糧草間作培肥處理對(duì)黑土土壤有機(jī)碳含量的影響

趙偉+郝帥+孫泰朋+田宗澤+許毛毛+王宏燕

摘要：主要探討糧草間作和培肥條件對(duì)黑土土壤有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量的影響。結(jié)果表明，草木樨+化肥處理土壤有機(jī)碳含量最高，是CK的1.23倍，草木樨+半量化肥處理土壤有機(jī)碳含量是CK的1.07倍；草木樨+化肥處理土壤水溶性碳、土壤微生物量碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量分別是CK的1.08、1.13、1.11、1.03倍；草木樨+1/2化肥土壤有機(jī)碳、微生物量碳含量分別是CK的1.07、1.02倍，在土壤水溶性碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量上與CK差異不顯著；草木樨+不施化肥處理土壤有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量分別是CK的87%、85%、81%、91%、87%?？梢?，糧草間作的方式可以有效地提高土壤中有機(jī)碳的含量，從而為固碳減排、增加土壤碳庫、尋找最佳種植和培肥土壤方式、減量施肥生產(chǎn)、健康安全食品和有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：糧草間作；黑土；有機(jī)碳；培肥

中圖分類號(hào)： S153.6；S158.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）07-0277-04

人類在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量施用化肥，導(dǎo)致水體、土壤和大氣受到了污染[1]。同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)大量流失，土壤性質(zhì)急劇退化。黑土在開墾后的10年中土壤有機(jī)質(zhì)大約減少1/3，開墾50年后大約減少2/3，連續(xù)30年不施肥料耕層土壤有機(jī)質(zhì)年均減少0.22 g/kg；單施化肥處理耕層年均減少 0.11 g/kg[2]。減少化肥的過量施用帶來的環(huán)境問題已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)問題，但是減施化肥勢(shì)必會(huì)降低農(nóng)作物產(chǎn)量，因此，在保障國家糧食和生態(tài)環(huán)境安全的基礎(chǔ)上，如何減少化肥的投入，是研究者和社會(huì)各界關(guān)注的主要問題[3]。

土壤有機(jī)碳是土壤的生命源，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用[4]。夏戰(zhàn)鷹等在湖南桃源采取稻草配施化肥種植方式，發(fā)現(xiàn)紅壤的有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量有明顯提高[5]。張迪等研究了不同植被覆蓋下和不同施肥處理下的黑土活性有機(jī)碳含量變化，發(fā)現(xiàn)草地與氮磷配施有機(jī)肥處理均有利于土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳的積累[6]。梁堯等在海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站以黑土為對(duì)象進(jìn)行定位試驗(yàn)，研究結(jié)果表明長期單施化肥導(dǎo)致土壤有機(jī)碳、土壤微生物量碳、土壤水溶性碳含量顯著下降，有機(jī)無機(jī)肥配施則提高了土壤有機(jī)碳和各活性有機(jī)碳組分含量[7]。國外學(xué)者也認(rèn)為，有機(jī)肥在改善土壤環(huán)境和提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量中有重要的作用[8-9]。

間作是我國農(nóng)民在長期生產(chǎn)實(shí)踐中逐步認(rèn)識(shí)和掌握的一項(xiàng)增產(chǎn)措施，也是我國農(nóng)業(yè)精耕細(xì)作傳統(tǒng)的一個(gè)組成部分。Schmidt等研究表明，小麥-白三葉草間作土壤中土壤肥力和土壤有機(jī)質(zhì)含量得到了顯著提高[10-11]。很多學(xué)者對(duì)果樹與白三葉草間作進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)果園內(nèi)果樹與白三葉草間作導(dǎo)致土壤中有機(jī)碳含量增加，果樹間作白三葉對(duì)果園土壤有機(jī)碳含量及土壤有機(jī)碳密度產(chǎn)生了積極影響[12-15]。孟平等研究表明，在太行山區(qū)蘋果-沙打旺復(fù)合系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳含量較清耕提高1/3[16]。宿慶瑞在黑龍江中低產(chǎn)黑土區(qū)進(jìn)行了為期3年的玉米、草木樨間種輪作試驗(yàn)，結(jié)果表明糧草間作區(qū)較對(duì)照區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量平均提高61.5%[17]。

盡管間作方面的研究很多，但研究糧草間作對(duì)黑土農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響還鮮見報(bào)道，本試驗(yàn)研究糧草間作對(duì)黑土土壤有機(jī)碳含量的影響，以期為固碳減排、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量尋找最佳種植和培肥土壤方式，為化肥減量、健康安全食品和有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)設(shè)在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地，屬于松嫩平原退化黑土類型，上一年用常規(guī)方法種植玉米，本次試驗(yàn)時(shí)間為2014年5—10月，供試作物為玉米302。供試土壤有機(jī)質(zhì)含量21.97 g/kg，全氮含量 0.20 g/kg，全磷含量0.21 g/kg，堿解氮含量173 mg/kg，速效磷含量 19 mg/kg，速效鉀含量207 mg/kg，pH值為7.27。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共4個(gè)處理，設(shè)12個(gè)小區(qū)，每個(gè)處理3次重復(fù)。每個(gè)小區(qū)10條壟，壟寬65 cm，壟長6 m。分別為處理1（CK）：常規(guī)種植玉米+化肥，每壟栽1行玉米，玉米株距為25 cm，常規(guī)化肥處理（施肥量比例N ∶P2O5 ∶K2O= 150 ∶60 ∶90）；處理2：玉米間作草木樨+化肥，常規(guī)化肥處理（施肥量比例N ∶P2O5 ∶K2O=150 ∶60 ∶90）；處理3：玉米間作草木樨+1/2化肥，半量常規(guī)化肥處理（施肥量比例N ∶P2O5 ∶K2O=75 ∶30 ∶45）；處理4：玉米間作草木樨+不施化肥。處理2、處理3和處理4為玉米和草木樨間作，玉米株距為25 cm，草木樨為撒播，撒播密度為15 kg/hm2。在抽雄期（7月28日）進(jìn)行1次追肥，追肥量比例如上，正常田間管理，不施加任何農(nóng)藥。

1.3土樣采集

在玉米的出苗期（T1）（6月7日）、拔節(jié)期（T2）（6月28日）、抽雄期（T3）（7月28日）、灌漿期（T4）（8月28日）、成熟期（T5）（9月20日）采集土樣，取土深度為20 cm，“S”形取樣，四分法取土。

1.4試驗(yàn)方法

1.4.1土壤有機(jī)碳含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法[18]進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2土壤水溶性有機(jī)碳含量的測(cè)定稱取5.00 g風(fēng)干土，按水土比為20 mL ∶1 g添加雙蒸水，在室溫（25±1）℃、180 r/min振蕩30 min，再離心10 min（8 000 r/min）然后通過0.45 μm微孔濾膜，收集用于測(cè)定。

1.4.3土壤微生物量碳（MBC）含量的測(cè)定稱取20 g新鮮土樣，用50 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液浸提后振蕩過濾，濾液為空白對(duì)照；再取同等量鮮土采用三氯甲烷熏蒸法進(jìn)行熏蒸，將真空干燥器放入培養(yǎng)箱中于25 ℃放置24 h，熏蒸后取出土樣，與對(duì)照樣品的浸提振蕩過濾步驟相同，迅速用定量濾紙過濾，用TOC儀測(cè)定，以熏蒸和未熏蒸的土壤樣品提取液中全碳含量的差值×系數(shù)（2.64）計(jì)算其含量。

1.4.4土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量的測(cè)定取過2 mm風(fēng)干土約 20.00 g 放入250 mL塑料瓶，加入100 mL NaOH（0.5 mol/L），手搖3 min，再用恒溫振蕩器振蕩18 h（90 r/min），土壤懸液過53 μm篩，并反復(fù)用蒸餾水沖洗。收集所有留在篩中的物質(zhì)，在60 ℃下烘48 h至恒質(zhì)量，并計(jì)算該物質(zhì)占土壤的百分含量，再采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧 化-容量法測(cè)定其顆粒態(tài)有機(jī)碳含量。

1.4.5易氧化有機(jī)碳含量的測(cè)定采用333 mmol/L的高錳酸鉀氧化法。具體方法：25 ℃下，稱取含15～30 mg的待測(cè)樣品，裝入100 mL的塑料瓶，加入333 mmol/L K2MnO4溶液 25 mL，密封瓶口，25 r/min振蕩1 h。同時(shí)做空白樣；振蕩后的樣品以4 000 r/min離心5 min，取上清液，用去離子水按 1 ∶250 稀釋；在565 nm的分光光度計(jì)上比色測(cè)定稀釋樣品的吸光度，由不加土壤的空白與土壤樣品的吸光度之差，得出被還原的K2MnO4的消耗量，即可求出樣品的易氧化有機(jī)碳含量（氧化過程中1 mmol K2MnO4消耗0.75 mmol或9 mg碳）。

2結(jié)果與分析

2.1糧草間作培肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

由圖1可以看出，各處理土壤有機(jī)碳含量差異明顯。各處理有機(jī)碳含量以草木樨+化肥處理最高，達(dá)到15.66 g/kg，是CK處理的1.23倍；草木樨+1/2化肥處理土壤有機(jī)碳含量為13.63 g/kg，是CK的1.07倍；草木樨+不施化肥處理土壤有機(jī)碳含量最低，只有11.02 g/kg，是CK的87%。表明草木樨與玉米間作對(duì)提高土壤有機(jī)碳含量起到了良好的促進(jìn)作用。

2.2糧草間作培肥處理對(duì)土壤水溶性有機(jī)碳含量的影響

各處理土壤水溶性有機(jī)碳含量如圖2所示，可見各處理土壤水溶性有機(jī)碳含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在T4灌漿期達(dá)到最高值。其中草木樨+化肥處理最高，達(dá)到 209.45 mg/kg，是CK的1.13倍；草木樨+1/2化肥土壤水溶性有機(jī)碳含量達(dá)到193.00 g/kg，是CK的1.04倍；草木樨+不施化肥處理土壤水溶性有機(jī)碳含量達(dá)到163.48 g/kg，是CK的88%。從玉米整個(gè)生育期平均值來看，草木樨+化肥處理土壤水溶性碳含量為129.2 mg/kg，是CK的1.08倍；草木樨+1/2化肥處理的土壤水溶性碳含量為113.91 mg/kg，與CK差異不明顯；草木樨+不施化肥處理土壤水溶性碳含量是最低的，平均值為101.85 mg/kg，是CK的85%。

2.3糧草間作培肥處理對(duì)土壤微生物量碳含量的影響

由圖3所示，各處理土壤微生物量碳含量最小值在苗期，最大值在灌漿期，土壤微生物量碳含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；從整個(gè)生育期平均水平來看，草木樨+化肥處理土壤微生物有機(jī)碳含量最高，為91.28 mg/kg，是CK的1.13倍，草木樨+1/2化肥次之，是CK的1.02倍，草木樨+不施化肥處理土壤微生物有機(jī)碳含量是CK的81%。

2.4糧草間作培肥處理對(duì)土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量的影響

由圖4所示，土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量變化總體呈現(xiàn)先上升再下降趨勢(shì)，各處理在T4灌漿期達(dá)到最高值，苗期為最低，拔節(jié)期與成熟期接近；草木樨+化肥處理在灌漿期的土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量較高，達(dá)1.7 g/kg，為各處理整個(gè)生育期最高值，是CK的1.11倍；草木樨+1/2化肥處理土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量達(dá)到1.64 g/kg，是CK的1.07倍；各個(gè)處理在抽雄期的土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量最為接近，在灌漿期相差最大。從整個(gè)生育期平均值來看，草木樨+化肥處理平均值為最高，達(dá)到1.08 g/kg，是CK的1.11倍；草木樨+1/2化肥處理土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量與對(duì)照差異不明顯；草木樨+不施化肥處理土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量為0.88 g/kg，是CK的91%。

2.5糧草間作培肥處理對(duì)易氧化有機(jī)碳含量的影響

如圖5所示，土壤易氧化有機(jī)碳含量整體表現(xiàn)為前3個(gè)時(shí)期較平緩，T4灌漿期上升，到T5成熟期又下降；除灌漿期外，其他4個(gè)時(shí)期土壤易氧化有機(jī)碳含量變化不大；各處理土壤易氧化有機(jī)碳含量在T4灌漿期達(dá)到最高值。在灌漿期草木樨+化肥處理土壤易氧化有機(jī)碳含量最高，達(dá)到 2.23 g/kg，是CK的1.16倍；草木樨+1/2化肥處理土壤易氧化有機(jī)碳含量為2.02 g/kg，是CK的1.05倍；草木樨+不施化肥處理土壤易氧化有機(jī)碳含量為1.66 g/kg，低于CK，是灌漿期CK的86%。從整個(gè)生育期平均水平來看，草木樨+化肥處理土壤易氧化有機(jī)碳含量最高，達(dá)到1.56 g/kg，是CK的1.03倍；草木樨+1/2化肥處理土壤易氧化有機(jī)碳含量為1.48 g/kg，低于CK，但與CK差異不明顯；草木樨+不施化肥處理土壤易氧化有機(jī)碳含量為1.32 g/kg，是CK的87%。

3討論與結(jié)論

土壤有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，為土壤的植物生長提供了養(yǎng)分。本研究表明，草木樨+化肥處理及草木樨+1/2化肥處理土壤有機(jī)碳含量均高于CK，說明在同等施肥條件下，糧草間作可以有效提高土壤的有機(jī)碳含量。草木樨+1/2化肥處理可以使土壤有機(jī)碳含量達(dá)到CK全量化肥的效果。天津市濱海新區(qū)胡盧巴與沙棗間作可以有效地提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量[19]；北京市大興區(qū)梨園行間種植白三葉和黑麥草能顯著提高土壤各層次的土壤有機(jī)碳含量[20]。可見，糧草間作對(duì)土壤有機(jī)碳含量有提高作用，因此糧草間作可以作為減施化肥的一種手段。由于草木樨與玉米間作，草木樨枯落物生物量增加了土壤有機(jī)-無機(jī)體的轉(zhuǎn)化量，促進(jìn)了土壤微生物生長繁育，從而增加了土壤微生物量，有利于土壤有機(jī)碳的積累。

土壤中水溶性有機(jī)碳以碳水化合物為主，是微生物降解腐殖質(zhì)和動(dòng)植物殘?bào)w所產(chǎn)生的可溶于水的小分子物質(zhì)[21]。腐殖化的有機(jī)質(zhì)、植物凋落物、根系分泌物和微生物生物量都是土壤水溶性有機(jī)碳重要來源[22]。本試驗(yàn)中草木樨與玉米間作提高了單位面積內(nèi)根系的數(shù)量，增加了植物凋落物，通過微生物降解，在短期內(nèi)產(chǎn)生了大量的水溶性有機(jī)物。這應(yīng)該是本試驗(yàn)草木樨+化肥處理土壤水溶性有機(jī)碳含量高于CK的原因。土壤微生物量碳是土壤中活性較高的有機(jī)碳部分，它是衡量土壤有機(jī)碳質(zhì)量的重要指標(biāo)[23]。夏志敏等研究認(rèn)為，蠶豆-玉米間作帶的土壤微生物量碳高于玉米-玉米帶[24]。本試驗(yàn)中草木樨+化肥處理和草木樨+1/2化肥處理土壤微生物量碳含量比單施化肥的CK高，這與夏志敏等的研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)椴菽鹃嘏c玉米間作種植，增加了農(nóng)田的生物多樣性，強(qiáng)化了種間邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致土壤中微生物的數(shù)量及活性大大增加，從而提高土壤中微生物碳含量。

顆粒有機(jī)碳主要由植物殘?bào)w的半分解產(chǎn)物組成[25]。近年來許多研究認(rèn)為，顆粒有機(jī)碳對(duì)于施肥的響應(yīng)十分顯著，能在較短時(shí)間內(nèi)反映因農(nóng)業(yè)管理措施的改變而導(dǎo)致的土壤質(zhì)量變化[26]。本試驗(yàn)中草木樨+化肥處理土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量明顯高于CK，草木樨+1/2化肥處理土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳含量比CK高7%。說明減施化肥同時(shí)采用糧草間作方式有利于土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳的積累，有利于土壤肥力的修復(fù)。草木樨與玉米間作增加了農(nóng)田種間邊緣效應(yīng)，同時(shí)單位面積內(nèi)植物生物量高于玉米單作，因而土壤中有可供微生物大量分解的植物殘?bào)w，這是顆粒態(tài)有機(jī)碳含量增加的一個(gè)原因。易氧化有機(jī)碳是土壤總有機(jī)碳中的活性部分，是土壤碳庫變化快慢的指示性指標(biāo)[27]。本試驗(yàn)中草木樨+化肥處理土壤易氧化有機(jī)碳含量明顯高于CK，草木樨+1/2化肥處理在灌漿期的土壤易氧化有機(jī)碳含量也明顯高于CK，可能是因?yàn)橐籽趸袡C(jī)碳是土壤中活性較高、較為靈敏的一個(gè)碳素指標(biāo)，它比土壤總有機(jī)碳更為靈敏[28]，在草木樨、玉米間作的的條件下，植株密度變大，根際溫度較高，大量微生物在適宜的環(huán)境中短時(shí)間內(nèi)快速分解土壤中的植物殘?bào)w等有機(jī)物質(zhì)，從而使易氧化有機(jī)碳含量上升。在本試驗(yàn)中，各處理土壤水溶性有機(jī)碳、土壤微生物有機(jī)碳、土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳、土壤易氧化有機(jī)碳含量均于T4灌漿期達(dá)到最高值，可能由于受大氣溫度變化影響，T4灌漿期時(shí)試驗(yàn)地區(qū)溫度最高，降水充沛，環(huán)境條件有利于生物及微生物生長繁殖，因此增加了土壤水溶性有機(jī)碳、微生物有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量。另外，有研究表明施加化肥可以提高土壤碳素含量[29-30]，本試驗(yàn)在T3抽雄時(shí)期進(jìn)行了一次追肥，這可能是導(dǎo)致土壤的有機(jī)碳素含量提升的一個(gè)原因。間作是通過各類作物的不同組合構(gòu)成多種植物、多層次、多功能的人工復(fù)合群體，利用不同植物在生長過程中形成的空間差、時(shí)間差，有效地發(fā)揮光、肥、水、氣、熱等有限農(nóng)業(yè)資源的生產(chǎn)潛力，提高了土壤養(yǎng)分的吸收利用效率，彌補(bǔ)了單作的不足，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[31]。因而在本試驗(yàn)中，草木樨+化肥處理土壤有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量均高于CK；草木樨+1/2化肥處理土壤有機(jī)碳、微生物量碳含量高于CK，而土壤水溶性碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量與CK接近；草木樨+不施化肥處理土壤有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量與CK相比均略低于對(duì)照，分別是對(duì)照的87%、85%、81%、91%、87%，表明糧草間作起到了一定的施肥效用，由于僅是1年試驗(yàn)結(jié)果，隨著多年定位試驗(yàn)，糧草間作替代化肥的作用效果還有待進(jìn)一步研究。因此，本研究表明，玉米、草木樨間作起到了一定的施肥效果，且試驗(yàn)中未噴灑農(nóng)藥和除草劑，這為節(jié)能減排、減少化肥施用以及有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了良好的科學(xué)依據(jù)。

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