任 慧，丁 磊，趙 財(cái)

（甘肅省干旱生境作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

風(fēng)蝕是中國(guó)北方脆弱生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量退化和沙漠化的關(guān)鍵因素，由于風(fēng)蝕而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳等養(yǎng)分和具有較高持水能力的土壤細(xì)顆粒的損失，是沙漠化過(guò)程中土壤退化的主要機(jī)制[1-2]。河西走廊是中國(guó)荒漠化最嚴(yán)重的地帶之一，受風(fēng)沙危害的土地達(dá)40%以上，面積約21萬(wàn)hm2，嚴(yán)重的土壤風(fēng)蝕使得土壤質(zhì)地粗化、結(jié)構(gòu)變差、有機(jī)質(zhì)含量下降，土地可持續(xù)生產(chǎn)力降低，造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收[3]。不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)行為是加劇土壤風(fēng)蝕的關(guān)鍵因素，該地區(qū)耕地長(zhǎng)期采用鏵式犁翻耕等傳統(tǒng)耕作技術(shù)，土壤表土細(xì)碎，冬春裸露休閑，在西北季風(fēng)的強(qiáng)勁作用下，極易造成土壤風(fēng)蝕，是產(chǎn)生沙塵暴的重要源頭[4]。西北內(nèi)陸灌區(qū)大部分地區(qū)采用一年一熟的耕作制度，其中以春小麥和玉米單作一熟制為主[5]。然而與之相應(yīng)的供糧安全則是全球科學(xué)界面臨的挑戰(zhàn)[6-7]。因此，在穩(wěn)定該區(qū)域糧食播種面積的前提下，實(shí)施農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的內(nèi)部調(diào)整，增加農(nóng)田的冬、春季覆蓋率，減少農(nóng)田土壤的風(fēng)蝕，提升農(nóng)田土壤生產(chǎn)力等措施迫在眉睫。輪作是一種用地養(yǎng)地的栽培措施，同時(shí)結(jié)合不同的施氮不僅有均衡土壤養(yǎng)分和防治病、蟲、草害的作用，還能有效地改善土壤理化性狀和促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)，增加土壤有機(jī)碳含量，調(diào)節(jié)土壤肥力，最終達(dá)到作物增產(chǎn)增收的目的[8-9]。小麥-玉米輪作是河西灌區(qū)主要的農(nóng)作物種植方式，這種主作物輪作導(dǎo)致冬春季地表裸露5～6個(gè)月，風(fēng)蝕嚴(yán)重，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化。冬季作物覆蓋，能夠有效填補(bǔ)由于冬季耕地裸露造成的資源浪費(fèi)，減緩風(fēng)蝕，可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、提升氮的礦化潛力、減少硝酸鹽淋失等作用，促進(jìn)后茬農(nóng)作物產(chǎn)量的提升[10]。綠肥是有機(jī)肥的重要來(lái)源，種植和翻壓綠肥都對(duì)土壤具有積極改良作用，可以改善土壤理化性質(zhì)[11]。冬季覆蓋作物和綠肥嵌套在輪作系統(tǒng)中可以進(jìn)一步的提升土壤肥力，提高土壤微生物和酶活性，同時(shí)可以改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)土壤的可持續(xù)發(fā)展[12-13]。西北內(nèi)陸灌區(qū)光資源豐富，熱量一熟有余兩熟不足的春小麥種植區(qū)把冬季覆蓋作物和綠肥嵌套在種植形成周年覆蓋輪作系統(tǒng)，增加冬春地表覆蓋度，減少農(nóng)田土壤的風(fēng)蝕，提升農(nóng)田土壤生產(chǎn)力將對(duì)該地區(qū)的生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要實(shí)踐意義。為此，本研究在已有輪作和綠肥還田研究的基礎(chǔ)上，以西北綠洲灌區(qū)春小麥生產(chǎn)為基礎(chǔ)輪作冬季覆蓋作物和豆科綠肥，構(gòu)建提升土壤肥力的周年覆蓋輪作模式，通過(guò)不同施氮水平，檢測(cè)土壤碳、氮含量，明確不同輪作模式、冬季作物覆蓋和綠肥結(jié)合及不同施氮對(duì)土壤碳氮的疊加效應(yīng)，以期為綠洲灌區(qū)冬季覆蓋作物輪作綠肥對(duì)土壤肥力及可持續(xù)生產(chǎn)能力的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018—2020年在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)“武威綠洲試驗(yàn)站”進(jìn)行，該站屬中國(guó)西北干旱荒漠生物氣候帶，是中國(guó)西北旱寒區(qū)、北方風(fēng)蝕區(qū)的典型代表。河西走廊是中國(guó)荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是中國(guó)沙塵暴主要策源地之一，風(fēng)蝕嚴(yán)重，土壤退化和沙化比較嚴(yán)重。小麥作為該區(qū)主栽作物之一，主要以小麥—玉米輪作為主。年均氣溫約7.2℃，春季干旱少雨，常年平均降雨量156 mm，蒸發(fā)量是降雨量的12倍，太陽(yáng)輻射總量6000 MJ/m2，日照時(shí)數(shù)2945 h，年均大風(fēng)日數(shù)12天，年均沙塵暴日數(shù)為9天，最多年沙塵暴日數(shù)為34天。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以春小麥、冬小麥、冬油菜、箭筈豌豆為輪作供試作物，春小麥為‘永良4號(hào)’，冬小麥為‘寧冬2號(hào)’，冬油菜為‘隴油7號(hào)’。不同冬季覆蓋作物輪作分別為春小麥—冬油菜—箭筈豌豆（WCP）、春小麥—冬小麥—箭筈豌豆（WWP）、春小麥—箭筈豌豆—春小麥—箭筈豌豆（WP）、春小麥—春小麥（W）；3個(gè)施氮水平，2年一個(gè)輪作周期施氮總量為傳統(tǒng)施氮360 kg/hm2（N2）、減量 25%施氮量 270 kg/hm2（N1）、不施氮 0 kg/hm2（N0），分別在春小麥冬小麥和冬油菜播種前以基肥施入。共12個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積32.5 m2。田間管理與大田一致，灌溉制度與當(dāng)?shù)匾恢?。輪作模式如圖1。

圖1 輪作模式圖

1.3 土壤樣品采集與測(cè)定

1.3.1 土壤樣品采集 每個(gè)小區(qū)均采用“S”型取樣方法隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，采集0～10 cm和10～30 cm土壤樣品，各自混合均勻后裝自封袋，將采取土樣用四分法混合并分為2部分，一部分保存在-4℃冰箱用于土壤微生物量碳氮、土壤可溶性碳的測(cè)定，另一部分置于實(shí)驗(yàn)室陰涼處風(fēng)干過(guò)篩后用于其他土壤指標(biāo)的測(cè)定。

1.3.2 測(cè)定指標(biāo)與方法 土壤有機(jī)碳（SOC）測(cè)定采用常規(guī)K2Cr2O7氧化法[14]；土壤可溶性碳（DOC）采用0.5 mol/L K2SO4浸提（水土比4:1土樣），浸提液經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后，濾液采用碳氮聯(lián)合分析儀（MultiN/C2100）測(cè)定[15]；熱水提取態(tài)有機(jī)碳（HWC）參考王開峰[16]熱水提取態(tài)碳的方法；土壤微生物量碳氮（SMC、SMN）采用氯仿熏蒸浸提法[17]，將浸提液過(guò)濾后上碳氮聯(lián)合分析儀（MultiN/C2100）進(jìn)行測(cè)定；土壤硝氨態(tài)氮測(cè)定方法為取5 g供試土樣，用2 mol/L的KCl的溶液提取，160 r/min震蕩1 h，中速定量濾紙過(guò)濾，濾液采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Office Excel 2013和SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分的影響

2.1.1 輪作不同冬季作物復(fù)種綠肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響 由不同種植模式和施氮處理下土壤有機(jī)碳（SOC）含量的分析結(jié)果（圖2）可知，不同種植模式及施氮水平對(duì) SOC 含量影響均為顯著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（種植模式）＜0.05]，二者對(duì)SOC含量的交互作用不顯著[Sig.（施氮×種植模式）＞0.05]。0～10 cm土層，在同一種植模式下SOC含量總體變化趨勢(shì)為：N2＞N1＞N0，N2、N1水平較N0水平SOC含量提高了10.90%、6.50%。相同施氮條件下輪作模式SOC含量顯著高于連作模式，WCP、WWP、WP較 CK 分別提高 5.42%、4.70%、2.30%。10～30 cm土層，N2、N1處理SOC含量顯著高于N0 （P＜0.05），分別提高了 17.89%、8.30%；相比較CK，WCP、WWP、WP處理 SOC 含量提高 9.54%、4.32%、2.88%。0～10 cm和10～30 cm土層，WCP輪作模式在N2、N1水平下SOC含量差異并不顯著?？梢?jiàn)，不同冬季覆蓋作物輪作有利于SOC的積累，且春小麥輪作冬油菜效果最佳。

圖2 不同處理土壤有機(jī)碳含量

2.1.2 輪作不同冬季作物復(fù)種綠肥對(duì)可溶性有機(jī)碳含量的影響 不同種植模式和施氮處理下可溶性有機(jī)碳（DOC）含量隨土層深度增加呈降低趨勢(shì)（圖3）。不同種植模式及施氮水平對(duì)DOC含量影響均為顯著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（種植模式）＜0.05]，而以上二者對(duì)DOC的交互作用不顯著[Sig.（施氮×種植模式）＞0.05]。在 0～10 cm和10～30 cm土層，隨施氮量增加，DOC含量隨之增加，N2、N1較N0水平DOC含量增加27.89%和17.84%、17.03%和6.67%。在相同施氮水平下，不同輪作模式的DOC含量高于連作模式，WCP、WWP、WP較CK處理分別提高9.78%和7.06%、7.20%和4.83%、3.44%和3.38%。3種輪作模式中，以WCP輪作模式DOC含量最高，較WWP、WP處理分別提高2.41%和2.13%、6.13%和3.56%。0～10 cm和10～30 cm土層，WCP輪作模式在N2、N1水平下DOC含量差異并不顯著。說(shuō)明輪作提高DOC含量，其中冬油菜輪作模式相比較其他模式DOC含量處于較高水平。

圖3 不同處理土壤可溶性有機(jī)碳含量

2.1.3 輪作不同冬季作物復(fù)種綠肥對(duì)土壤熱提取態(tài)有機(jī)碳含量的影響 不同處理土壤熱提取態(tài)有機(jī)碳（HWC）含量隨土壤土層深度的增加呈降低的趨勢(shì)（圖4），不同種植模式及施氮水平對(duì)HWC含量影響均為顯著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（種植模式）＜0.05]，而以上二者對(duì)HWC交互作用不顯著[Sig.（施氮×種植模式）＞0.05]。同一種植模式HWC總體變化趨勢(shì)為N2＞N1＞N0。0～10 cm土層，N2、N1較N0水平HWC含量提高16.97%、8.54%，10～30 cm土層，N2、N1較N0水平HWC含量提高21.75%、12.55%。同一施氮條件下HWC含量均表現(xiàn)為輪作模式大于連作模式，在輪作模式中WCP處理HWC含量最高，0～10 cm土層，WCP、WWP、WP處理HWC含量較CK分別提高10.96%、7.59%、5.84%。WCP較WWP、WP處理HWC含量分別提高3.14%、4.84%。10～30 cm土層，WCP、WWP、WP處理HWC含量較CK分別提高12.99%、6.77%、6.09%。WCP較WWP、WP處理HWC含量分別提高5.82%、6.51%。0～10 cm和10～30 cm土層，WCP輪作模式在N2、N1水平下HWC含量差異并不顯著。表明輪作結(jié)合施氮處理可有效提高HWC含量，冬油菜輪作模式對(duì)HWC含量的提高作用更顯著。

圖4 不同處理土壤熱提取態(tài)有機(jī)碳含量

2.2 輪作不同冬季作物復(fù)種綠肥對(duì)土壤硝態(tài)氮、氨態(tài)氮的影響

輪作結(jié)合施氮處理土壤硝態(tài)氮土壤氨態(tài)氮、隨土層加深呈降低的趨勢(shì)（如表1），不同種植模式及施氮水平對(duì)土壤硝態(tài)氮含量影響均為顯著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（種植模式）＜0.05]，而以上二者對(duì)土壤硝態(tài)氮含量交互作用不顯著[Sig.（施氮×種植模式）＞0.05]。0～10 cm 土層，N2、N1處理硝態(tài)氮含量較N0分別提高33.10%、20.24%，10～30 cm土層，N2、N1處理硝態(tài)氮含量較N0分別提高43.41%、19.42%。輪作模式硝態(tài)氮含量在同一施氮水平下均高于連作模式。0～10 cm土層，WCP、WWP、WP模式硝態(tài)氮含量較CK處理提高20.51%、10.79%、15.21%。WCP處理較WWP、WP硝態(tài)氮含量提高8.78%、4.60%。10～30 cm土層，硝態(tài)氮含量表現(xiàn)與0～10 cm基本一致。WCP、WWP、WP較CK處理高20.12%、11.10%、18.26%。WCP較WWP、WP處理硝態(tài)氮含量提高了8.11%、15.73%。

表1 不同處理土壤硝態(tài)氮、氨態(tài)氮含量 mg/kg

不同種植模式及施氮水平對(duì)土壤氨態(tài)氮含量影響均為顯著[Sig.（施氮）＜0.05，Sig.（種植模式）＜0.05]，而以上二者對(duì)土壤氨態(tài)氮含量交互作用不顯著[Sig.（施氮×種植模式）＞0.05]。0～10 cm土層，N2、N1處理氨態(tài)氮含量較N0分別提高28.76%、12.02%。10～30 cm土層，N2、N1處理氨態(tài)氮含量較N0提高43.35%、23.65%。輪作模式氨態(tài)氮含量在同一施氮水平下均高于連作模式。0～10cm土層，WCP、WWP、WP較 CK處理高 15.76%、12.40%、7.44%。WCP較WWP、WP處理氨態(tài)氮含量提高2.99%、7.74%。10～30 cm土層，氨態(tài)氮含量表現(xiàn)與0～10 cm基本一致。WCP、WWP、WP處理較CK處理高16.51%、11.39%、8.89%。WCP處理較WWP、WP處理氨態(tài)氮含量提高了4.60%、7.09%。輪作模式土壤硝態(tài)氮、氨態(tài)氮含量在同一施氮水平下優(yōu)于連作模式，且冬油菜輪作模式土壤硝態(tài)氮、氨態(tài)氮含量?jī)?yōu)于其他輪作模式。

2.3 不同輪作模式對(duì)土壤微生物量碳氮的影響

2.3.1 輪作不同冬季作物復(fù)種綠肥對(duì)土壤微生物量碳含量的影響 不同處理土壤微生物量碳（MBC）含量隨土層的增加呈降低趨勢(shì)（圖5），不同種植模式及施氮水平對(duì) MBC 含量影響均為顯著[Sig.（種植模式）＜0.05，Sig.（施氮）＜0.05]，而以上二者對(duì)MBC含量交互作用不顯著[Sig（施氮×種植模式）＞0.05]。0～10 cm 土層，N2、N1 處理MBC含量較N0分別提高40.04%、18.21%。相同施氮條件下，MBC含量輪作模式顯著高于連做模式，WCP、WWP、WP較W處理MBC含量提高7.95%、4.89%、20.71%。10～30 cm土層，MBC含量表現(xiàn)與0～10 cm土層基本一致，N2、N1處理MBC含量較N0分別提高28.37%、13.38%。相同施氮條件下，MBC含量輪作模式顯著高于連做模式，WCP、WWP、WP模式較CK模式提高7.57%、4.59%、12.02%。春小麥連作模式土壤微生物量含量下最低，說(shuō)明春小麥輪作復(fù)種綠肥模式更有利于增加土壤微生物量含量，且不同輪作模式對(duì)土壤微生物量含量影響表現(xiàn)出差異性。

圖5 不同處理土壤微生物碳含量

2.3.2 輪作不同冬季作物復(fù)種綠肥對(duì)土壤微生物量氮含量的影響 由圖6可知，不同處理MBN含量隨土層增加呈降低趨勢(shì)，不同種植模式及施氮水平對(duì)MBN含量影響均為顯著[Sig.（種植模式）＜0.05，[Sig.（施氮）＜0.05]，而以上二者對(duì)MBN含量交互作用不顯著[[Sig.（施氮×種植模式）＞0.05]。0～10 cm土層，N2、N1處理MBN含量比N0高40.97%、19.51%。10～30 cm土層，N2、N1處理MBN含量比N0高51.68%、23.94%。相同施氮水平條件下輪作模式SMN含量高于連作模式。輪作模式中WCP處理SMN含量最高，0～10 cm土層，WCP、WWP、WP處理MBN含量較CK提高18.94%、12.4%、8.36%。WCP較WWP、WP處理MBN含量提高5.80%、9.77%。10～30 cm土層，WCP、WWP、WP處理MBN含量較CK提高18.16%、13.78%、10.45%，WCP較WWP、WP處理MBN含量提高38.46%、6.99%。0～10 cm，WCP輪作模式在N2、N1水平下MBN含量差異并不顯著。連作模式土壤微生物量含量下最低，說(shuō)明輪作復(fù)種綠肥模式更有利于增加土壤微生物量含量，且不同輪作模式對(duì)土壤微生物量含量影響表現(xiàn)出差異性。

圖6 不同處理土壤微生物氮含量

3 結(jié)論

本研究通過(guò)研究不同冬季覆蓋作物輪作對(duì)農(nóng)田土壤碳、氮的影響，輪作較春小麥連作可顯著提高土壤碳、氮含量，有效培肥地力。尤其是以春小麥-冬油菜-箭筈豌豆輪作模式在氮肥減施25%的情況下可以使農(nóng)田土壤有較高的碳、氮含量。因此，在土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重的河西灌區(qū)，冬油菜輪作模式可有效減少冬春休閑期的風(fēng)蝕、提高土壤肥力、保障該區(qū)域的糧油生產(chǎn)，是一種綠色生態(tài)生產(chǎn)模式。彌補(bǔ)傳統(tǒng)輪作春小麥?zhǔn)斋@后冬春季節(jié)地表裸露，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。此外，由于本試驗(yàn)輪作周期較短，隨著輪作年際的增加，土壤碳氮可能會(huì)呈現(xiàn)出不同的結(jié)果，在后面的試驗(yàn)中有待進(jìn)一步研究監(jiān)測(cè)。

4 討論

土地種植模式及管理措施對(duì)SOC及其組分含量和土壤養(yǎng)分含量影響較大[9]。輪作不同冬季作物覆蓋農(nóng)田能夠改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、提高土壤通透性，增強(qiáng)土壤保水保肥能力，增加土壤有機(jī)質(zhì)和碳、氮含量[18]。連作能夠使土壤SOC、HWC、DOC和微生物量碳氮含量降低，且隨著連作年限的增加均呈下降趨勢(shì)[19]。本文研究結(jié)果顯示與單一連作相比，不同輪作農(nóng)田復(fù)種綠肥可以提高土壤碳、氮含量。其原因是輪作倒茬的方式在土壤中存留了作物殘?jiān)案癄€根系，為土壤微生物活動(dòng)及繁殖提供了重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，不同作物自身對(duì)養(yǎng)分利用能力的差異性導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變化，可以有效改良土壤碳、氮水平[20]。且覆蓋作物輪作農(nóng)田模式在作物生長(zhǎng)期間因地表覆蓋，減少了土壤表層水分蒸發(fā)，提高了土壤表層溫度，又因作物根系穿透能力強(qiáng)入土比較深，提高了土壤通透性，改善了土壤耕性。通過(guò)改變土壤水、肥、氣、熱的協(xié)調(diào)能力疏松了土壤、提高土壤質(zhì)量[21]。不同冬季覆蓋作物輪作模式豐富了土壤生物多樣性，提高了土壤有機(jī)物質(zhì)含量，進(jìn)而改善了土壤微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了微生物活動(dòng)及腐殖質(zhì)的形成[13]。覆蓋作物生長(zhǎng)后期其根系活動(dòng)能力相對(duì)減弱，減小了對(duì)土壤的干擾能力，同時(shí)根系產(chǎn)生了大量的脫落物和分泌物，有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖，增強(qiáng)了土壤微生物和土壤生化活性作用，從而提高了土壤微生物生物碳氮含量[22]。

增施氮肥可提高作物生物量，進(jìn)而提高根茬的輸入量、SOC和土壤氮素含量[23]。在翻壓等量綠肥條件下，適當(dāng)減少化肥施用量,有利于提高土壤中養(yǎng)分含量，兩者配施有利于土壤中有效養(yǎng)分的釋放與累積[24]。這與本研究一致，相同輪作模式，施氮配合綠肥還田處理，有利于維持土壤碳、氮含量，在氮肥減量（N1）的條件下，與常規(guī)施氮（N2）相比較WCP輪作模式SOC、HWC、DOC及SMN含量無(wú)顯著降低。此外，綠肥有一定的養(yǎng)分供應(yīng)能力，能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)，翻壓綠肥作物能釋放較多的氮素，可顯著改善土壤環(huán)境和微生物活性并且可以減少土壤中的不利因素，有利于土壤養(yǎng)分的積累[25]。

較其他輪作模式處理相比，春小麥-冬油菜-箭筈豌豆（WCP）冬季覆蓋輪作處理模式效果最好，其原因是油菜屬于蕓薹屬作物，是一種優(yōu)良的換茬作物，其根系生物量較高，在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)對(duì)土壤物理性狀產(chǎn)生積極影響，對(duì)土壤碳氮素及一些速效養(yǎng)分均有良好的改善作用，具有顯著的培肥養(yǎng)地效果[26-27]。冬油菜對(duì)土壤的覆蓋度較大，能夠較好地保持土壤表面水分，可有效地減小土壤表面的風(fēng)蝕模數(shù)，對(duì)土壤水分、養(yǎng)分等具有較好的保持效果[28]。油菜屬于直根系，根系分泌物能溶解和利用較深層土壤中的難溶性磷，而且在生育后期脫落葉片會(huì)將大量的氮磷鉀養(yǎng)分歸還到土壤中，另一方面，強(qiáng)大的根系使得土壤理化性質(zhì)改良，土壤微生物和土壤生化活性提高，顯著或極顯著提高耕層土壤微生物量[29-30]。