有機肥施用對節水灌溉稻田土壤有機碳及其活性組分的影響

張淑娜，林秀顏，陳 曦，楊士紅，龔水明，王乙江

（1.河海大學農業科學與工程學院，江蘇南京210098；2.昆山市水利水務工程質量與安全監督站，江蘇蘇州215300）

土壤有機碳作為評價土壤質量的一個重要指標，其動態平衡直接影響著土壤肥力和作物產量［1］。另外，土壤碳固持與排放也顯著影響著大氣溫室氣體的含量和全球氣候的變化［2］。而土壤活性有機碳作為土壤有機碳中較為活躍的化學成分，是土壤有機碳動態變化的敏感指標［3］。因此，研究土壤有機碳及其活性組分變化，可為土壤可持續利用提供科學依據。

我國自古就有施用有機肥更新地力的傳統［4］。有機肥作為一種傳統肥料，具有養分全面、肥效持久、成本低等特點。有機肥中含有有機質、氮、磷、鉀等多種養分［5］。相對于化肥而言，有機肥的應用能夠使土壤理化性質得到更大改善，使土壤微生物活性得到有效提高，使土壤養分能夠維持基本平衡［6］。水稻作為我國主要糧食作物，有機肥施用對稻田土壤有機碳影響已有較多研究。崔新衛［7］等人通過對紅壤土稻田施用有機肥和化肥的不同組合，經過長期定位試驗發現施用有機肥可以提高紅壤稻田土的總有機碳及溶解性有機碳含量，而化學氮、磷、鉀肥和有機肥平衡配施較單施有機肥效果更加。這與董春華［8］等人的研究結果相似。另有研究表明，施用有機肥的稻田土壤碳氮比高于單施化肥，而土壤碳氮比越高，土壤的固碳能力越強［9］。

已有研究主要針對有機肥施用對淹水灌溉稻田土壤有機碳及其組分的影響。隨著各種水稻節水灌溉技術的大面積推廣應用，其干濕交替過程勢必會影響稻田土壤有機碳及其組分的轉化，相關研究較少。因此，本研究基于田間試驗，將節水灌溉與有機肥施用相結合，探究稻田土壤有機碳、土壤可溶性碳、土壤微生物碳對節水灌溉與有機肥施用相結合的響應，旨在為稻田水碳資源可持續利用提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在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市水利技術排灌實驗基地（34°15′21″N，121°05′22″E），該地屬亞熱帶南部季風氣候區，年降雨量1 097.1 mm，平均無霜期234 d，年平均氣溫15.5 ℃，年蒸發量1 365.9 mm，日照時數2 085.9 h。主要種植模式為稻麥輪作，試驗土為潴育型黃泥土，試驗地耕層土壤為重壤土，土壤基本理化性質見表1。

表1 土壤基本理化性質Tab.1 The basic physical and chemical properties of soil

1.2 試驗設計

試驗設計兩種灌溉處理，常規灌溉（FI）與控制灌溉（CI），兩種施肥管理，常規施肥（FM）與有機肥管理（MM），共4 個處理（分別為FF、FM、CF 與CM），每個處理設3 次重復，共計12 個小區，每個小區面積為21 m2（3 m×7 m）。

本試驗水稻品種為南粳46，全生育期120 d左右。6月下旬插秧，10月下旬收獲。施肥量和施肥時間參照當地農民習慣統一進行。在水稻整個生育期內，通過無機肥投入的N、P2O5、K2O含量分別為268.35、54、76.50 kg/hm2。有機肥處理在水稻移栽前做基肥一次性施用，有機肥管理在無機肥處理的基礎上增施商品有機肥7 500 kg/hm2［石家莊冀田生物科技有限公司，有效量：W（N+P2O5+K2O）≥5%，W（有機質）≥45%］。控制灌溉處理在返青期田面保留10～30 mm 薄水層。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以外，其余各生育階段田間均保留薄水層，黃熟期自然落干。

1.3 樣品采集

在水稻典型生育期（泡田期、返青期、分蘗期、拔節孕穗期與收割后）于12個小區中采集土壤樣品。采用“S”法取樣，取樣后及時剔除植物殘根、石礫等雜物并將土樣混合均勻，隨后將土樣運回室內，把一部分新鮮土樣放置于4 ℃冰箱冷藏保存，并及時測定土壤微生物量碳（SMBC）和土壤可溶性碳含量（DOC），其余土樣自然風干后過100目土篩保存，供土壤有機碳含量（TOC）的測定。土壤含水量采用烘干法測定；土壤有機碳、可溶性有機碳與微生物量碳分別采用重絡酸鉀外加熱法［11］、去離子水浸提法與氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定。

1.4 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2007 進行數據整理，并作圖；用SPSS 22.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 有機肥施用對節水灌溉稻田土壤有機碳含量的影響

從圖1可以看出，不同處理土壤有機碳含量在水稻各生長階段變化趨勢較緩，在9.46～10.47 g/kg 范圍上下波動。土壤有機碳含量在植物生長初期和末期較高，在乳熟期最低。

圖1 水碳調控下稻田土壤有機碳含量的變化Fig.1 The variation of soil organic carbon content of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements

不同肥料管理條件下，節水灌溉稻田土壤有機碳含量在水稻整個生育期內始終低于淹水灌溉稻田，并在拔節育穗期差距最為明顯。節水灌溉稻田土壤有機碳含量在水稻生育期整體呈下降趨勢，除返青期和分蘗期土壤有機碳含量高于泡田期以外，其他生育期均低于泡田期，平均減少0.489 g/kg。而淹水灌溉處理呈上升趨勢，除乳熟期外，其他生育期均高于泡田期，平均增長幅度為1.503 g/kg。不同水分管理條件下，施用有機肥稻田土壤有機碳含量在各生育期均大于常規肥料管理稻田，各生育期有機碳含量平均值為10.99 g/kg，較常規肥處理高22.9%。有機肥施用明顯增加了稻田土壤有機碳含量。不同水碳聯合調控下，CF 處理土壤有機碳平均含量8.63 g/kg，較FF 處理低7.2%。CM 處理土壤有機碳平均含量10.29 g/kg，較FF 處理高1.04 g/kg。由此可見，節水灌溉對土壤有機碳分解有促進作用，而施加有機肥顯著提高節水灌溉稻田土壤有機碳含量。

2.2 有機肥施用對節水灌溉稻田土壤可溶性有機碳的影響

從圖2可以看出，不同處理的土壤可溶性有機碳含量在303.43～371.15 mg/kg 范圍內波動，4 種處理稻田土壤可溶性有機碳含量在水稻生育初期平均由250.69 mg/kg 逐漸增至374.7 mg/kg，在返青期達到峰值后下降至500.04 mg/kg。隨后在分蘗后期和拔節孕穗初期顯著增高，直至620.53 mg/kg，達到生育期內最大值。隨著試驗的進行，土壤可溶性有機碳含量不斷減少，收割后達到最小值214.33 mg/kg，這可能與稻田在生育后期排水落干有關。

圖2 水碳調控下稻田土壤可溶性有機碳含量的變化Fig.2 The variation of soil dissolved organic carbon content of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements

不同施肥制度下，淹水灌溉處理下稻田土壤可溶性有機碳平均含量為351.11 mg/kg，較節水灌溉高13.1%。除泡田期及收割前，節水灌溉下土壤可溶性有機碳含量低于淹水灌溉以外，其他生育期節水灌溉下土壤可溶性有機碳含量均高于淹水灌溉，并在返青期差值達到最大。不同水分管理模式下，施加有機肥處理的土壤可溶性有機碳含量平均為344.29 mg/kg，較常規肥高27.04 mg/kg。在泡田期至拔節育穗期施加有機肥處理土壤可溶性有機碳含量高于常規肥處理，但在生育后期，常規肥處理下土壤可溶性有機碳含量略高于有機肥處理。在節水灌溉條件下，CM 處理土壤可溶性有機碳含量在水稻生育初期和后期低于CF處理，在水稻生育中期高于CF處理，尤其在返青期差異最明顯，差值達到106.57 mg/kg。淹水灌溉下，FM 處理土壤可溶性有機碳含量僅在乳熟期低于FF處理，土壤可溶性有機碳含量在返青期和拔節孕穗期差異較大，FM 處理較FF 處理分別高36.7%和13.4%。不同水碳聯合管理下，稻田土壤可溶性有機碳平均含量以FF處理最高，為371.75 mg/kg，較FM、CM、CF處理分別高12.1%、16.9%和22.3%。

2.3 稻田土壤微生物量碳在水碳調控下的變化規律

圖3表明，不同處理稻田土壤微生物量碳含量平均波動范圍為151.83～202.92 mg/kg。稻田土壤微生物量碳隨水稻生長變化較大：從生育初期的132.29 mg/kg 不斷增至183.39 mg/kg，在返青期達到峰值后，逐漸回落，在分蘗期達到最小值129.36 mg/kg。拔節育穗期土壤微生物量碳含量顯著增加，達到整個生長階段的最大值276.43 mg/kg后緩慢降至134.86 mg/kg。

圖3 水碳調控下稻田土壤微生物量碳含量的變化Fig.3 The variation of soil microbial carbon content of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements

不同施肥制度下，節水灌溉處理稻田微生物量碳含量在水稻各生育期均高于淹水灌溉，其中拔節孕穗期差異最為明顯，平均高出30.53 mg/kg。不同灌溉模式下，施加有機肥處理土壤微生物量碳含量平均為198.36 mg/kg，與常規肥處理相比，平均高出29.77 mg/kg。在節水灌溉條件下，CM 處理土壤微生物量碳含量在水稻整個生育期始終高于CF 處理，且在拔節育穗期差異最大，達122.11 mg/kg。而淹水灌溉下，FM 處理土壤微生物量碳含量僅在泡田期至拔節孕穗期過程中高于FF處理，在乳熟期和收割后FF 處理稻田土壤微生物量碳含量高于FM 處理，兩種處理土壤微生物量碳含量依然在拔節育穗期差異最大。結合水分管理和施加有機肥對土壤微生物量碳的影響，稻田土壤微生物量碳含量CM＞FM＞FF＞CF，CM處理土壤微生物量碳含量較FF 處理高9.5%，節水灌溉下施加有機肥有利于土壤微生物量碳的積累。

2.4 節水灌溉稻田土壤碳有效率對有機肥施用的響應

可溶性有機碳有效率（DOC 有效率）和微生物熵是土壤碳庫質量變化的敏感指標，可以很好地指示土壤碳有效性和土壤碳活性。土壤碳有效率計算方法如下：

不同水碳調控下，土壤碳有效率見表2。由表2可知，灌溉模式與不同碳調控模式下，土壤碳有效率不同：其中DOC 有效率表現為FF＞CF＞FM＞CM，與FF 相比，CF、FM、CM 處理均使DOC 有效率減少，其中CM 處理DOC 有效率最小，而DOC 在土壤有機碳中屬移動性較強的成分，因此DOC有效率的減少有利于土壤固碳作用，說明節水灌溉和有機肥相配合對于提高土壤有機碳穩定性是一種較為有效的模式。

表2 不同水碳調控下全生育期稻田土壤碳有效率的變化 %Tab.2 The variation of effective rate of soil carbon of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements during the total growing periods

不同水碳調控下，與FF 處理相比，CM 處理微生物熵減少8.2%，可能是因為CM 處理土壤有機碳含量較FF 處理增加幅度遠大于微生物量碳含量的增加幅度，分別為11.2%、9.5%。雖然微生物熵呈下降趨勢，但微生物量碳含量和土壤總有機碳含量呈上升趨勢，所以此研究中微生物熵的減少并不能說明節水灌溉與施用有機肥聯合管理降低了微生物分解碳源的速率，從而降低土壤養分。這與徐一蘭［10］的結論不一致。

3 討 論

大量研究表明，有機肥施用可以提高淹水灌溉稻田土壤有機碳及其組分。淹水灌溉由于土層表面長期保持有水層，影響土壤通氣性，不能很好地改善土壤溫度、水分等環境，進而降低了土壤微生物的活性，抑制了土壤有機碳的分解。有機肥料中含有一定的有機質和養分，一方面直接影響土壤有機碳的輸入，另一方面為土壤中微生物提供大量的有機質，促進微生物生長繁殖，使微生物量碳含量有所提高。這與汪洋［11］等人的研究結果類似。有研究表明，施用有機肥顯著提高土壤有機質含量［12］，并且對于土壤碳固持作用具有顯著影響，研究還發現等氮量輸入下，施加有機肥較施化肥而言，土壤微生物量碳含量增加50%以上［13］。土壤可溶性有機碳主要來源于植物殘體、腐殖質的降解、微生物量和根系分泌物等，有機肥施用增加了作物產量，從而提高了植物殘體量，植物殘體經降解形成的簡單化合物大大增加了DOC含量，與前人研究結果一致［14］。

本研究表明，有機肥施用對節水灌溉稻田土壤有機碳、可溶性有機碳、微生物量碳含量有促進作用，分別提高19.2%、4.6%、33.7%。節水灌溉以根層土壤水分占飽和含水率60%～80%的組合作為控制指標，僅在返青期設薄水層。良好的耕層通氣狀況和適宜的水分含量有利于土壤有機碳的礦化作用［15］。有機肥以一種直接碳源的方式對土壤中有機碳含量進行補充，施加有機肥促進了土壤團聚體的形成，使微生物的生存環境有所改善，增加了微生物數量和種類，同時有機肥中本身含有的腐殖質為土壤養分的提高創造了良好的條件。DOC 含量增加幅度最低可能與在水稻部分生育期根系分泌物的減少和微生物對DOC的需求增加有關［14］。

4 結 論

施加有機肥與節水灌溉聯合管理顯著提高TOC和SMBC含量，但使DOC 含量和土壤碳素有效率有所降低。具體結論如下。

（1）節水灌溉降低了TOC 和DOC 含量，使SMBC 含量有所增加。不同肥料管理條件下，節水灌溉TOC 含量較生育初值呈下降趨勢，淹水灌溉TOC 含量呈上升趨勢；淹水灌溉處理下稻田土壤可溶性有機碳平均含量較節水灌溉高13.1%；節水灌溉處理稻田微生物量碳含量在水稻整個生育期均高于淹水灌溉。

（2）節水灌溉與有機肥施用結合顯著提高節水灌溉稻田土壤TOC含量、SMBC含量，使土壤可溶性有機碳含量降低。

CM 處理土壤有機碳平均含量、土壤微生物量碳含量較FF處理分別高11.2%、9.5%；稻田土壤可溶性有機碳平均含量以FF處理最高，較CM處理高16.9%。

（3）不同水碳調控影響土壤碳素有效率大小，節水灌溉下施用有機肥使土壤可溶性有機碳有效率和微生物熵分別降低14%和8.2%，提高土壤碳固持能力和碳穩定性。 □