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  土壤学报  2024, Vol. 61 Issue (5): 1386-1397  DOI: 10.11766/trxb202303140101
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引用本文  

洪华阳, 魏天齐, 周红梅, 等. 修复连作大蒜土壤生产力衰退的有机质补偿方案与初步机理. 土壤学报, 2024, 61(5): 1386-1397.
HONG Huayang, WEI Tianqi, ZHOU Hongmei, et al. Organic Matter Compensation Scheme and Preliminary Mechanism for Remediation of Soil Productivity Decline in Continuous Cropping Garlic. Acta Pedologica Sinica, 2024, 61(5): 1386-1397.

基金项目

2022年度江苏省碳达峰碳中和科技创新项目(BE2022805)和中国科学院南京土壤研究所“十四五”创新项目(ISSASIP2201)共同资助

通讯作者Corresponding author

张焕朝, E-mail:hczhang@njfu.edu.cn

作者简介

洪华阳(1994—),女,安徽黄山人,硕士研究生,主要从事土壤生态方面的研究。E-mail:nanlinhong@163.com
修复连作大蒜土壤生产力衰退的有机质补偿方案与初步机理
洪华阳1, 魏天齐2,3, 周红梅4, 任艳云4, 马龙传5, 苏彦华2, 张焕朝1    
1. 南京林业大学林学院, 南京 210037;
2. 中国科学院南京土壤研究所, 南京 211135;
3. 中国科学院大学, 北京 100049;
4. 山东济宁市农业科学研究院, 山东济宁 272100;
5. 山东省金乡县科技局(大蒜研究所), 山东济宁 272200
摘要:针对山东省金乡县品牌大蒜主产区长期连作大蒜田中土壤有机质亏缺和大蒜产量连年衰减的典型问题,以不同比例的有机肥替代化肥作为有机质补偿方案,研究了有机肥替代化肥对大蒜产量和土壤障碍的修复效果。试验选取了大于25年连作历史的代表性田块,以未种植大蒜的麦田作为非连作田块对照,设置常规化肥施肥(CF)、以氮(N)为基准进行有机肥替代化肥25%(M25)、50%(M50)和100%(M100)四个处理。结果表明,在长期大蒜连作土壤中,有机替代处理对大蒜的产量衰退具有显著的当季修复效果,增产幅度可达20%,同时改善了土壤中的氮素养分供应状态和土壤大于2 mm团聚体的比例;其中25%有机替代率(M25)具有较佳的经济效益;而在土壤有机质未出现亏缺的非连作土壤中,有机替代处理并无直接的增产效果。综上,本研究明确了增施有机肥仅在土壤有机质出现明显亏缺的连作大蒜土壤中可通过促进大颗粒土壤团聚体的形成和提升全生育期土壤有效态养分的固持能力,进而对连作大蒜土壤生产力的退化具有显著的修复效果。该研究对缓解连作体系中的类似土壤退化问题和维持土壤生产力的可持续性,具有有益的借鉴作用。
关键词有机质补偿    有机替代    大蒜产量    土壤养分    土壤结构    
Organic Matter Compensation Scheme and Preliminary Mechanism for Remediation of Soil Productivity Decline in Continuous Cropping Garlic
HONG Huayang1, WEI Tianqi2,3, ZHOU Hongmei4, REN Yanyun4, MA Longchuan5, SU Yanhua2, ZHANG Huanchao1    
1. College of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;
2. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 211135, China;
3. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Shandong Jining Academy of Agricultural Sciences, Jining, Shandong 272100, China;
5. Science and Technology Bureau of Jinxiang County, Shandong Province (Garlic Research Institute), Jining, Shandong 272200, China
Abstract: 【Objective】This study aimed to use different proportions of organic fertilizer instead of chemical fertilizer as organic matter compensation schemes to study their effects on garlic yield attenuation in long-term continuous cropping garlic fields in the main garlic-producing area of Jinxiang County, Shandong Province.【Method】The representative fields with more than 25 years of continuous cropping history were selected in this experiment. The wheat field without garlic planting was used as the non-continuous cropping field control. Four treatments were set up : conventional chemical fertilizer fertilization (CF) and organic fertilizer to replace chemical fertilizer with 25% (M25), 50% (M50) and 100% (M100) based on nitrogen (N).【Result】The results showed that in the long-term garlic continuous cropping soil, organic fertilizer instead of chemical fertilizer treatment had a significant effect on the increase(20%)of garlic yield in the current season. Also, the content of N in continuous cropping soil and the proportion of soil > 2 mm aggregates were increased, and the N nutrient supply status and soil aggregate structure in the soil were improved. Among the treatments, 25% organic fertilizer instead of chemical fertilizer treatment(N)had the best yield and economic benefit of garlic, and also had a better repair effect on the decline of soil productivity of continuously cropping garlic. However, in non-continuous cropping soil without organic matter deficit, organic substitution treatment did not have a direct effect on increasing production.【Conclusion】This study clarified that the application of organic fertilizer(partial organic fertilizer instead of chemical fertilizer treatment)based on chemical fertilizer application can only promote the formation of large-grained soil aggregates and enhance the holding capacity of soil available nutrients during the whole growth period in the continuous cropping garlic soil with obvious deficiency of soil organic matter. It also has a significant restoration effect on the degradation of continuously cropping garlic soil productivity. This study provides a useful reference for alleviating similar soil degradation problems and maintaining the sustainability of soil productivity in continuous cropping systems.
Key words: Organic matter compensation    Organic substitution    Garlic yield    Soil nutrients    Soil structure    

大蒜是我国的特色经济作物,种植面积常年占世界总面积的1/2,而生产了约占世界总产量70%的大蒜产品[1]。因此我国的大蒜生产凸显了由化肥密集投入而获得高产的典型特征。由于我国大蒜主产区为了维持大蒜的品牌优势以及较高经济效益的导向下,大蒜种植在当地的耕地使用中占主导地位,使得轮作的空间很小,导致常年采用单一种植的连作方式。随着连作年限的延长,超过25年连作历史的大蒜田,出现了严重的大蒜产量逐年衰退的问题。例如在山东省金乡县地理标志大蒜主产区,25年以上的长期连作大蒜田的蒜头产量普遍仅为初始时期(连作10年以内)的1/2,而化肥投入成本却由最初的每公顷4 500元左右增加了一倍以上,扣除物价上涨因素,氮磷钾化肥的投入量增加60%~70%(数据未发表)。上述特征是土壤连作障碍发生的典型体现之一。连作障碍的发生具有多方面的原因,主要包括连续单一种植、采收制度和常年相对统一的水肥管理措施所导致的土壤养分失衡、有机质损耗、土壤结构变差以及土壤微生物群落结构与多样性的恶化等诸多表现[2-6],最终使得作物产量和品质严重降低。根据本研究前期对约100个大蒜种植户的问卷走访,土传病害在连作大蒜土壤中的危害具有与当年种植季节的高温现象相关联的季节偶然性,在正常年份病原菌的危害并不是导致大蒜减产的主要原因,与果蔬类作物连作障碍减产有所不同。在山东金乡县大蒜主产区,自20世纪90年代以来,大蒜的种植、管理一直沿用国家和地方推行的标准化种植技术(DB37/T 335—2002、GB/T 22212—2008、T/JXDSZZ002—2020)。在这些标准化技术规程中,有机肥或有机物料的施用并未得到重视。长此以往,造成土壤中磷钾养分的过量积累和土壤有机质亏缺的现状。本文试验季节属于正常年份,从调查结果和连作障碍发生诱因分析,本文未关注病害的问题,对土壤生产力修复的主要关注点聚焦于土壤有机质的补偿。

土壤有机质对改善土壤的理化性质、增加养分固持以及从碳源角度为土壤微生物活动提供能量来源尤为重要[7]。土壤团聚体结构的形成与土壤有机质含量密切相关,是衡量土壤肥力的重要指标[8-10]。王钰皓等[11]在农田试验发现,有机物物料还田可提高土壤有机碳含量和土壤大于0.25 mm粒径百分比,二者对玉米的产量有显著促进作用,平均提高14.6%。Agbede和Adekiya[12]通过生物质炭还田提高土壤耕层团聚体的稳定性,改善土壤结构,使作物产量平均增加40%以上。司海丽等[13]的研究表明通过增施适量的有机替代,可增加玉米穗重、穗长、穗粗、百粒重和行数从而增加玉米产量。有机肥对连作作物的增产作用是有限度的。对于土壤有机质本底值较高、结构良好的土壤而言,增施有机肥的增产效果通常并不明显,其作用在很大程度上体现在有机质增量对于土壤生产力可持续性的保证方面。如在黄淮海典型潮土上的长期定位试验结果表明,在不追求高产目标的前提下,相较于秸秆还田或有机无机配施,长期单纯施用氮磷钾(NPK)化肥也能维持较高的小麦产量,且土壤有机质、土壤物理结构、养分有效性以及土壤酶活等衡量土壤地力水平的指标亦有稳步提升[14-15]

本文针对山东省金乡长期连作大蒜土壤中出现的有机质亏缺和产量降低现象,探讨通过有机肥替代化肥进行有机质补偿,对大蒜产量降低的恢复效果;结合当地有机肥源不足的现状,确定经济有效的有机替代比例;并研究该有机质补偿措施对土壤理化性质的影响。同时选取未种植大蒜的田块作为对照,在有机质和磷钾养分背景的巨大差异下,通过有机替代进行有机质补偿,甄别对大蒜产量增加的效果。本文研究结果可为解决当地长期连作大蒜土壤生产力降低、维系该种植模式的可持续性提供有益支撑。

1 材料与方法 1.1 试验地概况与试验设计

本研究在前期农户调查基础上,分别选取山东省济宁市金乡县化雨镇刘堂村(35°01′N,116°23′E)和卜集镇李堂村(35°10′N,116°17′E)两个典型田块,面积均为约1 500 m2。其中刘堂村试验地为连续种植大蒜约30年的田块,近年来大蒜蒜头产量较初期年份(约23 t·hm–2)降低约50%,在该县长期连作大蒜田中具有代表性。而李堂村田块从未种植过大蒜,常年小麦-玉米轮作,作为非连作大蒜田对照。该县处于黄淮海平原,地势平坦,全县无山,土壤类型为典型黄潮土,pH 7.9~8.2(土︰水比为1︰2.5),呈较为明显的偏碱性。供试两处田块土壤均为中壤质地。试验布置前采集耕层土壤(0~20 cm)进行理化性质分析,如表 1所示。

表 1 试验地土壤基本性质(0~20 cm) Table 1 Basic soil properties of the test field(0–20 cm)

供试大蒜品种为当地主栽品种:金蒜3号。试验用有机肥为鸡粪有机肥(含有机质394.6 g·kg–1、N 17.3 g·kg–1、P2O5 25.7 g·kg–1、K2O 19.3 g·kg–1),化肥类型为包膜长效尿素(控释期180 d)、磷酸二铵和硫酸钾,购自山东农大肥业。

试验于2019年10月—2020年5月进行,在连作大蒜田块和非连作田块均设置4个相同的处理。常规化肥施肥处理(CF):N 300 kg·hm–2、P2O5 225 kg·hm–2、K2O 300 kg·hm–2为对照。以CF处理中的总N量为基准,以有机肥替代化肥25%(3.75 t·hm–2,M25)、50%(5 t·hm–2,M50)和100%(7.5 t·hm–2,M100)作为有机质补偿方案。有机替代中不足的NPK养分以化肥补齐。所有的化肥和有机肥均在大蒜播种时一次性施入,后期不再追施氮肥。每处理小区面积为60 m2,重复3次,随机区组排列。不同处理间留出3 m缓冲带,并于小区四周设2 m保护行。本研究目的是探讨有机替代/有机质补偿方案相对于常规化肥施肥的实效性,故未设置不施肥的空白处理。大蒜的种植、田间管理和采收采用当地通行的金乡大蒜种植标准(T/JXDSZZ002—2020)[16]

1.2 土样采集与制备

在大蒜成熟期,采集0~20 cm土样,每个小区按“S”型方法布点,采集5点组成一个混合样,土壤样品装在塑料盒内运回实验室。土样运回实验室后分为2份。一份土壤样品自然风干后研磨过100目和10目筛,用于土壤全量养分和速效养分的测定,一份在室内风干,待土样完全风干后收集过67目筛,用于土壤团聚体的测定。

1.3 分析方法

土壤样品经2 mol·L–1 KCl 180 r·min–1振荡1 h浸提后分别用元素分析仪(Smartchem 200,西班牙)和分光光度法测定NH + 4 - NNO3 - N的含量,用于计算有效氮含量;土壤样品经0.5 mol·L–1 NaHCO3(pH8.5)150 r·min–1振荡30 min浸提后,钼锑抗比色法测定有效磷(Olsen-P);土壤样品经1 mol·L–1 NH4OAc 120 r·min–1振荡30 min浸提用火焰光度计(M410,英国)测定速效钾[17]

土壤总有机质采用重铬酸钾氧化–比色法测定[17];易氧化有机碳采用0.02 mol·L–1高锰酸钾氧化—分光光度计法测定[18];颗粒有机碳(> 0.05 mm)采用六偏磷酸钠分散法将土壤样品进行分级后用重铬酸钾氧化—比色法测定[19]。总球囊霉素相关土壤蛋白(Total glomalin-related soil protein,T-GRSP)和易提取球囊霉素相关土壤蛋白(Easy extractable glomalin-related soil protein,EE-GRSP)的提取和测定按照Wright和Upadhyaya[20]的方法,考马斯亮蓝G-250染色,于595 nm波长下比色测定。

土壤水稳性团聚体测定[21]采用湿筛法:将100 g风干土壤样品在室温下放置于湿筛机的不锈钢筛上,不锈钢筛孔径分别为2 mm、2~0.25 mm、0.25~0.053 mm,从上到下依次重叠固定,在蒸馏水中浸泡5 min,筛子上下振荡3 min,振动结束后,分别收集筛子上的团聚体,同时收集滤出液于最后一级团聚体悬液中,为小于0.053 mm团聚体

1.4 数据处理

土壤团聚体稳定性采用平均重量直径(MWD)、平均几何直径(GMD)、大于0.25 mm团聚体含量(R0.25)进行评价,其计算公式[21-22]如下:

MWD=ni=1(xiwi) (1)
GMD = Exp[ni=1milnxini=1mi] (2)
R0.25=MT > 0.25MT (3)

式中,xi为某级团聚体平均直径(本研究各级团聚体平均直径取值分别为2 mm、1.125 mm、0.1515 mm和0.053 mm),wii粒级团聚体质量所占比例,mi为土壤不同粒级团聚体的质量,MT为团聚体总质量。

分形维数(D)的计算采用杨培岭等[23]推导的公式:

M(r<xi)MT={xixmax}3D (4)

对式(4)两边取对数可得

lgM(r<xi)MT=(3D)lg{xixmax} (5)

利用式(4)或式(5),通过数据拟合可求得D。其中,xi为某级团聚体平均直径,M(r < xi为粒径小于xi的团聚体质量,xmax为团聚体的最大粒径。

可蚀性K的计算采用Shirazi和Boersma[24]提出仅需要考虑几何平均直径(GMD)来计算的公式:

K=7.9547×{0.0017+0.0494×exp[0.5×(1.675+log10GMD/0.6986)2]} (6)

本研究运用SPSS 26进行数据分析,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)比较处理间差异,用邓肯(Duncan’s)法检验差异显著性(P < 0.05),图表中数据为平均值±标准差,Excel 2021和GraphPad Prism 8软件进行绘图。

2 结果 2.1 有机替代对连作和非连作田大蒜产量的影响

蒜头产量是该地大蒜经济产量的主要衡量指标。在常规沿用的化肥(CF)处理下,可以明显看出连作大蒜田的蒜头产量仅为15 t·hm–2,相比于非连作大蒜田中约23 t·hm–2的产量,降低了约1/3(图 1a)。这与农户调查中所了解到的长期连作大蒜田中出现严重减产的事实十分吻合。在连作大蒜田中,有机替代处理M25和M50的蒜头产量分别较CF增加了约20%和16%,而全量有机替代处理M100则无明显增产效果(图 1a),说明适量的化肥施用仍为大蒜产量的必要保证。而在非连作大蒜田中,有机替代处理并无显著的增产效果,M100处理反而有减产的趋势(图 1a)。年际水平变动较大的蒜薹产量,在连作大蒜田中,各有机替代处理均具有显著增产效果。M25、M50和M100处理下,蒜薹产量分别较CF处理增加了80%、100% 和30%,其中M25和M50的增产效果尤为显著,几乎达到倍增的效果(图 1b)。与此相反,在非连作田块中,有机替代对蒜薹产量无明显促进作用(图 1b)。有机替代的增产效应在很大程度上反映了其对长期连作大蒜田土壤有机质衰减(表 1)的补偿作用而带来的生产力修复效果。本试验也表明,在长期连作大蒜土壤中以有机肥替代25%(M25)和50%(M50)是具有当季增产效果的有机质补偿方案。而在土壤有机质含量衰减不是主要限制因素的非连作田块中,增施有机肥至少在当季,对大蒜产量并无明显促进效果。

注:CF,单施化肥;M25,有机肥替代化肥N 25%;M50,有机肥替代化肥N 50%;M100,有机肥替代化肥N 100%。不同字母表示相同田块不同施肥处理间在P < 0.05置信区间差异显著。下同。  Note: CF, a single application of chemical fertilizer; M25, organic fertilizer substitution rated at 25% N; M50, organic fertilizer substitution rate at 50% N; M100, organic fertilizer substitution rate at 100% N. Different letters indicate significant difference between different fertilization treatments in the same field at P < 0.05. The same below. 图 1 有机替代对连作和非连作大蒜田蒜头(a)和蒜薹(b)产量的影响 Fig. 1 Effect of organic substitution on garlic bulb(a)and sprout(b)yields between continuous and non-continuous garlic cropping fields
2.2 有机替代对土壤总有机碳和活性有机碳的当季补偿效应

在连作大蒜田中,大蒜收获后土壤有机碳的测定数据表明,与表 1中的初始值(6.95 g·kg–1)相比,CF处理下土壤有机碳为6.81 g·kg–1,略有降低,反映了CF处理在长期延续过程中,不利于土壤有机质的维持。这可能是造成长期连作大蒜土壤有机质降低的重要原因之一。而有机替代处理则显著增加了连作大蒜土壤的总有机碳含量,M25、M50和M100处理下,分别为7.83、8.09和8.79 g·kg–1;与CF相比,分别获得了14.9%、18.8% 和29.1%的当季土壤有机碳收益(图 2a),反映有机替代可作为补偿土壤有机质损耗的有效措施。在非连作土壤中有机替代对土壤有机碳的增加也有促进的趋势,但仅在有机肥投入量较大时才有显著提高(图 2a)。进一步,连作大蒜田中,土壤活性有机碳含量也有显著增加,与CF相比,土壤易氧化有机碳(EOC)含量指标在M25、M50和M100处理下增幅较为一致,均介于30%~40%。而在非连作土壤中,M25处理并未显著增加EOC的含量,仅高比例替代处理M50和M100对EOC含量的增加具有显著效果,幅度可达31%~39%(图 2b)。另一个活性有机碳指标,颗粒有机碳(POC)含量的变化趋势与EOC类似(图 2c)。上述数据反映了连作大蒜土壤中,因有机质总量降低而使得活性有机碳水平较低,可能是影响土壤生物活性的潜在因素之一。连作土壤中的有机碳亏缺,在M25处理下即可得到明显缓解。

图 2 有机替代对连作和非连作大蒜土壤总有机碳(a)、易氧化有机碳(b)和颗粒有机碳(c)的影响(收获期) Fig. 2 Effects of organic substitution on soil total organic carbon (a), easily oxidized organic carbon (b) and particulate organic carbon (c) in continuous and non-continuous garlic cropping fields (harvest stage)
2.3 有机替代对连作和非连作大蒜田土壤养分影响

在大蒜收获期的土壤养分测定数据表明,与CF化肥处理相比,在等氮量投入的基础上,有机替代可进一步显著增加连作大蒜土壤有效氮的含量。M25、M50和M100处理下有效氮含量为35.33、42.21和38.37 mg·kg–1,较CF处理分别增加21.5%、45.2%和32.0%(图 3a)。而在非连作大蒜田中,大蒜收获期土壤有效氮的含量在M25、M50和M100处理下分别高达54.31、63.66和58.81 mg·kg–1。该指标较CF处理增加的幅度(23.3%、44.6%和33.6%)与连作大蒜田较为一致,但CF处理下的土壤有效氮含量已可维持在与连作土壤中增施有机肥所能达到的较高水平(44.03 mg·kg–1)。土壤有效氮的变化规律说明,在土壤有机质相对较为丰富的非连作土壤中,增施有机肥虽然可以显著提高土壤有效氮的含量,但其过高的水平可能超过了大蒜生长所需的适宜水平,因此并未反映在大蒜产量的增产效应上(对比图 1的产量数据)。

图 3 有机替代对连作和非连作大蒜田土壤有效氮(a)、有效磷(b)和速效钾(c)的影响 Fig. 3 Effects of organic substitution on available nitrogen (a), available phosphorus (b) and available potassium (c) in continuous and non-continuous garlic cropping fields

土壤有效磷和速效钾的数据表明,在连作土壤中,包括CF在内,各处理在大蒜收获期二者均维持在稍高于初始值(表 1,AP和AK分别为37.86和300.5 mg·kg–1)的高水平,并未出现明显耗竭现象(图 3b图 3c),且有机替代进一步提高了土壤有效磷、速效钾的水平(增加幅度为18%~38%和5%~10%),说明该连作体系中,由于常年连续大量施用PK化肥,而导致其在土壤中的积累,出现过量的现象。因此推测,连作大蒜田中有机替代处理对土壤有效氮水平的提升和维持,可能是其显著增产效果的重要原因之一。而有机替代对速效磷钾养分的增加作用,可能由于其本底值已足够高而不能表现为相应的增产效应[25]

而在非连作大蒜土壤中,单施化肥处理CF在收获期土壤有效磷、速效钾的含量分别为16.03和184.8 mg·kg–1,也较表 1中的初始值出现盈余现象,暗示在习惯的化肥施用配方中,P和K的用量可能过高。这一PK配方的长期延续可能是导致土壤中PK盈余和积累的重要原因。与CF相比,M50和M100处理进一步显著提升土壤有效磷的水平,幅度高达50%(图 3b)。M25、M50和M100处理下土壤速效钾含量较CF分别增加8.8%、12.8%和15.2%(图 3c)。

2.4 有机替代对连作和非连作大蒜田团聚体分布、稳定性及团聚体有机碳的影响

土壤水稳性团聚体的粒级分布规律可见,在连作大蒜土壤中,大于2 mm大团聚体所占比例(常规CF处理下)仅为19.7%,远远低于非连作土壤中的60.1%,这为长期连作大蒜土壤结构变差提供了直接的证据(图 4a图 4b,CF处理)。而在M25、M50和M100处理下,连作土壤中大于2 mm大团聚体的占比分别提升至29.5%、36.1%和35.1%,较CF处理增幅分别为49.7%、82.9%和77.6%(图 4a)。可见有机替代对连作大蒜土壤结构具有明显改善效果。在非连作土壤中,由于大于2 mm大团聚体占比的本底值已高达60%,仅在M50和M100下进一步有所增加(图 4b)。连作大蒜土壤中,2~0.25 mm粒级团聚体的占比相对较为稳定,CF和各有机替代处理下均为44.4%~46.9%(图 4a)。该粒级团聚体在非连作土壤中的占比,在CF、M25、M50和M100处理下分别为31.8%、29.3%、22.1%和23.9%(图 4b)。0.25~0.053 mm和小于0.053 mm粒级的微团聚体在连作大蒜土壤中占有相当高的比例,二者之和在CF处理下高达35%,有机替代处理可将这些微团聚体的比例减少至17%~26%(图 4a)。在非连作土壤中,0.25 mm以下粒级的微团聚体所占比例较小,仅为8%(图 4b)。

注:不同字母表示相同团聚体粒级不同施肥处理间在P < 0.05置信区间差异显著。下同。  Note: Different letters indicate that the difference between different fertilization treatments of the same aggregate size is significant in the P < 0.05 confidence interval. The same below. 图 4 有机替代对连作(a)和非连作(b)大蒜田土壤水稳性团聚体分布的影响 Fig. 4 Effects of organic substitution on the distribution of soil water-stable aggregates in continuous garlic cropping (a) and non-continuous garlic cropping (b) fields

综上,有机替代处理对连作大蒜土壤中大于2 mm大团聚体的占比具有较好的提升效果,说明恶化的土壤结构得以改善。

表 2中可以看出,与CF处理相比,有机替代处理对连作大蒜土壤团聚体粒径稳定性指标有较为显著的影响。其中平均重量直径(MWD)、水稳性团聚体R0.25和几何平均直径(GMD)随着有机替代比例增加而呈先增后降的趋势。同时分形维数(D)和可蚀性(K)均较CF处理明显降低。说明土壤团聚体的稳定性在有机替代处理下得到提高,以M50处理为最佳。

表 2 不同有机替代下连作和非连作土壤团聚体粒径稳定性 Table 2 Particle size stability of continuous and non-continuous cropping soil aggregates under different organic substitutions

相比较而言,在非连作土壤中,团聚体稳定性指标变化不明显,仅在M50处理下有改善的趋势。

图 5可知,不同有机肥替代化肥比例下,连作和非连作大蒜田土壤团聚体各粒级有机碳含量变化一致,均为先升高后降低。与CF相比,M50处理下土壤团聚体各粒级有机碳含量提升效果最佳。总体而言,连作大蒜田土壤各粒级团聚体有机碳含量均较非连作土壤中的数据低30%~40%,这也从另一个角度反映了连作大蒜土壤中有机质的总体亏缺。

图 5 有机替代下连作(a)和非连作(b)大蒜田土壤团聚体各粒级有机碳含量的变化 Fig. 5 Changes of organic carbon content in soil aggregates of different grain sizes in continuous (a) and non-continuous garlic cropping (b) fields under organic substitution
2.5 有机替代对连作和非连作大蒜田土壤球囊霉素相关土壤蛋白的影响

在土壤有机质含量较低的连作大蒜土壤中,M25、M50和M100有机替代处理对土壤GRSP的总量(T-GRSP)具有显著促进效果,与CF相比,分别提高了26.2%、45.0% 和44.2%(图 6a);相应地,土壤中易提取态GRSP(EE-GRSP)的含量也随之增加。连作土壤中GRSP活性的变化暗示了有机质补偿对土壤团粒结构的改善。连作大蒜田中,土壤T-GRSP和EE-GRSP的含量也有类似的变化趋势,而在低有机替代率M25处理下增加幅度并不明显(图 6b)。

注:不同字母表示相同田块不同施肥处理间在P < 0.05置信区间差异显著。  Note: Different letters indicate significant difference between different fertilization treatments in the same field at P < 0.05. 图 6 有机替代对连作和非连作大蒜田总球囊霉素相关土壤蛋白(a)和易提取球囊霉素相关土壤蛋白(b)含量的影响 Fig. 6 Effects of organic substitution on total glomalin related soil protein (a) and easy extractable glomalin related soil protein (b) in continuous and non-continuous garlic cropping fields
3 讨论 3.1 长期连作对大蒜土壤生产力的影响

大蒜本身具有杀菌效果和化感作用,属较耐连作的作物。然而,在长期连作模式下,由于种植、采收和养分管理均采用相对固定的方式和氮磷钾养分配方,在追求连续高产目标的同时忽略了对土壤有机质的回补。土壤有机质出现连年亏缺现象,使得土壤团聚体结构遭到破坏,对养分,尤其是氮素的固持能力下降,不足以维持后期的氮素养分需求。因此,长期连作大蒜土壤中出现了磷钾养分积累、有机质降低(表 1)等现象,导致土壤板结和大蒜产量降低等连作障碍问题[4-526]。与果蔬类等作物中出现的以典型土传病害为代表的连作障碍问题[1012]相比,连作大蒜土壤中出现的障碍问题,与中国中央电视台报道的“化肥喂瘦了俺的田”有极大的相似性,连续高产诉求、忽视补充有机肥导致一系列土壤物理、化学障碍,主要体现在土壤有机质降低、结构变差、土壤磷钾养分过量积累和后期氮素固持不足等方面。本研究也发现,相较于非连作田块土壤,连作大蒜田土壤中磷钾养分显著积累,而大蒜生育后期土壤有效氮供应不足(图 3),可能是造成减产的重要原因,这与Wei等[25]的研究一致,在连作土壤中,大蒜产量与有效氮含量密切相关。而后期供氮不足的现象,则与当地的全程地膜覆盖标准化种植模式有关。由于该县土壤呈较强的碱性,大蒜来年返青后随水追施氮肥在地膜密封的土壤环境中,会因氨挥发而在根层积累大量的氨,导致烧苗现象。故生产习惯上一般不在后期补充氮肥,而在播种时一次性足量施入长效控释氮肥。土壤有机质水平下降而导致的后期土壤氮素养分不足,是该地连作大蒜生产力退化的一个重要原因。

3.2 有机替代对连作大蒜土壤养分、土壤结构和产量的影响

众多研究表明,施用有机肥或有机无机配施,具有提高土壤养分有效性、改善土壤结构和优化土壤微生物群落结构[12]等多方面的效果。本文有机替代处理下,土壤速效养分含量显著增加(图 3),也验证了该效果[27]。考虑到在长期连作大蒜田中,土壤磷、钾养分处于盈余和积累状态,通过有机替代进一步提高其有效性对大蒜产量无相应的促进效果,而生育后期氮素在土壤中的残留本底值较低,因此氮素营养是制约大蒜产量的关键养分要素。有机替代增加了土壤有效氮的含量,使得土壤氮素的供应可维持至后期的蒜头膨大期,在整个大蒜生长期均维持较为适宜的水平(图 3),这可能是其增产效果的重要原因。也有研究证明,适量的有机替代对作物产量提升效果最好,过量有机替代处理作物产量低于化肥处理[11-13],本研究结果与之相一致,即在连作大蒜田中,25%和50%有机替代处理下蒜头产量较CF处理增产最为显著,100%有机替代连作大蒜增产无明显效果(图 1)。在大蒜病害并非减产主要原因的情况下,100%有机替代处理虽提高了土壤有效氮的供应缓冲性,但是其在生育前期如返青期大量需氮时,氮素的即时供应容量可能达不到作物需求,导致并无显著增产效果,甚至减产[13],故适宜的化肥氮仍是作物高产所必需的,也是全有机农业作物产量较低的重要原因。而在非连作土壤中,由于其有机质本底值较高,对氮素等养分有足够的固持和缓冲能力,故有机替代并无明显的大蒜增产效果。该结果与在典型潮土上的长期定位试验中观察到的单施NPK化肥可持续维持小麦产量的报道[14-15]相一致。氮素的固持—缓冲供应与土壤有机质亏缺以及土壤团粒结构恶化之间的矛盾,极有可能是本研究区域的土壤碱性属性和长期施肥习惯所导致的一个特例。因此,本文的有机质补偿修复具有较为鲜明的区域/土壤类型/模式针对性。

本研究中发现,与非连作土壤相比,长期连作大蒜土壤中另一个重要缺陷是土壤结构的恶化,主要表现在大于2 mm大颗粒团聚体占比低了将近一倍(图 4),因此,土壤颗粒对养分和水分的固持、土壤通气性的改善和缓冲作用极大弱化,而对大蒜产量造成不利影响。究其原因,与连作大蒜土壤中有机质的亏缺具有密切的关联。土壤团聚体是土壤有机碳的重要载体和维持土壤有机质稳定性的物质基础,稳定的团聚体可为有机物提供物理保护[28],同时,较高的土壤有机质水平也可促进土壤大团聚体的形成[29]。另一方面,由于土壤中球囊霉素相关蛋白(GRSP)在土壤团粒结构的形成过程中起重要的黏合作用,可维持土壤团粒结构和团聚体有机碳的稳定性[30-31]。连作大蒜土壤中有机替代处理对土壤GRSP的含量也有显著的促进作用(图 6),因此有助于土壤结构的改善。

4 结论

本文针对长期连作大蒜土壤中有机质亏缺的典型障碍,以有机肥替代化肥方式进行有机质补偿,可通过改善土壤团聚体结构,促进土壤速效养分尤其是氮的固持和平衡供应能力,进而对连作大蒜减产表现出较为显著的当季修复效果,体现了“边生产边修复”的实际需求。值得提出的是,在土壤有机质未出现亏缺现象的非连作大蒜田中,增施有机肥并无明显的当季增产效益。

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表 1 试验地土壤基本性质(0~20 cm) Table 1 Basic soil properties of the test field(0–20 cm)
注:CF,单施化肥;M25,有机肥替代化肥N 25%;M50,有机肥替代化肥N 50%;M100,有机肥替代化肥N 100%。不同字母表示相同田块不同施肥处理间在P < 0.05置信区间差异显著。下同。  Note: CF, a single application of chemical fertilizer; M25, organic fertilizer substitution rated at 25% N; M50, organic fertilizer substitution rate at 50% N; M100, organic fertilizer substitution rate at 100% N. Different letters indicate significant difference between different fertilization treatments in the same field at P < 0.05. The same below. 图 1 有机替代对连作和非连作大蒜田蒜头(a)和蒜薹(b)产量的影响 Fig. 1 Effect of organic substitution on garlic bulb(a)and sprout(b)yields between continuous and non-continuous garlic cropping fields
图 2 有机替代对连作和非连作大蒜土壤总有机碳(a)、易氧化有机碳(b)和颗粒有机碳(c)的影响(收获期) Fig. 2 Effects of organic substitution on soil total organic carbon (a), easily oxidized organic carbon (b) and particulate organic carbon (c) in continuous and non-continuous garlic cropping fields (harvest stage)
图 3 有机替代对连作和非连作大蒜田土壤有效氮(a)、有效磷(b)和速效钾(c)的影响 Fig. 3 Effects of organic substitution on available nitrogen (a), available phosphorus (b) and available potassium (c) in continuous and non-continuous garlic cropping fields
注:不同字母表示相同团聚体粒级不同施肥处理间在P < 0.05置信区间差异显著。下同。  Note: Different letters indicate that the difference between different fertilization treatments of the same aggregate size is significant in the P < 0.05 confidence interval. The same below. 图 4 有机替代对连作(a)和非连作(b)大蒜田土壤水稳性团聚体分布的影响 Fig. 4 Effects of organic substitution on the distribution of soil water-stable aggregates in continuous garlic cropping (a) and non-continuous garlic cropping (b) fields
表 2 不同有机替代下连作和非连作土壤团聚体粒径稳定性 Table 2 Particle size stability of continuous and non-continuous cropping soil aggregates under different organic substitutions
图 5 有机替代下连作(a)和非连作(b)大蒜田土壤团聚体各粒级有机碳含量的变化 Fig. 5 Changes of organic carbon content in soil aggregates of different grain sizes in continuous (a) and non-continuous garlic cropping (b) fields under organic substitution
注:不同字母表示相同田块不同施肥处理间在P < 0.05置信区间差异显著。  Note: Different letters indicate significant difference between different fertilization treatments in the same field at P < 0.05. 图 6 有机替代对连作和非连作大蒜田总球囊霉素相关土壤蛋白(a)和易提取球囊霉素相关土壤蛋白(b)含量的影响 Fig. 6 Effects of organic substitution on total glomalin related soil protein (a) and easy extractable glomalin related soil protein (b) in continuous and non-continuous garlic cropping fields
修复连作大蒜土壤生产力衰退的有机质补偿方案与初步机理
洪华阳, 魏天齐, 周红梅, 任艳云, ...