秸稈還田對節水灌溉稻田土壤有機碳及其組分的影響

丁 潔，楊士紅,2，金元林，孫 瀟，江賾偉，肖亞楠

(1.河海大學農業工程學院，南京 210098；2. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098；3. 江蘇省昆山市張浦水利(水務)站， 江蘇 昆山 215321)

土壤有機碳是土壤最重要的組成部分，是評價土壤質量和土壤肥力的重要指標[1,2]。土壤中的活性有機碳占土壤總有機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，與農作物的生長息息相關。并且土壤活性有機碳對外界環境變化十分敏感，能在土壤有機碳變化之前反映土壤碳庫的微小變動[3]，因此研究土壤有機碳及其活性組分的變化，有利于揭示農業措施對土壤有機碳的影響機理。

秸稈是農業生產中的副產品，2015年我國作物秸稈資源總量約10.4 億t[4]，并且隨著農業生產力的提高，秸稈的產量還在不斷增加[5]。秸稈直接焚燒或者棄置極易造成火災，不僅造成資源浪費，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質、氮磷鉀和微量元素，秸稈還田可以有效提高土壤有機質含量，增強耕層土壤酶活性，提高作物產量，變廢為寶[8,9]。目前關于水稻土壤有機碳的研究大多集中于耕作措施、還田方式和施肥制度對土壤有機碳的影響[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分及碳庫的短期變化，試驗結果表明隨著施氮量的增加，稻田土壤有機質、全氮、易氧化有機碳含量均呈先升高后降低趨勢。李碩等[13]的試驗結果表明小麥、玉米秸稈以不同方式還田均可明顯提高土壤有機碳及其活性組分含量，添加小麥秸稈效果優于玉米秸稈，混勻方式優于覆蓋方式。對于灌溉用水方式，尤其是水碳聯合管理下稻田土壤有機碳的研究還不多見，隨著水稻節水灌溉技術的大面積推廣應用，其土壤水分管理模式改變了稻田原有的生態環境和微生物群落，從而影響土壤有機質的分解過程。為此本試驗在節水灌溉管理條件下，研究了秸稈還田處理下的稻田土壤有機碳、可溶性有機碳、微生物量碳的季節變化，探討了水碳聯合調控對稻田土壤有機碳以及活性有機碳組分的影響規律，旨在為南方地區制定合理、高效的水碳管理措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室昆山試驗研究基地(34°15′21″N ，121°05′22″E)，昆山市地處太湖平原，境內河網密布，地勢平坦。試驗區屬亞熱帶南部季風氣候區，年平均氣溫15.5 ℃，年降雨量1 097.1 mm，年蒸發量1 365.9 mm，日照時數2 085.9 h，平均無霜期234 d。當地習慣稻麥輪作，本實驗主要在水稻生育期內進行。試驗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土層土壤有機質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 試驗設計

試驗于2015年6月-2015年10 月進行，試驗將常規灌溉(F)、控制灌溉(C)2種水分處理形式，與常規肥(F)、秸稈還田(S)2種施肥管理方式相結合，共設4個處理，分別記為FS、CS、FF、CF，每種處理設3次重復，共12個小區。

本試驗選用的水稻品種為南粳46號，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。施肥量和施肥時間按當地農民習慣進行，整個生育期共施氮、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，秸稈還田的小區在施加無機肥的基礎上施用打碎小麥秸稈3 000 kg/hm2。小麥秸稈的有機碳含量為441 g/kg，即通過秸稈還田向稻田輸入1 322 kg/hm2有機碳。控制灌溉處理在返青期內田面保留10～30 mm薄水層，其他各個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，確定灌水時間和灌水定額[14]。常規灌溉處理按當地水稻種植習慣管理，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地常規管理。

1.3 樣品采集與分析

試驗于2015年水稻各生育期(泡田期、返青期、分蘗期、拔節育穗期、乳熟期、和收割后，共6次)在試驗設計的12個小區中采用“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干后過100目土篩，用來測定土壤總有機碳(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 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2007進行初步分析并建立數據庫；用SPSS 22.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 水碳調控對稻田土壤有機碳含量季節變化的影響

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

圖1 水碳調控下稻田土壤有機碳含量季節變化

不同肥料管理模式下，控制灌溉處理的水稻生育期內土壤有機碳平均含量為9.42 g/kg，較常規灌溉處理低1.09 g/kg。控制灌溉稻田土壤有機碳含量在分蘗期前變化不大，分蘗期后呈降低趨勢，在乳熟期達到最低值8.67 g/kg。而常規灌溉稻田土壤有機碳在返青期一直不斷增長，在拔節孕穗期達到最大值11.09 g/kg，隨后在乳熟期不斷減少，達到最低值9.77 g/kg。控制灌溉條件下，水稻種植前后的土壤有機碳呈現下降趨勢，除分蘗期外控制灌溉的土壤有機碳含量均低于泡田期，平均減少0.52 g/kg。而常規灌溉處理呈現增長趨勢，除乳熟期外，土壤有機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碳含量始終低于常規灌溉，且隨水稻生長二者差別逐漸增大，因此控制灌溉處理促進了土壤有機碳的分解。不同灌溉模式下，施加秸稈的稻田土壤有機碳平均含量為10.99 g/kg，較常規肥處理高2.05 g/kg。秸稈還田處理的稻田土壤有機碳含量在分蘗后期均比生育初增加，施加常規肥的稻田則在分蘗期之后呈現減少狀態，這是因為水稻在乳熟期灌漿需要大量有機物質。

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

2.2 水碳調控稻田土壤可溶性有機碳隨季節變化規律

土壤可溶性有機碳是土壤碳庫中非常活躍的有機組分，對生態環境具有重要的意義。水稻土壤可溶性有機碳含量在303.43～331.06 mg/kg的范圍內波動，在水稻全生育期內的變化較大，總體呈下降趨勢，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，在返青期達到峰值后，在分蘗初期回落。拔節孕穗期土壤可溶性有機碳顯著增加，達到生育期內的最大值605.74 mg/kg。乳熟期后，隨著排水落干，土壤中的可溶性有機碳含量逐漸減少，在收獲后達到最小值209.41 mg/kg。

圖2 水碳調控下稻田土壤可溶性有機碳含量季節變化

不同肥料管理下，控制灌溉稻田土壤可溶性有機碳平均含量為315.62 mg/kg，比常規灌溉低6.24 mg/kg。分蘗期前，控制灌溉處理稻田的土壤可溶性有機碳含量高于常規灌溉處理，而在生育中后期常規灌溉條件下土壤可溶性有機碳含量高于控灌處理。不同水分管理條件下，施加秸稈處理的稻田土壤可溶性有機碳含量平均為320.24 mg/kg，略高于施加常規肥，常規肥處理的稻田土壤可溶性有機碳含量為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。常規灌溉條件下，FS和FF處理間在分蘗拔節孕穗以及乳熟期差異較大，尤其在分蘗期，FS較FF處理高出88.92 mg/kg。

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

2.3 水碳調控稻田土壤微生物量碳隨季節變化規律

土壤微生物量碳含量能夠敏銳地反映易變碳庫量的變化。整個生育期內，不同處理稻田微生物量碳含量在166.66～226.71 mg/kg范圍內波動，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，水稻拔節育穗期達到整個生育期的最大值360.68 mg/kg，隨后逐漸減少，直到收獲后達到最低值137.62 mg/kg。

圖3 水碳調控下稻田土壤微生物量碳含量季節變化

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為降低趨勢，平均降低了22.55 mg/kg，常規灌溉表現為上升趨勢，平均增長4.98 mg/kg。在水稻各個生育階段，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孕穗期差別尤其明顯，CS比CF處理高38.9%。常規灌溉條件下，FS和FF處理間在分蘗、拔節孕穗、乳熟期差別較大，同樣在拔節孕穗期差異達到最大，FS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，FS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 稻田土壤活性有機碳與總有機碳的關系

雖然土壤活性有機碳在土壤總有機碳中所占的比重很小,但是與土壤生產力關系密切，對土壤養分的供應轉化有著重要影響。分析土壤活性總有機碳與總有機碳之間的關系發現(圖4)，稻田中土壤可溶性有機碳與土壤總有機碳線性表達式為y=15.144x+173.03(R2=0.536 2，n=12)，相關系數為0.732，土壤微生物量碳與土壤總有機碳線性關系為y=16.64x+20.226(R2=0.775 8，n=12)，相關系數為0.881，均表現為極顯著正相關，可見土壤可溶性有機碳含量與土壤總有機碳之間存在著十分密切的聯系。

圖4 土壤活性有機碳與總有機碳的線性關系

3 討 論

傳統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]，有利于有機質的腐解過程釋放更多的養分供植物吸收和利用，為土壤微生物活動提供充足的能量和碳源，增強各種微生物的活性[18]。但與此同時，連續的浸水為土壤微生物創造了一個厭氧條件，限制了土壤微生物的活性，從而降低了有機碳的分解速率[19]，并且缺氧的狀態降低了土壤Eh，減緩了有機物的發酵過程[20]。控制灌溉在水稻大部分生育期內不建立水層，土壤水分處于飽和狀態的時間較短，土壤干濕交替會刺激土壤碳礦化過程[21]，加速有機碳的分解。王楷等[22]的試驗結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，但總體看來，干濕交替模式下的SOC含量高于“薄淺濕曬”模式和常規灌溉模式。本試驗中，在水稻種植前后，控制灌溉條件下TOC、SMBC均呈下降趨勢，而常規灌溉處理呈增長趨勢。其中在水稻各生長階段，控制灌溉條件下土壤TOC、SMBC含量也均低于常規灌溉處理。控制灌溉處理DOC有機碳平均含量為315.62 mg/kg，比常規灌溉處理低6.24 mg/kg。節水灌溉加速了土壤有機碳的分解，因此在推廣過程中，需與碳管理技術如秸稈還田、有機肥施用等相結合，實現稻田水碳資源的可持續利用。

秸稈還田作為一種外源添加有機質的方式，有助于土壤有機碳的積累。有研究表明，無論耕作還是施肥處理，都需要有機物質的投入來提高土壤肥力和環境可持續性[23]。本研究中發現，秸稈還田增加了節水灌溉稻田土壤有機碳含量，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。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，可以促進微生物生長繁殖。因此需要土壤濕度保持在一定范圍之內，濕度過大會導致土壤通氣不良、厭氣缺氧，使土壤菌類的生長發育受到抑制[24]。

本試驗中，DOC與TOC，SMBC與TOC之間均存在極顯著相關關系，與前人的結論一致[25,26]。土壤中DOC和MBC的大小首先決定于土壤中的有機質含量，其次，才受土壤水熱條件、土壤質地、pH等環境因素的影響[27]。環境適宜的情況下，微生物快速生長繁殖，土壤MBC含量較高，促進有機質分解過程。DOC作為土壤中分子較小的有機碳水化合物首先被分解，同時為微生物活動提供能量來源[28]，維持土壤肥力。

4 結 語

(1)不同肥料管理模式下，控制灌溉稻田土壤平均TOC、DOC、SMBC較常規灌溉處理均有所降低。控制灌溉處理的TOC、SMBC在水稻各個生育階段始終低于常規灌溉。水稻種植前后，控制灌溉處理的土壤TOC、SMBC整體表現為降低趨勢，常規灌溉表現為增長趨勢。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，常規肥處理稻田呈減少狀態。兩種施肥處理下的土壤DOC在分蘗期差異較大，SMBC在水稻拔節孕穗期差別明顯。

(2)控制灌溉與施用秸稈聯合管理(CS)和采用常規灌溉、施用常規肥(FF)處理稻田相比，TOC、SMBC分別提高了10.4%和15.3%，DOC含量區別不大。控制灌溉會降低土壤TOC、SMBC，但在控制灌溉基礎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碳與土壤總有機碳之間存在極顯著正相關關系，相關系數為0.732，土壤微生物量碳與土壤總有機碳之間同樣存在極顯著正相關關系，相關系數為0.881。