不同輪作休耕模式對(duì)稻田土壤有機(jī)碳及其組分的影響

楊濱娟，李新梅，胡啟良，劉寧，黃國(guó)勤

江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045

耕地是不可再生資源。農(nóng)村農(nóng)業(yè)部明確提出“堅(jiān)持用地養(yǎng)地結(jié)合，推進(jìn)耕地質(zhì)量保護(hù)與提升”，要“采用間套輪作、深耕深松、保護(hù)性耕作、糧草輪作、秸稈還田、增施有機(jī)肥、種植綠肥等多種方式，促進(jìn)種養(yǎng)結(jié)合”[1］。輪作是利用不同作物的生物學(xué)特性，使不同的作物間均衡互補(bǔ)地利用光、溫、水、氣等自然資源，實(shí)現(xiàn)年間土地的高效利用，提高資源利用效率[2］。而休耕不是撂荒，也不是傳統(tǒng)意義上的棄耕，而是有管理、有計(jì)劃地休耕，旨在維持和增強(qiáng)地力，改善農(nóng)業(yè)資源生態(tài)環(huán)境[3］。實(shí)施輪作休耕不僅有助于耕地的修養(yǎng)生息，也有利于保護(hù)耕地資源，保護(hù)農(nóng)產(chǎn)品潛在生產(chǎn)能力[4］。土壤活性有機(jī)碳（active or?ganic carbon，AOC）雖然占比較小，但與土壤全碳相比，更有利于被植物、微生物利用[5］，能敏感地反映土壤細(xì)微的變化[6］，與土壤的理化性狀[7］、耕作方式[8］和施肥措施[9］等具有密切的關(guān)系。同時(shí)，活性有機(jī)碳的不同組分及碳庫(kù)管理指數(shù)（carbon pool manage?ment index，CPMI）也是反映土壤質(zhì)量和肥力的良好指標(biāo)[8］。國(guó)內(nèi)外眾多研究表明，種植制度、耕作栽培方式、施肥方法（有機(jī)無(wú)機(jī)配施比例）和稻田環(huán)境均是影響稻田微生物量碳、氮和活性碳變化的重要因素[10-12］。比如，在復(fù)種輪作中豆科（綠肥）作物、配合有機(jī)無(wú)機(jī)施肥措施，可以明顯提高土壤中的有機(jī)碳，增加碳素供應(yīng)以提高微生物對(duì)其的利用率[13-14］?！岸痉N養(yǎng)結(jié)合-早稻-晚稻”模式在早稻分蘗期和晚稻孕穗期能顯著提高稻田土壤可溶性有機(jī)碳、有機(jī)氮和微生物量氮[15］。種植冬季作物并秸稈覆蓋還田，能較好地提高稻田0~5、5~10 和10~20 cm 土層土壤的碳庫(kù)活度（carbon pool activity，A）、碳庫(kù)活度指數(shù)（carbon pool activity index，AI）、碳庫(kù)指數(shù)（carbon pool index，CPI）和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）[16］。因此，本研究在“紫云英-早稻-晚稻”傳統(tǒng)種植模式上，設(shè)置不同類型的輪作休耕模式，探究稻田輪作休耕種植模式對(duì)稻田土壤有機(jī)碳及其組分的影響，以期為雙季稻作區(qū)合理應(yīng)用綠色高效的復(fù)種輪作休耕模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn) 于2017 年9 月 至2019 年11 月，在 江西省鷹潭市余江區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田（28°14′8″N，116°51′22″E）進(jìn)行，試驗(yàn)地屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明，降雨充沛，年降雨量1 788.8 mm，年平均氣溫17.6 ℃，太陽(yáng)年輻射總量4 542.7 kJ/m2，年無(wú)霜期平均258 d。試驗(yàn)地土壤多為泥沙淤土，少數(shù)為紅壤土，土質(zhì)肥沃，微酸性。試驗(yàn)前土壤（0~20 cm）基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況：土壤pH 值5.07，有機(jī)質(zhì)30.07 g/kg，全氮1.79 g/kg，堿解氮182.67 mg/kg，有效磷86.10 mg/kg，速效鉀129.67 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料與田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)處理，其中處理A 為連作對(duì)照，處理B、C、D 進(jìn)行2 a 復(fù)種輪作，處理E 為休耕模式，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為66.7 m2，小區(qū)間的田埂、水溝和環(huán)溝的寬度分別為0.5、1.0和0.5 m。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

試驗(yàn)作物和品種：紫云英（余江大葉籽），油菜（贛油1 號(hào)），早稻（中早33），晚稻（黃花占），大豆（滬鮮豆6 號(hào)），玉米（贛1 號(hào)），甘蔗（贛紫皮果蔗），甘薯（贛南瓜紅薯）。

2018 年和2019 年早晚稻播期均相同，均采用移栽方式。早稻4 月15 日移栽，行株距為20 cm×14 cm，7 月8 日收獲；晚稻7 月10 日移栽，行株距為20 cm×17 cm，11 月4 日收獲；紫云英播種量為22.5 kg/hm2，2017 年10 月1 日播種，在盛花期（2018 年4月10 日）直接翻壓還田；油菜種植密度為11.1 萬(wàn)株/hm2，2017 年12 月6 日移栽，2018 年5 月15 日收獲；大豆種植密度為6.7 萬(wàn)株/hm2，春大豆4 月15 日移栽，6 月6 日收獲，秋大豆6 月15 日移栽，10 月31日收獲；玉米播種量為6.7 萬(wàn)株/hm2，7 月15 日播種，10 月20 日收獲；甘蔗種植密度為8 230 株/hm2，5 月16 日移栽，12 月6 日收獲；甘薯種植密度為5.6萬(wàn)株/hm2，7月15日移栽，10月20日收獲。

肥料種類及用量：作物施肥料為尿素（N 46%）、“施大壯”復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%）。早、晚稻化肥施肥量相等，水稻氮、鉀肥分基肥、蘗肥、穗肥3 次撒施，施用比例為基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3，分蘗肥在移栽后5~7 d施用，穗肥在主莖幼穗長(zhǎng)1~2 cm 時(shí)施用。作物施肥量詳見(jiàn)表2，早稻秸稈切碎全量還田，晚稻秸稈覆蓋還田，其他田間管理措施均按照一般大田栽培。

表2 作物施肥管理Table 2 Field fertilization management kg/hm2

1.3 作物考種與測(cè)產(chǎn)

按照各作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，以原糧折算標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算產(chǎn)量作對(duì)比分析。其中水稻、玉米、大豆、綠肥、馬鈴薯、甘薯、甘蔗實(shí)際產(chǎn)量的測(cè)定方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[17］。

1.4 土壤有機(jī)碳庫(kù)測(cè)定

于2018、2019 年晚稻成熟期每小區(qū)用5 點(diǎn)取樣法取0~20 cm 土壤，混勻，一部分自然風(fēng)干，用于土壤總有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳的測(cè)定，另一部分于冰箱內(nèi)冷藏（4 ℃，< 72 h），用于土壤活性有機(jī)碳的測(cè)定。參考稻田土壤的總有機(jī)碳含量16.67 g/kg，活性有機(jī)碳含量計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件整理數(shù)據(jù)。用SPSS17.0 系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素（one-way ANOVA）和Duncan’s 法進(jìn)行方差分析和多重比較（α=0.05）。用Excel 2010 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作休耕模式對(duì)作物產(chǎn)量的影響

表3 為2018 年和2019 年各處理作物的生物量。因處理E 為休耕，其作物生物量為0（故在進(jìn)行產(chǎn)量比較時(shí)處理E 不計(jì)入）。由表3 可知，2019 年的作物生物量較2018 年，除處理B 增產(chǎn)87.86%外，其他處理有減產(chǎn)趨勢(shì)。2018 年各處理作物的生物量最高的是處理D（油菜-甘蔗||春大豆），高出其他處理41.87%~128.12%。2019 年各處理作物的生物量最高的是處理B（油菜-甘蔗||春大豆），高出其他處理13.93%~101.67%。結(jié)合2 a 的數(shù)據(jù)來(lái)看，處理D（油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯）的總生物總量最大，較其他處理高出31.68%~65.91%。試驗(yàn)結(jié)果表明，5 種模式中，輪作模式有利于作物生物量的積累，尤其是油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯復(fù)種輪作模式。

表3 各處理的作物生物量Table 3 Crop biomass at different stages of treatments kg/hm2

2.2 輪作休耕模式對(duì)稻田土壤有機(jī)碳及其組分的影響

1）土壤全碳含量。 從圖1 可以看出，2018 年至2019 年晚稻收獲后，除處理C 外，其余各處理土壤全碳含量均有所下降，下降幅度為13.72%~20.10%；2018 年處理D 的土壤全碳含量最高，顯著高出處理C 15.89%（P<0.05）。2019 年處理C 的土壤全碳含量達(dá)到最大且僅顯著高出處理B 13.44%（P<0.05）。復(fù)種輪作模式土壤全碳含量變化最大，“油菜-甘蔗||春大豆”和“紫云英-春大豆-秋大豆”模式更有利于土壤全碳的積累。

圖1 各處理2018?2019年間土壤全碳含量Fig.1 Soil total carbon content during 2018?2019

2）土壤活性有機(jī)碳。由圖2 可知，與2018 年相比，2019 年晚稻收獲后各處理土壤活性有機(jī)碳含量均有所增加，增加幅度為11.67%~51.38%，且均是處理E 含量最低。2018 年處理C 僅顯著高于處理E 46.50%（P<0.05）。2019 年處理B 的活性有機(jī)碳含量最高，分別顯著高出CK 和處理E 36.45%、40.41%（P<0.05）。綜上說(shuō)明，復(fù)種輪作模式較于連作模式和休耕模式更有利于土壤活性有機(jī)碳含量的積累，以“紫云英-早稻-玉米||甘薯”和“油菜-甘蔗||春大豆”模式表現(xiàn)最好。

圖2 各處理2018?2019年土壤活性有機(jī)碳含量Fig.2 Soil active organic carbon content during 2018?2019

3）土壤可溶性有機(jī)碳。土壤可溶性有機(jī)碳是土壤碳庫(kù)中非?；钴S的有機(jī)組分。由圖3可以看出，除處理C 外，2019 年較2018 年各處理的土壤可溶性有機(jī)碳均有所增加，增加幅度為20.08%~40.32%，但2018 年各處理間差異不顯著（P>0.05）。2019 年處理B 的土壤可溶性有機(jī)碳含量最高，除了處理D 外，顯著高出其他處理16.25%~39.84%（P<0.05）。綜上，不同模式對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳影響很大，休耕模式較于連作模式更有利于土壤可溶性有機(jī)碳的積累，“油菜-甘蔗||春大豆”模式表現(xiàn)更好。

圖3 各處理2018?2019年土壤可溶性有機(jī)碳含量Fig.3 Soil dissolved organic carbon content during 2018?2019

4）土壤微生物量碳。由圖4可知，2019晚稻收獲后較2018 年，除處理B 外，其他各處理的土壤微生物量碳均有所下降，下降幅度為1.76%~14.31%，且2018 年各處理均差異不顯著（P>0.05）。2019 年處理B 的微生物量碳最高，顯著高出其他處理6.89%~40.39%（P<0.05）。綜上，不同的復(fù)種輪作方式對(duì)土壤微生物量碳的影響更大，“油菜-甘蔗||春大豆”模式表現(xiàn)最好，更有利于微生物快速生長(zhǎng)繁殖，更有利于促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解。

圖4 各處理2018?2019年土壤微生物量碳Fig.4 Soil microbial biomass carbon content during 2018-2019

2.3 輪作休耕模式對(duì)稻田土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

從表4 可以看出，與2018 年相比，2019 年晚稻收獲后土壤碳庫(kù)活度（A）、碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）、碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）的變化趨勢(shì)基本一致，而且整體都有所增加。2018 年處理C 的碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)均達(dá)到最大，且僅與處理E差異達(dá)到顯著（P<0.05）。2019 年處理B 的A、AI 和CPMI 均達(dá)到最大，且均顯著高出其他處理59.46%~84.38%、59.06%~84.47%和52.81%~71.40%（P<0.05）。綜上，不同的耕作方式和管理措施對(duì)土壤的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)影響顯著，輪作模式更有利于提高A、AI 和CPMI，尤其是“紫云英-早稻-玉米||甘薯”和“油菜-甘蔗||春大豆”模式表現(xiàn)較好。

表4 各處理的稻田土壤碳庫(kù)管理指數(shù)Table 4 Management index of soil carbon pool in paddy field of at different stages of treatments

3 討 論

不同耕作措施與秸稈還田方式影響作物產(chǎn)量及土壤有機(jī)碳庫(kù)[19］，不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)管理指數(shù)受施肥、氣候、土壤利用方式、耕種年限等因素的影響[20］。本研究中，2018?2019 年晚稻收獲期土壤碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)、碳庫(kù)管理指數(shù)均呈增加的趨勢(shì)，不同的耕作方式和施肥措施對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)影響顯著，復(fù)種輪作系統(tǒng)更有利于提高土壤碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)、碳庫(kù)管理指數(shù)。究其原因，一方面，農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量與有機(jī)質(zhì)的輸入相關(guān)，作物根系殘留、秸稈還田等均是有機(jī)碳增加的主要原因，另一方面，紫云英、大豆固氮作用強(qiáng)，秸稈腐解釋放部分有機(jī)氮源，也能增加部分土壤有機(jī)碳含量。

稻田活性有機(jī)碳，如可溶性有機(jī)碳和微生物量碳等能夠較好地反映稻田土壤質(zhì)量，能靈敏有效地測(cè)度土壤質(zhì)量的細(xì)微變化[20-22］。秸稈還田能顯著增加土壤有機(jī)碳含量[23］，在本研究中得到了驗(yàn)證，復(fù)種輪作模式土壤全碳含量變化最大，復(fù)種輪作模式中“油菜-甘蔗||春大豆”和“紫云英-春大豆-秋大豆”更有利于土壤全碳的積累，而2019 年的全碳含量總體低于2018 年，這可能是因?yàn)閺?fù)種輪作模式更容易消耗化肥和土壤養(yǎng)分等，這與2019 年的作物產(chǎn)量和土壤肥力都低于2018 年有直接的關(guān)系，這是否是短期的影響還需要進(jìn)一步的觀測(cè)和深入研究。張鵬等[24］研究表明，輪作能增加土壤有機(jī)碳含量，維持土壤中原有的易氧化有機(jī)碳，本研究得到了類似的結(jié)果，復(fù)種輪作模式和休耕模式較連作模式更有利于土壤活性有機(jī)碳含量的積累。不同復(fù)種輪作方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響，既包括耕作方式改變和不同作物秸稈還田所引起的有機(jī)質(zhì)積累和分解、礦化等因素產(chǎn)生的影響，還包括不同種植模式與施肥管理所帶來(lái)的土壤物理、化學(xué)和生物因素的長(zhǎng)期影響。因此，有必要對(duì)輪作休耕模式進(jìn)行長(zhǎng)期深入的動(dòng)態(tài)研究。

稻田復(fù)種輪作模式能夠提高復(fù)種指數(shù)及資源利用率，能使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)高產(chǎn)高效。本研究分析了各種植模式下土壤有機(jī)碳及其組分的變化情況，特別是對(duì)輪作休耕模式進(jìn)行了綜合分析，可為稻田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。但由于本試驗(yàn)?zāi)晗掭^短，研究還不夠深入，有待于長(zhǎng)期試驗(yàn)研究。

綜上，復(fù)種輪作模式有利于作物生物量的積累，尤其是本試驗(yàn)中的油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯復(fù)種輪作模式。2018?2019 年晚稻收獲后，采用復(fù)種輪作模式、休耕模式較連作模式更有利于土壤活性有機(jī)碳含量的積累，休耕模式較連作模式更有利于土壤可溶性有機(jī)碳的積累，5 種復(fù)種輪作模式中，“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”輪作模式表現(xiàn)更好。耕作方式和管理措施對(duì)土壤的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)影響明顯，輪作模式更有利于提高土壤碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)、碳庫(kù)管理指數(shù)，尤其是“紫云英-早稻-玉米||甘薯”和“油菜-甘蔗||春大豆”模式表現(xiàn)較好。因此，在南方雙季稻區(qū)“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”復(fù)種輪作模式能夠增加作物產(chǎn)量，有利于土壤活性有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的提高，值得推廣應(yīng)用。