田菁翻壓還田對灘涂土壤碳氮及微生物生物量的影響①

朱小梅，王甫同，邢錦城，王建紅，劉 沖，趙寶泉，溫祝桂，董 靜，賀亭亭，洪立洲*

田菁翻壓還田對灘涂土壤碳氮及微生物生物量的影響①

朱小梅1，王甫同2，邢錦城1，王建紅3，劉 沖1，趙寶泉1，溫祝桂1，董 靜1，賀亭亭1，洪立洲1*

(1 江蘇沿海地區農業科學研究所，江蘇鹽城 224002；2 江蘇鹽城濕地珍禽國家級自然保護區，江蘇鹽城 224300；3浙江省農業科學院，杭州 310021)

為探討不同施肥處理下田菁翻壓還田對灘涂土壤的改良效果，通過田間小區試驗對不同施肥處理(CK、SN1、SN2、SN3、SN4及SN4+OF對應的施氮量分別為N 0、90、135、180、225 kg/hm2及 N 225 kg/hm2+有機肥)下田菁生物量、碳氮養分含量及翻壓還田對土壤碳氮、微生物生物量的影響及各指標間的相關性進行了研究。結果表明：SN3處理對提高田菁總生物量及兩次刈割地上部碳氮含量效果明顯。SN4+OF處理下田菁翻壓還田后土壤有機碳、全氮及固定態銨含量明顯提升，分別為6.44 g/kg、0.62 g/kg和40.1 mg/kg，土壤活性有機碳、硝態氮、銨態氮、微生物生物量碳氮(MBC、MBN)含量及碳庫管理指數(CPMI)均以SN2處理下田菁翻壓還田效果較優。土壤C/N、MBC/MBN比值分別以SN4+OF和SN2處理下田菁翻壓還田最高。因此，SN3處理可明顯提高田菁生物量和碳氮養分含量，而田菁翻壓還田效果則以SN2及SN4+OF處理較優。

施肥處理；田菁；翻壓還田；土壤碳氮；土壤微生物生物量

據統計，我國現有灘涂面積350多萬hm2，而江蘇沿海灘涂面積約68.7萬hm2，且每年仍以0.13萬hm2的速度向東淤進，這一廣袤的灘涂資源是我國東部地區最具潛力、最有價值的土地后備資源[1]。江蘇沿海灘涂地勢平坦、土層深厚、濕地繁多，農業利用是灘涂資源開發利用的重點，而灘涂墾區鹽土資源的脫鹽和改良則是農業開發利用的基礎[2]。近年來，沿海灘涂大部分新圍墾生地采取的是農業工程措施脫鹽，但由于生地土壤有機質缺乏，且地下水位較高，土壤返鹽嚴重。目前，通過大量施用有機肥或沼液也可達到快速提升灘涂生地土壤質量的目的，但有機肥或沼液的大量施用存在著重金屬、抗生素累積超標等風險，會對灘涂生態環境產生一定的潛在威脅。

田菁屬草本植物，具有較強耐旱、耐鹽、耐澇、耐瘠和固氮能力[3]。研究表明，在含鹽量為8 g/kg的重度鹽漬土上種植田菁，其生物量能達到正常土壤中的95%[4]。很多學者在田菁作綠肥改良灘涂鹽堿土及修復鹽漬化土壤方面開展了大量研究，主要集中在田菁栽培、結瘤固氮和翻壓還田對土壤基本理化性狀的影響等領域[3-6]，但在田菁刈割及翻壓還田對灘涂生地土壤氮庫及碳庫養分的影響方面還沒有系統的報道。本研究以田菁為供試綠肥作物，研究施肥對綠肥田菁生物量的影響及灘涂土壤碳氮組分、微生物生物量和碳庫管理指數等對田菁翻壓還田的響應機制，以期為綠肥資源的合理利用及灘涂土壤的快速改良提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年6月到8月在江蘇省東臺市弶港鎮東部條子泥北十一區進行，地理位置32°51′6″ N、120°53′31″ E。該區地處暖溫帶，屬于具有季風特點的海洋性氣候，年均氣溫13 ～ 16 ℃，無霜期208 ～ 220 d，年日照時數2 100 ～ 2 600 h，年均降雨量900 ～ 1 300 mm，有明顯的梅雨特征。供試土壤為濱海鹽潮土，基本性狀見表1。

表1 供試土壤基本性狀

1.2 試驗設計

供試綠肥田菁，品種為鹽菁膠1號。供試肥料為尿素(含N 460 g/kg)、過磷酸鈣(含P2O5120 g/kg)、硫酸鉀(含K2O 520 g/kg)和植物素有機肥(有機質含量460 g/kg)。上茬作物為黑麥草，并全部翻壓還田。根據前人試驗研究結果[7-9]，本試驗設6個處理(表2)，每處理4次重復，隨機區組排列，每小區面積4 m×6 m，以不施肥處理為對照(CK)，施用有機肥處理為SN4+OF。磷肥、鉀肥及氮肥的50% 作基肥一次施入。2018年6月上旬播種，7月下旬田菁高度1.5 m左右時進行第一次刈割，刈割部分測產后還田，并將剩余50% 氮肥撒施追入。8月底田菁盛花期進行第二次刈割，并分別測定刈割部分和根部生物量后粉碎、翻壓，同時采集植株樣品烘干后供植株碳氮含量的測定。9月底采集0 ～ 20 cm土壤，部分鮮樣用于測定銨態氮(NH4+-N)、硝態氮(NO– 3-N)、微生物生物量碳氮(MBC、MBN)含量，部分土樣風干、研磨、過篩用于測定土壤全氮(TN)、固定態銨、有機碳(TOC)及活性有機碳(AOC)含量。

表2 試驗方案和施肥量(kg/hm2)

1.3 測定項目和方法

植株碳氮含量和土壤全氮、有機碳含量用常規方法測定[10]。其中，土壤銨態氮采用靛酚藍比色法測定，硝態氮采用紫外分光光度法測定[10]，固定態銨采用Silva和Bremer法測定[11]，微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸–K2SO4浸提法測定[12-13]，活性有機碳采用0.2 mol/L (1/6 K2Cr2O7+1∶3H2SO4，水∶酸=3∶1)加熱法測定[14]。

土壤碳庫管理指數(CPMI)計算方法：①土壤碳庫指數(CPI)=土壤樣品總碳含量/原始土樣總碳含量；②土壤碳庫活度()=土壤活性有機碳含量/土壤非活性有機碳含量；③土壤碳庫活度指數(AI)=土壤樣品碳庫活度/原始土樣碳庫活度；④土壤碳庫管理指數(CPMI，%)=土壤碳庫指數(CPI)×碳庫活度指數(AI)×100[15]。

1.4 數據處理與分析

試驗數據采用Excel 2010和SPSS19.0進行處理與統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理下田菁綠肥還田生物量

從表3數據可知，隨施氮量的增加，第一次刈割田菁生物量呈先上升再下降的趨勢，且以SN3處理明顯高于其他處理，原因在于SN3處理的基肥施用量有利于田菁前期的營養生長。SN4、SN4+OF處理前期施肥量偏高，田菁生長反而受到抑制。田菁第二次刈割生物量以SN4+OF處理最高，根部生物量以SN4處理最高，這與上茬綠肥還田的基礎肥力作用下降，SN4處理的追肥量明顯促進刈割后田菁營養生長有關。田菁總生物量高低以處理SN3>SN4>SN4+OF> SN2>SN1>CK。

表3 田菁刈割及翻壓還田總生物量(kg/hm2)

注：同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)；下同。

2.2 不同施肥處理下田菁綠肥植株碳氮含量

從表4可以看出，田菁植株碳、氮含量均以第一次刈割地上部>第二次刈割地上部>根部。兩次刈割地上部碳含量及各部位平均值均以SN2處理最高，根部以SN1處理最高。隨著施氮量增加，田菁兩次刈割地上部和根部碳含量均呈上升–下降–上升的趨勢。兩次刈割地上部氮含量及各部位平均值均以SN3處理最高，根部以SN1處理最高。可見，SN3處理有利于田菁植株含氮化合物的合成及向地上部的轉移，SN4+OF處理兩次刈割地上部氮含量較SN2、SN3、SN4處理偏低，究其原因：一是有機肥與化肥一次性施入養分濃度過高，抑制了植株對氮素的吸收；二是SN4+OF處理生物量偏大對養分的稀釋作用。

表4 田菁植株碳、氮含量(g/kg)

2.3 不同施肥處理下田菁植株碳氮比

碳氮比(C/N)是綠肥分解時提供有效氮的重要指標，C/N比值越小，氮素有效性越高[3]。由圖1可知，田菁兩次刈割地上部的C/N分別為16 ～ 18和20 ～ 22，根部為48 ～ 52，說明刈割部分還田后的氮素礦化率要高于根部，為下茬作物提供的有效氮也更多。相對于兩次刈割地上部及根部的C/N，各施肥處理間C/N并無顯著差異，可見，施肥對田菁C/N的影響小于田菁自身組織結構及生育期對其的影響。

2.4 不同施肥處理下田菁綠肥還田對土壤有機碳及相關指標的影響

表5 數據顯示，不同施肥處理下田菁還田后土壤有機碳含量以SN4+OF處理明顯高于其他施肥處理，這與前期施用的有機肥有密切關系。土壤活性有機碳含量及CPMI值均以SN2處理最高，微生物生物量碳含量也以SN2處理顯著高于其他處理。可見，SN2處理下的田菁還田量對土壤培肥作用優于其他處理。

2.5 不同施肥處理下田菁綠肥還田對土壤全氮及其組分的影響

表6中，不同施肥處理下田菁綠肥還田后土壤全氮含量以SN4+OF處理顯著高于其他處理。土壤固定態銨含量按顯著性劃分以SN4+OF和SN4 >SN3、SN2和SN1>CK。土壤微生物生物量氮、硝態氮及銨態氮含量均以SN2處理最高。田菁綠肥還田量最高的SN3處理，各形態氮含量均低于SN2處理(除全氮外)，這與SN3處理下田菁總還田生物量過大產生的負效應使土壤微生物的活性及氮的礦化受到抑制有關。

2.6 不同施肥處理下田菁綠肥還田對土壤碳氮比、微生物生物量碳氮比及微生物熵的影響

研究表明，我國耕作表層土壤C/N為8 ～ 15，平均在10 ～ 12[16]。圖2顯示，不同施肥處理下田菁綠肥還田后土壤C/N在9.8 ～ 10.4，基本達到平均水平，其中以SN4+OF處理最高，SN2處理次之，但各處理間差異不顯著。田菁綠肥翻壓還田后土壤微生物生物量碳氮比(MBC/MBN)在 5.9 ～ 6.3，且以SN2處理明顯高于其他處理。土壤微生物熵為土壤微生物生物量碳含量和有機碳含量的比值(MBC/TOC)，是表征土壤微生物固碳效益的指標，微生物熵值越大，微生物固定的有機碳越多，土壤有機碳周轉越快[17]。從圖3可知，田菁還田后，土壤微生物熵在40 ～ 49，且以SN1處理最高，SN4和SN4+OF處理較低。

表5 田菁還田對土壤有機碳(TOC)、活性有機碳(AOC)、微生物生物量碳(MBC)及碳庫管理指數(CPMI)的影響

表6 田菁還田對土壤全氮(TN)及其組分含量的影響

2.7 田菁植株碳氮及土壤中不同形態碳氮間的相關性

相關性分析(表7)表明，植株生物量與植株氮含量、植株碳含量與土壤微生物生物量碳及土壤銨態氮含量、植株氮含量與土壤銨態氮含量、土壤微生物生物量碳含量與土壤活性有機碳及微生物生物量氮含量間存在顯著正相關關系，植株碳含量與土壤活性有機碳含量、土壤有機碳含量與土壤全氮含量、土壤微生物生物量碳含量與土壤硝態氮含量兩兩之間存在極顯著正相關關系。可見，植株碳氮含量及土壤中不同形態碳氮含量之間均存在一定的正相關關系。

表7 田菁植株碳氮及土壤中主要碳氮組分間的相關系數

注：*表示在<0.05 水平顯著相關；**表示在<0 .01 水平顯著相關。

3 討論

3.1 不同施肥處理對田菁綠肥生物量、碳氮含量及碳氮比的影響

田菁為豆科灌木狀草本植物，具有較強的固氮能力，前人在氮肥施用對田菁生長、結瘤固氮影響方面的研究均表明，施用氮肥可促進田菁生長[7-9]。有學者報道，在含鹽量為4.32 g/kg的重度鹽漬化土壤上，單施氮、磷肥對促進耐鹽植物田菁生長的效果沒有單施磷石膏顯著，但與不施肥處理相比，生物量仍有增加[7]。又有研究表明，在鹽分含量為1.68 g/kg的鹽漬土上種植田菁，磷肥施用量相同的情況下，氮肥施用量為360 kg/hm2時的田菁產量最高[8]。本試驗研究結果與二者基本一致，與對照相比，施用氮肥顯著提高田菁生物量，且施用量為180 kg/hm2時生物量最高，這與本試驗前茬翻壓過一季綠肥黑麥草有關。本試驗中，不同施氮處理下田菁的根瘤量很少甚至沒有結瘤，這與前人有關無機氮肥施用后，根瘤植物往往優先吸收環境中的復合態氮，從而使根瘤植物的結瘤和固氮作用受到抑制的研究結論吻合[9]。

資料顯示，田菁植株碳含量為463 g/kg，氮含量為18.9 g/kg，C/N為24.5[18]，本研究中田菁植株平均碳含量為477 ～ 497 g/kg，氮含量為20.9 ～ 22.6 g/kg，C/N為21 ～ 23，碳氮含量均較高，但C/N卻偏低，可能原因是本試驗氮磷鉀肥的配合施用促進了植株對碳氮特別是氮的吸收，從而使C/N降低。本試驗中，田菁第一次刈割地上部與第二次刈割地上部及根部間的碳、氮含量變化大于不同施肥處理間的變化。可見，植株本身特性與生育期是影響其碳氮含量及C/N的主要因素，外界環境的干預對其碳氮相關指標無顯著影響。

3.2 不同施肥處理田菁綠肥還田對土壤碳氮及微生物生物量的影響

3.2.1 不同施肥處理田菁綠肥還田對土壤有機碳及其組分的影響 土壤活性有機碳組分常用土壤可溶性有機碳、微生物生物量碳和易氧化有機碳等指標來表征[19-20]。研究表明，綠肥鮮草含有大量活性較高的可溶性有機物料，翻壓后可使土壤耕作層活性有機碳比重增加[21]。豆科、莧科、禾本科綠肥還田均可提高土壤活性有機碳含量，不論何種土壤，每年翻壓15 000 kg/hm2的綠肥鮮草，5年后土壤活性有機碳含量提高17.4%[22-23]。本試驗中，各處理田菁翻壓還田后活性有機碳及微生物生物量碳含量較種植前的1.25 g/kg和173.8 mg/kg分別提高41.6% ～ 64.0% 和42.6% ～ 54.4%，充分驗證了這一研究結論。這也與胡曉珊等[22]有關田菁翻壓還田后顯著增加0 ～ 20 cm土層活性有機碳含量的報道一致。

土壤碳庫管理指數(CPMI)是指施肥處理土壤有機質與對照土壤有機質含量的比值乘以土壤有機質活度指數的值，是土壤管理措施引起土壤有機質變化的指標，能夠反映農作措施使土壤質量下降或更新的程度[14-15]。CPMI值的上升與下降，則分別表示外界管理或施肥措施對土壤性質的改良或破壞。張達斌等[14]的研究表明，兩年度種植翻壓豆科綠肥23 000 ～ 30 000 kg/hm2后，土壤CPMI值與休閑相比增加2.7% ～ 7.6%，且施氮量在0 ～ 162 kg/hm2范圍內，各處理的CPMI值無顯著差異。本研究結果顯示，SN2處理，即施氮量為135 kg/hm2時，田菁翻壓還田后土壤CPMI值最高，為165.1%，與對照相比，增加21.3%，但隨施氮量增加，土壤CPMI值呈下降趨勢，說明單純增加施氮量或綠肥翻壓量，并不能使土壤性能向良性發展。施肥量過高使土壤CPMI值下降的原因在于：一是大量化肥的施用影響了微生物的生存環境，使其活性受到抑制，降低了土壤微生物生物量碳乃至活性有機碳水平；二是綠肥翻壓生物量過大，超過土壤微生物對綠肥分解利用的最大承載量，使土壤非活性有機碳含量增加，進而降低土壤碳庫活度指數，導致CPMI值下降。

3.2.2 不同施肥處理田菁綠肥還田對土壤全氮及其組分的影響 大量研究證明，種植翻壓綠肥可提高土壤的全氮與速效氮含量[15,22]，而硝態氮和銨態氮是土壤速效氮的主要存在形態，同時也是植物可直接從土壤中吸收利用的最主要的兩種無機氮源[24]。本試驗中，不同施肥處理下田菁還田后的土壤硝態氮和銨態氮含量均較對照有所提高，但效果不顯著，這是因為對照處理雖未施肥，但由于其上茬綠肥的還田作用及田菁本身的固氮作用，使其翻壓還田的生物量增加，進而提高礦化的硝態氮和銨態氮含量。本研究中，田菁翻壓后土壤銨態氮含量為20 mg/kg左右，比正常旱地土壤銨態氮含量稍高，而硝態氮含量為68.0 ～ 73.0 mg/kg，是正常肥力土壤硝態氮含量的3倍多[6]。這與前人豆科綠肥翻壓后，土壤銨態氮含量提高不明顯，硝態氮含量提高幅度較大，平均提高達130.8% 的報道一致[25]。但馬艷芹等[26]的研究表明，紫云英腐解30 d左右時的銨態氮與硝態氮含量均在15 ～ 20 mg/kg，這可能與翻壓綠肥種類、生物量、土壤水分、環境氣候等條件因素不同有關。有研究表明，休閑期種植不同綠肥品種并翻壓，可減少土壤氮素的淋溶損失[27]，而豆科綠肥翻壓還田后，氮素礦化速率較快，絕大部分氮素養分的釋放在翻壓后前2周內完成[25-26]。本試驗中氮素及各形態指標是翻壓后1個月后的檢測值，是否存在硝態氮的淋溶損失還有待進一步研究。

資料表明，生物固定(微生物生物量氮)和晶格固定(固定態銨)是土壤氮素固持的主要形式[28]。施肥和有機物的再循環可明顯提高土壤耕作層固定態銨含量[29-30]。段鵬鵬等[31]的研究顯示，相對于單施氮肥處理，單施有機肥或氮肥與有機肥配施可使土壤中固定態銨含量增加34.6 ～ 91.8 mg/kg。本研究中，得益于氮肥施用和綠肥翻壓的累加效應，土壤有機質的礦化和激發作用增強，使晶層間釋放出的銨不斷得到補充，各施肥處理田菁翻壓后的土壤固定態銨含量與對照相比增加3.37% ～ 12.6%，且以前期施用有機肥的SN4+OF處理增幅最顯著，進一步驗證了前人的相關結論[29-31]。

3.2.3 不同施肥處理田菁綠肥還田對土壤微生物生物量的影響 適當的培肥措施可明顯提高土壤微生物生物量碳、氮含量[32-33]。不同施肥處理田菁翻壓還田后，土壤微生物生物量碳、氮含量與對照相比分別提高1.67% ～ 8.23% 和1.78% ～ 6.40%，且均以SN2處理最高，可見，該處理下的田菁還田量即為土壤微生物生物量碳、氮提升的最適量。據報道，有機無機配施或施用生物有機肥可顯著提高土壤微生物熵[34-36]。但也有研究表明，土壤微生物熵不受培肥措施和種植制度的影響[37]。本試驗中，田菁翻壓后土壤微生物熵與對照相比均有所下降(SN1處理除外)，且以SN4與SN4+OF處理降幅最大，分別為14.8% 和16.5%，這與前人的研究結論相悖。究其原因，一是以上處理施用化肥量較高，翻壓前微生物生存環境受到影響，活性受到抑制；二是田菁生物量較高，翻壓還田后腐解釋放的大量碳、氮弱化了前期施入的有機肥對微生物熵的影響。

土壤MBC/MBN是描述微生物群落結構和狀態的指標之一，受土壤性質(水分、結構、pH等)的影響，真菌占優勢的群落MBC/MBN為7 ～ 12，而細菌占優勢時為3 ～ 6[38]。肖新等[36]的研究表明，施用生物有機肥可顯著降低土壤MBC/MBN。而又有研究表示，秸稈的添加可減緩氮肥施用對土壤MBC/MBN的降低效應[35]。本試驗條件下，田菁翻壓還田后土壤MBC/MBN均在5.9 ～ 6.3，較種植前的7.0明顯降低，但各處理間無顯著差異。可見，無論是生物有機肥、秸稈還是綠肥的添加，其作用都并非是單純地降低或升高土壤MBC/MBN，究其根本是通過對土壤性質的影響，調節了微生物數量和多樣性，維持了微生物群落結構的穩定與均衡。

4 結論

1)磷鉀肥施用量一致的情況下，SN3處理(純氮施用量為180 kg/hm2)可明顯提高田菁第一次刈割生物量及總生物量，而有機肥處理(SN4+OF)可增加田菁第二次刈割生物量。SN3處理可同時提高田菁兩次刈割部分的碳和氮含量，且C/N較小。

2)由于基施有機肥的效應，田菁翻壓還田后土壤中有機碳、全氮及固定態銨含量仍以SN4+OF處理最高。活性有機碳、硝態氮、銨態氮、微生物生物量碳氮含量及CPMI值均以SN2處理明顯高于其他處理。可見，SN4+OF處理下田菁翻壓還田有利于土壤中碳氮養分的積累，而SN2處理下田菁翻壓還田在土壤養分的生物有效性及土壤性能提升方面效果較優。

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Effects of Overturningon Soil Carbon, Nitrogen and Microbiological Biomass in Coastal Area

ZHU Xiaomei1, WANG Futong2, XING Jingcheng1, WANG Jianhong3, LIU Chong1, ZHAO Baoquan1, WEN Zhugui1, DONG Jing1, HE Tingting1, HONG Lizhou1*

(1 Institute of Agriculture Sciences in the Coastal Area Jiangsu, Yancheng, Jiangsu 224002, China; 2 Jiangsu Yancheng Wetland Rare Birds National Nature Reserve, Yancheng, Jiangsu 224300, China; 3 Zhejiang Academy of Agriculture Sciences, Hangzhou 310021, China)

A field experiment was conducted to explore the effects of overturningon the improvement of soil in coastal area, the biomass, carbon and nitrogen contents ofunder different fertilization treatments (CK, N 0 kg/hm2; SN1, N 90 kg/hm2; SN2, N 135 kg/hm2; SN3, N 180 kg/hm2; SN4, N 225 kg/hm2; SN4+OF, N 225 kg/hm2+organic fertilizer), microbiological biomass, carbon and nitrogen contents of soil were determined, and the correlations between soil properties and plant indexes were analyzed.The results showed that SN3 got the highest total biomass, and nitrogen and carbon contents in twice mowing of. SN4 + OF had the highest contents of soil organic carbon, total nitrogen and fixed ammonium, which were 6.44 g/kg, 0.62 g/kg and 40.1 mg/kg, respectively. SN2 had the highest contents of active organic carbon, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, microbial biomass carbon (MBC) and nitrogen (MBN) and CPMI. SN4 + OF and SN2 got the highest ratios of soil C/N and MBC/MBN. In conclusion, SN3 can significantly increase the biomass, carbon and nitrogen contents of, and SN2 and SN4+OF have the better effect on soil improvement.

Fertilization treatments;; Overturning; Soil carbon and nitrogen; Soil microbiological biomass

S147.2; S158.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.03.012

朱小梅, 王甫同, 邢錦城, 等. 田菁翻壓還田對灘涂土壤碳氮及微生物生物量的影響. 土壤, 2021, 53(3): 529–536.

國家綠肥產業技術體系項目(CARS-22-G-15)和農業部沿海鹽堿地科學觀測實驗站開放課題(YHS201804)資助。

(ychonglz@163.com)

朱小梅(1982—)女，江蘇鹽城人，碩士，副研究員，主要從事植物營養與鹽土改良利用研究。E-mail: xiaomeizhu301@163.com