京郊地區(qū)不同綠肥作物還田的土壤理化性狀

蘇寶財(cái)，趙陽(yáng)佳，張震東，呂鵬輝，徐小萌，王 婷，周吉紅，李潤(rùn)枝*

(1.農(nóng)業(yè)應(yīng)用新技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/植物生產(chǎn)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心/北京農(nóng)學(xué)院，北京102206；2.北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京100029)

綠肥是由綠色植物制成的養(yǎng)分完全的生物肥料，翻壓綠肥對(duì)土壤益處頗多。其不僅可以增加土壤肥力、促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，還可以為后茬作物的生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分[1]。綠肥的使用在一定程度上可以減少環(huán)境污染[2]；種植綠肥可以使土地合理輪休，防止土地的過(guò)度使用而使土壤肥力下降造成土壤退化[3]。由于綠肥含有較多水分，其在翻壓后可迅速腐解，在短時(shí)間內(nèi)為后茬作物生長(zhǎng)提供充足養(yǎng)分。這種綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展與當(dāng)代人們追求環(huán)保的理念相符合[4]。翻壓綠肥能夠減少農(nóng)民對(duì)化學(xué)肥料的使用，同時(shí)也不影響作物產(chǎn)量。

土壤肥力對(duì)作物產(chǎn)量有重要影響。土壤的水分、pH、全氮、有機(jī)碳等理化性狀是評(píng)價(jià)土壤肥力水平的重要指標(biāo)。水分與植物體密切相關(guān)，土壤含水量過(guò)低會(huì)嚴(yán)重影響土體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移，對(duì)作物生長(zhǎng)極為不利[5]。有研究表明，綠肥的翻壓可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤中團(tuán)粒結(jié)構(gòu)數(shù)量，提高土壤蓄水保墑能力，翻壓綠肥對(duì)調(diào)節(jié)土壤pH、改善地表溫度等有很大作用[6]。另外，綠肥的翻壓對(duì)土壤養(yǎng)分也有重要影響。綠肥翻壓在一定程度上會(huì)增加土壤有機(jī)碳的含量，土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定對(duì)維持全球碳平衡、緩解溫室效應(yīng)以及維持全球氣候的穩(wěn)定有重要影響[7]。翻壓綠肥不僅會(huì)增加土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，且可以提高大面積閑田利用率，對(duì)改善土壤肥力效果顯著[8]。

京郊地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量較少，土壤肥力中等，冬閑田面積較大，且冬季閑田土地裸露嚴(yán)重[9]，綠肥的種植不僅可以提高耕地質(zhì)量，還可以防風(fēng)固沙，凈化空氣，對(duì)減少水土流失也有一定作用[10]。在早期的試驗(yàn)研究中，篩選出適宜北京氣候特點(diǎn)以及栽培方式的綠肥作物有：十字花科二月蘭、冬油菜；禾本科鼠茅草、黑麥草；豆科三葉草、毛葉苕子、箭舌豌豆、田菁、草木棲、等品種。近年來(lái)，梁金鳳[11]研究表明二月蘭適宜北京地區(qū)種植，二月蘭有著較長(zhǎng)的花期，花色淡雅，春季形成優(yōu)美的田園風(fēng)光，也解決了北方冬春兩季農(nóng)田裸露問題，是發(fā)展休閑觀光農(nóng)業(yè)的首選冬種綠肥作物。梁金鳳[12]等在秋播和春播的觀察試驗(yàn)中得出，一年生黑麥草、三葉草以及毛葉苕子為最適宜的品種，抗旱性、耐低溫性強(qiáng)，越冬后成活率較高。為此，在京郊地區(qū)發(fā)展綠肥種植成為可能。本研究以4種綠肥作物翻壓后對(duì)土壤理化性狀的影響，篩選適宜種植的綠肥種類，以期為京郊地區(qū)農(nóng)田土壤改良與生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)小麥品種為農(nóng)大212；綠肥作物分別為油菜、紫云英、草木樨、毛葉苕子。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

試驗(yàn)在順義區(qū)北小營(yíng)鎮(zhèn)進(jìn)行，其中小麥的播種時(shí)間為2017年9月26日，綠肥作物播種時(shí)間為2018年3月27日，于2018年6月15日對(duì)綠肥進(jìn)行翻壓，在綠肥苗期進(jìn)行1次澆水保證出苗率，后期全程無(wú)灌溉、不施肥。

植株生物量及養(yǎng)分累積量：在生長(zhǎng)期內(nèi)共取5次樣。取樣時(shí)間分別為：5月5日、5月11日、5月25日、6月1日、6月15日。方法為：每小區(qū)隨機(jī)取10株作物，測(cè)量其地上部鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、植株全氮、全碳含量，3次重復(fù)。植株干質(zhì)量的測(cè)定方法為：105 ℃殺青20 min，降溫到65 ℃烘干，測(cè)定干質(zhì)量。

植株全碳全氮：取10～15 mg粉碎后的烘干植株粉末作為分析材料，置于錫舟中，包好無(wú)泄漏后置于元素分析儀(LC-10Tvp)中進(jìn)行分析。

土壤水分：采用土鉆取土法進(jìn)行田間取土工作，分別取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm深的土樣，各小區(qū)隨機(jī)取樣，重復(fù)3次，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)量土壤質(zhì)量，而后置于105 ℃±2 ℃的烘箱中烘至恒重，再次稱重，通過(guò)計(jì)算求出土壤質(zhì)量含水量。

pH值：采用通過(guò)2 mm篩孔的風(fēng)干土樣，對(duì)0～20 cm土層的土壤pH進(jìn)行測(cè)定。取10.00 g土樣置于燒杯中，加入25 mL無(wú)二氧化碳的水，用玻璃棒劇烈攪拌1～2 min后，靜置30 min，用pH計(jì)(PHS-3C)測(cè)定即可。

土壤全氮、全碳：采用萬(wàn)分之一天平稱取約0.5 mg碳酸鈣為標(biāo)準(zhǔn)樣品于錫舟中包好待用，稱取20～25 mg土壤樣品于錫舟中，包好無(wú)泄漏后置于元素分析儀中進(jìn)行分析。

土壤有機(jī)碳：采用萬(wàn)分之一天平稱取約0.5 mg碳酸鈣為標(biāo)準(zhǔn)樣品于銀舟中包好待用，用天平稱取40～50 mg土壤樣品于銀舟中，滴入1 mol/L稀鹽酸，放入105 ℃烘箱內(nèi)1 h，取出后包好，采用TOC分析儀(RT1901A)進(jìn)行測(cè)定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft office 2010整理與分析，利用SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)的多重比較采用LSD最小顯著差異法。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥植株生物量和植株碳氮含量的變化

2.1.1 生物量 不同綠肥作物植株隨著生長(zhǎng)時(shí)間的逐漸增加，其鮮質(zhì)量和干質(zhì)量也逐漸增加。由圖1可以看出，毛葉苕子植株鮮質(zhì)量在快速生長(zhǎng)期后顯著高于其他幾種作物(P≤0.05)，紫云英植株鮮質(zhì)量顯著低于小麥。在6月15日翻壓時(shí)，毛葉苕子鮮質(zhì)量最大，為211.84 g/株，顯著高于小麥及其他幾種作物；草木樨與小麥鮮質(zhì)量無(wú)顯著差異，紫云英鮮質(zhì)量最低，為8.42 g/株，顯著低于小麥和其他幾種綠肥作物。由圖1可以看出，油菜植株干質(zhì)量在前期高于小麥；毛葉苕子干質(zhì)量前期低于小麥，在快速生長(zhǎng)期干質(zhì)量不斷累積，后期干質(zhì)量大于小麥，紫云英、草木樨干質(zhì)量相對(duì)較低，始終低于小麥。在6月15日翻壓時(shí)，毛葉苕子干質(zhì)量最大，為47.82 g/株，顯著高于小麥(P≤0.05)；紫云英干質(zhì)量最小，為2.33 g/株，顯著低于小麥。

圖1 不同生長(zhǎng)時(shí)期綠肥生物量變化Fig.1 Biomass changes in green manure at different growth stages

2.1.2 植株碳氮含量 隨著植株的生長(zhǎng)，植株全氮累積量總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。從圖2可以看出，4種綠肥作物的全氮累積量始終高于小麥。在6月15日翻壓時(shí)，毛葉苕子的全氮累積量最高，顯著(P≤0.05)高于其他幾種綠肥作物；小麥全氮累積量最低，且與4種綠肥作物差異顯著。

不同作物隨著生育期增加全碳累積量變化不同。從圖2可以看出，毛葉苕子、紫云英、小麥全碳累積量先降低后增加，油菜、草木樨全碳累積量逐漸增加，在6月15日翻壓時(shí)，不同綠肥作物全碳累積量均有明顯的增加，其中油菜全碳累積量最大，為636.26 g/kg，顯著(P≤0.05)高于其他4種綠肥作物，4種綠肥作物間全碳累積量無(wú)顯著差異。與5月5日相比，油菜的全碳累積量增幅最大，為163.33 g/kg；小麥全碳累積量增幅最小，為14.91 g/kg。

隨著植株的生長(zhǎng)，不同作物C/N含量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。從圖2中可以看出，在作物生長(zhǎng)的各時(shí)期內(nèi)，小麥的C/N含量均顯著(P≤0.05)高于4種綠肥作物，毛葉苕子C/N含量相對(duì)較低，在6月15日翻壓時(shí)，可以看出，小麥植株C/N含量最大，為31.15，顯著高于其他4種綠肥作物；毛葉苕子C/N含量最低，為13.82；草木樨、紫云英、油菜植株C/N含量分別為16.70、20.21、22.60，與小麥無(wú)顯著差異。

圖2 不同作物生長(zhǎng)期植株養(yǎng)分含量Fig.2 Plant nutrient content in different crop growth stages

2.2 綠肥翻壓后的土壤肥力指標(biāo)

2.2.1 土壤水分 從表1可以看出，翻壓后隨著時(shí)間的增加，不同深度的土壤含水量均呈現(xiàn)先增加，后降低的趨勢(shì)。翻壓綠肥作物76 d后，在0～20 cm土壤深度下，翻壓油菜的土壤含水量最高，為20.13%，與翻壓小麥土壤含水量差異顯著(P≤0.05)而翻壓其余3種綠肥作物和翻壓小麥土壤含水量相比差異不顯著。在20～40 cm土壤深度下，翻壓油菜的土壤含水量最高，為21.81%，顯著高于翻壓小麥土壤含水量，而翻壓毛葉苕子、紫云英、小麥土壤含水量分別為20.31%、19.87%、19.19%，三者間并無(wú)顯著性差異。在40～60 cm土壤深度下，翻壓小麥土壤含水量最低，為19.20%，與翻壓其余4種綠肥作物土壤含水量差異顯著(P≤0.05)。

表1 翻壓后不同時(shí)間土壤含水量的變化Tab.1 Changes in soil water content at different times after overturning

2.2.2 土壤pH值 由表2可知，綠肥翻壓后，種植油菜的土壤pH值顯著(P≤0.05)低于小麥及其他幾種作物的土壤pH，翻壓后隨著時(shí)間的增加，翻壓不同綠肥作物的土壤pH變化趨勢(shì)不同，在翻壓76 d后，翻壓小麥的土壤pH值最高，為7.98，與翻壓其他幾種綠肥作物土壤pH差異顯著；翻壓毛葉苕子的土壤pH最低，為7.67，與翻壓油菜土壤pH無(wú)顯著差異，但顯著(P≤0.05)低于翻壓其他幾種綠肥作物的土壤pH。在本試驗(yàn)中，翻壓毛葉苕子和草木樨兩種綠肥作物后，土壤pH分別下降0.23、0.2，翻壓紫云英后土壤pH無(wú)變化；翻壓小麥和油菜后，土壤pH分別增加0.02、0.17。

表2 翻壓后不同時(shí)間土壤pH的變化Tab.2 Changes in soil pH at different times after tumbling

2.2.3 土壤養(yǎng)分

1)土壤全碳、全氮含量。從圖3可以看出，土壤全氮含量呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，翻壓綠肥作物76 d后，小麥處理的土壤全氮含量顯著(P≤0.05)低于其他幾種綠肥作物處理，為2.49 g/kg。

從圖3中可以看出，翻壓紫云英、小麥、草木樨后，隨著時(shí)間的增加，土壤全碳含量先升高而后降低，翻壓油菜的土壤全碳含量變化不顯著(P≤0.05)，翻壓毛葉苕子的土壤全碳含量總體呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)；在本試驗(yàn)中，翻壓綠肥作物76 d后，翻壓油菜的土壤全碳含量顯著高于翻壓其他幾種作物，為36.72 g/kg；雖然草木樨腐解對(duì)土壤全碳含量的影響在數(shù)值上高于小麥，但差異不顯著。翻壓其他幾種綠肥作物與翻壓小麥對(duì)土壤全碳含量均沒有顯著性差異。

圖3 土壤全氮全碳累積量Fig.3 Soil total nitrogen total carbon accumulation

2)土壤有機(jī)碳含量。從圖4可以看出，不同作物翻壓前后土壤有機(jī)碳含量變化不同?？傮w來(lái)看，在翻壓綠肥作物36 d后，翻壓小麥和油菜土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而翻壓紫云英、草木樨和毛葉苕子的土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中翻壓毛葉苕子土壤有機(jī)碳積累總量最高，為11.26 g/kg。翻壓紫云英的土壤有機(jī)碳積累總量最低，為9.88 g/kg。翻壓油菜土壤有機(jī)碳含量下降最多，為0.51 g/kg，而翻壓草木樨的土壤有機(jī)碳含量增加最多，為1.17 g/kg。

圖4 翻壓后不同時(shí)間土壤有機(jī)碳含量的變化Fig.4 Changes in soil organic carbon content at different times after tumbling

3 討論和結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)不同作物生物量及養(yǎng)分累積量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明在綠肥翻壓時(shí)，不同綠肥作物鮮質(zhì)量、干質(zhì)量變化趨勢(shì)均有增加。和其他幾種綠肥作物相比，紫云英鮮質(zhì)量干質(zhì)量均為最低，顯著低于小麥的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量；而毛葉苕子的鮮質(zhì)量干質(zhì)量均為最大，且顯著高于小麥的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量；李俊良[13]研究發(fā)現(xiàn)，較低的C/N更有利于有機(jī)肥的分解。本試驗(yàn)中4種綠肥作物的C/N顯著低于小麥，相比于小麥更易于腐解，其中毛葉苕子C/N最低，為13.82，其腐解速度最快。

李利利[14]的研究表明，翻壓毛苕子和小黑麥的土壤在40 cm土層以下含水量顯著低于對(duì)照，而在40 cm以上土層含水量顯著高于對(duì)照。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，翻壓綠肥作物76 d后，可以顯著提高0～40 cm土壤含水量，但對(duì)40～60 cm土壤影響較小，可能是由于綠肥翻壓深度較淺，未對(duì)深層的土壤含水量產(chǎn)生較大影響，但還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

李宏圖[15]等的研究發(fā)現(xiàn)旱地種植綠肥可降低土壤pH值，且最高可降低0.23個(gè)單位。在本試驗(yàn)中，翻壓毛葉苕子后，土壤pH降幅最大，其下降值為0.23，同樣，翻壓毛葉苕子后土壤pH最低，為7.67；翻壓小麥和油菜后，土壤pH分別為7.98、7.73，其值比翻壓前增加0.02、0.17，但翻壓紫云英后土壤pH無(wú)變化；表明部分綠肥的翻壓可以調(diào)節(jié)土壤pH在合理的范圍內(nèi)，使土壤無(wú)機(jī)鹽離子更易于作物吸收與利用。

李正[16]等研究表明，植煙土壤翻壓綠肥3年后與對(duì)照相比，土壤有機(jī)碳、全氮含量分別提高了27.84% ～ 53.77%，8.85% ～ 40.95%， 翻壓綠肥還可以提高土壤微生物活性，有利于加快綠肥腐解，提高土壤肥力。呂玉虎[17]等研究發(fā)現(xiàn)，在盛花期翻壓紫云英可以顯著提高土壤速效氮含量，為后茬作物生長(zhǎng)提供充足的氮素。其中常規(guī)施肥土壤速效氮含量為46.0 mg/kg，在盛花期前和盛花期后翻壓紫云英土壤速效氮分別為50.9 mg/kg和5.3 mg/kg，而在盛花期翻壓紫云英，土壤耕層速效氮含量含量最高，為56.5 mg/kg，與常規(guī)施肥、盛花期前和盛花期后翻壓紫云英土壤速效氮分別提高了 22. 8% 、11.0%、2. 1%。

綠肥的翻壓在一定程度上增加了土壤有機(jī)碳的含量。白璐[18]研究認(rèn)為復(fù)種毛葉苕子可以顯著增加土壤中有機(jī)碳含量，馮穎[19]的研究則認(rèn)為紫云英配施80%的化肥，能夠使土壤有機(jī)碳減少降解，從而提高土壤肥力。本研究發(fā)現(xiàn)，翻壓紫云英、草木樨和毛葉苕子的土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中翻壓毛葉苕子土壤有機(jī)碳含量最高，為11.26 g/kg。

本試驗(yàn)中，毛葉苕子翻壓時(shí)鮮質(zhì)量和干質(zhì)量最大，而C/N最低，為13.82，相比其他幾種綠肥作物，毛葉苕子在翻壓后腐解速率最快，可以為后茬作物生長(zhǎng)提供一定量的速效養(yǎng)分；且其在翻壓腐解后，可以降低土壤pH，增加土壤有機(jī)碳含量，經(jīng)過(guò)綜合評(píng)比，本研究的4種綠肥作物中，毛葉苕子為最優(yōu)種植綠肥作物。