DOI: 10.12357/cjea.20220759
李可心, 王光美, 张晓冬, 张海波, 石一鸣, 季增诚, 周志勇. 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[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2023, 31(3): 405?416
LI K X, WANG G M, ZHANG X D, ZHANG H B, SHI Y M, JI Z C, ZHOU Z Y. Effect of planting and returning Vicia villosa on
soil active organic carbon and yield of subsequent maize in coastal saline soils[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(3):
405?416
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1, 王光美2, 张晓冬3, 张海波2, 石一鸣2, 季增诚4, 周志勇1
(1. 北京林业大学生态与自然保护学院 北京 100083; 2. 中国科学院烟台海岸带研究所 烟台 264000; 3. 山东省农业科学院
济南 250100; 4. 黄三角农高区盐碱地综合利用技术创新中心 东营 257300)
摘 要: 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%和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。
关键词: 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
中图分类号: S142开放科学码(资源服务)标识码(OSID):
Effect of planting and returning Vicia villosa on soil active organic carbon and
yield of subsequent maize in coastal saline soils
LI Kexin1, WANG Guangmei2, ZHANG Xiaodong3, ZHANG Haibo2, SHI Yiming2, JI Zengcheng4,
ZHOU Zhiyong1
(1. School of Ecology and Nature Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2. Yantai Institute of Coastal Zone Re-
search, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264000, China; 3. Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China; 4. Tech-
国家重点研发计划项目(2019YFD1002702)和山东省重点研发计划项目(2021SFGC0301)资助
通信作者: 王 光 美, 主 要 研 究 方 向 为 盐 碱 地 综 合 利 用, E-mail: gmwang@yic.ac.cn; 周 志 勇, 主 要 研 究 方 向 为 全 球 变 化 生 态 学, E-mail:
zhiyong@bjfu.edu.cn
李可心, 主要研究方向为全球变化生态学。E-mail: 2317163527@qq.com
收稿日期: 2022-09-30 接受日期: 2022-11-27
This study was supported by the National Key Research & Development Program of China (2019YFD1002702) and the Key Research & Develop-
ment Program of Shandong Province (2021SFGC0301).
Corresponding authors: WANG Guangmei, E-mail: gmwang@yic.ac.cn; ZHOU Zhiyong, E-mail: zhiyong@bjfu.edu.cn
Received Sep. 30, 2022; accepted Nov. 27, 2022
中国生态农业学报 (中英文) ?2023年3月 ?第?31?卷 ?第?3?期
Chinese?Journal?of?Eco-Agriculture,?Mar.?2023,?31(3):?405?416
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nology Innovation Center for Comprehensive Utilization of Saline-alkali Land of the Agricultural High-tech Industrial Demonstration Area of
the Yellow River Delta, Dongying 257300, China)
Abstract: Fallow in the winter-spring season is becoming a common practice in the Yellow River Delta region, influenced by heavy
soil salinization, scarce available water in spring, and reduced precipitation induced by climate change. However, fallow in winter can
cause 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 influence of planting and returning Vicia villosa (V. villosa
treatment) in the winter-spring season on soil physicochemical properties, especially on active organic carbon and yield of sub-
sequent maize crops compared to fallow, to provide a reference for the application of cover crops in improving saline-alkali land pro-
ductivity in the Yellow River Delta. The field experiments were 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 experimental area remained fallow before maize sowing, and maize
was sown on the same day under the same cultivation management as for the 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 content (ROC)
increased. When V. villosa was returned to the soil, soil pH decreased, and soil nutrients and active organic carbon contents improved
significantly compared with fallow. During the entire 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), ROC, dissolved organic carbon
(DOC), and ROC/SOC of the V. villosa treatment increased by 15.1%, 5.5%, 6.3%, 99.1%, 8.2%, and 89.9%, respectively, compared
with those of fallow treatment. However, the average EC values for the two treatments were approximately equal. Compared to the
fallow treatment, the V. villosa treatment significantly increased the subsequent maize straw biomass, grain yield, and total above-
ground biomass by 25.3%, 15.9%, and 21.4%, respectively, indicating a better yield improvement effect. Principal component analys-
is showed that maize yield was positively correlated with soil TN, SOC, DOC, and ROC, but negatively correlated with pH and EC.
EC and soil organic carbon components were strongly correlated before the return of V. villosa. However, TN had the greatest influ-
ence on soil organic carbon components in each maize growing period after V. villosa return, followed by pH. The content of each or-
ganic carbon component increased with increasing TN content and decreasing pH. This study indicates that planting and returning V.
villosa in the winter and spring seasons could increase soil active organic carbon content by increasing soil TN and decreasing pH,
which comprehensively enhanced maize yield. Overall, in the Yellow River Delta, the introduction of V. villosa as a cover crop has
prominent advantages in soil amelioration and yield improvement of subsequent crops when compared to fallow in the winter-spring
season, which could be considered as the optimal planting pattern for the comprehensive utilization of saline-alkali land.
Keywords: Vicia villosa; Yellow River Delta; Saline-alkali land; Soil activated organic carbon; Yield of subsequent crops
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[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
406 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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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°18′0.13″N, 118°39′4.64″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。
9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 109
月 Month
0
50
100
150
200
250
降水量
Precipitation (mm)
月平均气温
Monthly mean air temperature (
℃
)
?5
0
5
10
15
20
25
30
降水量 Precipitation
月平均气温 Monthly mean air temperature
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
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
第 3 期 李可心等 : 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 407
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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
3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 22.10 kg·hm?2, K2O
244.75 kg·hm?2 (表1)。
2.2 种植翻压毛叶苕子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以苕子处理显著高于休耕处
理(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%。
2.3 种植翻压毛叶苕子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也均具有显著影响。
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、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、
表 1 毛叶苕子产量及养分特征
Table 1 Yield and nutrient characteristics of Vicia villosa
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±212.48a 412.05±1.82a 32.41±1.66a 12.74±0.69b 2.03±0.25a 41.31±5.22a
根 Root 497.91±36.63b 329.77±0.94b 14.37±0.44b 21.78±2.09a 1.13±0.19b 33.23±0.52a
全株 Whole plant 5001.59±214.59 403.03±1.38 30.67±1.56 13.16±0.66 1.93±0.20 40.53±4.82
不同字母表示不同部位在P<0.05水平差异显著。Different letters indicate significant differences between two parts at P<0.05 level.
408 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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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
提高幅度较大(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%。
2.4 种植翻压毛叶苕子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(ROC/SOC、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
8.0
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
pH
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
全氮
Total N (mg?g
?1
)
AbcAab Ab
Aa
Aab
Bc
Aa
Bc
Aab
Bb
Ac
Ac
生长时期 Growth period (G): F=7.94 P=0.01
T G: F=7.77 P<0.01
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Abc
Abc
Abc
Bc
AbcAbc
Ba
Aa
Ab
Ab
Ac Ac
生长时期 Growth period (G): F=24.84 P<0.01
T G: F=7.33 P<0.01
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
全磷
Total P
(mg?g
?1
) Aab
Aa
Aa Ba Aa
AabAb Bb
Aa Aab
Ab
生长时期 Growth period (G): F=6.78 P<0.01
T G: F=4.02 P<0.01
AbAc Ab
Abc
Bb
Aa
Bc
Ad
Ac
Ad
BaAab
生长时期 Growth period (G): F=372.22 P<0.01
T G: F=3.81 P=0.22
T1 T2 T3 T4 T5 T6
生长时期 Growth period
T1 T2 T3 T4 T5 T6
生长时期 Growth period
(a) (b)
(c) (d)
休耕处理 Fallow treatment毛叶苕子处理 Vicia villosa treatment
处理 Treatment (T): F=88.51 P<0.01处理 Treatment (T): F=0.005 P=0.949
处理 Treatment (T): F=34.00 P<0.01处理 Treatment (T): F=2.82 P=0.144
电导率
El
ect
ric
al c
onduc
tanc
e (μS·c
m?
1 )
Aab
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 V. villosa; T2: before re-
turning V. villosa; T3: after returning V. villosa and before maize planting; T4: maize seedling stage; T5: maize bell mouth stage; T6: maize harvest period. Dif-
ferent capital letters indicate significant differences between two treatments in the same period (P<0.05). Different lowercase letters indicate significant differ-
ences among different periods under the same treatment (P<0.05).
第 3 期 李可心等 : 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 409
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(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。
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或P<0.05), 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, 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
0
2
4
6
8
10
12
AbAbc AbAc Aa
Aabc
Ac
Ac Ba
Aa
Bb
Aab
生长时期 Growth period (G): F=40.93 P=0.024
T G: F=2.74 P=0.28
(a)
SOC (g?kg
?1
)
0
400
200
600
800
1000
1200
1400
Aa
Bb
Ab
Bbc
Bc
Aa
Bd
Aa
AcAc
Ae Ad
(c)
MBC (mg?kg
?1
)
0
60
40
20
80
100
120
140
160
DOC (mg?kg
?1
)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
ROC (mg?g
?1
)
Bbc
Ab
Bb
Aa
Bd
Ac
Bd
Ac
Ba
Ab
Bc
Ab
生长时期 Growth period (G): F=44.00 P<0.01
T G: F=4.21 P<0.01
(b)
T1 T2 T3 T4 T5 T6
生长时期 Growth period
T1 T2 T3 T4 T5 T6
生长时期 Growth period
Aa
Bc
AaAa
Bb
Aab
AcdAc
Bd
Ac Bc
Ab
生长时期 Growth period (G): F=36.93 P<0.01
T G: F=7.77 P<0.01
(d)
休耕处理 Fallow treatment毛叶苕子处理 Vicia villosa treatment
处理 Treatment (T): F=14.47 P<0.01处理 Treatment (T): F=2075.92 P<0.01
处理 Treatment (T): F=11.13 P=0.016处理 Treatment (T): F=9.52 P=0.022
生长时期 Growth period (G): F=4843.25 P<0.01
T×G: F=492.59 P<0.01
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 V. villosa; T2: before returning V. villosa; T3: after returning V. 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).
410 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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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。
2.6 种植翻压毛叶苕子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)。
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。
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1), 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
40
30
20
10
0
ROC/SOC (%)
16
12
8
4
0
MBC/SOC (%)
Bbc
Ab
Bab
Aa
Bd
Ad
Bd
Ad
Aa Ac
Bc
Abc
生长时期 Growth period (G): F=45.62 P<0.01
T G: F=6.55 P<0.01
(a)
2.0
1.6
1.2
0.8
0.4
0
DOC/SOC (%)
Aa
Bb
Aa Aa
Bb
Aa
Ab Ab
Ac
Ac Ab
Ab
生长时期 Growth period (G): F=431.31 P<0.01
T G: F=5.15 P=0.019
(c)
Aa
Bb
Ab
Bbc
Bcd
Aa
Bd
Aa
AcAc
Ae Ad
生长时期 Growth period (G): F=105.60 P<0.01
T G: F=78.39 P<0.01
(b)
T1 T2 T3 T4 T5 T6
生长时期 Growth period
休耕处理 Fallow treatment
毛叶苕子处理 Vicia villosa treatment
处理 Treatment (T): F=864.25 P<0.01
处理 Treatment (T): F=1.49 P=0.27
处理 Treatment (T): F=0.83 P=0.40
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 relat-
ive contents of active organic carbon of saline soils
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: be-
fore planting V. villosa; T2: before returning V. villosa; T3: after returning
V. 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 differ-
ences between two treatments in the same period (P<0.05). Different lower-
case letters indicate significant differences among different periods under
the same treatment (P<0.05).
第 3 期 李可心等 : 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 411
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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、
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
Table 2 Relationship between physicochemical properties and organic carbon fractions contents of saline soil under planting and
returning Vicia villosa in the experiment duration
取样时期
Sampling time
指标
Indicator pH
电导率
Electrical conductance
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
: 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 V. villosa; T2: before returning V. villosa; T3: after returning V. villosa and before maize planting; T4: maize seedling stage; T5: maize bell
mouth stage; T6: maize harvest period.
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
Table 3 Effects of planting and returning Vicia villosa on bio-
mass and yields of maize in saline soil kg·hm?2
处理
Treatment
秸秆生物量
Straw biomass
籽粒产量
Grain yield
地上部生物量
Aboveground biomass
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
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 level.
?2 0 2
PC1 (64.6%)
PC2 (21.4%)
?3
?2
?1
0
1
2
3
pH
EC
TN
TP
SOC
MBC
ROC
DOC
EY
VT
FT
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 phos-
phorus; SOC: soil organic carbon; ROC: readily oxidizable carbon; DOC:
dissolved organic carbon; MBC: microbial biomass carbon; EY: maize grain
yield.
412 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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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(1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, 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、pH降低, 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,
第 3 期 李可心等 : 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 413
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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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