毛叶苕子对滨海盐碱地土壤活性有机碳和后茬玉米产量的影响

李可心LI Kexin李可心, 主要研究方向为全球变化生态学｡E-mail: 2317163527@qq.com北京林业大学生态与自然保护学院School of Ecology and Nature Conservation, Beijing Forestry University100083北京Beijing , China王光美WANG Guangmei王光美,主要研究方向为盐碱地综合利用;E-mail:gmwang@yic.ac.cnWANG Guangmei, E-mail: gmwang@yic.ac.cn中国科学院烟台海岸带研究所Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences264000烟台Yantai , China张晓冬ZHANG Xiaodong山东省农业科学院Shandong Academy of Agricultural Sciences250100济南Jinan , China张海波ZHANG Haibo中国科学院烟台海岸带研究所Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences264000烟台Yantai , China石一鸣SHI Yiming中国科学院烟台海岸带研究所Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences264000烟台Yantai , China季增诚JI Zengcheng黄三角农高区盐碱地综合利用技术创新中心Technology Innovation Center for Comprehensive Utilization of Saline-alkali Land, Agricultural High-tech Industrial Demonstration Area of the Yellow River Delta257300东营Dongying , China.周志勇ZHOU Zhiyong周志勇,主要研究方向为全球变化生态学,E-mail:zhiyong@bjfu.edu.cnZHOU Zhiyong, E-mail: zhiyong@bjfu.edu.cn北京林业大学生态与自然保护学院School of Ecology and Nature Conservation, Beijing Forestry University100083北京Beijing , ChinaS142毛叶苕子黄河三角洲盐碱地土壤活性有机碳后茬作物产量Vicia villosaYellow River DeltaSaline-alkali landSoil activated organic carbonYield of subsequent crops国家重点研发计划项目(2019YFD1002702)山东省重点研发计划项目(2021SFGC0301)资助supported by the National Key Research & Development Program of China (2019YFD1002702)the Key Research & Development Program of Shandong Province (2021SFGC0301)10.12357/cjea.20220759

土壤活性有机碳是土壤中周转时间短、易被微生物利用的有机碳组分, 依据物理、化学、微生物学特性和测定方法的不同, 常用的表征指标包括易氧化有机碳(ROC)、微生物生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)等^[1]｡活性有机碳占土壤总有机碳的比例较小, 但由于其较快的周转速率, 以及对环境变化的高度敏感性, 是表征土壤有机碳变化的早期指标, 对土壤养分供应和作物产量也有重要影响^[2]｡土壤活性有机碳相对含量是活性有机碳组分含量与总有机碳含量的比值, 相对含量越高表明其微生物可利用度越高, 是土壤养分调节及有机碳库有效性的重要表征^[3]｡此外, 活性有机碳含量与总有机碳含量有较好相关性, 其相对含量可以消除总有机碳含量差异, 比绝对含量更能体现土壤有机碳的质量^[4]｡研究土壤活性有机碳组分的动态变化, 对实现土壤有机碳库正向培育, 提高土壤肥力具有重要意义｡

覆盖植物是指主要作物收获后能在时间上和空间上填充土壤裸露间隙的作物^[5]｡农田生产中增加覆盖植物轮作是提升土壤有机碳含量和后茬作物产量的有效方式之一^[6]｡黄璐等^[7]试验发现, 种植翻压草木樨(Melilotus officinalis)、柽麻(Crotalaria juncea)等不同豆科作物均可显著提高土壤有机碳、微生物量碳含量｡Zhang等^[8]利用二月兰(Orychophragmus violaceus)和玉米(Zea mays)轮作提高了土壤有机质含量和玉米产量｡郭耀东等^[9]发现种植翻压毛叶苕子(Vicia villosa)、草木樨等豆科绿肥可以保蓄土壤水分, 提升土壤有机质含量和青贮玉米鲜草产量｡种植翻压覆盖植物对土壤活性有机碳影响的结论并不完全一致, 与植物种类、田间管理措施以及土壤环境条件等有关｡例如, 高菊生等^[10]研究表明, 在湘南红壤稻田, 土壤活性有机碳含量在种植豆科覆盖作物时显著提高, 禾本科覆盖植物处理下变化并不显著, 经30年种植后紫云英(Astragalus sinicus)覆盖处理下的土壤活性有机碳含量显著高于其他覆盖作物处理和冬闲处理; 李峰等^[11]发现紫云英还田对南方红壤稻田土壤易氧化有机碳含量影响不大, 减少化肥用量时则可以提高活性有机碳含量; 周国朋等^[12]则通过湖南紫潮泥和江西黄泥两种土壤对比试验发现, 单施紫云英与冬闲相比并未显著增加土壤可溶性有机碳含量, 但紫潮泥土壤中的有机质含量、可溶性有机碳含量均显著高于黄泥土壤｡另一方面, 覆盖植物对活性有机碳影响的相关研究, 多在种植前和收获后的两个时期进行对比分析^[13-16], 对整个生长季节动态变化的研究相对缺乏, 一定程度上影响了对覆盖植物作用机制的深入理解｡

黄河三角洲地区地下水埋深浅、矿化度高^[17], 土壤盐渍化严重, 加之该地区淡水资源匮乏, 冬春季节降雨量少^[18], 2015年以来冬小麦(Triticum aestivum )种植面积大幅下降, 大量耕地在冬春季节闲置, 大田栽培作物向一年一熟制演变^[19-20]｡冬春休耕植被覆盖度低, 容易导致扬尘和水、土、肥的流失, 既不利于生态环境的保护, 也制约了盐碱地农业的发展^[21]｡在黄河三角洲地区, 覆盖植物应用已日趋广泛, 但相关研究主要集中在品种筛选、栽培技术等方面^[22], 其对土壤性状、活性有机碳动态变化及对后茬作物影响的相关研究相对缺乏｡毛叶苕子具有较强的耐旱、耐盐能力, 是华北地区应用较广的冬季覆盖植物｡本研究以冬季休耕为对照, 研究种植翻压毛叶苕子对黄河三角洲盐碱土壤理化性质、活性有机碳含量及后茬玉米产量的影响, 分析玉米产量与土壤活性有机碳、土壤理化性质的关系, 以期为该区覆盖植物在盐碱地产能提升方面的应用提供参考｡

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2020年9月至2021年10月在中国科学院烟台海岸带研究所黄河三角洲盐碱地农田生态系统观测研究站(37°32′7″N, 118°65′33″E)进行｡研究站位于黄河三角洲国家级农业高新技术产业示范区, 属暖温带季风气候, 年均温13.5 ℃, 多年平均降雨量为700~750 mm, 80%降雨集中在5—9月, 土壤类型为盐化潮土｡试验地自2019年10月玉米收获后至试验开始前处于休耕状态, 含盐量为2~3 g∙kg^-1, pH为8.29~9.18, 有机质含量为9.8~14.24 g∙kg^-1, 总氮含量为0.52~0.82 g∙kg^-1, 总磷含量为0.69~0.82 g∙kg^-1, 速效氮含量为26.8~34.4 mg∙kg^-1, 速效磷含量为12.46~18.13 mg∙kg^-1｡

1.2 试验设计

试验设置冬春休耕(以下简称休耕处理)和冬春种植毛叶苕子(以下简称苕子处理)2个处理｡每个处理小区面积为5 m×3 m, 4次重复, 共8个试验小区, 随机区组设计｡毛叶苕子品种为‘鲁苕1号’, 于2020年9月27日播种, 播量为45 kg∙hm^-2, 行距60 cm, 于盛花期(2021年5月26日)翻压还田｡后茬作物玉米品种为‘登海605’, 于2021年7月4日播种, 行距60 cm, 株距25 cm, 施用肥料为N-P₂O₅-K₂O (27-14-10)复合肥, 施用量为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日收获｡试验期间降雨和气温状况如图1所示, 毛叶苕子和玉米的管理同当地常规措施｡

图1 2020—2021年试验期间气温和降雨状况

Fig. 1 Air temperature and precipitation in the experiment duration from 2020 to 2021

1.3 样品采集与分析

在毛叶苕子翻压前, 各小区随机选取3个1.2 m ×1.2 m的样方, 将其地上部齐地剪下以测定地上部生物量｡根系生物量采集用根钻法, 用内径10 cm的根钻, 在每个已剪取地上部的样方内随机采集0~30 cm土壤5钻, 全部土样带回实验室, 用20目土壤筛冲洗获取根系｡地上部及根系105 ℃杀青30 min, 60 ℃烘干至恒重后称重粉碎｡用大进样量元素分析仪(Vario Macro cube, Elementar, Germany)测定地上部和根全碳、全氮含量, 采用浓硫酸-过氧化氢法消煮连续流动分析仪(AA3, Germany)测定地上部和根全磷含量｡

在毛叶苕子种植前(2020年9月25日, T1)、翻压前(2021年5月25日, T2)、翻压后玉米种植前(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)和收获期(2021年10月9日, T6)采集土样, 苗期和大喇叭口期土样采集在施肥之前进行｡每试验小区按照五点取样法采集0~20 cm土壤样品并混合为一个土样, 装袋、标记后带回实验室｡一部分土样自然风干用于土壤理化性质、土壤有机碳及活性有机碳的测定; 另一部分立即存入4 ℃冰箱中, 用于测定土壤微生物生物量碳｡2021年10月12日, 将每个试验小区内玉米全部收获, 测定地上部秸秆生物量(烘干重)、籽粒产量及地上部总生物量。

土壤基本理化性质参照《土壤农化分析(第三版)》^[23]进行测定｡pH和电导率(EC)采用5∶1水土比测定; 全氮、全磷含量经H₂SO₄消煮后, 利用连续流动注射分析仪(AA3, Germany)测定; 土壤总有机碳(TOC)含量采用重铬酸钾外加热法测定, 土壤易氧化有机碳(ROC)采用高锰酸钾氧化法测定, 土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定, 土壤可溶性有机碳(DOC)采用热水浸提TOC分析仪(TOC-VCPH)测定｡

1.4 数据处理

利用重复测量方差分析方法分析不同处理、生长时期及两者交互作用对土壤理化性质、活性有机碳组分含量及其相对含量的影响, 统计分析用SPSS 26.0进行｡同一处理不同时期的多重比较采用邓肯(Duncan)法｡利用R(4.2.1)软件“corr”包进行土壤理化性质与有机碳组分之间的Pearson相关性分析, 利用“Vegan”包进行土壤性状与玉米产量关系的主成分分析并用ggplot可视化, 其余图形采用Origin 2021绘制｡

2 结果与分析

2.1 毛叶苕子产量及养分特征

毛叶苕子翻压期总生物量(干重)可达5001.59 kg∙hm^-2, 其中地上部生物量占90.05%, 且地上部碳、氮、磷、钾的含量均明显高于根部｡根据其生物量与养分含量计算, 理论上试验地种植翻压毛叶苕子最多可提供N 153.42 kg·hm^-2, P₂O₅ 20.28 kg·hm^-2, K₂O 244.75 kg·hm^-2｡

表1 毛叶苕子产量及养分特征
	干重 Dry weight (kg·hm^-2)	C含量 C content (g·kg^-1)	N含量 N content (g·kg^-1)	C/N	P含量 P content (g·kg^-1)	K含量 K content (g·kg^-1)
地上部 Shoot	4503.68±212.48	412.05±1.82	32.41±1.66	12.74±0.69	2.03±0.25	41.31±5.22
根 Root	497.91±36.63	329.77±0.94	14.37±0.44	21.78±2.09	1.13±0.19	33.23±0.52
全株 Whole plant	5001.59±214.59	403.03±1.38	30.67±1.56	13.16±0.66	1.78±0.42	40.53±4.82

2.2 对土壤理化性质的影响

重复测量方差分析表明, 不同处理、生长时期和二者的交互作用对土壤pH含量均影响显著, 总氮(TN）含量受不同处理和生长时期显著影响, 但EC和总磷(TP)含量仅受生长时期及其与处理交互作用的显著影响｡

两处理土壤pH在T1、T2无显著差异, 在T3、T4和T5差异达显著水平(图2A, P<0.05)｡苕子处理土壤EC在T2显著低于休耕处理, 在T4则显著高于休耕处理(P<0.05), 其余时期无显著差异(图2B)｡土壤TN含量苕子处理在T3、T4、T6显著高于休耕处理(P<0.05), 其余时期无显著差异(图2C)｡土壤TP含量则为T3和T5以苕子处理显著较高(P<0.05), 其余时期差异均不显著(图2D)｡

就各指标动态变化趋势而言, 苕子处理土壤pH在翻压后明显降低, 以T3最低; 休耕处理土壤pH先升高后降低, 以T4最高, 与苕子处理相比整个试验期变化幅度较小｡土壤EC两处理均呈先升高后降低趋势, 均为T4最高｡苕子处理土壤TN含量在T3升高, T4和T5降低, 至T6回升; 休耕处理TN含量在T3前保持稳定, 后期趋势与苕子处理一致｡休耕处理TP含量变化趋势与TN基本一致, 苕子处理则在T5回升后至T6又降低｡以6个时期平均值比较, 苕子处理的平均pH较休耕处理降低0.12个单位, EC基本持平, 而TN、TP则分别增加15.1%和5.5%｡

图2 种植翻压毛叶苕子对盐碱地土壤理化性质的影响

Fig. 2 Effects of planting and returning Vicia villosa on physicochemical properties of saline soil

T1: 苕子种植前; T2: 毛叶苕子翻压前; T3: 毛叶苕子翻压后玉米种植前; T4: 玉米苗期; T5: 玉米大喇叭口期; T6: 玉米收获期｡不同大写字母表示相同时期不同处理间差异显著(P<0.05), 不同小写字母表示相同处理下不同时期间差异显著(P<0.05)｡T1: before planting Vicia villosa; T2: before returning Vicia villosa; T3: after returning Vicia villosa and before maize planting; T4: maize seedling stage; T5: maize bell mouth stage; T6: maize harvest period. Different capital letters indicate significant differences between two treatments in the same period (P<0.05). Different lowercase letters indicate significant differences among different periods under the same treatment (P<0.05).

2.3 对土壤有机碳和活性有机碳的影响

不同处理和生长时期对土壤有机碳(SOC)、易氧化有机碳(ROC)、微生物生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)含量均影响显著, 且二者的交互作用对ROC、MBC、DOC亦具有显著影响｡

试验期内, SOC含量和ROC含量始终以苕子处理为高｡其中, SOC含量两处理前期差异不显著, 在T5和T6苕子处理比休耕处理分别高10.8%和10.7%, 差异达显著水平(图3A, P<0.05); ROC含量两处理间则均差异显著(图3B, P<0.05)｡MBC含量苕子处理在T1、T2显著低于休耕处理, 在T3、T4则显著高于休耕处理(P<0.05), T5至T6两处理无显著差异(图3C)｡DOC含量休耕处理的T1高于苕子处理, 但此后各生长时期均以苕子处理较高, 且在T3、T5、T6差异达显著水平(图3D, P<0.05)｡

两处理各指标动态变化也存在明显差异｡休耕处理SOC含量在T2前无显著变化, 后呈升高降低再升高再降低趋势｡苕子处理SOC含量则在T4前无显著变化, T5升高后至T6又降低｡休耕处理ROC在T2前变化不显著, T3和T4显著降低, T5显著上升达试验期最高值至T6又显著降低; 苕子处理ROC则在T2较T1显著升高, 在T3和T4显著降低, T5和T6又显著回升, 以T2最高｡土壤MBC含量休耕处理T1至T4逐渐降低, 在T5有所回升后至T6又降低, 苕子处理则在T2前无显著变化, T3显著升高并保持平稳至T4后持续下降, 两处理均以T6最低｡至于DOC含量, 休耕处理在T2前保持平稳, 自T3开始持续降低, 至T6有所回升; 苕子处理则在T2显著上升并保持至T3, T4和T5显著降低后至T6又显著上升｡

比较试验开始前与试验结束后各指标变化, 两处理SOC含量均有升高但未达显著水平, 苕子处理提高幅度更大(7.92% VS 1.98%); ROC含量均有降低但差异不显著, 苕子处理降低幅度更小(-2.9% VS -15.6% ); MBC含量均显著下降, 苕子处理降低程度相对较低(-76.6% VS -84.4%), DOC含量休耕处理显著下降(-22.7%)而苕子处理则显著上升(14.5%)｡从整个试验期综合来看, 较休耕处理, 苕子处理平均SOC、ROC、MBC和DOC含量分别提高6.2%、99.1%、8.1%和8.2%｡

图3 种植翻压毛叶苕子对盐碱地土壤有机碳和活性有机碳的影响

Fig. 3 Effect of planting and returning Vicia villosa on organic carbon and active organic carbon contents of saline soil

T1: 苕子种植前; T2: 毛叶苕子翻压前; T3: 毛叶苕子翻压后玉米种植前; T4: 玉米苗期; T5: 玉米大喇叭口期; T6: 玉米收获期｡SOC: 总有机碳; ROC: 易氧化有机碳; MBC: 微生物生物量碳; DOC: 可溶性有机碳。不同大写字母表示相同时期不同处理间差异显著(P<0.05), 不同小写字母表示相同处理下不同时期间差异显著(P<0.05)｡T1: before planting Vicia villosa; T2: before returning Vicia villosa; T3: after returning Vicia villosa and before maize planting; T4: maize seedling stage; T5: maize bell mouth stage; T6: maize harvest period. SOC: organic carbon; ROC: readily oxidizable organic carbon; MBC: microbial biomass carbon; DOC: dissolved organic carbon. Different capital letters indicate significant differences between two treatments in the same period (P<0.05). Different lowercase letters indicate significant differences among different periods under the same treatment (P<0.05).

2.4 对土壤活性有机碳相对含量的影响

处理对ROC相对含量(ROC/SOC)影响显著, 生长时期和二者的交互作用对ROC、MBC、DOC相对含量(MBC/SOC、DOC/SOC)具有显著影响｡

整个试验期内, 苕子处理ROC/SOC始终高于休耕处理, 除T5外其余时期差异均达到显著水平(P<0.05),各时期平均较休耕提高89.9%｡在T1和T2 MBC/SOC苕子处理显著低于休耕处理, 在T3至T4显著高于休耕处理(P<0.05), 之后差异不显著｡DOC/SOC在T1和T3两处理差异显著(P<0.05), 其余时期则差异不显著｡就各相对含量指标的动态变化而言, 因两处理SOC含量变动幅度较小, 相对含量的动态变化趋势与对应的绝对含量变化趋势基本一致｡此外, 在SOC中ROC含量远高于MBC和DOC(图4)｡因此, 总体来看, 种植翻压毛叶苕子显著增加了土壤活性有机碳相对含量｡

图4 种植翻压毛叶苕子对盐碱地土壤活性有机碳相对含量的影响

Fig. 4 Effect of planting and returning Vicia villosa on relative contents of active organic carbon of saline soils

2.5 土壤理化性质和有机碳组分间的关系

各土壤理化指标与各有机碳组分的相关性差异较大, 且在不同生长时期变化明显(表2)｡在整个试验期间, pH在T2以前与各组分均无显著相关关系, 与SOC只在T6显著负相关(P<0.01), 与ROC和MBC在T3、T4显著负相关(P<0.01), 与DOC在各时期均相关性不显著｡

EC与SOC在T1显著负相关(P<0.05), 与ROC在T4显著正相关(P<0.01), 与DOC在T2显著负相关(P<0.05), 与MBC在T1 (P<0.05)、T2 (P<0.01)和T4 (P<0.01)显著正相关｡TN在T2以前也与各组分均无显著相关关系, 自T2以后, 与SOC在T5(P<0.05)、T6 (P<0.01)显著正相关, 与ROC在T3—T6的4个时期均显著正相关(P<0.01, P<0.05), 与DOC在T3和T6显著正相关(P<0.05), 与MBC在T3、T4显著正相关(P<0.05)｡TP则在T2—T5的4个时期与各有机碳组分相关性均不显著, 在T1与SOC显著正相关(P<0.01), 与MBC显著负相关(P<0.05), 在T6与DOC显著负相关(P<0.05)｡可以看出, TN与各有机碳组分的相关性更为明显, 且均体现在毛叶苕子翻压后的各个时期, 在显著相关的情况下均为正相关｡其次为EC, 主要体现在T5之前, 与各组分至少在某一时期存在显著相关关系｡再次为pH, 在T3后的至少某一时期与除DOC外的其他组分存在显著相关, 且均为负相关｡TP则与各有机碳组分的相关关系最不明显｡

*: P<0.05; **: P<0.01; T1: 苕子种植前; T2: 毛叶苕子翻压前; T3: 毛叶苕子翻压后玉米种植前; T4: 玉米苗期; T5: 玉米大喇叭口期; T6: 玉米收获期｡T1: before planting Vicia villosa; T2: before returning Vicia villosa; T3: after returning Vicia villosa and before maize planting; T4: maize seedling stage; T5: maize bell mouth stage; T6: maize harvest period.

表2 试验期间种植翻压毛叶苕子下盐碱地土壤理化性质和有机碳组分之间的关系
取样时期 Sampling time	指标 Indicators	pH	电导率 EC	全氮 Total N	全磷 Total P
T1	总有机碳 Organic carbon	-0.27	-0.70*	0.49	0.90**
	易氧化有机碳 Readily oxidizable organic carbon	-0.08	-0.65	0.25	0.66
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon.	0.01	0.39	-0.18	-0.52
	微生物生物量碳 Microbial biomass carbon	-0.09	0.71*	-0.24	-0.79*
T2	总有机碳 Organic carbon	0.49	-0.25	0.24	-0.29
	易氧化有机碳 Readily oxidizable organic carbon	0.49	-0.68	0.52	0.46
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon.	0.35	-0.77*	0.35	0.41
	微生物生物量碳 Microbial biomass carbon	-0.48	0.89**	-0.53	-0.54
T3	总有机碳 Organic carbon	-0.70	-0.34	0.52	0.34
	易氧化有机碳 Readily oxidizable organic carbon	-0.89**	-0.35	0.85**	0.64
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon.	-0.63	-0.13	0.74*	0.50
	微生物生物量碳 Microbial biomass carbon	-0.83*	-0.23	0.83*	0.63
T4	总有机碳 Organic carbon	-0.23	0.34	0.05	-0.33
	易氧化有机碳 Readily oxidizable organic carbon	-0.92**	0.90**	0.86**	-0.25
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon.	-0.32	0.41	0.32	-0.34
	微生物生物量碳 Microbial biomass carbon	-0.95**	0.95**	0.81*	-0.45
T5	总有机碳 Organic carbon	-0.72	0.23	0.82*	0.50
	易氧化有机碳 Readily oxidizable organic carbon	-0.42	0.03	0.82*	0.66
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon.	-0.68	0.00	0.10	0.51
	微生物生物量碳 Microbial biomass carbon	0.28	-0.35	-0.01	0.40
T6	总有机碳 Organic carbon	-0.87**	-0.38	0.99**	-0.36
	易氧化有机碳 Readily oxidizable organic carbon	-0.63	-0.29	0.89**	-0.57
	可溶性有机碳Dissolved organic carbon.	-0.52	-0.54	0.77*	-0.75*
	微生物生物量碳 Microbial biomass carbon	0.61	-0.45	-0.58	-0.12

2.6 对玉米地上生物量及籽粒产量的影响

与休耕处理相比, 苕子处理玉米秸秆生物量、籽粒产量和地上部总生物量均显著提高, 分别提高25.3%、15.9%和21.4%, 具有较好的增产效果(表3)｡

不同字母表示不同处理在P<0.05水平差异显著｡Different letters indicate significant differences between two treatments at P<0.05.

表3 种植翻压毛叶苕子对盐碱地玉米地上部生物量和产量的影响
处理 Treatment	秸秆生物量 Straw biomass (kg·hm^-2)	籽粒产量 Grain yield (kg·hm^-2)	地上部生物量 Aboveground biomass (kg·hm^-2)
休耕 Fallow	7545.44±399.85b	5231.78±208.44b	12 777.22±562.91b
毛叶苕子 Vicia villosa	9452.12±453.05a	6061.22±252.04a	15 513.34±628.03a

图5为土壤理化性质、有机碳及各组分含量对玉米籽粒产量影响的主成分分析, PC1对总方差的解释率为64.6%, PC2对总方差解释率为21.4%, 两个主成分累积解释了方差总变异的86.0%｡苕子处理与休耕处理沿PC1明显分开, 表明不同处理对土壤理化性质及玉米籽粒产量有明显影响｡TN、SOC、ROC、DOC与玉米籽粒产量呈正相关, 说明全氮、有机碳及其组分含量对籽粒产量起到促进作用; pH、EC与籽粒产量呈负相关, 随着pH、EC的增加, 玉米产量降低｡

图5 玉米收获期土壤活性有机碳、土壤理化性质和玉米产量的主成分分析

Fig. 5 Principal component analysis of soil reactive organic carbon, soil physicochemical properties at harvest and maize yield

FT: 休耕处理; VT: 毛叶苕子处理; EC: 电导率; TN: 全氮; TP: 全磷 ; SOC: 有机碳; ROC: 易氧化有机碳; DOC: 可溶性有机碳; MBC: 微生物生物量碳; EY:玉米籽粒产量｡FT: fallow treatment; VT: Vicia villosa treatment; EC: electrical conductance; TN: total nitrogen; TP: total phosphorus; SOC: soil organic carbon; ROC: readily oxidizable carbon; DOC: dissolved organic carbon; MBC: microbial biomass carbon; EY: maize grain yield.

3 讨论

3.1 种植翻压毛叶苕子对土壤性质的影响

覆盖植物轮作可以提高土壤通气性和透水性, 调节土壤理化性质, 改善土壤结构^[24]｡已有研究表明, 种植黑麦草(Lolium perenne)、箭舌豌豆(Vicia sativa)和紫花苜蓿(Medicago sativa)后会降低盐碱地土壤的pH^[9,25-26]｡然而, 覆盖植物处理后土壤pH和EC变化结论不尽一致, 与种类、翻压量以及土壤本身性质有关^[27]｡毛叶苕子在生长过程中根系会分泌有机酸, 且翻压后土壤氮素发生一系列转化, 转化过程中H⁺、有机酸等增多^[9]导致土壤pH降低, 此效应可一直持续至后茬玉米收获(图2A)｡相对而言, 休耕处理pH变化较小｡另一方面, 与休耕相比, 种植毛叶苕子形成地表覆盖, 减少土壤水分蒸发而抑制盐分上行, 因此T2土壤EC显著较低｡试验期内, 两处理土壤EC均呈先升高后降低趋势, 均为从T3开始升高, 此时期由于气温显著升高而降雨较少(图1B), 盐分表聚但无明显降雨淋洗下压^[28]; 玉米苗期植株快速生长, 蒸腾作用加强, 且由于降雨较多, 地块积水涝渍严重, 长时间积水导致质地黏重的滨海盐碱土结构进一步恶化, 土壤颗粒膨胀堵塞空气孔隙, 水分入渗率快速降低^[29]｡此条件下, 一部分积水通过径流排出农田, 另一部分则通过蒸发耗散, 在地表形成结皮, 加之苗期以棵间土壤蒸发为主, 土壤盐分在毛管作用下上升, 进一步引发盐分上升表聚^[30], 土壤EC达到整个试验期的最高值｡这也可能说明, 在黄河三角洲地区, 覆盖植物对土壤EC的调控作用主要表现在蒸降比更高的冬春时节｡

覆盖植物本身富集各种营养元素, 翻压还田后腐解释放, 促进土壤养分累积, 从而有效提高土壤肥力^[31]｡毛叶苕子在生长过程中根瘤菌可以固氮, 植株氮含量较高而碳氮比较低, 翻压后易于快速腐解而迅速释放养分, 因此本研究中T3苕子处理的TN、TP含量显著高于休耕处理｡通常, 连续多年进行覆盖植物翻压会显著提升土壤养分｡例如, 在华北地区, 连续10年进行毛叶苕子-玉米轮作, 可使土壤TN、TP和全钾(TK)分别提高11.2%、10.3%和36.7%^[32]｡然而, 覆盖植物翻压对养分的提升效果还与土壤基础肥力状态有关｡研究表明, 在高肥力有机蔬菜生产中, 覆盖植物种植和翻压对土壤氮素含量和蔬菜产量提升效果有限^[33]; 在巴西南部中低产条件下, 毛叶苕子种植翻压相比无绿肥种植, 短时间内(一年)能提供95~151 kg(N)∙hm^-2, 对维持后茬玉米产量有重要作用^[34]｡本试验周期虽然仅为1年, 但受试土壤在试验前为撂荒状态, 整体肥力低下, 因此土壤养分在短时间内得到显著提高｡另外, T4和T5苕子处理和休耕处理TN含量相比T3显著降低, 一方面可能是因为T4和T5降雨较多导致氮素淋失, 0~20 cm土壤氮素积累减少^[35]; 另一方面玉米快速生长吸收大量氮素也导致土壤TN下降｡需要指出的是, 这两个时期毛叶苕子处理TN始终显著高于休耕处理, 这是因为毛叶苕子植株氮含量较高, 还田腐解后释放了大量氮素, 至收获期两处理均有所回升则可能是因为大喇叭口期施肥后玉米未完全利用所致｡休耕处理TP含量除在T5相对较低外, 其他时期基本保持稳定, 而苕子处理TP含量在T5上升而在T6又回落, 其中原因则需要进一步探究｡

3.2 种植翻压毛叶苕子对土壤有机碳和活性有机碳组分的影响

毛叶苕子翻压后相当于补充大量有机物料, 与休耕处理相比, 苕子处理土壤有机碳和活性有机碳含量显著增加, 还田后活性有机碳含量明显升高, 与白璐等^[36]连续3年种植毛叶苕子得到的结果一致｡毛叶苕子C/N为10~13, 翻压后至玉米种植前正处于快速腐解期, 养分释放提供大量氮素, TN含量增加能通过调控土壤微生物活性和代谢效率来降低激发效应, 进一步增加正的净碳固持, 在一定程度上也有利于土壤有机碳的固定和积累^[37-38]｡同时, 土壤氮含量升高, 微生物活动增强, 进而MBC含量升高, 且氮转化过程中产生H⁺, 土壤pH降低, 而pH降低可以抑制DOC淋溶, 使耕层土壤DOC含量升高, 这与Gao等^[39]研究种植翻压紫云英、油菜(Brassica napus)后, 土壤DOC含量升高的结论一致｡在玉米苗期, 土壤EC较高, 盐度较高会抑制植物腐解^[3], 且毛叶苕子进入缓慢腐解期, 养分释放速度降低, 从而导致有机碳和活性有机碳含量小幅度下降; 随玉米生育期推移, 生长后期的玉米所需养分减少, 加之该阶段植株根系分泌物增多、部分凋零茎叶开始补给土壤, 增加了土壤有机质的输入, 促进有机碳向易氧化有机碳转化, 导致土壤SOC、ROC含量回升｡这一时期DOC含量逐渐升高, 而MBC含量逐渐降低, 则可能是因为MBC与DOC之间此消彼长: 一部分DOC被微生物利用后转化为MBC, 到玉米生长后期微生物死亡, 又把MBC释放到土壤中, 部分转化为DOC^[4]｡

本研究中, 毛叶苕子处理提高了土壤活性有机碳相对含量, 与程会丹等^[40]研究结果一致｡其中, 对ROC相对含量的提升效果最大, 其主要原因是毛叶苕子翻压后提高了土壤微生物活性, 促进了有机碳的分解｡相对而言, DOC、MBC相对含量与休耕处理差异不显著, 与不同活性有机碳的来源及形成过程有关, 毛叶苕子翻压后在微生物的作用下, 大部分有机物分解, 而DOC和MBC之间相互转换, 因此DOC、MBC相对含量与休耕处理相比无显著差异｡

3.3 种植翻压毛叶苕子对玉米产量的影响

覆盖植物通过影响土壤的理化性质, 进而影响下茬作物的地上部生物量及产量^[41-42]｡本研究显示, 种植翻压毛叶苕子玉米产量高于休耕地处理｡主成分分析发现玉米产量与土壤TN、SOC、DOC、ROC含量存在正相关关系, 与pH、EC呈负相关｡通过土壤理化性质和有机碳组分的相关分析, 可以认为种植翻压毛叶苕子后土壤TN升高和pH降低是主要原因, 土壤性状的改善, 提高了土壤有机碳和活性有机碳含量, 综合作用使后茬玉米产量提高｡因此, 在黄河三角洲地区, 相对于休耕, 冬春种植毛叶苕子对土壤改良和后茬作物产量提升优势明显, 且翻压后作为肥源可以代替部分化肥, 实现化肥减量增效, 可考虑作为该区盐碱地综合利用的优选模式｡然而, 本研究仅为1年试验期的结果, 黄河三角洲地区年度降雨量及季节分布差异明显, 在气候变化条件下毛叶苕子对土壤有机碳组分及后茬作物产量的影响如何, 仍需要多年的长期试验验证｡

4 结论

在黄河三角洲地区, 与冬春休耕相比, 在2020—2021年1周年的试验期内, 冬春种植翻压毛叶苕子可以降低土壤pH和EC, 提高土壤总氮(TN)、总磷(TP)、有机碳(SOC)、易氧化有机碳(ROC)、可溶性有机碳(DOC)含量和ROC/SOC, 后茬玉米籽粒产量提高15.9%, 增产效果显著｡毛叶苕子翻压前, EC与土壤有机碳组分间有较强相关性; 苕子翻压后的各个时期 TN对土壤有机碳组分的影响最大, 其次为pH, 随TN含量上升和pH下降各组分含量升高｡种植翻压毛叶苕子后土壤TN升高和土壤pH降低, 提升了土壤有机碳和活性有机碳含量, 综合作用使后茬玉米产量提高｡相对于冬春休耕, 冬春种植毛叶苕子可考虑作为黄河三角洲盐碱地综合利用的优选模式｡

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Effect of planting and returning Vicia villosa on active organic carbon and yield of subsequent maize crops in coastal saline soils

黄河三角洲地区土壤盐渍化严重, 加之冬春季节降雨量少, 淡水资源匮乏, 耕地冬春休耕现象普遍｡于2020年9月—2021年10月, 以冬春休耕为对照, 研究种植翻压毛叶苕子对土壤理化性质、活性有机碳组分动态变化和后茬作物玉米产量的影响, 以期为覆盖植物在黄河三角洲地区盐碱地产能提升方面的应用提供参考｡结果表明, 在1年试验期内, 与冬春休耕相比, 种植毛叶苕子可以降低土壤EC, 提高易氧化有机碳(ROC)含量, 翻压后则显著降低pH并提高土壤养分和活性有机碳含量｡与休耕相比, 试验期内毛叶苕子处理平均pH降低0.12, 平均土壤总氮(TN)、总磷(TP)、有机碳(SOC)、ROC、可溶性有机碳(DOC)含量和ROC/SOC分别提高15.1%、5.5%、6.3%、99.1%、8.2%、89.9%, 平均EC则基本持平｡毛叶苕子处理的后茬玉米籽粒产量提高了15.9%, 增产效果显著｡主成分分析结果表明, 玉米产量与土壤TN、SOC、DOC、ROC呈正相关, 与pH、EC呈负相关｡毛叶苕子翻压后, 土壤有机碳各组分含量与TN和pH的相关关系增强, 与TN呈显著正相关, 与pH呈显著负相关｡种植翻压毛叶苕子后土壤TN升高和土壤pH降低, 提升了土壤有机碳和活性有机碳含量, 综合作用使后茬玉米产量提高｡在黄河三角洲地区, 相对于冬春休耕, 冬春季种植毛叶苕子对土壤改良和后茬作物产量提升优势明显, 可考虑作为盐碱地综合利用的优选模式｡

Fallow in the winter-spring season is becoming a common practice in the Yellow River Delta region, as influenced by heavy soil salinization, scarce available water in spring, and reduced precipitation induced by climate change. However, fallow in winter easily causes some ecological problems, such as soil erosion and secondary salinization, which will inevitably lead to environmental degradation once large areas of crop land being fallow. This study investigated the influences of planting and returning Vicia villosa (V. villosa treatment) in winter-spring season on soil physicochemical properties, especially on active organic carbon and yield of subsequent maize crops compared with fallow, with the purpose to provide a reference for the application of cover crops in improving the saline-alkali land productivity in the Yellow River Delta. The field experiment, was conducted from September 2020 to October 2021. For the V. villosa treatment, V. villosa was sown in September 2020 and returned to the soil as green manure during its blooming period in May 2021, and maize was sown in July 2021. For the fallow treatment, the experiment area was remained fallow before maize sowing, and then maize was sown in the same day with same cultivation management as V. villosa treatment. The results showed that during the growing period of V. villosa, the soil electrical conductivity (EC) decreased and the readily oxidizable organic carbon (ROC) increased. When V. villosa was returned to the soil, soil pH decreased, and soil nutrients and active organic carbon contents improved significantly compared to fallow. In terms of the whole experimental period, the average pH of the V. villosa treatment decreased by 0.12, and the average contents of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), organic carbon (SOC), readily oxidizable organic carbon (ROC), dissolved organic carbon (DOC) and ROC/SOC for the V. villosa treatment increased by 15.1%, 5.5%, 6.2%, 99.1%, 8.2% and 89.9%, respectively, when compared with fallow. However, the average EC value of the two treatments were nearly equal. Compared with the fallow treatment, the subsequent maize straw biomass, grain yield and total aboveground biomass of the V. villosa treatment were significantly increased by 25.3%, 15.9% and 21.4%, respectively, indicating a better yield improvement effect. The results of principal component analysis showed that maize yield was positively correlated with soil TN, SOC, DOC and ROC but negatively correlated with pH and EC. There was a strong correlation between EC and soil organic carbon components before V. villosa return. However, TN had the greatest influence on soil organic carbon components in each maize growing period after V. villosa return, followed by pH, and the contents of each organic carbon component increased with increasing TN content and decreasing pH. This study indicated that planting and returning V. villosa in the winter and spring seasons could increase the content of soil organic carbon and active organic carbon by increasing soil TN and decreasing pH, which comprehensively enhanced maize yield. Overall, in the Yellow River Delta region, the introduction of V. villosa as a cover crop has obvious advantages in soil amelioration and yield improvement of subsequent crops when compared with fallow in winter-spring season, which could be considered the optimal planting pattern for comprehensive utilization of saline-alkali land.