套種綠肥對土壤養(yǎng)分、團(tuán)聚性及其有機碳和全氮分布的影響

劉小粉　劉春增　王守剛　李本銀

摘 要：本研究利用田間試驗，探討了套種豆科綠肥對土壤養(yǎng)分、團(tuán)聚性及其有機碳和全氮分布的影響。結(jié)果表明，與空白相比，套種豆科綠肥對玉米產(chǎn)量、土壤容重、孔隙度、全量氮磷鉀、有效氮鉀及有機碳均無顯著影響；有效磷趨勢為紅小豆>綠豆、空白，說明套種紅小豆或可活化土壤磷；0.25～2.00 mm團(tuán)聚體是占絕對優(yōu)勢的粒級，套種豆科綠肥能促進(jìn)0.05～0.25 mm團(tuán)聚體向其周轉(zhuǎn)，但團(tuán)聚體分布的變化并未引起土壤穩(wěn)定性的明顯差異；團(tuán)聚體有機碳、全氮和碳氮比隨團(tuán)聚體粒徑減小而降低，綠肥處理使團(tuán)聚體有機碳和全氮呈下降趨勢，其原因有待進(jìn)一步探討?？傊?，套種綠肥有利于磷活化及大團(tuán)聚體形成，盡管引起部分粒級團(tuán)聚體內(nèi)有機碳和全氮下降，但未引起整土有機碳和全氮降低。因此，套種綠肥模式可繼續(xù)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：套種綠肥；團(tuán)聚體；有機碳；全氮

中圖分類號：S151.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.09.010

Effects of Green Manure on Soil nutrients， Aggregation， and Distributions of Carbon and Nitrogen

LIU Xiao-fen1， LIU Chun-zeng2， WANG Shou-gang2， LI Ben-yin2

（1.Hebei University of Engineering， Handan， Hebei 056038， China； 2.Institute of Plant Nutrition， Agricultural Resources and Environmental Science， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou， Henan 450002， China）

Abstract： Based on the located field experiment， the study investigated effects of green manure application with maize on soil nutrients， aggregation， and distributions of carbon and nitrogen. The results showed that compared with CK， applying green manure did not improve maize yield， soil bulk density， porosity， total C， N， P， and K， and available N and K， while soil available P increased （P< 0.05） when the red bean was applied. The 0.25～2.00 mm aggregate size was dominant among the four aggregate sizes， and applying green manure enhanced its formation and accumulation， although this did not improved soil aggregate stability. Aggregate C， N and C/N ratio decreased as aggregate size. Applying green manure reduced aggregate C and N， and the reason should be investigated further. In a word， applying green manure enhanced the available P and macroaggregate formation. Although it caused the decrease in aggregate C and N， applying green manure had no effects on the bulk soil C and N. Thus， applying green manure could be recommended.

Key words： applying green manure； aggregates； organic carbon； total nitrogen

在豫中冬小麥—夏玉米輪作區(qū)，過度施用化肥，忽視有機肥、綠肥投入的現(xiàn)象日益嚴(yán)重。施用化肥短期內(nèi)能顯著提高作物產(chǎn)量[1]，增加農(nóng)民收益；長期來看，化肥的過量施用會造成土壤酸化板結(jié)、土壤微生物多樣性減少、地下水硝酸鹽污染、湖泊和近海水體富營養(yǎng)化[2-4]等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境方面的問題，終將限制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。近年來，隨著小麥、玉米的收獲實現(xiàn)全面機械化，該地區(qū)逐步重視在作物收獲的同時進(jìn)行玉米秸稈粉碎還田。秸稈還田一定程度上可培肥土壤、減少化肥施用量，但玉米秸稈碳氮比較大，持續(xù)還田后不易腐解，還可能導(dǎo)致病蟲害加劇、影響作物生長等問題。已有研究表明，在南方稻區(qū)，綠肥翻壓還田能減少化肥施用量、培肥土壤、改善土壤結(jié)構(gòu)及提高水稻產(chǎn)量[5-8]。在小麥—玉米輪作區(qū)，套種豆科綠肥并與玉米秸稈混合還田，能否達(dá)到培肥土壤、減少化肥施用，及調(diào)和玉米秸稈碳氮比、促進(jìn)其腐解的目的有待進(jìn)一步探討。本試驗通過研究綠肥套種還田對土壤養(yǎng)分、團(tuán)聚性及其有機碳、全氮分布的影響，為綠肥在小麥—玉米輪作區(qū)的種植利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)置

試驗地點位于駐馬店市驛城區(qū)廟西村（N 32°98'，E 114°04'），供試土壤為砂姜黑土。本試驗始于2011年6月，設(shè)置3個處理：（1）常規(guī)施肥（空白）；（2）常規(guī)施肥+玉米套種綠豆（綠豆）；（3）常規(guī)施肥+玉米套種紅小豆（紅小豆）。每個小區(qū)試驗面積66.7 m2，設(shè)3個重復(fù)。常規(guī)施肥量：小麥播種時基施復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）750 kg·hm-2，拔節(jié)期追施尿素150 kg·hm-2；玉米播種時基施復(fù)合肥300 kg·hm-2，喇叭口期追施尿素450 kg·hm-2。紅小豆和綠豆在玉米播種20 d左右時撒播，播種量為45 kg·hm-2，玉米收獲時與玉米秸稈混合還田。

1.2 水稻產(chǎn)量、土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及其有機碳和全氮含量測定分析

于2013年9月玉米收獲前采集0～15 cm耕層原狀土測定土壤容重和孔隙度，采集擾動土用于測定土壤養(yǎng)分含量、團(tuán)聚性及團(tuán)聚體內(nèi)有機碳和全氮分布。土壤容重采用環(huán)刀法，計算孔隙度時土粒密度取2.65 g·cm-3。土壤及各粒徑團(tuán)聚體內(nèi)有機碳和全氮含量用碳氮儀干燒法測定[9]，全磷、全鉀分別采用硫酸—高氯酸消煮法、氫氟酸—高氯酸消煮法浸提，土壤有效氮、磷、鉀分別采用堿解蒸餾法、碳酸氫鈉、乙酸銨浸提法[10]。

團(tuán)聚性測定：土樣風(fēng)干后過孔徑8 mm的篩，依據(jù)Kemper和Rosenau[11]土壤團(tuán)聚體濕篩測定法分離團(tuán)聚體，然后把各級篩層上的團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至鋁盒中，在溫度為60 °C的烘箱內(nèi)烘干，做3個重復(fù)。團(tuán)聚體分布用團(tuán)聚體百分比計算，團(tuán)聚體穩(wěn)定性用平均重量直徑來衡量，其中，xi為團(tuán)聚體平均直徑，wi 為對應(yīng)粒徑團(tuán)聚體的質(zhì)量。

1.3 統(tǒng)計分析

用SPSS11.0（SPSS， 2001）進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差和相關(guān)性分析，顯著性分析水平為P<0.05。采用最小顯著差異法（Least significant difference， LSD）比較處理間平均值的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤基本理化性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的變化

由表1看出，與空白相比，種植并翻壓綠豆/紅小豆對玉米產(chǎn)量、土壤容重、孔隙度、全量和有效氮、鉀及有機碳均無顯著影響。土壤全磷在處理間無顯著差異，但有效磷趨勢為紅小豆 > 綠豆、空白（P < 0.05），紅小豆、綠豆處理比空白分別提高54.5%，9.9%，說明種植并翻壓紅小豆或可活化土壤磷。

2.2 不同處理下土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性變化

圖1表明，隨著豆科綠肥的種植并翻壓還田，土壤團(tuán)聚體分布出現(xiàn)了明顯變化。對于同一處理，不同粒徑團(tuán)聚體分布情況為：0.25～2.00 mm團(tuán)聚體含量最高（約占40%～51%），其次為0.05～0.25 mm和< 0.05 mm團(tuán)聚體，> 2.00 mm團(tuán)聚體含量最低（約占3%～7%）。處理間比較，>2.00 mm和< 0.05 mm團(tuán)聚體含量均無顯著差異，而0.25～2.00 mm和0.05～0.25 mm團(tuán)聚體含量在處理間均存在顯著性差異。與空白相比，紅小豆、綠豆處理0.25～2.00 mm團(tuán)聚體含量分別提高了26.9%，27.3%，0.05～0.25 mm團(tuán)聚體含量則分別降低了15.9%，24.2%。0.25～2.00 mm團(tuán)聚體是土壤中占絕對優(yōu)勢的粒級，豆科綠肥的種植和翻壓有利于其形成和積累。微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)的結(jié)果，使得土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈增加趨勢（圖2），紅小豆、綠豆處理的平均質(zhì)量直徑比空白分別增大了22.1%，45.8%，尚不存在顯著性差異。

與空白相比，豆科綠肥（有機肥料）還田促進(jìn)了微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變。其機理主要有兩個方面。第一，有機物料在微生物作用下會形成粗顆粒有機質(zhì)，它又作為粘結(jié)劑使小團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體。隨著有機物料不斷加入土壤，大團(tuán)聚體內(nèi)能保存下來的有機質(zhì)會越來越穩(wěn)定，不易被微生物分解，使得大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化周期變長，更有利于大團(tuán)聚體的保存[12-13]。第二，豆科綠肥生長過程中形成大量根系，根系本身可以通過纏繞作用促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。發(fā)育良好的根系也會增加根際微生物量，而土壤微生物，尤其是細(xì)菌分泌物和真菌菌絲的粘結(jié)作用，對大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定起重要作用[14-15]。

2.3 不同處理下土壤團(tuán)聚體有機碳和全氮分布

圖3為各處理不同粒徑團(tuán)聚體內(nèi)有機碳和全氮含量的分布情況。在>2.00 mm團(tuán)聚體內(nèi)，有機碳和全氮含量在處理間無顯著差異；翻壓豆科綠肥后，0.25～2.00 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機碳和全氮明顯降低，即空白>綠豆、紅小豆；與空白相比，綠豆處理的0.05～0.25 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機碳明顯下降，而紅豆處理的<0.25 mm團(tuán)聚體內(nèi)全氮有升高趨勢。對于同一處理，有機碳和全氮含量均隨團(tuán)聚體粒徑減小而呈現(xiàn)下降趨勢，即>2.00 mm粒徑最高，其次是0.25～2.00 mm，0.05～0.25 mm和<0.05 mm粒徑最低。本試驗中，0.25～2.00 mm團(tuán)聚體在土壤中占絕對優(yōu)勢，其有機碳含量也較高，因此它對土壤有機碳的固持和累積起主要作用，這與一些研究結(jié)果相一致[16-17]?？傊?，盡管土壤（整土）有機碳和全氮含量在處理間無差異，但團(tuán)聚體有機碳和全氮含量卻表現(xiàn)出差異，說明在有機碳和全氮變化方面，團(tuán)聚體比土壤（整土）對農(nóng)業(yè)施肥措施反應(yīng)更靈敏。另外，大團(tuán)聚體中有機碳含量高于小團(tuán)聚體，可能是不同粒徑團(tuán)聚體形成過程中的膠結(jié)劑不同所致[18-19]。Elliott[20]認(rèn)為小團(tuán)聚體在含碳量高、不穩(wěn)定的粘結(jié)劑（真菌菌絲、根系、微生物和植物源的多糖）作用下形成大團(tuán)聚體，故小團(tuán)聚體有機質(zhì)（有機碳）含量低于大團(tuán)聚體[21]。

2.4 不同處理下土壤及團(tuán)聚體碳氮比變化

表2表明，整土和團(tuán)聚體的碳氮比分布于8.3～12.5之間；對于相同處理，團(tuán)聚體碳氮比隨粒徑減小而降低，即（> 2.00 mm） > 0.25～2.00 mm > 0.05～0.25mm > （<0.05 mm）；對于相同粒級，碳氮比在處理間無顯著差異，說明種植翻壓豆科綠肥短期內(nèi)未影響碳氮比。碳氮比作為土壤團(tuán)聚過程和固碳過程的重要指示劑，可以反應(yīng)土壤有機碳固持的有效性。碳氮比隨團(tuán)聚體粒徑的減小而降低，可能與團(tuán)聚體內(nèi)有機粘結(jié)劑的類型有關(guān)：大團(tuán)聚體內(nèi)主要為瞬時和暫時有機粘結(jié)劑，易分解；微團(tuán)聚體內(nèi)則為永久粘結(jié)劑，性質(zhì)穩(wěn)定，前者碳氮比大于后者[22-23]。另外，真菌在大團(tuán)聚體中占主導(dǎo)而細(xì)菌在微團(tuán)聚體中占主導(dǎo)[23-24]，真菌細(xì)胞的碳氮比約為10而細(xì)菌的約為4[20]，這也可能是大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體碳氮比高的原因。

3 結(jié) 論

與空白相比，套種豆科綠肥對玉米產(chǎn)量、土壤容重、孔隙度、全量氮磷鉀、有效氮鉀及有機碳均無顯著影響；有效磷趨勢為紅小豆>綠豆、空白，說明套種紅小豆或可活化土壤磷；0.25～2.00 mm團(tuán)聚體是占絕對優(yōu)勢的粒級，套種豆科綠肥可促進(jìn)0.05～0.25 mm團(tuán)聚體向其周轉(zhuǎn)，但團(tuán)聚體分布的變化并未引起土壤穩(wěn)定性的明顯差異；團(tuán)聚體有機碳、全氮和碳氮比隨團(tuán)聚體粒徑減小而降低，套種綠肥處理使團(tuán)聚體有機碳和全氮呈下降趨勢，其原因有待進(jìn)一步探討?？傊追N綠肥有利于大團(tuán)聚體的形成及養(yǎng)分活化，盡管引起部分粒級團(tuán)聚體內(nèi)有機碳和全氮下降，但未引起整土有機碳和全氮降低。因此，套種模式可繼續(xù)推廣應(yīng)用。

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