林小兵,柳開(kāi)樓,黃尚書(shū),何紹浪,徐小林,周琦娜,鐘義軍
(1.江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所,國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 331717;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院,江西 南昌 330045)
紅壤是我國(guó)南方地區(qū)重要的土地資源,由于受自身發(fā)育、氣候等自然因素及不合理利用等人為因素的影響,紅壤酸、黏、瘦、板等特性越來(lái)越突出[1-2],農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱,生物多樣性銳減,嚴(yán)重制約了紅壤資源的可持續(xù)發(fā)展。施肥是改良土壤地力和提高產(chǎn)量的常規(guī)措施,但長(zhǎng)期、過(guò)量施用化肥會(huì)帶來(lái)土壤酸化、肥力下降、微生物活性減弱等不利影響[3-4]。針對(duì)不合理施用化肥帶來(lái)的負(fù)面影響,增施有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是改善土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)的重要措施[5]。
研究表明,長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可以改善旱地紅壤土壤肥力,提高細(xì)菌多樣性[6],與不施豬糞相比,連續(xù)施用豬糞3 a后,旱地紅壤有機(jī)碳、速效養(yǎng)分和作物產(chǎn)量均得到明顯提高[7]。土壤微生物生物量和酶活性常被用來(lái)評(píng)價(jià)土壤的生物學(xué)性狀[8],目前,已有大量研究關(guān)于長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及產(chǎn)量的影響,而對(duì)土壤生物學(xué)特性的研究較少,特別是長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施下對(duì)旱地紅壤微生物生物量碳、氮和酶活性的影響。合理的施肥制度有利于改善土壤理化性質(zhì),提高作物產(chǎn)量,不合理施肥則將進(jìn)一步導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降,從而影響作物產(chǎn)量。因此,本研究基于種植制度為一年兩季玉米的南方旱地紅壤區(qū),分析不同施肥(化肥、有機(jī)肥和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施)處理對(duì)不同時(shí)期不同深度下玉米土壤微生物生物量和酶活性的影響,以期準(zhǔn)確評(píng)價(jià)長(zhǎng)期施肥對(duì)旱地紅壤生物學(xué)指標(biāo)的影響。
試驗(yàn)地位于江西省南昌市進(jìn)賢縣張公鎮(zhèn)江西省紅壤研究所旱博園內(nèi)(116°20′24″E、28°15′30″N),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均降雨量1 537 mm,年均氣溫17.7~18.5 ℃,海拔25~30 m。1986年試驗(yàn)前耕層土壤pH值 6.0,有機(jī)碳9.39 g/kg,全氮0.98 g/kg,全磷1.42 g/kg,全鉀15.83 g/kg,堿解氮60.3 mg/kg,有效磷12.9 mg/kg,速效鉀102 mg/kg。
長(zhǎng)期定位試驗(yàn)開(kāi)始于1986年,設(shè)置4個(gè)處理:對(duì)照(不施肥,CK);化肥(氮、磷、鉀肥,NPK);有機(jī)肥(鮮豬糞,OM);化肥和有機(jī)肥配施(NPKM)。隨機(jī)區(qū)組排列,各小區(qū)面積22.2 m2,每個(gè)處理3次重復(fù)。種植制度為春玉米-秋玉米-冬閑,玉米品種為掖單13,每季的播種量(條播)為30 kg/hm2。肥料施用量詳見(jiàn)表1。
表1 旱地紅壤長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)各處理每季肥料用量
分別于2020年6月底(春玉米成熟期)和2020年10月底(秋玉米成熟期)進(jìn)行采樣,采用五點(diǎn)采樣法,每個(gè)小區(qū)分別采集0~20 cm,20~40 cm土壤,混勻后去除根系與雜質(zhì)運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室,一部分放置-4 ℃冰箱保存;一部分風(fēng)干過(guò)篩。在玉米成熟后,對(duì)小區(qū)內(nèi)所有玉米收齊后進(jìn)行脫粒、曬干和稱質(zhì)量。
本試驗(yàn)土壤化學(xué)性質(zhì)參照魯如坤[9]的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》方法進(jìn)行,土壤pH值采用電位法,土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-容量法,全氮(TN)采用凱氏定氮法,全磷(TP)采用碳酸鈉熔融法,全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融法,堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法,有效磷(AP)采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,速效鉀(AK)采用乙酸銨浸提-火焰光度法。
土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法;過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法;磷酸單脂酶活性采用對(duì)硝基苯磷酸鹽法;蔗糖酶活性采用水楊酸比色法[10]。采用氯仿熏蒸法測(cè)定土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN):稱取5 g干質(zhì)量的新鮮土壤樣品用氯仿熏蒸24 h,并準(zhǔn)備等量的新鮮土壤,不熏蒸作為對(duì)照組,熏蒸結(jié)束后,利用0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提(土液比為1∶4),在搖床上浸提30 min后,過(guò)濾,得到濾液,采用TOC分析儀測(cè)定浸提液的C、N濃度,以熏蒸和不熏蒸土壤中總碳和全氮的差值除以轉(zhuǎn)化系數(shù)計(jì)算得到土壤微生物生物量碳、氮含量,換算系數(shù)分別為0.45,0.54[11]。其中,微生物熵(qMB)=土壤微生物生物量碳(MBC)/土壤有機(jī)碳(SOC)。
本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用R語(yǔ)言進(jìn)行分析和處理,并由R語(yǔ)言ggplot2完成制圖。
從圖1可以看出,長(zhǎng)期施肥后旱地紅壤微生物生物量碳、氮含量差異顯著,春玉米時(shí)期,0~20 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC較CK分別提高了69.19%,141.85%,119.02%,MBN分別提高了3.33%,39.54%,23.65%;20~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC較CK分別提高了67.05%,159.15%,106.05%,MBN分別提高了31.44%,62.37%,46.65%。秋玉米時(shí)期,0~20 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC較CK分別提高了36.30%,96.93%,67.33%,MBN分別提高了17.09%,47.29%,34.41%;20~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC較CK分別提高了73.46%,136.72%,111.61%,MBN分別提高了29.58%,46.81%,39.30%。進(jìn)一步分析MBC/MBN和微生物熵qMB發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期不同施肥后MBC/MBN和qMB表現(xiàn)為NPKM和OM處理顯著高于CK處理,春玉米時(shí)期,與CK相比,0~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC/MBN分別提高了26.92%~62.61%,60.10%~71.74%,40.80%~75.65%,qMB較CK分別增加了2.50~3.73百分點(diǎn),2.62~7.14百分點(diǎn),2.97~5.90百分點(diǎn);秋玉米時(shí)期,與CK相比,0~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC/MBN分別提高了16.08%~33.47%,33.22%~61.44%,24.13%~51.27%;qMB較CK分別增加了1.03~3.43百分點(diǎn),0.61~4.15百分點(diǎn),0.01~4.17百分點(diǎn)??傮w上,0~20 cm土壤MBC和MBN明顯高于20~40 cm,秋玉米時(shí)期土壤MBC和MBN明顯高于春玉米。
圖中不同小寫(xiě)字母為同一土層不同處理間差異顯著,P<0.05。圖2—4同。
如圖2所示,長(zhǎng)期施肥后旱地紅壤酶活性差異顯著。春玉米時(shí)期,與CK相比,0~20 cm土層NPK、NPKM和OM處理過(guò)氧化氫酶活性分別提高了42.61%,63.77%,79.71%,磷酸單脂酶活性分別提高了38.59%,46.02%,46.06%,脲酶活性分別提高了26.47%,82.37%,53.94%,蔗糖酶活性分別提高了101.57%,152.76%,243.31%;20~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理過(guò)氧化氫酶活性分別提高了0.22%,33.74%,19.50%,磷酸單脂酶活性分別提高了9.82%,59.51%,31.90%,脲酶活性分別提高了12.10%,17.62%,8.73%,蔗糖酶活性分別提高了116.67%,538.89%,66.67%。秋玉米時(shí)期,與CK相比,0~20 cm土層NPK、NPKM和OM處理過(guò)氧化氫酶活性分別提高了42.60%,66.49%,74.55%,磷酸單脂酶活性分別提高了38.03%,57.39%,47.89%,脲酶活性分別提高了25.29%,58.98%,34.92%,蔗糖酶活性分別提高了51.70%,194.32%,168.75%;20~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理過(guò)氧化氫酶活性分別提高了7.41%,50.20%,43.48%,磷酸單脂酶活性分別提高了21.76%,36.57%,22.69%,脲酶活性分別提高了18.85%,36.59%,21.56%,蔗糖酶活性分別提高了137.04%,216.67%,168.52%。
圖2 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)旱地紅壤雙季玉米制度下土壤酶活性的影響
長(zhǎng)期不同施肥對(duì)旱地紅壤pH值、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等化學(xué)性質(zhì)影響達(dá)顯著水平(圖3)。春玉米和秋玉米時(shí)期,土壤pH值在0~20 cm,20~40 cm土層均表現(xiàn)出OM>NPKM>CK>NPK趨勢(shì),OM和NPKM處理與CK相比,土壤pH值分別提高了0.52%~25.00%,1.04%~18.24%,而NPK則降低了0.20%~8.53%。有機(jī)碳在0~20 cm,20~40 cm土層均表現(xiàn)出NPKM>OM>NPK>CK趨勢(shì),春玉米時(shí)期,與CK相比,0~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理中有機(jī)碳分別提高了3.62%~15.64%,19.79%~63.27%,4.47%~41.11%;秋玉米時(shí)期,與CK相比,0~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理中有機(jī)碳分別提高了16.83%~19.92%,47.99%~82.21%,32.12%~66.67%。土壤全量和速效養(yǎng)分變化趨勢(shì)和有機(jī)碳變化規(guī)律一致,除秋玉米時(shí)期0~20 cm土層外,與CK相比,NPK、NPKM和OM處理中全氮分別提高了2.00%~6.98%,10.47%~68.00%,10.47%~30.00%。春玉米和秋玉米時(shí)期,0~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理與CK相比,全磷分別提高了3.92%~30.43%,34.38%~230.43%,35.93%~265.22%,全鉀分別提高了5.61%~9.76%,6.82%~9.68%,6.16%~9.84%。增施有機(jī)肥(OM和NPKM)后,與CK相比,有效磷分別提高了6.38~7.59倍,6.65~11.64倍,單施NPK則無(wú)顯著影響;春玉米和秋玉米時(shí)期,0~40 cm土層NPK、NPKM和OM處理與CK相比,堿解氮分別提高了3.27%~18.61%,23.89%~49.70%,26.70%~65.11%;速效鉀分別提高了92.02%~168.06%,123.35%~302.34%,121.58%~197.49%。
如圖4所示,春玉米產(chǎn)量為1 189.39~8 454.55 kg/hm2,秋玉米產(chǎn)量為340.91~5 477.27 kg/hm2。旱地紅壤經(jīng)過(guò)35 a不同施肥后,除秋玉米NPK處理外,各施肥處理均顯著提高了玉米產(chǎn)量,增加了1.04~15.06倍,其中春、秋玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)出:NPKM>OM>NPK>CK的趨勢(shì)。春玉米時(shí)期,與CK相比,NPK、NPKM和OM處理玉米產(chǎn)量分別提高了1.53,6.11,4.75倍;秋玉米時(shí)期,NPK、NPKM和OM處理較CK相比產(chǎn)量分別提高了1.04,15.07,11.36倍。從圖4還可以看出,施用有機(jī)肥處理(OM和NPKM)玉米產(chǎn)量也顯著高于純化肥處理(NPK)。
圖4 長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)雙季玉米產(chǎn)量的影響
相關(guān)性分析表明(圖5),春玉米和秋玉米時(shí)期,在0~20 cm土層,土壤磷酸單脂酶與土壤速效鉀呈極顯著正相關(guān);土壤蔗糖酶與土壤全磷和堿解氮均呈極顯著正相關(guān);土壤脲酶與土壤速效鉀呈極顯著正相關(guān);土壤過(guò)氧化氫酶與土壤全磷和堿解氮均呈極顯著正相關(guān);土壤微生物量碳與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷和速效鉀均呈極顯著正相關(guān);土壤微生物量氮與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷和速效鉀均呈極顯著正相關(guān)。在20~40 cm土層,土壤磷酸單脂酶與土壤有效磷呈極顯著正相關(guān);土壤過(guò)氧化氫酶與土壤有效磷呈極顯著正相關(guān);土壤微生物量碳與土壤全鉀和有效磷均呈極顯著正相關(guān);土壤微生物量氮與土壤全鉀呈極顯著正相關(guān)。
圖中數(shù)值為相關(guān)系數(shù),*、**和***分別表示在0.05,0.01,0.001水平上差異顯著。
由表2可以看出,春玉米產(chǎn)量與土壤pH值、有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀、微生物量碳、微生物量氮、脲酶和過(guò)氧化氫酶均呈極顯著正相關(guān),還與土壤全鉀、磷酸單脂酶、蔗糖酶呈極顯著正相關(guān)。秋玉米產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、微生物量碳、微生物量氮、蔗糖酶和脲酶均呈極顯著正相關(guān),還與土壤pH值、磷酸單脂酶、速效鉀和過(guò)氧化氫酶呈極顯著正相關(guān)。相關(guān)性還表明,土壤養(yǎng)分、微生物生物量和酶活性的增加是顯著促進(jìn)玉米產(chǎn)量提高的重要措施。
表2 玉米產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分、微生物生物量碳、氮含量和酶活性相關(guān)性
長(zhǎng)期不同施肥對(duì)雙季玉米旱地紅壤的養(yǎng)分有著不同程度的影響,有機(jī)肥(豬糞)中含有大量作物所需的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素,有機(jī)肥施入土壤后不斷腐解,土壤養(yǎng)分如有機(jī)質(zhì)、氮素、磷素及鉀素不斷釋放[12],提高了土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀等含量。本研究發(fā)現(xiàn),旱地紅壤長(zhǎng)期增施有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)配施可以顯著提高土壤養(yǎng)分和pH值,而單施化肥則加速了土壤酸化,其中長(zhǎng)期增施有機(jī)肥后土壤磷素累積明顯。宋以玲等[13]研究表明,與常規(guī)施用化肥比,減量化肥配施有機(jī)肥通過(guò)改善根際土壤微生物群落來(lái)改變土壤酶活性和有效養(yǎng)分含量,并實(shí)現(xiàn)養(yǎng)地增產(chǎn)的效果。徐文靜等[14]試驗(yàn)也表明,長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理較單施化肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳的提升作用效果更佳,與本研究結(jié)果類似。本研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期施用豬糞或豬糞與化肥配施后可顯著增加玉米產(chǎn)量,較CK比增加了4.75~15.07倍,而單施化肥玉米產(chǎn)量?jī)H增加了1.04~1.53倍。Zhong等[15]研究表明,旱地紅壤連續(xù)33 a不施肥后,玉米產(chǎn)量基本維持初始水平,單施化肥在前15 a呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但在第15年后則顯著下降到低于初始產(chǎn)量,說(shuō)明長(zhǎng)期單施化肥不利于玉米產(chǎn)量的提升。研究表明,施用有機(jī)肥,提高了有機(jī)碳含量和微生物固碳能力,改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu)和透氣性,進(jìn)而促進(jìn)了作物產(chǎn)量的提高[16-17]。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)配施可以通過(guò)改善玉米的行粒數(shù)、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量等穗部經(jīng)濟(jì)性狀,從而有利于獲得較高的產(chǎn)量[18],大量研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥與化肥氮磷鉀平衡配施不僅能改善土壤理化性狀和培肥土壤,而且可協(xié)同提升農(nóng)作物籽粒產(chǎn)量[19-20]。研究還發(fā)現(xiàn),秋玉米土壤化學(xué)性質(zhì)和春玉米變化規(guī)律基本一致,除土壤pH值和全鉀外,土壤養(yǎng)分均隨著土層深度增加而顯著降低。向姣等[21]研究表明,耕層土壤(0~20 cm)有機(jī)碳對(duì)長(zhǎng)期施肥響應(yīng)最敏感,有機(jī)碳隨剖面呈下降趨勢(shì),與本研究相似。研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期秸稈還田促進(jìn)土壤表層養(yǎng)分累積,但土壤底層可能引起養(yǎng)分供應(yīng)不足[22]。施肥主要集中在土壤表層,而長(zhǎng)期定位施肥加劇了表層土壤養(yǎng)分的累積,造成土壤養(yǎng)分隨土層深度降低。
長(zhǎng)期施肥后土壤酶活性和微生物生物量碳、氮含量均顯著提高,且添加有機(jī)肥(豬糞)效果要優(yōu)于單施化肥。有機(jī)肥投入后,土壤有機(jī)碳含量增加,微生物得到了豐富的碳源和氮源,有利于微生物繁殖和發(fā)展[23],也提高了土壤酶活性[24]。研究表明,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或與化肥配施能顯著提高土壤微生物多樣性和微生物量氮[25-27]。有機(jī)肥不僅為土壤提供大量養(yǎng)分,使微生物代謝能力加強(qiáng),促進(jìn)土壤中腐殖質(zhì)分解,而且增加作物根系生物量及分泌物,為根際微生物提供了易于吸收的碳源,從而提高了土壤中微生物生物量碳、氮[28-29]。研究還發(fā)現(xiàn),有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施土壤微生物生物量碳、氮含量均高于單施有機(jī)肥,單施有機(jī)肥缺少了土壤微生物生長(zhǎng)的氮、碳、磷等養(yǎng)分,土壤微生物的繁殖及生長(zhǎng)受限,減弱了土壤微生物對(duì)氮的固持[30]。此外,與單施化肥相比,有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的對(duì)氮素固定率較高,主要是有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施避免了氮素淋失和反硝化脫氫[26]。馬曉霞等[31]研究表明,長(zhǎng)期有機(jī)物配施化肥有利于提高土壤堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等酶活性。主要原因是有機(jī)肥為土壤帶來(lái)了大量的腐殖質(zhì),促進(jìn)了微生物繁殖及生長(zhǎng),還刺激了土壤酶活性,有機(jī)肥還改善了土壤理化性質(zhì),為土壤微生物生長(zhǎng)提供良好環(huán)境,為土壤酶提供了更多的底物[32-34]。土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷、堿解氮和有效磷等養(yǎng)分的增加是促進(jìn)玉米生物量碳、氮和酶活性提高的重要措施,與以往研究結(jié)果相似[26]。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),土壤酶活性和微生物生物量碳、氮均隨著土層深度增加而顯著降低,而秋玉米時(shí)期土壤微生物生物量碳、氮和酶活性高于春玉米時(shí)期。潘名好等[35]研究發(fā)現(xiàn),4種酶活性呈表層富集現(xiàn)象,均隨土層深度的增加而降低,李榮等[36]調(diào)查發(fā)現(xiàn),隨土層深度的增加土壤微生物量碳含量逐漸下降的趨勢(shì),王伯仁等[25]在湖南祁陽(yáng)旱地紅壤發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分主要集中在0~20 cm表層土壤,土壤養(yǎng)分豐富的地區(qū)土壤微生物生物量碳、氮和酶活性也較高。不同時(shí)期生物呼吸作用以及微生物分解殘?bào)w可能影響土壤微生物生物量碳、氮和酶活性的季節(jié)差異[37],土壤酶活性主要土壤肥力狀況和微生物過(guò)程的共同制約[38]。相關(guān)性還發(fā)現(xiàn),秋玉米時(shí)期土壤微生物生物量碳、氮和酶活性較春玉米時(shí)期比受土壤養(yǎng)分影響更顯著,采樣時(shí)期的水、熱條件變化也可能影響土壤微生物生物量碳、氮和酶活性。
連續(xù)35 a施肥后,單施化肥加速了旱地紅壤酸化進(jìn)程,增施有機(jī)肥則可以緩解土壤酸化,維持較高土壤pH值,但土壤磷素累積明顯。長(zhǎng)期施肥后土壤酶活性和微生物生物量碳、氮含量均顯著提高,且添加有機(jī)肥(豬糞)效果要優(yōu)于單施化肥。土壤微生物生物量碳、氮和酶活性與土壤養(yǎng)分狀況對(duì)長(zhǎng)期施肥的響應(yīng)基本相同。有機(jī)無(wú)機(jī)配施是提升土壤養(yǎng)分、微生物生物量、酶活性和產(chǎn)量的最佳培肥措施,但需要注意長(zhǎng)期施用豬糞帶來(lái)的重金屬等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
旱地紅壤長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施,有利于增加土壤pH值和養(yǎng)分,提高微生物生物量碳、氮和酶活性,是旱地紅壤肥力提升和地力保持的適宜農(nóng)業(yè)措施。長(zhǎng)期單施化肥會(huì)導(dǎo)致旱地紅壤酸化加劇,不利于旱地紅壤養(yǎng)分與生物肥力提升,限制了作物產(chǎn)量的提高,不適于該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。