麥后復種綠肥對土壤有機碳及其固持特征的影響

白 璐，蔣福禎，曹衛東，李正鵬，嚴清彪，韓 梅

(1. 青海大學農林科學院，青海 西寧 810016；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

土壤有機碳在整個生態系統中起著十分重要的作用，其動態變化主要取決于碳源物質的循環，與土壤碳源物質的分解、轉化有密切關系[1]。土壤團聚體是構成土壤結構的重要組成部分，在土壤有機碳固定中起著重要的作用。土壤團聚體在流轉、分布、構成的過程中通常伴隨著土壤固碳[2]，土壤團聚體有機碳含量隨粒級的不同而變化[3]。土壤水穩性團聚體含量的分布受不同粒級的影響[4]。有研究表明[5-8]，在>0.25 mm 粒級下水穩性團聚體有機質含量高，但也有研究得出有機碳在<0.25 mm團聚體中含量達到最高[9]。麥后復種綠肥對土壤有機碳在不同粒級團聚體中的分布及固持特征報道較少[10]。

綠肥作物種植方式簡單，生長能力強，翻壓后能為土壤提供多種有機質和營養物質，可以改善土壤結構，增強土壤肥力及改善土壤團聚體的結構。同時，通過綠色植物起到保護生態環境的作用[11]。有研究表明種植綠肥可以增加土壤有機質含量，使土壤團聚體結構發生改變，同時保肥能力增強[12-14]。

針對青海高原地區小麥復種綠肥后土壤團聚體有機碳的研究較少。本研究設置不同化肥減施+毛葉苕子處理，以小麥田土壤有機碳的變化為主要研究對象，通過長期定位試驗，分析了土壤有機碳、團聚體有機碳的含量、分布及固持特征等，研究了不同化肥減施+毛葉苕子在配施處理下對土壤有機碳及團聚體有機碳的影響，為青海地區在該模式下合理施用化肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于青海省西寧市城北區農科院試驗地(36°62′N,101°77′E, 海拔2 261 m)，為2010年布置的一個綠肥長期定位試驗。年平均日照為2 044.1 h，年平均氣溫7.6℃，最高氣溫34.6℃，最低氣溫-18.9℃，全年平均氣溫日較差為15.7℃，禾本科作物生長期為219.5 d；年平均降水量368 mm，多集中在夏季，占年降水量的80%左右，年均蒸發量為1 729.8 mm，是降水量的4.7倍，禾本科作物生長期為219.5 d。試驗區土壤為栗鈣土，灌溉水源為北川渠，2010年試驗前土壤基礎性狀見表1。

表1 試驗地土壤基礎性狀

1.2 試驗設計

青海省的種植制度是一年一熟，供試材料小麥品種為青海早熟品種青春38號，毛葉苕子(ViciavillosaRoth)為土庫曼毛苕。小麥在3月中旬施肥后播種，7月下旬收獲，播種量105 kg·hm-2。小麥收獲后播種毛葉苕子(8月6日)，當年10月17日綠肥初花期地上部分收獲，留綠肥根茬，來年繼續播種小麥。

試驗共設8個處理，4次重復，小區面積20 m2，采用完全隨機區組排列。不同綠肥化肥配施與耕作措施見表2。在每一處理間設置一個保護行隔離小區，隔離區寬為0.5 m。

表2 試驗處理及耕作措施

100%化肥的用量為N 225 kg·hm-2，P2O5112.5 kg·hm-2。氮肥分兩次施肥，70%基施，30%追施。磷肥于小麥播種前結合翻地一次性底施。

1.3 測定指標和方法

土壤樣品：2019年4月10日、5月14日、6月17日、8月6日和10月17日(綠肥翻壓前)分別進行田間取樣，各小區隨機選取3個點，采集0～20 cm耕層的土壤樣品。

團聚體：于2019年8月6日小麥收獲期和10月17日綠肥初花期采集土樣，采集時去除土壤表面植株殘留的葉片及根系，運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞團聚體。將采集的土樣在實驗室內自然風干，沿土壤結構的自然剖面輕掰成1～2 cm左右的土塊，用于測定土壤團聚體穩定性指標。采用濕篩法獲得各級別團聚體的含量，通過孔徑為5、3、1、0.5和0.25 mm 5個篩級。

有機碳[15]：采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定。

1.4 相關參數計算

土壤有機碳(g·kg-1)=

團聚體有機碳貢獻率=

×100%

1.5 數據處理

采用SPSS 22.0軟件中LSD法進行方差分析和多重比較(α=0.05)，利用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 麥后復種綠肥土壤團聚體粒徑分布特征

小麥收獲期和綠肥初花期土壤團聚體粒徑分布見圖1。在0～20 cm土層中，對比兩個時期土壤團聚體分布的變化，土壤團聚體在>5 mm粒級下占比例最大，其次為小粒級0.25～0.5 mm，其他3個粒級土壤團聚體所占比例差異較小。圖1A所示，在小麥收獲期，>5 mm粒級下F70+G、F60+G處理土壤有機碳占比顯著高于其他處理，同粒級不同處理相比較F70+G>F60+G>F0+G0>F90+G>F100+G>F100>F0+G>F80+G，該粒級下土壤團聚體含量占比最高的為F70+G，較占比最低的處理F80+G高5.7%。3～5 mm粒級和1～3 mm粒級F100+G處理土壤團聚體含量顯著高于其他處理，其中，3～5 mm粒級F100+G為最高，其次為F60+G，較含量最低的F70+G分別高出0.9%和3.1%。0.5～1 mm粒級和0.25～0.5 mm粒級各處理之間土壤團聚體占比沒有顯著差異，其中0.25～0.5 mm粒級下F0+G0處理土壤團聚體碳含量占比最低，為2.13%，較最高F90+G和F100+G處理占比分別低2.44%和2.30%。

圖1 不同處理下土壤團聚體分布Fig.1 Distribution of soil aggregates underdifferent treatments

由圖1B可以看出，復種綠肥后>5 mm粒級和3～5 mm粒級各處理團聚體較小麥收獲期有所增加。>5 mm粒級下，不同處理土壤團聚體占比變化依次為F80+G>F90+G>F100+G>F60+G>F70+G>F100>F0+G>F0+G0，其中F80+G處理占比最高，為17.35%。 3～5 mm粒級中，F100+G處理土壤團聚體含所占比例最高，F60+G處理次之，分別為5.05%和4.65%，F0+G0處理比例最低，為2.30%。0.25～0.5 mm粒級中，各處理之間差異較為顯著，該粒級下土壤團聚體占比最高的為F100處理，F100+G與F70+G處理次之。其他粒級各個處理間差異不顯著。

2.2 麥后復種綠肥對土壤總有機碳含量的影響

由圖2可以看出，復種綠肥作物毛葉苕子土壤有機碳含量產生了一定的變化。在0～20 cm土層中，小麥播種前、拔節期和收獲期，各處理間土壤有機碳含量無顯著差異。在小麥分蘗期F60+G處理土壤有機碳含量顯著高于F70+G、F0+G0和F100處理，土壤有機質含量為8.85 g·kg-1。小麥收獲后復種毛葉苕子，各處理土壤有機碳含量在綠肥初花期有明顯增加的趨勢，較F100+G處理，F90+G和F0+G處理土壤有機碳含量顯著增加，在F90+G處理下土壤有機碳的含量最高，為9.04 g·kg-1。

圖2 不同處理下土壤有機碳含量Fig.2 Soil organic carbon content under different treatments

2.3 麥后復種綠肥對土壤團聚體碳含量的影響

綠肥的種植使得小麥田的土壤團聚體有機碳含量在不同時期和不同粒級上都發生了顯著變化。如圖3所示，在0～20 cm土層中，土壤團聚體有機碳含量隨著粒級的增大而呈上升的趨勢。>5 mm粒級下，綠肥初花期團聚體有機碳含量較小麥收獲期有所提高，兩個時期F70+G處理顯著高于其他處理，F90+G次之，分別較收獲期增加1.5 g·kg-1和1.0 g·kg-1；對比兩個時期3～5 mm粒級變化情況，綠肥初花期各處理土壤團聚體有機碳含量分別提高2.7、0.5、1.5、0.6、0.3、0.1、0.1 g·kg-1和0.9 g·kg-1；在1～3 mm粒級中，兩個時期土壤團聚體有機碳含量各處理之間無顯著差異。0.5～1 mm粒級中，綠肥初花期較小麥收獲期土壤團聚體有機碳含量增長幅度較小，各處理之間差異較為顯著，其中小麥收獲期F90+G處理含量最高為4.1 g·kg-1，綠肥初花期F80+G處理最高(5.1 g·kg-1)；0.25～0.5 mm粒級中，各處理之間土壤團聚體有機碳含量變化較大，其中F90+G處理的土壤團聚體有機碳含量在收獲期和初花期均為最高，F0+G處理則變化最大，由小麥收獲期的3.5 g·kg-1增加到綠肥初花期的4.6 g·kg-1。以上可以看出，在小麥收獲期與綠肥初花期耕層(0～20 cm)土壤團聚體有機碳含量在>5 mm粒級下最高，3～5 mm粒級綠肥根茬還田的處理土壤團聚體有機碳含量有所增加，1～3 mm粒級下各處理間土壤團聚體有機碳含量差異不顯著，0.25～0.5 mm粒級變化最為顯著。

圖3 不同處理下土壤團聚體有機碳含量Fig.3 Soil aggregate organic carbon contentunder different treatments

2.4 麥后復種綠肥對土壤團聚體碳富集的影響

富集系數(Enrichment coefficient)反映團聚體中該元素的富集強度。富集系數>1，表明碳元素優先積累，富集系數<1則表示優先分解，富集系數>3則表示強烈富集，當富集系數≥1.5時，則表示相對富集，0.5 ≤富集系數≤1.5，則表示處于同一水平，富集系數<0.5時，表示相對貧化，富集系數<0.1時為強烈貧化[16]。對比圖4A和4B可以看出，富集系數集中在1.58～0.83，大多處理富集系數>1，處于優先積累狀態。小麥收獲期>5 mm富集系數除F100+G和F60+G，其余均>1，處于優先積累狀態；在3～5 mm富集系數處理均>1，其中F70+G≥1.5，表示該處理在該粒級下為相對富集狀態；1～3 mm、0.5～1 mm以及0.25～0.5 mm粒級中，F70+G的富集系數依然最高，處于相對富集狀態，其他處理為>1為優先積累。

圖4 不同處理下各粒級土壤有機碳富集系數Fig.4 Enrichment factors of soil organic carbonin different size fractions under different treatments

土壤團聚體富集系數在綠肥初花期多集中在>1，處于優先積累狀態。>5 mm粒級富集系數中，F60+G和F100處理<1處于分解狀態；在3～5 mm和1～3 mm粒級下初花期較收獲期相比富集系數顯著提高，均處于>1的積累狀態；在0.5～1 mm粒級中，各處理間差異顯著，F100+G和F80+G處理處于分解狀態，其他處理依然高于1，處于積累狀態且顯著高于收獲期富集系數；在0.25～0.5 mm粒級中，各處理富集系數變化較為明顯，其中F90+G、F0+0和F100處理為分解狀態，其他處理為積累狀態。因此，種植綠肥可以一定程度提高土壤團聚體中富集系數，不同處理對不同粒級的影響不同。

2.5 麥后復種綠肥對土壤各粒級團聚體碳貢獻率的影響

由圖5可以看出，在小麥收獲期和綠肥初花期各處理>0.5 mm粒級的團聚體有機碳貢獻率占80%以上，其中>5 mm粒級有機碳貢獻率最大，1～3 mm粒級有機碳貢獻率最小；小麥收獲期不同的處理之間，>5 mm粒級有機碳貢獻率變化較大，F70+G處理貢獻率為68%，而F90+G處理則為20%，其他粒級范圍的有機碳貢獻率變化較小。綠肥初花期除F70+G處理，其他處理在>5 mm粒級有機碳貢獻率最大，F100+G、F80+G和F0+G處理在0.5～1 mm粒級有機碳貢獻率最小，F90+G、F70+G、F60+G及F100處理在3～1 mm粒級有機碳貢獻率最小，而F0+G0處理在這兩個粒級下貢獻率相同，為12%。不同處理間，F70+G處理的貢獻率變化范圍較其他處理大，同粒級相比，F70+G處理在0.5～0.25 mm顯著高于其他處理的有機碳貢獻率，高達28%，而在>5 mm粒級，F70+G處理的有機碳貢獻率最低，為20%，F80+G處理有機碳貢獻率最高，為63%，其他處理各粒級間有機碳貢獻率變化范圍較小。對比小麥收獲與綠肥初花兩個時期可知，復種綠肥后對土壤有機碳貢獻率有顯著影響。

圖5 不同處理下各粒級土壤團聚體有機碳貢獻率Fig.5 Contribution rate of soil aggregate organic carbonin different size fractions under different treatments

3 討 論

3.1 麥后復種綠肥對土壤團聚體粒徑分布的影響

化肥與綠肥配施可提高>0.25 mm 粒級團聚體所占比例，可顯著增加土壤中大粒級有機碳含量[17]，同時，土壤團聚體含量與>5mm粒級的團聚體所占的比例呈正相關。本研究發現，與不施肥的F0+G0處理相比，無論單施化肥還是化肥與綠肥配施，均不同程度地提高了土壤團聚體有機碳含量，其中F80+G變化幅度最大，這與劉科恩等[18]研究得出大粒級團聚體(>0.25 mm粒級)有機碳含量增加與長期有機肥配施化肥密切相關一致。與本研究結果相似，高菊生等[19]研究發現，秸稈與化肥配施可使土壤團聚體穩定性得到提升。由此可知，化肥與綠肥配施可以有效促進土壤團聚體的形成，從而起到保護土壤中有機質的作用。

3.2 麥后復種綠肥對土壤有機碳的影響

土壤有機碳作為土壤的重要組成部分，對于土壤的結構、碳循環以及農業可持續發展起著重要作用[20]。土壤有機碳含量易受外界有機物料的影響，在短時間內為土壤提供大量的有機物質，提升有機碳庫的固碳能力，從而達到增加土壤有機碳含量的目的。而單施化肥對土壤有機碳含量的影響不顯著[21-22]，耕層土壤有機碳含量靠單一的施肥方法無法保持。本試驗基于青海麥后復種綠肥10 a的長期定位試驗，研究發現復種綠肥有利于增加表層(0～20 cm)土壤有機碳含量。本研究表明，復種綠肥后土壤有機碳含量顯著高于復種綠肥前，在氮肥與綠肥配施下，各處理有機碳含量均有不同程度的提高，其中F70%+G處理下土壤的有機碳含量增幅最大，這與李紅燕[23]等關于復種豆科綠肥顯著提高雙季稻土壤有機質含量的研究結果一致。另外，相關研究表明豆科植物翻壓后除顯著提高土壤有機碳含量外，還能提升土壤全氮含量，增加土壤有效磷、速效鉀的活性[24-26]。綜上所述，復種綠肥后可以較好地改善土壤質量，增加土壤有機碳含量，影響土壤有機碳的結構與功能。

3.3 麥后復種綠肥對土壤團聚體碳含量的影響

土壤團聚體作為土壤結構中的物質基礎，其結構和性質對土壤質量有直接影響。對此，國內外學者針對綠肥還田對土壤有機碳、團聚體有機碳的分布及其固持特征等展開了大量的研究。研究發現，土壤團聚體有機碳含量與粒級有密切關系[27]，本研究發現在0～20 cm土層中，無論是小麥收獲期還是綠肥初花期，均是團聚體>5 mm 粒級的有機碳含量最高，在0.25～0.5 mm粒級，各處理之間的差異性最大。對比復種綠肥前后兩個時期，從毛葉苕子復種后到初花期，土壤團聚體含量有顯著提高，這與李曉莎[28]研究發現秸稈還田增加了團聚體數量，并提高團聚體吸附碳庫的能力一致。有機碳主要分布在大粒級(>0.25 mm)團聚體上[29]，但本研究中則在>5 mm粒級上團聚體有機碳含量最高，1～3 mm粒級團聚體有機碳含量最低，這可能是由于>5 mm粒級表面積較大，使有機碳得到更好固定，導致其土壤團聚體中有機碳含量顯著高于其他4個粒級。

3.4 麥后復種綠肥對土壤團聚體有機碳富集的影響

有研究表明[30]，綠肥-化肥配施以及綠肥還田等方式能顯著增加土壤有機碳含量和富集系數。有機碳的富集系數隨粒級的變化而變化，各粒級的土壤有機碳富集系數在0.83與1.58之間。在>5 mm 粒級中，大多數處理的富集系數>1，在1～3 mm粒級和0.25～0.5 mm粒級時，均達到1，處于積累狀態，富集系數未達到1的處理說明其處于優先分解狀態。由不同處理可見，種植毛葉苕子后，可以在一定程度上影響土壤團聚體的有機碳富集系數。

3.5 麥后復種綠肥對土壤各粒級團聚體碳貢獻率的影響

前人研究[31-32]得出，大粒級的團聚體貢獻率占比80%以上，化肥與綠肥配施使土壤中的有機碳含量增加，貢獻率也隨之增加。本試驗發現，>5 mm粒級的貢獻率最大，1～3 mm粒級的有機碳貢獻率最小。從小麥收獲期復種綠肥，到綠肥初花期各處理小粒徑的貢獻率均顯著增加，這與尹云峰等[33]的研究結果一致。由此可見，復種綠肥后可改變大粒級土壤團聚體與小粒級團聚體碳含量之間貢獻率，從而為土壤固碳提供一定基礎，且為土壤提供的貢獻率較大，為達到土壤固碳提供一定基礎。

4 結 論

麥后復種毛葉苕子配施化肥增加了土壤有機碳含量，由播種前的7.45～8.25 g·kg-1，增加到了8.45～9.35 g·kg-1；0～20 cm土層的團聚體含量及其穩定性顯著提高，其中F80+G增幅最大為17.35 g·kg-1；土壤團聚體各粒級有機碳含量顯著增加，其中，大粒級團聚體含量顯著高于微團聚體，同時貢獻率也最大，表明種植毛葉苕子有利于提高土壤團聚體有機碳的貢獻率，對土壤有良好的改善作用。