冬绿肥覆盖翻压对土壤碳、氮含量的影响

谭英爱，赵 秋，田秀平，周丽平，宁晓光，张新建，岳 露

(1.天津农学院 资源与环境学院，天津 300384； 2.天津市农业科学院 资源与环境研究所，天津 300384)

华北地区冬季休闲土地面积近2×106hm2，因长期裸露闲置使土壤肥力极低,不仅造成光热资源和水土资源的浪费,还容易引起土壤质量退化、养分流失、风蚀和扬尘等生态问题[1]。冬种绿肥是冬闲田利用的主要方式之一，不仅可以充分利用冬闲期的水、土、光、热等资源，还有利于提高土壤质量、增加土壤碳氮储蓄、促进土壤微生物活动和解决华北地区冬闲田的冬季地表裸露等问题[2-5]。

土壤碳、氮含量是评价土壤质量的重要指标，可以通过调节土壤微生物活性调控土壤养分循环[6]。SILVEIRA等[7]提出，作物残体是农田土壤的主要有机碳来源，含碳量高于40%，秸秆还田是提高有机碳投入和固持的常见农业措施[8]。豆科绿肥具有良好的固氮特性，且对生长环境要求不严苛，同时也可以增加一定收入，常于休闲期种植，可有效减少氮损失并提高肥力水平[3]。刘春增等[9]提出，种植翻压豆科绿肥能够培育土壤碳库和氮库。ASAGI等[10]通过种植翻压豆科绿肥紫云英发现，绿肥生长期间可截获休闲季土壤残留氮素，减少氮素淋溶损失。张宝泉等[11]认为种植苜蓿可以提高土壤全氮含量。ASHRAF等[12]发现，豆科绿肥会将大气中的氮素转化为作物可利用的形态，增加土壤含氮量。非豆科绿肥根系可以利用深层土壤中的氮素，也可转化到耕层土壤中为后茬作物的生长提供养分。

关于绿肥翻压后对土壤碳、氮含量的影响研究较多[13-15]，但在华北地区关于长期定位种植并翻压绿肥对土壤碳、氮含量影响的研究尚未见报道。鉴于此，在华北地区设长期定位试验，研究冬绿肥二月兰、毛叶苕子和黑麦草生物量及其冬季覆盖翻压后对土壤碳、氮含量的影响，为增加该地区土壤碳、氮养分及土壤可持续利用提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于天津市农业科学院创新基地武清开发区(北纬39°21′、东经117°10′，海拔3.6 m)，该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温11.6 ℃，无霜期203 d左右，年降水量586.1 mm。土壤为潮土，基本理化性质为:pH值9.02，有机质含量18.30 g/kg，全氮含量1.17 g/kg，全磷含量8.58 g/kg，全钾含量30.03 g/kg，速效钾含量265.14 mg/kg，速效磷含量197.01 mg/kg，铵态氮含量2.40 mg/kg，硝态氮含量4.65 mg/kg。

1.2 试验设计

试验开始于2009年9月，设冬闲、二月兰、黑麦草、毛叶苕子4个处理，代号分别为CK、EYL、HMC和MS，每个处理重复3次，共计12个小区，每小区面积3 m×6 m=18 m2，随机区组排列，小区间隔面积0.6 m2，冬绿肥生长期间不施加肥料与农药，设有灌溉设施。绿肥于每年9月播种，翌年4月收获计产后切碎翻压还田，播种春玉米。至2018年9月，已完成绿肥—玉米9 a轮作周期，本研究分析的是2018年试验数据。

1.3 测定项目与方法

冬绿肥翻压前选取1 m2,采集地上和地下20 cm整段植株，冲洗掉根部土壤，于105 ℃下杀青30 min，65 ℃下烘干至恒定质量，测定生物量以及干物质产量并粉碎，对其植株进行养分含量的测定。绿肥植株烘干、磨碎后经H2SO4-H2O2消解，采用半微量开氏法测定全氮含量，钼蓝比色法测定全磷含量，火焰光度计法测定全钾含量[16-17]。

土壤有机碳含量采用外加热重铬酸钾氧化法测定；微生物量碳含量采用氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4浸提法测定；土壤全氮含量采用半微量开氏定氮法测定；微生物量氮含量采用氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4浸提法测定[18-19]；土壤铵态氮、硝态氮含量：称取10.00 g新鲜土样加入50 mL 2 mol/L KCl溶液，于25 ℃恒温振荡0.5 h后过滤，滤液放4 ℃冰箱保存，采用2 mol/L KCl浸提—靛酚蓝比色法测定铵态氮含量以及采用2 mol/L KCl浸提—紫外分光光度法测定硝态氮含量[17]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2003和Origin 9.0软件进行分析与作图，采用DPSv 3.01统计软件Duncan’s方法进行方差分析。绿肥生物量、绿肥植株养分含量及土壤理化性状间的主成分分析采用Canoco 5.0进行。

2 结果与分析

2.1 不同冬绿肥翻压前生物量及养分含量比较

从表1可以看出，3种冬绿肥的生物量及养分含量有所不同，二月兰和黑麦草的生物量显著高于毛叶苕子，分别高出48.17%和40.85%，但二月兰和黑麦草之间差异不显著；由于豆科绿肥具有较强的固氮能力，因此供试的3种冬绿肥以豆科绿肥毛叶苕子的全氮含量最高，其次是黑麦草，二月兰最低，但3种冬绿肥之间差异不显著；植株全磷含量以毛叶苕子最高，黑麦草最低，其显著低于毛叶苕子和二月兰，毛叶苕子和二月兰之间差异不显著；植株全钾含量在3种冬绿肥之间差异不显著，二月兰和毛叶苕子高于黑麦草。绿肥作物的生物量和养分含量是其培肥土壤的重要指标，3种冬绿肥相比，虽然黑麦草生物量较高，但其全磷和全钾含量低于二月兰和毛叶苕子。

表1 冬绿肥生物量及养分含量

注：不同小写字母代表差异显著(P<0.05),下同。

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

2.2 不同冬绿肥翻压对土壤碳含量的影响

2.2.1 有机碳含量 由图1可知，冬绿肥处理的土壤有机碳含量显著高于冬闲处理，连续9 a翻压使土壤中有机碳含量较冬闲处理提高了22.53%～31.67%。各处理土壤有机碳含量高低依次为毛叶苕子(13.97 g/kg)>二月兰(13.57 g/kg)>黑麦草(13.00 g/kg)>冬闲(10.61 g/kg)，3种冬绿肥处理之间无显著差异。说明冬绿肥翻压增加了土壤中有机物质归还量，从而使土壤中有机碳含量增加，土壤肥力提升。

图1 不同冬绿肥翻压土壤的有机碳含量

2.2.2 微生物量碳含量 图2表明，冬绿肥处理的土壤微生物量碳含量也显著高于冬闲处理，是冬闲处理的1.66～2.00倍。3种绿肥之间表现不同，其中，二月兰处理的土壤中微生物量碳含量最高，为164.13 μg/g，其次是毛叶苕子，为157.95 μg/g，黑麦草为131.53 μg/g，二月兰和毛叶苕子处理显著高于黑麦草处理，其二者之间差异不显著。土壤微生物是土壤有机质及养分循环转化的动力和土壤养分的储存库，翻压冬绿肥为土壤微生物的活动提供了养分和能量来源，因而增加了土壤中微生物量碳含量。

图2 不同冬绿肥翻压土壤的微生物量碳含量

2.3 不同冬绿肥翻压对土壤氮含量的影响

2.3.1 全氮含量 从图3可以看出，不同处理土壤全氮含量不同，其高低依次为毛叶苕子(1.48 g/kg)>黑麦草(1.38 g/kg)>二月兰(1.36 g/kg)>冬闲(1.17 g/kg)。除毛叶苕子显著高于冬闲处理，比冬闲提高了26.50%外，其余3个处理之间差异不显著。豆科绿肥毛叶苕子根瘤菌能固定空气中的氮，其生物体中含氮量也高，因此，显著提高了土壤中的全氮含量，其他2种绿肥增加土壤氮含量的程度虽然不如毛叶苕子，但随着种植翻压时间的延长，土壤氮素含量也会持续增加。

图3 不同冬绿肥翻压土壤的全氮含量

2.3.2 铵态氮含量 如图4所示，与冬闲处理相比，翻压冬绿肥提高了土壤铵态氮含量，但各处理间未达显著差异。各处理土壤铵态氮含量依次为毛叶苕子(3.67 mg/kg) >黑麦草(3.64 mg/kg)>二月兰(3.15 mg/kg)>冬闲(2.40 mg/kg)，也是以翻压毛叶苕子土壤中铵态氮含量最高，比冬闲提高了52.92%，这可能与豆科作物在生长过程中会向土壤中转移氮素有关[20]。

图4 不同冬绿肥翻压土壤的铵态氮含量

2.3.3 硝态氮含量 从图5可以看出，与冬闲处理相比，翻压冬绿肥也显著提高了土壤硝态氮含量。毛叶苕子处理的土壤硝态氮含量最高，其次是黑麦草处理，均高于二月兰处理。翻压毛叶苕子、黑麦草和二月兰的土壤硝态氮含量分别是对照冬闲的2.50、1.78、1.71倍。毛叶苕子处理的土壤硝态氮含量最高，比冬闲处理增加150.97%，这可能是由于毛叶苕子是豆科植物，能通过土壤中共生固氮菌固定大气中的N2于根际土壤所致[21]。

图5 不同冬绿肥翻压土壤的硝态氮含量

2.3.4 微生物量氮含量 从图6可以看出，土壤中微生物量氮含量以翻压毛叶苕子最高，为21.21 μg/g，比冬闲提高了83.32%，其次是二月兰处理，为18.90 μg/g，再次是黑麦草处理，为13.69 μg/g，冬闲处理的土壤中微生物量氮含量最低，为11.57 μg/g，不同处理之间差异显著。说明翻压冬绿肥也显著提高了土壤微生物量氮含量，原因是种植冬绿肥后增加了土壤有机物质的投入，为土壤中的微生物生存提供了能源，增加了土壤中的微生物数量进而促进了土壤中氮的转化。

图6 不同冬绿肥翻压土壤的微生物量氮含量

2.4 绿肥生物量及植株养分含量与土壤理化性状的关系

将绿肥生物量及绿肥植株养分含量与土壤理化性状进行主成分分析(PCA)发现，土壤环境因子能够解释99.95%的差异，PC1和PC2 2个轴的贡献分别为94.15%和5.85%。绿肥植株全氮含量与土壤全氮含量、硝态氮和铵态氮含量相关性较大，绿肥植株全磷含量与土壤有机质、土壤微生物量氮含量相关性较大，绿肥植株全钾含量与土壤微生物量碳含量相关性较大(图7)。

图7 绿肥生物量及植株养分含量与土壤理化性状的主成分分析

3 结论与讨论

3.1 冬绿肥翻压对土壤碳含量的影响

本试验结果表明，翻压不同冬绿肥土壤有机碳含量和土壤微生物量碳含量均有不同程度的提升，且差异显著。冬绿肥处理的土壤有机碳含量比冬闲处理高22.53%～31.67%，冬绿肥处理的土壤微生物量碳含量是冬闲处理的1.66～2.00倍。可能是绿肥翻压增加了土壤中有机质含量，促进了土壤有机质腐解矿化、土壤养分循环及难溶性养分转化，同时为土壤中微生物的活动提供了能量来源从而促使土壤中有机碳以及微生物量碳含量增加[22]。土壤有机碳的动态平衡以土壤中有机碳的输入量和输出量为基础。种植并翻压绿肥的过程中鲜嫩生物体、根系分泌物、根茬和枯枝落叶等有机碳的输入可能大于有机碳的矿化输出[23]。冬绿肥处理比冬闲处理拥有较高的生物量。3种冬绿肥以二月兰的生物量最高，为6 733 kg/hm2，且翻压二月兰土壤有机碳含量和微生物量碳含量相比其他处理均处于较高水平，进一步证实了这一结论。杜威等[24]通过绿肥翻压研究发现，翻压绿肥后可使当季土壤有机质含量有一定的提高，有效改善土壤养分平衡。何亮珍等[25]通过长期定位试验研究了长期双季稻冬季闲置种植翻压绿肥对土壤理化性质的影响，结果发现，与双季稻冬闲田相比双季稻冬闲田种植绿肥显著提高了土壤有机质含量。龙攀等[26]研究发现，紫云英和黑麦草翻压还田可明显提高土壤碳库管理指数。张钦等[27]研究中提到，种植黑麦草能够提高土壤有机碳和土壤表层碳水化合物含量。周国朋等[28]研究认为，绿肥与化肥配施可以明显提高土壤活性有机质含量。高嵩涓等[29]通过31 a的双季稻-冬绿肥长期定位试验发现，冬种绿肥土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量均显著提高。

3.2 冬绿肥翻压对土壤氮含量的影响

通过9 a冬绿肥连续翻压发现，与冬闲处理相比，翻压冬绿肥均明显提高了土壤中的氮含量。各处理土壤全氮、硝态氮、铵态氮含量从高到低顺序均表现为毛叶苕子>黑麦草>二月兰>冬闲，均以毛叶苕子处理的土壤氮含量最高，这是因为毛叶苕子为豆科绿肥，通过土壤中共生固氮菌固定空气中的N2于根际土壤[21]，因而在一定程度上提高了土壤中的氮含量。MUELLER等[30]指出，毛叶苕子固氮量可达到149 kg/hm2。本试验中各处理土壤微生物量氮含量从高到低顺序为毛叶苕子>二月兰>黑麦草>冬闲。毛叶苕子处理的土壤中微生物量氮含量最高，显著高于其他处理。其次是二月兰，黑麦草处理的土壤微生物量氮含量最低，但也显著高于冬闲处理。这与绿肥翻压增加了土壤有机物质的投入为土壤中的微生物生存提供了碳源，增加了土壤中的微生物数量且促进了土壤中氮素的转化有关。魏静等[31]通过冬季种植毛叶苕子和二月兰发现，土壤微生物生物量碳、氮含量都有显著提升。BECKER等[32]研究表明，豆科绿肥生育期45～60 d时土壤中氮累积量能达到80～100 kg/hm2，翻压绿肥不但可以提高土壤全氮含量，对土壤硝态氮和碱解氮含量也有明显增加作用。绿肥植物体参与土壤养分循环，二月兰和黑麦草生物量大，携带及释放到土壤中的养分也大。豆科绿肥毛叶苕子因其固氮作用，大量氮素通过绿肥还田回到土壤中，使土壤中氮含量大量增加。

通过长达9 a的冬绿肥连续翻压种植发现，毛叶苕子、二月兰和黑麦草这类耐寒性较强的冬季覆盖作物，在华北地区能够存活并达到较高的生物量，不仅能够作为覆盖作物覆盖地面减少光热资源的损失，解决土地资源的闲置和浪费问题，翻压还田还可吸碳、固氮、对土壤养分的积累和改善具有一定的积极作用，同时还可为绿肥资源的高效利用提供理论依据和参考。