6种豆科绿肥植物与苹果树套种对果园土壤碳氮特征的影响

2021-05-07陈利云汪之波呼丽萍

草地学报 2021年4期

陈利云，汪之波，呼丽萍

(天水师范学院生物工程与技术学院, 甘肃省大樱桃工程技术研究中心，甘肃天水 741000)

西北地区是我国重要的果品生产区，甘肃天水因其独特的地理位置与气候特征，是西北地区高品质果品的主要产区，天水花牛苹果是我国国家地理标志产品，因口味独特品质优良而畅销国内外，是当地重要的经济作物。但近年来，化肥农药的过量使用导致花牛苹果品质明显下降，造成了严重的环境污染与品牌负效应[1]。豆科绿肥植物是“土壤健康的建筑师”，它们和土壤固氮菌间具有独特的互利共生关系，植株翻压还田能协调土壤养分平衡、增加土壤肥力、消除土壤障碍因子[2-3]。将豆科植物与其他农作物间作、套作以及全草输入等技术是健康安全可持续农业系统的“战略盟友”，随着“两减一增”农业生产政策的深入开展，豆科绿肥植物的作用将越来越受到重视[4-5]。天水山地果园土壤贫瘠、降水稀少，是典型的雨养农业区，而果品生产是不同于籽粒农作物的农业生产模式，果园大面积的土地处于裸露休闲的时间长达半年以上，严重浪费了光热资源的同时不利于土壤水分的保蓄。将豆科绿肥植物与果树套种，利用新建果园土壤固氮菌稀少的低“氮阻遏”特征，充分发挥豆科植物的固氮作用与光合作用，以达到改善土壤结构、提高土壤碳素、氮素养分水平的目的[6-7]。鉴于此，本研究选用天水地区6种土著豆科植物与新建果园苹果树套种，研究豆科绿肥植物的当季固氮量及与果树套种半年后对果园土壤碳氮含量特征的影响，以筛选出具有田间适应力与高效增肥作用的豆科绿肥植物，为探索适合西北干旱山地果园土壤安全高效的有机肥供给方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省天水市秦州区四方堡村，地处34°20′24.03″ N,105°34′15.68″ E，此区为大陆性暖温带半湿润、半干旱气候，海拔1 400～1 600 m，年均气温11.26℃左右，年均降水量约570.3 mm，全年日照时数为2 100 h，无霜期167～235 d。土壤类型为黄绵土，土壤pH为8.12，有机质含量为9.28 g·Kg-1，全氮含量为1.24 g·Kg-1,全磷含量为1.56 g·Kg-1,全钾含量为30.3 g·Kg-1,土壤碱解氮含量,为20.43 mg·Kg-1,速效磷含量为19.15 mg·Kg-1,速效钾含量为186.65 mg·Kg-1。该果园为无灌溉条件的山地新建2年果园，面积为226 667.8 m2，果树品种为‘元帅系’花牛苹果，树龄5年，平均株高1.75 m，平均冠幅1.48 m2，株行距4 m×4 m。

1.2 试验设计

于2017年3月初进行果园田间试验，设计3块样地，每样地留出1 m2种植参比禾本科植物无芒雀麦(BromusinermisLeyss)[8]，剩余面积以单株苹果树为中心，设计6个样方(每样方面积2 m×2 m，间距2.0 m)，每样方撒入箭筈豌豆(ViciasativaL.,T1),大鹁鸽灰豌豆(PisumLargepigeonL.,T2),绿豆(PhaseolusradiatusL.,T3),大豆(GlycinemaxL.,T4),白豌豆(PisumsativumL.,T5),赤豆(VignaangularisL.,T6)种子300 g，覆土深10 cm。

1.3 研究方法

1.3.1样品采集绿肥植物长至7月初，每处理选1 m2齐地面刈割，样品带回实验室105℃杀青后，65℃烘箱烘至恒重保存备用，土壤采集时间为2017年9月底，豆科植物生长期6个月时取根系土壤样品，挖取完整的植株根系，用镊子刮取根系上的土壤弄碎混匀，按4分法取样，未处理果园空地0～30 cm处土壤为对照，自然风干称重后备用。

1.3.2样品分析15N自然丰度法(Nature15N abundance method)理论是根据植物生长发育过程中利用的不同氮源(土壤氮源和空气氮源)之间15N丰度的差异，形成植物之间15N丰度差异来确定固氮植物的生物固氮量。15N是指大气中稳定且均匀的N同位素，原子丰度为0.3663%，植物相对N原子的丰度，用δ15N表示，计算公式为:δ15N=[%15N (sample)—%15N(standard) ] /%15N (standard)，sample代表固氮植物，standard为参比植物。绿肥样品生物固氮率用PN (Percntage of Nitrogen derived from air)表示，PN =(1—A% EM1/A%EG)，其中A%EM1为豆科绿肥的15N丰度，A%EG为参比禾本科植物无芒雀麦的15N丰度，一个生长季内绿肥植物的总固氮量WN= PN ×YN1(YN1为豆科绿肥植物总氮产量)。植株总氮量采用ZDDN-Ⅱ凯氏定氮仪测定，15N丰度采用Delta VAdvantage气体稳定同位素质谱仪(Thermo Finnigan, German)测定[9]；土壤全氮(Soil total nitrogen，TN)含量采用浓硫酸消煮-凯氏定氮法测定；土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC) 含量采用重铬酸钾外加热法测定；土壤活性有机碳(Active organic carbon，AOC)含量采用高锰酸钾氧化法测定；土壤可溶性有机碳(Soluble organic carbon，DOC)含量采用滴定法测定；微生物量氮(Microbial biomass nitrogen，MBN)和土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC) 含量采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法测定；土壤有机质含量采用外热重铬酸钾容量法测定[10]。

1.4 数据处理

用Excel 2017 和SPSS 2019 软件进行数据整理、分析，多重比较采用Duncan’s新复极差法，主成分权重分析采用SPSS因子分析法。

2 结果与分析

2.1 6种豆科绿肥植物的生物量与当季固氮特征

相对于大气中稳定且均匀的N同位素丰度即15N，不同植物组织内N原子的含量δ15N不同，以无芒雀麦为参比植物，6种豆科绿肥植物田间生长3个月后检测结果显示(表1)，δ15N以T4最高,为0.49%，与其他5种植物有显著差异(P<0.05)，而T2，T6最低分别为0.26%和0.27%。植株地上部分生物量以T2最高,为0.35 kg·m-2，T5次之,为0.32 kg·m-2，且与其它处理间呈显著差异，以T3最低,为0.14 kg·m-2。植株含氮量以T5最高,为24.62 mg·g-1，T6最低，为17.44 mg·g-1。固氮率以T4最高，为72.15%，T6最低，为57.50%。当季固氮量以T5最高，为39.14 g·m-2，T2次之，为38.90 g·m-2，且与T1，T3，T4和T6处理差异显著(P<0.05)。

表1 6种豆科绿肥植物当季生物固氮特性

2.2 6种豆科绿肥植物对果园土壤氮素含量特征的影响

6种豆科绿肥植物处理后对果园土壤氮素含量特征影响如表2所示。与对照相比，6个处理均提高了土壤TN含量，除T1，T6与CK未达到差异显著水平外，其他处理均与CK差异显著(P<0.05)，其中T4增加最多，为对照的155.48%。可溶性有机氮是微生物代谢产物及生长所需的重要营养物质，绿肥植物处理不同程度的提高了果园土壤可溶性氮含量，以T4含量最高，比对照增加了30%。碱解氮是速效氮的主要部分，可直接被作物利用，豆科绿肥植物与果树套种能明显促进土壤碱解氮含量的提高，尤其以T2，T5处理最高，为44.29 mg·Kg-1，43.17 mg·Kg-1，与对照及其它处理间有显著差异(P<0.05)。土壤微生物量氮是反映土壤肥力的重要指标，与对照相比，6个绿肥处理不同程度地提高了果园土壤的MBN含量，增幅为7.66%～38.74%，其中T3，T5变化最为明显，与其他处理间有显著差异(P<0.05)，表明绿肥植物套种可促进果园土壤微生物的生长和繁殖，并且生物固氮作用能增强氮的固持作用，促进微生物量氮的提高。

表2 6种豆科绿肥植物对果园土壤氮素含量的影响

2.3 6种豆科绿肥植物对果园土壤碳素含量特征的影响

绿肥植物与果树套种能够显著促进土壤有机碳的累积(表3)，与对照相比，6种豆科植物根系土壤有机碳含量均显著提高(P<0.05)，增幅为11.15%～22.69%，且以T5增加最为明显，与其他处理间差异显著(P<0.05)。土壤活性有机碳的变化是反映土壤质量变化的灵敏指标，与对照相比6种植物的种植明显利于增加土壤活性有机碳含量，其中以T4效果最佳。土壤中的非活性有机碳反映了土壤有机碳的固持，它们转化速度较慢，6种豆科绿肥植物对果园土壤非活性有机碳含量的影响以T5最为明显，为对照的1.15倍。大多呈游离态的可溶性有机碳是土壤中重要的速效养分库，6种豆科绿肥中T4对果园土壤可溶性有机碳含量的影响最明显，与对照及其它处理间有显著差异。豆科绿肥植物对浅层土壤微生物量碳的影响尤为明显，这可能与豆科植物种子自身携带的根瘤菌有关，6种植物根系土壤微生物量碳含量均明显高于对照，且与土壤总有机碳、活性有机碳含量间呈正相关关系。

表3 6种豆科绿肥植物对果园土壤有机碳含量的影响

2.4 6种豆科绿肥植物对果园土壤pH、有机质含量及碳氮比的影响

6种豆科绿肥植物与苹果树套种对果园土壤pH、有机质及碳氮比的影响如表4所示。6种豆科植物处理能明显降低干旱盐碱果园土壤的pH值，且各处理均与对照间呈显著差异，其中T4对碱性土壤改良作用最为明显，使土壤pH降低了0.58，6种绿肥处理均能改变土壤的有机质含量，但除了T2和T5显著增加了土壤有机质外，其它4个处理对土壤有机质改善作用不明显。除T5和T6处理对果园土壤碳氮比的影响作用与对照间无显著差异外，其它处理与对照间差异显著，且T4处理下土壤碳氮比最低为7.48，为对照的66.43%，T5处理下土壤碳氮比最高，为对照的98.22%，表明在促进土壤有机质分解转化方面，T4处理明显优于T5处理。

表4 6种豆科植物对果园土壤pH、有机质含量及碳氮比的影响

2.5 6种豆科绿肥植物对山地果园有机质与氮素含量影响的权重分析

对6种豆科绿肥植物处理的固氮量、碳、氮、有机质等因素对果园土壤影响的权重综合分析结果如表5，除T1得F值为负分外，其余5个处理均为正分，说明这5个绿肥植物与苹果树套种对干旱果园土壤肥力水平有明显的促进作用，尤其T2处理F得分最高为0.3472，综合排名第一，显示出大鹁鸽灰豌豆对西北干旱山地果园土壤肥力提升和土壤改良有潜在的积极作用。综合分析得出6种绿肥植物与果树套种对山地果园土壤有机质与碳氮营养含量影响的权重排序为：T2>T4>T3>T5>T6>T1。

表5 6种豆科绿肥植物对山地果园土壤肥力水平影响的主成分与权重分析

3 讨论

氮素是植物生长的必需营养元素，是构成植物体内蛋白质、核酸与激素的主要成分，并对植物根系生长和形态性状的形成影响明显[11]。农业生产中土壤氮素主要由人工化肥施入与生物固氮获得，其中生物固氮是目前土壤氮素输入最安全最节能的方式，包括自生固氮、共生固氮与联合固氮，根瘤菌与豆科植物构建的共生体系是固氮效率最高也是应用最广泛的生物固氮模式[12]。土壤中高含量的速效氮能阻碍豆科植物根瘤中根瘤菌的增殖与固氮酶效率的提高，这种“氮阻遏”作用是固氮生物的共性，也是影响豆科植物生物固氮效能的重要因素[13]。农作物间作中非固氮作物对硝酸盐的大量吸收可维持土壤矿质氮素的低水平状态，从而减缓土壤氮素对根瘤菌固氮酶效率的抑制作用[14]，同时优化间作套种植物的空间结构，能有效改善豆科植物的结瘤状况，消减“氮阻遏”效应，显著提高土壤氮素的利用效率[15]。本研究中，6种豆科植物在山地果园中当季固氮量各不相同，处于20.22 g·cm-2～39.14 g·cm-2之间，其中白豌豆(T5)最高为39.14 g·m-2，这些被固定在植物体内的有机氮素，成为干旱贫瘠山地果园土壤氮素输入的重要来源。同时豆科植物对土壤中氮素特征的影响与种植时间植物种类及氮素类型有关。植物生长6个月后，大豆(T4)对土壤可溶性有机氮影响最显著，大鹁鸽灰豌豆(T2)对土壤碱解氮含量影响最明显，为44.29 mg·Kg-1，而微生物氮含量以白豌豆(T3)处理变化最为显著。干旱贫瘠的山地果园较低含量的氮素水平，明显减缓了“氮阻遏”效应，为促进豆科绿肥植物高效共生固氮效率提供了环境基础，研究中处理土壤有机质与氮素含量比空闲地均有提高也证明了上述理论，与大量的研究结果一致[16-17]。

绿肥植物秸秆的腐解是物质与能量相互转化的生化过程，受植物自身物质组成与外界环境的共同影响，绿肥植物植株中的碳素与氮素由贮存性碳氮与结构性碳氮组成[18-20]。土壤微生物的矿化作用是土壤有机质碳氮素释放的重要途径，研究表明秸秆C∶N小于25∶1时微生物的矿化作用较为适宜，大于25∶1会产生“微生物掘氮效应”，使土壤氮素含量短期呈现下降态势[21-23]。豆科植物与果树套种明显改变了果园土壤碳与氮的含量及比重，6种植物处理土壤碳氮比值介于7.48～11.06之间，均比对照低，表明豆科植物的引入促进了果园土壤有机质的积累、分解及转化，同时豆科植物植株本身含氮量高，C∶N比值较低，更适合土壤微生物的矿化作用，促使营养物质能较快的分解转化，但由于植株本身C∶N含量的不同，因此不同品种的豆科绿肥植物对参与矿化作用的土壤微生物新陈代谢率的影响不同，从而使土壤中碳氮素类型与含量各具差异[24-26]。