禾本科绿肥还田对盐碱地棉田土壤碳氮及微生物量碳氮的影响*

王敬宽,高枫舒,张楷悦,李 帅,柳新伟

(青岛农业大学资源与环境学院 青岛 266109)

山东省盐碱地总面积约为5.9×105hm2,主要集中分布在黄河三角洲区域[1]。盐碱地土壤的理化和生物学性质差,土壤养分的有效性低、释放慢且土壤通气性差,不利于土壤微生物的活动和土壤良性发育,从而造成生产力水平低,对生态安全和耕地保障等均有重要影响[2-3]。因而盐碱地农田多采用一年一作耕种制度,普遍存在冬季空闲现象,所以充分利用盐碱地冬闲农田是获得更高经济效益和生态效益的有效措施,是农业绿色发展的重要一环。而冬闲农田种植绿肥可以充分利用土地和光热资源,改良盐碱地[4],改善土壤的各项物理性状[5],提高土壤有机质和各种矿质养分含量[6]; 绿肥翻压还田后还能够增加土壤微生物数量和微生物多样性,影响土壤微生物活性[7]。

土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)与全氮(total nitrogen,TN)是衡量土壤质量的重要指标,能够通过调节土壤微生物多样性调控土壤养分循环[8]。研究表明,翻压绿肥能显著提高TN、有机质和速效钾等土壤养分含量,为土壤微生物提供大量可利用的营养物质,有利于土壤微生物加快生长繁殖[9-10]。土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon,SMBC)和氮(soil microbial biomass nitrogen,SMBN)是土壤中最活跃的碳库和氮库之一,在土壤养分转化和能量循环中起重要作用[11-12]。马艳芹等[13]研究认为紫云英(Astragalus sinicusL.)绿肥还田后能够显著增加稻田SMBC和SMBN,在配施氮肥的情况下效果更好;同样朱小梅等[14]研究发现在不同施肥处理下翻压田菁[Sesbania cannabina(Retz.) Poir.]对滩涂SMBC 和SMBN 有较好效果。而土壤微生物熵(soil microbial quotient,SMQ)可反映土壤微生物对SOC 的利用效率,SMQ 越高,说明底物碳的可利用度或被微生物固定的SOC 的比例越高,SOC 周转越快[15]。有研究发现,冬绿肥还田处理的SMBC、SMQ 结果均高于冬闲处理[16]。土壤微生物量碳氮比(SMBC/SMBN)值的高低可以描述微生物的群落组成和结构信息[17],SMBC/SMBN 值较高时代表土壤中真菌占主导地位,较低时则代表细菌所占比重较大[18]。赵炯平等[19]研究发现禾本科(Poaceae Barnhart)绿肥翻压还田后提高土壤有机质的效果较好,尤其以普通黑麦草(Lolium perenneL.)提高土壤有机质幅度最大,而豆科(Fabaceae Lindl.)绿肥提高土壤碱解氮、有效磷和速效钾的效果较好; 同样还有研究表明,黑麦草和蚕豆(Vicia fabaL.)翻压后土壤有机质含量提高较为显著,但蚕豆对TN 含量提高更为显著[20]。安晨等[21]研究发现,大麦(Hordeum vulgareL.)在沼液替代氮肥情况下均可大幅提高土壤有机质和TN 含量,可作为新型绿肥使用。大多数研究主要以豆科绿肥为研究对象,而北方滨海盐碱土区冬闲农田易受低温、高盐的影响不利于豆科绿肥生长,禾本科植物则因抗逆性较强[22],尤其是黑麦草具有重度耐盐的特点[23],可在此条件下生长良好,但对此还田后引起的土壤碳氮及微生物碳氮的影响则相对缺乏系统研究。

本研究以耐低温、耐盐碱的黑麦草‘冬牧70’和大麦‘驻大麦4 号’为供试品种,探究绿肥还田对盐碱地棉田土壤碳氮和微生物量碳氮含量的影响,以期为盐碱土地区冬闲农田绿肥种植还田和增加该地区土壤碳、氮养分及调节土壤微生物多样性提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山东省东营市利津县汀罗镇毛坨村(37°48′7″N、118°29′14″E)。该地区属暖温带半湿润季风气候,多年平均气温为12.1 ℃,年平均降水量600～650 mm,降水季节分布不均匀且多集中在7-8月,多暴雨,易造成旱涝灾害。本试验于2018年10月开始,为绿肥-棉花轮作试验,供试土壤为滨海盐渍土,pH 8.86,有机质10.25 g·kg-1,碱解氮55.31 mg·kg-1,有效磷10.29 mg·kg-1,速效钾140.63 mg·kg-1,盐分27.7 g·kg-1。

1.2 试验设计

供试绿肥为黑麦草‘冬牧70’和大麦‘驻大麦4 号’,前茬作物为棉花(Gossypiumspp.),收获后棉花秸秆粉碎还田。设冬闲-棉花(T1)、黑麦草-棉花(T2)和大麦-棉花(T3)共3 个处理,每个处理3 次重复,共9 个小区,随机区组排列,小区面积为7 m×10 m。2018年10月20日播种绿肥,播种量均为225 kg·hm-2,行距为15 cm,绿肥生长期间不施肥。2019年4月28日将绿肥用小型机械粉碎并翻压还田,粉碎程度为(3.0±0.5) cm,还田深度为10～20 cm。绿肥还田干物质量分别为黑麦草7027.65 kg·hm-2、大麦6688.43 kg·hm-2; 基本养分为黑麦草全碳577.41 g·kg-1、全氮16.99 g·kg-1,大麦全碳564.42 g·kg-1、全氮17.54 g·kg-1。于2019年4月30日种植棉花,供试棉花品种为‘鲁棉研28 号’,播种量为15 kg·hm-2,行距60 cm,株距16 cm,按常规棉田管理,其中施基肥为纯氮75 kg·hm-2、五氧化二磷27 kg·hm-2、氧化钾60 kg·hm-2,棉花生育期内不追肥。

1.3 样品采集与测定方法

分别于绿肥还田后15 d、50 d、110 d 和180 d共采集4 次棉田0～20 cm 土壤样品,每个小区以五点法取样,剔除植物残茬、根系和石块等杂物,混合装袋后放入保温箱运回实验室保存于4 ℃冰箱内,用于测定SMBC 和SMBN 含量,剩余土壤样品自然风干研磨后过筛用于SOC 和TN 含量的测定。

SOC 采用重铬酸钾外加热法测定,TN 采用半微量凯氏定氮法测定,SMBC 和SMBN 采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法进行测定。

1.4 数据处理与分析

式中:EC、EN为熏蒸和未熏蒸土壤的差值,mg·kg-1;kEC、kEN为转换系数,kEC取值0.38,kEN取值为0.45。

采用Excel 2019 和SPSS 19.0 进行数据处理和统计分析,用Origin 2018 软件绘制图形。

2 结果与分析

2.1 禾本科绿肥还田对土壤有机碳(SOC)和土壤全氮(TN)含量的影响

2.1.1 对土壤有机碳(SOC)含量的影响

图1A 是绿肥还田后SOC 含量动态,T1 的SOC含量变化较小,4 个时期分别为6.41 g·kg-1、6.22 g·kg-1、6.69 g·kg-1和7.33 g·kg-1; 而T2 和T3 的SOC含量均呈现逐步增加趋势,从开始的6.90 g·kg-1和6.96 g·kg-1分别增加到9.50 g·kg-1和9.91g·kg-1,增加37.68%和42.39%,差异显著(P＜0.05)。进一步比较相同时期不同处理的SOC 含量可以发现T2 和T3皆显著高于T1 (P＜0.05)。15 d 时,T2 和T3 较T1 分别高7.64%和8.58%; 50 d 时,T2 和T3 较T1 分别高26.69%和14.95%,且T2 显著高于T3 (P＜0.05); 110 d 时,T2 和T3 较T1 分别高20.18%和15.25%; 180 d 时,T2 和T3 较T1 分别高29.60%和35.20%,此时T3 显著高于T2 (P＜0.05)。由此说明绿肥还田因增加了盐碱地土壤有机物质归还量,从而使SOC 含量增加。

2.1.2 对土壤全氮(TN)含量的影响

从图1B 可以看出,T1 的TN 含量变化较小,4 个时期分别为622.82 mg·kg-1、654.23 mg·kg-1、637.99 mg·kg-1和624.81 mg·kg-1,无显著差异; 而T2 和T3的TN 含量均呈波动增加趋势,从开始时的656.77 mg·kg-1和632.72 mg·kg-1增加到798.84 mg·kg-1和759.34 mg·kg-1,分别增加21.63%和20.01%,除110 d与15 d 外,不同时期间差异显著(P＜0.05)。进一步比较相同时期不同处理的TN 含量,可以发现各时期T2 和T3 均高于T1。15 d 时,T2 和T3 较T1 分别高5.45%和1.59%,且T2 显著高于T3 (P＜0.05); 50 d时,T2 和T3 较T1 分别高11.14%和7.85%; 110 d 时,T2 和T3 较T1 分别高6.48%和2.52%,但3 个处理之间差异不显著; 180 d 时,T2 和T3 较T1 分别高27.85%和21.53%,此时T2 显著高于T3 (P＜0.05)。结果表明随着绿肥还田后天数的增加,盐碱地土壤TN 总体呈增加趋势。

图1 禾本科绿肥还田后土壤有机碳(A)和土壤全氮(B)含量的变化Fig.1 Dynamics of soil organic carbon (A) and soil total nitrogen (B) contents after returning Graminaceous green manure to field

2.2 禾本科绿肥还田对土壤微生物量碳(SMBC)和土壤微生物量氮(SMBN)含量的影响

2.2.1 对土壤微生物量碳(SMBC)含量的影响

图2A 是绿肥还田后SMBC 含量动态,还田后4个时期,T1 的SMBC 含量变化不大,在50 d 时达最大值120.05 mg·kg-1,此后有所降低; 而T2 和T3 波动较大,但均在50 d 时分别达最大值217.84 mg·kg-1和212.88 mg·kg-1,110 d 时均为最低值91.42 mg·kg-1和89.27 mg·kg-1,各时期间差异显著(P＜0.05)。相同时期不同处理的SMBC 含量除110 d 外,其余时期都表现为T2 和T3 的SMBC 含量显著高于T1 (P＜0.05);15 d 时T2 和T3 较T1 分别高79.82 %和77.54 %,50 d时T2 和T3 较T1 分别高81.46%和77.33%,110 d 时T2 和T3 分别较T1 降低16.23%和18.20%,180 d 时T2 和T3 较T1 分别高50.08%和35.56%。不同绿肥还田影响SMBC 含量,T2 和T3 前期无显著差异,180 d时T2 显著高于T3 (P＜0.05)。

图2 禾本科绿肥还田后土壤微生物量碳(A)和微生物量氮(B)含量的变化Fig.2 Dynamics of soil microbial biomass carbon (A) and nitrogen (B) contents after returning Graminaceous green manure to field

2.2.2 对土壤微生物量氮(SMBN)含量的影响

从图2B 可以看出,绿肥还田后的4 个时期,T1的SMBN 含量变化不大; 而T2 和T3 的SMBN 含量在50 d 时分别达最大值34.51 mg·kg-1和33.43 mg·kg-1,110 d 时均为最低值19.03 mg·kg-1和18.08 mg·kg-1,此时与其他3 个时期均存在显著性差异(P＜0.05)。相同时期不同处理间比较可以发现,除110 d 外,T2 和T3 皆显著高于T1,其中T2 比T1 高43.02%～48.26%,T3 比T1 高31.68%～43.13%,且T2均高于T3; 110 d 时,T2 和T3 较T1 分别降低8.24%和12.82% (P＜0.05)。由图2可见,在绿肥还田整个时期,SMBN 与SMBC 含量的时期变化基本保持同步。

2.3 禾本科绿肥还田对土壤微生物熵(SMQ)的影响

SMBC 占SOC 含量的百分比为土壤微生物熵(SMQ),一般SMQ 的值为1%～4%,反映了土壤中活性有机碳所占的比例,是表征土壤微生物固碳效益的指标。由图3可以看出,绿肥还田后各处理的SMQ 均为1.0%～3.0%,其中T1 变化相对平稳,除50 d 时显著高于其他3 个时期,其余各时期间无显著差异; 而T2 和T3 则呈现前期稳定后期降低的趋势,两个处理15 d 和50 d 的SMQ 都显著高于110 d 和180 d (P＜0.05)。对比相同时期不同处理可以发现,15 d时T2 和T3 的SMQ 显著高于T1,分别高66.85%和63.37% (P＜0.05),且T2 的SMQ 在此时达最大值2.82%; 50 d 时T2 和T3 的SMQ 比T1 分别高42.95%和54.06% (P＜0.05),且T3 的SMQ 在此时达最大值2.98%并显著高于T2 (P＜0.05); 110 d 时,T2 和T3 的SMQ 均显著低于T1,分别降低30.40%和29.17%(P＜0.05),此时T2 和T3 的SMQ 降到最低值,分别为1.14%和1.16%; 180 d 时T2 显著高于T1 和T3 (P＜0.05)。从绿肥还田后4 次取样的平均值来看,T2 对盐碱地SMQ 提高效果更明显,其值平均为2.15%。

图3 禾本科绿肥还田后土壤微生物熵的变化Fig.3 Dynamics of soil microbial quotient after returning Graminaceous green manure to field

2.4 禾本科绿肥还田对SMBC/SMBN 值的影响

绿肥还田条件下,土壤微生物量碳氮的变化也会引起SMBC/SMBN 值的变化。由图4可以看出,绿肥还田后各时期SMBC/SMBN 值表现出一定的波动,T1、T2 和T3 处理4 次取样的平均值分别为5.29、5.79 和5.86,表现为T2 和T3 的SMBC/SMBN 值较T1 高。T1 处理下SMBC/SMBN 值在绿肥还田后各时期呈逐渐上升的趋势,在180 d 时达最大值5.92;T2 和T3 处理下SMBC/SMBN 值呈同步性变化,均在50 d 时达最大值6.32 和6.37,110 d 时下降到最小值4.83 和4.94; 180 d 时3 种处理的SMBC/SMBN 值差异变小,顺序表现为T2＞T3＞T1。整体而言,绿肥还田可以提高盐碱地SMBC/SMBN 值,但随还田时间延长差异变小,且3 种处理的SMBC/SMBN 值在绿肥还田后各时期均小于7。

图4 绿肥还田对SMBC/SMBN 值的影响Fig.4 Dynamics of ratios of soil microbial carbon to nitrogen after returning Graminaceous green manure to field

2.5 盐碱土壤碳氮各指标间的相关性

将土壤碳氮各指标进行相关性分析,由表1可以看出,SOC 含量与TN 含量极显著正相关(P＜0.01),SMBC 含量与SMBN 含量、SMQ 和SMBC/SMBN值呈极显著性正相关(P＜0.01),SMBN 含量与SMQ和SMBC/SMBN值呈极显著性正相关(P＜0.01),SMQ与SMBC/SMBN 值呈极显著正相关(P＜0.01); 其中SMBC 含量与SMBN 含量的相关性最高,达0.98 以上。可见,无论是SOC 与TN 还是SMBC 与SMBN之间均存在极显著性正相关关系,说明土壤碳氮之间紧密相连,尤其是绿肥还田后为土壤微生物提供了新的碳源,使土壤微生物数量增加,同时对氮素的固持能力相应增加。

表1 土壤碳氮各指标间的相关性Table 1 Correlation among soil carbon and nitrogen indexes

3 讨论

3.1 绿肥还田对土壤碳氮和微生物量碳氮含量的影响

土壤碳氮和土壤微生物量碳氮是评估土壤质量和土壤活性养分的重要指标。本研究结果表明,盐碱地冬闲农田种植黑麦草和大麦两种绿肥植物并于次年翻压还田对棉花生育期SOC、STN、SMBC 和SMBN 含量均有不同程度的提升,且相较于冬闲对照具有显著性差异; 同时从整个绿肥还田腐解时期看,黑麦草处理对盐碱地棉田土壤的各项指标普遍优于大麦处理,可能是由于黑麦草还田时干物质量较大麦多,在腐解过程中释放的养分更多。郭耀东等[24]研究发现种植和翻压绿肥可以提高土壤含水量,降低土壤pH 和EC,提升土壤有机质含量和N、P2O5、K2O 养分含量,显著提高土壤肥力,可有效改良中度苏打盐碱地。在绿肥还田各时期,黑麦草和大麦处理的SOC 和TN 含量均高于冬闲对照处理,可能是由于绿肥还田在腐解过程中增加了土壤有机质含量,为土壤微生物提供了充足碳源,促进了土壤养分循环和氮素的转化,从而促使SOC 和TN 含量增加,且两者之间呈显著性正相关,这与Jesus 等[25]研究结果相一致。王丹英等[26]研究指出,将紫云英和油菜当做绿肥种植并翻压后,不仅能够显著提高SOC 和TN 含量,还能显著提高土壤碱解氮含量。还有研究表明[27],绿肥翻压还田对氮素转化和微环境都有积极的影响,不仅提高了氮素供应能力,还减少了土壤氮素淋溶,降低了化肥氮素投入。

在绿肥还田各时期,黑麦草和大麦处理的SMBC和SMBN 含量保持同步变化,呈极显著正相关,均在绿肥还田前期逐渐增加且在50 d 时达最大值,在110 d时降低到最低值,且低于冬闲对照处理。原因可能是绿肥还田前期腐解快,养分释放也比较快[28],明显增加了土壤有效养分含量,使微生物数量增加,活性增强,为微生物的生命活动提供了良好的生活环境和物质供应[29-30],因此还田前50 d 微生物量增加; 而到110 d 时,绿肥腐解速率变慢,秸秆中容易分解的部分已经腐解完,剩下的纤维素、半纤维素、木质素等较难分解,导致微生物活性降低,且此时正值雨季,水淹、高温等自然环境因素也可能导致微生物活性降低,因此SMBC 和SMBN 含量降低。不管是黑麦草和大麦处理还是冬闲对照处理的土壤微生物量在180 d 时较110 d 时增加,这可能是由于土壤微生物与棉花植株根系生长发育、生理活性紧密联系,棉花根系产生的分泌物和脱落物等物质起营养物质的作用,促进了土壤微生物群落的生命活动及生长繁殖[31],从而造成土壤微生物数量、活性以及生物量的增加。

3.2 绿肥还田对SMQ 和SMBC/SMBN 值的影响

SMQ 和SMBC/SMBN 值分别是表征土壤微生物固碳效益的指标和土壤微生物群落结构的指标[14]。本研究中各处理的SMQ 和SMBC/SMBN 值在绿肥还田后各时期有一定的波动,但均维持在一定范围内,这主要与SOC、SMBC 和SMBN 含量的变化相关。在绿肥还田各时期,黑麦草和大麦还田处理较对照整体提高了SMQ,同时SMQ 与SMBC 含量的季节性变化基本一致,这与张帆等[32]冬季作物还田后对稻田SMQ 的研究结果相同,其中黑麦草更是显著提高了稻田SMQ。刘守龙等[33]研究认为,在土壤中投入有机物也可以提高SMQ。一般来说,从土壤中分离出的微生物,真菌的碳氮比值通常为7～12,细菌为3～6[34]。本研究条件下,3 种处理的SMBC/SMBN值在绿肥还田后各时期均在4～7 之间,说明盐碱地土壤中微生物群落以细菌为主。

从绿肥还田整个时期看,黑麦草和大麦还田处理SMBC/SMBN 值高于对照,这与朱小梅等[14]的研究田菁翻压还田后SMBC/SMBN 值较种植前降低的结果稍有不同,可能与绿肥种类和施用生物有机肥有关[35]。而同样有研究表明[36],秸秆还田可以减缓肥料对SMBC/SMBN 值的降低效应。绿肥还田对SMQ和SMBC/SMBN 值的影响是一个复杂过程,由于绿肥种类、试验条件和外界因素的不同,土壤微生物对绿肥的响应也不同。无论是绿肥还田、秸秆添加,还是施用有机肥料,其作用并不是单纯提高或降低SMQ 和SMBC/SMBN 值,而是通过改善盐碱土壤的理化性质,调节微生物多样性,提高土壤微生物固碳效应,维持土壤微生物群落结构的平衡与稳定。因此,关于绿肥还田对盐碱地土壤微生物的影响还需进一步研究。

4 结论

1)对于盐碱地区的冬闲农田,种植黑麦草和大麦绿肥并翻压还田,可以提高还田后各时期棉田SOC 和TN 含量,以改善盐碱地土壤质量和土壤活性养分,且与冬闲对照形成显著性差异,但黑麦草的效果更好。

2)黑麦草和大麦绿肥在还田后总体增加了棉田SMBC 和SMBN 含量,从而提高SOC 和TN 养分有效性,特别是在绿肥还田50 d 内,绿肥快速腐解释放养分,与冬闲对照相比差异均达显著水平,其中黑麦草对SMBC 及SMBN 的作用更为显著。

3)根据SMQ 和SMBC/SMBN 值,可以判断黑麦草和大麦绿肥还田后对盐碱地土壤微生物固碳效应更好,并发现盐碱地土壤中微生物群落以细菌为主。