王淑彬,王禮獻(xiàn),楊文亭,楊濱娟,周 泉,黃國勤

江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室/江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心, 南昌 330045

土壤有機碳是碳循環(huán)中重要的碳庫,其庫容是大氣碳庫的3.3倍,它對于土壤生產(chǎn)力和全球碳循環(huán)至關(guān)重要[1],其輸入和分解與自身的蓄積和溫室氣體的排放密切相關(guān)[2]。土壤有機碳的儲量是根據(jù)土壤里面的植物殘體量以及土壤在微生物的作用下分解損失量,這兩者之間有一個平衡,會受到土壤自身特性、所處地區(qū)氣候、耕作措施、施肥制度、輪作方式及灌溉制度等一系列因素的影響[3-5]。不同學(xué)者對其組分的劃分也有所不同[6-7]。許多學(xué)者研究的熱點集中在對外界因素非常敏感、周轉(zhuǎn)速度快的土壤有機碳活性組分上[8]。土壤活性有機碳一般包括可溶性有機碳、輕組有機碳、顆粒態(tài)有機碳、微生物量碳和易氧化有機碳等,它們在不同程度上反映土壤有機碳的有效性和土壤質(zhì)量[9-10]?？扇苄杂袡C碳對養(yǎng)分流動、土壤生物活性、碳儲備和溫室氣體及水環(huán)境質(zhì)量都有重要影響[11-13]。雖然土壤活性有機碳在有機碳中所占的比重很小,但因與土壤生產(chǎn)力密切相關(guān),對土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化供應(yīng)有著重要影響,各碳庫質(zhì)量指數(shù)均與土壤養(yǎng)分含量呈顯著相關(guān)[14]。有研究發(fā)現(xiàn),土壤活性有機碳含量隨季節(jié)變化而變化[15]。肖小平等[16]研究發(fā)現(xiàn)與冬閑對照相比,黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻、油菜-雙季稻3種不同冬季覆蓋作物殘茬還田后,土壤耕作層(0—20 cm)的土壤有機碳和活性有機碳含量均有所提高。王麗宏等[17]研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)耕作體系容易導(dǎo)致土壤有機碳損失,認(rèn)為采用保護(hù)性耕作體系、改善輪作體系、縮短休閑期等措施可以減少農(nóng)田土壤原有有機碳的損失。楊濱娟等[18]通過研究不同紫云英翻壓量結(jié)合不同施氮水平對土壤活性有機碳庫各組分及碳庫管理指數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)單施綠肥能夠顯著促進(jìn)土壤總有機碳和活性有機碳的累積。周歡等[19]研究表明秸稈還田能顯著增加土壤有機碳和活性有機碳含量,不同耕作方式下土壤有機碳和活性有機碳含量存在差異。展茗等[20]研究表明3種稻作模式(稻鴨復(fù)合種養(yǎng)、間歇灌溉、常規(guī)淹水灌溉)下土壤可溶性有機碳和微生物生物量碳在水稻拔節(jié)齊穗階段含量最高,易氧化有機碳在水稻整個生育期內(nèi)變化平穩(wěn),主要受稻作模式的影響。微生物生物量碳受水稻生育期的影響最大,可溶性有機碳受水稻生育期和稻作模式的影響均較大。

南方雙季稻田區(qū)是我國水稻主產(chǎn)區(qū),冬季復(fù)種方式多種多樣[21-22]。如何更好的發(fā)揮冬季作物的效益實現(xiàn)水稻生產(chǎn)的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效是目前研究的重要課題之一。鑒于土壤碳庫對水稻生產(chǎn)的重要性,本試驗研究不同冬種模式下雙季稻田土壤碳庫狀態(tài),探索不同冬季作物在稻田中的固碳作用,以期為南方雙季稻地區(qū)選擇適宜冬季作物提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2012年10月在江西省萬年縣農(nóng)科所試驗田進(jìn)行,試驗前土壤肥力比較均勻。供試土壤為壤土,試驗前表層土壤(0—20 cm)pH值為6.08,有機質(zhì)含量為41.81 g/kg,全氮含量為1.97 g/kg,有效磷含量為16.38 mg/kg,速效鉀含量為130.00 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)5個處理,每個處理重復(fù)3次,共15個試驗小區(qū),每個試驗小區(qū)面積為66 m2,隨機排列,小區(qū)周圍設(shè)置1 m左右的保護(hù)行。試驗設(shè)計如下表1所示。

1.3 供試品種及田間管理

冬季紫云英品種為余江大葉籽,每年9月底10月初播種,播種量為45 kg/hm2,于田間進(jìn)行均勻撒播。紫云英每年施鈣鎂磷肥為375 kg/hm2為基肥,第二年盛花期翻耕還田。冬季油菜品種2013年為蓉油5號,2014年為綿豐油18,2015年為贛油雜8號。每年9月底10月初育苗,播種量為22.5 kg/hm2,每公頃施45%三元素復(fù)合肥300 kg,尿素150 kg作為基肥。晚稻收獲后進(jìn)行油菜移栽,油菜籽收獲后油菜秸稈切碎還田。大蒜品種為山東金鄉(xiāng)蒜,每年11月初播種,播種量250kg/hm2,肥料施用為：每公頃施45%三元素復(fù)合肥750 kg,菜籽枯餅900 kg,尿素225 kg,全部用作基肥施用。馬鈴薯于2012年11月中旬播種,播種量2000 kg/hm2,按株距40 cm,行距30 cm播種。肥料施用為：施菜籽枯餅900 kg/hm2,45%三元素復(fù)合肥750 kg/hm2,全部作基肥施用。2013年4月下旬收獲。早稻品種2013年為天優(yōu)463,2014年為株兩優(yōu)09,2015年為欣榮08,播種時間為3月底4月初,移栽時間為5月初,7月中旬收獲。2013—2015年晚稻品種均為天優(yōu)華占,播種時間為6月中旬,移栽時間為7月中下旬,10月下旬收獲。水稻肥料用量參照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量：早、晚稻所用化肥：尿素(N46%),每公頃施330 kg,鈣鎂磷肥(P2O512% ),每公頃施420 kg,氯化鉀(K2O60% ) 每公頃施200 kg。磷肥、鉀肥全部作基肥,氮肥按基肥：分蘗肥：穗肥=5:3:2施用。分蘗肥在水稻移栽后5—7 d時施用,穗肥在主莖幼穗長1—2 cm時施用。早稻收獲后稻草全部翻壓還田,晚稻收獲后稻草半量還田,其他田間管理措施同一般大田栽培。

表1 試驗設(shè)計

表中A,B,C,D,E為處理號,CK表示對照,A處理為冬閑接茬早稻和晚稻連作處理,B處理為冬季紫云英接茬早稻和晚稻連作處理,C處理為冬季油菜接茬早稻和晚稻連作處理,D處理為冬季大蒜接茬早稻和晚稻連作處理,E處理為每年冬季分別為馬鈴薯、紫云英和油菜,接茬早稻和晚稻的三年一輪的輪作處理

1.4 測定項目及方法

1.4.1 作物考種與測產(chǎn)

2015年水稻成熟期每小區(qū)考查50株,計算單位面積有效穗數(shù),按平均穗數(shù)進(jìn)行取樣,每小區(qū)取5株,考查穗長、每穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素,測產(chǎn)按各小區(qū)實打?qū)嵤沼嬎恪?/p>

1.4.2 土壤有機碳測定

2015年于晚稻收獲時采用5點取樣法,于田間取(0—20 cm)土層,混合均勻,一部分自然風(fēng)干,測定土壤有機碳,易氧化有機碳等。另一部分于冰箱內(nèi)冷藏(4℃),用于測定土壤微生物量碳和可溶性有機碳。土壤活性有機碳庫及碳庫管理指數(shù)計算以試驗地周邊稻田土壤為參考土,其總有機碳含量為16.85 g/kg,活性有機碳含量為2.39 g/kg。方法如下：

①土壤有機碳(SOC)：采用重鉻酸鉀外加熱法[23]。

②土壤活性有機碳(AOC),采用 333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定[24-25]。

③土壤可溶性有機碳(DOC)：稱取2 g新鮮土樣,放入50 mL蒸餾水中,震蕩1 h,過濾,然后將濾液收集起來,離心15 min (1000 r/min)。將浮在表層的物質(zhì)通過抽吸裝置,用帶有孔徑為 0.45 μm的濾膜進(jìn)行抽濾,濾液加5 mL 0.8 mol/L K2Cr2O7和5 ml濃H2SO4,在185℃下消煮5 min,用0.2 mol/L Fe2SO4滴定。

④土壤微生物生物量碳(MBC)：采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法[26]。

⑤ 土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)的計算方法[27]：活性碳+穩(wěn)態(tài)碳=總有機碳；碳庫指數(shù)=樣品全碳/參照土壤全碳；碳庫活度=活性碳/穩(wěn)態(tài)碳；碳庫活度指數(shù)=樣品碳庫活度/參照碳庫活度；碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析及整理,作圖。用SPSS17.0軟件進(jìn)行顯著性分析,用LSD(least significant difference test)進(jìn)行樣本平均數(shù)的差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季稻田冬季復(fù)種對水稻產(chǎn)量的影響

由表2可以看出,早稻產(chǎn)量構(gòu)成因素中：穗長最長的是處理B,為21.41,各處理與對照差異不顯著。水稻有效穗數(shù)以處理D最高,處理C最小。處理B、D、E與對照冬閑處理差異顯著。每穗粒數(shù)以處理B最高,處理E最小,各冬種處理與對照差異不顯著。結(jié)實率以處理D最高,其次為處理C,處理D與對照差異顯著。千粒重處理C最高,其次為處理B,再次為處理E,最后為處理D。各處理與對照差異不顯著。產(chǎn)量以處理D最高,其次為處理B,均與對照呈顯著性差異。晚稻產(chǎn)量構(gòu)成因素則是處理B的穗長最長,其次為處理C,各處理與對照差異不顯著。有效穗數(shù)以處理B最高,其次為處理D,再次為處理E,均與對照處理呈顯著性差異。每穗粒數(shù)最高的是對照,其次是處理D,各處理與對照差異不顯著。結(jié)實率處理B最高,其次為處理D,各處理與對照差異不顯著。千粒重處理B最高,其次為處理C,各處理與對照差異不顯著。晚稻產(chǎn)量以處理B最高,其次為處理E,再次為處理D,均與對照處理呈顯著性差異。水稻全年產(chǎn)量以冬種紫云英處理為最高。由此可以看出,稻田冬種作物能夠增加有效穗數(shù),顯著提高水稻產(chǎn)量。

表2 稻田冬種復(fù)種對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值；同列不同的字母分別表示差異達(dá)5%顯著水平

2.2 雙季稻田冬季復(fù)種對稻田土壤總有機碳和活性有機碳的影響

圖1 雙季稻田冬季復(fù)種下對土壤總有機碳和活性有機碳含量的影響Fig.1 Effect of winter green manure and upland multiple cropping patterns on total organic carbon and active organic carbon contents of soil圖中A,B,C,D,E處理參見表1,數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值;柱形圖上的不同字母分別表示差異達(dá)5%顯著水平

從圖1可以看出,不同冬種處理土壤總有機碳含量以處理B最高,其次為處理D,各冬種處理與對照差異顯著,說明冬季種植作物能提高土壤總有機碳含量。土壤活性有機碳含量以處理D最高,其次為處理B,再次為處理C,最小為處理E,各冬種處理均與對照呈顯著性差異。說明種植不同冬季作物對提高活性有機碳的含量有顯著效果。

2.3 雙季稻田冬季復(fù)種對土壤活性有機碳各組分含量的影響

從表3可以看出,不同冬種處理下可溶性有機碳含量以處理B為最高,其次為處理C和E,再次為處理D,且各冬種處理與對照呈顯著性差異。不同冬種處理微生物量碳含量也以處理B最大,其次為處理D,且各冬種處理與對照處理差異顯著。這可能是由于不同冬季作物對土壤中的微生物的影響不同,使得各處理土壤可溶性有機碳含量和微生物量碳存在顯著差異。各冬種處理微生物熵除處理C以外,均高于對照,以處理B的最大,但各冬種處理與對照差異不顯著。

表3 雙季稻田冬種復(fù)種對土壤活性有機碳組分的影響

DOC:dissolved organic carbon；MBC:microbial biomass carbon;同列不同小寫字母表示同一年度不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.4 雙季稻田冬季復(fù)種對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

由表4可知,土壤穩(wěn)態(tài)碳以處理B為最高,其次為處理D,各冬種處理均高于對照,但除處理B與對照差異顯著外,其他處理與對照差異不顯著。不同冬種處理土壤碳庫指數(shù)均有所提高,處理B為最高,處理E最小,且均與對照差異顯著。各冬種處理碳庫活度均高于對照,以處理C和處理D最高,且各處理與對照均呈顯著性差異。不同冬種處理的土壤碳庫活度指數(shù)以處理D最高,且與對照差異顯著。其他冬種處理均高于對照,但與對照差異不顯著。各冬種處理碳庫管理指數(shù)以處理D最高,其次為處理B,且各冬種處理均高于對照,除處理E外,各冬種處理與對照均呈顯著性差異。由此可見,種植不同冬季作物可以提高土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)。

表4 雙季稻田冬季復(fù)種下的土壤碳庫管理指數(shù)

AOC:active organic carbon；CPI:carbon pool index；CPMI: carbon pool management index;同列不同小寫字母表示同一年度不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.5 土壤有機碳與土壤活性有機碳各組分及碳庫管理指數(shù)的相關(guān)分析

由表5可以看出,土壤總有機碳與活性有機碳和微生物量碳之間呈極顯著相關(guān),與可溶性有機碳和碳庫管理指數(shù)存在顯著相關(guān),這說明土壤總有機碳與土壤活性有機碳的關(guān)系比可溶性有機碳更為密切。此外,活性有機碳與可溶性有機碳、微生物量碳呈極顯著相關(guān),這說明活性有機碳含量會影響可溶性有機碳和微生物量碳的含量?？扇苄杂袡C碳與微生物量碳和碳庫管理指數(shù)存在極顯著相關(guān),微生物量碳與碳庫管理指數(shù)也存在極顯著相關(guān),這說明不同土壤活性有機碳各組分之間關(guān)系密切,同時也說明了土壤可溶性有機碳和微生物量碳的變化與碳庫管理指數(shù)的大小有關(guān)系。

表5 土壤總有機碳與土壤活性有機碳各組分及碳庫管理指數(shù)的相關(guān)分析

*為顯著相關(guān)(P<0.05), **為極顯著相關(guān)((P<0.01)

3 討論

3.1 雙季稻田冬季復(fù)種對水稻產(chǎn)量的影響

冬季種植作物歷史悠久,冬季種植不同作物對雙季稻產(chǎn)量有不同的影響。于天一等[28]研究表明,冬種馬鈴薯和紫云英增加了雙季稻產(chǎn)量,冬種油菜降低了晚稻產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明,冬種作物早稻產(chǎn)量均高于對照,晚稻產(chǎn)量除冬種油菜有所降低外,其他各冬作處理均高于對照。這與于天一等的研究結(jié)果一致。高菊生等[29]多年的研究也表明,種植紫云英,提高水稻產(chǎn)量潛力最高,產(chǎn)量穩(wěn)定性最好。本研究結(jié)果也表明,冬種紫云英處理全年產(chǎn)量為最高,原因可能是因為紫云英是豆科作物,有較好的固氮效果,翻壓還田后能培肥地力,促進(jìn)水稻的生長,從而提高水稻產(chǎn)量。而從本研究對各處理土壤有機碳的研究可以看出,冬種紫云英處理土壤的有機碳含量,可溶性有機碳含量及微生物量碳含量均高于其他處理。這說明土壤總有機碳高有助于提高土壤活性有機碳含量,從而提高作物產(chǎn)量。

3.2 雙季稻田冬季復(fù)種對土壤總有機碳和活性有機碳的影響

土壤的活性有機碳庫組分可分為可溶性有機碳、微生物量碳、顆粒有機碳及易氧化有機碳。大量研究認(rèn)為,土壤不同形態(tài)碳素含量的變化與耕作方式、施肥方式、栽培方式、秸稈還田等農(nóng)業(yè)管理措施密切相關(guān)[14,19,27-32]。路丹等[33]研究表明,免耕和稻草還田均能提高活性有機碳含量。周國朋等[31]研究結(jié)果表明,江西黃泥田上,紫云英還田配施全量化肥較單施化肥能夠顯著提高土壤有機質(zhì)和土壤可溶性有機碳含量。這與本研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)不同冬種處理的土壤總有機碳含量與冬閑相比均有不同程度的提高,主要的原因可能是冬種紫云英和油菜均有一定的還田量,增加了土壤里的有機殘茬,對土壤有機質(zhì)進(jìn)行了補充[30]。本研究結(jié)果還表明,冬季種植不同作物均可以顯著提升土壤活性有機碳含量,這與前人研究結(jié)果一致[32,34]。本研究中,冬作處理紫云英與油菜秸稈均還田,增加了土壤中的有機質(zhì),因此對提高活性有機碳含量有一定貢獻(xiàn)。本研究還表明冬種復(fù)種處理微生物量碳提高明顯,冬季種植紫云英和油菜的處理與冬閑處理間達(dá)到顯著性差異?？赡艿脑蚴且驗榫G肥是還田作物,油菜也屬于養(yǎng)地作物,增加了外源有機碳的來源,為微生物提高了充足的碳源,促進(jìn)微生物的生長,提高其活性[35]。

3.3 雙季稻田冬種復(fù)種對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)因結(jié)合了土壤碳庫指標(biāo)和土壤碳庫活度指標(biāo),不僅反映了外界管理措施對土壤有機碳總量的影響,也反映了土壤有機碳組分的變化情況[36]。碳庫管理指數(shù)是衡量土壤管理水平和供肥能力的良好的評價指標(biāo)。肖小平等[16]研究表明冬季作物殘茬還田提高了土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)和土壤碳庫管理指數(shù),其中以紫云英殘茬還田的效果為最好,黑麥草和油菜殘茬還田的效果次之。王晶等[37]和宇萬太等[38]的研究結(jié)果顯示,施有機肥或就有機肥與無機肥配合施用比不施肥和單施化肥顯著提高了土壤碳庫管理指數(shù)。何翠翠等[39]研究結(jié)果表明,長期單施化肥和長期秸稈還田兩種措施均不利于黑土活性有機質(zhì)的提高和碳庫管理指數(shù)的增加,而有機無機肥配施的碳庫管理指數(shù)顯著提高,且隨著有機肥施用量的增加碳庫管理指數(shù)提升的效果越明顯。說明土壤碳庫管理指數(shù)能靈敏反應(yīng)不同施肥方式對土壤有機碳的影響。而本研究表明,與對照冬閑相比,不同冬種處理土壤碳庫指數(shù)(CPI)均顯著增加,說明冬種作物能夠提高碳庫管理指數(shù),而由于不同冬種處理的冬季作物類型和還田量的不同,以及作物或者秸稈還田后在稻田土壤中的腐解速度不同,土壤碳庫管理指數(shù)存在差異。但種植冬季作物能顯著提高土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)。

3.4 土壤有機碳與活性有機碳各組分及碳庫管理指數(shù)的相關(guān)分析

通過對土壤總有機碳、土壤活性有機碳及其各組分及碳庫管理指數(shù)的相關(guān)分析可知,土壤總有機碳與活性有機碳關(guān)系密切,土壤活性有機碳在一定程度上依賴于土壤總有機碳儲備量。此外,活性有機碳與可溶性有機碳、微生物量碳和碳庫管理指數(shù)達(dá)到極顯著相關(guān),可溶性有機碳與微生物量碳和碳庫管理指數(shù)存在顯著相關(guān),微生物量碳與碳庫管理指數(shù)也存在極顯著相關(guān),這與楊濱娟等[18]的研究結(jié)果一致。這說明不同土壤活性有機碳之間關(guān)系密切,盡管它們測定的方法不一樣,但在一定程度上表征了土壤中活性程度較高的有機碳含量,同時說明了碳庫管理指數(shù)能夠指示土壤活性有機碳的變化。

4 結(jié)論

冬種作物可以提高雙季稻產(chǎn)量,冬種綠肥對作物產(chǎn)量提高效果最好。冬種作物還可以顯著提高土壤有機碳和活性有機碳含量,土壤碳庫管理指數(shù)也有顯著提高。