丁 潔，楊士紅,2，金元林，孫 瀟，江賾偉，肖亞楠

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3. 江蘇省昆山市張浦水利(水務(wù))站， 江蘇 昆山 215321)

土壤有機(jī)碳是土壤最重要的組成部分，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤肥力的重要指標(biāo)[1,2]。土壤中的活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳含量的比例雖然不高，卻可被土壤微生物和植物直接利用，與農(nóng)作物的生長息息相關(guān)。并且土壤活性有機(jī)碳對(duì)外界環(huán)境變化十分敏感，能在土壤有機(jī)碳變化之前反映土壤碳庫的微小變動(dòng)[3]，因此研究土壤有機(jī)碳及其活性組分的變化，有利于揭示農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤有機(jī)碳的影響機(jī)理。

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，2015年我國作物秸稈資源總量約10.4 億t[4]，并且隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高，秸稈的產(chǎn)量還在不斷增加[5]。秸稈直接焚燒或者棄置極易造成火災(zāi)，不僅造成資源浪費(fèi)，也加重了氣候變暖和空氣污染[6,7]。秸稈中含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀和微量元素，秸稈還田可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)耕層土壤酶活性，提高作物產(chǎn)量，變廢為寶[8,9]。目前關(guān)于水稻土壤有機(jī)碳的研究大多集中于耕作措施、還田方式和施肥制度對(duì)土壤有機(jī)碳的影響[10,11]。王保君等[12]研究了麥秸還田后稻田在不同水氮管理模式下的土壤養(yǎng)分及碳庫的短期變化，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著施氮量的增加，稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、易氧化有機(jī)碳含量均呈先升高后降低趨勢(shì)。李碩等[13]的試驗(yàn)結(jié)果表明小麥、玉米秸稈以不同方式還田均可明顯提高土壤有機(jī)碳及其活性組分含量，添加小麥秸稈效果優(yōu)于玉米秸稈，混勻方式優(yōu)于覆蓋方式。對(duì)于灌溉用水方式，尤其是水碳聯(lián)合管理下稻田土壤有機(jī)碳的研究還不多見，隨著水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，其土壤水分管理模式改變了稻田原有的生態(tài)環(huán)境和微生物群落，從而影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解過程。為此本試驗(yàn)在節(jié)水灌溉管理?xiàng)l件下，研究了秸稈還田處理下的稻田土壤有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、微生物量碳的季節(jié)變化，探討了水碳聯(lián)合調(diào)控對(duì)稻田土壤有機(jī)碳以及活性有機(jī)碳組分的影響規(guī)律，旨在為南方地區(qū)制定合理、高效的水碳管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山試驗(yàn)研究基地(34°15′21″N ，121°05′22″E)，昆山市地處太湖平原，境內(nèi)河網(wǎng)密布，地勢(shì)平坦。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.5 ℃，年降雨量1 097.1 mm，年蒸發(fā)量1 365.9 mm，日照時(shí)數(shù)2 085.9 h，平均無霜期234 d。當(dāng)?shù)亓?xí)慣稻麥輪作，本實(shí)驗(yàn)主要在水稻生育期內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，容重為1.30 g/cm3, 0～18 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)21.71 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，全鉀20.86 g/kg，pH值7.4。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年6月-2015年10 月進(jìn)行，試驗(yàn)將常規(guī)灌溉(F)、控制灌溉(C)2種水分處理形式，與常規(guī)肥(F)、秸稈還田(S)2種施肥管理方式相結(jié)合，共設(shè)4個(gè)處理，分別記為FS、CS、FF、CF，每種處理設(shè)3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)。

本試驗(yàn)選用的水稻品種為南粳46號(hào)，水稻秧苗于2015年6月下旬移栽，每穴3～4株，株距13.0 cm×25.0 cm，10月下旬收獲。施肥量和施肥時(shí)間按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行，整個(gè)生育期共施氮、磷、鉀肥折合成N、P2O5、K2O依次為268.35、54.00、76.50 kg/hm2。在水稻移栽之前，秸稈還田的小區(qū)在施加無機(jī)肥的基礎(chǔ)上施用打碎小麥秸稈3 000 kg/hm2。小麥秸稈的有機(jī)碳含量為441 g/kg，即通過秸稈還田向稻田輸入1 322 kg/hm2有機(jī)碳?？刂乒喔忍幚碓诜登嗥趦?nèi)田面保留10～30 mm薄水層，其他各個(gè)生育期灌溉后稻田不建立水層，以根層土壤水分占飽和含水率60%～80%的組合為灌水控制指標(biāo)，確定灌水時(shí)間和灌水定額[14]。常規(guī)灌溉處理按當(dāng)?shù)厮痉N植習(xí)慣管理，除分蘗后期排水曬田和黃熟期自然落干以外，其余各生育階段田間均保留3～5 cm薄水層。除草、病蟲害防治等其他管理措施均同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理。

1.3 樣品采集與分析

試驗(yàn)于2015年水稻各生育期(泡田期、返青期、分蘗期、拔節(jié)育穗期、乳熟期、和收割后，共6次)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的12個(gè)小區(qū)中采用“S”法采集土樣。將土樣混合均勻，剔除植物根系、石礫后，分為兩個(gè)部分：一部分新鮮土樣置于冰箱中4 ℃保鮮保存，供測定土壤微生物量碳(SMBC)和土壤可溶性碳(DOC)；另一部分土壤自然風(fēng)干后過100目土篩，用來測定土壤總有機(jī)碳(TOC)。用烘干法測定土壤含水量，采用重鉻酸鉀外加熱法測定TOC[15]，去離子水浸提法測定DOC，氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定SMBC[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行初步分析并建立數(shù)據(jù)庫；用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水碳調(diào)控對(duì)稻田土壤有機(jī)碳含量季節(jié)變化的影響

稻田土壤有機(jī)碳含量隨季節(jié)的波動(dòng)說明土壤中存在較為活躍的碳成分的轉(zhuǎn)化。整個(gè)水稻生育期內(nèi)，土壤有機(jī)碳含量在9.22～10.48 g/kg上下波動(dòng)，變化范圍不大(圖1)。土壤有機(jī)碳含量在植物生長的初期和末期比較高，在生長中期較低，在乳熟期達(dá)到最低值。

圖1 水碳調(diào)控下稻田土壤有機(jī)碳含量季節(jié)變化

不同肥料管理模式下，控制灌溉處理的水稻生育期內(nèi)土壤有機(jī)碳平均含量為9.42 g/kg，較常規(guī)灌溉處理低1.09 g/kg?？刂乒喔鹊咎锿寥烙袡C(jī)碳含量在分蘗期前變化不大，分蘗期后呈降低趨勢(shì)，在乳熟期達(dá)到最低值8.67 g/kg。而常規(guī)灌溉稻田土壤有機(jī)碳在返青期一直不斷增長，在拔節(jié)孕穗期達(dá)到最大值11.09 g/kg，隨后在乳熟期不斷減少，達(dá)到最低值9.77 g/kg。控制灌溉條件下，水稻種植前后的土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，除分蘗期外控制灌溉的土壤有機(jī)碳含量均低于泡田期，平均減少0.52 g/kg。而常規(guī)灌溉處理呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，除乳熟期外，土壤有機(jī)碳含量均高于生育初值，增長幅度為1.13 g/kg。水稻各生長階段，控制灌溉條件下土壤有機(jī)碳含量始終低于常規(guī)灌溉，且隨水稻生長二者差別逐漸增大，因此控制灌溉處理促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的分解。不同灌溉模式下，施加秸稈的稻田土壤有機(jī)碳平均含量為10.99 g/kg，較常規(guī)肥處理高2.05 g/kg。秸稈還田處理的稻田土壤有機(jī)碳含量在分蘗后期均比生育初增加，施加常規(guī)肥的稻田則在分蘗期之后呈現(xiàn)減少狀態(tài)，這是因?yàn)樗驹谌槭炱诠酀{需要大量有機(jī)物質(zhì)。

不同水碳聯(lián)合管理下，CF處理的土壤有機(jī)碳平均含量最低，僅為8.63 g/kg，較FF處理減少了0.61 g/kg，F(xiàn)S處理的土壤有機(jī)碳平均含量最高，為11.78 g/kg，較FF處理提高了10.4%。因此控制灌溉會(huì)加速土壤有機(jī)碳分解，而在控制灌溉基礎(chǔ)上向稻田中施加秸稈則有利于土壤有機(jī)碳的積累。

2.2 水碳調(diào)控稻田土壤可溶性有機(jī)碳隨季節(jié)變化規(guī)律

土壤可溶性有機(jī)碳是土壤碳庫中非?；钴S的有機(jī)組分，對(duì)生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。水稻土壤可溶性有機(jī)碳含量在303.43～331.06 mg/kg的范圍內(nèi)波動(dòng)，在水稻全生育期內(nèi)的變化較大，總體呈下降趨勢(shì)，平均降低了38.71 mg/kg(圖2)。4種處理的水稻土壤可溶性有機(jī)碳在水稻生育初期平均從248.12 mg/kg不斷增長到332.01 mg/kg，在返青期達(dá)到峰值后，在分蘗初期回落。拔節(jié)孕穗期土壤可溶性有機(jī)碳顯著增加，達(dá)到生育期內(nèi)的最大值605.74 mg/kg。乳熟期后，隨著排水落干，土壤中的可溶性有機(jī)碳含量逐漸減少，在收獲后達(dá)到最小值209.41 mg/kg。

圖2 水碳調(diào)控下稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量季節(jié)變化

不同肥料管理下，控制灌溉稻田土壤可溶性有機(jī)碳平均含量為315.62 mg/kg，比常規(guī)灌溉低6.24 mg/kg。分蘗期前，控制灌溉處理稻田的土壤可溶性有機(jī)碳含量高于常規(guī)灌溉處理，而在生育中后期常規(guī)灌溉條件下土壤可溶性有機(jī)碳含量高于控灌處理。不同水分管理?xiàng)l件下，施加秸稈處理的稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量平均為320.24 mg/kg，略高于施加常規(guī)肥，常規(guī)肥處理的稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量為317.25 mg/kg。在控灌條件下，CS和CF處理的土壤可溶性有機(jī)碳含量在分蘗和乳熟期差異較大，CS較CF處理分別高60.52和57.25 mg/kg。常規(guī)灌溉條件下，F(xiàn)S和FF處理間在分蘗拔節(jié)孕穗以及乳熟期差異較大，尤其在分蘗期，F(xiàn)S較FF處理高出88.92 mg/kg。

不同水碳聯(lián)合管理下，稻田土壤可溶性有機(jī)碳平均含量FF>CS>FS>CF，水碳管理對(duì)其的影響存在交互作用。CS處理的稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量平均為327.82 mg/kg，F(xiàn)F處理土壤中含有可溶性有機(jī)碳331.06 mg/kg，比CS處理略高一些。

2.3 水碳調(diào)控稻田土壤微生物量碳隨季節(jié)變化規(guī)律

土壤微生物量碳含量能夠敏銳地反映易變碳庫量的變化。整個(gè)生育期內(nèi)，不同處理稻田微生物量碳含量在166.66～226.71 mg/kg范圍內(nèi)波動(dòng)，在稻季前后較低，在水稻生長的過程中含量較高(圖3)。稻田中微生物量碳含量隨水稻生長變化較大：從水稻移栽到返青期的過程中，不同處理下的土壤中微生物量碳含量平均從146.41 mg/kg緩慢增加到219.02 mg/kg，在分蘗期含量略微降低，為140.49 mg/kg，水稻拔節(jié)育穗期達(dá)到整個(gè)生育期的最大值360.68 mg/kg，隨后逐漸減少，直到收獲后達(dá)到最低值137.62 mg/kg。

圖3 水碳調(diào)控下稻田土壤微生物量碳含量季節(jié)變化

不同施肥處理下，控制灌溉稻田的土壤微生物量碳為189.17 mg/kg，比常規(guī)灌溉條件下降低了16.02 mg/kg。水稻種植前后，控制灌溉處理的土壤微生物量碳整體表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，平均降低了22.55 mg/kg，常規(guī)灌溉表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，平均增長4.98 mg/kg。在水稻各個(gè)生育階段，控制灌溉處理土壤微生物量碳含量始終低于常規(guī)灌溉。不同的灌溉模式下，施加秸稈處理土壤微生物量碳含量平均為219.20 mg/kg，比常規(guī)肥高25.1%。控制灌溉條件下，CS和CF處理的土壤微生物量碳含量在水稻拔節(jié)孕穗期差別尤其明顯，CS比CF處理高38.9%。常規(guī)灌溉條件下，F(xiàn)S和FF處理間在分蘗、拔節(jié)孕穗、乳熟期差別較大，同樣在拔節(jié)孕穗期差異達(dá)到最大，F(xiàn)S處理土壤微生物量碳含量比FF處理高80.56 mg/kg。

綜合水分管理和秸稈還田對(duì)土壤微生物量碳的影響，CF處理土壤中微生物量碳含量最低，為166.65 mg/kg，較FF處理減少了17.01 mg/kg，F(xiàn)S處理的土壤微生物量碳平均含量最高，為226.71 mg/kg，較FF處理提高了15.3%。因此在控制灌溉條件下，施加秸稈有利于提高土壤中的微生物量碳含量。

2.4 稻田土壤活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳的關(guān)系

雖然土壤活性有機(jī)碳在土壤總有機(jī)碳中所占的比重很小,但是與土壤生產(chǎn)力關(guān)系密切，對(duì)土壤養(yǎng)分的供應(yīng)轉(zhuǎn)化有著重要影響。分析土壤活性總有機(jī)碳與總有機(jī)碳之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)(圖4)，稻田中土壤可溶性有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳線性表達(dá)式為y=15.144x+173.03(R2=0.536 2，n=12)，相關(guān)系數(shù)為0.732，土壤微生物量碳與土壤總有機(jī)碳線性關(guān)系為y=16.64x+20.226(R2=0.775 8，n=12)，相關(guān)系數(shù)為0.881，均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，可見土壤可溶性有機(jī)碳含量與土壤總有機(jī)碳之間存在著十分密切的聯(lián)系。

圖4 土壤活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳的線性關(guān)系

3 討 論

傳統(tǒng)水稻栽培采用長期淹灌的水分管理模式。淹灌條件下，土層表面始終保持有水層，保溫效果較好，土層溫度較高[17]，有利于有機(jī)質(zhì)的腐解過程釋放更多的養(yǎng)分供植物吸收和利用，為土壤微生物活動(dòng)提供充足的能量和碳源，增強(qiáng)各種微生物的活性[18]。但與此同時(shí)，連續(xù)的浸水為土壤微生物創(chuàng)造了一個(gè)厭氧條件，限制了土壤微生物的活性，從而降低了有機(jī)碳的分解速率[19]，并且缺氧的狀態(tài)降低了土壤Eh，減緩了有機(jī)物的發(fā)酵過程[20]。控制灌溉在水稻大部分生育期內(nèi)不建立水層，土壤水分處于飽和狀態(tài)的時(shí)間較短，土壤干濕交替會(huì)刺激土壤碳礦化過程[21]，加速有機(jī)碳的分解。王楷等[22]的試驗(yàn)結(jié)果表明不同灌溉模式下土壤SOC含量之間的差異與施氮處理和生育期有關(guān)，但總體看來，干濕交替模式下的SOC含量高于“薄淺濕曬”模式和常規(guī)灌溉模式。本試驗(yàn)中，在水稻種植前后，控制灌溉條件下TOC、SMBC均呈下降趨勢(shì)，而常規(guī)灌溉處理呈增長趨勢(shì)。其中在水稻各生長階段，控制灌溉條件下土壤TOC、SMBC含量也均低于常規(guī)灌溉處理。控制灌溉處理DOC有機(jī)碳平均含量為315.62 mg/kg，比常規(guī)灌溉處理低6.24 mg/kg。節(jié)水灌溉加速了土壤有機(jī)碳的分解，因此在推廣過程中，需與碳管理技術(shù)如秸稈還田、有機(jī)肥施用等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)稻田水碳資源的可持續(xù)利用。

秸稈還田作為一種外源添加有機(jī)質(zhì)的方式，有助于土壤有機(jī)碳的積累。有研究表明，無論耕作還是施肥處理，都需要有機(jī)物質(zhì)的投入來提高土壤肥力和環(huán)境可持續(xù)性[23]。本研究中發(fā)現(xiàn)，秸稈還田增加了節(jié)水灌溉稻田土壤有機(jī)碳含量，稻田TOC、DOC、SMBC分別提高了12.8%、8.0%、27.0%。其中SMBC增加幅度較大，較淹水灌溉稻田施用秸稈效果明顯，這可能與控制灌溉稻田的通氣性良好有關(guān)。秸稈還田為微生物提供了豐富的碳源，配合適宜的土壤水熱條件，可以促進(jìn)微生物生長繁殖。因此需要土壤濕度保持在一定范圍之內(nèi)，濕度過大會(huì)導(dǎo)致土壤通氣不良、厭氣缺氧，使土壤菌類的生長發(fā)育受到抑制[24]。

本試驗(yàn)中，DOC與TOC，SMBC與TOC之間均存在極顯著相關(guān)關(guān)系，與前人的結(jié)論一致[25,26]。土壤中DOC和MBC的大小首先決定于土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，其次，才受土壤水熱條件、土壤質(zhì)地、pH等環(huán)境因素的影響[27]。環(huán)境適宜的情況下，微生物快速生長繁殖，土壤MBC含量較高，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解過程。DOC作為土壤中分子較小的有機(jī)碳水化合物首先被分解，同時(shí)為微生物活動(dòng)提供能量來源[28]，維持土壤肥力。

4 結(jié) 語

(1)不同肥料管理模式下，控制灌溉稻田土壤平均TOC、DOC、SMBC較常規(guī)灌溉處理均有所降低?？刂乒喔忍幚淼腡OC、SMBC在水稻各個(gè)生育階段始終低于常規(guī)灌溉。水稻種植前后，控制灌溉處理的土壤TOC、SMBC整體表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，常規(guī)灌溉表現(xiàn)為增長趨勢(shì)。不同水分管理模式下，施加秸稈的稻田土壤平均TOC、DOC、SMBC較常規(guī)肥處理高。分蘗期后，秸稈還田的稻田TOC較生育期初呈增長狀態(tài)，常規(guī)肥處理稻田呈減少狀態(tài)。兩種施肥處理下的土壤DOC在分蘗期差異較大，SMBC在水稻拔節(jié)孕穗期差別明顯。

(2)控制灌溉與施用秸稈聯(lián)合管理(CS)和采用常規(guī)灌溉、施用常規(guī)肥(FF)處理稻田相比，TOC、SMBC分別提高了10.4%和15.3%，DOC含量區(qū)別不大?？刂乒喔葧?huì)降低土壤TOC、SMBC，但在控制灌溉基礎(chǔ)上向稻田中施加秸稈有利于提高土壤TOC、SMBC含量。

(3)稻田土壤可溶性有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.732，土壤微生物量碳與土壤總有機(jī)碳之間同樣存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.881。