引用本文
汤文光, 肖小平, 张海林, 黄桂林, 唐海明, 李超, 刘胜利, 汪柯. 轮耕对双季稻田耕层土壤养分库容及Cd含量的影响. 作物学报, 2018, 44(1): 105-114
TANG Wen-Guang, XIAO Xiao-Ping, ZHANG Hai-Lin, HUANG Gui-Lin, TANG Hai-Ming, LI Chao, LIU Sheng-Li, WANG Ke. Effects of Rotational Tillage on Nutrient Storage Capacity and Cd Content in Tilth Soil of Double-cropping Rice Region. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2018, 44(1): 105-114  
DOI:10.3724/SP.J.1006.2018.00105
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轮耕对双季稻田耕层土壤养分库容及Cd含量的影响
汤文光1, 肖小平1, 张海林2, 黄桂林1, 唐海明1, 李超1, 刘胜利2, 汪柯1
1湖南省土壤肥料研究所, 湖南长沙 410125
2中国农业大学农学院, 北京100193

第一作者联系方式: E-mail: tangwenguang@sina.com, Tel: 0731-84691345

收稿日期:2017-04-17 接受日期:2017-09-10 网络出版日期:2017-09-28
基金:本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201503118), 国家科技支撑计划项目(2013BAD07B11)和湖南省农业科学院科技创新项目(2017JC46)资助
摘要

研究长期不同耕作措施下双季稻田土壤结构、养分及重金属含量的变化规律, 对构建稻田合理耕层、提升耕地质量、促进粮食可持续丰产具有重要意义。2005—2014年在湖南醴陵双季稻田设置长期免耕(NT-NT)、长期旋耕(RT-RT)、长期翻耕(CT-CT)、翻免轮耕(CT-NT)和旋免轮耕(RT-NT) 5种耕作方式定位试验, 测定并分析不同耕作方式对耕层深度、土壤容重、土壤C、N、P、K养分含量、养分库容量及重金属Cd含量等的影响。结果表明, NT-NT由于长期没有动土, 土壤容重较高, 而RT-RT、CT-CT、CT-NT和RT-NT均使土壤容重值降到了较理想区间。CT-NT和RT-NT 0~5 cm耕层土壤有机碳、活性有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和Cd含量均显著低于NT-NT, 而高于RT-RT、CT-CT, 说明NT-NT在促进土壤养分向表层聚集的同时, 也促进了土壤镉向表层聚集, 且随着耕作频率的增加土壤表层养分及土壤镉均呈下降趋势。CT-NT和RT-NT 5~10 cm耕层土壤各养分含量均显著高于NT-NT, 而10~20 cm耕层土壤各养分含量均低于RT-RT、CT-CT, 说明轮耕促进了土壤养分积累并主要向土壤中层聚集。耕层厚度、有效养分总库容量及土壤Cd含量均表现为RT-RT、CT-CT>CT-NT、RT-NT>NT-NT, 说明随着耕作频率减少土壤耕层逐渐变浅, 有效养分总库容量逐渐变小, 土壤总镉、有效镉含量也逐渐降低。本研究表明, 长期免耕和长期翻(旋)耕均存在一定弊端, 长期免耕虽然降低了土壤镉含量, 但同时也降低了土壤养分库容, 长期翻(旋)耕虽然增加了土壤养分库容, 但同时也增加了土壤镉含量, 而合理土壤轮耕既可改善土壤结构, 促进土壤养分积累、增加土壤养分库容, 又能适当降低土壤镉含量, 改善土壤环境。

关键词: 轮耕; 水稻; 土壤养分; 库容量; 重金属Cd
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, WANG Ke1
1Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Changsha 410125, Hunan, China
2College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
Fund: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).
Abstract

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.

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

土壤耕作是一项重要的农事活动, 合理适宜的土壤耕作具有增产增效作用, 不合理的土壤耕作不但会减产, 而且还会引起意想不到的后果。保护性耕作具有保水、固土培肥、省工节能等优点, 但迄今为止, 对于保护性耕作技术依然没有形成比较一致的概念, 有人认为保护性耕作就是少耕免耕, 将土壤耕作减少到能保证种子发芽即可[1, 2]。近年来, 稻田受长期少耕免耕及农药、化肥大量施用、污水灌溉等因素的影响, 已经导致土壤耕层变浅、土壤结构不合理、物理化学性状变差、养分下降, 重金属污染加剧, 严重影响水稻可持续增产潜力的发挥及农产品质量安全, 耕作措施对土壤理化性状及稻田生态系统均有重要影响[3, 4, 5]。研究稻田适宜长期生产应用的耕作措施, 对构建合理耕层, 实现土地可持续利用及粮食丰产具有重要理论和实践意义。

保护性耕作能促进土壤固碳及氮素利用, 减少农田土壤CO2排放量[6]; 李辉等[7]认为, 垄作免耕能显著提高土壤有机碳(SOC)含量和储量以及微生物生物量碳(SMBC)含量; 陈学文等[8]对黑土地不同耕作方式研究认为, 免耕显著增加5~20 cm土层的土壤容重和土壤硬度; 李霞等[9]认为, 在小麦玉米周年生产中, 冬小麦播前翻耕可显著提高夏玉米产量及抗倒伏能力; 王淑兰等[10]认为免耕/深松轮耕模式能更好地增加土壤有机碳和全氮储量, 改善土壤环境质量, 提升土壤肥力。土壤Cd污染不仅造成稻米品质下降, 严重威胁人体健康, 还影响农业的可持续发展。谢运河等[11]认为, 在南方典型稻田施用有机肥(猪粪、鸡粪、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空间模型和同位素比值法分析认为, 土壤Cd污染主要来自工业废弃物及灌溉水, 农产品中Cd污染主要来源于土壤; 殷飞等[13]认为, 利用坡缕石、钢渣、磷矿粉等钝化剂能显著降低土壤中Pb、Cd、Cu、Zn、As 5种重金属生物有效态含量; 王晓娟等[14]则对重金属Cd在植物体内的转运途径及其调控机制研究进展进行了较全面的回顾。由于农田土壤生态系统受农事活动的影响较为复杂, 土壤耕作在影响土壤物理、化学、生物性状的同时, 也会对土壤环境产生影响, 对其中任何单一因子的研究均不能对土壤耕作的合理性作出正确评价。本研究通过双季稻田长期不同耕作定位试验, 研究免耕、旋耕、翻耕及轮耕对土壤理化性状及Cd含量的影响, 为探讨合理的土壤耕作方式及Cd污染土壤的治理提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验地基本情况

湖南省醴陵市东富乡立新村(27° 37.8′ N, 113° 32.5′ E), 属典型双季稻三熟区, 亚热带季风气候, 年均气温18℃, 年平均无霜期288 d, 年平均日照1750 h, 年平均降水量1430 mm。试验田种植制度为冬闲-早稻-晚稻, 土壤为紫色土, 2005年春季试验前土壤含有机质32.90 g kg-1、全氮1.50 g kg-1、碱解氮224.10 mg kg-1、速效磷6.64 mg kg-1、速效钾120.10 mg kg-1, 容重1.21 g cm-3, pH 6.26。

1.2 试验设计

从2005年早稻季开始, 对连续免耕6年的稻田进行长期定位试验, 设置长期免耕(NT-NT)、长期旋耕(RT-RT)、长期翻耕(CT-CT)、翻免轮耕(CT-NT)和旋免轮耕(RT-NT) 5种耕作处理, 每个处理3次重复, 小区面积为240 m2 (20 m× 12 m), 旋耕深度(12± 1) cm, 翻耕深度(17± 1) cm。轮耕周期为3年, 即2年免耕, 1年翻耕(或旋耕), 具体年度耕作措施见表1。对于同一处理, 早、晚稻采取相同耕作措施, 且稻草均不还田。

表1 田间试验中轮耕处理 Table 1 Rotational tillage in the study

2014年早稻供试品种为“ 陵两优268” , 晚稻供试品种为“ 深优5105” 。采用软盘育秧抛秧栽培, 早稻密度为26.25万蔸 hm-2, 晚稻密度为22.5万蔸 hm-2。早稻于3月22日播种, 7月15日收获, 晚稻于6月27日播种, 10月20日收获。对各处理早稻施纯N 150 kg hm-2、P2O5 90 kg hm-2、K2O 90 kg hm-2, 晚稻施纯N 187.5 kg hm-2、P2O5 90 kg hm-2、K2O 90 kg hm-2, 其中氮肥按基肥∶ 蘖肥∶ 穗肥 = 4∶ 4∶ 2施用; 磷肥100%做基肥; 钾肥按基肥∶ 追肥 = 5∶ 5施用。采用间歇湿润灌溉, 移栽后浅水勤灌, 早稻于5月15日、晚稻于8月18日统一落水露田7 d, 再灌浅水施肥到抽穗期, 抽穗后干干湿湿壮籽, 成熟前7 d断水, 其他栽培措施按当地常规方式进行。

1.3 测定指标与计算方法

1.3.1 耕层深度 于2014年10月21日晚稻收获后第2天, 每小区按X型定位方法, 选取5点进行实地测定, 根据土壤坚实度、根系分布和土壤结构的变化、片状结构体的出现等划分耕作层和犁底层界限, 用卷尺测量耕层深度。

1.3.2 土壤容重 于晚稻收获后第2天, 用环刀法测定[15], 每小区选5点, 按0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm分层取样, 用烘干法测定土壤含水量, 土壤容重(dv, g cm-3) = (G1-G0)/V(100+W), 式中, W为土壤含水量, W (%) = (湿土质量-烘干土质量)/烘干土质量× 100, V指环刀的容积, G0指铝盒的质量, G1指铝盒和湿土的质量; 0~20 cm土壤容重=(dv1× 5+ dv2× 5+dv3× 10)/20, 式中, dv1、dv2、dv3分别为0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm耕层土壤容重。

1.3.3 土壤养分 于晚稻收获后第2天, 用土钻每小区按0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm分层取多点混合样, 将样品自然风干, 剔除石砾及植物残茬等杂物, 过60目筛后; 采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳, 采用KMnO4氧化法[16]测定活性有机碳。碳库管理指数=碳库指数× 活度指数× 100, 其中碳库指数=耕作土壤有机碳/免耕土壤(参照土壤)有机碳, 活度指数=耕作土壤碳库活度/免耕土壤碳库活度, 碳库活度=活性炭/稳态碳, 稳态碳=有机碳-活性有机炭。

采用碱解扩散法测定碱解氮, 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷, 乙酰胺浸提-火焰光度法测定速效钾, EDTA-乙酰胺盐交换法[17]测定阳离子交换量; 0~20 cm土壤养分含量(∑ yf, mg kg-1)=(yf5× 5+yf10× 5+yf20× 10)/20, 式中, yf5、yf10、yf20分别为0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm耕层土壤养分含量。养分库容量(Gf, kg hm-2) = 耕层深度(cm)× 土壤容重(g cm-3)× 养分含量(mg kg-1)/10; 有效养分总库容量(∑ Gf, kg hm-2) = GfN+GfP+GfK, 式中, GfN、GfP、GfK分别为碱解氮、有效磷、速效钾的库容量。

1.3.4 土壤Cd 采用GB/T 17141-1997中硝酸-盐酸-高氯酸-氢氟酸消解-石墨炉原子吸收光谱法测定土壤总Cd含量, 采用GB/T 23739-2009中有效态镉的测定-原子吸收法测定土壤有效Cd含量。

1.4 数据处理

采用SPSS 17.0软件分析数据, Microsoft Excel 2003软件制图, LSD法进行多重比较(α =0.05)。

2 结果与分析
2.1 耕层土壤碳库管理指数

从图1可以看出, 不同耕作方式对土壤有机碳有显著影响。与长期旋耕和长期翻耕相比, 翻免轮耕、旋免轮耕0~5 cm耕层土壤有机碳含量增加幅度和10~20 cm耕层土壤有机碳含量降低幅度均达显著水平。0~5 cm耕层土壤有机碳含量, 翻免轮耕、旋免轮耕处理比长期旋耕处理分别增加10.30%和12.04%, 比长期翻耕处理分别增加39.76%和41.96%; 10~20 cm耕层土壤有机碳含量, CT-NT、RT-NT处理比RT-RT处理分别降低15.43%和12.17%, 比CT-CT处理分别降低15.43%和12.17%。与长期免耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕显著增加了5~10 cm耕层土壤有机碳含量, CT-NT、RT-NT处理5~10 cm耕层土壤有机碳含量比NT-NT处理分别增加20.42%和17.80%。不同耕层深度之间, CT-NT、RT-NT、NT-NT、RT-RT处理有机碳含量表现为0~5 cm> 5~10 cm> 10~ 20 cm, CT-CT处理有机碳含量则表现为5~10 cm> 0~ 5 cm> 10~20 cm。

耕层土壤活性有机碳的影响与有机碳含量基本一致。与长期旋耕和长期翻耕相比, 翻免轮耕、旋免轮耕0~5 cm耕层土壤活性有机碳含量增加幅度和10~20 cm耕层土壤活性有机碳含量降低幅度均达显著水平。0~5 cm耕层土壤活性有机碳含量, CT-NT、RT-NT处理比RT-RT处理分别增加13.75%和13.94%, 比CT-CT处理分别增加35.69%和35.92%; 10~20 cm耕层土壤活性有机碳含量, CT-NT、RT-NT处理比RT-RT处理分别降低23.32%和20.03%, 比CT-CT处理分别降低20.31%和16.89%。与长期免耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕显著增加5~10 cm耕层土壤活性有机碳含量, CT-NT、RT-NT处理5~10 cm耕层土壤活性有机碳含量比NT-NT处理分别增加34.76%、30.04%。不同耕层深度之间, CT-NT、RT-NT、NT-NT、RT-RT处理活性有机碳含量随深度增加均呈显著下降趋势, 表现为0~5 cm> 5~10 cm> 10~20 cm, 即耕层越深活性有机碳含量越低, CT-CT处理活性有机碳含量则表现为5~10 cm> 0~5 cm> 10~20 cm。

图1 不同耕作方式下土壤有机碳及活性有机碳含量
不同小写字母表示同一土壤层次不同处理间差异达显著(P< 0.05)水平。缩写同表1。Fig. 1 Soil organic carbon and active organic carbon concentrations under different tillage treatments
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.

从表2可以看出, 不同耕作方式对土壤碳库管理指数影响显著。以长期免耕处理(NT-NT)为参照土壤, 长期旋耕(RT-RT)和长期翻耕(CT-CT)显著降低了0~5 cm耕层土壤碳库管理指数, 分别降低14.17%和16.77%, 翻免轮耕(CT-NT)和旋免轮耕(RT-NT) 0~5 cm耕层土壤碳库管理指数略高于NT-NT, 但差异不显著, 而翻免轮耕(CT-NT)、旋免轮耕(RT-NT)、长期旋耕(RT-RT)、长期翻耕(CT-CT) 5~10 cm和10~20 cm耕层土壤碳库管理指数均显著高于NT-NT, 分别提高68.36%、57.44%、54.01%、51.88%和8.63%、14.24%、73.91%、53.05%。

2.2 耕层土壤容重

从图2可以看出, 耕作措施对耕层土壤容重影响较大。长期免耕由于没有动土, 土壤容重较高; 与NT-NT比较, RT-RT和CT-CT的0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm土壤容重分别降低了16.48%和18.68%、8.49%和12.26%、11.19%和13.29%, 均达显著差异(P< 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土壤容重分别降低了8.79%和7.69%, 其差异达显著水平(P< 0.05)。不同耕层深度之间, 各处理土壤容重均表现为0~5 cm< 5~10 cm< 10~20 cm, 即随着土壤深度增加土壤容重显著增加。与试验前比较, 0~20 cm耕层土壤容重NT-NT处理仍为1.21 g cm-3, 而RT-RT、CT-CT、CT-NT和RT-NT处理分别为1.07、1.04、1.12和1.17 g cm-3, 分别降低了11.57%、14.05%、7.44%和3.31%, 说明长期免耕后, 通过长期旋耕、长期翻耕、翻免轮耕和旋免轮耕均使土壤容重值降到了较理想区间, 有利于土壤结构的改善。

2.3 耕层土壤N、P、K含量及阳离子交换量

不同耕作方式的耕层土壤N、P、K养分含量和阳离子交换量, 在不同耕层深度之间表现差异显

表2 不同耕作方式下土壤碳库指标 Table 2 Soil carbon pool index under different tillage treatments

图2 不同耕作方式下土壤容重
不同小写字母表示同一土壤层次不同处理间差异达显著(P< 0.05)水平。缩写同表1。Fig. 2 Soil bulk density under different tillage treatments
Values followed by different small letters are significantly different among different treatments at the same soil layer at P< 0.05.
Abbreviations are the same as those given in Table 1.

著。从表3可以看出, 与长期免耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕显著降低了0~5 cm耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量, 而显著增加了5~10 cm、10~20 cm耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量和阳离子交换量。CT-NT和RT-NT处理0~5 cm耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量比NT-NT处理分别降低了13.66%、12.53%、33.33%、10.79%和14.98%、12.26%、32.14%、10.53%, 5~10 cm耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量、阳离子交换量比NT-NT处理分别增加了18.92%、17.16%、8.88%、14.47%、13.99%和20.27%、14.71%、9.80%、10.53%、5.59%, 10~20 cm耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量、阳离子交换量比NT-NT处理分别增加了7.14%、10.67%、11.11%、20.93%、6.82%和9.52%、11.33%、10.24%、27.91%、9.09%。

与长期翻耕、长期旋耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕则有增加0~5 cm耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量和阳离子交换量, 而降低5~10 cm、10~20 cm耕层土壤各养分指标的趋势, 其中显著增加了0~5 cm耕层土壤全氮、有效磷含量, 显著降低了5~10 cm有效磷、速效钾含量和10~20 cm碱解氮、速效钾含量。0~5 cm耕层土壤全氮、有效磷含量, CT-NT处理比CT-CT处理分别增加了17.37%和85.12%, RT-NT处理比RT-RT处理分别增加了12.21%和101.41%; 5~10 cm有效磷、速效钾含量, CT-NT处理比CT-CT处理分别降低了6.08%和13.00%, RT-NT处理比RT-RT处理分别降低了7.12%和14.72%; 10~20 cm碱解氮、速效钾含量, CT-NT处理比CT-CT处理分别降低了11.23%和23.53%, RT-NT处理比RT-RT处理分别降低了7.74%和9.84%, 其差异均达显著水平(P< 0.05)。

表3 不同耕作方式下土壤养分含量 Table 3 Soil nutrients concentrations under different tillage treatments

不同耕层深度之间, 除CT-CT和RT-RT处理土壤全氮、有效磷含量表现为5~10 cm> 0~5 cm> 10~20 cm外, 其余均为0~5 cm> 5~10 cm> 10~20 cm, 即耕层养分随深度增加呈下降趋势。

2.4 耕层土壤N、P、K有效养分库容量

耕层深度直接影响土壤养分库容大小。从表4可以看出, 不同耕作方式的土壤耕层深度、土壤库容量差异显著。与长期免耕比较, 翻免轮耕和旋免轮耕显著增加了耕层厚度、有效养分总库容量, CT-NT和RT-NT处理耕层厚度、有效养分总库容量比NT-NT处理分别增加了19.77%、16.87%和11.22%、9.64%。与长期翻耕、长期旋耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕则显著降低了耕层厚度和有效养分总库容量, 其中CT-NT处理比CT-CT处理分别降低了25.17%和22.28%, RT-NT处理比RT-RT处理分别降低了28.66%和24.82%, 上述差异均达显著水平(P< 0.05)。

从耕层土壤N、P、K养分库容分析, 不同耕作方式对有效磷库容量影响较小, 对碱解氮、速效钾影响较大。与长期免耕比较, 翻免轮耕和旋免轮耕显著增加了耕层土壤碱解氮、速效钾库容量, CT-NT和RT-NT处理碱解氮、速效钾库容量比NT-NT处理分别增加了17.28%、17.29%和9.64%、10.96%。与长期翻耕、长期旋耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕则显著降低了耕层土壤碱解氮和速效钾库容量, 其中CT-NT处理比CT-CT处理分别降低了20.99%和26.30%, RT-NT处理比RT-RT处理分别降低了24.60%和26.49%, 均达显著差异(P< 0.05)。

表4 不同耕作方式下土壤养分库容量 Table 4 Soil nutrients pool under different tillage treatments
2.5 耕层土壤Cd含量

目前南方稻田重金属污染主要是镉污染。从图3可以看出, 耕作方式对耕层土壤Cd含量影响显著, 在0~20 cm耕层, 与长期免耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕显著增加了土壤总镉含量, 而有效镉含量无显著差异, CT-NT和RT-NT处理土壤总镉含量比NT-NT处理分别增加16.81%和17.95%; 而与长期翻耕、长期旋耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕显著降低了耕层土壤总镉和有效镉含量, CT-NT处理比CT-CT处理分别降低了10.87%和21.78%, RT-NT处理比RT-RT处理分别降低了9.61%和18.81%。

与长期免耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕显著降低了0~5 cm耕层土壤总镉、有效镉含量, 而显著增加了5~10 cm、10~20 cm耕层土壤总镉、有效镉含量。CT-NT和RT-NT处理0~5 cm耕层土壤总镉、有效镉含量比NT-NT处理分别降低了14.95%、23.34%和13.83%、21.66%, 5~10 cm耕层土壤总镉、有效镉含量比NT-NT处理分别增加了23.62%、8.96%和24.67%、10.82%, 10~20 cm耕层土壤总镉、有效镉含量比NT-NT处理分别增加了59.20%、10.95%和60.20%、19.71%, 差异均显著(P< 0.05)。与长期翻耕、长期旋耕比较, 翻免轮耕、旋免轮耕0~5 cm耕层土壤总镉、有效镉含量无差异, 而显著降低了5~10 cm、10~20 cm耕层土壤总镉、有效镉含量。5~10 cm总镉、有效镉含量, CT-NT处理比CT-CT处理分别降低了8.37%和11.25%, RT-NT处理比RT-RT处理分别降低了7.77%和10.27%; 10~20 cm总镉、有效镉含量, CT-NT处理比CT-CT处理分别降低了17.74%、41.09%, RT-NT处理比RT-RT处理分别降低了16.15%、35.69%, 其差异均达显著水平(P< 0.05)。

不同耕层深度的土壤总镉、有效镉含量均表现为0~5 cm> 5~10 cm> 10~20 cm, 即耕层越深, 镉含量越低。

图3 不同耕作方式下土壤Cd含量
不同小写字母表示同一土壤层次不同处理间差异达显著(P< 0.05)水平。缩写同表1。Fig. 3 Soil Cd concentrations under different tillage treatments
Values followed by different small letters are significantly different among different treatments at the same soil layer at P< 0.05.
Abbreviations are the same as those given in Table 1.

3 讨论

适宜的耕作措施可以改善土壤的水热状况和其他理化性状, 促进作物生长发育, 提高产量。孔凡磊等[18]研究认为, 与旋耕秸秆还田(RTS)、翻耕秸秆还田(CTS)比较, 免耕秸秆还田(NTS)显著推迟了小麦生育进程, 降低了小麦产量; 张先凤等[19]研究认为, 长期免耕和间歇性翻耕结合秸秆还田能显著提高潮土大团聚体的数量及其稳定性, 增加潮土碳累积量; 聂良鹏等[20]认为, 轮耕大幅度提高了0~40 cm土壤的周年总孔隙度; 汤文光等[21]针对双季稻田长期不同耕作方式与秸秆还田结合研究显示, 长期翻耕和旋耕结合秸秆还田提高了土壤养分含量, 增强了土壤通气性, 显著增加了耕层深度和土壤养分库容量, 增强了土壤的保肥能力。本研究在秸秆不还田条件下, 针对耕作方式单一因子进行长期轮耕试验, 经3个轮耕周期后显示, 长期免耕由于没有动土, 土壤容重较高, 而长期旋耕、长期翻耕、翻免轮耕和旋免轮耕均使土壤容重值降到了较理想区间, 有利于土壤结构的改善。同时, 翻免轮耕、旋免轮耕0~5 cm耕层土壤有机碳、活性有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著低于长期免耕, 而高于长期翻耕、长期旋耕, 说明长期免耕促进了土壤养分向表层聚集, 而随着耕作频率的增加, 土壤表层养分呈下降趋势。翻免轮耕、旋免轮耕5~10 cm耕层土壤有机碳、活性有机碳含量、碳库管理指数、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量和阳离子交换量均显著高于长期免耕, 而10~20 cm耕层土壤各养分含量均低于长期翻耕、长期旋耕, 说明轮耕促进了土壤养分积累并主要向土壤中层聚集, 这与之前[21]研究结果基本一致。但是, 不同耕作方式的耕层厚度及有效养分总库容量变化则与之相反, 表现为长期翻耕、长期旋耕> 翻免轮耕、旋免轮耕> 长期免耕, 说明随着耕作频率减少, 土壤耕层逐渐变浅, 有效养分总库容量逐渐变小, 且主要影响耕层土壤碱解氮、速效钾库容量, 而对有效磷库容量影响较小, 这可能是因不同试验区耕翻深度及机械碾压程度不同所致。

不同区域影响土壤Cd污染的因素不同, 需要科学合理评价[22], 环境和投入物品对水稻镉的吸收、转运具有重要影响[23]。李堃等[24]研究认为, 镉低积累品种可为中轻度Cd污染农田水稻生产提供Cd安全种质资源; 郑陶等[25]研究认为, 在高Cd条件下, 水稻Cd高积累品种对Cd有较强的吸收和富集能力, 可作为农田Cd污染潜在的修复材料; 李韵诗等[26]总结前人研究进展认为, 植物-微生物联合修复体系具有生物固定与生物去除土壤重金属的两种功能; 张亮亮等[27]研究认为, 施用碱性肥料可显著降低土壤中镉的有效性及水稻各器官和稻米镉含量, 而碱性肥料与微生物菌剂配施则削弱了其对稻米镉含量的降低效果。本研究表明, 耕层土壤总镉、有效镉含量表现为长期翻耕、长期旋耕> 翻免轮耕、旋免轮耕> 长期免耕, 说明随着耕作频率减少耕层土壤总镉、有效镉含量逐渐降低。而0~5 cm耕层土壤总镉、有效镉含量表现为长期免耕显著高于其他处理, 5~10 cm、10~20 cm耕层土壤总镉、有效镉含量表现为长期翻耕、长期旋耕> 翻免轮耕、旋免轮耕> 长期免耕, 说明减少耕作频率促进了重金属向土壤表层聚集, 并主要降低了中下层土壤重金属含量。

4 结论

长期免耕后, 轮耕可使土壤容重值降到较理想区间; 长期免耕在促进土壤养分向表层聚集的同时, 也促进了土壤镉向表层聚集, 且随着耕作频率的增加土壤表层养分及镉含量均呈下降趋势; 轮耕促进了土壤养分积累并主要向土壤中层聚集, 但随着耕作频率减少土壤耕层逐渐变浅, 有效养分总库容量逐渐变小, 土壤总镉、有效镉含量也逐渐降低, 且主要降低了中下层土壤镉含量。总之, 长期免耕和长期翻(旋)耕均存在一定的弊端, 长期免耕虽然降低了土壤镉含量, 但同时也降低了土壤养分库容, 长期翻(旋)耕虽然增加了土壤养分库容, 但同时也增加了土壤镉含量, 而合理土壤轮耕既可改善土壤结构, 促进土壤养分积累、增加土壤养分库容, 又能适当降低土壤镉含量, 达到改善土壤环境的目的。

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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