譚英愛(ài)，趙 秋，田秀平，周麗平，寧曉光，張新建，岳 露

(1.天津農(nóng)學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，天津 300384； 2.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 資源與環(huán)境研究所，天津 300384)

華北地區(qū)冬季休閑土地面積近2×106hm2，因長(zhǎng)期裸露閑置使土壤肥力極低,不僅造成光熱資源和水土資源的浪費(fèi),還容易引起土壤質(zhì)量退化、養(yǎng)分流失、風(fēng)蝕和揚(yáng)塵等生態(tài)問(wèn)題[1]。冬種綠肥是冬閑田利用的主要方式之一，不僅可以充分利用冬閑期的水、土、光、熱等資源，還有利于提高土壤質(zhì)量、增加土壤碳氮儲(chǔ)蓄、促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)和解決華北地區(qū)冬閑田的冬季地表裸露等問(wèn)題[2-5]。

土壤碳、氮含量是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)土壤微生物活性調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)[6]。SILVEIRA等[7]提出，作物殘?bào)w是農(nóng)田土壤的主要有機(jī)碳來(lái)源，含碳量高于40%，秸稈還田是提高有機(jī)碳投入和固持的常見(jiàn)農(nóng)業(yè)措施[8]。豆科綠肥具有良好的固氮特性，且對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求不嚴(yán)苛，同時(shí)也可以增加一定收入，常于休閑期種植，可有效減少氮損失并提高肥力水平[3]。劉春增等[9]提出，種植翻壓豆科綠肥能夠培育土壤碳庫(kù)和氮庫(kù)。ASAGI等[10]通過(guò)種植翻壓豆科綠肥紫云英發(fā)現(xiàn)，綠肥生長(zhǎng)期間可截獲休閑季土壤殘留氮素，減少氮素淋溶損失。張寶泉等[11]認(rèn)為種植苜?？梢蕴岣咄寥廊?。ASHRAF等[12]發(fā)現(xiàn)，豆科綠肥會(huì)將大氣中的氮素轉(zhuǎn)化為作物可利用的形態(tài)，增加土壤含氮量。非豆科綠肥根系可以利用深層土壤中的氮素，也可轉(zhuǎn)化到耕層土壤中為后茬作物的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分。

關(guān)于綠肥翻壓后對(duì)土壤碳、氮含量的影響研究較多[13-15]，但在華北地區(qū)關(guān)于長(zhǎng)期定位種植并翻壓綠肥對(duì)土壤碳、氮含量影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，在華北地區(qū)設(shè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究冬綠肥二月蘭、毛葉苕子和黑麥草生物量及其冬季覆蓋翻壓后對(duì)土壤碳、氮含量的影響，為增加該地區(qū)土壤碳、氮養(yǎng)分及土壤可持續(xù)利用提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基地武清開(kāi)發(fā)區(qū)(北緯39°21′、東經(jīng)117°10′，海拔3.6 m)，該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫11.6 ℃，無(wú)霜期203 d左右，年降水量586.1 mm。土壤為潮土，基本理化性質(zhì)為:pH值9.02，有機(jī)質(zhì)含量18.30 g/kg，全氮含量1.17 g/kg，全磷含量8.58 g/kg，全鉀含量30.03 g/kg，速效鉀含量265.14 mg/kg，速效磷含量197.01 mg/kg，銨態(tài)氮含量2.40 mg/kg，硝態(tài)氮含量4.65 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始于2009年9月，設(shè)冬閑、二月蘭、黑麥草、毛葉苕子4個(gè)處理，代號(hào)分別為CK、EYL、HMC和MS，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積3 m×6 m=18 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)間隔面積0.6 m2，冬綠肥生長(zhǎng)期間不施加肥料與農(nóng)藥，設(shè)有灌溉設(shè)施。綠肥于每年9月播種，翌年4月收獲計(jì)產(chǎn)后切碎翻壓還田，播種春玉米。至2018年9月，已完成綠肥—玉米9 a輪作周期，本研究分析的是2018年試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

冬綠肥翻壓前選取1 m2,采集地上和地下20 cm整段植株，沖洗掉根部土壤，于105 ℃下殺青30 min，65 ℃下烘干至恒定質(zhì)量，測(cè)定生物量以及干物質(zhì)產(chǎn)量并粉碎，對(duì)其植株進(jìn)行養(yǎng)分含量的測(cè)定。綠肥植株烘干、磨碎后經(jīng)H2SO4-H2O2消解，采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定全氮含量，鉬藍(lán)比色法測(cè)定全磷含量，火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量[16-17]。

土壤有機(jī)碳含量采用外加熱重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；微生物量碳含量采用氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4浸提法測(cè)定；土壤全氮含量采用半微量開(kāi)氏定氮法測(cè)定；微生物量氮含量采用氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4浸提法測(cè)定[18-19]；土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量：稱取10.00 g新鮮土樣加入50 mL 2 mol/L KCl溶液，于25 ℃恒溫振蕩0.5 h后過(guò)濾，濾液放4 ℃冰箱保存，采用2 mol/L KCl浸提—靛酚藍(lán)比色法測(cè)定銨態(tài)氮含量以及采用2 mol/L KCl浸提—紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮含量[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和Origin 9.0軟件進(jìn)行分析與作圖，采用DPSv 3.01統(tǒng)計(jì)軟件Duncan’s方法進(jìn)行方差分析。綠肥生物量、綠肥植株養(yǎng)分含量及土壤理化性狀間的主成分分析采用Canoco 5.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同冬綠肥翻壓前生物量及養(yǎng)分含量比較

從表1可以看出，3種冬綠肥的生物量及養(yǎng)分含量有所不同，二月蘭和黑麥草的生物量顯著高于毛葉苕子，分別高出48.17%和40.85%，但二月蘭和黑麥草之間差異不顯著；由于豆科綠肥具有較強(qiáng)的固氮能力，因此供試的3種冬綠肥以豆科綠肥毛葉苕子的全氮含量最高，其次是黑麥草，二月蘭最低，但3種冬綠肥之間差異不顯著；植株全磷含量以毛葉苕子最高，黑麥草最低，其顯著低于毛葉苕子和二月蘭，毛葉苕子和二月蘭之間差異不顯著；植株全鉀含量在3種冬綠肥之間差異不顯著，二月蘭和毛葉苕子高于黑麥草。綠肥作物的生物量和養(yǎng)分含量是其培肥土壤的重要指標(biāo)，3種冬綠肥相比，雖然黑麥草生物量較高，但其全磷和全鉀含量低于二月蘭和毛葉苕子。

表1 冬綠肥生物量及養(yǎng)分含量

注：不同小寫(xiě)字母代表差異顯著(P<0.05),下同。

Note：Different lowercase letters represent significant differences(P<0.05),the same below.

2.2 不同冬綠肥翻壓對(duì)土壤碳含量的影響

2.2.1 有機(jī)碳含量 由圖1可知，冬綠肥處理的土壤有機(jī)碳含量顯著高于冬閑處理，連續(xù)9 a翻壓使土壤中有機(jī)碳含量較冬閑處理提高了22.53%～31.67%。各處理土壤有機(jī)碳含量高低依次為毛葉苕子(13.97 g/kg)>二月蘭(13.57 g/kg)>黑麥草(13.00 g/kg)>冬閑(10.61 g/kg)，3種冬綠肥處理之間無(wú)顯著差異。說(shuō)明冬綠肥翻壓增加了土壤中有機(jī)物質(zhì)歸還量，從而使土壤中有機(jī)碳含量增加，土壤肥力提升。

圖1 不同冬綠肥翻壓土壤的有機(jī)碳含量

2.2.2 微生物量碳含量 圖2表明，冬綠肥處理的土壤微生物量碳含量也顯著高于冬閑處理，是冬閑處理的1.66～2.00倍。3種綠肥之間表現(xiàn)不同，其中，二月蘭處理的土壤中微生物量碳含量最高，為164.13 μg/g，其次是毛葉苕子，為157.95 μg/g，黑麥草為131.53 μg/g，二月蘭和毛葉苕子處理顯著高于黑麥草處理，其二者之間差異不顯著。土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力和土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫(kù)，翻壓冬綠肥為土壤微生物的活動(dòng)提供了養(yǎng)分和能量來(lái)源，因而增加了土壤中微生物量碳含量。

圖2 不同冬綠肥翻壓土壤的微生物量碳含量

2.3 不同冬綠肥翻壓對(duì)土壤氮含量的影響

2.3.1 全氮含量 從圖3可以看出，不同處理土壤全氮含量不同，其高低依次為毛葉苕子(1.48 g/kg)>黑麥草(1.38 g/kg)>二月蘭(1.36 g/kg)>冬閑(1.17 g/kg)。除毛葉苕子顯著高于冬閑處理，比冬閑提高了26.50%外，其余3個(gè)處理之間差異不顯著。豆科綠肥毛葉苕子根瘤菌能固定空氣中的氮，其生物體中含氮量也高，因此，顯著提高了土壤中的全氮含量，其他2種綠肥增加土壤氮含量的程度雖然不如毛葉苕子，但隨著種植翻壓時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤氮素含量也會(huì)持續(xù)增加。

圖3 不同冬綠肥翻壓土壤的全氮含量

2.3.2 銨態(tài)氮含量 如圖4所示，與冬閑處理相比，翻壓冬綠肥提高了土壤銨態(tài)氮含量，但各處理間未達(dá)顯著差異。各處理土壤銨態(tài)氮含量依次為毛葉苕子(3.67 mg/kg) >黑麥草(3.64 mg/kg)>二月蘭(3.15 mg/kg)>冬閑(2.40 mg/kg)，也是以翻壓毛葉苕子土壤中銨態(tài)氮含量最高，比冬閑提高了52.92%，這可能與豆科作物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)向土壤中轉(zhuǎn)移氮素有關(guān)[20]。

圖4 不同冬綠肥翻壓土壤的銨態(tài)氮含量

2.3.3 硝態(tài)氮含量 從圖5可以看出，與冬閑處理相比，翻壓冬綠肥也顯著提高了土壤硝態(tài)氮含量。毛葉苕子處理的土壤硝態(tài)氮含量最高，其次是黑麥草處理，均高于二月蘭處理。翻壓毛葉苕子、黑麥草和二月蘭的土壤硝態(tài)氮含量分別是對(duì)照冬閑的2.50、1.78、1.71倍。毛葉苕子處理的土壤硝態(tài)氮含量最高，比冬閑處理增加150.97%，這可能是由于毛葉苕子是豆科植物，能通過(guò)土壤中共生固氮菌固定大氣中的N2于根際土壤所致[21]。

圖5 不同冬綠肥翻壓土壤的硝態(tài)氮含量

2.3.4 微生物量氮含量 從圖6可以看出，土壤中微生物量氮含量以翻壓毛葉苕子最高，為21.21 μg/g，比冬閑提高了83.32%，其次是二月蘭處理，為18.90 μg/g，再次是黑麥草處理，為13.69 μg/g，冬閑處理的土壤中微生物量氮含量最低，為11.57 μg/g，不同處理之間差異顯著。說(shuō)明翻壓冬綠肥也顯著提高了土壤微生物量氮含量，原因是種植冬綠肥后增加了土壤有機(jī)物質(zhì)的投入，為土壤中的微生物生存提供了能源，增加了土壤中的微生物數(shù)量進(jìn)而促進(jìn)了土壤中氮的轉(zhuǎn)化。

圖6 不同冬綠肥翻壓土壤的微生物量氮含量

2.4 綠肥生物量及植株養(yǎng)分含量與土壤理化性狀的關(guān)系

將綠肥生物量及綠肥植株養(yǎng)分含量與土壤理化性狀進(jìn)行主成分分析(PCA)發(fā)現(xiàn)，土壤環(huán)境因子能夠解釋99.95%的差異，PC1和PC2 2個(gè)軸的貢獻(xiàn)分別為94.15%和5.85%。綠肥植株全氮含量與土壤全氮含量、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量相關(guān)性較大，綠肥植株全磷含量與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物量氮含量相關(guān)性較大，綠肥植株全鉀含量與土壤微生物量碳含量相關(guān)性較大(圖7)。

圖7 綠肥生物量及植株養(yǎng)分含量與土壤理化性狀的主成分分析

3 結(jié)論與討論

3.1 冬綠肥翻壓對(duì)土壤碳含量的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明，翻壓不同冬綠肥土壤有機(jī)碳含量和土壤微生物量碳含量均有不同程度的提升，且差異顯著。冬綠肥處理的土壤有機(jī)碳含量比冬閑處理高22.53%～31.67%，冬綠肥處理的土壤微生物量碳含量是冬閑處理的1.66～2.00倍。可能是綠肥翻壓增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)腐解礦化、土壤養(yǎng)分循環(huán)及難溶性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，同時(shí)為土壤中微生物的活動(dòng)提供了能量來(lái)源從而促使土壤中有機(jī)碳以及微生物量碳含量增加[22]。土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)平衡以土壤中有機(jī)碳的輸入量和輸出量為基礎(chǔ)。種植并翻壓綠肥的過(guò)程中鮮嫩生物體、根系分泌物、根茬和枯枝落葉等有機(jī)碳的輸入可能大于有機(jī)碳的礦化輸出[23]。冬綠肥處理比冬閑處理?yè)碛休^高的生物量。3種冬綠肥以二月蘭的生物量最高，為6 733 kg/hm2，且翻壓二月蘭土壤有機(jī)碳含量和微生物量碳含量相比其他處理均處于較高水平，進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。杜威等[24]通過(guò)綠肥翻壓研究發(fā)現(xiàn)，翻壓綠肥后可使當(dāng)季土壤有機(jī)質(zhì)含量有一定的提高，有效改善土壤養(yǎng)分平衡。何亮珍等[25]通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究了長(zhǎng)期雙季稻冬季閑置種植翻壓綠肥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與雙季稻冬閑田相比雙季稻冬閑田種植綠肥顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。龍攀等[26]研究發(fā)現(xiàn)，紫云英和黑麥草翻壓還田可明顯提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。張欽等[27]研究中提到，種植黑麥草能夠提高土壤有機(jī)碳和土壤表層碳水化合物含量。周?chē)?guó)朋等[28]研究認(rèn)為，綠肥與化肥配施可以明顯提高土壤活性有機(jī)質(zhì)含量。高嵩涓等[29]通過(guò)31 a的雙季稻-冬綠肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冬種綠肥土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量均顯著提高。

3.2 冬綠肥翻壓對(duì)土壤氮含量的影響

通過(guò)9 a冬綠肥連續(xù)翻壓發(fā)現(xiàn)，與冬閑處理相比，翻壓冬綠肥均明顯提高了土壤中的氮含量。各處理土壤全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量從高到低順序均表現(xiàn)為毛葉苕子>黑麥草>二月蘭>冬閑，均以毛葉苕子處理的土壤氮含量最高，這是因?yàn)槊~苕子為豆科綠肥，通過(guò)土壤中共生固氮菌固定空氣中的N2于根際土壤[21]，因而在一定程度上提高了土壤中的氮含量。MUELLER等[30]指出，毛葉苕子固氮量可達(dá)到149 kg/hm2。本試驗(yàn)中各處理土壤微生物量氮含量從高到低順序?yàn)槊~苕子>二月蘭>黑麥草>冬閑。毛葉苕子處理的土壤中微生物量氮含量最高，顯著高于其他處理。其次是二月蘭，黑麥草處理的土壤微生物量氮含量最低，但也顯著高于冬閑處理。這與綠肥翻壓增加了土壤有機(jī)物質(zhì)的投入為土壤中的微生物生存提供了碳源，增加了土壤中的微生物數(shù)量且促進(jìn)了土壤中氮素的轉(zhuǎn)化有關(guān)。魏靜等[31]通過(guò)冬季種植毛葉苕子和二月蘭發(fā)現(xiàn)，土壤微生物生物量碳、氮含量都有顯著提升。BECKER等[32]研究表明，豆科綠肥生育期45～60 d時(shí)土壤中氮累積量能達(dá)到80～100 kg/hm2，翻壓綠肥不但可以提高土壤全氮含量，對(duì)土壤硝態(tài)氮和堿解氮含量也有明顯增加作用。綠肥植物體參與土壤養(yǎng)分循環(huán)，二月蘭和黑麥草生物量大，攜帶及釋放到土壤中的養(yǎng)分也大。豆科綠肥毛葉苕子因其固氮作用，大量氮素通過(guò)綠肥還田回到土壤中，使土壤中氮含量大量增加。

通過(guò)長(zhǎng)達(dá)9 a的冬綠肥連續(xù)翻壓種植發(fā)現(xiàn)，毛葉苕子、二月蘭和黑麥草這類耐寒性較強(qiáng)的冬季覆蓋作物，在華北地區(qū)能夠存活并達(dá)到較高的生物量，不僅能夠作為覆蓋作物覆蓋地面減少光熱資源的損失，解決土地資源的閑置和浪費(fèi)問(wèn)題，翻壓還田還可吸碳、固氮、對(duì)土壤養(yǎng)分的積累和改善具有一定的積極作用，同時(shí)還可為綠肥資源的高效利用提供理論依據(jù)和參考。