套種綠肥對土壤養分、團聚性及其有機碳和全氮分布的影響

劉小粉　劉春增　王守剛　李本銀

摘 要：本研究利用田間試驗，探討了套種豆科綠肥對土壤養分、團聚性及其有機碳和全氮分布的影響。結果表明，與空白相比，套種豆科綠肥對玉米產量、土壤容重、孔隙度、全量氮磷鉀、有效氮鉀及有機碳均無顯著影響；有效磷趨勢為紅小豆>綠豆、空白，說明套種紅小豆或可活化土壤磷；0.25～2.00 mm團聚體是占絕對優勢的粒級，套種豆科綠肥能促進0.05～0.25 mm團聚體向其周轉，但團聚體分布的變化并未引起土壤穩定性的明顯差異；團聚體有機碳、全氮和碳氮比隨團聚體粒徑減小而降低，綠肥處理使團聚體有機碳和全氮呈下降趨勢，其原因有待進一步探討。總之，套種綠肥有利于磷活化及大團聚體形成，盡管引起部分粒級團聚體內有機碳和全氮下降，但未引起整土有機碳和全氮降低。因此，套種綠肥模式可繼續推廣應用。

關鍵詞：套種綠肥；團聚體；有機碳；全氮

中圖分類號：S151.9 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.09.010

Effects of Green Manure on Soil nutrients， Aggregation， and Distributions of Carbon and Nitrogen

LIU Xiao-fen1， LIU Chun-zeng2， WANG Shou-gang2， LI Ben-yin2

（1.Hebei University of Engineering， Handan， Hebei 056038， China； 2.Institute of Plant Nutrition， Agricultural Resources and Environmental Science， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou， Henan 450002， China）

Abstract： Based on the located field experiment， the study investigated effects of green manure application with maize on soil nutrients， aggregation， and distributions of carbon and nitrogen. The results showed that compared with CK， applying green manure did not improve maize yield， soil bulk density， porosity， total C， N， P， and K， and available N and K， while soil available P increased （P< 0.05） when the red bean was applied. The 0.25～2.00 mm aggregate size was dominant among the four aggregate sizes， and applying green manure enhanced its formation and accumulation， although this did not improved soil aggregate stability. Aggregate C， N and C/N ratio decreased as aggregate size. Applying green manure reduced aggregate C and N， and the reason should be investigated further. In a word， applying green manure enhanced the available P and macroaggregate formation. Although it caused the decrease in aggregate C and N， applying green manure had no effects on the bulk soil C and N. Thus， applying green manure could be recommended.

Key words： applying green manure； aggregates； organic carbon； total nitrogen

在豫中冬小麥—夏玉米輪作區，過度施用化肥，忽視有機肥、綠肥投入的現象日益嚴重。施用化肥短期內能顯著提高作物產量[1]，增加農民收益；長期來看，化肥的過量施用會造成土壤酸化板結、土壤微生物多樣性減少、地下水硝酸鹽污染、湖泊和近海水體富營養化[2-4]等農業生產和生態環境方面的問題，終將限制農業可持續發展。近年來，隨著小麥、玉米的收獲實現全面機械化，該地區逐步重視在作物收獲的同時進行玉米秸稈粉碎還田。秸稈還田一定程度上可培肥土壤、減少化肥施用量，但玉米秸稈碳氮比較大，持續還田后不易腐解，還可能導致病蟲害加劇、影響作物生長等問題。已有研究表明，在南方稻區，綠肥翻壓還田能減少化肥施用量、培肥土壤、改善土壤結構及提高水稻產量[5-8]。在小麥—玉米輪作區，套種豆科綠肥并與玉米秸稈混合還田，能否達到培肥土壤、減少化肥施用，及調和玉米秸稈碳氮比、促進其腐解的目的有待進一步探討。本試驗通過研究綠肥套種還田對土壤養分、團聚性及其有機碳、全氮分布的影響，為綠肥在小麥—玉米輪作區的種植利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設置

試驗地點位于駐馬店市驛城區廟西村（N 32°98'，E 114°04'），供試土壤為砂姜黑土。本試驗始于2011年6月，設置3個處理：（1）常規施肥（空白）；（2）常規施肥+玉米套種綠豆（綠豆）；（3）常規施肥+玉米套種紅小豆（紅小豆）。每個小區試驗面積66.7 m2，設3個重復。常規施肥量：小麥播種時基施復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）750 kg·hm-2，拔節期追施尿素150 kg·hm-2；玉米播種時基施復合肥300 kg·hm-2，喇叭口期追施尿素450 kg·hm-2。紅小豆和綠豆在玉米播種20 d左右時撒播，播種量為45 kg·hm-2，玉米收獲時與玉米秸稈混合還田。

1.2 水稻產量、土壤水穩性團聚體及其有機碳和全氮含量測定分析

于2013年9月玉米收獲前采集0～15 cm耕層原狀土測定土壤容重和孔隙度，采集擾動土用于測定土壤養分含量、團聚性及團聚體內有機碳和全氮分布。土壤容重采用環刀法，計算孔隙度時土粒密度取2.65 g·cm-3。土壤及各粒徑團聚體內有機碳和全氮含量用碳氮儀干燒法測定[9]，全磷、全鉀分別采用硫酸—高氯酸消煮法、氫氟酸—高氯酸消煮法浸提，土壤有效氮、磷、鉀分別采用堿解蒸餾法、碳酸氫鈉、乙酸銨浸提法[10]。

團聚性測定：土樣風干后過孔徑8 mm的篩，依據Kemper和Rosenau[11]土壤團聚體濕篩測定法分離團聚體，然后把各級篩層上的團聚體轉移至鋁盒中，在溫度為60 °C的烘箱內烘干，做3個重復。團聚體分布用團聚體百分比計算，團聚體穩定性用平均重量直徑來衡量，其中，xi為團聚體平均直徑，wi 為對應粒徑團聚體的質量。

1.3 統計分析

用SPSS11.0（SPSS， 2001）進行數據的方差和相關性分析，顯著性分析水平為P<0.05。采用最小顯著差異法（Least significant difference， LSD）比較處理間平均值的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同處理下土壤基本理化性質及玉米產量的變化

由表1看出，與空白相比，種植并翻壓綠豆/紅小豆對玉米產量、土壤容重、孔隙度、全量和有效氮、鉀及有機碳均無顯著影響。土壤全磷在處理間無顯著差異，但有效磷趨勢為紅小豆 > 綠豆、空白（P < 0.05），紅小豆、綠豆處理比空白分別提高54.5%，9.9%，說明種植并翻壓紅小豆或可活化土壤磷。

2.2 不同處理下土壤團聚體分布及其穩定性變化

圖1表明，隨著豆科綠肥的種植并翻壓還田，土壤團聚體分布出現了明顯變化。對于同一處理，不同粒徑團聚體分布情況為：0.25～2.00 mm團聚體含量最高（約占40%～51%），其次為0.05～0.25 mm和< 0.05 mm團聚體，> 2.00 mm團聚體含量最低（約占3%～7%）。處理間比較，>2.00 mm和< 0.05 mm團聚體含量均無顯著差異，而0.25～2.00 mm和0.05～0.25 mm團聚體含量在處理間均存在顯著性差異。與空白相比，紅小豆、綠豆處理0.25～2.00 mm團聚體含量分別提高了26.9%，27.3%，0.05～0.25 mm團聚體含量則分別降低了15.9%，24.2%。0.25～2.00 mm團聚體是土壤中占絕對優勢的粒級，豆科綠肥的種植和翻壓有利于其形成和積累。微團聚體向大團聚體周轉的結果，使得土壤結構穩定性呈增加趨勢（圖2），紅小豆、綠豆處理的平均質量直徑比空白分別增大了22.1%，45.8%，尚不存在顯著性差異。

與空白相比，豆科綠肥（有機肥料）還田促進了微團聚體向大團聚體轉變。其機理主要有兩個方面。第一，有機物料在微生物作用下會形成粗顆粒有機質，它又作為粘結劑使小團聚體形成大團聚體。隨著有機物料不斷加入土壤，大團聚體內能保存下來的有機質會越來越穩定，不易被微生物分解，使得大團聚體的轉化周期變長，更有利于大團聚體的保存[12-13]。第二，豆科綠肥生長過程中形成大量根系，根系本身可以通過纏繞作用促進大團聚體的形成。發育良好的根系也會增加根際微生物量，而土壤微生物，尤其是細菌分泌物和真菌菌絲的粘結作用，對大團聚體的形成和穩定起重要作用[14-15]。

2.3 不同處理下土壤團聚體有機碳和全氮分布

圖3為各處理不同粒徑團聚體內有機碳和全氮含量的分布情況。在>2.00 mm團聚體內，有機碳和全氮含量在處理間無顯著差異；翻壓豆科綠肥后，0.25～2.00 mm團聚體內有機碳和全氮明顯降低，即空白>綠豆、紅小豆；與空白相比，綠豆處理的0.05～0.25 mm團聚體內有機碳明顯下降，而紅豆處理的<0.25 mm團聚體內全氮有升高趨勢。對于同一處理，有機碳和全氮含量均隨團聚體粒徑減小而呈現下降趨勢，即>2.00 mm粒徑最高，其次是0.25～2.00 mm，0.05～0.25 mm和<0.05 mm粒徑最低。本試驗中，0.25～2.00 mm團聚體在土壤中占絕對優勢，其有機碳含量也較高，因此它對土壤有機碳的固持和累積起主要作用，這與一些研究結果相一致[16-17]。總之，盡管土壤（整土）有機碳和全氮含量在處理間無差異，但團聚體有機碳和全氮含量卻表現出差異，說明在有機碳和全氮變化方面，團聚體比土壤（整土）對農業施肥措施反應更靈敏。另外，大團聚體中有機碳含量高于小團聚體，可能是不同粒徑團聚體形成過程中的膠結劑不同所致[18-19]。Elliott[20]認為小團聚體在含碳量高、不穩定的粘結劑（真菌菌絲、根系、微生物和植物源的多糖）作用下形成大團聚體，故小團聚體有機質（有機碳）含量低于大團聚體[21]。

2.4 不同處理下土壤及團聚體碳氮比變化

表2表明，整土和團聚體的碳氮比分布于8.3～12.5之間；對于相同處理，團聚體碳氮比隨粒徑減小而降低，即（> 2.00 mm） > 0.25～2.00 mm > 0.05～0.25mm > （<0.05 mm）；對于相同粒級，碳氮比在處理間無顯著差異，說明種植翻壓豆科綠肥短期內未影響碳氮比。碳氮比作為土壤團聚過程和固碳過程的重要指示劑，可以反應土壤有機碳固持的有效性。碳氮比隨團聚體粒徑的減小而降低，可能與團聚體內有機粘結劑的類型有關：大團聚體內主要為瞬時和暫時有機粘結劑，易分解；微團聚體內則為永久粘結劑，性質穩定，前者碳氮比大于后者[22-23]。另外，真菌在大團聚體中占主導而細菌在微團聚體中占主導[23-24]，真菌細胞的碳氮比約為10而細菌的約為4[20]，這也可能是大團聚體比微團聚體碳氮比高的原因。

3 結 論

與空白相比，套種豆科綠肥對玉米產量、土壤容重、孔隙度、全量氮磷鉀、有效氮鉀及有機碳均無顯著影響；有效磷趨勢為紅小豆>綠豆、空白，說明套種紅小豆或可活化土壤磷；0.25～2.00 mm團聚體是占絕對優勢的粒級，套種豆科綠肥可促進0.05～0.25 mm團聚體向其周轉，但團聚體分布的變化并未引起土壤穩定性的明顯差異；團聚體有機碳、全氮和碳氮比隨團聚體粒徑減小而降低，套種綠肥處理使團聚體有機碳和全氮呈下降趨勢，其原因有待進一步探討。總之，套種綠肥有利于大團聚體的形成及養分活化，盡管引起部分粒級團聚體內有機碳和全氮下降，但未引起整土有機碳和全氮降低。因此，套種模式可繼續推廣應用。

參考文獻：

[1] 黃國勤，王興祥，錢海燕，等.施用化肥對農業生態環境的負面影響及對策[J].生態環境，2004，13（4）：656-660.

[2] 劉宏斌，李志宏，張維理，等.露地栽培條件下大白菜氮肥利用率與硝態氮淋溶損失研究[J].植物營養與肥料學報，2004，10（3）：286-291.

[3] 曹志洪.施肥與水體環境質量—論施肥對環境的影響（2）[J].土壤，2003，35（5）：353-36.

[4] 崔玉亭.化肥與農業生態環境保護[M].北京：化學工業出版社，2001.

[5] 焦彬，顧榮申，張學上.中國綠肥[M].北京：農業出版社，1986.

[6] 李繼明，黃慶海，袁天佑，等.長期施用綠肥對紅壤稻田水稻產量和土壤養分的影響[J].植物營養與肥料學報，2011，17（3）：563-570.

[7] 劉春增，劉小粉，李本銀，等.綠肥還田對水稻產量、土壤團聚性及其有機碳和全氮分布的影響[J].華北農學報，2012，27（6）：224-228.

[8] 劉春增，劉小粉，李本銀，等.紫云英配施不同用量化肥對土壤養分、團聚性及水稻產量的影響[J].土壤通報，2013，44（2）：409-413.

[9] Nelson D W， Sommers L E. Total carbon， organic carbon， and organic matter：Laboratory methods[M]// ASA and SSSA. Methods of soil analysis：Part 2. 2nd ed. Wisconsin： Madison， 1982：539-579.

[10] 魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京：中國農業科技出版社，2000.

[11] Kemper W D， Rosenau R C. Aggregate stability and size distribution[M]// ASA. Methods of soil analysis： Part 1. 2nd ed. Wisconsin： Madison， 1986：425-442.

[12] 黃運湘，王改蘭，馮躍華，等.長期定位試驗條件下紅壤性水稻土有機質的變化[J].土壤通報，2005，36（2）：198-184.

[13] Six J， Elliot E T， Paustian K. Aggregate and soil organic matter dynamic under conventional and no-tillage systems[J]. Soil Sci Soc Am J， 1999， 63： 1 350-1 358.

[14] Guggenberger G， Elliott E T， Frey S D， et al. Microbial contributions to the aggregation of a cultivated grassland soil amended with starch[J]. Soil Biol Biochem， 1999， 31： 407-419.

[15] Birgitte N， Leif P. Influence of arbuscular mycorrhizal fungion soil structure and aggregate stability of vertisol[J]. Plant and Soil， 2000， 218： 173-183.

[16] Maysoon M M， Charles W R. Tillage and manure effects on soil and aggregate-associated carbon and nitrogen [J]. Soil Sci Soc Am J， 2004， 68：809-816.

[17] Yang Z H， Singh B R， Hansen S. Aggregate associated carbon， nitrogen and sulfur and their ratios in long-term fertilized soils [J]. Soil Till Res， 2007， 95：161-171.

[18] Tisdall J M， Oades J M. The effect of crop rotation on aggregation in a red-bow earth [J]. Aust J Soil Res， 1980， 18：423-433.

[19] Jastrow J D， Boutton T W， Miller R M. Carbon dynamics of aggregate-associated organic matter estimated by 13C natural abundance [J]. Soil Sci Soc Am J， 1996， 60：801-807.

[20] Elliott E T. Aggregate structure and carbon， nitrogen， and phosphorus in native cultivated soils [J]. Soil Sci Soc Am J， 1986， 50：627-633.

[21] Oades J M. Soil organic matter and structural stability： mechanisms and implications for management [J]. Plant Soil， 1984， 76：319-337.

[22] Tisdall J M， Oades J M. Organic matter and water-stable aggregates in soils [J]. J Soil Sci， 1982， 62：141-163.

[23] Gupta V V S R， Germida J J. Distribution of microbial biomass and its activity in different soil aggregate size classes as affected by cultivation [J]. Soil Biol Biochem， 1988， 20：777-786.

[24] Sylvia D M， Fuhrmann J J， Hartel P G， et al. Principles and applications of soil microbiology [M]. Upper Saddle River， New Jersey： Pearson Education Inc， 2005.