我国作为耕地资源约束型国家,长久以来面临耕地面积不足和后备资源匮乏的严峻问题[1]。然而,近年来随着城镇化发展和新农村建设的推进,农村宅基地被废弃闲置的现象日趋严重[2-3],为耕地资源补充提供了一条现实的可行途径[3]。但是,由于宅基地土壤结构破坏、养分状况差,导致部分功能和特性丧失,生产能力较低,该类复垦地亟待通过培肥措施以便快速提升地力[4]。
据相关统计,我国年产秸秆7.2×108 t[5]、菌渣1.1×108 t[6]以及猪粪1.2×109 t[7]。这些农业废弃物能显著改善土壤结构,增加作物产量[8-9],是常规中低产土壤快速提升肥力的重要措施。然而,其利用率均较低[10-11],特别在宅基地复垦上仅有少量利用报道,且鲜见系统的对比研究。因此,利用农业废弃物对复垦宅基地进行培肥改良具有较大潜力。同时,现有研究多着重分析农业废弃物对宅基地复垦土壤中单个或少量指标的影响[12-13];而考虑土壤各项理化特征及养分含量,对其肥力进行综合评价的研究鲜见报道。
成都平原是我国人口高度密集的地区,近年来由于区域经济迅猛发展,大型社区和中心村建设明显加快,部分被废弃闲置的原农村宅基地已复垦成耕地[14]。然而,因缺乏复垦后的快速培肥技术及评价方法,其生产潜力尚待提升。崇州市位于成都平原西部,属于我国重要商品粮产区,但其农村空心化率达到8.87%[15],当地宅基地仍具备一定复垦潜力,且对复垦后提升地力需求较大。
本研究以崇州市中南部一处复垦宅基地作为研究对象,拟分析秸秆、菌渣、猪粪3种农业废弃物与化肥的不同配施处理对宅基地土壤多项肥力指标的影响,对各处理下复垦土壤作综合肥力评价,探究农业废弃物配施化肥对土壤综合肥力提升效果,进而推荐快速提升土地整体肥力的培肥方案,为成都平原宅基地复垦快速培肥提供理论和技术支撑。
1 材料与方法 1.1 试验区域概况试验地位于成都崇州市杞泉镇四川农业大学现代农业研发基地(30°33′27′′N、103°38′34′′E)。试验区属亚热带湿润季风气候,年均气温15.9 ℃,年均无霜期为285 d,年均日照时数1 161.5 h,年均降雨量1 012.4 mm。供试土壤类型为黄壤。试验田为农村宅基地客土工程复垦,土层厚度大于40 cm。复垦两年后测得其耕层(0 ~ 20 cm)土壤容重1.33 g/cm3,孔隙度0.50,pH 6.65,总有机碳14.21 g/kg,全氮0.75 g/kg,全磷0.47 g/kg,全钾13.34 g/kg,碱解氮53.27 mg/kg,有效磷9.76 mg/kg,速效钾75.12 mg/kg,质量中等偏下。
1.2 试验材料供试作物:小麦为内麦836,玉米为成单30。供试肥料:氮肥为尿素(N含量46.3%),磷肥为过磷酸钙(P2O5含量12.0%),钾肥为氯化钾(K2O含量60.0%)。供试农业废弃物:秸秆为试验田收获物,菌渣来自食用菌厂,猪粪来自养殖基地。还田前,秸秆作粉碎处理,菌渣、猪粪作腐熟处理。试验中施用农业废弃物养分含量见表 1。
2014年10月—2017年10月以复垦宅基地为研究对象开展田间定位试验,共设8个处理:CK:不施肥,CF:按推荐施肥量施加化肥(小麦季施N 150 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2,玉米季施N 180 kg/hm2、P2O5 100 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2),T1:全量秸秆还田,T2:1.5倍秸秆还田,T3:全量秸秆有机碳等量的菌渣还田,T4:1.5倍秸秆有机碳等量的菌渣还田,T5:全量秸秆有机碳等量猪粪还田,T6:1.5倍秸秆有机碳等量猪粪还田。
其中,小麦季施水稻秸秆,以5 203 kg/hm2为全量还田;玉米季施小麦秸秆,以3 890 kg/hm2为全量还田(均按当季秸秆产量施用);菌渣、猪粪用量以秸秆还田总有机碳等量计算,T1 ~ T6处理氮磷钾投入总量等同CF,农业废弃物施入养分不足部分用化肥补足。小区面积30 m2,小区间设宽10 cm、深20 cm的土质护沟。随机区组排列,每个处理3次重复。各处理物质施入量详见表 2。
2014年10月—2017年10月,连续3 a在小麦种植前、玉米收获后(10月)进行样品采集。按五点取样法在各小区采集0 ~ 20 cm土层的混合土样,并用PET无菌塑封袋封装,风干后挑出根系、侵入体,磨细过筛备用。
1.5 土壤样品测定采用鲍士旦的《土壤农化分析》中所给常规方法[16],测定土壤容重、孔隙度、酸碱度、总有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾共10项指标。
1.6 数据处理应用Excel 2016对数据作初步整理、统计,使用SPSS 20.0进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较,对数据差异显著性进行Duncan检验。
1.7 综合评价方法试验采用IFI综合评价模型对宅基地复垦土壤作综合肥力评价[17-19],基于各项肥力评价因子的权重与隶属度计算土壤肥力综合指标值(IFI),以反映宅基地复垦土壤综合肥力。模型公式如下:
$ {\rm{IFI}} = \sum\limits_{i = 1}^n {Wi \times Fi} $ | (1) |
式中:n代表综合评价因子总数,i代表单项评价因子序号,Wi为第i项因子权重,Fi为第i项因子隶属度。土壤肥力综合指标值(IFI)计算所需的评价因子可参考相关研究[20-22]确定,选取容重、pH、总有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾7个指标。
单项评价因子的权重Wi可结合已有土壤综合肥力评价体系[21]确定,取值见表 3。
单项评价因子的隶属度Fi可用隶属度函数计算。参评肥力因子中总有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾在较大范围内作物曲线呈S型,隶属度采用S型函数计算;容重、pH在较大范围内作物曲线呈抛物线型,隶属度采用抛物线型函数计算[21]。计算公式如下:
S型隶属度函数:
$ Fi = \left\{ \begin{array}{l} 1.0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;xi \ge x4\\ 0.1 + 0.9(xi - x1)/(x4 - x1), \;x1 < xi < x4\\ 0.1\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;xi \le x1 \end{array} \right. $ | (2) |
抛物线型隶属度函数:
$ Fi = \left\{ \begin{array}{l} 1.0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;x2 \le xi \le x3\\ 0.1 + 0.9(xi - x1)/(x2 - x1), \;x1 < xi < x2\\ 1.0 - 0.9(xi - x3)/(x4 - x3), \;x3 < xi < x4\\ 0.1\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;xi \le x1, \;xi \ge x4 \end{array} \right. $ | (3) |
式中:xi表示单项土壤肥力评价因子的测定值,x1、x2、x3、x4分别表示该项因子的最小值、最优下限值、最优上限值及最大值[22]。参考全国第二次土壤普查推荐的肥力分级标准,结合试验地区实际情况确定x1 ~ x4的数值,最终取值如表 4。
土壤肥力综合指标值(IFI)的值域是(0, 1),区间内IFI值越大则土壤综合肥力状况越好。参考相关研究[20, 22],可将IFI值反映的土壤肥力状况划成5个等级:良好(0.8≤IFI < 1)、较好(0.6≤IFI < 0.8)、中等(0.4≤IFI < 0.6)、较差(0.2≤IFI < 0.4)、很差(0 < IFI < 0.2)。
2 结果与分析 2.1 不同处理下宅基地复垦土壤指标变化特征 2.1.1 土壤物理性状与酸碱度变化如图 1所示,经3 a试验,CK处理下宅基地复垦土壤容重呈上升趋势,孔隙度呈下降趋势;其他处理下土壤容重均呈现降低趋势,孔隙度呈增高趋势。3 a后CF及T1 ~ T6处理下土壤容重分别显著低于CK处理0.06、0.13、0.15、0.14、0.17、0.13、0.16 g/cm3(P < 0.05);孔隙度分别显著高于CK处理0.023、0.049、0.057、0.052、0.063、0.050、0.062(P < 0.05),其原因可能是取样时间秸秆、菌渣和猪粪等农业废弃物较化肥存在更多纤维结构,具有疏通土壤毛管、增加孔隙数量的作用[23];农业废弃物矿化过程中,纤维腐解体可结合土壤团粒,改善土体结构,降低土壤容重[24]。
在酸碱度方面,经3 a试验,CF处理下土壤pH呈下降趋势,较试验前下降0.02;T1 ~ T6处理下土壤pH呈上升趋势,均显著高于CF处理(P < 0.05),分别较试验前上升0.12、0.15、0.13、0.15、0.11、0.13。受淋溶作用影响,土壤酸化是伴随土壤发生、发育的自然进程,而施入土壤的铵态氮肥(尿素)会通过硝化作用释放H+,加速此进程[25],因此CF、CK处理下土壤pH较试验前下降,且CF低于CK。另有研究表明,农业废弃物与化肥配施,可提高土壤有机质、腐殖质含量,改善腐殖质组分,使土壤对酸化的缓冲能力增强[26],故T1 ~ T6处理下土壤pH呈逐年上升趋势。
2.1.2 土壤总有机碳及全量养分变化如表 5所示,经3 a试验,CK、CF、T1处理下复垦宅基地土壤有机碳含量呈下降趋势,其余处理均呈上升趋势。3 a试验后,T2 ~ T6处理土壤总有机碳含量分别比试验前提高6.60%、6.19%、13.75%、4.27%、11.04%,高量菌渣还田(T4)处理提升最大,与闫锐等[27]研究结论一致,菌渣还田下土壤总有机碳提升效果最好。CF、T1处理下土壤有机碳含量比试验前分别降低1.00、0.50 g/kg,显著低于T2 ~ T6处理(P < 0.05),原因为施肥促进作物生长,促使有机质矿化分解释放养分供作物吸收利用,故有机碳含量降低[28];CF处理因化肥单施缺少外来碳源补充,土壤总有机碳含量降幅大于T1处理[29]。
经3 a试验,CK处理下复垦宅基地土壤的全氮含量呈下降趋势,其余处理呈上升趋势。T1 ~ T6处理下土壤全氮含量分别较试验前提高7.05%、8.49%、6.82%、7.89%、6.48%、7.21%,高量秸秆还田(T2)处理对土壤全氮提升最大,原因可能为秸秆C/N较大且在适宜范围内,对土壤微生物的数量及活性提升有更强促进作用,能有效加快土壤养分循环释放,利于氮素积累[30];此外,秸秆还田后分解产物多被转化为固态氮,对土壤氮矿化过程存在阻碍,也会导致土壤全氮增加[31]。
在全磷方面,CK处理下复垦宅基地土壤的全磷含量呈下降趋势,其余处理上升。T1 ~ T6处理下土壤全磷含量分别较试验前提高4.41%、6.97%、5.06%、8.06%、6.59%、12.44%,高量猪粪还田(T6)处理提升效果最佳,其土壤全磷含量显著高于其余处理(P < 0.05),应是猪粪C/N、C/P小于秸秆与菌渣,微生物活性更低,有机部分磷素矿化释放相对缓慢,有利于土壤磷素积累[32],与颜晓等[33]研究结论基本一致。
在全钾方面,CK处理下宅基地复垦土的全钾含量呈下降趋势,其余处理呈上升趋势。T1 ~ T6处理对土壤全钾含量分别比试验前提升了2.83%、4.42%、2.69%、3.95%、2.19%、3.36%,其中高量秸秆还田(T2)处理下提升最大,与全孝飞等[34]研究结论相似,秸秆还田处理更易促进土壤全钾增长。
2.1.3 土壤速效养分变化如表 6所示,经3 a试验,CK处理下复垦宅基地土壤的碱解氮含量呈下降趋势,其余处理均呈上升趋势。T1 ~ T6处理土壤碱解氮分别比试验前增加30.03%、43.79%、36.67%、48.67%、23.35%、41.38%,高量菌渣还田(T4)处理下土壤碱解氮上升速率最快。T1 ~ T6处理下土壤碱解氮含量显著高于CF处理(P < 0.05),其原因可能是秸秆、菌渣、猪粪等农业废弃物具有养分缓释作用[35],使土壤碱解氮易于积累;又有研究表明,农业废弃物可通过增加土壤有机碳而刺激土壤微生物活性,促进生物分解作用,从而增加碱解氮含量[36]。
在有效磷方面,CK处理下复垦宅基地土壤的有效磷含量呈下降趋势,其余处理均呈上升趋势。各农业废弃物处理下,土壤有效磷含量较试验前分别增长13.05%、21.37%、20.41%、27.85%、18.80%、23.29%。高量菌渣还田(T4)处理提升效果最佳,其土壤有效磷含量显著高于CF处理(P < 0.05),可能是施入菌渣有利于耕层土壤有机碳积累,对土壤磷素活化作用较强,可提高土壤磷有效性[37]。
在速效钾方面,CK处理下复垦宅基地土壤速效钾含量呈下降趋势,其余处理呈上升趋势。T1 ~ T6处理下土壤速效钾分别比试验前增长33.35%、44.65%、27.66%、40.93%、27.09%、37.23%,均显著高于CF处理(P < 0.05),其中高量秸秆还田(T2)处理提升最大,与已有研究结果类似[38]。可能是由于农业废弃物中钾素主要赋存形态活性较强,易促进土体内部养分物质循环;同时秸秆比其他农业废弃物含钾量较高,更有利于土壤速效钾含量增加。
2.2 不同处理对宅基地复垦土壤总有机碳及全量养分与速效养分的相对提高效果选取总有机碳与全量养分(全氮、全磷、全钾)、速效养分(碱解氮、有效磷、速效钾)2组指标,依照计算式(施肥处理标准化值=施肥处理测定值-对照处理测定值/所有处理下该测定值标准差)对上述指标作标准化处理,使不同量纲的指标之间具有可比性[39]。将标准化处理后的2组指标分别于组内累加,得出全量养分与速效养分相对变化值,分析CK处理以外的其他处理,对宅基地复垦土壤全量与速效养分的相对提高效果,并由此推荐适用于特定需求的土壤培肥方案。
如图 2所示,除CK处理之外,各施肥处理对宅基地复垦土壤全量养分的相对变化值从大到小依次为T6 < T4 < T2 < T3 < T5 < T1 < CF,T6处理提升效果最优,T4处理次之;对速效养分的相对变化值为T4 < T2 < T6 < T3 < T1 < T5 < CF,T4处理提升效果最佳,T2处理次之。其中农业废弃物对土壤全量养分的相对提高效果为猪粪 < 菌渣 < 秸秆,对速效养分为菌渣 < 秸秆 < 猪粪,与已有研究[40-41]结果相近。CF处理下全量养分及速效养分相对变化值均小于T1 ~ T6处理,其原因可能是农业废弃物配施较化肥单施带入更多有机碳;农业废弃物施入后,需一定时间充分分解以释放养分,即缓释效果,养分易长期积累[37-38]。综上所述,从优先提升复垦土壤全量养分的角度,应推荐高量猪粪还田(T6)处理作为首选培肥方案;从优先提升复垦土壤速效养分的角度,推荐高量菌渣还田(T4)处理为首选培肥方案。
参照IFI综合评价模型,对试验前及试验后各处理下的土壤综合肥力进行评价,结果见表 7。试验前土壤IFI值为0.396,经3 a试验,CK处理下土壤IFI值降至0.347,综合肥力水平较差,较试验前年均降低0.083级;CF处理下土壤IFI值为0.431,综合肥力水平中等,较试验前年均提升0.059级;T1、T3、T5处理下土壤IFI值分别达到0.553、0.569、0.548,综合肥力水平中等,年均提升等级分别为0.261级、0.288级、0.253级;T2、T4、T6处理下土壤IFI值分别升至0.612、0.627、0.606,综合肥力水平均较好,每年分别较试验前提升0.360级、0.385级、0.350级。因T4处理对土壤综合肥力的提升幅度最大,T2处理次之,推荐高量菌渣还田(T4)为最优培肥方案,高量秸秆还田(T2)处理为备选。
农业废弃物通过增加土壤活性炭和活性氮组分,提高与养分转化有关微生物及酶的活性,有助于土壤养分积累[42]。农业废弃物的施用向土体带入大量有机质,其分解可产生有机酸,故能通过酸溶作用促进矿物风化和养分释放,并经由络合作用增加矿质养分有效性[43];有机质对速效养分的吸附,还能减少土壤养分流失,保障养分稳定供给[44]。较化肥单施,农业废弃物配施化肥能大幅提升土壤有机碳及氮磷钾养分含量,并显著改善理化性质,此结论已由其他研究[39, 42-43]证实,本试验中CF处理土壤综合肥力低于T1 ~ T6处理的结果,亦可为之佐证。
3种农业废弃物还田处理下,菌渣对复垦土壤综合肥力提升最显著,秸秆次之,猪粪效果最差。菌渣作为优质有机肥料,除供给外源营养物质,还能带入大量以白腐类真菌为主的微生物群落,可促进土壤中不易分解的纤维类物质降解,进一步提高养分含量及有效性[45]。秸秆还田能为土壤微生物提供丰富的物质和能量来源,利于有机物腐解和土壤养分循环释放[30]。而戴志刚等[46]研究表明,因微生物活动改变秸秆物理结构,秸秆腐解速率于1 ~ 2个月的快速腐解期后明显降低,经过长时间土体内腐解仅减少50%质量,仍有大量木质素、纤维素未被分解利用,秸秆提升肥力效果弱于菌渣。猪粪提升肥力效果最差,可能由于猪粪已作腐熟处理,还田后矿质化过程强于腐殖化过程,所含养分整体释放较快并多数被作物吸收[47]。本研究中T1、T3、T5处理下肥力提升效果明显弱于T2、T4、T6处理,应是全量与高量处理之间施入养分的总量差异所致。
因不同地区复垦土壤性质及产出农业废弃物的营养含量存在不一致性,通过农业废弃物配施化肥还田培肥土壤前,应根据当地秸秆、菌渣和猪粪的营养物质含量,参照实际情况与较长时期的田间试验数据对培肥方案进行修正。由于本试验仅对秸秆、菌渣、猪粪3种农业废弃物配施处理下的宅基地复垦土壤进行研究,未涉及绿肥、沼渣、生物质炭等物料,研究具有一定局限性。在当前已有的研究中,针对复垦宅基地提出的培肥方案甚少,仍有待探究。
3 结论1) 与化肥单施处理相比,秸秆、菌渣、猪粪3种农业废弃物与化肥配施处理下宅基地复垦土壤的物理性状得到改善,总有机碳、全磷、碱解氮、有效磷与速效钾含量显著增加。
2) 从提升复垦土壤全量养分的角度,推荐高量猪粪还田处理作为首选培肥方案;从提升复垦土壤速效养分的角度,推荐高量菌渣还田处理为首选培肥方案。
3) 高量菌渣还田处理下土壤综合肥力年均提升0.385级,提升效率最高,推荐为最优培肥方案:小麦季施菌渣8 507 kg/hm2、尿素307 kg/hm2、过磷酸钙825 kg/hm2、氯化钾38 kg/hm2,玉米季施菌渣9 411 kg/hm2、尿素324 kg/hm2、过磷酸钙925 kg/hm2、氯化钾172 kg/hm2。高量秸秆还田处理下土壤综合肥力年均提升0.360级,提升效率次之,推荐为备选方案。
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