湯文光 肖小平 張海林 黃桂林 唐海明 李 超 劉勝利 汪 柯

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輪耕對雙季稻田耕層土壤養(yǎng)分庫容及Cd含量的影響

湯文光1肖小平1張海林2黃桂林1唐海明1李 超1劉勝利2汪 柯1

1湖南省土壤肥料研究所, 湖南長沙 410125;2中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 北京 100193

研究長期不同耕作措施下雙季稻田土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分及重金屬含量的變化規(guī)律, 對構(gòu)建稻田合理耕層、提升耕地質(zhì)量、促進(jìn)糧食可持續(xù)豐產(chǎn)具有重要意義。2005—2014年在湖南醴陵雙季稻田設(shè)置長期免耕(NT-NT)、長期旋耕(RT-RT)、長期翻耕(CT-CT)、翻免輪耕(CT-NT)和旋免輪耕(RT-NT) 5種耕作方式定位試驗(yàn), 測定并分析不同耕作方式對耕層深度、土壤容重、土壤C、N、P、K養(yǎng)分含量、養(yǎng)分庫容量及重金屬Cd含量等的影響。結(jié)果表明, NT-NT由于長期沒有動土, 土壤容重較高, 而RT-RT、CT-CT、CT-NT和RT-NT均使土壤容重值降到了較理想?yún)^(qū)間。CT-NT和RT-NT 0~5 cm耕層土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀和Cd含量均顯著低于NT-NT, 而高于RT-RT、CT-CT, 說明NT-NT在促進(jìn)土壤養(yǎng)分向表層聚集的同時(shí), 也促進(jìn)了土壤鎘向表層聚集, 且隨著耕作頻率的增加土壤表層養(yǎng)分及土壤鎘均呈下降趨勢。CT-NT和RT-NT 5~10 cm耕層土壤各養(yǎng)分含量均顯著高于NT-NT, 而10~20 cm耕層土壤各養(yǎng)分含量均低于RT-RT、CT-CT, 說明輪耕促進(jìn)了土壤養(yǎng)分積累并主要向土壤中層聚集。耕層厚度、有效養(yǎng)分總庫容量及土壤Cd含量均表現(xiàn)為RT-RT、CT-CT>CT-NT、RT-NT>NT-NT, 說明隨著耕作頻率減少土壤耕層逐漸變淺, 有效養(yǎng)分總庫容量逐漸變小, 土壤總鎘、有效鎘含量也逐漸降低。本研究表明, 長期免耕和長期翻(旋)耕均存在一定弊端, 長期免耕雖然降低了土壤鎘含量, 但同時(shí)也降低了土壤養(yǎng)分庫容, 長期翻(旋)耕雖然增加了土壤養(yǎng)分庫容, 但同時(shí)也增加了土壤鎘含量, 而合理土壤輪耕既可改善土壤結(jié)構(gòu), 促進(jìn)土壤養(yǎng)分積累、增加土壤養(yǎng)分庫容, 又能適當(dāng)降低土壤鎘含量, 改善土壤環(huán)境。

輪耕; 水稻; 土壤養(yǎng)分; 庫容量; 重金屬Cd

土壤耕作是一項(xiàng)重要的農(nóng)事活動, 合理適宜的土壤耕作具有增產(chǎn)增效作用, 不合理的土壤耕作不但會減產(chǎn), 而且還會引起意想不到的后果。保護(hù)性耕作具有保水、固土培肥、省工節(jié)能等優(yōu)點(diǎn), 但迄今為止, 對于保護(hù)性耕作技術(shù)依然沒有形成比較一致的概念, 有人認(rèn)為保護(hù)性耕作就是少耕免耕, 將土壤耕作減少到能保證種子發(fā)芽即可[1-2]。近年來, 稻田受長期少耕免耕及農(nóng)藥、化肥大量施用、污水灌溉等因素的影響, 已經(jīng)導(dǎo)致土壤耕層變淺、土壤結(jié)構(gòu)不合理、物理化學(xué)性狀變差、養(yǎng)分下降, 重金屬污染加劇, 嚴(yán)重影響水稻可持續(xù)增產(chǎn)潛力的發(fā)揮及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全, 耕作措施對土壤理化性狀及稻田生態(tài)系統(tǒng)均有重要影響[3-5]。研究稻田適宜長期生產(chǎn)應(yīng)用的耕作措施, 對構(gòu)建合理耕層, 實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)利用及糧食豐產(chǎn)具有重要理論和實(shí)踐意義。

保護(hù)性耕作能促進(jìn)土壤固碳及氮素利用, 減少農(nóng)田土壤CO2排放量[6]; 李輝等[7]認(rèn)為, 壟作免耕能顯著提高土壤有機(jī)碳(SOC)含量和儲量以及微生物生物量碳(SMBC)含量; 陳學(xué)文等[8]對黑土地不同耕作方式研究認(rèn)為, 免耕顯著增加5~20 cm土層的土壤容重和土壤硬度; 李霞等[9]認(rèn)為, 在小麥玉米周年生產(chǎn)中, 冬小麥播前翻耕可顯著提高夏玉米產(chǎn)量及抗倒伏能力; 王淑蘭等[10]認(rèn)為免耕/深松輪耕模式能更好地增加土壤有機(jī)碳和全氮儲量, 改善土壤環(huán)境質(zhì)量, 提升土壤肥力。土壤Cd污染不僅造成稻米品質(zhì)下降, 嚴(yán)重威脅人體健康, 還影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。謝運(yùn)河等[11]認(rèn)為, 在南方典型稻田施用有機(jī)肥(豬糞、雞糞、稻草)增加了土壤全Cd含量, 但能降低稻米Cd含量; 李霞等[12]利用GIS空間模型和同位素比值法分析認(rèn)為, 土壤Cd污染主要來自工業(yè)廢棄物及灌溉水, 農(nóng)產(chǎn)品中Cd污染主要來源于土壤; 殷飛等[13]認(rèn)為, 利用坡縷石、鋼渣、磷礦粉等鈍化劑能顯著降低土壤中Pb、Cd、Cu、Zn、As 5種重金屬生物有效態(tài)含量; 王曉娟等[14]則對重金屬Cd在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑及其調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行了較全面的回顧。由于農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)受農(nóng)事活動的影響較為復(fù)雜, 土壤耕作在影響土壤物理、化學(xué)、生物性狀的同時(shí), 也會對土壤環(huán)境產(chǎn)生影響, 對其中任何單一因子的研究均不能對土壤耕作的合理性作出正確評價(jià)。本研究通過雙季稻田長期不同耕作定位試驗(yàn), 研究免耕、旋耕、翻耕及輪耕對土壤理化性狀及Cd含量的影響, 為探討合理的土壤耕作方式及Cd污染土壤的治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

湖南省醴陵市東富鄉(xiāng)立新村(27°37.8′ N, 113°32.5′ E), 屬典型雙季稻三熟區(qū), 亞熱帶季風(fēng)氣候, 年均氣溫18℃, 年平均無霜期288 d, 年平均日照1750 h, 年平均降水量1430 mm。試驗(yàn)田種植制度為冬閑-早稻-晚稻, 土壤為紫色土, 2005年春季試驗(yàn)前土壤含有機(jī)質(zhì)32.90 g kg–1、全氮1.50 g kg–1、堿解氮224.10 mg kg–1、速效磷6.64 mg kg–1、速效鉀120.10 mg kg–1, 容重1.21 g cm–3, pH 6.26。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從2005年早稻季開始, 對連續(xù)免耕6年的稻田進(jìn)行長期定位試驗(yàn), 設(shè)置長期免耕(NT-NT)、長期旋耕(RT-RT)、長期翻耕(CT-CT)、翻免輪耕(CT-NT)和旋免輪耕(RT-NT) 5種耕作處理, 每個(gè)處理3次重復(fù), 小區(qū)面積為240 m2(20 m×12 m), 旋耕深度(12±1) cm, 翻耕深度(17±1) cm。輪耕周期為3年, 即2年免耕, 1年翻耕(或旋耕), 具體年度耕作措施見表1。對于同一處理, 早、晚稻采取相同耕作措施, 且稻草均不還田。

表1 田間試驗(yàn)中輪耕處理

NT: 免耕; CT: 翻耕; RT: 旋耕; NT-NT: 長期免耕; RT-RT: 長期旋耕; CT-CT: 長期翻耕; CT-NT: 翻免輪耕; RT-NT: 旋免輪耕。

NT: no-tillage; CT: conventional tillage; RT: rotary tillage; NT-NT: long-term no tillage; RT-RT: long-term rotary tillage; CT-CT: long-term conventional tillage; CT-NT: conventional tillage-no tillage; RT-NT: rotary tillage-no tillage.

2014年早稻供試品種為“陵兩優(yōu)268”, 晚稻供試品種為“深優(yōu)5105”。采用軟盤育秧拋秧栽培, 早稻密度為26.25萬蔸 hm–2, 晚稻密度為22.5萬蔸hm–2。早稻于3月22日播種, 7月15日收獲, 晚稻于6月27日播種, 10月20日收獲。對各處理早稻施純N 150 kg hm–2、P2O590 kg hm–2、K2O 90 kg hm–2, 晚稻施純N 187.5 kg hm–2、P2O590 kg hm–2、K2O 90 kg hm–2, 其中氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥= 4∶4∶2施用; 磷肥100%做基肥; 鉀肥按基肥∶追肥= 5∶5施用。采用間歇濕潤灌溉, 移栽后淺水勤灌, 早稻于5月15日、晚稻于8月18日統(tǒng)一落水露田7 d, 再灌淺水施肥到抽穗期, 抽穗后干干濕濕壯籽, 成熟前7 d斷水, 其他栽培措施按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式進(jìn)行。

1.3 測定指標(biāo)與計(jì)算方法

1.3.1 耕層深度 于2014年10月21日晚稻收獲后第2天, 每小區(qū)按X型定位方法, 選取5點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測定, 根據(jù)土壤堅(jiān)實(shí)度、根系分布和土壤結(jié)構(gòu)的變化、片狀結(jié)構(gòu)體的出現(xiàn)等劃分耕作層和犁底層界限, 用卷尺測量耕層深度。

1.3.2 土壤容重 于晚稻收獲后第2天, 用環(huán)刀法測定[15], 每小區(qū)選5點(diǎn), 按0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm分層取樣, 用烘干法測定土壤含水量, 土壤容重(, g cm–3) = (1–0)/(100+), 式中,為土壤含水量,(%) = (濕土質(zhì)量–烘干土質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量×100,指環(huán)刀的容積,0指鋁盒的質(zhì)量,1指鋁盒和濕土的質(zhì)量; 0~20 cm土壤容重=(1×5+2×5+3×10)/20, 式中,1、2、3分別為0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm耕層土壤容重。

1.3.3 土壤養(yǎng)分 于晚稻收獲后第2天, 用土鉆每小區(qū)按0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm分層取多點(diǎn)混合樣, 將樣品自然風(fēng)干, 剔除石礫及植物殘茬等雜物, 過60目篩后; 采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機(jī)碳, 采用KMnO4氧化法[16]測定活性有機(jī)碳。碳庫管理指數(shù)=碳庫指數(shù)×活度指數(shù)×100, 其中碳庫指數(shù)=耕作土壤有機(jī)碳/免耕土壤(參照土壤)有機(jī)碳, 活度指數(shù)=耕作土壤碳庫活度/免耕土壤碳庫活度, 碳庫活度=活性炭/穩(wěn)態(tài)碳, 穩(wěn)態(tài)碳=有機(jī)碳–活性有機(jī)炭。

采用堿解擴(kuò)散法測定堿解氮, 碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷, 乙酰胺浸提-火焰光度法測定速效鉀, EDTA-乙酰胺鹽交換法[17]測定陽離子交換量; 0~20 cm土壤養(yǎng)分含量(, mg kg–1)=(5×5+10×5+20×10)/20, 式中,5、10、20分別為0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm耕層土壤養(yǎng)分含量。養(yǎng)分庫容量(, kg hm–2) = 耕層深度(cm)×土壤容重(g cm–3)×養(yǎng)分含量(mg kg–1)/10; 有效養(yǎng)分總庫容量(, kg hm–2) =N+P+K, 式中,N、P、K分別為堿解氮、有效磷、速效鉀的庫容量。

1.3.4 土壤Cd 采用GB/T 17141-1997中硝酸-鹽酸-高氯酸-氫氟酸消解-石墨爐原子吸收光譜法測定土壤總Cd含量, 采用GB/T 23739-2009中有效態(tài)鎘的測定-原子吸收法測定土壤有效Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件分析數(shù)據(jù), Microsoft Excel 2003軟件制圖, LSD法進(jìn)行多重比較(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層土壤碳庫管理指數(shù)

從圖1可以看出, 不同耕作方式對土壤有機(jī)碳有顯著影響。與長期旋耕和長期翻耕相比, 翻免輪耕、旋免輪耕0~5 cm耕層土壤有機(jī)碳含量增加幅度和10~20 cm耕層土壤有機(jī)碳含量降低幅度均達(dá)顯著水平。0~5 cm耕層土壤有機(jī)碳含量, 翻免輪耕、旋免輪耕處理比長期旋耕處理分別增加10.30%和12.04%, 比長期翻耕處理分別增加39.76%和41.96%; 10~20 cm耕層土壤有機(jī)碳含量, CT-NT、RT-NT處理比RT-RT處理分別降低15.43%和12.17%, 比CT-CT處理分別降低15.43%和12.17%。與長期免耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕顯著增加了5~10 cm耕層土壤有機(jī)碳含量, CT-NT、RT-NT處理5~10 cm耕層土壤有機(jī)碳含量比NT-NT處理分別增加20.42%和17.80%。不同耕層深度之間, CT-NT、RT-NT、NT-NT、RT-RT處理有機(jī)碳含量表現(xiàn)為0~5 cm>5~10 cm>10~ 20 cm, CT-CT處理有機(jī)碳含量則表現(xiàn)為5~10 cm>0~ 5 cm> 10~20 cm。

耕層土壤活性有機(jī)碳的影響與有機(jī)碳含量基本一致。與長期旋耕和長期翻耕相比, 翻免輪耕、旋免輪耕0~5 cm耕層土壤活性有機(jī)碳含量增加幅度和10~20 cm耕層土壤活性有機(jī)碳含量降低幅度均達(dá)顯著水平。0~5 cm耕層土壤活性有機(jī)碳含量, CT-NT、RT-NT處理比RT-RT處理分別增加13.75%和13.94%, 比CT-CT處理分別增加35.69%和35.92%; 10~20 cm耕層土壤活性有機(jī)碳含量, CT-NT、RT-NT處理比RT-RT處理分別降低23.32%和20.03%, 比CT-CT處理分別降低20.31%和16.89%。與長期免耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕顯著增加5~10 cm耕層土壤活性有機(jī)碳含量, CT-NT、RT-NT處理5~10 cm耕層土壤活性有機(jī)碳含量比NT-NT處理分別增加34.76%、30.04%。不同耕層深度之間, CT-NT、RT-NT、NT-NT、RT-RT處理活性有機(jī)碳含量隨深度增加均呈顯著下降趨勢, 表現(xiàn)為0~5 cm>5~10 cm> 10~20 cm, 即耕層越深活性有機(jī)碳含量越低, CT-CT處理活性有機(jī)碳含量則表現(xiàn)為5~10 cm>0~5 cm> 10~20 cm。

圖1 不同耕作方式下土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳含量

Fig. 1 Soil organic carbon and active organic carbon concentrations under different tillage treatments

不同小寫字母表示同一土壤層次不同處理間差異達(dá)顯著(<0.05)水平?？s寫同表1。

Different small letters meant significant difference among different treatments at the same soil layer at the 0.05 level. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

從表2可以看出, 不同耕作方式對土壤碳庫管理指數(shù)影響顯著。以長期免耕處理(NT-NT)為參照土壤, 長期旋耕(RT-RT)和長期翻耕(CT-CT)顯著降低了0~5 cm耕層土壤碳庫管理指數(shù), 分別降低14.17%和16.77%, 翻免輪耕(CT-NT)和旋免輪耕(RT-NT) 0~5 cm耕層土壤碳庫管理指數(shù)略高于NT-NT, 但差異不顯著, 而翻免輪耕(CT-NT)、旋免輪耕(RT-NT)、長期旋耕(RT-RT)、長期翻耕(CT-CT) 5~10 cm和10~20 cm耕層土壤碳庫管理指數(shù)均顯著高于NT-NT,分別提高68.36%、57.44%、54.01%、51.88%和8.63%、14.24%、73.91%、53.05%。

2.2 耕層土壤容重

從圖2可以看出, 耕作措施對耕層土壤容重影響較大。長期免耕由于沒有動土, 土壤容重較高; 與NT-NT比較, RT-RT和CT-CT的0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm土壤容重分別降低了16.48%和18.68%、8.49%和12.26%、11.19%和13.29%, 均達(dá)顯著差異(<0.05); CT-NT和RT-NT的0~20 cm土壤容重均有所降低, 其中CT-NT的0~5 cm和10~20 cm土壤容重分別降低了8.79%和7.69%, 其差異達(dá)顯著水平(<0.05)。不同耕層深度之間, 各處理土壤容重均表現(xiàn)為0~5 cm<5~10 cm<10~20 cm, 即隨著土壤深度增加土壤容重顯著增加。與試驗(yàn)前比較, 0~20 cm耕層土壤容重NT-NT處理仍為1.21 g cm–3, 而RT-RT、CT-CT、CT-NT和RT-NT處理分別為1.07、1.04、1.12和1.17 g cm–3, 分別降低了11.57%、14.05%、7.44%和3.31%, 說明長期免耕后, 通過長期旋耕、長期翻耕、翻免輪耕和旋免輪耕均使土壤容重值降到了較理想?yún)^(qū)間, 有利于土壤結(jié)構(gòu)的改善。

2.3 耕層土壤N、P、K含量及陽離子交換量

不同耕作方式的耕層土壤N、P、K養(yǎng)分含量和陽離子交換量, 在不同耕層深度之間表現(xiàn)差異顯著。從表3可以看出, 與長期免耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕顯著降低了0~5 cm耕層土壤全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量, 而顯著增加了5~10 cm、10~20 cm耕層土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和陽離子交換量。CT-NT和RT-NT處理0~5 cm耕層土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量比NT-NT處理分別降低了13.66%、12.53%、33.33%、10.79%和14.98%、12.26%、32.14%、10.53%, 5~10 cm耕層土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量、陽離子交換量比NT-NT處理分別增加了18.92%、17.16%、8.88%、14.47%、13.99%和20.27%、14.71%、9.80%、10.53%、5.59%, 10~20 cm耕層土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量、陽離子交換量比NT-NT處理分別增加了7.14%、10.67%、11.11%、20.93%、6.82%和9.52%、11.33%、10.24%、27.91%、9.09%。

表2 不同耕作方式下土壤碳庫指標(biāo)

不同小寫字母表示同一土壤層次不同處理間差異達(dá)顯著(<0.05)水平?？s寫同表1。

Values followed by different small letters are significantly different among different treatments at the same soil layer at<0.05. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

圖2 不同耕作方式下土壤容重

不同小寫字母表示同一土壤層次不同處理間差異達(dá)顯著(<0.05)水平?？s寫同表1。

Values followed by different small letters are significantly different among different treatments at the same soil layer at<0.05. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

與長期翻耕、長期旋耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕則有增加0~5 cm耕層土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和陽離子交換量, 而降低5~10 cm、10~20 cm耕層土壤各養(yǎng)分指標(biāo)的趨勢, 其中顯著增加了0~5 cm耕層土壤全氮、有效磷含量, 顯著降低了5~10 cm有效磷、速效鉀含量和10~20 cm堿解氮、速效鉀含量。0~5 cm耕層土壤全氮、有效磷含量, CT-NT處理比CT-CT處理分別增加了17.37%和85.12%, RT-NT處理比RT-RT處理分別增加了12.21%和101.41%; 5~10 cm有效磷、速效鉀含量, CT-NT處理比CT-CT處理分別降低了6.08%和13.00%, RT-NT處理比RT-RT處理分別降低了7.12%和14.72%; 10~20 cm堿解氮、速效鉀含量, CT-NT處理比CT-CT處理分別降低了11.23%和23.53%, RT-NT處理比RT-RT處理分別降低了7.74%和9.84%, 其差異均達(dá)顯著水平(<0.05)。

表3 不同耕作方式下土壤養(yǎng)分含量

不同小寫字母表示同一土壤層次不同處理間差異達(dá)顯著(<0.05)水平?？s寫同表1。

Values followed by different small letters are significantly different among different treatments at the same soil layer at<0.05. Abbreviations are the same as those given in Tabl 1.

不同耕層深度之間, 除CT-CT和RT-RT處理土壤全氮、有效磷含量表現(xiàn)為5~10 cm>0~5 cm>10~20 cm外, 其余均為0~5 cm>5~10 cm>10~20 cm, 即耕層養(yǎng)分隨深度增加呈下降趨勢。

2.4 耕層土壤N、P、K有效養(yǎng)分庫容量

耕層深度直接影響土壤養(yǎng)分庫容大小。從表4可以看出, 不同耕作方式的土壤耕層深度、土壤庫容量差異顯著。與長期免耕比較, 翻免輪耕和旋免輪耕顯著增加了耕層厚度、有效養(yǎng)分總庫容量, CT-NT和RT-NT處理耕層厚度、有效養(yǎng)分總庫容量比NT-NT處理分別增加了19.77%、16.87%和11.22%、9.64%。與長期翻耕、長期旋耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕則顯著降低了耕層厚度和有效養(yǎng)分總庫容量, 其中CT-NT處理比CT-CT處理分別降低了25.17%和22.28%, RT-NT處理比RT-RT處理分別降低了28.66%和24.82%, 上述差異均達(dá)顯著水平(<0.05)。

從耕層土壤N、P、K養(yǎng)分庫容分析, 不同耕作方式對有效磷庫容量影響較小, 對堿解氮、速效鉀影響較大。與長期免耕比較, 翻免輪耕和旋免輪耕顯著增加了耕層土壤堿解氮、速效鉀庫容量, CT-NT和RT-NT處理堿解氮、速效鉀庫容量比NT-NT處理分別增加了17.28%、17.29%和9.64%、10.96%。與長期翻耕、長期旋耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕則顯著降低了耕層土壤堿解氮和速效鉀庫容量, 其中CT-NT處理比CT-CT處理分別降低了20.99%和26.30%, RT-NT處理比RT-RT處理分別降低了24.60%和26.49%, 均達(dá)顯著差異(<0.05)。

表4 不同耕作方式下土壤養(yǎng)分庫容量

不同小寫字母表示同一土壤層次不同處理間差異達(dá)顯著(<0.05)水平?？s寫同表1。

Values followed by different small letters are significantly different among different treatments at the same soil layer at<0.05. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.5 耕層土壤Cd含量

目前南方稻田重金屬污染主要是鎘污染。從圖3可以看出, 耕作方式對耕層土壤Cd含量影響顯著, 在0~20 cm耕層, 與長期免耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕顯著增加了土壤總鎘含量, 而有效鎘含量無顯著差異, CT-NT和RT-NT處理土壤總鎘含量比NT-NT處理分別增加16.81%和17.95%; 而與長期翻耕、長期旋耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕顯著降低了耕層土壤總鎘和有效鎘含量, CT-NT處理比CT-CT處理分別降低了10.87%和21.78%, RT-NT處理比RT-RT處理分別降低了9.61%和18.81%。

與長期免耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕顯著降低了0~5 cm耕層土壤總鎘、有效鎘含量, 而顯著增加了5~10 cm、10~20 cm耕層土壤總鎘、有效鎘含量。CT-NT和RT-NT處理0~5 cm耕層土壤總鎘、有效鎘含量比NT-NT處理分別降低了14.95%、23.34%和13.83%、21.66%, 5~10 cm耕層土壤總鎘、有效鎘含量比NT-NT處理分別增加了23.62%、8.96%和24.67%、10.82%, 10~20 cm耕層土壤總鎘、有效鎘含量比NT-NT處理分別增加了59.20%、10.95%和60.20%、19.71%, 差異均顯著(<0.05)。與長期翻耕、長期旋耕比較, 翻免輪耕、旋免輪耕0~5 cm耕層土壤總鎘、有效鎘含量無差異, 而顯著降低了5~10 cm、10~20 cm耕層土壤總鎘、有效鎘含量。5~10 cm總鎘、有效鎘含量, CT-NT處理比CT-CT處理分別降低了8.37%和11.25%, RT-NT處理比RT-RT處理分別降低了7.77%和10.27%; 10~20 cm總鎘、有效鎘含量, CT-NT處理比CT-CT處理分別降低了17.74%、41.09%, RT-NT處理比RT-RT處理分別降低了16.15%、35.69%, 其差異均達(dá)顯著水平(<0.05)。

不同耕層深度的土壤總鎘、有效鎘含量均表現(xiàn)為0~5 cm>5~10 cm>10~20 cm, 即耕層越深, 鎘含量越低。

圖3 不同耕作方式下土壤Cd含量

不同小寫字母表示同一土壤層次不同處理間差異達(dá)顯著(<0.05)水平?？s寫同表1。

Values followed by different small letters are significantly different among different treatments at the same soil layer at<0.05. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

3 討論

適宜的耕作措施可以改善土壤的水熱狀況和其他理化性狀, 促進(jìn)作物生長發(fā)育, 提高產(chǎn)量。孔凡磊等[18]研究認(rèn)為, 與旋耕秸稈還田(RTS)、翻耕秸稈還田(CTS)比較, 免耕秸稈還田(NTS)顯著推遲了小麥生育進(jìn)程, 降低了小麥產(chǎn)量; 張先鳳等[19]研究認(rèn)為, 長期免耕和間歇性翻耕結(jié)合秸稈還田能顯著提高潮土大團(tuán)聚體的數(shù)量及其穩(wěn)定性, 增加潮土碳累積量; 聶良鵬等[20]認(rèn)為, 輪耕大幅度提高了0~40 cm土壤的周年總孔隙度; 湯文光等[21]針對雙季稻田長期不同耕作方式與秸稈還田結(jié)合研究顯示, 長期翻耕和旋耕結(jié)合秸稈還田提高了土壤養(yǎng)分含量, 增強(qiáng)了土壤通氣性, 顯著增加了耕層深度和土壤養(yǎng)分庫容量, 增強(qiáng)了土壤的保肥能力。本研究在秸稈不還田條件下, 針對耕作方式單一因子進(jìn)行長期輪耕試驗(yàn), 經(jīng)3個(gè)輪耕周期后顯示, 長期免耕由于沒有動土, 土壤容重較高, 而長期旋耕、長期翻耕、翻免輪耕和旋免輪耕均使土壤容重值降到了較理想?yún)^(qū)間, 有利于土壤結(jié)構(gòu)的改善。同時(shí), 翻免輪耕、旋免輪耕0~5 cm耕層土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著低于長期免耕, 而高于長期翻耕、長期旋耕, 說明長期免耕促進(jìn)了土壤養(yǎng)分向表層聚集, 而隨著耕作頻率的增加, 土壤表層養(yǎng)分呈下降趨勢。翻免輪耕、旋免輪耕5~10 cm耕層土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量、碳庫管理指數(shù)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和陽離子交換量均顯著高于長期免耕, 而10~20 cm耕層土壤各養(yǎng)分含量均低于長期翻耕、長期旋耕, 說明輪耕促進(jìn)了土壤養(yǎng)分積累并主要向土壤中層聚集, 這與之前[21]研究結(jié)果基本一致。但是, 不同耕作方式的耕層厚度及有效養(yǎng)分總庫容量變化則與之相反, 表現(xiàn)為長期翻耕、長期旋耕>翻免輪耕、旋免輪耕>長期免耕, 說明隨著耕作頻率減少, 土壤耕層逐漸變淺, 有效養(yǎng)分總庫容量逐漸變小, 且主要影響耕層土壤堿解氮、速效鉀庫容量, 而對有效磷庫容量影響較小, 這可能是因不同試驗(yàn)區(qū)耕翻深度及機(jī)械碾壓程度不同所致。

不同區(qū)域影響土壤Cd污染的因素不同, 需要科學(xué)合理評價(jià)[22], 環(huán)境和投入物品對水稻鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)具有重要影響[23]。李堃等[24]研究認(rèn)為, 鎘低積累品種可為中輕度Cd污染農(nóng)田水稻生產(chǎn)提供Cd安全種質(zhì)資源; 鄭陶等[25]研究認(rèn)為, 在高Cd條件下, 水稻Cd高積累品種對Cd有較強(qiáng)的吸收和富集能力, 可作為農(nóng)田Cd污染潛在的修復(fù)材料; 李韻詩等[26]總結(jié)前人研究進(jìn)展認(rèn)為, 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)體系具有生物固定與生物去除土壤重金屬的兩種功能; 張亮亮等[27]研究認(rèn)為, 施用堿性肥料可顯著降低土壤中鎘的有效性及水稻各器官和稻米鎘含量, 而堿性肥料與微生物菌劑配施則削弱了其對稻米鎘含量的降低效果。本研究表明, 耕層土壤總鎘、有效鎘含量表現(xiàn)為長期翻耕、長期旋耕>翻免輪耕、旋免輪耕>長期免耕, 說明隨著耕作頻率減少耕層土壤總鎘、有效鎘含量逐漸降低。而0~5 cm耕層土壤總鎘、有效鎘含量表現(xiàn)為長期免耕顯著高于其他處理, 5~10 cm、10~20 cm耕層土壤總鎘、有效鎘含量表現(xiàn)為長期翻耕、長期旋耕>翻免輪耕、旋免輪耕>長期免耕, 說明減少耕作頻率促進(jìn)了重金屬向土壤表層聚集, 并主要降低了中下層土壤重金屬含量。

4 結(jié)論

長期免耕后, 輪耕可使土壤容重值降到較理想?yún)^(qū)間; 長期免耕在促進(jìn)土壤養(yǎng)分向表層聚集的同時(shí), 也促進(jìn)了土壤鎘向表層聚集, 且隨著耕作頻率的增加土壤表層養(yǎng)分及鎘含量均呈下降趨勢; 輪耕促進(jìn)了土壤養(yǎng)分積累并主要向土壤中層聚集, 但隨著耕作頻率減少土壤耕層逐漸變淺, 有效養(yǎng)分總庫容量逐漸變小, 土壤總鎘、有效鎘含量也逐漸降低, 且主要降低了中下層土壤鎘含量?？傊? 長期免耕和長期翻(旋)耕均存在一定的弊端, 長期免耕雖然降低了土壤鎘含量, 但同時(shí)也降低了土壤養(yǎng)分庫容, 長期翻(旋)耕雖然增加了土壤養(yǎng)分庫容, 但同時(shí)也增加了土壤鎘含量, 而合理土壤輪耕既可改善土壤結(jié)構(gòu), 促進(jìn)土壤養(yǎng)分積累、增加土壤養(yǎng)分庫容, 又能適當(dāng)降低土壤鎘含量, 達(dá)到改善土壤環(huán)境的目的。

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Effects of Rotational Tillage on Nutrient Storage Capacity and Cd Content in Tilth Soil of Double-cropping Rice Region

TANG Wen-Guang1, XIAO Xiao-Ping1, ZHANG Hai-Lin2, HUANG Gui-Lin1, TANG Hai-Ming1, LI Chao1, LIU Sheng-Li2, and WANG Ke1

1Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Changsha 410125, Hunan, China;2College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China

It is important significance to construct and improve the quality paddy layer, promote the sustainable grain yield by studies on the soil structure, nutrient and heavy metal contents in double cropping paddy fields under different tillage measures. The long-term located experiments with five tillage treatments including no tillage (NT-NT), conventional tillage (CT-CT), rotary tillage (RT-RT), conventional tillage-no tillage (CT-NT), and rotary tillage-no tillage (RT-NT) were conducted in double-cropping rice paddy from 2005 to 2014. The tilth soil depth, soil bulk density, soil carbon, nitrogen, phosphorus, potassium, nutrients pool and heavy metal Cd content in different tillage treatments were analyzed. The results showed that NT-NT had higher soil bulk density, however, RT-RT, CT-CT, CT-NT, and RT-NT reduced it to a ideal interval. Soil organic carbon, active organic carbon, total nitrogen, available nitrogen, available phosphorus, available potassium and Cd content of CT-NT and RT-NT in 0-5 cm topsoil were significantly lower than those of NT-NT, showing that nutrients and Cd were aggregated to the surface layer of soil and decreased with increasing frequency of farming. Soil nutrient contents of CT-NT and RT-NT were significantly higher than those of NT-NT in 5-10 cm topsoil, but lower than those of RT-RT, CT-CT in 10-20 cm topsoil, demonstrating that the rotational tillage was beneficial to accumulate nutrients, especially in middle soil layer. The order of topsoil thickness, total available nutrients pool and Cd content showed RT-RT>CT-CT>CT-NT, RT-NT>NT-NT, therefore, topsoil layers would shallow, total available nutrients pool, soil total Cd and available Cd would shrink gradually with reducing tillage frequency. Our results indicated that long-term with no tillage, conventional tillage or rotary tillage all have certain drawbacks, no-tillage reduces soil Cd content and soil nutrients pool, conventional tillage or rotary tillage increases soil nutrients pools and soil Cd content. Therefore, the reasonable soil rotational tillage could improve soil structure, promote soil nutrient accumulation, and increase soil nutrients pool, reduce soil Cd content and improve the soil environment.

rotational tillage; rice; soil nutrient; pool; heavy metal Cd

2017-04-17;

2017-09-10;

2017-09-28.

10.3724/SP.J.1006.2018.00105

E-mail: tangwenguang@sina.com, Tel: 0731-84691345

本研究由國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503118), 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD07B11)和湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2017JC46)資助。

The study was supported by the Special Fund for Agro-Scientific Research in the Public Interest (201503118), the National Science and Technology Research Projects of China (2013BAD07B11), and the Science and Technology Innovation Project of Hunan Academy of Agricultural Sciences (2017JC46).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170928.1458.010.html