長期綠肥利用下紅壤性水稻土有機碳和可溶性有機碳的垂直分布特征

夏文建，秦文婧，劉 佳，陳曉芬，張麗芳，曹衛(wèi)東，徐昌旭，陳靜蕊，*

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所，國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，江西 南昌 330200； 2.中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

土壤有機碳(SOC)含有植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，具有改善土壤理化性質(zhì)、增強土壤供水保水能力、提高土壤生物活性等多重作用，是衡量農(nóng)田土壤肥力狀況的重要指標[1]。土壤可溶性有機碳(DOC)是土壤有機碳中的活躍組分，是能被微生物直接利用的速效碳源[2]，對土壤碳素的生物地球化學循環(huán)影響巨大，在土壤有機碳庫的周轉(zhuǎn)與更新、“源匯”功能發(fā)揮等方面都具有關(guān)鍵作用[3-4]。因此，提高土壤SOC、DOC含量，改善土壤有機碳庫質(zhì)量，對于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定都具有重要意義[5-6]。

通常情況下，土壤SOC和DOC含量受土地利用方式、施肥狀況和種植作物等因素的影響比較大[7-8]。楊濱娟等[9]在江西稻田的研究發(fā)現(xiàn)，施用綠肥能顯著促進SOC積累；但李增強等[10]在浙江稻田的研究認為，施用綠肥可顯著增加土壤DOC，但對SOC影響不顯著；包明等[11]在陜西黑壚土麥田的研究發(fā)現(xiàn)，綠肥與氮肥配施顯著增加了土壤SOC和DOC?？梢?，土壤SOC、DOC含量受土壤、施肥、土地利用方式和作物類型等多種因素的影響，在不同的生態(tài)系統(tǒng)中變化規(guī)律不盡相同。

DOC在土水界面的遷移是SOC損失的主要形式之一[12]。DOC的遷移不僅受土壤性質(zhì)的影響，還與DOC的來源和成分密切相關(guān)[13]。土壤對DOC有較強的吸附和截留作用。袁穎紅等[14]發(fā)現(xiàn)，土壤DOC占SOC的比率在耕作層(A層)顯著大于犁底層(P層)。DOC/SOC可用于表征土壤活性有機碳庫質(zhì)量[2]，DOC/SOC值越大，表示有機碳活性成分越高，越有利于土壤微生物的分解利用，土壤有機碳庫的質(zhì)量越高[15]。長期施用化肥會導(dǎo)致DOC/SOC下降，而有機無機配施有利于DOC/SOC的穩(wěn)定和提高[2，14]。

紅壤是我國南方熱帶亞熱帶地區(qū)的典型土壤，種植雙季稻是紅壤區(qū)最常見的土地利用方式[16]。然而，強烈的風化淋溶和高強度的土地利用加劇了紅壤貧瘠，已成為限制該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙因子。南方稻田冬種綠肥，對于維持土壤肥力、提高水稻產(chǎn)量等具有積極作用[11]。為此，本研究基于持續(xù)8 a的綠肥長期定位試驗，研究不同處理對紅壤水稻土SOC和DOC垂直分布的影響，揭示二者的季節(jié)性變化規(guī)律與比例關(guān)系，以期為綠肥作物的合理利用和紅壤性水稻土的科學培肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗設(shè)置在江西省豐城市張巷鎮(zhèn)范橋村(28°7′11″N，115°56′9″E)。該地區(qū)屬亞熱帶大陸性季風氣候，年平均氣溫16.5 ℃，日照時數(shù)1 935.7 h，無霜期274 d，降水量1 552.1 mm，4—6月降水量占全年總降水量的50%以上。供試土壤系由第四季紅黏土母質(zhì)發(fā)育而成的水稻土，土質(zhì)黏重，有明顯的犁底層。試驗前耕層土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下：有機質(zhì)含量25.0 g·kg-1，全氮含量1.80 g·kg-1，堿解氮含量155 mg·kg-1，速效磷含量6.0 mg·kg-1，速效鉀含量109 mg·kg-1，pH值5.16。

1.2 試驗設(shè)計

試驗開始于2008年。試驗處理分別為不施肥不種植綠肥的空白對照(CK)、不施肥種植綠肥處理(M)、施用化肥處理(F)和施用化肥并種植綠肥處理(F+M)。小區(qū)面積5 m×4 m=20 m2，采用隨機區(qū)組排列，每處理4次重復(fù)。

種植的綠肥為紫云英(AstragalussinicusL.)，于每年10月上旬晚稻收獲前采用稻底套播方式播種，播種量為30 kg·hm-2，整個生長季不施化肥，次年早稻移栽前10～15 d按22 500 kg·hm-2的用量就地翻壓，深度約20 cm，多余的綠肥移出他用。

化肥用量為早稻施N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，晚稻施N 180 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2。肥料施用方式統(tǒng)一為磷、鉀肥全部基施，氮肥按基肥、分蘗肥、穗肥4∶3∶3的比例施用。化肥品種為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)。

紫云英品種為豐城青桿種，早稻品種為株兩優(yōu)30，晚稻品種為Ⅱ優(yōu)305。

1.3 樣品采集與分析

2015年分別于早稻收獲期(7月中旬)和晚稻收獲期(10月下旬)采集土壤樣品。每小區(qū)用土鉆隨機采集5個樣點土壤，分別采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm共5個深度的土樣。土樣帶回室內(nèi)攤平風干，揀去動植物殘體和石礫，分別過2 mm篩和0.149 mm篩備用。

土壤SOC采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[17]。土壤DOC的測定參考Ghani等[18]、Jones等[19]的方法并略作調(diào)整：稱取過2 mm篩的風干土5.00 g，按水土體積質(zhì)量比5∶1加入超純水，以250 r·min-1的轉(zhuǎn)速在25 ℃恒溫振蕩機上振蕩30 min，之后以4 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速離心10 min，取上清液過0.45 μm水系濾膜后用德國耶拿Multi N/C 3100 TOC總有機碳/總氮分析儀進行測定。

1.4 統(tǒng)計分析

所有試驗數(shù)據(jù)用Excel 2003進行處理，用SPSS 16.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析，對有顯著(P<0.05)差異的處理采用Duncan法進行多重比較，用Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對紅壤水稻土SOC垂直分布的影響

從不同處理土壤SOC含量隨深度的變化情況(圖1)可以看出，施用綠肥或化肥均有利于表層(0～20 cm)土壤SOC的積累，早稻季各處理表層土壤SOC含量從高到低依次為F+M(a)>F(a)>M(b)>CK(c)[處理后跟隨的括號中無相同小寫字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同]，F(xiàn)+M、F和M處理的SOC含量分別比CK顯著(P<0.05)提高了92.8%、80.9%和51.1%。晚稻季與早稻季相似，各處理表層土壤SOC含量從高到低依次為F(a)≈ F+M(a)>M(a)>CK(b)，F(xiàn)、F+M和M處理的SOC含量分別比CK顯著(P<0.05)提高了81.3%、81.2%和66.6%。晚稻季表層土壤SOC比早稻季下降6.8%～19.8%。各處理深層(20～100 cm)土壤SOC含量差異較小，早稻季和晚稻季深層土壤的SOC含量分別在0.88～1.88 g·kg-1和0.79～2.28 g·kg-1。

S函數(shù)與指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)相比，更適合描述SOC含量(CSOC)的垂直分布[20]。利用S函數(shù)對早稻和晚稻不同處理0～100 cm土壤剖面的SOC含量進行擬合(表1)，早稻季擬合曲線的決定系數(shù)(R2)為0.929～0.966，晚稻季擬合曲線的R2為0.928～0.941，P值均小于0.01，因此采用S函數(shù)對SOC含量(CSOC)隨土壤深度(H)的變化情況進行描述。

圖1 土壤有機碳含量的垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution characteristics of soil organic carbon

2.2 不同處理對紅壤水稻土DOC垂直分布的影響

從不同處理土壤DOC含量隨土壤深度變化情況(圖2)可以看出，施用綠肥(F+M和M處理)有利于增加表層土壤的DOC含量，而單施化肥(F處理)的效果較差。早稻季不同處理土壤表層DOC含量從高到低依次為F+M(a)>M(b)>CK(c)>F(c)，F(xiàn)+M和M處理的DOC含量分別比CK顯著(P<0.05)提高了46.2%和12.9%；晚稻季各處理的DOC含量從高到低依次為F+M(a)>M(a)>F(b)>CK(c)，F(xiàn)+M、M和F處理的DOC含量分別比CK顯著(P<0.05)提高了45.2%、37.1%和10.8%。晚稻季表層土壤DOC含量比早稻季增加了85.5%～141.6%。各處理深層土壤DOC含量差異較小，早稻和晚稻季深層土壤的DOC含量分別在11.36～17.84 mg·kg-1和16.58～28.68 mg·kg-1。

采用S函數(shù)對不同處理DOC含量隨深度的變化進行擬合(表2)，早稻季擬合曲線的R2為0.876～0.975，晚稻季擬合曲線的R2為0.916～0.924，P值均小于0.01，因此可以使用S函數(shù)描述土壤DOC含量(CDOC)隨深度(H)的變化情況。

2.3 土壤DOC含量與SOC含量的關(guān)系分析

對早稻季和晚稻季土壤DOC含量隨SOC含量的變化進行線性擬合(圖3)：早稻季，CDOC=10.302+3.062CSOC，R2=0.914，P<0.01；晚稻季，CDOC=11.302+7.987CSOC，R2=0.954，P<0.01。土壤DOC含量與SOC含量呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系。晚稻季DOC含量隨SOC含量的增長速率高于早稻季。

表1 不同處理SOC含量隨土層深度的回歸分析

Table 1 Regression equation of soil organic carbon with soil depth

處理Treatment早稻 Early rice方程EquationR2晚稻 Late rice方程EquationR2CKCSOC=e-0.322+28.176/H0.966CSOC=e-0.254+26.743/H0.941MCSOC=e-0.342+32.609/H0.947CSOC=e-0.408+33.549/H0.928FCSOC=e-0.353+34.742/H0.965CSOC=e-0.474+34.505/H0.938F+MCSOC=e-0.253+34.232/H0.929CSOC=e-0.227+32.355/H0.929

圖2 土壤可溶性有機碳的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil dissolved organic carbon

表2 不同處理DOC含量隨土層深度的回歸分析

Table 2 Regression equation of soil organic carbon with soil depth

處理Treatment早稻 Early rice方程EquationR2晚稻 Late rice方程EquationR2CKCDOC=e2.249+18.142/H0.945CDOC=e2.590+23.037/H0.916MCDOC=e2.291+20.196/H0.942CDOC=e2.480+26.484/H0.921FCDOC=e2.297+16.567/H0.876CDOC=e2.603+23.067/H0.924F+MCDOC=e2.174+23.922/H0.975CDOC=e2.665+24.788/H0.923

圖3 土壤DOC含量與SOC含量的線性相關(guān)分析Fig.3 Simple linear correlations of soil DOC with SOC

施肥措施會影響土壤自身，以及外源有機碳的礦質(zhì)化和腐殖化過程，改變不同組分有機碳的相對比例，從而影響SOC的品質(zhì)和生態(tài)功能[10]。探明DOC占SOC的比例有助于了解土壤中有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化與施肥方式的關(guān)系，明確SOC品質(zhì)的發(fā)展趨勢。晚稻季DOC/SOC高于早稻季。與CK相比，早稻季和晚稻季施肥處理降低了土壤DOC/SOC，但施用綠肥的處理(F+M，M)與F處理相比，緩解了DOC/SOC的下降(圖4)，表明施用綠肥有助于維持土壤活性有機碳的比例。早稻季F+M和M處理的DOC/SOC比F處理高34.5%和41.4%，晚稻季F+M和M處理比F處理高30.4%和34.8%。

柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.圖4 不同處理對表層(0～20 cm)土壤DOC/SOC的影響Fig.4 Effects of different treatments on DOC/SOC of topsoil (0-20 cm)

3 討論

本研究基于在江西紅壤性水稻土上開展了8 a的綠肥定位試驗，發(fā)現(xiàn)施用綠肥或化肥均有利于增加表層(0～20 cm)土壤的SOC含量，施用綠肥還增加了表層土壤的DOC含量，但單施化肥對表層土壤DOC含量的提升效果有限。施用綠肥或化肥對深層(20～100 cm)土壤SOC和DOC含量的影響微弱。紅壤性水稻土早稻和晚稻季SOC、DOC含量隨深度的變化可用S函數(shù)進行擬合。土壤DOC含量與SOC含量呈顯著正相關(guān)，晚稻季每單位SOC對DOC的增加效應(yīng)要高于早稻季。與對照相比，施用化肥降低了土壤DOC/SOC，配施綠肥緩解了DOC/SOC下降?？梢?，種植綠肥促進了南方紅壤性水稻土表層土壤SOC和DOC的積累，維持了DOC的比例，有助于土壤有機碳庫的累積和穩(wěn)定。

綠肥翻壓會影響土壤SOC的組成和生態(tài)功能[4]。Blanco-Canqui等[21]發(fā)現(xiàn)，長期施用綠肥主要提高了0～15 cm土層的SOC；但Sharma等[4]卻發(fā)現(xiàn)，綠肥翻壓23 d后30～60 cm土層的SOC含量增加。本研究發(fā)現(xiàn)，各施肥和綠肥處理對土壤SOC和DOC的影響主要在表層，當土層深度在20 cm以下時，各處理的影響都非常微弱。這可能與土壤性質(zhì)有關(guān)。本研究中的供試土壤是紅壤性水稻土，發(fā)育自第四季紅黏土，質(zhì)地黏重，且犁底層明顯，不利于綠肥腐解的有機組分向深層土壤轉(zhuǎn)移。同時，綠肥腐解快，其當季腐解率和碳釋放率分別達到84%和88%，綠肥轉(zhuǎn)化為土壤有機碳的比例較低[22]，因此施用綠肥對土壤SOC的影響主要集中在表層。大量研究發(fā)現(xiàn)，土壤DOC含量與SOC含量具有良好的相關(guān)性[23-24]，本文也有同樣發(fā)現(xiàn)，因此不同處理DOC的垂直分布特征大體上與SOC相似。

本試驗結(jié)果表明，F(xiàn)處理對SOC的影響非常明顯，但對DOC的影響較弱。紅壤性水稻土由于水耕熟化，大量的作物殘體和其他來源的有機物質(zhì)在土壤中累積，土壤SOC迅速增加[25]。稻田施用化肥促進了作物生長，通過凋落物、根系和秸稈殘留，以及土壤生物活動等途徑提高了SOC含量[25-27]。但單施化肥不利于提高土壤有機碳中活性組分(DOC)的含量[28]，從而導(dǎo)致活性組分占總有機碳的比例降低[14]，長久來看不利于土壤碳庫質(zhì)量的維持。M處理對SOC積累的效果弱于F處理，卻利于DOC的增加，表明綠肥翻壓有助于增加土壤中活性有機碳比例[29]。土壤SOC的增長不僅受到施肥措施的影響，還與土地利用方式和土壤基礎(chǔ)肥力密切相關(guān)[25，30]。本研究發(fā)現(xiàn)，綠肥與化肥配施(F+M處理)下，土壤SOC和DOC的增幅最大，并在一定程度上維持了土壤DOC占SOC的比例，是培肥土壤、提高有機碳數(shù)量和質(zhì)量的較優(yōu)措施[6，26]。

本研究發(fā)現(xiàn)，晚稻季SOC含量較早稻季降低，而DOC含量卻更高，其原因可能是殘留的水稻秸稈或綠肥在早稻季分解有限，經(jīng)過晚稻季進一步礦化分解，從而使SOC降低。水稻種植總體上是一個土壤熟化、有機碳積累培肥的過程，然而這一過程在不同季節(jié)間可能是往復(fù)曲折的，陳春蘭等[28]的研究也有相似結(jié)論。殘留的水稻秸稈或綠肥在晚稻季經(jīng)過微生物的作用，首先轉(zhuǎn)化成土壤可溶性有機物質(zhì)形態(tài)，這就促進了土壤DOC含量的提高，因而晚稻季的DOC含量要整體高于早稻季。經(jīng)過早、晚稻2季的累加效應(yīng)，晚稻季每單位的SOC對DOC的增加效應(yīng)明顯高于早稻季。本研究還發(fā)現(xiàn)，利用S函數(shù)可以較好地模擬南方紅壤水稻土SOC和DOC含量隨深度的變化情況，這為將來開展類似研究提供了新的方法。本研究主要關(guān)注了多年綠肥種植翻壓利用后土壤SOC和DOC的垂直分布特征，實際上綠肥的腐解主要集中在翻壓后的前30 d[31]，因此，將來有必要針對綠肥的關(guān)鍵腐解期進一步開展相關(guān)研究，以期為綠肥作物的合理利用和紅壤水稻土的科學培肥提供更加全面的理論依據(jù)。