紫云英與稻草還田替代部分化肥對(duì)雙季稻產(chǎn)量和土壤活性有機(jī)碳的影響

謝雪，魯艷紅，廖育林，聶軍，張江林，孫玉桃，曹衛(wèi)東，高雅潔

紫云英與稻草還田替代部分化肥對(duì)雙季稻產(chǎn)量和土壤活性有機(jī)碳的影響

謝雪1,2，魯艷紅1,3，廖育林1,3，聶軍1,3，張江林1,3，孫玉桃1,3，曹衛(wèi)東4，高雅潔

1湖南省土壤肥料研究所，長(zhǎng)沙 410125；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；3農(nóng)業(yè)農(nóng)村部湖南耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，長(zhǎng)沙 410125；4中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081

【目的】基于連續(xù)4年田間定位試驗(yàn)，探究紫云英與稻草翻壓還田替代部分化肥對(duì)雙季稻產(chǎn)量以及稻田土壤有機(jī)碳組分、碳庫(kù)管理指數(shù)的影響?！痉椒ā块_(kāi)展雙季稻田間定位試驗(yàn)，測(cè)定早、晚稻產(chǎn)量及連續(xù)試驗(yàn)4年后的土壤有機(jī)碳和土壤高活性、中活性、活性及非活性有機(jī)碳含量，計(jì)算土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理：（1）冬閑+氮、磷、鉀化肥（CF）；（2）翻壓紫云英+氮、磷、鉀化肥（MV）；（3）冬閑+稻草低量還田+氮、磷、鉀化肥 （RSl）；（4）冬閑+稻草高量還田+氮、磷、鉀化肥（RSh）；（5）翻壓紫云英+稻草低量還田+氮、磷、鉀化肥（MV+RSl）；（6）翻壓紫云英+稻草高量還田+氮、磷、鉀化肥 MV+RSh）。晚稻收獲后，采集0—15 cm耕層土壤，采用重鉻酸鉀法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量，高錳酸鉀氧化法測(cè)定土壤高活性（33 mmol·L-1）、中活性（167 mmol·L-1）、活性（333 mmol·L-1）有機(jī)碳含量?！窘Y(jié)果】等氮磷鉀養(yǎng)分投入量下，MV+RSh處理的雙季稻產(chǎn)量與CF、RSl處理差異顯著，其他處理間水稻產(chǎn)量無(wú)顯著差異，雙季稻總產(chǎn)量RSl處理最高，為13 347 kg·hm-2，MV+RSh處理最低，為11 687 kg·hm-2。連續(xù)試驗(yàn)4年后，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV處理的土壤有機(jī)碳含量分別顯著增加42.0%、32.9%、29.9%、28.3%、26.3%（＜0.05）；各處理的土壤活性有機(jī)碳含量提高了23.9%—56.4%，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV處理土壤非活性有機(jī)碳含量分別顯著增加了37.3%、28.6%、25.8%、24.1%、23.4%（＜0.05）。相比CF處理，MV+RSh、MV+RSl、MV、RSh、RSl處理下土壤高活性有機(jī)碳含量增加了12.3%—27.7%，中活性有機(jī)碳含量增加了5.6%—20.0%，活性有機(jī)碳含量增加了9.9%—26.3%。翻壓紫云英和稻草還田顯著提高了土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，CF、MV、RSl、MV+RSl、RSh、MV+RSh處理使得土壤碳庫(kù)管理指數(shù)增加了25.5%—61.7%?！窘Y(jié)論】連續(xù)4年等氮磷鉀養(yǎng)分投入下，翻壓紫云英、稻草還田替代部分化肥用量可以保證雙季稻產(chǎn)量，提高土壤有機(jī)碳含量，且有利于增加土壤高活性、中活性、活性及非活性有機(jī)碳的含量，皆以MV+RSh處理增加最顯著，與僅紫云英還田相比，僅稻草還田對(duì)增加土壤有機(jī)碳含量貢獻(xiàn)更大。綜上，在南方雙季稻區(qū)，在一定替代范圍內(nèi)，紫云英和稻草還田可以減少化肥用量，保證水稻產(chǎn)量。

紫云英還田；稻草還田；土壤有機(jī)碳；土壤活性有機(jī)碳；水稻產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】土壤有機(jī)碳與土壤肥力密切相關(guān)，是表征土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，同時(shí)也是影響作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)物質(zhì)[1-2]。土壤有機(jī)碳含量的降低，會(huì)造成土壤板結(jié)、通透性變差等一系列質(zhì)量問(wèn)題[3-4]。土壤活性有機(jī)碳是土壤中易被微生物分解利用的部分，可直接供給作物吸收利用[5]，而非活性有機(jī)碳是土壤固碳的關(guān)鍵[6]。因此，提高土壤有機(jī)碳、活性以及非活性有機(jī)碳的含量對(duì)于保障土地的可持續(xù)利用具有重要意義。同時(shí)，化肥的過(guò)量施用不僅會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，還會(huì)使土壤性狀?lèi)夯?，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[7]，因此減少化肥施用，促進(jìn)有機(jī)肥替代部分化肥成為形勢(shì)所需。【前人研究進(jìn)展】綠肥是提升土壤肥力的重要有機(jī)肥資源，翻壓還田后能補(bǔ)充土壤氮庫(kù)，減少氮肥的投入，同時(shí)綠肥植株本身含有豐富的有機(jī)碳，翻壓還田后可提高土壤中有機(jī)碳的含量，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[8-10]。研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期翻壓綠肥能夠顯著提高土壤全氮和有機(jī)碳的含量[11-12]。王敬寬等[13]發(fā)現(xiàn)在鹽堿地翻壓綠肥可以顯著提高土壤碳氮和土壤微生物量碳氮含量。同時(shí)，綠肥作為環(huán)境友好型生物資源，可以替代部分化肥來(lái)提高農(nóng)田的生產(chǎn)力，正如馮靜琪[14]發(fā)現(xiàn)減施40%氮肥條件下紫云英還田可以實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)，程會(huì)丹等[15]基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)化肥減量條件下，翻壓不同量的紫云英能不同程度地提高土壤中總有機(jī)碳的含量，同時(shí)保證水稻產(chǎn)量。秸稈也是一種含有豐富有機(jī)碳的農(nóng)業(yè)廢棄資源，秸稈還田能增加農(nóng)田的碳投入，有效提高土壤有機(jī)碳含量和作物產(chǎn)量[16]。和江鵬等[17]發(fā)現(xiàn)秸稈還田既可以提高0—40 cm土層的土壤活性有機(jī)碳的含量，也可以提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）。吳科生等[18]通過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)秸稈與化肥配施能持續(xù)提升作物產(chǎn)量，保證作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。徐桂紅等[19]研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)5年秸稈全量還田能顯著增加水稻產(chǎn)量，改善土壤理化性質(zhì)。因稻草碳氮比（C/N）較高，還田后會(huì)影響作物的前期生長(zhǎng)，紫云英作為豆科綠肥，具有較低的C/N，紫云英協(xié)同稻草還田不僅能夠較好地平衡土壤C/N，還可以緩解因稻草還田引起的作物前期氮素供應(yīng)不足的問(wèn)題[20]。紫云英和稻草協(xié)同還田不僅可以提高土壤有機(jī)碳的含量，還可以在減少化肥用量的條件下保證水稻產(chǎn)量[21-22]。周興等[21]發(fā)現(xiàn)在化肥減施20%的條件下紫云英和稻草協(xié)同還田有利于土壤中有機(jī)碳組分的累積，研究發(fā)現(xiàn)[22]紫云英和水稻秸稈聯(lián)合還田處理在減氮20%和30%的條件下均可以顯著增加水稻產(chǎn)量?？梢?jiàn)，紫云英和稻草還田對(duì)于稻區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。【本研究切入點(diǎn)】目前，大部分研究集中于紫云英、稻草還田對(duì)土壤總有機(jī)碳含量變化及水稻產(chǎn)量的影響。等氮磷鉀養(yǎng)分投入量下，紫云英、稻草還田替代部分化肥對(duì)土壤有機(jī)碳以及不同有機(jī)碳組分的影響相關(guān)研究較少，尤其是對(duì)土壤高活性、中活性、活性以及非活性有機(jī)碳組分的研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】基于以上，本研究主要探究在等氮磷鉀養(yǎng)分投入量的前提下，紫云英及稻草還田替代部分化肥的管理方式下（1）土壤中有機(jī)碳以及高活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳、活性有機(jī)碳與非活性有機(jī)碳含量的變化；（2）土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的變化；（3）是否能使水稻產(chǎn)量保持穩(wěn)產(chǎn)或提高產(chǎn)量。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)定位于湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長(zhǎng)沙縣高橋鎮(zhèn)科研基地（113° 21′ E, 28° 28′ N）。該地位于亞熱帶季風(fēng)氣候帶，年平均氣溫16.8 ℃，年降水量1 400 mm。供試土壤為第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅黃泥，試驗(yàn)前0—15 cm土層（R）的初始理化性質(zhì)見(jiàn)表1。早稻供試水稻品種為湘早秈32號(hào)，晚稻供試水稻品種為深優(yōu)9586。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始于2016年春季，共設(shè)計(jì)6個(gè)處理，分別為（1）冬閑+氮、磷、鉀化肥（CF）；（2）翻壓紫云英+氮、磷、鉀化肥（MV）；（3）冬閑+稻草低量還田+氮、磷、鉀化肥（RSl）；（4）冬閑+稻草高量還田+氮、磷、鉀化肥（RSh）；（5）翻壓紫云英+稻草低量還田+氮、磷、鉀化肥（MV+RSl）；（6）翻壓紫云英+稻草高量還田+氮、磷、鉀化肥（MV+RSh）。3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為20 m2，小區(qū)田埂覆膜隔離，單獨(dú)排灌。

氮、磷、鉀化肥分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀，氮肥50%和鉀肥50%作基肥在移栽前1天施用，另50%用作追肥在分蘗盛期施用。磷肥在移栽前全部作基肥施用。紫云英在冬閑期播種，播種量為30 kg·hm-2，紫云英僅在次年早稻季移栽前與前一年晚稻稻草一并翻壓入土，紫云英翻壓前測(cè)產(chǎn)，生長(zhǎng)量不足時(shí)異地補(bǔ)入，生長(zhǎng)過(guò)量時(shí)刈割移出。具體種植時(shí)間如圖1所示。等氮磷鉀投入量下，除CF處理只施化肥外，其他處理則用不同量紫云英及稻草還田替代部分化肥以減少化肥的施用，具體施肥量見(jiàn)表2。根據(jù)田間實(shí)踐研究，本試驗(yàn)設(shè)定紫云英還田量為鮮重14 000 kg·hm-2，紫云英含水量為90%，紫云英的C/N為12.5；高量稻草還田量為干重5 000 kg·hm-2，低量稻草還田量為干重2 500 kg·hm-2，稻草的C/N約為62。各處理的碳輸入量如圖2所示，本試驗(yàn)中碳投入來(lái)自還田稻草、紫云英翻壓、收獲后水稻殘茬以及水稻根和根系分泌物（根系分泌物碳投入為根碳投入的0.65倍[23]）。其中早稻稻草、根、茬的碳含量（以干重計(jì)）分別為386.8、360.0、377.3 g·kg-1；晚稻稻草、根茬的碳含量（以干重計(jì)）分別為362.4、329.7、376.3 g·kg-1，紫云英碳含量（以鮮重計(jì)）為400.0 g·kg-1。

稻草還田處理：在水稻收獲后將稻草覆蓋于田間，晚稻收獲后的稻草在下次早稻插秧前15 天與紫云英一起原地翻壓入土，早稻收獲后的稻草在晚稻移栽前翻壓入土

表2 不同處理下早、晚稻季的具體施肥量

圖2 不同處理有機(jī)物料的碳輸入量

1.3 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)前采集試驗(yàn)區(qū)0—15 cm表層土壤用于基本理化性狀分析。2019年10月晚稻成熟期每個(gè)小區(qū)采用五點(diǎn)取樣法采集0—15 cm土層土樣，裝入密封袋。帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干研磨過(guò)篩后，測(cè)定土壤有機(jī)碳（SOC）、高活性有機(jī)碳（HLOC）、中活性有機(jī)碳（MLOC）和活性有機(jī)碳（LOC）含量。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀法測(cè)定，采用33、167、333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測(cè)定土壤高活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的含量，非活性有機(jī)碳含量（NLOC）=土壤有機(jī)碳（SOC）含量-土壤活性有機(jī)碳（LOC）含量[24-25]。

1.4 計(jì)算方法與數(shù)據(jù)處理

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）是表征土壤碳庫(kù)變化的指標(biāo)，可以較好地反映在不同管理方式下土壤有機(jī)碳庫(kù)的水平動(dòng)態(tài)變化情況。本文的參考土壤設(shè)定為2016年試驗(yàn)開(kāi)始前的基礎(chǔ)土壤。土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的計(jì)算公式如下[26-27]：

碳庫(kù)指數(shù)（CPI）=樣品總有機(jī)碳含量（g·kg-1）/參照土壤總有機(jī)碳含量（g·kg-1）；

碳庫(kù)活度（L）=樣本中的活性有機(jī)碳（LOC）含量/樣本中的非活性有機(jī)碳（NLOC）含量；

活度指數(shù)（LI）=樣品的碳庫(kù)活度（L）/參照土壤的碳庫(kù)活度（L0）；

碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）=CPI×LI×100。

土壤碳累積變化量計(jì)算公式如下[28]：

土壤碳累積變化量（Mg·hm-2）=（各處理土壤的碳含量-試前基礎(chǔ)土壤的碳含量）×0.001×土壤容重×D×10000；

式中，碳含量（單位為g·kg-1換算為kg·Mg-1），土壤容重固定為試前基礎(chǔ)土壤的容重（單位g·cm-3換算為Mg·m-3），D為取樣深度（單位為m），0.001表示kg換算為Mg的系數(shù)，10000表示m2換算為hm2的系數(shù)。

用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用IBM SPSS Statistic 20進(jìn)行方差分析，用Origin2021進(jìn)行繪圖及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 不同施肥處理對(duì)水稻稻谷產(chǎn)量的影響

等氮磷鉀養(yǎng)分投入下，經(jīng)過(guò)4年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫云英和稻草還田能夠影響水稻稻谷產(chǎn)量，由表3可知，2019年早稻季MV+RSh與RSl、CF處理存在顯著差異（＜0.05），MV+RSh處理產(chǎn)量最低（4 827 kg·hm-2），CF處理產(chǎn)量最高（5 640 kg·hm-2），其他處理間差異不顯著。晚稻季僅MV+RSh和RSl兩者存在顯著差異（＜0.05），RSl處理下稻谷產(chǎn)量最高，為7 730 kg·hm-2，MV+RSh處理下稻谷產(chǎn)量?jī)H6 860 kg·hm-2。兩季稻谷產(chǎn)量總和表明MV+RSh與CF處理差異顯著（＜0.05），產(chǎn)量由高到低依次為RSl、CF、MV、RSh、MV+RSl、MV+RSh。等氮磷鉀投入下，RSl、MV、RSh、MV+RSl與CF處理間產(chǎn)量無(wú)顯著差異，說(shuō)明在一定替代范圍內(nèi)紫云英、稻草還田可以保證雙季稻穩(wěn)產(chǎn)。

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳含量作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)，能夠較好地反映出不同施肥處理對(duì)于土壤質(zhì)量變化的影響。表4表示的是試前基礎(chǔ)土壤（R）與4年試驗(yàn)后不同施肥模式下稻田表層土壤（0—15 cm）有機(jī)碳含量及其土壤有機(jī)碳累積變化量。結(jié)果表明，與R相比較，經(jīng)過(guò)4年試驗(yàn)后，除CF處理外，其他處理都顯著增加了土壤有機(jī)碳含量（＜0.05），其中紫云英+稻草高量還田（MV+RSh）處理土壤有機(jī)碳含量顯著增加了42.0%，其次RSh、MV+RSl、RSl、MV處理的增幅分別為32.9%、29.9%、28.3%、26.3%。與CF相比，其他處理都增加了土壤有機(jī)碳含量，但無(wú)顯著差異。較試前基礎(chǔ)土壤（R），不同處理下0—15 cm土層的有機(jī)碳含量都有一定的累積，表現(xiàn)為MV+RSh＞RSh＞MV+RSl＞RSl＞MV＞CF處理，其中MV+RSh處理下土壤有機(jī)碳累積量增加了7.74 Mg·hm-2，CF處理下土壤有機(jī)碳累積量增加了3.55 Mg·hm-2。說(shuō)明等氮磷鉀投入下，翻壓紫云英、稻草還田替代部分化肥施用有利于稻田表層土壤有機(jī)碳的積累。

表3 不同處理水稻稻谷產(chǎn)量

不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著（＜0.05）。下同

Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments (＜0.05). The same as below

2.3 不同施肥處理對(duì)土壤活性有機(jī)碳組分的影響

活性有機(jī)碳是土壤中有效性較高、對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接作用的有機(jī)碳。試前土壤與經(jīng)過(guò)4年試驗(yàn)后不同施肥處理模式下0—15 cm土層高活性、中活性、活性及非活性有機(jī)碳含量見(jiàn)圖3，不同處理土壤各活性有機(jī)碳組分累積量如表5所示。由圖3和表5可知，等氮磷鉀投入下，紫云英、稻草還田有利于提高土壤各活性有機(jī)碳組分含量和促進(jìn)土壤不同活性有機(jī)碳組分的積累。

2.3.1 高活性有機(jī)碳含量及累積變化量 相較于試前基礎(chǔ)土壤（R），4年試驗(yàn)后，CF、MV、RSl、RSh、MV+RSl、MV+RSh處理顯著提高了土壤高活性有機(jī)碳含量（＜0.05），其含量為1.313—1.677 g·kg-1之間，MV+RSh處理提高了71.8%，CF增加34.5%。相比于CF，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV處理分別增加了27.7%、26.3%、19.7%、12.3%、6.0%。經(jīng)過(guò)4年連續(xù)試驗(yàn)，不同處理土壤高活性有機(jī)碳都得到了累積，其累積變化量表現(xiàn)為MV+RSh＞RSh＞MV+RSl＞RSl＞MV＞CF處理，與CF相比，MV+RSh和RSh處理土壤高活性有機(jī)碳累積變化量顯著提高了107.3%和100.0%。

2.3.2 中活性有機(jī)碳含量及累積變化量 由圖3可知，僅MV+RSh處理與試前土壤的中活性有機(jī)碳存在著顯著性差異（＜0.05），其他處理無(wú)顯著性增加。4年連續(xù)試驗(yàn)后，不同處理間的中活性有機(jī)碳（MLOC）含量不存在顯著差異。類(lèi)似地，不同處理的土壤中活性有機(jī)碳累積變化量也不存在顯著性差異（表5）。

2.3.3 活性有機(jī)碳含量及累積變化量 不同處理下土壤活性有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)和高活性有機(jī)碳含量類(lèi)似。與試前土壤相比，MV+RSh、RSh、RSl、MV+RSl、MV處理下土壤活性有機(jī)碳的含量分別顯著增加了56.4%、34.8%、28.8%、28.0%、25.1%（＜0.05）。4年連續(xù)試驗(yàn)后，MV+RSh處理土壤活性有機(jī)碳累積量增加了2.38 Mg·hm-2，但不同處理間無(wú)顯著差異（圖3，表5）。

2.3.4 非活性有機(jī)碳及累積變化量 4年試驗(yàn)后，與試前土壤相比，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV處理土壤非活性有機(jī)碳含量顯著增加了37.3%、28.6%、25.8%、24.1%、23.4%（＜0.05）。連續(xù)4年試驗(yàn)后，各處理的非活性有機(jī)碳累積量皆有增加， MV+RSh處理增加了5.36 Mg·hm-2，CF處理增加了2.54 Mg·hm-2，但不同處理間土壤非活性有機(jī)碳累積變化量差異不顯著（圖3，表5）。

圖3 不同活性有機(jī)碳組分含量

表5 連續(xù)4年試驗(yàn)后不同處理0—15 cm土層土壤活性有機(jī)碳組分累積變化量

2.4 不同施肥處理對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）是反映土壤碳素動(dòng)態(tài)變化靈敏且有效的重要指標(biāo)[29]，土壤性能向良性方向發(fā)展，土壤肥力水平增加，則CMI表現(xiàn)為上升；若土壤性能向不良方向發(fā)展，土壤肥力水平下降，則CMI表現(xiàn)為降低。圖4顯示的是連續(xù)4年試驗(yàn)后土壤碳庫(kù)管理指數(shù)變化。數(shù)據(jù)表明，與試前基礎(chǔ)土壤相比，除CF處理，其他處理的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)顯著增加了39.7—61.7（＜0.05），連續(xù)4年試驗(yàn)后不同的施肥處理都提高了土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，使土壤性質(zhì)向良性方向發(fā)展。

圖4 連續(xù)4年試驗(yàn)后不同處理的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）

2.5 相關(guān)性分析

雙季稻產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳組分、碳輸入的相關(guān)性分析結(jié)果（圖5）表明，在等氮磷鉀投入下，連續(xù)4年有機(jī)物料替代部分化肥，水稻產(chǎn)量與化肥氮磷鉀投入量顯著正相關(guān)（＜0.01）；與有機(jī)氮磷鉀投入量顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01）；與C輸入、HLOC顯著負(fù)相關(guān)（＜0.05）；與SOC、LOC、MLOC、NLOC無(wú)顯著相關(guān)性。SOC、LOC、HLOC、NLOC間互相顯著正相關(guān)（＜0.001），SOC和LOC與有機(jī)氮磷鉀輸入、C輸入顯著正相關(guān)（＜0.05）；與化肥氮磷鉀輸入顯著負(fù)相關(guān)（＜0.05）。HLOC與有機(jī)氮磷鉀輸入、C輸入顯著正相關(guān)（＜0.01）；與化肥氮磷鉀輸入顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01）。MLOC與HLOC（＜0.01）、NLOC（＜0.05）顯著正相關(guān)；與有機(jī)氮磷鉀輸入、化肥氮磷鉀輸入、C輸入無(wú)顯著相關(guān)性。NLOC與有機(jī)氮磷鉀輸入顯著正相關(guān)（＜0.05），與化肥氮磷鉀輸入顯著負(fù)相關(guān)（＜0.05），與C輸入無(wú)顯著相關(guān)性。

圖5 雙季稻產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳組分、碳輸入的相關(guān)性熱圖（*：P≤0.05；**：P≤0.01；***：P≤0.001）

3 討論

3.1 不同有機(jī)物料替代化肥不同比例下的水稻產(chǎn)量

在南方雙季稻田，種植翻壓豆科綠肥和稻草還田是培肥土壤、提高土壤養(yǎng)分有效性的重要手段。紫云英具有固氮特性，還田后可以為后茬水稻生長(zhǎng)提供氮素，同時(shí)具有活化土壤磷的功能。稻草還田后也可以快速釋放水稻生長(zhǎng)所需要的鉀元素。前人研究表明紫云英和稻草還田可以替代部分氮肥，在氮肥減施20%—40%條件下保證水稻穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)[30-32]。程會(huì)丹[33]通過(guò)連續(xù)11年田間定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，氮、鉀肥減施40%，翻壓15—37.5 t·hm-2紫云英可保證雙季稻穩(wěn)產(chǎn)。吳建富等[34]發(fā)現(xiàn)等氮磷鉀養(yǎng)分投入下，紫云英和稻草還田替代N 15.1%—34.9%，P2O56.5%— 14.7%，K2O 5.4%—68.7%時(shí)，晚稻產(chǎn)量能夠顯著提高9.4%—11.8%。本研究結(jié)果表明，相比全部施用化肥，紫云英+稻草高量替代化肥（氮肥替代31.8%，磷肥替代9.0%，鉀肥替代91.7%）時(shí)水稻產(chǎn)量顯著降低11.8%，而紫云英和稻草替代氮肥9.1%—22.7%，磷肥2.9%—6.7%，鉀肥8.3%—83.3%時(shí)，水稻產(chǎn)量無(wú)顯著變化。這表明在適量替代范圍內(nèi)，紫云英和稻草還田能夠保證水稻穩(wěn)產(chǎn)，這與前人的研究結(jié)果相符。同時(shí)，相關(guān)性分析結(jié)果也表明，在等氮磷鉀養(yǎng)分投入量下，雙季稻產(chǎn)量與化肥氮磷鉀投入量顯著正相關(guān)，而與紫云英和稻草提供的氮磷鉀養(yǎng)分量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.01），這與有機(jī)物料養(yǎng)分釋放特性有關(guān)。當(dāng)有機(jī)氮磷鉀替代量較高時(shí)，大量高碳氮比的水稻秸稈在腐解過(guò)程中會(huì)引發(fā)微生物與水稻爭(zhēng)氮的現(xiàn)象，從而影響苗期水稻的生長(zhǎng)，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量降低[35]。同時(shí)，稻田在淹水狀態(tài)下，有機(jī)物料稻草和紫云英還田后會(huì)在土壤中進(jìn)行厭氧分解，隨著有機(jī)物料還田量的增加，土壤中還原性物質(zhì)積累，對(duì)水稻具有一定的毒害作用，是造成產(chǎn)量降低的可能原因[36]。因此，紫云英+稻草聯(lián)合利用并替代部分氮磷鉀化肥時(shí)，穩(wěn)定或增加水稻產(chǎn)量需要考慮合理的替代比例。

3.2 不同施肥模式下土壤有機(jī)碳含量

土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)物料的輸入緊密相關(guān)[37]，紫云英和稻草是南方稻田重要的土壤有機(jī)投入品。研究發(fā)現(xiàn)種植翻壓紫云英能夠改善土壤的各項(xiàng)理化性質(zhì)，提高土壤肥力，促進(jìn)有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化，提升土壤有機(jī)碳含量[38-39]。稻草含有豐富的有機(jī)養(yǎng)分，稻草還田是提升土壤有機(jī)碳含量的有效手段[40-41]。郭乾坤[42]在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)等氮磷鉀投入下，翻壓45 000 kg·hm-2紫云英替代部分化肥，土壤有機(jī)碳含量提高了16.4%，土壤有機(jī)碳對(duì)于作物產(chǎn)量具有正面影響。同時(shí)也有研究[43]發(fā)現(xiàn)，連續(xù)4年的等養(yǎng)分條件下紫云英和稻草還田替代部分化肥，土壤有機(jī)質(zhì)累積程度增加，土壤肥力得到較好的改善，利于水稻增產(chǎn)。本研究結(jié)果表明，單獨(dú)翻壓紫云英、單獨(dú)稻草還田以及紫云英+稻草聯(lián)合還田均能提高土壤有機(jī)碳含量，這與前人研究結(jié)果相似[15,44]。相比于試前土壤，連續(xù)4年單獨(dú)翻壓紫云英、單獨(dú)稻草還田以及紫云英+稻草聯(lián)合還田可分別增加土壤有機(jī)碳總量4.89、5.27—6.21、5.55—7.74 Mg·hm-2。在等氮磷鉀投入的前提下，土壤有機(jī)碳的含量與有機(jī)物料碳投入顯著正相關(guān)（＜0.01），表明土壤有機(jī)碳含量隨紫云英和稻草有機(jī)物料碳投入量的增加而增加。此外，紫云英和稻草還田后，其分解釋放的養(yǎng)分還能通過(guò)促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)，增加水稻地下部生物量及根系凋落物總量，這也有利于土壤有機(jī)碳的積累[15,45]。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)在稻草還田的基礎(chǔ)上增加紫云英投入可以進(jìn)一步增加土壤有機(jī)碳含量，這與周?chē)?guó)朋等[46]的研究結(jié)果一致。ZHOU等[47]發(fā)現(xiàn)降低有機(jī)投入物的C/N更有利于土壤有機(jī)碳的積累。本研究中稻草具有較高的碳氮比（約62﹕1），還田后礦化速率較慢，而紫云英具有較高的氮含量（碳氮比約25﹕1），稻草與紫云英協(xié)同還田可以調(diào)節(jié)有機(jī)物料投入的C/N，這可能也是紫云英+稻草協(xié)同還田的土壤有機(jī)碳含量高于稻草單獨(dú)還田的原因。本研究還發(fā)現(xiàn)，稻草單獨(dú)還田比紫云英單獨(dú)還田更有利于提高土壤有機(jī)碳含量，這與周興等[21]在湖南南縣連續(xù)5年的雙季稻定位試驗(yàn)研究結(jié)果一致。該現(xiàn)象主要與稻草單獨(dú)還田具有更高的碳輸入量有關(guān)。另外，紫云英碳氮比低，其鮮物質(zhì)翻壓還田可能引發(fā)土壤的“激發(fā)效應(yīng)”，造成土壤原有有機(jī)碳的礦化分解[48]。而單施化肥處理下，土壤有機(jī)碳含量增加主要是由于水稻收割后根茬殘留對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)[49-50]。

3.3 不同施肥模式下土壤不同活性有機(jī)碳組分及土壤碳庫(kù)管理指數(shù)

活性有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，具有易于被土壤微生物分解利用的特征，也是植物獲取土壤養(yǎng)分的主要來(lái)源。大量研究表明紫云英和稻草還田能夠增加土壤不同活性有機(jī)碳組分含量，提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)[15,21,29]。劉威等[51]研究表明，連續(xù)3年試驗(yàn)中紫云英和稻草還田均能顯著增加土壤活性有機(jī)碳含量，且在第2、3年，單稻草還田、紫云英+稻草還田處理的活性有機(jī)碳含量顯著高于單獨(dú)紫云英還田處理，土壤活性有機(jī)碳和水稻產(chǎn)量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。在等養(yǎng)分投入下，有學(xué)者[42]發(fā)現(xiàn)紫云英替代氮肥56.6%，磷肥60.0%，鉀肥52.6%顯著增加土壤微生物量碳含量。在等氮磷鉀投入下，有機(jī)物料替代50%化肥周期性添加，BHARDWAJ等[52]發(fā)現(xiàn)外源C輸入量可以直接影響土壤碳儲(chǔ)量和土壤活性碳組分，而對(duì)非活性有機(jī)碳的影響不大；綠肥和秸稈還田土壤高活性和低活性有機(jī)碳組分增幅最大，隨著碳輸入的增加，土壤活性和低活性有機(jī)碳組分也顯著增加，綠肥還田處理還能顯著提高土壤的固碳潛力，且碳投入與地上生物量產(chǎn)量之間均存在顯著相關(guān)關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)4年試驗(yàn)處理后，土壤活性有機(jī)碳組分得到了正向累積，且CMI也顯著增加，這與鄭佳舜等、彭華等、唐海明等[39,41,53]的研究結(jié)果一致，這說(shuō)明紫云英和稻草還田不僅能提高土壤活性有機(jī)碳組分的含量，還能改善土壤質(zhì)量。這一方面是因?yàn)樽显朴⒑偷静葑鳛樾迈r有機(jī)物料本身含有大量養(yǎng)分，還田后為微生物活動(dòng)提供了豐富的碳源和氮源，使得較多的大分子有機(jī)質(zhì)被分解為小分子有機(jī)質(zhì)，從而提高了土壤中活性有機(jī)碳組分的含量[15]。另外，連續(xù)的有機(jī)物料投入也會(huì)促進(jìn)土壤原有有機(jī)碳被微生物分解，轉(zhuǎn)化為更易被作物吸收利用的活性有機(jī)碳[54]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，紫云英+稻草高量還田處理下土壤活性有機(jī)碳組分累積增加最多，且CMI增幅也最大，這與該處理有機(jī)物料的高投入量有關(guān)。由于紫云英+稻草高量還田為土壤微生物提供了充足的有機(jī)底物，土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)，有利于有機(jī)物向活性組分的轉(zhuǎn)化。龍攀等[55]也發(fā)現(xiàn)綠肥和稻草還田能夠增加土壤活性有機(jī)碳及土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。與參考土壤相比，經(jīng)過(guò)4年的試驗(yàn)后，CF處理的CMI也有所增加，是由于施肥增加了水稻根及根茬的生物量，提高了土壤碳投入，進(jìn)而有利于土壤的活性有機(jī)碳的增加，這與李繼明和徐虎等[49-50]的研究結(jié)果一致。

相關(guān)性熱圖的分析結(jié)果表明，不同活性有機(jī)碳組分和土壤有機(jī)碳的相關(guān)性大小表現(xiàn)為活性≈高活性＞中活性，說(shuō)明3種不同活性有機(jī)碳組分中，活性有機(jī)碳和高活性有機(jī)碳組分更能體現(xiàn)土壤總有機(jī)碳的變化，且本研究發(fā)現(xiàn)非活性有機(jī)碳屬于土壤中較為穩(wěn)定的有機(jī)碳，與有機(jī)物料碳投入無(wú)顯著相關(guān)性。紫云英和稻草還田皆可顯著增加土壤非活性有機(jī)碳含量，這可能是因?yàn)樽显朴⒑偷静葸€田通過(guò)促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成[56]，增強(qiáng)了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，從而提高了土壤非活性有機(jī)碳含量。

4 結(jié)論

4.1 在等氮磷鉀養(yǎng)分投入量下，紫云英與稻草還田替代部分化肥（氮肥替代9.1%—22.7%，磷肥替代2.9%—6.7%，鉀肥替代8.3%—83.3%）可以實(shí)現(xiàn)雙季稻穩(wěn)產(chǎn)，其中稻草低量還田替代部分化肥最有利于維持雙季稻產(chǎn)量。

4.2 紫云英和稻草還田替代部分化肥可以提高土壤有機(jī)碳及不同活性有機(jī)碳組分含量，顯著提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)；紫云英和稻草還田顯著增加了土壤非活性有機(jī)碳含量，有利于提高土壤碳儲(chǔ)量，且以翻壓紫云英+稻草高量還田處理效果最佳；相比于紫云英單獨(dú)還田替代部分化肥，單獨(dú)的稻草還田更有利于提升土壤有機(jī)碳含量。

綜上，紫云英和稻草還田替代部分化肥可在保證雙季稻產(chǎn)量的條件下促進(jìn)土壤中有機(jī)碳含量的增加，在提高土壤活性有機(jī)碳組分的同時(shí)也有利于土壤中穩(wěn)定的非活性有機(jī)碳的積累，對(duì)增加土壤碳固存具有重要作用。

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Effects of Returning Chinese Milk Vetch and Rice Straw to Replace Partial Fertilizers on Double Season Rice Yield and Soil Labile Organic Carbon

XIE Xue1, 2, LU YanHong1, 3, LIAO YuLin1, 3, NIE Jun1, 3, ZHANG JiangLin1, 3, SUN YuTao1, 3, CAO WeiDong4, GAO YaJie1, 3

1Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125;2College of Resources, Hunan Agricultural University, Changsha 410128;3Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Hunan), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Changsha 410125;4Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

【Objective 】 The purpose of this study was to investigate the effects of replacing partial chemical fertilizers with Chinese milk vetch and rice straw on double rice yield and the soil labile organic carbon fractions, carbon pool management index of the paddy soil based on four consecutive years of field experiment. 【Method】 The double-season rice field experiment was conducted, and then yield of rice yield early and late rice, contents of soil organic carbon, soil high labile, medium labile, labile and no labile organic carbon were measured after four years experiment, then soil carbon pool management index were calculated. There were six treatments: (1) Winter fallow + N, P, K (CF); (2) Chinese milk vetch+N, P, K (MV); (3) Winter fallow + low weight of rice straw returning+N, P, K (RSl); (4) Winter fallow+high weight of rice straw returning+N, P, K (RSh); (5) Chinese milk vetch + low weight of rice straw returning+N, P, K (MV+RSl); (6) Chinese milk vetch + high weight of rice straw returning+N, P, K (MV+RSh). After harvest of late rice, 0-15 cm surface soil was collected. Potassium dichromate method was used to determine the content of soil organic carbon, and potassium permanganate oxidation method was used to determine the content of soil organic carbon with high labile (33 mmol·L-1), medium labile (167 mmol·L-1) and labile (333 mmol·L-1). 【Result】Under the equal nitrogen, phosphorus and potassium nutrient inputs, the double-season rice yield under the MV+RSh treatment differed significantly from the CF and RSl treatments, while there was no significant difference in rice yield between the other treatments, and the total double-season rice yield was the highest under the RSl treatment at 13 347 kg·hm-2and the lowest in the MV+RSh treatment at 11 687 kg·hm-2. After four years of continuous trials, the MV+RSh, RSh, MV+RSl, RSl, and MV treatments significantly increased soil organic carbon by 42.0%, 32.9%, 29.9%, 28.3%, and 26.3% (＜0.05), respectively; soil labile organic carbon content was increased by 23.9%-56.4% in each treatment, and soil no labile organic carbon content under MV+RSh, RSh, MV+RSl, RSl, and MV treatments significantly was increased by 37.3%, 28.6%, 25.8%, 24.1% and 23.4% (＜0.05). Compared with the CF treatment, soil high labile organic carbon was increased by 12.3%-27.7%, medium labile organic carbon was increased by 5.6%-20.0%, and labile organic carbon was increased by 9.9%-26.3% under MV+RSh, MV+RSl, MV, RSh and RSl treatments. The CF、MV、RSl、MV+RSl、RSh、MV+RSh treatments increased the soil organic carbon pool management index by 25.5%-61.7%.【Conclusion】 Under four consecutive years of equal nitrogen, phosphorus and potassium nutrient inputs, returning Chinese milk vetch and rice straw replacing part of the chemical fertilizer dosage could ensure double-season rice yields and increase soil organic carbon content, and also help to increase the content of high labile, medium labile, labile and no labile soil organic carbon, all of which were most significantly increased by the treatment of MV+RSh. The contribution of rice straw alone to the increase in soil organic carbon content was greater than that of Chinese milk vetch alone. To sum up, in the southern double-season rice area, within a certain range of substitution, the return of Chinese milk vetch and rice straw to the field could reduce the amount of chemical fertilizer and ensure rice yield, which was of great significance for green and sustainable rice production.

Chinese milk vetch returning; rice straw returning; soil organic carbon; soil labile organic carbon; rice yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.008

2022-10-21；

2022-12-06

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD1700200）、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金（CARS-22-G-11）、國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目（U19A2046）

謝雪，E-mail：2224810653@qq.com。通信作者高雅潔，E-mail：gyj06107048@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）