李可心,王光美,張曉冬,張海波,石一鳴,季增誠(chéng),周志勇**

(1.北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院 北京 100083; 2.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 煙臺(tái) 264000; 3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 濟(jì)南 250100; 4.黃三角農(nóng)高區(qū)鹽堿地綜合利用技術(shù)創(chuàng)新中心 東營(yíng) 257300)

土壤活性有機(jī)碳是土壤中周轉(zhuǎn)時(shí)間短、易被微生物利用的有機(jī)碳組分,依據(jù)物理、化學(xué)、微生物學(xué)特性和測(cè)定方法的不同,常用的表征指標(biāo)包括易氧化有機(jī)碳(ROC)、微生物生物量碳(MBC)、可溶性有機(jī)碳(DOC)等[1]。活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例較小,但由于其較快的周轉(zhuǎn)速率,以及對(duì)環(huán)境變化的高度敏感性,是表征土壤有機(jī)碳變化的早期指標(biāo),對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)和作物產(chǎn)量也有重要影響[2]。土壤活性有機(jī)碳相對(duì)含量是活性有機(jī)碳組分含量與總有機(jī)碳含量的比值,相對(duì)含量越高表明其微生物可利用度越高,是土壤養(yǎng)分調(diào)節(jié)及有機(jī)碳庫(kù)有效性的重要表征[3]。此外,活性有機(jī)碳含量與總有機(jī)碳含量有較好相關(guān)性,其相對(duì)含量可以消除總有機(jī)碳含量差異,比絕對(duì)含量更能體現(xiàn)土壤有機(jī)碳的質(zhì)量[4]。研究土壤活性有機(jī)碳組分的動(dòng)態(tài)變化,對(duì)實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)碳庫(kù)正向培育、提高土壤肥力具有重要意義。

覆蓋植物是指主要作物收獲后能在時(shí)間上和空間上填充土壤裸露間隙的作物[5]。農(nóng)田生產(chǎn)中增加覆蓋植物輪作是提升土壤有機(jī)碳含量和后茬作物產(chǎn)量的有效方式之一[6]。黃璐等[7]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),種植翻壓草木樨(Melilotus officinalis)、檉麻(Crotalaria juncea)等不同豆科作物均可顯著提高土壤有機(jī)碳、微生物量碳含量。Zhang 等[8]利用二月蘭(Orychophragmus violaceus)和玉米(Zea mays)輪作提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量和玉米產(chǎn)量。郭耀東等[9]發(fā)現(xiàn)種植翻壓毛葉苕子(Vicia villosa)、草木樨等豆科綠肥可以保蓄土壤水分,提升土壤有機(jī)質(zhì)含量和青貯玉米鮮草產(chǎn)量。種植翻壓覆蓋植物對(duì)土壤活性有機(jī)碳影響的結(jié)論并不完全一致,與植物種類(lèi)、田間管理措施以及土壤環(huán)境條件等有關(guān)。例如,高菊生等[10]研究表明,在湘南紅壤稻田,土壤活性有機(jī)碳含量在種植豆科覆蓋作物時(shí)顯著提高,禾本科覆蓋植物處理下變化并不顯著,經(jīng)30年種植后紫云英(Astragalus sinicus)覆蓋處理下的土壤活性有機(jī)碳含量顯著高于其他覆蓋作物處理和冬閑處理; 李峰[11]發(fā)現(xiàn)紫云英還田對(duì)南方紅壤稻田土壤易氧化有機(jī)碳含量影響不大,減少化肥用量時(shí)則可以提高活性有機(jī)碳含量; 周?chē)?guó)朋等[12]則通過(guò)湖南紫潮泥和江西黃泥兩種土壤對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),單施紫云英與冬閑相比并未顯著增加土壤可溶性有機(jī)碳含量,但紫潮泥土壤中的有機(jī)質(zhì)含量、可溶性有機(jī)碳含量均顯著高于黃泥土壤。另一方面,覆蓋植物對(duì)活性有機(jī)碳影響的相關(guān)研究多在種植前和收獲后的兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行對(duì)比分析[13-16],對(duì)整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)動(dòng)態(tài)變化的研究相對(duì)缺乏,一定程度上影響了對(duì)覆蓋植物作用機(jī)制的深入理解。

黃河三角洲地區(qū)地下水埋深淺、礦化度高[17],土壤鹽漬化嚴(yán)重,加之該地區(qū)淡水資源匱乏,冬春季節(jié)降雨量少[18],2015年以來(lái)冬小麥(Triticum aestivum)種植面積大幅下降,大量耕地在冬春季節(jié)閑置,大田栽培作物向一年一熟制演變[19-20]。冬春休耕植被覆蓋度低,容易導(dǎo)致?lián)P塵和水、土、肥的流失,既不利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù),也制約了鹽堿地農(nóng)業(yè)的發(fā)展[21]。在黃河三角洲地區(qū),覆蓋植物應(yīng)用已日趨廣泛,但相關(guān)研究主要集中在品種篩選、栽培技術(shù)等方面[22],其對(duì)土壤性狀、活性有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化及對(duì)后茬作物影響的相關(guān)研究相對(duì)缺乏。毛葉苕子具有較強(qiáng)的耐旱、耐鹽能力,是華北地區(qū)應(yīng)用較廣的冬季覆蓋植物。本研究以冬季休耕為對(duì)照,研究種植翻壓毛葉苕子對(duì)黃河三角洲鹽堿土壤理化性質(zhì)、活性有機(jī)碳含量及后茬玉米產(chǎn)量的影響,分析玉米產(chǎn)量與土壤活性有機(jī)碳、土壤理化性質(zhì)的關(guān)系,以期為該區(qū)覆蓋植物在鹽堿地產(chǎn)能提升方面的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)于2020年9月至2021年10月在中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所黃河三角洲鹽堿地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)觀(guān)測(cè)研究站(37°18′0.13″N,118°39′4.64″E)進(jìn)行。研究站位于黃河三角洲國(guó)家級(jí)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū),屬暖溫帶季風(fēng)氣候,年均溫13.5 ℃,多年平均降雨量為700～750 mm,80%降雨集中在5-9月,土壤類(lèi)型為鹽化潮土。試驗(yàn)地自2019年10月玉米收獲后至試驗(yàn)開(kāi)始前處于休耕狀態(tài),含鹽量為2～3 g·kg-1,pH 為8.29～9.18,有機(jī)質(zhì)含量為9.8～14.24 g·kg-1,總氮含量為0.52～0.82 g·kg-1,總磷含量為0.69～0.82 g·kg-1,速效氮含量為26.8～34.4 mg·kg-1,速效磷含量為12.46～18.13 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置冬春休耕(以下簡(jiǎn)稱(chēng)休耕處理)和冬春種植毛葉苕子(以下簡(jiǎn)稱(chēng)苕子處理) 2 個(gè)處理。每個(gè)處理小區(qū)面積為5 m×3 m,4 次重復(fù),共8 個(gè)試驗(yàn)小區(qū),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。毛葉苕子品種為‘魯苕1 號(hào)’,于2020年9月27日播種,播量為45 kg·hm-2,行距60 cm,于盛花期(2021年5月26日)翻壓還田。后茬作物玉米品種為‘登海605’,于2021年7月4日播種,行距60 cm,株距25 cm,施用肥料為N-P2O5-K2O (27-14-10)復(fù)合肥,施用量為600 kg·hm-2,在苗期和大喇叭口期各施用300 kg·hm-2,2021年10月19日收獲。試驗(yàn)期間降雨和氣溫狀況如圖1所示,毛葉苕子和玉米的管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)措施。

圖1 2020-2021年試驗(yàn)期間氣溫和降雨?duì)顩rFig.1 Air temperature and precipitation in the experiment from 2020 to 2021

1.3 樣品采集與分析

在毛葉苕子翻壓前,各小區(qū)隨機(jī)選取3 個(gè)1.2 m ×1.2 m 的樣方,將其地上部齊地剪下以測(cè)定地上部生物量。根系生物量采集用根鉆法,用內(nèi)徑10 cm 的根鉆,在每個(gè)已剪取地上部的樣方內(nèi)隨機(jī)采集0～30 cm土壤5 鉆,全部土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,用20 目土壤篩沖洗獲取根系。地上部及根系105 ℃殺青30 min,60 ℃烘干至恒重后稱(chēng)重粉碎。用大進(jìn)樣量元素分析儀(Vario Macro cube,Elementar,Germany)測(cè)定地上部和根全碳、全氮含量,采用濃硫酸-過(guò)氧化氫法消煮連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3,Germany)測(cè)定地上部和根全磷含量。

在毛葉苕子種植前(2020年9月25日,T1)、翻壓前(2021年5月25日,T2)、翻壓后玉米種植前(2021年6月12日,T3)、玉米苗期(2021年7月26日,T4)、大喇叭口期(2021年8月19日,T5)和收獲期(2021年10月9日,T6)采集土樣,苗期和大喇叭口期土樣采集在施肥之前進(jìn)行。每試驗(yàn)小區(qū)按照五點(diǎn)取樣法采集0～20 cm 土壤樣品并混合為一個(gè)土樣,裝袋、標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室。一部分土樣自然風(fēng)干用于土壤理化性質(zhì)、土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳的測(cè)定; 另一部分立即存入4 ℃冰箱中,用于測(cè)定土壤微生物生物量碳。2021年10月12日,將每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)玉米全部收獲,測(cè)定地上部秸稈生物量(烘干重)、籽粒產(chǎn)量及地上部總生物量。

土壤基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析(第3 版)》[23]進(jìn)行測(cè)定。pH 和電導(dǎo)率(EC)采用5∶1 水土比測(cè)定; 全氮、全磷含量經(jīng)H2SO4消煮后,利用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀(AA3,Germany)測(cè)定; 土壤總有機(jī)碳(TOC)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定,土壤易氧化有機(jī)碳(ROC)采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定,土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測(cè)定,土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)采用熱水浸提TOC 分析儀(TOC-VCPH)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用重復(fù)測(cè)量方差分析方法分析不同處理、生長(zhǎng)時(shí)期及兩者交互作用對(duì)土壤理化性質(zhì)、活性有機(jī)碳組分含量及其相對(duì)含量的影響,統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 26.0 進(jìn)行。同一處理不同時(shí)期的多重比較采用鄧肯(Duncan)法。利用R (4.2.1)軟件“corr”包進(jìn)行土壤理化性質(zhì)與有機(jī)碳組分之間的Pearson 相關(guān)性分析,利用“Vegan”包進(jìn)行土壤性狀與玉米產(chǎn)量關(guān)系的主成分分析并用ggplot 可視化,其余圖形采用Origin 2021 繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛葉苕子產(chǎn)量及養(yǎng)分特征

毛葉苕子翻壓期總生物量(干重)可達(dá)5001.59 kg·hm-2,其中地上部生物量占90.05%,且地上部碳、氮、磷的含量均明顯高于根部。根據(jù)其生物量與養(yǎng)分含量計(jì)算,理論上試驗(yàn)地種植翻壓毛葉苕子最多可提供N 153.42 kg·hm-2,P2O522.10 kg·hm-2,K2O 244.75 kg·hm-2(表1)。

表1 毛葉苕子產(chǎn)量及養(yǎng)分特征Table 1 Yield and nutrient characteristics of Vicia villosa

2.2 種植翻壓毛葉苕子對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

重復(fù)測(cè)量方差分析表明,不同處理、生長(zhǎng)時(shí)期和二者的交互作用對(duì)土壤pH 含量均影響顯著,總氮(TN)含量受不同處理和生長(zhǎng)時(shí)期顯著影響,但EC 和總磷(TP)含量?jī)H受生長(zhǎng)時(shí)期及其與處理交互作用的顯著影響。

兩處理土壤pH 在T1、T2 無(wú)顯著差異,在T3、T4 和T5 差異達(dá)顯著水平(圖2a,P＜0.05)。苕子處理土壤EC 在T2 顯著低于休耕處理,在T4 則顯著高于休耕處理(P＜0.05),其余時(shí)期無(wú)顯著差異(圖2b)。土壤TN 含量苕子處理在T3、T4、T6 顯著高于休耕處理(P＜0.05),其余時(shí)期無(wú)顯著差異(圖2c)。土壤TP 含量則為T(mén)3 和T5 以苕子處理顯著高于休耕處理(P＜0.05),其余時(shí)期差異均不顯著(圖2d)。

圖2 種植翻壓毛葉苕子對(duì)鹽堿地土壤理化性質(zhì)的影響Fig.2 Effects of planting and returning Vicia villosa on physicochemical properties of saline soil

就各指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)而言,苕子處理土壤pH在翻壓后明顯降低,以T3 最低; 休耕處理土壤pH 先升高后降低,以T4 最高,與苕子處理相比整個(gè)試驗(yàn)期變化幅度較小。土壤EC 兩處理均呈先升高后降低趨勢(shì),均為T(mén)4 最高。苕子處理土壤TN 含量在T3升高,T4 和T5 降低,至T6 回升; 休耕處理TN 含量在T3 前保持穩(wěn)定,后期趨勢(shì)與苕子處理一致。休耕處理TP 含量變化趨勢(shì)與TN 基本一致,苕子處理則在T5 回升后至T6 又降低。以6 個(gè)時(shí)期平均值比較,苕子處理的平均pH 較休耕處理降低0.12 個(gè)單位,EC 基本持平,而TN、TP 則分別增加15.1%和5.5%。

2.3 種植翻壓毛葉苕子對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響

不同處理和生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)土壤有機(jī)碳(SOC)、易氧化有機(jī)碳(ROC)、微生物生物量碳(MBC)、可溶性有機(jī)碳(DOC)含量均影響顯著,且二者的交互作用對(duì)ROC、MBC、DOC 也均具有顯著影響。

試驗(yàn)期內(nèi),SOC 含量和ROC 含量始終以苕子處理為高。其中,SOC 含量?jī)商幚砬捌诓町惒伙@著,在T5 和T6 苕子處理比休耕處理分別高10.8%和10.7%,差異達(dá)顯著水平(圖3a,P＜0.05); ROC 含量?jī)商幚黹g則均差異顯著(圖3b,P＜0.05)。MBC 含量苕子處理在T1、T2 顯著低于休耕處理,在T3、T4 則顯著高于休耕處理(P＜0.05),T5、T6 兩處理無(wú)顯著差異(圖3c)。DOC 含量休耕處理的T1 高于苕子處理,但此后各生長(zhǎng)時(shí)期均以苕子處理較高,且在T3、T5、T6 差異達(dá)顯著水平(圖3d,P＜0.05)。

兩處理各指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化也存在明顯差異。休耕處理SOC 含量在T2 前無(wú)顯著變化,后呈升高降低再升高再降低趨勢(shì)。苕子處理SOC 含量則在T4 前無(wú)顯著變化,T5 升高后至T6 又降低。休耕處理ROC在T2 前變化不顯著,T3 和T4 顯著降低,T5 顯著上升達(dá)試驗(yàn)期最高值至T6 又顯著降低; 苕子處理ROC 則在T2 較T1 顯著升高,在T3 和T4 顯著降低,T5 和T6 又顯著回升,以T2 最高。土壤MBC 含量休耕處理T1 至T4 逐漸降低,在T5 有所回升后至T6 又降低,苕子處理則在T2 前無(wú)顯著變化,T3 顯著升高并保持平穩(wěn)至T4 后持續(xù)下降,兩處理均以T6最低。至于DOC 含量,休耕處理在T2 前保持平穩(wěn),自T3 開(kāi)始持續(xù)降低,至T6 有所回升; 苕子處理則在T2 顯著上升并保持至T3,T4 和T5 顯著降低后至T6 又顯著上升。

比較試驗(yàn)開(kāi)始前與試驗(yàn)結(jié)束后各指標(biāo)變化,兩處理SOC 含量均有升高但未達(dá)顯著水平,苕子處理提高幅度較大(7.92% VS 1.98%); ROC 含量均有降低但差異不顯著,苕子處理降低幅度更小(-2.9% VS-15.6% ); MBC 含量均顯著下降,苕子處理降低程度相對(duì)較低(-76.6% VS -84.4%),DOC 含量休耕處理顯著下降(-22.7%)而苕子處理則顯著上升(14.5%)。從整個(gè)試驗(yàn)期綜合來(lái)看,較休耕處理,苕子處理平均SOC、ROC、MBC 和DOC 含量分別提高6.2%、99.1%、8.1%和8.2%。

2.4 種植翻壓毛葉苕子對(duì)土壤活性有機(jī)碳相對(duì)含量的影響

處理對(duì)ROC 相對(duì)含量(ROC/SOC)影響顯著,生長(zhǎng)時(shí)期和二者的交互作用對(duì)ROC、MBC、DOC 相對(duì)含量(ROC/SOC、MBC/SOC、DOC/SOC)具有顯著影響。

整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi),苕子處理ROC/SOC 始終高于休耕處理,除T5 外其余時(shí)期差異均達(dá)到顯著水平(P＜0.05),各時(shí)期平均較休耕提高89.9%。在T1 和T2 MBC/SOC 苕子處理顯著低于休耕處理,在T3 至T4 顯著高于休耕處理(P＜0.05),之后差異不顯著。DOC/SOC 在T1 和T3 兩處理差異顯著(P＜0.05),其余時(shí)期則差異不顯著。就各相對(duì)含量指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化而言,因兩處理SOC 含量變動(dòng)幅度較小,相對(duì)含量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)的絕對(duì)含量變化趨勢(shì)基本一致。此外,在SOC 中ROC 含量遠(yuǎn)高于MBC 和DOC(圖4)。因此,總體來(lái)看,種植翻壓毛葉苕子顯著增加了土壤活性有機(jī)碳相對(duì)含量。

圖4 種植翻壓毛葉苕子對(duì)鹽堿地土壤活性有機(jī)碳相對(duì)含量的影響Fig.4 Effect of planting and returning Vicia villosa on relative contents of active organic carbon of saline soils

2.5 土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳組分間的關(guān)系

各土壤理化指標(biāo)與各有機(jī)碳組分的相關(guān)性差異較大,且在不同生長(zhǎng)時(shí)期變化明顯(表2)。在整個(gè)試驗(yàn)期間,pH 在T2 以前與各組分均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,與SOC 只在T6 顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01),與ROC 和MBC 在T3、T4 顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01 或P＜0.05),與DOC 在各時(shí)期均相關(guān)性不顯著。

EC 與SOC 在T1 顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),與ROC在T4 顯著正相關(guān)(P＜0.01),與DOC 在T2 顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),與MBC 在T1 (P＜0.05)、T2 (P＜0.01)和T4 (P＜0.01)顯著正相關(guān)。TN 在T2 以前也與各組分均無(wú)顯著相關(guān),自T2 以后,與SOC 在T5 (P＜0.05)、T6 (P＜0.01)顯著正相關(guān),與ROC 在T3-T6 的4 個(gè)時(shí)期均顯著正相關(guān)(P＜0.01,P＜0.05),與DOC 在T3和T6 顯著正相關(guān)(P＜0.05),與MBC 在T3、T4 顯著正相關(guān)(P＜0.05)。TP 則在T2-T5 的4 個(gè)時(shí)期與各有機(jī)碳組分相關(guān)性均不顯著,在T1 與SOC 顯著正相關(guān)(P＜0.01),與MBC 顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),在T6 與DOC 顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)?？梢钥闯?TN 與各有機(jī)碳組分的相關(guān)性更為明顯,且均體現(xiàn)在毛葉苕子翻壓后的各個(gè)時(shí)期,在顯著相關(guān)的情況下均為正相關(guān)。其次為EC,主要體現(xiàn)在T5 之前,與各組分至少在某一時(shí)期存在顯著相關(guān)關(guān)系。再次為pH,在T3 后的至少某一時(shí)期與除DOC 外的其他組分存在顯著相關(guān),且均為負(fù)相關(guān)。TP 則與各有機(jī)碳組分的相關(guān)關(guān)系最不明顯。

2.6 種植翻壓毛葉苕子對(duì)玉米地上生物量及籽粒產(chǎn)量的影響

與休耕處理相比,苕子處理玉米秸稈生物量、籽粒產(chǎn)量和地上部總生物量均顯著提高,分別提高25.3%、15.9%和21.4%,具有較好的增產(chǎn)效果(表3)。

表3 種植翻壓毛葉苕子對(duì)鹽堿地玉米地上部生物量和產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of planting and returning Vicia villosa on biomass and yields of maize in saline soil kg·hm-2

圖5為土壤理化性質(zhì)、有機(jī)碳及各組分含量對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量影響的主成分分析,PC1 對(duì)總方差的解釋率為64.6%,PC2 對(duì)總方差解釋率為21.4%,兩個(gè)主成分累積解釋了方差總變異的86.0%。苕子處理與休耕處理沿PC1 明顯分開(kāi),表明不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)及玉米籽粒產(chǎn)量有明顯影響。TN、SOC、ROC、DOC 與玉米籽粒產(chǎn)量呈正相關(guān),說(shuō)明全氮、有機(jī)碳及其組分含量對(duì)籽粒產(chǎn)量起到促進(jìn)作用; pH、EC 與籽粒產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān),隨著pH、EC 的增加,玉米產(chǎn)量降低。

圖5 玉米收獲期土壤活性有機(jī)碳、土壤理化性質(zhì)和玉米產(chǎn)量的主成分分析Fig.5 Principal component analysis of soil reactive organic carbon,soil physicochemical properties at harvest and maize yield

3 討論

3.1 種植翻壓毛葉苕子對(duì)土壤性質(zhì)的影響

覆蓋植物輪作可以提高土壤通氣性和透水性,調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì),改善土壤結(jié)構(gòu)[24]。已有研究表明,種植黑麥草(Lolium perenne)、箭舌豌豆(Vicia sativa)和紫花苜蓿(Medicago sativa)后會(huì)降低鹽堿地土壤的pH[9,25-26]。然而,覆蓋植物處理后土壤pH和EC 變化結(jié)論不盡一致,與種類(lèi)、翻壓量以及土壤本身性質(zhì)有關(guān)[27]。毛葉苕子在生長(zhǎng)過(guò)程中根系會(huì)分泌有機(jī)酸,且翻壓后土壤氮素發(fā)生一系列轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化過(guò)程中H+、有機(jī)酸等增多[9]導(dǎo)致土壤pH 降低,此效應(yīng)可一直持續(xù)至后茬玉米收獲(圖2a)。相對(duì)而言,休耕處理pH 變化較小。另一方面,與休耕相比,種植毛葉苕子形成地表覆蓋,減少土壤水分蒸發(fā)而抑制鹽分上行,因此T2 土壤EC 顯著較低。試驗(yàn)期內(nèi),兩處理土壤EC 均呈先升高后降低趨勢(shì),均為從T3開(kāi)始升高,此時(shí)期由于氣溫顯著升高而降雨較少(圖1),鹽分表聚但無(wú)明顯降雨淋洗下壓[28]; 玉米苗期植株快速生長(zhǎng),蒸騰作用加強(qiáng),且由于降雨較多,地塊積水澇漬嚴(yán)重,長(zhǎng)時(shí)間積水導(dǎo)致質(zhì)地黏重的濱海鹽堿土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化,土壤顆粒膨脹堵塞空氣孔隙,水分入滲率快速降低[29]。此條件下,一部分積水通過(guò)徑流排出農(nóng)田,另一部分則通過(guò)蒸發(fā)耗散,在地表形成結(jié)皮,加之苗期以棵間土壤蒸發(fā)為主,土壤鹽分在毛管作用下上升,進(jìn)一步引發(fā)鹽分上升表聚[30],土壤EC 達(dá)到整個(gè)試驗(yàn)期的最高值。這也可能說(shuō)明,在黃河三角洲地區(qū),覆蓋植物對(duì)土壤EC 的調(diào)控作用主要表現(xiàn)在蒸降比更高的冬春時(shí)節(jié)。

覆蓋植物本身富集各種營(yíng)養(yǎng)元素,翻壓還田后腐解釋放,促進(jìn)土壤養(yǎng)分累積,從而有效提高土壤肥力[31]。毛葉苕子在生長(zhǎng)過(guò)程中根瘤菌可以固氮,植株氮含量較高而碳氮比較低,翻壓后易于快速腐解而迅速釋放養(yǎng)分,因此本研究中T3 苕子處理的TN、TP 含量顯著高于休耕處理。通常,連續(xù)多年進(jìn)行覆蓋植物翻壓會(huì)顯著提升土壤養(yǎng)分。例如,在華北地區(qū),連續(xù)10年進(jìn)行毛葉苕子-玉米輪作,可使土壤TN、TP 和全鉀(TK)分別提高11.2%、10.3%和36.7%[32]。然而,覆蓋植物翻壓對(duì)養(yǎng)分的提升效果還與土壤基礎(chǔ)肥力狀態(tài)有關(guān)。研究表明,在高肥力有機(jī)蔬菜生產(chǎn)中,覆蓋植物種植和翻壓對(duì)土壤氮素含量和蔬菜產(chǎn)量提升效果有限[33]; 在巴西南部中低產(chǎn)條件下,毛葉苕子種植翻壓相比無(wú)綠肥種植,短時(shí)間內(nèi)(1年)能提供95～151 kg(N)·hm-2,對(duì)維持后茬玉米產(chǎn)量有重要作用[34]。本試驗(yàn)周期雖然僅為1年,但受試土壤在試驗(yàn)前為撂荒狀態(tài),整體肥力低下,因此土壤養(yǎng)分在短時(shí)間內(nèi)得到顯著提高。另外,T4 和T5 苕子處理和休耕處理TN 含量相比T3 顯著降低,一方面可能是因?yàn)門(mén)4 和T5 降雨較多導(dǎo)致氮素淋失,0～20 cm 土壤氮素積累減少[35]; 另一方面玉米快速生長(zhǎng)吸收大量氮素也導(dǎo)致土壤TN 下降。需要指出的是,這兩個(gè)時(shí)期毛葉苕子處理TN 始終顯著高于休耕處理,這是因?yàn)槊~苕子植株氮含量較高,還田腐解后釋放了大量氮素,至收獲期兩處理均有所回升,可能是因?yàn)榇罄瓤谄谑┓屎笥衩孜赐耆盟?。休耕處理TP含量除在T5 相對(duì)較低外,其他時(shí)期基本保持穩(wěn)定,而苕子處理TP 含量在T5 上升而在T6 又回落,其中原因則需要進(jìn)一步探究。

3.2 種植翻壓毛葉苕子對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分的影響

毛葉苕子翻壓后相當(dāng)于補(bǔ)充大量有機(jī)物料,與休耕處理相比,苕子處理土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量顯著增加,還田后活性有機(jī)碳含量明顯升高,與白璐等[36]連續(xù)3年種植毛葉苕子得到的結(jié)果一致。毛葉苕子C/N 為10～13,翻壓后至玉米種植前正處于快速腐解期,養(yǎng)分釋放提供大量氮素,TN 含量增加能通過(guò)調(diào)控土壤微生物活性和代謝效率來(lái)降低激發(fā)效應(yīng),進(jìn)一步增加正的凈碳固持,在一定程度上也有利于土壤有機(jī)碳的固定和積累[37-38]。同時(shí),土壤氮含量升高,微生物活動(dòng)增強(qiáng),進(jìn)而MBC 含量升高,且氮轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生H+,土壤pH 降低,而pH 降低可以抑制DOC 淋溶,使耕層土壤DOC 含量升高,這與Gao 等[39]研究種植翻壓紫云英、油菜(Brassica napus)后,土壤DOC 含量升高的結(jié)論一致。在玉米苗期,土壤EC 較高,鹽度較高會(huì)抑制植物腐解[3],且毛葉苕子進(jìn)入緩慢腐解期,養(yǎng)分釋放速度降低,從而導(dǎo)致有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量小幅度下降; 隨玉米生育期推移,生長(zhǎng)后期的玉米所需養(yǎng)分減少,加之該階段植株根系分泌物增多、部分凋零莖葉開(kāi)始補(bǔ)給土壤,增加了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入,促進(jìn)有機(jī)碳向易氧化有機(jī)碳轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致土壤SOC、ROC 含量回升。這一時(shí)期DOC 含量逐漸升高,而MBC 含量逐漸降低,則可能是因?yàn)镸BC 與DOC 之間此消彼長(zhǎng): 一部分DOC被微生物利用后轉(zhuǎn)化為MBC,到玉米生長(zhǎng)后期微生物死亡,又把MBC 釋放到土壤中,部分轉(zhuǎn)化為DOC[4]。

本研究中,毛葉苕子處理提高了土壤活性有機(jī)碳相對(duì)含量,與程會(huì)丹等[40]研究結(jié)果一致。其中,對(duì)ROC 相對(duì)含量的提升效果最大,其主要原因是毛葉苕子翻壓后提高了土壤微生物活性,促進(jìn)了有機(jī)碳的分解。相對(duì)而言,DOC、MBC 相對(duì)含量與休耕處理差異不顯著,與不同活性有機(jī)碳的來(lái)源及形成過(guò)程有關(guān),毛葉苕子翻壓后在微生物的作用下,大部分有機(jī)物分解,而DOC 和MBC 之間相互轉(zhuǎn)換,因此DOC、MBC 相對(duì)含量與休耕處理相比無(wú)顯著差異。

3.3 種植翻壓毛葉苕子對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

覆蓋植物通過(guò)影響土壤的理化性質(zhì),進(jìn)而影響下茬作物的地上部生物量及產(chǎn)量[41-42]。本研究顯示,種植翻壓毛葉苕子玉米產(chǎn)量高于休耕地處理。主成分分析發(fā)現(xiàn)玉米產(chǎn)量與土壤TN、SOC、DOC、ROC含量存在正相關(guān)關(guān)系,與pH、EC 呈負(fù)相關(guān)。通過(guò)土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳組分的相關(guān)分析,可以認(rèn)為種植翻壓毛葉苕子后土壤TN 升高、pH 降低,土壤性狀的改善,提高了土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量,綜合作用使后茬玉米產(chǎn)量提高。因此,在黃河三角洲地區(qū),相對(duì)于休耕,冬春種植毛葉苕子對(duì)土壤改良和后茬作物產(chǎn)量提升優(yōu)勢(shì)明顯,且翻壓后作為肥源可以代替部分化肥,實(shí)現(xiàn)化肥減量增效,可考慮作為該區(qū)鹽堿地綜合利用的優(yōu)選模式。然而,本研究?jī)H為1年試驗(yàn)期的結(jié)果,黃河三角洲地區(qū)年度降雨量及季節(jié)分布差異明顯,在氣候變化條件下毛葉苕子對(duì)土壤有機(jī)碳組分及后茬作物產(chǎn)量的影響如何,仍需要多年的長(zhǎng)期試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

在黃河三角洲地區(qū),與冬春休耕相比,在2020-2021年1 周年的試驗(yàn)期內(nèi),冬春種植翻壓毛葉苕子可以降低土壤pH 和EC,提高土壤總氮(TN)、總磷(TP)、有機(jī)碳(SOC)、易氧化有機(jī)碳(ROC)、可溶性有機(jī)碳(DOC)含量和ROC/SOC,后茬玉米籽粒產(chǎn)量提高15.9%,增產(chǎn)效果顯著。毛葉苕子翻壓前,EC 與土壤有機(jī)碳組分間有較強(qiáng)相關(guān)性; 苕子翻壓后的各個(gè)時(shí)期 TN 對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響最大,其次為pH,隨TN 含量上升和pH 下降各組分含量升高。種植翻壓毛葉苕子后土壤TN 升高和土壤pH 降低,提升了土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量,綜合作用使后茬玉米產(chǎn)量提高。相對(duì)于冬春休耕,冬春種植毛葉苕子可考慮作為黃河三角洲鹽堿地綜合利用的優(yōu)選模式。