杜 威王紫泉和文祥，2?高亞軍，2曹衛(wèi)東

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100 ）

（2 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100 ）

（3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081 ）

豆科綠肥對(duì)渭北旱塬土壤養(yǎng)分及生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征影響*

杜 威1王紫泉1和文祥1，2?高亞軍1，2曹衛(wèi)東3

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100 ）

（2 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100 ）

（3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081 ）

渭北旱塬是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，但土壤貧瘠、水土流失嚴(yán)重，亟需培肥土壤、改善生態(tài)環(huán)境。為探究渭北旱塬地區(qū)夏閑期種植并翻壓豆科綠肥后土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的變化規(guī)律，采用田間定位試驗(yàn)，分別設(shè)置了3種豆科綠肥（綠豆、大豆和長(zhǎng)武懷豆）和4個(gè)施氮水平，連續(xù)6年種植并翻壓綠肥后，分析了土壤中養(yǎng)分含量，采用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法計(jì)算了不同條件下的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值。結(jié)果表明：與對(duì)照（休閑）處理相比，長(zhǎng)期種植并翻壓豆科綠肥能顯著提高土壤有機(jī)碳、全氮和堿解氮等養(yǎng)分指標(biāo)含量，3種養(yǎng)分分別提高了4.47%～15.35%、5.21%～6.25%和11.00%～14.35%，且均以懷豆處理提升效果最佳。翻壓綠肥短期內(nèi)（2周后），土壤全氮含量的提升幅度大于有機(jī)碳和堿解氮。懷豆處理的有機(jī)碳、全氮、堿解氮、全磷和有效磷含量在短期和長(zhǎng)期內(nèi)均顯著升高，培肥效果最為明顯。翻壓綠肥后，短期內(nèi)土壤C∶N降低，但從長(zhǎng)期效應(yīng)來(lái)看，翻壓綠肥提高了土壤C∶N，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，能有效改善土壤養(yǎng)分平衡狀態(tài)。土壤C∶P和N∶P與土壤C、N含量變化關(guān)系較為密切。夏閑期長(zhǎng)期種植并翻壓綠肥明顯改善了土壤碳、氮養(yǎng)分狀況，是渭北旱塬地區(qū)土壤培肥的有效措施。

渭北旱塬；綠肥；C∶N；C∶P；N∶P

渭北旱塬地處黃土高原南部臺(tái)塬和殘塬溝壑區(qū)，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降水偏少、水土流失嚴(yán)重、土壤貧瘠是該地區(qū)的氣候和生態(tài)特征。該地區(qū)土地利用方式比較單一，種植制度為一年一熟或兩年三熟，糧食作物主要為小麥和玉米，經(jīng)濟(jì)作物則以蘋果為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)夏季休閑地約占當(dāng)?shù)馗氐?2.8%，夏閑期長(zhǎng)達(dá)70～100 d，嚴(yán)重浪費(fèi)了光熱資源，并且由于缺乏植被覆蓋而不利于土壤水分保蓄，夏閑地貯水量?jī)H為同期降水量的30%左右［1］。

土壤肥力是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)［2］，維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)需要重視土壤中的養(yǎng)分儲(chǔ)備，從而為物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)創(chuàng)造良好的協(xié)同環(huán)境。渭北黃土旱塬區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)與土壤水分含量較低，從而出現(xiàn)了肥料利用率不高、土壤硝態(tài)氮累積等現(xiàn)象［3］，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，培肥土壤、提高土地和氣候資源利用率是渭北旱塬地區(qū)亟待解決的問(wèn)題［4］。

綠肥具有培肥地力、改善生態(tài)環(huán)境和固氮減碳的作用，能夠改良瘠薄土壤，提高土地利用率［5］。研究表明，施用有機(jī)肥能有效提高土壤微生物活性，達(dá)到改良土壤物理性狀、提升土壤有機(jī)質(zhì)含量等效果［6-7］。其中，尤其以種植并翻壓豆科綠肥所獲得的生態(tài)與社會(huì)效益最為顯著［5］。種植并翻壓豆科綠肥能明顯減少土壤侵蝕、改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤肥力、減少作物的連作障礙及確保后茬作物的產(chǎn)量與品質(zhì)［8］。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡與多重化學(xué)元素平衡的科學(xué)，主要強(qiáng)調(diào)碳（C）、氮（N）、磷（P）3種主要組成元素的關(guān)系［9］。借助生態(tài)化學(xué)計(jì)量比值這一工具，研究C、N、P循環(huán)和平衡機(jī)制，有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程影響因素及其作用機(jī)制。國(guó)外對(duì)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究領(lǐng)域較為廣泛，包括消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)的養(yǎng)分循環(huán)、生物的養(yǎng)分限制、種群動(dòng)態(tài)、森林演替與衰退以及生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供應(yīng)與需求的平衡等方面［9］。中國(guó)學(xué)者的研究主要集中于植物組織C、 N、 P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征方面，對(duì)森林、草原及濕地土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征也有一定研究［10-13］，但是對(duì)農(nóng)田土壤的關(guān)注則相對(duì)較少。由于種植和施肥等管理措施的不同，農(nóng)田土壤C、N、P等養(yǎng)分狀況容易失衡，養(yǎng)分的失衡則會(huì)限制土壤生產(chǎn)力。運(yùn)用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論指導(dǎo)土壤養(yǎng)分管理，可為農(nóng)田土壤培肥和維持較高的生產(chǎn)力提供一定的指導(dǎo)。因此，近年來(lái)，一些研究也開始將生態(tài)化學(xué)計(jì)量的理論用于農(nóng)田土壤的生產(chǎn)與管理。例如，楊軍偉等［14］通過(guò)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期植煙土壤有機(jī)碳大量消耗，土壤C∶N、C∶P顯著下降，導(dǎo)致土壤退化，生產(chǎn)力降低，并建議施用有機(jī)肥培肥土壤。張雅蓉等［15］對(duì)長(zhǎng)期施肥土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的研究表明，有機(jī)和無(wú)機(jī)肥料配施能夠較好地維持土壤養(yǎng)分平衡，提升土壤肥力?？梢姡鷳B(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論有助于更好地進(jìn)行農(nóng)田生產(chǎn)管理。

本文通過(guò)研究渭北旱塬夏閑期長(zhǎng)期翻壓豆科綠肥對(duì)旱地土壤C、N、P養(yǎng)分含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響，為渭北旱塬區(qū)土壤有效利用及培肥提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于黃土高原中南部的陜西省長(zhǎng)武縣丁家鎮(zhèn)十里鋪村（107°44′703″E，35°12′787″N），海拔1 220 m，該地區(qū)地勢(shì)平坦，屬于西北內(nèi)陸暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季冷暖干濕分明，年均氣溫9.1℃，無(wú)霜期171 d。熱量豐富，年均日照2 227 h，積溫2 994℃，年均降水588 mm，且季節(jié)性分布不均，多集中于夏秋季節(jié)，雨熱同季。

試驗(yàn)地土壤為黃蓋黏黑壚土（堆墊干潤(rùn)均腐土，Cumuli-Ustic Isohumosols），母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土，土層深厚，全剖面土質(zhì)均勻疏松，通透性好，肥力中等。試驗(yàn)前土壤有機(jī)碳含量為6.96 g kg-1，全氮0.79 g kg-1，全磷0.66 g kg-1，堿解氮13.74 mg kg-1，有效磷24.6 mg kg-1，速效鉀161.39 mg kg-1，pH 8.11。試驗(yàn)區(qū)耕層土壤大多貧氮少磷，鉀素豐富。研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴生育期的天然降水和前期土壤蓄水，屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括4種處理：休閑、綠豆（Phaseolus radiatus L.）、大豆［Glycine max（L.）Merr.］和長(zhǎng)武懷豆（Glycine ussuriensis Regel et Maack）；冬小麥（Triticum aestivum L.）生長(zhǎng)季施氮量設(shè)4個(gè)水平，即N0：不施氮肥、N1：當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量80%（108 kg hm-2）、N2：當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量（135 kg hm-2）、N3：當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量 120%（162 kg hm-2）。完全方案，共16個(gè)處理，田間排列采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以豆科綠肥為主區(qū)，施氮量為副區(qū)，重復(fù)3次，副區(qū)面積5 m×6 m = 30 m2，小區(qū)間寬30 cm。

本試驗(yàn)為2008年開始的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，每年6月底收獲完小麥后立即播種綠肥，9月中旬收獲并將綠肥切碎翻壓于土壤中，翻壓深度20 cm，翻壓量約2 500 kg hm-2（以鮮重計(jì)）。10月初播種冬小麥，氮肥在冬小麥播前一次性施入，同時(shí)施用P2O5120 kg hm-2；小麥?zhǔn)斋@后施用 P2O540 kg hm-2。

1.3 土壤樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

分別在2014年6月（小麥?zhǔn)斋@后）和9月（綠肥翻壓2 周后），以五點(diǎn)法采集耕層0～20 cm土樣，土樣過(guò)篩后測(cè)定土壤養(yǎng)分指標(biāo)。有機(jī)碳用外加熱法，全氮用凱氏法，全磷用NaOH熔融―鉬銻抗比色法，堿解氮用堿解擴(kuò)散法，有效磷用NaHCO3提取―鉬銻抗比色法［16］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究中土壤C∶N∶P比值為元素質(zhì)量比。采用Microsoft Excel 2010和DPS7.55軟件分析數(shù)據(jù)，顯著性分析采用最小顯著差異法（LSD法）。

2 結(jié) 果

2.1 小麥?zhǔn)斋@和綠肥翻壓后土壤養(yǎng)分特征

土壤有機(jī)碳在改善土壤結(jié)構(gòu)及保持土壤質(zhì)量等方面有重要作用，其含量能有效表征土壤肥力的高低［17］。表1顯示，小麥?zhǔn)斋@后，各處理有機(jī)碳含量在8.39～10.61 g kg-1之間變化，其中，綠肥處理有機(jī)碳含量均值顯著高于休閑處理，且三種綠肥之間差異顯著，其含量均值大小順序?yàn)閼讯梗?0.07）＞大豆（9.62）＞綠豆（9.12）＞休閑（8.73），表明長(zhǎng)期種植并翻壓綠肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量有顯著影響。與N0處理相比，三種不同施氮量處理的有機(jī)碳含量均值均無(wú)顯著變化，且N3處理的有機(jī)碳含量（9.58）最高。翻壓綠肥后，有機(jī)碳含量在9.18～10.65 g kg-1之間波動(dòng)（表2）。與休閑處理相比，綠豆和懷豆處理顯著提高了有機(jī)碳含量，大豆處理提升效果不明顯，均值大小順序是懷豆（10.55）＞綠豆（10.10）＞大豆（9.80）≈休閑（9.59）。施用氮肥處理的有機(jī)碳含量均值均顯著高于N0處理，有機(jī)碳含量最大的是N2處理（10.30）。與休閑處理相比，翻壓前綠肥處理土壤有機(jī)碳增幅為4.47%～15.35%，翻壓后增幅為2.19%～10.01%，后者較前者小，且翻壓前后懷豆處理的提升效果均最好。

土壤全氮是供應(yīng)植物有效氮素的源和庫(kù)，綜合反映了土壤氮素狀況，不同的土地利用方式會(huì)影響其含量及分布［18］。小麥?zhǔn)斋@后，全氮含量介于0.90～1.08 g kg-1之間，綠肥處理全氮含量均值顯著高于休閑處理（0.96），但三種綠肥處理之間差異不顯著。施用氮肥處理的全氮含量均顯著高于N0處理，N3處理的全氮含量（1.03）最高。綠肥翻壓后，全氮含量在0.93～1.28 g kg-1之間變化，翻壓綠肥處理全氮含量顯著高于休閑處理，其均值含量大小順序?yàn)閼讯梗?.13）≈大豆（1.12）＞綠豆（1.10）＞休閑（0.94）。與N0處理相比，僅有N3處理的全氮含量（1.11）有顯著提高。綠肥翻壓提高了土壤全氮含量，與休閑處理相比，綠肥處理全氮含量的提升幅度（17.02%～20.21%）較翻壓前（5.21%～6.25%）更大。

土壤堿解氮易被植物吸收，可作為土壤有效氮的指標(biāo)，代表土壤供氮強(qiáng)度。綠肥翻壓前后，土壤堿解氮含量分別為52.56～74.25 mg kg-1、 48.39～67.58 mg kg-1，表明，翻壓綠肥后土壤堿解氮含量稍微降低。翻壓前，綠肥處理的堿解氮含量變化規(guī)律與全氮相同且各施氮水平的堿解氮含量均低于N0處理（63.82）。綠肥翻壓后，堿解氮含量均值的大小順序是懷豆（63.41）＞綠豆（58.19）＞大豆（56.73）＞休閑（51.73）。N2與N3處理顯著提高了土壤堿解氮含量。與休閑處理相比，綠肥處理土壤堿解氮含量顯著提高，并以懷豆處理提升幅度最大，且翻壓后增幅（22.58%）高于翻壓前（14.35%）。

全磷含量是土壤肥力的重要指標(biāo)，表明土壤磷庫(kù)的大小，受成土母質(zhì)和耕作施肥等影響較大［19］。土壤全磷含量在小麥?zhǔn)斋@后介于0.96～1.14 g kg-1間，綠肥處理全磷含量與休閑處理之間差異不明顯，各施氮水平的全磷含量也無(wú)顯著差異。綠肥翻壓后，土壤全磷含量在0.94～1.23 g kg-1之間變化，各處理表現(xiàn)為大豆（1.16）≈懷豆（1.15）＞綠豆（1.10）＞休閑（1.02）。對(duì)于施氮處理，翻壓綠肥后，僅有N1處理的全磷含量顯著低于N0處理。

土壤有效磷是能被植物直接吸收和利用的無(wú)機(jī)磷或者小分子有機(jī)磷組分，可作為評(píng)價(jià)土壤供磷能力的重要指標(biāo)［20］。小麥?zhǔn)斋@后，土壤有效磷含量在10.10～27.67 mg kg-1之間，大小順序?yàn)榇蠖梗?1.90）＞懷豆（18.34）＞綠豆（14.92）≈休閑（14.30）。與休閑處理相比，大豆處理顯著提高了土壤有效磷含量，另外兩種綠肥處理提升效果不明顯。與全磷的規(guī)律類似，各施氮水平的有效磷含量也無(wú)顯著差異，但是N1處理的含量最小。綠肥翻壓后，土壤有效磷含量介于19.19～37.18 mg kg-1間，土壤有效磷含量有了較大的提升。與休閑處理相比，僅有懷豆處理顯著提高了土壤有效磷含量，提升幅度為40.25%。綠肥翻壓后，各施氮量處理的有效磷含量均無(wú)顯著差異。

2.2 不同綠肥及施氮水平下土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

本長(zhǎng)期定位試驗(yàn)布置前，土壤的C∶N、C∶P和N∶P分別為8.81、10.55、1.20，均低于全國(guó)0～10 cm土層平均水平（12.34、52.65、4.20）［21］。

土壤C∶N變化如圖1A和圖1B所示。小麥?zhǔn)斋@后，休閑處理土壤C∶N的變化范圍是8.92～9.35，平均值為9.15。綠肥處理C∶N在8.46～10.11之間，其中，綠豆處理均值（9.06）小于休閑處

理，懷豆（9.90）和大豆（9.43）處理顯著高于休閑處理。不同施氮水平對(duì)于C∶N無(wú)顯著影響。綠肥翻壓后，休閑處理土壤C∶N升高，C∶N在9.68～10.56之間，平均值為10.20。各綠肥處理土壤C∶N的變化區(qū)間為7.65～10.12，顯著低于休閑處理，表明，綠肥翻壓在短期時(shí)間內(nèi)降低了土壤C∶N，其中大豆處理降幅最大，達(dá)到14.22%。與N0處理相比，除N3處理外，其余各施肥處理均顯著提高了土壤C∶N，其均值大小順序?yàn)镹2（9.77）＞N1（9.49）＞N0（9.25）＞N3（9.03）。

表1 小麥?zhǔn)斋@后土壤養(yǎng)分特征Table 1 Soil nutrient status after wheat harvested

表2 綠肥翻壓后土壤養(yǎng)分特征Table 2 Soil nutrient status after green manure incorporation

土壤C∶P變化如圖1C和圖1D所示。小麥?zhǔn)斋@后，休閑處理C∶P的變化范圍是7.83～9.36，平均值為8.34。綠豆處理C∶P的變化范圍是8.11～9.03，平均值為8.40，與休閑處理無(wú)顯著差異。大豆與懷豆處理C∶P的范圍分別為8.89～9.75、8.99～9.99，平均值分別為9.19和9.46，顯著高于休閑和綠豆處理。不同施氮水平下各處理的C∶P無(wú)顯著差異。翻壓綠肥后，休閑處理C∶P的變化范圍是8.51～10.36，平均值為9.41。綠豆和懷豆處理C∶P的變化范圍分別是8.76～9.61、8.78～9.50，平均值分別為9.22和9.18，與休閑相比無(wú)差異。大豆處理C∶P范圍為7.44～9.28，平均值為8.48，顯著低于休閑與其余兩個(gè)綠肥處理。與N0處理相比，僅有N1和N2處理顯著提高了土壤C∶P，均值大小順序是N1（9.42）＞N2（9.32）＞N3（8.78）≈N0（8.77）。

圖1 不同綠肥及施氮水平下土壤碳氮磷比Fig. 1 Ratios of soil C，N and P as affected by green manure crop cultivated and incorporated and nitrogen application rate

土壤N∶P變化如圖1E和圖1F所示。小麥?zhǔn)斋@后，休閑處理土壤N∶P的范圍是0.84～1.03，平均值為0.91。各綠肥處理土壤N∶P在0.89～1.02之間波動(dòng)，綠豆、大豆與懷豆處理N∶P均值分別為0.93、0.98和0.96，各綠肥處理間無(wú)明顯差異，與休閑處理相比也無(wú)顯著差異。不同施氮水平對(duì)于N∶P無(wú)顯著影響。綠肥翻壓后，休閑處理N∶P的變化范圍是0.88～0.98，平均值為0.92，與翻壓前無(wú)明顯變化。綠豆、大豆與懷豆處理N∶P的范圍分別是0.98～1.02、0.92～1.05、0.93～1.12，平均值分別為1.00、0.97、0.99，均顯著高于休閑處理，表明，翻壓豆科綠肥在短期時(shí)間內(nèi)能夠提高土壤 N∶P。與N0處理相比，N1和N3處理顯著提高了土壤N∶P，其均值大小順序?yàn)镹1（0.99）＞N3（0.98）＞N2（0.95）≈N0（0.95）。

3 討 論

3.1 夏閑期種植翻壓豆科綠肥對(duì)土壤養(yǎng)分特征的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，綠肥處理的土壤養(yǎng)分含量顯著高于休閑處理（p＜0.05），這說(shuō)明綠肥翻壓處理有較好的培肥土壤后效。在不施氮肥的情況下（N0處理），夏閑期連續(xù)6年豆科綠肥翻壓后（小麥?zhǔn)斋@后），土壤有機(jī)碳、全氮和堿解氮含量分別提高了2.27%～13.28%、-4.22%～8.42%、1.38%～13.88%（表1）。可見，有機(jī)碳的提升幅度大于全氮。在施氮肥的情況下，綠肥處理土壤有機(jī)碳、全氮和堿解氮等養(yǎng)分相對(duì)于休閑處理均有不同程度提高。相比于翻壓前，綠肥翻壓后短期內(nèi)（2周后）的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和有效磷含量分別增加了1.87%～10.75%、8.91%～10.78%、0.92%～10.48%、23.06%～80.32%，堿解氮含量降低了2.25%～9.94%，但各指標(biāo)仍顯著高于休閑處理（表2）。李紅燕等［22］、彭映平等［23］以及張達(dá)斌等［4］的研究也顯示翻壓豆科或非豆科綠肥均能顯著提高渭北旱塬土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、礦質(zhì)態(tài)氮與有效磷含量。高菊生等［24］發(fā)現(xiàn)，雙季稻-綠肥輪作26年后，相對(duì)于休閑處理，豆科綠肥和非豆科綠肥均顯著提高了土壤有機(jī)碳和全氮含量。其中，非豆科綠肥對(duì)于有機(jī)碳的提升效果更為明顯，而豆科綠肥促進(jìn)全氮含量升高的作用更加顯著。白金順等［25］研究發(fā)現(xiàn)，稻田種植翻壓綠肥能夠降低耕層土壤無(wú)機(jī)氮損失，為后季水稻生長(zhǎng)提供更多養(yǎng)分。

長(zhǎng)武懷豆是當(dāng)?shù)貜V泛種植的綠肥作物，根瘤豐富，植株含氮量高［26］。無(wú)論是在小麥?zhǔn)斋@后還是在綠肥翻壓后，懷豆處理對(duì)于土壤有機(jī)碳、全氮和堿解氮含量的提升效果均最佳。對(duì)于全磷和有效磷而言，盡管懷豆處理與大豆和綠豆處理無(wú)顯著差異，但是與休閑處理相比，綠肥翻壓（2周后）仍顯著增加了二者的含量。

綜上所述，相對(duì)于休閑處理，種植并翻壓豆科綠肥能顯著改善土壤養(yǎng)分特征，同時(shí)，三種豆科綠肥處理的效果存在差異，以懷豆的培肥效果最為明顯。

3.2 土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征對(duì)綠肥翻壓的響應(yīng)

土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與土壤植被類型、管理方式等有關(guān)，是反映土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)［27］。單從營(yíng)養(yǎng)元素的總量變化無(wú)法準(zhǔn)確判斷養(yǎng)分平衡狀態(tài)，而土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)平衡是保證土壤可持續(xù)發(fā)展和豐產(chǎn)的重要前提。本文嘗試用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)這一理論探究種植翻壓綠肥前后土壤的養(yǎng)分平衡狀態(tài)，進(jìn)一步剖析種植并翻壓綠肥后土壤質(zhì)量的變化。

土壤C∶N反映了碳和氮之間的平衡關(guān)系，其演變趨勢(shì)對(duì)土壤肥力以及碳、氮循環(huán)有重要的影響。具體而言，低C∶N會(huì)加快土壤氮的礦化速率，而高C∶N時(shí)微生物同化量則會(huì)超過(guò)礦化作用所提供有效氮的量，造成植物缺氮。本研究表明，渭北旱塬區(qū)土壤C∶N較低，在8～10之間，與黃土高原草地土壤C∶N相當(dāng)［28］，低于森林土壤及濕地土壤C∶N［10，13］，且低于我國(guó)土壤C∶N均值10～12［29］，說(shuō)明渭北旱塬區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量整體較低。夏閑期多年翻壓綠肥（小麥?zhǔn)斋@后），大豆和懷豆的C∶N顯著高于休閑處理，綠豆處理的C∶N與休閑處理的差異不顯著，說(shuō)明，長(zhǎng)期種植并翻壓綠肥有利于有機(jī)質(zhì)的形成與土壤質(zhì)量的提高。王崢等［30］的研究顯示，對(duì)于懷豆而言，不同播前施肥和不同翻壓方式處理的C∶N（7.88～8.41）均高于休閑處理（7.82）。綠肥短期翻壓（2周）后，休閑和綠豆處理的C∶N較之前有所增加，大豆和懷豆處理的C∶N則呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，并且三種綠肥的C∶N均顯著低于休閑處理。翻壓豆科綠肥短期內(nèi)在提高土壤有機(jī)碳、全氮含量的同時(shí)，土壤C∶N較休閑處理降低，這是因?yàn)榇罅烤G肥秸稈進(jìn)入土壤，在微生物的分解作用下，土壤累積的氮素高于土壤累積有機(jī)碳。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，植物和微生物對(duì)氮的需求增加，氮的礦化加快，造成土壤C∶N升高。

小麥?zhǔn)斋@后，綠肥處理（除綠豆外）土壤C∶P顯著高于休閑處理。這與C∶N的變化趨勢(shì)相同，表明，經(jīng)過(guò)6年的夏閑期綠肥―冬小麥輪作后，綠肥處理有機(jī)碳含量增加的幅度大于全氮與全磷積累的幅度，綠肥種植與翻壓措施加速了土壤中有機(jī)質(zhì)的形成。而各綠肥處理與施氮處理的土壤全磷含量均無(wú)顯著差異，說(shuō)明從長(zhǎng)期來(lái)看，土壤有機(jī)碳含量在C∶P的變化中占主導(dǎo)地位。綠肥短期翻壓（2周）后，大豆處理土壤C∶P均顯著低于其他處理。這是因?yàn)榇蠖怪仓旰琢枯^高［26］，在綠肥翻壓后，大豆處理土壤全磷含量最高，而有機(jī)碳含量低于懷豆和綠豆處理。與森林、草地、濕地等生態(tài)系統(tǒng)相比，渭北旱塬地區(qū)土壤C∶P明顯較小［10-13］，這也說(shuō)明了研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量較低，磷元素充足。

長(zhǎng)期翻壓綠肥（指在小麥?zhǔn)斋@后下季綠肥種植前，這時(shí)的土壤樣品中綠肥秸稈經(jīng)過(guò)近一年的腐解，且是連續(xù)多年夏閑期翻壓綠肥效應(yīng)的疊加，可作為翻壓綠肥的長(zhǎng)期效應(yīng)）土壤與休閑處理土壤N∶P無(wú)顯著差異，而綠肥翻壓短期內(nèi)（2周）各處理相對(duì)于翻壓前，其N∶P均有所增大，并且三種綠肥的N∶P均顯著高于休閑處理。這是因?yàn)?，豆科綠肥能夠進(jìn)行生物固氮作用，增加土壤中氮含量，而土壤磷的來(lái)源較單一，并且在土壤中分布較均勻，導(dǎo)致翻壓豆科綠肥后短期內(nèi)土壤N∶P增大。但是從長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，各綠肥處理土壤N∶P與休閑處理并無(wú)明顯差異，說(shuō)明該地區(qū)土壤氮素循環(huán)較快。N∶P是土壤養(yǎng)分限制的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，渭北旱塬區(qū)土壤N∶P較低，遠(yuǎn)小于我國(guó)土壤N∶P均值，說(shuō)明磷并不是該地區(qū)的限制元素。

綜合來(lái)看，試驗(yàn)地土壤C∶N、C∶P以及N∶P比值均較低，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)土壤有機(jī)碳、全氮含量較低，而全磷含量相對(duì)較高的緣故。土壤碳和氮是該地區(qū)土壤養(yǎng)分的限制元素。在培肥土壤的過(guò)程中，不僅要關(guān)注碳、氮、磷總量的動(dòng)態(tài)變化，還要重視營(yíng)養(yǎng)元素的平衡狀態(tài)尤其是C∶N。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，在保證氮素供應(yīng)的條件下，應(yīng)該重視有機(jī)物料的投入，如大力推廣秸稈還田和增施有機(jī)肥等，以保持土壤碳氮的平衡。夏閑期種植和翻壓綠肥，并配合肥料施用是黃土高原旱塬區(qū)一種有效的土壤培肥措施。

4 結(jié) 論

夏閑期種植并翻壓豆科綠肥顯著提高了土壤有機(jī)碳、全氮和堿解氮等養(yǎng)分含量，能達(dá)到培肥土壤的效果，其中，懷豆的培肥效果最為明顯。翻壓綠肥后，短期內(nèi)土壤C∶N降低，但從長(zhǎng)期效應(yīng)來(lái)看，翻壓綠肥提高了土壤C∶N，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的改善具有重要作用。種植和翻壓綠肥是渭北旱塬地區(qū)土壤培肥的有效措施。

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Effects of Leguminous Green Manure on Soil Nutrients and Their Ecological Stoichiometry Characteristics in Weibei Rainfed Highland

DU Wei1WANG Ziquan1HE Wenxiang1，2?GAO Yajun1，2CAO Weidong3
（1 College of Resource and Environment，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（2 Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China，Ministry of Agriculture，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（3 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

【Objective】As an important agro-ecological region，the Weibei rainfed highland needs urgently measures to build up its soil fertility and improve its eco-environment because of its infertile soiland severe soil erosion. High in stress tolerance，leguminous green manure crops grow normally in severe ecological environment. Cultivation and incorporation of such crops may help reduce soil erosion as well as improving soil structure and soil fertility.【Method】In order to explore rules of changes in farmland soil nutrients and ecological stoichiometry characteristics as affected by cultivation and incorporation of green manure crops in summer fallow seasons，a field experiment was designed to have three different species of leguminous green manure crops ［Mung bean（Phaseolus radiatus L.），soybean（Glycine max（L.）Merr. ）and Huai bean（Glycine ussuriensis Regel et Maack）］，four nitrogen fertilization rates（N0，0 kg N hm-2；N1，108 kg N hm-2；N2，135 kg N hm-2and N3，162 kg N hm-2）and three replicates for each treatment，laid out in a split plot design in a tract of farmland in the Weibei Rainfed Highland，and conducted for six years in a row. Soil samples were collected at the end of the experiment from each treatment for analysis of nutrient contents and eco-stoichiometric ratios of C∶N，C∶P and N∶P.【Result】Results show that the long-term cultivation and incorporation of leguminous green manure crops improved soil organic carbon，total nitrogen，alkaline nitrogen contents significantly or by 4.47%～15.35%，5.21%～6.25% and 11.00%～14.35%，respectively，as compared to CK（the fallow treatment），and the effects of Huai bean were the most obvious in all the treatments. Two weeks after the incorporation of green manure crops，soil total nitrogen，soil organic matter and alkaline nitrogen all increased in content，but the margin of the increase of the former was higher than that of the latter two. In the treatments with Huai bean，organic carbon，total nitrogen，alkaline nitrogen，total phosphorus and available phosphorus all increased significantly，either in a short term or a long term，indicating that the effect of the green manure crop of Huai bean on soil building is the most obvious. Huai bean，high in number of root nodules and in nitrogen content，is a crop widely cultivated in the local area. After the incorporation of a green manure crop into the soil，soil C∶N declined for the first short period of time，but in the long run，soil C∶N was increased，which is beneficial to the accumulation of soil organic matter and improvement of soil nutrient balance. The ratios of C∶N，C∶P and N∶P in the experiment field are all quite low，because the soil is low in soil organic carbon and total nitrogen，but high in total phosphorus. Soil carbon and nitrogen are the two limiting soil nutrient elements in this region. In the process of improving soil fertility，it is essential to focus not only on dynamic changes of total carbon，nitrogen，phosphorus but also on nutrient balance，especially C∶N. In the practice of agricultural production，it is a must to ensure soil N supply，and in addition，enough attention to input of organic materials in such ways as incorporating crop straw into soil and expanding application of organic manure，so as to maintain the balance of soil carbon and nitrogen.【Conclusion】Soil C∶P and N∶P is closely related to dynamics of soil carbon and nitrogen contents. Cultivation and incorporation of green manure crops in the summer fallow period significantly improves soil carbon and nitrogen status，and hence is an effective practice to build up soil fertility in the Weibei rainfed highland.

Weibei rainfed highland；Green manure；C∶N；C∶P；N∶P

S154.1

A

（責(zé)任編輯：陳榮府）

10.11766/trxb201612160445

* 國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201103005，200803029）、西北農(nóng)林科技大學(xué)“基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目”（ZD2013012）資助 Supported by the National Agro-scientific Research Programs in Public Interest（Nos. 201103005 and 200803029）and the“Basic Scientific Research Expenses of Major Project of Scientific Research Innovation”of Northwest Agriculture and Forestry University（No. ZD2013012）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：wenxiang.he@nwafu.edu.cn

杜 威（1993—），男，山東東明人，碩士研究生，主要從事生物化學(xué)活性研究。E-mail：wdu9393@163.com

2016-12-16；

2017-03-02；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-04-13