6種豆科綠肥植物與蘋果樹套種對果園土壤碳氮特征的影響

陳利云， 汪之波， 呼麗萍

(天水師范學院生物工程與技術(shù)學院, 甘肅省大櫻桃工程技術(shù)研究中心， 甘肅 天水 741000)

西北地區(qū)是我國重要的果品生產(chǎn)區(qū)，甘肅天水因其獨特的地理位置與氣候特征，是西北地區(qū)高品質(zhì)果品的主要產(chǎn)區(qū)，天水花牛蘋果是我國國家地理標志產(chǎn)品，因口味獨特品質(zhì)優(yōu)良而暢銷國內(nèi)外，是當?shù)刂匾慕?jīng)濟作物。但近年來，化肥農(nóng)藥的過量使用導致花牛蘋果品質(zhì)明顯下降，造成了嚴重的環(huán)境污染與品牌負效應(yīng)[1]。豆科綠肥植物是“土壤健康的建筑師”，它們和土壤固氮菌間具有獨特的互利共生關(guān)系，植株翻壓還田能協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分平衡、增加土壤肥力、消除土壤障礙因子[2-3]。將豆科植物與其他農(nóng)作物間作、套作以及全草輸入等技術(shù)是健康安全可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的“戰(zhàn)略盟友”，隨著“兩減一增”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策的深入開展，豆科綠肥植物的作用將越來越受到重視[4-5]。天水山地果園土壤貧瘠、降水稀少，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，而果品生產(chǎn)是不同于籽粒農(nóng)作物的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，果園大面積的土地處于裸露休閑的時間長達半年以上，嚴重浪費了光熱資源的同時不利于土壤水分的保蓄。將豆科綠肥植物與果樹套種，利用新建果園土壤固氮菌稀少的低“氮阻遏”特征，充分發(fā)揮豆科植物的固氮作用與光合作用，以達到改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤碳素、氮素養(yǎng)分水平的目的[6-7]。鑒于此，本研究選用天水地區(qū)6種土著豆科植物與新建果園蘋果樹套種，研究豆科綠肥植物的當季固氮量及與果樹套種半年后對果園土壤碳氮含量特征的影響，以篩選出具有田間適應(yīng)力與高效增肥作用的豆科綠肥植物，為探索適合西北干旱山地果園土壤安全高效的有機肥供給方式提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅省天水市秦州區(qū)四方堡村，地處34°20′24.03″ N,105°34′15.68″ E，此區(qū)為大陸性暖溫帶半濕潤、半干旱氣候，海拔1 400～1 600 m，年均氣溫11.26℃左右，年均降水量約570.3 mm，全年日照時數(shù)為2 100 h，無霜期167～235 d。土壤類型為黃綿土，土壤pH為8.12，有機質(zhì)含量為9.28 g·Kg-1，全氮含量為1.24 g·Kg-1,全磷含量為1.56 g·Kg-1,全鉀含量為30.3 g·Kg-1,土壤堿解氮含量,為20.43 mg·Kg-1,速效磷含量為19.15 mg·Kg-1,速效鉀含量為186.65 mg·Kg-1。該果園為無灌溉條件的山地新建2年果園，面積為226 667.8 m2，果樹品種為‘元帥系’花牛蘋果，樹齡5年，平均株高1.75 m，平均冠幅1.48 m2，株行距4 m×4 m。

1.2 試驗設(shè)計

于2017年3月初進行果園田間試驗，設(shè)計3塊樣地，每樣地留出1 m2種植參比禾本科植物無芒雀麥(BromusinermisLeyss)[8]，剩余面積以單株蘋果樹為中心，設(shè)計6個樣方(每樣方面積2 m×2 m，間距2.0 m)，每樣方撒入箭筈豌豆(ViciasativaL.,T1),大鵓鴿灰豌豆(PisumLargepigeonL.,T2),綠豆(PhaseolusradiatusL.,T3),大豆(GlycinemaxL.,T4),白豌豆(PisumsativumL.,T5),赤豆(VignaangularisL.,T6)種子300 g，覆土深10 cm。

1.3 研究方法

1.3.1樣品采集 綠肥植物長至7月初，每處理選1 m2齊地面刈割，樣品帶回實驗室105℃殺青后，65℃烘箱烘至恒重保存?zhèn)溆?，土壤采集時間為2017年9月底，豆科植物生長期6個月時取根系土壤樣品，挖取完整的植株根系，用鑷子刮取根系上的土壤弄碎混勻，按4分法取樣，未處理果園空地0～30 cm處土壤為對照，自然風干稱重后備用。

1.3.2樣品分析15N自然豐度法(Nature15N abundance method)理論是根據(jù)植物生長發(fā)育過程中利用的不同氮源(土壤氮源和空氣氮源)之間15N豐度的差異，形成植物之間15N豐度差異來確定固氮植物的生物固氮量。15N是指大氣中穩(wěn)定且均勻的N同位素，原子豐度為0.3663%，植物相對N原子的豐度，用δ15N表示，計算公式為:δ15N=[%15N (sample)—%15N(standard) ] /%15N (standard)，sample代表固氮植物，standard為參比植物。綠肥樣品生物固氮率用PN (Percntage of Nitrogen derived from air)表示，PN =(1—A% EM1/A%EG)，其中A%EM1為豆科綠肥的15N豐度，A%EG為參比禾本科植物無芒雀麥的15N豐度，一個生長季內(nèi)綠肥植物的總固氮量WN= PN ×YN1(YN1為豆科綠肥植物總氮產(chǎn)量)。植株總氮量采用ZDDN-Ⅱ凱氏定氮儀測定，15N豐度采用Delta VAdvantage氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(Thermo Finnigan, German)測定[9]；土壤全氮(Soil total nitrogen，TN)含量采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法測定；土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC) 含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤活性有機碳(Active organic carbon，AOC)含量采用高錳酸鉀氧化法測定；土壤可溶性有機碳(Soluble organic carbon，DOC)含量采用滴定法測定；微生物量氮(Microbial biomass nitrogen，MBN)和土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC) 含量采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法測定；土壤有機質(zhì)含量采用外熱重鉻酸鉀容量法測定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2017 和SPSS 2019 軟件進行數(shù)據(jù)整理、分析，多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法，主成分權(quán)重分析采用SPSS因子分析法。

2 結(jié)果與分析

2.1 6種豆科綠肥植物的生物量與當季固氮特征

相對于大氣中穩(wěn)定且均勻的N同位素豐度即15N，不同植物組織內(nèi)N原子的含量δ15N不同，以無芒雀麥為參比植物，6種豆科綠肥植物田間生長3個月后檢測結(jié)果顯示(表1)，δ15N以T4最高,為0.49%，與其他5種植物有顯著差異(P<0.05)，而T2，T6最低分別為0.26%和0.27%。植株地上部分生物量以T2最高,為0.35 kg·m-2，T5次之,為0.32 kg·m-2，且與其它處理間呈顯著差異，以T3最低,為0.14 kg·m-2。植株含氮量以T5最高,為24.62 mg·g-1，T6最低，為17.44 mg·g-1。固氮率以T4最高，為72.15%，T6最低，為57.50%。當季固氮量以T5最高，為39.14 g·m-2，T2次之，為38.90 g·m-2，且與T1，T3，T4和T6處理差異顯著(P<0.05)。

表1 6種豆科綠肥植物當季生物固氮特性

2.2 6種豆科綠肥植物對果園土壤氮素含量特征的影響

6種豆科綠肥植物處理后對果園土壤氮素含量特征影響如表2所示。與對照相比，6個處理均提高了土壤TN含量，除T1，T6與CK未達到差異顯著水平外，其他處理均與CK差異顯著(P<0.05)，其中T4增加最多，為對照的155.48%。可溶性有機氮是微生物代謝產(chǎn)物及生長所需的重要營養(yǎng)物質(zhì)，綠肥植物處理不同程度的提高了果園土壤可溶性氮含量，以T4含量最高，比對照增加了30%。堿解氮是速效氮的主要部分，可直接被作物利用，豆科綠肥植物與果樹套種能明顯促進土壤堿解氮含量的提高，尤其以T2，T5處理最高，為44.29 mg·Kg-1，43.17 mg·Kg-1，與對照及其它處理間有顯著差異(P<0.05)。土壤微生物量氮是反映土壤肥力的重要指標，與對照相比，6個綠肥處理不同程度地提高了果園土壤的MBN含量，增幅為7.66%～38.74%，其中T3，T5變化最為明顯，與其他處理間有顯著差異(P<0.05)，表明綠肥植物套種可促進果園土壤微生物的生長和繁殖，并且生物固氮作用能增強氮的固持作用，促進微生物量氮的提高。

表2 6種豆科綠肥植物對果園土壤氮素含量的影響

2.3 6種豆科綠肥植物對果園土壤碳素含量特征的影響

綠肥植物與果樹套種能夠顯著促進土壤有機碳的累積(表3)，與對照相比，6種豆科植物根系土壤有機碳含量均顯著提高(P<0.05)，增幅為11.15%～22.69%，且以T5增加最為明顯，與其他處理間差異顯著(P<0.05)。土壤活性有機碳的變化是反映土壤質(zhì)量變化的靈敏指標，與對照相比6種植物的種植明顯利于增加土壤活性有機碳含量，其中以T4效果最佳。土壤中的非活性有機碳反映了土壤有機碳的固持，它們轉(zhuǎn)化速度較慢，6種豆科綠肥植物對果園土壤非活性有機碳含量的影響以T5最為明顯，為對照的1.15倍。大多呈游離態(tài)的可溶性有機碳是土壤中重要的速效養(yǎng)分庫，6種豆科綠肥中T4對果園土壤可溶性有機碳含量的影響最明顯，與對照及其它處理間有顯著差異。豆科綠肥植物對淺層土壤微生物量碳的影響尤為明顯，這可能與豆科植物種子自身攜帶的根瘤菌有關(guān)，6種植物根系土壤微生物量碳含量均明顯高于對照，且與土壤總有機碳、活性有機碳含量間呈正相關(guān)關(guān)系。

表3 6種豆科綠肥植物對果園土壤有機碳含量的影響

2.4 6種豆科綠肥植物對果園土壤pH、有機質(zhì)含量及碳氮比的影響

6種豆科綠肥植物與蘋果樹套種對果園土壤pH、有機質(zhì)及碳氮比的影響如表4所示。6種豆科植物處理能明顯降低干旱鹽堿果園土壤的pH值，且各處理均與對照間呈顯著差異，其中T4對堿性土壤改良作用最為明顯，使土壤pH降低了0.58，6種綠肥處理均能改變土壤的有機質(zhì)含量，但除了T2和T5顯著增加了土壤有機質(zhì)外，其它4個處理對土壤有機質(zhì)改善作用不明顯。除T5和T6處理對果園土壤碳氮比的影響作用與對照間無顯著差異外，其它處理與對照間差異顯著，且T4處理下土壤碳氮比最低為7.48，為對照的66.43%，T5處理下土壤碳氮比最高，為對照的98.22%，表明在促進土壤有機質(zhì)分解轉(zhuǎn)化方面，T4處理明顯優(yōu)于T5處理。

表4 6種豆科植物對果園土壤pH、有機質(zhì)含量及碳氮比的影響

2.5 6種豆科綠肥植物對山地果園有機質(zhì)與氮素含量影響的權(quán)重分析

對6種豆科綠肥植物處理的固氮量、碳、氮、有機質(zhì)等因素對果園土壤影響的權(quán)重綜合分析結(jié)果如表5，除T1得F值為負分外，其余5個處理均為正分，說明這5個綠肥植物與蘋果樹套種對干旱果園土壤肥力水平有明顯的促進作用，尤其T2處理F得分最高為0.3472，綜合排名第一，顯示出大鵓鴿灰豌豆對西北干旱山地果園土壤肥力提升和土壤改良有潛在的積極作用。綜合分析得出6種綠肥植物與果樹套種對山地果園土壤有機質(zhì)與碳氮營養(yǎng)含量影響的權(quán)重排序為：T2>T4>T3>T5>T6>T1。

表5 6種豆科綠肥植物對山地果園土壤肥力水平影響的主成分與權(quán)重分析

3 討論

氮素是植物生長的必需營養(yǎng)元素，是構(gòu)成植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸與激素的主要成分，并對植物根系生長和形態(tài)性狀的形成影響明顯[11]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤氮素主要由人工化肥施入與生物固氮獲得，其中生物固氮是目前土壤氮素輸入最安全最節(jié)能的方式，包括自生固氮、共生固氮與聯(lián)合固氮，根瘤菌與豆科植物構(gòu)建的共生體系是固氮效率最高也是應(yīng)用最廣泛的生物固氮模式[12]。土壤中高含量的速效氮能阻礙豆科植物根瘤中根瘤菌的增殖與固氮酶效率的提高，這種“氮阻遏”作用是固氮生物的共性，也是影響豆科植物生物固氮效能的重要因素[13]。農(nóng)作物間作中非固氮作物對硝酸鹽的大量吸收可維持土壤礦質(zhì)氮素的低水平狀態(tài)，從而減緩?fù)寥赖貙Ω鼍痰感实囊种谱饔肹14]，同時優(yōu)化間作套種植物的空間結(jié)構(gòu)，能有效改善豆科植物的結(jié)瘤狀況，消減“氮阻遏”效應(yīng)，顯著提高土壤氮素的利用效率[15]。本研究中，6種豆科植物在山地果園中當季固氮量各不相同，處于20.22 g·cm-2～39.14 g·cm-2之間，其中白豌豆(T5)最高為39.14 g·m-2，這些被固定在植物體內(nèi)的有機氮素，成為干旱貧瘠山地果園土壤氮素輸入的重要來源。同時豆科植物對土壤中氮素特征的影響與種植時間植物種類及氮素類型有關(guān)。植物生長6個月后，大豆(T4)對土壤可溶性有機氮影響最顯著，大鵓鴿灰豌豆(T2)對土壤堿解氮含量影響最明顯，為44.29 mg·Kg-1，而微生物氮含量以白豌豆(T3)處理變化最為顯著。干旱貧瘠的山地果園較低含量的氮素水平，明顯減緩了“氮阻遏”效應(yīng)，為促進豆科綠肥植物高效共生固氮效率提供了環(huán)境基礎(chǔ)，研究中處理土壤有機質(zhì)與氮素含量比空閑地均有提高也證明了上述理論，與大量的研究結(jié)果一致[16-17]。

綠肥植物秸稈的腐解是物質(zhì)與能量相互轉(zhuǎn)化的生化過程，受植物自身物質(zhì)組成與外界環(huán)境的共同影響，綠肥植物植株中的碳素與氮素由貯存性碳氮與結(jié)構(gòu)性碳氮組成[18-20]。土壤微生物的礦化作用是土壤有機質(zhì)碳氮素釋放的重要途徑，研究表明秸稈C∶N小于25∶1時微生物的礦化作用較為適宜，大于25∶1會產(chǎn)生“微生物掘氮效應(yīng)”，使土壤氮素含量短期呈現(xiàn)下降態(tài)勢[21-23]。豆科植物與果樹套種明顯改變了果園土壤碳與氮的含量及比重，6種植物處理土壤碳氮比值介于7.48～11.06之間，均比對照低，表明豆科植物的引入促進了果園土壤有機質(zhì)的積累、分解及轉(zhuǎn)化，同時豆科植物植株本身含氮量高，C∶N比值較低，更適合土壤微生物的礦化作用，促使營養(yǎng)物質(zhì)能較快的分解轉(zhuǎn)化，但由于植株本身C∶N含量的不同，因此不同品種的豆科綠肥植物對參與礦化作用的土壤微生物新陳代謝率的影響不同，從而使土壤中碳氮素類型與含量各具差異[24-26]。

4 結(jié)論

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用于增強地力的綠肥植物要根據(jù)農(nóng)田土壤本身的特征及實際生產(chǎn)的不同需求引入，在本研究中，相對于其它5種豆科植物，綜合分析下大鵓鴿灰豌豆(T2)當季固氮量較強、生物量大、短時間內(nèi)對土壤堿解氮含量的影響最為顯著，適用于西北干旱山地新開墾果園土壤地力培肥。