翻壓紫云英對稻田土壤還原物質(zhì)變化特征及溫室氣體排放的影響

，**，，，，，*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院,北京100081；3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州450002；4.信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，河南 信陽 464000)

紫云英(Astragalussinicus)又名紅花草，屬于豆科黃芪屬作物，是我國南方稻田主要的冬季綠肥[1]。紫云英-水稻(Oryzasativa)輪作是一種資源高效生態(tài)環(huán)保的種植模式，研究表明紫云英-水稻輪作可以減少化肥用量、提高水稻產(chǎn)量、增加稻田土壤養(yǎng)分[2]、改善稻田土壤的理化[3-4]及生物學(xué)性狀[5]、減少稻田溫室氣體N2O的排放[6]、降低稻田土壤有效鎘及稻米中鎘的含量[7]。

實際生產(chǎn)中翻壓紫云英后移栽水稻有時會造成水稻僵苗，特別是當(dāng)紫云英翻壓較多、翻壓時間離水稻移栽過近或翻壓后遇到低溫腐解不完全時。小麥(Triticumaestivum)-水稻輪作中秸稈還田后水稻僵苗的研究表明在水田嫌氣條件下秸稈腐解消耗大量氧氣導(dǎo)致稻田土壤氧化還原電位降低，產(chǎn)生大量的還原性物質(zhì)如Fe2+、Mn2+、硫化氫、有機酸等，這些還原性物質(zhì)產(chǎn)生的毒害是造成水稻僵苗的主要原因[8-9]。紫云英翻壓還田腐解過程中也會消耗大量氧氣導(dǎo)致稻田氧化還原電位降低，理應(yīng)會產(chǎn)生大量還原性物質(zhì)，這些還原性物質(zhì)的毒害可能是造成水稻僵苗的原因。

溫室氣體排放是導(dǎo)致全球變暖的重要因素之一。CH4和 N2O 是大氣中兩種重要的溫室氣體，對地球的氣候變化有重要影響，其單位分子的增溫潛能分別是CO2的25和298倍[10]。稻田系統(tǒng)是CH4和N2O等溫室氣體排放的一個重要來源，水分管理、耕作方式、施肥措施是影響稻田CH4和N2O排放的重要因素。研究表明間歇灌溉、免耕、施用化肥和有機肥均影響稻田CH4和N2O排放[11]。CH4是極端還原條件下甲烷微生物的活動產(chǎn)物，研究表明當(dāng)氧化還原電位(oxidation-reduction potential，Eh)低于-150 mV時CH4凈排放出[12-13]。還原環(huán)境的產(chǎn)生離不開土壤還原性物質(zhì)的作用，土壤還原性物質(zhì)主要有活性還原性物質(zhì)、Fe2+、Mn2+、H2S等，其中Fe2+是影響土壤氧化還原狀況的重要物質(zhì)。研究表明稻田土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)含量、Eh、Fe2+含量與CH4排放通量密切相關(guān)[14-17]。土壤N2O 的排放也受氧化還原狀況的影響[18]。

紫云英腐解是個耗氧過程，會增加土壤的還原程度和還原性物質(zhì)的含量[19]。同時，紫云英腐解影響土壤碳氮轉(zhuǎn)化，對溫室氣體排放產(chǎn)生一定的影響。Zhu等[20]研究發(fā)現(xiàn)與單施化肥相比，單施紫云英或者紫云英配施化肥增加CH4的排放但降低N2O的排放。Sang等[21]研究表明綠肥促進CO2和CH4的排放，增加全球暖化潛勢(global warming potential，GWP)，但與單施化肥相比，綠肥化肥配施增加水稻產(chǎn)量，紫云英配施化肥單位水稻產(chǎn)量的GWP差異不顯著，黑麥草(Loliumperenne)配施化肥顯著增加了單位水稻產(chǎn)量的GWP。Liu等[22]研究發(fā)現(xiàn)紫云英與稻草聯(lián)合翻壓與單獨翻壓稻草相比降低了CH4的排放量，增加了N2O的排放量，但最終降低GWP。Xiao等[23]通過培養(yǎng)試驗得出不同作物殘體配合不同種類氮肥下CO2和CH4的累計排放量紫云英>黑麥草>油菜(Brassicanapus)；N2O的累計排放量與氮肥種類密切相關(guān)，尿素、銨態(tài)氮肥及不施氮肥時紫云英處理下的N2O排放量最低，硝態(tài)氮肥時紫云英處理下最高。但關(guān)注翻壓紫云英對稻田土壤還原性物質(zhì)和溫室氣體排放及兩者關(guān)聯(lián)性的研究較為鮮見。本研究設(shè)置不同翻壓量，采用室內(nèi)培養(yǎng)監(jiān)測翻壓紫云英后土壤還原性物質(zhì)和溫室氣體排放的動態(tài)變化，旨在為紫云英還田造成水稻僵苗及紫云英還田帶來的環(huán)境效應(yīng)提供理論依據(jù)。后續(xù)可通過盆栽試驗和大田試驗從稻田土壤還原特性和溫室氣體環(huán)境效應(yīng)角度探索適宜的紫云英翻壓量，實現(xiàn)水稻增產(chǎn)和環(huán)境效應(yīng)的雙贏。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和綠肥

供試土壤采集于信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院的試驗園區(qū)，該地區(qū)屬亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，日照充足，年平均氣溫15 ℃，無霜期平均220 d左右；年均降水量900～1400 mm。供試土壤為黃棕壤性潛育型水稻土，土壤有機碳22.98 g·kg-1，全氮1.13 g·kg-1，有效磷23.30 mg·kg-1，速效鉀87.23 mg·kg-1，pH 5.72。供試紫云英采集于紫云英盛花期，紫云英全氮3.72%，有機碳44.13%，含水量90%。

1.2 試驗設(shè)計及實施

2017年4月5日在紫云英盛花期時采集地上部烘干粉碎，按大田紫云英鮮體15000、30000、45000 kg·hm-2的翻壓量，設(shè)置3個不同的紫云英翻壓量，同時設(shè)置一個對照(CK)，每個處理4次重復(fù)。取225 g風(fēng)干土裝入1 L的玻璃杯中，按大田翻壓量，紫云英換算成干物質(zhì)分別為0.15(M1)、0.30(M2)、0.45 g(M3)，按水土比1∶1加水，25 ℃恒溫培養(yǎng)，在培養(yǎng)第1、3、5、7、10、14、21、28天破壞性取樣，每處理取樣4瓶，測定土壤的還原性物質(zhì)含量。同時，在培養(yǎng)第1、3、5、7、10、12、14、16、21、28天于上午9:00-10:00任選4瓶抽取氣體，取氣前輕搖讓氣體混勻，取完后將所有培養(yǎng)瓶敞口通氣1 h，之后用橡皮塞密封好繼續(xù)培養(yǎng)，下次同樣方法收集氣體。

1.3 測試內(nèi)容及方法

還原性物質(zhì)由Al2(SO4)3浸提，采用重鉻酸鉀氧化法測定還原性物質(zhì)總量；采用高錳酸鉀滴定法測定活性還原性物質(zhì)含量；采用鄰菲羅啉比色法測定二價鐵含量；釆用高碘酸鉀比色法測定二價錳含量；采用電位法測定土壤Eh[24]。采用氣相色譜儀(Agilent 7890A，美國)測定溫室氣體(CO2、CH4和N2O)濃度。CO2、CH4采用火焰離子化檢測器(FID)，N2O采用電子捕獲檢測器(ECD)，分別為200和330 ℃，分離材料為PQ 填充柱，柱溫55 ℃，載氣為高純N2。氣相色譜儀在每次測試時使用國家標(biāo)準(zhǔn)計量中心的氣體進行標(biāo)定。CO2、CH4、N2O的排放速率公式：

(1)

式中：F為CO2、CH4產(chǎn)生速率(mg·kg-1·d-1)，N2O產(chǎn)生速率(μg·kg-1·d-1)；Qt和Q0分別為室溫下氣相色譜法檢測的樣品氣體濃度(×10-6mol·mol-1)；V為培養(yǎng)容器中氣體體積(L)；M為CO2摩爾質(zhì)量(g·mol-1)；t為培養(yǎng)時間(d)；m為土壤樣品干重(kg)；T為培養(yǎng)溫度(℃)。

(2)

式中：Ct′和Ct分別為t′和t時氣體累積排放量[CO2、CH4(mg·kg-1)，N2O (μg·kg-1)]，F(xiàn)t′和Ft分別為t′和t時氣體產(chǎn)生速率[CO2、CH4(mg·kg-1·d-1)，N2O(μg·kg-1·d-1)]，t和t′分別為取樣時間(d)和t之后一次取樣時間(d)。

不同的溫室氣體的輻射特性不同，其排放后所造成的增溫效應(yīng)也不相同。對此提出了GWP這一評估標(biāo)準(zhǔn)。GWP計算公式：

GWP(g CO2·kg-1)=CO2+25×CH4+298×N2O

(3)

式中：在 100年增溫尺度上，CH4與 N2O的增溫系數(shù)分別為CO2的 25和298 倍。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013和SAS 8.1 軟件進行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析，Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 翻壓紫云英對稻田土壤Eh的影響

圖1 翻壓紫云英對稻田土壤Eh的影響Fig.1 Effects of incorporation of Chinese milk vetch on Eh of paddy soil 圖中CK代表對照處理，M1、M2、M3分別代表大田翻壓紫云英鮮體15000、30000、45000 kg·hm-2。下同。CK stands the control treatment and M1, M2, and M3 represent incorporating 15000, 30000, and 45000 kg·ha-1 fresh Chinese milk vetch in the field, respectively. The same below.

淹水后，翻壓紫云英處理與對照處理土壤Eh變化一致，均隨時間延長而降低(圖1)。翻壓紫云英各處理土壤Eh在培養(yǎng)前10 d迅速下降，后期變化比較平穩(wěn)，對照處理土壤Eh一直緩慢下降。翻壓紫云英顯著降低了土壤Eh，翻壓量越大，效果越明顯。與CK相比，M1、M2、M3土壤Eh平均值分別降低32.76、48.11、57.26 mV，最高分別降低50.60、61.54、68.04 mV。綜上，淹水和翻壓紫云英均降低了稻田土壤Eh，紫云英翻壓量越大效果越明顯。

2.2 翻壓紫云英對稻田土壤還原性物質(zhì)的影響

淹水后，翻壓紫云英處理與對照處理的土壤還原性物質(zhì)總量變化趨勢一致，均隨時間先上升后下降(圖2a)。各處理均在培養(yǎng)第14天達(dá)到峰值，CK、M1、M2、M3還原性物質(zhì)總量分別比培養(yǎng)第1天增加0.85、1.19、1.86、2.24 cmol·kg-1。翻壓紫云英增加了土壤還原性物質(zhì)總量，翻壓量越大，土壤還原性物質(zhì)總量增加效果越明顯。與CK相比，M1、M2、M3土壤還原性物質(zhì)總量平均值分別增加0.34、0.80、1.16 cmol·kg-1，最高分別增加0.60、1.13、1.59 cmol·kg-1。

與還原性物質(zhì)總量相比，活性還原性物質(zhì)的高低才是決定稻田土壤氧化還原狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。淹水后，翻壓紫云英處理與對照處理的土壤活性還原性物質(zhì)均隨時間先上升后下降(圖2b)。CK在培養(yǎng)第7天土壤活性還原性物質(zhì)含量達(dá)到峰值，比第1天增加0.07 cmol·kg-1，M1、M2、M3均在培養(yǎng)第14天土壤活性還原性物質(zhì)含量達(dá)到峰值，分別比第1天增加0.32、0.43、0.59 cmol·kg-1。翻壓紫云英增加土壤活性還原性物質(zhì)含量，翻壓量越大，土壤活性還原性物質(zhì)增加效果越明顯。與CK相比，M1、M2、M3的土壤活性還原性物質(zhì)平均值分別增加0.14、0.35、0.52 cmol·kg-1，最高分別增加0.33、0.52、0.77 cmol·kg-1。綜上，翻壓紫云英增加稻田還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)含量，翻壓量越大效果越明顯，各處理還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)含量在翻壓紫云英約半月時達(dá)到峰值。

圖2 翻壓紫云英對土壤還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)的影響Fig.2 Effects of incorporation of Chinese milk vetch on total amount of redox and active redox substance in paddy soil

2.3 翻壓紫云英對稻田土壤Fe2+和Mn2+的影響

水溶性Fe2+是稻田最重要的活性還原性物質(zhì)。淹水后，翻壓紫云英處理與對照處理土壤Fe2+含量的變化趨勢一致(圖3a)，均隨時間先上升后下降。各處理在培養(yǎng)第14天達(dá)到峰值，CK、M1、M2、M3土壤Fe2+含量最高分別為2.89、198.99、321.91、422.83 mg·kg-1。翻壓紫云英顯著增加了土壤Fe2+含量，翻壓量越大，效果越明顯。與CK相比，M1、M2、M3的土壤Fe2+含量平均值分別增加87.91、182.91、280.61 mg·kg-1，最高分別增加196.10、319.01、419.94 mg·kg-1。

淹水后，翻壓紫云英處理和對照處理土壤Mn2+變化趨勢一致(圖3b)，均隨時間先上升后下降。CK、M1、M2在培養(yǎng)第10天達(dá)到峰值，M3在培養(yǎng)第14天達(dá)到峰值，CK、M1、M2、M3土壤Mn2+含量最高分別為9.26、20.05、21.34、26.29 mg·kg-1。翻壓紫云英顯著增加了土壤Mn2+含量，翻壓量越大，效果越明顯。與CK相比，M1、M2、M3土壤Mn2+含量平均值分別增加10.12、12.77、15.73 mg·kg-1，最高分別增加12.65、15.80、18.93 mg·kg-1。綜上，翻壓紫云英增加稻田Fe2+和Mn2+含量，翻壓量越大，效果越明顯，各處理Fe2+和Mn2+在翻壓紫云英約15 d達(dá)到峰值。

圖3 翻壓紫云英對稻田土壤Fe2+和Mn2+的影響Fig.3 Effects of incorporation of Chinese milk vetch on Fe2+ and Mn2+ content in paddy soil

2.4 翻壓紫云英對稻田土壤溫室氣體的影響

2.4.1翻壓紫云英對稻田土壤CO2排放的影響 整個培養(yǎng)期間，各處理CO2的排放速率均隨培養(yǎng)時間先上升后下降(圖4a)。CK處理在培養(yǎng)第16天達(dá)到峰值，M1、M2、M3均在培養(yǎng)第14天達(dá)到峰值。與培養(yǎng)第1天相比，各處理CO2排放速率分別增加17.20、28.20、37.01、46.83 mg·kg-1·d-1。翻壓紫云英增加了CO2的排放速率，翻壓量越大，效果越明顯。與CK相比，M1、M2、M3的CO2排放速率平均值分別增加7.67、12.48、20.54 mg·kg-1·d-1，最高分別增加15.75、24.48、37.54 mg·kg-1·d-1。

各處理CO2的累計排放量隨培養(yǎng)時間不斷增加，培養(yǎng)前14 d迅速增加，隨后逐漸緩慢(圖4b)。培養(yǎng)前16 d，各處理CO2的累計排放量占整個培養(yǎng)期間的59.82%～91.04%。培養(yǎng)結(jié)束時，翻壓紫云英處理M1、M2、M3分別比CK處理增加171.63、293.42、498.45 mg·kg-1。綜上，翻壓紫云英增加CO2的排放速率和累計排放量，CO2的排放主要集中在培養(yǎng)前期。

圖4 翻壓紫云英對稻田土壤CO2排放速率和累計排放量的影響Fig.4 Effects of incorporation of Chinese milk vetch on CO2 emission rate and accumulation in paddy soil

2.4.2翻壓紫云英對稻田土壤CH4排放的影響 整個培養(yǎng)期間，各處理CH4的排放速率均隨培養(yǎng)時間先上升后下降(圖5a)。各處理在培養(yǎng)前7 d CH4的排放速率幾乎為零，培養(yǎng)第12天迅速增加。各處理均在培養(yǎng)第14天達(dá)到峰值，與培養(yǎng)第1天相比，各處理CH4排放速率分別增加0.34、0.53、0.85、1.38 mg·kg-1·d-1。翻壓紫云英增加了CH4的排放速率，翻壓量越大，效果越明顯。與CK相比，M1、M2、M3的CH4排放速率平均值分別增加0.04、0.09、0.21 mg·kg-1·d-1，最高分別增加0.19、0.51、1.06 mg·kg-1·d-1。

各處理CH4的累計排放量隨培養(yǎng)時間不斷增加(圖5b)，各處理在培養(yǎng)前10 d的累積排放量很低，培養(yǎng)前10 d，各處理甲烷的累計排放量占整個培養(yǎng)期間的4.99%～6.73%。培養(yǎng)結(jié)束時，翻壓紫云英處理M1、M2、M3分別比CK處理增加0.36、0.69、1.77 mg·kg-1。綜上，翻壓紫云英增加了稻田土壤CH4排放速率和累計排放量，翻壓量越大，效果越明顯，培養(yǎng)前期CH4的排放速率和累計排放量較低， CH4排放主要集中在培養(yǎng)后期。

圖5 翻壓紫云英對稻田土壤CH4排放速率和累計排放量的影響Fig.5 Effects of incorporation of Chinese milk vetch on CH4 emission rate and accumulation in paddy soil

2.4.3翻壓紫云英對稻田土壤N2O排放的影響 整個培養(yǎng)期間，各處理N2O的排放速率均隨培養(yǎng)時間不斷下降，培養(yǎng)前5 d迅速下降，隨后緩慢下降，培養(yǎng)結(jié)束時N2O的排放速率幾乎為零(圖6a)。翻壓紫云英顯著降低了N2O的排放速率，翻壓量越大，效果越明顯。與CK相比，M1、M2、M3的N2O排放速率平均值分別降低0.46、0.64、0.72 μg·kg-1·d-1，最高分別降低1.42、1.94、2.10 μg·kg-1·d-1。

各處理N2O的累計排放量隨培養(yǎng)時間不斷增加(圖6b)。培養(yǎng)前7 d，各處理N2O的累計排放量占整個培養(yǎng)期間的56.74%～77.81%。培養(yǎng)結(jié)束時，翻壓紫云英處理M1、M2、M3分別比CK處理降低10.00、13.02、14.36 μg·kg-1。綜上，翻壓紫云英抑制N2O的排放速率和累計排放量，N2O的排放主要集中在培養(yǎng)前期。

圖6 翻壓紫云英對稻田土壤N2O排放速率和累計排放量的影響Fig.6 Effects of incorporation of Chinese milk vetch on N2O emission rate and accumulation in paddy soil

2.4.4翻壓紫云英對稻田土壤溫室氣體GWP的影響 本試驗條件下，GWP中CO2的貢獻率最高，其次是CH4、N2O。翻壓紫云英顯著提高了稻田土壤的GWP，翻壓量越高效果越顯著，M1、M2、M3的GWP平均值分別是CK的1.59、2.04、2.91倍(圖7)。其中，在3種溫室氣體的GWP中，翻壓紫云英增加了CO2和CH4的GWP，降低了N2O的GWP。

圖7 翻壓紫云英對GWP的影響Fig.7 Effects of incorporating Chinese milk vetch on global warming potential不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。The different letters mean the significant differences at P<0.05.

2.5 紫云英碳氮含量及稻田土壤還原特性與溫室氣體排放的關(guān)系

翻壓紫云英的碳氮含量與CO2累計排放量均呈極顯著正相關(guān)，與CH4累計排放量均呈顯著正相關(guān)，與N2O的排放量呈負(fù)相關(guān)但不顯著(表1)。培養(yǎng)期間，稻田還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)與CH4的排放速率均呈顯著正相關(guān)，與CO2的排放速率呈顯著正相關(guān)，與N2O的排放速率呈極顯著負(fù)相關(guān)。Fe2+、Mn2+與CH4的排放速率分別呈極顯著正相關(guān)、顯著正相關(guān)，與CO2的排放速率均呈極顯著正相關(guān)，與N2O的排放速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)。Eh與CH4的排放速率呈顯著負(fù)相關(guān)，與CO2的排放速率呈極顯著負(fù)相關(guān)，與N2O的排放速率呈極顯著正相關(guān)。還原性物質(zhì)總量與活性還原性物質(zhì)、Fe2+、 Mn2+均呈極顯著正相關(guān)，與Eh呈極顯著負(fù)相關(guān)(表2)。綜上，CO2和CH4的排放不但與翻壓紫云英的碳氮含量有關(guān),還與稻田還原特性有關(guān)，而N2O的排放僅與土壤還原特性有關(guān)。稻田的還原性促使CH4和CO2的排放，抑制N2O的排放。

3 討論

3.1 翻壓紫云英對稻田土壤還原性物質(zhì)的影響

綠肥壓青后隨即移栽或者綠肥未經(jīng)腐爛移栽會引起水稻黑根僵苗的現(xiàn)象，生產(chǎn)上一般在綠肥壓青15 d后移栽水稻可防止水稻僵苗現(xiàn)象的發(fā)生，但其機制并不清楚。研究表明秸稈還田能降低土壤Eh、增加土壤中還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、Fe2+含量，這些還原性物質(zhì)積累到一定程度毒害水稻，對根系的生長產(chǎn)生抑制作用，造成水稻僵苗[8-9]。與前人研究結(jié)果一致，本試驗中翻壓紫云英顯著降低了土壤Eh、顯著增加了還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、Fe2+、Mn2+含量，這些還原性物質(zhì)的積累可能是造成水稻僵苗的主要原因。

表1 紫云英的碳、氮含量與溫室氣體累計排放量的相關(guān)性分析Table 1 Person correlation between carbon, nitrogen of the Chinese milk vetch and greenhouse gas cumulative emission in paddy soil

注：表中***、**、*分別表示極顯著相關(guān)(P<0.001)、極顯著相關(guān)(P<0.01)、顯著相關(guān)(P<0.05)，下同。

Note: ***, **, * in the table represent two factors have a highly significant correlation with each other (P<0.001,P<0.01) and significant correlation with each other (P<0.05), respectively. The same below.

表2 稻田土壤還原特性與溫室氣體排放速率的相關(guān)性分析Table 2 Person correlation between reducing traits and greenhouse gas emission rates in paddy soil

本研究條件下淹水后，翻壓紫云英顯著降低了土壤Eh，M3處理Eh最低為-181.56 mV已經(jīng)屬于強還原條件。研究表明土壤Eh的降低主要是由于土壤還原性物質(zhì)的增加，特別是土壤Fe2+[25]。這與本研究紫云英翻壓使土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、Fe2+、Mn2+含量增加相互印證。與對照相比，本研究中翻壓紫云英顯著增加了土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)含量，這與李學(xué)垣等[19]研究結(jié)果一致，這種差異主要是由活性還原性物質(zhì)引起的，其中Fe2+起著重要作用。

鐵是植物必需的微量元素，一定濃度范圍土壤Fe2+有促進氮素吸收同化的作用，但是超過一定濃度則會產(chǎn)生毒害。陳娜[26]研究發(fā)現(xiàn)土培條件下土壤Fe2+含量超過300 mg·kg-1時，水稻生長和土壤微生物活性均會受到顯著影響。本研究條件下，M3處理在淹水培養(yǎng)第10天至第28天培養(yǎng)結(jié)束時土壤Fe2+含量均大于300 mg·kg-1，第14天最高為422.83 mg·kg-1，M2處理只有在培養(yǎng)第14天(321.91 mg·kg-1)大于300 mg·kg-1，M1和CK處理整個淹水培養(yǎng)期間均小于300 mg·kg-1。錳也是維持植物正常生長生命活動所必需的微量元素，對植物光合有不可替代的作用。當(dāng)土壤pH值較低或者處于還原狀態(tài)下，Mn2+大量進入土壤溶液，過量的Mn2+對水稻產(chǎn)生毒害。朱端衛(wèi)等[27]研究表明，對于中酸性土壤(pH=6.6)，Mn2+含量大于60 mg·kg-1時，油菜即呈現(xiàn)中毒現(xiàn)象。本研究中各處理土壤Mn2+均小于30 mg·kg-1，不足以對水稻幼苗產(chǎn)生毒害。土壤中Mn2+是從原生礦物中釋放出來的，除受土壤pH和還原狀況的影響，土壤Mn2+含量還與成土母質(zhì)有關(guān)[28]，本研究土壤為黃棕壤，母質(zhì)本身錳含量低于紅壤、磚紅壤，因此土壤Mn2+含量較低。由于本研究中各處理Fe2+含量均較高，所以土壤中難以存在高濃度S2-，水稻僵苗是過量的Fe2+含量造成的。生產(chǎn)實踐中紫云英翻壓量不宜過大，如果生物量過大則需要移出一部分。

3.2 翻壓紫云英對稻田土壤溫室氣體的影響

稻田是農(nóng)業(yè)活動溫室氣體排放的主要來源，研究翻壓綠肥對稻田溫室氣體的影響對合理利用冬閑田，發(fā)展冬季綠肥，以及評價冬種綠肥的環(huán)境效應(yīng)具有重要意義。本研究翻壓紫云英增加了CO2、CH4排放，降低了N2O的排放，這與前人的研究結(jié)果一致[20-22]。與翻壓紫云英相比，研究表明秸稈直接還田也會增加稻田CO2、CH4排放[29-31]。關(guān)于秸稈直接還田對N2O排放的影響各學(xué)者的研究結(jié)果迥異，蔣靜艷等[32]和張艷波等[33]研究表明在延續(xù)淹水時，秸稈還田降低稻田N2O的排放。Lou等[34]和唐海明等[35]表明秸稈還田增加了稻田土壤N2O的排放。Liu等[22]研究發(fā)現(xiàn)紫云英與稻草聯(lián)合翻壓與單獨翻壓稻草相比降低了CH4的排放量，對N2O的排放影響較小，最終降低GWP。Xiao等[23]研究表明紫云英與尿素、銨態(tài)氮肥配施均可以降低水稻土N2O排放，與硝態(tài)氮肥配施增加水稻土N2O的排放。N2O的排放受環(huán)境因素特別是土壤氧化還原狀況和水分的影響較大，因此不同的研究結(jié)果迥異。本試驗條件下CO2的排放主要集中在培養(yǎng)前半月，因為紫云英在翻壓后前10～20 d分解快速，隨后腐解速率降低[36]，且在翻壓0～20 d是紫云英有機碳的釋放高峰期[37]。培養(yǎng)初期有大量碳源可作為產(chǎn)甲烷菌的底物，但各處理CH4的排放極低，因為土壤Eh低于-150 mV時才有利于CH4產(chǎn)生。而培養(yǎng)后期土壤Eh降低，CH4排放逐漸降低是因為隨著紫云英腐解可利用的碳源被微生物消耗而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的底物不足。N2O排放主要集中在培養(yǎng)前期，這是因為培養(yǎng)后期強還原條件下反硝化作用易完成整個還原過程，硝態(tài)氮被還原為N2從而減少了N2O的排放[18]。翻壓紫云英增加CO2和CH4的增溫潛勢，降低N2O的增溫潛勢。但排放的CO2只是短期碳循環(huán)過程中的一部分，一般可不計入溫室氣體排放中，因為植物殘體在分解過程中周年排放的CO2量與植物吸收的CO2量基本相等，碳的收支基本平衡[38]。翻壓紫云英對環(huán)境的負(fù)面影響主要是增加了CH4的排放量，但翻壓紫云英同時可增加水稻產(chǎn)量。因此，適宜的紫云英翻壓量能保證單位水稻產(chǎn)量下的GWP不增加，實現(xiàn)增產(chǎn)和環(huán)境的雙贏，具體還需要盆栽和大田試驗驗證。

3.3 翻壓紫云英碳氮含量及稻田還原性與溫室氣體的關(guān)聯(lián)性

本試驗條件下，CO2和CH4累計排放量均與翻壓紫云英的碳氮含量呈顯著正相關(guān)，說明兩者的排放受土壤還原特性和翻壓紫云英的碳氮含量的雙重影響。N2O的累計排放量與翻壓紫云英的碳氮含量相關(guān)性不顯著，主要受土壤還原特性的影響。培養(yǎng)期間CH4的排放速率與土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)含量、Fe2+、Mn2+含量呈顯著正相關(guān)，與土壤Eh呈顯著負(fù)相關(guān)，這與前人研究結(jié)果一致[14-17]。本研究中N2O的排放速率與土壤Eh呈顯著正相關(guān)，而張艷波等[33]表明N2O的排放速率與土壤Eh呈負(fù)相關(guān)，這是由于試驗條件不同，本試驗處于淹水條件下反硝化起主要作用，土壤Eh降低即還原性增強促使反硝化作用進行完全產(chǎn)生更多N2，而張艷波等[33]的試驗是非淹水條件下硝化起主要作用，在一定范圍內(nèi)較高的土壤Eh有利于N2O的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

翻壓紫云英顯著增加土壤還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)含量、Fe2+和Mn2+含量，顯著降低土壤Eh，顯著增加CO2、CH4的排放速率和累計排放量，顯著降低N2O的排放速率和累計排放量，增加了GWP。翻壓紫云英的碳氮含量與CO2和CH4累計排放量分別均呈極顯著正相關(guān)、顯著正相關(guān)，與N2O的累計排放量均呈負(fù)相關(guān)但不顯著。CO2、N2O的排放主要集中在培養(yǎng)前期，CH4排放主要集中在培養(yǎng)后期。稻田還原性物質(zhì)含量與CO2、CH4的排放呈顯著正相關(guān)，與N2O排放呈顯著負(fù)相關(guān)，即稻田的還原性促使CO2、CH4的排放，抑制N2O的排放。還原性物質(zhì)含量均在培養(yǎng)約半月時達(dá)到高峰，M3處理Fe2+含量最高超過400 mg·kg-1，已經(jīng)達(dá)到水稻幼苗中毒濃度。當(dāng)紫云英翻壓過量或者腐解不完全時移栽水稻過量的Fe2+易造成水稻僵苗。實踐中翻壓紫云英可增加水稻產(chǎn)量，適宜的紫云英翻壓量能保證單位水稻產(chǎn)量下的GWP不增加，實現(xiàn)增產(chǎn)和環(huán)境的雙贏，具體還需要盆栽和大田試驗驗證。