不同绿肥轮作模式对沿海滩涂土壤的改良效应

朱小梅， 洪立洲， 邢锦城， 刘 冲， 董 静， 王建红， 何苏南， 孙果丽

(1.江苏沿海地区农业科学研究所，江苏盐城224002；2.浙江省农业科学院，浙江杭州310021)

江苏沿海滩涂资源丰富，总面积约为6.87×105hm2，大概占中国滩涂总面积的1/4，且每年仍以几米至几十米的速率向东淤涨，最大淤进速率可达200 m/a[1]。随着江苏沿海开发战略的实施，新围垦滩涂盐碱地的开发利用潜力越发受到重视。但由于滩涂土壤盐分含量较高，其时空动态变化呈现的长期性和反复性导致农作物生长受阻、产量降低，这与滩涂土壤物理结构差、有机质含量低、养分供应不足等也密切相关。在自然进化条件下，滩涂盐碱地土壤有机质积累十分缓慢，而大量投入外源有机物则又存在着重金属、激素、抗生素累积过量等问题。

绿肥具有培肥地力、改善土壤结构、供给作物养分等作用，在传统农业中具有重要地位。有研究结果表明，田菁、黑麦草等绿肥均具有较强的耐旱、耐盐、耐瘠能力，在滩涂盐碱地种植可获得较高的生物量[2-3]。很多学者在绿肥种植与利用模式、绿肥对化肥的替代作用、绿肥对土壤结构和养分的影响等领域开展了大量研究[4-5]，但关于长期绿肥轮作还田对滩涂盐碱土的生物改良及盐渍化修复方面的系统研究还不多。本研究拟以新围垦滩涂盐碱地为长期定位试验点，探索黑麦草-田菁、蚕豆-田菁2种绿肥轮作模式下，连续种植并翻压绿肥对土壤养分及盐分含量的影响，以期为绿肥在滩涂盐碱土生态改良应用方面提供理论基础和技术参数。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

定位试验点位于江苏省东台市弶港镇条子泥垦区(32°51′6″N，120°53′31″E)，该区域属于北亚热带季风气候，年均气温13～16 ℃，年均降雨量900～1 300 mm。土壤类型为滨海盐潮土，基本性状见表1。

表1 供试土壤基本性状

1.2 试验设计

试验设蚕豆-田菁(VS)、黑麦草-田菁(LS) 2种绿肥轮作模式。每种模式设6次重复，随机区组排列，每个小区面积24 m2。根据前期试验结果，蚕豆、田菁施氮量均为180 kg/hm2，黑麦草施氮量为225 kg/hm2，磷肥施用量均为90 kg/hm2P2O5，钾肥施用量均为75 kg/hm2K2O。磷、钾肥全部作为基肥于当季施入，氮肥按基肥50%、追肥50%的比例施入。试验始于2017年10月，本研究共采集整理5季数据，VS轮作模式下第1季到第5季对应的绿肥植物为：蚕豆-田菁-蚕豆-田菁-蚕豆；LS轮作模式下第1季到第5季对应的绿肥植物为：黑麦草-田菁-黑麦草-田菁-黑麦草。蚕豆和黑麦草的播期为每年10月中旬，翻压期为翌年5月上中旬；田菁的播期为每年6月上旬，翻压期为每年8月下旬。绿肥翻压前测产，并采集植株样品用于养分含量的测定。土壤样品采集时间为每季绿肥翻压还田25 d后，取样深度为20 cm。

1.3 测定项目和方法

绿肥植株样品经105 ℃杀青、75 ℃烘干后，分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度法、K2Cr2O7容量法测定其全氮、全磷、全钾、有机碳含量[6]。土壤样品风干后，分别采用电位法、凯氏定氮法、K2Cr2O7容量法、残渣烘干-质量法、碱解扩散法、Olsen法、NH4OAc浸提-火焰光度法测定其pH值、全氮含量、有机碳含量、水溶性盐总量、碱解氮含量、有效磷含量和速效钾含量[6]。

试验数据采用Excel 2013和SPSS 26.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式下绿肥还田生物量

图1显示，VS轮作模式下，蚕豆秸秆生物量以第3季最高，为32.4 t/hm2，第1季、第5季生物量均低于30.0 t/hm2，且第5季生物量低于第1季和第3季。LS轮作模式下，第1季、第3季、第5季黑麦草生物量整体呈逐年递增趋势，第5季黑麦草生物量达76.6 t/hm2,各黑麦草种植季间生物量差异显著。VS和LS轮作模式下，第2季、第4季田菁生物量均高于35.0 t/hm2，且前茬蚕豆或黑麦草翻压量与下茬田菁的生物量呈正相关。LS轮作模式下，5季绿肥还田总生物量为231.6 t/hm2，较VS轮作模式下的168.4 t/hm2高37.5%。

同一种植模式不同种植季间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图1 不同轮作模式下不同种植季绿肥生物量Fig.1 Biomass of green manure in different planting seasons under different rotation patterns

2.2 不同轮作模式下绿肥养分累积量

表2显示，2种轮作模式下，第2季与第4季田菁翻压还田的磷、钾量无显著差异，碳、氮量差异显著。VS轮作模式下，第5季蚕豆秸秆还田碳、氮量显著高于第1季和第3季，磷、钾量则表现为第3季和第5季显著高于第1季。LS轮作模式下，各种植季黑麦草还田的碳、氮、磷、钾养分量均呈逐年递增趋势，第3季、第5季的碳、氮、磷、钾养分量与第1季相比，分别增加57.6%～145.7%、101.0%～155.2%、91.0%～160.2%和56.3%～129.7%。LS轮作模式下还田的碳、氮、磷、钾养分总量均明显高于VS轮作模式。

2.3 不同轮作模式下绿肥还田对土壤基本性状的影响

2.3.1 pH 图2显示，1～5季绿肥翻压还田后，土壤pH值为8.02～8.26，较种植前的8.01有所升高，且均以第4季田菁翻压还田后的土壤pH值最高，LS轮作模式下第2季田菁还田后土壤pH值及VS轮作模式下第5季蚕豆秸秆还田后土壤pH值较低，与种植前基本相当。

表2 不同轮作模式下绿肥养分累积量

同一种植模式不同种植季间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图2 不同绿肥轮作模式下不同种植季土壤pH变化Fig.2 Changes of soil pH in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.2 有机碳含量 图3显示，VS、LS轮作模式下，土壤有机碳含量均整体呈逐季增加趋势，与种植前相比，增幅分别为17.7%～90.9%(VS)和34.3%～99.6%(LS)，第5季土壤有机碳含量分别为6.64 g/kg(VS)和6.95 g/kg(LS),是种植前的近2倍。整体上，LS轮作模式下每季的土壤有机碳含量高于VS轮作模式。

同一种植模式不同种植季间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图3 不同绿肥轮作模式下不同种植季土壤有机碳含量变化Fig.3 Changes of soil organic carbon content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.3 全氮含量 图4显示，与种植前相比，种植并翻压绿肥可明显提升土壤中全氮含量，增幅为6.90%～100.00%，其中以第2季土壤中全氮含量最高，2种轮作模式下的土壤全氮含量分别为0.54 g/kg(VS)和0.58 g/kg(LS)，第3季稍有回落后又逐步上升，第5季土壤中全氮的含量分别为0.50 g/kg(VS)和0.58 g/kg(LS)，LS轮作模式效果优于VS轮作模式。

同一种植模式不同种植季间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图4 不同绿肥轮作模式下不同种植季土壤全氮含量变化Fig.4 Changes of soil total nitrogen content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.4 碱解氮含量 图5显示，除VS轮作模式下第1季土壤碱解氮含量外，2种轮作模式下第1～5季的土壤碱解氮含量总体呈缓慢增加趋势，较种植前增加53.6%～158.0%，且均以第5季的土壤碱解氮含量最高，分别为59.5 mg/kg(VS)和64.5 mg/kg(LS)。

同一种植模式不同种植季间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图5 不同绿肥轮作模式下不同种植季土壤碱解氮含量变化Fig.5 Changes of soil alkali-hydrolyzed nitrogen content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.5 有效磷含量 图6显示，2种轮作模式下，土壤有效磷含量较种植前增加1.39%～71.26%，其中，第1～3季土壤有效磷含量与种植前相比无显著差异，第4季、第5季土壤有效磷含量则显著提高，均达到20 mg/kg以上，且1～5季均以LS轮作模式下的土壤有效磷含量较高，这与绿肥根系对土壤磷的活化及绿肥生物量的逐季提升有密切关系。

同一种植模式不同种植季间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图6 不同绿肥轮作模式下不同种植季土壤有效磷含量变化Fig.6 Changes of soil available phosphorus content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.6 速效钾含量 图7显示，VS轮作模式下，除第2季土壤速效钾含量较种植前略有增高外，其他4个种植季的土壤速效钾含量(364～408 mg/kg)均低于种植前，但仍高于全国第二次土壤普查养分分级标准中的极高标准(≥200 mg/kg)。LS轮作模式下，除第4季速效钾含量略低于种植前外，其他4个种植季的速效钾含量较种植前分别增加9.38%～58.35%。

不同小写字母表示同一种植模式不同种植季间差异显著(P<0.05)。图7 不同绿肥轮作模式下不同种植季土壤速效钾含量变化Fig.7 Changes of soil available potassium content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.7 水溶性盐总量 图8显示，整体上以LS轮作模式对滩涂盐碱土的降盐效果较好。与种植前相比，绿肥翻压还田第1～3季土壤水溶性盐总量显著降低，表现为第1季>第2季>第3季，且2种轮作模式下第3季的土壤水溶性盐总量分别下降到0.83 g/kg(VS)和0.77 g/kg(LS)，而第4季、第5季的水溶性盐总量则有所增加，范围为1.15～1.50 g/kg，上升至轻度盐化土范畴[6]，且以VS轮作模式下土壤水溶性盐总量较高。

2.4 不同轮作模式下还田绿肥生物量、养分累积量与土壤基本性状指标间的相关性

表3显示，绿肥生物量与绿肥碳、氮、磷、钾累积量均呈极显著正相关关系。土壤有机碳含量、全氮含量与绿肥碳、氮、磷、钾累积量之间总体呈显著或极显著正相关关系。土壤有效磷、速效钾、碱解氮含量与绿肥生物量以及碳、氮、磷、钾累积量间也存在一定的正相关关系，但相关系数稍低。土壤水溶性盐总量与大部分指标间均呈负相关，间接说明了绿肥还田可降低滩涂盐碱土水溶性盐总量。

同一种植模式不同种植季间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图8 不同绿肥轮作模式下不同种植季土壤水溶性盐总量变化Fig.8 Changes of soil water-soluble salt content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

表3 绿肥生物量、养分累积量与土壤基本性状指标间的相关系数

3 讨论

3.1 不同轮作模式对还田绿肥生物量和养分累积量的影响

前人的研究结果表明，禾本科、豆科绿肥分别在抽穗初期和盛花期翻压还田对土壤的改良效应最优[2-5]。曾妮等[7]对黑麦草等绿肥的研究结果表明，以68.0 t/hm2的黑麦草还田，其可提供的氮、磷养分含量分别为230.0 kg/hm2和30.0 kg/hm2。本研究中，LS轮作模式下，第5季黑麦草的氮、磷养分还田量分别为187.3 kg/hm2和22.9 kg/hm2，这可能与不同试验条件及其翻压时期有关。本研究为兼顾蚕豆的经济效益，其秸秆是收获豆荚后再翻压，生物量低于刘阳等[8]在盛花期翻压的蚕豆秸秆，蚕豆秸秆还田的养分量总体低于田菁和黑麦草。

3.2 不同轮作模式下绿肥还田对土壤基本性状的影响

pH是重要的土壤理化指标之一，对土壤中元素存在形态、微生物繁殖及植物生长发育进程都有很大影响[9-15]。绿肥还田腐解后会产生大量腐殖酸，短期内土壤pH值会呈下降趋势[16-17]。有研究发现，绿肥还田后20 d，土壤pH值高于不还田处理，20～100 d呈现或增或降的动态变化[18]。邓小华等[19]也发现不同绿肥翻压还田3年后土壤pH无规律性变化。在本研究中，不同轮作模式下，各季绿肥还田后的土壤pH值或与种植前持平或略有增高。笔者认为：绿肥的种植和翻压增加了土壤中水稳性团聚体的数量，土壤对绿肥分解后小分子的有机酸及自身含有的碳酸盐等盐基离子引起的pH值变化有了较大的缓冲能力，使pH趋于平衡、稳定，而非单纯的上升或下降。另外，每季绿肥翻压量的不同及翻压后的降水、气温等环境因素变化也会影响绿肥的腐解速率以及与之密切相关的土壤pH。

种植绿肥并翻压还田有助于提高土壤中有机质含量，调节土壤养分平衡[20-22]。有研究发现，连续5年平均每年翻压绿肥22.5～30.0 t/hm2，土壤有机碳增加0.1%～0.2%[23]。本研究连续5个种植季，每季翻压绿肥27.6～76.6 t/hm2，第5季绿肥翻压后土壤有机碳含量为种植前的近2倍，与前人的研究结果差异较大，这可能与每季绿肥的翻压量较高及滩涂盐碱土本身有机碳基数较低，绿肥翻压还田更易被消解与吸纳，从而促进土壤有机碳含量的大幅提升有关。

在本研究中，VS、LS轮作模式下，每季绿肥翻压后的土壤全氮、碱解氮、有效磷含量均较种植前明显提高，这与前人的研究结果基本一致[18-19,24-25]。大量研究结果表明，绿肥还田可显著提升土壤中速效钾含量[18，25-26]，连续种植翻压绿肥3年后的土壤速效钾含量可比翻压前增加300 mg/kg以上[19]。本研究结果与之有所不同，LS轮作模式下，绿肥还田后土壤速效钾含量总体高于种植前，而VS轮作模式下土壤速效钾含量总体低于种植前。究其原因：一是相对于蚕豆而言，黑麦草有一定的耐盐能力[27]，在滩涂盐碱地适应性较强，生物量较高，根系也较发达，可活化吸收土壤中部分难溶性的钾，翻压还田后使0～20 cm土层中速效钾含量高于蚕豆处理；二是植株中的钾主要以离子或无机盐形态存在，极易分解释放，禾本科绿肥在翻压后30 d内，豆科绿肥在翻压后14 d内就可释放其钾总量的70%以上[28]，本研究土壤样品的采集时间为绿肥翻压后25 d，在此期间VS轮作模式下豆科绿肥释放的养分较集中，更易由于降水等因素产生淋溶损失，且尽管土壤胶体可以通过离子交换、静电吸附等形式固定一部分钾，但依然存在钾离子的流失，因此，VS轮作模式下土壤速效钾含量会出现低于种植前的情况。

综上所述，种植并翻压绿肥可有效改善土壤养分状况，降低土壤盐含量[29-31]，本研究侧重于比较绿肥种植前与各绿肥种植季之间滩涂土壤基本性状的变化，未做与不种植绿肥滩涂土壤之间的比较，今后将在这方面开展进一步的研究。

4 结论

蚕豆、田菁、黑麦草3种绿肥在沿海滩涂均具有较强的适应性，其中以黑麦草的种植效果最好，生物量呈逐年增加趋势，第5季生物量达76.6 t/hm2。2种轮作模式下，每季田菁生物量相差不大。LS轮作模式下5季绿肥碳、氮、磷、钾养分累积总量和还田总生物量较VS轮作模式分别增加27.8%、9.8%、33.6%、27.1%和37.5%。

LS、VS轮作模式下，1～5季绿肥翻压后土壤pH值为8.02～8.26，较种植前的8.01有所升高。土壤有机碳、全氮、碱解氮、有效磷含量分别较种植前增加17.7%～99.6%、6.90%～100.00%、53.6%～158.0%和1.39%～71.26%，且均以LS轮作模式下效果较优，而速效钾含量也仅在LS轮作模式下明显增加。2种轮作模式下，土壤水溶性盐总量在前3季逐渐下降至1 g/kg以下，后2季又呈上升态势。可见，LS轮作模式下种植绿肥并翻压还田可有效改善沿海滩涂土壤养分与盐分状况，提升滩涂土壤质量。