產(chǎn)量反而有所下降[15]。西南喀斯特區(qū)秸稈資源豐富,但在當?shù)夭⑽吹玫接行Ю?部分被當作家畜飼料,大部分被焚燒,造成了環(huán)境污染和資源浪費。此外,西南喀斯特地區(qū)關(guān)于秸稈覆蓋的相關(guān)研究鮮見報道,且目前在西南喀斯特區(qū)暫未見到有關(guān)秸稈覆蓋措施對生態(tài)化學計量特征影響的報道。

生態(tài)化學計量學是研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡與多重化學元素平衡的一門科學,是研究生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制和循環(huán)的新手段,用于揭示各元素在生態(tài)過程中的耦合關(guān)系和共變規(guī)律[16—17]。C、N、P、K是土壤重要的營養(yǎng)元素,同時也是表征土壤肥力質(zhì)量的重要指標,其生態(tài)化學計量特征可以有效預測養(yǎng)分限制類型和閾值,反映土壤供肥能力和質(zhì)量狀況[18]。因此,可以利用生態(tài)計量學分析揭示秸稈覆蓋條件下土壤養(yǎng)分變化特征。

綜上,開展秸稈覆蓋措施研究,探索喀斯特地區(qū)秸稈覆蓋對生態(tài)化學計量特征的影響及適宜秸稈覆蓋量顯得十分必要。因此,本文的研究目的包括：1)研究不同秸稈覆蓋率下土壤養(yǎng)分狀況及其生態(tài)化學計量特征,揭示生態(tài)系統(tǒng)中的C、N、P、K元素的循環(huán)、平衡機制與相互制約關(guān)系；2)研究不同秸稈覆蓋率對土壤的改良效果,探索基于土壤養(yǎng)分的適宜秸稈覆蓋量；3)通過野外徑流小區(qū)試驗,為西南喀斯特區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省畢節(jié)市黔西縣金蘭鎮(zhèn)(105°47′—106°27′ E,26°46′—27°21′ N),平均海拔1250m,屬亞熱帶季風氣候,多年平均氣溫14.2℃,多年平均降雨量1087.05 mm,降水主要集中在6—9月。研究區(qū)土地總面積555.8 hm2,其中石漠化面積478 hm2,占土地總面積的86%；耕地面積239 hm2,其中石漠化坡耕地面積191 hm2,占耕地總面積的80%。研究區(qū)石漠化灌叢及林地以微度侵蝕為主,坡耕地等人為擾動較大的區(qū)域以輕中度侵蝕為主,少部分耕地因嚴重的土壤侵蝕無法耕作而棄耕。土壤類型以黃壤和黃色石灰土為主,土壤顆粒組成以黏粒和砂粒為主,粉粒占比較少。植被類型為亞熱帶常綠闊葉林,天然林已遭破壞,目前主要以人工林為主,主要樹種有馬尾松(Pinusmassoniana)、云南松(Pinusyunnanensis)、白楊(PopulustomentosaCarr)、泡桐(Paulowniafortunei)等。

1.2 試驗設(shè)計

野外試驗小區(qū)于2017年建成,根據(jù)前人試驗研究[19],在同一區(qū)域取樣時,樣本間的變異很小,即在短距離內(nèi)隨機取樣時土壤肥力特性之間沒有很大的差異,而本試驗占地面積為200 m2左右,故在建成前隨機獲取3個土壤樣本確定土壤背景值(表 1),分別為土壤有機碳(SOC)、總有機碳(TOC)、全氮(TN)、全磷(TP)及全鉀(TK)。試驗于2018、2019年玉米生長期進行,共設(shè)置6個秸稈覆蓋種植小區(qū),規(guī)格為3m(寬)×12m(長),坡度均為15°。小區(qū)內(nèi)種植玉米,種植規(guī)格大致與當?shù)剞r(nóng)民種植規(guī)格相同。6個種植小區(qū)包括傳統(tǒng)玉米單作小區(qū),即種植玉米但不覆蓋(CK)及5個不同秸稈覆蓋梯度的玉米耕作小區(qū)(SM1—SM5)。玉米播種時間為4—5月,播種后一次性施用魔力寶復合肥(N、P2O5、K2O比例分別為15%、13%和15%),各小區(qū)施用量一致,均為2220 kg/hm2,即每個小區(qū)約為8 kg,與劉繼龍等的施用量接近[20]；玉米生長期內(nèi)(5月—10月)每周進行一次人工除草。秸稈就地取材,玉米秸稈曬干后切割至3 cm左右在玉米播種、施肥后按照預先設(shè)計的覆蓋率均勻覆蓋在小區(qū)內(nèi)。參照劉柳松等[21]的方法確定秸稈覆蓋率與覆蓋量之間的定量關(guān)系,即當秸稈覆蓋率為15%,30%,60%,75%,90%時,相應(yīng)的秸稈覆蓋量分別為1111、2222、3889、5556、6944 kg/hm2。

表1 覆蓋種植小區(qū)土壤背景值Table 1 Soil background value of mulching planting plot

1.3 取樣及分析方法

試驗于2018—2019年作物生長期進行,取樣時間于作物收割后進行(10月份左右)。每個小區(qū)每次采樣沿上、中、下坡位取土,每個樣本采用三點取樣法,混合均勻,帶回實驗室分析。土壤SOD采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法進行測定,土壤TN、TP、TK分別采用克氏法、鉬藍比色法、火焰光色法進行測定。玉米成熟后,在每個小區(qū)上、中、下三個部位各選取1行進行測產(chǎn)[15]。以上實驗每個指標每次取3個樣本,并重復進行3次測量或檢測；另外,考慮到喀斯特區(qū)耕作層土壤厚度較薄,一般為20—30 cm,部分地區(qū)土壤厚度甚至不到20 cm,而不到20 cm的以實際取樣厚度為準,故取樣深度在0—20 cm之間。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在計算得到樣本數(shù)據(jù)后,運用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理(包括差異顯著性分析、相關(guān)性分析、主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析),采用Origin軟件繪圖。

1.4.1主成分分析

主成分分析方法是一種降維分析,其目的在于能更多地反映原來變量(P)的有關(guān)信息。一般認為,指標方差最大的是第一個主成分,在損失較少的前提下,重點分析線性變換后幾個主成分的指標數(shù)據(jù)是否存在相關(guān)性,從而簡化研究的問題和提升分析效率；若第一個變量無法代表所有變量的信息,則繼續(xù)選取第二、三……第P個主成分,直到所選變量個數(shù)能夠代表原指標的全部信息為止(即累計貢獻率 ≥ 85%),進而計算各主成分綜合得分[22]。

綜上,各主成分得分計算公式如下：

(1)

綜合得分計算公式如下：

F=(b1F1+b2F2+…+bnFm)/100

(2)

式中,F為綜合得分；b1,b2,…,bn為方差貢獻率；F1,F2,…,Fm為各主成分得分。

1.4.2灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析主要有以下幾個步驟[23]：

(1)確定分析數(shù)列

設(shè)n為評價對象的個數(shù),m為評價指標的個數(shù),參考序列記為Y0,比較序列記為Xi(i=1,2,3,…,m),則有：

(3)

(2)確定灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)標準化矩陣,計算參考序列與各比較序列間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(4)

(3)計算灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度采用以下公式進行計算：

(5)

2 研究結(jié)果

2.1 不同秸稈覆蓋梯度條件下土壤C、N、P、K含量特征

很明顯可以看出,秸稈覆蓋對土壤養(yǎng)分影響顯著(圖1)。總體而言,2018、2019年度秸稈覆蓋對土壤SOC、TN、TP含量的影響較為一致,具有相似的規(guī)律,即隨著秸稈覆蓋量的增加,土壤SOC、TN、TP含量總體上也隨之增加,尤其是高秸稈覆蓋率條件下(SM4和SM5),其含量均顯著高于對照(P<0.05),但SM4和SM5之間差異不顯著(P> 0.05)。與此同時,本研究還發(fā)現(xiàn)2019年土壤SOC、TN和TP含量較2018年有所增加。對于TK而言,2018和2019年度,其含量均隨著秸稈覆蓋量的增加而呈減少趨勢,并且2019年較2018年有所降低,尤其是CK,降低了將近一半。結(jié)果表明,高秸稈覆蓋率條件下對土壤養(yǎng)分指標具有顯著影響。

圖1 不同秸稈覆蓋率條件下土壤養(yǎng)分含量Fig.1 The contents of soil nutrient under different straw mulching ratesCK：對照 Control cheak；SM：秸稈覆蓋量Straw mulching；SM1：1111 kg/hm2；SM2：2222 kg/hm2；SM3：3889 kg/hm2；SM4：5556 kg/hm2；SM5：6944 kg/hm2；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=3),同一年不同小寫字母表示不同處理之間養(yǎng)分差異明顯(P<0.05)

2.2 不同秸稈覆蓋梯度條件下土壤各元素化學計量比

從2018年不同秸稈覆蓋率對土壤各元素化學計量比看(表2),各土壤生態(tài)化學計量比總體上是隨著秸稈覆蓋率的增加而呈增加的趨勢,其中土壤N∶P、N∶K、P∶K則呈波動增長的趨勢。同時可以看出,高秸稈覆蓋率條件下(SM4和SM5)各元素計量比增加較為明顯,均顯著高于對照(P<0.05),但SM4與SM5之間差異不顯著(P> 0.05)。

表2 2018、2019年不同秸稈覆蓋率對土壤生態(tài)化學計量特征的影響Table 2 Effects of different straw mulching application rates on soil ecological stoichiometry characteristics in 2018 and 2019

從2019年數(shù)據(jù)看,土壤C∶N、C∶P、C∶K、P∶K則隨著秸稈覆蓋量的增加呈增加的趨勢,在高秸稈覆蓋率條件下(SM4和SM5),其計量比同樣顯著高于CK(P<0.05),但兩者之間差異不明顯(P> 0.05)。土壤N∶K則隨著秸稈覆蓋率的增加呈先減后增的趨勢,并且高秸稈覆蓋率條件下(SM4和SM5),其計量比顯著高于對照(P<0.05),但SM4和SM5之間的差異不明顯(P> 0.05)。秸稈覆蓋對土壤N∶P的影響不明顯,各覆蓋之間沒有顯著差異(P> 0.05)。同時,我們發(fā)現(xiàn)低秸稈覆蓋率對土壤N∶P、N∶K、P∶K的影響不明顯,SM1、SM2與CK之間均無顯著差異(P> 0.05)。

2.3 土壤化學計量特征與各元素的關(guān)系

由相關(guān)性分析可知(表3),土壤C與N、P、C∶P、C∶K、P∶K呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與C∶N、N∶K呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與N∶P呈不顯著正相關(guān),與K呈不顯著負相關(guān)；N與C∶K、N∶K、P∶K呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與P、C∶P呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與C∶N、N∶P呈不顯著正相關(guān),與K呈不顯著負相關(guān)；P與C∶N、C∶K、P∶K呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與C∶P呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與N∶K呈不顯著正相關(guān),與K、N∶P呈不顯著負相關(guān)；K與C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K均呈不顯著負相關(guān)；除了N∶P外,各元素計量比之間存在或多或少的顯著性關(guān)系。

表3 土壤養(yǎng)分含量與生態(tài)化學計量比之間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between soil nutrient content and ecological stoichiometry

2.4 不同秸稈覆蓋率對土壤C、N、P、K生態(tài)化學計量的影響評價

2.4.1基于主成分分析方法的土壤生態(tài)計量綜合評價

通過主成分分析方法分析不同秸稈覆蓋率對土壤養(yǎng)分及其化學計量特征的影響,并根據(jù)累計貢獻率大于85%的原則提取兩個主成分(表4)。前兩個主成分的累計貢獻率分別為69.81%和93.57%,即前兩個主成分就可以把土壤的全部肥力及化學計量學指標反映出來。因此,通過主成分分析方法分析不同秸稈覆蓋率對土壤養(yǎng)分及其化學計量指標的影響是可靠的。

將表4中的數(shù)據(jù)代入主成分計算公式(1)計算出兩個主成分的得分,再根據(jù)公式(2)計算得出各處理的綜合得分如下(表5)。表中綜合得分越高表示秸稈覆蓋對土壤肥力改良的效果越好?？梢钥闯?隨著秸稈覆蓋率的增加各處理的綜合得分也隨之提高,各處理的土壤肥力改良效果依次是SM5> SM4> SM3> SM2> SM1> CK,其中SM4和SM5對土壤改良的效果最好,而CK和覆蓋率較低(SM1—SM3)的情況下,綜合得分為負值,對土壤改良效果較差。

表4 主成分分析表Table 4 Results of the principal component analysis

表5 各處理土壤肥力改良綜合得分及排名Table 5 Comprehensive scores and ranking of soil fertility improvement of different treatment

2.4.2基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法的土壤生態(tài)計量學綜合評價

為進一步驗證基于主成分分析法綜合評價結(jié)果的準確性,運用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對土壤化學及其生態(tài)化學計量指標進行綜合評價。將各處理養(yǎng)分指標及其化學計量比原始數(shù)據(jù)進行標準化,并計算出各指標絕對序列的差值,再根據(jù)公式(4)計算得出各小區(qū)土壤肥力及其計量化學指標的關(guān)聯(lián)系數(shù),進而根據(jù)公式(5)計算出各處理的關(guān)聯(lián)度(表6)。關(guān)聯(lián)系數(shù)可反映出不同秸稈覆蓋率對土壤改良效果的優(yōu)劣,關(guān)聯(lián)度越大,表明該處理與最優(yōu)指標集的相似程度越高,反之則關(guān)聯(lián)程度越小。從表中可以看出各處理的關(guān)聯(lián)度大小順序依次為SM5> SM4> SM3> SM2> SM1> CK,與主成分分析法得出的結(jié)果一致。這再次證明了秸稈覆蓋率較高條件下(SM4和SM5)對土壤的改良效果較好,而CK在沒有秸稈覆蓋的情況下,其對土壤的改良效果是最弱的。

表6 土壤肥力及其計量比指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient of soil fertility and its stoichiometry index

2.5 不同秸稈覆蓋率對作物產(chǎn)量的影響

不同秸稈覆蓋量還田對作物產(chǎn)量影響顯著(圖2)?？傮w而言,各覆蓋處理兩年的玉米產(chǎn)量均顯著高于對照(P<0.05),大小順序依次是SM4> SM5> SM2> SM3> SM1> CK,分別較CK提高了40.4%、26.98%、26.18%、24.88%、6.68%。具體而言,2018年SM1—SM5分別較CK提高了3.86%、22.99%、22.84%、36.67%、24.17%；2019年SM1—SM5分別較CK提高了9.54%、29.42%、27.20%、44.18%、29.83%。同時我們發(fā)現(xiàn),與2018年相比,2019年除了CK產(chǎn)量下降外,各覆蓋處理產(chǎn)量均有所提升,其中SM4增產(chǎn)最為明顯,提高了4%。

圖2 2018、2019年度不同秸稈覆蓋處理作物產(chǎn)量 Fig.2 Crop yield under different straw mulching application rates in 2018 and 2019圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=3),同一年不同小寫字母表示不同處理之間的產(chǎn)量差異明顯(P<0.05)

3 討論

3.1 秸稈覆蓋對坡耕地土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是衡量土壤質(zhì)量狀況和影響作物產(chǎn)量高低的重要指標,其中土壤C、N、P、K元素作為影響作物正常生長發(fā)育的營養(yǎng)物質(zhì),在作物生長過程中發(fā)揮著重要作用,并且其含量高低及成分組合狀況均會受到土壤養(yǎng)分元素含量的影響[24]。秸稈作為防止土地退化和生態(tài)系統(tǒng)受損的重要地表覆蓋物,對土壤理化性質(zhì)的影響具有重要作用。因為生態(tài)系統(tǒng)中作物、覆蓋物和土壤之間的養(yǎng)分可相互轉(zhuǎn)換[25],即覆蓋在地表的秸稈腐解后可向土壤中輸送養(yǎng)分,進而為作物的生長發(fā)育提供營養(yǎng)物質(zhì)。相關(guān)研究表明,秸稈覆蓋可補充土壤中的有機碳,每年覆蓋1000 kg/hm2的秸稈(玉米、小麥或者水稻)于地表可固碳130 kg/hm2[26]。與此同時,秸稈可提高土壤中的N、P、K含量也得到了廣泛證實[27—28]。可以說,秸稈覆蓋一定程度上緩解了土壤養(yǎng)分的供需矛盾。本研究表明,秸稈覆蓋不同程度上提高了土壤SOC、TN及TP含量,同時其含量均高于對照,并且2019年較2018年有所提升；但對于TK而言,隨著秸稈覆蓋量的增加而呈減少趨勢,并且2019年較2018年有所下降。秸稈覆蓋提高土壤SOC、TN及TP的原因可能是秸稈覆蓋地表充當了一種緩沖介質(zhì),減少了降雨對地表的直接沖刷,尤其是在作物種植初期,作物覆蓋率較低的情況下,保護地表免受侵蝕,進而減少了土壤養(yǎng)分的流失；再者,正如前文所述,覆蓋在地表的秸稈本身具有豐富的C、N、P等營養(yǎng)元素,經(jīng)過長時間的生物降解,將其自身的C、N、P元素轉(zhuǎn)化到土壤中,成為作物可吸收利用的有機質(zhì)、堿解氮和有效磷,補充被作物吸收及流失的營養(yǎng)元素[8]。TK隨著秸稈覆蓋的增加而減少的原因可能與土壤水分含量和K濃度有關(guān)。根據(jù)Rosolem等[29]研究結(jié)果表明,當土壤溶液中K濃度以及土壤水分含量較高時,將會導致土壤中的K向更深土層淋溶和沉淀。從本研究不同秸稈覆蓋率條件下土壤水分含量變化情況看(表7),我們發(fā)現(xiàn)隨著秸稈覆蓋率的提高,2018—2019年土壤含水量總體上呈現(xiàn)出隨之增加的趨勢,并且SM4和SM5均顯著高于其他處理(P<0.05),故可能導致土壤TK含量隨秸稈覆蓋率的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢。另一原因可能與覆蓋厚度有關(guān),高秸稈覆蓋條件下,由于秸稈下層與地表土壤接觸得較為緊密,而上層秸稈與地表形成隔離狀態(tài),因此只有下層秸稈在腐蝕后向土壤中輸送營養(yǎng)物質(zhì)。再者,土壤TK含量下降的原因還可能與K肥的施加量有關(guān),因為秸稈腐解釋放能量是一個長期的過程,僅靠秸稈不足以補給土壤K的消耗。當然,TK下降的原因還可能與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣候等因素有關(guān)。同時我們發(fā)現(xiàn)2019年CK中的土壤SOC、TP較2018年有所下降,原因可能與作物對土壤養(yǎng)分吸收及水土流失有關(guān),前期試驗表明CK的水土流失較秸稈覆蓋小區(qū)嚴重,導致土壤中容易淋溶的元素隨水土的流失而流失[30]。

表7 2018、2019年不同秸稈覆蓋率條件下土壤水分含量變化特征Table 7 Variation characteristics of soil moisture content under different straw application rates in 2018 and 2019

3.2 秸稈覆蓋對坡耕地土壤生態(tài)化學計量特征的影響

土壤C、N、P、K化學計量比是土壤元素平衡的一個重要指標,反映了土壤內(nèi)部的C、N、P、K循環(huán),可用于判斷土壤養(yǎng)分和土壤肥力的潛在價值[31—32],同時也可作為養(yǎng)分限制的預測性指標[33]。與全國及全球土壤中C∶N、C∶P和N∶P相比,西南喀斯特坡耕地秸稈覆蓋條件下的土壤C∶N、C∶P和N∶P均低于全國和全球土壤中的平均值(表8)。本研究中土壤C∶N、C∶P低于全國和全球說明了西南喀斯特區(qū)坡耕地秸稈覆蓋條件下有機質(zhì)礦化速率加快和P的有效性較高。同時我們發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋處理的C∶N、C∶P均高于對照,表明秸稈覆蓋一定程度上可減緩坡耕地土壤較快的礦化速率,有利于土壤有機質(zhì)的積累。土壤C∶N較低的原因在于秸稈腐蝕分解過程中C的礦化分解程度大于N的分解程度,并且秸稈覆蓋于地表后會釋放較多的氮素[37]。同樣是在秸稈覆蓋條件下,本研究C∶N、C∶P也均低于黃土高原區(qū)和華南地區(qū)。低于黃土高原的原因是西南喀斯特區(qū)降雨量較多且積溫量較高,使得有機質(zhì)礦化速率加快[35]；低于華南茉莉園的原因可能是種植作物的不同所致,作物對土壤營養(yǎng)物質(zhì)的吸收不同導致計量比也存在差異[36]。N∶P是衡量N飽和的診斷指標,同時也是用于確定養(yǎng)分限制的閾值[38—39],指示作物生長過程中土壤營養(yǎng)成分的供應(yīng)情況[33]。一般而言,N∶P對作物限制的閾值為14(N)和16(P),比值小于14表明N限制作物生長,大于16則表明P限制作物生長,在14—16之間則受N、P兩者的共同限制[40]。本研究中土壤層較低的N∶P說明各小區(qū)作物生長均受N的限制,較低的C∶P,N∶P則表明該地區(qū)土壤養(yǎng)分處于缺N富P的狀態(tài)。相對于土壤C、N、P計量比的研究,K元素的研究較少。本研究土壤中C∶K、N∶K、P∶K隨著秸稈覆蓋率的增加而增加,原因主要是隨著秸稈覆蓋率的增加土壤C、N、P含量呈增加,K含量呈下降趨勢所致。

表8 西南喀斯特坡耕地土壤C、N、P計量特征與全國及其他地區(qū)土壤的比較Table 8 Stoichiometry characteristics of soil C, N and P on sloping farmland in karst area of Southwestern China compared with that in China and other regions

另外,本研究中土壤SOC與N、P、C∶N、C∶P、C∶K、N∶K、P∶K均存在顯著正相關(guān)關(guān)系,與以往的研究類似[41—43],這也表明了秸稈覆蓋條件下土壤各元素之間存在平衡和耦合關(guān)系,同時也說明了有機質(zhì)在促進土壤養(yǎng)分循環(huán)的過程中占主導地位。K和N∶P與其它元素之間均不存在顯著關(guān)系,說明它們之間缺乏顯著的增強或抑制效應(yīng)[44]。土壤各營養(yǎng)元素在增加土壤肥力、提高作物產(chǎn)量均扮演著重要的角色,不同養(yǎng)分元素之間相互聯(lián)系、相互影響,并且共同限制,缺少任何一元素都會對土壤肥力、作物生長發(fā)育及其產(chǎn)量產(chǎn)生消極影響。

3.3 基于土壤肥力和作物產(chǎn)量的適宜秸稈覆蓋量探討

正如前文所述,長期以來,西南喀斯特地區(qū)的秸稈資源并未得到合理的利用,造成了資源浪費和環(huán)境污染。而農(nóng)作物秸稈的高效化、合理化利用則是實現(xiàn)廢棄物資源再利用、緩解環(huán)境污染的重要手段,并可起到一定的增肥增產(chǎn)效果?？傮w而言,本研究中秸稈覆蓋提高了土壤C、N、P含量,并隨著覆蓋量增加總體呈增加趨勢；與此同時,秸稈覆蓋顯著提高了作物產(chǎn)量。對于土壤C、N、P化學計量比而言,較低的C∶N、C∶P加快了土壤有機質(zhì)礦化速率,同時有利于加快有機物的腐解,使土壤中可利用的營養(yǎng)元素增加。本研究中對照和覆蓋率較低小區(qū)(SM1—SM3)土壤C∶N、C∶P均低于覆蓋率較高的小區(qū)(SM4和SM5),說明在無覆蓋和覆蓋率較低時土壤營養(yǎng)元素可在短時間內(nèi)富集,但這種情況下更易導致土壤養(yǎng)分隨水土的流失而流失,并且低覆蓋率條件下土壤中產(chǎn)生的營養(yǎng)元素不能滿足作物的吸收利用。而高秸稈覆蓋率條件下既可向土壤輸送豐富的營養(yǎng)物質(zhì),又可起到保持水土的效果。另外,通過主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法綜合評價不同秸稈覆蓋率對土壤的改良情況,我們發(fā)現(xiàn)SM5排名最高,其次是SM4,對土壤肥力改良效果較好。但從各處理玉米產(chǎn)量來看,SM4的產(chǎn)量是最高的,而秸稈覆蓋量更高的SM5產(chǎn)量反而有所降低,原因可能是覆蓋厚度隨著覆蓋量增加而增加,導致幼苗無法沖破覆蓋在地表的秸稈而產(chǎn)生黃苗的情況,出苗率降低,從而導致產(chǎn)量下降。這說明了并不是秸稈覆蓋率越高對作物生長發(fā)育越好。相關(guān)研究表明,秸稈覆蓋在耕地里會發(fā)生復雜的化學反應(yīng),可導致病蟲害的發(fā)生,秸稈覆蓋量過多,反而增加作物病蟲害風險,導致作物減產(chǎn)[45—46]。結(jié)合差異顯著性分析結(jié)果,本研究表明SM4和SM5提高土壤養(yǎng)分較為明顯(P<0.05),但兩者之間差異不顯著(P> 0.05),這反映了西南喀斯特區(qū)秸稈覆蓋量在5556—6944 kg/hm2之間改良土壤的效果較為理想。

秸稈覆蓋量過高或過低都不能達到較好的土壤改良和作物增產(chǎn)效果,因此綜合主成分、灰色關(guān)聯(lián)度及差異顯著性分析結(jié)果,同時考慮到當?shù)剞r(nóng)民所能承受的經(jīng)濟范圍內(nèi),我們認為6000 kg/hm2左右的秸稈覆蓋量可能是西南喀斯特坡耕地較為適宜的覆蓋范圍。這與高日平等[15]在內(nèi)蒙古黃土高原地區(qū)開展的秸稈覆蓋還田試驗一致,他們認為6000 kg/hm2的秸稈覆蓋量對土壤為培肥和提高作物產(chǎn)量效果較好。但適宜秸稈覆蓋量往往會因地而異,恒河三角洲鹽漬土開展的秸稈覆蓋試驗表明,覆蓋5000 kg/hm2的稻草秸稈顯著改善了作物的生長和產(chǎn)量[47]。而Kesterna[11]的秸稈覆蓋試驗表明,10000 kg/hm2的秸稈覆蓋量可獲得較好的番茄產(chǎn)量效果。因此,基于土壤肥力改良的適宜秸稈覆蓋率需要針對不同地區(qū)的地質(zhì)、氣候等綜合因素而定。

4 結(jié)論

覆蓋于地表的秸稈作為土壤營養(yǎng)元素的重要來源,可將其作為一種補充手段以補給土壤中被作物吸收和隨水土流失而流失的土壤養(yǎng)分,從而提高土壤肥力。秸稈覆蓋條件下土壤C∶N、C∶P較低,有利于加速土壤有機質(zhì)礦化分解,同時說明P的有效性較高。秸稈覆蓋不同程度上增加了作物產(chǎn)量,其中SM4處理的產(chǎn)量最高。通過主成分、灰色關(guān)聯(lián)度及差異顯著性分析,同時結(jié)合作物產(chǎn)量,建議在西南喀斯特坡耕地覆蓋6000 kg/hm2左右的秸稈促進農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中作物—覆蓋物—土壤間物質(zhì)與養(yǎng)分的良性循環(huán),以期達到較好的土壤增肥、作物增產(chǎn)效果。