2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部面源污染控制重点实验室, 北京 100081
2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
近年来, 华北平原冬小麦种植面积逐渐减少, 大面积土地在冬季处于空闲裸露状态, 这不仅造成大量光热和土地等自然资源的浪费, 而且使该地区生态环境进一步恶化[1]。因此, 在华北平原开展冬季覆盖作物种植, 有望弥补由于冬小麦缺失导致的耕地裸露及其环境影响。农田冬季休闲期种植覆盖作物是可持续农业发展的重要组成部分[2]。研究表明, 冬季覆盖作物适应性较强, 生长迅速, 可以减少冬季土壤裸露, 抑制硝态氮淋溶[3], 抑制杂草生长[4-5], 促进土壤水稳性团粒结构的形成, 增加土壤通透性; 冬季覆盖作物经翻压处理后能够成为优质的生物肥源和有机肥料, 充分地利用和储存北方冬季水、热及土地等资源, 增加作物产量, 提供作物养分, 提高土壤肥力, 改善耕层性质, 最终达到土壤水、肥、气、热的协调[6]; 在其生长期间又因地面被覆盖而减少土壤表面水分和养分的流失, 达到优化生态环境和促进节能减排的目的[7-8]。
土壤微生物生物量是土壤植物有效养分重要的“源”和“库”[9], 是土壤有机质和土壤养分转化与循环的动力, 其形态变化与土壤养分供给和养分有效性存在着密切关系。土壤酶作为土壤生态系统的组分之一, 在土壤物质循环和能量转化过程中起着重要作用, 既是土壤有机物转化的执行者, 又是植物营养元素的活性库[10]。耕作方式和种植作物在调节土壤微生物生物量和土壤酶活性过程中起到了至关重要的作用[11]。相关研究表明, 冬季覆盖作物可以有效提高土壤微生物生物量和酶活性, 改善土壤理化性质。刘国顺等[12]发现种植翻压3 a黑麦草的处理微生物生物量碳和氮比对照分别提高31.0%~67.1%和23.0%~145.1%;土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性分别提高34.4%~51.9%、11.0%~18.6%和58.0%~172.7%。POEPLAU等[13]基于全球的Meta分析结果表明覆盖作物使得0~22 cm土壤碳含量增加0.32 mg·hm-2。
冬季覆盖作物种类繁多, 关于其对土壤养分、土壤生物特征和温室气体排放等影响的研究[14]已有很多, 但这些研究多限于我国南方地区。在华北平原的广大地区, 推广种植冬季覆盖作物对于周围生态环境的改良以及土壤肥力的提升具有重大意义和广阔的应用前景, 但目前该区域关于冬季覆盖作物的种植试验较少, 对土壤理化和微生物性质以及酶活性的研究也鲜有报道。华北地区冬季覆盖作物主要有二月兰、肇东苜蓿、草木樨和黑麦草等, 选择毛叶苕子(Vicia villosa)、二月兰(Orychophragmus violaceus)和冬油菜(Brassica campestris)3种适宜华北地区冬季生长的覆盖作物, 探讨其种植对华北平原典型潮褐土土壤理化性质和土壤生物学性状的影响, 为在华北平原地区推广耕种冬季覆盖作物提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试土壤试验用土采自国家潮褐土土壤肥力与肥料效益监测站(北京), 供试土壤类型为潮褐土, 采集耕作层(0~20 cm)新鲜土样, 风干后过2 mm孔径筛备用。土壤理化性质如下:全氮(TN)含量为1.26 g·kg-1, 全磷(TP)含量为0.85 g·kg-1, 全钾(TK)含量为14.33 g·kg-1, 有机质(SOM)含量为21.92 g·kg-1, 碱解氮(AN)含量为100.40 mg·kg-1, 有效磷(AP)含量为3.79 mg·kg-1, 速效钾(AK)含量为95.0 mg·kg-1, pH值为8.48。
1.2 试验设计试验于2016年9月至2017年5月在北京市昌平区中国农业科学院国家潮褐土土壤肥力与肥料效益监测站(40°23'13" N, 116°29'49" E)进行。该地区属暖温带大陆性季风气候区, 年平均日照时数为2 684 h, 平均气温为11.8 ℃, 多年平均降水量为550.3 mm。采用盆栽试验, 盆大s小为70 cm×55 cm×50 cm(高), 每盆装100 kg风干土, 试验共设4个处理:(1)冬闲(CK); (2)毛叶苕子(Vr); (3)二月兰(Ov); (4)冬油菜(Bc)。每个处理设3次重复, 随机区组排列, 覆盖作物于2016年10月1日播种, 播种量为3 g·盆-1, 播种方式为条播, 于2017年4月28日覆盖作物盛花期收获, 整个试验过程不施肥, 不浇水。
1.3 样品采集与测定方法收获时掘取植株整段标本通过冲洗使土壤与根系分离, 测定植株鲜重, 同时每盆选取5株植物样用于测定干物质质量和植株TN、TP和TK含量。作物收获后土壤翻耕前, 采用多点取样法采集各盆0~20 cm耕层土壤混合样, 带回实验室, 剔除石砾及植物残茬等杂物, 过2 mm孔径筛, 部分鲜土于4 ℃冰箱中保存, 用于测定土壤微生物生物量碳(SMBC, QSMBC)、土壤微生物生物量氮(SMBN, QSMBN)和土壤微生物生物量磷(SMBP, QSMBP)含量。另一部分土壤进行风干, 测定土壤TN、TP、TK、有机碳(SOC)、AN、AP、AK含量, pH以及土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性。
SMBC和SMBN含量采用氯仿熏蒸(0.5 mol·L-1 K2SO4)浸提法测定。首先将土样在25 ℃恒温培养箱中培养7 d, 然后称取预处理土样6份(每份12 g)放入烧杯中, 将其中3份置于内置50 mL NaOH和50 mL去乙醇氯仿小烧杯的真空干燥器中, 抽真空后保持氯仿沸腾5 min, 然后将干燥器移至黑暗、25 ℃环境中培养24 h, 再次抽真空完全去除土壤中氯仿。另外3份做未熏蒸对照试验, 将熏蒸和未熏蒸土样转移到100 mL提取瓶中, 加入40 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提液〔V(水): m(土)为4: 1〕振荡30 min, 然后过滤得上清液。上清液中总有机碳、氮含量采用总有机碳分析仪(Vario TOC, Elementar Analysensysteme GmbH, 德国)测定, 熏蒸与未熏蒸土壤提取液中有机碳、氮测定值之差Ec和En分别除以相对应的转换系数KEC和KEN, 即分别得到QSMBC和QSMBN。QSMBP采用氯仿熏蒸碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[15]测定。土壤TN、TP、TK、SOC、AN、AP、AK含量及pH等的测定参见文献[16-17]。土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定; 土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定; 土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定[18]。相关计算公式为
| $ {Q_{{\rm{SMBC}}}} = \left( {{Q_{{\rm{SOC, 熏}}}} - {Q_{{\rm{SOC, 未熏}}}}} \right)/{K_{{\rm{EC}}}}, $ | (1) |
| $ {Q_{{\rm{SMBN}}}} = \left( {{Q_{{\rm{TN, 熏}}}} - {Q_{{\rm{TN, 未熏}}}}} \right)/{K_{{\rm{EN}}}}, $ | (2) |
| $ {Q_{{\rm{SMBP}}}} = \left( {{Q_{{\rm{TP, 熏}}}} - {Q_{{\rm{TP, 未熏}}}}} \right)/\left( {{K_{{\rm{EP}}}} \times R} \right)。$ | (3) |
式(1)~(3)中, QSMBC、QSMBN和QSMBP分别为土壤微生物生物量碳、氮和磷含量, mg·kg-1; QSOC, 熏为熏蒸后提取液中SOC含量, g·kg-1; QSOC, 未熏为未熏蒸对照提取液中SOC含量, g·kg-1; QTN, 熏为熏蒸后提取液中TN含量, g·kg-1; QTN, 未熏为未熏蒸对照提取液中TN含量, g·kg-1; QTP, 熏为熏蒸后提取液中TP含量, g·kg-1; QTP, 未熏为未熏蒸对照提取液中TP含量, g·kg-1; KEC=0.45, KEN=0.68, KEP=0.40;R为加入无机磷的回收率, %。
1.4 数据分析方法采用OriginLab 8.5软件作图, 采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析, 统计分析处理间作物生物量, 土壤理化性质, 土壤微生物生物量碳、氮、磷含量以及相关酶活性的差异, 分析前对所有数据进行方差齐性检验, 方差不具齐性时进行对数转化。采用LSD法进行多重比较。
2 结果与分析 2.1 冬季覆盖作物生物量及其养分含量由表 1可见, 从覆盖作物干重来看, Vr处理最高, Ov处理最低; 这与覆盖作物的生物学特性有关, 毛叶苕子的主根明显, 须根较多, 冬油菜地下部分较大, 生物量较多。从覆盖作物的干鲜比来看, Ov处理最低, 这表明二月兰含水量最高, 冬油菜次之, 而毛叶苕子最低。此外, Ov处理全氮含量和氮素吸收量均最高, 磷、钾含量及养分吸收量由大到小依次均为Vr、Bc和Ov处理。
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表 1 不同覆盖作物生物量及养分吸收量 Table 1 Crop biomass and its nutrient uptake of different cover crops |
表 2显示, 冬季覆盖作物均有不同程度的保水功能, 土壤含水量较CK提高8.6%~16.7%, 其中, Bc处理提高幅度最大。与CK相比, 冬季覆盖作物都不同程度地降低了土壤容重, 下降范围为0.07~0.21 g·cm-3, 其中Ov和Bc处理显著降低(P＜0.05)。不同作物覆盖地面后, 除有机碳、碱解氮、速效钾含量及pH值变化不明显外, 全氮、全磷和有效磷含量较CK均有不同程度的提高。其中, 与CK相比, Vr和Bc处理全氮和全磷含量显著提高(P＜0.05), Ov和Bc处理有效磷含量显著提高(P＜0.05)。
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表 2 不同覆盖作物种植对土壤理化性质的影响 Table 2 Effect of different winter cover crops on soil physical and chemical properties |
由表 3可知, 冬季覆盖作物能显著影响土壤微生物生物量含量(P＜0.05)。与CK相比, 覆盖作物能显著提高SMBC、SMBN和SMBP含量, 分别提高15.6%~30.5%、16.2%~32.3%和38.5%~85.4%。其中, 种植冬油菜后, SMBC、SMBN和SMBP提高幅度最大, 较CK分别提高30.5%、32.3%和85.4%。不同覆盖作物土壤微生物生物量含量由大到小依次均为Bc、Vr和Ov, 但处理间差异不显著(P＞0.05)。
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表 3 不同冬季作物覆盖后土壤微生物生物量 Table 3 Soil microbial biomass after the cultivation of different winter cover crops |
不同冬季作物覆盖后土壤酶活性见表 4。
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表 4 不同冬季作物覆盖后土壤酶活性 Table 4 Soil enzyme activities after the cultivation of different winter cover crops |
由表 4可知, 与CK相比, 种植冬季覆盖作物的土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性均有所提高, 增加范围分别为0.11~0.21、3.84~4.98和0.31~1.10 mg·g-1。不同覆盖作物土壤蔗糖酶和脲酶活性由大到小依次均为Bc、Vr和Ov。其中, 与CK相比, Bc处理碱性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性提高幅度最大, 分别为11.4%、17.7%和21.7%, 差异显著(P＜0.05)。此外, Bc处理土壤脲酶活性显著(P＜0.05)高于Vr和Ov处理, Bc和Ov处理土壤碱性磷酸酶活性显著高于Vr处理。
2.5 土壤微生物生物量及酶活性与土壤理化性质的关系相关分析结果(表 5)表明, SMBC含量与SMBN含量、SMBP含量、有机碳含量、全氮含量、全磷含量、碱性磷酸酶活性和脲酶活性呈显著正相关(P＜0.05);SMBN含量与全磷含量、蔗糖酶活性和脲酶活性呈显著正相关(P＜0.05), 与碱性磷酸酶活性呈极显著正相关(P＜0.01);SMBP含量与土壤含水量、碱性磷酸酶活性和脲酶活性呈显著正相关(P＜0.05), 与全氮含量呈极显著正相关(P＜0.01)。此外, 碱性磷酸酶活性与蔗糖酶活性和全氮含量呈显著正相关(P＜0.05), 与土壤容重呈极显著负相关(P＜0.01);蔗糖酶活性与土壤含水量呈极显著正相关(P＜0.01);脲酶活性与土壤含水量呈显著正相关(P＜0.05)。SMBC含量、SMBN含量、SMBP含量、碱性磷酸酶活性、蔗糖酶活性和脲酶活性均与土壤含水量和pH呈不同程度正相关, 与土壤容重呈不同程度负相关, 且均与pH的相关性未达显著水平。
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表 5 不同覆盖作物处理土壤微生物活性与土壤理化性质的相关系数 Table 5 Correlation analysis between soil microbial activities and soil physiochemical properties under all treatments of different cover crops |
种植覆盖作物能够改善土壤团粒结构和土壤通透性, 增强土壤保水保肥能力, 增加土壤有机质和有效养分含量。张明辉等[19]研究发现, 牧草压青可提高土壤水稳性, 降低土壤容重, 增强土壤有机物的矿化能力, 土壤肥力得到相应提高; 陈宗元等[20]连续3 a种植毛叶苕子的研究表明, 与对照相比, 土壤pH值降低0.67, 有机质含量增加51.5%。另有研究发现, 在烟田连续3 a种植黑麦草后, 土壤全氮和碱解氮含量分别提高8.85%~40.95%和11.62%~20.94%[21]。笔者研究表明, 种植不同覆盖植物后, 土壤容重下降, 土壤含水量、有机碳、有效磷、碱解氮、全氮和全磷含量较对照均有所增加(表 2)。与冬闲地相比, 种植覆盖作物土壤含水量均有所提高, 主要是由于作物覆盖于地面, 能够有效地减少土壤水分从地表蒸发, 增加水分入渗, 有利于土壤蓄水保墒[22]; 土壤有机碳和碱解氮含量无明显变化, 这可能与种植时间较短有关, 故有必要进一步开展种植覆盖作物的长期定位监测。与冬闲对照相比, 种植二月兰和冬油菜可显著提高土壤有效磷含量; 其原因可能是覆盖作物具有发达的根系, 有较大的活性根表面积, 吸收利用土壤中难溶性磷的能力强, 在生长发育过程中能活化并利用所提供的难溶性磷酸盐[23]。
3.2 冬季覆盖作物对土壤微生物生物量的影响土壤微生物生物量的大小反映了微生物对土壤中能量和养分循环以及有机物质的转化数量, 同时也体现微生物对土壤保肥作用和供肥作用的相对强弱和敏感程度, 且及时地预示着土壤质量状况, 可作为评价土壤肥力和土壤质量早期变化的重要生物学有效指标[24]。与CK相比, 冬季覆盖作物能显著增加SMBC、SMBN和SMBP含量(表 3), 这主要是由于覆盖作物生长后期根系活力减弱, 对土壤干扰较少, 同时根系大量脱落物和分泌物增加为微生物提供了新鲜有机质, 增强了土壤微生物和土壤生化活性作用, 从而提高了土壤微生物生物量含量。土壤有机质可为微生物生长繁殖提供所需的环境和营养条件, 从而影响土壤微生物数量[25], 笔者研究得到的SMBC含量与土壤有机碳、全氮、全磷含量之间具有显著正相关性(P＜0.05, 表 5)的结果与之一致。不同覆盖作物处理SMBN含量和SMBP含量与SMBC含量呈显著正相关, 这是因为土壤微生物对氮、磷的固持作用主要取决于土壤微生物本身的生物量大小[26]。与SMBN含量、SMBP含量相比, SMBC含量与其他土壤参数的相关性大, 表明SMBC含量在反映土壤肥力变化方面的灵敏度更高[27]。此外, 土壤水分与微生物生物量密切相关, 在一定范围内土壤微生物生物量随着含水量的增加而增加, 覆盖作物具有很强的防止水分蒸发和持水的能力, 使得土壤含水量提高, 从而使土壤微生物生物量也随之增加。在3种覆盖作物中, 以冬油菜的效果为最好, 其SMBC、SMBN和SMBP均高于其他2种覆盖作物, 可能是因为冬油菜根系分泌物能溶解和利用土壤中难溶性磷[28], 从而增强土壤微生物和土壤生化活性。
3.3 冬季覆盖作物对土壤酶活性的影响土壤酶是土壤生态系统中良好的感应器, 其活性变化能较好地反映土壤肥力的变化, 自身数量和性质的变化能够灵敏地反映环境因子、土地利用模式和农业生产活动的变化, 被用作评价土壤质量与生态环境质量、体现微生物群落状态与功能变化以及表征土壤物质能量代谢旺盛程度与土壤养分转化和运移能力强弱的一个重要生物指标[29]。有作物覆盖的土壤酶活性比没有添加有机残茬的土壤高[30], 笔者研究表明, 与CK相比, 冬季覆盖作物也显著提高土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性(表 4), 这可能是由于覆盖作物根系在生长过程中对土壤形成穿刺效应, 根系老化凋亡后, 土壤形成很多微孔隙, 改善了土壤通气状况和土壤的有氧呼吸效率, 合理的土壤结构能促进微生物数量的增加, 土壤酶活性也相应增加; 同时, 覆盖作物增加了土壤含水量, 促进土壤微生物繁殖, 可使更多的酶进入土壤[31]。然而, 土壤有机碳和全磷对土壤酶活性的影响不显著, 其原因一方面可能是种植覆盖作物年限不够长, 另一方面可能是覆盖作物分泌的有机物及形成的凋落物较少。
4 结论毛叶苕子、二月兰和冬油菜3种冬季覆盖作物均有利于提高华北地区典型潮褐土土壤养分含量、微生物生物量含量和酶活性, 以冬油菜的效果为最好, 二月兰和毛叶苕子次之。可见, 在华北平原推广种植这3种冬季覆盖作物, 在改善环境的同时, 可以有效提高肥料利用率、减少化肥施用量和改善土壤质量; 也可以在一定程度上缓解资源紧张的现状, 降低农业生产成本, 减轻农民负担。该研究仅以3种常见的冬季覆盖作物为研究对象, 在未来的工作中, 需要针对更多适合于华北平原地区冬季生长的覆盖作物做进一步的探索和推广。
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