綠肥根茬還田和化肥用量對土壤團(tuán)聚性及碳氮分布的影響

劉小粉，王清濤，白雙宇，盧彥琦，劉春增，曹衛(wèi)東

（1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

團(tuán)聚體作為土壤肥力的調(diào)節(jié)器，在協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱，改善土壤結(jié)構(gòu)及促進(jìn)植物根系生長方面發(fā)揮著重要作用［1-3］。有機(jī)碳作為土壤肥力和土壤質(zhì)量好壞的重要衡量指標(biāo)，也直接或間接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)、水分保持、土壤結(jié)構(gòu)改良及植物生長發(fā)育等［1-3］，土壤碳庫大小及轉(zhuǎn)化速率還可能引起環(huán)境溫室氣體變化。因此，土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳的相關(guān)研究不僅受到土壤學(xué)家的重視，也在全球環(huán)境變化研究中得到極大的關(guān)注［4-5］。近年來，隨著團(tuán)聚體形成模型［6-7］的建立，學(xué)者們在探索土壤有機(jī)碳固持和轉(zhuǎn)化機(jī)制時往往從團(tuán)聚體層面著手展開，土壤團(tuán)聚體形成、分布、穩(wěn)定性與有機(jī)碳固持的關(guān)系及其對農(nóng)業(yè)管理措施的響應(yīng)成為土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)［1-3］。

綠肥作為一種清潔肥源，翻壓還田能替代20%～60%的化學(xué)氮肥而保證不減產(chǎn)，還田后能增加土壤碳氮、改善土壤團(tuán)聚性、影響微生物碳和酶活性，同時為作物生長提供大量養(yǎng)分和良好生長環(huán)境［8-12］，在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中越來越被重視。趙秋等［13］發(fā)現(xiàn)，短期冬綠肥翻壓還田對玉米產(chǎn)量、土壤pH、速效氮、有效磷含量無顯著影響，但能顯著提高土壤有機(jī)碳含量，且二月蘭顯著高于毛葉苕子。也有研究發(fā)現(xiàn)，翻壓綠肥能顯著提高土壤全氮、有效磷和速效鉀含量，使土壤C/N 降低高達(dá)21%［14］。張欽等［15］發(fā)現(xiàn)，連續(xù)進(jìn)行綠肥根茬還田會改變土壤和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，且不同綠肥（箭筈豌豆、肥田蘿卜、藍(lán)花苕子、毛葉苕子、光葉苕子）效果有差別?？梢?，綠肥翻壓效果如何與土壤本身性質(zhì)、綠肥種類及綠肥還田方式（綠肥還田、根茬還田等）關(guān)系密切。

豫南作為單季稻產(chǎn)區(qū)，每年有大量冬閑田，受當(dāng)?shù)刎斦С?、科研投入等多種因素影響，近年來紫云英作為當(dāng)?shù)厥軞g迎的綠肥品種重新受到農(nóng)民歡迎，通常種植于冬閑田，與水稻進(jìn)行輪作，紫云英輪作后主要有兩種利用方式：水稻插秧前作為綠肥翻壓還田或收割秸稈以儲存鮮草作飼料（僅留根茬還田）。綠肥翻壓還田對節(jié)省化肥、土壤養(yǎng)分含量、碳氮固持、水稻產(chǎn)量等的影響已有大量研究［9，16-17］，而綠肥根 茬還田效 果缺乏廣泛研究［15，18］，尤其是紫云英根茬還田配施化肥效果如何尚未見報道。該研究擬通過短期（3 年）定位試驗探討綠肥根茬還田和化肥施用量對土壤團(tuán)聚性及碳氮分布特征的影響，為土壤培肥和發(fā)展畜牧業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

該定位試驗于2009 年設(shè)置在河南省信陽市農(nóng)科院試驗田（32°07′ N，114°05′ E），該土壤為典型水稻土，耕層土壤質(zhì)地為粘壤，耕作制度為單季稻（冬季田地空閑，稱為冬閑田）。水稻種植季當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥（該試驗稱為100%化肥），氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）施用量分別為225、135 和135 kg/hm2，磷鉀肥（普通過磷酸鈣和氯化鉀）全部基施，氮肥（碳酸氫銨）按基肥∶分蘗肥∶孕穗肥=3∶2∶1 施用。該試驗利用冬閑田輪作綠肥（紫云英），水稻收獲后把紫云英種子均勻撒播于各試驗小區(qū)，播種量為30 kg/hm2，來年水稻插秧前收割綠肥地上部，各小區(qū)僅留根茬，水稻插秧前綠肥根茬用小型旋耕機(jī)翻壓還田。該試驗依據(jù)綠肥根茬還田與否及化肥用量不同，共設(shè)5 個處理：100%化肥（即常規(guī)施肥，簡稱為100%CF）；綠肥根茬還田（GM）；100%化肥+綠肥根茬還田（100%CF+GM）；90%化肥+綠肥根茬還田（90%CF+GM）；80%化肥+綠肥根茬還田（80%CF+GM）。每個處理設(shè)4 個重復(fù)，面積均為6.67 m2，小區(qū)間做田埂并用塑料膜隔開以防串水串肥，留0.25 m 寬溝以便灌排及其它田間管理。

1.2 樣品采集與分析

2012 年9 月水稻收獲后，以挖剖面方式采集0～15 cm（耕層）原狀土樣用土盒帶回實(shí)驗室，沿土壤自然裂縫輕輕掰開至全部通過8 mm 篩，自然風(fēng)干待測。依據(jù)土壤團(tuán)聚體濕篩法［19］測定＞2、0.25～2、0.05～0.25 和＜0.05 mm 4 個粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分比含量，4 次重復(fù)。團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）計算方法如下：

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)量百分?jǐn)?shù)。團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳和全氮含量用碳氮元素分析儀測定。團(tuán)聚體有機(jī)碳或全氮貢獻(xiàn)率計算方法如下：

團(tuán)聚體有機(jī)碳或全氮貢獻(xiàn)率（%）=該粒級團(tuán)聚體質(zhì)量百分比×該粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳或全氮含量/土壤有機(jī)碳或全氮含量×100 （2）

用SPSS 13.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異顯著性和相關(guān)性分析。采用單因素（one-way ANOVA）-Duncan法進(jìn)行處理間差異顯著性分析（P=0.05），采用Pearson 法進(jìn)行各變量之間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性變化

圖1a 顯示不同處理下各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分比分布及團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化情況。相同處理的不同粒徑團(tuán)聚體含量差別明顯，但具有相同趨勢，即各處理都是0.25～2 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量百分比最高（各處理平均值為45.8%），＞2 mm團(tuán)聚體次 之（26.5%），0.05～0.25 mm 團(tuán)聚體較低（19.8%），＜0.05 mm 團(tuán)聚體最低（7.9%），其中＞0.25 mm 大團(tuán)聚體質(zhì)量百分比累計占59.7%～79.8%。除0.25～2 mm 團(tuán)聚體外，其它3 個粒級在處理間分布發(fā)生了明顯變化：與100%CF 相 比，GM、100%CF+GM、90%CF+GM、80%CF+GM 均顯著提高了＞2 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量百分比，不同程度降低了0.05～0.25 mm 和＜0.05 mm團(tuán)聚體含量，4 個綠肥根茬還田處理間無顯著性差異（P＞0.05）。整體來看，綠肥根茬還田使＜0.25 mm小團(tuán)聚體向＞0.25 mm 大團(tuán)聚體（主要是＞2 mm 大團(tuán)聚體）轉(zhuǎn)變，與100%CF 相比，GM、100%CF+GM、90%CF+GM 和80%CF+GM 分別使＞0.25 mm 大團(tuán)聚體提高20.7%、29.6%、31.8%和33.4%。

該研究用團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）衡量團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化，由圖1b 看出，綠肥根茬還田能顯著提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，與100%CF 相比，GM、100%CF+GM、90%CF+GM、80%CF+GM 4 個處理使MWD 分別提高48.2%、53.1%、76.8%和68.5%，但4 個處理之間無顯著性差異。

2.2 不同處理下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮分布規(guī)律

圖2 顯示不同處理下各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量分布情況。對于同一處理，團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳和全氮含量均隨團(tuán)聚體粒徑減小而降低，即有機(jī)碳和全氮含量分布趨勢為（＞2 mm）＞0.25～2 mm＞0.05～0.25 mm＞（＜0.05 mm）。其中，有機(jī)碳 在＞2、0.25～2、0.05～0.25 和＜0.05 mm 團(tuán) 聚體內(nèi)的平均含量分別為17.7、16.6、13.6 和11.5 g/kg，全氮平均含量分別為1.58、1.45、1.21 和1.03 g/kg。對 于＞2 和0.05～0.25 mm 團(tuán)聚體，有機(jī)碳和全氮含量在處理間均無顯著差異（P＞0.05）；對于0.25～2 mm 和＜0.05 mm 團(tuán)聚體，與100%CF 相比，綠肥根茬還田4 個處理有機(jī)碳和全氮含量均有降低趨勢，且除0.25～2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的90%CF+GM 和＜0.05 mm 團(tuán)聚體全氮含量的GM 處理外，降低程度均達(dá)顯著水平。

圖3 顯示各粒級團(tuán)聚體對整土有機(jī)碳和全氮的貢獻(xiàn)（由于全氮和有機(jī)碳趨勢一致且和有機(jī)碳顯著正相關(guān)R2=0.999，所以本文只討論有機(jī)碳）。可以看出，0.25～2 mm 大團(tuán)聚體是貢獻(xiàn)最高的粒級，對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率為45.4%～50.6%，＞2、0.05～0.25和＜0.05 mm 粒級貢獻(xiàn)率分別是16.0%～37.6%、13.1%～23.3%和3.2%～10.2%。與100%CF 相比，綠肥根茬還田4 個處理均顯著提高了＞2 mm 團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，同時降低了0.05～0.25 和＜0.05 mm 團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，說明綠肥根茬還田不僅促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，也使有機(jī)碳隨著微團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體從而被保存在大團(tuán)聚體中。

由表1 看出，對于同一粒級團(tuán)聚體，碳氮比在處理間均無顯著性差異；對于同一處理，碳氮比在不同粒級間也無顯著性差異。

表1 不同處理下土壤團(tuán)聚體碳氮比

2.3 不同處理下土壤團(tuán)聚體各指標(biāo)相關(guān)分析

不同處理團(tuán)聚體各指標(biāo)相關(guān)性如表2?？梢钥闯?，MWD 與＞2 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量百分比極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.991），與0.25～2 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量百分比相關(guān)不顯著（相關(guān)系數(shù)為-0.194），與0.05～0.25、＜0.05 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量百分比極顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為-0.803 和-0.771），說明大團(tuán)聚體越多土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越高，而小團(tuán)聚體多土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差，而綠肥根茬還田有利于大團(tuán)聚體形成和團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高。MWD 與＜0.05 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量極顯著負(fù)相關(guān)，與其他粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量無顯著相關(guān)性。MWD 與各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)極顯著相關(guān)（0.25～2 mm 團(tuán)聚體除外）：其中與＞2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率極顯著正相關(guān)，與0.05～0.25、＜0.05 mm 極顯著負(fù)相關(guān)。團(tuán)聚體質(zhì)量百分比與該粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相關(guān)不顯著（＜0.05 mm 團(tuán)聚體除外），與該粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率相關(guān)極顯著。

表2 土壤團(tuán)聚體各指標(biāo)相關(guān)分析

3 討論

3.1 不同處理下土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性變化

水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和分布能衡量土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕能力，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量常作為判斷土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一。研究［9，20-21］發(fā)現(xiàn)0.25～2 mm 團(tuán)聚體在土壤中占絕對優(yōu)勢，這與該研究結(jié)果一致。也有研究發(fā)現(xiàn)＜0.25 mm 微團(tuán)聚體占絕對優(yōu)勢［22］或土壤中無占絕對優(yōu)勢的粒級［23］。劉恩科等［24］、樊紅柱等［25］、Six 等［26］認(rèn)為，長期不同施肥或耕作處理會使團(tuán)聚體粒級（包括占絕對優(yōu)勢的粒級）分布發(fā)生改變?？梢?，團(tuán)聚體粒級分布不僅和供試土壤基本性質(zhì)關(guān)系密切，還隨農(nóng)業(yè)管理措施發(fā)生改變。綠肥根茬還田未使該研究占絕對優(yōu)勢的粒級發(fā)生轉(zhuǎn)移，整體來看，卻使＜0.25 mm 微團(tuán)聚體向＞2 mm 大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變，原因可能是與100%CF 相比，綠肥根茬還田的土壤會產(chǎn)生大量綠肥根系，這些根系通過對土壤顆粒的直接纏繞作用，促進(jìn)微團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體［6，27-30］。種植綠肥的處理土體內(nèi)根系量較大，這會提高根際微生物量，根際細(xì)菌分泌物和真菌菌絲的粘結(jié)作用，也利于大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定［31-32］。另外，在水稻土中，氧化物在土壤團(tuán)聚和有機(jī)碳固持過程中的作用不容忽視，它甚至?xí)蔀閳F(tuán)聚體形成的主要粘結(jié)劑［33-34］。這也可能是土壤有機(jī)碳在處理間無顯著差異，而＞2 mm 大團(tuán)聚體含量卻發(fā)生變化的原因之一。

3.2 不同處理下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮分布規(guī)律

有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體的重要組成部分，也是團(tuán)聚體形成和保持穩(wěn)定性的重要影響因素，Elliott［28］認(rèn)為微團(tuán)聚體由含碳量高、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）粘結(jié)成大團(tuán)聚體，故大團(tuán)聚體（＞2 和0.25～2 mm）比微團(tuán)聚體（0.05～0.25 mm）含有更多的有機(jī)碳［27］，這與該研究發(fā)現(xiàn)的有機(jī)碳含量隨團(tuán)聚體粒徑增大而升高的現(xiàn)象相一致。該研究中，土壤有機(jī)碳含量在處理間無顯著差異，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量卻在0.25～2 和＜0.05 mm 兩個粒級產(chǎn)生顯著差異，一方面可能和團(tuán)聚體形成（圖1 顯示，整體上＜0.25 mm 微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變）過程中有機(jī)碳隨之發(fā)生轉(zhuǎn)移有關(guān)，因為團(tuán)聚體形成和有機(jī)碳固持是聯(lián)系緊密且同時進(jìn)行的復(fù)雜過程［2-3，6-7］，也可能是綠肥根茬還田短期內(nèi)（3 年）雖未引起土壤有機(jī)碳含量發(fā)生變化，卻可能引起有機(jī)碳類型發(fā)生改變，而濕篩法過程中綠肥根茬還田處理的0.25～2 和＜0.05 mm 團(tuán)聚體損失了部分可溶性碳。

由團(tuán)聚體碳氮貢獻(xiàn)率分布發(fā)現(xiàn)（圖3），＞0.25 mm 大團(tuán)聚體對該水稻土碳氮的固持和累積起主要作用，這與以往研究結(jié)果一致［15，35-36］。說明綠肥根茬還田不僅促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，而且隨著微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移，有機(jī)碳和全氮也被大團(tuán)聚體固持，即綠肥根茬還田不利于＜0.25 mm 微團(tuán)聚體固持碳氮，卻有利于＞0.25 mm 大團(tuán)聚體固持碳氮。因此，長遠(yuǎn)來看，綠肥根茬還田處理將有利于土壤固持更多有機(jī)碳，因為大團(tuán)聚體對有機(jī)碳具有物理保護(hù)作用［7］。而Lee 等［37］發(fā)現(xiàn)韓國水稻土＜0.05 mm 團(tuán)聚體對有機(jī)碳貢獻(xiàn)最大（＞70%），這可能和其試驗田排水不暢長期處于淹水狀態(tài)有關(guān)。因為已有研究發(fā)現(xiàn)，與干濕交替條件相比，給水稻土持續(xù)灌水能顯著減少水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量［38］。碳氮比可以反映土壤碳固持的有效性，常作為一個重要參考指標(biāo)。該研究中碳氮比在不同處理間和不同團(tuán)聚體粒級間均無顯著性差異，可能和土壤本身性質(zhì)及試驗?zāi)晗抻泻艽箨P(guān)系。

3.3 不同處理下土壤團(tuán)聚體各指標(biāo)相關(guān)分析

團(tuán)聚體穩(wěn)定性常用MWD 表示，MWD 越大表示團(tuán)聚體團(tuán)聚度越高，即穩(wěn)定性越強(qiáng)［39］。該研究中，隨著微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變，綠肥根茬還田4 個處理均顯著提高了MWD，而MWD 與＞2 mm團(tuán)聚體質(zhì)量百分比和＞2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均呈極顯著正相關(guān)。因此，團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高，主要因為綠肥根茬還田能增加＞2 mm 大團(tuán)聚體含量和＞2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。團(tuán)聚體質(zhì)量百分比與該粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均極顯著相關(guān)，說明在研究團(tuán)聚體形成、穩(wěn)定性與有機(jī)碳固持關(guān)系時，需要進(jìn)一步考慮團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，不能只考慮團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。因為土壤碳固持能力不僅和各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量有關(guān)，還與該粒級團(tuán)聚體在土壤中占比相關(guān)。

4 結(jié)論

經(jīng)過3 年短期定位試驗發(fā)現(xiàn)，與100%CF 相比，綠肥根茬還田4 個處理有利于大團(tuán)聚體形成和團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高，隨著微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移，有機(jī)碳和全氮也被大團(tuán)聚體固持；相關(guān)分析表明，＞2 mm 大團(tuán)聚體質(zhì)量百分比及其有機(jī)碳貢獻(xiàn)率是引起團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高的主要原因，團(tuán)聚體質(zhì)量百分比與該粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率相關(guān)極顯著。因此，綠肥根茬還田有利于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和碳氮積累，短期內(nèi)還能減施化肥，是豫南地區(qū)冬閑田利用、培肥土壤及發(fā)展畜牧業(yè)的有效途徑。