稻茬-紫云英聯合還田對水稻土表層水可溶性碳氮的影響

楊 爽，劉 佳，陳曉芬，秦文婧，陳靜蕊，羅文文，孫魯沅，耿明建，徐昌旭

（1.華中農業大學資源與環境學院，湖北 武漢 430070；2.江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 330200）

養分隨地表徑流進入河湖水網是土壤養分流失的主要途徑［1］。不合理的農業管理措施可能增加稻田養分流失，造成農業面源污染［2］。目前，已有大量農業管理措施影響稻田表層水養分流失的研究報道。馬曉焉等［3］在紅壤性水稻土上的研究發現，表層水氮素含量與豬糞施用量呈正相關關系，豬糞施用后15 d 內表層水銨態氮（NH4+-N）、可溶性有機氮（DON）含量顯著高于單施化肥處理。龔靜靜等［4］研究發現，秸稈還田可使稻油輪作農田徑流氮素含量下降16.9%～19.8%，有效減緩氮素流失的風險。郭智等［5］也證實，較常規施肥處理，秸稈還田能使稻麥輪作農田徑流總氮損失降低13.48%。開展稻田養分流失及其消減措施相關研究是當下農業科技工作者關注的焦點。

紫云英是南方稻田廣泛種植利用的冬季綠肥，翻壓還田有利于改善土壤性質、提高作物產量、提升農產品品質［6-9］。在南方紅壤區習慣于在早稻種植前（4月中旬）將紫云英帶水翻壓，此時紫云英含氮量高、鮮嫩多汁、極易分解，還田后迅速釋放養分［10］。但此時水稻處于苗期，養分需求較小，紫云英還田后可能存在養分流失的風險，然而目前未有關于紫云英還田影響田面水養分含量的相關報道。當前，晚稻機收留茬是南方紅壤區的普遍現象。水稻留茬有助于紫云英出苗越冬，提高紫云英盛花期的產量和養分含量，留茬也為早稻移栽前與紫云英的聯合還田提供了可能，近年來，已有學者在此方面開展了一定研究。周國朋等［11］發現，相較于稻茬或紫云英單獨利用，二者聯合還田的土壤肥力和水稻產量均得到明顯提升。也有研究發現，稻茬與紫云英聯合還田可以驅動土壤產甲烷菌的群落演變，進而降低甲烷排放通量，有利于稻田生態系統固碳減排［12］。稻茬與紫云英聯合還田能否降低田面水養分濃度、減少潛在的養分流失風險，還有待研究。

本研究以江西省最典型的紅壤性水稻土和沖積性水稻土為研究對象，布置精準控制水稻盆栽試驗，設置紫云英與不同高度稻茬聯合還田的試驗處理，研究水稻土表層水可溶性碳氮含量的動態變化，旨在為南方雙季稻區紫云英的合理利用、農業面源污染的科學防控提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2020年5～8月在江西省農業科學院（28°33′38″N，115°56′16″E，海拔25.6 m）露天網室進行。該地區為典型的亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.0～17.7℃，年降水量1600～1700 mm，年日照時數1800～1820 h。供試土壤為第四紀紅黏土母質發育的紅壤性水稻土和河流沖積性母質發育的沖積性水稻土，前者采自江西省豐城市張巷鎮范橋村（28°07′55″N，115°54′36″E，海拔25.4 m），后者采自江西省上高縣泗溪鎮渡埠農場（江西省農業科學院高安基地，28°15′21″N，115°7′49″E，海拔25.2 m），所取土壤為未進行試驗的表層（0～20 cm）水稻土。土壤采集后風干，挑去雜物過2 mm篩，充分混勻備用。供試土壤的基礎理化性質見表1。

表1 供試土壤基礎理化性質

供試有機物料為稻茬和紫云英，在2020年4月中旬早稻種植前采集。稻茬為上一年度晚稻機械收獲后自然越冬的田間留茬，紫云英為盛花期地上部鮮樣。采集后將稻茬和紫云英烘干剪碎至2 cm左右備用，經測定稻茬含碳378.5 g/kg，含氮11.9 g/kg，碳氮比（C/N）31.7，含水量22.4%；紫云英含 碳386.2 g/kg，含 氮24.5 g/kg，C/N 15.8，含 水量88.2%。供試化肥為尿素（N 46%）、鈣鎂磷肥（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。

1.2 試驗設計

盆栽試驗設4個處理：不施用稻茬和紫云英（CK）、紫云英單獨還田（MV）、低量稻茬和紫云英聯合還田（LSMV）、高量稻茬和紫云英聯合還田（HSMV），每個處理4次重復。除CK外，各處理紫云英還田量均為干物質2700 kg/hm2（按鮮草產量22500 kg/hm2，含水量88.0%計算），LSMV處理按1350 kg/hm2添加稻茬（大約相當于晚稻機械收獲留茬10～15 cm），HSMV處理按4050 kg/hm2添加稻茬（大約相當于晚稻機械收獲留茬30～45 cm）。參照當地大田施肥習慣，各處理的化肥施用 量 為N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。氮肥按照基肥50%、穗肥50%施用，磷肥和鉀肥全部用作基肥。將各處理的基肥、有機物料與5 kg供試土壤完全混勻、裝盆，每盆準確灌入5 L去離子水，而后挑選長勢一致的水稻幼苗進行移栽，每盆移栽2株水稻幼苗。試驗期間每天上午定時定量補水?？紤]到盆栽試驗可能出現養分供應不足的情況，參考劉蕊等［13］的方法在實際操作中將有機物料和化肥用量擴大2倍，各處理具體添加量見表2。

表2 有機物料添加量及化肥施用量 （g/盆）

1.3 盆栽表層水的采集與測定

水稻移栽后第3、7、15、30 d用50 mL注射器在盡量不擾動土層情況下，隨機采集盆栽內3個點位的表層水裝入250 mL塑料瓶內，過0.45 μm濾膜后，盡快測定濾液的可溶性有機碳（DOC）、可溶性總氮（DTN）、NH4+-N和硝態氮（NO3--N）含量。濾液的DOC和DTN使用Multi C/N 3100（德國耶拿公司）測定，NH4+-N和NO3--N使用Smart chem 200全自動間斷化學分析儀（法國愛利安斯公司）測定。濾液的無機氮（DIN）含量為NH4+-N和NO3--N含量的加和，DON通過 DTN與DIN的差值計算得出［14］。

1.4 數據統計

試驗數據經Excel 2003整理后，用SPSS 22.0進行單因素方差分析、Duncan多重比較，用Origin 9.1作圖。

2 結果與分析

2.1 水稻土表層水DOC含量的動態變化

紅壤性水稻土表層水DOC含量的動態變化如圖1a所示。整個取樣期內CK始終下降，而MV、LSMV和HSMV處理均表現為先上升后下降的變化趨勢。與CK相比，LSMV和HSMV處理的DOC含量增幅較小，而MV處理則顯著提高。在第7 d峰值時，LSMV和HSMV處理的DOC含量相較于CK分別提高了41.6%和87.6%（P＜0.05），而MV處理卻大幅提高了5.9倍（P＜0.05），達到414.3 mg/L。在第30 d時，各處理的DOC含量差異不顯著。

圖1 水稻土表層水DOC含量的動態變化

沖積性水稻土表層水DOC含量的動態變化如圖1b所示。整個取樣期內，CK、LSMV和HSMV處理始終下降，僅MV處理呈先上升后下降的變化趨勢。與紅壤性水稻土不同，沖積性水稻土中添加物料各處理的DOC含量均增幅較小。與CK相比，整個取樣期內MV處理的DOC含量平均增幅僅為27.9%，而LSMV和HSMV處理分別達到36.2%和62.7%。

2.2 水稻土表層水DTN含量的動態變化

紅壤性水稻土表層水DTN含量的動態變化如圖2a所示，各處理表層水的DTN含量始終呈下降趨勢。整個取樣期內，LSMV和HSMV處理的DTN含量與CK相近，二者分別為CK的77.1%～118.9%（P＞0.05）和81.0%～125.0%（P＞0.05）；而MV處理則大幅提高。在第3 d時，MV處理的DTN含量高達575.4 mg/L，是CK的15.1倍，在第15 d時，MV處理的DTN含量急劇下降到66.4 mg/L，仍然是CK的11.4倍。在第30 d時，各處理表層水的DTN含量差異不顯著。

圖2 水稻土表層水DTN含量的動態變化

沖積性水稻土表層水DTN含量的動態變化如圖2b所示。與紅壤性水稻土相似，沖積性水稻土各處理表層水的DTN含量也呈下降趨勢。不同的是，整個取樣期內MV處理的DTN含量相較于CK增幅較小，僅上升了3.3%～44.2%；而LSMV和HSMV處理的DTN含量相較于CK甚至下降了20.9%～32.0%和24.5%～54.9%。在第30 d時，各處理表層水的DTN含量差異不顯著。

2.3 水稻土表層水NH4+-N含量的動態變化

紅壤性水稻土表層水NH4+-N含量的動態變化如圖3a所示，各處理表層水的NH4+-N含量始終呈下降趨勢。在第3 d取樣時，MV處理的NH4+-N含量為49.9 mg/L，相較于CK提高了117.9%（P＜0.05），而LSMV和HSMV處理相較于CK分別僅提 高 了25.8%（P＞0.05）和40.4%（P＞0.05）。第7～30 d，MV、LSMV和HSMV處理的NH4+-N含量與CK逐漸趨于一致。

沖積性水稻土表層水NH4+-N含量的變化規律與DTN相似。從圖3b可以看出，整個取樣期內，各處理的NH4+-N含量呈下降趨勢。在前7 d，MV處理的NH4+-N含量相較于CK有所上升，增幅達35.2%～37.0%，而LSMV和HSMV處理的NH4+-N含量相較于CK卻有所下降，降幅分別為18.6%～25.9%和48.5%～55.0%。15 d后，各處理的NH4+-N含量與CK相近。

2.4 水稻土表層水NO3--N含量的動態變化

紅壤性水稻土表層水NO3--N含量的動態變化如圖4a所示。各處理NO3--N含量均在第7 d達到峰值后下降。各處理NO3--N含量峰值僅在1.6～5.6 mg/L之間，其中LSMV處理的NO3--N含量最高，相較于CK峰值上升了32.3 %（P＜0.05），HSMV處理的NO3--N含量最低，相較于CK峰值降低了61.8%（P＜0.05）。取樣期內MV處理和CK的NO3--N含量始終相近，無顯著差異（P＞0.05）。在第30 d時，各處理表層水的NO3--N含量差異不顯著。

圖3 水稻土表層水NH4+-N含量的動態變化

圖4 水稻土表層水NO3--N含量的動態變化

沖積性水稻土表層水NO3--N含量的動態變化如圖4b所示。與紅壤性水稻土相似，各處理的NO3--N含量均在第7 d達到峰值后下降。各處理NO3--N含量峰值在2.4～7.0 mg/L之間，其中CK的NO3--N含量明顯高于其他處理，HSMV處理的NO3--N含量相較于CK降低了66.1 %（P＜0.05），降幅最大，而LSMV處理的NO3--N含量相較于CK僅下降了26.1%（P＜0.05），降幅最小。在第30 d時，各處理表層水的NO3--N含量差異不顯著。

2.5 水稻土表層水DON含量的動態變化

紅壤性水稻土表層水DON含量的動態變化如圖5a所示。各處理的DON變化規律與其DTN（圖2a）相似，在整個觀測期內始終呈下降趨勢。MV處理的DON含量顯著高于其他處理（P＜0.05），第3 d時其峰值含量高達532.4 mg/L，相較于CK大幅提高了35.8倍（P＜0.05）；而LSMV、HSMV處理的DON含量卻與CK無顯著差異（P＞0.05）。在第30 d時，各處理表層水的DON含量趨于一致。

沖積性水稻土表層水DON含量的變化規律如圖5b所示。在整個觀測期內，各處理的DON含量均呈下降趨勢。與紅壤性水稻土表層水的DON表現相反，在第3 d峰值時，MV處理的DON含量僅11.0 mg/L，相對于CK顯著降低了37.8%（P＜0.05），而LSMV和HSMV處理與CK接近，前者的DON含量下降了4.6%（P＞0.05），后者的DON含量上升了9.3%（P＞0.05）。在第30 d時，各處理表層水的DON含量差異不顯著。

2.6 水稻土表層水DOC/DTN的動態變化

紅壤性水稻土表層水DOC/DTN的變化規律如圖6a所示，隨觀測時間的延長，各處理的DOC/DTN整體呈上升趨勢。在觀測初期（前7 d）各處理的DOC/DTN接近，第15 d時，各處理DOC/DTN的大小順序為HSMV（16.5）＞LSMV（9.5）≈CK（8.5）＞MV（3.3）。但第15 d后，各添加有機物料處理（MV、LSMV和HSMV）的DOC/DTN迅速趨于一致，第30 d時，其值在23.8～24.7之間，顯著高于CK的16.3（P＜0.05）。

圖5 水稻土表層水DON含量的動態變化

圖6 水稻土表層水DOC/DTN的動態變化

沖積性水稻土表層水DOC/DTN的變化規律如圖6b所示，在整個觀測期內各處理的DOC/DTN也呈整體上升趨勢。與紅壤性水稻土不同，在前15 d，各處理DOC/DTN的大小順序始終為HSMV＞LSMV＞MV＞CK，且在第15 d時各處理相互間達到顯著差異（P＜0.05）。但第15 d后，CK的DOC/DTN迅速上升，而MV、LSMV和HSMV處理趨于一致，第30 d時，CK的DOC/DTN（35.1）顯著高于MV、LSMV和HSMV處理（29.1～30.2）。

3 討論

水稻土表層水中的可溶性碳氮是稻田生態系統的重要組成部分，它既是植物、微生物可以直接吸收利用的營養物質，也是造成稻田養分流失風險的潛在污染源［3，15-16］。本研究發現，在紅壤性水稻土上將紫云英單獨還田（MV處理），表層水中的DOC、DTN和DON含量急劇增加，三者最高時分別達到414.3（第7 d）、575.4（第3 d）和532.4 mg/L（第3 d），相對于對應時間的CK分別增加了5.9、14.1和35.8倍，而沖積性水稻土MV處理的DOC、DTN和DON含量相對于CK最高也僅增加了51.9%（第7 d）、25.2%（第7 d）和58.4%（第7 d）?？梢娮显朴为氝€田對兩種水稻土表層水中可溶性碳、氮養分濃度的影響截然不同，在紅壤性稻田中存在極高的流失風險。這可能與兩種水稻土的性質差異有關。紅壤性水稻土發育自第四紀紅黏土，其質地黏重、通氣透水性差，紫云英分解釋放的大量碳、氮養分未能被土體有效吸納而存在于表層水中；而沖積性水稻土的砂粒含量較高（表1），其機械組成更加“松散”，通氣透水性好，具有強大的“海綿功能”，對投入的外源養分能很快表現出良好的“緩沖性能”。雖然前人研究也曾發現添加外源物質對不同類型水稻土的影響各異［17-18］，但幾乎未見類似于本研究中紅壤性水稻土和沖積性水稻土如此巨大差別的研究報道，之后還需要進一步研究以深入揭示不同類型水稻土產生差異的根本原因。鄭小龍等［19］研究發現，施用生物炭可有效吸附田面水中的DOC和氮、磷養分，從而降低環境污染風險。本研究也發現，在紅壤性水稻土上將稻茬與紫云英聯合還田，LSMV和HSMV處理表層水的DOC、DTN和DON含量均大幅降低至與CK接近的水平。其原因可能是：一方面，稻茬也具有一定的吸附養分功能；另一方面，高C/N的稻茬（31.7）可與低C/N的紫云英（15.8）形成互補，微生物分解稻茬時會大量吸收環境中的氮素養分［20-21］。因此，在南方紅壤性水稻土上，晚稻機收留茬越冬配合紫云英在次年春季聯合還田應當是一項值得推廣的技術措施。

本研究發現，不論是紅壤性水稻土還是沖積性水稻土，表層水中的NH4+-N含量均在第3 d達到峰值，而NO3--N含量均在第7 d達到峰值。其原因是紫云英還田后快速分解，植株體內的有機氮首先經礦化作用轉變為NH4+-N，進而經硝化作用轉變為NO3--N，因而NH4+-N的峰值早于NO3--N出現，這也與許多研究［22-23］一致。對于表層水的NH4+-N含量，可以看出兩種水稻土均以紫云英單獨還田的MV處理峰值最高，而將稻茬與紫云英聯合還田可將NH4+-N含量大幅降低35.6%～42.4%（紅壤性水稻土）和45.9%～48.5%（沖積性水稻土）。由于氨揮發是稻田氮素損失的主要途徑，田面水的NH4+-N濃度是影響氨揮發的重要因素，因此，稻茬與紫云英聯合還田可能是有效控制紫云英單獨施用后稻田氨揮發損失的關鍵措施。對于表層水中的NO3--N含量，在兩種水稻土上，各添加物料處理的NO3--N峰值均表現為LSMV＞MV＞HSMV（處理間差異顯著，P＜0.05），這說明紫云英配合低量稻茬還田促進了NH4+-N向NO3--N的轉化，而配合高量稻茬則明顯抑制了NH4+-N向NO3--N的轉化。盤莫誼等［24］研究發現，在水稻生長前期土壤的硝化作用強度隨秸稈還田量的增加呈先上升后降低的趨勢。Scarlett等［25］也發現，通過調控還田物料的C/N可以改變土壤微生物的豐度和群落組成，進而影響NH4+-N向NO3--N轉化的速率。微生物最適宜的環境C/N一般在20～30之間［26］。表層水的DOC/DTN既反映了微生物吸收利用環境中碳氮養分的狀況，也在一定程度上代表了水稻土C/N的發展方向。本研究發現，在觀測結束時（第30 d），紅壤性水稻土各添加物料處理的表層水DOC/DTN在23.8～24.7之間，顯著高于CK（16.3），而沖積性水稻土各添加物料處理在29.1～30.2之間，顯著低于CK（35.1），說明在兩種水稻土上進行稻茬和紫云英還田，均有助于培肥改良土壤，促進微生物對碳氮的利用和固持。

4 結論

在紅壤性水稻土上將紫云英單獨還田，會大幅提高水稻土表層水中DOC、DTN和DON的含量，急劇增加養分流失的風險；將稻茬與紫云英聯合還田，會使表層水的DOC、DTN和DON含量降低至與CK接近的水平。而在沖積性水稻土上將紫云英單獨還田，表層水中的DOC、DTN和DON含量增幅較小。將稻茬與紫云英聯合還田還有助于降低兩種水稻土表層水中的NH4+-N含量，低量的稻茬配合紫云英還田可促進NH4+-N向NO3--N的轉化，而高量的稻茬配合紫云英還田明顯抑制了NH4+-N向NO3--N的轉化。因此，在南方稻田，晚稻機收留茬越冬配合紫云英在次年春季聯合還田應當加以推廣，尤其是在紅壤性水稻土上更應采取此項技術措施。