劉 威，耿明建，秦自果，張 智，魯君明，魯劍巍，曹衛(wèi)東

（1. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064；2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3. 湖北省洪湖市大同湖管理區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，洪湖 433221；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，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0 引 言

作物秸稈還田利用是促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的重要措施之一。江漢平原地處長(zhǎng)江中游，是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，作物秸稈資源十分豐富[1-3]。然而，目前由于秸稈還田的短期效果不好，農(nóng)民出于省時(shí)省力方面的考慮在水稻收獲后焚燒秸稈的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，不僅造成資源浪費(fèi)，還污染環(huán)境，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。因此，探索因地制宜、合理有效且能被農(nóng)民積極接受的秸稈還田方式十分必要[5]。綠肥的種植與利用具有生物固氮、改善土壤物理性狀和提高土壤養(yǎng)分含量等作用[6-9]，利用冬閑季節(jié)種植綠肥還田也是保持和提高稻田土壤質(zhì)量的一種傳統(tǒng)有效農(nóng)業(yè)措施[10]。近年來(lái)，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的不斷完善，發(fā)展綠肥重新受到了越來(lái)越多的重視[11-12]，目前江漢平原單季稻區(qū)存在大量冬閑田適宜種植綠肥。

種植綠肥和秸稈還田作為中國(guó)南方稻田土壤培肥的2 種重要措施，前人研究多是側(cè)重兩者單獨(dú)利用對(duì)土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響[13-15]。在當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的必然趨勢(shì)下，稻秸全量覆蓋還田協(xié)同種植綠肥還田已成為南方稻區(qū)值得推薦的一種生產(chǎn)模式。在南方雙季稻種植模式下的研究表明，綠肥紫云英與稻秸協(xié)同利用可以提高雙季水稻產(chǎn)量[16-17]；與稻秸、綠肥單獨(dú)還田相比，連續(xù)多年采用稻秸高茬-綠肥紫云英聯(lián)合還田可以提高雙季稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、微生物量碳氮及可溶性有機(jī)碳氮含量[18]。土壤有機(jī)碳和土壤酶活性是反映土壤肥力的重要指標(biāo)[19-20]。國(guó)內(nèi)外已有較多研究表明，秸稈還田或種植綠肥可以提高土壤的有機(jī)碳總量及活性有機(jī)碳含量，提高土壤的碳庫(kù)活度和碳庫(kù)管理指數(shù)[21-24]，但是較少關(guān)注綠肥與稻秸協(xié)同利用對(duì)南方單季稻區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)以及土壤酶活性的影響。因此，本研究通過(guò)田間定位試驗(yàn)，分析了單季稻田冬閑期稻秸全量覆蓋還田、原位焚燒還田、單種綠肥以及綠肥與稻秸協(xié)同利用等模式下土壤有機(jī)碳庫(kù)各組分含量、碳庫(kù)管理指數(shù)、土壤酶活性以及水稻產(chǎn)量的變化，旨在為江漢平原單季稻區(qū)建立農(nóng)田可持續(xù)的土地管理和土地利用模式提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2010 年9 月至2013 年9 月在湖北省洪湖市大同湖管理區(qū)農(nóng)場(chǎng)（30°05′N，113°45′E）進(jìn)行。該地區(qū)地處江漢平原東南部，屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候。種植模式為一季中稻-冬閑，其中冬閑期為每年10 月至翌年5月，長(zhǎng)達(dá)8 個(gè)月。3 a 試驗(yàn)期間的年平均氣溫分別為17.2 ℃、17.5 ℃和17.8 ℃，年降水量分別為1 130、1 208和1 217 mm，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。試驗(yàn)土壤為長(zhǎng)江沖積物發(fā)育的潮土，肥力均勻，試驗(yàn)前測(cè)定0～20 cm 土層土壤基本理化性質(zhì)為：pH 值7.84，有機(jī)質(zhì)31.93 g/kg，全氮1.97 g/kg，堿解氮111.84 mg/kg，有效磷5.22 mg/kg，速效鉀101.69 mg/kg，土壤容重1.22 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6 個(gè)處理，包括水稻不施肥，冬閑期稻秸不還田、不種綠肥空白對(duì)照（CK0），以及水稻常規(guī)施肥條件下，冬閑期稻秸不還田、不種綠肥對(duì)照（CK1）、稻秸全量覆蓋單獨(dú)還田（RSM）、稻秸原位焚燒還田（RSB）、單種綠肥（GM）和稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田利用（RSM+GM）。其中RSM+GM 處理為當(dāng)?shù)厮緳C(jī)械化收割后的田間模擬狀況，稻秸覆蓋面積與種植綠肥的面積約各占一半，覆蓋幅寬為40～50 cm。小區(qū)田埂40 cm寬，25 cm 高，單排單灌。每個(gè)處理3 次重復(fù)，各小區(qū)面積為20 m2（5 m×4 m），隨機(jī)排列。

為保持試驗(yàn)一致性，每年稻秸還田量均為8.65 t/hm2（為當(dāng)?shù)仄骄窘债a(chǎn)量）。供試綠肥品種為“弋江籽”紫云英，在水稻收獲后按照30 kg/hm2的播種量均勻撒播，整個(gè)冬閑季不施用化學(xué)肥料。所有試驗(yàn)小區(qū)在水稻種植的前兩周（每年5 月初）進(jìn)行灌水、翻耕，將小區(qū)內(nèi)稻秸或綠肥翻壓入土10～15 cm 并混勻。供試水稻品種為“皖稻79”，采用穴盤旱育秧，移栽秧齡為30 d，移栽密度為16.7 cm×20 cm，每穴2 株苗。除CK0外，各處理水稻全生育期的化肥用量均為N 165.0 kg/hm2，P2O545.0 kg/hm2和K2O 75.0 kg/hm2，氮肥、磷肥及鉀肥品種分別用尿素（含N 46%）、過(guò)磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%）。其中氮肥的50%基施，25%作分蘗肥，25%作穗肥；鉀肥的50%用作基肥，50%用作穗肥；磷肥全部基施。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 植株測(cè)產(chǎn)及養(yǎng)分含量分析

于每年綠肥翻壓期（5 月初），分小區(qū)刈割后，測(cè)定地上部鮮草產(chǎn)量。并同時(shí)隨機(jī)采集各小區(qū)綠肥混合鮮樣1.0 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室105℃下殺青30 min，75 ℃烘干后粉碎，濃H2SO4-H2O2消煮，流動(dòng)注射分析儀測(cè)定其N、P 含量，火焰光度計(jì)法測(cè)定K 含量[26]。于每年水稻成熟期（9月份下旬）按小區(qū)實(shí)收測(cè)產(chǎn)。測(cè)產(chǎn)方法如下：首先人工齊地割取各小區(qū)的水稻，采用半喂式小型脫谷機(jī)脫粒后直接測(cè)量小區(qū)鮮谷質(zhì)量，并分取稻谷1.0 kg 烘干后計(jì)算含水率，再按照13.5%標(biāo)準(zhǔn)含水率折算作為稻谷實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.2 土壤酶活性測(cè)定

于每年水稻收獲后（9 月份下旬），每個(gè)小區(qū)按“S”型取樣法隨機(jī)選取5 點(diǎn)，用土鉆采集0～20 cm 土層土壤樣品，混合均勻帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干、過(guò)篩后待測(cè)。采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定土壤過(guò)氧化氫酶活性，采用苯酚鈉比色法測(cè)定脲酶活性，采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定蔗糖酶活性[27]。過(guò)氧化氫酶活性以20 min 后每克土壤消耗0.1 mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示（mL/g）；脲酶活性以24 h 后每克土壤中銨態(tài)氮的毫克數(shù)表示（mg/g）；蔗糖酶活性以24 h 后每克土壤中葡萄糖的毫克數(shù)表示（mg/g）。

1.3.3 土壤有機(jī)碳庫(kù)指標(biāo)測(cè)定

采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤總有機(jī)碳（total organic carbon，TOC）含量。采用Blair 等[28]提出的333 mmol/L 高錳酸鉀（KMnO4）氧化法測(cè)定活性有機(jī)碳（Active Organic Carbon，AOC）含量，即稱取過(guò)0.25 mm篩的含15 mg 左右碳的風(fēng)干土樣于100 mL 的離心管中，加入333 mmol/L KMnO425 mL，在25 ℃條件下振蕩1 h，離心5 min（4 000 r/min），取上清液用蒸餾水按1:250稀釋，然后將稀釋液在分光光度計(jì)565 nm 比色測(cè)定。根據(jù)KMnO4濃度的變化求出樣品的活性有機(jī)碳含量（氧化過(guò)程中1 mmol/L KMnO4消耗0.75 mmol/L 或9 mg C）。土壤穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量（Stable Organic Carbon，SOC）為測(cè)定土壤總有機(jī)碳含量與活性有機(jī)碳含量的差值。土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（Carbon Pool Management Index，CPMI）是表征土壤碳庫(kù)變化的指標(biāo)，計(jì)算方法如下[21-22,28]：

碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI，%）為碳庫(kù)指數(shù)（Carbon Pool Index，CPI）與碳庫(kù)活度指數(shù)（Activity Index，AI）乘積的100 倍。其中，碳庫(kù)指數(shù)（CPI）為樣本土壤總有機(jī)碳（TOC）含量與參考土壤總有機(jī)碳（TOC）含量的比值；碳庫(kù)活度（Activity，A）為樣本土壤活性有機(jī)碳（AOC）含量與穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳（SOC）含量的比值；碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）為樣本碳庫(kù)活度（A）與參考土壤碳庫(kù)活度（A）的比值。本研究中以試驗(yàn)前基礎(chǔ)土壤作為參考土壤，其土壤總有機(jī)碳含量為 18.25 g/kg，活性有機(jī)碳含量為2.71 g/kg，穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量為15.54 g/kg，碳庫(kù)活度為0.17。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)在Microsoft Excel 2010 軟件中整理、計(jì)算與繪圖，采用SPSS16.0 軟件進(jìn)行方差分析及Person 相關(guān)分析，用Duncan 法進(jìn)行多重比較（a=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下的綠肥生物產(chǎn)量和還田養(yǎng)分量

2011—2013 年翻壓前測(cè)定GM 和RSM+GM 處理的綠肥產(chǎn)量及養(yǎng)分積累量情況如表1 所示，可以看出，冬閑期稻秸覆蓋還田后對(duì)綠肥產(chǎn)量和養(yǎng)分含量有一定影響。RSM+GM 處理在2011 和2012 年的綠肥產(chǎn)量顯著低于GM 處理（P＜0.05），但在2013 年與GM 處理相差不大，3 a 平均綠肥鮮草產(chǎn)量分別較GM 處理顯著降低了17.9%（P＜0.05）。RSM+GM 處理3 a 里的綠肥植株氮、磷及鉀養(yǎng)分含量略高或顯著高于GM 處理，C/N 比略低或顯著低于GM 處理，但是RSM+GM 與GM 處理間3 a 平均綠肥植株氮、磷及鉀養(yǎng)分積累量差異不顯著。

表1 不同處理下綠肥生物量、養(yǎng)分含量、累積量及C/N 比 Table 1 Biomass yield, nutrient content, accumulation and C/N of green manure under different conditions

2.2 冬閑期不同處理對(duì)土壤酶活性的影響

表2 可以看出，3 a 里，CK0處理的3 種土壤酶活性均是最低。CK0處理1 a 后的土壤蔗糖酶活性顯著低于CK1（P＜0.05），3 a 后土壤脲酶活性顯著低于CK1（P＜0.05），3 a 里的過(guò)氧化氫酶活性與CK1無(wú)顯著差異（P＞0.05）。說(shuō)明不施肥短期內(nèi)對(duì)土壤蔗糖酶和脲酶活性影響顯著，其中以土壤蔗糖酶活性的變化更為敏感。

除CK0外的其他處理比較可見(jiàn)（表2），冬閑期種植綠肥及稻秸不同利用模式對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性有顯著影響。與CK1相比，RSB 處理2 a 后顯著提高了過(guò)氧化氫酶（P＜0.05），3 a 后顯著提高了蔗糖酶活性（P＜0.05），3 a 里對(duì)土壤脲酶活性無(wú)顯著影響（P＞0.05）。

與RSB 處理的情況有所不同，RSM、GM 以及RSM+GM 處理短期內(nèi)對(duì)3 種酶活性均有一定影響。其中，RSM 處理在1 a 后較CK1顯著了土壤蔗糖酶活性（P＜0.05），2 a 后顯著提高土壤脲酶活性高于 CK1（P＜0.05），3 a 后顯著提高了過(guò)氧化氫酶活性（P＜0.05），可見(jiàn)土壤蔗糖酶活性變化對(duì)冬閑期稻草覆蓋還田的響應(yīng)更為敏感，其次是脲酶。與CK1相比，GM 處理1 a后顯著提高了脲酶活性（P＜0.05），對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性無(wú)顯著影響（P＞0.05）；2 a 后顯著提高了過(guò)氧化氫酶活性（P＜0.05），對(duì)土壤脲酶和蔗糖酶活性無(wú)顯著影響（P＞0.05）；3 a 后的土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性均顯著高于CK1（P＜0.05）。與CK1相比，RSM+GM 處理 1 a 后顯著提高了土壤脲酶活性（P＜0.05），2 a 后顯著提高了土壤蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性（P＜0.05），可見(jiàn)土壤脲酶活性變化對(duì)冬閑期稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田利用的響應(yīng)更為敏感，其次是蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶。

表2 不同處理下土壤酶活性 Table 2 Soil enzyme activities under different treatments

3 a 里均以RSM+GM 處理3 種土壤酶活性相對(duì)高一些，并且RSM+GM 處理在第3 a 的土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著高于RSM 和GM 處理（P＜0.05），土壤蔗糖酶活性顯著高于GM 處理（P＜0.05）以及土壤脲酶活性顯著高于RSM 處理（P＜0.05）。由此可見(jiàn)，稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田利用模式對(duì)于短期內(nèi)提高土壤酶活性的綜合效果更佳。

2.3 土壤酶活性的影響因素

由表3 可知，稻秸覆蓋、種植綠肥及試驗(yàn)?zāi)攴輰?duì)土壤過(guò)氧化氫酶和脲酶活性有顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）的影響。此外，稻秸覆蓋還對(duì)蔗糖酶活性有極顯著影響（P＜0.01），稻秸覆蓋與種植綠肥的交互作用也對(duì)蔗糖酶活性有顯著影響（P＜0.05）。而稻秸覆蓋、種植綠肥以及試驗(yàn)?zāi)攴葜g的交互作用對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶和脲酶活性的影響均不顯著（P＞0.05）。

表3 冬閑期稻秸覆蓋、種植綠肥、年份及其交互作用對(duì)土壤酶活性的影響 Table 3 Effects of rice straw mulching, green manure planting, year and their interactions on soil enzyme activities

2.4 冬閑期不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳組分含量的影響

圖1 可知，3 a 里的土壤總有機(jī)碳含量均是CK0處理為最低，而RSM+GM 處理為最高。隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)，冬閑期不同處理對(duì)土壤總有機(jī)碳含量的影響表現(xiàn)有所不同。與CK1相比，RSM+GM 和RSM 處理3 a 后顯著提高了土壤總有機(jī)碳含量（P＜0.05）；而GM 處理較CK1有增加土壤總有機(jī)碳的趨勢(shì)，RSB 處理較CK1略有降低土壤總有機(jī)碳的趨勢(shì)，差異不顯著（P＞0.05）。

CK1與CK0處理3 a 里的土壤活性有機(jī)碳含量變化不大（圖1）。隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)，冬閑期不同處理對(duì)土壤活性有機(jī)碳含量有不同影響。其中，RSB 處理雖然在第1 a 較CK1顯著提高了土壤活性有機(jī)碳含量（P＜0.05）；但后2 a 的土壤活性有機(jī)碳含量有所降低，與CK1無(wú)顯著差異（P＞0.05）。GM、RSM 和RSM+GM處理3 a 里的土壤活性有機(jī)碳含量均顯著高于CK1處理（P＜0.05），且RSM 與RSM+GM 處理在后2 a 的土壤活性有機(jī)碳含量顯著高于GM 處理（P＜0.05）。

各處理3 a里的土壤穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量有較大的變化波動(dòng)，但從整體上來(lái)看，較試驗(yàn)前土壤均有不同程度的增加（圖1）。第1 年，各處理之間的土壤穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量均無(wú)顯著差異（P＞0.05）；第2、3 年，RSB、RSM、GM和RSM+GM 處理的土壤穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量顯著低于CK1處理（P＜0.05），其中RSM 處理土壤穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳含量為最低，顯著低于RSM+GM 處理除外的其余處理。綜上可見(jiàn)，冬閑期稻秸全量覆蓋和種植綠肥還田均有利于提高土壤總有機(jī)碳含量，主要是顯著增加其活性組分的結(jié)果。其中冬閑期稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田利用和稻秸全量覆蓋單獨(dú)還田模式對(duì)于增加土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量的作用效果相差不大，都明顯要好于單種綠肥還田模式。

圖1 不同年份不同處理下土壤有機(jī)碳組分含量的變化 Fig. 1 Changes of soil organic carbon component contents under different treatments in different years

2.5 冬閑期不同處理對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

由表4 可知，與試驗(yàn)前土壤相比，CK1和CK0處理3 a的碳庫(kù)指數(shù)、碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)及碳庫(kù)管理指數(shù)均有所降低，RSB 處理3 a 里各指標(biāo)的變化較小，而RSM、GM 和RSM+GM 處理在第2 年開(kāi)始有提高各指標(biāo)的趨勢(shì)。RSM 和RSM+GM 處理3 a 的碳庫(kù)指數(shù)、碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)及碳庫(kù)管理指數(shù)相差不大（P＞0.05），且在后2 a 的碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)及碳庫(kù)管理指數(shù)均顯著高于GM 處理（P＜0.05）?？梢?jiàn)冬閑期稻秸全量覆蓋單獨(dú)還田或稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田利用模式對(duì)于提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的效果要好于單種綠肥還田模式。

2.6 冬閑期不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由表5 可知，冬閑期不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量影響不同。與CK1相比，GM 及RSM+GM 處理連續(xù)3 a 顯著提高了水稻產(chǎn)量（P＜0.05），增幅分別為6.88%、11.67%、8.56%和6.00%、13.40%、7.06%。RSM 處理3 a 水稻產(chǎn)量略高于CK1處理3.87%～5.35%，差異不顯著（P＞0.05）。RSB處理的水稻產(chǎn)量在2011 年較CK1處理下降了4.82%，在2012 和2013 年分別增加了4.37%和4.45%，3 a 間的差異均不顯著（P＞0.05）。由此可見(jiàn)，冬閑期單種綠肥還田模式或稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田利用模式對(duì)于短期內(nèi)提高水稻產(chǎn)量具有更加積極的作用。

表4 不同年份不同處理對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響 Table 4 Effects of different treatments on soil organic carbon pool index in different years

表5 2011—2013 年冬閑期不同處理下的水稻產(chǎn)量Table 5 Rice yield of different treatments under fallow seasons from 2011 to 2013 kg·hm-2

2.7 各指標(biāo)的相關(guān)性分析

由表6 可知，土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)之間呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳與活性有機(jī)碳、碳庫(kù)管理指數(shù)之間均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），表明土壤有機(jī)碳庫(kù)組分之間存在密切的轉(zhuǎn)化關(guān)系。土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、碳庫(kù)管理指數(shù)與土壤3 種酶活性之間亦呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。除穩(wěn)態(tài)有機(jī)碳外的其他指標(biāo)與稻谷產(chǎn)量均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說(shuō)明這些指標(biāo)均能夠較好的作為反映土壤肥力變化的指示指標(biāo)。

表6 土壤有機(jī)碳庫(kù)、酶活性與水稻產(chǎn)量之間的相關(guān)分析（n=54） Table 6 Pearson’s correlation analysis of soil organic carbon pool, enzyme activities and rice yield (n=54)

3 討 論

土壤有機(jī)碳庫(kù)是全球碳循環(huán)的主要組成部分，已有眾多研究表明，種植翻壓綠肥或秸稈還田直接向土壤中輸入外源有機(jī)質(zhì)，能夠顯著增加土壤有機(jī)碳含量[22-24]。本研究表明，與不還田相比，冬閑期稻秸焚燒還田模式3 a對(duì)土壤總有機(jī)碳含量影響不大。相比之下，冬閑期種植綠肥、稻秸覆蓋還田或兩者協(xié)同還田模式均有利于提高單季稻田土壤總有機(jī)碳含量，主要是顯著增加其活性組分的結(jié)果。原因可能是由于綠肥和秸稈中均含有較多易被微生物分解的糖類、淀粉等物質(zhì)，而不易分解的纖維、木質(zhì)素等物質(zhì)較少，有利于土壤活性有機(jī)碳組分的快速提高[29]。本研究中，與不還田相比，冬閑期稻秸覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田模式的土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量增幅最大，且在第1 年已經(jīng)達(dá)到顯著性差異水平，這可能與還田有機(jī)物量的增加有關(guān)[23]，也可能由于兩者聯(lián)合還田的有機(jī)物料碳氮比更加協(xié)調(diào)[18]，適宜土壤微生物活動(dòng)，利于土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和積累。

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)是土壤有機(jī)碳與參考土壤有機(jī)碳的比值乘以土壤有機(jī)碳庫(kù)活度指數(shù)的數(shù)值[28]，其數(shù)值變化可直接用來(lái)反映農(nóng)業(yè)管理措施導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降或上升的程度[29-31]。許多研究表明，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的數(shù)值上升表明土壤肥力提高，反之則土壤肥力下降[20-21]。曾研華等[32]在南方雙季稻區(qū)的研究表明，稻秸還田處理模式的土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及土壤碳庫(kù)管理指數(shù)均高于稻秸燒灰還田和稻秸不還田處理模式。蘭廷等[22]研究表明，與冬閑對(duì)照處理相比，冬閑期種植綠肥短期內(nèi)可顯著提高雙季稻田的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，有利于提高土壤肥力。本研究表明，與不還田相比，冬閑期稻秸焚燒還田模式僅在第1 年顯著提高了碳庫(kù)活度和碳庫(kù)管理指數(shù)，而在第2、3 年無(wú)影響，表明該模式不利于單季稻田土壤培肥，這與前人的研究結(jié)論一致[32]。本研究表明，不同于稻秸焚燒還田，冬閑期稻秸覆蓋全量還田或種植綠肥可以成為固定單季稻田土壤碳素的有效措施，有利于提高土壤有機(jī)碳庫(kù)和改善土壤肥力。其中，冬閑期稻秸覆蓋還田模式以及稻秸覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田模式短期內(nèi)對(duì)于提高土壤活性有機(jī)碳庫(kù)方面較單種綠肥模式更具積極意義。此外，本研究中各處理模式在不同年份的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)各指標(biāo)的變化波動(dòng)較大，3 a 里整體呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，可能受到還田年限、不同年份的氣候條件及田間水分狀況的不同等影響[33]。因此，對(duì)于長(zhǎng)期種植綠肥與稻秸協(xié)同還田利用對(duì)于土壤有機(jī)碳庫(kù)各組分含量以及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響還有待于進(jìn)一步定位觀測(cè)和機(jī)理探討。

土壤酶直接參與土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分釋放和固定過(guò)程，對(duì)土壤肥力的形成也具有重要作用[19]。本研究表明，冬閑期不同處理模式在不同年份對(duì)幾種土壤酶活性的影響有所不同。與其他利用模式不同，稻秸焚燒還田處理對(duì)土壤脲酶活性無(wú)顯著影響，僅在第3 a 顯著提高了過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性。相比之下，冬閑期稻秸覆蓋還田模式1 a 能顯著提高土壤蔗糖酶活性，種植綠肥以及稻秸覆蓋還田+種植綠肥協(xié)同還田模式在1 a 里可顯著提高脲酶活性。本研究中，與不還田相比，冬閑期稻秸單獨(dú)覆蓋還田、種植綠肥以及稻秸覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田處理3 a 后均可以顯著提高土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性，其中稻秸覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田模式3 a后土壤酶活性在幾種模式中相對(duì)高一些，這與王璐等[34]研究結(jié)論一致，其原因可能是由于還田有機(jī)物的增加，為土壤酶提供更多、更豐富的酶促基質(zhì)[34]；另一方面，由于綠肥與稻秸還田配合后進(jìn)一步改善了土壤理化性質(zhì)[35]，可為土壤微生物生長(zhǎng)提高良好的環(huán)境，并刺激了相關(guān)土壤微生物大量繁殖和活度提高[36]。此外，也有研究表明，有機(jī)物還田能夠提高土壤腐殖質(zhì)含量，而腐殖質(zhì)能夠通過(guò)離子交換、離子鍵或共價(jià)鍵等與土壤酶結(jié)合，從而增加對(duì)土壤酶的固定[37]。本文僅分析比較了3 種常規(guī)土壤酶活性的變化情況，有關(guān)綠肥與稻秸協(xié)同還田對(duì)其他種類土壤酶活性的影響及其作用機(jī)制還有待于深入研究。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)3 a 田間定位試驗(yàn)，研究了南方單季稻田冬閑期種植綠肥及稻秸不同利用模式下土壤有機(jī)碳組分、碳庫(kù)管理指數(shù)、土壤酶活性的變化以及與水稻產(chǎn)量的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

1）相比于冬閑期稻秸移除不還田，不論是稻秸全量覆蓋單獨(dú)還田、原位焚燒還田、單種綠肥或是稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同利用模式均有利于提高土壤酶活性，其中以稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同利用模式效果更好，1 a 后可顯著提高土壤脲酶活性，2 a 后顯著提高土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性，3 a 后的土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性增幅均是最大。

2）相對(duì)于冬閑期稻秸移除不還田或稻秸原位焚燒還田，單種綠肥、稻秸全量覆蓋單獨(dú)還田以及稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田的模式對(duì)于提高土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量和碳庫(kù)管理指數(shù)均具有非常積極的作用，其中稻秸全量覆蓋單獨(dú)還田以及稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田利用模式的效果優(yōu)于單種綠肥模式。

3）相比于冬閑期稻秸移除不還田，稻秸全量覆蓋單獨(dú)還田和原位焚燒還田處理模式3 a對(duì)水稻產(chǎn)量無(wú)顯著影響，而冬閑期單種綠肥和稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同還田利用模式連續(xù)3 a 顯著提高了水稻產(chǎn)量，增幅分別為6.88%～11.67%和6.00%～13.40%。水稻產(chǎn)量與土壤酶活性、活性有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。從土壤培肥、增產(chǎn)和可持續(xù)利用秸稈資源等方面綜合考慮，江漢平原單季稻種植區(qū)優(yōu)先推薦稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同利用模式。