填闲作物还田方式对烟田土壤轻重组有机碳的影响

Effects of Returning Farmland Methods of Catch Crops on Light and Heavy Fraction Organic Carbon in Tobacco Field Soil

摘要

为了提高多年连作烟田的土壤肥力，改善土壤生态环境，在烤烟冬闲期种植油菜、冬牧70、光叶紫花苕等3种作物，同时以冬季空闲不种植任何作物为对照，采取2种方式（掩青和收割）进行处理，通过测定不同处理不同土层的土壤轻、重组有机碳含量、比例及储量，探讨填闲作物收割和掩青处理对烟田土壤轻重组有机碳的影响。结果表明，不同填闲作物和不同还田方式下土壤总有机碳、重组有机碳、轻组有机碳含量均随着土壤深度的增加而降低。与对照相比，填闲作物掩青处理能够显著增加土壤总有机碳、重组有机碳、轻组有机碳含量，尤其是冬牧70在20~40 cm土层增加比较显著，分别增加了22.3%、21.98%、27.78%；填闲作物收割处理会降低土壤轻组有机碳比例和土壤轻组有机碳储量，而掩青处理则会增加土壤轻组有机碳比例和轻组有机碳储量，其中冬牧70掩青在0~20 cm土层增加比较明显，分别增加了18.14%、40.03%。填闲作物掩青处理增加了烟田土壤的含水量和持水量、降低了土壤容重以及增加土壤轻重组有机碳储量。综合来看，冬牧70掩青处理效果最好，能显著增加土壤总有机碳和轻重组有机碳含量，油菜次之。

Abstract

In order to enhance the soil fertility of continuous cropping tobacco fields for years and improve the soil ecological environment, in this study, three crops, including rape, Dongmu 70, and purple sweet potato, were grown during the winter leisure period of tobacco, and no crops planted were taken as the control during winter leisure period. Two treatments of covering green and harvesting were applied. By measuring the content, proportion, and storage of light and heavy fraction organic carbon in different soil layers under different treatments, the effects of harvesting and covering green of the catch crops on light and heavy fraction organic carbon in tobacco field soil were explored. The results showed that the content of the total organic carbon, heavy fraction organic carbon and light fraction organic carbon under the treatments of the different catch crops and returning farmland methods decreased as increase of soil depth. Compared with the control, the treatment of covering green of the catch crops could significantly increase the content of the total organic carbon, heavy fraction organic carbon and light fraction group, especially at the soil layer of Dongmu 70 at 20-40 cm, which increased by 22.3%, 21.98% and 27.78%, respectively. Harvesting of the catch crops reduced the proportion and storage of light fraction organic carbon, while covering green increased the proportion and storage of light fraction organic carbon. Among them, dongmu 70 increased significantly at depths of 0-20 cm, increasing by 18.14% and 40.03%, respectively. Covering green of the catch crops increased soil water content and water holding in tobacco field soil, decreased soil bulk density, and inceased storage of light and heavy fraction organic carbon in soil. In general, the treatment of covering green of had the best effect, it could significantly increase the content of the total organic carbon and light and heavy fraction organic carbon in the soil, followed by rape.

Graphical abstract

关键词

填闲作物 / 烟田 / 掩青 / 收割 / 轻组有机碳 / 重组有机碳

Key words

catch crops / tobacco field / covering green / harvesting / light fraction organic carbon / heavy fraction organic carbon

由于烟草的多年连作以及化肥的过量使用，导致烟田土壤理化性质下降，烟草病害加重，烤烟品质降低，限制了烟叶质量的保持和提高。烟田土壤肥力的高低很大程度上取决于土壤有机碳的含量，它是烤烟生长需要养分和水分的源泉。土壤有机碳是指动植物残体、腐殖质、微生物等有机质中的碳元素^[1]。土壤有机碳根据密度分为轻组有机碳和重组有机碳，轻组有机碳主要是由植物残体、腐解产物、微生物、多糖等物质组成，具有周转期快、生物活性强等特点；重组有机碳是由腐殖质构成的有机矿质复合体，结构复杂，主要吸附在矿物表面或隐藏在微团聚体内部，很难被微生物利用，周转缓慢，对有机碳的积累和保持具有重要作用^[2]。

有研究表明，冬闲期种植填闲作物，可提高土壤有机碳含量，改善土壤微生物环境^[3]。目前，国内外对填闲作物种植的报道有很多，李元等^[4]研究表明，种植大葱填闲作物能增加土壤微生物数量、抑制致病菌繁殖。刘娟等^[5]研究表明，填闲作物还田处理能提高微生物代谢活性；另外，在填闲作物种植的品种^[6]、提高作物产量^[7-8]、减少土壤氮淋溶^[9-11]等方面的报道也有很多，但是关于填闲作物还田方式对土壤轻重组有机碳影响的研究较少。笔者以油菜、冬牧70、光叶紫花苕作为3种填闲作物，分别对其进行掩青和收割处理，研究不同填闲作物品种和不同还田方式对土壤轻重组有机碳的影响，为提高烟田土壤肥力、调节土壤理化性质、增强土壤固碳能力提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地点选择河南省漯河市临颍县固厢乡，位于北纬33°848'，东经113°918'，地处暖温带的南部边缘地区，属于温暖过渡型季风气候，一年当中冷热交替，四季分明，光照充足，年平均气温14.5 ℃，无霜期226 d，年降水量平均为720 mm，受季节影响，多集中在6—8月，土壤类型为潮土。

1.2 试验材料

油菜、冬牧70、光叶紫花苕种子均由河南省农业科学院提供。

1.3 试验设计

2020年9月播种3种填闲作物（油菜、冬牧70、光叶紫花苕），冬闲地为对照。每个小区100 m²，每种作物随机重复3次，共9个小区，每个小区从中间划分，一半为掩青，一半为收割。掩青即是将全量作物翻压还田，而收割只是根茬还田。2021年4月10日对填闲作物进行掩青或收割处理。2021年5月初种植烤烟，6月中旬揭膜培土后，根据当地墒情，正常沟灌浇水，现蕾期打顶除茬，8月中旬开始采收烟叶，9月初全部完成采收。

1.4 测定项目及方法

烟叶收获后（2021年10月），进行取样。在每个试验小区采用3点混合法取样，用取土器分别取0~20、20~40 cm土层，装入密封袋，带回实验室，挑拣凋落物、石块等杂物后，将其均匀摊在报纸上，自然风干，风干后研磨过筛。分别过2、0.25 mm的筛，其中，过2 mm筛的土用来提取测定轻重组有机碳，过0.25 mm筛的土用来测定土壤总有机碳。土壤总有机碳（SOC）和土壤轻组有机碳（LFOC）测定均采用重铬酸钾外加热法。

土壤重组有机碳（HFOC）=土壤总有机碳（SOC）－土壤轻组有机碳（LFOC）（1）

土壤轻组有机碳分配比例=LFOC/SOC（2）

土壤重组有机碳分配比例=HFOC/SOC（3）

土壤轻组有机碳储量=土壤轻组有机碳含量×土壤轻组有机碳分配比例×土壤容重×土层厚度/10（4）

土壤重组有机碳储量=土壤重组有机碳含量×土壤重组有机碳分配比例×土壤容重×土层厚度/10（5）

2 结果与分析

2.1 还田方式对土壤各组分有机碳的影响

由表1可知，与对照相比，不同填闲作物掩青后，土壤有机碳含量均有增加，其中0~20 cm土层略高于对照，20~40 cm土层则显著增加（P<0.05），光叶紫花苕、冬牧70、油菜分别较对照增加了20.36%、22.3%、16.9%；而收割处理在0~20 cm土层则表现为降低，20~40 cm土层除了油菜有所降低，光叶紫花苕和冬牧70较对照分别增加了10.86%、6.29%。表明填闲作物掩青能够显著增加土壤总有机碳含量。

在0~20 cm土层，填闲作物掩青和收割后的土壤重组有机碳含量与对照无显著差异。在20~40 cm土层，与对照相比，填闲作物掩青后重组有机碳含量增加幅度明显高于收割处理，其中冬牧70增幅最大，增加了21.98%。

不同作物品种、不同土层、不同还田方式的土壤轻组有机碳含量具有显著差异（P<0.05）。掩青处理下的土壤轻组有机碳含量显著高于对照（P<0.05），其中20~40 cm土层的土壤轻组有机碳的增加幅度显著高于0~20 cm土层（P<0.05），其中冬牧70增幅最大，增加了27.78%。与对照相比，收割处理降低了土壤轻组有机碳含量，在0~20 cm土层，冬牧70和油菜降幅显著，分别降低了31.18%、38.71%，光叶紫花苕则降低了9.68%；在20~40 cm土层，油菜降低的最多，降低了20.83%。

2.2 还田方式对土壤轻、重组有机碳分配比例的影响

还田方式对0~20 cm和20~40 cm土层土壤轻组有机碳分配比例的影响如图1所示。

由图1可知，0~20 cm土层土壤轻组有机碳占比大小依次为掩青>对照>收割，其相差幅度随土壤深度增加而减小；其中，掩青处理的光叶紫花苕、冬牧70分别较对照增加了14.61%、18.14%；而收割处理除了光叶紫花苕较对照稍低些外，冬牧70和油菜的土壤轻组有机碳占比均显著低于对照（P<0.05），分别较对照降低了29.68%和34.04%。20~40 cm土层，掩青与对照相差不大，同时收割与对照的差距相比于0~20 cm土层也明显减小；掩青处理的土壤轻组有机碳占比除了光叶紫花苕较对照降低了4.01%外，冬牧70和油菜均与对照相近；而收割处理的光叶紫花苕、冬牧70、油菜的土壤轻组有机碳占比分别较对照降低了22.38%、14.96%、11.19%。可见，表土层对土壤轻组有机碳分配比例影响较大，另外，填闲作物掩青能够增加土壤轻组有机碳占比。

从图2可以看出，0~20 cm土层土壤重组有机碳占比依次为收割>对照>掩青，其中掩青处理除了冬牧70略低些外，光叶紫花苕和油菜2种作物几乎无差别；而收割处理除了光叶紫花苕稍低些外，冬牧70和油菜2种作物的土壤重组有机碳占比相近。20~40 cm土层土壤重组有机碳占比依次为收割>对照>掩青，3种作物间无明显差别；掩青处理除了光叶紫花苕略大于对照外，冬牧70和油菜几乎与对照一致。总之，不同填闲作物和不同还田方式下的土壤重组有机碳分配比例均与对照无显著差异。

2.3 还田方式对土壤含水量、持水量、容重的影响

从表2可以看出，与对照相比，不同填闲作物掩青和收割后，0~20 cm土层土壤含水量较对照均有所降低，而20~40 cm土层土壤含水量较对照均增加，其中冬牧70掩青和油菜掩青增加最多，分别增加了10.74%和10.55%。表明填闲作物掩青和收割会降低表土层含水量，但能增加20~40 cm土层含水量。

对于土壤持水量，不同填闲作物和不同还田方式均有一定差异。0~20 cm土层，掩青处理除了冬牧70的土壤持水量较对照显著增加了39.34%（P<0.05），光叶紫花苕和油菜较对照均有降低；而收割处理的土壤持水量除了油菜较对照略低了4.965%，光叶紫花苕和冬牧70均比对照稍有增加。20~40 cm土层，掩青处理的冬牧70和油菜其土壤持水量较对照分别增加了19.44%和17.72%，而光叶紫花苕与对照相近；收割处理的3种作物其土壤持水量均比对照高，其中，冬牧70较对照增加幅度最高，增加了20.64%。可见，种植冬牧70进行掩青处理，可显著增加土壤持水量。

从表2可以看出，0~20 cm土层，掩青处理的冬牧70和油菜其土壤容重较对照分别降低了3.75%和3.965%；而收割处理除了冬牧70的土壤容重较对照有所降低外，光叶紫花苕和油菜其土壤容重较对照分别增加了1.37%和7.66%。20~40 cm土层，掩青处理和收割处理的土壤容重较对照均有降低，掩青处理降低的幅度比收割处理大，其中，掩青处理冬牧70其土壤容重降低的最多，降低了14.74%。整体来看，不同填闲作物掩青和收割后，0~20 cm土层的土壤容重与对照差异不大，20~40 cm土层的土壤容重较对照显著降低（P<0.05），其中冬牧70降低的最明显，说明种植冬牧70能使土壤容重降低。

2.4 还田方式对有机碳储量的影响

从图3可以看出，0~20 cm土层土壤轻组有机碳储量依次为掩青>对照>收割，其中掩青处理的冬牧70和光叶紫花苕分别较对照增加了40.03%、36.08%；而收割处理的油菜和冬牧70较对照降低的较多，分别降低了56.38%、52.83%，光叶紫花苕较对照仅降低了15.58%。20~40 cm土层土壤轻组有机碳储量仍为掩青>对照>收割，不过掩青处理的3种填闲作物较对照仅增加了2.66%~13.66%，增加幅度明显低于0~20 cm土层；收割处理的3种填闲作物较对照降低了28.79%~35.44%，比0~20 cm土层降低的少。由此表明，不同填闲作物和不同还田方式对表土层的土壤轻组有机碳储量影响较大，另外，20~40 cm土层下，同一还田方式下土壤轻组有机碳储量不同填闲作物间差异不大。

从图4可以看出，0~20 cm土层，掩青、收割和对照的重组有机碳储量相差不大；20~40 cm土层，掩青处理的3种填闲作物除了光叶紫花苕比对照偏高些，冬牧70和油菜与对照几乎相近；收割处理的油菜比对照偏低些，但光叶紫花苕和冬牧70的土壤重组有机碳储量与掩青处理相近。

3 结论与讨论

填闲作物还田后，归入土壤的茎叶和根部不仅可以通过腐解为土壤提供养分，而且其难分解的根部还可以改变土壤理化结构，促进土壤呼吸^[12]。

本研究表明，不同填闲作物和不同还田方式方式下土壤总有机碳、重组有机碳、轻组有机碳含量均随土壤深度的增加而降低。由于填闲作物的叶茎和根系的腐解为土壤提供了丰富的有机碳，除了油菜收割处理，其余不同处理下的土壤总有机碳均高于对照，此外，与对照相比，填闲作物掩青后的土壤有机碳含量增加幅度明显高于收割处理，其中冬牧70掩青后的20~40 cm土层增加幅度最大，增加了22.3%。由于油菜根属于直根系，其主根发达，木质化严重^[13]，在土壤中难分解，而收割是将作物地上部移出大田，只有残茬和根部归入土壤，所以，油菜收割下的土壤总有机碳含量低于对照。另外，掩青处理是将绿肥全部翻压归入土壤，相应归入土壤的生物量也较多，植物残体腐解产生的有机碳也会较多。

重组有机碳是总有机碳的重要组成部分，本研究表明，重组有机碳变化趋势与总有机碳含量一致。轻组有机碳主要由腐解的植物残体组成，属于活性有机碳^[2，14]。填闲作物不同还田方式下的土壤轻组有机碳含量均为掩青最高、对照次之、收割最小，相比于对照，掩青处理后不同土层的土壤轻组有机碳含量增加了10.75%~27.78%，而收割处理降低了9.68%~38.71%。这是因为填闲作物收割只有残茬和根部归入土壤，而根部不易分解，另外，收割处理的土壤含水量相对较低，更加剧了根部的难分解^[15]，而掩青处理会将地上部的茎叶也翻压入土壤中，叶茎容易腐解，其产生的腐解质酸也会促进根部的腐解^[16]，因而掩青处理下的土壤轻组有机碳含量最高。本研究中，0~20 cm土层，光叶紫花苕收割下的土壤轻组有机碳含量显著高于冬牧70和油菜，分别增加了31.25%和47.37%，这是因为光叶紫花苕侧根非常发达，主要密集在表土层^[1]，而冬牧70和油菜的残茬和根部产量虽然比光叶紫花苕高，但其残茬和根部相对于光叶紫花苕均不易腐解；另外，冬牧70和油菜的根部所含木质素及灰分远高于光叶紫花苕^[17-18]，所以，光叶紫花苕收割处理下的土壤在0~20 cm土层轻组有机碳含量最大。

本研究发现，不同填闲作物、还田方式下土壤轻组有机碳占比均随土壤深度的增加而降低，而重组有机碳分配占比则随土壤深度的增加而增大，这是由于植物残体主要集中在表土层，其腐解过程中会产生微生物及活性有机碳，而微生物又会活化土壤有机碳^[19]，所以，轻组有机碳占比相应也较多，随着土壤深度的增加，植物残体相对较少，轻组有机碳的来源也减少，因此，深层土壤的轻组有机碳含量比较少，这与王卫霞等^[20]的研究结果一致。本研究还发现，轻组有机碳占比大小依次为掩青>对照>收割，而重组有机碳占比与之相反。有研究表明^[212]，耕作会破坏土壤的团聚体，从而释放出储存在团聚体内部的有机物质，在温度和通气的情况下，有机物质分解为易氧化的有机碳，从而导致有机碳的损失，使土壤轻组有机碳占比降低，而填闲作物掩青翻压入土壤的生物量较多，其腐解产生的轻组有机碳会快速补充土壤损失的有机碳，所以，掩青处理的轻组有机碳占比大于对照，但收割处理只有残茬和根部归入土壤，其腐解缓慢，土壤损失的有机碳得不到有效补充，因此，收割处理的轻组有机碳占比小于对照。填闲作物掩青有助于增加土壤含水量和持水量、降低土壤容重，尤其是种植冬牧70效果最明显，这与张媛媛等^[22-23]研究结果一致，因为冬牧70属于禾本科植物，根系发达，根系在土壤中穿插，能疏松土壤，增加土壤空隙度，提高土壤持水量，降低土壤容重^[2]。

填闲作物还田方式不同，土壤轻重组有机碳储量也会不同。本研究中，轻重组有机碳储量均随土壤深度的增加而增加。因为轻重组有机碳储量不仅与土壤轻重组有机碳分配比例有关，也与土壤容重相关。在0~20 cm土层，填闲作物掩青能增加土壤轻组有机碳储量，而收割会降低土壤轻组有机碳储量，冬牧70和油菜在0~20 cm土层轻组有机碳储量降低幅度最大，分别降低了33.33%和28.57%。这是因为冬牧70和油菜收割处理在0~20 cm土层的轻组有机碳分配比例较低。在20~40 cm土层，填闲作物掩青和收割均会降低土壤轻组有机碳储量。

不同填闲作物和不同还田方式下土壤总有机碳、重组有机碳、轻组有机碳均随土壤深度的增加而降低。与对照相比，掩青处理能显著增加土壤总有机碳、重组有机碳、轻组有机碳含量，尤其是冬牧70在20~40 cm土层增加比较显著，分别增加了22.3%、21.98%、27.78%。

不同填闲作物和不同还田方式下，土壤轻组有机碳分配比例均随土壤深度的增加而降低，而重组有机碳分配比例则随土壤深度的增加而增大。与对照相比，填闲作物收割会降低土壤轻组有机碳比例，而掩青则会增加轻组有机碳比例，其中冬牧70在0~20 cm土层增加比较明显，增加了18.14%。

填闲作物掩青能有助于增加土壤含水量和持水量、降低土壤容重，种植冬牧70效果最好，油菜次之。

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基金资助

河南省科学技术厅科技攻关项目(222102110432)

中国烟草总公司河南省公司科技项目(2022410000240017)

河南省烟草公司许昌市公司科技项目(2020411000240071)

河南省烟草公司平顶山市公司科技项目(PYKJ202106)