天津地區不同冬綠肥培肥土壤的效果

趙 秋，張新建，寧曉光，周麗平

（天津市農業科學院, 天津 300192）

土壤肥力降低導致土壤質量退化，土壤生產能力下降，嚴重制約了農田的可持續發展[1]。綠肥作為清潔的有機肥源，在培肥地力和替代化肥方面具有重要作用[2–5]。冬綠肥?玉米輪作是華北地區近幾年針對冬閑田推廣應用的種植模式[6–9]，相關研究已有大量報道，內容涉及冬綠肥?玉米體系的綠肥腐解[10]、綠肥生長特性[11]、作物產量[12]、降低風蝕[13]、養分流失[14]、肥料利用率[15]、養分吸收[16]和土壤團聚體[17]等。春玉米種植制度短期種植冬綠肥二月蘭、毛葉苕子對玉米產量及對土壤 pH、速效氮、有效磷含量、土壤總碳量無顯著影響，可有效提高土壤速效鉀、有機碳含量以及總有機碳占全碳的比例[18]。單獨翻壓二月蘭能滿足玉米拔節期以前的生長對養分的需求，但對土壤無機氮和有效磷有明顯耗竭，綠肥化肥配施可提高玉米產量，顯著提高土壤無機氮、有效磷、速效鉀含量[19]。翻壓二月蘭可以增加0—180 cm 土層土壤硝態氮保蓄量，對土壤氨揮發無明顯影響[20–21]。上述研究主要是針對華北地區冬綠肥-春玉米輪套作模式短期效果，或者冬綠肥品種大多涉及二月蘭單一作物，亦或者是單一土壤肥力指標。本研究通過田間多年定位試驗，研究冬綠肥與春玉米輪作模式下不同綠肥及有關組合對土壤理化性質和生物學性質的影響，并利用主成分分析方法，綜合評估該模式的土壤綜合肥力，以期為冬綠肥-春玉米輪套作體系冬綠肥選擇及對土壤質量提升貢獻研究提供理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設置在天津市現代農業科技創新基地(北緯 39°21′，東經 117°10′，海拔 3.6 m)。該試驗地屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水量為586.1 mm，年平均氣溫11.6℃，全年日照總量2810 h，無霜期203天。試驗土壤為潮土，試驗前0—20 cm耕層土壤基礎性狀為：有機質15.47 g/kg、全氮 1.15 g/kg、全磷 (P) 0.63 g/kg、全鉀 (K) 18.56 g/kg、堿解氮 70.5 mg/kg、有效磷 28.3 mg/kg、速效鉀 224 mg/kg、pH 8.28、容重 1.3 g/cm3、孔隙度 46.0%。

1.2 試驗設計

試驗始于2012年9月，設7個處理：冬閑、二月蘭 (OrychophragmusviolaceusL.)、毛葉苕子 (Vicia villosaRoth L.)、黑麥 (SecalecerealeL.)、黑麥草 (LoliumL.)、毛葉苕子黑麥混播和毛葉苕子二月蘭混播，每個處理3次重復，隨機排列，每小區面積18 m2。毛葉苕子為豆科豌豆屬草本植物，二月蘭為十字花科諸葛菜屬草本植物，一年生黑麥草和黑麥為禾本科草本植物。冬綠肥在每年9月17—24日期間播種，二月蘭、毛葉苕子、黑麥草、黑麥、毛葉苕子黑麥混播和毛葉苕子二月蘭混播播種量分別為45.0、60.0、60.0、45.0、30.0+30.0、30.0+22.5 kg/hm2。播種后灌出苗水，按照30 t/hm2噴灌形式灌溉，冬綠肥生長期間不施任何肥料和農藥，不灌水，次年4月中旬將冬綠肥切碎成2～3 cm小段后翻壓到土壤10～15 cm中，并于4月末播種春玉米。玉米品種為鄭單958，播種密度50025 株/hm2，60 cm等行距種植。玉米施肥量為 N 225 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。氮肥1/3作為基肥，2/3在玉米小喇叭口期追施。磷肥和鉀肥全部基施。二月蘭、毛葉苕子、黑麥、黑麥草購于北京國人園藝種子公司。氮肥用尿素 (含 N 46 %)，磷肥用磷酸二銨 (含 N 18 %、P2O546 %)，鉀肥為氯化鉀 (含 K2O 60 %)。

1.3 樣品采集

于2019年9月21日玉米收獲期，在各小區內按照“S”形取樣法采集耕層土樣，每小區采集5個點為一個混合樣，剔除石礫和植物殘根等雜物，混合制樣后分成兩份。一份于室溫下陰干、粉碎，過1和0.25 mm 篩，然后置于自封袋保存，用于測定土壤全磷、全氮、全鉀、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、電導率、脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶含量；另一份立即裝入自封袋中，封口防止水分損失，置于4℃冰箱內貯藏，用于測定土壤細菌、真菌、放線菌等微生物數量以及微生物生物量碳、氮含量。

1.4 測定方法

土壤堿解氮、速效鉀、有效磷、有機質、全磷、全氮、全鉀和pH用常規方法測定，土壤EC用電導率儀進行測定；土壤容重采用環刀法測定；土壤含水量和土壤飽和含水量采取烘干法測定；通過土壤容重和土粒密度計算土壤總孔隙度[22]。土壤細菌、真菌、放線菌數量采用稀釋平板計數法測定，細菌用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌用PDA培養基(添加10 μg/mL利福平)，放線菌用改良高氏一號培養基[23]。采用靛酚比色法測定土壤脲酶活性；土壤蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤多酚氧化酶活性用鄰苯三酚比色法測定；土壤過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定；土壤磷酸酶活性用硝基苯磷酸二鈉比色法測定[24]。土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮采用氯仿熏蒸浸提測定[25]。

1.5 數據處理

數據采用 Excel 2010計算，采用 SAS (9.0)統計軟件進行顯著性檢驗。采用SPSS19.0進行評價指標選取，指標間進行相關性分析、主成分分析、計算主成分綜合得分并進行作圖。排分依據的原則和具體方法[26]：對綜合評價涉及的土壤肥力指標(Ii)進行主成分分析，以基本特征值大于1 取得N個主成分、主成分特征值(A)、貢獻率(G)、載荷值(H)、計算特征向量(N)、計算主成分得分(Q)和綜合得分(Q綜合)。其計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 冬綠肥種植對土壤化學性質的影響

表1表明，與冬閑對照相比，6個冬綠肥處理土壤有機質含量增加14.63%～21.50%，全磷含量增加4.05%～20.27%，全氮含量增加3.31%～12.40%，差異顯著；二月蘭、毛葉苕子、毛葉苕子和二月蘭混播、毛葉苕子和黑麥混播處理土壤全鉀含量顯著增加2.65%～4.44%。毛葉苕子、二月蘭、黑麥、毛葉苕子和二月蘭混播、毛葉苕子和黑麥混播5個處理土壤有機質含量無顯著差異，但均顯著高于黑麥草處理。毛葉苕子處理土壤全氮含量顯著高于黑麥，與其他冬綠肥處理間無顯著差異。土壤全磷含量表現為毛葉苕子處理顯著高于其他處理。

表1 長期冬綠肥種植對土壤化學性質的影響Table 1 Effects of planting green manure over the long term on soil chemical properties

冬綠肥處理SMBC和SMBN含量分別在138.2和13.69 mg/kg以上，分別比冬閑處理顯著提高了42.49%～72.38%和15.48%～58.39%，且綠肥混播處理顯著高于單播處理。毛葉苕子和二月蘭混播土壤SMBC顯著高于毛葉苕子黑麥混播，兩個混播處理的土壤SMBN無顯著差異；毛葉苕子和二月蘭單播處理土壤SMBC和SMBN含量顯著高于黑麥和黑麥草單播處理。除黑麥草單播和毛葉苕子黑麥混播處理外，其他冬綠肥處理土壤pH較冬閑顯著降低，毛葉苕子和二月蘭單播處理土壤pH下降幅度顯著大于黑麥單播和毛葉苕子二月蘭混播處理，但二者之間無顯著差異。與冬閑對照相比，冬綠肥處理土壤EC值顯著下降了2.25%～13.56%，黑麥草處理EC值為209.33 S/m，降幅高于其他冬綠肥，差異顯著；冬綠肥處理土壤堿解氮含量與冬閑對照無顯著差異，有效磷和速效鉀含量比冬閑對照分別顯著增加了14.33%～46.81%和10.51%～32.38%，毛葉苕子單播處理的增量最大。以上研究結果表明，種植冬綠肥能不同程度地改善土壤的化學和生物學性質。

2.2 冬綠肥種植對土壤物理性質的影響

從表2可以看出，冬綠肥種植有利于土壤物理性質改善。與冬閑處理相比，冬綠肥處理土壤含水量有所增加，但差異不顯著；二月蘭和黑麥草單播處理土壤容重比冬閑處理分別降低4.49%和4.78%，差異顯著，二者與其他冬綠肥處理間差異不顯著；從土壤總孔隙度指標看，二月蘭和黑麥草單播處理比冬閑處理分別提高5.50%和7.82%，差異顯著，二者與其他冬綠肥處理間差異不顯著；與冬閑處理相比，冬綠肥處理土壤飽和持水量增加8.50%～20.80%，差異顯著，以毛葉苕子二月蘭混播處理增量最大。

表2 長期冬綠肥種植對土壤物理性質影響Table 2 Effects of planting green manure over the long term on soil physical properties

2.3 冬綠肥種植對根際土壤酶活性的影響

由表3可知，與冬閑處理相比，冬綠肥處理土壤脲酶活性增加6.59%～20.47%，差異顯著，綠肥處理間表現為毛葉苕子黑麥混播顯著高于二月蘭、毛葉苕子、黑麥單播處理，與其余兩處理無顯著差異；毛葉苕子、黑麥、毛葉苕子黑麥混播處理土壤堿性磷酸酶活性顯著高于其他處理，其他處理間無顯著差異；黑麥和黑麥草單播處理土壤蔗糖酶活性高于冬閑及毛葉苕子二月蘭混播處理，差異顯著，與其他處理間無顯著差異；毛葉苕子二月蘭混播和毛葉苕子單播處理土壤過氧化氫酶活性高于冬閑和毛葉苕子黑麥混播處理，差異顯著，與其他處理間差異不顯著；二月蘭、毛葉苕子、黑麥和黑麥草單播處理土壤多酚氧化酶活性顯著高于冬閑、毛葉苕子二月蘭混播、毛葉苕子黑麥混播處理，差異顯著，前四者之間及后三者之間差異不顯著。

表3 不同冬綠肥種植土壤酶活性Table 3 Soil enzymatic activities as affected by green manure crops planted during winter

2.4 冬綠肥種植對土壤微生物群落的影響

試驗田土壤微生物以細菌為主，其次是放線菌和真菌。將春秋兩季的土壤細菌、放線菌和真菌數量進行平均計算，采用平均值表示不同冬綠肥對土壤微生物活性的影響。由表4可知，與冬閑處理相比，冬綠肥處理土壤細菌數量提高26.67%～75.89%；土壤真菌數量提高61.90%～97.90%；土壤放線菌數量提高51.40%～92.10%，春季高于秋季，差異顯著(P<0.05)。春季土壤細菌數量冬綠肥處理間表現為毛葉苕子單播顯著高于二月蘭、黑麥單播處理，與其他綠肥處理無顯著差異；土壤真菌數量綠肥處理間無顯著差異；土壤放線菌數量表現為黑麥草單播處理顯著高于二月蘭、黑麥和毛葉苕子單播處理，與混播處理間無顯著差異。

表4 長期冬綠肥種植對土壤微生物數量的影響Table 4 Effects of planting green manure over the long term on soil microbial biomass

2.5 冬綠肥種植對土壤肥力影響綜合評價

對綜合評價涉及的土壤肥力指標進行主成分分析：第1主成分對總方差貢獻率為82.34%，以土壤有機質、活性有機碳、全氮、速效鉀、細菌數量、放線菌數量、真菌數量、微生物量氮、微生物量碳、含水量和土壤飽和持水量貢獻最大；第2主成分對總方差貢獻率為10.26%，以土壤全磷、全鉀、堿解氮、pH和脲酶活性貢獻最大；第3主成分對總方差貢獻率為5.87%，以土壤有效磷、蔗糖酶活性貢獻最大；前 3 個主成分累計貢獻率達 98.46% (表5 )。由表6可知，各處理在3個主成分上的綜合得分排名為毛葉苕子二月蘭混播>毛葉苕子黑麥混播>毛葉苕子>二月蘭>黑麥草>黑麥>冬閑，毛葉苕子二月蘭混播處理綜合評價得分最高，為1.03，毛葉苕子黑麥混播處理綜合得分次之，為0.88，冬閑處理綜合評價得分最低，為–1.42。

表5 主成分分析特征值和方差貢獻率Table 5 Eigen values and variance contribution rate based on the principal component analysis

表6 不同處理主成分分析綜合得分及排名Table 6 Comprehensive score and ranking chart based on the principal component analysis

以不同處理的3個主成分得分代替土壤肥力指標，計算不同處理得分并作圖。由圖1a可知，可將7個處理分為3類，第1類為毛葉苕子二月蘭混播和毛葉苕子黑麥混播，在主成分綜合得分中最高，表明冬綠肥混播處理土壤肥力最高；第2類為毛葉苕子、二月蘭、黑麥草和黑麥處理，其主成分綜合得分較高，表明冬綠肥單播處理土壤肥力較高；第3類為冬閑模式，主成分綜合得分最低，表明冬閑處理土壤肥力最差。根據圖1b和圖1c荷載圖可知，土壤全量養分(有機質、全氮、全磷和全鉀)集中在一起，它們之間具有顯著的正相關關系；盡管有效態養分(堿解氮、有效磷、速效鉀、土壤活性有機碳)分布在一個象限，但僅僅速效鉀和土壤活性有機碳聚集在一起，其相關性較強，其它有效態養分相關性不大。細菌、真菌、放線菌聚集在一起，具有顯著的正相關性。對于土壤理化性質而言，土壤含水量、飽和含水量、總孔隙度與部分土壤養分呈顯著正相關關系，而土壤容重、pH和EC與大部分土壤養分含量呈顯著負相關關系。對于土壤酶活性，僅僅脲酶與速效氮存在顯著正相關關系。

圖1 土壤肥力因子間主成分分析Fig.1 Principal component analysis of soil fertility factors

3 討論

3.1 長期冬綠肥種植改善土壤理化性質及生物學性質

綠肥種植是影響土壤肥力以及其可持續利用的重要農業措施之一，已有研究表明綠肥與主作物間套輪作可以改善土壤理化性質和生物學性質，從而提高土壤肥力[2–3]。土壤有機質、氮、磷、鉀含量等是主要土壤肥力指標，影響作物生長、養分循環與微生物過程。本研究結果表明，與冬閑相比，綠肥作物輪作不同程度增加了土壤有機質、全氮、全磷、速效鉀、有效磷含量，這和前人的研究結果[27–28]一致。因為冬綠肥種植增加了碳累積，減少了養分流失，盛花期含有大量的碳、氮、磷、鉀等元素，翻壓還田后經過微生物的腐解作用釋放到土壤中，增加了土壤有機質和氮磷鉀養分的含量[29]。然而，白金順等[30]研究認為，冬綠肥種植增加稻田土壤堿解氮含量，而本研究中綠肥種植土壤堿解氮含量增加不顯著，可能是因為在綠肥與玉米輪作體系中，綠肥吸收了土壤中盈余氮素并以有機氮形式儲存在綠肥體內，其腐解釋放氮素部分以有機氮形式在土壤中存留[31]。本研究結果認為冬綠肥種植對土壤有機質增量表現為黑麥>毛葉苕子>毛葉苕子黑麥混播>毛葉苕子二月蘭輪播>二月蘭>黑麥草處理。Liu等[31]認為，黑麥和黑麥草地上部和根系的生物量供給土壤碳的潛力高于紅三葉，土壤團聚體穩定性提高50%；肖小平等[32]認為，黑麥草、紫云英和油菜地下根系生物量與土壤有機質含量呈正相關關系，以上研究與本研究結果稍有不同，因為土壤有機質增加是綠肥種植過程中綜合因素作用的結果，除了綠肥本身地上部和根系生物量外，還與綠肥C/N、腐解礦化速率、土壤環境等有關[2]。土壤EC值代表土壤水溶鹽濃度，本研究證實，冬綠肥?春玉米輪作后土壤EC值顯著降低，這與劉慧等[33]認為綠肥翻壓會降低土壤水溶鹽濃度結果相似。因為綠肥種植增加土壤有機團聚體數量，從而增加了對鹽基離子的吸附，同時綠肥種植提高土壤孔隙度，增加鹽基離子向土壤深層滲透，從而降低表層土壤水溶鹽濃度。本研究發現，與春玉米輪作綠肥二月蘭和黑麥草顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，從而增加土壤持水能力，降低農田表土跑墑風險，這可能與二月蘭、黑麥草兩種作物發達根系有關[34]。二月蘭強大的深根型根系通過穿插作用疏松土壤，降低土壤緊實度；而黑麥草須根數量巨大，通過與土壤接觸的細度和廣度疏松土壤。土壤微生物數量和土壤酶活性直接影響土壤生物化學活性及土壤養分的組成與轉化，是反映土壤生物活性和土壤肥力的重要指標。本研究證明，長期種植冬綠肥顯著提高土壤細菌、真菌和放線菌數量26.67%～75.89%、61.90%～97.90%和51.40%～92.10%；冬綠肥處理SMBC和SMBN含量分別顯著提高42.49%～72.38%和15.48%～58.39%，可能原因是冬綠肥生長季不僅直接增加地上部和根系生物量及根系分泌物，同時綠肥翻壓入土后也為微生物生長提供了養料，促進了微生物生長和繁殖[35]。本研究結果顯示，冬綠肥處理不同程度增加土壤脲酶活性。與Rochette等[36]的解釋一致，因為綠肥本身在腐解過程中會提高表層土壤含水量、地溫，脲酶活性會因為溫度升高而增強。

3.2 長期冬綠肥種植對土壤綜合肥力影響差異

土壤肥力是土壤各方面性質的綜合反映，包括土壤養分、土壤物理性質、生物化學性質及環境條件等綜合性指標，相比于單因子肥力，土壤綜合肥力更能真實反映土壤肥力質量。因此，本研究選取常規土壤物理、化學和生物性質23項基本指標，通過主成分分析方法，對土壤綜合肥力進行評價。本研究發現，冬季綠肥覆蓋能夠顯著提高土壤綜合肥力，這和前人的研究結果[37–38]一致。毛葉苕子二月蘭混播和毛葉苕子黑麥混播對土壤綜合肥力提升效果優于毛葉苕子、二月蘭、黑麥、黑麥草單播處理，與劉明建等[39]認為的豆禾混播二者因為競爭作用加劇了對土壤養分的消耗，導致對土壤肥力提升無太大作用的結果相反，這可能是因為本研究選擇豆科作物毛葉苕子和禾本科作物黑麥以及十字花科二月蘭混播種植方式，創造了適宜的碳氮比、碳磷比、氮磷比，從而有利于微生物分解有機質釋放養分，促使土壤中有效養分增加[40]。此外，毛葉苕子優于其他冬季綠肥，可顯著提高土壤綜合肥力，從種植毛葉苕子土壤氮素、有效磷和速效鉀以及磷酸酶、蔗糖酶和多酚氧化酶的活性高于其他處理得到證明。以往研究認為，毛葉苕子屬于豆科作物，根系分泌物及其有機殘體比較豐富，為微生物生長和繁殖提供了場所，促進土壤生物活性增強；有機酸類物質亦或是與菌根真菌的共生關系促進了土壤難溶性磷素及固持鉀素溶解與釋放[41–44]。

4 結論

長期春玉米–冬綠肥輪作顯著改善了土壤理化性質和生物學性質。毛葉苕子二月蘭混播、毛葉苕子黑麥混播的效果好于毛葉苕子、二月蘭、黑麥草、黑麥單播處理，豆科綠肥單播的效果又好于禾本科綠肥單播。