不同冬季覆盖作物轮作对农田土壤碳氮影响

任 慧，丁 磊，赵 财

（甘肃省干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃农业大学农学院，兰州 730070）

0 引言

风蚀是中国北方脆弱生态系统土壤质量退化和沙漠化的关键因素，由于风蚀而导致土壤有机碳等养分和具有较高持水能力的土壤细颗粒的损失，是沙漠化过程中土壤退化的主要机制[1-2]。河西走廊是中国荒漠化最严重的地带之一，受风沙危害的土地达40%以上，面积约21万hm2，严重的土壤风蚀使得土壤质地粗化、结构变差、有机质含量下降，土地可持续生产力降低，造成农作物减产甚至绝收[3]。不当的农业行为是加剧土壤风蚀的关键因素，该地区耕地长期采用铧式犁翻耕等传统耕作技术，土壤表土细碎，冬春裸露休闲，在西北季风的强劲作用下，极易造成土壤风蚀，是产生沙尘暴的重要源头[4]。西北内陆灌区大部分地区采用一年一熟的耕作制度，其中以春小麦和玉米单作一熟制为主[5]。然而与之相应的供粮安全则是全球科学界面临的挑战[6-7]。因此，在稳定该区域粮食播种面积的前提下，实施农业种植结构的内部调整，增加农田的冬、春季覆盖率，减少农田土壤的风蚀，提升农田土壤生产力等措施迫在眉睫。轮作是一种用地养地的栽培措施，同时结合不同的施氮不仅有均衡土壤养分和防治病、虫、草害的作用，还能有效地改善土壤理化性状和促进养分循环，增加土壤有机碳含量，调节土壤肥力，最终达到作物增产增收的目的[8-9]。小麦-玉米轮作是河西灌区主要的农作物种植方式，这种主作物轮作导致冬春季地表裸露5～6个月，风蚀严重，进一步导致土壤质量退化。冬季作物覆盖，能够有效填补由于冬季耕地裸露造成的资源浪费，减缓风蚀，可提高土壤有机质含量、提升氮的矿化潜力、减少硝酸盐淋失等作用，促进后茬农作物产量的提升[10]。绿肥是有机肥的重要来源，种植和翻压绿肥都对土壤具有积极改良作用，可以改善土壤理化性质[11]。冬季覆盖作物和绿肥嵌套在轮作系统中可以进一步的提升土壤肥力，提高土壤微生物和酶活性，同时可以改善生态环境，促进土壤的可持续发展[12-13]。西北内陆灌区光资源丰富，热量一熟有余两熟不足的春小麦种植区把冬季覆盖作物和绿肥嵌套在种植形成周年覆盖轮作系统，增加冬春地表覆盖度，减少农田土壤的风蚀，提升农田土壤生产力将对该地区的生态保护和农业生产具有重要实践意义。为此，本研究在已有轮作和绿肥还田研究的基础上，以西北绿洲灌区春小麦生产为基础轮作冬季覆盖作物和豆科绿肥，构建提升土壤肥力的周年覆盖轮作模式，通过不同施氮水平，检测土壤碳、氮含量，明确不同轮作模式、冬季作物覆盖和绿肥结合及不同施氮对土壤碳氮的叠加效应，以期为绿洲灌区冬季覆盖作物轮作绿肥对土壤肥力及可持续生产能力的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2020年在甘肃省武威市黄羊镇甘肃农业大学“武威绿洲试验站”进行，该站属中国西北干旱荒漠生物气候带，是中国西北旱寒区、北方风蚀区的典型代表。河西走廊是中国荒漠化最严重的地区之一，也是中国沙尘暴主要策源地之一，风蚀严重，土壤退化和沙化比较严重。小麦作为该区主栽作物之一，主要以小麦—玉米轮作为主。年均气温约7.2℃，春季干旱少雨，常年平均降雨量156 mm，蒸发量是降雨量的12倍，太阳辐射总量6000 MJ/m2，日照时数2945 h，年均大风日数12天，年均沙尘暴日数为9天，最多年沙尘暴日数为34天。

1.2 试验设计

试验以春小麦、冬小麦、冬油菜、箭筈豌豆为轮作供试作物，春小麦为‘永良4号’，冬小麦为‘宁冬2号’，冬油菜为‘陇油7号’。不同冬季覆盖作物轮作分别为春小麦—冬油菜—箭筈豌豆（WCP）、春小麦—冬小麦—箭筈豌豆（WWP）、春小麦—箭筈豌豆—春小麦—箭筈豌豆（WP）、春小麦—春小麦（W）；3个施氮水平，2年一个轮作周期施氮总量为传统施氮360 kg/hm2（N2）、减量 25%施氮量 270 kg/hm2（N1）、不施氮 0 kg/hm2（N0），分别在春小麦冬小麦和冬油菜播种前以基肥施入。共12个处理，每个处理设3次重复，小区面积32.5 m2。田间管理与大田一致，灌溉制度与当地一致。轮作模式如图1。

图1 轮作模式图

1.3 土壤样品采集与测定

1.3.1 土壤样品采集 每个小区均采用“S”型取样方法随机选取5个点，采集0～10 cm和10～30 cm土壤样品，各自混合均匀后装自封袋，将采取土样用四分法混合并分为2部分，一部分保存在-4℃冰箱用于土壤微生物量碳氮、土壤可溶性碳的测定，另一部分置于实验室阴凉处风干过筛后用于其他土壤指标的测定。

1.3.2 测定指标与方法 土壤有机碳（SOC）测定采用常规K2Cr2O7氧化法[14]；土壤可溶性碳（DOC）采用0.5 mol/L K2SO4浸提（水土比4:1土样），浸提液经0.45 μm滤膜过滤后，滤液采用碳氮联合分析仪（MultiN/C2100）测定[15]；热水提取态有机碳（HWC）参考王开峰[16]热水提取态碳的方法；土壤微生物量碳氮（SMC、SMN）采用氯仿熏蒸浸提法[17]，将浸提液过滤后上碳氮联合分析仪（MultiN/C2100）进行测定；土壤硝氨态氮测定方法为取5 g供试土样，用2 mol/L的KCl的溶液提取，160 r/min震荡1 h，中速定量滤纸过滤，滤液采用全自动间断化学分析仪进行测定。

1.4 数据处理

试验数据分析采用Microsoft Office Excel 2013和SPSS 21.0统计分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对土壤有机碳及其组分的影响

2.1.1 轮作不同冬季作物复种绿肥对土壤有机碳含量的影响 由不同种植模式和施氮处理下土壤有机碳（SOC）含量的分析结果（图2）可知，不同种植模式及施氮水平对 SOC 含量影响均为显著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（种植模式）＜0.05]，二者对SOC含量的交互作用不显著[Sig.（施氮×种植模式）＞0.05]。0～10 cm土层，在同一种植模式下SOC含量总体变化趋势为：N2＞N1＞N0，N2、N1水平较N0水平SOC含量提高了10.90%、6.50%。相同施氮条件下轮作模式SOC含量显著高于连作模式，WCP、WWP、WP较 CK 分别提高 5.42%、4.70%、2.30%。10～30 cm土层，N2、N1处理SOC含量显著高于N0 （P＜0.05），分别提高了 17.89%、8.30%；相比较CK，WCP、WWP、WP处理 SOC 含量提高 9.54%、4.32%、2.88%。0～10 cm和10～30 cm土层，WCP轮作模式在N2、N1水平下SOC含量差异并不显著。可见，不同冬季覆盖作物轮作有利于SOC的积累，且春小麦轮作冬油菜效果最佳。

图2 不同处理土壤有机碳含量

2.1.2 轮作不同冬季作物复种绿肥对可溶性有机碳含量的影响 不同种植模式和施氮处理下可溶性有机碳（DOC）含量随土层深度增加呈降低趋势（图3）。不同种植模式及施氮水平对DOC含量影响均为显著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（种植模式）＜0.05]，而以上二者对DOC的交互作用不显著[Sig.（施氮×种植模式）＞0.05]。在 0～10 cm和10～30 cm土层，随施氮量增加，DOC含量随之增加，N2、N1较N0水平DOC含量增加27.89%和17.84%、17.03%和6.67%。在相同施氮水平下，不同轮作模式的DOC含量高于连作模式，WCP、WWP、WP较CK处理分别提高9.78%和7.06%、7.20%和4.83%、3.44%和3.38%。3种轮作模式中，以WCP轮作模式DOC含量最高，较WWP、WP处理分别提高2.41%和2.13%、6.13%和3.56%。0～10 cm和10～30 cm土层，WCP轮作模式在N2、N1水平下DOC含量差异并不显著。说明轮作提高DOC含量，其中冬油菜轮作模式相比较其他模式DOC含量处于较高水平。

图3 不同处理土壤可溶性有机碳含量

2.1.3 轮作不同冬季作物复种绿肥对土壤热提取态有机碳含量的影响 不同处理土壤热提取态有机碳（HWC）含量随土壤土层深度的增加呈降低的趋势（图4），不同种植模式及施氮水平对HWC含量影响均为显著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（种植模式）＜0.05]，而以上二者对HWC交互作用不显著[Sig.（施氮×种植模式）＞0.05]。同一种植模式HWC总体变化趋势为N2＞N1＞N0。0～10 cm土层，N2、N1较N0水平HWC含量提高16.97%、8.54%，10～30 cm土层，N2、N1较N0水平HWC含量提高21.75%、12.55%。同一施氮条件下HWC含量均表现为轮作模式大于连作模式，在轮作模式中WCP处理HWC含量最高，0～10 cm土层，WCP、WWP、WP处理HWC含量较CK分别提高10.96%、7.59%、5.84%。WCP较WWP、WP处理HWC含量分别提高3.14%、4.84%。10～30 cm土层，WCP、WWP、WP处理HWC含量较CK分别提高12.99%、6.77%、6.09%。WCP较WWP、WP处理HWC含量分别提高5.82%、6.51%。0～10 cm和10～30 cm土层，WCP轮作模式在N2、N1水平下HWC含量差异并不显著。表明轮作结合施氮处理可有效提高HWC含量，冬油菜轮作模式对HWC含量的提高作用更显著。

图4 不同处理土壤热提取态有机碳含量

2.2 轮作不同冬季作物复种绿肥对土壤硝态氮、氨态氮的影响

轮作结合施氮处理土壤硝态氮土壤氨态氮、随土层加深呈降低的趋势（如表1），不同种植模式及施氮水平对土壤硝态氮含量影响均为显著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（种植模式）＜0.05]，而以上二者对土壤硝态氮含量交互作用不显著[Sig.（施氮×种植模式）＞0.05]。0～10 cm 土层，N2、N1处理硝态氮含量较N0分别提高33.10%、20.24%，10～30 cm土层，N2、N1处理硝态氮含量较N0分别提高43.41%、19.42%。轮作模式硝态氮含量在同一施氮水平下均高于连作模式。0～10 cm土层，WCP、WWP、WP模式硝态氮含量较CK处理提高20.51%、10.79%、15.21%。WCP处理较WWP、WP硝态氮含量提高8.78%、4.60%。10～30 cm土层，硝态氮含量表现与0～10 cm基本一致。WCP、WWP、WP较CK处理高20.12%、11.10%、18.26%。WCP较WWP、WP处理硝态氮含量提高了8.11%、15.73%。

表1 不同处理土壤硝态氮、氨态氮含量 mg/kg

不同种植模式及施氮水平对土壤氨态氮含量影响均为显著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（种植模式）＜0.05]，而以上二者对土壤氨态氮含量交互作用不显著[Sig.（施氮×种植模式）＞0.05]。0～10 cm土层，N2、N1处理氨态氮含量较N0分别提高28.76%、12.02%。10～30 cm土层，N2、N1处理氨态氮含量较N0提高43.35%、23.65%。轮作模式氨态氮含量在同一施氮水平下均高于连作模式。0～10cm土层，WCP、WWP、WP较 CK处理高 15.76%、12.40%、7.44%。WCP较WWP、WP处理氨态氮含量提高2.99%、7.74%。10～30 cm土层，氨态氮含量表现与0～10 cm基本一致。WCP、WWP、WP处理较CK处理高16.51%、11.39%、8.89%。WCP处理较WWP、WP处理氨态氮含量提高了4.60%、7.09%。轮作模式土壤硝态氮、氨态氮含量在同一施氮水平下优于连作模式，且冬油菜轮作模式土壤硝态氮、氨态氮含量优于其他轮作模式。

2.3 不同轮作模式对土壤微生物量碳氮的影响

2.3.1 轮作不同冬季作物复种绿肥对土壤微生物量碳含量的影响 不同处理土壤微生物量碳（MBC）含量随土层的增加呈降低趋势（图5），不同种植模式及施氮水平对 MBC 含量影响均为显著[Sig.（种植模式）＜0.05，Sig.（施氮）＜0.05]，而以上二者对MBC含量交互作用不显著[Sig（施氮×种植模式）＞0.05]。0～10 cm 土层，N2、N1 处理MBC含量较N0分别提高40.04%、18.21%。相同施氮条件下，MBC含量轮作模式显著高于连做模式，WCP、WWP、WP较W处理MBC含量提高7.95%、4.89%、20.71%。10～30 cm土层，MBC含量表现与0～10 cm土层基本一致，N2、N1处理MBC含量较N0分别提高28.37%、13.38%。相同施氮条件下，MBC含量轮作模式显著高于连做模式，WCP、WWP、WP模式较CK模式提高7.57%、4.59%、12.02%。春小麦连作模式土壤微生物量含量下最低，说明春小麦轮作复种绿肥模式更有利于增加土壤微生物量含量，且不同轮作模式对土壤微生物量含量影响表现出差异性。

图5 不同处理土壤微生物碳含量

2.3.2 轮作不同冬季作物复种绿肥对土壤微生物量氮含量的影响 由图6可知，不同处理MBN含量随土层增加呈降低趋势，不同种植模式及施氮水平对MBN含量影响均为显著[Sig.（种植模式）＜0.05，[Sig.（施氮）＜0.05]，而以上二者对MBN含量交互作用不显著[[Sig.（施氮×种植模式）＞0.05]。0～10 cm土层，N2、N1处理MBN含量比N0高40.97%、19.51%。10～30 cm土层，N2、N1处理MBN含量比N0高51.68%、23.94%。相同施氮水平条件下轮作模式SMN含量高于连作模式。轮作模式中WCP处理SMN含量最高，0～10 cm土层，WCP、WWP、WP处理MBN含量较CK提高18.94%、12.4%、8.36%。WCP较WWP、WP处理MBN含量提高5.80%、9.77%。10～30 cm土层，WCP、WWP、WP处理MBN含量较CK提高18.16%、13.78%、10.45%，WCP较WWP、WP处理MBN含量提高38.46%、6.99%。0～10 cm，WCP轮作模式在N2、N1水平下MBN含量差异并不显著。连作模式土壤微生物量含量下最低，说明轮作复种绿肥模式更有利于增加土壤微生物量含量，且不同轮作模式对土壤微生物量含量影响表现出差异性。

图6 不同处理土壤微生物氮含量

3 结论

本研究通过研究不同冬季覆盖作物轮作对农田土壤碳、氮的影响，轮作较春小麦连作可显著提高土壤碳、氮含量，有效培肥地力。尤其是以春小麦-冬油菜-箭筈豌豆轮作模式在氮肥减施25%的情况下可以使农田土壤有较高的碳、氮含量。因此，在土壤风蚀严重的河西灌区，冬油菜轮作模式可有效减少冬春休闲期的风蚀、提高土壤肥力、保障该区域的粮油生产，是一种绿色生态生产模式。弥补传统轮作春小麦收获后冬春季节地表裸露，改善农田生态环境。此外，由于本试验轮作周期较短，随着轮作年际的增加，土壤碳氮可能会呈现出不同的结果，在后面的试验中有待进一步研究监测。

4 讨论

土地种植模式及管理措施对SOC及其组分含量和土壤养分含量影响较大[9]。轮作不同冬季作物覆盖农田能够改善土壤团粒结构、提高土壤通透性，增强土壤保水保肥能力，增加土壤有机质和碳、氮含量[18]。连作能够使土壤SOC、HWC、DOC和微生物量碳氮含量降低，且随着连作年限的增加均呈下降趋势[19]。本文研究结果显示与单一连作相比，不同轮作农田复种绿肥可以提高土壤碳、氮含量。其原因是轮作倒茬的方式在土壤中存留了作物残渣及腐烂根系，为土壤微生物活动及繁殖提供了重要的营养物质，不同作物自身对养分利用能力的差异性导致土壤结构变化，可以有效改良土壤碳、氮水平[20]。且覆盖作物轮作农田模式在作物生长期间因地表覆盖，减少了土壤表层水分蒸发，提高了土壤表层温度，又因作物根系穿透能力强入土比较深，提高了土壤通透性，改善了土壤耕性。通过改变土壤水、肥、气、热的协调能力疏松了土壤、提高土壤质量[21]。不同冬季覆盖作物轮作模式丰富了土壤生物多样性，提高了土壤有机物质含量，进而改善了土壤微生态环境，促进了微生物活动及腐殖质的形成[13]。覆盖作物生长后期其根系活动能力相对减弱，减小了对土壤的干扰能力，同时根系产生了大量的脱落物和分泌物，有利于微生物的生长和繁殖，增强了土壤微生物和土壤生化活性作用，从而提高了土壤微生物生物碳氮含量[22]。

增施氮肥可提高作物生物量，进而提高根茬的输入量、SOC和土壤氮素含量[23]。在翻压等量绿肥条件下，适当减少化肥施用量,有利于提高土壤中养分含量，两者配施有利于土壤中有效养分的释放与累积[24]。这与本研究一致，相同轮作模式，施氮配合绿肥还田处理，有利于维持土壤碳、氮含量，在氮肥减量（N1）的条件下，与常规施氮（N2）相比较WCP轮作模式SOC、HWC、DOC及SMN含量无显著降低。此外，绿肥有一定的养分供应能力，能够促进作物生长，翻压绿肥作物能释放较多的氮素，可显著改善土壤环境和微生物活性并且可以减少土壤中的不利因素，有利于土壤养分的积累[25]。

较其他轮作模式处理相比，春小麦-冬油菜-箭筈豌豆（WCP）冬季覆盖轮作处理模式效果最好，其原因是油菜属于芸薹属作物，是一种优良的换茬作物，其根系生物量较高，在生长过程中会对土壤物理性状产生积极影响，对土壤碳氮素及一些速效养分均有良好的改善作用，具有显著的培肥养地效果[26-27]。冬油菜对土壤的覆盖度较大，能够较好地保持土壤表面水分，可有效地减小土壤表面的风蚀模数，对土壤水分、养分等具有较好的保持效果[28]。油菜属于直根系，根系分泌物能溶解和利用较深层土壤中的难溶性磷，而且在生育后期脱落叶片会将大量的氮磷钾养分归还到土壤中，另一方面，强大的根系使得土壤理化性质改良，土壤微生物和土壤生化活性提高，显著或极显著提高耕层土壤微生物量[29-30]。