翻压春油菜对土壤团聚体及腐殖质结合形态的影响

袁苗苗，赵 秋，田秀平，史昕倩，董家僖，向春阳，杜 锦

(1.天津市农业科学院，天津 300192；2.天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300384)

油菜绿肥作为有机肥料的一种，其生物量大、养分含量高、繁殖期短，对土壤肥力提升作用显著，是提高土壤团粒结构的重要因素之一，目前已为南方地区带来大量经济效益[11]，但油菜绿肥在华北地区种植时间短，对适宜华北地区种植的绿肥品种及种植技术研究较少，尤其是对土壤腐殖质结合形态和土壤团聚体影响的研究较少[12]，且前人只是单独研究绿肥对结合形态腐殖质和土壤团聚体的影响，鲜有深入研究二者关系的报道。因此，本研究以不同春油菜品种为研究对象，探讨了其翻压后对土壤腐殖质各结合形态和团聚体及其稳定性的影响，并阐明了土壤腐殖质结合形态各组分与不同粒径团聚体有机质、土壤腐殖质结合形态各组分与团聚体对土壤有机质贡献率的响应关系，以期为华北地区农业生产中合理种植春油菜绿肥，改善土壤肥力提供科学依据与参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验地点位于天津市宁河区林场(117.82°E，39.33°N)，气候类型属于大陆性季风气候，暖温带半干旱半湿润带。该地区年平均气温11.2 ℃，平均湿度66%；最低气温出现在1月，平均为-5.8 ℃；最高气温出现在7月，平均为25.7 ℃。年平均降水量642 mm，降水量70%集中在6-8月。全年无霜期240 d。供试土壤为潮土。2019年春试验播种前耕作层(0～20 cm)土壤的基本理化性状为：有机质含量16.07 g/kg、全氮含量0.96 g/kg、全磷含量0.36 g/kg、全钾含量23.59 g/kg、碱解氮含量65.06 mg/kg、有效磷含量31.63 mg/kg、速效钾含量127.78 mg/kg，pH值8.01，电导率222 μS/cm。

1.2 试验设计

分别于2019年3-9月和2020年3-9月开展田间小区试验，采用完全随机设计，设对照(春闲，CK)和9个不同春油菜品种处理，分别为中油肥1、中油肥2、中油肥1802、中油肥1804、中油肥1901、中油肥1903、中油肥1904、中油肥1906、中油肥1907，代号分别为ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF4、ZYF5、ZYF6、ZYF7、ZYF8、ZYF9，由天津市农业科学院油料作物研究所提供。油菜于2019 年3 月18日播种，采用条播，每个品种播种量为10 kg/hm2，行距25～30 cm，并于6月8日进行翻压。翻压后种植夏玉米，玉米种植前每个小区施底肥尿素 194.25 kg/hm2、氯化钾127.65 kg/hm2、二铵 194.25 kg/hm2。

1.3 样品的采集与测定

绿肥翻压前，每个品种分别取3个样方，每个样方1 m2(1 m×1 m)，烘箱内100～105 ℃杀青，65 ℃下烘干至恒定质量，测定植株生物量[6]，并取代表性根系样鲜质量不少于150 g，取代表性地上部分样鲜质量不少于200 g用于其测定植株含碳量。未种油菜前在每个小区采用多点法取0～20 cm耕层混合土样1个作为基础土样，测定土壤养分等指标；在玉米收获后的9月29日，分别在不同小区中采用多点法取0～20 cm混合土样，在实验室风干制备进行土壤结合形态腐殖质的测定、团聚体筛分等。

土壤基本理化性状测定方法参照鲍士旦[13]著《土壤农化分析》 。土壤团聚体测定方法为：将采集的土样带回实验室内风干，沿土壤结构的自然剖面掰分成10 mm 左右的团块过筛，取50 g采用湿筛法测定土壤水稳性团聚体组成，套筛由5，3，2，1，0.5，0.25 mm共6个筛子组成。结合形态腐殖质测定采用熊毅-傅积平改进法，采用比重为2.0 的重液，将游离态有机质(轻组)和有机无机复合体(重组)分离，重组土样测定总腐殖质含量，称取5 g重组土样，用 0.1 mol/L NaOH 反复处理重组土样，直至提取液无色或接近无色，提取部分为松结态腐殖质，分离后剩余土样加入50 mL 0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na4P2O7混合液，搅匀，于30 ℃保温箱内放置过夜，次日按同样方法用0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na4P2O7混合液提取稳结态腐殖质，残渣中为紧结态腐殖质。

1.4 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2019软件对原始数据进行统计和作图，并用SPSS 22.0软件进行差异显著性分析。参考王进等[14]和张钦等[8]的计算方法。

紧结态腐殖质=总腐殖质-松结态腐殖质-稳结态腐殖质

减压病是由于高压环境作业后减压不当，体内原已溶解的气体(主要是氮气)超过了过饱和界限，在血管内外及组织中形成气泡所致的全身性疾病[1]。减压病的发病机理中，气泡形成是原发因素；但因液气界面作用，尚可继发引起一系列病理生理反应[2-4]。本例减压病的发病原因主要考虑如下：潜水环境较差，潜水当日水温较低，10 ℃以下；水下停留时间较长且反复3次潜水；最主要考虑可能还是每次减压不正规(具体减压时间不详)。

①

某粒径团聚体组分的质量百分比含量=

②

③

土壤水稳性(湿筛)大团聚体含量(R>0.25)

④

团聚体中有机质富集系数(EC)=

⑤

团聚体中有机质贡献率=

⑥

2 结果与分析

2.1 不同春油菜翻压对土壤腐殖质结合形态的影响

由表1可知，各处理松结态腐殖质含量以ZYF5处理最高，比对照(CK)增加了138.61%，显著高于其他处理(P<0.05)，CK显著低于翻压春油菜的所有处理(P<0.05)；稳结态腐殖质含量，ZYF5比对照(CK)增加了60.22%，显著高于其他处理(ZYF3和ZYF8除外)(P<0.05)，CK显著低于翻压春油菜的所有处理(ZYF2除外)(P<0.05)；紧结态腐殖质具有较强的稳定性，能够直接反映出土壤腐殖质“老化”程度[15]，不同处理土壤紧结态腐殖质含量变化为4.45～7.45 g/kg，也以ZYF5最高，比对照(CK)增加了67.44%，CK最低，显著低于ZYF4、ZYF5处理(P<0.05)，但与其他处理之间差异不显著(P>0.05)。

松紧比及松稳比是反映腐殖质活性和品质的重要指标，通常比值高的土壤肥力较高，反之则较低[16]。经过春油菜翻压后的土壤松紧比有所提高，其中ZYF9较对照提高43.94%，但各处理间差异不显著(P>0.05)。土壤松稳比为0.78～1.17，以ZYF5最高，较对照提高49.43%，显著高于CK、ZYF1、ZYF3、ZYF4、ZYF6和ZYF8(P<0.05)，与ZYF2和ZYF7差异不显著(P>0.05)；除ZYF1、ZYF3、ZYF6和ZYF8之外，其他处理均显著(P<0.05)高于CK。说明春油菜翻压，尤其是ZYF5的加入，增加了土壤腐殖质活性，对培肥土壤有重要作用。

表1 不同处理土壤结合形态腐殖质的差异Tab.1 Differences of soil combination morphology in different treatments

2.2 不同春油菜翻压对土壤团聚体的影响

2.2.1 不同春油菜翻压对土壤团聚体质量百分含量的影响 良好的土壤结构要求有较多的土壤团聚体及适当的粒径分配，水稳性团聚体的数量和分布对衡量土壤结构的稳定性具有重要作用[17]。由表 2可以看出，不同处理土壤团聚体质量百分含量变化不同，其中，ZYF9在2019年5～3 mm粒级和2020年3～2 mm粒级中最高，ZYF5在2020年5～3 mm粒级中最高，9个春油菜处理在第2年较大团聚体均表现出增加趋势，未翻压春油菜的CK处理，>5 mm粒级土壤团聚体质量百分含量在第2年有所下降，这说明春油菜翻压有利于土壤中水稳定性小团聚体向较大的水稳定性大团聚体转化，提高团聚体稳定性，且以ZYF5和ZYF9效果较好。

表2 土壤团聚体质量百分含量Tab.2 Soil aggregate mass percentage %

2.2.2 不同春油菜翻压对土壤团聚体稳定性的影响 颗粒富集系数(EC)反映了该团聚体对该元素富集的强度，0.5≤EC≤1.5二者属同一水平，EC<0.5相对贫化[8]。由表3可以看出，在>5 mm粒级、5～3 mm粒级和1～0.5 mm粒级(ZYF4除外)中不同春油菜品种EC值均大于0.5，与CK相比，不同春油菜品种EC值有所提高，剩余粒径中的EC 值较CK有高有低。总体上，EC均<1，处于分解与积累同步状态。

表3 不同处理EC的差异Tab.3 Difference of EC in different treatments

水稳性大团聚体(R>0.25 mm)含量及数量的多少与土壤稳定性状况呈正相关关系，是定量评价土壤稳定性的重要指标[18]。由表4可以看出，连续2a翻压，春油菜均有利于土壤水稳性大团聚体含量的增加，其中ZYF3增加最多，为9.46%。ZYF5 2 a的土壤水稳性团聚体含量均达到最高，显著(P<0.05)高于其他品种(2019年ZYF9除外)，ZYF9次之，ZYF5、ZYF7、ZYF8、ZYF9 2 a的水稳定大团聚体含量与CK之间均达显著差异水平(P<0.05)，ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF4、ZYF6在2020年与CK之间也达到显著差异水平(P<0.05)。

土壤团聚体的平均质量直径(MWD)是反映土壤团聚体稳定性的重要指标，MWD值越大，表明土壤团聚体的团聚度越高，团聚体的稳定性就越好[19]。翻压春油菜在2 a的测定结果中均提高了土壤团聚体的平均直径(表4)，其中，ZYF5在2019年MWD仅次于ZYF3，在2020年达到最高，且2 a均显著高于CK(P<0.05)，ZYF9第1年虽不是较好，但第2年的MWD达到第2高，也显著(P<0.05)高于CK。CK处理的大团聚体数量虽然在第2年增加了0.5百分点，但其MWD有所下降，这是因为春油菜进入土壤后，其分解产物与土壤矿物质胶结、凝聚形成微团聚体，通过根系、真菌菌丝等胶结形成大团聚体，促进土壤有机碳的物理保护作用，并提升土壤团聚体的稳定性[20-21]。

表4 不同处理水稳性大团聚体及MWD的差异Tab.4 Difference of water-stable macroaggregates and MWD in different treatments

2.2.3 不同春油菜品种翻压对土壤有机质贡献率的影响 不同春油菜品种总体上0.5～0.25 mm粒级有机质贡献率最大。供试所有春油菜品种翻压，与CK相比，不同春油菜品种都提高了土壤各粒级对总有机质的贡献率总和，但增加程度不同。由表5可以看出，土壤各粒级对总有机质的贡献率总和以ZYF9增加最多，比CK增加了8.13百分点，其次是ZYF5，增加了7.41百分点。除ZYF5和ZYF9外，其他处理与CK之间无显著差异(P>0.05)。同一粒级不同处理>5 mm粒级和5～3 mm粒级对土壤总有机质的贡献率较CK均有所增加，0.5～0.25 mm粒级对土壤总有机质的贡献率较CK有所下降，其他粒级之间无明显规律。总体而言，水稳性大团聚体>0.25 mm粒级有机质对土壤有机质的贡献率最大，表明土壤中有机质主要来源于大团聚体(>0.25 mm)的闭蓄保护。

表5 土壤各粒级团聚体对土壤有机质总量的贡献率Tab.5 Contribution rate of aggregates with different sizes to soil total organic matter %

2.3 土壤结合形态腐殖质与团聚体的关系

土壤结合形态腐殖质的积累受到各粒径团聚体有机质含量的影响。由表6可以看出，总腐殖质及各结合形态腐殖质与团聚体对土壤有机质贡献率均呈极显著相关(P<0.01)，其中腐殖质和松结态腐殖质的相关系数大于0.7，说明团聚体对土壤有机质贡献率的增加对其含量积累的影响较为突出。由表7可以看出，松结态腐殖质与各粒径团聚体有机质含量均呈极显著正相关(P<0.01)，稳结态腐殖质与5～3 mm粒径团聚体有机质含量显著正相关(P<0.05)，与其他粒径团聚体有机质含量之间极显著正相关(P<0.01)。紧结态腐殖质与2～1 mm粒级团聚体有机质含量相关性不显著(P>0.05)，与1～0.5 mm粒径团聚体有机质含量显著正相关(P<0.05)，与其他粒径极团聚体有机质含量极显著正相关(P<0.01)。>5 mm 粒径与各粒级团聚体有机质含量均极显著正相关(P<0.01)；5～3 mm 粒径与2～1 mm粒径的团聚体有机质含量显著正相关(P<0.05)，与其他粒级团聚体有机质含量极显著正相关(P<0.01)；3～2 mm 粒径与各粒径的团聚体有机质极显著正相关(P<0.01)；2～1 mm粒级与各粒径团聚体有机质含量极显著正相关(P<0.01)；1～0.5 mm与0.5～0.25 mm 粒径团聚体有机质含量极显著正相关(P<0.01)。这说明春油菜翻压后，结合形态腐殖质有利于土壤大团聚体形成，而且结合形态腐殖质可以赋存在大团聚体。

表6 土壤结合形态腐殖质与团聚体对土壤有机质贡献率的关系Fig.6 The relationship between soil combined form humus and aggregates to soil organic matter contribution rate

表7 土壤结合形态腐殖质与团聚体各粒级的相关性Tab.7 Correlation between soil bound form humus and aggregate size

3 讨论与结论

前人研究表明，不同绿肥均能一定程度上提高土壤结合形态腐殖质的含量，主要集中在豆科冬绿肥[22-23]，本研究以非豆科春油菜品种作为绿肥对土壤结合形态腐殖质进行研究，与前人得出的结论一致，且不同春油菜品种松紧比以及松稳比较CK 有所增加，不同春油菜品种表现不同，说明腐殖质对不同春油菜品种有着不同的响应，这是由于不同油菜品种归还量、植株含碳量以及在土壤中腐解速度不同，从而对土壤有机无机复合体的形成、腐殖质含量以及土壤固持效率有不同影响。其中各结合形态腐殖质含量均以中油肥1901(ZYF5)提高最多，较CK松结态、稳结态以及紧结态腐殖质含量分别提高138.61%，60.22%，67.44%。已证实，中油肥1901(ZYF5)的生物量和总碳量最高，分别为(7 166.50±521.88)kg/hm2和(466.25±3.66)kg/hm2，翻压后土壤有机质总量(24.72±0.01)g/kg以及活性有机质含量(16.55±1.24)g/kg最高，说明其将有机质转化为腐殖质能力最强，所以翻压后会使土壤固持碳素的释放，即对土壤原有有机质起到活化与更新的作用，也就是起爆效应，从而增加腐殖质含量。另外，中油肥1901(ZYF5)翻压后主要增加了土壤胡敏酸((3.32±0.00)g/kg)和胡敏素((17.77±0.07)g/kg)的含量，进一步解释了松结态腐殖质和紧结态腐殖质含量增加较多的原因[24]。中油肥2(ZYF2)的生物量虽然较高((5 888.42±616.32)g/kg)，但其植株含碳量低((53.79±0.99)g/kg)，其归还土壤中有机质量也不高，所以其腐殖化程度较低，对结合形态腐殖质影响并不高[24]。

松紧比的提高表明，春油菜翻压增加了土壤新鲜腐殖质的比例，有利于腐殖质更新，新鲜腐殖质的形成使胶结作用增强，故而本研究的土壤团聚体质量百分含量高于CK。胡敏酸与钙离子结合形成的复合体与水稳性团粒的形成有关[3]，本研究中以胡敏酸为主的松结态腐殖质含量增加，且以中油肥1901(ZYF5)最好；较之CK处理，春油菜皆可不同程度增加水稳性大团聚体含量，以中油肥1901(ZYF5)最佳。各粒级土壤有机质的富集系数在1以下，虽然各处理分解与积累均处于同一水平，与CK相比，春油菜品种积累更多一点，富集系数有所提高，这可能是因为大团聚体初期形成的是稳定性较低的有机质，而这些有机质分解转化进入较小级别的团聚体，而分解的有机质也许来自 1～2 mm 粒径，因为其富集系数大部分低于0.5，说明其处于优先分解的状态，但还需要做进一步的验证。武均等[25]和徐文静等[26]一致认为>0.25 mm 团聚体为优势团聚体，是赋存有机碳的主要载体，具有明显的固碳能力，本研究中>0.25 mm 团聚体对有机质贡献率为51.86%～58.73%，进一步验证了这个观点。

由此得出，华北地区纳入春油菜绿肥可有效提高土壤松结态、稳结态、紧结态腐殖质含量，能有效提高团聚体对土壤有机质的贡献率，且对土壤团聚体稳定性起到一定积极的影响，其中春油菜中油肥1901和中油肥1907在提高土壤团聚体稳定性及对土壤有机质贡献率上最佳。