翻压9种春油菜对潮土有机质及其氧化稳定性的影响

袁苗苗，向春阳，赵 秋，史昕倩，董家僖，田秀平

(1.天津农学院农学与资源环境学院，天津 300384，2 天津市农业科学院资源环境研究所，天津 300192)

华北地区是我国主要的粮食生产区之一，其中玉米产量占全国玉米总产量的36%[1]。作为我国玉米主产区之一，保持玉米产量的稳定性对我国粮食安全起到重要作用，土壤肥力对作物产量影响很大。长期以来，为了维持人口迅速增加对粮食的需求，该地区不断投入大量化学肥料，而忽视有机物料的投入，导致该地区土壤板结与酸化等现象普遍发生[2-3]。2015年，我国农业部开始实施2020年化肥零增长计划，倡导增施有机肥料来改善土壤理化性质[4]。有机肥种类繁多，其中，绿肥被称为我国传统农业的瑰宝[5]，是一种高效、清洁且营养齐全的天然有机肥源，将其生长过程中所产生的全部活体，直接翻压到土壤中作为肥料[6]。翻压后的绿肥通过淋溶、分解等过程向土壤提供大量有机碳，促进土壤有机质的腐解矿化，土壤养分循环及难溶性养分转化，同时为土壤微生物的活动提供能量来源，促进土壤有机质含量的增加[7]。

尽管土壤有机质只占土壤总重量的一部分，但其数量和品质与土壤肥力密切相关。在一定的范围内土壤有机质含量多则土壤肥力就高，反之，土壤肥力就低[8-9]。近年来，人们对土壤有机质的研究从数量层次深入到品质层次，开始注重土壤有机质的氧化稳定性。土壤有机质的稳定性影响碳分解和储存，并且对土壤养分和质量具有重要作用，土壤有机质的氧化稳定性与腐殖质抗氧化能力有关[10]。前人研究表明，绿肥翻压可以提高土壤有机质含量及其氧化稳定性[11-15]。邓小华等[16]研究发现，连续3 a翻压绿肥，土壤有机质含量提高3.73%～8.76%。杜威等[17]通过绿肥翻压也发现，翻压绿肥后可使当季土壤有机质含量有一定的提高，有效改善土壤养分平衡。史吉平等[18]发现长期施用有机肥，或有机无机肥配施，均可提高潮土和旱地红壤的腐殖质含量。邵月红等[19]研究表明，长期施用有机肥对土壤有效碳库有很大影响，在提高活性碳方面绿肥和稻草秸秆肥优于厩肥。因此，绿肥翻压对土壤有机质及其氧化稳定性的影响研究具有重要意义。油菜(BrassicacampestrisL.)作为绿肥，不仅鲜草含量大，养分含量高，繁殖期短，而且对环境的适应能力强[20]。研究表明，油菜翻耕入土之后，可以有效活化土壤，改良土壤物理性质，显著提高土壤有机质含量，并能长期作用于土壤，对一些劣质土壤具有很好的改良作用[21-22]。李文广等[23]研究黄土高原旱地麦后复种饲料油菜还田对后茬麦田土壤养分的影响，结果表明，与常规种植模式相比，饲料油菜还田可不同程度提升土壤养分及酶活性，其中有机质含量提升范围最大，为 11.73%～60.5%。严红星[24]通过冬闲地种植绿肥(油菜、箭舌豌豆、黑麦草)和利用晚稻草在烟草移栽前翻压还田发现，油菜等还田可提高土壤有机质及活性有机质含量，且对土壤腐殖质组分有一定影响。

本研究以不同春油菜品种为研究对象，研究其翻压后对土壤有机质、腐殖质及其稳定性的影响，并探讨油菜生物学产量与土壤有机质的响应关系，以期为华北地区农业生产中合理种植油菜绿肥，改善土壤肥力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于天津市宁河区林场(117.82°E，39.33°N)，气候类型属于大陆性季风气候，暖温带半干旱半湿润带。年平均气温11.2℃，平均湿度66%，最低气温出现在1月份，平均为-5.8℃，最高气温出现在7月份，平均为25.7℃。年平均降水量642 mm，降水量70%集中在6—8月份，全年无霜期240 d。

1.2 试验材料

供试土壤为潮土，2019年春试验播前耕作层(0～20 cm)土壤的基本理化性状：有机质16.07 g·kg-1，全氮0.96 g·kg-1，全磷0.36 g·kg-1，全钾23.59 g·kg-1，碱解氮65.06 mg·kg-1，有效磷31.63 mg·kg-1，速效钾127.78 mg·kg-1，pH值8.01，电导率222 μs·cm-1。供试绿肥有9个不同的油菜品种，分别是中油肥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，代号分别为ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF4、ZYF5、ZYF6、ZYF7、ZYF8、ZYF9，由中国农科院油料作物研究所提供。

1.3 试验设计

采用田间小区试验，共设置10个处理，其中，有9个不同春油菜品种处理，1个春闲处理作为对照(CK)，采用完全随机区组排列，每个处理设3次重复。油菜于2019 年3 月18日播种，采用条播，每个品种播种量为0.6 kg·666.7 m-2，行距25～30 cm，于6月8日进行翻压。翻压后种夏玉米，玉米种植前每个小区施底肥尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含N 11%、含P2O546%)和氯化钾(含K2O 50%)，施肥量为N 110.72 kg·hm-2、P2O589.36 kg·hm-2、K2O 63.83 kg·hm-2。

1.4 测定项目与方法

绿肥翻压前，每个品种分别取3个样方，每个样方1 m2，测定植株生物量，并取代表性根系样(鲜重不少于150 g)、取代表性地上部分样(鲜重不少于200 g)，烘干后用于测定植株含碳量；未种油菜前在每个小区多点取0～20 cm耕层混合土样作为基础土样，测定土壤养分等指标；在油菜未翻压前的5月30日在不同小区中采用多点法取0～20 cm土层混合土样，油菜翻压后种植玉米，在玉米收获后的9月29日，分别在不同小区中采用多点法取0～20 cm土层混合土样，在实验室风干，进行土壤有机质、腐殖质及易氧化有机质等的测定。

土壤养分、有机质、腐殖质等指标测定方法参照《土壤农化分析》[25]；土壤pH值的测定：水浸提，酸度计测定；土壤EC的测定：水浸提，电导率仪测定；土壤全氮的测定：浓硫酸消煮，半微量开氏法；土壤全磷的测定：氢氧化钠熔融，钼锑抗分光光度计法测定；土壤全钾的测定：硝酸和高氯酸消煮，火焰光度计测定；土壤有效磷的测定：碳酸钠浸提，钼锑抗分光光度计法测定；土壤速效钾的测定：醋酸钠浸提，火焰光度计测定；土壤碱解氮的测定：碱解扩散法测定；土壤有机质的测定：重铬酸钾外加热法；土壤腐殖质的测定：焦磷酸钠-氢氧化钠提取法；易氧化有机质的测定：高锰酸钾氧化法；植株含碳量的测定：重铬酸钾-硫酸氧化法。

难氧化有机质=总有机质-易氧化有机质

Kos值=难氧化有机质/易氧化有机质

春油菜总碳输入量=春油菜生物量×春油菜植株含碳量

1.5 数据分析

用Microsoft Excel 对原始数据进行统计和作图，并用SPSS软件进行差异显著性分析，运用灰色关联度综合评价不同春油菜品种的改土效果，关联度越大，其土壤肥力越高，关联度越小，土壤肥力越低。关联系数计算公式[26]：

式中,X为品种;Xo为参考序列;Xi为比较序列，且i=1,2,3,…,n;ρ为分辨系数，此处取值0.5；n为品各性状指标的个数;k为性状；i为品种编号；|Xo(k)-Xi(k)|为绝对差值，记作Δi(k)。

2 结果与分析

2.1 不同春油菜品种翻压前生物量及碳含量

从表1可以看出，不同春油菜品种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。方差分析结果表明，ZYF5显著高于ZYF1、ZYF2、ZYF3、ZYF6、ZYF7及ZYF8，但与ZYF4和ZYF9之间差异不显著；ZYF7的植株含碳量最高，为695.1 g·kg-1，ZYF5次之，为650.6 g·kg-1，两者显著高于(除ZYF5与ZYF6和ZYF8之间)其他品种；虽然ZYF7植株含碳量最高，但春油菜总有机碳输入量则以ZYF5最高，为4 662.25 kg·hm-2，其次是ZYF4，为4 041.49 kg·hm-2，两者显著高于其他品种，ZYF1最低，与ZYF6之间无显著差异，但显著低于其他品种。绿肥作物翻压前的生物量和养分含量影响着土壤的培肥效果，对土壤的矿化及腐殖化起到一定的作用。

表1 不同品种春油菜生物量、碳含量及有机碳输入量Table 1 Biomass,carbon content,and total carbon input of different varieties of Brassica campestris L.

2.2 不同春油菜品种翻压对土壤有机质含量的影响

由表2可以看出，5月30日未翻压油菜之前，土壤有机质总量范围在15.25～17.48 g·kg-1，种植ZYF5土壤有机质含量最高，ZYF7最低，ZYF7和ZYF3没有差异，均低于其他处理。从6月8日翻压春油菜到9月29日，不同处理土壤中有机质含量变化不同，其中，ZYF5处理土壤中含量最高，9月29日测定结果除了与ZYF9差异不显著外，显著高于其他处理。未翻压春油菜的CK处理，土壤中有机质最低，供试所有春油菜品种都提高了土壤有机质含量，但增加程度不同，从绝对变化量上看，ZYF5 和ZYF9增加较多，比没翻压春油菜的5月30日土壤有机质量都增加了7.24 g·kg-1，ZYF7和ZYF8分别增加了5.28 g·kg-1和5.79 g·kg-1，其余品种增加都在5 g·kg-1以下，ZYF2和ZYF6增加量较低，在3 g·kg-1以下。

表2 不同春油菜翻压下土壤有机质含量/(g·kg-1)Table 2 Soil organic matter content under different spring rape overturning

2.3 不同春油菜品种翻压土壤中腐殖质含量的差异

土壤腐殖质是土壤中高分子有机胶体，结构复杂，不易被微生物分解，是土壤有机质最稳定的部分，是土壤固碳的重要标志。由表3可以看出，5月30日春油菜未翻压前土壤腐殖质含量范围在11.40～12.76 g·kg-1，种植ZYF2含量最高，ZYF9含量最低。春油菜翻压土壤后先进行矿化作用，然后再进行腐殖质作用，到了9月29日所有处理腐殖质含量均高于5月30日，不同处理土壤腐殖质含量增加幅度不同，排序为：ZYF5>ZYF8>ZYF4>ZYF3>ZYF9>ZYF1>ZYF7>ZYF2=ZYF6>CK。其中，ZYF5处理土壤腐殖质含量最高，为23.41 g·kg-1，较春油菜翻压前增加了11.24 g·kg-1，显著高于其他处理，CK最低，翻压前后变化很小，只增加了1.00 g·kg-1。

表3 不同春油菜翻压土壤腐殖质含量/(g·kg-1)Table 3 Soil humus content under different spring rape overturning

2.4 不同春油菜品种翻压土壤有机质氧化稳定性的差异

土壤有机质的氧化稳定性决定了有机质矿化的难易，影响着土壤养分的供应强度。易氧化有机质与总有机质之比可代表土壤有机质的活化度，是作为评价土壤肥力的重要指标[27]。由图1 可以看出，与对照相比，9个春油菜品种翻压后土壤易氧化有机质含量均有所提高，其中，ZYF5增加最多，显著高于其他处理，其次是ZYF9、ZYF8，也显著高于其他处理，CK最低，显著低于翻压春油菜的所有处理。春油菜生长过程中会吸收下层土壤养分积累到植株体内，翻压到土壤后，不但为土壤提供大量的有机物质，而且在春油菜矿化分解过程中，也会释放养分到表层土壤中，使得耕层土壤具有更高的养分浓度，从而为后茬玉米根向表土层聚集提供了良好的条件，增加根系的凋落物和分泌物，而凋落物和根系分泌物经微生物的分解，成为土壤易氧化有机质的重要来源；以氧化稳定性系数 Kos值作为衡量有机质氧化稳定性的指标，由图2看出，不同春油菜品种翻压后土壤有机质Kos值均显著低于CK，下降较多的是ZYF5、ZYF8和 ZYF9处理，显著低于其他处理；翻压春油菜各处理土壤易氧化有机质占总有机质的比例也显著高于CK，也是ZYF5、ZYF8和 ZYF9较高，显著高于ZYF1、ZYF2、ZYF3和ZYF6。因此，翻压春油菜改变了土壤有机质的品质。

图1 不同处理下土壤易氧化有机质和难氧化有机质含量的差异Fig.1 Difference of content of easily oxidized organic matter and difficult to oxidize organic matter in different treatments

图2 不同处理下土壤有机质Kos值和易氧化有机质与总有机质比值的差异Fig.2 Difference of soil Kos value and ratio of easily oxidized organic matter to total organic matter in different treatments

2.5 春油菜生长指标与土壤有机质之间的关系

从表4看出，土壤有机质、腐殖质和易氧化有机质与春油菜生物量和总碳输入量之间呈极显著正相关，易氧化有机质与春油菜植株含碳量呈显著正相关，土壤有机质和腐殖质与春油菜植株含碳量之间相关不显著，土壤有机质、腐殖质和易氧化有机质之间均呈极显著正相关。以上说明，土壤有机质和腐殖质与春油菜生物量及春油菜总碳输入量关系更密切，植株含碳量的高低更多地代表了植株养分碳含量贮备量，增加土壤有机质含量，一定考虑其归还到土壤中的生物总量。

表4 春油菜生长指标与土壤有机质的相关性Table 4 Relationship between biomass of spring rape and soil organic matter

2.6 综合评价

采用灰色系统关联度理论，选取土壤有机质、土壤腐殖质、易氧化有机质3项指标的均值，对其进行灰色关联度综合评价(表5)。各处理的排序为ZYF5>ZYF9>ZYF8>ZYF4>ZYF7>ZYF3>ZYF1>ZYF2>ZYF6>CK，表明种植并翻压9个油菜品种，其改善土壤有机质品质的效果均优于春闲，且以种植ZYF5为最佳，其次是ZYF9。

表5 不同油菜品种改良土壤有机质的关联度及排名Table 5 Correlation and ranking of improved soil organic matter in different Brassica campestris L. varieties

3 讨论与结论

综合考虑土壤有机质数量和质量是研究绿肥培肥能力的一个方向，腐殖质和易氧化有机质是重要的衡量指标，腐殖质含量和氧化稳定性很大程度上受不同绿肥种类的影响，本研究验证了这一观点，即不同春油菜品种翻压下土壤有机质及其氧化稳定性存在差异。有机质是土壤微生物的碳源和氮源[28]，其含量与春油菜绿肥的根系分泌物和残留物有关[29]，土壤有机质的动态平衡取决于土壤中有机质的输入量和输出量，提高土壤有机质含量是培肥的重要任务。前人研究表明[30-31]，不同有机肥对土壤有机质的影响差异很大，但绿肥不同程度地提高土壤有机质含量已经得到认可。本研究结果表明9个油菜品种翻压后较CK土壤有机质含量均有所提高，比CK土壤有机质高2.64%～48.11 %。ZYF5提高有机质最多，原因是其生物量最高，为7 166.5 kg·hm-2，显著高于其他品种，可以为微生物代谢提供更多可供分解的植物残体，ZYF2的生物量虽然较高，但其植株含碳量低，归还土壤中提高有机质量也不高。春油菜的腐解是物质与能量相互转化的生化过程，随着油菜翻压后腐解，油菜植株体内碳元素进行分解和合成的转化，不同春油菜品种生物量和分泌物有所差异，导致土层中植物残体的数量和性质发生改变，影响土壤有机质的合成和分解，造成对土壤碳库补充程度不同，且植物本身碳氮比含量不同，所以不同春油菜品种翻压后对参与矿化作用的土壤微生物新陈代谢率的影响不同，从而土壤有机质的变化不同[31]。

腐殖质是由木质素和芳香烃碳等结构复杂的化合物经土壤微生物作用后形成的非晶形高分子有机化合物，属于较稳定的惰性有机质，其组成与性质是衡量有机质的重要质量指标[29,31-32]。翻压绿肥可以更新和活化土壤中的腐殖质，本研究结果显示，不同春油菜品种翻压均可提高土壤腐殖质含量，原因可能是春油菜具有较多的表面官能团及较大的比表面积，为微生物提供了活动场所，加速了春油菜残体向腐殖质转化[33]。其中，也以翻压ZYF5土壤的腐殖质含量提高最多，达到11.77 g·kg-1。ZYF9的有机质含量虽然较高，但其腐殖质含量并不高，说明该品种转化为腐殖质的能力较弱，主要提高土壤中轻组有机质部分，但该品种提高易氧化有机质较多，在提高土壤养分供应上具有一定作用，说明这个品种春油菜易氧化有机质是土壤有机质的重要组成之一，具有易分解的作用，可以更好反映土壤质量变化和养分循环[34]。影响土壤腐殖质分解的因素有很多，如植物残体的特性、土壤特性等，具体提高土壤腐殖含量的机制及增加了腐殖质哪些组分有待进一步研究。

土壤活性有机质对调节土壤养分流有很大影响，与土壤内在的生产力高度有关。在不施有机物料条件下，土壤地力的耗竭主要体现在易氧化有机质被大量消耗，土壤养分供应能力下降，本供试土壤质地重，不利于难氧化有机质的矿化，如果仅施化肥，根茬残留量不足以补充土壤有机质消耗，使土壤易氧化有机质下降，难氧化有机质上升，土壤有机质活化度降低。春油菜翻压后增加外源有机物的投入，为微生物提供充足的碳源，而微生物分解的有机物质是活性有机质组分的主要来源，因此本研究中9个春油菜品种土壤易氧化有机质含量均有所提高。土壤易氧化有机质占有机质总量的比率作为衡量土壤有机质稳定性的方法之一，可以表征不同油菜品种翻压后土壤有机质活性大小以及土壤有机质的质量，两者之间的比率越大，表明土壤有机质活性越强，被分解转化的可能性越大[35]。不同品种间，易氧化有机质含量、易氧化有机质与有机质总量的比值均以ZYF5最高，且Kos值也以ZYF5最低，这可能是因为春油菜翻压后提高了土壤有机质的氧化度和有机结构分子的复杂度，从而提升了有机质的氧化稳定性，也可能是因为春油菜中含有较多的易被微生物分解的物质，纤维素、半纤维素和木质素较少。由此得出，华北地区采用春油菜翻压可有效提高土壤有机质含量、土壤腐殖质含量，且对土壤有机质氧化稳定性起到一定影响。一方面油菜翻压增加了土壤有机碳含量，促进了土壤有机质腐解、矿化、养分循环及难溶性有机质的转化，同时为土壤微生物的活动提供了能量来源，从而促进土壤中有机质含量的增加，另一方面有机质活性增加会加速有机质的分解，再加上土壤中微生物的作用，可促进土壤中不同组分有机质含量增加，从而使得土壤有机质的稳定性降低。说明春油菜的输入对华北地区潮土的改良起关键作用，其中春油菜中油肥1901在提高有机质总量、腐殖质含量和易氧化有机质量上效果最佳，中油肥1907号有利于提高总有机质和易氧化有机质含量，但不利于土壤腐殖质的积累。