紅壤旱地以玉米為主體的不同種植模式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

郭樹健，李淑娟，李娜，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

紅壤是我國主要土壤類型之一，我國南方旱地主要以紅壤旱地為主，南方紅壤區(qū)水、光、熱資源豐富，自然條件優(yōu)越，生產(chǎn)潛力巨大，是區(qū)域經(jīng)濟(jì)（糧、經(jīng)、飼、菜）農(nóng)業(yè)重要資源、重要生產(chǎn)基地。但由于紅壤旱地限制因子多，加上耕作管理措施不當(dāng)進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)田環(huán)境惡化，效益不高[1］。農(nóng)田土壤固碳有助于碳循環(huán)，同時(shí)可以提升土壤肥力和質(zhì)量。土壤有機(jī)碳可以預(yù)警農(nóng)田土壤質(zhì)量好壞，和土壤養(yǎng)分息息相關(guān)，活性有機(jī)碳（包括可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳等）能夠體現(xiàn)人類活動(dòng)所帶來的土壤結(jié)構(gòu)變化[2-4］。微生物量碳既能反映土壤微生物活躍程度，也能評價(jià)其生物肥力[5-6］。土壤碳庫管理指數(shù)是表征土壤碳庫變化的指標(biāo)，取決于土壤總有機(jī)碳和碳穩(wěn)定性，有助于評估土壤質(zhì)量[7］。研究表明輪作模式有利于土壤有機(jī)質(zhì)含量和碳庫管理指數(shù)的提高[8-9］。韓明政等[10］和張洋等[11］研究結(jié)果表明間作可以提高植物多樣性，改良土壤結(jié)構(gòu)，能有效提高碳庫管理指數(shù)，增加土壤碳儲量。蒲玉琳等[12］研究表明2 種間作模式的碳庫管理指數(shù)均大于100%，能不同程度提升土壤質(zhì)量。目前，對紅壤旱地研究較多的是施肥[13-14］、不同土地利用方式[2，15］對土壤碳庫的影響，尚缺乏關(guān)于紅壤旱地以玉米為主體的輪作及間作模式對土壤碳庫管理指數(shù)的研究。本研究結(jié)合紅壤旱地實(shí)際，設(shè)置不同輪作模式，以冬季作物為起點(diǎn)，第2 季主要是玉米為主體的間作，通過分析第1、2季收獲后的土壤碳庫管理指數(shù)變化，篩選出適宜紅壤旱地的不同種植模式，從而為提高土壤肥力、質(zhì)量，優(yōu)化種植制度提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020 年10 月至2021 年10 月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園（28°76′N，115°84′E）進(jìn)行，該處地勢平坦，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，光熱資源充足，年均降水量為2 223.2 mm，年均氣溫16.5 ℃。試驗(yàn)初始土壤性狀：pH 4.48，全氮1.29 g/kg，全磷1.08 g/kg，全鉀53.40 g/kg，有效磷62.27 mg/kg，速效鉀96.75 mg/kg，有機(jī)質(zhì)26.03 g/kg，堿解氮96.49 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)5 個(gè)處理，分別是紫云英（Astragalus sinicusL.）-玉米（Zea maysL.）（CM）為對照（CK）、馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）-玉米||大豆（Glycine max（Linn.）Merr.）（PMS）、“三花”混播（紫云英×油菜×肥田蘿卜（Raphanus sativusL.））-玉米||花 生（Arachis hypogaeaLinn.）（TMP）、蠶豆（Vicia fabaL.）-玉米||甘薯（Dioscorea esculenta（Lour.）Burkill）（BMS）、油 菜（Brassica campestrisL.）-玉米||大豆（RMS）。每處理設(shè)置3 次重復(fù)，共15 個(gè)小區(qū)，小區(qū)長6 m，寬5.5 m，小區(qū)面積33.0 m2。紫云英品種為余江大葉籽，馬鈴薯品種為東農(nóng)303，肥田蘿卜品種為南畔洲蘿卜，蠶豆品種為青蠶1 號，油菜品種為陽光121，玉米品種為贛新糯7號，大豆品種為綠寶石，花生品種為華贛1號，甘薯品種為廣薯87，作物種子圴購自南昌種子商店。紫云英、“三花”撒播，紫云英播種量為37.48 kg/hm2，“三花”中的紫云英、油菜、肥田蘿卜按照5∶1∶1質(zhì)量比播種，紫云英播種量為7.50 kg/hm2、油菜1.5 kg/hm2、肥田蘿1.5 kg/hm2；馬鈴薯株距25 cm，行距50 cm，密度5 336 株/667 m2；蠶豆株距25 cm，行距50 cm，密度5 336 兜/667 m2（每蔸3 株）；油菜株距20 cm，行距30 cm，10 914株/667 m2。單作玉米行距為65 cm，大豆與大豆、花生與花生行距為30 cm，甘薯與甘薯的行距為35 cm，大豆、花生、甘薯與玉米的行距均為50 cm；間作3個(gè)處理分別是2行玉米分別間作2行大豆、2 行花生、2 行甘薯，6 行大豆、花生、甘薯，8 行玉米；玉米株距25 cm，大豆、花生、甘薯株距均為20 cm。玉米密度3 880 株/667 m2，大豆、花生、甘薯密度為2 910株/667 m2。

1.3 田間管理

于2020年10月26日播種紫云英和“三花”，2021年3 月31 日盛花期進(jìn)行翻壓。2020 年10 月27 日播種油菜，2021 年4 月26 日收獲。2020 年11 月6 日播種蠶豆，2021 年4 月23 日收獲。2020 年12 月8 日播種馬鈴薯，2021年4月19日收獲。2021年5月5日同時(shí)播種玉米、大豆、花生和甘薯，2021 年玉米和大豆于7月29日收獲，花生于8月30日收獲，甘薯于10月7日收獲。第1、2季作物基肥：復(fù)合肥750 kg/hm2、有機(jī)肥1 500 kg/hm2，撒施后開溝播種。施肥量詳見表1。水分管理主要依靠自然降水以及干旱季節(jié)滴灌，灌水時(shí)間及水量一致，其他管理同大田。

表1 不同種植模式的施肥情況Table 1 Fertilizer application for different cropping patterns kg/hm2

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1）作物產(chǎn)量測定。各小區(qū)實(shí)打?qū)嵤?，測定各作物產(chǎn)量。

2）土壤樣品采集與測定。在第1、2 季作物收獲時(shí)，每個(gè)小區(qū)采用5點(diǎn)取樣法，在單、間作植株根際周圍鉆土，取0~20 cm 耕層土，混合均勻，用于測定各指標(biāo)。土壤有機(jī)碳（total organic carbo，TOC）采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤活性有機(jī)碳（active or?ganic carbon，AOC）采用高錳酸鉀氧化法測定[16］，土壤可溶性有機(jī)碳（dissolved organic carbon，DOC）采用濾液提取分析測定[17］，土壤微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4法測定[18］，土壤易氧化有機(jī)碳（readily oxidizable organic carbon，ROC）采用333 mmol/L KMnO4氧化比色法測定[19］。選取試驗(yàn)田試驗(yàn)前紅壤旱地作為參考農(nóng)田，碳庫活度（carbon pool activity，A）、碳庫指數(shù)（car?bon pool index，CPI）、碳庫活度指數(shù)（carbon pool ac?tivity index，AI）、碳庫管理指數(shù)（carbon pool manage?ment index，CPMI）計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[16］。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019 處理數(shù)據(jù)，利用SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和Pearson 相關(guān)性分析，利用Origin 2018進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳各組分含量的影響

由表2 可知，第1 季收獲后，各處理的土壤總有機(jī)碳含量（TOC）及微生物量碳（MBC）、易氧化有機(jī)碳（ROC）含量沒有明顯規(guī)律，但以CK 微生物量碳（MBC）含量最高。另外，CK 的可溶性有機(jī)碳（DOC）含量為最大值，顯著高于BMS 處理32.00%（P<0.05）。BMS 處理的活性有機(jī)碳（AOC）含量最高，與對照、RMS處理相比有顯著差異（P<0.05），均高于16.94%。在第2 季玉米間作其他作物收獲后，各處理土壤有機(jī)碳庫組分均發(fā)生了變化。各處理的TOC、AOC、DOC 含量沒有顯著差異，但TMP 處理的AOC、DOC、MBC 含量均為最大值，活性有機(jī)碳（AOC）、可溶性有機(jī)碳（DOC）和微生物量碳（MBC）含量分別高于其他處理6.40%~67.89%、3.13%~22.22% 和12.50%~45.95%，其中微生物量碳（MBC）含量與PMS 處理有顯著差異（P<0.05）。對照處理與PMS、BMS 處理的易氧化有機(jī)碳（ROC）含量有顯著差異（P<0.05）。各處理活性有機(jī)碳含量（AOC）分別高于對照53.67%、67.89%、11.01%、57.80%。第2 季較第1 季土壤總有機(jī)碳（TOC）及各組分含量出現(xiàn)不同幅度的升降，且差異不大。各處理的微生物量碳（MBC）都有所下降；但除對照處理和BMS 處理外，活性有機(jī)碳（AOC）含量在第2 季都得到了提升；除對照處理和RMS 處理，可溶性有機(jī)碳（DOC）含量也得到了提升。

表2 不同種植模式下土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳各組分含量Table 2 Soil organic carbon and active organic carbon components under different planting patterns g/kg

2.2 不同種植模式對土壤碳素有效率的影響

由表3 可知，第1 季收獲后，紫云英翻壓處理（CK）的可溶性有機(jī)碳有效率和微生物量碳有效率最高，微生物量碳有效率高于其他處理26.20%~45.68%，其中與PMS、BMS、RMS 處理差異顯著（P<0.05）。第2 季收獲后，各組分碳素有效率變化較大，和CK 相比，其他玉米間作處理的活性有機(jī)碳有效率均高于對照，除BMS 處理外，分別顯著高于CK 49.53%、68.71%、41.48%（P<0.05）；BMS 處理的可溶性有機(jī)碳有效率最高，高于對照34.04%，但差異不顯著，與RMS 處理有顯著差異（P<0.05）；TMP處理的微生物量碳有效率最高，與PMS 處理有顯著差異。與第1 季相比，除對照和BMS 處理外，第2 季的活性有機(jī)碳有效率均高于第1 季；第2 季各處理的微生物量碳有效率也均高于第1季。因此，紅壤旱地以玉米為主體的種植模式可以引起土壤有機(jī)碳組分有效率的變化，不同多熟種植的處理均可以提高微生物量碳有效率，PMS、TMP、RMS處理可以提高活性有機(jī)碳有效率。

表3 不同種植模式下土壤碳素有效率Table 3 Soil carbon efficiency umder different planting patterns %

2.3 不同種植模式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

由圖1 可知，第1 季收獲后，BMS 處理的碳庫管理指數(shù)為最大值，高于對照18.76%，與RMS 處理有顯著差異（P<0.05），其余各處理的各指標(biāo)沒有明顯規(guī)律。由圖2 可知，第2 季收獲后，除BMS 外，各處理的A、AI、CPMI 均差異顯著且高于對照，TMP 處理的A、AI、CPMI 均最大，與其他各處理差異顯著，尤其與對照有明顯差異（P<0.05）。另外，PMS、TMP、RMS 處理的碳庫活度、碳庫活度指數(shù)與對照相比分別顯著提高了52.63%~89.47%和53.49%~93.80%（P<0.05）。除BMS 處理外，PMS、TMP、RMS 處理的土壤碳庫管理指數(shù)顯著高于對照59.24%、60.71%、80.91%（P<0.05）。與第1 季相比，除對照和BMS 處理外，第2 季的碳庫活度、碳庫活度指數(shù)、碳庫管理指數(shù)均有一定的升幅，增幅分別為55.00%~63.64%、57.14%~65.56%、45.60%~52.39%?？傮w來說，紅壤旱地以玉米為主體的各種植模式可以引起土壤碳庫管理指數(shù)較明顯變化，PMS、TMP、RMS 處理均有利于提高土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)，尤以TMP 處理表現(xiàn)最佳。因此，本研究中紅壤旱地以玉米為主體的各種植模式有利于提高土壤碳庫管理指數(shù)。

圖1 第1季收獲后不同種植模式下土壤碳庫管理指數(shù)Fig.1 Soil carbon pool management index under different planting patterns after the first harvest

圖2 第2季收獲后不同種植模式下土壤碳庫管理指數(shù)Fig.2 Soil carbon pool management index under different planting patterns after the second harvest

2.4 不同種植模式對作物生物量和產(chǎn)量的影響

由表4 可知，不同種植模式的總生物量分別 是24 133.14、55 354.05、47 672.25、54 717.53、37 118.03 kg/hm2，其中，總生物量最高的是PMS 處理，最低的是對照處理。經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高的是PMS 處理，PMS、TMP、BMS、RMS 處理分別比對照的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量高出141.06%、67.54%、126.73%、53.81%。因此，相較于傳統(tǒng)單作模式，間作模式的生物量積累潛力大，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量表現(xiàn)更優(yōu)。從表4 還可以看出，玉米產(chǎn)量較高的是PMS、RMS 處理中的玉米間作大豆處理，對照處理產(chǎn)量最低。各間作模式下玉米產(chǎn)量分別比單作（對照）的產(chǎn)量高出25.00%、10.94%、5.90%、14.24%。

表4 不同種植模式的作物生物量Table 4 Crop biomass of different planting modes kg/hm2

2.5 土壤活性有機(jī)碳組分、碳素效率、碳庫管理指數(shù)與玉米產(chǎn)量的相關(guān)性

從表5可以看出，土壤總有機(jī)碳含量與易氧化有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與可溶性有機(jī)碳有效率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。土壤活性有機(jī)碳含量、可溶性有機(jī)碳含量、微生物量碳含量分別與其碳有效率呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。土壤碳庫管理指數(shù)與土壤活性有機(jī)碳含量、活性有機(jī)碳有效率均呈極顯著正相關(guān)。碳素效率與活性有機(jī)碳組分相關(guān)，這也反映出土壤碳庫管理指數(shù)與活性有機(jī)碳含量的關(guān)系更為緊密。但玉米產(chǎn)量與活性有機(jī)碳組分、碳素效率、碳庫管理指數(shù)沒有相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)較大的是總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和碳庫管理指數(shù)。

表5 土壤有機(jī)碳組分、碳素效率、碳庫管理指數(shù)與玉米產(chǎn)量的相關(guān)性分析Table 5 Correlation between soil organic carbon composition，carbon efficiency，carbon pool management index and maize yield

3 討 論

3.1 紅壤旱地以玉米為主體的不同種植模式對不同形態(tài)碳素及碳素有效率的影響

旱地施肥因不同作物對養(yǎng)分的需求、吸收而存在差異，導(dǎo)致土壤肥力的高低[20］。另外，研究發(fā)現(xiàn)相對于單季種植，不同輪作模式會對紅壤性質(zhì)產(chǎn)生有利影響[8，21］。紫云英翻壓后的對照處理微生物量碳和可溶性有機(jī)碳含量最高，與前人研究紫云英翻壓可以提高土壤養(yǎng)分的結(jié)果相符[22］。本研究中有機(jī)碳及其各組分第1 季和第2 季差異不明顯且不規(guī)律可能是由于因冬季種植作物的不同，不同間作模式下植物歸還殘?bào)w的種類和數(shù)量有差異，而有機(jī)碳積累的關(guān)鍵是有機(jī)物的輸入[23］。對于農(nóng)田來說，作物地上部收獲被帶走，輪作處理的SOC 主要來源于殘留根系及其分泌物[6］，與第2 季玉米間作的作物不同，導(dǎo)致第2 季收獲后不同種植模式有機(jī)碳組分發(fā)生了變化，而且土壤MBC 有所降低。孫濤等[24］研究表明間作種植條件下，作物根系生物量高，間作有利于土壤大團(tuán)聚體形成，有利于提高有機(jī)碳含量。但Dijk?star 等[25］認(rèn)為間作系統(tǒng)下進(jìn)入土壤的有機(jī)碳源分解速率高，降低了土壤有機(jī)碳的含量。本研究中，間作對于土壤有機(jī)碳的影響并不明顯。

另外，土壤AOC 是能靈敏監(jiān)測、反映土壤質(zhì)量的指標(biāo)。不同作物輪作的殘留根系、分泌物等影響SOC 的礦化，同時(shí)也會使土壤AOC 的量發(fā)生變化[26］。本研究發(fā)現(xiàn)，除BMS 處理外，不同種植模式均增加了土壤AOC 含量，且提高了活性有機(jī)碳有效率，其中以玉米間作花生、大豆處理較好，表明禾本科間作豆科作物有利于活性有機(jī)碳積累并提高其碳素有效率。可溶性有機(jī)碳屬于活性有機(jī)碳，作為土壤碳庫穩(wěn)定性評估的重要指標(biāo)，也在一定程度上得到了提高。土壤微生物量碳活躍且易變化，能有效評價(jià)土壤生物肥力[27］，雖然第2 季收獲后土壤MBC含量有所下降，但本研究中不同輪作處理均可以提高微生物量碳有效率。總的來說，紅壤旱地以玉米為主體的種植模式有利于提高活性有機(jī)碳各組分及碳素有效率。

3.2 紅壤旱地以玉米為主體的種植模式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

相比土壤總有機(jī)碳，以土壤碳庫管理指數(shù)（CP?MI）評價(jià)土壤質(zhì)量變化、土壤肥力狀況以及管理措施的影響更全面、客觀[28-29］，碳庫管理指數(shù)變大說明肥力得到提高。已有研究表明，輪作作物類型和輪作模式與CPMI 關(guān)系密切[9，30-31］。在本研究中，除對照外，第2 季的CPMI 和第1 季相比，都有明顯的提高，說明輪作模式相比單季種植是有利于提高碳庫管理指數(shù)的；并且第2季的碳庫管理指數(shù)各指標(biāo)都高于對照，這些指標(biāo)和活性有機(jī)碳含量密切相關(guān)，BMS處理碳庫管理指數(shù)表現(xiàn)欠佳也是因?yàn)锽MS 處理活性有機(jī)碳含量較低，且不同輪作模式對土壤肥力影響不同。在本研究中，除對照外，第2季均為間作處理，間作相比單作能提高碳庫管理指數(shù)，有利于增強(qiáng)土壤固碳能力，這與前人研究結(jié)果一致[10-12］。其中尤以禾本科玉米間作豆科作物花生、大豆效果較好，玉米間作甘薯處理優(yōu)勢不明顯，也說明間作作物類型對碳庫管理指數(shù)有一定的影響。

土壤CPMI 與土壤AOC 含量、活性有機(jī)碳有效率呈極顯著相關(guān)（P<0.01），活性有機(jī)碳組分與碳素有效率呈極顯著相關(guān)（P<0.01），可見，土壤碳庫管理指數(shù)與活性有機(jī)碳含量的關(guān)系更為密切，活性有機(jī)碳組分與碳素有效率息息相關(guān)。玉米產(chǎn)量與有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及碳素效率、碳庫管理指數(shù)沒有相關(guān)關(guān)系，這與第2 季是間作處理有關(guān)，間作中存在其他作物競爭養(yǎng)分。但間作處理產(chǎn)量高于單作玉米產(chǎn)量，這與前人研究結(jié)果[32］相符。相關(guān)性系數(shù)較大的是總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和碳庫管理指數(shù)，表明還是有一定關(guān)聯(lián)，后續(xù)可以進(jìn)行更加深入的研究。

以玉米為主體的不同種植模式中，土壤有機(jī)碳的表現(xiàn)最好的是油菜-玉米||大豆處理，對照次之；土壤活性有機(jī)碳和土壤碳庫管理指數(shù)表現(xiàn)較好的是“三花”-玉米||花生、油菜-玉米||大豆處理；玉米產(chǎn)量均高于對照。馬鈴薯-玉米||大豆（PMS）、“三花”-玉米||花生（TMP）、油菜-玉米||大豆（RMS）3 種紅壤旱地種植模式均有利于提高土壤活性有機(jī)碳含量，從而促進(jìn)碳庫活度、碳庫活度指數(shù)、碳庫管理指數(shù)的提高。本研究中“三花”-玉米||花生（TMP）處理最有利于積累活性有機(jī)碳及微生物量碳，其碳庫管理指數(shù)也表現(xiàn)最佳。馬鈴薯-玉米||大豆（PMS）處理的玉米產(chǎn)量最高。土壤活性有機(jī)碳與碳庫管理指數(shù)呈極顯著正相關(guān)。綜上，紅壤旱地以玉米為主體的各種植模式有利于提高活性有機(jī)碳各組分及碳素有效率、土壤碳庫管理指數(shù)，也有利于提高玉米產(chǎn)量，其中馬鈴薯-玉米||大豆處理有利于提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，“三花”-玉米||花生處理最有利于提高碳庫管理指數(shù)，油菜-玉米||大豆處理次之。