綠肥根茬還田和化肥用量對土壤團聚性及碳氮分布的影響

劉小粉，王清濤，白雙宇，盧彥琦，劉春增，曹衛東

（1.河北工程大學，河北 邯鄲 056038；2.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

團聚體作為土壤肥力的調節器，在協調土壤水、肥、氣、熱，改善土壤結構及促進植物根系生長方面發揮著重要作用［1-3］。有機碳作為土壤肥力和土壤質量好壞的重要衡量指標，也直接或間接影響土壤生態系統中的養分循環、水分保持、土壤結構改良及植物生長發育等［1-3］，土壤碳庫大小及轉化速率還可能引起環境溫室氣體變化。因此，土壤團聚體和有機碳的相關研究不僅受到土壤學家的重視，也在全球環境變化研究中得到極大的關注［4-5］。近年來，隨著團聚體形成模型［6-7］的建立，學者們在探索土壤有機碳固持和轉化機制時往往從團聚體層面著手展開，土壤團聚體形成、分布、穩定性與有機碳固持的關系及其對農業管理措施的響應成為土壤學研究的熱點［1-3］。

綠肥作為一種清潔肥源，翻壓還田能替代20%～60%的化學氮肥而保證不減產，還田后能增加土壤碳氮、改善土壤團聚性、影響微生物碳和酶活性，同時為作物生長提供大量養分和良好生長環境［8-12］，在農業可持續發展中越來越被重視。趙秋等［13］發現，短期冬綠肥翻壓還田對玉米產量、土壤pH、速效氮、有效磷含量無顯著影響，但能顯著提高土壤有機碳含量，且二月蘭顯著高于毛葉苕子。也有研究發現，翻壓綠肥能顯著提高土壤全氮、有效磷和速效鉀含量，使土壤C/N 降低高達21%［14］。張欽等［15］發現，連續進行綠肥根茬還田會改變土壤和團聚體有機碳含量，且不同綠肥（箭筈豌豆、肥田蘿卜、藍花苕子、毛葉苕子、光葉苕子）效果有差別。可見，綠肥翻壓效果如何與土壤本身性質、綠肥種類及綠肥還田方式（綠肥還田、根茬還田等）關系密切。

豫南作為單季稻產區，每年有大量冬閑田，受當地財政支持、科研投入等多種因素影響，近年來紫云英作為當地受歡迎的綠肥品種重新受到農民歡迎，通常種植于冬閑田，與水稻進行輪作，紫云英輪作后主要有兩種利用方式：水稻插秧前作為綠肥翻壓還田或收割秸稈以儲存鮮草作飼料（僅留根茬還田）。綠肥翻壓還田對節省化肥、土壤養分含量、碳氮固持、水稻產量等的影響已有大量研究［9，16-17］，而綠肥根 茬還田效 果缺乏廣泛研究［15，18］，尤其是紫云英根茬還田配施化肥效果如何尚未見報道。該研究擬通過短期（3 年）定位試驗探討綠肥根茬還田和化肥施用量對土壤團聚性及碳氮分布特征的影響，為土壤培肥和發展畜牧業提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

該定位試驗于2009 年設置在河南省信陽市農科院試驗田（32°07′ N，114°05′ E），該土壤為典型水稻土，耕層土壤質地為粘壤，耕作制度為單季稻（冬季田地空閑，稱為冬閑田）。水稻種植季當地常規施肥（該試驗稱為100%化肥），氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）施用量分別為225、135 和135 kg/hm2，磷鉀肥（普通過磷酸鈣和氯化鉀）全部基施，氮肥（碳酸氫銨）按基肥∶分蘗肥∶孕穗肥=3∶2∶1 施用。該試驗利用冬閑田輪作綠肥（紫云英），水稻收獲后把紫云英種子均勻撒播于各試驗小區，播種量為30 kg/hm2，來年水稻插秧前收割綠肥地上部，各小區僅留根茬，水稻插秧前綠肥根茬用小型旋耕機翻壓還田。該試驗依據綠肥根茬還田與否及化肥用量不同，共設5 個處理：100%化肥（即常規施肥，簡稱為100%CF）；綠肥根茬還田（GM）；100%化肥+綠肥根茬還田（100%CF+GM）；90%化肥+綠肥根茬還田（90%CF+GM）；80%化肥+綠肥根茬還田（80%CF+GM）。每個處理設4 個重復，面積均為6.67 m2，小區間做田埂并用塑料膜隔開以防串水串肥，留0.25 m 寬溝以便灌排及其它田間管理。

1.2 樣品采集與分析

2012 年9 月水稻收獲后，以挖剖面方式采集0～15 cm（耕層）原狀土樣用土盒帶回實驗室，沿土壤自然裂縫輕輕掰開至全部通過8 mm 篩，自然風干待測。依據土壤團聚體濕篩法［19］測定＞2、0.25～2、0.05～0.25 和＜0.05 mm 4 個粒級水穩性團聚體質量百分比含量，4 次重復。團聚體平均重量直徑（MWD）計算方法如下：

其中，xi為團聚體平均直徑，wi為對應粒徑團聚體的質量百分數。團聚體內有機碳和全氮含量用碳氮元素分析儀測定。團聚體有機碳或全氮貢獻率計算方法如下：

團聚體有機碳或全氮貢獻率（%）=該粒級團聚體質量百分比×該粒級團聚體有機碳或全氮含量/土壤有機碳或全氮含量×100 （2）

用SPSS 13.0 進行數據的差異顯著性和相關性分析。采用單因素（one-way ANOVA）-Duncan法進行處理間差異顯著性分析（P=0.05），采用Pearson 法進行各變量之間的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理下土壤團聚體分布及穩定性變化

圖1a 顯示不同處理下各粒徑水穩性團聚體質量百分比分布及團聚體穩定性變化情況。相同處理的不同粒徑團聚體含量差別明顯，但具有相同趨勢，即各處理都是0.25～2 mm 團聚體質量百分比最高（各處理平均值為45.8%），＞2 mm團聚體次 之（26.5%），0.05～0.25 mm 團聚體較低（19.8%），＜0.05 mm 團聚體最低（7.9%），其中＞0.25 mm 大團聚體質量百分比累計占59.7%～79.8%。除0.25～2 mm 團聚體外，其它3 個粒級在處理間分布發生了明顯變化：與100%CF 相 比，GM、100%CF+GM、90%CF+GM、80%CF+GM 均顯著提高了＞2 mm 團聚體質量百分比，不同程度降低了0.05～0.25 mm 和＜0.05 mm團聚體含量，4 個綠肥根茬還田處理間無顯著性差異（P＞0.05）。整體來看，綠肥根茬還田使＜0.25 mm小團聚體向＞0.25 mm 大團聚體（主要是＞2 mm 大團聚體）轉變，與100%CF 相比，GM、100%CF+GM、90%CF+GM 和80%CF+GM 分別使＞0.25 mm 大團聚體提高20.7%、29.6%、31.8%和33.4%。

該研究用團聚體平均重量直徑（MWD）衡量團聚體穩定性變化，由圖1b 看出，綠肥根茬還田能顯著提高團聚體穩定性，與100%CF 相比，GM、100%CF+GM、90%CF+GM、80%CF+GM 4 個處理使MWD 分別提高48.2%、53.1%、76.8%和68.5%，但4 個處理之間無顯著性差異。

2.2 不同處理下土壤團聚體有機碳和全氮分布規律

圖2 顯示不同處理下各粒級團聚體有機碳和全氮含量分布情況。對于同一處理，團聚體內有機碳和全氮含量均隨團聚體粒徑減小而降低，即有機碳和全氮含量分布趨勢為（＞2 mm）＞0.25～2 mm＞0.05～0.25 mm＞（＜0.05 mm）。其中，有機碳 在＞2、0.25～2、0.05～0.25 和＜0.05 mm 團 聚體內的平均含量分別為17.7、16.6、13.6 和11.5 g/kg，全氮平均含量分別為1.58、1.45、1.21 和1.03 g/kg。對 于＞2 和0.05～0.25 mm 團聚體，有機碳和全氮含量在處理間均無顯著差異（P＞0.05）；對于0.25～2 mm 和＜0.05 mm 團聚體，與100%CF 相比，綠肥根茬還田4 個處理有機碳和全氮含量均有降低趨勢，且除0.25～2 mm 團聚體有機碳含量的90%CF+GM 和＜0.05 mm 團聚體全氮含量的GM 處理外，降低程度均達顯著水平。

圖3 顯示各粒級團聚體對整土有機碳和全氮的貢獻（由于全氮和有機碳趨勢一致且和有機碳顯著正相關R2=0.999，所以本文只討論有機碳）。可以看出，0.25～2 mm 大團聚體是貢獻最高的粒級，對土壤有機碳貢獻率為45.4%～50.6%，＞2、0.05～0.25和＜0.05 mm 粒級貢獻率分別是16.0%～37.6%、13.1%～23.3%和3.2%～10.2%。與100%CF 相比，綠肥根茬還田4 個處理均顯著提高了＞2 mm 團聚體對土壤有機碳貢獻率，同時降低了0.05～0.25 和＜0.05 mm 團聚體對土壤有機碳貢獻率，說明綠肥根茬還田不僅促進大團聚體的形成，也使有機碳隨著微團聚體形成大團聚體從而被保存在大團聚體中。

由表1 看出，對于同一粒級團聚體，碳氮比在處理間均無顯著性差異；對于同一處理，碳氮比在不同粒級間也無顯著性差異。

表1 不同處理下土壤團聚體碳氮比

2.3 不同處理下土壤團聚體各指標相關分析

不同處理團聚體各指標相關性如表2。可以看出，MWD 與＞2 mm 團聚體質量百分比極顯著正相關（相關系數為0.991），與0.25～2 mm 團聚體質量百分比相關不顯著（相關系數為-0.194），與0.05～0.25、＜0.05 mm 團聚體質量百分比極顯著負相關（相關系數分別為-0.803 和-0.771），說明大團聚體越多土壤結構穩定性越高，而小團聚體多土壤結構穩定性越差，而綠肥根茬還田有利于大團聚體形成和團聚體穩定性提高。MWD 與＜0.05 mm團聚體有機碳含量極顯著負相關，與其他粒級團聚體有機碳含量無顯著相關性。MWD 與各粒級團聚體有機碳貢獻極顯著相關（0.25～2 mm 團聚體除外）：其中與＞2 mm 團聚體有機碳貢獻率極顯著正相關，與0.05～0.25、＜0.05 mm 極顯著負相關。團聚體質量百分比與該粒級團聚體有機碳含量相關不顯著（＜0.05 mm 團聚體除外），與該粒級團聚體有機碳貢獻率相關極顯著。

表2 土壤團聚體各指標相關分析

3 討論

3.1 不同處理下土壤團聚體分布及穩定性變化

水穩性團聚體含量和分布能衡量土壤結構穩定性和抗侵蝕能力，水穩性大團聚體含量常作為判斷土壤結構穩定性和土壤質量好壞的重要指標之一。研究［9，20-21］發現0.25～2 mm 團聚體在土壤中占絕對優勢，這與該研究結果一致。也有研究發現＜0.25 mm 微團聚體占絕對優勢［22］或土壤中無占絕對優勢的粒級［23］。劉恩科等［24］、樊紅柱等［25］、Six 等［26］認為，長期不同施肥或耕作處理會使團聚體粒級（包括占絕對優勢的粒級）分布發生改變。可見，團聚體粒級分布不僅和供試土壤基本性質關系密切，還隨農業管理措施發生改變。綠肥根茬還田未使該研究占絕對優勢的粒級發生轉移，整體來看，卻使＜0.25 mm 微團聚體向＞2 mm 大團聚體轉變，原因可能是與100%CF 相比，綠肥根茬還田的土壤會產生大量綠肥根系，這些根系通過對土壤顆粒的直接纏繞作用，促進微團聚體形成大團聚體［6，27-30］。種植綠肥的處理土體內根系量較大，這會提高根際微生物量，根際細菌分泌物和真菌菌絲的粘結作用，也利于大團聚體的形成和穩定［31-32］。另外，在水稻土中，氧化物在土壤團聚和有機碳固持過程中的作用不容忽視，它甚至會成為團聚體形成的主要粘結劑［33-34］。這也可能是土壤有機碳在處理間無顯著差異，而＞2 mm 大團聚體含量卻發生變化的原因之一。

3.2 不同處理下土壤團聚體有機碳和全氮分布規律

有機碳是土壤團聚體的重要組成部分，也是團聚體形成和保持穩定性的重要影響因素，Elliott［28］認為微團聚體由含碳量高、不穩定的粘結劑（真菌菌絲、根系、微生物和植物源的多糖）粘結成大團聚體，故大團聚體（＞2 和0.25～2 mm）比微團聚體（0.05～0.25 mm）含有更多的有機碳［27］，這與該研究發現的有機碳含量隨團聚體粒徑增大而升高的現象相一致。該研究中，土壤有機碳含量在處理間無顯著差異，團聚體有機碳含量卻在0.25～2 和＜0.05 mm 兩個粒級產生顯著差異，一方面可能和團聚體形成（圖1 顯示，整體上＜0.25 mm 微團聚體向大團聚體轉變）過程中有機碳隨之發生轉移有關，因為團聚體形成和有機碳固持是聯系緊密且同時進行的復雜過程［2-3，6-7］，也可能是綠肥根茬還田短期內（3 年）雖未引起土壤有機碳含量發生變化，卻可能引起有機碳類型發生改變，而濕篩法過程中綠肥根茬還田處理的0.25～2 和＜0.05 mm 團聚體損失了部分可溶性碳。

由團聚體碳氮貢獻率分布發現（圖3），＞0.25 mm 大團聚體對該水稻土碳氮的固持和累積起主要作用，這與以往研究結果一致［15，35-36］。說明綠肥根茬還田不僅促進大團聚體的形成，而且隨著微團聚體向大團聚體轉移，有機碳和全氮也被大團聚體固持，即綠肥根茬還田不利于＜0.25 mm 微團聚體固持碳氮，卻有利于＞0.25 mm 大團聚體固持碳氮。因此，長遠來看，綠肥根茬還田處理將有利于土壤固持更多有機碳，因為大團聚體對有機碳具有物理保護作用［7］。而Lee 等［37］發現韓國水稻土＜0.05 mm 團聚體對有機碳貢獻最大（＞70%），這可能和其試驗田排水不暢長期處于淹水狀態有關。因為已有研究發現，與干濕交替條件相比，給水稻土持續灌水能顯著減少水穩性大團聚體含量［38］。碳氮比可以反映土壤碳固持的有效性，常作為一個重要參考指標。該研究中碳氮比在不同處理間和不同團聚體粒級間均無顯著性差異，可能和土壤本身性質及試驗年限有很大關系。

3.3 不同處理下土壤團聚體各指標相關分析

團聚體穩定性常用MWD 表示，MWD 越大表示團聚體團聚度越高，即穩定性越強［39］。該研究中，隨著微團聚體向大團聚體轉變，綠肥根茬還田4 個處理均顯著提高了MWD，而MWD 與＞2 mm團聚體質量百分比和＞2 mm 團聚體有機碳貢獻率均呈極顯著正相關。因此，團聚體穩定性提高，主要因為綠肥根茬還田能增加＞2 mm 大團聚體含量和＞2 mm 團聚體有機碳貢獻率。團聚體質量百分比與該粒級團聚體有機碳的貢獻率均極顯著相關，說明在研究團聚體形成、穩定性與有機碳固持關系時，需要進一步考慮團聚體有機碳貢獻率，不能只考慮團聚體有機碳含量。因為土壤碳固持能力不僅和各粒級團聚體有機碳含量有關，還與該粒級團聚體在土壤中占比相關。

4 結論

經過3 年短期定位試驗發現，與100%CF 相比，綠肥根茬還田4 個處理有利于大團聚體形成和團聚體穩定性提高，隨著微團聚體向大團聚體轉移，有機碳和全氮也被大團聚體固持；相關分析表明，＞2 mm 大團聚體質量百分比及其有機碳貢獻率是引起團聚體穩定性提高的主要原因，團聚體質量百分比與該粒級團聚體有機碳的貢獻率相關極顯著。因此，綠肥根茬還田有利于土壤結構穩定和碳氮積累，短期內還能減施化肥，是豫南地區冬閑田利用、培肥土壤及發展畜牧業的有效途徑。