綠肥還田對粉壟稻田土壤活性有機碳的影響①

鄭佳舜，胡鈞銘，韋燕燕，申章佑，蒙炎成，韋翔華

(1 廣西農業科學院農業資源與環境研究所，南寧 530007；2 廣西大學農學院，南寧 530004；3 廣西農業科學院經濟作物研究所，南寧 530007)

土壤是陸地生態系統中最大的碳庫，農田土壤碳庫與土壤碳循環、全球氣候變化密不可分[1]，土壤有機碳在全球CO2動態變化中扮演著重要角色[2]。在國家農田化肥減量增效的綠色發展背景下，探索土壤碳循環與土壤養分供給意義巨大。農業有機物是調控土壤環境的重要手段[3]，影響土壤碳儲量和碳循環[4]。土壤活性有機碳能有效表征土壤物質循環、潛在生產力以及土壤管理措施引起的土壤有機碳變化特征[5]。土壤碳庫管理指數是反映土壤固碳能力的重要標志，其結合土壤有機碳活性和土壤養分，表征外界條件變化對土壤有機質性質的影響[6]，被廣泛用于農業生態系統中土壤質量與健康狀況評價[7-9]。

耕作和農田有機資源投入是驅動土壤碳庫周轉的重要因素[10]。有研究顯示，劇烈的耕作會擾動土壤，加劇農田土壤水土流失，土壤有機碳礦化損失嚴重，導致土壤質量下降[11]。減少耕作強度有助于改善土壤結構，提高土壤有機碳[12-13]。秸稈有機資源還田可以提高土壤碳庫指數，增加土壤活性有機碳組分[14]。長期旋耕配施秸稈還田下的土壤有機碳的活性有機碳比例較高，將旋耕轉變為深松可顯著降低土壤活性有機碳在總有機碳的比例[15]。綠肥還田是改良土壤的重要手段，明確綠肥還田條件下對稻田耕層土壤不同活性有機碳的影響尤為必要。本研究從水稻生育期土壤活性有機碳庫隨時間變化、土壤垂直空間活性有機碳庫環境變化角度，系統探討綠肥還田對粉壟稻田土壤有機碳儲量和活性有機碳穩定性的影響，為稻田土壤活性有機碳庫調控及土壤質量提升提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

2016—2018年在廣西農業科學院試驗基地開展水稻定位試驗，試驗區屬亞熱帶季風性氣候，是水熱資源豐富的典型南方雙季秈稻區。2016年10月和2017年10月分別種植冬綠肥紫云英，2017年4月和2018年4月起開始分別移栽種植雙季水稻。研究選擇2018年的土壤活性有機碳測試，以考察綠肥還田對粉壟稻田土壤的第二年定位累積效應。

土壤基本性質：pH 6.6，全氮1.80 g/kg，全磷0.92 g/kg，全鉀7.43 g/kg，有效磷37.90 mg/kg，有機質24.50 g/kg，水解性氮131.00 mg/kg，速效鉀97.80 mg/kg。壓青綠肥為紫云英(干基養分N 2.7%、P2O50.65%、K2O 2.5%)，化肥施用包括復合肥(N 14.64%、P2O514.92%、K2O 15.08%)、尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O515%)、氯化鉀(K2O 62.7%)。

1.2 試驗設計和樣品采集

1.2.1 試驗設計 試驗小區面積7.41 m × 6.21 m，供試水稻品種為三系秈超級稻，特優582，株行距12 cm × 24 cm，每穴2株插苗，4月4日移栽，生育期為110 d。試驗設置常規耕作、粉壟耕作2種耕作模式，粉壟深旋耕利用垂直螺旋型鉆頭刀片高速橫向切割土壤碎土，一次性完成自然懸浮成壟將土壤耕層加深至30 cm[16-17]，采用傳統拖拉機進行常規耕作。以不施肥為空白對照，在同等養分條件下以常規施用化肥(N 240 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 240 kg/hm2)為參考標準，在同等養分條件下雙倍綠肥提供的養分N代替化肥中的100% 養分N，單倍綠肥提供的養分N代替化肥中50% 的養分N，進行設計。3種施肥方式為：100% 化肥(804.4 kg/hm2復合肥、260.9 kg/hm2尿素、195.7 kg/hm2氯化鉀)、單倍綠肥配施化肥(35 586.6 kg/hm2綠肥，配施608.7 kg/hm2復合肥、65.2 kg/hm2尿素、65.2 kg/hm2氯化鉀)、雙倍綠肥配施化肥(71 173.1 kg/hm2綠肥，配施414.8 kg/hm2過磷酸鈣、28.0 kg/hm2氯化鉀)，共8處理，每處理3次重復，各處理如表1所示。田間管理按常規超級稻生產進行。

1.2.2 樣品采集 采用土鉆在水稻分蘗期、孕穗期、齊穗期和收獲期(分別為移栽后20、40、60、90 d)4個生育期采集0 ~ 15 cm土壤樣品：用尺子標記土鉆底部至下而上的15 cm長度，土鉆取樣時土壤樣品需達到標記線。在水稻收獲后挖取土壤剖面，用刀片至上而下分別刮取0 ~ 15、15 ~ 30、30 ~ 45 cm的剖面土。

表 1 試驗處理設置Table 1 Experimental treatments

1.3 試驗方法和計算

土壤活性有機碳(LOC)采用KMnO4氧化法測定[6]：根據KMnO4濃度的變化求出樣品的不同活性有機碳含量，其中以濃度333 mmol/L KMnO4測定低活性有機碳(即易氧化有機碳)，是活性有機碳中活性最高、最容易被氧化的那部分活性有機碳；以濃度176 mmol/L KMnO4測定中活性有機碳；以濃度33.3 mmol/L KMnO4測定高活性有機碳?？傆袡C碳采用高溫重絡酸鉀–外熱法測定[18]。

土壤碳庫管理指數(CPMI)以不施肥土壤為參考，均以易氧化有機碳作為活性有機碳標準，計算公式[6]為：

1.4 數據分析和處理

試驗數據采用IBM SPSS Statistics 19軟件分析，Microsoft Excel 2010軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 綠肥還田對粉壟稻田土壤總有機碳的影響

如圖1A所示，分蘗期土壤總有機碳(TOC)含量最高，稻田各生育期土壤TOC含量呈波動變化。粉壟耕作降低了各生育期土壤TOC含量，同種施肥方式下，FN0比CN0降低3.14 ~ 6 .11 g/kg；綠肥還田減少了粉壟與常耕之間TOC含量的差異：FN1比CN1降低1.45 ~ 3.42 g/kg，而FN2比CN2降低2.60 ~3.47 g/kg。隨著綠肥的增加，粉壟稻田土壤TOC含量逐漸增加，FN2較FN0提高了25.6% ~ 60.1%，FN1較FN0提高了14.6% ~ 48.8%。在常規耕作中，綠肥的增加提高了分蘗期、孕穗期、收獲期土壤TOC含量。

如圖1B所示，隨著土層加深，土壤TOC含量逐漸遞減。粉壟耕作下，FN0、FN1、FN23個處理在15 ~ 30 cm比0 ~ 15 cm的土壤TOC分別降低30.8%、33.0%、331.6%，降低率均低于同種施肥方式下的常規耕作；將30 ~ 45 cm與15 ~ 30 cm土壤TOC比較，依然表現為粉壟耕作的降低率更低，說明粉壟耕作能綜合各土層間TOC的運移。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與如圖1A收獲期的土壤TOC特征不同：FN、FN0、FN1與同種施肥方式的常規耕作相比分別增加了20.7%、1.2%、7.6%，僅FN2較CN2降低1.9%；此外，FN1和FN2較FN0分別增加25.7% 和18.7%。15 ~ 30 cm土壤中，FN1、FN2較CN1和CN2分別增加47.3% 和8.7%，而FN0較CN0降低了1.7%，FN1和FN2較FN0分別增加21.6% 和17.3%。30 ~ 45 cm土壤中，粉壟耕作下的土壤TOC含量均高于常規耕作，增加了41.7% ~ 84.4%。因此，粉壟耕作能較有效提高剖面各土層土壤TOC含量，綠肥還田相比單施化肥降低了粉壟稻田30 ~ 45 cm土壤TOC含量，單倍綠肥還田降低地較少，相比雙倍綠肥還田更能提高粉壟稻田0 ~ 30 cm土壤TOC含量。

2.2 綠肥還田對粉壟稻田土壤活性有機碳含量的影響

如表2所示，粉壟耕作水稻各生育期土壤低活性有機碳(LLOC)、中活性有機碳(MLOC)、高活性有機碳(HLOC)含量均顯著低于常規耕作，綠肥還田提高了粉壟耕作下水稻各生育期土壤的各級活性有機碳(LOC)含量，多數時期表現為FN2>FN1>FN0，分蘗期、齊穗期的土壤MLOC和分蘗期的土壤HLOC表現為FN1>FN2。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與未收割水稻時收獲期0 ~ 15 cm土壤LOC含量特征不同：同一施肥方式下，土壤MLOC和HLOC表現為FN1FN2≥FN0，而FN1和FN2的土壤MLOC分別較FN0降低了12.3% 和27.6%。15 ~ 30 cm土壤中，與同種施肥方式下的常耕耕作相比，粉壟耕作FN1和FN2處理土壤LOC多數表現為降低，而FN2較CN2的土壤MLOC增加19.3%；綠肥的增加能較有效提高該土層粉壟稻田土壤LOC含量，但FN1較FN0降低0.5%。30 ~45 cm土壤中，與同種施肥方式下的常耕相比，FN2處理土壤LOC含量總體表現為降低，而FN1的土壤MLOC和HLOC含量分別增加134.3% 和27.3%。

表2 稻田土壤活性有機碳含量Table 2 The content of soil labile organic carbon in paddy fields

2.3 綠肥還田對粉壟稻田土壤非活性有機碳占比的影響

降低土壤非活性有機碳(NLOC)在總有機碳中的占比，是提高土壤有機碳利用的基礎，即：土壤NLOC占比越少，土壤LOC的可激活率越高，對土壤碳庫應用尺度越大。如圖2A所示，水稻生長時間越長，土壤NLOC占比越高。將各處理按4個生育期擬合成直線，粉壟耕作的決定系數R2均高于常規耕作，且FN處理在前3個生育期中R2達0.999，FN1和FN2在后3個生育期中R2分別可達0.999和0.992，說明粉壟耕作土壤NLOC占比在對應時期隨時間增加而增加，且呈線性變化規律。與常耕相比，FN1較CN1在前3個生育期NLOC增加1.3% ~ 1.7%，在收獲期增加最多，達7.5%；FN2較CN2在前3個生育期降低1.8% ~ 5.7%，在收獲期增加7.0%。粉壟耕作中，與FN0相比，FN1和FN2的NLOC占比逐漸降低，但FN1在齊穗期增加1.8%。

隨著土層的加深，土壤NLOC占比逐漸降低(圖2B)。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與如圖2A收獲期的土壤NLOC占比特征不同：與FN0相比，FN1和FN2分別增加2.8% 和5.4%，而15 ~ 30 cm中FN2增加率會低于FN1；至30 ~ 45 cm時，FN2較FN0降低3.1%，而FN1仍然高FN01.7%。與常規耕作相比，FN1和FN2的土壤NLOC占比表現為增加，FN1在15~ 45 cm增加較多，FN2在0 ~ 30 cm增加較多，且FN1和FN2在30 ~ 45 cm中的土壤NLOC占比遠高于CN1和CN2，分別增了80.6% 和59.3%。若將各處理按3個土層擬合直線，FN1和FN2決定系數R2分別達0.999和0.998，說明土壤NLOC占比隨土層的加深而降低，呈線性變化規律。

2.4 綠肥還田對粉壟稻田土壤碳庫管理指數的影響

粉壟耕作的土壤碳庫管理指數(CPMI)始終低于常規耕作。如圖3A所示，水稻孕穗期出現土壤CPMI最大值，綠肥的增加提高了粉壟稻田各生育期土壤CPMI，粉壟耕作后3個時期呈負線性相關，FN1和FN2決定系數R2分別達0.973和0.997，隨水稻的生長土壤CPMI逐漸降低。綠肥的增加減小了各生育期粉壟與常規耕作土壤CPMI的降低率：4個關鍵期中FN0較CN0減少了28.4% ~ 60.7%，FN1較CN1減少了22.3% ~ 40.5%，FN2較CN2減少了8.7% ~ 38.4%。

如圖3B所示，水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與圖3A收獲期的土壤CPMI特征不同：粉壟耕作中FN2低于其他施肥處理。CN0隨土層的增加土壤CPMI呈線性降低，決定系數R2達0.999。15 ~ 30 cm和30 ~45 cm土壤CPMI均表現為FN1和FN2低于FN0，其中FN1降低得較多，分別降低8.5% 和20.1%，FN2降低得較少。與常耕相比，粉壟稻田土壤15 ~ 30 cm到30 ~ 45 cm的土壤CPMI降低更快。

3 討論

綠肥還田能有效提高粉壟稻田土壤固碳水平。耕地對土壤擾動會降低土壤團聚體的穩定性，不利于保證土壤有機碳的積累，降低了土壤固碳能力[11,19]，綠肥還田將土壤新的碳儲量進行更新和積累，提高有機碳庫存[20]。綠肥中含有大量的養分及高活性有機碳[21]，同時促進了土壤原有機碳轉變成易被作物吸收利用的活性有機碳[6]。綠肥易分解有機物的穩定性越小，其碳損失較大[22]。也有學者認為，與碳輸入量相比，土壤自身對有機碳的扭轉水平更能影響土壤對外源有機碳的固持作用[23]，粉壟耕作對土壤有機碳的扭轉具有一定的促進作用。水稻分蘗期土壤有機碳最高，綠肥的增加可有效提高粉壟雙季稻田土壤碳庫管理指數，且在孕穗期最高、收獲期最低。分析其原因可能是水稻分蘗期是化肥養分溶解或綠肥腐解的重要時期，多處淹水狀態，養分運移最為活躍，刺激了土壤微生物的繁殖和生長[24]，促進土壤有機質的更新與活化[25]，對有機碳的提升起到了關鍵作用。水稻分蘗期低活性有機碳含量降低，可能是水稻因綠肥腐解為高活性有機碳提供了直接來源[26]，有效提高了生育初期土壤中、高活性有機碳含量，在一定程度上對低活性有機碳的降低有著間接的影響。

綠肥還田影響粉壟稻田土壤垂直空間活性有機碳穩定性，低活性有機碳>中活性有機碳>高活性有機碳。由高至低活性有機碳，若較高一級與較低一級的活性有機碳的降低率越低，說明其較高一級的有機碳含量更加接近較低一級，活性有機碳含量級別越低，所呈現的土壤易氧化程度越高。不同活性的有機碳組分可以靈敏地反映土壤質量和土壤有機質有效組分的變化狀況[27]。綠肥中含有大量的養分及高活性有機碳[21]，尤其是新鮮的有機資源粉碎后腐解產生的熱量，有助于改善、優化土壤結構，在一定程度上保持土壤的溫度和水分條件[28]，促進了土壤原有有機碳轉變成易被作物吸收利用的活性有機碳。而當前對稻田剖面土壤活性有機碳的運移分布特征研究甚少，本研究通過綠肥粉壟耦合下稻田剖面土壤各級活性有機碳轉變特征受粉壟耕作、綠肥投入的共同影響。特征如下：①粉壟耕作能有效增加0 ~ 15 cm稻田土壤中活性有機碳向低活性有機碳的易氧化程度，綠肥還田增加粉壟稻田0 ~ 15 cm土壤高活性有機碳向中活性有機碳的易氧化程度；②雙倍綠肥還田粉壟耕作加速15 ~ 30 cm土壤中活性有機碳向低活性有機碳、高活性有機碳向中活性有機碳的易氧化程度；③粉壟耕作有效增加稻田30 ~ 45 cm土壤中活性有機碳向低活性有機碳轉變的易氧化程度，增加高活性有機碳向中活性有機碳的易氧化程度。但其發生原因有待深入研究，該結果可為進一步的研究提供基礎。

粉壟耕作對土壤有機碳的扭轉具有一定的促進作用，能減緩各垂直空間土壤有機碳隨土層下降的程度。Liang等[29]認為，深層土壤的養分含量比表層土壤更低，當外源易分解有機物進入深層土壤時，土壤有機碳的礦化會受到限制。趙滿興等[30]研究發現，土壤的耕層和母質層對可溶性有機碳的吸附能力相對較弱，施用有機肥后對可溶性有機碳在土壤中的移動性較強，會增加環境風險。然而本研究中，粉壟耕作通過改變土壤空間移動，改善了土壤結構，有助于優化稻田土壤的碳縱向遷移過程。綠肥的增加提高了水稻收獲期0 ~ 15 cm土壤的有機碳，這是有機資源對土壤碳的直接作用[20]。單倍綠肥還田增加了粉壟稻田剖面各土層有機碳積累，這可能是化肥中50%的養分氮被單倍綠肥中的養分氮替代，恰好達到一定介質，促進土壤的扭轉[23]，加速了土壤有機酸的活化。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm與未收割水稻收獲期0 ~ 15 cm土壤的有機碳、活性有機碳、碳庫管理指數特征有所差異，造成收割后0 ~ 15 cm剖面土在粉壟耕作下的有機碳、活性有機碳、碳庫管理指數相比收獲期0 ~ 15 cm土壤偏高。常規耕作下偏低的原因：①收獲前的土壤有水稻植株種植間隔覆蓋，而挖取剖面土是在水稻收割之后，土壤有機碳受到水稻收獲前后植株凋零物中易氧化有機質的影響；②各生育期0 ~ 15 cm土壤采用土鉆取樣，取樣過程受到壓實，實際取樣深度可能偏大，而取樣剖面土先用卷尺測量再至上而下刮取，即為實際取樣深度。

4 結論

綠肥還田能有效增加粉壟稻田土壤有機碳儲量和活性有機碳的穩定性，對稻田耕層土壤至上而下地激發各級活性有機碳的運移和潛在利用具有積極的線性變化規律。提高綠肥還田量是提升粉壟稻田各生育期表層土壤活性有機碳及有機碳儲備的重要因素。但單倍綠肥還田有助于提高粉壟稻田剖面土有機碳的積累，調控粉壟耕作背景下土壤垂直空間活性有機碳庫環境。