紫云英和秸稈還田對(duì)土壤肥力性狀的影響

李 峰，周方亮，黃雅楠，徐永昊，耿明建，黃 麗

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

我國(guó)耕地質(zhì)量問題突出，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，改善農(nóng)田質(zhì)量已成為目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)［1］。紫云英和秸稈均是重要的有機(jī)肥源，其還田后可以有效提高土壤肥力狀況、改善土壤物理性狀、防止水土流失、改善生態(tài)環(huán)境［2-3］。冬閑期種植綠肥、稻草全量還田及兩者配合還田均能起到增加土壤有機(jī)質(zhì)和提高土壤養(yǎng)分含量的作用，并有降低土壤容重和提高孔隙度的趨勢(shì)，其中多數(shù)指標(biāo)以稻草全量還田與種植綠肥配合還田模式的變化最大［4］。研究表明，與CK相比，稻草和綠肥單獨(dú)還田下土壤的有機(jī)碳顯著增加6.8%～8.0%，冬種紫云英+稻草高茬全量還田處理土壤的有效磷、速效鉀分別增加18%、22.8%［5］。

活性有機(jī)碳對(duì)外界環(huán)境變化十分敏感，為指示土壤肥力變化的重要指標(biāo)之一［6］。紫云英還田帶來大量外源新鮮有機(jī)物質(zhì)會(huì)對(duì)活性有機(jī)碳產(chǎn)生影響［7］。洞庭湖的紫潮泥地連續(xù)5年田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫云英還田下減施20%化肥有助于稻田表層土壤可溶性有機(jī)碳及易氧化有機(jī)碳的積累［8］。

氧化鐵是土壤中最常見的氧化物，具有較高的活性，易隨環(huán)境條件而變化［9］。水稻田長(zhǎng)期紫云英、秸稈還田主要通過改變土壤氧化還原狀況和有機(jī)質(zhì)含量，從而改變氧化鐵的形態(tài)組成。氧化鐵形態(tài)和含量的變化對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素碳、氮、磷等的循環(huán)有著重要影響［10］。研究表明，長(zhǎng)期施有機(jī)肥的土壤游離鐵含量下降，非晶質(zhì)鐵及氧化鐵的活化度上升［11］。長(zhǎng)期施化肥及化肥與紫云英、稻草、豬糞配施可增加土壤中無定形鐵的含量（增幅為10.5%～58.5%），降低土壤中游離鐵的含量（降幅為0.4%～13.8%），土壤中氧化鐵的活度提高19%～76%。

紫云英、秸稈還田能帶來大量的外源有機(jī)物料，且在水稻土頻繁的干濕交替環(huán)境下易影響有機(jī)碳的活性和鐵的形態(tài)，但少見相關(guān)的報(bào)道。本文基于荊州市水稻-紫云英輪作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究紫云英、秸稈還田對(duì)土壤各形態(tài)養(yǎng)分、活性有機(jī)碳及氧化鐵等肥力性狀的影響，為紫云英、秸稈的合理利用和提高農(nóng)田土壤肥力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 定位試驗(yàn)點(diǎn)概況

供試水稻土采自湖北省荊州市荊州區(qū)太湖農(nóng)場(chǎng)（112°48′56″N，30°53′26″E）的定位試驗(yàn)田。該地區(qū)年均溫為17.9℃，年均降水量為1 100 mm，試驗(yàn)地土壤為河流沖積物發(fā)育的水稻土，質(zhì)地是粉砂質(zhì)粘土（砂粒26.46%，粉粒46.56%，粘粒26.98%）。試驗(yàn)開始于2016年，設(shè)置不施肥（CK）、單施化肥（NPK）、紫云英單獨(dú)種植還田（MV）、化肥+紫云英種植還田（MV+NPK）、化肥+秸稈全量還田（S+NPK）、化肥+秸稈半量還田（50%S+NPK）、化肥+紫云英種植還田+秸稈全量還田（S+MV+NPK）、化肥+紫云英種植還田+秸稈半量還田（50%S+MV+NPK），共8個(gè)處理，各處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積20 m2。所有處理綠肥季均不施肥，水稻秸稈在綠肥季還田，氮、磷、鉀肥在水稻季施用，其養(yǎng)分總投入量分別為N 165 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2?；瘜W(xué)氮、磷、鉀肥根據(jù)前季紫云英和秸稈還田量而定。氮肥的70%作基肥，20%作分蘗肥，10%作粒肥，磷鉀肥全部作基肥施用。紫云英品種為戈江種（播種量為30 kg/hm2），水稻品種為黃華占。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 田間試驗(yàn)處理

1.2 土壤樣品采集

分別于2018年4月紫云英盛花期和2018年10月水稻收獲后，各小區(qū)采用“S”形布點(diǎn)法采集表層（0～20 cm）土壤樣品，混勻風(fēng)干并剔除其中根系、石塊，過篩備用。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

pH值采用電位法測(cè)定（水土比2.5∶1，奧力龍868型pH計(jì)）；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-比色法（Uv-1600紫外可見分光光度計(jì)）；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法（HG-3火焰光度計(jì)測(cè)定）；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱容量法。

土壤活性有機(jī)碳的測(cè)定采用高錳酸鉀氧化法［12］；土壤顆粒有機(jī)碳的測(cè)定采用六偏磷酸鈉震蕩法［13］。

游離鐵用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉（DCB）提取，非晶質(zhì)鐵用酸性草酸銨提取，絡(luò)合鐵用焦磷酸鈉提取，用原子吸收光譜法（AA240 FS型原子吸收光譜儀）測(cè)定各形態(tài)鐵的含量。鐵的活化度（%）=100×非晶質(zhì)鐵/游離鐵［14］。

土壤肥力主成分分析［15-16］：以供試土壤測(cè)定的項(xiàng)目（pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、游離鐵、非晶質(zhì)鐵、絡(luò)合鐵和活化度）為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，選取累計(jì)百分率≥80%的主成分因子。根據(jù)主成分的特征向量構(gòu)建主成分方程，計(jì)算各因子主成分分值，再用各公因子的特征值貢獻(xiàn)率作為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，即得各處理土壤綜合得分。綜合得分函數(shù)模型F=∑bjZj=b1Z1+b2Z2+……+bmZm（b 為貢獻(xiàn)率）［17］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及作圖；SPSS 20.0進(jìn)行方差分析，用Duncan′s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較；用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行同一處理不同取樣時(shí)間的比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英、秸稈還田對(duì)水稻土pH值、有機(jī)碳、速效養(yǎng)分和活性有機(jī)碳的影響

各處理土壤的pH值為7.11～7.93（表2），除S+NPK、50%S+MV+NPK處理外，水稻季各處理土壤的pH值均顯著高于紫云英季。紫云英季各處理間的土壤pH值差異不顯著，但CK處理的相對(duì)較高；水稻季S+NPK、S+MV+NPK處理土壤的pH值顯著低于CK處理，其余處理也略有降低，但差異不顯著。水稻季S+MV+NPK、50%S+MV+NPK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著低于紫云英季；紫云英季中，與CK處理相比，S+MV+NPK處理的有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，其余處理也有增加但沒有達(dá)到顯著水平；水稻季中，NPK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，除50%S+NPK處理外，其余處理的有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于NPK處理，其中MV處理的含量最高，達(dá)30.42 g/kg。

表2 不同處理的土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分及活性有機(jī)碳的含量

試驗(yàn)點(diǎn)紫云英季、水稻季的土壤堿解氮含量分別為133.39～149.72 mg/kg、139.66～159.22 mg/kg，紫云英季CK、S+MV+NPK處理的堿解氮含量顯著低于水稻季；與CK處理相比，紫云英季S+MV+NPK處理的堿解氮含量顯著增加，較CK處理增加12.24%，其余處理也都有增加但未達(dá)顯著水平；水稻季紫云英還田較CK處理的堿解氮含量都有增加，但各處理間沒有顯著差異。水稻季NPK處理的土壤有效磷含量顯著低于紫云英季，其余處理兩季間沒有顯著差異；紫云英季和水稻季土壤有效磷含量最高的均為S+MV+NPK處理，最低的都是MV處理；紫云英季MV、MV+NPK處理的土壤有效磷含量顯著低于S+MV+NPK處理，其余處理差異不顯著；水稻季中，與MV處理相比，50%S+NPK、S+MV+NPK處理的土壤有效磷含量顯著增加。紫云英季MV+NPK處理的速效鉀含量顯著低于水稻季，其余處理兩季間沒有顯著差異；紫云英季中，與CK處理相比，MV+NPK處理顯著降低、S+MV+NPK處理顯著增加了土壤速效鉀含量；水稻季中，與MV處理相比，S+NPK、50%S+NPK、S+MV+NPK、50%S+MV+NPK處理的速效鉀含量顯著增加，其中S+NPK處理的增幅最大，較MV處理增加了25.87%，表明紫云英種植還田可能會(huì)消耗土壤鉀素，秸稈還田能有效增加土壤速效鉀含量，這與劉小粉等［18］對(duì)信陽水稻土的研究結(jié)果相似。

對(duì)于同一處理而言，土壤顆粒有機(jī)碳含量在兩季間沒有顯著差異，紫云英季S+MV+NPK、50% S+MV+NPK處理的土壤易氧化有機(jī)碳顯著高于水稻季。與CK處理相比，紫云英季S+MV+NPK處理的土壤顆粒有機(jī)碳含量顯著增加，增幅為19.10%；與NPK處理相比，水稻季MV、MV+NPK、S+MV+NPK處理的土壤顆粒有機(jī)碳含量顯著增加，MV+NPK處理的顆粒有機(jī)碳含量最高，較NPK處理增加19.93%。紫云英季和水稻季的土壤易氧化有機(jī)碳在各處理間均沒有顯著差異，兩季土壤易氧化有機(jī)碳含量最高的分別是S+MV+NPK、S+NPK處理。

可見，在紫云英季和在水稻季，各形態(tài)養(yǎng)分和活性有機(jī)碳含量多以S+MV+NPK處理的含量最高，表明紫云英-秸稈聯(lián)合還田可發(fā)揮紫云英、秸稈各自的培肥優(yōu)勢(shì)，對(duì)于土壤養(yǎng)分的提升更為全面，這與前人的研究結(jié)果相同［4-5］。

2.2 紫云英、秸稈還田對(duì)水稻土中氧化鐵的影響

紫云英季CK、MV處理的土壤游離鐵含量顯著高于水稻季，MV+NPK、S+NPK、50%S+NPK、S+MV+NPK、50%S+MV+NPK處理游離鐵含量顯著低于水稻季，兩季土壤游離鐵含量最高的均為50%S+MV+NPK處理，最低的都是MV處理（表3）；與MV處理相比，S+MV+NPK、50%S+MV+NPK處理游離鐵含量在紫云英季和水稻季均有顯著增加，紫云英季增幅分別為3.97%、4.77%，水稻季增幅分別為12.52%、15.45%。

表3 不同處理的土壤各形態(tài)氧化鐵含量及氧化鐵的活化度

紫云英季和水稻季的土壤非晶質(zhì)鐵含量分別為6.07～6.88、6.00～7.05 g/kg，同一處理兩季間沒有顯著性差異；紫云英還田各處理與CK處理相比，兩季非晶質(zhì)鐵含量最高的均為S+MV+NPK處理，但都未達(dá)到顯著水平，表明非晶質(zhì)鐵含量可能會(huì)隨著有機(jī)物料還田量的增加而上升，這與黑土、黃綿土、紅壤施用有機(jī)肥處理的研究結(jié)果類似［19］。

紫云英季NPK處理土壤絡(luò)合鐵含量顯著高于水稻季，其余處理的絡(luò)合鐵含量在兩季間沒有顯著差異；與CK處理相比，紫云英季NPK、S+MV+NPK處理土壤絡(luò)合鐵含量均顯著增加，S+MV+NPK處理增幅最大，較CK處理的增加30.63%；與紫云英季類似，與CK處理相比，水稻季S+MV+NPK處理土壤絡(luò)合鐵含量顯著增加，增幅為30.88%；此外，與半量秸稈還田處理相比，兩季全量秸稈還田處理土壤絡(luò)合鐵含量均有所增加，但差異不顯著。

紫云英季和水稻季土壤氧化鐵的活化度分別為23.78%～26.55%、23.55%～27.61%，水稻季CK、MV處理氧化鐵的活化度顯著高于紫云英季。與非晶質(zhì)鐵類似，氧化鐵的活化度在紫云英季和水稻季各處理間均無顯著差異；但在紫云英季與CK處理相比，紫云英還田各處理土壤氧化鐵的活化度均有增加，其中S+MV+NPK處理的最高，達(dá)26.55%。

總的來說，除部分處理外，連續(xù)兩年紫云英還田下土壤非晶質(zhì)鐵、絡(luò)合鐵含量及氧化鐵的活化度有所增加，即種植翻壓紫云英可以提高各形態(tài)氧化鐵的含量，這與Yadav等［20］的研究結(jié)果類似。

2.3 主成分分析

2.3.1 主成分提取及累積貢獻(xiàn)率

供試土壤肥力性狀的3個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到90.43%（表4）。在第一主成分中，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、非晶質(zhì)鐵、絡(luò)合鐵有較大的正向載荷，貢獻(xiàn)率為61.25%。在第二主成分中，有效磷、速效鉀和游離鐵有較大的負(fù)向載荷，有機(jī)質(zhì)、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和活化度有較大的正向載荷，貢獻(xiàn)率為18.30%。第三主成分中，游離鐵有較大的負(fù)向載荷，活化度有較大的正向載荷，貢獻(xiàn)率為10.88%。

表4 主成分特征向量及累計(jì)貢獻(xiàn)

2.3.2 各主成分得分和綜合得分

對(duì)選取的3個(gè)主成分進(jìn)行載荷值旋轉(zhuǎn)計(jì)算，由此可得出3個(gè)主成分的綜合得分（表5）。紫云英還田各處理在主成分1上的得分表現(xiàn)為S+MV+NPK＞50%S+MV+NPK＞S+NPK＞MV+NPK＞NPK＞50%S+NPK＞MV＞CK；紫云英還田各處理在主成分2上的得 分 表 現(xiàn) MV＞MV+NPK＞CK＞S+MV+NPK＞50%S+MV+NPK＞50%S+NPK＞NPK＞S+NPK； 紫 云 英 還 田各處理在主成分3上的得分表現(xiàn)50%S+NPK＞S+MV+NPK＞MV＞NPK＞CK＞S+NPK＞MV+NPK＞50%S+MV+NPK。

表5 不同處理主成分得分及綜合得分

根據(jù)綜合得分的最大值和最小值，選擇適當(dāng)?shù)姆种祬^(qū)間，即按照等距d=（|F綜max|+|F綜min|）/3計(jì)算將綜合得分劃分為3個(gè)等級(jí)。一等｛S+MV+NPK｝，綜合得分范圍為（1.723，3.701）；二等｛50%S+MV+NPK，MV，MV+NPK，S+NPK，50%S+NPK｝，綜合得分范圍為（-0.255，1.723）；三等｛NPK，CK｝，綜合得分范圍為（-2.232，-0.255）。

不同紫云英、秸稈還田措施下，土壤肥力水平可依此劃為3個(gè)等級(jí)，秸稈全量還田+紫云英種植還田+化肥處理最高，紫云英種植還田、秸稈半量還田+紫云英種植還田+化肥、紫云英種植還田+化肥、秸稈全量還田+化肥、秸稈半量還田+化肥處理次之，化肥、不施肥最低。表明相比不施肥以及單施化肥，紫云英、秸稈等作為天然的有機(jī)肥還田，可以提高土壤肥力水平，尤其是兩者配合施用效果最好，這與相關(guān)研究結(jié)果相似［4］。

3 討論

本研究中，紫云英還田處理的土壤非晶質(zhì)鐵、絡(luò)合鐵含量及活化度均增加，這與王瑩等［21］的研究結(jié)果一致。水稻土中存在周期性的氧化還原交替，淹水使土壤溶液中的鐵離子水解形成氫氧化物單體，脫水能使土壤中的非晶質(zhì)鐵老化，氧化鐵的組成發(fā)生變化。楊東偉等［9］研究發(fā)現(xiàn)水田返旱后水耕表層的無定形鐵、鐵的活化度、絡(luò)合態(tài)鐵和水溶性鐵顯著下降。另外，紫云英、秸稈還田能帶來大量新鮮的外源有機(jī)質(zhì)，一方面，這些有機(jī)質(zhì)可與氧化鐵結(jié)合，形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，保護(hù)有機(jī)碳不被分解，該過程還可以提高氧化鐵自身的化學(xué)穩(wěn)定性［22］；另一方面，非晶質(zhì)鐵強(qiáng)烈吸附有機(jī)質(zhì)而阻礙氧化鐵晶核的生長(zhǎng)，在有機(jī)質(zhì)被分解時(shí)部分氧化鐵被還原成為水溶性鐵，再經(jīng)水解或氧化生成無定形的氫氧化鐵［23-24］。有研究［25］表明，大量有機(jī)無機(jī)肥的施入，會(huì)影響與鐵氧化還原相關(guān)的微生物豐度以及群落結(jié)構(gòu)，這也會(huì)對(duì)水稻田中氧化鐵的組成特征產(chǎn)生影響。

本研究表明，紫云英、秸稈還田均能有效提高土壤肥力性狀，其中紫云英-秸稈聯(lián)合還田效果最好，這與前人［4-5］的研究結(jié)果類似，其原因可能是紫云英和秸稈中含有大量的碳、氮、磷、鉀等元素，還田后在微生物作用下發(fā)生腐解，將營(yíng)養(yǎng)元素歸還到土壤中［26-27］，而農(nóng)田土壤養(yǎng)分主要取決于有機(jī)物料的輸入量（動(dòng)植物殘?bào)w、根際分泌物等）與輸出量（作物收獲、土壤淋溶等）［28］，紫云英-秸稈聯(lián)合還田能加大有機(jī)物料的輸入量，一定程度上增加了土壤中各養(yǎng)分含量。秸稈的C/N值高，而紫云英氮素含量較高，C/N值低，紫云英-秸稈聯(lián)合還田能平衡土壤C/N值，提高土壤養(yǎng)分有效性［29］。紫云英作為豆科綠肥，能提高土壤氮素含量［30］；秸稈中的鉀素主要以離子態(tài)存在，易被溶解出來，補(bǔ)充速效鉀各組分的含量［31］；紫云英和秸稈腐解產(chǎn)生活性酸，能活化土壤難溶性磷，提高磷的有效性［32-33］。此外，紫云英還田能為微生物提供充足的氮源，進(jìn)而提高微生物活性，加速對(duì)秸稈的分解［34］，研究表明，秸稈單獨(dú)還田有充足的碳輸入，但是缺乏磷、鉀素，導(dǎo)致固氮菌含量的下降，而紫云英和秸稈聯(lián)合利用有利于固氮微生物數(shù)量和活性的增加［35］。因此紫云英-秸稈聯(lián)合還田能發(fā)揮兩者各自培肥優(yōu)勢(shì)，利于土壤肥力水平的提高。

4 結(jié)論

紫云英、秸稈還田均能增加土壤有機(jī)碳、堿解氮、顆粒有機(jī)碳的含量。紫云英單獨(dú)還田時(shí)，土壤有效磷、速效鉀含量較對(duì)照降低；紫云英-秸稈聯(lián)合還田較紫云英單獨(dú)還田，土壤的有效磷、速效鉀含量顯著增加。

紫云英、秸稈還田各處理土壤的非晶質(zhì)鐵、絡(luò)合鐵含量與鐵的活化度均明顯增加，以秸稈還田+紫云英還田+施用化肥處理增幅最大，游離鐵含量無明顯變化。

供試的處理中，紫云英、秸稈還田均可以提高土壤肥力水平，紫云英還田對(duì)土壤肥力水平的提升效果好于秸稈還田，兩者配合還田比其單獨(dú)還田的效果好，全量秸稈比半量秸稈還田更有利于土壤肥力的提高。