王開悅，廖育林，魯艷紅，蔡岸冬，張志偉，3，陳旋，秦曉波*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳達峰碳中和研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，北京100081；2.湖南省土壤肥料研究所，長沙410125；3.南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院，南京210044）王開悅，廖育林，魯艷紅，等. 超級稻田碳氮庫管理指數(shù)在等養(yǎng)分不同有機物料處理下的動態(tài)變化[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2023, 42（8）：1758-1767.

我國在2015 年實施“化肥農(nóng)藥零增長”政策，有機肥代替部分化肥已成為減少化肥施用量的關(guān)鍵[1-2]。目前研究顯示，有機肥還田后會對土壤活性碳氮含量[3]、作物養(yǎng)分吸收[4]、作物產(chǎn)量[5]等產(chǎn)生直接影響。土壤活性碳在土壤全碳中占比較小，但易被作物吸收利用，能體現(xiàn)土壤細微的變化[6]。碳庫管理指數(shù)（CPMI）最早由Blair 和Lefroy 提出[7]，是一項綜合土壤活性碳數(shù)量與質(zhì)量的指標，能夠靈敏地反映外界措施對土壤質(zhì)量和肥力的影響。后人在CPMI的基礎(chǔ)上改進、引申出氮庫管理指數(shù)（NPMI）[8-10]，與CPMI 相似，NPMI 常用來表征外界措施引起土壤活性氮素的變化，體現(xiàn)土壤氮素供應能力。因此研究有機肥代替部分化肥對CPMI 和NPMI 的影響，對減少氮肥施用、提高土壤肥力與作物產(chǎn)量的意義重大。李小磊等[11]基于長期定位試驗的研究結(jié)果表明，與單施化肥相比，在其基礎(chǔ)上對雙季稻田早稻綠肥還田，晚稻施用豬糞和稻草冬季還田能顯著提高0～20 cm 土層處的CPMI。Chen 等[12]基于4 年連續(xù)不同地點相同處理的秸稈還田試驗表明，與秸稈不還田相比，秸稈還田能提升1.4～1.6 倍的CPMI，具體提升效應受試驗地點影響（環(huán)境、氣候）。肖小平等[13]對冬季覆蓋作物還田的研究顯示，與黑麥草、油菜還田相比，紫云英還田提高了雙季稻田CPMI。Liu 等[14]發(fā)現(xiàn)，富氮生物炭的投入會降低稻田土壤CPMI。目前關(guān)于NPMI 的研究表明種植方式、有機肥用量、水肥管理等都是影響NPMI 的重要因素[9]。以往研究多限于單一有機物料投入或基于常量施用化肥的基礎(chǔ)上再施用有機肥，且對水稻不同生育期CPMI、NPMI 的動態(tài)研究較少。因此，本研究通過大田試驗，利用有機肥代替部分化肥且基于等養(yǎng)分投入的試驗設(shè)計，研究不同有機物料還田對水稻不同生育期稻田土壤CPMI和NPMI動態(tài)變化的影響，分析有機物料還田下CPMI、NPMI 的動態(tài)變化及其對產(chǎn)量、收獲指數(shù)及水稻氮素吸收的影響，在保證糧食產(chǎn)量的基礎(chǔ)上響應“國家化肥農(nóng)藥零增長”政策，同時為我國稻田綠色投入品和土壤碳氮擴庫增容政策措施提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2020年10月至2021年9月在湖南省長沙市長沙縣高橋農(nóng)業(yè)科技示范園（28.46°N，113.34°E）內(nèi)開展，該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，年均溫16.8 ℃，年降水量約1 504 mm，本試驗開始前6 年為單季優(yōu)質(zhì)稻和冬種紫云英輪作系統(tǒng)。試驗期間月均溫和月降水量見圖1，試驗前0～20 cm 耕層土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗開始前土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil before the test

圖1 試驗期間的月降水量和月均溫Figure 1 Monthly precipitation and monthly mean temperature during the experiment

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)置3 次重復，小區(qū)面積為4 m×7.5 m=30 m2，相鄰小區(qū)間留出一定寬度的保護行。水稻品種選用秈型兩系超級雜交稻“晶兩優(yōu)華占”，推薦移栽秧齡為30 d，移栽密度為25 cm×30 cm，每穴2 株。紫云英品種選用“湘紫一號”。共設(shè)置5 個等養(yǎng)分投入處理，分別是：（1）單施化肥（F）；（2）冬閑期水稻秸稈還田（FS），上季水稻收獲后秸稈在紫云英播種后全量覆蓋還田；（3）冬閑期種植綠肥還田（FM），上季水稻收獲后秸稈全部移出田間后播種綠肥；（4）冬閑期水稻秸稈還田+種植綠肥還田（FMS），上季水稻收獲后秸稈全量覆蓋還田并種植綠肥；（5）冬閑期水稻秸稈還田+種植綠肥還田+生石灰（FMS+Ca）（詳細內(nèi)容參考文獻[15] ），上季水稻收獲后秸稈全量覆蓋還田并種植綠肥，水稻季施熟石灰3.375 kg·小區(qū)-1，具體施肥處理如表2。

表2 不同處理具體施肥（kg·hm-2）Table 2 Specific fertilization under different treatments（kg·hm-2）

1.3 樣品采集與測定

在水稻移栽返青期、分蘗期、孕穗期、灌漿期和成熟期，分別對應2021年6月11日、6月21日、7月1日、8月9日、9月6日，于每個小區(qū)內(nèi)按照“S”型路線，采用多點混合取樣法用土鉆取0～15 cm 深度土壤，置于-18 ℃冰箱內(nèi)冷凍保存待測。供試樣品土壤有機碳（SOC）、總氮（TN）、無機氮、可溶性有機氮（TON）在湖南省土壤肥料研究所農(nóng)化檢測中心測定，易溶解有機碳（DOC）、可溶性總氮（TDN）在中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所測定[16]。在水稻收獲前1 d，在各小區(qū)選取有代表性的5蔸水稻植株測定株高。隨后將植株的莖、穗和根部分開，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量后測定各部分干質(zhì)量。在水稻成熟期按各小區(qū)收割水稻，脫粒后曬干測定稻谷產(chǎn)量。

1.4 碳庫管理指數(shù)、氮庫管理指數(shù)、氮素吸收量、氮素收獲指數(shù)計算

本研究以試驗開始前的土壤作為參照土壤，用Blair 等[7]提出的方法計算各處理碳庫管理指數(shù)，具體計算如下：

在Blair 公式的基礎(chǔ)上，研究者常與具體的研究目標相結(jié)合，對CPMI 和NPMI 的計算公式進行擴展引申[10，17-19]。本研究中，以SOC 與DOC 之差計算非可溶性有機碳，以TN與TDN之差計算非可溶性氮。

1.5 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

使用Excel（v.2010，Microsoft）初步整理數(shù)據(jù)，使用SPSS（v.23.0，IBM）進行數(shù)據(jù)標準誤差計算和方差分析，使用最小顯著性檢驗（LSD）法比較不同處理間的差異顯著性[20]；使用Pearson 雙側(cè)檢驗進行相關(guān)性分析，在0.05 水平和0.01 水平檢驗相關(guān)系數(shù)顯著性；進行回歸方程模擬，用回歸系數(shù)最簡比表示概念圖中相關(guān)關(guān)系；使用Origin（OriginLab 2021）軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下

、D ON 占TDN 比例的

動態(tài) 變化

圖2 不同處理、不同生育期下3種可溶性氮占可溶性總氮的百分比Figure 2 Percentages of three kinds of soluble nitrogen in total soluble nitrogen under different treatments and different growth periods

2.2 不同處理下DOC、TDN的動態(tài)變化

土壤DOC 含量整體表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢（圖3A），但因不同處理、不同生育期產(chǎn)生差異。除分蘗期外，水稻不同生育期DOC 含量的最大值均出現(xiàn)在紫云英-秸稈聯(lián)合還田處理組（FMS、FMS+Ca）。在水稻成熟期，DOC 含量表現(xiàn)為FMS＞FMS+Ca＞FM＞FS＞F，其中FMS的DOC含量顯著高于F 39.24%，顯著高于FS 39.04%（P＜0.05）。

圖3 不同生育期DOC、TDN的含量Figure 3 Contents of DOC and TDN in different growth stages

土壤TDN 含量變化規(guī)律表現(xiàn)為移栽返青期最高，分蘗期驟降，并在成熟期出現(xiàn)第二次驟降（圖3B）。在水稻移栽返青期和孕穗期，F(xiàn) 處理的TDN 含量最高，在水稻另外3 個生育期（分蘗期、灌漿期、成熟期）紫云英-秸稈聯(lián)合還田處理組（FMS、FMS+Ca）的TDN 含量最高，分別為41.25、46.80、21.45 mg·kg-1。在成熟期時，不同處理下的TDN 大小順序表現(xiàn)為FMS+Ca＞FMS＞FM＞F＞FS，其中FMS+Ca 的TDN 含量顯著高于F 25.95%，顯著高于FS 34.65%（P＜0.05）。

2.3 不同處理下碳庫管理指數(shù)、氮庫管理指數(shù)的動態(tài)變化

CPMI在水稻生育期內(nèi)的動態(tài)變化表現(xiàn)為先下降后回升的趨勢，且有機無機肥配施（FS、FM、FMS、FMS+Ca）處理下不同生育期的CPMI 整體表現(xiàn)優(yōu)于F（表3）。移栽返青期FMS處理下CPMI最高（115.65），顯著高于F（90.40%）、FS（49.05%）和FM（56.36%）（P＜0.05）；孕穗期時FMS+Ca 處理的CPMI 最高（55.80），顯著高于FS（63.59%）（P＜0.05）；而在水稻成熟期，F(xiàn)MS＞FMS+Ca＞FM＞FS＞F，F(xiàn)MS 的CPMI 顯著高于F（39.41%）和FS（39.18%）（P＜0.05）。

表3 不同生育期碳庫管理指數(shù)和氮庫管理指數(shù)Table 3 Carbon pool management index and nitrogen pool management index at different growth stages

NPMI在水稻生育期內(nèi)動態(tài)變化表現(xiàn)為移栽返青期表現(xiàn)出最大值，在分蘗期急劇下降，伴隨水稻生育在孕穗期和灌漿期緩慢回升，并在成熟期出現(xiàn)第二次驟降（表3）。移栽返青期和孕穗期NPMI 的最大值均出現(xiàn)在F 處理，另外3 個生育期（分蘗期、灌漿期、成熟期）NPMI的最高值均出現(xiàn)在紫云英-秸稈聯(lián)合還田處理（FMS 或FMS+Ca）中。在移栽返青期F 處理的NPMI 顯著高于FS（32.98%）、FM（41.19%）（P＜0.05）；在成熟期，各處理間NPMI 大小順序表現(xiàn)為FMS+Ca＞FMS＞FM＞F＞FS。

2.4 不同處理下的水稻株高、干物質(zhì)量、產(chǎn)量和收獲指數(shù)

不同處理下的水稻株高、各部分干物質(zhì)量、產(chǎn)量和收獲指數(shù)見表4。FMS+Ca 與F 的株高接近，高出其他處理0.96%～2.80%；FS 的莖干質(zhì)量和穗干質(zhì)量最大，分別高出其他處理12.08%～30.54%和1.24%～23.96%；FMS 的根干質(zhì)量最大，高于其他處理6.71%～21.32%，但FMS+Ca 的根干質(zhì)量最小；各處理間的產(chǎn)量表現(xiàn)為FM＞FS＞FMS＞F＞FMS+Ca，F(xiàn)M、FS、FMS 的產(chǎn)量較F 相比提升了2.19%～2.94%；不同處理間的收獲指數(shù)表現(xiàn)為FMS＞FM＞FMS+Ca＞FS＞F，與無紫云英添加處理相比，紫云英添加（FM、FMS、FMS+Ca）處理下的收獲指數(shù)提高了0.59%～5.20%。

表4 水稻株高、各部分干質(zhì)量、產(chǎn)量及收獲指數(shù)Table 4 Plant height，dry weight，yield and harvest index of rice

2.5 不同處理下的水稻氮素吸收量、氮素收獲指數(shù)

FS 與其他處理相比，各部分氮素吸收量最高，氮素收獲指數(shù)最低（表5），其莖稈氮素吸收量顯著高于添加紫云英處理，高出FM 51.27%、FMS 42.46%、FMS+Ca 80.41%（P＜0.05），但氮素收獲指數(shù)顯著低于添加紫云英處理，低于FM 10.12%、FMS 10.13%、FMS+Ca 13.53%（P＜0.05），這可能是水稻對不同外源養(yǎng)分吸收、利用、轉(zhuǎn)化能力存在差異性導致的。

2.6 相關(guān)性分析

確保產(chǎn)量提升是試驗進行的前提和基礎(chǔ)，本研究結(jié)果顯示：產(chǎn)量分別與灌漿期的CPMI 和分蘗期的NPMI呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）（圖4、圖5）；收獲指數(shù)是評價作物產(chǎn)量水平和栽培成效的重要指標，本試驗中，收獲指數(shù)分別與移栽返青期、孕穗期、灌漿期和成熟期4 個生育期的CPMI 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；稻谷氮素吸收量是影響水稻品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，本試驗中，稻谷氮素吸收量與分蘗期的CPMI呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），且水稻產(chǎn)量與稻谷氮素吸收量、收獲指數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），這均為調(diào)節(jié)水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

圖4 水稻不同生育期碳庫管理指數(shù)、氮庫管理指數(shù)與產(chǎn)量、稻谷氮素吸收量、收獲指數(shù)和氮素收獲指數(shù)相關(guān)矩陣圖Figure 4 Correlation matrix of carbon pool management index，nitrogen pool management index and yield，nitrogen uptake，harvest index and nitrogen harvest index of rice at different growth stages

3 討論

3.1 等養(yǎng)分條件下不同綠肥還田對水稻不同生育期碳庫管理指數(shù)的動態(tài)影響

CPMI作為土壤有機質(zhì)總量及其質(zhì)量變化較為系統(tǒng)和敏感的監(jiān)測指標[21]，常用來反映農(nóng)藝措施對土壤有機質(zhì)變化的影響[22-23]。在本研究中，CPMI 在水稻不同生育期下的動態(tài)變化趨勢一致，表現(xiàn)為在分蘗期出現(xiàn)降低后緩慢上升。本研究結(jié)果顯示，與單獨施用化肥相比，在有機無機配施的基礎(chǔ)上添加紫云英能顯著提高CPMI，其中以紫云英-秸稈聯(lián)合還田效果最佳。紫云英-秸稈聯(lián)合還田在生育季初期（移栽返青期）的CPMI 顯著高于其余處理，這可能是由于紫云英-秸稈聯(lián)合還田模式產(chǎn)生了較好的激發(fā)效應所導致，在此基礎(chǔ)上施用熟石灰使得孕穗期的CPMI 出現(xiàn)短暫性提升，這可能是由于土壤中加入熟石灰首先改變了土壤pH 和微生物活性[24]，伴隨水稻生長發(fā)育，在水稻孕穗期出現(xiàn)最佳效果，同時結(jié)合本研究中使用熟石灰處理的水稻根系干質(zhì)量最小推斷，熟石灰的投入對水稻根系造成損傷從而導致在水稻生育后期土壤碳素養(yǎng)分分解效果差、后力不足，進而造成了在水稻生育后期（灌漿期、成熟期）的CPMI 小于不施用熟石灰處理。同時，本研究發(fā)現(xiàn)：秸稈與化肥配合還田與單獨施用化肥在水稻生育末期的CPMI 幾乎一致，這與前人的研究結(jié)果不同[6，12，25-27]，本研究為第一年開展，稻田土壤中對秸稈腐化利用的微生物菌群豐度和活度較低，導致秸稈腐化效果差[28]，且本研究中秸稈還田方式為直接覆蓋還田，該方式與粉碎翻壓還田相比對土壤養(yǎng)分的提升效果差[29]，這也是秸稈化肥配施在本研究中還田效果不甚理想的原因。本研究結(jié)果顯示，與單獨施用化肥相比，有機無機配施處理下生長季末期的CPMI提高了0.11～24.65，這與前人研究結(jié)果一致：有機無機配施能提高土壤CPMI[30-31]?？傮w而言，紫云英-秸稈聯(lián)合還田對土壤CPMI 提升效果更加理想，是一種良好的秸稈資源化利用方式。

3.2 等養(yǎng)分條件下不同綠肥還田對水稻不同生育期氮庫管理指數(shù)的影響

NPMI能反映外界條件對土壤氮及活性氮組分變化的效應[8]。本研究中，NPMI的動態(tài)變化表現(xiàn)為在分蘗期和成熟期驟降（圖5），這與水稻在這兩個時期的生長發(fā)育對活性氮素吸收量大有關(guān)[32]，同時發(fā)現(xiàn)，從發(fā)生NPMI 驟降前一生育期（移栽返青期、灌漿期）到出現(xiàn)驟降的時期，可溶性無機氮占可溶性總氮的百分比上升，一方面可能是可溶性總氮含量高易發(fā)生可溶性氮素徑流損失，另一方面是水稻根際和微生物加快了對可溶性有機氮的分解利用，因此導致NPMI 驟降、可溶性無機氮素占比上升。谷月[8]對不同有機物還田后滴灌土壤的NPMI 研究發(fā)現(xiàn)，施用秸稈相比施用牧草和動物糞便對NPMI 提升效果更好，但在本研究中，化肥與秸稈配合還田后僅在水稻生育前期（移栽返青期、分蘗期）的NPMI 表現(xiàn)出短暫性提升，此后的NPMI 均低于其余處理，且本研究中化肥秸稈配施下的CPMI 在水稻生育前期（移栽返青期、分蘗期）具有相似表現(xiàn)，結(jié)合在本研究中水稻生育前期可溶性有機氮素在可溶性總氮素中占比較高，進一步推測這可能是由于秸稈還田后土壤微生物先對秸稈中易于分解部分進行快速分解和腐化[33]，從而導致生育前期化肥秸稈配施處理下的NPMI、CPMI 較高，但在水稻生育后期對秸稈中的纖維素和木質(zhì)素等難分解養(yǎng)分的腐解率降低[34]。焦歡等[10]研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，有機無機配施能分別提高復墾4年和8年土壤的NPMI，本研究結(jié)果與其相似，與單獨施用化肥相比，除化肥秸稈配施外，其余有機無機配施處理在水稻生長末期的NPMI 均有提高，其中在紫云英-秸稈配施化肥的基礎(chǔ)上添加熟石灰提升NPMI 的效果最佳，這可能是熟石灰的添加一方面對土壤具有殺菌消毒作用，另一方面調(diào)節(jié)土壤pH，有利于土壤可溶性氮素的增加，進而達到土壤活性氮庫擴容的目標。同時本研究發(fā)現(xiàn)在水稻生育末期，添加紫云英處理的NPMI 優(yōu)于不添加紫云英處理，且此時期下添加紫云英處理的可溶性無機氮占可溶性總氮的百分比均高于不添加紫云英處理，這進一步說明紫云英作為豆科綠肥代替部分化肥有利于作物對氮素的直接吸收和NPMI的提高。

3.3 水稻不同生育期碳氮庫管理指數(shù)對水稻氮素吸收量、產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響

本研究中，產(chǎn)量與稻谷氮素吸收量、收獲指數(shù)、氮素收獲指數(shù)均具有顯著正相關(guān)性，土壤中的養(yǎng)分通過根系吸收、莖部運輸，在水稻穗部表達為結(jié)實率、千粒質(zhì)量等關(guān)鍵因素最終影響水稻產(chǎn)量[35]。水稻氮素吸收受土壤養(yǎng)分、環(huán)境、微生物等的影響。與可溶性有機氮相比，可溶性無機氮可直接參與水稻生育和土壤微生物活動。本研究發(fā)現(xiàn)，化肥秸稈處理下氮素吸收量最高，但氮素收獲指數(shù)最低，這說明化肥秸稈還田在本研究中不是最優(yōu)的還田方式。同時，本研究結(jié)果表明，分蘗期是影響水稻產(chǎn)量、稻谷氮素吸收量的關(guān)鍵時期，可能原因是：分蘗期水稻植株葉鞘舒展葉面積增大，光合作用增強，對土壤中活性氮素養(yǎng)分吸收量變大[36]，生育前期植株內(nèi)部氮素的累積為營養(yǎng)器官的發(fā)育和水稻產(chǎn)量的提高奠定了基礎(chǔ)。在本研究的水稻分蘗期時，化肥秸稈配施處理下可溶性無機態(tài)氮占可溶性總氮比例最高，而水稻氮素吸收受外源氮形態(tài)影響，無機氮更易被水稻吸收獲取，這可能是導致化肥秸稈配施處理氮素吸收量最大的原因。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)灌漿期CPMI與產(chǎn)量、收獲指數(shù)和根干質(zhì)量均呈顯著正相關(guān)性。水稻在灌漿期進行蛋白質(zhì)、淀粉等物質(zhì)的合成，此時期的碳氮代謝過程復雜[37]，土壤中活性有機碳的數(shù)量和質(zhì)量的提高，一方面影響根系活力和根部營養(yǎng)物質(zhì)的累積，促進對土壤中養(yǎng)分的吸收、運輸和轉(zhuǎn)化[38]，另一方面為土壤微生物的活動提供碳源，提高微生物在此生育期的活性，從而影響劍葉、籽粒養(yǎng)分和水稻產(chǎn)量。因此在已知水稻不同生育期CPMI、NPMI與水稻產(chǎn)量關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過在不同生育期對CPMI 和NPMI 的調(diào)控，如施用有機肥、添加液體氮肥及控制含水量[39]等，提高CPMI、NPMI以達到直接或間接增加產(chǎn)量的目的。

4 結(jié)論

（1）水稻分蘗期是影響稻谷氮素吸收和水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵時期。

（2）灌漿期CPMI與水稻產(chǎn)量、收獲指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，可通過調(diào)節(jié)水稻灌漿期的CPMI，以達到直接或間接提高產(chǎn)量的目的。

（3）與不添加紫云英相比，紫云英還田可提高水稻生育末期的CPMI、NPMI、可溶性無機氮占比和氮素收獲指數(shù)，說明紫云英作為綠肥還田對涵養(yǎng)保護稻田具有積極作用。

（4）紫云英-秸稈聯(lián)合還田對水稻不同生育期CPMI、NPMI 的綜合提升效果最佳，并在生育末期與單施化肥處理產(chǎn)生顯著性差異，這表明紫云英-秸稈聯(lián)合還田在一定程度上能夠代替部分化肥，提高土壤活性碳、氮養(yǎng)分并實現(xiàn)擴增碳氮庫容。