翻壓9種春油菜對潮土有機質(zhì)及其氧化穩(wěn)定性的影響

袁苗苗，向春陽，趙 秋，史昕倩，董家僖，田秀平

(1.天津農(nóng)學院農(nóng)學與資源環(huán)境學院，天津 300384，2 天津市農(nóng)業(yè)科學院資源環(huán)境研究所，天津 300192)

華北地區(qū)是我國主要的糧食生產(chǎn)區(qū)之一，其中玉米產(chǎn)量占全國玉米總產(chǎn)量的36%[1]。作為我國玉米主產(chǎn)區(qū)之一，保持玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性對我國糧食安全起到重要作用，土壤肥力對作物產(chǎn)量影響很大。長期以來，為了維持人口迅速增加對糧食的需求，該地區(qū)不斷投入大量化學肥料，而忽視有機物料的投入，導致該地區(qū)土壤板結(jié)與酸化等現(xiàn)象普遍發(fā)生[2-3]。2015年，我國農(nóng)業(yè)部開始實施2020年化肥零增長計劃，倡導增施有機肥料來改善土壤理化性質(zhì)[4]。有機肥種類繁多，其中，綠肥被稱為我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的瑰寶[5]，是一種高效、清潔且營養(yǎng)齊全的天然有機肥源，將其生長過程中所產(chǎn)生的全部活體，直接翻壓到土壤中作為肥料[6]。翻壓后的綠肥通過淋溶、分解等過程向土壤提供大量有機碳，促進土壤有機質(zhì)的腐解礦化，土壤養(yǎng)分循環(huán)及難溶性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，同時為土壤微生物的活動提供能量來源，促進土壤有機質(zhì)含量的增加[7]。

盡管土壤有機質(zhì)只占土壤總重量的一部分，但其數(shù)量和品質(zhì)與土壤肥力密切相關(guān)。在一定的范圍內(nèi)土壤有機質(zhì)含量多則土壤肥力就高，反之，土壤肥力就低[8-9]。近年來，人們對土壤有機質(zhì)的研究從數(shù)量層次深入到品質(zhì)層次，開始注重土壤有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性。土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定性影響碳分解和儲存，并且對土壤養(yǎng)分和質(zhì)量具有重要作用，土壤有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性與腐殖質(zhì)抗氧化能力有關(guān)[10]。前人研究表明，綠肥翻壓可以提高土壤有機質(zhì)含量及其氧化穩(wěn)定性[11-15]。鄧小華等[16]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)3 a翻壓綠肥，土壤有機質(zhì)含量提高3.73%～8.76%。杜威等[17]通過綠肥翻壓也發(fā)現(xiàn)，翻壓綠肥后可使當季土壤有機質(zhì)含量有一定的提高，有效改善土壤養(yǎng)分平衡。史吉平等[18]發(fā)現(xiàn)長期施用有機肥，或有機無機肥配施，均可提高潮土和旱地紅壤的腐殖質(zhì)含量。邵月紅等[19]研究表明，長期施用有機肥對土壤有效碳庫有很大影響，在提高活性碳方面綠肥和稻草秸稈肥優(yōu)于廄肥。因此，綠肥翻壓對土壤有機質(zhì)及其氧化穩(wěn)定性的影響研究具有重要意義。油菜(BrassicacampestrisL.)作為綠肥，不僅鮮草含量大，養(yǎng)分含量高，繁殖期短，而且對環(huán)境的適應能力強[20]。研究表明，油菜翻耕入土之后，可以有效活化土壤，改良土壤物理性質(zhì)，顯著提高土壤有機質(zhì)含量，并能長期作用于土壤，對一些劣質(zhì)土壤具有很好的改良作用[21-22]。李文廣等[23]研究黃土高原旱地麥后復種飼料油菜還田對后茬麥田土壤養(yǎng)分的影響，結(jié)果表明，與常規(guī)種植模式相比，飼料油菜還田可不同程度提升土壤養(yǎng)分及酶活性，其中有機質(zhì)含量提升范圍最大，為 11.73%～60.5%。嚴紅星[24]通過冬閑地種植綠肥(油菜、箭舌豌豆、黑麥草)和利用晚稻草在煙草移栽前翻壓還田發(fā)現(xiàn)，油菜等還田可提高土壤有機質(zhì)及活性有機質(zhì)含量，且對土壤腐殖質(zhì)組分有一定影響。

本研究以不同春油菜品種為研究對象，研究其翻壓后對土壤有機質(zhì)、腐殖質(zhì)及其穩(wěn)定性的影響，并探討油菜生物學產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)的響應關(guān)系，以期為華北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理種植油菜綠肥，改善土壤肥力提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于天津市寧河區(qū)林場(117.82°E，39.33°N)，氣候類型屬于大陸性季風氣候，暖溫帶半干旱半濕潤帶。年平均氣溫11.2℃，平均濕度66%，最低氣溫出現(xiàn)在1月份，平均為-5.8℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月份，平均為25.7℃。年平均降水量642 mm，降水量70%集中在6—8月份，全年無霜期240 d。

1.2 試驗材料

供試土壤為潮土，2019年春試驗播前耕作層(0～20 cm)土壤的基本理化性狀：有機質(zhì)16.07 g·kg-1，全氮0.96 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全鉀23.59 g·kg-1，堿解氮65.06 mg·kg-1，有效磷31.63 mg·kg-1，速效鉀127.78 mg·kg-1，pH值8.01，電導率222 μs·cm-1。供試綠肥有9個不同的油菜品種，分別是中油肥1、中油肥2、中油肥1802、中油肥1804、中油肥1901、中油肥1903、中油肥1904、中油肥1906、中油肥1907，代號分別為ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF4、ZYF5、ZYF6、ZYF7、ZYF8、ZYF9，由中國農(nóng)科院油料作物研究所提供。

1.3 試驗設(shè)計

采用田間小區(qū)試驗，共設(shè)置10個處理，其中，有9個不同春油菜品種處理，1個春閑處理作為對照(CK)，采用完全隨機區(qū)組排列，每個處理設(shè)3次重復。油菜于2019 年3 月18日播種，采用條播，每個品種播種量為0.6 kg·666.7 m-2，行距25～30 cm，于6月8日進行翻壓。翻壓后種夏玉米，玉米種植前每個小區(qū)施底肥尿素(含N 46%)、磷酸二銨(含N 11%、含P2O546%)和氯化鉀(含K2O 50%)，施肥量為N 110.72 kg·hm-2、P2O589.36 kg·hm-2、K2O 63.83 kg·hm-2。

1.4 測定項目與方法

綠肥翻壓前，每個品種分別取3個樣方，每個樣方1 m2，測定植株生物量，并取代表性根系樣(鮮重不少于150 g)、取代表性地上部分樣(鮮重不少于200 g)，烘干后用于測定植株含碳量；未種油菜前在每個小區(qū)多點取0～20 cm耕層混合土樣作為基礎(chǔ)土樣，測定土壤養(yǎng)分等指標；在油菜未翻壓前的5月30日在不同小區(qū)中采用多點法取0～20 cm土層混合土樣，油菜翻壓后種植玉米，在玉米收獲后的9月29日，分別在不同小區(qū)中采用多點法取0～20 cm土層混合土樣，在實驗室風干，進行土壤有機質(zhì)、腐殖質(zhì)及易氧化有機質(zhì)等的測定。

土壤養(yǎng)分、有機質(zhì)、腐殖質(zhì)等指標測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[25]；土壤pH值的測定：水浸提，酸度計測定；土壤EC的測定：水浸提，電導率儀測定；土壤全氮的測定：濃硫酸消煮，半微量開氏法；土壤全磷的測定：氫氧化鈉熔融，鉬銻抗分光光度計法測定；土壤全鉀的測定：硝酸和高氯酸消煮，火焰光度計測定；土壤有效磷的測定：碳酸鈉浸提，鉬銻抗分光光度計法測定；土壤速效鉀的測定：醋酸鈉浸提，火焰光度計測定；土壤堿解氮的測定：堿解擴散法測定；土壤有機質(zhì)的測定：重鉻酸鉀外加熱法；土壤腐殖質(zhì)的測定：焦磷酸鈉-氫氧化鈉提取法；易氧化有機質(zhì)的測定：高錳酸鉀氧化法；植株含碳量的測定：重鉻酸鉀-硫酸氧化法。

難氧化有機質(zhì)=總有機質(zhì)-易氧化有機質(zhì)

Kos值=難氧化有機質(zhì)/易氧化有機質(zhì)

春油菜總碳輸入量=春油菜生物量×春油菜植株含碳量

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和作圖，并用SPSS軟件進行差異顯著性分析，運用灰色關(guān)聯(lián)度綜合評價不同春油菜品種的改土效果，關(guān)聯(lián)度越大，其土壤肥力越高，關(guān)聯(lián)度越小，土壤肥力越低。關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式[26]：

式中,X為品種;Xo為參考序列;Xi為比較序列，且i=1,2,3,…,n;ρ為分辨系數(shù)，此處取值0.5；n為品各性狀指標的個數(shù);k為性狀；i為品種編號；|Xo(k)-Xi(k)|為絕對差值，記作Δi(k)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同春油菜品種翻壓前生物量及碳含量

從表1可以看出，不同春油菜品種生物量及碳含量有所不同，ZYF5的生物量最高(7 167 kg·hm-2)，其次是ZYF4，ZYF6的生物量最低。方差分析結(jié)果表明，ZYF5顯著高于ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF6、ZYF7及ZYF8，但與ZYF4和ZYF9之間差異不顯著；ZYF7的植株含碳量最高，為695.1 g·kg-1，ZYF5次之，為650.6 g·kg-1，兩者顯著高于(除ZYF5與ZYF6和ZYF8之間)其他品種；雖然ZYF7植株含碳量最高，但春油菜總有機碳輸入量則以ZYF5最高，為4 662.25 kg·hm-2，其次是ZYF4，為4 041.49 kg·hm-2，兩者顯著高于其他品種，ZYF1最低，與ZYF6之間無顯著差異，但顯著低于其他品種。綠肥作物翻壓前的生物量和養(yǎng)分含量影響著土壤的培肥效果，對土壤的礦化及腐殖化起到一定的作用。

表1 不同品種春油菜生物量、碳含量及有機碳輸入量Table 1 Biomass,carbon content,and total carbon input of different varieties of Brassica campestris L.

2.2 不同春油菜品種翻壓對土壤有機質(zhì)含量的影響

由表2可以看出，5月30日未翻壓油菜之前，土壤有機質(zhì)總量范圍在15.25～17.48 g·kg-1，種植ZYF5土壤有機質(zhì)含量最高，ZYF7最低，ZYF7和ZYF3沒有差異，均低于其他處理。從6月8日翻壓春油菜到9月29日，不同處理土壤中有機質(zhì)含量變化不同，其中，ZYF5處理土壤中含量最高，9月29日測定結(jié)果除了與ZYF9差異不顯著外，顯著高于其他處理。未翻壓春油菜的CK處理，土壤中有機質(zhì)最低，供試所有春油菜品種都提高了土壤有機質(zhì)含量，但增加程度不同，從絕對變化量上看，ZYF5 和ZYF9增加較多，比沒翻壓春油菜的5月30日土壤有機質(zhì)量都增加了7.24 g·kg-1，ZYF7和ZYF8分別增加了5.28 g·kg-1和5.79 g·kg-1，其余品種增加都在5 g·kg-1以下，ZYF2和ZYF6增加量較低，在3 g·kg-1以下。

表2 不同春油菜翻壓下土壤有機質(zhì)含量/(g·kg-1)Table 2 Soil organic matter content under different spring rape overturning

2.3 不同春油菜品種翻壓土壤中腐殖質(zhì)含量的差異

土壤腐殖質(zhì)是土壤中高分子有機膠體，結(jié)構(gòu)復雜，不易被微生物分解，是土壤有機質(zhì)最穩(wěn)定的部分，是土壤固碳的重要標志。由表3可以看出，5月30日春油菜未翻壓前土壤腐殖質(zhì)含量范圍在11.40～12.76 g·kg-1，種植ZYF2含量最高，ZYF9含量最低。春油菜翻壓土壤后先進行礦化作用，然后再進行腐殖質(zhì)作用，到了9月29日所有處理腐殖質(zhì)含量均高于5月30日，不同處理土壤腐殖質(zhì)含量增加幅度不同，排序為：ZYF5>ZYF8>ZYF4>ZYF3>ZYF9>ZYF1>ZYF7>ZYF2=ZYF6>CK。其中，ZYF5處理土壤腐殖質(zhì)含量最高，為23.41 g·kg-1，較春油菜翻壓前增加了11.24 g·kg-1，顯著高于其他處理，CK最低，翻壓前后變化很小，只增加了1.00 g·kg-1。

表3 不同春油菜翻壓土壤腐殖質(zhì)含量/(g·kg-1)Table 3 Soil humus content under different spring rape overturning

2.4 不同春油菜品種翻壓土壤有機質(zhì)氧化穩(wěn)定性的差異

土壤有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性決定了有機質(zhì)礦化的難易，影響著土壤養(yǎng)分的供應強度。易氧化有機質(zhì)與總有機質(zhì)之比可代表土壤有機質(zhì)的活化度，是作為評價土壤肥力的重要指標[27]。由圖1 可以看出，與對照相比，9個春油菜品種翻壓后土壤易氧化有機質(zhì)含量均有所提高，其中，ZYF5增加最多，顯著高于其他處理，其次是ZYF9、ZYF8，也顯著高于其他處理，CK最低，顯著低于翻壓春油菜的所有處理。春油菜生長過程中會吸收下層土壤養(yǎng)分積累到植株體內(nèi)，翻壓到土壤后，不但為土壤提供大量的有機物質(zhì)，而且在春油菜礦化分解過程中，也會釋放養(yǎng)分到表層土壤中，使得耕層土壤具有更高的養(yǎng)分濃度，從而為后茬玉米根向表土層聚集提供了良好的條件，增加根系的凋落物和分泌物，而凋落物和根系分泌物經(jīng)微生物的分解，成為土壤易氧化有機質(zhì)的重要來源；以氧化穩(wěn)定性系數(shù) Kos值作為衡量有機質(zhì)氧化穩(wěn)定性的指標，由圖2看出，不同春油菜品種翻壓后土壤有機質(zhì)Kos值均顯著低于CK，下降較多的是ZYF5、ZYF8和 ZYF9處理，顯著低于其他處理；翻壓春油菜各處理土壤易氧化有機質(zhì)占總有機質(zhì)的比例也顯著高于CK，也是ZYF5、ZYF8和 ZYF9較高，顯著高于ZYF1、ZYF2、ZYF3和ZYF6。因此，翻壓春油菜改變了土壤有機質(zhì)的品質(zhì)。

圖1 不同處理下土壤易氧化有機質(zhì)和難氧化有機質(zhì)含量的差異Fig.1 Difference of content of easily oxidized organic matter and difficult to oxidize organic matter in different treatments

圖2 不同處理下土壤有機質(zhì)Kos值和易氧化有機質(zhì)與總有機質(zhì)比值的差異Fig.2 Difference of soil Kos value and ratio of easily oxidized organic matter to total organic matter in different treatments

2.5 春油菜生長指標與土壤有機質(zhì)之間的關(guān)系

從表4看出，土壤有機質(zhì)、腐殖質(zhì)和易氧化有機質(zhì)與春油菜生物量和總碳輸入量之間呈極顯著正相關(guān)，易氧化有機質(zhì)與春油菜植株含碳量呈顯著正相關(guān)，土壤有機質(zhì)和腐殖質(zhì)與春油菜植株含碳量之間相關(guān)不顯著，土壤有機質(zhì)、腐殖質(zhì)和易氧化有機質(zhì)之間均呈極顯著正相關(guān)。以上說明，土壤有機質(zhì)和腐殖質(zhì)與春油菜生物量及春油菜總碳輸入量關(guān)系更密切，植株含碳量的高低更多地代表了植株養(yǎng)分碳含量貯備量，增加土壤有機質(zhì)含量，一定考慮其歸還到土壤中的生物總量。

表4 春油菜生長指標與土壤有機質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Relationship between biomass of spring rape and soil organic matter

2.6 綜合評價

采用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度理論，選取土壤有機質(zhì)、土壤腐殖質(zhì)、易氧化有機質(zhì)3項指標的均值，對其進行灰色關(guān)聯(lián)度綜合評價(表5)。各處理的排序為ZYF5>ZYF9>ZYF8>ZYF4>ZYF7>ZYF3>ZYF1>ZYF2>ZYF6>CK，表明種植并翻壓9個油菜品種，其改善土壤有機質(zhì)品質(zhì)的效果均優(yōu)于春閑，且以種植ZYF5為最佳，其次是ZYF9。

表5 不同油菜品種改良土壤有機質(zhì)的關(guān)聯(lián)度及排名Table 5 Correlation and ranking of improved soil organic matter in different Brassica campestris L. varieties

3 討論與結(jié)論

綜合考慮土壤有機質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量是研究綠肥培肥能力的一個方向，腐殖質(zhì)和易氧化有機質(zhì)是重要的衡量指標，腐殖質(zhì)含量和氧化穩(wěn)定性很大程度上受不同綠肥種類的影響，本研究驗證了這一觀點，即不同春油菜品種翻壓下土壤有機質(zhì)及其氧化穩(wěn)定性存在差異。有機質(zhì)是土壤微生物的碳源和氮源[28]，其含量與春油菜綠肥的根系分泌物和殘留物有關(guān)[29]，土壤有機質(zhì)的動態(tài)平衡取決于土壤中有機質(zhì)的輸入量和輸出量，提高土壤有機質(zhì)含量是培肥的重要任務。前人研究表明[30-31]，不同有機肥對土壤有機質(zhì)的影響差異很大，但綠肥不同程度地提高土壤有機質(zhì)含量已經(jīng)得到認可。本研究結(jié)果表明9個油菜品種翻壓后較CK土壤有機質(zhì)含量均有所提高，比CK土壤有機質(zhì)高2.64%～48.11 %。ZYF5提高有機質(zhì)最多，原因是其生物量最高，為7 166.5 kg·hm-2，顯著高于其他品種，可以為微生物代謝提供更多可供分解的植物殘體，ZYF2的生物量雖然較高，但其植株含碳量低，歸還土壤中提高有機質(zhì)量也不高。春油菜的腐解是物質(zhì)與能量相互轉(zhuǎn)化的生化過程，隨著油菜翻壓后腐解，油菜植株體內(nèi)碳元素進行分解和合成的轉(zhuǎn)化，不同春油菜品種生物量和分泌物有所差異，導致土層中植物殘體的數(shù)量和性質(zhì)發(fā)生改變，影響土壤有機質(zhì)的合成和分解，造成對土壤碳庫補充程度不同，且植物本身碳氮比含量不同，所以不同春油菜品種翻壓后對參與礦化作用的土壤微生物新陳代謝率的影響不同，從而土壤有機質(zhì)的變化不同[31]。

腐殖質(zhì)是由木質(zhì)素和芳香烴碳等結(jié)構(gòu)復雜的化合物經(jīng)土壤微生物作用后形成的非晶形高分子有機化合物，屬于較穩(wěn)定的惰性有機質(zhì)，其組成與性質(zhì)是衡量有機質(zhì)的重要質(zhì)量指標[29,31-32]。翻壓綠肥可以更新和活化土壤中的腐殖質(zhì)，本研究結(jié)果顯示，不同春油菜品種翻壓均可提高土壤腐殖質(zhì)含量，原因可能是春油菜具有較多的表面官能團及較大的比表面積，為微生物提供了活動場所，加速了春油菜殘體向腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化[33]。其中，也以翻壓ZYF5土壤的腐殖質(zhì)含量提高最多，達到11.77 g·kg-1。ZYF9的有機質(zhì)含量雖然較高，但其腐殖質(zhì)含量并不高，說明該品種轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的能力較弱，主要提高土壤中輕組有機質(zhì)部分，但該品種提高易氧化有機質(zhì)較多，在提高土壤養(yǎng)分供應上具有一定作用，說明這個品種春油菜易氧化有機質(zhì)是土壤有機質(zhì)的重要組成之一，具有易分解的作用，可以更好反映土壤質(zhì)量變化和養(yǎng)分循環(huán)[34]。影響土壤腐殖質(zhì)分解的因素有很多，如植物殘體的特性、土壤特性等，具體提高土壤腐殖含量的機制及增加了腐殖質(zhì)哪些組分有待進一步研究。

土壤活性有機質(zhì)對調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分流有很大影響，與土壤內(nèi)在的生產(chǎn)力高度有關(guān)。在不施有機物料條件下，土壤地力的耗竭主要體現(xiàn)在易氧化有機質(zhì)被大量消耗，土壤養(yǎng)分供應能力下降，本供試土壤質(zhì)地重，不利于難氧化有機質(zhì)的礦化，如果僅施化肥，根茬殘留量不足以補充土壤有機質(zhì)消耗，使土壤易氧化有機質(zhì)下降，難氧化有機質(zhì)上升，土壤有機質(zhì)活化度降低。春油菜翻壓后增加外源有機物的投入，為微生物提供充足的碳源，而微生物分解的有機物質(zhì)是活性有機質(zhì)組分的主要來源，因此本研究中9個春油菜品種土壤易氧化有機質(zhì)含量均有所提高。土壤易氧化有機質(zhì)占有機質(zhì)總量的比率作為衡量土壤有機質(zhì)穩(wěn)定性的方法之一，可以表征不同油菜品種翻壓后土壤有機質(zhì)活性大小以及土壤有機質(zhì)的質(zhì)量，兩者之間的比率越大，表明土壤有機質(zhì)活性越強，被分解轉(zhuǎn)化的可能性越大[35]。不同品種間，易氧化有機質(zhì)含量、易氧化有機質(zhì)與有機質(zhì)總量的比值均以ZYF5最高，且Kos值也以ZYF5最低，這可能是因為春油菜翻壓后提高了土壤有機質(zhì)的氧化度和有機結(jié)構(gòu)分子的復雜度，從而提升了有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性，也可能是因為春油菜中含有較多的易被微生物分解的物質(zhì)，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素較少。由此得出，華北地區(qū)采用春油菜翻壓可有效提高土壤有機質(zhì)含量、土壤腐殖質(zhì)含量，且對土壤有機質(zhì)氧化穩(wěn)定性起到一定影響。一方面油菜翻壓增加了土壤有機碳含量，促進了土壤有機質(zhì)腐解、礦化、養(yǎng)分循環(huán)及難溶性有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化，同時為土壤微生物的活動提供了能量來源，從而促進土壤中有機質(zhì)含量的增加，另一方面有機質(zhì)活性增加會加速有機質(zhì)的分解，再加上土壤中微生物的作用，可促進土壤中不同組分有機質(zhì)含量增加，從而使得土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定性降低。說明春油菜的輸入對華北地區(qū)潮土的改良起關(guān)鍵作用，其中春油菜中油肥1901在提高有機質(zhì)總量、腐殖質(zhì)含量和易氧化有機質(zhì)量上效果最佳，中油肥1907號有利于提高總有機質(zhì)和易氧化有機質(zhì)含量，但不利于土壤腐殖質(zhì)的積累。