天津地区不同冬绿肥培肥土壤的效果

2022-09-22张新建宁晓光周丽平

植物营养与肥料学报 2022年7期

赵秋，张新建，宁晓光，周丽平

（天津市农业科学院, 天津 300192）

土壤肥力降低导致土壤质量退化，土壤生产能力下降，严重制约了农田的可持续发展[1]。绿肥作为清洁的有机肥源，在培肥地力和替代化肥方面具有重要作用[2–5]。冬绿肥−玉米轮作是华北地区近几年针对冬闲田推广应用的种植模式[6–9]，相关研究已有大量报道，内容涉及冬绿肥−玉米体系的绿肥腐解[10]、绿肥生长特性[11]、作物产量[12]、降低风蚀[13]、养分流失[14]、肥料利用率[15]、养分吸收[16]和土壤团聚体[17]等。春玉米种植制度短期种植冬绿肥二月兰、毛叶苕子对玉米产量及对土壤 pH、速效氮、有效磷含量、土壤总碳量无显著影响，可有效提高土壤速效钾、有机碳含量以及总有机碳占全碳的比例[18]。单独翻压二月兰能满足玉米拔节期以前的生长对养分的需求，但对土壤无机氮和有效磷有明显耗竭，绿肥化肥配施可提高玉米产量，显著提高土壤无机氮、有效磷、速效钾含量[19]。翻压二月兰可以增加0—180 cm 土层土壤硝态氮保蓄量，对土壤氨挥发无明显影响[20–21]。上述研究主要是针对华北地区冬绿肥-春玉米轮套作模式短期效果，或者冬绿肥品种大多涉及二月兰单一作物，亦或者是单一土壤肥力指标。本研究通过田间多年定位试验，研究冬绿肥与春玉米轮作模式下不同绿肥及有关组合对土壤理化性质和生物学性质的影响，并利用主成分分析方法，综合评估该模式的土壤综合肥力，以期为冬绿肥-春玉米轮套作体系冬绿肥选择及对土壤质量提升贡献研究提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设置在天津市现代农业科技创新基地(北纬 39°21′，东经 117°10′，海拔 3.6 m)。该试验地属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水量为586.1 mm，年平均气温11.6℃，全年日照总量2810 h，无霜期203天。试验土壤为潮土，试验前0—20 cm耕层土壤基础性状为：有机质15.47 g/kg、全氮 1.15 g/kg、全磷 (P) 0.63 g/kg、全钾 (K) 18.56 g/kg、碱解氮 70.5 mg/kg、有效磷 28.3 mg/kg、速效钾 224 mg/kg、pH 8.28、容重 1.3 g/cm3、孔隙度 46.0%。

1.2 试验设计

试验始于2012年9月，设7个处理：冬闲、二月兰 (OrychophragmusviolaceusL.)、毛叶苕子 (Vicia villosaRoth L.)、黑麦 (SecalecerealeL.)、黑麦草 (LoliumL.)、毛叶苕子黑麦混播和毛叶苕子二月兰混播，每个处理3次重复，随机排列，每小区面积18 m2。毛叶苕子为豆科豌豆属草本植物，二月兰为十字花科诸葛菜属草本植物，一年生黑麦草和黑麦为禾本科草本植物。冬绿肥在每年9月17—24日期间播种，二月兰、毛叶苕子、黑麦草、黑麦、毛叶苕子黑麦混播和毛叶苕子二月兰混播播种量分别为45.0、60.0、60.0、45.0、30.0+30.0、30.0+22.5 kg/hm2。播种后灌出苗水，按照30 t/hm2喷灌形式灌溉，冬绿肥生长期间不施任何肥料和农药，不灌水，次年4月中旬将冬绿肥切碎成2～3 cm小段后翻压到土壤10～15 cm中，并于4月末播种春玉米。玉米品种为郑单958，播种密度50025 株/hm2，60 cm等行距种植。玉米施肥量为 N 225 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。氮肥1/3作为基肥，2/3在玉米小喇叭口期追施。磷肥和钾肥全部基施。二月兰、毛叶苕子、黑麦、黑麦草购于北京国人园艺种子公司。氮肥用尿素 (含 N 46 %)，磷肥用磷酸二铵 (含 N 18 %、P2O546 %)，钾肥为氯化钾 (含 K2O 60 %)。

1.3 样品采集

于2019年9月21日玉米收获期，在各小区内按照“S”形取样法采集耕层土样，每小区采集5个点为一个混合样，剔除石砾和植物残根等杂物，混合制样后分成两份。一份于室温下阴干、粉碎，过1和0.25 mm 筛，然后置于自封袋保存，用于测定土壤全磷、全氮、全钾、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、pH、电导率、脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶含量；另一份立即装入自封袋中，封口防止水分损失，置于4℃冰箱内贮藏，用于测定土壤细菌、真菌、放线菌等微生物数量以及微生物生物量碳、氮含量。

1.4 测定方法

土壤碱解氮、速效钾、有效磷、有机质、全磷、全氮、全钾和pH用常规方法测定，土壤EC用电导率仪进行测定；土壤容重采用环刀法测定；土壤含水量和土壤饱和含水量采取烘干法测定；通过土壤容重和土粒密度计算土壤总孔隙度[22]。土壤细菌、真菌、放线菌数量采用稀释平板计数法测定，细菌用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌用PDA培养基(添加10 μg/mL利福平)，放线菌用改良高氏一号培养基[23]。采用靛酚比色法测定土壤脲酶活性；土壤蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；土壤多酚氧化酶活性用邻苯三酚比色法测定；土壤过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定；土壤磷酸酶活性用硝基苯磷酸二钠比色法测定[24]。土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮采用氯仿熏蒸浸提测定[25]。

1.5 数据处理

数据采用 Excel 2010计算，采用 SAS (9.0)统计软件进行显著性检验。采用SPSS19.0进行评价指标选取，指标间进行相关性分析、主成分分析、计算主成分综合得分并进行作图。排分依据的原则和具体方法[26]：对综合评价涉及的土壤肥力指标(Ii)进行主成分分析，以基本特征值大于1 取得N个主成分、主成分特征值(A)、贡献率(G)、载荷值(H)、计算特征向量(N)、计算主成分得分(Q)和综合得分(Q综合)。其计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 冬绿肥种植对土壤化学性质的影响

表1表明，与冬闲对照相比，6个冬绿肥处理土壤有机质含量增加14.63%～21.50%，全磷含量增加4.05%～20.27%，全氮含量增加3.31%～12.40%，差异显著；二月兰、毛叶苕子、毛叶苕子和二月兰混播、毛叶苕子和黑麦混播处理土壤全钾含量显著增加2.65%～4.44%。毛叶苕子、二月兰、黑麦、毛叶苕子和二月兰混播、毛叶苕子和黑麦混播5个处理土壤有机质含量无显著差异，但均显著高于黑麦草处理。毛叶苕子处理土壤全氮含量显著高于黑麦，与其他冬绿肥处理间无显著差异。土壤全磷含量表现为毛叶苕子处理显著高于其他处理。

表1 长期冬绿肥种植对土壤化学性质的影响Table 1 Effects of planting green manure over the long term on soil chemical properties

冬绿肥处理SMBC和SMBN含量分别在138.2和13.69 mg/kg以上，分别比冬闲处理显著提高了42.49%～72.38%和15.48%～58.39%，且绿肥混播处理显著高于单播处理。毛叶苕子和二月兰混播土壤SMBC显著高于毛叶苕子黑麦混播，两个混播处理的土壤SMBN无显著差异；毛叶苕子和二月兰单播处理土壤SMBC和SMBN含量显著高于黑麦和黑麦草单播处理。除黑麦草单播和毛叶苕子黑麦混播处理外，其他冬绿肥处理土壤pH较冬闲显著降低，毛叶苕子和二月兰单播处理土壤pH下降幅度显著大于黑麦单播和毛叶苕子二月兰混播处理，但二者之间无显著差异。与冬闲对照相比，冬绿肥处理土壤EC值显著下降了2.25%～13.56%，黑麦草处理EC值为209.33 S/m，降幅高于其他冬绿肥，差异显著；冬绿肥处理土壤碱解氮含量与冬闲对照无显著差异，有效磷和速效钾含量比冬闲对照分别显著增加了14.33%～46.81%和10.51%～32.38%，毛叶苕子单播处理的增量最大。以上研究结果表明，种植冬绿肥能不同程度地改善土壤的化学和生物学性质。

2.2 冬绿肥种植对土壤物理性质的影响

从表2可以看出，冬绿肥种植有利于土壤物理性质改善。与冬闲处理相比，冬绿肥处理土壤含水量有所增加，但差异不显著；二月兰和黑麦草单播处理土壤容重比冬闲处理分别降低4.49%和4.78%，差异显著，二者与其他冬绿肥处理间差异不显著；从土壤总孔隙度指标看，二月兰和黑麦草单播处理比冬闲处理分别提高5.50%和7.82%，差异显著，二者与其他冬绿肥处理间差异不显著；与冬闲处理相比，冬绿肥处理土壤饱和持水量增加8.50%～20.80%，差异显著，以毛叶苕子二月兰混播处理增量最大。

表2 长期冬绿肥种植对土壤物理性质影响Table 2 Effects of planting green manure over the long term on soil physical properties

2.3 冬绿肥种植对根际土壤酶活性的影响

由表3可知，与冬闲处理相比，冬绿肥处理土壤脲酶活性增加6.59%～20.47%，差异显著，绿肥处理间表现为毛叶苕子黑麦混播显著高于二月兰、毛叶苕子、黑麦单播处理，与其余两处理无显著差异；毛叶苕子、黑麦、毛叶苕子黑麦混播处理土壤碱性磷酸酶活性显著高于其他处理，其他处理间无显著差异；黑麦和黑麦草单播处理土壤蔗糖酶活性高于冬闲及毛叶苕子二月兰混播处理，差异显著，与其他处理间无显著差异；毛叶苕子二月兰混播和毛叶苕子单播处理土壤过氧化氢酶活性高于冬闲和毛叶苕子黑麦混播处理，差异显著，与其他处理间差异不显著；二月兰、毛叶苕子、黑麦和黑麦草单播处理土壤多酚氧化酶活性显著高于冬闲、毛叶苕子二月兰混播、毛叶苕子黑麦混播处理，差异显著，前四者之间及后三者之间差异不显著。

表3 不同冬绿肥种植土壤酶活性Table 3 Soil enzymatic activities as affected by green manure crops planted during winter

2.4 冬绿肥种植对土壤微生物群落的影响

试验田土壤微生物以细菌为主，其次是放线菌和真菌。将春秋两季的土壤细菌、放线菌和真菌数量进行平均计算，采用平均值表示不同冬绿肥对土壤微生物活性的影响。由表4可知，与冬闲处理相比，冬绿肥处理土壤细菌数量提高26.67%～75.89%；土壤真菌数量提高61.90%～97.90%；土壤放线菌数量提高51.40%～92.10%，春季高于秋季，差异显著(P<0.05)。春季土壤细菌数量冬绿肥处理间表现为毛叶苕子单播显著高于二月兰、黑麦单播处理，与其他绿肥处理无显著差异；土壤真菌数量绿肥处理间无显著差异；土壤放线菌数量表现为黑麦草单播处理显著高于二月兰、黑麦和毛叶苕子单播处理，与混播处理间无显著差异。

表4 长期冬绿肥种植对土壤微生物数量的影响Table 4 Effects of planting green manure over the long term on soil microbial biomass

2.5 冬绿肥种植对土壤肥力影响综合评价

对综合评价涉及的土壤肥力指标进行主成分分析：第1主成分对总方差贡献率为82.34%，以土壤有机质、活性有机碳、全氮、速效钾、细菌数量、放线菌数量、真菌数量、微生物量氮、微生物量碳、含水量和土壤饱和持水量贡献最大；第2主成分对总方差贡献率为10.26%，以土壤全磷、全钾、碱解氮、pH和脲酶活性贡献最大；第3主成分对总方差贡献率为5.87%，以土壤有效磷、蔗糖酶活性贡献最大；前 3 个主成分累计贡献率达 98.46% (表5 )。由表6可知，各处理在3个主成分上的综合得分排名为毛叶苕子二月兰混播>毛叶苕子黑麦混播>毛叶苕子>二月兰>黑麦草>黑麦>冬闲，毛叶苕子二月兰混播处理综合评价得分最高，为1.03，毛叶苕子黑麦混播处理综合得分次之，为0.88，冬闲处理综合评价得分最低，为–1.42。

表5 主成分分析特征值和方差贡献率Table 5 Eigen values and variance contribution rate based on the principal component analysis

表6 不同处理主成分分析综合得分及排名Table 6 Comprehensive score and ranking chart based on the principal component analysis

以不同处理的3个主成分得分代替土壤肥力指标，计算不同处理得分并作图。由图1a可知，可将7个处理分为3类，第1类为毛叶苕子二月兰混播和毛叶苕子黑麦混播，在主成分综合得分中最高，表明冬绿肥混播处理土壤肥力最高；第2类为毛叶苕子、二月兰、黑麦草和黑麦处理，其主成分综合得分较高，表明冬绿肥单播处理土壤肥力较高；第3类为冬闲模式，主成分综合得分最低，表明冬闲处理土壤肥力最差。根据图1b和图1c荷载图可知，土壤全量养分(有机质、全氮、全磷和全钾)集中在一起，它们之间具有显著的正相关关系；尽管有效态养分(碱解氮、有效磷、速效钾、土壤活性有机碳)分布在一个象限，但仅仅速效钾和土壤活性有机碳聚集在一起，其相关性较强，其它有效态养分相关性不大。细菌、真菌、放线菌聚集在一起，具有显著的正相关性。对于土壤理化性质而言，土壤含水量、饱和含水量、总孔隙度与部分土壤养分呈显著正相关关系，而土壤容重、pH和EC与大部分土壤养分含量呈显著负相关关系。对于土壤酶活性，仅仅脲酶与速效氮存在显著正相关关系。

图1 土壤肥力因子间主成分分析Fig.1 Principal component analysis of soil fertility factors

3 讨论

3.1 长期冬绿肥种植改善土壤理化性质及生物学性质

绿肥种植是影响土壤肥力以及其可持续利用的重要农业措施之一，已有研究表明绿肥与主作物间套轮作可以改善土壤理化性质和生物学性质，从而提高土壤肥力[2–3]。土壤有机质、氮、磷、钾含量等是主要土壤肥力指标，影响作物生长、养分循环与微生物过程。本研究结果表明，与冬闲相比，绿肥作物轮作不同程度增加了土壤有机质、全氮、全磷、速效钾、有效磷含量，这和前人的研究结果[27–28]一致。因为冬绿肥种植增加了碳累积，减少了养分流失，盛花期含有大量的碳、氮、磷、钾等元素，翻压还田后经过微生物的腐解作用释放到土壤中，增加了土壤有机质和氮磷钾养分的含量[29]。然而，白金顺等[30]研究认为，冬绿肥种植增加稻田土壤碱解氮含量，而本研究中绿肥种植土壤碱解氮含量增加不显著，可能是因为在绿肥与玉米轮作体系中，绿肥吸收了土壤中盈余氮素并以有机氮形式储存在绿肥体内，其腐解释放氮素部分以有机氮形式在土壤中存留[31]。本研究结果认为冬绿肥种植对土壤有机质增量表现为黑麦>毛叶苕子>毛叶苕子黑麦混播>毛叶苕子二月兰轮播>二月兰>黑麦草处理。Liu等[31]认为，黑麦和黑麦草地上部和根系的生物量供给土壤碳的潜力高于红三叶，土壤团聚体稳定性提高50%；肖小平等[32]认为，黑麦草、紫云英和油菜地下根系生物量与土壤有机质含量呈正相关关系，以上研究与本研究结果稍有不同，因为土壤有机质增加是绿肥种植过程中综合因素作用的结果，除了绿肥本身地上部和根系生物量外，还与绿肥C/N、腐解矿化速率、土壤环境等有关[2]。土壤EC值代表土壤水溶盐浓度，本研究证实，冬绿肥−春玉米轮作后土壤EC值显著降低，这与刘慧等[33]认为绿肥翻压会降低土壤水溶盐浓度结果相似。因为绿肥种植增加土壤有机团聚体数量，从而增加了对盐基离子的吸附，同时绿肥种植提高土壤孔隙度，增加盐基离子向土壤深层渗透，从而降低表层土壤水溶盐浓度。本研究发现，与春玉米轮作绿肥二月兰和黑麦草显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，从而增加土壤持水能力，降低农田表土跑墒风险，这可能与二月兰、黑麦草两种作物发达根系有关[34]。二月兰强大的深根型根系通过穿插作用疏松土壤，降低土壤紧实度；而黑麦草须根数量巨大，通过与土壤接触的细度和广度疏松土壤。土壤微生物数量和土壤酶活性直接影响土壤生物化学活性及土壤养分的组成与转化，是反映土壤生物活性和土壤肥力的重要指标。本研究证明，长期种植冬绿肥显著提高土壤细菌、真菌和放线菌数量26.67%～75.89%、61.90%～97.90%和51.40%～92.10%；冬绿肥处理SMBC和SMBN含量分别显著提高42.49%～72.38%和15.48%～58.39%，可能原因是冬绿肥生长季不仅直接增加地上部和根系生物量及根系分泌物，同时绿肥翻压入土后也为微生物生长提供了养料，促进了微生物生长和繁殖[35]。本研究结果显示，冬绿肥处理不同程度增加土壤脲酶活性。与Rochette等[36]的解释一致，因为绿肥本身在腐解过程中会提高表层土壤含水量、地温，脲酶活性会因为温度升高而增强。

3.2 长期冬绿肥种植对土壤综合肥力影响差异

土壤肥力是土壤各方面性质的综合反映，包括土壤养分、土壤物理性质、生物化学性质及环境条件等综合性指标，相比于单因子肥力，土壤综合肥力更能真实反映土壤肥力质量。因此，本研究选取常规土壤物理、化学和生物性质23项基本指标，通过主成分分析方法，对土壤综合肥力进行评价。本研究发现，冬季绿肥覆盖能够显著提高土壤综合肥力，这和前人的研究结果[37–38]一致。毛叶苕子二月兰混播和毛叶苕子黑麦混播对土壤综合肥力提升效果优于毛叶苕子、二月兰、黑麦、黑麦草单播处理，与刘明建等[39]认为的豆禾混播二者因为竞争作用加剧了对土壤养分的消耗，导致对土壤肥力提升无太大作用的结果相反，这可能是因为本研究选择豆科作物毛叶苕子和禾本科作物黑麦以及十字花科二月兰混播种植方式，创造了适宜的碳氮比、碳磷比、氮磷比，从而有利于微生物分解有机质释放养分，促使土壤中有效养分增加[40]。此外，毛叶苕子优于其他冬季绿肥，可显著提高土壤综合肥力，从种植毛叶苕子土壤氮素、有效磷和速效钾以及磷酸酶、蔗糖酶和多酚氧化酶的活性高于其他处理得到证明。以往研究认为，毛叶苕子属于豆科作物，根系分泌物及其有机残体比较丰富，为微生物生长和繁殖提供了场所，促进土壤生物活性增强；有机酸类物质亦或是与菌根真菌的共生关系促进了土壤难溶性磷素及固持钾素溶解与释放[41–44]。