不同冬種模式對稻田土壤碳庫管理指數(shù)的影響*

張 鵬, 鐘 川, 周 泉, 唐海鷹, 李新梅, 李 萍, 黃國勤

不同冬種模式對稻田土壤碳庫管理指數(shù)的影響*

張 鵬, 鐘 川, 周 泉, 唐海鷹, 李新梅, 李 萍, 黃國勤**

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心 南昌 330045)

長江中下游地區(qū)是我國水稻生產(chǎn)的重要基地, 在保障我國糧食安全中占有重要地位, 但該地區(qū)農(nóng)田可持續(xù)性不高, 稻田冬季利用率較低。本研究通過探討不同冬季種植模式對土壤質(zhì)量的影響, 為冬閑田合理開發(fā)利用, 提高稻田可持續(xù)性提供理論依據(jù)。設(shè)置5種冬種模式, 分別為冬季休閑、冬種紫云英、冬種油菜、冬種大蒜和冬季輪作(馬鈴薯、紫云英、油菜)模式, 通過測定不同土層土壤養(yǎng)分、土壤有機碳、活性有機碳和微生物生物量碳等, 進一步分析不同冬種模式的土壤碳庫管理指數(shù)及其綜合效應(yīng)。結(jié)果表明, 在0~30 cm稻田土壤, 與冬閑處理相比, 不同冬季種植模式土壤有機碳提高6.12%~7.17%、活性有機碳提高13.56%~20.76%、微生物生物量碳提高0.13%~14.34%、可溶性有機碳提高3.49%~19.15%, 土壤活性有機碳有效率提高6.74%~17.20%, 冬季輪作(馬鈴薯、紫云英、油菜)模式能顯著促進稻田土壤總有機碳及可溶性有機碳的積累; 不同冬種模式提高了稻田土壤碳庫活度指數(shù)和碳庫指數(shù), 并且土壤碳庫管理指數(shù)增加14.37%~27.29%。土壤有機碳與活性有機碳呈極顯著相關(guān)(<0.01), 土壤碳庫管理指數(shù)與總有機碳呈顯著相關(guān)(<0.05)、與活性有機碳間存在極顯著(<0.01)的相關(guān)性。對土壤碳庫管理指數(shù)影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度綜合分析表明, 冬季輪作(馬鈴薯、紫云英、油菜)模式排名第1?？梢? 不同冬季種植模式能增加土壤有機碳含量和提高土壤碳庫管理指數(shù), 冬季輪作(馬鈴薯、紫云英、油菜)模式的綜合評價最好, 其次為冬種大蒜模式。

稻田; 冬種模式; 土壤質(zhì)量; 活性有機碳; 碳庫管理指數(shù); 灰色關(guān)聯(lián)法

我國南方地區(qū), 尤其是長江中下游地區(qū)是水稻(L.)的重要生產(chǎn)地, 在解決我國糧食問題中具有重大意義[1]。南方稻區(qū)大多氣候適宜, 有利于冬季作物種植, 目前中國南方稻區(qū)大約9.3×106hm2冬閑田可以充分利用, 其中72%較容易開發(fā)利用[2], 因此, 在保障雙季稻持續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上, 探討長期不同冬季種植模式下土壤養(yǎng)分及有機碳庫的變化特征, 對于保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

土壤碳庫管理指數(shù)可作為土壤有機質(zhì)總量和質(zhì)量變化的較為系統(tǒng)和敏感的監(jiān)測指標, 是土壤管理措施引起土壤有機質(zhì)變化的重要依據(jù)[3]。任何影響土壤中碳物質(zhì)保護的因素, 如耕作制度, 都可能導(dǎo)致碳的快速流失[4]。相關(guān)研究表明, 農(nóng)作物種植制度是影響土壤質(zhì)量演化及其可持續(xù)利用最為深刻的農(nóng)業(yè)措施之一[5], 合理的種植制度可提高土壤的生物學(xué)活性。稻田輪作改善了土壤的理化性狀, 土壤容重降低, 而孔隙度增加, 并且有效阻止土壤次生潛育化和酸化[6]。楊濱娟等[7]研究表明綠肥能顯著促進土壤總有機碳和活性有機碳的積累。而唐海明等[8]研究認為, 冬季覆蓋作物秸稈還田均提高了稻田不同層次土壤的碳庫活度。近年來, 有關(guān)種植綠肥的研究較多[9-11], 研究結(jié)果表明冬季綠肥有利于改善土壤物理性狀、提高養(yǎng)分含量和固定氮素[12]。然而, 以上研究主要為南方較常見的“紫云英(L.)+雙季稻”和“油菜(L.)+雙季稻”的輪作模式, 缺乏對其他冬種模式以及周年復(fù)種輪作下的冬種模式研究。

因此, 本研究在長期試驗的基礎(chǔ)上, 通過探討不同冬種模式及冬季輪作模式對稻田土壤養(yǎng)分及有機碳等的影響, 進一步分析不同冬種模式的土壤碳庫管理指數(shù)及其綜合評價, 為合理調(diào)整和優(yōu)化配置稻區(qū)的不同冬季種植模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在贛東北典型雙季稻區(qū)的江西省萬年縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所陳營鎮(zhèn)試驗田(28°41′N, 116°55′E)進行。該區(qū)屬亞熱帶季風氣候, 氣候濕潤, 光照充足, 熱量資源豐富, 氣溫季節(jié)性變化顯著。試驗期間年平均氣溫18.6 ℃, 極端最高氣溫38.3 ℃, 極端最低氣溫-5 ℃, 年平均降雨量1 906 mm, 年平均日照時長1 662.65 h, 年平均風速1.3 m?s-1, 年無霜期260 d。春夏季以偏南風為主, 秋冬季多偏北風。試驗基地土壤為第四紀亞紅黏土母質(zhì)發(fā)育的潴育土, 試驗前表層土壤(0~15 cm土層)肥力狀況為pH 6.08, 有機質(zhì)41.81 g?kg-1, 全氮1.97 g?kg-1, 有效磷16.38 mg?kg-1, 速效鉀130.00 mg?kg-1, 有機碳24.25 g?kg-1, C/N比為12.31。

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

試驗于2012年4月開始, 采取單因素隨機區(qū)組設(shè)計, 共設(shè)置5個處理, CK: 冬閑-雙季稻; T1: 紫云英-雙季稻; T2: 油菜-雙季稻; T3: 大蒜(L.)-雙季稻; T4: 馬鈴薯(L.)(紫云英、油菜)-雙季稻, 此處理的冬季種植作物自2012年冬季開始在馬鈴薯、紫云英和油菜之間循環(huán)輪作, 2017年該處理的冬季種植作物為油菜。試驗小區(qū)采用隨機區(qū)組設(shè)計, 小區(qū)周圍設(shè)置寬1.5 m的保護帶進行保護行隔離, 每個小區(qū)的面積為66.0 m2, 每個處理設(shè)3次重復(fù), 總計15個試驗小區(qū), 試驗前每個小區(qū)的土壤肥力狀況基本一致。根據(jù)冬季覆蓋作物秸稈養(yǎng)分含量和還田量, 早稻種植期間對各處理補充施用化肥, 2018年早稻‘中早39’種植期間對各處理施用化肥為尿素(折合成N, 46%) 153.33 kg?hm-2, 過磷酸鈣(折合成P2O5, 12%) 50.91 kg?hm-2, 氯化鉀(折合成K2O, 60%) 122.73 kg?hm-2, 其中磷肥全部作基肥在水稻移栽前一次性施入, 水稻鉀、氮肥分基肥、蘗肥、穗肥3次撒施, 施用比例為基肥∶分蘗肥∶穗肥=2∶2∶1, 分蘗肥在移栽后5~7 d施用, 穗肥在主莖幼穗長1~2 cm時施用。冬季作物品種、播種量及施肥量見表1, 施用“三元”牌復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%)。紫云英播種時間為2017年9月30日; 油菜播種時間為2017年10月29日; 大蒜播種時間為2017年11月2日, 種植前開溝、作畦、耙碎, 株行距18 cm×5 cm, 冬季種植后覆蓋部分晚稻秸稈, 保證其正常生長。所有冬作物均在4月15日收獲并將秸稈翻壓還田。早稻播種時間為2018年4月1日, 5月3日移栽, 7月20日收獲。早稻收獲后秸稈全部切碎翻壓還田, 晚稻收獲后秸稈半量還田, 其他田間管理措施同一般大田栽培。

表1 不同試驗處理的作物、品種及施肥、還田情況(2017年冬季)

1.3 樣品采集與測定

2018年7月, 早稻成熟收獲后, 用土鉆在各小區(qū)內(nèi)按“S”法采集0~15 cm和15~30 cm土壤樣品, 一部分風干過篩用于測定土壤總有機碳、活性有機碳和養(yǎng)分等指標, 一部分保存于4 ℃冰箱中用于測定土壤微生物生物量碳指標。土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定, 土壤活性有機碳采用高錳酸鉀氧化法測定[13], 土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸法測定[14], 土壤可溶性有機碳采用水提取、過濾方法測定[15]。以試驗地附近冬閑地土壤為參考土壤, 其0~15 cm土層土壤總有機碳含量為24.85 g?kg-1, 活性有機碳含量為3.36 g?kg-1; 15~30 cm土層土壤總有機碳含量為11.48 g?kg-1, 活性有機碳含量為2.35 g?kg-1。土壤養(yǎng)分測定采用常規(guī)分析方法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)計算和分析

碳素有效率和碳庫管理指數(shù)計算公式為:

活性有機碳有效率(LC, %)=活性有機碳/總有機碳×100 (1)

微生物生物量碳有效率(MC, %)=微生物生物量碳/ 總有機碳×100 (2)

可溶性碳有效率(DC, %)=可溶性碳/總有機碳×100 (3)

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品總有機碳/參考土壤總有機碳 (4)

碳庫活度()=活性有機碳/非活性有機碳 (5)

碳庫活度指數(shù)(I)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度 (6)

碳庫管理指數(shù)(CPMI)=CPI×LI×100 (7)

等權(quán)關(guān)聯(lián)度公式為:

式中:為樣本數(shù)。

權(quán)重系數(shù)公式為:

加權(quán)關(guān)聯(lián)度公式為:

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010整理, 不同處理之間各指標分別采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析(Duncan法對各項測定數(shù)據(jù)進行多重比較)和皮爾遜雙尾相關(guān)性分析, 圖形制作采用Origin 9.0進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同冬季種植模式對稻田土壤養(yǎng)分的影響

不同冬季種植模式15~30 cm土層土壤養(yǎng)分含量均低于0~15 cm土層, 土壤養(yǎng)分狀況總體隨深度加深而下降; 在0~15 cm土壤深度, 其余處理的土壤養(yǎng)分含量均高于對照(表2); 在0~15 cm土壤深度, T4處理土壤堿解氮含量與CK處理無顯著差異, 但卻顯著增加了土壤有效磷、速效鉀及全氮含量; 在全氮指標測定中, 以T1處理效果最佳, 相對于對照處理全氮養(yǎng)分增加10.16%, 且差異達顯著水平(<0.05)。在15~30 cm土壤深度, 各處理土壤有效磷差異不顯著; 處理T4與CK間堿解氮差異顯著, 而處理T1、T2、T3三者間無顯著差異; 處理T4與CK的速效鉀和全氮間差異顯著。

表2 不同冬季種植模式下稻田土壤養(yǎng)分含量的變化

數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值±標準誤; 同列不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異在5%水平顯著。The data are means ± standard deviation. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at 5% level among different treatments of the same soil depth.

2.2 不同冬閑田種植模式對稻田土壤不同形態(tài)碳素及活性碳有效率的影響

不同冬季種植模式對稻田土壤不同形態(tài)碳素及活性有機碳有效率的影響如表3所示?？梢钥闯霾煌N模式有利于提高稻田土壤總有機碳、活性有機碳、微生物生物量碳和可溶性有機碳含量, 且提高了稻田土壤活性有機碳有效率。不同冬季種植模式對稻田土壤總有機碳含量有較大影響, 通過冬季種植模式下作物的殘茬還田提高了稻田土壤有機碳含量, 土壤總有機碳隨著稻田土壤深度的增加呈下降趨勢, 并且在0~15 cm和15~30 cm土層, T1、T2、T3和T4處理均與CK處理差異顯著, 0~15 cm各處理分別比CK增加4.43%、5.35%、5.21%和5.98%, 15~30 cm各處理分別比CK增加10.22%、7.76%、8.43%和9.63%; 不同土壤深度除CK外, 其余處理間無顯著差異。稻田土壤活性有機碳含量在0~15 cm和15~30 cm土壤深度表現(xiàn)不一致, 在15~30 cm土壤深度各處理間無顯著差異, 0~15 cm土壤深度T3和T4處理均與CK處理間存在顯著差異。微生物生物量碳在不同稻田土壤深度間表現(xiàn)一致, 各處理間差異不顯著, 0~15 cm土壤深度各處理均提高了稻田土壤微生物生物量碳含量。關(guān)于稻田土壤可溶性有機碳而言, 不同土壤深度下各處理間差異性表現(xiàn)基本一致, T4處理在0~15 cm和15~30 cm土層均與冬閑CK處理間存在顯著差異。在0~15 cm土壤深度T3處理的活性碳有效率顯著高于CK, 15~30 cm土壤深度各處理間差異不顯著?？偟膩碚f, 早稻收獲時T1、T2、T3及T4處理土壤活性有機碳有效率分別比CK增加10.51%、13.23%、15.01%及12.23%。

表3 不同冬季種植模式下稻田土壤總有機碳、活性有機碳、微生物生物量碳、可溶性有機碳及活性有機碳有效率的變化

數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值±標準誤; 同列不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異在5%水平顯著。The data are means ± standard deviation. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at 5% level among different treatments of the same soil depth.

2.3 不同冬季種植模式對稻田土壤碳庫管理指數(shù)的影響

土壤碳庫管理指數(shù)是反映土壤碳素動態(tài)變化的有效指標, 不同冬季種植模式下稻田土壤碳庫活度指數(shù)(I)、碳庫指數(shù)(CPI)及碳庫管理指數(shù)(CPMI)如圖1所示。通過對稻田土壤碳庫管理指數(shù)的分析, 可為增加稻田土壤活性碳含量提供量化依據(jù)。與CK相比, 不同冬季種植模式對各項指數(shù)都有所提高, 其中在碳庫活度指數(shù)方面, 各處理間差異不顯著; 而在碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)方面, 處理T3和T4均與CK處理間存在顯著差異, T1與T2處理間差異不顯著, 其中碳庫管理指數(shù)大小順序為T3>T4>T2> T1>CK。此外, 碳庫活度指數(shù)T1、T2、T3、T4處理分別比CK增加7.62%、10.91%、19.88%、14.58%。

圖1 不同冬閑田種植模式下稻田土壤碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)及碳庫管理指數(shù)的變化

不同小寫字母表示處理間差異達5%水平。Different lowercase letters indicate significant differences at 5% level among different treatments.

2.4 稻田土壤不同形態(tài)碳素有效率、碳庫管理指數(shù)與土壤肥力的相關(guān)性

關(guān)于土壤總有機碳、微生物生物量碳、活性有機碳有效率、可溶性有機碳有效率及碳庫管理指數(shù)與稻田土壤肥力指標的相關(guān)性分析結(jié)果如表4所示。土壤總有機碳與堿解氮、速效鉀、全氮及活性有機碳之間極顯著相關(guān), 而土壤總有機碳與有效磷呈顯著相關(guān); 活性有機碳有效率與活性有機碳之間極顯著相關(guān); 微生物生物量碳有效率與堿解氮和微生物生物量碳顯著(或極顯著)相關(guān); 可溶性有機碳有效率只與可溶性有機碳間呈極顯著相關(guān); 土壤碳庫管理指數(shù)與速效鉀、總有機碳和活性有機碳顯著(或極顯著)相關(guān), 其中活性有機碳的相關(guān)系數(shù)最高, 表明土壤碳庫管理指數(shù)與活性有機碳的關(guān)系更為密切。

表4 稻田土壤碳素有效率、碳庫管理指數(shù)與土壤肥力的相關(guān)性

*、**分別表示顯著(<0.05)和極顯著(<0.01)相關(guān)。* and ** mean significant correlation at 5% and 1% levels, respectively.

2.5 不同冬閑田種植模式稻田土壤碳庫管理指數(shù)影響因素分析

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析, 選取相關(guān)性分析中的指標(堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、微生物生物量碳、可溶性有機碳、活性有機碳、總有機碳、活性有機碳有效率、微生物生物量碳有效率、可溶性有機碳有效率、碳庫管理指數(shù))進行綜合分析, 計算等權(quán)關(guān)聯(lián)度與加權(quán)關(guān)聯(lián)度, 由表5可知, 這兩者的排名結(jié)果一致, 最后可得不同冬季種植模式的綜合排名為T4>T3>T1>T2>CK。

表5 不同冬季稻田種植模式的綜合分析

3 討論

稻田土壤肥力是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ), 土壤養(yǎng)分的暫存與礦化主要是靠土壤微生物的作用, 其中秸稈還田、水分管理及施肥等農(nóng)藝措施都會對稻田土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響。長期翻耕會破壞農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu), 加劇土壤養(yǎng)分損失, 導(dǎo)致農(nóng)田質(zhì)量下降。保護性耕作能夠提高土壤養(yǎng)分含量, 改善農(nóng)田質(zhì)量, 提高土壤肥力[19-20]。本研究表明, 不同冬種模式下通過冬季作物翻壓還田后, 土壤全氮、速效磷、有效鉀、堿解氮含量均有不同程度提高, 說明冬種模式有利于提高稻田土壤養(yǎng)分。其中, 紫云英-雙季稻(T1)處理全氮含量顯著高于其余各處理, 5種冬季種植模式中表現(xiàn)最佳, 前人研究也表明紫云英在提高稻田土壤養(yǎng)分中起到重要作用[21]?？傮w來看, 不同冬季種植模式相對冬閑對照來說均在一定程度上提高了稻田土壤養(yǎng)分含量。

一般認為農(nóng)田土壤有機碳含量和耕作程度密切相關(guān)[22], 隨著作物系統(tǒng)的多樣化, 其不同種植模式下的碳輸入存在相應(yīng)的差異。在本研究中, 相對于冬閑對照(CK)處理, 各不同冬季種植模式下秸稈還田均提高了稻田土壤的有機碳含量, 且馬鈴薯(紫云英、油菜三者冬季輪作)-雙季稻(T4)處理土壤有機碳含量提高的效果最佳。該結(jié)果與唐海明等[8]、肖小平等[23]、Kubar等[24]的研究結(jié)果基本一致, 因為土壤有機碳含量與長期冬季種植模式下的施肥、秸稈還田等農(nóng)藝措施有關(guān), 而且與秸稈還田關(guān)系密切[25]。不同冬季種植模式下稻田土壤有機碳積累效果以馬鈴薯、紫云英、油菜這三者冬季輪作種植的模式最好, 其次是冬種紫云英處理, 這可能與長期多年種植所造成的碳氮代謝和土壤微生物有關(guān), 其影響機理需進一步研究。土壤微生物量是土壤有機質(zhì)的重要組成部分, 是土壤有機質(zhì)中活躍及易變化的部分, 生物量碳占總有機碳的比例是衡量碳可得性的一種標準[26]。土壤中活性有機碳占總有機碳的百分比從一定程度反映了土壤有機碳質(zhì)量, 活性有機碳的百分比越大, 則有機碳越容易被微生物分解[27]。與對照相比, 各冬種模式均在不同程度提高了0~30 cm稻田土壤微生物生物量碳, 說明冬種模式在增加土壤有機質(zhì)含量后為微生物活動提供充足的碳源, 有利于增加土壤微生物含量與活性, 這與朱波等[28]的研究結(jié)果一致; 另一方面, 各冬種模式也提高了稻田土壤活性有機碳有效率。

土壤碳庫管理指數(shù)可靈敏地反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施對土壤肥力、土壤碳庫動態(tài)變化的影響[29]。有研究認為, 土壤碳庫管理指數(shù)與相關(guān)農(nóng)藝措施關(guān)系密切[30], 其中包括耕作方式、秸稈還田以及施肥等措施。在飼用小黑麥(L.)-玉米(L.)輪作土壤中, 雞糞配施化肥顯著提高了總有機碳、活性有機碳含量和碳庫管理指數(shù)[31]; 水稻-小麥(L.)輪作條件下, 長期施用化肥配合秸稈還田有助于提高碳庫管理指數(shù)[32]。Blair等[33]研究結(jié)果表明輪作作物類型對土壤物理肥力有顯著影響, 與紅壤和黑土的長期休閑處理相比, 豆科植物輪作的碳庫管理指數(shù)更高。本研究結(jié)果表明在長期冬種模式下, 通過冬季作物翻壓還田措施有利于提高稻田土壤碳庫管理指數(shù), 不同的輪作作物類型對土壤碳庫管理指數(shù)結(jié)果有一定的影響變化。

相關(guān)性分析表明土壤碳庫管理指數(shù)與土壤活性有機碳顯著相關(guān), 土壤有機碳與各養(yǎng)分指標呈顯著或極顯著相關(guān), 表明在不同冬種模式下通過冬作物翻壓還田的農(nóng)藝措施有利于提高稻田養(yǎng)分和碳庫管理指數(shù), 土壤養(yǎng)分的增加進而促進了土壤碳庫的循環(huán)和周轉(zhuǎn)速度。另外關(guān)于土壤碳庫管理指數(shù)的總體周年情況將在后期研究中更加深入, 充分分析各冬季種植模式的土壤碳庫管理指數(shù)情況。本試驗對不同冬種模式進行研究, 結(jié)果表明不同冬種模式有利于稻田土壤養(yǎng)分的積累, 增加稻田土壤總有機碳、活性有機碳、微生物生物量碳以及可溶性有機碳含量, 提高土壤碳庫管理指數(shù), 有助于土壤質(zhì)量的提高。最后, 在客觀評價不同冬季種植模式下稻田土壤碳庫管理指數(shù)的影響因素分析中, 綜合等權(quán)關(guān)聯(lián)度與加權(quán)關(guān)聯(lián)度對不同種植模式進行評價, 可以得到不同冬季種植模式的綜合排名為T4>T3>T1>T2> CK。

4 結(jié)論

不同冬季種植模式均有利于提高稻田土壤養(yǎng)分含量、土壤有機碳和有機碳中活性組分含量, 并且增加了土壤有機碳中活性組分的有效率和土壤碳庫管理指數(shù)。土壤有機碳的大小順序表現(xiàn)為T4>T1> T3>T2>CK, 土壤活性有機碳和土壤碳庫管理指數(shù)的大小表現(xiàn)為T3>T4>T2>T1>CK, 不同冬季種植模式的綜合排名為T4>T3>T1>T2>CK。綜上, 不同冬季種植模式可增加稻田土壤碳庫管理指數(shù), 其中冬季輪作(馬鈴薯、紫云英、油菜)模式的綜合評價最好, 其次為冬種大蒜模式。

[1] 劉書通. 長江中下游地區(qū)水稻生產(chǎn)能力分析[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2014: 10–12 LIU S T. The analysis of rice production capacity in the lower reaches of Yangtze river[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014: 10–12

[2] 譚淑豪. 南方冬閑田季節(jié)性規(guī)模經(jīng)營模式分析[J]. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟問題, 2010, (5): 62–65TAN S H. The strategic significance of developing winter fallow farmland in southern China and seasonal scale management mode and development strategy[J]. Issues in Agricultural Economy, 2010, (5): 62–65

[3] VIEIRA F C B, BAYER C, ZANATTA J A, et al. Carbon management index based on physical fractionation of soil organic matter in an Acrisol under long-term no-till cropping systems[J]. Soil and Tillage Research, 2007, 96(1/2): 195–204

[4] PANDEY D, AGRAWAL M, SINGH BOHRA J, et al. Recalcitrant and labile carbon pools in a sub-humid tropical soil under different tillage combinations: A case study of rice-wheat system[J]. Soil and Tillage Research, 2014, 143: 116–122

[5] 張麗莉, 武志杰, 陳利軍, 等. 不同種植制度土壤氧化還原酶活性和動力學(xué)特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2009, 18(1): 343–347ZHANG L L, WU Z J, CHEN L J, et al. Soil oxidoreductase activity and its kinetic characteristics under different cropping system[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18(1): 343–347

[6] 黃國勤, 熊云明, 錢海燕, 等. 稻田輪作系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)分析[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2006, 26(1): 1159–1164 HUANG G Q, XIONG Y M, QIAN H Y, et al. Ecological analysis on crop rotation systems of paddy field[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(1): 1159–1164

[7] 楊濱娟, 黃國勤, 蘭延, 等. 施氮和冬種綠肥對土壤活性有機碳及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2014, 25(10): 2907–2913 YANG B J, HUANG G Q, LAN Y, et al. Effects of nitrogen application and winter green manure on soil active organic carbon and the soil carbon pool management index[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(10): 2907–2913

[8] 唐海明, 程凱凱, 肖小平, 等. 不同冬季覆蓋作物對雙季稻田土壤有機碳的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2017, 28(2): 465–473 TANG H M, CHENG K K, XIAO X P, et al. Effects of different winter cover crops on soil organic carbon in a double cropping rice paddy field[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(2): 465–473

[9] 楊濱娟, 黃國勤, 王超, 等. 稻田冬種綠肥對水稻產(chǎn)量和土壤肥力的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2013, 21(10): 1209–1216 YANG B J, HUANG G Q, WANG C, et al. Effects of winter green manure cultivation on rice yield and soil fertility in paddy field[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(10): 1209–1216

[10] 勞秀榮, 孫偉紅, 王真, 等. 秸稈還田與化肥配合施用對土壤肥力的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2003, 40(4): 618–623 LAO X R, SUN W H, WANG Z, et al. Effect of matching use of straw and chemical fertilizer on soil fertility[J]. Acta Pedologica Sinica, 2003, 40(4): 618–623

[11] LIU E K, YAN C R, MEI X R, et al. Long-term effect of chemical fertilizer, straw, and manure on soil chemical and biological properties in northwest China[J]. Geoderma, 2010, 158(3/4): 173–180

[12] THAKURIA D, TALUKDAR N C, GOSWAMI C, et al. Evaluation of rice-legume-rice cropping system on grain yield, nutrient uptake, nitrogen fixation, and chemical, physical, and biological properties of soil[J]. Biology and Fertility of Soils, 2009, 45(3): 237–251

[13] 徐明崗, 于榮, 王伯仁. 長期不同施肥下紅壤活性有機質(zhì)與碳庫管理指數(shù)變化[J]. 土壤學(xué)報, 2006, 43(5): 723–729XU M G, YU R, WANG B R. Labile organic matter and carbon management index in red soil under long-term fertilization[J]. Acta Pedologica Sinica, 2006, 43(5): 723–729

[14] VANCE E D, BROOKES P C, JENKINSON D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1987, 19(6): 703–707

[15] 韓琳, 張玉龍, 金爍, 等. 灌溉模式對保護地土壤可溶性有機碳與微生物量碳的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 43(8): 1625–1633HAN L, ZHANG Y L, JIN S, et al. Effect of different irrigation patterns on soil dissolved organic carbon and microbial biomass carbon in protected field[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(8): 1625–1633

[16] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000: 146–195 LU R K. The Analysis Methods of Soils and Agrochemistry[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000: 146–195

[17] 鄧聚龍. 灰色系統(tǒng)基本方法[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2005 DENG J L. The Primary Methods of Grey System Theory[M]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press, 2005

[18] 張鵬, 徐長林, 張建文, 等. 不同扁蓿豆種質(zhì)在甘肅天祝高寒地區(qū)的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)[J]. 草業(yè)科學(xué), 2018, 35(8): 1948–1958 ZHANG P, XU C L, ZHANG J W, et al. Agronomic traits of differentgermplasms in the Tianzhu alpine region of Gansu Province[J]. Pratacultural Science, 2018, 35(8): 1948–1958

[19] 馬強, 劉中良, 周樺, 等. 不同施肥模式對作物-土壤系統(tǒng)養(yǎng)分收支的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2011, 19(3): 520–524 MA Q, LIU Z L, ZHOU H, et al. Effect of different fertilization modes on nutrients budget of crop-soil system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(3): 520–524

[20] 唐海明, 孫國峰, 肖小平, 等. 輪耕對雙季稻田土壤全氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)及水稻產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2011, 20(3): 420–424 TANG H M, SUN G F, XIAO X P, et al. Effects of rotational tillage treatments on soil total nitrogen, available phosphorus, available potassium and grain yield of rice in double-rice cropping field[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2011, 20(3): 420–424

[21] 王琴, 潘茲亮, 呂玉虎, 等. 紫云英綠肥對土壤養(yǎng)分的影響[J]. 草原與草坪, 2011, 31(1): 58–60 WANG Q, PAN Z L, LYU Y H, et al. Effects of ploughing downon soil nutrients[J]. Grassland and Turf, 2011, 31(1): 58–60

[22] ZENG Y H, WU J F, HE H, et al. Soil carbon pool management index under different straw retention regimes[J]. Agricultural Science & Technology, 2012, (4): 818–822

[23] 肖小平, 唐海明, 聶澤民, 等. 冬季覆蓋作物殘茬還田對雙季稻田土壤有機碳和碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2013, 21(10): 1202–1208 XIAO X P, TANG H M, NIE Z M, et al. Effects of winter cover crop straw recycling on soil organic carbon and soil carbon pool management index in paddy fields[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(10): 1202–1208

[24] KUBAR K A, HUANG L, LU J W, et al. Long-term tillage and straw returning effects on organic C fractions and chemical composition of SOC in rice-rape cropping system[J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2019, 65(1): 125–137

[25] STOCKFISCH N, FORSTREUTER T, EHLERS W. Ploughing effects on soil organic matter after twenty years of conservation tillage in Lower Saxony, Germany[J]. Soil and Tillage Research, 1999, 52(1/2): 91–101

[26] ANDERSON T H, DOMSCH K H. Ratios of microbial biomass carbon to total organic carbon in arable soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1989, 21(4): 471–479

[27] 王晶, 張旭東, 解宏圖, 等. 現(xiàn)代土壤有機質(zhì)研究中新的量化指標概述[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2003, 14(10): 1809–1812 WANG J, ZHANG X D, XIE H T, et al. New quantificational indexes in modern study of soil organic matter[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(10): 1809–1812

[28] 朱波, 胡躍高, 曾昭海, 等. 雙季稻區(qū)冬種覆蓋作物對土壤微生物量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2008, 17(5): 2074–2077ZHU B, HU Y G, ZENG Z H, et al. Cover crop effects on the soil microbial biomass in double-rice cropping system[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2008, 17(5): 2074–2077

[29] 沈宏, 曹志宏. 不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫管理指數(shù)的研究[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2000, 20(4): 663–668 SHEN H, CAO Z H. Study on soil C pool management index of different farmland ecosystems[J]. Acta Ecologica Sinica, 2000, 20(4): 663–668

[30] 陳尚洪, 朱鐘麟, 劉定輝, 等. 秸稈還田和免耕對土壤養(yǎng)分及碳庫管理指數(shù)的影響研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2008, 14(4): 806–809 CHEN S H, ZHU Z L, LIU D H, et al. Influence of straw mulching with no-till on soil nutrients and carbon pool management index[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(4): 806–809

[31] 藺芳, 邢晶鑫, 任思敏, 等. 雞糞與化肥配施對飼用小黑麥/玉米輪作土壤團聚體分形特征與碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2018, 32(5): 183–189 LIN F, XING J X, REN S M, et al. Effect of combined application of chicken manure with fertilizer on soil aggregate fractal characteristics and soil carbon pool management index in triticale/maize rotation system[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(5): 183–189

[32] 趙亞南, 柴冠群, 張珍珍, 等. 稻麥輪作下紫色土有機碳活性及其對長期不同施肥的響應(yīng)[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(22): 4398–4407 ZHAO Y N, CHAI G Q, ZHANG Z Z, et al. Soil organic carbon lability of purple soil as affected by long-term fertilization in a rice-wheat cropping system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(22): 4398–4407

[33] BLAIR N, CROCKER G J. Crop rotation effects on soil carbon and physical fertility of two Australian soils[J]. Australian Journal of Soil Research, 2000, 38(1): 71–84

Effects of different winter planting patterns on carbon management index of paddy field*

ZHANG Peng, ZHONG Chuan, ZHOU Quan, TANG Haiying, LI Xinmei, LI Ping, HUANG Guoqin**

(Ecological Science Research Center of Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China)

The middle and lower reaches of the Yangtze River region is an important base for rice production in China, which plays an important role in ensuring China’s food security. However, the utilization rate of paddy field resources in winter was not high in this area. In this study, the effects of different winter planting patterns on soil quality were discussed, which would contribute to the rational development and utilization of winter fallow fields and provide theoretical basis for improving the sustainability of paddy fields. Five winter cropping modes were set up, including winter fallow, winter Chinese vetch, winter rape, winter garlic and winter rotation (potato, Chinese milk vetch, rape). Soil carbon pool management index and comprehensive evaluation of different winter cropping modes were further analyzed by measuring nutrients, organic carbon, active organic carbon, and microbial biomass carbon in different soil layers. The results showed that the contents of soil organic carbon, microbial biomass carbon, soluble organic carbon and active organic carbon in different winter planting patterns were increased to a certain extent in the depth of 0-30 cm paddy field, compared with those in winter fallow treatment. Among them, soil organic carbon increased by 6.12%-7.17%, active organic carbon increased by 13.56%-20.76%, microbial biomass carbon increased by 0.13%-14.34%, soluble organic carbon increased by 3.49%-19.15%, and soil active organic carbon efficiency increased by 6.74%-17.20%. Winter rotation (potato, Chinese milk vetch, rape) could significantly promote the accumulation of total organic carbon and soluble organic carbon in paddy soil. Different winter patterns increased soil carbon pool activity index and carbon pool index, and soil carbon pool management index increased by 14.37%-27.29%. Soil organic carbon was significantly correlated with active organic carbon (< 0.01); soil carbon pool management index was significantly correlated with total organic carbon (< 0.05), and there was a significant correlation between soil organic carbon and active organic carbon (< 0.01). It can be seen that different winter planting patterns can increase soil organic carbon content and improve soil carbon pool management index. The winter rotation (potato, Chinese milk vetch, rape) pattern has the best comprehensive effect, followed by winter garlic planting pattern.

Paddy field; Winter planting patterns; Soil quality; Active organic carbon; Carbon management index; Grey association method

S344.16

2096-6237(2019)08-1163-09

10.13930/j.cnki.cjea.180995

* 國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFD0300208)和江西省重點研發(fā)計劃項目(20161BBF60058)資助

黃國勤, 研究方向為耕作制度、農(nóng)業(yè)生態(tài)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等。E-mail: hgqjxes@sina.com

張鵬, 主要研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail: 952100612@qq.com

2018-11-12

2019-03-28

* This work was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300208) and the Key Research and Development Project of Jiangxi Province (20161BBF60058).

, E-mail: hgqjxes@sina.com

Nov. 12, 2018;

Mar. 28, 2019

張鵬, 鐘川, 周泉, 唐海鷹, 李新梅, 李萍, 黃國勤. 不同冬種模式對稻田土壤碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(8): 1163-1171

ZHANG P, ZHONG C, ZHOU Q, TANG H Y, LI X M, LI P, HUANG G Q. Effects of different winter planting patterns on carbon management index of paddy field[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(8): 1163-1171