袁嘉欣, 楊濱娟, 胡啟良, 唐海鷹, 李淑娟, 黃國勤

(江西農(nóng)業(yè)大學生態(tài)科學研究中心 南昌 330045)

土壤有機碳是評價土壤質(zhì)量和肥力的重要指標[1],土壤有機碳的保護、固定對于提高土壤生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性和減緩全球溫室效應有重要意義[2-3], 而土壤活性有機碳在土壤中周轉(zhuǎn)速度快、對外界環(huán)境反映敏感, 可作為有機碳早期變化的指示物[4-5]。土壤有機碳的動態(tài)變化主要取決于輸入和輸出的動態(tài)平衡,土壤有機碳的輸入主要依靠動植物和微生物殘體、土壤腐殖質(zhì)及大氣中的CO2轉(zhuǎn)化進入土壤; 土壤有機碳的輸出主要通過礦化作用、土壤有機物的損失及農(nóng)耕措施轉(zhuǎn)變等形式進行輸出[6]。而且土壤碳循環(huán)主要受到氣候、植被、土壤理化性質(zhì)等自然因素和耕作措施、土地利用方式等人為因素的影響[7-8]。目前, 長江中游地區(qū)稻田種植制度單一, 有機肥投入減少等問題導致稻田土壤質(zhì)量、肥力下降, 雙季稻種植面積下降, 水稻(Oryza sativaL.)總產(chǎn)量下降,復種指數(shù)低, 制約了農(nóng)田生產(chǎn)力[9]。因此, 合理有效的種植模式、提高復種指數(shù)和冬季作物還田有利于維持和積累土壤有機碳[10]。在輪作模式中不同作物的殘體性質(zhì)和還田量的不同, 可以增加土壤碳含量并且發(fā)揮良好的碳固著作用[11], 對土壤有機碳及其組分的儲量存在較大影響[12]。郭金瑞等[13]研究結(jié)果顯示, 豆科作物輪作能顯著提高土壤有機碳含量。吳鵬博等[14]研究表明眉豆(Lablab purpureusL.)-燕麥(Avena sativaL.)輪作模式的土壤有機碳組分的含量高于傳統(tǒng)燕麥連作模式。同時, 前人研究表明, 不同冬季作物還田對土壤有機碳及碳庫管理指數(shù)存在不同程度的影響[15]。如黑麥草(Lolium perenneL.)、紫云英(Astragalus sinicusL.)秸稈覆蓋還田與冬閑對照相比均有利于提高土壤有機碳和活性有機碳含量[16];單施紫云英能顯著促進土壤有機碳和活性有機碳的積累, 進而提升土壤碳庫管理指數(shù)[17]。但以上研究主要是南方常見的“紫云英、油菜(Brassica napusL.)-雙季稻”輪作模式, 而其他冬作模式及稻田水旱復種輪作模式對土壤有機碳的研究較少。為此改變傳統(tǒng)的雙季稻連作模式, 設(shè)置冬種不同作物+水稻季水旱輪作模式, 前后茬的不同作物輪作會導致植物和微生物殘體、土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生較大變化, 對土壤有機碳的影響較大, 通過研究土壤有機碳含量變化可以反映不同種植模式的土壤固碳能力。因此, 本研究在長期定位試驗的基礎(chǔ)上, 設(shè)置以冬種綠肥(紫云英)和冬季糧油作物[油菜、馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)]、水稻季水旱輪作[甘薯(Dioscorea esculentaL.)間作晚大豆(Glycine maxL.)]等5種稻田種植模式, 探討其對土壤有機碳、活性有機碳及其組分、碳庫管理指數(shù)和經(jīng)濟效益的影響, 探索適宜長江中游地區(qū)的稻田種植模式,以期為種植制度的優(yōu)化調(diào)整、糧食增產(chǎn)以及土壤培肥提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年9月至今在江西農(nóng)業(yè)大學科技園水稻試驗田(28°46′N、115°55′E)進行, 試驗地屬亞熱帶季風性濕潤氣候, 年均太陽總輻射量為4.79×1013J·hm-2, 年均日照時數(shù)為1852 h。光照分布與水稻生長旺季基本同步, 對水稻生產(chǎn)有利。年平均≥0 ℃的積溫達6450 ℃, 年平均降水量1624 mm,年平均氣溫在17.1～17.8 ℃。供試土壤為發(fā)育于第四紀的紅黏土, 為亞熱帶典型紅壤分布區(qū)。試驗前表層土壤(0～15 cm) pH 5.53、有機質(zhì)28.48 g·kg-1、全氮 2.07 g·kg-1、堿解氮218.69 mg·kg-1、全磷0.89 g·kg-1、有效磷12.22 mg·kg-1、全鉀25.85 g·kg-1、速效鉀103.31 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計及田間管理

長江中游地區(qū)冬種綠肥以紫云英居多, 種植面積廣、歷史悠久, 且能與雙季稻種植順利接茬。本試驗共設(shè)計5個處理: 以大面積種植的紫云英-早稻-晚稻(CRR)為對照(CK), 設(shè)置油菜-早稻-晚稻(RRR)、馬鈴薯-早稻-晚稻(PRR)、紫云英-早稻-甘薯||晚大豆(CRI)和油菜-早稻-甘薯||晚大豆(RRI)等4種種植模式。CRI和RRI處理中, 甘薯、大豆采用開溝起壟的方式種植, 壟寬1.2 m, 壟高0.35 m, 每壟種1行甘薯4行大豆, 甘薯、大豆間作行比為1∶4, 甘薯兩邊各2行大豆; 甘薯行距0.3 m、株距0.25 m, 大豆行距0.2 m、株距0.2 m。每個處理設(shè)置3次重復,隨機區(qū)組排列, 小區(qū)面積為33 m2(11 m×3 m), 小區(qū)之間用30 cm高的水泥田埂隔開。

紫云英播種時間為2018年9月30日, 油菜播種時間為2018年11月8日, 馬鈴薯播種時間為2018年11月26日, 所有冬季作物均在4月8日收獲并秸稈翻壓還田。早稻播種時間為2019年3月30日,4月26日移栽, 7月24日收獲。晚稻于2019年7月3日播種, 8月3日移栽, 10月31日收獲, 早晚稻秸稈均不還田(根茬除外); 甘薯和大豆8月1日種植,11月1日收獲。冬季紫云英于晚稻收獲前套播, 播種量為37.5 kg·hm-2, 播種時用鈣鎂磷肥拌種均勻撒播, 鈣鎂磷肥用量45 kg·hm-2, 生長期間不施肥; 油菜播種量為15 kg·hm-2, 播種時用沙質(zhì)土拌種均勻撒播; 馬鈴薯種植密度為73 000株·hm-2, 并用稻草覆蓋, 施用45%三元素復合肥75 kg·hm-2, 全部作基肥施用。所有冬季作物秸稈均在水稻移栽前15 d翻壓還田。甘薯和大豆的種植密度為145 455株·hm-2和18 182株·hm-2。2019年冬季作物秸稈還田量:CRR、CRI處理的紫云英秸稈還田量為3631.35 kg·hm-2、2797.37 kg·hm-2, RRR、RRI處理的油菜秸稈還田量為2973.57 kg·hm-2、3224.66 kg·hm-2, PRR處理的馬鈴薯秸稈還田量為3347.8 kg·hm-2。

化肥種類及用量參照當?shù)爻Ｒ?guī)施肥: 所有作物所用化肥均為尿素(N 46%)、鈣鎂磷肥(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)。水稻按當?shù)厥┓食Ｒ?guī)用量為: N 180 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2, 氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=3∶4∶3施用, 磷肥全部作基肥一次性施入, 鉀肥按分蘗肥∶穗肥=7∶3施用; 氮磷基肥在插秧前1 d施入并與土壤混合均勻,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。其他田間管理措施同一般大田栽培。大豆當?shù)厥┓食Ｒ?guī)用量為: N 150 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2、K2O 375 kg·hm-2。氮肥和磷肥按基肥∶花肥=2∶3施用, 鉀肥按基肥∶花肥=1∶1施用。甘薯當?shù)厥┓食Ｒ?guī)用量為: N 80 kg·hm-2、P2O5375 kg·hm-2、K2O 80 kg·hm-2, 其中磷鉀肥作為基肥一次性施入, 氮肥按基肥∶追肥=1∶2施用。其他田間管理措施均按照一般大田栽培。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 作物產(chǎn)量測定

水稻、旱作物每小區(qū)實收作為實際產(chǎn)量, 其中甘薯、大豆產(chǎn)量按所形成的經(jīng)濟產(chǎn)量, 以產(chǎn)量根據(jù)當季作物價格比折算成晚稻產(chǎn)量進行比較分析。所有作物于成熟期將小區(qū)內(nèi)秸稈、籽粒全部稱重, 并取部分鮮樣稱重, 在烘箱105 ℃條件下殺青30 min,后用80 ℃烘干至恒重后稱重, 計算含水率。

1.3.2 土壤樣品采集與測定

在作物成熟期, 于各小區(qū)內(nèi)按“S”形選取5個點采集土壤樣品。樣品采回后, 一部分放入4 ℃冰箱中保存, 用于土壤微生物量碳測定; 另一部分置于陰涼、通風處風干, 用于測定土壤總有機碳、活性有機碳等指標。

土壤總有機碳(TOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測定[18], 土壤活性有機碳(AOC)采用高錳酸鉀氧化法測定[19], 土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸法測定[20], 土壤可溶性有機碳(DOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測定[21]。以周邊冬閑-雙季稻模式試驗田晚稻收獲后的土壤為參照土壤, 根據(jù)下列公式進行土壤碳庫管理指數(shù)及碳素有效率的計算[22]:

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。用SPSS 22.0系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析, 采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進行方差分析和多重比較(α=0.05)。利用Origin 95軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為3個重復的平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 長江中游稻田種植模式對土壤總有機碳含量的影響

從圖1可以看出, 與CK相比, 除PRR處理外,CRI、RRI、RRR處理的土壤總有機碳(TOC)含量在早、晚稻收獲后均有不同程度的增加, 分別增加11.74%～20.67% (P＜0.05)和12.06%～21.01% (P＜0.05)。綜合兩季來看, 晚稻各處理稻田土壤總有機碳含量均比早稻收獲時有所下降, 且晚稻季CRI、RRI處理的總有機碳含量高于CRR、RRR、PRR處理, 且與CRR和PRR差異顯著, 說明水旱輪作處理比雙季稻處理更有利于總有機碳的積累。

2.2 長江中游稻田種植模式對土壤活性有機碳及各組分含量和碳素效率的影響

2.2.1 對土壤活性有機碳總量的影響

表1顯示, 早、晚稻收獲后均以PRR處理的土壤活性有機碳(AOC)含量最高。早稻收獲后, 各處理的土壤AOC含量均顯著高于對照處理(P＜0.05), 其他4種處理間差異不顯著。晚稻收獲后, 除RRR處理外, PRR、RRI、CRI處理的AOC均顯著高于對照(P＜0.05), 增幅分別為20.45%、18.42%、16.80%。綜合來看, 不同處理的土壤AOC含量均高于對照,晚稻收獲時的AOC含量高于早稻收獲時。水旱輪作(CRI、RRI)處理和馬鈴薯處理(PRR)有利于提高土壤活性有機碳的含量。

2.2.2 對土壤活性有機碳各組分及碳素有效率的影響

由表1可以看出, 早稻收獲后, PRR處理的AOC有效率最高, 與其他處理差異顯著(P＜0.05);RRR處理的可溶性有機碳(DOC)含量和有效率最高,分別顯著高于其他處理21.05%～64.29% (P＜0.05)和9.90%～44.16%; 各處理的微生物量碳(MBC)含量均高于對照處理, 但差異不顯著, PRR、RRI、CRI處理的MBC有效率均顯著高于對照8.59%～34.97%(P＜0.05)。

表1 稻田不同種植模式對土壤活性有機碳組分及碳素有效率的影響Table 1 Effects of different cropping patterns in paddy fields on contents of soil active organic carbon and its’ components and carbon efficiency

晚稻收獲后, 與早稻一致, PRR處理的AOC含量和有效率最高, 比對照高 20.45% (P＜0.05)和23.18% (P＞0.05); 各處理的DOC含量均高于對照3.13%～15.64% (P＞0.05); 各處理的土壤MBC含量均高于對照, RRI處理的MBC含量最高, CRI、RRI、PRR處理的MBC含量顯著高于對照38.24%～50.00% (P＜0.05); PRR處理的MBC有效率達到最大,顯著高于對照38.83% (P＜0.05)。因此, 稻田不同種植模式可引起土壤活性有機碳組分及其碳素有效率的變化, CRI、RRI處理有利于提高土壤MBC含量,CRI、RRI、PRR處理有利于提高土壤AOC的含量和土壤MBC有效率。

2.3 長江中游稻田種植模式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

從表2可以看出, 早稻收獲后, PRR處理的碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)均最大, 分別比對照高45.45%、46.75%和38.88%, 且均與對照處理差異顯著(P＜0.05)。RRI處理的穩(wěn)態(tài)碳含量和碳庫指數(shù)為最大, 與對照間差異顯著(P＜0.05)。另外, 各處理的碳庫管理指數(shù)與對照相比提高17.73%～38.88%, PRR、RRI、RRR處理與對照處理間差異顯著(P＜0.05)。

表2 稻田不同種植模式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響Table 2 Effects of different cropping patterns in paddy fields on soil carbon pool management indexes

晚稻收獲時, 與早稻一致, 也是PRR處理的碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)均最大, 分別比對照高31.81%、35.86%和33.45% (P＜0.05)。RRI處理的穩(wěn)態(tài)碳含量和碳庫指數(shù)為最大, 且與對照處理間差異顯著(P＜0.05)。除RRR處理外, 各處理的碳庫管理指數(shù)與對照相比提高 17.30%～33.45%?？傮w來看, PRR處理有利于土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)的提高, RRI、CRI處理更有利于碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)的提高。PRR、RRI、CRI處理有利于促進土壤有機碳的更新, 加速了有機碳的轉(zhuǎn)化, 增加土壤有機碳庫的活躍程度。

2.4 長江中游稻田種植模式對作物產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

由表3可知, 冬種馬鈴薯(PRR)的早稻產(chǎn)量最高,除與對照處理無顯著差異外, 顯著高于其他處理,提高幅度為17.32%～36.34% (P＜0.05)。CRI處理晚稻產(chǎn)量為最高, 其次是RRI處理, 分別比對照處理顯著提高32.84%和27.33%。從總產(chǎn)量來看, CRI處理的總產(chǎn)量最高, CRI、RRI、PRR處理的總產(chǎn)量均顯著高于對照(P＜0.05), 增幅分別為16.40%、6.50%和6.28%。這可能是由于晚稻季種植旱作物可以均衡利用養(yǎng)分, 進而提高作物產(chǎn)量。因此, 冬種紫云英、馬鈴薯對早稻有一定的增產(chǎn)效果, 水旱輪作處理(CRI、RRI)在晚稻季能獲得更高的產(chǎn)量且總產(chǎn)量更高。

表3 稻田不同種植模式的水稻產(chǎn)量Table 3 Rice yields of different cropping patterns in paddy fields kg·hm-2

由表4可知, 冬種馬鈴薯相較于冬種紫云英、油菜能夠獲得更多的經(jīng)濟效益。與對照相比, PRR處理的經(jīng)濟效益顯著增加12.05% (P＜0.05)。CRI處理的經(jīng)濟效益比對照也顯著增加9.86% (P＜0.05)。CRI處理具有最高的產(chǎn)量收入, 但由于CRI處理的種子和肥料支出較多, 從而導致CRI處理的經(jīng)濟效益較PRR處理更低。綜上, 馬鈴薯-早稻-晚稻和紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式有利于提高作物產(chǎn)量, 獲得較高的經(jīng)濟效益。

表4 稻田不同種植模式對經(jīng)濟效益的影響Table 4 Effects of different cropping patterns in paddy fields on economic incomes ￥·hm-2

2.5 土壤活性有機碳組分、碳庫管理指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性

由表5可知, 土壤總有機碳含量與微生物量碳含量顯著正相關(guān)(P＜0.05), 與可溶性有機碳含量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01), 與可溶性有機碳有效率呈顯著負相關(guān)(P＜0.05); 活性有機碳含量與微生物量碳含量(P＜0.01)、活性有機碳有效率(P＜0.05)、微生物量碳有效率(P＜0.05)之間顯著正相關(guān)。另外, 土壤活性有機碳含量、微生物量碳含量及各碳素有效率均與碳庫管理指數(shù)顯著正相關(guān), 其中, 活性有機碳含量、活性有機碳有效率、微生物量碳有效率與碳庫管理指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01), 且活性有機碳含量的相關(guān)系數(shù)最高, 說明土壤碳庫管理指數(shù)與活性有機碳關(guān)系更為密切。此外, 作物產(chǎn)量與總有機碳、微生物量碳呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 說明總有機碳、微生物量碳含量的變化與作物產(chǎn)量的關(guān)系更為密切。

表5 稻田土壤活性有機碳、碳庫管理指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性Table 5 Correlations between soil active organic carbon, carbon pool management index and yield in rice field

3 討論

3.1 稻田不同種植模式對土壤有機碳和活性有機碳的影響

一般認為, 稻田土壤有機碳(SOC)含量與耕作程度關(guān)系密切, 作物系統(tǒng)多樣化種植下, 不同種植模式的作物根系殘留、秸稈種類與還田量不同, 均可能導致SOC含量發(fā)生變化[23]。吳玉紅等[24]研究表明油菜-水稻輪作系統(tǒng)比小麥(Triticum aestivumL.)-水稻輪作系統(tǒng)更有利于土壤表層SOC的積累。在本研究中, 與對照(紫云英-早稻-晚稻)相比, 其他種植模式均增加了土壤總有機碳含量, 主要是由于冬季作物利用冬閑季的光溫水熱資源積累有機質(zhì),再通過秸稈還田進入土壤, 增加了有機質(zhì)來源, 這與龍攀等[16]、楊濱娟等[17]的研究結(jié)果相似。作物輪作是調(diào)控稻田SOC循環(huán)和積累的重要因素[25]。曹培等[26]、彭華等[27]研究認為雙季稻模式下早稻收獲后由于進行了泡田翻耕等整地過程, 改變了土壤水分、溫度和通氣等環(huán)境條件, 加速了有機碳的礦化。在本研究中, CRI、RRI處理的土壤總有機碳含量均顯著高于雙季稻處理(CRR、RRR、PRR), 主要是因為水旱輪作種植模式改變了稻田土壤的理化性質(zhì),影響了有機碳的礦化過程。本研究中雙季稻處理的晚稻移栽時間為8月3日, 正值全年高溫階段, 此時翻耕整田, 破壞了土壤的團聚體結(jié)構(gòu), 加速了SOC的礦化分解, 從而降低了土壤有機碳含量; 而水旱輪作處理(CRI、RRI)在早稻收獲后種植下一季旱作物(甘薯||晚大豆)時沒有翻耕, 沒有對土壤進行擾動,減緩了土壤有機質(zhì)的氧化和礦化, 因此水旱輪作處理(CRI、RRI)的土壤SOC含量顯著高于雙季稻處理(CRR、RRR、PRR)且穩(wěn)定性較高, 能為作物的生長發(fā)育提供穩(wěn)定的土壤碳循環(huán)環(huán)境。

在短時間內(nèi), SOC總量對人為活動和環(huán)境因子變化的反應不是很敏感, 而活性有機碳(AOC)是土壤中活躍的化學組成, 可以作為評價農(nóng)田生產(chǎn)力的重要指標之一[5,28]。不同輪作模式是通過影響作物根系或殘體回歸的數(shù)量和質(zhì)量, 從而影響SOC的礦化和固定過程, 以此來改變土壤AOC的數(shù)量[29]。本研究發(fā)現(xiàn), 與CK相比, 不同種植模式下均增加了土壤AOC含量, 其中PRR處理的AOC含量最高, 其次是RRI、CRI處理。另外, 在本研究中, PRR處理總有機碳含量最低、AOC含量最高, RRR處理的總有機碳含量較高、AOC含量較低, 這與龍攀等[16]的研究結(jié)果相似, 表明土壤中的AOC含量越高, 越能促進土壤中各類微生物的活動, 促使有機碳被分解;反之, 土壤中的AOC含量越低, 越能促使有機碳進行累積。這可能與作物秸稈類型、秸稈還田量、秸稈還田后的腐解速度有關(guān), 及所造成的碳氮代謝和土壤微生物各異, 其影響機理尚需進一步研究[30]。土壤微生物量是土壤有機質(zhì)的重要組成部分, 是土壤中周轉(zhuǎn)速度較快的部分, 能及時反映SOC的變化情況[31]。與CK相比, 水旱輪作(CRI、RRI)處理顯著提高了土壤微生物量碳(MBC), 原因可能是甘薯、大豆都屬于直根系, 根系發(fā)達, 分布較深, 水稻則屬于須根系, 主根較短, 多以不定根分布于土壤表層, 所以晚稻季的旱地作物(甘薯||晚大豆)其根系較水稻更發(fā)達[32], 輸入到土壤深層里的根際分泌物較多, 為微生物的生長繁殖提供了更多的碳源, 這與李清華等[33]在冷浸田上實行連續(xù)3 a的油菜-水稻、玉米(Zea maysL.)-水稻、紫云英-水稻和蠶豆(Vicia fabaL.)-水稻等水旱輪作模式試驗的研究結(jié)果相似,其MBC有明顯增加, 表明水旱輪作有利于提高MBC含量。另外與曹培等[34]不同種植模式(早稻-晚稻、春玉米-晚稻、再生稻)的研究結(jié)果相似, 春玉米-晚稻模式的MBC含量最高; 另一個原因可能是因為作物生長后期根系活力減弱, 對土壤干擾較少,同時根系大量的脫落物和分泌物增加為微生物提供了更多的有機質(zhì)來源, 從而增加了土壤微生物的活性與含量, 提高了土壤MBC含量[35]; 同時, CRI、RRI、PRR處理與CK相比提高了土壤微生物量碳有效率, 土壤微生物量碳有效率的高低與土壤微生物量碳和有機碳含量多少相關(guān), CRI、RRI、PRR處理的MBC、SOC含量均比CK高, 所以與CK相比,CRI、RRI、PRR處理的微生物量碳有效率有不同程度的提高。

3.2 稻田不同種植模式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)不僅能夠反映土壤SOC含量和質(zhì)量, 而且可以體現(xiàn)土壤養(yǎng)分供應能力,CPMI高表明管理措施有助于土壤SOC含量的提升;CPMI是反映土壤碳素動態(tài)變化靈敏而有效的指標,評估不同管理措施對土壤碳庫的影響, 同時為培肥地力, 增加土壤AOC含量提供了量化依據(jù)[29,36]。已有研究表明, CPMI和不同形態(tài)碳素的變化與秸稈還田方式、不同輪作模式等農(nóng)業(yè)管理措施密切相關(guān)[10,13,37-39]。肖小平等[15]研究認為紫云英殘茬還田更有利于增加土壤碳庫活度指數(shù)(CPAI)進而提高CPMI。曹培等[34]研究結(jié)果表明, 春玉米-晚稻模式有利于兩季作物收獲后土壤碳庫活度(CPA)和CPAI的提高, 進而維持較高的CPMI。郭金瑞等[13]研究結(jié)果表明豆科作物類型對SOC有顯著影響, 與長期休閑處理相比, 豆科植物輪作的CPMI更高。在本研究中, 與對照相比,不同種植模式的CPMI都得到了不同程度的提高,不同的輪作作物類型對CPMI有一定的影響。PRR處理的CPMI最高, 其次是RRI處理, 表明馬鈴薯秸稈還田有利于土壤質(zhì)量的提升, 油菜秸稈還田+水旱輪作也能明顯提升土壤質(zhì)量。從秸稈還田量看,PRR處理的馬鈴薯秸稈還田量較高可能導致其CPMI高, 另外可能是因為PRR處理的土壤AOC含量顯著高于其他處理, 所以其CPMI值最高。本研究中, RRI處理是通過提高土壤總有機碳含量來提高土壤碳庫指數(shù)(CPI), PRR處理通過提高AOC的含量來提高CPA和CPAI。由此說明, 水旱輪作(RRI)處理是通過提高土壤CPI來提高土壤CPMI, 雙季稻(PRR)處理則是通過提高土壤CPA和CPAI來維持較高的CPMI。從整個稻田不同種植模式周年來看,各處理的CPMI與對照相比差異顯著, PRR、RRI處理的CPMI維持在較高水平, 有利于改善土壤質(zhì)量,培肥土壤。

相關(guān)性分析表明, AOC、活性有機碳有效率、微生物量碳有效率與CPMI呈極顯著(P＜0.01)相關(guān)性,其中AOC的相關(guān)系數(shù)最高, 說明CPMI與AOC關(guān)系更為密切; 作物產(chǎn)量與總有機碳(TOC)、MBC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 說明不同種植模式有利于提高CPMI和作物產(chǎn)量, 進而提高經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

稻田水旱輪作(CRI、RRI)處理的土壤總有機碳穩(wěn)定性較高, 馬鈴薯-早稻-晚稻處理有利于提高土壤活性有機碳的含量, 紫云英-早稻-甘薯||晚大豆(CRI)處理更能促進微生物量碳的積累。同時, 馬鈴薯-早稻-晚稻(PRR)處理對于碳庫活度、碳庫活度指數(shù)有很好地促進作用, 更有利于促進碳庫管理指數(shù)的提高; 油菜-早稻-甘薯||晚大豆和紫云英-早稻-甘薯||晚大豆)處理也有利于碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)的提高。土壤活性有機碳、微生物量碳及各碳素有效率均與碳庫管理指數(shù)顯著相關(guān), 作物產(chǎn)量與總有機碳、微生物量碳呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。馬鈴薯-早稻-晚稻處理和紫云英-早稻-甘薯||晚大豆處理的經(jīng)濟效益較高。因此, 長江中游不同稻田種植模式可引起土壤總有機碳、活性有機碳各組分含量及碳素有效率、土壤碳庫管理指數(shù)的變化, 也有利于提高產(chǎn)量。其中紫云英-早稻-甘薯||晚大豆(CRI)和馬鈴薯-早稻-晚稻(PRR)模式的綜合效果較好, 是值得在長江中游地區(qū)推廣應用的高效節(jié)能種植模式。