有機肥綠肥配施對水稻土有機碳組分和水稻產量的影響

劉小粉，賀小思，易柏寧，劉春增，曹衛東

（1．河北工程大學，河北 邯鄲 056038；2．河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；3．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

豫南稻區為單季稻產區，每年有大量冬閑田，當地習慣種植冬綠肥紫云英，并于水稻插秧前翻壓還田用于土壤培肥。綠肥翻壓還田能使化肥施用量減少40%仍能保證水稻不減產［1］，還能活化土壤養分、改善土壤結構和防止水土流失［1-5］，從而緩解化肥過度施用導致的土壤板結、食品安全和環境風險問題，對土壤培肥和保障農業可持續生產意義重大［5-6］。

土壤有機質是土壤重要組成部分，含量雖少卻對土壤結構改善、肥力保持、功能調節及植物生長發育起著關鍵作用［7］，因此，提升土壤有機質/有機碳含量和質量對農業生產意義重大。研究表明，綠肥還田能顯著提高稻田土壤總有機碳含量及土壤活性有機碳含量［4，8-10］，連續種植綠肥還能促進有機碳在大團聚體中固持［11］，但也有研究發現綠肥還田未顯著提高土壤有機碳含量［1，12］，需要進一步研究。另外，目前關于有機碳的研究多集中于綠肥與化肥、秸稈配施效果，綠肥與有機肥配施效果報道較少，已有相關報道主要關注綠肥有機肥配施與其他施肥模式的差異性比較［13］，不同綠肥翻壓量與有機肥配施效果如何，尚缺乏相關報道。隨著人們生活水平和消費理念提升，不施化肥的稻米越發受到青睞，而豫南稻區利用冬閑田種植綠肥翻壓還田并配施有機肥，是水稻清潔生產（有機生產）值得借鑒的培肥模式，但尚未開展相關科學研究。因此，該研究擬從宏觀（土壤）和微觀（團聚體）兩個層面探討施有機肥條件下配施不同量綠肥對土壤有機碳組分和水稻產量的影響，為水稻清潔生產高效培肥和保障產量提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設置

該試驗位于信陽市農科院水稻試驗田，土壤耕層質地為粘壤，種植制度為單季稻，水稻品種為秈稻兩優6326，水稻收獲后移除秸稈部分。共設置4 個處理:（1）有機肥（OF）；（2）有機肥+綠肥2 000 kg·hm-2（OF+GM1）；（3）有機肥+綠肥3 000 kg·hm-2（OF+GM2）；（4）有機肥+綠肥4 000 kg·hm-2（OF+GM3）。每個處理重復3 次，每個重復面積為15.3 m2，重復間做田埂并用塑料板隔開以防串水串肥，留0.8 m 寬溝以便灌排及其它田間管理。4 個處理均施用商品有機肥做基肥，施用量為100 kg·hm-2，其氮、磷、鉀含量分別為1.81%、1.22%、2.38%。除OF 處理外，其它3 個處理于每年9 月底水稻收獲后種植綠肥（當地紫云英），并于下茬水稻插秧前（約4 月上、中旬）至少提前兩周收獲綠肥，按各試驗處理綠肥用量不同，稱重后翻壓還田。試驗連續開展兩年。

1.2 樣品采集與測定

水稻收獲后以挖剖面方式采集0 ～15 cm 耕層原狀土壤，每個小區隨機采集6 點進行混合，用方形大鐵盒帶回實驗室。過8 mm 篩后放置于牛皮紙上自然風干，用濕篩法［14］分離團聚體得到＞2、0.25 ～2、0.05 ～0.25 和＜0.05 mm 4個團聚體粒級。選取占絕對優勢的0.25 ～2 mm 團聚體，采用改進后密度浮選法［15］進行分組，具體步驟為:（1）取5 g 團聚體放入離心管中，加入1.85 g·cm-3的碘化鈉溶液35 mL，用手左右晃動離心管使其充分混合，待靜置20 min 后放入離心機進行離心，棄去上層溶液，再用去離子水重復洗滌-離心3 ～5 次；（2）將土樣完全轉移到三角瓶中，并用少量去離子水沖洗干凈，在三角瓶中加入0.5 mol·L-1的六偏磷酸鈉10 mL，再加入約50 mL 去離子水，之后放入震蕩箱中持續震蕩8 h，把震蕩好的土樣依次過0.25 和0.05 mm 篩，將得到的三部分土粒分別轉移到小鋁盒中，在烘箱中烘干24 h，即得到加碘化鈉預處理的＜0.05、0.05 ～0.25 和0.25 ～2 mm 3 個 粒 級 的烘干土樣。同時取5 g 土樣放入三角瓶，重復步驟（2），即得到不加碘化鈉處理的＜0.05、0.05 ～0.25和0.25 ～2 mm 3個粒級的烘干土樣。以上步驟如圖1 所示。土壤、團聚體及各組分有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法［16］測定。水稻產量為各小區實打實收。

圖1 土壤團聚體各組分有機碳分組流程圖

1.3 統計分析

用SPSS 19 進行數據的顯著性差異和相關分析。采用單因素（one-way ANOVA）-Duncan 法進行處理間顯著性差異分析，采用Pearson 法進行各變量之間的相關性分析，顯著性水平均為P＜0.05。

表1 不同處理對土壤及團聚體有機碳含量和水稻產量的影響

2 結果與分析

2.1 有機肥綠肥配施對土壤和團聚體有機碳含量的影響

由表1 看出，水稻實測產量在處理間產生了顯著差異（P＜0.05），表現趨勢為OF＜OF+GM1＜OF+GM2和OF+GM3，OF+GM1、OF+GM2、OF+GM3 處理水稻產量比OF 分別提高37.2%、62.0%和63.1%。由表1 還看出，土壤有機碳含量在12.0 ～12.5 g·kg-1之間，處理間差異不顯著（P＞0.05）。在團聚體尺度，有機碳含量隨團聚體粒徑減小明顯降低，從大到小各粒徑平均值分別為17.8、13.0、10.4 和7.6 g·kg-1；但在處理間有機碳含量未產生顯著差異。該試驗點前期研究［12］發現，除＜0.05 mm 團聚體外，其它團聚體含量均在處理間產生了顯著差異，團聚體分布的變化引起了團聚體穩定性相應改變，與OF 相比，配施綠肥的3 個處理團聚體穩定性提高26%～42%。即綠肥還田雖未顯著提高土壤和團聚體有機碳含量，卻引起土壤團聚體分布變化，從而提高其穩定性。鑒于團聚體形成和有機碳周轉密切相關［17-19］，筆者假設團聚體內有機碳分布發生了變化，后面選取占絕對優勢的粒級（0.25～2 mm 團聚體），對有機碳分布展開進一步分析。

2.2 有機肥綠肥配施對團聚體各組分有機碳含量的影響

不同處理0.25 ～2 mm 團聚體經分散、篩分得到各組分有機碳含量如圖2 所示。對于同一處理，不同組分有機碳含量存在明顯差異:組分粒徑越大其有機碳含量越高，即0.25 ～2 mm＞0.05 ～0.25 mm＞＜0.05 mm。處理間相比較，0.25 ～2 mm 粒級有機碳含量無顯著差異（P＞0.05）。＜0.05 mm 粒級為OF ≤OF+GM2 和OF+GM3 ≤OF+GM1， 其 中OF+GM1、OF+GM2、OF+GM3 比OF 處理有機碳含量分別提高42.0%、13.2%、13.1%。0.05 ～0.25 mm粒 級 為OF ≤OF+GM1 ≤OF+GM2 和OF+GM3，其中OF+GM1、OF+GM2、OF+GM3 比OF 處理有機碳含量分別提高11.7%、20.7%、27.6%。因此，配施綠肥能有效提高各組分有機碳含量。

圖2 不同處理0．25 ～2 mm 團聚體各組分有機碳含量

2.3 有機肥綠肥配施對團聚體重組各組分有機碳含量的影響

不同處理0.25 ～2 mm 團聚體經碘化鈉浮選后，棄去上部游離輕組（因該土樣輕組肉眼幾乎不可見、量少，很難收集夠量以達到測定有機碳含量，因此棄去），只保留重組，再對重組進行分散、篩分后得到的各組分有機碳含量如圖3 所示。對于同一處理，不同粒級有機碳含量存在明顯差異:粒徑越大其有機碳含量越高，即0.25 ～2 mm＞0.05 ～0.25 mm＞＜0.05 mm，與圖2 不經碘化鈉浮選趨勢一致。對于同一粒級，各組分有機碳含量在處理間無顯著性差異（P＞0.05）。

圖3 不同處理0．25 ～2 mm 團聚體重組各組分有機碳含量（加碘化鈉浮選）

3 討論與結論

該研究經過兩年定位試驗發現，在施有機肥基礎上配施綠肥未顯著提高土壤及各粒級團聚體有機碳含量。楊艷［13］也發現，單施紫云英、單施有機肥、有機肥紫云英減半后配施未使水稻土團聚體有機碳含量發生顯著變化，這與筆者的研究結果一致。而多數研究表明，綠肥還田不僅顯著提高土壤有機碳含量［9-10］，還提高土壤活性有機碳和團聚體有機碳含量［8-11］，與筆者研究結果不一致。這除了受土壤本底值、試驗設置及試驗年限等外因影響，還和有機碳自身性質有關:土壤有機碳含量僅能反映土壤總有機碳輸入與礦化平衡結果，并不能反映各功能庫情況。事實上，土壤有機質/有機碳由不同的功能庫組成，各自有特定的穩定機制和周轉速率，某些碳庫可能對不同農業措施的反映比土壤總有機碳更靈敏，因此，有機質分組是闡明土壤有機質關鍵功能的常用方法［15，20-21］。其中，物理分組法對有機質結構破壞程度小，分離出的有機質組分能較真實反映原狀有機質結構與功能，尤其能反映有機質的位置和周轉特征［22-23］。該研究物理分組結果也證明了這一點:盡管土壤和團聚體有機碳無顯著變化，但對0.25 ～2 mm 團聚體進行物理分組后發現，與OF 處理相比，有機肥綠肥配施有機碳含量在＜0.05 和0.05 ～0.25 mm 這兩個組分（粒級）中顯著提高（圖2）。

該研究采用密度分組法把0.25 ～2 mm 團聚體分為游離輕組和重組兩部分，進一步分析導致圖2 中有機碳含量產生差異的關鍵組分。結果表明，棄去游離輕組保留重組后，用同樣的方法把重組分成3個組分，每個組分有機碳含量在處理間均無顯著差異（圖3），這與圖2 有機碳含量在處理間差異顯著不一致（表現在＜0.05 和0.05 ～0.25 mm 兩個組分）。在實驗處理過程中，圖3 比圖2 多了棄去游離輕組這個步驟，說明游離輕組是導致有機肥綠肥配施處理有機碳含量提高的原因。這與楊艷［13］研究結果一致，她發現與單施有機肥、單施紫云英相比，有機肥紫云英減半配施能顯著提高土壤輕組有機碳含量。但楊艷［13］研究結果顯示，單施有機肥重組有機碳含量比單施紫云英、有機肥紫云英減半配施顯著提高，這與圖3 重組結果不一致。這可能和本研究試驗只有2 年、時間較短有關（對方試驗4 年），因為重組有機質主要存在于有機-無機復合體中，周轉較慢，物理保護程度高，對農業管理措施響應較慢［24］。反之，輕組有機質主要成分為動植物殘體、菌絲體、孢子、單糖、多糖、半木質素等生物活性高的有機物，轉化分解較重組迅速，一般幾周到幾十年［25-27］，對耕作、施肥等農業生產措施響應更快，也是判斷土壤有機碳固持特征變化快速而有效的手段［28-29］。因此，該研究在實驗步驟中棄去游離輕組后，不同處理有機碳含量由圖2 存在差異變為圖3 無顯著性差異，也恰好說明輕組易變、重組不易變。

鑒于水稻產量和部分組分有機碳含量在處理間都產生了顯著變化，該研究對兩者進行了相關分析（表2）。結果表明，產量與0.25 ～2 mm 團聚體有機碳含量和0.05 ～0.25 mm 組分有機碳含量呈顯著正相關（P＜0.05）。因此，綠肥還田除直接提高水稻產量，還通過提高0.25 ～2 mm 團聚體和0.05 ～0.25 mm 組分有機碳含量間接影響水稻產量。但由于團聚體有機碳在處理間并未產生顯著差異（表1），因此，綠肥還田可能主要通過0.05 ～0.25 mm 組分有機碳含量變化間接影響水稻產量。表2 還顯示，水稻產量與土壤、＜0.05 mm 組分和0.25 ～2 mm 組分有機碳含量正相關但相關性不顯著，可能因為土壤、0.25 ～2 mm 組分有機碳含量在處理間無顯著差異，雖然＜0.05 mm 組分有機碳含量在處理間差異顯著，但與0.05 ～0.25 mm 組分相比，其有機碳含量水平很低（圖2），因此對水稻產量影響相對較小。綜上所述，兩年施肥試驗表明:（1）在施有機肥條件下，綠肥還田不能提高土壤及團聚體有機碳含量，卻顯著提高水稻產量。（2）進一步對0.25 ～2 mm 團聚體物理分組發現，所得3 個組分有機碳含量隨粒徑增大而升高；與OF 處理相比，綠肥還田使0.05 ～0.25 mm 和＜0.05 mm 組分有機碳含量顯著提高，這些變化主要由游離輕組引起。（3）相關分析發現，綠肥還田除直接提高水稻產量，還通過提高0.05 ～0.25 mm 組分有機碳含量間接影響水稻產量。因此，水稻清潔生產（有機生產）中，提倡有機肥綠肥配施，綠肥配施量可根據輪作綠肥產草量選擇3 000 ～4 000 kg·hm-2。

表2 水稻產量與土壤、團聚體及各組分有機碳含量的相關分析