不同綠肥輪作模式對沿海灘涂土壤的改良效應

朱小梅， 洪立洲， 邢錦城， 劉 沖， 董 靜， 王建紅， 何蘇南， 孫果麗

(1.江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所，江蘇鹽城224002；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學院，浙江杭州310021)

江蘇沿海灘涂資源豐富，總面積約為6.87×105hm2，大概占中國灘涂總面積的1/4，且每年仍以幾米至幾十米的速率向東淤漲，最大淤進速率可達200 m/a[1]。隨著江蘇沿海開發(fā)戰(zhàn)略的實施，新圍墾灘涂鹽堿地的開發(fā)利用潛力越發(fā)受到重視。但由于灘涂土壤鹽分含量較高，其時空動態(tài)變化呈現(xiàn)的長期性和反復性導致農(nóng)作物生長受阻、產(chǎn)量降低，這與灘涂土壤物理結構差、有機質含量低、養(yǎng)分供應不足等也密切相關。在自然進化條件下，灘涂鹽堿地土壤有機質積累十分緩慢，而大量投入外源有機物則又存在著重金屬、激素、抗生素累積過量等問題。

綠肥具有培肥地力、改善土壤結構、供給作物養(yǎng)分等作用，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中具有重要地位。有研究結果表明，田菁、黑麥草等綠肥均具有較強的耐旱、耐鹽、耐瘠能力，在灘涂鹽堿地種植可獲得較高的生物量[2-3]。很多學者在綠肥種植與利用模式、綠肥對化肥的替代作用、綠肥對土壤結構和養(yǎng)分的影響等領域開展了大量研究[4-5]，但關于長期綠肥輪作還田對灘涂鹽堿土的生物改良及鹽漬化修復方面的系統(tǒng)研究還不多。本研究擬以新圍墾灘涂鹽堿地為長期定位試驗點，探索黑麥草-田菁、蠶豆-田菁2種綠肥輪作模式下，連續(xù)種植并翻壓綠肥對土壤養(yǎng)分及鹽分含量的影響，以期為綠肥在灘涂鹽堿土生態(tài)改良應用方面提供理論基礎和技術參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

定位試驗點位于江蘇省東臺市弶港鎮(zhèn)條子泥墾區(qū)(32°51′6″N，120°53′31″E)，該區(qū)域屬于北亞熱帶季風氣候，年均氣溫13～16 ℃，年均降雨量900～1 300 mm。土壤類型為濱海鹽潮土，基本性狀見表1。

表1 供試土壤基本性狀

1.2 試驗設計

試驗設蠶豆-田菁(VS)、黑麥草-田菁(LS) 2種綠肥輪作模式。每種模式設6次重復，隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)面積24 m2。根據(jù)前期試驗結果，蠶豆、田菁施氮量均為180 kg/hm2，黑麥草施氮量為225 kg/hm2，磷肥施用量均為90 kg/hm2P2O5，鉀肥施用量均為75 kg/hm2K2O。磷、鉀肥全部作為基肥于當季施入，氮肥按基肥50%、追肥50%的比例施入。試驗始于2017年10月，本研究共采集整理5季數(shù)據(jù)，VS輪作模式下第1季到第5季對應的綠肥植物為：蠶豆-田菁-蠶豆-田菁-蠶豆；LS輪作模式下第1季到第5季對應的綠肥植物為：黑麥草-田菁-黑麥草-田菁-黑麥草。蠶豆和黑麥草的播期為每年10月中旬，翻壓期為翌年5月上中旬；田菁的播期為每年6月上旬，翻壓期為每年8月下旬。綠肥翻壓前測產(chǎn)，并采集植株樣品用于養(yǎng)分含量的測定。土壤樣品采集時間為每季綠肥翻壓還田25 d后，取樣深度為20 cm。

1.3 測定項目和方法

綠肥植株樣品經(jīng)105 ℃殺青、75 ℃烘干后，分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法、K2Cr2O7容量法測定其全氮、全磷、全鉀、有機碳含量[6]。土壤樣品風干后，分別采用電位法、凱氏定氮法、K2Cr2O7容量法、殘渣烘干-質量法、堿解擴散法、Olsen法、NH4OAc浸提-火焰光度法測定其pH值、全氮含量、有機碳含量、水溶性鹽總量、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量[6]。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013和SPSS 26.0進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式下綠肥還田生物量

圖1顯示，VS輪作模式下，蠶豆秸稈生物量以第3季最高，為32.4 t/hm2，第1季、第5季生物量均低于30.0 t/hm2，且第5季生物量低于第1季和第3季。LS輪作模式下，第1季、第3季、第5季黑麥草生物量整體呈逐年遞增趨勢，第5季黑麥草生物量達76.6 t/hm2,各黑麥草種植季間生物量差異顯著。VS和LS輪作模式下，第2季、第4季田菁生物量均高于35.0 t/hm2，且前茬蠶豆或黑麥草翻壓量與下茬田菁的生物量呈正相關。LS輪作模式下，5季綠肥還田總生物量為231.6 t/hm2，較VS輪作模式下的168.4 t/hm2高37.5%。

同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖1 不同輪作模式下不同種植季綠肥生物量Fig.1 Biomass of green manure in different planting seasons under different rotation patterns

2.2 不同輪作模式下綠肥養(yǎng)分累積量

表2顯示，2種輪作模式下，第2季與第4季田菁翻壓還田的磷、鉀量無顯著差異，碳、氮量差異顯著。VS輪作模式下，第5季蠶豆秸稈還田碳、氮量顯著高于第1季和第3季，磷、鉀量則表現(xiàn)為第3季和第5季顯著高于第1季。LS輪作模式下，各種植季黑麥草還田的碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分量均呈逐年遞增趨勢，第3季、第5季的碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分量與第1季相比，分別增加57.6%～145.7%、101.0%～155.2%、91.0%～160.2%和56.3%～129.7%。LS輪作模式下還田的碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分總量均明顯高于VS輪作模式。

2.3 不同輪作模式下綠肥還田對土壤基本性狀的影響

2.3.1 pH 圖2顯示，1～5季綠肥翻壓還田后，土壤pH值為8.02～8.26，較種植前的8.01有所升高，且均以第4季田菁翻壓還田后的土壤pH值最高，LS輪作模式下第2季田菁還田后土壤pH值及VS輪作模式下第5季蠶豆秸稈還田后土壤pH值較低，與種植前基本相當。

表2 不同輪作模式下綠肥養(yǎng)分累積量

同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤pH變化Fig.2 Changes of soil pH in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.2 有機碳含量 圖3顯示，VS、LS輪作模式下，土壤有機碳含量均整體呈逐季增加趨勢，與種植前相比，增幅分別為17.7%～90.9%(VS)和34.3%～99.6%(LS)，第5季土壤有機碳含量分別為6.64 g/kg(VS)和6.95 g/kg(LS),是種植前的近2倍。整體上，LS輪作模式下每季的土壤有機碳含量高于VS輪作模式。

同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤有機碳含量變化Fig.3 Changes of soil organic carbon content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.3 全氮含量 圖4顯示，與種植前相比，種植并翻壓綠肥可明顯提升土壤中全氮含量，增幅為6.90%～100.00%，其中以第2季土壤中全氮含量最高，2種輪作模式下的土壤全氮含量分別為0.54 g/kg(VS)和0.58 g/kg(LS)，第3季稍有回落后又逐步上升，第5季土壤中全氮的含量分別為0.50 g/kg(VS)和0.58 g/kg(LS)，LS輪作模式效果優(yōu)于VS輪作模式。

同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖4 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤全氮含量變化Fig.4 Changes of soil total nitrogen content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.4 堿解氮含量 圖5顯示，除VS輪作模式下第1季土壤堿解氮含量外，2種輪作模式下第1～5季的土壤堿解氮含量總體呈緩慢增加趨勢，較種植前增加53.6%～158.0%，且均以第5季的土壤堿解氮含量最高，分別為59.5 mg/kg(VS)和64.5 mg/kg(LS)。

同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖5 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤堿解氮含量變化Fig.5 Changes of soil alkali-hydrolyzed nitrogen content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.5 有效磷含量 圖6顯示，2種輪作模式下，土壤有效磷含量較種植前增加1.39%～71.26%，其中，第1～3季土壤有效磷含量與種植前相比無顯著差異，第4季、第5季土壤有效磷含量則顯著提高，均達到20 mg/kg以上，且1～5季均以LS輪作模式下的土壤有效磷含量較高，這與綠肥根系對土壤磷的活化及綠肥生物量的逐季提升有密切關系。

同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖6 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤有效磷含量變化Fig.6 Changes of soil available phosphorus content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.6 速效鉀含量 圖7顯示，VS輪作模式下，除第2季土壤速效鉀含量較種植前略有增高外，其他4個種植季的土壤速效鉀含量(364～408 mg/kg)均低于種植前，但仍高于全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準中的極高標準(≥200 mg/kg)。LS輪作模式下，除第4季速效鉀含量略低于種植前外，其他4個種植季的速效鉀含量較種植前分別增加9.38%～58.35%。

不同小寫字母表示同一種植模式不同種植季間差異顯著(P<0.05)。圖7 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤速效鉀含量變化Fig.7 Changes of soil available potassium content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

2.3.7 水溶性鹽總量 圖8顯示，整體上以LS輪作模式對灘涂鹽堿土的降鹽效果較好。與種植前相比，綠肥翻壓還田第1～3季土壤水溶性鹽總量顯著降低，表現(xiàn)為第1季>第2季>第3季，且2種輪作模式下第3季的土壤水溶性鹽總量分別下降到0.83 g/kg(VS)和0.77 g/kg(LS)，而第4季、第5季的水溶性鹽總量則有所增加，范圍為1.15～1.50 g/kg，上升至輕度鹽化土范疇[6]，且以VS輪作模式下土壤水溶性鹽總量較高。

2.4 不同輪作模式下還田綠肥生物量、養(yǎng)分累積量與土壤基本性狀指標間的相關性

表3顯示，綠肥生物量與綠肥碳、氮、磷、鉀累積量均呈極顯著正相關關系。土壤有機碳含量、全氮含量與綠肥碳、氮、磷、鉀累積量之間總體呈顯著或極顯著正相關關系。土壤有效磷、速效鉀、堿解氮含量與綠肥生物量以及碳、氮、磷、鉀累積量間也存在一定的正相關關系，但相關系數(shù)稍低。土壤水溶性鹽總量與大部分指標間均呈負相關，間接說明了綠肥還田可降低灘涂鹽堿土水溶性鹽總量。

同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖8 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤水溶性鹽總量變化Fig.8 Changes of soil water-soluble salt content in different planting seasons under different green manure rotation patterns

表3 綠肥生物量、養(yǎng)分累積量與土壤基本性狀指標間的相關系數(shù)

3 討論

3.1 不同輪作模式對還田綠肥生物量和養(yǎng)分累積量的影響

前人的研究結果表明，禾本科、豆科綠肥分別在抽穗初期和盛花期翻壓還田對土壤的改良效應最優(yōu)[2-5]。曾妮等[7]對黑麥草等綠肥的研究結果表明，以68.0 t/hm2的黑麥草還田，其可提供的氮、磷養(yǎng)分含量分別為230.0 kg/hm2和30.0 kg/hm2。本研究中，LS輪作模式下，第5季黑麥草的氮、磷養(yǎng)分還田量分別為187.3 kg/hm2和22.9 kg/hm2，這可能與不同試驗條件及其翻壓時期有關。本研究為兼顧蠶豆的經(jīng)濟效益，其秸稈是收獲豆莢后再翻壓，生物量低于劉陽等[8]在盛花期翻壓的蠶豆秸稈，蠶豆秸稈還田的養(yǎng)分量總體低于田菁和黑麥草。

3.2 不同輪作模式下綠肥還田對土壤基本性狀的影響

pH是重要的土壤理化指標之一，對土壤中元素存在形態(tài)、微生物繁殖及植物生長發(fā)育進程都有很大影響[9-15]。綠肥還田腐解后會產(chǎn)生大量腐殖酸，短期內(nèi)土壤pH值會呈下降趨勢[16-17]。有研究發(fā)現(xiàn)，綠肥還田后20 d，土壤pH值高于不還田處理，20～100 d呈現(xiàn)或增或降的動態(tài)變化[18]。鄧小華等[19]也發(fā)現(xiàn)不同綠肥翻壓還田3年后土壤pH無規(guī)律性變化。在本研究中，不同輪作模式下，各季綠肥還田后的土壤pH值或與種植前持平或略有增高。筆者認為：綠肥的種植和翻壓增加了土壤中水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量，土壤對綠肥分解后小分子的有機酸及自身含有的碳酸鹽等鹽基離子引起的pH值變化有了較大的緩沖能力，使pH趨于平衡、穩(wěn)定，而非單純的上升或下降。另外，每季綠肥翻壓量的不同及翻壓后的降水、氣溫等環(huán)境因素變化也會影響綠肥的腐解速率以及與之密切相關的土壤pH。

種植綠肥并翻壓還田有助于提高土壤中有機質含量，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分平衡[20-22]。有研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)5年平均每年翻壓綠肥22.5～30.0 t/hm2，土壤有機碳增加0.1%～0.2%[23]。本研究連續(xù)5個種植季，每季翻壓綠肥27.6～76.6 t/hm2，第5季綠肥翻壓后土壤有機碳含量為種植前的近2倍，與前人的研究結果差異較大，這可能與每季綠肥的翻壓量較高及灘涂鹽堿土本身有機碳基數(shù)較低，綠肥翻壓還田更易被消解與吸納，從而促進土壤有機碳含量的大幅提升有關。

在本研究中，VS、LS輪作模式下，每季綠肥翻壓后的土壤全氮、堿解氮、有效磷含量均較種植前明顯提高，這與前人的研究結果基本一致[18-19,24-25]。大量研究結果表明，綠肥還田可顯著提升土壤中速效鉀含量[18，25-26]，連續(xù)種植翻壓綠肥3年后的土壤速效鉀含量可比翻壓前增加300 mg/kg以上[19]。本研究結果與之有所不同，LS輪作模式下，綠肥還田后土壤速效鉀含量總體高于種植前，而VS輪作模式下土壤速效鉀含量總體低于種植前。究其原因：一是相對于蠶豆而言，黑麥草有一定的耐鹽能力[27]，在灘涂鹽堿地適應性較強，生物量較高，根系也較發(fā)達，可活化吸收土壤中部分難溶性的鉀，翻壓還田后使0～20 cm土層中速效鉀含量高于蠶豆處理；二是植株中的鉀主要以離子或無機鹽形態(tài)存在，極易分解釋放，禾本科綠肥在翻壓后30 d內(nèi)，豆科綠肥在翻壓后14 d內(nèi)就可釋放其鉀總量的70%以上[28]，本研究土壤樣品的采集時間為綠肥翻壓后25 d，在此期間VS輪作模式下豆科綠肥釋放的養(yǎng)分較集中，更易由于降水等因素產(chǎn)生淋溶損失，且盡管土壤膠體可以通過離子交換、靜電吸附等形式固定一部分鉀，但依然存在鉀離子的流失，因此，VS輪作模式下土壤速效鉀含量會出現(xiàn)低于種植前的情況。

綜上所述，種植并翻壓綠肥可有效改善土壤養(yǎng)分狀況，降低土壤鹽含量[29-31]，本研究側重于比較綠肥種植前與各綠肥種植季之間灘涂土壤基本性狀的變化，未做與不種植綠肥灘涂土壤之間的比較，今后將在這方面開展進一步的研究。

4 結論

蠶豆、田菁、黑麥草3種綠肥在沿海灘涂均具有較強的適應性，其中以黑麥草的種植效果最好，生物量呈逐年增加趨勢，第5季生物量達76.6 t/hm2。2種輪作模式下，每季田菁生物量相差不大。LS輪作模式下5季綠肥碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分累積總量和還田總生物量較VS輪作模式分別增加27.8%、9.8%、33.6%、27.1%和37.5%。

LS、VS輪作模式下，1～5季綠肥翻壓后土壤pH值為8.02～8.26，較種植前的8.01有所升高。土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷含量分別較種植前增加17.7%～99.6%、6.90%～100.00%、53.6%～158.0%和1.39%～71.26%，且均以LS輪作模式下效果較優(yōu)，而速效鉀含量也僅在LS輪作模式下明顯增加。2種輪作模式下，土壤水溶性鹽總量在前3季逐漸下降至1 g/kg以下，后2季又呈上升態(tài)勢?？梢?，LS輪作模式下種植綠肥并翻壓還田可有效改善沿海灘涂土壤養(yǎng)分與鹽分狀況，提升灘涂土壤質量。