綠肥不同栽培模式對(duì)冬閑期植煙土壤的影響

楊蒙嶺，蔣 豪，顧 勇，謝 強(qiáng)，張永輝，徐傳濤，陳 凡

(1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.四川省煙草公司瀘州市公司，四川 瀘州 646000；4.四川省煙草公司涼山州公司會(huì)東分公司，四川 會(huì)東 615200 )

【研究意義】煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，煙葉年產(chǎn)量達(dá)200多萬噸，上繳國家財(cái)政總額9000億元[1]。當(dāng)前，我國煙草產(chǎn)業(yè)不斷向規(guī)?；图s化方向發(fā)展，耕地限制使得部分地區(qū)煙草連作現(xiàn)象不可避免。煙草是忌連作茄科作物，煙草連作會(huì)造成土壤養(yǎng)分失調(diào)[2]，根際自毒物質(zhì)積累[3-4]以及土壤酶活性以及微生物區(qū)系變化[5]，從而導(dǎo)致煙草產(chǎn)量品質(zhì)下降。研究表明調(diào)整種植模式和施肥模式是降低煙草連作障礙的有效途徑，合理輪作可以提高煙田土壤微生物群落的多樣性[6]。施用有機(jī)肥不僅能提高土壤微生物量碳、氮含量，還能提高酶活性，降低連作對(duì)煙草的影響[7]。因此，利用冬閑期種植綠肥是目前解決煙草連作障礙眾多手段中經(jīng)濟(jì)有效的方法之一?！狙芯窟M(jìn)展】研究表明，綠肥根系發(fā)達(dá)且穿透力強(qiáng)，龐大的根系可以疏松土壤，擴(kuò)大養(yǎng)分吸收的空間和范圍[9]。然而，種植不同種類綠肥對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生的影響差異較大。豆科綠肥可以與土壤中的根瘤菌形成共生關(guān)系，固定空氣中的氮素，提高土壤中氮含量。禾本科綠肥C/N較高，根系發(fā)達(dá)，有利于增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量。豆科-禾本科植物混栽后綠肥還田被證實(shí)是提高土壤肥力的重要手段[10]?！颈疚那腥朦c(diǎn)】當(dāng)前研究大多將豆科-禾本科植物混栽還田后，后茬作物生長特性的變化作為研究重點(diǎn)[11-13]，而混栽綠肥對(duì)土壤養(yǎng)分的利用與自身養(yǎng)分釋放差異，特別是混栽后土壤養(yǎng)分與土壤微環(huán)境改變之間的潛在聯(lián)系的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)探討前茬綠肥不同栽培模式，包括單種紫云英(Astragalussinicus)、單種黑麥草(Loliumperenne)以及黑麥草和紫云英混播對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性以及微生物碳氮的影響，重點(diǎn)分析綠肥混播如何影響土壤特性及土壤微環(huán)境，探討綠肥混播提高土壤質(zhì)量的潛在原因，為南方煙田土壤冬閑期耕作提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

田間試驗(yàn)布置在四川省瀘州市古藺縣箭竹苗族鄉(xiāng)。供試紫云英品種為閔紫一號(hào)，供試黑麥草品種為卡特。土壤質(zhì)地為黃壤土，土壤煙草連作歷史三年以上，土壤pH為6.5，全鉀含量為14.15 g/kg，全磷含量為0.93 g/kg，銨態(tài)氮含量為16.17 mg/kg，硝態(tài)氮含量為2.68 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

四川煙區(qū)冬閑期通常種植黑麥草保育土壤，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)試驗(yàn)處理：單種紫云英(H)，單種黑麥草(Z)，紫云英黑麥草混播(HZ)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)小區(qū)30 m2。綠肥于2015年11月播種，其中單種黑麥草播種量為15 kg/hm2，紫云英為22.5 kg/hm2，黑麥草和紫云英混播按照質(zhì)量比1︰6，即黑麥草3 kg/hm2，紫云英18 kg/hm2混合均勻后播種[12,14]，并于煙草種植前1個(gè)月(2016年3月)刈割綠肥，并采集土壤樣品。在各小區(qū)采用S型線路，隨機(jī)采集5點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)用土鉆采集表層0～20 cm原狀土壤，剔除石礫和植物殘根等雜物，混勻作為1個(gè)土壤樣品，每個(gè)小區(qū)采集3個(gè)土壤樣品，共27個(gè)土壤樣品。所采集的土壤樣品分成2份：一份自然風(fēng)干，研磨過篩，保存至塑封袋中用于土壤養(yǎng)分測定；一份新鮮土壤樣品于4℃下冷藏保存用于測定土壤酶活性和微生物生物量等。

1.3 測定方法

土壤基本理化性質(zhì)測定參照魯如坤[15]的方法：土壤pH值采用pH計(jì)測定，水土比為2.5︰1；有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量采用半自動(dòng)凱氏定氮儀測定；速效鉀含量采用0. 5 mol/L NaHCO3浸提-鉬藍(lán)比色法測定；速效磷含量采用碳酸氫鈉法測定。土壤微生物生物量采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法測定[16]；微生物量碳采用multi N/C 3100分析儀測定；微生物量氮采用FOSS 800-810-3363分析儀測定。土壤酶活性的測定參考《土壤酶及其研究方法》[17]：土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定；蔗糖酶和淀粉酶活性采用二硝基水楊酸比色法測定；土壤脲酶活性采用靛酚比色法測定；土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行，采用Turkey檢驗(yàn)法進(jìn)行方差分析，相關(guān)性分析采用Person法等，使用Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤化學(xué)特性

由圖1可以看出，3種綠肥種植模式對(duì)土壤pH值的影響差異并不顯著。Z處理土壤pH值為7.88，H處理的土壤pH值為7.76，HZ處理的土壤pH值為7.61。HZ的土壤pH值較H和Z處理降低了3.56 %和1.99 %。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different letters indicate significant difference among treatments 圖1 綠肥不同種植模式對(duì)土壤pH的影響Fig.1 Effects of different cropping patterns of preceding green manure on soil pH

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different letters indicate that data is significantly different among treatments圖2 不同處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Fig.2 Effects of different cropping patterns of preceding green manure on soil nutrition

HZ后土壤有機(jī)質(zhì)含量與Z處理相比提高26.39 %，與H相比提高19.29 %，達(dá)到29.88 g/kg(圖2 a)。單種處理間差異不顯著，H處理土壤有機(jī)質(zhì)含量(24.91 g/kg)高于Z處理(23.64 g/kg)。HZ處理土壤全氮含量與H處理相比提高13.28 %，與Z相比提高13.23 %，達(dá)到了0.96 g/kg，單種處理間土壤全氮含量差異不顯著(圖2 b)。Z處理土壤速效鉀含量顯著高于HZ和H處理，HZ處理土壤速效鉀為209.20 mg/kg，介于H和Z處理之間(圖2 c)。HZ處理后土壤速效磷含量最高，為46.21 mg/kg， 比H提高了36.61 %，與Z相比提高12.70 %(圖2 d)。

2.2 土壤酶活性

從表1顯示，不同種植模式下土壤酶活性差異較大。與單種綠肥處理相比，HZ處理可以顯著提高土壤中性磷酸酶活性和脲酶活性，而單種綠肥之間這2種酶活性差異不顯著。與Z處理相比，H和HZ處理能顯著提高土壤蔗糖酶活性，分別提高6.97 %和11.97 %。單種綠肥處理間土壤淀粉酶差異不顯著，HZ比H和Z處理分別提高7.2 %和11.14 %，達(dá)到2.31 mg/g·d。

2.3 土壤微生物量

從圖3 可以看出，單種綠肥處理間土壤微生物碳和微生物氮含量差異不顯著，與單種處理相比，HZ處理后土壤微生物碳含量分別提高16.58 % 和10.37 %，為272.73 mg/kg，土壤微生物氮含量提高12.71 % 和11.63 %，為12.68 mg/kg。土壤微生物磷變化趨勢(shì)與土壤微生物碳氮變化趨勢(shì)不同，Z處理微生物量磷含量最高，顯著高于H處理但與HZ處理土壤微生物磷含量差異不顯著。土壤微生物熵(MBC/TOC)的變化范圍為1.57 %～1.71 %，HZ處理最小，為1.57 %。土壤微生物氮與全氮含量的比值的變化范圍為1.31 %～1.33 %，與微生物熵的變化相近，處理間差異不顯著。

表1 不同綠肥種植模式對(duì)土壤酶活性的影響

注：同一列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters indicate that data is significantly different among treatments.

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different letters indicate that data is significantly different among treatments圖3 不同綠肥種植模式對(duì)土壤微生物量、MBC/TOC和MBN/TON的影響Fig.3 Effects of different cropping patterns on soil microbial biomass, MBC/TOC and MBN/TON

2.4 相關(guān)性分析

由表2顯示，土壤酶之間顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上。土壤微生物碳和微生物氮、土壤酶顯著相關(guān)(P<0.05)，其中與中性磷酸酶、淀粉酶的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94。土壤微生物氮與土壤酶之間顯著相關(guān)(P<0.05)，其中與中性磷酸酶和脲酶的相關(guān)系數(shù)大于0.92。

土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤微生物碳含量和土壤微生物氮含量顯著相關(guān)(圖4 a，b；P<0.01), 土壤速效磷含量與土壤微生物含量顯著相關(guān)(圖4 c；P<0.01)，土壤全氮含量與土壤微生物氮含量顯著相關(guān)(圖4 d；P<0.01)。

3 討 論

3.1 不同種植方式對(duì)土壤化學(xué)特性的影響

種植綠肥可以提高土壤養(yǎng)分含量，但不同綠肥種植模式產(chǎn)生的影響存在一定差異。包興國等[18]以豌豆、毛苕子、草木犀、谷子為原材料進(jìn)行混播試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混播區(qū)較單播區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷含量顯著增加。鄭偉等[10]發(fā)現(xiàn)豆科-禾本科牧草混播有利于改善土壤速效氮磷養(yǎng)分。本研究表明，與種植單一綠肥相比，綠肥混播處理增加了土壤有機(jī)質(zhì)全氮、速效鉀和速效磷含量，這與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，這說明混播模式下豆科-禾本科綠肥的生長在從土壤中吸收養(yǎng)分的同時(shí)，還活化了土壤養(yǎng)分中難以被植物吸收的部分[10,19]。在禾本科-豆科植物混播草地中，禾本科牧草對(duì)土壤無機(jī)氮的強(qiáng)烈競爭，迫使豆科綠肥固定更多的氮，保持養(yǎng)分供給，以及其發(fā)達(dá)的根系具有較強(qiáng)的水分競爭能力，提高了豆科牧草在缺水條件下的共生固氮能力[20-22]。豆科綠肥固定的氮素對(duì)豆科-禾本科綠肥混播系統(tǒng)提高土壤氮含量、供應(yīng)禾本科綠肥氮的需求起著重要作用[23-24]，同時(shí)豆科-禾本科綠肥在根際可形成磷養(yǎng)分利用空間優(yōu)勢(shì)，并通過利用不同的磷源提高土壤磷素供應(yīng)，從而提高植煙土壤氮循環(huán)能力和磷活化能力。

表2 土壤酶活性與土壤微生物量的相關(guān)性

注： *為顯著相關(guān)(P<0.05)；**為極顯著相關(guān)(P<0.01)。

Note:* indicate significant correlation at 0.05 level；** indicate significant correlation at 0.01 level.

**為極顯著相關(guān)(P<0.01) ** indicate significant correlation at 0.01 level圖4 土壤化學(xué)特性與土壤微生物生物量的關(guān)系Fig.4 Relations between soil chemical property and soil microbial biomass

3.2 不同種植方式對(duì)土壤生物學(xué)性質(zhì)的影響

劉文輝等[21]研究表明燕麥與豌豆混播可以提高土壤酶活性，并且在一定范圍內(nèi)隨著混播水平的提高土壤酶活性增大。李碩等[22]研究表明禾本科植物鴨茅與豆科植物混播時(shí)土壤蔗糖酶、脲酶以及過氧化氫酶活性均顯著高于單播處理。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與種植單一綠肥相比，黑麥草和紫云英混播后土壤中性磷酸酶，脲酶活性均顯著提高。這可能是由于綠肥混播為土壤提供了更多的有機(jī)質(zhì)，微生物營養(yǎng)充分，使其生物活動(dòng)劇烈以及加快土壤中微生物參與的反應(yīng)過程，進(jìn)而提高酶活性[23]。土壤微生物量可以代表參與調(diào)控土壤中能量和養(yǎng)分循環(huán)及有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化所對(duì)應(yīng)微生物的數(shù)量，常被用于評(píng)價(jià)土壤的生物學(xué)性狀[24-25]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混播處理后，土壤微生物碳、氮顯著含量高于單種處理，可能是因?yàn)榛觳ヌ幚硐虏粌H具有禾本科綠肥根系C/N比例高有利于為微生物提供碳源的優(yōu)勢(shì)，還可以利用豆科綠肥通過根瘤菌將大氣中的N素固定為生物氮的特點(diǎn)，為土壤中微生物提供更多的能量，促進(jìn)微生物活動(dòng)劇烈[8,26]。本試驗(yàn)結(jié)果中土壤微生物磷含量變化趨勢(shì)與土壤微生物碳氮不同，豆科綠肥土壤微生物磷顯著高于禾本科綠肥土壤微生物磷，這一現(xiàn)象與蔣躍利等[27]的研究結(jié)果一致，可能是由于煙草種植過程中人為過量施用磷肥導(dǎo)致土壤中含有大量的磷，豆科綠肥通過根瘤菌進(jìn)行生物固氮，微生物活動(dòng)劇烈，使一部分無機(jī)磷和有機(jī)磷同化為微生物磷。

3.3 不同種植模式對(duì)土壤MBC/TOC、MBN/TON的影響

土壤微生物量與土壤養(yǎng)分的比值可以用來反映土壤養(yǎng)分向微生物量的轉(zhuǎn)化效率、土壤養(yǎng)分損失和土壤礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的固定，其值的變化比土壤有機(jī)碳和微生物量碳更穩(wěn)定，更能反映人為干擾對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響[28]。土壤中MBC/TOC一般為1 %～4 %[29]，本試驗(yàn)結(jié)果中土壤MBC/TOC的范圍為1.53 %～1.71 %，稍低于趙彤等[30]對(duì)黃土高原丘陵地區(qū)土壤微生物熵的研究?？梢?，綠肥施用條件下，土壤中有機(jī)碳更容易被微生物利用，從而提高了土壤有機(jī)質(zhì)的活性，減少土壤碳素?fù)p失。在本試驗(yàn)中，混播處理土壤微生物熵(MBC/TOC)混播處理最小，說明混播處理土壤微生物分解較快，使有機(jī)質(zhì)向微生物量轉(zhuǎn)化，利于微生物活性的發(fā)揮[31-32]。土壤MBN/TON的比值為1.31 %～1.33 %，這與汪文霞等[33]和趙軍等[34]研究結(jié)果相似，但明顯低于陳國潮[35]以及孫鳳霞等[36]的研究結(jié)果。這種明顯的差異可能是由于土壤類型及生態(tài)環(huán)境條件的不同，并且煙草從生長到成熟從土壤中吸取了大量的養(yǎng)分導(dǎo)致冬閑期的土壤養(yǎng)分較低，再加上野外低溫條件也會(huì)降低土壤微生物的繁殖，從而降低土壤微生物量[11]。

3.4 土壤特性相關(guān)性

本研究中3種綠肥種植模式下的土壤微生物量碳、氮與土壤酶活性顯著相關(guān) (R>0.8)，說明土壤微生物與土壤酶活性相互影響，這可能是由于土壤酶主要來源于土壤微生物的活動(dòng)、植物根系分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w腐解等過程[6,37]。土壤微生物量碳、氮與土壤有機(jī)質(zhì)顯著相關(guān)(R>0.9)，表明綠肥種植模式對(duì)土壤微生物量碳、氮的影響與有機(jī)物質(zhì)的輸入和累積有關(guān)，土壤中大量的有機(jī)質(zhì)能夠?yàn)槲⑸锏纳L提供大量的碳、氮來源[38]。微生物量碳、氮含量與土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮顯著相關(guān)(R>0.9)，說明不同地上物種植下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的變化與土壤微生物量碳、氮的變化趨勢(shì)一致。這可能是由于土壤有機(jī)質(zhì)，氮素的輸入可以提高土壤微生物量和酶活性，微生物量及酶活性的提高同時(shí)又促進(jìn)了土壤氮素的固定、轉(zhuǎn)化、保存和釋放[39-40]，這兩方面的相互作用說明土壤有機(jī)質(zhì)和全氮可以作為土壤生物學(xué)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)不同植被下土壤生物學(xué)活性水平高低的指標(biāo)[26]。

4 結(jié) 論

(1)豆科-禾本科綠肥混播可以更好的活化土壤中難以被植物吸收的養(yǎng)分?；觳ヌ幚砗笸寥烙袡C(jī)質(zhì)含量與單種紫云英處理相比提高26.39 %，與單種黑麥草相比提高19.29 %，達(dá)到29.88 g/kg。混播處理下土壤速效磷比單種黑麥草提高了36.61 %，與單種紫云英相比提高12.70 %。

(2)混播綠肥處理土壤中性磷酸酶和脲酶含量以及微生物碳、氮含量均顯著高于單播處理(P<0.05)。相關(guān)性分析表明土壤酶活性與土壤微生物碳、氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量與土壤酶活性及微生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明種植綠肥可以通過提高土壤養(yǎng)分含量來改善土壤微環(huán)境。