利于蘇北沿海灘涂土壤有機碳固定的綠肥粉壟耦合種植模式研究

摘要：為探索利于蘇北沿海灘涂土壤有機碳固定的綠肥粉壟耦合種植模式，在蘇北沿海灘涂設置：裸地+常規深耕（15 cm）（對照）、裸地+粉壟（20 cm）、裸地+粉壟（30 cm）、裸地+粉壟（40 cm）、種植苕子+常規深耕翻壓（15 cm）、種植苕子+粉壟翻壓（20 cm）、種植苕子+粉壟翻壓（30 cm）、種植苕子+粉壟翻壓（40 cm） 8種種植模式試驗，研究對比8種模式土壤有機碳固定表現以及下季玉米產量。結果表明：粉壟耕作降低了沿海灘涂土壤容重，提高了土壤gt;2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm 粒級土壤團聚體質量百分數，降低了0.05～0.25 mm、lt;0.05 mm粒級團聚體質量百分數。粉壟耕作可使沿海灘涂土壤物理結構，尤其是大團聚體結構得以有效改善。綠肥粉壟耦合模式下，土壤養分及可溶性有機碳、活性有機碳含量顯著提高，土壤碳庫指數、碳庫活度指數和碳庫管理指數顯著上升，土壤gt;2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm 粒級土壤團聚體質量百分數提高，0.05～0.25 mm、lt;0.05 mm粒級團聚體質量百分數降低，且各粒級團聚體中有機碳含量、＞2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm團聚體中有機碳貢獻率顯著提高，玉米產量顯著增加，其中，種植苕子+粉壟翻壓（30 cm）模式可較大程度地結合綠肥提供有機碳，粉壟耕作改善土壤物理結構的優勢，最有利于灘涂土壤有機碳的積累、固定以及玉米產量的增加，從而達到改善沿海灘涂土壤碳封存、提高灘涂土壤耕地質量、實現沿海灘涂地區增產增收的目的。該模式操作簡單、見效快，可在蘇北沿海灘涂區域推廣使用。

關鍵詞：沿海灘涂；綠肥；粉壟；有機碳固定

中圖分類號：S152.4；S158.3" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）05-0216-06

江蘇省沿海灘涂資源豐富，海岸線近1 000 km，蘇北沿海地區擁有我國1/4 以上的灘涂面積［1］。但沿海灘涂土壤具有高鹽分、低養分、高礦化度等特點，且土壤板結、質地較差，難以維持一般作物正常生長發育。維護和提高沿海灘涂土壤質量對保障糧食生產，實現農業可持續發展具有重大意義。

土壤有機碳的動態平衡是反映土壤質地、農作物產量以及經濟效益的重要指標［2］。我國綠肥種植具有悠久歷史。綠肥翻壓還田后腐解、釋放養分可成為優質有機肥源，可有效提高有機質輸入土壤的速率［3］。因此，在蘇北沿海灘涂地區種植綠肥具有培肥灘涂土壤、改善沿海生態環境的重要作用。

粉壟耕作是一種新型農田深旋耕技術。該技術利用專用機械垂直螺旋型鉆頭，將土壤旋磨粉碎并自然懸浮成壟。該技術一方面簡化了耕地作業的程序，在不打亂土層的情況下打破犁底層，一次作業同時完成深松、深耕與整地，另一方面可有效改善土壤耕層結構、團粒結構以及促進作物生長［3］。綠肥粉壟耦合是通過粉壟技術將綠肥翻壓還田，進一步全耕層切割粉碎土壤，深耕深松，使土壤膨松成壟的種植模式。該模式可耦合綠肥固氮、固碳特性及粉壟耕作促進土壤物理結構及有機碳的扭轉效應，從而使耕作層土壤的各級活性物質得到有效運移，其潛在利用機制得到有效激發，利用有效的線性變化規律進一步有效提升耕地質量［4］。

蘇北沿海灘涂土壤養分低、質地差，綠肥粉壟耦合模式一方面可以通過綠肥翻壓增加土壤養分，另一方面，蘇北沿海灘涂土壤水鹽運動較復雜，粉壟耕作可通過改變土壤耕層結構、團粒結構，進一步調控灘涂土壤水、鹽、肥等要素的時空分布，在土壤耕作層建立一個低鹽環境，改善土壤碳封存，供作物進行正常的生命活動。目前，有關綠肥粉壟耦合模式的研究還不多。因此，本試驗以綠肥為作物，對綠肥翻壓+粉壟耕作等種植模式進行了研究，從土壤有機碳積累和固定角度進行評價，以期為利于蘇北沿海灘涂土壤有機碳固定的種植模式推廣提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試綠肥為豆科野豌豆屬的苕子。粉壟機械使用立式螺旋形旋削刀具入土，一次性全耕層切割粉碎土壤，深耕深松，使之膨松成壟。

1.2 試驗地點及試驗設計

試驗地點位于江蘇省沿海灘涂農業工程技術研究中心（地理位置32°59′N，120°49′E）。供試土壤為輕質沙壤。土壤鹽分含量為0.2%～0.3%。試驗共設置8個種植模式：A（裸地+常規深耕 15 cm，對照）、B（裸地+粉壟20 cm）、C（裸地+粉壟30 cm）、D（裸地+粉壟40 cm）、E（種植苕子+常規深耕翻壓 15 cm）、F（種植苕子+粉壟翻壓 20 cm）、G（種植苕子+粉壟翻壓30 cm）、H（種植苕子+粉壟翻壓 40 cm）。每個模式重復3 次，小區設計為72 m2（9 m×8 m），試驗小區隨機區組排列。

綠肥（苕子）在2021 年12 月上旬播種。采用條播方式，苕子播種量為4 kg/667 m2。2022年5月26 日將綠肥（苕子）進行粉壟翻壓，下季種植玉米。2022年11月28日采用“S”形五點取樣方法采集每個試驗小區土壤樣品，土壤深度為 0～20 cm。為防止土壤樣品被攪動及擠壓，土壤樣品在采集后直接分成直徑5 cm左右的土塊，并剔除植物殘渣，以用于各項指標的測定。

1.3 土壤測定項目和方法

土壤容重采用環刀法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；堿解氮含量采用堿解-擴散法測定；速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；有效鉀含量采用醋酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定［5］。

土壤水穩性團聚體測定：采用濕篩法。采集土壤樣品，依據紋理掰成長約2 cm的土塊。稱取50 g土壤樣品至土壤團粒分析儀，土壤粒級分為4個層次：gt;2.00 mm、 gt;0.25～2.00 mm、0.05～0.25 mm、lt;0.05 mm［6］。

土壤可溶性有機碳含量采用總有機碳分析儀測定；土壤活性有機碳（LOC）含量采用KMnO4氧化法［7］測定。團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率計算采用白怡婧等的方法［8］。碳庫管理指數（CPMI）、碳庫指數（CPI）、碳庫活度指數（AI）、碳庫活度（A）計算公式采用張蛟等的方法［2］。

1.4 數據分析

運用Microsoft Excel 2010 和SPSS 17.0 軟件進行數據處理、統計及相關性分析。Duncan’s 法多重比較（α=0. 05）。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式下沿海灘涂土壤基本理化性狀及養分變化

從表1可以看出，不同種植模式下，沿海灘涂土壤基本理化性狀及養分變化趨勢不一致。 粉壟（B、C、D）模式下，土壤容重低于A模式，綠肥粉壟耦合模式（F、G、H）下土壤容重繼續降低，G模式的土壤容重比A模式下降9.6%。B、C、D模式下，土壤養分含量較A模式變化不顯著，F、G、H模式提高了土壤養分含量，G模式的土壤有機質含量、堿解氮含量、速效磷含量比A模式分別提高25.5%、10.5%、8.7%。由此說明，粉壟耕作可使沿海灘涂土壤容重下降，而綠肥粉壟耦合可進一步提高土壤養分含量。這與楊雪等的研究結果［9］較為一致。

2.2 不同種植模式下沿海灘涂土壤可溶性有機碳及土壤活性有機碳含量變化

由圖1可知，A模式下土壤養分含量最低。粉壟（B、C、D）模式下，土壤可溶性有機碳含量及土壤活性有機碳含量較A模式有所提高，但差異不顯著。綠肥粉壟耦合（F、G、H）模式下土壤有機碳含量顯著提升，以土壤活性有機碳含量為例，F、G、H模式比A模式分別提高24.6%、36.9%、33.8%。這主要是由于綠肥含有新鮮的有機碳，翻壓還田后，大量養分及活性有機碳促進了土壤原有有機碳轉變成易被作物吸收利用的活性有機碳。而粉壟耕作又對土壤有機碳的轉變具有促進作用［10］。

2.3 不同種植模式下沿海灘涂土壤碳庫管理指數變化

由表2可知，不同種植模式下，沿海灘涂土壤CPMI變化趨勢不一致。 粉壟（B、C、D）模式下， CPI、AI和CPMI較A模式有所提高，但變化不顯著。綠肥粉壟耦合（F、G、H）模式下，土壤CPI、AI和CPMI較A模式提高幅度加大。G、H模式下，CPI比A模式均提高25.4%， CPMI比A模式分別提高38.8%、35.7%。這充分說明了沿海灘涂綠肥粉壟耦合模式有利于改善灘涂土壤質量，提高土壤肥力。

2.4 不同種植模式下沿海灘涂土壤水穩性團聚體組成變化

由圖2可知，粉壟（B、C、D）模式提高了土壤gt;2.00 mm、 gt;0.25～2.00 mm 粒級土壤團聚體質量百分數，降低了0.05～0.25 mm、lt;0.05 mm粒級的團聚體質量百分數。綠肥粉壟耦合（F、G、H）模式下土壤gt;2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm 粒級土壤團聚體質量百分數提高，0.05～0.25 mm、lt;0.05 mm粒級的團聚體質量百分數降低。F、G、H模式下，gt;2.00 mm 粒級土壤團聚體質量百分數比A模式分別提高85.4%、122.5%、119.1%，lt;0.05 mm粒級土壤團聚體質量百分數比A模式分別降低20.6%、31.8%、29.9%。

2.5 不同種植模式下沿海灘涂土壤水穩性團聚體中有機碳分布變化

由圖3可知，各種種植模式下土壤有機碳在不同粒徑團聚體中的分布存在差異。粉壟（B、C、D）模式下團聚體中有機碳含量較A模式變化不明顯。綠肥粉壟耦合（F、G、H）模式下團聚體中有機碳含量提高。不同粒級團聚體中均以G模式下的有機碳含量最高。與A模式相比，G模式下＞2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm、0.05～0.25 mm、＜0.05 mm 團聚體有機碳含量分別提高了26.5%、36.8%、15.9%、18.9%。可見，綠肥粉壟耦合能明顯增加各粒徑團聚體有機碳含量，尤其是大團聚體中有機碳含量。

2.6 不同種植模式下各粒級水穩性團聚體中有機碳貢獻率變化

由圖4可知，不同種植模式下不同粒級團聚體的有機碳貢獻率差異較大。粉壟（B、C、D）模式下，＞2.00 mm團聚體中有機碳貢獻率較A模式變化不明顯， gt;0.25～2.00 mm團聚體中有機碳貢獻率有所提高，有機碳貢獻率可分別達到26.7%、34.3%、34.2%。綠肥粉壟耦合（F、G、H）模式下，＞2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm團聚體中有機碳貢獻率均提高，尤其是G模式下，＞2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm團聚體中有機碳貢獻率可達到18.8%、38.1%。可見，綠肥粉壟耦合種植模式有利于提高大團聚體中，尤其是gt;0.25～2.00 mm團聚體中的有機碳貢獻率，其中以G模式增幅最大。

2.7 不同種植模式下玉米產量變化

由圖5可知，不同種植模式下玉米產量存在差異。粉壟（B、C、D）模式下玉米產量較A模式呈上升趨勢，綠肥粉壟耦合（F、G、H）模式下玉米產量顯著增加。與A模式相比，F、G、H模式下玉米產量分別增加15.6%、19.2%、17.8%。由此可見，粉壟耕作可以通過改善土壤耕層狀況以及土壤的透水透氣能力，從而為玉米的生長提供良好的環境。而綠肥粉壟耦合模式又給玉米的生長發育提供了養分，從而實現作物的增產增收，而綠肥粉壟耦合模式中以粉壟30 cm （G模式）增產效應較好。

3 討論與結論

蘇北沿海灘涂資源豐富，總面積約為 6.87×105 hm2，占我國灘涂總面積的1/4，且每年仍以幾米至幾十米的速度淤漲。但灘涂土壤鹽分高，養分低，尤其是土壤物理結構差、有機質含量低、養分供應不足，不能滿足作物的正常生長［11］。

土壤有機碳是土壤碳庫的主要組分，約占陸地碳總量的70%。有機碳的活性組分，如活性有機碳、微生物量碳等與土壤有效養分、物理性狀等密切相關，可以敏感地反映出土壤有機碳的有效性，是評價土壤質量的重要指標［12-13］。研究表明，綠肥還田能夠顯著增加土壤碳的存儲，尤其是土壤碳庫的活性組分。這主要是因為綠肥翻壓還田后腐解，釋放大量有機物成為優質有機肥源，土壤有機養分庫容增加，速效養分吸納能力得以提高。因此，種植綠肥并翻壓成為作物高產、穩產和農業可持續發展的重要措施［14-15］。

粉壟耕作既不破壞土層，還可提高作物吸收利用土壤養分的效率。有研究表明，粉壟耕作可顯著改善土壤理化性質及養分水平。粉壟耕作后，土壤通透性增強，養分含量增加，土壤物理結構改善，土壤團聚體含量與穩定性得以提高［16-17］。本研究中，粉壟耕作降低了沿海灘涂土壤容重，提高了土壤gt;2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm 粒級土壤團聚體質量百分數，降低了0.05～0.25 mm、lt;0.05 mm粒級的團聚體質量百分數，提高了下季玉米產量。土壤學將粒徑0.25～10 mm 的團聚體稱為大團聚體，含量越高，說明土壤團聚性越好；lt;0.25 mm的團聚體稱為微團聚體，這一級別團聚體機械穩定性較差，在土壤中所占比例越高，說明土壤愈分散［18］。本研究可以說明，粉壟耕作可使沿海灘涂土壤物理結構，尤其是大團聚體結構得以有效改善。

綠肥粉壟耦合模式采用粉壟機械切割土壤，并同步實現綠肥粉碎還田，提高了土壤養分，改善了土壤物理環境［19］。本研究中，綠肥粉壟耦合模式下土壤容重顯著降低，土壤養分含量顯著提升，尤其是土壤有機碳含量。種植苕子+粉壟翻壓（30 cm）模式下，土壤活性有機碳含量提高了36.9%。研究表明，土壤活性有機碳與CPMI、CPI、AI密切相關。CPMI、CPI、AI既可以準確反映土壤碳封存總量的運移，還可以系統地反映土壤碳封存組成部分及結構的激發機制［2， 20-22］。本研究中，綠肥粉壟耦合（F、G、H）模式 下，沿海灘涂CPI、AI和CPMI顯著提高。種植苕子+粉壟翻壓（30 cm） G模式下， CPMI 比A模式提高38.8%。

土壤有機碳的固定是重要的固碳措施，而土壤團聚過程是土壤固碳最重要的途徑，因此土壤團聚體和有機碳關系極為密切。土壤團聚體是由礦物顆粒和有機物質結合形成，具有不同尺度的多孔結構，對土壤有機碳具有保護作用，與土壤的抗蝕能力和固碳容量密切相關。研究表明，表土中約90%有機碳位于團聚體內，有機碳含量的提高可增強土壤結構穩定性，非常有利于土壤團聚體結構的形成［23-24］。本研究中，綠肥粉壟耦合（F、G、H）模式下土壤gt;2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm粒級土壤團聚體質量百分數提高，0.05～0.25 mm、lt;0.05 mm粒級的團聚體質量百分數降低，且各粒級團聚體中有機碳含量提高，＞2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm團聚體中有機碳貢獻率也提高。其中，種植苕子+粉壟翻壓（30 cm）（G）模式下gt;2.00 mm粒級土壤團聚體質量百分數比A模式提高85.3%、lt;0.05 mm粒級土壤團聚體質量百分數比A模式降低19.3%；＞2.00 mm、gt;0.25～2.00 mm、0.05～0.25 mm、＜0.05 mm團聚體有機碳含量分別提高了26.5%、36.8%、15.9%、18.9%。＞2.00 mm、gt;0.25～2.00mm團聚體中有機碳貢獻率達到18.8%、38.1%。

由此可見，蘇北沿海灘涂綠肥粉壟耦合模式有利于土壤有機碳固定，分析其原因，主要是因為粉壟耕作通過調控灘涂土壤水、鹽、肥等要素的時空分布，提高了土壤大團聚體比例，改善了土壤物理結構，有助于優化沿海灘涂土壤的碳縱向遷移過程。而綠肥的種植及還田將土壤新的碳儲量進行更新和積累，增加了土壤的有機碳含量，提高了土壤有機碳庫存，這是有機資源對土壤碳的直接作用［25］。而綠肥粉壟耦合模式將以上效應進一步優化，土壤gt;2.00mm、gt;0.25～2.00 mm 粒級土壤團聚體質量百分數提高，大團聚體中有機碳含量及有機碳貢獻率亦提高，且綠肥粉壟耦合模式中以種植苕子+粉壟翻壓（30 cm） 模式效果最好。

種植模式的推廣必然離不開經濟效益的評價。本研究中，粉壟耕作可提高玉米產量，而綠肥粉壟耦合模式使玉米產量顯著提高，綠肥粉壟耦合G模式下玉米產量較A模式增加19.2%，極大地提高了作物經濟效益。這是由于綠肥翻壓提供養分，粉壟耕作通過改善灘涂土壤的物理結構狀態，建立適宜的生存環境，促進玉米對養分的吸收利用，從而實現增產、增收的目的，這與石偉業等在水稻上的研究結果［26］較為一致。

綠肥粉壟耦合-種植苕子+粉壟翻壓（30 cm） 模式可較大程度地結合綠肥提供有機碳，粉壟耕作改善土壤物理結構的優勢，有利于蘇北沿海灘涂土壤有機碳的積累、固定以及玉米產量的增加，從而達到改善沿海灘涂土壤碳封存，提高灘涂土壤耕地質量，實現沿海灘涂地區增產增收的目的。該模式操作簡單、見效快，可在蘇北沿海灘涂區域上推廣使用。

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