套种绿肥对土壤养分、团聚性及其有机碳和全氮分布的影响
2015-09-02刘小粉刘春增王守刚李本银
刘小粉 刘春增 王守刚 李本银
摘 要：本研究利用田间试验，探讨了套种豆科绿肥对土壤养分、团聚性及其有机碳和全氮分布的影响。结果表明，与空白相比，套种豆科绿肥对玉米产量、土壤容重、孔隙度、全量氮磷钾、有效氮钾及有机碳均无显著影响；有效磷趋势为红小豆>绿豆、空白，说明套种红小豆或可活化土壤磷；0.25～2.00 mm团聚体是占绝对优势的粒级，套种豆科绿肥能促进0.05～0.25 mm团聚体向其周转，但团聚体分布的变化并未引起土壤稳定性的明显差异；团聚体有机碳、全氮和碳氮比随团聚体粒径减小而降低，绿肥处理使团聚体有机碳和全氮呈下降趋势，其原因有待进一步探讨。总之，套种绿肥有利于磷活化及大团聚体形成，尽管引起部分粒级团聚体内有机碳和全氮下降，但未引起整土有机碳和全氮降低。因此，套种绿肥模式可继续推广应用。
关键词：套种绿肥；团聚体；有机碳；全氮
中图分类号：S151.9 文献标识码：A DOI 编码：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
在豫中冬小麦—夏玉米轮作区，过度施用化肥，忽视有机肥、绿肥投入的现象日益严重。施用化肥短期内能显著提高作物产量[1]，增加农民收益；长期来看，化肥的过量施用会造成土壤酸化板结、土壤微生物多样性减少、地下水硝酸盐污染、湖泊和近海水体富营养化[2-4]等农业生产和生态环境方面的问题，终将限制农业可持续发展。近年来，随着小麦、玉米的收获实现全面机械化，该地区逐步重视在作物收获的同时进行玉米秸秆粉碎还田。秸秆还田一定程度上可培肥土壤、减少化肥施用量，但玉米秸秆碳氮比较大，持续还田后不易腐解，还可能导致病虫害加剧、影响作物生长等问题。已有研究表明，在南方稻区，绿肥翻压还田能减少化肥施用量、培肥土壤、改善土壤结构及提高水稻产量[5-8]。在小麦—玉米轮作区，套种豆科绿肥并与玉米秸秆混合还田，能否达到培肥土壤、减少化肥施用，及调和玉米秸秆碳氮比、促进其腐解的目的有待进一步探讨。本试验通过研究绿肥套种还田对土壤养分、团聚性及其有机碳、全氮分布的影响，为绿肥在小麦—玉米轮作区的种植利用提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验设置
试验地点位于驻马店市驿城区庙西村（N 32°98'，E 114°04'），供试土壤为砂姜黑土。本试验始于2011年6月，设置3个处理：（1）常规施肥（空白）；（2）常规施肥+玉米套种绿豆（绿豆）；（3）常规施肥+玉米套种红小豆（红小豆）。每个小区试验面积66.7 m2，设3个重复。常规施肥量：小麦播种时基施复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）750 kg·hm-2，拔节期追施尿素150 kg·hm-2；玉米播种时基施复合肥300 kg·hm-2，喇叭口期追施尿素450 kg·hm-2。红小豆和绿豆在玉米播种20 d左右时撒播，播种量为45 kg·hm-2，玉米收获时与玉米秸秆混合还田。
1.2 水稻产量、土壤水稳性团聚体及其有机碳和全氮含量测定分析
于2013年9月玉米收获前采集0～15 cm耕层原状土测定土壤容重和孔隙度，采集扰动土用于测定土壤养分含量、团聚性及团聚体内有机碳和全氮分布。土壤容重采用环刀法，计算孔隙度时土粒密度取2.65 g·cm-3。土壤及各粒径团聚体内有机碳和全氮含量用碳氮仪干烧法测定[9]，全磷、全钾分别采用硫酸—高氯酸消煮法、氢氟酸—高氯酸消煮法浸提，土壤有效氮、磷、钾分别采用碱解蒸馏法、碳酸氢钠、乙酸铵浸提法[10]。
团聚性测定：土样风干后过孔径8 mm的筛，依据Kemper和Rosenau[11]土壤团聚体湿筛测定法分离团聚体，然后把各级筛层上的团聚体转移至铝盒中，在温度为60 °C的烘箱内烘干，做3个重复。团聚体分布用团聚体百分比
1.3 统计分析
用SPSS11.0（SPSS， 2001）进行数据的方差和相关性分析，显著性分析水平为P<0.05。采用最小显著差异法（Least significant difference， LSD）比较处理间平均值的差异显著性。
2 结果与分析
2.1 不同处理下土壤基本理化性质及玉米产量的变化
由表1看出，与空白相比，种植并翻压绿豆/红小豆对玉米产量、土壤容重、孔隙度、全量和有效氮、钾及有机碳均无显著影响。土壤全磷在处理间无显著差异，但有效磷趋势为红小豆 > 绿豆、空白（P < 0.05），红小豆、绿豆处理比空白分别提高54.5%，9.9%，说明种植并翻压红小豆或可活化土壤磷。
2.2 不同处理下土壤团聚体分布及其稳定性变化
图1表明，随着豆科绿肥的种植并翻压还田，土壤团聚体分布出现了明显变化。对于同一处理，不同粒径团聚体分布情况为：0.25～2.00 mm团聚体含量最高（约占40%～51%），其次为0.05～0.25 mm和< 0.05 mm团聚体，> 2.00 mm团聚体含量最低（约占3%～7%）。处理间比较，>2.00 mm和< 0.05 mm团聚体含量均无显著差异，而0.25～2.00 mm和0.05～0.25 mm团聚体含量在处理间均存在显著性差异。与空白相比，红小豆、绿豆处理0.25～2.00 mm团聚体含量分别提高了26.9%，27.3%，0.05～0.25 mm团聚体含量则分别降低了15.9%，24.2%。0.25～2.00 mm团聚体是土壤中占绝对优势的粒级，豆科绿肥的种植和翻压有利于其形成和积累。微团聚体向大团聚体周转的结果，使得土壤结构稳定性呈增加趋势（图2），红小豆、绿豆处理的平均质量直径比空白分别增大了22.1%，45.8%，尚不存在显著性差异。
与空白相比，豆科绿肥（有机肥料）还田促进了微团聚体向大团聚体转变。其机理主要有两个方面。第一，有机物料在微生物作用下会形成粗颗粒有机质，它又作为粘结剂使小团聚体形成大团聚体。随着有机物料不断加入土壤，大团聚体内能保存下来的有机质会越来越稳定，不易被微生物分解，使得大团聚体的转化周期变长，更有利于大团聚体的保存[12-13]。第二，豆科绿肥生长过程中形成大量根系，根系本身可以通过缠绕作用促进大团聚体的形成。发育良好的根系也会增加根际微生物量，而土壤微生物，尤其是细菌分泌物和真菌菌丝的粘结作用，对大团聚体的形成和稳定起重要作用[14-15]。
2.3 不同处理下土壤团聚体有机碳和全氮分布
图3为各处理不同粒径团聚体内有机碳和全氮含量的分布情况。在>2.00 mm团聚体内，有机碳和全氮含量在处理间无显著差异；翻压豆科绿肥后，0.25～2.00 mm团聚体内有机碳和全氮明显降低，即空白>绿豆、红小豆；与空白相比，绿豆处理的0.05～0.25 mm团聚体内有机碳明显下降，而红豆处理的<0.25 mm团聚体内全氮有升高趋势。对于同一处理，有机碳和全氮含量均随团聚体粒径减小而呈现下降趋势，即>2.00 mm粒径最高，其次是0.25～2.00 mm，0.05～0.25 mm和<0.05 mm粒径最低。本试验中，0.25～2.00 mm团聚体在土壤中占绝对优势，其有机碳含量也较高，因此它对土壤有机碳的固持和累积起主要作用，这与一些研究结果相一致[16-17]。总之，尽管土壤（整土）有机碳和全氮含量在处理间无差异，但团聚体有机碳和全氮含量却表现出差异，说明在有机碳和全氮变化方面，团聚体比土壤（整土）对农业施肥措施反应更灵敏。另外，大团聚体中有机碳含量高于小团聚体，可能是不同粒径团聚体形成过程中的胶结剂不同所致[18-19]。Elliott[20]认为小团聚体在含碳量高、不稳定的粘结剂（真菌菌丝、根系、微生物和植物源的多糖）作用下形成大团聚体，故小团聚体有机质（有机碳）含量低于大团聚体[21]。
2.4 不同处理下土壤及团聚体碳氮比变化
表2表明，整土和团聚体的碳氮比分布于8.3～12.5之间；对于相同处理，团聚体碳氮比随粒径减小而降低，即（> 2.00 mm） > 0.25～2.00 mm > 0.05～0.25mm > （<0.05 mm）；对于相同粒级，碳氮比在处理间无显著差异，说明种植翻压豆科绿肥短期内未影响碳氮比。碳氮比作为土壤团聚过程和固碳过程的重要指示剂，可以反应土壤有机碳固持的有效性。碳氮比随团聚体粒径的减小而降低，可能与团聚体内有机粘结剂的类型有关：大团聚体内主要为瞬时和暂时有机粘结剂，易分解；微团聚体内则为永久粘结剂，性质稳定，前者碳氮比大于后者[22-23]。另外，真菌在大团聚体中占主导而细菌在微团聚体中占主导[23-24]，真菌细胞的碳氮比约为10而细菌的约为4[20]，这也可能是大团聚体比微团聚体碳氮比高的原因。
3 结 论
与空白相比，套种豆科绿肥对玉米产量、土壤容重、孔隙度、全量氮磷钾、有效氮钾及有机碳均无显著影响；有效磷趋势为红小豆>绿豆、空白，说明套种红小豆或可活化土壤磷；0.25～2.00 mm团聚体是占绝对优势的粒级，套种豆科绿肥可促进0.05～0.25 mm团聚体向其周转，但团聚体分布的变化并未引起土壤稳定性的明显差异；团聚体有机碳、全氮和碳氮比随团聚体粒径减小而降低，套种绿肥处理使团聚体有机碳和全氮呈下降趋势，其原因有待进一步探讨。总之，套种绿肥有利于大团聚体的形成及养分活化，尽管引起部分粒级团聚体内有机碳和全氮下降，但未引起整土有机碳和全氮降低。因此，套种模式可继续推广应用。
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