Effects of rape green manure returned to field on saline alkali soil improvement in Xinjiang

Abstract

为探讨油菜绿肥翻压对盐碱土的改良效果，在中度盐碱荒地上设置油菜绿肥翻压还田1年（T1）、翻压还田2年（T2）和无绿肥还田（CK）三个处理，研究油菜绿肥对盐碱土壤理化性状、盐组分及棉花产量的影响。结果表明：油菜绿肥翻压的效果表现为T2 > T1 > CK，与CK相比，T2和T1处理分别使棉花籽棉产量增加27.5%和13.5%（P<0.05）；T2处理土壤pH值和电导率比CK分别降低1.0个单位和0.7 mS·cm^-1，T2处理全氮、全磷、全钾和有机质比CK分别增加44.8%、9.1%、6.5%和115.2%；油菜绿肥粉碎还田显著降低盐碱离子含量，其中，与CK相比，T2处理土壤盐基阳离子Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺和Na⁺含量显著（P<0.05）降低30.3%、42.7%、41.0%和30.5%，土壤盐基阴离子Cl^-、SO₄^2-、CO₃^2-和HCO₃^-含量显著（P<0.05）降低39.2%、33.0%、32.2%和32.1%。研究表明，油菜绿肥能改善土壤理化性状、增加养分含量、降低盐碱离子含量，对新疆绿洲干旱区盐碱土壤具有较好的改良效果。

We investigated the effects of returning rape green manure to field on saline alkali soil improvement in Xinjiang. Moderately saline and alkaline wastelands were subjected to three rape green manure treatments:1 year(T1), 2 years(T2), and no green manure(CK) to elucidate the effects of returning rape green manure on the physical and chemical properties of saline soil, soil salt composition, and cotton yield. The results showed that the effect of returning rape green manure was as follows:T2 > T1 > CK. Compared with CK, T2 and T1 treatments significantly(P<0.05)increased cotton seed yield by 27.5% and 13.5%, respectively. The pH value and conductivity of T2 were 1.0 unit and 0.7 mS·cm^-1 lower, respectively, than that of CK

Moreover, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, and organic matter content of T2 increased by 44.8%, 9.1%, 6.5%, and 115.2%, respectively. The content of saline-alkali ions in the soil was reduced by returning rape green manure to the field. Compared with CK, the content of T2 salt composition Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺, Na⁺, Cl^-, SO₄^2-, CO₃^2-, and HCO₃^- significantly(P<0.05)decreased by 30.3%, 42.7%, 41.0%, 30.5%, 39.2%, 33.0%, 32.2%, and 32.1%, respectively. The results indicated that rape green manure could improve the physical and chemical properties of soil, increase nutrient content, decrease salinealkali ion content, and have a good effect on saline-alkali soil improvement in the oasis arid area of Xinjiang.

盐碱土是盐土与碱土的统称，我国的盐碱土面积约9 913万hm²，占可用地面积的4.88%^[1]，土壤盐渍化问题在新疆绿洲农区普遍存在，盐渍化耕地占耕地面积的37.72%^[2]，严重阻碍新疆绿洲农业的发展，针对这一问题从生物、化学、农业、水利工程等方面对盐碱土进行改良已取得相关成果^[3]。

绿肥是一种生物肥源，主要由豆科、禾本科、十字花科、菊科等组成^[4]，在我国具有悠久的栽培历史，是将当季栽培的植物整株就地翻压入田，从而起到调节土壤理化性状、增加土壤养分、提升土壤肥力、改善土壤环境、丰富土壤微生物群落并增加微生物种群数量、提高作物产量的作用^[5-7]。绿肥压碱、排碱作为一项新兴的生物改良技术得到广泛应用，其主要通过改土培肥、改善土壤微生物结构和环境、降低盐碱离子含量来达到改良盐碱土的效果^[8]。种植油葵、牧草等植物可降低土壤全盐量，增加土壤有机物质、土壤微生物的量，能够有效地改善盐碱土壤的微环境，但植物品种不同，改良效果也存在差异^[9]。Bruning等^[10]通过在盐碱地栽植豆科植物作绿肥，发现豆科绿肥具有改善盐碱地土壤环境的效果。油菜作为一种新型的绿肥，含有大量的养分，其适应性广、抗逆性强，具有较强的耐盐碱适应性^[11]。国内绿肥植物对盐碱地的改良技术主要集中在绿肥植物的种植改良机制，绿肥翻压也主要围绕豆科植物箭舌豌豆、紫云英、苕子及黑麦草等。箭舌豌豆、紫云英、苕子及黑麦草的种植翻压能提高土壤酶活性，具有明显的培肥土壤的作用^[12-13]。潘福霞等^[14]研究绿肥翻压对土壤肥力的改良效应，发现箭舌豌豆、苕子的翻压能够增加土壤养分含量，提高土壤肥力。紫云英和油菜绿肥作物的翻压还田也可提升土壤肥力，增加水稻产量^[15-16]。油菜做饲料及绿肥是近些年引进新疆的新技术，油菜做绿肥对新疆盐碱土壤改良效果的研究较少。本研究在新疆北部中度盐碱土环境下，开展油菜绿肥翻压对盐碱土壤理化性状、养分、盐组分含量的影响研究，以期探明油菜绿肥翻压改良盐碱土的效果，为新疆盐碱土壤生物改良提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地设在新疆生产建设兵团第八师146团(北纬44°36′ 1.75″，东经85°57′ 35.72″)，位于天山北麓准噶尔盆地南部，古尔班通古特沙漠西南缘，海拔362~353 m，属典型大陆性气候，无霜期为148~187 d，年降水量为110~200 mm，年蒸发量为1 500~2 000 mm，该区域处于冲积洪积扇缘，地下水位高，强烈的蒸发加速了盐分的表聚，耕地土壤盐碱化程度较重。

1.2 试验设计

试验选择开垦两年的盐碱地，其pH为10.26，电导率为1.37~2.18 mS·cm^-1，质地黏重，有机质含量8.7 g·kg^-1，全氮含量为0.3 g·kg^-1，全磷含量为0.7 g·kg^-1，全钾14.7 g·kg^-1。研究设置油菜绿肥粉碎还田1年(T1)、油菜绿肥粉碎还田2年(T2)和无油菜绿肥还田处理(CK)，每处理面积9.6 m×100 m，重复三次。油菜播种依照当地复播时间7月初播种，油菜品种为华油杂62号(种子由华中农业大学提供)，播种量15 kg·hm^-2，滴灌栽培，播种时追施300 kg·hm^-2重过磷酸钙，出苗后30 d开始随水追施尿素，共计450 kg· hm^-2，全生育期浇水4~5次，10月中旬秸秆粉碎翻耕还田，油菜绿肥地上部鲜质量67 500 kg·hm^-2，翻耕深度25~30 cm。于2019年4月25日播种棉花，品种为“新陆早46号”，采用膜下滴灌栽培种植模式:1膜3管6行。总灌水量是5 700 m³·hm^-2，施肥、田间管理与实际生产一致。

1.3 土样采集

试验土样采集时间为2019年6月7日(棉花蕾期)和2019年7月5日(棉花花铃期)，每个处理采用五点混合取样法，用取土钻按土层深度0~20、20~40、40~60 cm进行土样采集，将同一深度土壤均匀混合后置于透明自封袋内及时带回实验室，自然风干。

1.4 测定指标及方法

将风干土壤除去植物残体及小石头，研磨后过孔径为2 mm土壤筛，测定土壤pH值、电导率、土壤盐离子，土壤全氮、全磷、全钾测定前样品过0.25 mm筛。土壤pH值测定采用电位法，所取土样为碱性土，采用1:2.5土水比进行测定；土壤电导率采用DDSJ-308F型电导率仪进行测定，土水比为1:5；土壤盐分组成含量测定:Na⁺、K⁺采用火焰光度法；CO₃^2-、HCO₃^-采用双指示剂-中和滴定法；Cl^-采用硝酸银滴定法；Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-采用EDTA滴定法；土壤全氮采用凯氏定氮法；全磷、全钾采用常规分析法。

棉花的产量指标主要调查棉花的收获株数、株高、果枝台数、单株铃数，测定棉花的单铃质量、衣分、单位面积产量。

1.5 数据分析与处理

数据处理采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据统计分析，采用Duncan法检验数据的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 油菜绿肥翻压对土壤pH值的影响

土壤pH值是衡量土壤盐碱程度的一个重要指标。棉花蕾期T1、T2处理下土壤pH值的变化特征如图 1所示，棉花蕾期pH值在同一土层均表现为CK> T1>T2。与CK相比，T1处理的pH值在0~20、20~40 cm和40~60 cm土层分别下降了0.7、0.5、0.2个单位，T2处理降低了1.4、1.2、0.9个单位。图 1A说明T2、T1处理pH值与CK在0~20、20~40 cm土层存在显著差异(P < 0.05)，在40~60 cm土层T2处理pH值与CK、T1处理存在显著差异(P < 0.05)，T2、T1处理pH值在各土层均存在显著差异(P < 0.05)。棉花花铃期pH值变化趋势与棉花蕾期一致。T1、T2处理pH值在0~20 cm土壤较CK分别下降了0.5、0.7个单位，在20~40 cm土壤分别下降了0.5、0.7个单位，在40~60 cm土壤分别下降了0.6、0.9个单位。同时，在0~20、20~40、40~60 cm土层中，T1、T2与CK存在显著差异(P < 0.05)，但是T1与T2无显著差异(P>0.05)。

不同小写字母表示同一土层深度下处理间差异显著(P < 0.05)。下同 The different lowercase letters indicate significant differences among treatments in the same depth(P < 0.05). The same below 图 1 油菜绿肥翻压对土壤pH值的影响 Figure 1 Effect of rape green manure on soil pH

2.2 油菜绿肥翻压对土壤EC值的影响

土壤电导率(EC值)能反映土壤盐含量的变化特征，土壤EC值越大，含盐量越高。从图 2可发现，棉花蕾期、花铃期土壤EC值随着土层深度的加深而增大，均在40~60 cm土层达到最大值2.4、1.8 mS·cm^-1。棉花蕾期(图 2A)EC值表现为CK>T1>T2，T2对土壤EC值的降低效果更显著(P < 0.05)，各土层土壤EC值较CK均降低了0.8 mS·cm^-1，T1处理在各土层较CK也显著(P < 0.05)降低土壤EC值。棉花花铃期(图 2B)T1、T2对土壤EC值的降低效果同棉花蕾期一致。T1、T2、CK三个处理之间均存在显著差异(P < 0.05)，T1处理土壤EC值在0~20、20~40、40~60 cm土层较CK降低了0.4、0.5、0.4 mS·cm^-1，T2处理在0~20、20~ 40、40~60 cm土层较CK分别降低了0.6、0.7、0.6 mS· cm^-1，T2降低效果更为明显。

图 2 油菜绿肥翻压对土壤EC值的影响 Figure 2 Effect of rape green manure on soil electrical conductivity

2.3 油菜绿肥翻压对土壤养分的影响

油菜绿肥翻压后棉花蕾期、花铃期的土壤全氮含量变化如图 3所示，在棉花蕾期、花铃期土壤中的全氮含量随着土壤深度的递增而逐渐降低。蕾期、花铃期各土层土壤全氮含量均表现为CK < T1 < T2，CK与T1、T2处理存在显著差异(P < 0.05)，T2与T1之间也存在显著差异(P < 0.05)，且蕾期、花铃期各处理全氮含量在0~20 cm土层含量最高。棉花蕾期(图 3A)T1与CK相比，T1全氮含量在0~20、20~40 cm和40~60 cm土层分别提高25.0%、17.4%和9.4%，T2较CK增幅分别为46.7%、36.2%和34.5%。棉花花铃期(图 3B)与CK相比，T1全氮含量在0~20、20~40 cm和40~ 60 cm土层分别提高了12.3%、11.5%和17.2%，T2较CK增幅分别是54.2%、51.6%和45.7%。

图 3 油菜绿肥翻压对土壤全氮含量的影响 Figure 3 Effect of rape green manure on soil total nitrogen content

油菜绿肥翻压后，土壤全磷含量变化如图 4所示，土壤全磷含量随着土壤深度的增加而增高。棉花蕾期(图 4A)在0~20、20~40 cm和40~60 cm土层，T2与CK相比全磷含量分别提高了11.2%、14.7%和12.1%，差异显著(P < 0.05)，T1在0~20、20~40、40~60 cm土层全磷含量增加了2.7%、5.1%、4.2%。棉花花铃期，在0~20 cm土层CK、T1、T2处理间无显著差异，20~40 cm土层T2与CK存在显著差异，T1、T2之间无显著差异，40~60 cm土层中，T2处理的全磷含量较CK、T1分别增加11.0%和3.4%。

图 4 油菜绿肥翻压对土壤全磷含量的影响 Figure 4 Effect of rape green manure on soil total phosphorus content

油菜绿肥翻压后土壤全钾的含量见图 5，在棉花蕾期(图 5A)T2显著(P < 0.05)提高了各土层全钾含量，较CK增加6.6%、4.5%和6.1%。棉花花铃期(图 5B)T2处理较CK各土层全钾含量分别提高了7.9%、7.6%和6.5%，差异显著(P < 0.05)，T1处理在0~20、20~40 cm土层与CK处理存在显著差异，全钾含量增加5.9%和3.5%，在40~60 cm土层与CK无显著差异。

图 5 油菜绿肥翻压对土壤全钾含量的影响 Figure 5 Effect of rape green manure on soil total potassium content

油菜绿肥翻压后土壤有机质含量见图 6，棉花蕾期(图 6A)T1、T2中有机质含量显著(P < 0.05)提高，其中在0~20 cm土层有机质增幅尤为明显，有机质增幅为161.5~167.7%，在20~40、40~60 cm土层T1与T2之间差异显著(P < 0.05)。棉花花铃期(图 6B)，T1、T2处理与CK之间存在显著差异，T2处理有机质含量增加更为显著(P < 0.05)，在0~20、20~40 cm和40~60 cm土层分别提高107.6%、70.1%、70.7%，同时T1与T2处理之间的差异也达到了显著水平(P < 0.05)。

图 6 油菜绿肥翻压对土壤有机质含量的影响 Figure 6 Effect of rape green manure on soil organic matter content

2.4 油菜绿肥翻压对土壤盐基离子的影响

在棉花蕾期和花铃期，T1、T2处理降低了盐碱土壤中阳离子含量。如图 7显示，同一土层Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺、Na⁺含量均表现为T2 < T1 < CK，并且Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺随着土层深度的增加呈下降的趋势，而Na⁺随着土层深度的增加而增加。在棉花蕾期，与CK相比，T1、T2在0~20、20~40 cm和40~60 cm土层均显著(P < 0.05)降低土壤Ca²⁺含量，T1处理Ca²⁺含量分别降低8.4%、20.3%和18.5%，T2处理Ca²⁺含量分别降低27.5%、32.4%和29.3%，其中T1、T2均在20~40 cm土层Ca²⁺含量最高且降低效果也最为明显。棉花蕾期和花铃期，K⁺含量在表层最高，并向深层土壤递减，T1、T2显著降低0~20、20~40、40~60 cm土层K⁺含量。在蕾期T1、T2处理在40~60 cm土层降幅达到最大，分别降低37.1%、47.1%。Mg²⁺含量在0~20 cm土层含量最高，T1、T2较CK显著(P < 0.05)降低Mg²⁺含量，在蕾期油菜绿肥还田在0~20 cm降低Mg²⁺效果最好，T1、T2分别降低了40.3%和44.5%。Na⁺含量随着土层深度增加而增加，与Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺含量在土层中变化相反，T1、T2处理较CK相比Na⁺含量在0~20、20~40、40~60 cm土层均显著(P < 0.05)降低，T1与T2处理在两个时期20~40、40~60 cm土层存在显著差异(P < 0.05)，且T1、T2表现为在棉花蕾期20~40 cm土层Na⁺含量下降明显，分别降低了28.3%和36.2%。

图 7 油菜绿肥翻压对土壤盐基阳离子的影响 Figure 7 Effect of rape green manure on soil base cation

油菜绿肥翻压还田对土壤盐基阴离子的影响如图 8所示，T1、T2处理均降低了0~60 cm各土层Cl^-、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-含量，Cl^-、CO₃^2-、HCO₃^-含量随着土层深度的增加而增加，SO₄^2-含量随着土层深度的增加而降低。棉花蕾期不同处理Cl^-离子含量在20~40 cm土层含量最高，棉花花铃期40~60 cm土层Cl^-离子含量最高，T1、T2处理在0~20 cm土层Cl^-含量降低最明显，棉花蕾期、花铃期分别降低29.3%、42.8%和35.8%、45.6%。T1、T2处理与CK相比SO₄^2-含量在0~20、40~ 60 cm土层都存在显著差异(P < 0.05)，T1处理SO₄^2-含量在棉花蕾期20~40 cm土层降幅最大达23.4%，降低0.8 mg·g^-1，T2处理SO₄^2-含量在花铃期0~20 cm土层降幅最大达37.8%，降低1.5 mg·g^-1。不同处理CO₃^2-含量呈向深层土壤递增的趋势，T1、T2与CK对比，均显著(P < 0.05)降低土壤中CO₃^2-含量，T1与T2间存在显著差异(P < 0.05)，T1、T2均在蕾期0~20 cm土层CO₃^2-含量降幅最大，较CK分别降低30.5%、38.7%。不同处理HCO₃^-的含量表现为40~60 cm>20~40 cm>0~20 cm，相比CK，T1在蕾期0~20、40~60 cm土层均显著(P < 0.05)降低了HCO₃^-含量，分别降低12.6%和8.3%，T2在蕾期0~20、20~40、40~60 cm土层中HCO₃^-含量降幅最大，分别降低33.1%、32.7%和24.9%，均存在显著差异。

图 8 油菜绿肥翻压对土壤盐基阴离子的影响 Figure 8 Effect of rape green manure on soil base anion

2.5 油菜绿肥翻压对棉花产量的影响

油菜绿肥翻压对棉花产量性状的影响如表 1所示，T1、T2的收获株数与CK无显著差异，棉花株高分别增加了27.7 cm和11.1 cm，T2与CK差异显著(P < 0.05)。T1、T2处理的棉花果枝台数较CK显著(P < 0.05)增加36.9%和41.5%。T1、T2处理单株铃数和单铃质量与CK差异不显著。油菜绿肥翻压还田提高棉花籽棉产量，T1、T2处理较CK分别增加13.5%和27.5%。

表 1 Table 1

表 1 棉花产量性状调查表 Table 1 Investigation of cotton yield characters

表 1 棉花产量性状调查表 Table 1 Investigation of cotton yield characters

3 讨论

3.1 油菜绿肥翻压对土壤理化性状的影响

油菜属直根系作物，其根系在生长过程中伴随着穿刺效应，根系老化死亡后，形成许多微孔隙，可提高土壤的通气性和透水性^[17]。已有研究表明，翻压后油菜绿肥被迅速分解可供后茬作物利用，促进作物地下根系生长，增加根系数量，土壤孔隙度随之提高，达到调节土壤理化性状、改良盐碱土壤的效果^[18]。不同种类的绿肥对土壤pH的影响不一致，有研究表明黑麦草、箭舌豌豆、光叶紫花苕翻压后的土壤pH降低，冬牧70、紫云英可使土壤pH升高^[19]。本研究中油菜绿肥翻压后土壤pH值和电导率均下降，与刘东洋等^[20]开展的不同品种油菜对土壤理化性状的影响研究结果一致。张旭龙等^[21]研究发现不同油葵品种对盐碱地的改良效果不同，不同油葵品种的耐盐特性也存在差异，改善盐碱土壤环境的能力不一致。

3.2 油菜绿肥翻压对土壤养分的影响

绿肥翻压还田后将自身养分转到土壤中，增加了土壤中宏量、微量养分^[22]。前人研究发现绿肥翻压还田后经腐解过程可以产生大量可溶性有机物，还可增加土壤生物的固氮能力，并提高土壤磷、钾等养分，促进土壤养分的高效循环，调节土壤养分平衡^[23-24]。油菜作为十字花科植物，具有活化土壤磷素的作用，并且本身富含氮、磷、钾元素，经土壤微生物分解后可促进植物的吸收利用，增加土壤中氮、磷、钾养分含量^[25-26]。油菜作为绿肥，其碳氮比有益于后茬作物的吸收和干物质的积累^[27]。油菜绿肥翻压还田后，土壤全氮、全磷、全钾养分积累量增多，有机质含量提高，与李文广等^[28]、张树杰等^[29]、Deng等^[30]的研究结果一致。李红燕等^[31]发现油菜绿肥翻压能活化土壤中的有机物，并具有显著的培肥效应。绿肥的种植翻压能使地下部根系生长旺盛，土壤孔隙数量和团粒结构增加，提高土壤通气性，同时使土壤有益菌群落增加，土壤酶活性提高，促进养分的分解合成，培肥地力，能有效减少化肥的施用，对缓解土壤速效养分不足具有积极作用。

3.3 油菜绿肥不同翻压年限对土壤盐碱离子的影响

土壤胶体吸附过多的碱性阳离子会形成盐碱化土壤，盐角草在新疆盐碱地种植后，表现出良好的降盐效果，是由于盐角草增加了土壤有机物质，降低土壤盐碱离子从而达到降盐、聚盐作用^[32]，与油菜绿肥翻压对盐碱土的改良效果一致。研究表明油菜在新疆中度盐碱地种植翻压后可降低土壤盐碱离子含量，是由于腐殖质含量增加，改善了土壤胶体种类和数量，从而减少土壤胶体对碱性阳离子的吸附作用，降低盐害^[33]。本研究中，与对照相比，油菜绿肥翻压1年和2年各土层碱性阳离子与碱性阴离子含量均显著降低。盐基离子变化趋势表现为:在棉花蕾期土壤Ca²⁺、Cl^-含量随着土壤深度的增加，表现先递增再递减的趋势，说明该时期土壤Ca²⁺、Cl^-主要集中在土壤中层，土壤中Na⁺、CO₃^2-、HCO₃^-含量随土层的递增而含量增加，表示在蕾期Na⁺、CO 23-、HCO -3累积在土壤深层，而K⁺、Mg²⁺、SO₄^2-则表现为盐基离子的表聚。在棉花花铃期Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺、SO₄^2-积聚在表层土壤中，Na⁺、Cl^-、CO₃^2-、HCO₃^-向深层土壤中积累。这与张如莲等^[34]探讨6种豆科绿肥对交换性盐基组分的结果一致，在绿肥翻压后，土壤养分、有机质含量、微团聚体数量增加，土壤孔隙增多，水分下渗速度加快，盐基离子向深层累积，同时绿肥的施用会增加土壤有机胶体和腐殖质数量，土壤胶体对盐组分的吸附能力提高，降低土壤中盐离子活性，从而起到脱盐的效果^[35]。

4 结论

(1) 油菜绿肥翻压还田2年，与对照相比，土壤pH值、电导率分别降低1.0个单位和0.7 mS·cm^-1，土壤氮、磷和钾养分的含量显著提高。

(2) 油菜绿肥可以显著降低盐碱地0~60 cm耕层土壤中可溶性Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺以及Cl^-、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-盐基离子含量，并随着还田年限增加效果更加明显。

(3) 油菜绿肥还田1年和2年使棉花产量分别增加13.5%和27.5%，对干旱区盐碱地土壤具有较好的改良效果。