侵蚀和耕作措施对土壤质量影响的试验研究

【摘要】：侵蚀和不合理耕作是农田土壤退化最为重要的驱动因子,在土壤退化与侵蚀和耕作的关系方面,不同领域的学者对土壤侵蚀驱动的养分流失和土壤退化过程、耕作影响下土壤性质和生产力变化等进行了研究,为准确认识单一因子驱动的土壤质量变化过程奠定了基础。但是在实际情况下,农田土壤侵蚀和耕作共同存在,养分流失-土壤性质-土壤质量变化之间的响应关系更为复杂,而且侵蚀和耕作的影响相互叠加,增大了对土壤质量变化过程和机理认识的难度。本研究以黄土高原的塿土和东北黑土区的黑土为对象,设计侵蚀(0°和16°处理)和不同耕作措施(免耕和常规耕作)处理,辨识侵蚀和耕作的独立作用和交互作用在裸地和种植作物情景下土壤养分流失过程、土壤各项性质和土壤综合质量变化特征。通过因子分析-加权综合法构建土壤质量指数,采用结构方程模型建立土壤侵蚀量、土壤理化性质、酶活性和土壤综合质量之间的关系,明确侵蚀和耕作影响土壤质量的关键因素,以期为侵蚀和耕作环境下土壤性质变化和模型模拟提供科学依据和支撑。本研究主要结果如下:(1)对于黑土和塿土来说,在裸地和种植作物小区,16°处理的径流量和侵蚀量以及径流和泥沙养分流失量比0°处理高10.3%-99.9%和18.2%-99.9%。就耕作措施而言,与免耕相比,常规耕作下黑土和塿土的泥沙养分流失量分别增加了14.8%-100.0%和94.9%-100.0%。在种植作物小区,常规耕作导致黑土和塿土的径流养分流失量降低了19.7%-312.8%和27.2%-93.8%,而在裸地小区无显著变化。侵蚀和耕作交互作用增加了径流和泥沙养分流失量。在两年试验期间,黑土的径流有机碳流失量比塿土高27.1%,而塿土的径流无机碳流失量比黑土高53.1%。另外,裸地小区的径流量和侵蚀量,径流和泥沙养分流失量均显著高于种植作物小区。(2)侵蚀导致黑土和塿土的粘粒含量、总孔隙度、饱和导水率、毛管持水量、田间持水量、土壤含水量、速效钾、无机氮含量、有机碳含量、全氮和全磷含量分别降低了3.2%-53.9%和2.6%-55.6%。与免耕相比,常规耕作导致黑土和塿土的粘粉粒含量、饱和导水率、总孔隙度、毛管和田间持水量、含水量和硝态氮含量分别增加了2.4%-48.0%和2.6%-54.5%,但导致全量养分含量分别降低了2.8%-8.9%和3.4%-22.9%。其中,在试验第二年的种植作物小区,常规耕作下塿土的含水量较免耕相比增加了3.1%-8.0%。侵蚀和耕作交互作用对土壤物理性质的影响较小,但显著降低了速效养分和全量养分含量。另外,裸地小区的黑土和塿土的含水量分别比种植作物小区高12.6%和18.9%,但硝态氮含量分别比种植作物小区低11.6%和12.3%,且随着土层深度的增加而增加。(3)在两年试验期间,黑土和塿土的微生物代谢活性受到碳和磷元素限制。侵蚀和耕作以及二者的交互作用在裸地小区和种植作物小区加剧了黑土和塿土的相对碳限制。侵蚀在裸地小区和种植作物小区的免耕下加剧了黑土和塿土的微生物磷限制,但在常规耕作下则降低了微生物磷限制。与免耕相比,常规耕作对微生物磷限制无显著影响,而侵蚀和耕作交互作用在裸地小区减弱了塿土和黑土的微生物磷限制。(4)在裸地小区和种植作物小区,侵蚀降低了黑土和塿土的物理质量指数值(PQI)、养分质量指数值(NQI)和综合质量指数值(IFI)。与免耕相比,常规耕作下塿土的PQI增加了19.5%。常规耕作及其与侵蚀的交互作用降低了黑土和塿土的PQI和NQI,但在第二年的种植作物小区则增加了塿土的PQI和NQI。侵蚀和耕作的独立作用以及二者交互作用增加了黑土和塿土的酶质量指数值(EQI)。常规耕作在试验第一年的种植作物小区降低了黑土的IFI,在试验第二年的裸地小区降低了塿土的IFI,但在种植作物小区增加了IFI。侵蚀和耕作的交互作用降低了黑土的IFI,但在试验第二年的种植作物小区增加了塿土的IFI。另外,结构方程模型的结果显示,侵蚀和耕作下土壤侵蚀量的变化通过土壤理化性质和酶活性进而影响土壤质量,且土壤养分变化是影响土壤质量的关键因素。(5)侵蚀降低黑土和塿土的玉米叶光合参数、玉米植株氮素和磷素积累量、氮肥和磷肥偏生产力、玉米株高、地上生物量和产量。与免耕相比,常规耕作导致黑土的玉米叶光合参数、氮素和磷素积累量和株高降低了7.9%-58.6%,导致塿土的叶光合参数、氮肥和磷肥偏生产力以及玉米株高、地上生物量和产量增加了6.5%-49.2%。侵蚀和耕作交互作用降低了黑土和塿土的玉米叶光合参数、植株氮素和磷素积累量、氮肥和磷肥偏生产力,降低了黑土的玉米株高、地上生物量和产量,但在塿土无显著差异。本研究通过选取塿土和黑土两种土壤类型,阐释了土壤侵蚀和不同耕作措施在裸地和种植作物两种情景下土壤物理、养分、酶活性以及作物生长发育变化特征。研究揭示了侵蚀加剧了土壤养分流失量和微生物养分限制,降低了土壤速效养分和全量养分;耕作及其与侵蚀的交互作用对土壤养分流失、理化性质和微生物养分限制的影响因土壤类型、植被状况和年份而异。对于种植作物小区来说,侵蚀整体上降低了玉米产量,耕作及其与侵蚀的交互作用降低了黑土的玉米产量,但增加了塿土的玉米产量。本研究区分了侵蚀和耕作的独立作用和交互作用对土壤养分流失、土壤理化性质、微生物养分限制和玉米吸收利用率的影响,构建了土壤综合质量评价体系,明确了农田侵蚀区土壤综合质量对侵蚀和耕作的响应,并建立了土壤养分流失-土壤各项性质-土壤综合质量之间的关系。这扩展了农田土壤质量对侵蚀和耕作措施响应的机理研究,为农田土壤侵蚀和耕作下土壤地力的恢复和提升提供重要的参考依据和理论支撑。