2. 国家认监委认证认可技术研究所, 北京 100020
2. China Certification and Accreditation Institute, Beijing 100020, China
有机耕作方式指遵照一定的有机农业生产标准, 在生产中不采用基因工程获得的生物及其产物, 不使用化学合成的农药、化肥、生长调节剂、饲料添加剂等物质, 遵循自然规律和生态学原理, 协调种植业和养殖业的平衡, 采用一系列可持续发展的农业技术以维持持续稳定的农业生产体系的一种农业生产方式。有机农业强调不施用化肥及化学合成农药, 而采用有机肥及生物农药和生物防治技术。因此, 与常规农业耕作方式相比, 有机农业势必改变土壤生态环境、土壤养分等土壤质量性质。而如何评价有机耕作方式对土壤质量的改变程度, 目前尚鲜有报道。
土壤质量受耕作方式、种植制度以及施肥与农业等诸多因素影响, 因此如何评价土壤质量已成为国际土壤学研究热点。土壤质量的评价指标国际上尚没有统一标准。评价指标体系的建立通常因评价对象而异, 主要包括土壤物理性质、养分含量、土壤生物和土壤环境方面的指标[1-3]。
笔者拟对耕作年限在3 a以上的有机农场与相邻常规农场土壤质量进行评价, 筛选出适宜于有机耕作方式改良的土壤质量评价的代表性指标, 特别关注土壤生态环境的变化, 引入土壤线虫指标参数, 构建可以简便、快速、准确评价土壤质量的指标体系, 为通过有机耕作方式改善土壤质量与保障农业的可持续发展提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试土壤供试土壤采集于南方14个农场, 在同一地区选择同类型农场,分别选择1个有机耕作方式和1个常规耕作方式农场做对比,共含7个有机耕作方式农场和7个常规耕作方式农场。每个农场根据面积选取农场中心位置0.33~0.67 hm2样方, 采用5点采样法, 每个样点取样5次, 均于2014年9月采集完成。有机耕作方式病虫害防治措施均采用生物农药及物理防护措施, 除草方式均为机械或人工除草;常规耕作方式采用化学合成农药, 除草方式均采用除草剂。土壤类型和施肥情况等见表 1。
土壤质量指标通常包括土壤物理、化学和生物指标3类, 选取代表性指标, 即:物理指标, 容重; 化学指标, pH值、有机质含量、全氮含量、全磷含量、速效磷含量、速效钾含量; 生物指标, 微生物量碳含量、微生物群落香农多样性指数、微生物群落优势度指数、线虫数量、线虫群落多样性指数、线虫群落优势度指数。
指标测定方法如下:土壤容重采用环刀法; pH值采用电位法; 土壤有机质含量采用重铬酸钾滴定法; 全氮含量采用半微量凯氏法; 全磷含量采用酸溶-钼锑抗比色法; 速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法; 速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度计法[4]; 微生物多样性采用磷脂脂肪酸法(phospholipid fatty acid, PLFA)提取法[5], 以磷脂总量作为微生物总量; 采用线虫湿漏斗法(Baermann法)分离土壤线虫[6]。
1.3 土壤质量评价方法最小数据集(minimum data set, MDS)的构建采用最小数据集法。将所有指标进行主成分分析后, 对土壤指标特征值≥1的指标进行分组, 并计算各组各指标的正态分布(Norm)值, 选取每组中Norm值在最高值10%范围内的指标, 然后对各组指标相关性进行分析, 如果高度相关(r>0.5), 则确定分值高的指标进入MDS, 最终确定MDS指标集。
Norm值的计算公式[7]如下:
$ {N_{ik}} = \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^k {(\mu _{ik}^2{\lambda _k})} } 。$ | (1) |
式(1) 中, Nik为第i个变量在特征值>1的前k个主成分上的综合载荷; μik为第i个变量在第k个主成分上的载荷; λk为第k个主成分的特征值。
土壤质量指数(Is, q)计算公式[8]为
$ {I_{{\rm{s, q}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i} \times {N_i}}, $ | (2) |
$ {W_i} = {C_i}/\sum\limits_{i = 1}^n {{C_i}} 。$ | (3) |
式(2)~(3) 中, Wi为指标权重; Ni为无量纲化指标数值; n为指标个数; Ci为第i项土壤质量因子的负荷量。
指标值的量纲化采用式(4)~(5)。如果数值(pH值、有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾、微生物量碳、微生物群落多样性指数、线虫数量)越大, 土壤质量越高, 就采用式(4);如果数值(容重、微生物群落优势度指数、线虫群落优势度指数)越小, 土壤质量越高, 就采用式(5)[9]。
$ {S_i} = (x-L)/(H-L), $ | (4) |
$ {S_i} = [1-(x-L)]/(H -L)。$ | (5) |
式(4)~(5) 中, Si为量纲化后土壤质量指数;x为土壤指标实测值;H和L分别为指标中最大、最小值。
1.4 统计分析所有统计分析均采用SPSS 16.0软件完成。采用t检验比较不同数据组间的差异, 用Pearson相关系数评价不同因子间的相关关系, 显著性水平设为α=0.05。通过主成分分析法获取MDS。
2 结果与讨论 2.1 土壤理化性质土壤样品的理化性质见表 2。
土壤pH值范围为4.2~7.7, 除沅江和溧水样点外, 有机种植方式均能不同程度地提高土壤pH值, 这主要是由于有机肥或有机物料施入土壤的分解过程中会消耗质子, 从而降低酸性土壤酸度[10-11]。与常规种植方式相比, 有机种植方式不同程度地提高土壤有机质含量, 最高约可提高400%。但是, 有机耕作方式并非均能降低土壤容重, 例如沅江有机桔园样点土壤容重明显提高。这可能是由于有机种植方式翻耕次数高于常规种植方式, 从而降低土壤容重[12-13]。就土壤营养元素而言, 除婺源茶叶样点外, 有机管理方式均显著提高土壤磷素含量(P < 0.05), 这是由于在满足作物氮素需求的同时, 有机粪肥中磷素含量相对较高所致[14]。另外, 有机管理方式一般能够显著提高土壤微生物量碳含量和线虫数量(P < 0.05), 但对微生物或线虫多样性指数和优势度指数的影响未呈现一致性规律。已有大量研究表明有机肥的施用能够提高微生物量碳含量和线虫数量[15-16], 笔者研究结果与之一致。线虫数量的提高可能与土壤有机质和营养元素, 如速效磷含量的提高有关[17]。但是对微生物与线虫多样性的影响没有一致性结论, 有机肥种类及施用量、轮作制度与化学农药的施用情况都会对其产生不同程度的影响[18-20], 因此与常规耕作方式相比, 有机耕作方式对其指标值的影响未显示出规律性。再者, 种植年限对土壤质量变化也具有一定影响。例如, 12 a有机种植的崇明水稻样点, 其有机质含量、容重、全氮含量及线虫数量的变化幅度远大于3 a有机种植的句容水稻样点。
土壤指标的统计特征值见表 3。土壤物理指标容重的变异系数较小, 仅为10.8%, 表明不同处理土壤质量变化对土壤容重的影响较小。对于土壤化学指标, 速效磷含量在所有评价指标中的变异系数最高, 为72.6%, 其后为速效钾(55.7%), 表明不同区域与种植方式下, 土壤营养元素对土壤质量的变化十分敏感。对于土壤生物指标, 土壤线虫数量与微生物量碳含量的变异系数分别为53.5%和31.7%, 相比之下, 土壤微生物与线虫群落多样性变异系数较小, 仅为5.6%和15.1%, 说明土壤线虫数量和微生物量碳含量在不同区域与种植方式下的差异性较大。
通过对土壤性质的主成分分析, 选取特征值>1的前6个主成分, 其累积贡献率达90.5%。根据前述方法, 对初始因子载荷大于0.5的指标, 将在同一主成分上载荷≥0.5的土壤指标分为1组, 若某土壤参数同时在2个主成分上的载荷≥0.5, 则该参数归并到与其他参数相关性较低的一组, 最终共分为5组(表 4)。根据各指标之间的相关性(表 5), 如果存在相关系数r>0.5的指标, 根据Norm值, 选取最大的进入MDS, 最终在13个指标中筛选出容重、pH值、全氮含量、微生物量碳含量、线虫数量和线虫优势度6个指标作为土壤指标的MDS。
各指标的权重根据各指标的公因子方差占总公因子方差的比例获得[18], 各指标的权重见表 6。
对土壤质量指数进行计算, 各样点土壤质量指数见图 1。除沅江样点以外, 有机种植方式下土壤质量指数均高于常规种植方式。基于MDS的土壤质量指数(Is, q, 6)值为0.18~0.72, 最高值为崇明有机水稻样点(X7), 最低值为句容常规水稻样点(X6)。崇明有机水稻样点Is, q,6值最高, 主要是由于其长期的水稻绿肥轮作, 能够显著提高土壤pH值、全氮含量, 特别是提高线虫数量和线虫优势度指数。崇明有机水稻样点土壤线虫数量是常规水稻土壤的1.8倍, 土壤容重是常规的76%。
另外, 土壤pH值、容重、全氮含量、微生物量碳含量、线虫数量和线虫群落优势度对崇明有机水稻土壤质量的贡献率分别为23.1%、22.0%、14.3%、19.6%、14.9%和6.1%。这表明崇明样点有机耕作方式对土壤质量的改良是缓慢的, 不是通过某一主导因素改变土壤质量指数。有机种植方式显著提高土壤线虫群落优势度, 这可能是由于有机肥的施用能够显著增加食细菌线虫的数量所致[21]。句容常规样点土壤质量指数最低,为0.18。土壤容重、全氮含量、线虫数量及线虫群落优势度的Is, q, 6之和仅占该样点土壤质量指数的5%, 表明这4个指数是引起句容常规样点土壤质量最低的主要原因。
基于MDS的6个指标对土壤质量的贡献率为12.4%~21.8%, 线虫群落优势度贡献率最大(21.8%), 其后依次为微生物量碳含量、全氮含量, 均为17.8%, 之后依次为pH值(16.6%)、容重(13.5%), 线虫数量贡献率最小(12.4%)。土壤指标贡献率较为均衡, 表明有机改良方式能够全面改善土壤质量, 而不是通过某一指标的变化影响土壤质量指数。
分别通过对6个Is, q, 6(x)和13个指标参数Is, q, 13(y)的计算, 发现两者呈显著线性相关(y=0.78x+0.13, r=0.89, P < 0.05), 表明上述基于MDS的土壤质量评价方法是可行的[22]。
3 结论总体上,与常规耕作方式相比,有机耕作方式明显提高了土壤质量。通过主成分分析法, 确定了包括容重、pH值、全氮含量、微生物量碳含量、线虫数量、线虫群落优势度的最小数据集指标。该指标集能够较好地用于评价有机农艺措施对土壤质量的影响程度。鉴于有机农艺措施对土壤质量不同的改良效果, 建议进一步规范有机农艺措施, 以更好地改良退化土壤。
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