翻壓春油菜對土壤團聚體及腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)的影響

袁苗苗，趙 秋，田秀平，史昕倩，董家僖，向春陽，杜 錦

(1.天津市農(nóng)業(yè)科學院，天津 300192；2.天津農(nóng)學院 農(nóng)學與資源環(huán)境學院，天津 300384)

油菜綠肥作為有機肥料的一種，其生物量大、養(yǎng)分含量高、繁殖期短，對土壤肥力提升作用顯著，是提高土壤團粒結(jié)構(gòu)的重要因素之一，目前已為南方地區(qū)帶來大量經(jīng)濟效益[11]，但油菜綠肥在華北地區(qū)種植時間短，對適宜華北地區(qū)種植的綠肥品種及種植技術研究較少，尤其是對土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)和土壤團聚體影響的研究較少[12]，且前人只是單獨研究綠肥對結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)和土壤團聚體的影響，鮮有深入研究二者關系的報道。因此，本研究以不同春油菜品種為研究對象，探討了其翻壓后對土壤腐殖質(zhì)各結(jié)合形態(tài)和團聚體及其穩(wěn)定性的影響，并闡明了土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)各組分與不同粒徑團聚體有機質(zhì)、土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)各組分與團聚體對土壤有機質(zhì)貢獻率的響應關系，以期為華北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理種植春油菜綠肥，改善土壤肥力提供科學依據(jù)與參考。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于天津市寧河區(qū)林場(117.82°E，39.33°N)，氣候類型屬于大陸性季風氣候，暖溫帶半干旱半濕潤帶。該地區(qū)年平均氣溫11.2 ℃，平均濕度66%；最低氣溫出現(xiàn)在1月，平均為-5.8 ℃；最高氣溫出現(xiàn)在7月，平均為25.7 ℃。年平均降水量642 mm，降水量70%集中在6-8月。全年無霜期240 d。供試土壤為潮土。2019年春試驗播種前耕作層(0～20 cm)土壤的基本理化性狀為：有機質(zhì)含量16.07 g/kg、全氮含量0.96 g/kg、全磷含量0.36 g/kg、全鉀含量23.59 g/kg、堿解氮含量65.06 mg/kg、有效磷含量31.63 mg/kg、速效鉀含量127.78 mg/kg，pH值8.01，電導率222 μS/cm。

1.2 試驗設計

分別于2019年3-9月和2020年3-9月開展田間小區(qū)試驗，采用完全隨機設計，設對照(春閑，CK)和9個不同春油菜品種處理，分別為中油肥1、中油肥2、中油肥1802、中油肥1804、中油肥1901、中油肥1903、中油肥1904、中油肥1906、中油肥1907，代號分別為ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF4、ZYF5、ZYF6、ZYF7、ZYF8、ZYF9，由天津市農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所提供。油菜于2019 年3 月18日播種，采用條播，每個品種播種量為10 kg/hm2，行距25～30 cm，并于6月8日進行翻壓。翻壓后種植夏玉米，玉米種植前每個小區(qū)施底肥尿素 194.25 kg/hm2、氯化鉀127.65 kg/hm2、二銨 194.25 kg/hm2。

1.3 樣品的采集與測定

綠肥翻壓前，每個品種分別取3個樣方，每個樣方1 m2(1 m×1 m)，烘箱內(nèi)100～105 ℃殺青，65 ℃下烘干至恒定質(zhì)量，測定植株生物量[6]，并取代表性根系樣鮮質(zhì)量不少于150 g，取代表性地上部分樣鮮質(zhì)量不少于200 g用于其測定植株含碳量。未種油菜前在每個小區(qū)采用多點法取0～20 cm耕層混合土樣1個作為基礎土樣，測定土壤養(yǎng)分等指標；在玉米收獲后的9月29日，分別在不同小區(qū)中采用多點法取0～20 cm混合土樣，在實驗室風干制備進行土壤結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)的測定、團聚體篩分等。

土壤基本理化性狀測定方法參照鮑士旦[13]著《土壤農(nóng)化分析》 。土壤團聚體測定方法為：將采集的土樣帶回實驗室內(nèi)風干，沿土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面掰分成10 mm 左右的團塊過篩，取50 g采用濕篩法測定土壤水穩(wěn)性團聚體組成，套篩由5，3，2，1，0.5，0.25 mm共6個篩子組成。結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)測定采用熊毅-傅積平改進法，采用比重為2.0 的重液，將游離態(tài)有機質(zhì)(輕組)和有機無機復合體(重組)分離，重組土樣測定總腐殖質(zhì)含量，稱取5 g重組土樣，用 0.1 mol/L NaOH 反復處理重組土樣，直至提取液無色或接近無色，提取部分為松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)，分離后剩余土樣加入50 mL 0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na4P2O7混合液，攪勻，于30 ℃保溫箱內(nèi)放置過夜，次日按同樣方法用0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na4P2O7混合液提取穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)，殘渣中為緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2019軟件對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和作圖，并用SPSS 22.0軟件進行差異顯著性分析。參考王進等[14]和張欽等[8]的計算方法。

緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)=總腐殖質(zhì)-松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)-穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)

減壓病是由于高壓環(huán)境作業(yè)后減壓不當，體內(nèi)原已溶解的氣體(主要是氮氣)超過了過飽和界限，在血管內(nèi)外及組織中形成氣泡所致的全身性疾病[1]。減壓病的發(fā)病機理中，氣泡形成是原發(fā)因素；但因液氣界面作用，尚可繼發(fā)引起一系列病理生理反應[2-4]。本例減壓病的發(fā)病原因主要考慮如下：潛水環(huán)境較差，潛水當日水溫較低，10 ℃以下；水下停留時間較長且反復3次潛水；最主要考慮可能還是每次減壓不正規(guī)(具體減壓時間不詳)。

①

某粒徑團聚體組分的質(zhì)量百分比含量=

②

③

土壤水穩(wěn)性(濕篩)大團聚體含量(R>0.25)

④

團聚體中有機質(zhì)富集系數(shù)(EC)=

⑤

團聚體中有機質(zhì)貢獻率=

⑥

2 結(jié)果與分析

2.1 不同春油菜翻壓對土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)的影響

由表1可知，各處理松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量以ZYF5處理最高，比對照(CK)增加了138.61%，顯著高于其他處理(P<0.05)，CK顯著低于翻壓春油菜的所有處理(P<0.05)；穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量，ZYF5比對照(CK)增加了60.22%，顯著高于其他處理(ZYF3和ZYF8除外)(P<0.05)，CK顯著低于翻壓春油菜的所有處理(ZYF2除外)(P<0.05)；緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)具有較強的穩(wěn)定性，能夠直接反映出土壤腐殖質(zhì)“老化”程度[15]，不同處理土壤緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量變化為4.45～7.45 g/kg，也以ZYF5最高，比對照(CK)增加了67.44%，CK最低，顯著低于ZYF4、ZYF5處理(P<0.05)，但與其他處理之間差異不顯著(P>0.05)。

松緊比及松穩(wěn)比是反映腐殖質(zhì)活性和品質(zhì)的重要指標，通常比值高的土壤肥力較高，反之則較低[16]。經(jīng)過春油菜翻壓后的土壤松緊比有所提高，其中ZYF9較對照提高43.94%，但各處理間差異不顯著(P>0.05)。土壤松穩(wěn)比為0.78～1.17，以ZYF5最高，較對照提高49.43%，顯著高于CK、ZYF1、ZYF3、ZYF4、ZYF6和ZYF8(P<0.05)，與ZYF2和ZYF7差異不顯著(P>0.05)；除ZYF1、ZYF3、ZYF6和ZYF8之外，其他處理均顯著(P<0.05)高于CK。說明春油菜翻壓，尤其是ZYF5的加入，增加了土壤腐殖質(zhì)活性，對培肥土壤有重要作用。

表1 不同處理土壤結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)的差異Tab.1 Differences of soil combination morphology in different treatments

2.2 不同春油菜翻壓對土壤團聚體的影響

2.2.1 不同春油菜翻壓對土壤團聚體質(zhì)量百分含量的影響 良好的土壤結(jié)構(gòu)要求有較多的土壤團聚體及適當?shù)牧椒峙?，水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量和分布對衡量土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要作用[17]。由表 2可以看出，不同處理土壤團聚體質(zhì)量百分含量變化不同，其中，ZYF9在2019年5～3 mm粒級和2020年3～2 mm粒級中最高，ZYF5在2020年5～3 mm粒級中最高，9個春油菜處理在第2年較大團聚體均表現(xiàn)出增加趨勢，未翻壓春油菜的CK處理，>5 mm粒級土壤團聚體質(zhì)量百分含量在第2年有所下降，這說明春油菜翻壓有利于土壤中水穩(wěn)定性小團聚體向較大的水穩(wěn)定性大團聚體轉(zhuǎn)化，提高團聚體穩(wěn)定性，且以ZYF5和ZYF9效果較好。

表2 土壤團聚體質(zhì)量百分含量Tab.2 Soil aggregate mass percentage %

2.2.2 不同春油菜翻壓對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響 顆粒富集系數(shù)(EC)反映了該團聚體對該元素富集的強度，0.5≤EC≤1.5二者屬同一水平，EC<0.5相對貧化[8]。由表3可以看出，在>5 mm粒級、5～3 mm粒級和1～0.5 mm粒級(ZYF4除外)中不同春油菜品種EC值均大于0.5，與CK相比，不同春油菜品種EC值有所提高，剩余粒徑中的EC 值較CK有高有低?？傮w上，EC均<1，處于分解與積累同步狀態(tài)。

表3 不同處理EC的差異Tab.3 Difference of EC in different treatments

水穩(wěn)性大團聚體(R>0.25 mm)含量及數(shù)量的多少與土壤穩(wěn)定性狀況呈正相關關系，是定量評價土壤穩(wěn)定性的重要指標[18]。由表4可以看出，連續(xù)2a翻壓，春油菜均有利于土壤水穩(wěn)性大團聚體含量的增加，其中ZYF3增加最多，為9.46%。ZYF5 2 a的土壤水穩(wěn)性團聚體含量均達到最高，顯著(P<0.05)高于其他品種(2019年ZYF9除外)，ZYF9次之，ZYF5、ZYF7、ZYF8、ZYF9 2 a的水穩(wěn)定大團聚體含量與CK之間均達顯著差異水平(P<0.05)，ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF4、ZYF6在2020年與CK之間也達到顯著差異水平(P<0.05)。

土壤團聚體的平均質(zhì)量直徑(MWD)是反映土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，MWD值越大，表明土壤團聚體的團聚度越高，團聚體的穩(wěn)定性就越好[19]。翻壓春油菜在2 a的測定結(jié)果中均提高了土壤團聚體的平均直徑(表4)，其中，ZYF5在2019年MWD僅次于ZYF3，在2020年達到最高，且2 a均顯著高于CK(P<0.05)，ZYF9第1年雖不是較好，但第2年的MWD達到第2高，也顯著(P<0.05)高于CK。CK處理的大團聚體數(shù)量雖然在第2年增加了0.5百分點，但其MWD有所下降，這是因為春油菜進入土壤后，其分解產(chǎn)物與土壤礦物質(zhì)膠結(jié)、凝聚形成微團聚體，通過根系、真菌菌絲等膠結(jié)形成大團聚體，促進土壤有機碳的物理保護作用，并提升土壤團聚體的穩(wěn)定性[20-21]。

表4 不同處理水穩(wěn)性大團聚體及MWD的差異Tab.4 Difference of water-stable macroaggregates and MWD in different treatments

2.2.3 不同春油菜品種翻壓對土壤有機質(zhì)貢獻率的影響 不同春油菜品種總體上0.5～0.25 mm粒級有機質(zhì)貢獻率最大。供試所有春油菜品種翻壓，與CK相比，不同春油菜品種都提高了土壤各粒級對總有機質(zhì)的貢獻率總和，但增加程度不同。由表5可以看出，土壤各粒級對總有機質(zhì)的貢獻率總和以ZYF9增加最多，比CK增加了8.13百分點，其次是ZYF5，增加了7.41百分點。除ZYF5和ZYF9外，其他處理與CK之間無顯著差異(P>0.05)。同一粒級不同處理>5 mm粒級和5～3 mm粒級對土壤總有機質(zhì)的貢獻率較CK均有所增加，0.5～0.25 mm粒級對土壤總有機質(zhì)的貢獻率較CK有所下降，其他粒級之間無明顯規(guī)律。總體而言，水穩(wěn)性大團聚體>0.25 mm粒級有機質(zhì)對土壤有機質(zhì)的貢獻率最大，表明土壤中有機質(zhì)主要來源于大團聚體(>0.25 mm)的閉蓄保護。

表5 土壤各粒級團聚體對土壤有機質(zhì)總量的貢獻率Tab.5 Contribution rate of aggregates with different sizes to soil total organic matter %

2.3 土壤結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)與團聚體的關系

土壤結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)的積累受到各粒徑團聚體有機質(zhì)含量的影響。由表6可以看出，總腐殖質(zhì)及各結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)與團聚體對土壤有機質(zhì)貢獻率均呈極顯著相關(P<0.01)，其中腐殖質(zhì)和松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的相關系數(shù)大于0.7，說明團聚體對土壤有機質(zhì)貢獻率的增加對其含量積累的影響較為突出。由表7可以看出，松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與各粒徑團聚體有機質(zhì)含量均呈極顯著正相關(P<0.01)，穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與5～3 mm粒徑團聚體有機質(zhì)含量顯著正相關(P<0.05)，與其他粒徑團聚體有機質(zhì)含量之間極顯著正相關(P<0.01)。緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與2～1 mm粒級團聚體有機質(zhì)含量相關性不顯著(P>0.05)，與1～0.5 mm粒徑團聚體有機質(zhì)含量顯著正相關(P<0.05)，與其他粒徑極團聚體有機質(zhì)含量極顯著正相關(P<0.01)。>5 mm 粒徑與各粒級團聚體有機質(zhì)含量均極顯著正相關(P<0.01)；5～3 mm 粒徑與2～1 mm粒徑的團聚體有機質(zhì)含量顯著正相關(P<0.05)，與其他粒級團聚體有機質(zhì)含量極顯著正相關(P<0.01)；3～2 mm 粒徑與各粒徑的團聚體有機質(zhì)極顯著正相關(P<0.01)；2～1 mm粒級與各粒徑團聚體有機質(zhì)含量極顯著正相關(P<0.01)；1～0.5 mm與0.5～0.25 mm 粒徑團聚體有機質(zhì)含量極顯著正相關(P<0.01)。這說明春油菜翻壓后，結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)有利于土壤大團聚體形成，而且結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)可以賦存在大團聚體。

表6 土壤結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)與團聚體對土壤有機質(zhì)貢獻率的關系Fig.6 The relationship between soil combined form humus and aggregates to soil organic matter contribution rate

表7 土壤結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)與團聚體各粒級的相關性Tab.7 Correlation between soil bound form humus and aggregate size

3 討論與結(jié)論

前人研究表明，不同綠肥均能一定程度上提高土壤結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)的含量，主要集中在豆科冬綠肥[22-23]，本研究以非豆科春油菜品種作為綠肥對土壤結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)進行研究，與前人得出的結(jié)論一致，且不同春油菜品種松緊比以及松穩(wěn)比較CK 有所增加，不同春油菜品種表現(xiàn)不同，說明腐殖質(zhì)對不同春油菜品種有著不同的響應，這是由于不同油菜品種歸還量、植株含碳量以及在土壤中腐解速度不同，從而對土壤有機無機復合體的形成、腐殖質(zhì)含量以及土壤固持效率有不同影響。其中各結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)含量均以中油肥1901(ZYF5)提高最多，較CK松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)以及緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量分別提高138.61%，60.22%，67.44%。已證實，中油肥1901(ZYF5)的生物量和總碳量最高，分別為(7 166.50±521.88)kg/hm2和(466.25±3.66)kg/hm2，翻壓后土壤有機質(zhì)總量(24.72±0.01)g/kg以及活性有機質(zhì)含量(16.55±1.24)g/kg最高，說明其將有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)能力最強，所以翻壓后會使土壤固持碳素的釋放，即對土壤原有有機質(zhì)起到活化與更新的作用，也就是起爆效應，從而增加腐殖質(zhì)含量。另外，中油肥1901(ZYF5)翻壓后主要增加了土壤胡敏酸((3.32±0.00)g/kg)和胡敏素((17.77±0.07)g/kg)的含量，進一步解釋了松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量增加較多的原因[24]。中油肥2(ZYF2)的生物量雖然較高((5 888.42±616.32)g/kg)，但其植株含碳量低((53.79±0.99)g/kg)，其歸還土壤中有機質(zhì)量也不高，所以其腐殖化程度較低，對結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)影響并不高[24]。

松緊比的提高表明，春油菜翻壓增加了土壤新鮮腐殖質(zhì)的比例，有利于腐殖質(zhì)更新，新鮮腐殖質(zhì)的形成使膠結(jié)作用增強，故而本研究的土壤團聚體質(zhì)量百分含量高于CK。胡敏酸與鈣離子結(jié)合形成的復合體與水穩(wěn)性團粒的形成有關[3]，本研究中以胡敏酸為主的松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量增加，且以中油肥1901(ZYF5)最好；較之CK處理，春油菜皆可不同程度增加水穩(wěn)性大團聚體含量，以中油肥1901(ZYF5)最佳。各粒級土壤有機質(zhì)的富集系數(shù)在1以下，雖然各處理分解與積累均處于同一水平，與CK相比，春油菜品種積累更多一點，富集系數(shù)有所提高，這可能是因為大團聚體初期形成的是穩(wěn)定性較低的有機質(zhì)，而這些有機質(zhì)分解轉(zhuǎn)化進入較小級別的團聚體，而分解的有機質(zhì)也許來自 1～2 mm 粒徑，因為其富集系數(shù)大部分低于0.5，說明其處于優(yōu)先分解的狀態(tài)，但還需要做進一步的驗證。武均等[25]和徐文靜等[26]一致認為>0.25 mm 團聚體為優(yōu)勢團聚體，是賦存有機碳的主要載體，具有明顯的固碳能力，本研究中>0.25 mm 團聚體對有機質(zhì)貢獻率為51.86%～58.73%，進一步驗證了這個觀點。

由此得出，華北地區(qū)納入春油菜綠肥可有效提高土壤松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)、緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量，能有效提高團聚體對土壤有機質(zhì)的貢獻率，且對土壤團聚體穩(wěn)定性起到一定積極的影響，其中春油菜中油肥1901和中油肥1907在提高土壤團聚體穩(wěn)定性及對土壤有機質(zhì)貢獻率上最佳。