绿肥不同栽培模式对冬闲期植烟土壤的影响

2018-09-11杨蒙岭张永辉徐传涛

西南农业学报 2018年8期

杨蒙岭，蒋豪，顾勇，谢强，张永辉，徐传涛，陈凡

(1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.四川省烟草公司泸州市公司，四川泸州 646000；4.四川省烟草公司凉山州公司会东分公司，四川会东 615200 )

【研究意义】烟草是我国重要的经济作物，烟叶年产量达200多万吨，上缴国家财政总额9000亿元[1]。当前，我国烟草产业不断向规模化和集约化方向发展，耕地限制使得部分地区烟草连作现象不可避免。烟草是忌连作茄科作物，烟草连作会造成土壤养分失调[2]，根际自毒物质积累[3-4]以及土壤酶活性以及微生物区系变化[5]，从而导致烟草产量品质下降。研究表明调整种植模式和施肥模式是降低烟草连作障碍的有效途径，合理轮作可以提高烟田土壤微生物群落的多样性[6]。施用有机肥不仅能提高土壤微生物量碳、氮含量，还能提高酶活性，降低连作对烟草的影响[7]。因此，利用冬闲期种植绿肥是目前解决烟草连作障碍众多手段中经济有效的方法之一。【研究进展】研究表明，绿肥根系发达且穿透力强，庞大的根系可以疏松土壤，扩大养分吸收的空间和范围[9]。然而，种植不同种类绿肥对土壤养分产生的影响差异较大。豆科绿肥可以与土壤中的根瘤菌形成共生关系，固定空气中的氮素，提高土壤中氮含量。禾本科绿肥C/N较高，根系发达，有利于增加土壤中的有机质含量。豆科-禾本科植物混栽后绿肥还田被证实是提高土壤肥力的重要手段[10]。【本文切入点】当前研究大多将豆科-禾本科植物混栽还田后，后茬作物生长特性的变化作为研究重点[11-13]，而混栽绿肥对土壤养分的利用与自身养分释放差异，特别是混栽后土壤养分与土壤微环境改变之间的潜在联系的研究较少。【拟解决的关键问题】本试验探讨前茬绿肥不同栽培模式，包括单种紫云英(Astragalussinicus)、单种黑麦草(Loliumperenne)以及黑麦草和紫云英混播对土壤养分、酶活性以及微生物碳氮的影响，重点分析绿肥混播如何影响土壤特性及土壤微环境，探讨绿肥混播提高土壤质量的潜在原因，为南方烟田土壤冬闲期耕作提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

田间试验布置在四川省泸州市古蔺县箭竹苗族乡。供试紫云英品种为闵紫一号，供试黑麦草品种为卡特。土壤质地为黄壤土，土壤烟草连作历史三年以上，土壤pH为6.5，全钾含量为14.15 g/kg，全磷含量为0.93 g/kg，铵态氮含量为16.17 mg/kg，硝态氮含量为2.68 mg/kg。

1.2 试验设计

四川烟区冬闲期通常种植黑麦草保育土壤，本试验设计3个试验处理：单种紫云英(H)，单种黑麦草(Z)，紫云英黑麦草混播(HZ)。采用随机区组设计，每个处理重复3次，每个小区30 m2。绿肥于2015年11月播种，其中单种黑麦草播种量为15 kg/hm2，紫云英为22.5 kg/hm2，黑麦草和紫云英混播按照质量比1︰6，即黑麦草3 kg/hm2，紫云英18 kg/hm2混合均匀后播种[12,14]，并于烟草种植前1个月(2016年3月)刈割绿肥，并采集土壤样品。在各小区采用S型线路，随机采集5点，每个采样点用土钻采集表层0～20 cm原状土壤，剔除石砾和植物残根等杂物，混匀作为1个土壤样品，每个小区采集3个土壤样品，共27个土壤样品。所采集的土壤样品分成2份：一份自然风干，研磨过筛，保存至塑封袋中用于土壤养分测定；一份新鲜土壤样品于4℃下冷藏保存用于测定土壤酶活性和微生物生物量等。

1.3 测定方法

土壤基本理化性质测定参照鲁如坤[15]的方法：土壤pH值采用pH计测定，水土比为2.5︰1；有机质含量测定采用重铬酸钾容量法；全氮含量采用半自动凯氏定氮仪测定；速效钾含量采用0. 5 mol/L NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定；速效磷含量采用碳酸氢钠法测定。土壤微生物生物量采用氯仿熏蒸培养法测定[16]；微生物量碳采用multi N/C 3100分析仪测定；微生物量氮采用FOSS 800-810-3363分析仪测定。土壤酶活性的测定参考《土壤酶及其研究方法》[17]：土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定；蔗糖酶和淀粉酶活性采用二硝基水杨酸比色法测定；土壤脲酶活性采用靛酚比色法测定；土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定。

1.4 数据处理

数据统计分析运用SPSS 19.0进行，采用Turkey检验法进行方差分析，相关性分析采用Person法等，使用Origin 9.0绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤化学特性

由图1可以看出，3种绿肥种植模式对土壤pH值的影响差异并不显著。Z处理土壤pH值为7.88，H处理的土壤pH值为7.76，HZ处理的土壤pH值为7.61。HZ的土壤pH值较H和Z处理降低了3.56 %和1.99 %。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different letters indicate significant difference among treatments 图1 绿肥不同种植模式对土壤pH的影响Fig.1 Effects of different cropping patterns of preceding green manure on soil pH

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different letters indicate that data is significantly different among treatments图2 不同处理对土壤养分的影响Fig.2 Effects of different cropping patterns of preceding green manure on soil nutrition

HZ后土壤有机质含量与Z处理相比提高26.39 %，与H相比提高19.29 %，达到29.88 g/kg(图2 a)。单种处理间差异不显著，H处理土壤有机质含量(24.91 g/kg)高于Z处理(23.64 g/kg)。HZ处理土壤全氮含量与H处理相比提高13.28 %，与Z相比提高13.23 %，达到了0.96 g/kg，单种处理间土壤全氮含量差异不显著(图2 b)。Z处理土壤速效钾含量显著高于HZ和H处理，HZ处理土壤速效钾为209.20 mg/kg，介于H和Z处理之间(图2 c)。HZ处理后土壤速效磷含量最高，为46.21 mg/kg，比H提高了36.61 %，与Z相比提高12.70 %(图2 d)。

2.2 土壤酶活性

从表1显示，不同种植模式下土壤酶活性差异较大。与单种绿肥处理相比，HZ处理可以显著提高土壤中性磷酸酶活性和脲酶活性，而单种绿肥之间这2种酶活性差异不显著。与Z处理相比，H和HZ处理能显著提高土壤蔗糖酶活性，分别提高6.97 %和11.97 %。单种绿肥处理间土壤淀粉酶差异不显著，HZ比H和Z处理分别提高7.2 %和11.14 %，达到2.31 mg/g·d。

2.3 土壤微生物量

从图3 可以看出，单种绿肥处理间土壤微生物碳和微生物氮含量差异不显著，与单种处理相比，HZ处理后土壤微生物碳含量分别提高16.58 % 和10.37 %，为272.73 mg/kg，土壤微生物氮含量提高12.71 % 和11.63 %，为12.68 mg/kg。土壤微生物磷变化趋势与土壤微生物碳氮变化趋势不同，Z处理微生物量磷含量最高，显著高于H处理但与HZ处理土壤微生物磷含量差异不显著。土壤微生物熵(MBC/TOC)的变化范围为1.57 %～1.71 %，HZ处理最小，为1.57 %。土壤微生物氮与全氮含量的比值的变化范围为1.31 %～1.33 %，与微生物熵的变化相近，处理间差异不显著。

表1 不同绿肥种植模式对土壤酶活性的影响

注：同一列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

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

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different letters indicate that data is significantly different among treatments图3 不同绿肥种植模式对土壤微生物量、MBC/TOC和MBN/TON的影响Fig.3 Effects of different cropping patterns on soil microbial biomass, MBC/TOC and MBN/TON

2.4 相关性分析

由表2显示，土壤酶之间显著相关(P<0.05)，相关系数均在0.8以上。土壤微生物碳和微生物氮、土壤酶显著相关(P<0.05)，其中与中性磷酸酶、淀粉酶的相关系数高达0.94。土壤微生物氮与土壤酶之间显著相关(P<0.05)，其中与中性磷酸酶和脲酶的相关系数大于0.92。

土壤有机质含量与土壤微生物碳含量和土壤微生物氮含量显著相关(图4 a，b；P<0.01), 土壤速效磷含量与土壤微生物含量显著相关(图4 c；P<0.01)，土壤全氮含量与土壤微生物氮含量显著相关(图4 d；P<0.01)。

3 讨论

3.1 不同种植方式对土壤化学特性的影响

种植绿肥可以提高土壤养分含量，但不同绿肥种植模式产生的影响存在一定差异。包兴国等[18]以豌豆、毛苕子、草木犀、谷子为原材料进行混播试验发现，混播区较单播区土壤有机质、全氮、碱解氮和速效磷含量显著增加。郑伟等[10]发现豆科-禾本科牧草混播有利于改善土壤速效氮磷养分。本研究表明，与种植单一绿肥相比，绿肥混播处理增加了土壤有机质全氮、速效钾和速效磷含量，这与前人的实验结论一致，这说明混播模式下豆科-禾本科绿肥的生长在从土壤中吸收养分的同时，还活化了土壤养分中难以被植物吸收的部分[10,19]。在禾本科-豆科植物混播草地中，禾本科牧草对土壤无机氮的强烈竞争，迫使豆科绿肥固定更多的氮，保持养分供给，以及其发达的根系具有较强的水分竞争能力，提高了豆科牧草在缺水条件下的共生固氮能力[20-22]。豆科绿肥固定的氮素对豆科-禾本科绿肥混播系统提高土壤氮含量、供应禾本科绿肥氮的需求起着重要作用[23-24]，同时豆科-禾本科绿肥在根际可形成磷养分利用空间优势，并通过利用不同的磷源提高土壤磷素供应，从而提高植烟土壤氮循环能力和磷活化能力。

表2 土壤酶活性与土壤微生物量的相关性

注： *为显著相关(P<0.05)；**为极显著相关(P<0.01)。

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

**为极显著相关(P<0.01) ** indicate significant correlation at 0.01 level图4 土壤化学特性与土壤微生物生物量的关系Fig.4 Relations between soil chemical property and soil microbial biomass

3.2 不同种植方式对土壤生物学性质的影响

刘文辉等[21]研究表明燕麦与豌豆混播可以提高土壤酶活性，并且在一定范围内随着混播水平的提高土壤酶活性增大。李硕等[22]研究表明禾本科植物鸭茅与豆科植物混播时土壤蔗糖酶、脲酶以及过氧化氢酶活性均显著高于单播处理。本实验发现，与种植单一绿肥相比，黑麦草和紫云英混播后土壤中性磷酸酶，脲酶活性均显著提高。这可能是由于绿肥混播为土壤提供了更多的有机质，微生物营养充分，使其生物活动剧烈以及加快土壤中微生物参与的反应过程，进而提高酶活性[23]。土壤微生物量可以代表参与调控土壤中能量和养分循环及有机物质转化所对应微生物的数量，常被用于评价土壤的生物学性状[24-25]。本实验结果表明混播处理后，土壤微生物碳、氮显著含量高于单种处理，可能是因为混播处理下不仅具有禾本科绿肥根系C/N比例高有利于为微生物提供碳源的优势，还可以利用豆科绿肥通过根瘤菌将大气中的N素固定为生物氮的特点，为土壤中微生物提供更多的能量，促进微生物活动剧烈[8,26]。本试验结果中土壤微生物磷含量变化趋势与土壤微生物碳氮不同，豆科绿肥土壤微生物磷显著高于禾本科绿肥土壤微生物磷，这一现象与蒋跃利等[27]的研究结果一致，可能是由于烟草种植过程中人为过量施用磷肥导致土壤中含有大量的磷，豆科绿肥通过根瘤菌进行生物固氮，微生物活动剧烈，使一部分无机磷和有机磷同化为微生物磷。

3.3 不同种植模式对土壤MBC/TOC、MBN/TON的影响

土壤微生物量与土壤养分的比值可以用来反映土壤养分向微生物量的转化效率、土壤养分损失和土壤矿物对有机质的固定，其值的变化比土壤有机碳和微生物量碳更稳定，更能反映人为干扰对农田生态系统的影响[28]。土壤中MBC/TOC一般为1 %～4 %[29]，本试验结果中土壤MBC/TOC的范围为1.53 %～1.71 %，稍低于赵彤等[30]对黄土高原丘陵地区土壤微生物熵的研究。可见，绿肥施用条件下，土壤中有机碳更容易被微生物利用，从而提高了土壤有机质的活性，减少土壤碳素损失。在本试验中，混播处理土壤微生物熵(MBC/TOC)混播处理最小，说明混播处理土壤微生物分解较快，使有机质向微生物量转化，利于微生物活性的发挥[31-32]。土壤MBN/TON的比值为1.31 %～1.33 %，这与汪文霞等[33]和赵军等[34]研究结果相似，但明显低于陈国潮[35]以及孙凤霞等[36]的研究结果。这种明显的差异可能是由于土壤类型及生态环境条件的不同，并且烟草从生长到成熟从土壤中吸取了大量的养分导致冬闲期的土壤养分较低，再加上野外低温条件也会降低土壤微生物的繁殖，从而降低土壤微生物量[11]。

3.4 土壤特性相关性

本研究中3种绿肥种植模式下的土壤微生物量碳、氮与土壤酶活性显著相关 (R>0.8)，说明土壤微生物与土壤酶活性相互影响，这可能是由于土壤酶主要来源于土壤微生物的活动、植物根系分泌物和动植物残体腐解等过程[6,37]。土壤微生物量碳、氮与土壤有机质显著相关(R>0.9)，表明绿肥种植模式对土壤微生物量碳、氮的影响与有机物质的输入和累积有关，土壤中大量的有机质能够为微生物的生长提供大量的碳、氮来源[38]。微生物量碳、氮含量与土壤有机质和土壤全氮显著相关(R>0.9)，说明不同地上物种植下土壤有机质、全氮的变化与土壤微生物量碳、氮的变化趋势一致。这可能是由于土壤有机质，氮素的输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时又促进了土壤氮素的固定、转化、保存和释放[39-40]，这两方面的相互作用说明土壤有机质和全氮可以作为土壤生物学指标用于评价不同植被下土壤生物学活性水平高低的指标[26]。