京郊地区不同绿肥作物还田的土壤理化性状

苏宝财，赵阳佳，张震东，吕鹏辉，徐小萌，王 婷，周吉红，李润枝*

(1.农业应用新技术北京市重点实验室/植物生产国家级实验教学示范中心/北京农学院，北京102206；2.北京市农业技术推广站，北京100029)

绿肥是由绿色植物制成的养分完全的生物肥料，翻压绿肥对土壤益处颇多。其不仅可以增加土壤肥力、促进土壤团粒结构的形成，还可以为后茬作物的生长提供充足的养分[1]。绿肥的使用在一定程度上可以减少环境污染[2]；种植绿肥可以使土地合理轮休，防止土地的过度使用而使土壤肥力下降造成土壤退化[3]。由于绿肥含有较多水分，其在翻压后可迅速腐解，在短时间内为后茬作物生长提供充足养分。这种绿色农业的发展与当代人们追求环保的理念相符合[4]。翻压绿肥能够减少农民对化学肥料的使用，同时也不影响作物产量。

土壤肥力对作物产量有重要影响。土壤的水分、pH、全氮、有机碳等理化性状是评价土壤肥力水平的重要指标。水分与植物体密切相关，土壤含水量过低会严重影响土体中营养物质的迁移，对作物生长极为不利[5]。有研究表明，绿肥的翻压可以改善土壤结构，增加土壤中团粒结构数量，提高土壤蓄水保墒能力，翻压绿肥对调节土壤pH、改善地表温度等有很大作用[6]。另外，绿肥的翻压对土壤养分也有重要影响。绿肥翻压在一定程度上会增加土壤有机碳的含量，土壤有机碳库的稳定对维持全球碳平衡、缓解温室效应以及维持全球气候的稳定有重要影响[7]。翻压绿肥不仅会增加土壤铵态氮、硝态氮含量，且可以提高大面积闲田利用率，对改善土壤肥力效果显著[8]。

京郊地区耕地土壤有机质含量较少，土壤肥力中等，冬闲田面积较大，且冬季闲田土地裸露严重[9]，绿肥的种植不仅可以提高耕地质量，还可以防风固沙，净化空气，对减少水土流失也有一定作用[10]。在早期的试验研究中，筛选出适宜北京气候特点以及栽培方式的绿肥作物有：十字花科二月兰、冬油菜；禾本科鼠茅草、黑麦草；豆科三叶草、毛叶苕子、箭舌豌豆、田菁、草木栖、等品种。近年来，梁金凤[11]研究表明二月兰适宜北京地区种植，二月兰有着较长的花期，花色淡雅，春季形成优美的田园风光，也解决了北方冬春两季农田裸露问题，是发展休闲观光农业的首选冬种绿肥作物。梁金凤[12]等在秋播和春播的观察试验中得出，一年生黑麦草、三叶草以及毛叶苕子为最适宜的品种，抗旱性、耐低温性强，越冬后成活率较高。为此，在京郊地区发展绿肥种植成为可能。本研究以4种绿肥作物翻压后对土壤理化性状的影响，筛选适宜种植的绿肥种类，以期为京郊地区农田土壤改良与生态农业发展提供指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验小麦品种为农大212；绿肥作物分别为油菜、紫云英、草木樨、毛叶苕子。

1.2 测定指标及方法

试验在顺义区北小营镇进行，其中小麦的播种时间为2017年9月26日，绿肥作物播种时间为2018年3月27日，于2018年6月15日对绿肥进行翻压，在绿肥苗期进行1次浇水保证出苗率，后期全程无灌溉、不施肥。

植株生物量及养分累积量：在生长期内共取5次样。取样时间分别为：5月5日、5月11日、5月25日、6月1日、6月15日。方法为：每小区随机取10株作物，测量其地上部鲜质量、干质量、植株全氮、全碳含量，3次重复。植株干质量的测定方法为：105 ℃杀青20 min，降温到65 ℃烘干，测定干质量。

植株全碳全氮：取10～15 mg粉碎后的烘干植株粉末作为分析材料，置于锡舟中，包好无泄漏后置于元素分析仪(LC-10Tvp)中进行分析。

土壤水分：采用土钻取土法进行田间取土工作，分别取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm深的土样，各小区随机取样，重复3次，带回实验室测量土壤质量，而后置于105 ℃±2 ℃的烘箱中烘至恒重，再次称重，通过计算求出土壤质量含水量。

pH值：采用通过2 mm筛孔的风干土样，对0～20 cm土层的土壤pH进行测定。取10.00 g土样置于烧杯中，加入25 mL无二氧化碳的水，用玻璃棒剧烈搅拌1～2 min后，静置30 min，用pH计(PHS-3C)测定即可。

土壤全氮、全碳：采用万分之一天平称取约0.5 mg碳酸钙为标准样品于锡舟中包好待用，称取20～25 mg土壤样品于锡舟中，包好无泄漏后置于元素分析仪中进行分析。

土壤有机碳：采用万分之一天平称取约0.5 mg碳酸钙为标准样品于银舟中包好待用，用天平称取40～50 mg土壤样品于银舟中，滴入1 mol/L稀盐酸，放入105 ℃烘箱内1 h，取出后包好，采用TOC分析仪(RT1901A)进行测定。

试验数据采用Microsoft office 2010整理与分析，利用SPSS 23.0软件对数据进行统计分析，数据的多重比较采用LSD最小显著差异法。

2 结果与分析

2.1 绿肥植株生物量和植株碳氮含量的变化

2.1.1 生物量 不同绿肥作物植株随着生长时间的逐渐增加，其鲜质量和干质量也逐渐增加。由图1可以看出，毛叶苕子植株鲜质量在快速生长期后显著高于其他几种作物(P≤0.05)，紫云英植株鲜质量显著低于小麦。在6月15日翻压时，毛叶苕子鲜质量最大，为211.84 g/株，显著高于小麦及其他几种作物；草木樨与小麦鲜质量无显著差异，紫云英鲜质量最低，为8.42 g/株，显著低于小麦和其他几种绿肥作物。由图1可以看出，油菜植株干质量在前期高于小麦；毛叶苕子干质量前期低于小麦，在快速生长期干质量不断累积，后期干质量大于小麦，紫云英、草木樨干质量相对较低，始终低于小麦。在6月15日翻压时，毛叶苕子干质量最大，为47.82 g/株，显著高于小麦(P≤0.05)；紫云英干质量最小，为2.33 g/株，显著低于小麦。

图1 不同生长时期绿肥生物量变化Fig.1 Biomass changes in green manure at different growth stages

2.1.2 植株碳氮含量 随着植株的生长，植株全氮累积量总体呈现出下降的趋势。从图2可以看出，4种绿肥作物的全氮累积量始终高于小麦。在6月15日翻压时，毛叶苕子的全氮累积量最高，显著(P≤0.05)高于其他几种绿肥作物；小麦全氮累积量最低，且与4种绿肥作物差异显著。

不同作物随着生育期增加全碳累积量变化不同。从图2可以看出，毛叶苕子、紫云英、小麦全碳累积量先降低后增加，油菜、草木樨全碳累积量逐渐增加，在6月15日翻压时，不同绿肥作物全碳累积量均有明显的增加，其中油菜全碳累积量最大，为636.26 g/kg，显著(P≤0.05)高于其他4种绿肥作物，4种绿肥作物间全碳累积量无显著差异。与5月5日相比，油菜的全碳累积量增幅最大，为163.33 g/kg；小麦全碳累积量增幅最小，为14.91 g/kg。

随着植株的生长，不同作物C/N含量呈现出逐渐增加的趋势。从图2中可以看出，在作物生长的各时期内，小麦的C/N含量均显著(P≤0.05)高于4种绿肥作物，毛叶苕子C/N含量相对较低，在6月15日翻压时，可以看出，小麦植株C/N含量最大，为31.15，显著高于其他4种绿肥作物；毛叶苕子C/N含量最低，为13.82；草木樨、紫云英、油菜植株C/N含量分别为16.70、20.21、22.60，与小麦无显著差异。

图2 不同作物生长期植株养分含量Fig.2 Plant nutrient content in different crop growth stages

2.2 绿肥翻压后的土壤肥力指标

2.2.1 土壤水分 从表1可以看出，翻压后随着时间的增加，不同深度的土壤含水量均呈现先增加，后降低的趋势。翻压绿肥作物76 d后，在0～20 cm土壤深度下，翻压油菜的土壤含水量最高，为20.13%，与翻压小麦土壤含水量差异显著(P≤0.05)而翻压其余3种绿肥作物和翻压小麦土壤含水量相比差异不显著。在20～40 cm土壤深度下，翻压油菜的土壤含水量最高，为21.81%，显著高于翻压小麦土壤含水量，而翻压毛叶苕子、紫云英、小麦土壤含水量分别为20.31%、19.87%、19.19%，三者间并无显著性差异。在40～60 cm土壤深度下，翻压小麦土壤含水量最低，为19.20%，与翻压其余4种绿肥作物土壤含水量差异显著(P≤0.05)。

表1 翻压后不同时间土壤含水量的变化Tab.1 Changes in soil water content at different times after overturning

2.2.2 土壤pH值 由表2可知，绿肥翻压后，种植油菜的土壤pH值显著(P≤0.05)低于小麦及其他几种作物的土壤pH，翻压后随着时间的增加，翻压不同绿肥作物的土壤pH变化趋势不同，在翻压76 d后，翻压小麦的土壤pH值最高，为7.98，与翻压其他几种绿肥作物土壤pH差异显著；翻压毛叶苕子的土壤pH最低，为7.67，与翻压油菜土壤pH无显著差异，但显著(P≤0.05)低于翻压其他几种绿肥作物的土壤pH。在本试验中，翻压毛叶苕子和草木樨两种绿肥作物后，土壤pH分别下降0.23、0.2，翻压紫云英后土壤pH无变化；翻压小麦和油菜后，土壤pH分别增加0.02、0.17。

表2 翻压后不同时间土壤pH的变化Tab.2 Changes in soil pH at different times after tumbling

2.2.3 土壤养分

1)土壤全碳、全氮含量。从图3可以看出，土壤全氮含量呈现出先升高后降低的趋势，翻压绿肥作物76 d后，小麦处理的土壤全氮含量显著(P≤0.05)低于其他几种绿肥作物处理，为2.49 g/kg。

从图3中可以看出，翻压紫云英、小麦、草木樨后，随着时间的增加，土壤全碳含量先升高而后降低，翻压油菜的土壤全碳含量变化不显著(P≤0.05)，翻压毛叶苕子的土壤全碳含量总体呈现出逐渐下降的趋势；在本试验中，翻压绿肥作物76 d后，翻压油菜的土壤全碳含量显著高于翻压其他几种作物，为36.72 g/kg；虽然草木樨腐解对土壤全碳含量的影响在数值上高于小麦，但差异不显著。翻压其他几种绿肥作物与翻压小麦对土壤全碳含量均没有显著性差异。

图3 土壤全氮全碳累积量Fig.3 Soil total nitrogen total carbon accumulation

2)土壤有机碳含量。从图4可以看出，不同作物翻压前后土壤有机碳含量变化不同。总体来看，在翻压绿肥作物36 d后，翻压小麦和油菜土壤有机碳含量呈现下降趋势，而翻压紫云英、草木樨和毛叶苕子的土壤有机碳含量呈现上升趋势，其中翻压毛叶苕子土壤有机碳积累总量最高，为11.26 g/kg。翻压紫云英的土壤有机碳积累总量最低，为9.88 g/kg。翻压油菜土壤有机碳含量下降最多，为0.51 g/kg，而翻压草木樨的土壤有机碳含量增加最多，为1.17 g/kg。

图4 翻压后不同时间土壤有机碳含量的变化Fig.4 Changes in soil organic carbon content at different times after tumbling

3 讨论和结论

本试验对不同作物生物量及养分累积量进行了测定，结果表明在绿肥翻压时，不同绿肥作物鲜质量、干质量变化趋势均有增加。和其他几种绿肥作物相比，紫云英鲜质量干质量均为最低，显著低于小麦的鲜质量和干质量；而毛叶苕子的鲜质量干质量均为最大，且显著高于小麦的鲜质量和干质量；李俊良[13]研究发现，较低的C/N更有利于有机肥的分解。本试验中4种绿肥作物的C/N显著低于小麦，相比于小麦更易于腐解，其中毛叶苕子C/N最低，为13.82，其腐解速度最快。

李利利[14]的研究表明，翻压毛苕子和小黑麦的土壤在40 cm土层以下含水量显著低于对照，而在40 cm以上土层含水量显著高于对照。本试验发现，翻压绿肥作物76 d后，可以显著提高0～40 cm土壤含水量，但对40～60 cm土壤影响较小，可能是由于绿肥翻压深度较浅，未对深层的土壤含水量产生较大影响，但还需进一步试验验证。

李宏图[15]等的研究发现旱地种植绿肥可降低土壤pH值，且最高可降低0.23个单位。在本试验中，翻压毛叶苕子后，土壤pH降幅最大，其下降值为0.23，同样，翻压毛叶苕子后土壤pH最低，为7.67；翻压小麦和油菜后，土壤pH分别为7.98、7.73，其值比翻压前增加0.02、0.17，但翻压紫云英后土壤pH无变化；表明部分绿肥的翻压可以调节土壤pH在合理的范围内，使土壤无机盐离子更易于作物吸收与利用。

李正[16]等研究表明，植烟土壤翻压绿肥3年后与对照相比，土壤有机碳、全氮含量分别提高了27.84% ～ 53.77%，8.85% ～ 40.95%， 翻压绿肥还可以提高土壤微生物活性，有利于加快绿肥腐解，提高土壤肥力。吕玉虎[17]等研究发现，在盛花期翻压紫云英可以显著提高土壤速效氮含量，为后茬作物生长提供充足的氮素。其中常规施肥土壤速效氮含量为46.0 mg/kg，在盛花期前和盛花期后翻压紫云英土壤速效氮分别为50.9 mg/kg和5.3 mg/kg，而在盛花期翻压紫云英，土壤耕层速效氮含量含量最高，为56.5 mg/kg，与常规施肥、盛花期前和盛花期后翻压紫云英土壤速效氮分别提高了 22. 8% 、11.0%、2. 1%。

绿肥的翻压在一定程度上增加了土壤有机碳的含量。白璐[18]研究认为复种毛叶苕子可以显著增加土壤中有机碳含量，冯颖[19]的研究则认为紫云英配施80%的化肥，能够使土壤有机碳减少降解，从而提高土壤肥力。本研究发现，翻压紫云英、草木樨和毛叶苕子的土壤有机碳含量呈现上升趋势，其中翻压毛叶苕子土壤有机碳含量最高，为11.26 g/kg。

本试验中，毛叶苕子翻压时鲜质量和干质量最大，而C/N最低，为13.82，相比其他几种绿肥作物，毛叶苕子在翻压后腐解速率最快，可以为后茬作物生长提供一定量的速效养分；且其在翻压腐解后，可以降低土壤pH，增加土壤有机碳含量，经过综合评比，本研究的4种绿肥作物中，毛叶苕子为最优种植绿肥作物。