黄土高原半干旱区种植不同绿肥作物对土壤理化性质的影响

刘雪强，南丽丽，郭全恩，付双军，谭杰辉，李冰月

(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

黄土高原是中国甚至世界上水土流失最严重、生态环境最敏感的地区.严重的水土流失不仅会破坏土壤资源导致土壤荒漠化，还会导致地表植被大量退化，降低土地生产力[1].为了合理利用土地资源和恢复土地生产力，防止水土流失和土壤质量继续退化，耕地轮作休耕是保持土壤质量、减少病虫害和农业污染、恢复地力、增强农产品安全性的重要手段，是推进农业持续发展的重要探索[2].

绿肥是纯天然、最清洁的有机肥源.大量研究表明，种植绿肥可以显著提高作物产量和品质[3-4]，增加土壤有机质、氮、磷、钾等养分含量[5-6]，提升土壤稳定性、抗侵蚀性[7]，增加大团聚体数量，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤通透性[8].

绿肥作物的生物量和养分特性是其用作绿肥的重要指标，也是决定种植利用绿肥对土壤和主作物影响的重要基础.但绿肥作物的生长和养分积累会受到生长环境和作物品种特性的影响，在一定的生态条件下，绿肥作物的品种选择尤为关键.研究表明，同一生态区不同绿肥作物的生物量和营养特性差异明显，同时对土壤性状的影响也不同[9-10].目前，在黄土高原区，对光叶苕子(ViciavillosaRothvar)、毛叶苕子(V.villosaRoth)、紫云英(Astragalussinicus)和草木樨(Melilotussuaveolens)等绿肥作物对土壤养分的影响已有研究[11]，对其他绿肥品种研究较少.由于绿肥品种是决定绿肥培肥和增产效果的主要因素之一，因此为评价不同绿肥作物品种的生态适应性及用作绿肥的潜在作用，2017～2018年在甘肃省永靖县研究了种植不同绿肥作物对土壤理化性质的影响，以期为黄土高原半干旱区合理种植和利用绿肥、科学休耕养地模式提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃省永靖县(N 36°00′，E 103°12′)地处陇西黄土高原，属大陆性气候，农业区划为温带半干旱区.年降水量260 mm左右，年蒸发量1 500 mm，海拔高度2 205 m，平均日照时数2 534.6 h.土壤类型为黑垆土，0～40 cm土层pH为8.26，速效氮、磷、钾含量分别为84.5、10.99、283.91 mg/kg，全氮、全磷、全钾、有机质含量分别为1.03、0.49、8.33、13.86 g/kg.

1.2 供试土样

以不种植，休闲处理作为CK，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9处理组分别种植箭筈豌豆(V.sativa)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、大豆(Glycinemax)、红豆草(OnobrychisviciaefoliaScop)、蚕豆(V.faba)、玉米(Zeamays)、毛苕子(Iiciavillosa)、紫花苜蓿(Medicagosativa)和豌豆(Pisumsativum)，于2017年4月下旬人工开沟条播不同绿肥作物，播种量分别为70.0、7.5、75.0、60.0、225.0、60.0、45.0、20.0、90.0 kg/hm，行距30 cm，小粒种子覆土深度1～2 cm，中粒种子3～4 cm，每个处理重复3次，小区面积为56 m2(长7 m×宽8 m)，各小区不灌溉、不施肥，田间管理一致.除多年生绿肥(沙打旺、红豆草、紫花苜蓿)外，2018年4月底人工开沟条播一年生作物(箭筈豌豆、大豆、蚕豆、玉米、毛苕子和豌豆)，播种量及田间管理同2017年.于2017、2018年7月下旬刈割地上部分，留茬10 cm，连同根系用铁锨将其翻压还田(多年生牧草不翻压)，翻压深度为30 cm.于2017年9月25日、2018年9月25日用土钻法在各小区按“S”形路线采取0～20、20～40 cm土层土样，3次重复.样品除去动植物残体等杂质，用四分法去除多余的土样，风干后过1.00 mm筛用于测定土壤理化性质.

1.3 试验方法

土壤有机质(organic matter，OM)采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定[12]；速效氮(available nitrogen，AN)采用碱解扩散法测定[12]；速效磷(available phosphorus，AP)采用0.5 mol/L NaHCO3法测定[12]；速效钾(available potassium，AK)采用NH4OAc浸提(火焰光度法)测定[12]；全氮(total nitrogen，TN)采用凯氏定氮法测定[12]；全磷(total phosphorus，TP)采用HC1O4-浓H2SO4外加热消煮(分光光度法)测定[12]；全钾(total potassium，TK)采用HC1O4-HF外加热消煮(火焰光度法)测定[12]；pH值为土水比1∶5悬液用pHS-4智能酸度计测定[12].

1.4 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理，用SPSS16.0

统计软件进行方差分析、相关分析和主成分分析.

2 结果与分析

2.1 种植不同绿肥作物对土壤pH值及有机质含量的影响

由表1可知，在0～40 cm土层，2018年与2017年相比，CK、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9处理的pH值分别降低了7.01%、7.25%、6.45%、7.07%、8.42%、4.50%、5.01%、5.41%、5.03%、5.15%，其中T4处理年度间降幅最大，但不同处理在同一年份及不同土层间的差异均不显著.2017、2018年各处理0～20 cm土层的有机质含量均显著高于20～40 cm土层，除2017年0～20 cm土层的有机质含量各处理间差异不显著外，2017年20～40 cm土层T9处理，2018年0～20 cm土层T1、T3、T8、T9处理及20～40 cm土层T8、T9处理土壤有机质含量均显著大于其他处理(P<0.05)；0～40 cm土层CK、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9的土壤有机质含量2018年较2017年分别提高了1.91%、4.68%、6.74%、4.46%、8.39%、1.91%、1.45%、2.05%、13.06%、6.82%，其中T8处理年度间土壤有机质增幅最大.

表1 种植不同绿肥作物对土壤pH值及有机质含量的影响

同行不同小写字母表示不同土层间差异显著(P<0.05)；同列不同大写字母表示不同绿肥间差异显著(P<0.05).

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different soil layers (P<0.05)；Different uppercase letters in the same column indicate significant differences among different green manures (P<0.05).

2.2 种植不同绿肥作物对土壤速效养分含量的影响

由表2可知，种植不同绿肥作物对土壤速效养分含量有显著影响(P<0.05).土壤速效氮含量在72.10～153.90 mg/kg范围内，2017年上下土层均以T7处理最小并显著小于其他处理(P<0.05)，2018年0～20 cm土层CK处理、20～40 cm土层T5处理均显著大于其他处理(P<0.05).速效磷含量在0.58～7.39 mg/kg范围内，2017年0～20 cm土层T7和T8处理速效磷含量显著低于其他处理(P<0.05)，20～40 cm土层CK和T9处理显著高于其他处理(P<0.05)；2018年上下土层均以T9处理最大并显著高于其他处理(P<0.05).速效钾含量在208.43～1017.92 mg/kg范围内，2017年0～20 cm土层T3处理、20～40 cm土层T2处理均显著高于其他处理(P<0.05)；2018年上下土层均以T4处理最大并显著高于其他处理(P<0.05).

不同土层间，2017、2018年各处理的速效氮含量大多表现为0～20 cm土层显著高于20～40 cm土层(P<0.05)；除2018年各处理的速效钾含量外，2017、2018年各处理的速效磷含量及2017年各处理的速效钾含量均0～20 cm土层显著高于20～40 cm土层(P<0.05).2018年与2017年相比，各处理0～40 cm土层的速效氮、磷、钾含量明显升高，其升高变化范围分别为19.85～75.45%、15.22～85.34%、155.02～256.74%，年度间土壤速效氮、磷、钾升幅最大的处理分别为T7、T9、T4.

表2 种植不同绿肥作物对土壤速效养分含量的影响

同行不同小写字母表示不同土层间差异显著(P<0.05)；同列不同大写字母表示不同绿肥间差异显著(P<0.05).

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different soil layers (P<0.05)；Different uppercase letters in the same column indicate significant differences among different green manures (P<0.05).

2.3 种植不同绿肥对土壤全量养分的影响

由表3可知，种植不同绿肥作物对土壤全量养分有显著影响(P<0.05).土壤全氮、全磷、全钾含量分别在1.21～3.07、0.44～4.62、8.28～34.86 g/kg范围内变化，其中2017年，全氮、磷、钾含量在不同处理及不同土层间差异均不显著，2018年全氮含量大多表现为上土层大于下土层，全磷含量各处理均0～20 cm土层显著高于20～40 cm土层(P<0.05)，而全钾含量各处理均0～20 cm土层显著低于20～40 cm土层(P<0.05)；2018年全氮含量0～20 cm土层T1、T2、T7处理显著大于T3、T4、T5、T6、T9处理，但与CK、T8处理差异不显著，20～40 cm土层T2、T5、T6、T8处理显著大于其他处理(P<0.05)；全磷含量上下土层间均以T9处理最大并显著高于其他处理(P<0.05)；全钾含量0～20 cm土层CK、T4处理及20～40 cm土层T2处理显著大于其他处理(P<0.05).0～40 cm土层各处理的全氮、全磷、全钾含量2018年较2017年明显升高，其升高变化范围分别为48.82%～99.81%、518.96%～746.44%、206.82%～269.15%，年度间土壤全氮、全钾含量升幅最快的处理为T2，全磷含量升幅最快的处理为T1.

2.4 土壤理化性质相关分析

由表4可知，土壤pH与速效钾呈显著负相关，相关系数为-0.465；有机质与速效磷、速效钾呈极显著、显著正相关，相关系数分别为0.652、0.455；速效磷与速效钾、全磷分别呈极显著、显著正相关，相关系数分别为0.691、0.500；速效钾与全磷呈显著正相关，相关系数为0.505.

表3 种植不同绿肥作物对土壤全量养分含量的影响

同行不同小写字母表示不同土层间差异显著(P<0.05)；同列不同大写字母表示不同绿肥间差异显著(P<0.05).

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different soil layers (P<0.05)；Different uppercase letters in the same column indicate significant differences among different green manures (P<0.05).

表4 土壤理化性质相关分析

**表示指标间差异显著(P<0.01)；*表示指标间差异显著(P<0.05).

** indicates extremely significant different between indicators (P<0.01)；* indicates significant different between indicators(P<0.05).

2.5 土壤理化性质主成分分析

以上分析表明，不同处理其土壤理化性质存在丰富的变异，为进一步探明其变异的主要原因，对2018年各处理8个指标的均值进行了主成分分析.表5中前3个主成分累计贡献率达到了71.039%，能解释大部分数据，因此可以选择这3个主成分进行提取分析.

从表6可以看出，速效磷、速效钾、有机质、全磷和全氮在第一主成分上的荷载较高，说明第一主成分主要反映了这些指标的信息，全钾在第二主成分的荷载较高，而速效氮、pH值在第三主成分的荷载较高.因此，用3个主成分就可以较全面解释土壤理化性质的组成和分布的关联性.根据第一、第二和第三主成分的贡献值，分别计算第一、第二和第三主成分的得分，并根据得分和权重(方差贡献率)的乘积得出综合得分，具体计算公式为(1)、(2)、(3)和(4).

F1=-0.536X1+0.729X2+0.298X3+0.826X4+0.822X5+0.517X6+0.717X7+0.319X8

(1)

F2=0.477X1+0.222X2-0.482X3+0.062X4+0.140X5+0.300X6+0.247X7-0.816X8

(2)

F3=0.548X1+0.318X2+0.691X3-0.051X4-0.165X5+0.438X6-0.287X7+0.041X8

(3)

Y=0.393 65*F1+0.168 68*F2+0.148 06*F3

(4)

由表7可知，多年生豆科绿肥红豆草、紫花苜蓿、沙打旺的改土培肥效果优于休闲，而一年生绿肥箭筈豌豆、大豆、蚕豆、玉米、毛苕子及豌豆的培肥地力的效果均不及休闲.

表5 土壤理化性状的特征值与主成分贡献率

表6 各指标主成分荷载矩阵

表7 种植不同绿肥对土壤理化性质的得分

3 讨论

3.1 种植并翻压不同绿肥作物对土壤理化性质的影响

研究表明，种植并翻压绿肥能改良土壤肥力[13]，但不同品种绿肥具有不同的培肥效果.杨晓晖等[14]研究表明，种植沙打旺、紫花苜蓿和草木樨3种绿肥并压青，其沙打旺改土效果最好，紫花苜蓿次之，草木樨最差.于凤芝等[15]研究认为豆科绿肥的植株养分含量最高.本试验表明，种植多年生豆科绿肥沙打旺、红豆草、紫花苜蓿的改土效果优于休闲，种植一年生豆科绿肥大豆、蚕豆、箭筈豌豆、毛苕子、豌豆及一年生禾本科绿肥玉米，其培肥地力的效果均次于休闲，一方面由于多年生豆科绿肥，根系具有很强的固氮能力且根系生物量大，其根瘤菌和大量的须根给土壤留下的腐殖质可增加土壤有机质，并且茬口的土壤养分含量随种植年限的延长而增加，累加效应显著[16]，其改土效果较好；另一方面多年生绿肥种植期间，没有翻埋，亦没有对土壤造成扰动，土壤中的有机质等未遭到破坏和丧失.彭映平等[17]研究表明，休闲减少了对土壤的扰动次数，使土壤中的矿物质、有机质、水分、微生物未遭到破坏和丧失，未破坏土壤的团粒结构，能使地力提升.

种植并翻压绿肥后，土肥肥力在不同年度间有显著差异.杜威等[18]在渭北旱塬连续6年种植并翻压绿肥，指出长期种植并翻压绿肥能提高土壤有机质含量，对土壤养分状况的改善具有重要作用.杨文叶等[19]研究认为种植翻压绿肥后土壤有机质随年份逐年上升，表现出累积效应.刘晓霞等[20]研究发现，绿肥连续还田可逐年提高土壤中有机质、全氮、有效磷、速效钾的含量.刘国顺等[7]研究表明，绿肥翻压在一定程度上能降低土壤pH值.本试验表明，种植并翻压绿肥还田2年后，2018年土壤全量养分、速效养分及有机质均较2017年高，pH值较2017年低，这与前人研究结论一致.

3.2 土壤理化性状相关性分析及主成分分析

土壤化学指标间具有良好的相关性.贺丹锋等[21]对植烟土壤(pH为6.55)研究表明，pH值与全氮、有效磷、速效钾、有效钙、有效镁、有效锌呈极显著正相关，本试验表明，pH值(pH为8.26)与速效钾呈显著负相关，这可能与土壤pH值大小、土壤质地等有关.

主成分分析是在原始数据的基础上，用较少且独立不相关的指标代替相关且繁多的指标，尽可能保留原有信息，从而简化数据分析.目前主成分分析在土壤质量评价中应用较为广泛[22-23].本研究选取土壤理化指标(有机质、pH值、速效氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾)，利用主成分分析对不同绿肥作物改良土肥的效果进行综合评价，以确定其最优绿肥品种.从整体来看，主成分分析法能较全面的反映各处理的综合性能，采用该方法对不同绿肥作物土壤肥力的综合评价切实可行.

4 结论

利用主成分分析法对黄土高原半干旱区种植不同绿肥作物后土壤有机质、pH值、速效氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾等指标进行综合评价，结果表明：除pH值外，2018年各处理的土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾含量均较2017年高，其中种植红豆草pH值降幅最大，速效钾升高显著；种植紫花苜蓿显著提升有机质，种植沙打旺显著提高全氮和全钾，种植箭筈豌豆显著提高全磷，种植毛苕子显著增加速效氮，种植豌豆显著增高速效磷含量，且土壤养分各指标间有一定的相关性.经主成分分析综合评价得出，种植多年生豆科绿肥红豆草、紫花苜蓿、沙打旺，其培肥地力的效果优于休闲，而一年生绿肥作物箭筈豌豆、大豆、蚕豆、玉米、毛苕子、豌豆，其培肥地力的效果不如休闲，表明红豆草、紫花苜蓿、沙打旺是黄土高原半干旱区最适宜的绿肥品种.