張淑娜，林秀顏，陳 曦，楊士紅，龔水明，王乙江

（1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.昆山市水利水務(wù)工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站，江蘇蘇州215300）

土壤有機(jī)碳作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，其動(dòng)態(tài)平衡直接影響著土壤肥力和作物產(chǎn)量［1］。另外，土壤碳固持與排放也顯著影響著大氣溫室氣體的含量和全球氣候的變化［2］。而土壤活性有機(jī)碳作為土壤有機(jī)碳中較為活躍的化學(xué)成分，是土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的敏感指標(biāo)［3］。因此，研究土壤有機(jī)碳及其活性組分變化，可為土壤可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

我國(guó)自古就有施用有機(jī)肥更新地力的傳統(tǒng)［4］。有機(jī)肥作為一種傳統(tǒng)肥料，具有養(yǎng)分全面、肥效持久、成本低等特點(diǎn)。有機(jī)肥中含有有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等多種養(yǎng)分［5］。相對(duì)于化肥而言，有機(jī)肥的應(yīng)用能夠使土壤理化性質(zhì)得到更大改善，使土壤微生物活性得到有效提高，使土壤養(yǎng)分能夠維持基本平衡［6］。水稻作為我國(guó)主要糧食作物，有機(jī)肥施用對(duì)稻田土壤有機(jī)碳影響已有較多研究。崔新衛(wèi)［7］等人通過(guò)對(duì)紅壤土稻田施用有機(jī)肥和化肥的不同組合，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥可以提高紅壤稻田土的總有機(jī)碳及溶解性有機(jī)碳含量，而化學(xué)氮、磷、鉀肥和有機(jī)肥平衡配施較單施有機(jī)肥效果更加。這與董春華［8］等人的研究結(jié)果相似。另有研究表明，施用有機(jī)肥的稻田土壤碳氮比高于單施化肥，而土壤碳氮比越高，土壤的固碳能力越強(qiáng)［9］。

已有研究主要針對(duì)有機(jī)肥施用對(duì)淹水灌溉稻田土壤有機(jī)碳及其組分的影響。隨著各種水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，其干濕交替過(guò)程勢(shì)必會(huì)影響稻田土壤有機(jī)碳及其組分的轉(zhuǎn)化，相關(guān)研究較少。因此，本研究基于田間試驗(yàn)，將節(jié)水灌溉與有機(jī)肥施用相結(jié)合，探究稻田土壤有機(jī)碳、土壤可溶性碳、土壤微生物碳對(duì)節(jié)水灌溉與有機(jī)肥施用相結(jié)合的響應(yīng)，旨在為稻田水碳資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山市水利技術(shù)排灌實(shí)驗(yàn)基地（34°15′21″N，121°05′22″E），該地屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量1 097.1 mm，平均無(wú)霜期234 d，年平均氣溫15.5 ℃，年蒸發(fā)量1 365.9 mm，日照時(shí)數(shù)2 085.9 h。主要種植模式為稻麥輪作，試驗(yàn)土為潴育型黃泥土，試驗(yàn)地耕層土壤為重壤土，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 The basic physical and chemical properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種灌溉處理，常規(guī)灌溉（FI）與控制灌溉（CI），兩種施肥管理，常規(guī)施肥（FM）與有機(jī)肥管理（MM），共4 個(gè)處理（分別為FF、FM、CF 與CM），每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)，共計(jì)12 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為21 m2（3 m×7 m）。

本試驗(yàn)水稻品種為南粳46，全生育期120 d左右。6月下旬插秧，10月下旬收獲。施肥量和施肥時(shí)間參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣統(tǒng)一進(jìn)行。在水稻整個(gè)生育期內(nèi)，通過(guò)無(wú)機(jī)肥投入的N、P2O5、K2O含量分別為268.35、54、76.50 kg/hm2。有機(jī)肥處理在水稻移栽前做基肥一次性施用，有機(jī)肥管理在無(wú)機(jī)肥處理的基礎(chǔ)上增施商品有機(jī)肥7 500 kg/hm2［石家莊冀田生物科技有限公司，有效量：W（N+P2O5+K2O）≥5%，W（有機(jī)質(zhì)）≥45%］?？刂乒喔忍幚碓诜登嗥谔锩姹Ａ?0～30 mm 薄水層。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以外，其余各生育階段田間均保留薄水層，黃熟期自然落干。

1.3 樣品采集

在水稻典型生育期（泡田期、返青期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期與收割后）于12個(gè)小區(qū)中采集土壤樣品。采用“S”法取樣，取樣后及時(shí)剔除植物殘根、石礫等雜物并將土樣混合均勻，隨后將土樣運(yùn)回室內(nèi)，把一部分新鮮土樣放置于4 ℃冰箱冷藏保存，并及時(shí)測(cè)定土壤微生物量碳（SMBC）和土壤可溶性碳含量（DOC），其余土樣自然風(fēng)干后過(guò)100目土篩保存，供土壤有機(jī)碳含量（TOC）的測(cè)定。土壤含水量采用烘干法測(cè)定；土壤有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳與微生物量碳分別采用重絡(luò)酸鉀外加熱法［11］、去離子水浸提法與氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并作圖；用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田土壤有機(jī)碳含量的影響

從圖1可以看出，不同處理土壤有機(jī)碳含量在水稻各生長(zhǎng)階段變化趨勢(shì)較緩，在9.46～10.47 g/kg 范圍上下波動(dòng)。土壤有機(jī)碳含量在植物生長(zhǎng)初期和末期較高，在乳熟期最低。

圖1 水碳調(diào)控下稻田土壤有機(jī)碳含量的變化Fig.1 The variation of soil organic carbon content of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements

不同肥料管理?xiàng)l件下，節(jié)水灌溉稻田土壤有機(jī)碳含量在水稻整個(gè)生育期內(nèi)始終低于淹水灌溉稻田，并在拔節(jié)育穗期差距最為明顯。節(jié)水灌溉稻田土壤有機(jī)碳含量在水稻生育期整體呈下降趨勢(shì)，除返青期和分蘗期土壤有機(jī)碳含量高于泡田期以外，其他生育期均低于泡田期，平均減少0.489 g/kg。而淹水灌溉處理呈上升趨勢(shì)，除乳熟期外，其他生育期均高于泡田期，平均增長(zhǎng)幅度為1.503 g/kg。不同水分管理?xiàng)l件下，施用有機(jī)肥稻田土壤有機(jī)碳含量在各生育期均大于常規(guī)肥料管理稻田，各生育期有機(jī)碳含量平均值為10.99 g/kg，較常規(guī)肥處理高22.9%。有機(jī)肥施用明顯增加了稻田土壤有機(jī)碳含量。不同水碳聯(lián)合調(diào)控下，CF 處理土壤有機(jī)碳平均含量8.63 g/kg，較FF 處理低7.2%。CM 處理土壤有機(jī)碳平均含量10.29 g/kg，較FF 處理高1.04 g/kg。由此可見(jiàn)，節(jié)水灌溉對(duì)土壤有機(jī)碳分解有促進(jìn)作用，而施加有機(jī)肥顯著提高節(jié)水灌溉稻田土壤有機(jī)碳含量。

2.2 有機(jī)肥施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田土壤可溶性有機(jī)碳的影響

從圖2可以看出，不同處理的土壤可溶性有機(jī)碳含量在303.43～371.15 mg/kg 范圍內(nèi)波動(dòng)，4 種處理稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量在水稻生育初期平均由250.69 mg/kg 逐漸增至374.7 mg/kg，在返青期達(dá)到峰值后下降至500.04 mg/kg。隨后在分蘗后期和拔節(jié)孕穗初期顯著增高，直至620.53 mg/kg，達(dá)到生育期內(nèi)最大值。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，土壤可溶性有機(jī)碳含量不斷減少，收割后達(dá)到最小值214.33 mg/kg，這可能與稻田在生育后期排水落干有關(guān)。

圖2 水碳調(diào)控下稻田土壤可溶性有機(jī)碳含量的變化Fig.2 The variation of soil dissolved organic carbon content of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements

不同施肥制度下，淹水灌溉處理下稻田土壤可溶性有機(jī)碳平均含量為351.11 mg/kg，較節(jié)水灌溉高13.1%。除泡田期及收割前，節(jié)水灌溉下土壤可溶性有機(jī)碳含量低于淹水灌溉以外，其他生育期節(jié)水灌溉下土壤可溶性有機(jī)碳含量均高于淹水灌溉，并在返青期差值達(dá)到最大。不同水分管理模式下，施加有機(jī)肥處理的土壤可溶性有機(jī)碳含量平均為344.29 mg/kg，較常規(guī)肥高27.04 mg/kg。在泡田期至拔節(jié)育穗期施加有機(jī)肥處理土壤可溶性有機(jī)碳含量高于常規(guī)肥處理，但在生育后期，常規(guī)肥處理下土壤可溶性有機(jī)碳含量略高于有機(jī)肥處理。在節(jié)水灌溉條件下，CM 處理土壤可溶性有機(jī)碳含量在水稻生育初期和后期低于CF處理，在水稻生育中期高于CF處理，尤其在返青期差異最明顯，差值達(dá)到106.57 mg/kg。淹水灌溉下，F(xiàn)M 處理土壤可溶性有機(jī)碳含量?jī)H在乳熟期低于FF處理，土壤可溶性有機(jī)碳含量在返青期和拔節(jié)孕穗期差異較大，F(xiàn)M 處理較FF 處理分別高36.7%和13.4%。不同水碳聯(lián)合管理下，稻田土壤可溶性有機(jī)碳平均含量以FF處理最高，為371.75 mg/kg，較FM、CM、CF處理分別高12.1%、16.9%和22.3%。

2.3 稻田土壤微生物量碳在水碳調(diào)控下的變化規(guī)律

圖3表明，不同處理稻田土壤微生物量碳含量平均波動(dòng)范圍為151.83～202.92 mg/kg。稻田土壤微生物量碳隨水稻生長(zhǎng)變化較大：從生育初期的132.29 mg/kg 不斷增至183.39 mg/kg，在返青期達(dá)到峰值后，逐漸回落，在分蘗期達(dá)到最小值129.36 mg/kg。拔節(jié)育穗期土壤微生物量碳含量顯著增加，達(dá)到整個(gè)生長(zhǎng)階段的最大值276.43 mg/kg后緩慢降至134.86 mg/kg。

圖3 水碳調(diào)控下稻田土壤微生物量碳含量的變化Fig.3 The variation of soil microbial carbon content of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements

不同施肥制度下，節(jié)水灌溉處理稻田微生物量碳含量在水稻各生育期均高于淹水灌溉，其中拔節(jié)孕穗期差異最為明顯，平均高出30.53 mg/kg。不同灌溉模式下，施加有機(jī)肥處理土壤微生物量碳含量平均為198.36 mg/kg，與常規(guī)肥處理相比，平均高出29.77 mg/kg。在節(jié)水灌溉條件下，CM 處理土壤微生物量碳含量在水稻整個(gè)生育期始終高于CF 處理，且在拔節(jié)育穗期差異最大，達(dá)122.11 mg/kg。而淹水灌溉下，F(xiàn)M 處理土壤微生物量碳含量?jī)H在泡田期至拔節(jié)孕穗期過(guò)程中高于FF處理，在乳熟期和收割后FF 處理稻田土壤微生物量碳含量高于FM 處理，兩種處理土壤微生物量碳含量依然在拔節(jié)育穗期差異最大。結(jié)合水分管理和施加有機(jī)肥對(duì)土壤微生物量碳的影響，稻田土壤微生物量碳含量CM＞FM＞FF＞CF，CM處理土壤微生物量碳含量較FF 處理高9.5%，節(jié)水灌溉下施加有機(jī)肥有利于土壤微生物量碳的積累。

2.4 節(jié)水灌溉稻田土壤碳有效率對(duì)有機(jī)肥施用的響應(yīng)

可溶性有機(jī)碳有效率（DOC 有效率）和微生物熵是土壤碳庫(kù)質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)，可以很好地指示土壤碳有效性和土壤碳活性。土壤碳有效率計(jì)算方法如下：

不同水碳調(diào)控下，土壤碳有效率見(jiàn)表2。由表2可知，灌溉模式與不同碳調(diào)控模式下，土壤碳有效率不同：其中DOC 有效率表現(xiàn)為FF＞CF＞FM＞CM，與FF 相比，CF、FM、CM 處理均使DOC 有效率減少，其中CM 處理DOC 有效率最小，而DOC 在土壤有機(jī)碳中屬移動(dòng)性較強(qiáng)的成分，因此DOC有效率的減少有利于土壤固碳作用，說(shuō)明節(jié)水灌溉和有機(jī)肥相配合對(duì)于提高土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性是一種較為有效的模式。

表2 不同水碳調(diào)控下全生育期稻田土壤碳有效率的變化 %Tab.2 The variation of effective rate of soil carbon of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements during the total growing periods

不同水碳調(diào)控下，與FF 處理相比，CM 處理微生物熵減少8.2%，可能是因?yàn)镃M 處理土壤有機(jī)碳含量較FF 處理增加幅度遠(yuǎn)大于微生物量碳含量的增加幅度，分別為11.2%、9.5%。雖然微生物熵呈下降趨勢(shì)，但微生物量碳含量和土壤總有機(jī)碳含量呈上升趨勢(shì)，所以此研究中微生物熵的減少并不能說(shuō)明節(jié)水灌溉與施用有機(jī)肥聯(lián)合管理降低了微生物分解碳源的速率，從而降低土壤養(yǎng)分。這與徐一蘭［10］的結(jié)論不一致。

3 討 論

大量研究表明，有機(jī)肥施用可以提高淹水灌溉稻田土壤有機(jī)碳及其組分。淹水灌溉由于土層表面長(zhǎng)期保持有水層，影響土壤通氣性，不能很好地改善土壤溫度、水分等環(huán)境，進(jìn)而降低了土壤微生物的活性，抑制了土壤有機(jī)碳的分解。有機(jī)肥料中含有一定的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，一方面直接影響土壤有機(jī)碳的輸入，另一方面為土壤中微生物提供大量的有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)繁殖，使微生物量碳含量有所提高。這與汪洋［11］等人的研究結(jié)果類似。有研究表明，施用有機(jī)肥顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量［12］，并且對(duì)于土壤碳固持作用具有顯著影響，研究還發(fā)現(xiàn)等氮量輸入下，施加有機(jī)肥較施化肥而言，土壤微生物量碳含量增加50%以上［13］。土壤可溶性有機(jī)碳主要來(lái)源于植物殘?bào)w、腐殖質(zhì)的降解、微生物量和根系分泌物等，有機(jī)肥施用增加了作物產(chǎn)量，從而提高了植物殘?bào)w量，植物殘?bào)w經(jīng)降解形成的簡(jiǎn)單化合物大大增加了DOC含量，與前人研究結(jié)果一致［14］。

本研究表明，有機(jī)肥施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田土壤有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、微生物量碳含量有促進(jìn)作用，分別提高19.2%、4.6%、33.7%。節(jié)水灌溉以根層土壤水分占飽和含水率60%～80%的組合作為控制指標(biāo)，僅在返青期設(shè)薄水層。良好的耕層通氣狀況和適宜的水分含量有利于土壤有機(jī)碳的礦化作用［15］。有機(jī)肥以一種直接碳源的方式對(duì)土壤中有機(jī)碳含量進(jìn)行補(bǔ)充，施加有機(jī)肥促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成，使微生物的生存環(huán)境有所改善，增加了微生物數(shù)量和種類，同時(shí)有機(jī)肥中本身含有的腐殖質(zhì)為土壤養(yǎng)分的提高創(chuàng)造了良好的條件。DOC 含量增加幅度最低可能與在水稻部分生育期根系分泌物的減少和微生物對(duì)DOC的需求增加有關(guān)［14］。

4 結(jié) 論

施加有機(jī)肥與節(jié)水灌溉聯(lián)合管理顯著提高TOC和SMBC含量，但使DOC 含量和土壤碳素有效率有所降低。具體結(jié)論如下。

（1）節(jié)水灌溉降低了TOC 和DOC 含量，使SMBC 含量有所增加。不同肥料管理?xiàng)l件下，節(jié)水灌溉TOC 含量較生育初值呈下降趨勢(shì)，淹水灌溉TOC 含量呈上升趨勢(shì)；淹水灌溉處理下稻田土壤可溶性有機(jī)碳平均含量較節(jié)水灌溉高13.1%；節(jié)水灌溉處理稻田微生物量碳含量在水稻整個(gè)生育期均高于淹水灌溉。

（2）節(jié)水灌溉與有機(jī)肥施用結(jié)合顯著提高節(jié)水灌溉稻田土壤TOC含量、SMBC含量，使土壤可溶性有機(jī)碳含量降低。

CM 處理土壤有機(jī)碳平均含量、土壤微生物量碳含量較FF處理分別高11.2%、9.5%；稻田土壤可溶性有機(jī)碳平均含量以FF處理最高，較CM處理高16.9%。

（3）不同水碳調(diào)控影響土壤碳素有效率大小，節(jié)水灌溉下施用有機(jī)肥使土壤可溶性有機(jī)碳有效率和微生物熵分別降低14%和8.2%，提高土壤碳固持能力和碳穩(wěn)定性。 □