近年来，随着城市化的快速发展，我国的净耕地面积在持续减少。因此，在提高土壤生产力的同时如何高效地开发利用潜在土地资源，成为缓解人地矛盾、保障粮食安全急需解决的问题^[1]。通过土地整理等措施可以增加耕地面积，结合已有知识可知，土地复垦不仅仅在于面积的增加，还包括土壤生态系统的重建^[2]。受限于土地整治成本，目前新建复垦农田主要采取混推复垦，往往造成原有土壤层次被打乱、结构被破坏，养分大量流失、土壤肥力下降等问题^[3-5]。因此，如何快速有效地提升生地土壤的肥力水平成为首要问题。

一些作物，可以利用其生长过程中的全部或者部分鲜体，直接或间接翻压到土壤中作为肥料；或者与主作物间作套作以起到促进主作物生长、改善土壤性状等作用。这些作物就是绿肥作物，其鲜体称为绿肥^[6]。绿肥还田是当前改善土壤结构、提高土壤肥力的重要手段，也是行之有效的简便措施^[7-8]。刘慧等^[9]在盐碱荒地种植油菜绿肥的研究表明，经过两年翻压还田后，油菜绿肥能改善土壤理化性状，增加土壤养分含量的同时也降低了盐碱离子含量；郑佳舜等^[10]研究发现，双倍绿肥还田可以提高25.6%～60.1%粉垄稻田土壤总有机碳，提升了土壤固碳水平；吕奕彤等^[11]研究发现，麦后复种绿肥地表覆盖免耕措施可以增加土壤团聚体的稳定性，降低土壤容重，改善土壤质量； 胡斌等^[12]研究表明，种植并翻压田菁、光叶紫花苕能明显改善芒果园土壤肥力，显著提高芒果产量。上述研究在一定程度上印证了种植和利用绿肥作物的诸多优势，但对绿肥作物在生地土壤改良的研究报道较少。

翻压绿肥可以培肥土壤、改善地力，但不同绿肥品种因其自身养分含量不同以及碳氮比的差异，在不同类型的土壤上种植并翻压后对土壤改良效果亦存在不同。因此，本试验通过种植不同绿肥品种，测定其翻压前后生地土壤化学性状及相关酶活性，阐明绿肥改良生地土壤的机制，旨在明确不同绿肥改良土壤的效果，以期为生地改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于山西省晋中市榆次区后沟村 （37°83′N，112°80′E），地处山西省中部，海拔768m，属于温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温9.8℃，年降水量418～483mm，年日照时数2662h，无霜期158d。试验地属于丘陵地区，地块零碎。于2018年对沟壑区采用覆土混推模式就地挖方填方平整而成，整理土层厚度3m以上。平整后0～20cm土层pH 8.36，土壤有机质3.19g·kg^-1，碱解氮13.7mg·kg^-1，有效磷1.56mg·kg^-1，速效钾71mg·kg^-1。

1.2 试验设计

本试验于2019年7月11日在试验区种植适应性较强的毛叶苕子（土库曼苕子）、箭筈豌豆（春箭豌3号）、草木樨（黄花草木樨）、春油菜（晋油6号）、荞麦（晋苦荞5号），共设置6个试验处理：CK（自然熟化，不种绿肥）、种植毛叶苕子 （SZ）、箭筈豌豆（JW）、草木樨（CMX）、春油菜 （YC）和荞麦（QM）处理。田间随机区组排列，重复4次，小区面积24m² （4m×6m）。

于2019年10月3日绿肥作物盛花期翻压前进行根际与非根际土壤样品采集。参考Riley等^[13] 抖落法采集根际土壤，同时轻轻抖落掉并收集根系外部松散的土壤为非根际土壤。随后将绿肥粉碎、翻压入土。2020年5月2日再次采集各小区耕层0～20cm土层混合样品，自然风干、过筛后测定各项指标^[14]。

1.3 测定指标及方法

土壤基本化学指标的测定依照《土壤农化分析》^[15]进行测定，其中土壤有效磷含量采用0.5mol·L^-1 NaHCO₃ 提取-钼锑抗比色法；土壤速效钾含量采用NH₄OAc浸提-火焰光度法；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法；土壤有机质含量采用外加热法，土壤pH值采用玻璃电极法^[16]。

土壤酶活性依据《土壤酶及其研究法》^[17]进行测定，其中，土壤脲酶用靛酚蓝比色法；土壤蔗糖酶用3，5-二硝基水杨酸比色法；土壤碱性磷酸酶用磷酸苯二钠比色法；土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾容量法。

1.4 数据分析

试验数据用Excel 2019整理、计算、制图，采用SPSS 21.0进行方差分析，用Duncan法进行多重比较（P=0.05）。F 检验后通过配对样本 t- 检验进行根际与非根际之间的差异性分析。根际效应采用R/S（根际土/非根际土）表示^[18]。

运用灰色关联法对不同处理进行综合评价，关联度越大，培肥效果越好^[19]。参考赵娇阳等^[20]和谭杰辉等^[21]的方法将本研究的6个处理、9项测试指标作为灰色系统。该系统横向为9个评价指标平均值 X（k），纵向为6个处理的评价数列。把每个指标的最优值挑出，构建参考母序列 X ₀。计算公式如下。

关联系数：

$\zeta =\frac{\frac{min}{i}\frac{min}{k}\left|X_0\left(k\right)-X_i\left(k\right)\right|+\rho \frac{max}{i}\frac{max}{k}\left|X_0\left(k\right)-X_i\left(k\right)\right|}{\left|X_0\left(k\right)-X_i\left(k\right)\right|+\rho \frac{max}{i}\frac{max}{k}\left|X_0\left(k\right)-X_i\left(k\right)\right|}$

其中，$\left|X_0\left(k\right)-X_i\left(k\right)\right|$为绝对差值，ρ取0.5。

关联度$r_i=\frac{1}{n}\sum _{k=1}^n\zeta i\left(k\right)$（n为样本数）

权重系数${\omega }_i=\frac{r_i}{\sum r_i}$

加权关联度$R_i=\sum _{k=1}^n{\omega }_i\left(k\right){\zeta }_i\left(k\right)$

2 结果与分析

2.1 不同绿肥处理对生地土壤化学性状的影响

由表1及图1可知，种植并翻压不同绿肥，土壤pH均表现出一定的下降趋势，但各处理土壤pH差异不显著。

除CMX处理外，QM、YC、JW、SZ绿肥处理的根际土壤有机质含量均高于CK处理且各处理非根际土壤有机质含量与CK处理无显著差异。QM、 JW、SZ处理根际土壤有机质含量无显著差异但均显著高于YC、CMX处理，QM处理较YC、CMX处理分别提高了31.4%、35.9%；JW处理较YC、CMX处理分别提高了14.2%、18.1%；SZ处理较YC、 CMX处理分别提高了12.1%、15.9%。不同绿肥处理根际土壤有机质均表现出一定的富集现象，其中QM、JW、SZ处理的根际土壤与非根际土壤有机质含量差异显著。不同绿肥增加根际土壤有机质的顺序依次为QM>JW>SZ>YC>CMX。绿肥翻压后，QM、JW、CMX、SZ和YC绿肥的土壤有机质含量分别比CK处理提高了77.9%、85.0%、80.0%、 78.5%和180.7%。5个绿肥处理中，QM、JW、CMX和SZ处理间差异不显著，YC处理的土壤有机质含量显著高于其它4种绿肥处理，其土壤有机质含量较其它绿肥处理提升了51.7%～57.8%。翻压后不同绿肥处理增加土壤有机质含量的顺序为YC> JW>CMX>SZ>QM。因此，种植绿肥有利于增加生地土壤有机质含量。

注：同列不同小写字母表示不同物种根际之间差异显著（P<0.05），不同大写字母表示不同处理非根际之间差异显著（P<0.05）；CK处理未种植作物，仅与其余处理非根际进行显著性分析；* 表示同一物种根际与非根际差异显著（P<0.05）。

注：不同小写字母表示不同物种之间差异显著（P<0.05）。下同。

YC、QM、JW、CMX和SZ绿肥处理的根际土壤有效磷含量均高于CK处理，各处理非根际土壤有效磷含量与CK处理无显著差异。其中，YC处理根际土壤有效磷含量显著高于QM、CMX、SZ和JW处理，分别提高了9.4%、11.3%、7.5%和3.3%，但YC与JW处理间差异不显著。不同绿肥作物的根系活动均在一定程度上活化了土壤中的磷素，其中，YC、QM、JW、SZ处理的根际土壤有效磷含量与非根际土有效磷含量的差异达到显著水平，而CMX根际与非根际有效磷含量无显著差异。各处理间非根际土壤有效磷含量差异不显著。不同绿肥增加根际土壤有效磷含量的顺序依次为YC> JW>SZ>QM>CMX。绿肥翻压后，YC、QM、JW、 CMX和SZ处理的土壤有效磷含量分别比CK处理提高了306.5%、151.6%、295.5%、232.9%和280.6%。其中YC处理土壤有效磷含量高于JW、 SZ处理，三者间差异未达到显著水平，但均显著高于CMX、QM处理，且QM处理土壤有效磷含量显著低于CMX处理。5种绿肥处理中以YC处理翻压后提升土壤有效磷含量效果最好，相比其余4种绿肥处理土壤有效磷含量提高了2.8%～61.5%。翻压后不同绿肥处理增加土壤有效磷含量的顺序为YC>JW>SZ>CMX>QM。

YC、QM、JW、CMX和SZ绿肥处理的根际土壤碱解氮含量均高于CK处理，且YC、QM和CMX处理非根际土壤碱解氮含量显著低于SZ处理。其中，SZ处理根际土壤碱解氮含量较YC、 QM、JW和CMX处理分别提高了22.2%、22.5%、 12.1%和20.5%。YC、QM、CMX处理土壤碱解氮含量无显著差异，但均显著低于JW处理。各处理均存在一定程度的氮素累积作用，所有绿肥处理根际土壤碱解氮含量均显著高于非根际土壤。不同绿肥增加根际土壤碱解氮含量的顺序依次为SZ>JW>CMX>Y C>QM。绿肥翻压后，YC、QM、 JW、CMX和SZ绿肥的土壤碱解氮含量分别比CK处理提高了111.0%、18.4%、201.5%、167.6%和216.2%。SZ处理土壤碱解氮含量显著高于YC、 QM、CMX处理，分别较YC、QM、CMX处理提高了49.8%、167.1%、18.1%，但SZ与JW处理无显著差异。CMX处理土壤碱解氮含量显著高于YC处理，QM处理显著低于YC处理。翻压后不同绿肥处理增加土壤碱解氮含量的顺序为SZ>JW> CMX>YC>QM。

YC、QM、JW、CMX和SZ绿肥处理的根际土壤速效钾含量均高于CK处理，不同处理间非根际土壤速效钾含量无显著差异。YC、JW、SZ处理根际土壤速效钾含量较高，对于土壤速效钾的活化作用较好，其根际土壤速效钾含量显著高于非根际土壤。不同绿肥增加根际土壤速效钾含量的顺序依次为YC>JW>SZ>CMX>QM。翻压后土壤速效钾含量变化趋势与翻压前相似，仍以YC、JW、SZ处理提升土壤速效钾的效果较好，其中YC处理土壤速效钾含量最高，但三者间无显著差异。

2.2 不同绿肥处理根际与非根际土壤酶活性特征

如表2所示，不同绿肥品种的根际土壤脲酶活性均显著高于非根际土壤，SZ、CMX、JW处理根际土壤脲酶活性无显著差异，但均显著高于其它处理。三者根际效应分别为4.41、3.71、3.99，以SZ根际效应最高。不同绿肥品种间非根际土壤脲酶活性无显著差异。不同品种间根际土壤蔗糖酶活性与非根际土壤蔗糖酶活性差异显著，SZ、JW处理根际土壤蔗糖酶活性差异未达到显著水平，但均显著低于YC处理，高于CMX、QM处理。以SZ、YC处理的根际正效应较强，分别为13.19、 13.17。同时，各品种间非根际土蔗糖酶活性无显著差异。各品种间根际土壤与非根际土壤碱性磷酸酶活性的差异均达到了显著性水平。YC处理显著高于其它处理，其根际效应为2.84。非根际土壤磷酸酶活性无明显差异。不同处理根际过氧化氢酶活性与其它酶变化趋势有所不同，各处理过氧化氢酶根际效应均表现出正效应，且所有处理根际土壤过氧化氢酶活性均未显著高于非根际土壤。

2.3 翻压不同绿肥对生地土壤酶活性的影响

如图2所示，与CK处理相比，翻压不同绿肥显著提高了土壤蔗糖酶活性。YC、SZ处理的土壤蔗糖酶活性差异不显著但均显著高于其它3个绿肥处理；SZ处理的土壤蔗糖酶活性最高，较YC、 QM、JW和CMX处理分别提高了4.4%、104.0%、 97.2%和66.7%。不同绿肥处理增加土壤蔗糖酶活性的顺序依次为SZ>YC>CMX>JW>QM。

注：不同小写字母表示不同物种根际之间差异显著（P<0.05），不同大写字母表示不同物种非根际之间差异显著（P<0.05）；* 表示同一物种根际与非根际差异显著（P<0.05）；R/S>1，则表现为根际正效应。

翻压不同绿肥土壤脲酶活性均显著高于CK处理，其脲酶活性增幅为216.20%～959.50%。不同绿肥品种翻压后对土壤脲酶含量的提升能力也有所不同，SZ、YC、CMX处理翻压后土壤脲酶活性均显著高于其它绿肥处理，且三者间无显著差异，SZ处理翻压后土壤脲酶含量最高，比YC、QM、JW和CMX处理分别提高了2.3%、235.0%、73.5%和9.5%。不同绿肥处理增加土壤脲酶活性的顺序依次为SZ>YC>CMX>JW>QM。

YC、SZ、CMX、JW处理翻压后土壤碱性磷酸酶活性显著高于CK处理，较CK处理提高了41.81%～189.30%。其中，YC、SZ处理土壤碱性磷酸酶活性差异不显著，但却显著高于其它处理， JW处理土壤碱性磷酸酶活性显著高于QM、CMX处理。QM与CK处理土壤碱性磷酸酶活性差异未达显著水平。YC处理翻压后提升土壤磷酸酶活性效果最好，较JW、QM、CMX和SZ处理分别提高了55.3%、136.3%、104.0%和0.9%。不同绿肥处理增加土壤碱性磷酸酶活性的顺序依次为YC>SZ> JW>CMX>QM。

与CK处理相比，JW、YC、SZ处理显著提高了土壤过氧化氢酶活性，增长幅度为1.20%～2.90%。翻压不同绿肥后，土壤过氧化氢酶活性变化趋势与碱性磷酸酶相似，仍以YC、SZ处理效果较好，两者显著高于其它处理，以YC处理效果最好，分别较SZ、JW、QM和CMX提高了0.9%、1.7%、2.9%和2.7%。不同绿肥处理增加土壤过氧化氢酶活性的顺序依次为YC>SZ>JW>CMX>QM。

2.4 不同处理的灰色关联度分析

本次试验采用灰色关联分析理论，选取2019年根际土壤和2020年翻压后土壤中的有效磷、速效钾、碱解氮、pH、有机质、脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶共9项指标的均值，并参考高永强等^[22]的方法，进行灰色关联度综合分析（表3，表4）。根据加权关联度平均值可知，不同绿肥品种的综合评价结果为SZ>YC>JW>CMX>QM>CK（表5）。

3 讨论

3.1 不同绿肥品种对土壤化学性状的影响

绿肥作物的根系活动活化并吸收了土壤中难溶的养分，并将养分聚集在植株体内。绿肥翻压后，增加了土壤有机质含量，释放了累积养分，能更好地为后续作物生长提供养分，因此绿肥是一种经济、绿色的优质肥源，但也会因绿肥种类的不同以及种植地域的差异产生不同的结果^[23]。本研究中，种植5种绿肥作物根际土壤不同种类养分的富集作用有所不同，其中对土壤磷、氮两种元素的富集程度较高，这说明5种绿肥作物根际生理生化过程较非根际更加旺盛，磷、氮的转化更加活跃。YC处理翻压后土壤碳、磷、钾等元素含量显著提高，这与前人研究相似^[24-26]。JW、SZ则对土壤中氮、磷、钾素的提高效果较好，同时JW和SZ处理的根际有机质含量显著高于非根际土。本研究土壤为未种植过作物的生土，基础养分含量较低，有研究表明，在缺磷条件下植物可以通过向根部输入大量碳，以提高根冠比，更好地吸收磷素，或通过提高质子释放量与磷酸酶活性来抵御胁迫^[27]。这也是JW、SZ对土壤中磷素转化较好的原因之一。各处理对改良土壤pH值有一定效果但不显著，这可能与种植年限较短有关。同时，本研究还发现QM处理翻压前后土壤养分与其他处理有不同的变化趋势，表现为QM处理翻压后养分提升效果较差。这可能与其生育期较短的同时还快速吸收土壤养分有一定关系，生长速率较快，根系快速吸收周围养分保证其生长发育，但翻压后，由于土壤较为贫瘠，加之气候干旱，这也是其翻压后养分释放较少的原因。此外，不同绿肥处理对翻压前后土壤化学性状的影响趋势并不一致，因此单独分析根际土壤化学性状或者翻压后土壤化学性状来筛选适宜生地改良的品种就会存在单一片面的问题，灰色关联法对于样品数量及规律性无过多要求，且能够综合多种影响因素客观全面地评价不同绿肥品种的优劣。

3.2 不同绿肥品种对土壤酶活性的影响

对新复垦以及复垦年限较短的土壤，单用土壤化学性状来评价地力情况往往因敏感度不够而出现问题，因此以土壤酶活性作为指标能更灵敏地判断土壤肥力的演变趋势^[28]。试验区脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶的活性受到多种因素的综合影响，由于试验区气候干旱，绿肥生长期降雨量较低，因此，土壤含水量可能是限制试验区土壤酶活性变化的重要因素之一，且高温环境也会在一定程度上抑制土壤微生物生长进而影响酶的释放。此外，土壤中微量元素的变化也影响土壤酶活性^[29]。本研究中，种植不同品种绿肥均可以通过根系作用改善根际区域氮、磷、钾等矿质元素的转化与分解，且各处理中4种酶均表现出根际正效应（R/S> 1）。不同绿肥翻压腐解后土壤各类转化酶活性均有所提升。但不同处理间土壤酶活性存在差异，这可能与不同绿肥自身根系结构、生物特性以及各自根际区域中微生物的反馈调节作用有较大关系^[30]。本研究中，JW、SZ处理对土壤脲酶活化效果优于其它处理，其根际效应分别为3.99、4.41，且SZ、YC处理对蔗糖酶及碱性磷酸酶的活化效果较好，其酶活根际效应分别为13.19、13.17和2.62、2.84。这表明JW、SZ、YC根系调控的生理生化过程更旺盛，能更好地适应生地环境。相关研究表明，翻压绿肥能明显提高植烟土壤酶活性，培肥地力^[31]。本研究中，SZ处理翻压后土壤中各类酶活性提升效果显著，进一步证明了其作为生地改良先锋作物的优势、重要性和可操作性。YC发达根系形成的穿刺效应增加了土壤微孔隙，从而改善了土壤透气情况。同时，它还能直接吸收利用土壤中矿物态磷素，翻压后在土壤表层形成矿质养分的富集层^[32]，以活化土壤微生物进而提高酶活性。本研究还发现各处理蔗糖酶活性根际效应值较高，蔗糖酶是一种累积酶，且土壤中累积的蔗糖酶仍能较好地水解蔗糖，因此也间接说明了随着种植年限的增长，蔗糖酶活性提高的趋势也会越来越明显，这也与杜威^[33] 的研究结果相似。本研究中，QM处理翻压前后对土壤酶的活化效果不如其它处理，这可能与其根系对土壤养分的活化作用较弱以及根系分泌物中含有自毒物质有关。值得注意的是，对于种植不同绿肥品种提高土壤酶活性不能单看其根际效应高低或是翻压后的土壤酶活性大小，还要结合灰色关联法才能更全面地了解不同处理对土壤酶活性的影响。

4 结论

综上所述，种植5种绿肥后根系活动导致其根际土壤氮、磷等养分活性特征及酶活性特征与非根际土壤差异显著。翻压后，不同绿肥处理均在一定程度上改善了生地土壤化学性状，提高了土壤转化酶的活性。综合利用灰色关联分析法可知，毛叶苕子较其它绿肥作物能够更好地适应生地环境并改善其土壤化学性状，提高土壤酶活性，是生地土壤改良首选的作物，春油菜可以作为生地土壤改良的备选作物。

参考文献