綠肥還田對(duì)粉壟稻田土壤活性有機(jī)碳的影響①

鄭佳舜，胡鈞銘，韋燕燕，申章佑，蒙炎成，韋翔華

(1 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南寧 530007；2 廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530004；3 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，南寧 530007)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，農(nóng)田土壤碳庫(kù)與土壤碳循環(huán)、全球氣候變化密不可分[1]，土壤有機(jī)碳在全球CO2動(dòng)態(tài)變化中扮演著重要角色[2]。在國(guó)家農(nóng)田化肥減量增效的綠色發(fā)展背景下，探索土壤碳循環(huán)與土壤養(yǎng)分供給意義巨大。農(nóng)業(yè)有機(jī)物是調(diào)控土壤環(huán)境的重要手段[3]，影響土壤碳儲(chǔ)量和碳循環(huán)[4]。土壤活性有機(jī)碳能有效表征土壤物質(zhì)循環(huán)、潛在生產(chǎn)力以及土壤管理措施引起的土壤有機(jī)碳變化特征[5]。土壤碳庫(kù)管理指數(shù)是反映土壤固碳能力的重要標(biāo)志，其結(jié)合土壤有機(jī)碳活性和土壤養(yǎng)分，表征外界條件變化對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)的影響[6]，被廣泛用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤質(zhì)量與健康狀況評(píng)價(jià)[7-9]。

耕作和農(nóng)田有機(jī)資源投入是驅(qū)動(dòng)土壤碳庫(kù)周轉(zhuǎn)的重要因素[10]。有研究顯示，劇烈的耕作會(huì)擾動(dòng)土壤，加劇農(nóng)田土壤水土流失，土壤有機(jī)碳礦化損失嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降[11]。減少耕作強(qiáng)度有助于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)碳[12-13]。秸稈有機(jī)資源還田可以提高土壤碳庫(kù)指數(shù)，增加土壤活性有機(jī)碳組分[14]。長(zhǎng)期旋耕配施秸稈還田下的土壤有機(jī)碳的活性有機(jī)碳比例較高，將旋耕轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏煽娠@著降低土壤活性有機(jī)碳在總有機(jī)碳的比例[15]。綠肥還田是改良土壤的重要手段，明確綠肥還田條件下對(duì)稻田耕層土壤不同活性有機(jī)碳的影響尤為必要。本研究從水稻生育期土壤活性有機(jī)碳庫(kù)隨時(shí)間變化、土壤垂直空間活性有機(jī)碳庫(kù)環(huán)境變化角度，系統(tǒng)探討綠肥還田對(duì)粉壟稻田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和活性有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響，為稻田土壤活性有機(jī)碳庫(kù)調(diào)控及土壤質(zhì)量提升提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

2016—2018年在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地開(kāi)展水稻定位試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，是水熱資源豐富的典型南方雙季秈稻區(qū)。2016年10月和2017年10月分別種植冬綠肥紫云英，2017年4月和2018年4月起開(kāi)始分別移栽種植雙季水稻。研究選擇2018年的土壤活性有機(jī)碳測(cè)試，以考察綠肥還田對(duì)粉壟稻田土壤的第二年定位累積效應(yīng)。

土壤基本性質(zhì)：pH 6.6，全氮1.80 g/kg，全磷0.92 g/kg，全鉀7.43 g/kg，有效磷37.90 mg/kg，有機(jī)質(zhì)24.50 g/kg，水解性氮131.00 mg/kg，速效鉀97.80 mg/kg。壓青綠肥為紫云英(干基養(yǎng)分N 2.7%、P2O50.65%、K2O 2.5%)，化肥施用包括復(fù)合肥(N 14.64%、P2O514.92%、K2O 15.08%)、尿素(N 46%)、過(guò)磷酸鈣(P2O515%)、氯化鉀(K2O 62.7%)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)小區(qū)面積7.41 m × 6.21 m，供試水稻品種為三系秈超級(jí)稻，特優(yōu)582，株行距12 cm × 24 cm，每穴2株插苗，4月4日移栽，生育期為110 d。試驗(yàn)設(shè)置常規(guī)耕作、粉壟耕作2種耕作模式，粉壟深旋耕利用垂直螺旋型鉆頭刀片高速橫向切割土壤碎土，一次性完成自然懸浮成壟將土壤耕層加深至30 cm[16-17]，采用傳統(tǒng)拖拉機(jī)進(jìn)行常規(guī)耕作。以不施肥為空白對(duì)照，在同等養(yǎng)分條件下以常規(guī)施用化肥(N 240 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 240 kg/hm2)為參考標(biāo)準(zhǔn)，在同等養(yǎng)分條件下雙倍綠肥提供的養(yǎng)分N代替化肥中的100% 養(yǎng)分N，單倍綠肥提供的養(yǎng)分N代替化肥中50% 的養(yǎng)分N，進(jìn)行設(shè)計(jì)。3種施肥方式為：100% 化肥(804.4 kg/hm2復(fù)合肥、260.9 kg/hm2尿素、195.7 kg/hm2氯化鉀)、單倍綠肥配施化肥(35 586.6 kg/hm2綠肥，配施608.7 kg/hm2復(fù)合肥、65.2 kg/hm2尿素、65.2 kg/hm2氯化鉀)、雙倍綠肥配施化肥(71 173.1 kg/hm2綠肥，配施414.8 kg/hm2過(guò)磷酸鈣、28.0 kg/hm2氯化鉀)，共8處理，每處理3次重復(fù)，各處理如表1所示。田間管理按常規(guī)超級(jí)稻生產(chǎn)進(jìn)行。

1.2.2 樣品采集 采用土鉆在水稻分蘗期、孕穗期、齊穗期和收獲期(分別為移栽后20、40、60、90 d)4個(gè)生育期采集0 ~ 15 cm土壤樣品：用尺子標(biāo)記土鉆底部至下而上的15 cm長(zhǎng)度，土鉆取樣時(shí)土壤樣品需達(dá)到標(biāo)記線(xiàn)。在水稻收獲后挖取土壤剖面，用刀片至上而下分別刮取0 ~ 15、15 ~ 30、30 ~ 45 cm的剖面土。

表 1 試驗(yàn)處理設(shè)置Table 1 Experimental treatments

1.3 試驗(yàn)方法和計(jì)算

土壤活性有機(jī)碳(LOC)采用KMnO4氧化法測(cè)定[6]：根據(jù)KMnO4濃度的變化求出樣品的不同活性有機(jī)碳含量，其中以濃度333 mmol/L KMnO4測(cè)定低活性有機(jī)碳(即易氧化有機(jī)碳)，是活性有機(jī)碳中活性最高、最容易被氧化的那部分活性有機(jī)碳；以濃度176 mmol/L KMnO4測(cè)定中活性有機(jī)碳；以濃度33.3 mmol/L KMnO4測(cè)定高活性有機(jī)碳。總有機(jī)碳采用高溫重絡(luò)酸鉀–外熱法測(cè)定[18]。

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)以不施肥土壤為參考，均以易氧化有機(jī)碳作為活性有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式[6]為：

1.4 數(shù)據(jù)分析和處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 19軟件分析，Microsoft Excel 2010軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥還田對(duì)粉壟稻田土壤總有機(jī)碳的影響

如圖1A所示，分蘗期土壤總有機(jī)碳(TOC)含量最高，稻田各生育期土壤TOC含量呈波動(dòng)變化。粉壟耕作降低了各生育期土壤TOC含量，同種施肥方式下，F(xiàn)N0比CN0降低3.14 ~ 6 .11 g/kg；綠肥還田減少了粉壟與常耕之間TOC含量的差異：FN1比CN1降低1.45 ~ 3.42 g/kg，而FN2比CN2降低2.60 ~3.47 g/kg。隨著綠肥的增加，粉壟稻田土壤TOC含量逐漸增加，F(xiàn)N2較FN0提高了25.6% ~ 60.1%，F(xiàn)N1較FN0提高了14.6% ~ 48.8%。在常規(guī)耕作中，綠肥的增加提高了分蘗期、孕穗期、收獲期土壤TOC含量。

如圖1B所示，隨著土層加深，土壤TOC含量逐漸遞減。粉壟耕作下，F(xiàn)N0、FN1、FN23個(gè)處理在15 ~ 30 cm比0 ~ 15 cm的土壤TOC分別降低30.8%、33.0%、331.6%，降低率均低于同種施肥方式下的常規(guī)耕作；將30 ~ 45 cm與15 ~ 30 cm土壤TOC比較，依然表現(xiàn)為粉壟耕作的降低率更低，說(shuō)明粉壟耕作能綜合各土層間TOC的運(yùn)移。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與如圖1A收獲期的土壤TOC特征不同：FN、FN0、FN1與同種施肥方式的常規(guī)耕作相比分別增加了20.7%、1.2%、7.6%，僅FN2較CN2降低1.9%；此外，F(xiàn)N1和FN2較FN0分別增加25.7% 和18.7%。15 ~ 30 cm土壤中，F(xiàn)N1、FN2較CN1和CN2分別增加47.3% 和8.7%，而FN0較CN0降低了1.7%，F(xiàn)N1和FN2較FN0分別增加21.6% 和17.3%。30 ~ 45 cm土壤中，粉壟耕作下的土壤TOC含量均高于常規(guī)耕作，增加了41.7% ~ 84.4%。因此，粉壟耕作能較有效提高剖面各土層土壤TOC含量，綠肥還田相比單施化肥降低了粉壟稻田30 ~ 45 cm土壤TOC含量，單倍綠肥還田降低地較少，相比雙倍綠肥還田更能提高粉壟稻田0 ~ 30 cm土壤TOC含量。

2.2 綠肥還田對(duì)粉壟稻田土壤活性有機(jī)碳含量的影響

如表2所示，粉壟耕作水稻各生育期土壤低活性有機(jī)碳(LLOC)、中活性有機(jī)碳(MLOC)、高活性有機(jī)碳(HLOC)含量均顯著低于常規(guī)耕作，綠肥還田提高了粉壟耕作下水稻各生育期土壤的各級(jí)活性有機(jī)碳(LOC)含量，多數(shù)時(shí)期表現(xiàn)為FN2>FN1>FN0，分蘗期、齊穗期的土壤MLOC和分蘗期的土壤HLOC表現(xiàn)為FN1>FN2。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與未收割水稻時(shí)收獲期0 ~ 15 cm土壤LOC含量特征不同：同一施肥方式下，土壤MLOC和HLOC表現(xiàn)為FN1FN2≥FN0，而FN1和FN2的土壤MLOC分別較FN0降低了12.3% 和27.6%。15 ~ 30 cm土壤中，與同種施肥方式下的常耕耕作相比，粉壟耕作FN1和FN2處理土壤LOC多數(shù)表現(xiàn)為降低，而FN2較CN2的土壤MLOC增加19.3%；綠肥的增加能較有效提高該土層粉壟稻田土壤LOC含量，但FN1較FN0降低0.5%。30 ~45 cm土壤中，與同種施肥方式下的常耕相比，F(xiàn)N2處理土壤LOC含量總體表現(xiàn)為降低，而FN1的土壤MLOC和HLOC含量分別增加134.3% 和27.3%。

表2 稻田土壤活性有機(jī)碳含量Table 2 The content of soil labile organic carbon in paddy fields

2.3 綠肥還田對(duì)粉壟稻田土壤非活性有機(jī)碳占比的影響

降低土壤非活性有機(jī)碳(NLOC)在總有機(jī)碳中的占比，是提高土壤有機(jī)碳利用的基礎(chǔ)，即：土壤NLOC占比越少，土壤LOC的可激活率越高，對(duì)土壤碳庫(kù)應(yīng)用尺度越大。如圖2A所示，水稻生長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng)，土壤NLOC占比越高。將各處理按4個(gè)生育期擬合成直線(xiàn)，粉壟耕作的決定系數(shù)R2均高于常規(guī)耕作，且FN處理在前3個(gè)生育期中R2達(dá)0.999，F(xiàn)N1和FN2在后3個(gè)生育期中R2分別可達(dá)0.999和0.992，說(shuō)明粉壟耕作土壤NLOC占比在對(duì)應(yīng)時(shí)期隨時(shí)間增加而增加，且呈線(xiàn)性變化規(guī)律。與常耕相比，F(xiàn)N1較CN1在前3個(gè)生育期NLOC增加1.3% ~ 1.7%，在收獲期增加最多，達(dá)7.5%；FN2較CN2在前3個(gè)生育期降低1.8% ~ 5.7%，在收獲期增加7.0%。粉壟耕作中，與FN0相比，F(xiàn)N1和FN2的NLOC占比逐漸降低，但FN1在齊穗期增加1.8%。

隨著土層的加深，土壤NLOC占比逐漸降低(圖2B)。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與如圖2A收獲期的土壤NLOC占比特征不同：與FN0相比，F(xiàn)N1和FN2分別增加2.8% 和5.4%，而15 ~ 30 cm中FN2增加率會(huì)低于FN1；至30 ~ 45 cm時(shí)，F(xiàn)N2較FN0降低3.1%，而FN1仍然高FN01.7%。與常規(guī)耕作相比，F(xiàn)N1和FN2的土壤NLOC占比表現(xiàn)為增加，F(xiàn)N1在15~ 45 cm增加較多，F(xiàn)N2在0 ~ 30 cm增加較多，且FN1和FN2在30 ~ 45 cm中的土壤NLOC占比遠(yuǎn)高于CN1和CN2，分別增了80.6% 和59.3%。若將各處理按3個(gè)土層擬合直線(xiàn)，F(xiàn)N1和FN2決定系數(shù)R2分別達(dá)0.999和0.998，說(shuō)明土壤NLOC占比隨土層的加深而降低，呈線(xiàn)性變化規(guī)律。

2.4 綠肥還田對(duì)粉壟稻田土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

粉壟耕作的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)始終低于常規(guī)耕作。如圖3A所示，水稻孕穗期出現(xiàn)土壤CPMI最大值，綠肥的增加提高了粉壟稻田各生育期土壤CPMI，粉壟耕作后3個(gè)時(shí)期呈負(fù)線(xiàn)性相關(guān)，F(xiàn)N1和FN2決定系數(shù)R2分別達(dá)0.973和0.997，隨水稻的生長(zhǎng)土壤CPMI逐漸降低。綠肥的增加減小了各生育期粉壟與常規(guī)耕作土壤CPMI的降低率：4個(gè)關(guān)鍵期中FN0較CN0減少了28.4% ~ 60.7%，F(xiàn)N1較CN1減少了22.3% ~ 40.5%，F(xiàn)N2較CN2減少了8.7% ~ 38.4%。

如圖3B所示，水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與圖3A收獲期的土壤CPMI特征不同：粉壟耕作中FN2低于其他施肥處理。CN0隨土層的增加土壤CPMI呈線(xiàn)性降低，決定系數(shù)R2達(dá)0.999。15 ~ 30 cm和30 ~45 cm土壤CPMI均表現(xiàn)為FN1和FN2低于FN0，其中FN1降低得較多，分別降低8.5% 和20.1%，F(xiàn)N2降低得較少。與常耕相比，粉壟稻田土壤15 ~ 30 cm到30 ~ 45 cm的土壤CPMI降低更快。

3 討論

綠肥還田能有效提高粉壟稻田土壤固碳水平。耕地對(duì)土壤擾動(dòng)會(huì)降低土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，不利于保證土壤有機(jī)碳的積累，降低了土壤固碳能力[11,19]，綠肥還田將土壤新的碳儲(chǔ)量進(jìn)行更新和積累，提高有機(jī)碳庫(kù)存[20]。綠肥中含有大量的養(yǎng)分及高活性有機(jī)碳[21]，同時(shí)促進(jìn)了土壤原有機(jī)碳轉(zhuǎn)變成易被作物吸收利用的活性有機(jī)碳[6]。綠肥易分解有機(jī)物的穩(wěn)定性越小，其碳損失較大[22]。也有學(xué)者認(rèn)為，與碳輸入量相比，土壤自身對(duì)有機(jī)碳的扭轉(zhuǎn)水平更能影響土壤對(duì)外源有機(jī)碳的固持作用[23]，粉壟耕作對(duì)土壤有機(jī)碳的扭轉(zhuǎn)具有一定的促進(jìn)作用。水稻分蘗期土壤有機(jī)碳最高，綠肥的增加可有效提高粉壟雙季稻田土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，且在孕穗期最高、收獲期最低。分析其原因可能是水稻分蘗期是化肥養(yǎng)分溶解或綠肥腐解的重要時(shí)期，多處淹水狀態(tài)，養(yǎng)分運(yùn)移最為活躍，刺激了土壤微生物的繁殖和生長(zhǎng)[24]，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的更新與活化[25]，對(duì)有機(jī)碳的提升起到了關(guān)鍵作用。水稻分蘗期低活性有機(jī)碳含量降低，可能是水稻因綠肥腐解為高活性有機(jī)碳提供了直接來(lái)源[26]，有效提高了生育初期土壤中、高活性有機(jī)碳含量，在一定程度上對(duì)低活性有機(jī)碳的降低有著間接的影響。

綠肥還田影響粉壟稻田土壤垂直空間活性有機(jī)碳穩(wěn)定性，低活性有機(jī)碳>中活性有機(jī)碳>高活性有機(jī)碳。由高至低活性有機(jī)碳，若較高一級(jí)與較低一級(jí)的活性有機(jī)碳的降低率越低，說(shuō)明其較高一級(jí)的有機(jī)碳含量更加接近較低一級(jí)，活性有機(jī)碳含量級(jí)別越低，所呈現(xiàn)的土壤易氧化程度越高。不同活性的有機(jī)碳組分可以靈敏地反映土壤質(zhì)量和土壤有機(jī)質(zhì)有效組分的變化狀況[27]。綠肥中含有大量的養(yǎng)分及高活性有機(jī)碳[21]，尤其是新鮮的有機(jī)資源粉碎后腐解產(chǎn)生的熱量，有助于改善、優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，在一定程度上保持土壤的溫度和水分條件[28]，促進(jìn)了土壤原有有機(jī)碳轉(zhuǎn)變成易被作物吸收利用的活性有機(jī)碳。而當(dāng)前對(duì)稻田剖面土壤活性有機(jī)碳的運(yùn)移分布特征研究甚少，本研究通過(guò)綠肥粉壟耦合下稻田剖面土壤各級(jí)活性有機(jī)碳轉(zhuǎn)變特征受粉壟耕作、綠肥投入的共同影響。特征如下：①粉壟耕作能有效增加0 ~ 15 cm稻田土壤中活性有機(jī)碳向低活性有機(jī)碳的易氧化程度，綠肥還田增加粉壟稻田0 ~ 15 cm土壤高活性有機(jī)碳向中活性有機(jī)碳的易氧化程度；②雙倍綠肥還田粉壟耕作加速15 ~ 30 cm土壤中活性有機(jī)碳向低活性有機(jī)碳、高活性有機(jī)碳向中活性有機(jī)碳的易氧化程度；③粉壟耕作有效增加稻田30 ~ 45 cm土壤中活性有機(jī)碳向低活性有機(jī)碳轉(zhuǎn)變的易氧化程度，增加高活性有機(jī)碳向中活性有機(jī)碳的易氧化程度。但其發(fā)生原因有待深入研究，該結(jié)果可為進(jìn)一步的研究提供基礎(chǔ)。

粉壟耕作對(duì)土壤有機(jī)碳的扭轉(zhuǎn)具有一定的促進(jìn)作用，能減緩各垂直空間土壤有機(jī)碳隨土層下降的程度。Liang等[29]認(rèn)為，深層土壤的養(yǎng)分含量比表層土壤更低，當(dāng)外源易分解有機(jī)物進(jìn)入深層土壤時(shí)，土壤有機(jī)碳的礦化會(huì)受到限制。趙滿(mǎn)興等[30]研究發(fā)現(xiàn)，土壤的耕層和母質(zhì)層對(duì)可溶性有機(jī)碳的吸附能力相對(duì)較弱，施用有機(jī)肥后對(duì)可溶性有機(jī)碳在土壤中的移動(dòng)性較強(qiáng)，會(huì)增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。然而本研究中，粉壟耕作通過(guò)改變土壤空間移動(dòng)，改善了土壤結(jié)構(gòu)，有助于優(yōu)化稻田土壤的碳縱向遷移過(guò)程。綠肥的增加提高了水稻收獲期0 ~ 15 cm土壤的有機(jī)碳，這是有機(jī)資源對(duì)土壤碳的直接作用[20]。單倍綠肥還田增加了粉壟稻田剖面各土層有機(jī)碳積累，這可能是化肥中50%的養(yǎng)分氮被單倍綠肥中的養(yǎng)分氮替代，恰好達(dá)到一定介質(zhì)，促進(jìn)土壤的扭轉(zhuǎn)[23]，加速了土壤有機(jī)酸的活化。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與未收割水稻收獲期0 ~ 15 cm土壤的有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、碳庫(kù)管理指數(shù)特征有所差異，造成收割后0 ~ 15 cm剖面土在粉壟耕作下的有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、碳庫(kù)管理指數(shù)相比收獲期0 ~ 15 cm土壤偏高。常規(guī)耕作下偏低的原因：①收獲前的土壤有水稻植株種植間隔覆蓋，而挖取剖面土是在水稻收割之后，土壤有機(jī)碳受到水稻收獲前后植株凋零物中易氧化有機(jī)質(zhì)的影響；②各生育期0 ~ 15 cm土壤采用土鉆取樣，取樣過(guò)程受到壓實(shí)，實(shí)際取樣深度可能偏大，而取樣剖面土先用卷尺測(cè)量再至上而下刮取，即為實(shí)際取樣深度。

4 結(jié)論

綠肥還田能有效增加粉壟稻田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和活性有機(jī)碳的穩(wěn)定性，對(duì)稻田耕層土壤至上而下地激發(fā)各級(jí)活性有機(jī)碳的運(yùn)移和潛在利用具有積極的線(xiàn)性變化規(guī)律。提高綠肥還田量是提升粉壟稻田各生育期表層土壤活性有機(jī)碳及有機(jī)碳儲(chǔ)備的重要因素。但單倍綠肥還田有助于提高粉壟稻田剖面土有機(jī)碳的積累，調(diào)控粉壟耕作背景下土壤垂直空間活性有機(jī)碳庫(kù)環(huán)境。