耕作与施肥方式对稻茬冬油菜耕层土壤理化特性的影响
doi: 10.11838/sfsc.1673-6257.24357
黑儿平1,2 , 杨泽鹏1 , 吴永成2 , 陈红琳1 , 秦鱼生1 , 上官宇先1 , 何明江1
1. 四川省农业科学院农业资源与环境研究所,四川 成都 610066
2. 四川农业大学农学院,四川 成都 611130
基金项目: 四川省十四五育种攻关项目(2021YFYZ0018) ; 国家现代农业产业技术体系四川油菜创新团队项目(sccxtd-2023-03) ; 国家重点研发计划(2018YFD0200903)
Effects of tillage and fertilization methods on soil physicochemical properties of topsoil of rapeseed in winter rice stubble
HEI Er-ping1,2 , YANG Ze-peng1 , WU Yong-cheng2 , CHEN Hong-lin1 , QIN Yu-sheng1 , SHANGGUAN Yu-xian1 , HE Ming-jiang1
1. Institute of Agricultural Resources and Environment,Sichuan Academy of Agricultural Sciences,Chengdu Sichuan 610066
2. College of Agronomy,Sichuan Agricultural University,Chengdu Sichuan 611130
摘要
水稻-油菜一年两熟是四川省稻田主要的水旱轮作模式。为探讨该模式下合理的耕作和施肥方式,通过田间定位试验,采用随机区组试验设计,设置 8 个耕作和施肥方式处理组合,分析其对土壤物理、化学和根际土壤微生物生物量碳、氮含量以及冬油菜产量的短期影响。结果表明:相同施肥方式下,旋耕(RT)较免耕(NT) 平均提高了 0 ~ 30 cm 土层的土壤水分(23.25%)和孔隙度(14.79%),同时降低了土壤容重(9.78%)。RT 条件下,在 0 ~ 10 cm 土层中,撒施(SS)较穴施(XS)和条施(TS)平均分别提高了土壤水分含量(14.87%)、容重(10.23%)以及有机质(5.55%)、全磷(6.12%)、碱解氮(13.66%)和有效磷(31.77%)的含量,但降低了土壤孔隙度(7.69%)和毛管孔隙度(12.25%)以及全钾(7.72%)含量;TS 在 10 ~ 20 cm 土层中增加了土壤水分、孔隙度以及有机质、全磷、全钾和速效钾的含量,较 SS 和 XS 平均增幅分别为 12.03%、7.96%、13.08%、 24.16%、9.56% 和 5.51%,同时降低了土壤容重(8.81%);NT 下,在 0 ~ 10 cm 土层中,TS 较 SS 和 XS 提高了土壤毛管孔隙度以及全磷、有效磷和速效钾的含量,平均增幅分别为 25.42%、7.00%、18.41% 和 13.21%,而 XS 则在该土层中提高了土壤水分以及碱解氮和有效磷的含量。与 NT 相比,RT 降低了根际土壤微生物生物量碳和氮含量,且 NT 下 TS 和 XS 对根际土壤微生物生物量碳、氮含量有不同程度的提升。研究表明,RT 结合 SS 或 TS,NT 结合 XS 或 TS 处理不仅有利于培肥土壤,还能实现冬油菜产量增产的作用。因此,在川西平原水旱轮作区,RT 条件下应选择 SS 或 TS 作为施肥方式,而在 NT 条件下,则应选择 XS 或 TS 为宜。
Abstract
Double cropping of rice and rapeseed in one year was the main crop rotation pattern in Sichuan. In order to explore the rational tillage and fertilization methods under rice-rapeseed rotation,a field positioning experiment was conducted, and a randomized block experiment was designed to set up 8 combinations of tillage and fertilization methods. The short-term effects of these combinations on soil physical,chemical and rhizosphere microbial biomass,carbon and nitrogen content and winter rape yield were analyzed. The results showed that compared with no-tillage(NT)treatment,rotational tillage (RT)treatment increased the soil moisture(23.25%)and porosity(14.79%)in 0-30 cm soil layer,and decreased the soil bulk density(9.78%). In the 0-10 cm soil layer under RT treatment,the contents of soil water content(14.87%), bulk density(10.23%),organic matter(5.55%),total phosphorus(6.12%),alkali-hydrolytic nitrogen(13.66%) and available phosphorus(31.77%)were increased by spreading application(SS),compared with the points application (XS)and strip application(TS)treatments. However,soil porosity(7.69%),capillary porosity(12.25%)and total potassium content(7.72%)were decreased. The contents of soil moisture,porosity,organic matter,total phosphorus, total potassium and available potassium in the 10-20 cm soil layer increased by 12.03%,7.96%,13.08%,24.16%,9.56% and 5.51%,respectively,compared with SS and XS treatments,while the soil bulk density decreased by 8.81%. Under NT treatment,compared with SS and XS treatments,TS treatment increased soil capillary porosity and the contents of total phosphorus,available phosphorus and available potassium by 25.42%,7.00%,18.41% and 13.21%,respectively, in the 0-10 cm soil layer,while XS treatment increased soil moisture and the contents of alkali-hydrolytic nitrogen and available phosphorus in the soil layer. Compared with NT treatment,RT treatment reduced the content of microbial biomass carbon and nitrogen in rhizosphere soil,and TS and XS treatments increased the content of microbial biomass carbon and nitrogen in rhizosphere soil to different degrees under NT treatment. The results showed that RT treatment combined with SS or TS treatments and NT treatment combined with XS or TS treatments were not only beneficial to soil enrichment,but also increased the yield of winter rape. Therefore,SS or TS treatments should be selected as the optimal fertilization method under RT treatment condition,while XS or TS treatments should be selected under NT treatment condition in the paddy-upland rotation area of west Sichuan Plain.
土壤耕作对土壤环境具有深远的影响,通过机械作用直接改变土壤的理化及生物学性质,从而塑造出更加适宜作物生长的土壤条件[1]。不同的土壤耕作方法会改变土壤的结构和理化性质,进而影响养分的矿化速度和有效性,最终影响作物对养分的吸收与利用效率[2]。施肥被视为一种重要的土地管理措施,可以有效地改善土地肥力并提高作物产量[3]
近年来,川西平原稻茬冬油菜生产的土壤耕作主要为免耕方式,肥料以表施为主。然而,由此导致的一系列问题日益凸出,包括耕层变浅、养分表聚化、土壤板结黏重和透气性差等。这些问题严重制约了油菜对养分的吸收利用,最终影响油菜的产量[4]。已有研究表明,免耕处理有助于提升表层土壤氮、磷和钾素及有机质含量[5-6],并使油菜增产[7-8];旋耕方式则能增加土壤有机质及速效养分含量(碱解氮、有效磷和速效钾)[49-11],并改善土壤的物理性质,如增加土壤疏松层深度和降低表层土壤容重[12-13],从而也有利于油菜产量的提升[14]。在油菜生产中,施肥(深度)和肥料位置的选择至关重要。不合理的施肥方式可能导致资源浪费、环境污染,甚至影响作物的生长和产量[15-17]。Su 等[16]研究表明,深层施肥(如 10 cm)能显著促进油菜根系生长、干物质积累,并提高产量和肥料利用率。氮肥深施较撒施更能提高氮肥利用率和产量,同时减少环境污染[18],条施或穴施等集中施肥技术也显示出优于撒施的效果[19-20]
目前,关于油菜氮肥的研究主要集中在氮肥用量和运筹上[21],而对耕作措施和施肥效应的研究大多数为单因素,缺乏对耕作措施与施肥方式综合效应的研究。本研究通过定位试验,旨在探讨旋耕和免耕两种耕作方式,以及撒施、穴施和条施 3 种施肥方式对土壤物理、化学性质、根际土壤微生物生物量碳氮含量以及冬油菜产量的短期影响,旨在为川西平原稻茬冬油菜区提供因地制宜的耕作和施肥方式技术。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
本研究依托四川省农业科学院广汉试验示范基地长期定位试验地(31°03′N,104°10′E)进行,试验区属于典型的中亚热带湿润气候区,气候温和、雨量充沛,年平均气温为 16.3℃,年平均降水量为 890.80 mm。定位试验于 2017 年 9 月开始,并进行匀地、布设处理和预备试验。土壤为水稻土,前茬作物为水稻。2017 年 9 月土壤耕层基础理化性质为:pH 值 6.38,有机质含量 31.78 g·kg-1,全氮含量 1.97 g·kg-1,碱解氮含量 211.27 mg·kg-1,有效磷含量 12.08 mg·kg-1,速效钾含量 49.90 mg·kg-1。本试验中,水稻在 2022 年 5 月中旬移栽,2022 年 9 月下旬收获,油菜在 2022 年 10 月初播种,于 2023 年 5 月中旬收获。试验区域 2022—2023 年冬油菜季日降水量和日气温详见图1
1试验区日降水量和日气温的动态变化
1.2 供试材料
油菜供试材料为甘蓝型油菜品种‘川油 36’,水稻供试材料为籼型三系杂交水稻品种‘川优 6203’,均由四川省农业科学院作物研究所提供。
1.3 试验设计
大田定位试验采用两个因素(耕作方式和施肥方式)的随机区组试验设计。共设置 8 个耕作和施肥处理。其中,设免耕为 NT,旋耕为 RT,不施肥为 CK、撒施为 SS,穴施为 XS,条施为 TS,耕作与施肥的交互处理详见表1。每个处理 3 次重复,随机区组排列。小区面积为 4 m×5 m=20 m2,小区间隔 1.5 m,每个小区筑埂 30 cm 厚、30 cm 高,并使用塑料薄膜对 0~100 cm 土层进行水分隔离 (其中,2021 年 5 月对小区水分隔离薄膜进行了更换)。水稻于 2022 年 5 月中旬移栽,9 月下旬收获,株距为 25 cm,行距为 30 cm,每穴移栽 1 株,种植密度为 13.33 万株·hm-2。油菜采用人工直播方式,于 2022 年 9 月下旬到 10 月上旬播种,翌年 5 月上中旬收获,植株行距和株距均为 25 cm,在五叶期每穴定苗 2 株,种植密度为 32.00 万株·hm-2。除不施肥 CK 处理外,2017 年 9 月到 2021 年 10 月油菜季施肥量均为 600 kg·hm-2 美丰比利夫复合肥(N-P2O5-K2O=28-6-6),2022 年 10 月至 2023 年 10 月油菜季施肥量为 675 kg·hm-2 台沃油菜专用肥(N-P2O5-K2O=26-13-6)和 78.75 kg·hm-2 氯化钾(K2O 60%),均为一次性基施;2017 年 5 月到 2021 年 10 月水稻季施肥量为 600 kg·hm-2 美丰比利夫复合肥(N-P2O5-K2O=28-6-6),2022 年 10 月到 2023 年 10 月水稻季施肥量为 600 kg·hm-2 美丰博施复合肥料(N-P2O5-K2O=22-8-10),均为移栽后 10 d 一次性撒施。其余管理措施与当地高产栽培管理一致。
1试验处理及具体操作
1.4 样品采集方法
在油菜的成熟期,即 2023 年 5 月 2 日进行油菜收获的同时,对 0~10、10~20、20~30 cm 土层土壤样品进行逐层采集,各小区按“S”形路线随机采集 5 个点,并按土层分别混合为一个样品。
1.5 指标测定
土壤物理特性:采用烘干法逐层测定土壤水分含量(SWC);采用环刀法逐层测定土壤容重 (BD)和总孔隙度,土壤容重降低比率以试验组土壤容重较 NTCK 处理的降低幅度来表示。
土壤含水量 (SWC,%)= 鲜土质量 - 干土质量 干土质量 ×100
(1)
土壤容重 BD,gcm-3= 环刀内干土重/环刀容积
(2)
土壤总孔隙度 [22](%)=1-BDρ×100
(3)
式中,ρ 为土壤比重(通常为 2.65 g·cm-3)。
土壤毛管孔隙度 (%)=FWC×BD
(4)
式中,FWC 为田间持水量(%)。以上指标测定方法及计算均参考《土壤物理性质测定法》[22]
土壤化学测定:各小区土样充分混匀后拣去植物残根和石砾等,经风干、磨碎过筛,按照鲍士旦等[23]的《土壤农化分析》进行土壤 pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量的测定。
根际土壤微生物生物量碳和氮的测定:土壤微生物生物量碳采用熏蒸浸提-重铬酸钾容量法测定,土壤微生物生物量氮采用熏蒸浸提-茚三酮比色法测定[24]
在油菜收获时,各小区均单打单收,采用水分测定仪测定油菜籽粒水分含量,去除水分、杂质后计算小区油菜籽粒产量。
1.6 数据处理与分析
使用 Excel 2019 处理基础数据;用 Origin 2018 和 2021 绘图;用 SPSS 18.0 进行双变量相关分析以及单因素方差分析和邓肯(Duncan)法显著性检验。
2 结果与分析
2.1 不同耕作与施肥方式对油菜季土壤物理特性的影响
图2所示,在各处理下,土壤水分含量和总孔隙度总体随土层深度增加而逐渐降低,与 0~10 cm 土层相比,20~30 cm 土层平均降幅分别为 31.25% 和 22.38%;而土壤容重和毛管孔隙度总体随土层深度增加而呈增大的趋势,与 0~10 cm 土层相比,20~30 cm 土层平均增幅分别为 25.58% 和 26.88%。与 CK 处理相比,施肥降低了 0~10 cm 土层土壤水分含量和 0~20 cm 土层土壤容重,增加了 0~20 cm 土层土壤总孔隙度和 0~10 cm 土层土壤毛管孔隙度。
相同施肥方式下,与免耕(NT)相比,旋耕 (RT)均增加了肥料撒施(SS)和穴施(XS)处理 0~30 cm 土层土壤的水分含量和总孔隙度,分别平均增加了 23.25%(图2A)和 14.79%(图2C),降低了 SS 和 XS 处理 0~30 cm 土层土壤容重和 10~20 cm 土层土壤毛管孔隙度,平均降幅分别为 9.78%(图2B)和 13.76%(图2D),各指标均以10~20 cm 土层中变幅最大。
相同耕作方式下,不同施肥处理 0~10 和 10~20 cm 土层土壤容重大小顺序均表现为 SS>XS>TS,SS 处理分别较 XS 和 TS 增加 2.69%~9.57% 和 3.12%~14.91%(图2B),而土壤总孔隙度大小顺序均表现为 TS>XS>SS,TS 处理较 SX 和 SS 分别增加 0.91%~9.68% 和 3.69%~17.56% ( 图2C),但处理间差异均不显著。NT 处理下,0~10 和 10~20 cm 土层土壤的水分含量和毛管孔隙度分别以 XS 和 TS 处理最高,相较于 SS 和 TS 处理,XS 处理土壤水分含量分别增加 4.87%~8.68% 和 4.49%~5.29%(图2A);与 SS 和 XS 处理相比,TS 处理土壤毛管孔隙度分别增加 28.83%~31.18% 和 22.02%~22.65%(图2D)。 RT 条件下,不同施肥处理的土壤物理特性在不同土层深度表现趋势不同,其中在 0~10 cm 土层中,与 XS 和 TS 处理相比,SS 处理土壤水分含量平均增加 14.87%(图2A),而土壤毛管孔隙度降低 12.25%( 图2D); 在 10~20 cm 土层中,相较于 SS 和 XS 处理,TS 处理土壤水分含量平均增加 12.03%(图2A),而土壤容重平均降低 8.81% (图2B)
方差分析结果( 表2) 显示,耕作方式对 10~30 cm 土层土壤的水分、容重和总孔隙度以及 10~20 cm 土层土壤毛管孔隙度的影响显著(P<0.05),施肥方式对 0~10 和 20~30 cm 土层土壤的水分、容重以及 10~30 cm 土层土壤的总孔隙度和毛管孔隙度的影响均达到显著水平(P<0.05),而两者的交互作用仅对 20~30 cm 土层土壤的水分、容重和总孔隙度有显著影响(P<0.05),其余处理各指标间差异不显著。
2不同耕作与施肥方式对油菜季部分土壤物理特性的影响
注:柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。
2耕作与施肥对油菜季土壤物理特性的方差分析
注:T 为耕作方式,F 为施肥方式;* 和 ** 分别表示在 0.05 和 0.01 水平上差异显著,ns 表示处理间无显著差异。下同。
2.2 不同耕作与施肥方式对油菜季土壤化学特性的影响
图3可知,在各处理下,土壤 pH 值随着土层深度增加而缓慢增大,有机质、全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量均表现出 0~10 cm >10~20 cm >20~30 cm。与 CK 相比,施肥均降低了 0~30 cm 土层的土壤 pH 值,而有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等含量在不同土层深度表现趋势不同。
相同施肥方式下,与 NT 相比,RT 降低了 10~20 cm 土层的土壤 pH 值和有效磷、0~30 cm 土层有机质、20~30 cm 土层全氮、0~10 cm 土层的碱解氮和速效钾含量,平均降幅分别为 1.98%(图3A)、8.96%(图3G)、8.70%(图3B)、 18.34%( 图3C)、12.89%( 图3F) 和 5.61%( 图3H);并同时增加了 20~30 cm 土层的土壤 pH 值和有效磷、0~30 cm 土层全磷和 10~30 cm 速效钾含量,平均增幅分别为 1.82%(图3A)、48.05% (图3G)、16.07%(图3D)和 3.30%(图3H)。RT 条件下,与 XS 和 TS 处理相比,SS 处理 0~10 cm 土层的有机质、全磷、碱解氮和有效磷含量分别平均增加了 5.55%(图3B)、6.12%(图3D)、 13.66%(图3F)和 31.77%(图3G),而土壤全钾含量平均降低 7.72%(图3E);在 10~20 cm 土层中,相较于 SS 和 XS 处理,TS 处理土壤有机质、全磷、全钾和速效钾含量分别平均增加 13.08%(图3B)、24.16%(图3D)、9.56%(图3E)和 5.51% (图3H)。NT 条件下,在 0~10 cm 土层中,与 SS 和 XS 处理相比,TS 处理土壤全磷、有效磷和速效钾含量分别平均增加 7.00%(图3D)、18.41%(图3G)和 13.21%(图3H);相较于 SS 和 TS 处理, XS 处理 0~10 cm 土层的碱解氮和有效磷含量分别平均增加 10.28%(图3F)和 5.64%(图3G),而土壤全磷含量平均降低 17.34%(图3D)。其余处理各指标无显著变化。
方差分析结果( 表3) 显示,耕作方式对 0~20 cm 土层有机质、10~30 cm 土层全钾及 20~30 cm 土层有效磷和速效钾含量的影响达到显著水平,施肥方式对 0~20 cm 土层的 pH 值和有效磷、0~10 cm 土层的有机质和全氮以及 0~30 cm 土层全钾含量的影响达到显著水平,两者的交互作用对 0~30 cm 土层全钾、0~10 cm 土层有效磷、10~20 cm 土层的 pH 值和有机质以及 10~30 cm 土层速效钾含量的影响均达到显著水平以上(P<0.05)。其余处理各指标间无显著差异。
2.3 不同耕作与施肥方式对油菜季根际土壤微生物生物量碳和氮的影响
图4可知,各处理中以 NTTS 根际土壤微生物生物量碳含量最高,相同施肥方式下,微生物量碳含量在耕作方式间的整体趋势均表现为 NT>RT,与 NT 相比,RT 处理微生物量碳含量平均降低 39.36%。不同施肥处理的微生物量碳含量大小顺序在 NT 方式下表现为 TS>XS>SS,TS 处理较 SS 处理增加 20.87%;在 RT 方式下表现为 SS>TS>XS,SS 较 XS 处理增加 63.23%(图4A)。
对于根际微生物量氮含量而言,各处理中以 NTXS 最高(图4B)。相同施肥方式下,微生物量氮含量在耕作方式间的整体趋势均也表现为 NT>RT,与 NT 相比,RT 处理微生物量氮含量平均降低 50.84%。不同施肥处理的微生物量氮含量大小顺序在 NT 方式下表现为 XS>TS>SS,XS 处理较 SS 处理增加 19.62%;在 RT 方式下表现为 TS>XS>SS,TS 较 SS 处理增加 100.90%(图4B)。方差分析结果(表4)显示,仅耕作方式对根际土壤微生物量氮含量的影响达到显著水平(P<0.05),施肥方式以及两者的交互作用对微生物量碳和氮含量均无显著影响。
3不同耕作与施肥方式对油菜季土壤化学特性的影响
3耕作与施肥对油菜季土壤化学特性的方差分析
4不同处理耕作与施肥方式对油菜季根际土壤微生物生物量碳和氮的影响
4耕作与施肥对油菜季根际土壤微生物生物量碳和氮的方差分析
2.4 不同耕作与施肥方式对油菜产量的影响
图5可知,施肥显著增加了油菜产量 (P<0.05),各处理中以 RTSS 产量最高,为 3066.94 kg·hm-2,是产量最低处理 RTCK 的 5.61 倍,其次为 NTXS 和 NTTS,产量分别为 2669.47 和 2759.74 kg·hm-2。相同施肥方式下,除 SS 外, XS 和 TS 方式下 NT 较 RT 处理分别增产 11.67% 和 1.33%,更有效地提高了产量。不同施肥处理的产量大小顺序在 NT 方式下表现为 XS>TS>SS,XS 较 SS 处理增产 3.38%; 在 RT 方式下表现为 SS>TS>XS,SS 较 XS 处理增产 24.10%。方差分析结果(表5)显示,施肥方式对产量的影响达到显著水平(P<0.05),耕作方式对产量的影响达到极显著水平(P<0.01),而两者的交互作用对油菜产量无显著影响。
5不同耕作与施肥方式对对油菜产量的影响
5耕作与施肥方式对油菜产量的影响
3 讨论
3.1 耕作方式对土壤特性的影响
耕作措施可调节土壤的物理环境,使土壤中的水、肥、气、热得到合理的调整[25-26]。本研究发现,耕作方式对 10~30 cm 土层土壤的水分、容重和总孔隙度以及 10~20 cm 土层土壤毛管孔隙度影响显著。有研究表明,免耕会增加耕层土壤容重[27]。但也有认为免耕会降低土壤容重[28]。采取保护性耕作措施更有利于保水和维持土壤湿度[29]。本研究结果表明,免耕较旋耕处理提高了 0~30 cm 土层的土壤容重,这与刘武仁等[30]研究结果一致,这可能是免耕方式对土壤扰动较小所致[31]; 与免耕相比,旋耕总体提高了 0~30 cm 土层土壤的总孔隙度和水分含量,槐圣昌等[32]也发现了类似的结果,这归因于旋耕处理使土壤结构变得疏松,增加了总孔隙度,从而提高了渗透能力、增强了贮水性和保持水分的能力[33]
免耕后有利于土壤表层积累有机质,提高土壤养分含量[2934]。与连年翻耕相比,连年免耕增加了土壤全氮含量[35]。免耕能有效提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾等速效养分的含量[36-37]。本研究中,不同耕作方式下土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量在不同土层的大小顺序总体表现为 0~10 cm >10~20 cm >20~30 cm,但耕作方式对 0~20 cm 土层有机质、10~20 cm 土层土壤 pH 值以及 20~30 cm 土层的全氮、有效磷和速效钾含量产生了显著影响。与旋耕相比,免耕提高了 0~30 cm 土层有机质、20~30 cm 土层全氮、 0~10 cm 土层碱解氮和 0~10 cm 土层速效钾的含量,这可能由于免耕能保留住地面上残留作物根茬中的营养元素,从而促进秸秆腐解并提高表层土壤有机质含量[38],长期进行免耕或者少耕会降低对土壤的扰动,造成养分表聚化[4]
土壤微生物生物量碳和氮的储存含有丰富的养分,为植物提供了充足的营养[39]。本研究中发现,耕作方式对根际土壤微生物生物量氮含量的影响达到显著水平,免耕较旋耕处理提高了油菜根际土壤微生物生物量碳和氮含量。这可能由于本研究中免耕提高了土壤有机质含量,有利于提高土壤微生物活性,从而增加了土壤微生物量碳、氮含量[40]
3.2 施肥方式对土壤特性的影响
郭丽等[41] 发现氮、磷、钾肥可以降低土壤容重,并且氮肥对于调控紧实度的效果高于磷、钾肥。与不施肥相比,优化施肥处理可以减少 3.73%~14.93% 的土壤容重[42]。肥料施用可增加土壤总孔隙度,并且长期配施有机肥和秸秆能降低土壤容重[43]。本研究中也发现类似的结果,施肥较不施肥处理降低了 0~10 cm 土层土壤水分含量和 0~20 cm 土层土壤容重,而增加了 0~20 cm 土层土壤总孔隙度和 0~10 cm 土层土壤毛管孔隙度。王科等[44]研究表明,相较于免耕-表或浅施肥-稻草盖种的处理方式,深翻条件下采取肥料深施肥-浅旋盖种的方法能显著减少亚表层土壤的容重,并显著提高土壤的总孔隙度。本研究同样发现,两种耕作方式下,肥料深施(条施和穴施)均较撒施降低了 0~20 cm 土层土壤容重,增加了 0~20 cm 土层土壤总孔隙度和 0~30 cm 土层土壤毛管孔隙度。
与不施肥相比,化肥有机肥配施以及单独施用有机肥有利于增加 0~20 cm 土层的有机质、全氮、碱解氮和有机碳含量[35]。而本研究发现,施肥较不施肥处理增加了 0~10 cm 土层的有机质、全氮、全钾、有效磷和速效钾以及 0~30 cm 土层碱解氮和 10~20 cm 土层全磷的含量。施肥方式对养分在土壤中分布具有显著影响[45]。本研究结果显示,施肥方式对 0~20 cm 土层的土壤 pH 和有效磷、 0~10 cm 土层有机质以及 20~30 cm 土层全钾含量影响亦达到显著水平。Zhang 等[46]发现与地表撒施相比,尿素配合有机肥进行深施可以提高稻田土壤中有机质的含量,而本研究中肥料施用方式对不同土层土壤养分含量的影响不同,这可能因为研究区域土壤类型及施肥种类不同。根际土壤微生物生物量碳和氮含量均以条施条件下较高,较撒施和穴施最大增幅 100.90%。这表明合理施肥可以增加土壤中微生物数量碳、氮含量[4047]
综上所述,土壤耕作与施肥策略在调控土壤微环境条件方面发挥着至关重要的作用。调整耕层土壤结构不仅能提升土壤的排水性能和水分保持能力,还能优化作物对养分的吸收与利用,最终影响产量[48-49]。周宝元等[50]研究发现,旋耕处理的作物产量显著高于免耕处理。通过优化施肥方法,能有效减少肥料损失,显著提升肥料利用效率及作物产量[19]。有研究表明,肥料撒施会扩大养分与根系的距离,降低养分运输效率及吸收利用率[51]。深施肥料相较于撒施能显著提升油菜产量,增产幅度高达 85.10%[52]。课题组前期研究结果也表明,旋耕处理平均产量较免耕处理增加 8.26%,且不同施肥方式下旋耕处理均高于免耕处理,旋耕或免耕下,与撒施相比,穴施和条施能明显增加油菜产量[53]。本研究结果中,免耕方式下不同施肥处理的产量表现与前期研究相吻合,但肥料撒施条件下旋耕处理的产量高于免耕,这可能因为旋耕条件下的肥料在撒施后经旋耕与土壤充分混合,土壤有效磷含量高于免耕条件下的肥料撒施处理;同时还发现,旋耕方式下撒施处理的油菜产量明显高于穴施和条施,最高增幅达到 24.11%,这可能由于 RT 方式下撒施(SS)较穴施(XS)和条施(TS) 提高了 0~10 cm 土层土壤的水分、容重、有机质、全磷、碱解氮和有效磷的含量。因此,耕作与施肥方式对稻茬冬油菜产量和土壤特性影响的内在作用机制还需进一步作定位试验研究,探究土壤-微生物-作物复合生态系统中作物响应碳、氮、磷的阈值与拐点,以优化耕作和施肥策略,实现可持续农业发展。
4 结论
旋耕结合肥料撒施或条施,免耕结合肥料穴施或条施的处理方式,对于改善土壤的理化性质、提升土壤肥力以及增加冬油菜的产量具有显著的成效。因此,在川西平原稻茬冬油菜种植区,针对不同的耕作模式,采取相适宜的施肥策略:在旋耕条件下,优先考虑撒施或条施;而在实际生产中,若采用免耕方式,则应选择穴施或条施的肥料施用方式。
1试验区日降水量和日气温的动态变化
2不同耕作与施肥方式对油菜季部分土壤物理特性的影响
3不同耕作与施肥方式对油菜季土壤化学特性的影响
4不同处理耕作与施肥方式对油菜季根际土壤微生物生物量碳和氮的影响
5不同耕作与施肥方式对对油菜产量的影响
1试验处理及具体操作
2耕作与施肥对油菜季土壤物理特性的方差分析
3耕作与施肥对油菜季土壤化学特性的方差分析
4耕作与施肥对油菜季根际土壤微生物生物量碳和氮的方差分析
5耕作与施肥方式对油菜产量的影响
张向前, 杨文飞, 徐云姬. 中国主要耕作方式对旱地土壤结构及养分和微生态环境影响的研究综述[J]. 生态环境学报,2019,28(12):2464-2472.
祁剑英, 王兴, 濮超, 等. 保护性耕作对土壤氮组分影响研究进展[J]. 农业工程学报,2018,34(S1):222-229.
Ganapathi, Shankar M A, Gajanan G N. Long term effect of FYM and NPK fertilizers on soil fertility and yield sustainability under finger millet-groundnut rotation in an Alfisols of rainfed areas[J]. Environment and Ecology,2010,1:28.
王火焰, 周健民. 根区施肥-提高肥料养分利用率和减少面源污染的关键和必需措施[J]. 土壤,2013,45(5):785-790.
Moussa-Machraoui S B, Errouissi F, Ben-Hammouda M,et al. Comparative effects of conventional and no-tillage management on some soil properties under Mediterranean semi-arid conditions in northwestern Tunisia[J]. Soil and Tillage Research,2010,106(2):247-253.
刘波, 吴礼树, 鲁剑巍, 等. 不同耕作方式对土壤理化性质影响研究进展[J]. 耕作与栽培,2010,20(2):55-68.
杨显云. 稻草覆盖免耕直播油菜对地力与产量的影响[J]. 中国土壤与肥料,2001(6):38-41.
马霓, 张春雷, 马皓, 等. 免耕栽培措施对稻田油菜生长及产量的影响[J]. 作物杂志,2009,25(5):55-69.
柳开楼, 李亚贞, 秦江涛, 等. 中亚热带稻田不同耕作栽培和施肥模式对土壤肥力的影响[J]. 土壤,2015,47(2):10-17.
Salinas-Garcı́ a J R, Velázquez-Garcı́ a J de J, Gallardo-Valdez M. Tillage effects on microbial biomass and nutrient distribution in soils under rain-fed corn production in central-western Mexico[J]. Soil and Tillage Research,2002,66(2):14152.
Deubela, Hofmannb, Orzessekd. Long-term effects of tillage on stratification and plant availability of phosphate and potassium in a loess chernozem[J]. Soil and Tillage Research,2011,117(6):85-92.
赵新帆. 耕作方式对双季机插稻生长发育和土壤理化性质的影响[D]. 南昌: 江西农业大学,2015.
张军, 丁启朔, 丁为民, 等. 分层旋耕对水稻土耕层物理性状的影响[J]. 南京农业大学学报,2015,38(6):16-22.
黄寿辉, 杨特武, 龙凌云, 等. 不同耕作播种方式对油菜生长发育和产量的影响[J]. 农业研究与应用,2016(4):23-28.
Hocking P J, Mead J A, Good A J,et al. The response of canola(Brassica napus L.)to tillage and fertiliser placement in contrasting environments in southern NSW[J]. Australian Journal of Experimental Agriculture,2003,43(11):1323-1335.
Su W, Liu B, Liu X,et al. Effect of depth of fertilizer bandedplacement on growth,nutrient uptake and yield of oilseed rape(Brassica napus L.)[J]. European Journal of Agronomy,2015,62:38-45.
尹宝重, 甄文超, 马燕会. 深松一体化播种对夏玉米农田土壤水热特征及微生物动态的影响[J]. 中国生态农业学报,2015,23(3):285-293.
张岳芳, 周炜, 王子臣, 等. 氮肥施用方式对油菜生长季氧化亚氮排放的影响[J]. 农业环境科学学报,2013,32(8):1690-1696.
刘波, 鲁剑巍, 李小坤, 等. 不同栽培模式及施氮方式对油菜产量和氮肥利用率的影响[J]. 中国农业科学,2016(49):3551-3560.
张丽华, 李军, 贾志宽, 等. 渭北旱塬保护性耕作对冬小麦-春玉米轮作田蓄水保墒效果和产量的影响[J]. 应用生态学报,2011,22(7):1750-1758.
邹娟, 鲁剑巍, 李银水, 等. 直播油菜施肥效应及适宜肥料用量研究[J]. 中国油料作物学报,2008,30(1):90-94.
董建新, 宋文静, 丛萍, 等. 旋耕配合秸秆颗粒还田对土壤物理特性的影响[J]. 中国农业科学,2021,54(13):2789-2803.
鲍士旦, 史瑞和. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业科技出版社,2005:69-74.
吴金水, 林启美, 黄巧云, 等. 土壤微生物生物量测定方法及其应用[M]. 北京: 气象出版社,2006:54-68.
张龙. 耕作深度结合施氮对旱地土壤理化性质、马铃薯产量及品质的影响[D]. 银川: 宁夏大学,2024.
孙占祥, 杨久廷, 张玉龙, 等. 半干旱区中耕深松对土壤水分和作物产量的影响[J]. 土壤通报,2011,42(3):709-714.
王玥凯, 郭自春, 张中彬, 等. 不同耕作方式对砂姜黑土物理性质和玉米生长的影响[J]. 土壤学报,2019,56(6):1370-1380.
Kumar S, Kadono A, Lal R,et al. Long-term no-till impacts on organic carbon and properties of two contrasting soils and corn yields in Ohio[J]. Soil Science Society of America Journal,2012,76(5):1798-1809.
Chen Y, Liu S, Li H,et al. Effects of conservation tillage on corn and soybean yield in the humid continental climate region of Northeast China[J]. Soil and Tillage Research,2011,115:56-61.
刘武仁, 郑金玉, 罗洋, 等. 不同耕层构造对土壤硬度和含水量的影响[J]. 玉米科学,2013,6(21):76-80.
Afzalinia S Z J. Soil compaction variation during corn growing season under conservation tillage[J]. Soil and Tillage Research,2014,137(12):1-6.
槐圣昌, 刘玲玲, 汝甲荣, 等. 增施有机肥改善黑土物理特性与促进玉米根系生长的效果[J]. 中国土壤与肥料,2020(2):40-46.
高飞, 贾志宽, 韩清芳, 等. 有机肥对宁夏南部旱农区土壤物理性状及水分的影响[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版),2010(7):112-117.
张兴义, 陈强, 陈渊, 等. 东北北部冷凉区免耕土壤的特性及作物效应[J]. 中国农业科学,2013,46(11):2271-2277.
陆思旭. 不同耕作与施肥对渭北旱塬土壤养分、有机碳和微生物功能多样性的影响[D]. 杨凌: 西北农林科技大学,2020.
王改玲, 郝明德, 许继光, 等. 保护性耕作对黄土高原南部地区小麦产量及土壤理化性质的影响[J]. 植物营养与肥料学报,2011,17(3):539-544.
胡成香. 不同耕作方式对旱作区冬小麦生产和产量的影响[J]. 农民致富之友,2017(6):67.
邱琛, 韩晓增, 陆欣春, 等. 东北黑土区玉米秸秆还田对土壤肥力及作物产量的影响[J]. 土壤与作物,2020,9(3):277-286.
唐海明, 郭立君, 肖小平, 等. 长期施肥对大麦生育期双季稻田土壤微生物生物量碳、氮和微生物熵的影响[J]. 生态环境学报,2015,24(6):978-983.
郭丽, 郑春莲, 曹彩云, 等. 土壤肥力和施肥措施对冬小麦-夏玉米产量地力贡献率和土壤容重的影响[J]. 河北农业科学,2016,20(2):29-33.
张宝峰, 曾路生, 李俊良, 等. 优化施肥处理下设施菜地土壤容重与孔隙度的变化[J]. 中国农学通报,2013,29(32):309-314.
王西和. 长期定位施肥下灰漠土有机质及物理性质的变化特征[D]. 乌鲁木齐: 新疆农业大学,2014.
王科, 李浩, 邓劲松, 等. 不同耕作施肥方式对稻茬小麦氮素利用及土壤容重的影响[J]. 四川农业大学学报,2020,38(6):654-660.
沙月霞, 黄泽阳, 魏照清. 生物菌剂撒施对宁夏石嘴山盐碱地微生物群落结构的影响[J]. 中国农学通报,2022,38(34):82-90.
Zhang M, Yao Y, Zhao M,et al.. Integration of urea deep placement and organic addition for improving yield and soil properties and decreasing N loss in paddy field[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment,2017,247:236-245.
权基哲. 不同施肥水平及玉米种植对土壤微生物生物量碳氮含量的影响[J]. 粮食科技与经济,2020,45(9):105-106.
谷晓博, 李援农, 杜娅丹, 等. 施肥深度对冬油菜产量、根系分布和养分吸收的影响[J]. 农业机械学报,2016,47(6):120-128,206.
唐海明, 肖小平, 李超, 等. 不同土壤耕作模式对双季水稻生理特性与产量的影响[J]. 作物学报,2019,45(5):740-754.
周宝元, 王新兵, 王志敏, 等. 不同耕作方式下缓释肥对夏玉米产量及氮素利用效率的影响[J]. 植物营养与肥料学报,2016,22(3):821-829.
杨硕, 金文俊, 黄海蒙, 等. 耕层土层交换对土壤氮素关键转化过程和玉米氮素利用的影响[J]. 中国生态农业学报,2019,27(10):1515-1527.
赵营, 刘晓彤, 罗健航, 等. 缓/控释肥条施对春玉米产量、吸氮量与氮平衡的影响[J]. 中国土壤与肥料,2020(5):34-39.
杨泽鹏, 陈红琳, 陈尚洪, 等. 耕作与施肥方式对油菜产量和养分吸收利用的影响[J]. 中国土壤与肥料,2021(5):176-184.