2021, Vol. 53
2. 江苏盐城湿地珍禽国家级自然保护区, 江苏盐城 224300;
3. 浙江省农业科学院, 杭州 310021
据统计，我国现有滩涂面积350多万hm2，而江苏沿海滩涂面积约68.7万hm2，且每年仍以0.13万hm2的速度向东淤进，这一广袤的滩涂资源是我国东部地区最具潜力、最有价值的土地后备资源[1]。江苏沿海滩涂地势平坦、土层深厚、湿地繁多，农业利用是滩涂资源开发利用的重点，而滩涂垦区盐土资源的脱盐和改良则是农业开发利用的基础[2]。近年来，沿海滩涂大部分新围垦生地采取的是农业工程措施脱盐，但由于生地土壤有机质缺乏，且地下水位较高，土壤返盐严重。目前，通过大量施用有机肥或沼液也可达到快速提升滩涂生地土壤质量的目的，但有机肥或沼液的大量施用存在着重金属、抗生素累积超标等风险，会对滩涂生态环境产生一定的潜在威胁。
田菁属草本植物，具有较强耐旱、耐盐、耐涝、耐瘠和固氮能力[3]。研究表明，在含盐量为8 g/kg的重度盐渍土上种植田菁，其生物量能达到正常土壤中的95%[4]。很多学者在田菁作绿肥改良滩涂盐碱土及修复盐渍化土壤方面开展了大量研究，主要集中在田菁栽培、结瘤固氮和翻压还田对土壤基本理化性状的影响等领域[3-6]，但在田菁刈割及翻压还田对滩涂生地土壤氮库及碳库养分的影响方面还没有系统的报道。本研究以田菁为供试绿肥作物，研究施肥对绿肥田菁生物量的影响及滩涂土壤碳氮组分、微生物生物量和碳库管理指数等对田菁翻压还田的响应机制，以期为绿肥资源的合理利用及滩涂土壤的快速改良提供依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验于2018年6月到8月在江苏省东台市弶港镇东部条子泥北十一区进行，地理位置32°51′6″ N、120°53′31″ E。该区地处暖温带，属于具有季风特点的海洋性气候，年均气温13 ~ 16 ℃，无霜期208 ~ 220 d，年日照时数2 100 ~ 2 600 h，年均降雨量900 ~ 1 300 mm，有明显的梅雨特征。供试土壤为滨海盐潮土，基本性状见表 1。
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表 1 供试土壤基本性状 Table 1 Basic physiochemical properties of tested soil |
供试绿肥田菁，品种为盐菁胶1号。供试肥料为尿素(含N 460 g/kg)、过磷酸钙(含P2O5 120 g/kg)、硫酸钾(含K2O 520 g/kg)和植物素有机肥(有机质含量460 g/kg)。上茬作物为黑麦草，并全部翻压还田。根据前人试验研究结果[7-9]，本试验设6个处理(表 2)，每处理4次重复，随机区组排列，每小区面积4 m×6 m，以不施肥处理为对照(CK)，施用有机肥处理为SN4+OF。磷肥、钾肥及氮肥的50% 作基肥一次施入。2018年6月上旬播种，7月下旬田菁高度1.5 m左右时进行第一次刈割，刈割部分测产后还田，并将剩余50% 氮肥撒施追入。8月底田菁盛花期进行第二次刈割，并分别测定刈割部分和根部生物量后粉碎、翻压，同时采集植株样品烘干后供植株碳氮含量的测定。9月底采集0 ~ 20 cm土壤，部分鲜样用于测定铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、微生物生物量碳氮(MBC、MBN)含量，部分土样风干、研磨、过筛用于测定土壤全氮(TN)、固定态铵、有机碳(TOC)及活性有机碳(AOC)含量。
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表 2 试验方案和施肥量(kg/hm2) Table 2 Experiment scheme and fertilization applying rates |
植株碳氮含量和土壤全氮、有机碳含量用常规方法测定[10]。其中，土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法测定，硝态氮采用紫外分光光度法测定[10]，固定态铵采用Silva和Bremer法测定[11]，微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[12-13]，活性有机碳采用0.2 mol/L (1/6 K2Cr2O7+1∶3H2SO4，水∶酸=3∶1)加热法测定[14]。
土壤碳库管理指数(CPMI)计算方法：①土壤碳库指数(CPI)=土壤样品总碳含量/原始土样总碳含量；②土壤碳库活度(A)=土壤活性有机碳含量/土壤非活性有机碳含量；③土壤碳库活度指数(AI)=土壤样品碳库活度/原始土样碳库活度；④土壤碳库管理指数(CPMI，%)=土壤碳库指数(CPI)×碳库活度指数(AI)×100[15]。
1.4 数据处理与分析试验数据采用Excel 2010和SPSS19.0进行处理与统计分析。
2 结果与分析 2.1 不同施肥处理下田菁绿肥还田生物量从表 3数据可知，随施氮量的增加，第一次刈割田菁生物量呈先上升再下降的趋势，且以SN3处理明显高于其他处理，原因在于SN3处理的基肥施用量有利于田菁前期的营养生长。SN4、SN4+OF处理前期施肥量偏高，田菁生长反而受到抑制。田菁第二次刈割生物量以SN4+OF处理最高，根部生物量以SN4处理最高，这与上茬绿肥还田的基础肥力作用下降，SN4处理的追肥量明显促进刈割后田菁营养生长有关。田菁总生物量高低以处理SN3 > SN4 > SN4+OF > SN2 > SN1 > CK。
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表 3 田菁刈割及翻压还田总生物量(kg/hm2) Table 3 Biomass of Sesbania cannabina in twice mowing and overturning |
从表 4可以看出，田菁植株碳、氮含量均以第一次刈割地上部 > 第二次刈割地上部 > 根部。两次刈割地上部碳含量及各部位平均值均以SN2处理最高，根部以SN1处理最高。随着施氮量增加，田菁两次刈割地上部和根部碳含量均呈上升-下降-上升的趋势。两次刈割地上部氮含量及各部位平均值均以SN3处理最高，根部以SN1处理最高。可见，SN3处理有利于田菁植株含氮化合物的合成及向地上部的转移，SN4+OF处理两次刈割地上部氮含量较SN2、SN3、SN4处理偏低，究其原因：一是有机肥与化肥一次性施入养分浓度过高，抑制了植株对氮素的吸收；二是SN4+OF处理生物量偏大对养分的稀释作用。
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表 4 田菁植株碳、氮含量(g/kg) Table 4 Carbon and nitrogen contents of Sesbania cannabina |
碳氮比(C/N)是绿肥分解时提供有效氮的重要指标，C/N比值越小，氮素有效性越高[3]。由图 1可知，田菁两次刈割地上部的C/N比分别为16 ~ 18和20 ~ 22，根部为48 ~ 52，说明刈割部分还田后的氮素矿化率要高于根部，为下茬作物提供的有效氮也更多。相对于两次刈割地上部及根部的C/N比，各施肥处理间C/N比并无显著差异，可见，施肥对田菁C/N比的影响小于田菁自身组织结构及生育期对其的影响。
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(图中不同小写字母表示同时期同部位各处理在P < 0.05 水平差异显著) 图 1 不同施肥处理下田菁植株C/N比 Fig. 1 C/N ratios of Sesbania cannabina under different fertilization treatments |
表 5数据显示，不同施肥处理下田菁还田后土壤有机碳含量以SN4+OF处理明显高于其他施肥处理，这与前期施用的有机肥有密切关系。土壤活性有机碳含量及CPMI值均以SN2处理最高，微生物生物量碳含量也以SN2处理显著高于其他处理。可见，SN2处理下的田菁还田量对土壤培肥作用优于其他处理。
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表 5 田菁还田对土壤有机碳(TOC)、活性有机碳(AOC)、微生物生物量碳(MBC)及碳库管理指数CPMI的影响 Table 5 Effects of overturning Sesbania cannabina on soil TOC, AOC, MBC contents and CPMIs |
表 6中，不同施肥处理下田菁绿肥还田后土壤全氮含量以SN4+OF处理显著高于其他处理。土壤固定态铵含量按显著性划分以SN4+OF和SN4 > SN3、SN2和SN1 > CK。土壤微生物生物量氮、硝态氮及铵态氮含量均以SN2处理最高。田菁绿肥还田量最高的SN3处理，各形态氮含量均低于SN2处理(除全氮外)，这与SN3处理下田菁总还田生物量过大产生的负效应使土壤微生物的活性及氮的矿化受到抑制有关。
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表 6 田菁还田对土壤全氮(TN)及其组分含量的影响 Table 6 Effects of overturing Sesbania cannabina on soil TN and its fraction contents |
研究表明，我国耕作表层土壤C/N比为8 ~ 15，平均在10 ~ 12[16]。图 2显示，不同施肥处理下田菁绿肥还田后土壤C/N比在9.8 ~ 10.4，基本达到平均水平，其中以SN4+OF处理最高，SN2处理次之，但各处理间差异不显著。田菁绿肥翻压还田后土壤微生物生物量碳氮比(MBC/MBN)在5.9 ~ 6.3，且以SN2处理明显高于其他处理。土壤微生物熵为土壤微生物生物量碳含量和有机碳含量的比值(MBC/TOC)，是表征土壤微生物固碳效益的指标，微生物熵值越大，微生物固定的有机碳越多，土壤有机碳周转越快[17]。从图 3可知，田菁还田后，土壤微生物熵在40 ~ 49，且以SN1处理最高，SN4和SN4+OF处理较低。
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(图中不同小写字母表示同一指标不同处理差异在P < 0.05 水平显著，下同) 图 2 田菁还田对土壤碳氮比及微生物生物量碳氮比的影响 Fig. 2 Effects of overturning Sesbania cannabina on soil C/N ratio and soil microbial biomass C/N ratio |
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图 3 田菁还田对土壤微生物熵的影响 Fig. 3 Effects of overturning Sesbania cannabina on soil microbial quotient |
相关性分析表明，植株生物量与植株氮含量、植株碳含量与土壤微生物生物量碳及土壤铵态氮含量、植株氮含量与土壤铵态氮含量、土壤微生物生物量碳含量与土壤活性有机碳及微生物生物量氮含量间存在显著正相关关系，植株碳含量与土壤活性有机碳含量、土壤有机碳含量与土壤全氮含量、土壤微生物生物量碳含量与土壤硝态氮含量两两之间存在极显著正相关关系。可见，植株碳氮含量及土壤中不同形态碳氮含量之间均存在一定的正相关关系。
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表 7 田菁植株碳氮及土壤中主要碳氮组分间的相关系数 Table 7 Correlation coefficients between carbon, nitrogen of Sesbania cannabina and main components of soil carbon and nitrogen |
田菁为豆科灌木状草本植物，具有较强的固氮能力，前人在氮肥施用对田菁生长、结瘤固氮影响方面的研究均表明，施用氮肥可促进田菁生长[7-9]。有学者报导，在含盐量为4.32 g/kg的重度盐渍化土壤上，单施氮、磷肥对促进耐盐植物田菁生长的效果没有单施磷石膏显著，但与不施肥处理相比，生物量仍有增加[7]。又有研究表明，在盐分含量为1.68 g/kg的盐渍土上种植田菁，磷肥施用量相同的情况下，氮肥施用量为360 kg/hm2时的田菁产量最高[8]。本试验研究结果与二者基本一致，与对照相比，施用氮肥显著提高田菁生物量，且施用量为180 kg/hm2时生物量最高，这与本试验前茬翻压过一季绿肥黑麦草有关。本试验中，不同施氮处理下田菁的根瘤量很少甚至没有结瘤，这与前人有关无机氮肥施用后，根瘤植物往往优先吸收环境中的复合态氮，从而使根瘤植物的结瘤和固氮作用受到抑制的研究结论吻合[9]。
资料显示，田菁植株碳含量为463 g/kg，氮含量为18.9 g/kg，C/N比为24.5[18]，本研究中田菁植株平均碳含量为477 ~ 497 g/kg，氮含量为20.9 ~ 22.6 g/kg，C/N比为21 ~ 23，碳氮含量均较高，但C/N比却偏低，可能原因是本试验氮磷钾肥的配合施用促进了植株对碳氮特别是氮的吸收，从而使C/N比降低。本试验中，田菁第一次刈割地上部与第二次刈割地上部及根部间的碳、氮含量变化大于不同施肥处理间的变化。可见，植株本身特性与生育期是影响其碳氮含量及C/N比的主要因素，外界环境的干预对其碳氮相关指标无显著影响。
3.2 不同施肥处理田菁绿肥还田对土壤碳氮及微生物生物量的影响 3.2.1 不同施肥处理田菁绿肥还田对土壤有机碳及其组分的影响土壤活性有机碳组分常用土壤可溶性有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳等指标来表征[19-20]。研究表明，绿肥鲜草含有大量活性较高的可溶性有机物料，翻压后可使土壤耕作层活性有机碳比重增加[21]。豆科、苋科、禾本科绿肥还田均可提高土壤活性有机碳含量，不论何种土壤，每年翻压15 000 kg/hm2的绿肥鲜草，5年后土壤活性有机碳含量提高17.4%[22-23]。本试验中，各处理田菁翻压还田后活性有机碳及微生物生物量碳含量较种植前的1.25 g/kg和173.8 mg/kg分别提高41.6% ~ 64.0% 和42.6% ~ 54.4%，充分验证了这一研究结论。这也与胡晓珊等[22]有关田菁翻压还田后显著增加0 ~ 20 cm土层活性有机碳含量的报道一致。
土壤碳库管理指数(CPMI)是指施肥处理土壤有机质与对照土壤有机质含量的比值乘以土壤有机质活度指数的值，是土壤管理措施引起土壤有机质变化的指标，能够反映农作措施使土壤质量下降或更新的程度[14-15]。CPMI值的上升与下降，则分别表示外界管理或施肥措施对土壤性质的改良或破坏。张达斌等[14]的研究表明，两年度种植翻压豆科绿肥23 000 ~ 30 000 kg/hm2后，土壤CPMI值与休闲相比增加2.7% ~ 7.6%，且施氮量在0 ~ 162 kg/hm2范围内，各处理的CPMI值无显著差异。本研究结果显示，SN2处理，即施氮量为135 kg/hm2时，田菁翻压还田后土壤CPMI值最高，为165.1%，与对照相比，增加21.3%，但随施氮量增加，土壤CPMI值呈下降趋势，说明单纯增加施氮量或绿肥翻压量，并不能使土壤性能向良性发展。施肥量过高使土壤CPMI值下降的原因在于：一是大量化肥的施用影响了微生物的生存环境，使其活性受到抑制，降低了土壤微生物生物量碳乃至活性有机碳水平；二是绿肥翻压生物量过大，超过土壤微生物对绿肥分解利用的最大承载量，使土壤非活性有机碳含量增加，进而降低土壤碳库活度指数，导致CPMI值下降。
3.2.2 不同施肥处理田菁绿肥还田对土壤全氮及其组分的影响大量研究证明，种植翻压绿肥可提高土壤的全氮与速效氮含量[15, 22]，而硝态氮和铵态氮是土壤速效氮的主要存在形态，同时也是植物可直接从土壤中吸收利用的最主要的两种无机氮源[24]。本试验中，不同施肥处理下田菁还田后的土壤硝态氮和铵态氮含量均较对照有所提高，但效果不显著，这是因为对照处理虽未施肥，但由于其上茬绿肥的还田作用及田菁本身的固氮作用，使其翻压还田的生物量增加，进而提高矿化的硝态氮和铵态氮含量。本研究中，田菁翻压后土壤铵态氮含量为20 mg/kg左右，比正常旱地土壤铵态氮含量稍高，而硝态氮含量为68.0 ~ 73.0 mg/kg，是正常肥力土壤硝态氮含量的3倍多[6]。这与前人豆科绿肥翻压后，土壤铵态氮含量提高不明显，硝态氮含量提高幅度较大，平均提高达130.8% 的报道一致[25]。但马艳芹等[26]的研究表明，紫云英腐解30 d左右时的铵态氮与硝态氮含量均在15 ~ 20 mg/kg，这可能与翻压绿肥种类、生物量、土壤水分、环境气候等条件因素不同有关。有研究表明，休闲期种植不同绿肥品种并翻压，可减少土壤氮素的淋溶损失[27]，而豆科绿肥翻压还田后，氮素矿化速率较快，绝大部分氮素养分的释放在翻压后前2周内完成[25-26]。本试验中氮素及各形态指标是翻压后1个月后的检测值，是否存在硝态氮的淋溶损失还有待进一步研究。
资料表明，生物固定(微生物生物量氮)和晶格固定(固定态铵)是土壤氮素固持的主要形式[28]。施肥和有机物的再循环可明显提高土壤耕作层固定态铵含量[29-30]。段鹏鹏等[31]的研究显示，相对于单施氮肥处理，单施有机肥或氮肥与有机肥配施可使土壤中固定态铵含量增加34.6 ~ 91.8 mg/kg。本研究中，得益于氮肥施用和绿肥翻压的累加效应，土壤有机质的矿化和激发作用增强，使晶层间释放出的铵不断得到补充，各施肥处理田菁翻压后的土壤固定态铵含量与对照相比增加3.37% ~ 12.6%，且以前期施用有机肥的SN4+OF处理增幅最显著，进一步验证了前人的相关结论[29-31]。
3.2.3 不同施肥处理田菁绿肥还田对土壤微生物生物量的影响适当的培肥措施可明显提高土壤微生物生物量碳、氮含量[32-33]。不同施肥处理田菁翻压还田后，土壤微生物生物量碳、氮含量与对照相比分别提高1.67% ~ 8.23% 和1.78% ~ 6.40%，且均以SN2处理最高，可见，该处理下的田菁还田量即为土壤微生物生物量碳、氮提升的最适量。据报道，有机无机配施或施用生物有机肥可显著提高土壤微生物熵[34-36]。但也有研究表明，土壤微生物熵不受培肥措施和种植制度的影响[37]。本试验中，田菁翻压后土壤微生物熵与对照相比均有所下降(SN1处理除外)，且以SN4与SN4+OF处理降幅最大，分别为14.8% 和16.5%，这与前人的研究结论相悖。究其原因，一是以上处理施用化肥量较高，翻压前微生物生存环境受到影响，活性受到抑制；二是田菁生物量较高，翻压还田后腐解释放的大量碳、氮弱化了前期施入的有机肥对微生物熵的影响。
土壤MBC/MBN比是描述微生物群落结构和状态的指标之一，受土壤性质(水分、结构、pH等)的影响，真菌占优势的群落MBC/MBN比为7 ~ 12，而细菌占优势时为3 ~ 6[38]。肖新等[36]的研究表明，施用生物有机肥可显著降低土壤MBC/MBN比。而又有研究表示，秸秆的添加可减缓氮肥施用对土壤MBC/MBN比的降低效应[35]。本试验条件下，田菁翻压还田后土壤MBC/MBN比均在5.9 ~ 6.3，较种植前的7.0明显降低，但各处理间无显著差异。可见，无论是生物有机肥、秸秆还是绿肥的添加，其作用都并非是单纯地降低或升高土壤MBC/MBN比，究其根本是通过对土壤性质的影响，调节了微生物数量和多样性，维持了微生物群落结构的稳定与均衡。
4 结论1) 磷钾肥施用量一致的情况下，SN3处理(纯氮施用量为180 kg/hm2)可明显提高田菁第一次刈割生物量及总生物量，而有机肥处理(SN4+OF)可增加田菁第二次刈割生物量。SN3处理可同时提高田菁两次刈割部分的碳和氮含量，且C/N比较小。
2) 由于基施有机肥的效应，田菁翻压还田后土壤中有机碳、全氮及固定态铵含量仍以SN4+OF处理最高。活性有机碳、硝态氮、铵态氮、微生物生物量碳氮含量及CPMI值均以SN2处理明显高于其他处理。可见，SN4+OF处理下田菁翻压还田有利于土壤中碳氮养分的积累，而SN2处理下田菁翻压还田在土壤养分的生物有效性及土壤性能提升方面效果较优。
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