麦后复种绿肥对土壤有机碳及其固持特征的影响

白 璐，蒋福祯，曹卫东，李正鹏，严清彪，韩 梅

(1. 青海大学农林科学院，青海 西宁 810016；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

土壤有机碳在整个生态系统中起着十分重要的作用，其动态变化主要取决于碳源物质的循环，与土壤碳源物质的分解、转化有密切关系[1]。土壤团聚体是构成土壤结构的重要组成部分，在土壤有机碳固定中起着重要的作用。土壤团聚体在流转、分布、构成的过程中通常伴随着土壤固碳[2]，土壤团聚体有机碳含量随粒级的不同而变化[3]。土壤水稳性团聚体含量的分布受不同粒级的影响[4]。有研究表明[5-8]，在>0.25 mm 粒级下水稳性团聚体有机质含量高，但也有研究得出有机碳在<0.25 mm团聚体中含量达到最高[9]。麦后复种绿肥对土壤有机碳在不同粒级团聚体中的分布及固持特征报道较少[10]。

绿肥作物种植方式简单，生长能力强，翻压后能为土壤提供多种有机质和营养物质，可以改善土壤结构，增强土壤肥力及改善土壤团聚体的结构。同时，通过绿色植物起到保护生态环境的作用[11]。有研究表明种植绿肥可以增加土壤有机质含量，使土壤团聚体结构发生改变，同时保肥能力增强[12-14]。

针对青海高原地区小麦复种绿肥后土壤团聚体有机碳的研究较少。本研究设置不同化肥减施+毛叶苕子处理，以小麦田土壤有机碳的变化为主要研究对象，通过长期定位试验，分析了土壤有机碳、团聚体有机碳的含量、分布及固持特征等，研究了不同化肥减施+毛叶苕子在配施处理下对土壤有机碳及团聚体有机碳的影响，为青海地区在该模式下合理施用化肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于青海省西宁市城北区农科院试验地(36°62′N,101°77′E, 海拔2 261 m)，为2010年布置的一个绿肥长期定位试验。年平均日照为2 044.1 h，年平均气温7.6℃，最高气温34.6℃，最低气温-18.9℃，全年平均气温日较差为15.7℃，禾本科作物生长期为219.5 d；年平均降水量368 mm，多集中在夏季，占年降水量的80%左右，年均蒸发量为1 729.8 mm，是降水量的4.7倍，禾本科作物生长期为219.5 d。试验区土壤为栗钙土，灌溉水源为北川渠，2010年试验前土壤基础性状见表1。

表1 试验地土壤基础性状

1.2 试验设计

青海省的种植制度是一年一熟，供试材料小麦品种为青海早熟品种青春38号，毛叶苕子(ViciavillosaRoth)为土库曼毛苕。小麦在3月中旬施肥后播种，7月下旬收获，播种量105 kg·hm-2。小麦收获后播种毛叶苕子(8月6日)，当年10月17日绿肥初花期地上部分收获，留绿肥根茬，来年继续播种小麦。

试验共设8个处理，4次重复，小区面积20 m2，采用完全随机区组排列。不同绿肥化肥配施与耕作措施见表2。在每一处理间设置一个保护行隔离小区，隔离区宽为0.5 m。

表2 试验处理及耕作措施

100%化肥的用量为N 225 kg·hm-2，P2O5112.5 kg·hm-2。氮肥分两次施肥，70%基施，30%追施。磷肥于小麦播种前结合翻地一次性底施。

1.3 测定指标和方法

土壤样品：2019年4月10日、5月14日、6月17日、8月6日和10月17日(绿肥翻压前)分别进行田间取样，各小区随机选取3个点，采集0～20 cm耕层的土壤样品。

团聚体：于2019年8月6日小麦收获期和10月17日绿肥初花期采集土样，采集时去除土壤表面植株残留的叶片及根系，运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏团聚体。将采集的土样在实验室内自然风干，沿土壤结构的自然剖面轻掰成1～2 cm左右的土块，用于测定土壤团聚体稳定性指标。采用湿筛法获得各级别团聚体的含量，通过孔径为5、3、1、0.5和0.25 mm 5个筛级。

有机碳[15]：采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定。

1.4 相关参数计算

土壤有机碳(g·kg-1)=

团聚体有机碳贡献率=

×100%

1.5 数据处理

采用SPSS 22.0软件中LSD法进行方差分析和多重比较(α=0.05)，利用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 麦后复种绿肥土壤团聚体粒径分布特征

小麦收获期和绿肥初花期土壤团聚体粒径分布见图1。在0～20 cm土层中，对比两个时期土壤团聚体分布的变化，土壤团聚体在>5 mm粒级下占比例最大，其次为小粒级0.25～0.5 mm，其他3个粒级土壤团聚体所占比例差异较小。图1A所示，在小麦收获期，>5 mm粒级下F70+G、F60+G处理土壤有机碳占比显著高于其他处理，同粒级不同处理相比较F70+G>F60+G>F0+G0>F90+G>F100+G>F100>F0+G>F80+G，该粒级下土壤团聚体含量占比最高的为F70+G，较占比最低的处理F80+G高5.7%。3～5 mm粒级和1～3 mm粒级F100+G处理土壤团聚体含量显著高于其他处理，其中，3～5 mm粒级F100+G为最高，其次为F60+G，较含量最低的F70+G分别高出0.9%和3.1%。0.5～1 mm粒级和0.25～0.5 mm粒级各处理之间土壤团聚体占比没有显著差异，其中0.25～0.5 mm粒级下F0+G0处理土壤团聚体碳含量占比最低，为2.13%，较最高F90+G和F100+G处理占比分别低2.44%和2.30%。

图1 不同处理下土壤团聚体分布Fig.1 Distribution of soil aggregates underdifferent treatments

由图1B可以看出，复种绿肥后>5 mm粒级和3～5 mm粒级各处理团聚体较小麦收获期有所增加。>5 mm粒级下，不同处理土壤团聚体占比变化依次为F80+G>F90+G>F100+G>F60+G>F70+G>F100>F0+G>F0+G0，其中F80+G处理占比最高，为17.35%。 3～5 mm粒级中，F100+G处理土壤团聚体含所占比例最高，F60+G处理次之，分别为5.05%和4.65%，F0+G0处理比例最低，为2.30%。0.25～0.5 mm粒级中，各处理之间差异较为显著，该粒级下土壤团聚体占比最高的为F100处理，F100+G与F70+G处理次之。其他粒级各个处理间差异不显著。

2.2 麦后复种绿肥对土壤总有机碳含量的影响

由图2可以看出，复种绿肥作物毛叶苕子土壤有机碳含量产生了一定的变化。在0～20 cm土层中，小麦播种前、拔节期和收获期，各处理间土壤有机碳含量无显著差异。在小麦分蘖期F60+G处理土壤有机碳含量显著高于F70+G、F0+G0和F100处理，土壤有机质含量为8.85 g·kg-1。小麦收获后复种毛叶苕子，各处理土壤有机碳含量在绿肥初花期有明显增加的趋势，较F100+G处理，F90+G和F0+G处理土壤有机碳含量显著增加，在F90+G处理下土壤有机碳的含量最高，为9.04 g·kg-1。

图2 不同处理下土壤有机碳含量Fig.2 Soil organic carbon content under different treatments

2.3 麦后复种绿肥对土壤团聚体碳含量的影响

绿肥的种植使得小麦田的土壤团聚体有机碳含量在不同时期和不同粒级上都发生了显著变化。如图3所示，在0～20 cm土层中，土壤团聚体有机碳含量随着粒级的增大而呈上升的趋势。>5 mm粒级下，绿肥初花期团聚体有机碳含量较小麦收获期有所提高，两个时期F70+G处理显著高于其他处理，F90+G次之，分别较收获期增加1.5 g·kg-1和1.0 g·kg-1；对比两个时期3～5 mm粒级变化情况，绿肥初花期各处理土壤团聚体有机碳含量分别提高2.7、0.5、1.5、0.6、0.3、0.1、0.1 g·kg-1和0.9 g·kg-1；在1～3 mm粒级中，两个时期土壤团聚体有机碳含量各处理之间无显著差异。0.5～1 mm粒级中，绿肥初花期较小麦收获期土壤团聚体有机碳含量增长幅度较小，各处理之间差异较为显著，其中小麦收获期F90+G处理含量最高为4.1 g·kg-1，绿肥初花期F80+G处理最高(5.1 g·kg-1)；0.25～0.5 mm粒级中，各处理之间土壤团聚体有机碳含量变化较大，其中F90+G处理的土壤团聚体有机碳含量在收获期和初花期均为最高，F0+G处理则变化最大，由小麦收获期的3.5 g·kg-1增加到绿肥初花期的4.6 g·kg-1。以上可以看出，在小麦收获期与绿肥初花期耕层(0～20 cm)土壤团聚体有机碳含量在>5 mm粒级下最高，3～5 mm粒级绿肥根茬还田的处理土壤团聚体有机碳含量有所增加，1～3 mm粒级下各处理间土壤团聚体有机碳含量差异不显著，0.25～0.5 mm粒级变化最为显著。

图3 不同处理下土壤团聚体有机碳含量Fig.3 Soil aggregate organic carbon contentunder different treatments

2.4 麦后复种绿肥对土壤团聚体碳富集的影响

富集系数(Enrichment coefficient)反映团聚体中该元素的富集强度。富集系数>1，表明碳元素优先积累，富集系数<1则表示优先分解，富集系数>3则表示强烈富集，当富集系数≥1.5时，则表示相对富集，0.5 ≤富集系数≤1.5，则表示处于同一水平，富集系数<0.5时，表示相对贫化，富集系数<0.1时为强烈贫化[16]。对比图4A和4B可以看出，富集系数集中在1.58～0.83，大多处理富集系数>1，处于优先积累状态。小麦收获期>5 mm富集系数除F100+G和F60+G，其余均>1，处于优先积累状态；在3～5 mm富集系数处理均>1，其中F70+G≥1.5，表示该处理在该粒级下为相对富集状态；1～3 mm、0.5～1 mm以及0.25～0.5 mm粒级中，F70+G的富集系数依然最高，处于相对富集状态，其他处理为>1为优先积累。

图4 不同处理下各粒级土壤有机碳富集系数Fig.4 Enrichment factors of soil organic carbonin different size fractions under different treatments

土壤团聚体富集系数在绿肥初花期多集中在>1，处于优先积累状态。>5 mm粒级富集系数中，F60+G和F100处理<1处于分解状态；在3～5 mm和1～3 mm粒级下初花期较收获期相比富集系数显著提高，均处于>1的积累状态；在0.5～1 mm粒级中，各处理间差异显著，F100+G和F80+G处理处于分解状态，其他处理依然高于1，处于积累状态且显著高于收获期富集系数；在0.25～0.5 mm粒级中，各处理富集系数变化较为明显，其中F90+G、F0+0和F100处理为分解状态，其他处理为积累状态。因此，种植绿肥可以一定程度提高土壤团聚体中富集系数，不同处理对不同粒级的影响不同。

2.5 麦后复种绿肥对土壤各粒级团聚体碳贡献率的影响

由图5可以看出，在小麦收获期和绿肥初花期各处理>0.5 mm粒级的团聚体有机碳贡献率占80%以上，其中>5 mm粒级有机碳贡献率最大，1～3 mm粒级有机碳贡献率最小；小麦收获期不同的处理之间，>5 mm粒级有机碳贡献率变化较大，F70+G处理贡献率为68%，而F90+G处理则为20%，其他粒级范围的有机碳贡献率变化较小。绿肥初花期除F70+G处理，其他处理在>5 mm粒级有机碳贡献率最大，F100+G、F80+G和F0+G处理在0.5～1 mm粒级有机碳贡献率最小，F90+G、F70+G、F60+G及F100处理在3～1 mm粒级有机碳贡献率最小，而F0+G0处理在这两个粒级下贡献率相同，为12%。不同处理间，F70+G处理的贡献率变化范围较其他处理大，同粒级相比，F70+G处理在0.5～0.25 mm显著高于其他处理的有机碳贡献率，高达28%，而在>5 mm粒级，F70+G处理的有机碳贡献率最低，为20%，F80+G处理有机碳贡献率最高，为63%，其他处理各粒级间有机碳贡献率变化范围较小。对比小麦收获与绿肥初花两个时期可知，复种绿肥后对土壤有机碳贡献率有显著影响。

图5 不同处理下各粒级土壤团聚体有机碳贡献率Fig.5 Contribution rate of soil aggregate organic carbonin different size fractions under different treatments

3 讨 论

3.1 麦后复种绿肥对土壤团聚体粒径分布的影响

化肥与绿肥配施可提高>0.25 mm 粒级团聚体所占比例，可显著增加土壤中大粒级有机碳含量[17]，同时，土壤团聚体含量与>5mm粒级的团聚体所占的比例呈正相关。本研究发现，与不施肥的F0+G0处理相比，无论单施化肥还是化肥与绿肥配施，均不同程度地提高了土壤团聚体有机碳含量，其中F80+G变化幅度最大，这与刘科恩等[18]研究得出大粒级团聚体(>0.25 mm粒级)有机碳含量增加与长期有机肥配施化肥密切相关一致。与本研究结果相似，高菊生等[19]研究发现，秸秆与化肥配施可使土壤团聚体稳定性得到提升。由此可知，化肥与绿肥配施可以有效促进土壤团聚体的形成，从而起到保护土壤中有机质的作用。

3.2 麦后复种绿肥对土壤有机碳的影响

土壤有机碳作为土壤的重要组成部分，对于土壤的结构、碳循环以及农业可持续发展起着重要作用[20]。土壤有机碳含量易受外界有机物料的影响，在短时间内为土壤提供大量的有机物质，提升有机碳库的固碳能力，从而达到增加土壤有机碳含量的目的。而单施化肥对土壤有机碳含量的影响不显著[21-22]，耕层土壤有机碳含量靠单一的施肥方法无法保持。本试验基于青海麦后复种绿肥10 a的长期定位试验，研究发现复种绿肥有利于增加表层(0～20 cm)土壤有机碳含量。本研究表明，复种绿肥后土壤有机碳含量显著高于复种绿肥前，在氮肥与绿肥配施下，各处理有机碳含量均有不同程度的提高，其中F70%+G处理下土壤的有机碳含量增幅最大，这与李红燕[23]等关于复种豆科绿肥显著提高双季稻土壤有机质含量的研究结果一致。另外，相关研究表明豆科植物翻压后除显著提高土壤有机碳含量外，还能提升土壤全氮含量，增加土壤有效磷、速效钾的活性[24-26]。综上所述，复种绿肥后可以较好地改善土壤质量，增加土壤有机碳含量，影响土壤有机碳的结构与功能。

3.3 麦后复种绿肥对土壤团聚体碳含量的影响

土壤团聚体作为土壤结构中的物质基础，其结构和性质对土壤质量有直接影响。对此，国内外学者针对绿肥还田对土壤有机碳、团聚体有机碳的分布及其固持特征等展开了大量的研究。研究发现，土壤团聚体有机碳含量与粒级有密切关系[27]，本研究发现在0～20 cm土层中，无论是小麦收获期还是绿肥初花期，均是团聚体>5 mm 粒级的有机碳含量最高，在0.25～0.5 mm粒级，各处理之间的差异性最大。对比复种绿肥前后两个时期，从毛叶苕子复种后到初花期，土壤团聚体含量有显著提高，这与李晓莎[28]研究发现秸秆还田增加了团聚体数量，并提高团聚体吸附碳库的能力一致。有机碳主要分布在大粒级(>0.25 mm)团聚体上[29]，但本研究中则在>5 mm粒级上团聚体有机碳含量最高，1～3 mm粒级团聚体有机碳含量最低，这可能是由于>5 mm粒级表面积较大，使有机碳得到更好固定，导致其土壤团聚体中有机碳含量显著高于其他4个粒级。

3.4 麦后复种绿肥对土壤团聚体有机碳富集的影响

有研究表明[30]，绿肥-化肥配施以及绿肥还田等方式能显著增加土壤有机碳含量和富集系数。有机碳的富集系数随粒级的变化而变化，各粒级的土壤有机碳富集系数在0.83与1.58之间。在>5 mm 粒级中，大多数处理的富集系数>1，在1～3 mm粒级和0.25～0.5 mm粒级时，均达到1，处于积累状态，富集系数未达到1的处理说明其处于优先分解状态。由不同处理可见，种植毛叶苕子后，可以在一定程度上影响土壤团聚体的有机碳富集系数。

3.5 麦后复种绿肥对土壤各粒级团聚体碳贡献率的影响

前人研究[31-32]得出，大粒级的团聚体贡献率占比80%以上，化肥与绿肥配施使土壤中的有机碳含量增加，贡献率也随之增加。本试验发现，>5 mm粒级的贡献率最大，1～3 mm粒级的有机碳贡献率最小。从小麦收获期复种绿肥，到绿肥初花期各处理小粒径的贡献率均显著增加，这与尹云峰等[33]的研究结果一致。由此可见，复种绿肥后可改变大粒级土壤团聚体与小粒级团聚体碳含量之间贡献率，从而为土壤固碳提供一定基础，且为土壤提供的贡献率较大，为达到土壤固碳提供一定基础。

4 结 论

麦后复种毛叶苕子配施化肥增加了土壤有机碳含量，由播种前的7.45～8.25 g·kg-1，增加到了8.45～9.35 g·kg-1；0～20 cm土层的团聚体含量及其稳定性显著提高，其中F80+G增幅最大为17.35 g·kg-1；土壤团聚体各粒级有机碳含量显著增加，其中，大粒级团聚体含量显著高于微团聚体，同时贡献率也最大，表明种植毛叶苕子有利于提高土壤团聚体有机碳的贡献率，对土壤有良好的改善作用。