翻壓春油菜對土壤團聚體及腐殖質結合形態的影響

袁苗苗，趙 秋，田秀平，史昕倩，董家僖，向春陽，杜 錦

(1.天津市農業科學院，天津 300192；2.天津農學院 農學與資源環境學院，天津 300384)

油菜綠肥作為有機肥料的一種，其生物量大、養分含量高、繁殖期短，對土壤肥力提升作用顯著，是提高土壤團粒結構的重要因素之一，目前已為南方地區帶來大量經濟效益[11]，但油菜綠肥在華北地區種植時間短，對適宜華北地區種植的綠肥品種及種植技術研究較少，尤其是對土壤腐殖質結合形態和土壤團聚體影響的研究較少[12]，且前人只是單獨研究綠肥對結合形態腐殖質和土壤團聚體的影響，鮮有深入研究二者關系的報道。因此，本研究以不同春油菜品種為研究對象，探討了其翻壓后對土壤腐殖質各結合形態和團聚體及其穩定性的影響，并闡明了土壤腐殖質結合形態各組分與不同粒徑團聚體有機質、土壤腐殖質結合形態各組分與團聚體對土壤有機質貢獻率的響應關系，以期為華北地區農業生產中合理種植春油菜綠肥，改善土壤肥力提供科學依據與參考。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于天津市寧河區林場(117.82°E，39.33°N)，氣候類型屬于大陸性季風氣候，暖溫帶半干旱半濕潤帶。該地區年平均氣溫11.2 ℃，平均濕度66%；最低氣溫出現在1月，平均為-5.8 ℃；最高氣溫出現在7月，平均為25.7 ℃。年平均降水量642 mm，降水量70%集中在6-8月。全年無霜期240 d。供試土壤為潮土。2019年春試驗播種前耕作層(0～20 cm)土壤的基本理化性狀為：有機質含量16.07 g/kg、全氮含量0.96 g/kg、全磷含量0.36 g/kg、全鉀含量23.59 g/kg、堿解氮含量65.06 mg/kg、有效磷含量31.63 mg/kg、速效鉀含量127.78 mg/kg，pH值8.01，電導率222 μS/cm。

1.2 試驗設計

分別于2019年3-9月和2020年3-9月開展田間小區試驗，采用完全隨機設計，設對照(春閑，CK)和9個不同春油菜品種處理，分別為中油肥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，代號分別為ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF4、ZYF5、ZYF6、ZYF7、ZYF8、ZYF9，由天津市農業科學院油料作物研究所提供。油菜于2019 年3 月18日播種，采用條播，每個品種播種量為10 kg/hm2，行距25～30 cm，并于6月8日進行翻壓。翻壓后種植夏玉米，玉米種植前每個小區施底肥尿素 194.25 kg/hm2、氯化鉀127.65 kg/hm2、二銨 194.25 kg/hm2。

1.3 樣品的采集與測定

綠肥翻壓前，每個品種分別取3個樣方，每個樣方1 m2(1 m×1 m)，烘箱內100～105 ℃殺青，65 ℃下烘干至恒定質量，測定植株生物量[6]，并取代表性根系樣鮮質量不少于150 g，取代表性地上部分樣鮮質量不少于200 g用于其測定植株含碳量。未種油菜前在每個小區采用多點法取0～20 cm耕層混合土樣1個作為基礎土樣，測定土壤養分等指標；在玉米收獲后的9月29日，分別在不同小區中采用多點法取0～20 cm混合土樣，在實驗室風干制備進行土壤結合形態腐殖質的測定、團聚體篩分等。

土壤基本理化性狀測定方法參照鮑士旦[13]著《土壤農化分析》 。土壤團聚體測定方法為：將采集的土樣帶回實驗室內風干，沿土壤結構的自然剖面掰分成10 mm 左右的團塊過篩，取50 g采用濕篩法測定土壤水穩性團聚體組成，套篩由5，3，2，1，0.5，0.25 mm共6個篩子組成。結合形態腐殖質測定采用熊毅-傅積平改進法，采用比重為2.0 的重液，將游離態有機質(輕組)和有機無機復合體(重組)分離，重組土樣測定總腐殖質含量，稱取5 g重組土樣，用 0.1 mol/L NaOH 反復處理重組土樣，直至提取液無色或接近無色，提取部分為松結態腐殖質，分離后剩余土樣加入50 mL 0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na4P2O7混合液，攪勻，于30 ℃保溫箱內放置過夜，次日按同樣方法用0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na4P2O7混合液提取穩結態腐殖質，殘渣中為緊結態腐殖質。

1.4 數據處理與分析

用Microsoft Excel 2019軟件對原始數據進行統計和作圖，并用SPSS 22.0軟件進行差異顯著性分析。參考王進等[14]和張欽等[8]的計算方法。

緊結態腐殖質=總腐殖質-松結態腐殖質-穩結態腐殖質

減壓病是由于高壓環境作業后減壓不當，體內原已溶解的氣體(主要是氮氣)超過了過飽和界限，在血管內外及組織中形成氣泡所致的全身性疾病[1]。減壓病的發病機理中，氣泡形成是原發因素；但因液氣界面作用，尚可繼發引起一系列病理生理反應[2-4]。本例減壓病的發病原因主要考慮如下：潛水環境較差，潛水當日水溫較低，10 ℃以下；水下停留時間較長且反復3次潛水；最主要考慮可能還是每次減壓不正規(具體減壓時間不詳)。

①

某粒徑團聚體組分的質量百分比含量=

②

③

土壤水穩性(濕篩)大團聚體含量(R>0.25)

④

團聚體中有機質富集系數(EC)=

⑤

團聚體中有機質貢獻率=

⑥

2 結果與分析

2.1 不同春油菜翻壓對土壤腐殖質結合形態的影響

由表1可知，各處理松結態腐殖質含量以ZYF5處理最高，比對照(CK)增加了138.61%，顯著高于其他處理(P<0.05)，CK顯著低于翻壓春油菜的所有處理(P<0.05)；穩結態腐殖質含量，ZYF5比對照(CK)增加了60.22%，顯著高于其他處理(ZYF3和ZYF8除外)(P<0.05)，CK顯著低于翻壓春油菜的所有處理(ZYF2除外)(P<0.05)；緊結態腐殖質具有較強的穩定性，能夠直接反映出土壤腐殖質“老化”程度[15]，不同處理土壤緊結態腐殖質含量變化為4.45～7.45 g/kg，也以ZYF5最高，比對照(CK)增加了67.44%，CK最低，顯著低于ZYF4、ZYF5處理(P<0.05)，但與其他處理之間差異不顯著(P>0.05)。

松緊比及松穩比是反映腐殖質活性和品質的重要指標，通常比值高的土壤肥力較高，反之則較低[16]。經過春油菜翻壓后的土壤松緊比有所提高，其中ZYF9較對照提高43.94%，但各處理間差異不顯著(P>0.05)。土壤松穩比為0.78～1.17，以ZYF5最高，較對照提高49.43%，顯著高于CK、ZYF1、ZYF3、ZYF4、ZYF6和ZYF8(P<0.05)，與ZYF2和ZYF7差異不顯著(P>0.05)；除ZYF1、ZYF3、ZYF6和ZYF8之外，其他處理均顯著(P<0.05)高于CK。說明春油菜翻壓，尤其是ZYF5的加入，增加了土壤腐殖質活性，對培肥土壤有重要作用。

表1 不同處理土壤結合形態腐殖質的差異Tab.1 Differences of soil combination morphology in different treatments

2.2 不同春油菜翻壓對土壤團聚體的影響

2.2.1 不同春油菜翻壓對土壤團聚體質量百分含量的影響 良好的土壤結構要求有較多的土壤團聚體及適當的粒徑分配，水穩性團聚體的數量和分布對衡量土壤結構的穩定性具有重要作用[17]。由表 2可以看出，不同處理土壤團聚體質量百分含量變化不同，其中，ZYF9在2019年5～3 mm粒級和2020年3～2 mm粒級中最高，ZYF5在2020年5～3 mm粒級中最高，9個春油菜處理在第2年較大團聚體均表現出增加趨勢，未翻壓春油菜的CK處理，>5 mm粒級土壤團聚體質量百分含量在第2年有所下降，這說明春油菜翻壓有利于土壤中水穩定性小團聚體向較大的水穩定性大團聚體轉化，提高團聚體穩定性，且以ZYF5和ZYF9效果較好。

表2 土壤團聚體質量百分含量Tab.2 Soil aggregate mass percentage %

2.2.2 不同春油菜翻壓對土壤團聚體穩定性的影響 顆粒富集系數(EC)反映了該團聚體對該元素富集的強度，0.5≤EC≤1.5二者屬同一水平，EC<0.5相對貧化[8]。由表3可以看出，在>5 mm粒級、5～3 mm粒級和1～0.5 mm粒級(ZYF4除外)中不同春油菜品種EC值均大于0.5，與CK相比，不同春油菜品種EC值有所提高，剩余粒徑中的EC 值較CK有高有低。總體上，EC均<1，處于分解與積累同步狀態。

表3 不同處理EC的差異Tab.3 Difference of EC in different treatments

水穩性大團聚體(R>0.25 mm)含量及數量的多少與土壤穩定性狀況呈正相關關系，是定量評價土壤穩定性的重要指標[18]。由表4可以看出，連續2a翻壓，春油菜均有利于土壤水穩性大團聚體含量的增加，其中ZYF3增加最多，為9.46%。ZYF5 2 a的土壤水穩性團聚體含量均達到最高，顯著(P<0.05)高于其他品種(2019年ZYF9除外)，ZYF9次之，ZYF5、ZYF7、ZYF8、ZYF9 2 a的水穩定大團聚體含量與CK之間均達顯著差異水平(P<0.05)，ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF4、ZYF6在2020年與CK之間也達到顯著差異水平(P<0.05)。

土壤團聚體的平均質量直徑(MWD)是反映土壤團聚體穩定性的重要指標，MWD值越大，表明土壤團聚體的團聚度越高，團聚體的穩定性就越好[19]。翻壓春油菜在2 a的測定結果中均提高了土壤團聚體的平均直徑(表4)，其中，ZYF5在2019年MWD僅次于ZYF3，在2020年達到最高，且2 a均顯著高于CK(P<0.05)，ZYF9第1年雖不是較好，但第2年的MWD達到第2高，也顯著(P<0.05)高于CK。CK處理的大團聚體數量雖然在第2年增加了0.5百分點，但其MWD有所下降，這是因為春油菜進入土壤后，其分解產物與土壤礦物質膠結、凝聚形成微團聚體，通過根系、真菌菌絲等膠結形成大團聚體，促進土壤有機碳的物理保護作用，并提升土壤團聚體的穩定性[20-21]。

表4 不同處理水穩性大團聚體及MWD的差異Tab.4 Difference of water-stable macroaggregates and MWD in different treatments

2.2.3 不同春油菜品種翻壓對土壤有機質貢獻率的影響 不同春油菜品種總體上0.5～0.25 mm粒級有機質貢獻率最大。供試所有春油菜品種翻壓，與CK相比，不同春油菜品種都提高了土壤各粒級對總有機質的貢獻率總和，但增加程度不同。由表5可以看出，土壤各粒級對總有機質的貢獻率總和以ZYF9增加最多，比CK增加了8.13百分點，其次是ZYF5，增加了7.41百分點。除ZYF5和ZYF9外，其他處理與CK之間無顯著差異(P>0.05)。同一粒級不同處理>5 mm粒級和5～3 mm粒級對土壤總有機質的貢獻率較CK均有所增加，0.5～0.25 mm粒級對土壤總有機質的貢獻率較CK有所下降，其他粒級之間無明顯規律。總體而言，水穩性大團聚體>0.25 mm粒級有機質對土壤有機質的貢獻率最大，表明土壤中有機質主要來源于大團聚體(>0.25 mm)的閉蓄保護。

表5 土壤各粒級團聚體對土壤有機質總量的貢獻率Tab.5 Contribution rate of aggregates with different sizes to soil total organic matter %

2.3 土壤結合形態腐殖質與團聚體的關系

土壤結合形態腐殖質的積累受到各粒徑團聚體有機質含量的影響。由表6可以看出，總腐殖質及各結合形態腐殖質與團聚體對土壤有機質貢獻率均呈極顯著相關(P<0.01)，其中腐殖質和松結態腐殖質的相關系數大于0.7，說明團聚體對土壤有機質貢獻率的增加對其含量積累的影響較為突出。由表7可以看出，松結態腐殖質與各粒徑團聚體有機質含量均呈極顯著正相關(P<0.01)，穩結態腐殖質與5～3 mm粒徑團聚體有機質含量顯著正相關(P<0.05)，與其他粒徑團聚體有機質含量之間極顯著正相關(P<0.01)。緊結態腐殖質與2～1 mm粒級團聚體有機質含量相關性不顯著(P>0.05)，與1～0.5 mm粒徑團聚體有機質含量顯著正相關(P<0.05)，與其他粒徑極團聚體有機質含量極顯著正相關(P<0.01)。>5 mm 粒徑與各粒級團聚體有機質含量均極顯著正相關(P<0.01)；5～3 mm 粒徑與2～1 mm粒徑的團聚體有機質含量顯著正相關(P<0.05)，與其他粒級團聚體有機質含量極顯著正相關(P<0.01)；3～2 mm 粒徑與各粒徑的團聚體有機質極顯著正相關(P<0.01)；2～1 mm粒級與各粒徑團聚體有機質含量極顯著正相關(P<0.01)；1～0.5 mm與0.5～0.25 mm 粒徑團聚體有機質含量極顯著正相關(P<0.01)。這說明春油菜翻壓后，結合形態腐殖質有利于土壤大團聚體形成，而且結合形態腐殖質可以賦存在大團聚體。

表6 土壤結合形態腐殖質與團聚體對土壤有機質貢獻率的關系Fig.6 The relationship between soil combined form humus and aggregates to soil organic matter contribution rate

表7 土壤結合形態腐殖質與團聚體各粒級的相關性Tab.7 Correlation between soil bound form humus and aggregate size

3 討論與結論

前人研究表明，不同綠肥均能一定程度上提高土壤結合形態腐殖質的含量，主要集中在豆科冬綠肥[22-23]，本研究以非豆科春油菜品種作為綠肥對土壤結合形態腐殖質進行研究，與前人得出的結論一致，且不同春油菜品種松緊比以及松穩比較CK 有所增加，不同春油菜品種表現不同，說明腐殖質對不同春油菜品種有著不同的響應，這是由于不同油菜品種歸還量、植株含碳量以及在土壤中腐解速度不同，從而對土壤有機無機復合體的形成、腐殖質含量以及土壤固持效率有不同影響。其中各結合形態腐殖質含量均以中油肥1901(ZYF5)提高最多，較CK松結態、穩結態以及緊結態腐殖質含量分別提高138.61%，60.22%，67.44%。已證實，中油肥1901(ZYF5)的生物量和總碳量最高，分別為(7 166.50±521.88)kg/hm2和(466.25±3.66)kg/hm2，翻壓后土壤有機質總量(24.72±0.01)g/kg以及活性有機質含量(16.55±1.24)g/kg最高，說明其將有機質轉化為腐殖質能力最強，所以翻壓后會使土壤固持碳素的釋放，即對土壤原有有機質起到活化與更新的作用，也就是起爆效應，從而增加腐殖質含量。另外，中油肥1901(ZYF5)翻壓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，進一步解釋了松結態腐殖質和緊結態腐殖質含量增加較多的原因[24]。中油肥2(ZYF2)的生物量雖然較高((5 888.42±616.32)g/kg)，但其植株含碳量低((53.79±0.99)g/kg)，其歸還土壤中有機質量也不高，所以其腐殖化程度較低，對結合形態腐殖質影響并不高[24]。

松緊比的提高表明，春油菜翻壓增加了土壤新鮮腐殖質的比例，有利于腐殖質更新，新鮮腐殖質的形成使膠結作用增強，故而本研究的土壤團聚體質量百分含量高于CK。胡敏酸與鈣離子結合形成的復合體與水穩性團粒的形成有關[3]，本研究中以胡敏酸為主的松結態腐殖質含量增加，且以中油肥1901(ZYF5)最好；較之CK處理，春油菜皆可不同程度增加水穩性大團聚體含量，以中油肥1901(ZYF5)最佳。各粒級土壤有機質的富集系數在1以下，雖然各處理分解與積累均處于同一水平，與CK相比，春油菜品種積累更多一點，富集系數有所提高，這可能是因為大團聚體初期形成的是穩定性較低的有機質，而這些有機質分解轉化進入較小級別的團聚體，而分解的有機質也許來自 1～2 mm 粒徑，因為其富集系數大部分低于0.5，說明其處于優先分解的狀態，但還需要做進一步的驗證。武均等[25]和徐文靜等[26]一致認為>0.25 mm 團聚體為優勢團聚體，是賦存有機碳的主要載體，具有明顯的固碳能力，本研究中>0.25 mm 團聚體對有機質貢獻率為51.86%～58.73%，進一步驗證了這個觀點。

由此得出，華北地區納入春油菜綠肥可有效提高土壤松結態、穩結態、緊結態腐殖質含量，能有效提高團聚體對土壤有機質的貢獻率，且對土壤團聚體穩定性起到一定積極的影響，其中春油菜中油肥1901和中油肥1907在提高土壤團聚體穩定性及對土壤有機質貢獻率上最佳。