稻茬-紫云英聯(lián)合還田對(duì)水稻土表層水可溶性碳氮的影響

楊 爽，劉 佳，陳曉芬，秦文婧，陳靜蕊，羅文文，孫魯沅，耿明建，徐昌旭

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330200）

養(yǎng)分隨地表徑流進(jìn)入河湖水網(wǎng)是土壤養(yǎng)分流失的主要途徑［1］。不合理的農(nóng)業(yè)管理措施可能增加稻田養(yǎng)分流失，造成農(nóng)業(yè)面源污染［2］。目前，已有大量農(nóng)業(yè)管理措施影響稻田表層水養(yǎng)分流失的研究報(bào)道。馬曉焉等［3］在紅壤性水稻土上的研究發(fā)現(xiàn)，表層水氮素含量與豬糞施用量呈正相關(guān)關(guān)系，豬糞施用后15 d 內(nèi)表層水銨態(tài)氮（NH4+-N）、可溶性有機(jī)氮（DON）含量顯著高于單施化肥處理。龔靜靜等［4］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可使稻油輪作農(nóng)田徑流氮素含量下降16.9%～19.8%，有效減緩氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)。郭智等［5］也證實(shí)，較常規(guī)施肥處理，秸稈還田能使稻麥輪作農(nóng)田徑流總氮損失降低13.48%。開(kāi)展稻田養(yǎng)分流失及其消減措施相關(guān)研究是當(dāng)下農(nóng)業(yè)科技工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。

紫云英是南方稻田廣泛種植利用的冬季綠肥，翻壓還田有利于改善土壤性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)［6-9］。在南方紅壤區(qū)習(xí)慣于在早稻種植前（4月中旬）將紫云英帶水翻壓，此時(shí)紫云英含氮量高、鮮嫩多汁、極易分解，還田后迅速釋放養(yǎng)分［10］。但此時(shí)水稻處于苗期，養(yǎng)分需求較小，紫云英還田后可能存在養(yǎng)分流失的風(fēng)險(xiǎn)，然而目前未有關(guān)于紫云英還田影響田面水養(yǎng)分含量的相關(guān)報(bào)道。當(dāng)前，晚稻機(jī)收留茬是南方紅壤區(qū)的普遍現(xiàn)象。水稻留茬有助于紫云英出苗越冬，提高紫云英盛花期的產(chǎn)量和養(yǎng)分含量，留茬也為早稻移栽前與紫云英的聯(lián)合還田提供了可能，近年來(lái)，已有學(xué)者在此方面開(kāi)展了一定研究。周國(guó)朋等［11］發(fā)現(xiàn)，相較于稻茬或紫云英單獨(dú)利用，二者聯(lián)合還田的土壤肥力和水稻產(chǎn)量均得到明顯提升。也有研究發(fā)現(xiàn)，稻茬與紫云英聯(lián)合還田可以驅(qū)動(dòng)土壤產(chǎn)甲烷菌的群落演變，進(jìn)而降低甲烷排放通量，有利于稻田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排［12］。稻茬與紫云英聯(lián)合還田能否降低田面水養(yǎng)分濃度、減少潛在的養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)，還有待研究。

本研究以江西省最典型的紅壤性水稻土和沖積性水稻土為研究對(duì)象，布置精準(zhǔn)控制水稻盆栽試驗(yàn)，設(shè)置紫云英與不同高度稻茬聯(lián)合還田的試驗(yàn)處理，研究水稻土表層水可溶性碳氮含量的動(dòng)態(tài)變化，旨在為南方雙季稻區(qū)紫云英的合理利用、農(nóng)業(yè)面源污染的科學(xué)防控提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2020年5～8月在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（28°33′38″N，115°56′16″E，海拔25.6 m）露天網(wǎng)室進(jìn)行。該地區(qū)為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫17.0～17.7℃，年降水量1600～1700 mm，年日照時(shí)數(shù)1800～1820 h。供試土壤為第四紀(jì)紅黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤性水稻土和河流沖積性母質(zhì)發(fā)育的沖積性水稻土，前者采自江西省豐城市張巷鎮(zhèn)范橋村（28°07′55″N，115°54′36″E，海拔25.4 m），后者采自江西省上高縣泗溪鎮(zhèn)渡埠農(nóng)場(chǎng)（江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高安基地，28°15′21″N，115°7′49″E，海拔25.2 m），所取土壤為未進(jìn)行試驗(yàn)的表層（0～20 cm）水稻土。土壤采集后風(fēng)干，挑去雜物過(guò)2 mm篩，充分混勻備用。供試土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

供試有機(jī)物料為稻茬和紫云英，在2020年4月中旬早稻種植前采集。稻茬為上一年度晚稻機(jī)械收獲后自然越冬的田間留茬，紫云英為盛花期地上部鮮樣。采集后將稻茬和紫云英烘干剪碎至2 cm左右備用，經(jīng)測(cè)定稻茬含碳378.5 g/kg，含氮11.9 g/kg，碳氮比（C/N）31.7，含水量22.4%；紫云英含 碳386.2 g/kg，含 氮24.5 g/kg，C/N 15.8，含 水量88.2%。供試化肥為尿素（N 46%）、鈣鎂磷肥（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：不施用稻茬和紫云英（CK）、紫云英單獨(dú)還田（MV）、低量稻茬和紫云英聯(lián)合還田（LSMV）、高量稻茬和紫云英聯(lián)合還田（HSMV），每個(gè)處理4次重復(fù)。除CK外，各處理紫云英還田量均為干物質(zhì)2700 kg/hm2（按鮮草產(chǎn)量22500 kg/hm2，含水量88.0%計(jì)算），LSMV處理按1350 kg/hm2添加稻茬（大約相當(dāng)于晚稻機(jī)械收獲留茬10～15 cm），HSMV處理按4050 kg/hm2添加稻茬（大約相當(dāng)于晚稻機(jī)械收獲留茬30～45 cm）。參照當(dāng)?shù)卮筇锸┓柿?xí)慣，各處理的化肥施用 量 為N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。氮肥按照基肥50%、穗肥50%施用，磷肥和鉀肥全部用作基肥。將各處理的基肥、有機(jī)物料與5 kg供試土壤完全混勻、裝盆，每盆準(zhǔn)確灌入5 L去離子水，而后挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻幼苗進(jìn)行移栽，每盆移栽2株水稻幼苗。試驗(yàn)期間每天上午定時(shí)定量補(bǔ)水?？紤]到盆栽試驗(yàn)可能出現(xiàn)養(yǎng)分供應(yīng)不足的情況，參考劉蕊等［13］的方法在實(shí)際操作中將有機(jī)物料和化肥用量擴(kuò)大2倍，各處理具體添加量見(jiàn)表2。

表2 有機(jī)物料添加量及化肥施用量 （g/盆）

1.3 盆栽表層水的采集與測(cè)定

水稻移栽后第3、7、15、30 d用50 mL注射器在盡量不擾動(dòng)土層情況下，隨機(jī)采集盆栽內(nèi)3個(gè)點(diǎn)位的表層水裝入250 mL塑料瓶?jī)?nèi)，過(guò)0.45 μm濾膜后，盡快測(cè)定濾液的可溶性有機(jī)碳（DOC）、可溶性總氮（DTN）、NH4+-N和硝態(tài)氮（NO3--N）含量。濾液的DOC和DTN使用Multi C/N 3100（德國(guó)耶拿公司）測(cè)定，NH4+-N和NO3--N使用Smart chem 200全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（法國(guó)愛(ài)利安斯公司）測(cè)定。濾液的無(wú)機(jī)氮（DIN）含量為NH4+-N和NO3--N含量的加和，DON通過(guò) DTN與DIN的差值計(jì)算得出［14］。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003整理后，用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析、Duncan多重比較，用Origin 9.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻土表層水DOC含量的動(dòng)態(tài)變化

紅壤性水稻土表層水DOC含量的動(dòng)態(tài)變化如圖1a所示。整個(gè)取樣期內(nèi)CK始終下降，而MV、LSMV和HSMV處理均表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢(shì)。與CK相比，LSMV和HSMV處理的DOC含量增幅較小，而MV處理則顯著提高。在第7 d峰值時(shí)，LSMV和HSMV處理的DOC含量相較于CK分別提高了41.6%和87.6%（P＜0.05），而MV處理卻大幅提高了5.9倍（P＜0.05），達(dá)到414.3 mg/L。在第30 d時(shí)，各處理的DOC含量差異不顯著。

圖1 水稻土表層水DOC含量的動(dòng)態(tài)變化

沖積性水稻土表層水DOC含量的動(dòng)態(tài)變化如圖1b所示。整個(gè)取樣期內(nèi)，CK、LSMV和HSMV處理始終下降，僅MV處理呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。與紅壤性水稻土不同，沖積性水稻土中添加物料各處理的DOC含量均增幅較小。與CK相比，整個(gè)取樣期內(nèi)MV處理的DOC含量平均增幅僅為27.9%，而LSMV和HSMV處理分別達(dá)到36.2%和62.7%。

2.2 水稻土表層水DTN含量的動(dòng)態(tài)變化

紅壤性水稻土表層水DTN含量的動(dòng)態(tài)變化如圖2a所示，各處理表層水的DTN含量始終呈下降趨勢(shì)。整個(gè)取樣期內(nèi)，LSMV和HSMV處理的DTN含量與CK相近，二者分別為CK的77.1%～118.9%（P＞0.05）和81.0%～125.0%（P＞0.05）；而MV處理則大幅提高。在第3 d時(shí)，MV處理的DTN含量高達(dá)575.4 mg/L，是CK的15.1倍，在第15 d時(shí)，MV處理的DTN含量急劇下降到66.4 mg/L，仍然是CK的11.4倍。在第30 d時(shí)，各處理表層水的DTN含量差異不顯著。

圖2 水稻土表層水DTN含量的動(dòng)態(tài)變化

沖積性水稻土表層水DTN含量的動(dòng)態(tài)變化如圖2b所示。與紅壤性水稻土相似，沖積性水稻土各處理表層水的DTN含量也呈下降趨勢(shì)。不同的是，整個(gè)取樣期內(nèi)MV處理的DTN含量相較于CK增幅較小，僅上升了3.3%～44.2%；而LSMV和HSMV處理的DTN含量相較于CK甚至下降了20.9%～32.0%和24.5%～54.9%。在第30 d時(shí)，各處理表層水的DTN含量差異不顯著。

2.3 水稻土表層水NH4+-N含量的動(dòng)態(tài)變化

紅壤性水稻土表層水NH4+-N含量的動(dòng)態(tài)變化如圖3a所示，各處理表層水的NH4+-N含量始終呈下降趨勢(shì)。在第3 d取樣時(shí)，MV處理的NH4+-N含量為49.9 mg/L，相較于CK提高了117.9%（P＜0.05），而LSMV和HSMV處理相較于CK分別僅提 高 了25.8%（P＞0.05）和40.4%（P＞0.05）。第7～30 d，MV、LSMV和HSMV處理的NH4+-N含量與CK逐漸趨于一致。

沖積性水稻土表層水NH4+-N含量的變化規(guī)律與DTN相似。從圖3b可以看出，整個(gè)取樣期內(nèi)，各處理的NH4+-N含量呈下降趨勢(shì)。在前7 d，MV處理的NH4+-N含量相較于CK有所上升，增幅達(dá)35.2%～37.0%，而LSMV和HSMV處理的NH4+-N含量相較于CK卻有所下降，降幅分別為18.6%～25.9%和48.5%～55.0%。15 d后，各處理的NH4+-N含量與CK相近。

2.4 水稻土表層水NO3--N含量的動(dòng)態(tài)變化

紅壤性水稻土表層水NO3--N含量的動(dòng)態(tài)變化如圖4a所示。各處理NO3--N含量均在第7 d達(dá)到峰值后下降。各處理NO3--N含量峰值僅在1.6～5.6 mg/L之間，其中LSMV處理的NO3--N含量最高，相較于CK峰值上升了32.3 %（P＜0.05），HSMV處理的NO3--N含量最低，相較于CK峰值降低了61.8%（P＜0.05）。取樣期內(nèi)MV處理和CK的NO3--N含量始終相近，無(wú)顯著差異（P＞0.05）。在第30 d時(shí)，各處理表層水的NO3--N含量差異不顯著。

圖3 水稻土表層水NH4+-N含量的動(dòng)態(tài)變化

圖4 水稻土表層水NO3--N含量的動(dòng)態(tài)變化

沖積性水稻土表層水NO3--N含量的動(dòng)態(tài)變化如圖4b所示。與紅壤性水稻土相似，各處理的NO3--N含量均在第7 d達(dá)到峰值后下降。各處理NO3--N含量峰值在2.4～7.0 mg/L之間，其中CK的NO3--N含量明顯高于其他處理，HSMV處理的NO3--N含量相較于CK降低了66.1 %（P＜0.05），降幅最大，而LSMV處理的NO3--N含量相較于CK僅下降了26.1%（P＜0.05），降幅最小。在第30 d時(shí)，各處理表層水的NO3--N含量差異不顯著。

2.5 水稻土表層水DON含量的動(dòng)態(tài)變化

紅壤性水稻土表層水DON含量的動(dòng)態(tài)變化如圖5a所示。各處理的DON變化規(guī)律與其DTN（圖2a）相似，在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)始終呈下降趨勢(shì)。MV處理的DON含量顯著高于其他處理（P＜0.05），第3 d時(shí)其峰值含量高達(dá)532.4 mg/L，相較于CK大幅提高了35.8倍（P＜0.05）；而LSMV、HSMV處理的DON含量卻與CK無(wú)顯著差異（P＞0.05）。在第30 d時(shí)，各處理表層水的DON含量趨于一致。

沖積性水稻土表層水DON含量的變化規(guī)律如圖5b所示。在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，各處理的DON含量均呈下降趨勢(shì)。與紅壤性水稻土表層水的DON表現(xiàn)相反，在第3 d峰值時(shí)，MV處理的DON含量?jī)H11.0 mg/L，相對(duì)于CK顯著降低了37.8%（P＜0.05），而LSMV和HSMV處理與CK接近，前者的DON含量下降了4.6%（P＞0.05），后者的DON含量上升了9.3%（P＞0.05）。在第30 d時(shí)，各處理表層水的DON含量差異不顯著。

2.6 水稻土表層水DOC/DTN的動(dòng)態(tài)變化

紅壤性水稻土表層水DOC/DTN的變化規(guī)律如圖6a所示，隨觀測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理的DOC/DTN整體呈上升趨勢(shì)。在觀測(cè)初期（前7 d）各處理的DOC/DTN接近，第15 d時(shí)，各處理DOC/DTN的大小順序?yàn)镠SMV（16.5）＞LSMV（9.5）≈CK（8.5）＞MV（3.3）。但第15 d后，各添加有機(jī)物料處理（MV、LSMV和HSMV）的DOC/DTN迅速趨于一致，第30 d時(shí)，其值在23.8～24.7之間，顯著高于CK的16.3（P＜0.05）。

圖5 水稻土表層水DON含量的動(dòng)態(tài)變化

圖6 水稻土表層水DOC/DTN的動(dòng)態(tài)變化

沖積性水稻土表層水DOC/DTN的變化規(guī)律如圖6b所示，在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)各處理的DOC/DTN也呈整體上升趨勢(shì)。與紅壤性水稻土不同，在前15 d，各處理DOC/DTN的大小順序始終為HSMV＞LSMV＞MV＞CK，且在第15 d時(shí)各處理相互間達(dá)到顯著差異（P＜0.05）。但第15 d后，CK的DOC/DTN迅速上升，而MV、LSMV和HSMV處理趨于一致，第30 d時(shí)，CK的DOC/DTN（35.1）顯著高于MV、LSMV和HSMV處理（29.1～30.2）。

3 討論

水稻土表層水中的可溶性碳氮是稻田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它既是植物、微生物可以直接吸收利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是造成稻田養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)的潛在污染源［3，15-16］。本研究發(fā)現(xiàn)，在紅壤性水稻土上將紫云英單獨(dú)還田（MV處理），表層水中的DOC、DTN和DON含量急劇增加，三者最高時(shí)分別達(dá)到414.3（第7 d）、575.4（第3 d）和532.4 mg/L（第3 d），相對(duì)于對(duì)應(yīng)時(shí)間的CK分別增加了5.9、14.1和35.8倍，而沖積性水稻土MV處理的DOC、DTN和DON含量相對(duì)于CK最高也僅增加了51.9%（第7 d）、25.2%（第7 d）和58.4%（第7 d）?？梢?jiàn)紫云英單獨(dú)還田對(duì)兩種水稻土表層水中可溶性碳、氮養(yǎng)分濃度的影響截然不同，在紅壤性稻田中存在極高的流失風(fēng)險(xiǎn)。這可能與兩種水稻土的性質(zhì)差異有關(guān)。紅壤性水稻土發(fā)育自第四紀(jì)紅黏土，其質(zhì)地黏重、通氣透水性差，紫云英分解釋放的大量碳、氮養(yǎng)分未能被土體有效吸納而存在于表層水中；而沖積性水稻土的砂粒含量較高（表1），其機(jī)械組成更加“松散”，通氣透水性好，具有強(qiáng)大的“海綿功能”，對(duì)投入的外源養(yǎng)分能很快表現(xiàn)出良好的“緩沖性能”。雖然前人研究也曾發(fā)現(xiàn)添加外源物質(zhì)對(duì)不同類型水稻土的影響各異［17-18］，但幾乎未見(jiàn)類似于本研究中紅壤性水稻土和沖積性水稻土如此巨大差別的研究報(bào)道，之后還需要進(jìn)一步研究以深入揭示不同類型水稻土產(chǎn)生差異的根本原因。鄭小龍等［19］研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可有效吸附田面水中的DOC和氮、磷養(yǎng)分，從而降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。本研究也發(fā)現(xiàn)，在紅壤性水稻土上將稻茬與紫云英聯(lián)合還田，LSMV和HSMV處理表層水的DOC、DTN和DON含量均大幅降低至與CK接近的水平。其原因可能是：一方面，稻茬也具有一定的吸附養(yǎng)分功能；另一方面，高C/N的稻茬（31.7）可與低C/N的紫云英（15.8）形成互補(bǔ)，微生物分解稻茬時(shí)會(huì)大量吸收環(huán)境中的氮素養(yǎng)分［20-21］。因此，在南方紅壤性水稻土上，晚稻機(jī)收留茬越冬配合紫云英在次年春季聯(lián)合還田應(yīng)當(dāng)是一項(xiàng)值得推廣的技術(shù)措施。

本研究發(fā)現(xiàn)，不論是紅壤性水稻土還是沖積性水稻土，表層水中的NH4+-N含量均在第3 d達(dá)到峰值，而NO3--N含量均在第7 d達(dá)到峰值。其原因是紫云英還田后快速分解，植株體內(nèi)的有機(jī)氮首先經(jīng)礦化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹H4+-N，進(jìn)而經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3--N，因而NH4+-N的峰值早于NO3--N出現(xiàn)，這也與許多研究［22-23］一致。對(duì)于表層水的NH4+-N含量，可以看出兩種水稻土均以紫云英單獨(dú)還田的MV處理峰值最高，而將稻茬與紫云英聯(lián)合還田可將NH4+-N含量大幅降低35.6%～42.4%（紅壤性水稻土）和45.9%～48.5%（沖積性水稻土）。由于氨揮發(fā)是稻田氮素?fù)p失的主要途徑，田面水的NH4+-N濃度是影響氨揮發(fā)的重要因素，因此，稻茬與紫云英聯(lián)合還田可能是有效控制紫云英單獨(dú)施用后稻田氨揮發(fā)損失的關(guān)鍵措施。對(duì)于表層水中的NO3--N含量，在兩種水稻土上，各添加物料處理的NO3--N峰值均表現(xiàn)為L(zhǎng)SMV＞MV＞HSMV（處理間差異顯著，P＜0.05），這說(shuō)明紫云英配合低量稻茬還田促進(jìn)了NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化，而配合高量稻茬則明顯抑制了NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化。盤莫誼等［24］研究發(fā)現(xiàn)，在水稻生長(zhǎng)前期土壤的硝化作用強(qiáng)度隨秸稈還田量的增加呈先上升后降低的趨勢(shì)。Scarlett等［25］也發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)控還田物料的C/N可以改變土壤微生物的豐度和群落組成，進(jìn)而影響NH4+-N向NO3--N轉(zhuǎn)化的速率。微生物最適宜的環(huán)境C/N一般在20～30之間［26］。表層水的DOC/DTN既反映了微生物吸收利用環(huán)境中碳氮養(yǎng)分的狀況，也在一定程度上代表了水稻土C/N的發(fā)展方向。本研究發(fā)現(xiàn)，在觀測(cè)結(jié)束時(shí)（第30 d），紅壤性水稻土各添加物料處理的表層水DOC/DTN在23.8～24.7之間，顯著高于CK（16.3），而沖積性水稻土各添加物料處理在29.1～30.2之間，顯著低于CK（35.1），說(shuō)明在兩種水稻土上進(jìn)行稻茬和紫云英還田，均有助于培肥改良土壤，促進(jìn)微生物對(duì)碳氮的利用和固持。

4 結(jié)論

在紅壤性水稻土上將紫云英單獨(dú)還田，會(huì)大幅提高水稻土表層水中DOC、DTN和DON的含量，急劇增加養(yǎng)分流失的風(fēng)險(xiǎn)；將稻茬與紫云英聯(lián)合還田，會(huì)使表層水的DOC、DTN和DON含量降低至與CK接近的水平。而在沖積性水稻土上將紫云英單獨(dú)還田，表層水中的DOC、DTN和DON含量增幅較小。將稻茬與紫云英聯(lián)合還田還有助于降低兩種水稻土表層水中的NH4+-N含量，低量的稻茬配合紫云英還田可促進(jìn)NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化，而高量的稻茬配合紫云英還田明顯抑制了NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化。因此，在南方稻田，晚稻機(jī)收留茬越冬配合紫云英在次年春季聯(lián)合還田應(yīng)當(dāng)加以推廣，尤其是在紅壤性水稻土上更應(yīng)采取此項(xiàng)技術(shù)措施。