紫云英與稻草還田替代部分化肥對雙季稻產量和土壤活性有機碳的影響

謝雪，魯艷紅，廖育林，聶軍，張江林，孫玉桃，曹衛東，高雅潔

紫云英與稻草還田替代部分化肥對雙季稻產量和土壤活性有機碳的影響

謝雪1,2，魯艷紅1,3，廖育林1,3，聶軍1,3，張江林1,3，孫玉桃1,3，曹衛東4，高雅潔

1湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125；2湖南農業大學資源學院，長沙 410128；3農業農村部湖南耕地保育科學觀測實驗站，長沙 410125；4中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081

【目的】基于連續4年田間定位試驗，探究紫云英與稻草翻壓還田替代部分化肥對雙季稻產量以及稻田土壤有機碳組分、碳庫管理指數的影響。【方法】開展雙季稻田間定位試驗，測定早、晚稻產量及連續試驗4年后的土壤有機碳和土壤高活性、中活性、活性及非活性有機碳含量，計算土壤碳庫管理指數。試驗設6個處理：（1）冬閑+氮、磷、鉀化肥（CF）；（2）翻壓紫云英+氮、磷、鉀化肥（MV）；（3）冬閑+稻草低量還田+氮、磷、鉀化肥 （RSl）；（4）冬閑+稻草高量還田+氮、磷、鉀化肥（RSh）；（5）翻壓紫云英+稻草低量還田+氮、磷、鉀化肥（MV+RSl）；（6）翻壓紫云英+稻草高量還田+氮、磷、鉀化肥 MV+RSh）。晚稻收獲后，采集0—15 cm耕層土壤，采用重鉻酸鉀法測定土壤有機碳含量，高錳酸鉀氧化法測定土壤高活性（33 mmol·L-1）、中活性（167 mmol·L-1）、活性（333 mmol·L-1）有機碳含量。【結果】等氮磷鉀養分投入量下，MV+RSh處理的雙季稻產量與CF、RSl處理差異顯著，其他處理間水稻產量無顯著差異，雙季稻總產量RSl處理最高，為13 347 kg·hm-2，MV+RSh處理最低，為11 687 kg·hm-2。連續試驗4年后，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV處理的土壤有機碳含量分別顯著增加42.0%、32.9%、29.9%、28.3%、26.3%（＜0.05）；各處理的土壤活性有機碳含量提高了23.9%—56.4%，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV處理土壤非活性有機碳含量分別顯著增加了37.3%、28.6%、25.8%、24.1%、23.4%（＜0.05）。相比CF處理，MV+RSh、MV+RSl、MV、RSh、RSl處理下土壤高活性有機碳含量增加了12.3%—27.7%，中活性有機碳含量增加了5.6%—20.0%，活性有機碳含量增加了9.9%—26.3%。翻壓紫云英和稻草還田顯著提高了土壤碳庫管理指數，CF、MV、RSl、MV+RSl、RSh、MV+RSh處理使得土壤碳庫管理指數增加了25.5%—61.7%。【結論】連續4年等氮磷鉀養分投入下，翻壓紫云英、稻草還田替代部分化肥用量可以保證雙季稻產量，提高土壤有機碳含量，且有利于增加土壤高活性、中活性、活性及非活性有機碳的含量，皆以MV+RSh處理增加最顯著，與僅紫云英還田相比，僅稻草還田對增加土壤有機碳含量貢獻更大。綜上，在南方雙季稻區，在一定替代范圍內，紫云英和稻草還田可以減少化肥用量，保證水稻產量。

紫云英還田；稻草還田；土壤有機碳；土壤活性有機碳；水稻產量

0 引言

【研究意義】土壤有機碳與土壤肥力密切相關，是表征土壤質量的關鍵指標之一，同時也是影響作物產量的基礎物質[1-2]。土壤有機碳含量的降低，會造成土壤板結、通透性變差等一系列質量問題[3-4]。土壤活性有機碳是土壤中易被微生物分解利用的部分，可直接供給作物吸收利用[5]，而非活性有機碳是土壤固碳的關鍵[6]。因此，提高土壤有機碳、活性以及非活性有機碳的含量對于保障土地的可持續利用具有重要意義。同時，化肥的過量施用不僅會導致環境污染，還會使土壤性狀惡化，不利于農業生產的可持續發展[7]，因此減少化肥施用，促進有機肥替代部分化肥成為形勢所需。【前人研究進展】綠肥是提升土壤肥力的重要有機肥資源，翻壓還田后能補充土壤氮庫，減少氮肥的投入，同時綠肥植株本身含有豐富的有機碳，翻壓還田后可提高土壤中有機碳的含量，進而提高作物產量[8-10]。研究發現，長期翻壓綠肥能夠顯著提高土壤全氮和有機碳的含量[11-12]。王敬寬等[13]發現在鹽堿地翻壓綠肥可以顯著提高土壤碳氮和土壤微生物量碳氮含量。同時，綠肥作為環境友好型生物資源，可以替代部分化肥來提高農田的生產力，正如馮靜琪[14]發現減施40%氮肥條件下紫云英還田可以實現水稻穩產，程會丹等[15]基于長期定位試驗發現化肥減量條件下，翻壓不同量的紫云英能不同程度地提高土壤中總有機碳的含量，同時保證水稻產量。秸稈也是一種含有豐富有機碳的農業廢棄資源，秸稈還田能增加農田的碳投入，有效提高土壤有機碳含量和作物產量[16]。和江鵬等[17]發現秸稈還田既可以提高0—40 cm土層的土壤活性有機碳的含量，也可以提高土壤碳庫管理指數（CMI）。吳科生等[18]通過長期研究發現秸稈與化肥配施能持續提升作物產量，保證作物產量的穩定性和可持續性。徐桂紅等[19]研究發現連續5年秸稈全量還田能顯著增加水稻產量，改善土壤理化性質。因稻草碳氮比（C/N）較高，還田后會影響作物的前期生長，紫云英作為豆科綠肥，具有較低的C/N，紫云英協同稻草還田不僅能夠較好地平衡土壤C/N，還可以緩解因稻草還田引起的作物前期氮素供應不足的問題[20]。紫云英和稻草協同還田不僅可以提高土壤有機碳的含量，還可以在減少化肥用量的條件下保證水稻產量[21-22]。周興等[21]發現在化肥減施20%的條件下紫云英和稻草協同還田有利于土壤中有機碳組分的累積，研究發現[22]紫云英和水稻秸稈聯合還田處理在減氮20%和30%的條件下均可以顯著增加水稻產量。可見，紫云英和稻草還田對于稻區農業的可持續發展具有重要作用。【本研究切入點】目前，大部分研究集中于紫云英、稻草還田對土壤總有機碳含量變化及水稻產量的影響。等氮磷鉀養分投入量下，紫云英、稻草還田替代部分化肥對土壤有機碳以及不同有機碳組分的影響相關研究較少，尤其是對土壤高活性、中活性、活性以及非活性有機碳組分的研究。【擬解決的關鍵問題】基于以上，本研究主要探究在等氮磷鉀養分投入量的前提下，紫云英及稻草還田替代部分化肥的管理方式下（1）土壤中有機碳以及高活性有機碳、中活性有機碳、活性有機碳與非活性有機碳含量的變化；（2）土壤碳庫管理指數的變化；（3）是否能使水稻產量保持穩產或提高產量。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗定位于湖南省農業科學院長沙縣高橋鎮科研基地（113° 21′ E, 28° 28′ N）。該地位于亞熱帶季風氣候帶，年平均氣溫16.8 ℃，年降水量1 400 mm。供試土壤為第四紀紅土發育的紅黃泥，試驗前0—15 cm土層（R）的初始理化性質見表1。早稻供試水稻品種為湘早秈32號，晚稻供試水稻品種為深優9586。

1.2 試驗設計

試驗開始于2016年春季，共設計6個處理，分別為（1）冬閑+氮、磷、鉀化肥（CF）；（2）翻壓紫云英+氮、磷、鉀化肥（MV）；（3）冬閑+稻草低量還田+氮、磷、鉀化肥（RSl）；（4）冬閑+稻草高量還田+氮、磷、鉀化肥（RSh）；（5）翻壓紫云英+稻草低量還田+氮、磷、鉀化肥（MV+RSl）；（6）翻壓紫云英+稻草高量還田+氮、磷、鉀化肥（MV+RSh）。3次重復，隨機區組排列，小區面積為20 m2，小區田埂覆膜隔離，單獨排灌。

氮、磷、鉀化肥分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀，氮肥50%和鉀肥50%作基肥在移栽前1天施用，另50%用作追肥在分蘗盛期施用。磷肥在移栽前全部作基肥施用。紫云英在冬閑期播種，播種量為30 kg·hm-2，紫云英僅在次年早稻季移栽前與前一年晚稻稻草一并翻壓入土，紫云英翻壓前測產，生長量不足時異地補入，生長過量時刈割移出。具體種植時間如圖1所示。等氮磷鉀投入量下，除CF處理只施化肥外，其他處理則用不同量紫云英及稻草還田替代部分化肥以減少化肥的施用，具體施肥量見表2。根據田間實踐研究，本試驗設定紫云英還田量為鮮重14 000 kg·hm-2，紫云英含水量為90%，紫云英的C/N為12.5；高量稻草還田量為干重5 000 kg·hm-2，低量稻草還田量為干重2 500 kg·hm-2，稻草的C/N約為62。各處理的碳輸入量如圖2所示，本試驗中碳投入來自還田稻草、紫云英翻壓、收獲后水稻殘茬以及水稻根和根系分泌物（根系分泌物碳投入為根碳投入的0.65倍[23]）。其中早稻稻草、根、茬的碳含量（以干重計）分別為386.8、360.0、377.3 g·kg-1；晚稻稻草、根茬的碳含量（以干重計）分別為362.4、329.7、376.3 g·kg-1，紫云英碳含量（以鮮重計）為400.0 g·kg-1。

稻草還田處理：在水稻收獲后將稻草覆蓋于田間，晚稻收獲后的稻草在下次早稻插秧前15 天與紫云英一起原地翻壓入土，早稻收獲后的稻草在晚稻移栽前翻壓入土

表2 不同處理下早、晚稻季的具體施肥量

圖2 不同處理有機物料的碳輸入量

1.3 樣品采集與指標測定

試驗前采集試驗區0—15 cm表層土壤用于基本理化性狀分析。2019年10月晚稻成熟期每個小區采用五點取樣法采集0—15 cm土層土樣，裝入密封袋。帶回實驗室自然風干研磨過篩后，測定土壤有機碳（SOC）、高活性有機碳（HLOC）、中活性有機碳（MLOC）和活性有機碳（LOC）含量。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀法測定，采用33、167、333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測定土壤高活性有機碳、中活性有機碳和活性有機碳的含量，非活性有機碳含量（NLOC）=土壤有機碳（SOC）含量-土壤活性有機碳（LOC）含量[24-25]。

1.4 計算方法與數據處理

土壤碳庫管理指數（CMI）是表征土壤碳庫變化的指標，可以較好地反映在不同管理方式下土壤有機碳庫的水平動態變化情況。本文的參考土壤設定為2016年試驗開始前的基礎土壤。土壤碳庫管理指數的計算公式如下[26-27]：

碳庫指數（CPI）=樣品總有機碳含量（g·kg-1）/參照土壤總有機碳含量（g·kg-1）；

碳庫活度（L）=樣本中的活性有機碳（LOC）含量/樣本中的非活性有機碳（NLOC）含量；

活度指數（LI）=樣品的碳庫活度（L）/參照土壤的碳庫活度（L0）；

碳庫管理指數（CMI）=CPI×LI×100。

土壤碳累積變化量計算公式如下[28]：

土壤碳累積變化量（Mg·hm-2）=（各處理土壤的碳含量-試前基礎土壤的碳含量）×0.001×土壤容重×D×10000；

式中，碳含量（單位為g·kg-1換算為kg·Mg-1），土壤容重固定為試前基礎土壤的容重（單位g·cm-3換算為Mg·m-3），D為取樣深度（單位為m），0.001表示kg換算為Mg的系數，10000表示m2換算為hm2的系數。

用Microsoft Excel 2016軟件進行數據處理，用IBM SPSS Statistic 20進行方差分析，用Origin2021進行繪圖及相關性分析。

2 結果

2.1 不同施肥處理對水稻稻谷產量的影響

等氮磷鉀養分投入下，經過4年試驗發現，紫云英和稻草還田能夠影響水稻稻谷產量，由表3可知，2019年早稻季MV+RSh與RSl、CF處理存在顯著差異（＜0.05），MV+RSh處理產量最低（4 827 kg·hm-2），CF處理產量最高（5 640 kg·hm-2），其他處理間差異不顯著。晚稻季僅MV+RSh和RSl兩者存在顯著差異（＜0.05），RSl處理下稻谷產量最高，為7 730 kg·hm-2，MV+RSh處理下稻谷產量僅6 860 kg·hm-2。兩季稻谷產量總和表明MV+RSh與CF處理差異顯著（＜0.05），產量由高到低依次為RSl、CF、MV、RSh、MV+RSl、MV+RSh。等氮磷鉀投入下，RSl、MV、RSh、MV+RSl與CF處理間產量無顯著差異，說明在一定替代范圍內紫云英、稻草還田可以保證雙季稻穩產。

2.2 不同施肥處理對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳含量作為評價土壤質量變化的重要指標，能夠較好地反映出不同施肥處理對于土壤質量變化的影響。表4表示的是試前基礎土壤（R）與4年試驗后不同施肥模式下稻田表層土壤（0—15 cm）有機碳含量及其土壤有機碳累積變化量。結果表明，與R相比較，經過4年試驗后，除CF處理外，其他處理都顯著增加了土壤有機碳含量（＜0.05），其中紫云英+稻草高量還田（MV+RSh）處理土壤有機碳含量顯著增加了42.0%，其次RSh、MV+RSl、RSl、MV處理的增幅分別為32.9%、29.9%、28.3%、26.3%。與CF相比，其他處理都增加了土壤有機碳含量，但無顯著差異。較試前基礎土壤（R），不同處理下0—15 cm土層的有機碳含量都有一定的累積，表現為MV+RSh＞RSh＞MV+RSl＞RSl＞MV＞CF處理，其中MV+RSh處理下土壤有機碳累積量增加了7.74 Mg·hm-2，CF處理下土壤有機碳累積量增加了3.55 Mg·hm-2。說明等氮磷鉀投入下，翻壓紫云英、稻草還田替代部分化肥施用有利于稻田表層土壤有機碳的積累。

表3 不同處理水稻稻谷產量

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著（＜0.05）。下同

Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments (＜0.05). The same as below

2.3 不同施肥處理對土壤活性有機碳組分的影響

活性有機碳是土壤中有效性較高、對植物養分供應有最直接作用的有機碳。試前土壤與經過4年試驗后不同施肥處理模式下0—15 cm土層高活性、中活性、活性及非活性有機碳含量見圖3，不同處理土壤各活性有機碳組分累積量如表5所示。由圖3和表5可知，等氮磷鉀投入下，紫云英、稻草還田有利于提高土壤各活性有機碳組分含量和促進土壤不同活性有機碳組分的積累。

2.3.1 高活性有機碳含量及累積變化量 相較于試前基礎土壤（R），4年試驗后，CF、MV、RSl、RSh、MV+RSl、MV+RSh處理顯著提高了土壤高活性有機碳含量（＜0.05），其含量為1.313—1.677 g·kg-1之間，MV+RSh處理提高了71.8%，CF增加34.5%。相比于CF，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV處理分別增加了27.7%、26.3%、19.7%、12.3%、6.0%。經過4年連續試驗，不同處理土壤高活性有機碳都得到了累積，其累積變化量表現為MV+RSh＞RSh＞MV+RSl＞RSl＞MV＞CF處理，與CF相比，MV+RSh和RSh處理土壤高活性有機碳累積變化量顯著提高了107.3%和100.0%。

2.3.2 中活性有機碳含量及累積變化量 由圖3可知，僅MV+RSh處理與試前土壤的中活性有機碳存在著顯著性差異（＜0.05），其他處理無顯著性增加。4年連續試驗后，不同處理間的中活性有機碳（MLOC）含量不存在顯著差異。類似地，不同處理的土壤中活性有機碳累積變化量也不存在顯著性差異（表5）。

2.3.3 活性有機碳含量及累積變化量 不同處理下土壤活性有機碳含量變化趨勢和高活性有機碳含量類似。與試前土壤相比，MV+RSh、RSh、RSl、MV+RSl、MV處理下土壤活性有機碳的含量分別顯著增加了56.4%、34.8%、28.8%、28.0%、25.1%（＜0.05）。4年連續試驗后，MV+RSh處理土壤活性有機碳累積量增加了2.38 Mg·hm-2，但不同處理間無顯著差異（圖3，表5）。

2.3.4 非活性有機碳及累積變化量 4年試驗后，與試前土壤相比，MV+RSh、RSh、MV+RSl、RSl、MV處理土壤非活性有機碳含量顯著增加了37.3%、28.6%、25.8%、24.1%、23.4%（＜0.05）。連續4年試驗后，各處理的非活性有機碳累積量皆有增加， MV+RSh處理增加了5.36 Mg·hm-2，CF處理增加了2.54 Mg·hm-2，但不同處理間土壤非活性有機碳累積變化量差異不顯著（圖3，表5）。

圖3 不同活性有機碳組分含量

表5 連續4年試驗后不同處理0—15 cm土層土壤活性有機碳組分累積變化量

2.4 不同施肥處理對土壤碳庫管理指數的影響

碳庫管理指數（CMI）是反映土壤碳素動態變化靈敏且有效的重要指標[29]，土壤性能向良性方向發展，土壤肥力水平增加，則CMI表現為上升；若土壤性能向不良方向發展，土壤肥力水平下降，則CMI表現為降低。圖4顯示的是連續4年試驗后土壤碳庫管理指數變化。數據表明，與試前基礎土壤相比，除CF處理，其他處理的土壤碳庫管理指數顯著增加了39.7—61.7（＜0.05），連續4年試驗后不同的施肥處理都提高了土壤碳庫管理指數，使土壤性質向良性方向發展。

圖4 連續4年試驗后不同處理的土壤碳庫管理指數（CMI）

2.5 相關性分析

雙季稻產量和土壤有機碳組分、碳輸入的相關性分析結果（圖5）表明，在等氮磷鉀投入下，連續4年有機物料替代部分化肥，水稻產量與化肥氮磷鉀投入量顯著正相關（＜0.01）；與有機氮磷鉀投入量顯著負相關（＜0.01）；與C輸入、HLOC顯著負相關（＜0.05）；與SOC、LOC、MLOC、NLOC無顯著相關性。SOC、LOC、HLOC、NLOC間互相顯著正相關（＜0.001），SOC和LOC與有機氮磷鉀輸入、C輸入顯著正相關（＜0.05）；與化肥氮磷鉀輸入顯著負相關（＜0.05）。HLOC與有機氮磷鉀輸入、C輸入顯著正相關（＜0.01）；與化肥氮磷鉀輸入顯著負相關（＜0.01）。MLOC與HLOC（＜0.01）、NLOC（＜0.05）顯著正相關；與有機氮磷鉀輸入、化肥氮磷鉀輸入、C輸入無顯著相關性。NLOC與有機氮磷鉀輸入顯著正相關（＜0.05），與化肥氮磷鉀輸入顯著負相關（＜0.05），與C輸入無顯著相關性。

圖5 雙季稻產量和土壤有機碳組分、碳輸入的相關性熱圖（*：P≤0.05；**：P≤0.01；***：P≤0.001）

3 討論

3.1 不同有機物料替代化肥不同比例下的水稻產量

在南方雙季稻田，種植翻壓豆科綠肥和稻草還田是培肥土壤、提高土壤養分有效性的重要手段。紫云英具有固氮特性，還田后可以為后茬水稻生長提供氮素，同時具有活化土壤磷的功能。稻草還田后也可以快速釋放水稻生長所需要的鉀元素。前人研究表明紫云英和稻草還田可以替代部分氮肥，在氮肥減施20%—40%條件下保證水稻穩產甚至增產[30-32]。程會丹[33]通過連續11年田間定位試驗研究發現，氮、鉀肥減施40%，翻壓15—37.5 t·hm-2紫云英可保證雙季稻穩產。吳建富等[34]發現等氮磷鉀養分投入下，紫云英和稻草還田替代N 15.1%—34.9%，P2O56.5%— 14.7%，K2O 5.4%—68.7%時，晚稻產量能夠顯著提高9.4%—11.8%。本研究結果表明，相比全部施用化肥，紫云英+稻草高量替代化肥（氮肥替代31.8%，磷肥替代9.0%，鉀肥替代91.7%）時水稻產量顯著降低11.8%，而紫云英和稻草替代氮肥9.1%—22.7%，磷肥2.9%—6.7%，鉀肥8.3%—83.3%時，水稻產量無顯著變化。這表明在適量替代范圍內，紫云英和稻草還田能夠保證水稻穩產，這與前人的研究結果相符。同時，相關性分析結果也表明，在等氮磷鉀養分投入量下，雙季稻產量與化肥氮磷鉀投入量顯著正相關，而與紫云英和稻草提供的氮磷鉀養分量呈顯著負相關關系（＜0.01），這與有機物料養分釋放特性有關。當有機氮磷鉀替代量較高時，大量高碳氮比的水稻秸稈在腐解過程中會引發微生物與水稻爭氮的現象，從而影響苗期水稻的生長，導致水稻產量降低[35]。同時，稻田在淹水狀態下，有機物料稻草和紫云英還田后會在土壤中進行厭氧分解，隨著有機物料還田量的增加，土壤中還原性物質積累，對水稻具有一定的毒害作用，是造成產量降低的可能原因[36]。因此，紫云英+稻草聯合利用并替代部分氮磷鉀化肥時，穩定或增加水稻產量需要考慮合理的替代比例。

3.2 不同施肥模式下土壤有機碳含量

土壤有機碳含量和有機物料的輸入緊密相關[37]，紫云英和稻草是南方稻田重要的土壤有機投入品。研究發現種植翻壓紫云英能夠改善土壤的各項理化性質，提高土壤肥力，促進有機碳的轉化，提升土壤有機碳含量[38-39]。稻草含有豐富的有機養分，稻草還田是提升土壤有機碳含量的有效手段[40-41]。郭乾坤[42]在長期定位試驗中發現等氮磷鉀投入下，翻壓45 000 kg·hm-2紫云英替代部分化肥，土壤有機碳含量提高了16.4%，土壤有機碳對于作物產量具有正面影響。同時也有研究[43]發現，連續4年的等養分條件下紫云英和稻草還田替代部分化肥，土壤有機質累積程度增加，土壤肥力得到較好的改善，利于水稻增產。本研究結果表明，單獨翻壓紫云英、單獨稻草還田以及紫云英+稻草聯合還田均能提高土壤有機碳含量，這與前人研究結果相似[15,44]。相比于試前土壤，連續4年單獨翻壓紫云英、單獨稻草還田以及紫云英+稻草聯合還田可分別增加土壤有機碳總量4.89、5.27—6.21、5.55—7.74 Mg·hm-2。在等氮磷鉀投入的前提下，土壤有機碳的含量與有機物料碳投入顯著正相關（＜0.01），表明土壤有機碳含量隨紫云英和稻草有機物料碳投入量的增加而增加。此外，紫云英和稻草還田后，其分解釋放的養分還能通過促進水稻根系生長，增加水稻地下部生物量及根系凋落物總量，這也有利于土壤有機碳的積累[15,45]。

另外，本研究發現在稻草還田的基礎上增加紫云英投入可以進一步增加土壤有機碳含量，這與周國朋等[46]的研究結果一致。ZHOU等[47]發現降低有機投入物的C/N更有利于土壤有機碳的積累。本研究中稻草具有較高的碳氮比（約62﹕1），還田后礦化速率較慢，而紫云英具有較高的氮含量（碳氮比約25﹕1），稻草與紫云英協同還田可以調節有機物料投入的C/N，這可能也是紫云英+稻草協同還田的土壤有機碳含量高于稻草單獨還田的原因。本研究還發現，稻草單獨還田比紫云英單獨還田更有利于提高土壤有機碳含量，這與周興等[21]在湖南南縣連續5年的雙季稻定位試驗研究結果一致。該現象主要與稻草單獨還田具有更高的碳輸入量有關。另外，紫云英碳氮比低，其鮮物質翻壓還田可能引發土壤的“激發效應”，造成土壤原有有機碳的礦化分解[48]。而單施化肥處理下，土壤有機碳含量增加主要是由于水稻收割后根茬殘留對土壤有機碳的貢獻[49-50]。

3.3 不同施肥模式下土壤不同活性有機碳組分及土壤碳庫管理指數

活性有機碳是土壤有機質的重要組成部分，具有易于被土壤微生物分解利用的特征，也是植物獲取土壤養分的主要來源。大量研究表明紫云英和稻草還田能夠增加土壤不同活性有機碳組分含量，提高土壤碳庫管理指數[15,21,29]。劉威等[51]研究表明，連續3年試驗中紫云英和稻草還田均能顯著增加土壤活性有機碳含量，且在第2、3年，單稻草還田、紫云英+稻草還田處理的活性有機碳含量顯著高于單獨紫云英還田處理，土壤活性有機碳和水稻產量呈現極顯著正相關關系。在等養分投入下，有學者[42]發現紫云英替代氮肥56.6%，磷肥60.0%，鉀肥52.6%顯著增加土壤微生物量碳含量。在等氮磷鉀投入下，有機物料替代50%化肥周期性添加，BHARDWAJ等[52]發現外源C輸入量可以直接影響土壤碳儲量和土壤活性碳組分，而對非活性有機碳的影響不大；綠肥和秸稈還田土壤高活性和低活性有機碳組分增幅最大，隨著碳輸入的增加，土壤活性和低活性有機碳組分也顯著增加，綠肥還田處理還能顯著提高土壤的固碳潛力，且碳投入與地上生物量產量之間均存在顯著相關關系。本研究發現，經過4年試驗處理后，土壤活性有機碳組分得到了正向累積，且CMI也顯著增加，這與鄭佳舜等、彭華等、唐海明等[39,41,53]的研究結果一致，這說明紫云英和稻草還田不僅能提高土壤活性有機碳組分的含量，還能改善土壤質量。這一方面是因為紫云英和稻草作為新鮮有機物料本身含有大量養分，還田后為微生物活動提供了豐富的碳源和氮源，使得較多的大分子有機質被分解為小分子有機質，從而提高了土壤中活性有機碳組分的含量[15]。另外，連續的有機物料投入也會促進土壤原有有機碳被微生物分解，轉化為更易被作物吸收利用的活性有機碳[54]。

本研究還發現，紫云英+稻草高量還田處理下土壤活性有機碳組分累積增加最多，且CMI增幅也最大，這與該處理有機物料的高投入量有關。由于紫云英+稻草高量還田為土壤微生物提供了充足的有機底物，土壤微生物活動增強，有利于有機物向活性組分的轉化。龍攀等[55]也發現綠肥和稻草還田能夠增加土壤活性有機碳及土壤碳庫管理指數。與參考土壤相比，經過4年的試驗后，CF處理的CMI也有所增加，是由于施肥增加了水稻根及根茬的生物量，提高了土壤碳投入，進而有利于土壤的活性有機碳的增加，這與李繼明和徐虎等[49-50]的研究結果一致。

相關性熱圖的分析結果表明，不同活性有機碳組分和土壤有機碳的相關性大小表現為活性≈高活性＞中活性，說明3種不同活性有機碳組分中，活性有機碳和高活性有機碳組分更能體現土壤總有機碳的變化，且本研究發現非活性有機碳屬于土壤中較為穩定的有機碳，與有機物料碳投入無顯著相關性。紫云英和稻草還田皆可顯著增加土壤非活性有機碳含量，這可能是因為紫云英和稻草還田通過促進土壤大團聚體形成[56]，增強了土壤有機碳的穩定性，從而提高了土壤非活性有機碳含量。

4 結論

4.1 在等氮磷鉀養分投入量下，紫云英與稻草還田替代部分化肥（氮肥替代9.1%—22.7%，磷肥替代2.9%—6.7%，鉀肥替代8.3%—83.3%）可以實現雙季稻穩產，其中稻草低量還田替代部分化肥最有利于維持雙季稻產量。

4.2 紫云英和稻草還田替代部分化肥可以提高土壤有機碳及不同活性有機碳組分含量，顯著提高土壤碳庫管理指數；紫云英和稻草還田顯著增加了土壤非活性有機碳含量，有利于提高土壤碳儲量，且以翻壓紫云英+稻草高量還田處理效果最佳；相比于紫云英單獨還田替代部分化肥，單獨的稻草還田更有利于提升土壤有機碳含量。

綜上，紫云英和稻草還田替代部分化肥可在保證雙季稻產量的條件下促進土壤中有機碳含量的增加，在提高土壤活性有機碳組分的同時也有利于土壤中穩定的非活性有機碳的積累，對增加土壤碳固存具有重要作用。

[1] 張玉嬌, 邱慧珍, 郭亞軍, 張建斌. 不同施氮量下玉米秸稈還田對土壤有機碳及其組分的影響. 國土與自然資源研究, 2022(2): 87-90.

ZHANG Y J, QIU H Z, GUO Y J, ZHANG J B. Effects of application of different nitrogen levels on the soil organic carbon composition of returning straw. Territory ＆Natural Resources Study, 2022(2): 87-90. (in Chinese)

[2] 王朔林, 王改蘭, 趙旭, 陳春玉, 黃學芳. 長期施肥對栗褐土有機碳含量及其組分的影響. 植物營養與肥料學報, 2015, 21(1): 104-111.

WANG S L, WANG G L, ZHAO X, CHEN C Y, HUANG X F. Effect of long-term fertilization on organic carbon fractions and contents of cinnamon soil. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2015, 21(1): 104-111. (in Chinese)

[3] 涂張煥, 豐文慶, 徐唐奇. 土壤板結原因分析及其對作物吸水性的影響研究. 陜西農業科學, 2020, 66(12): 71-73.

TU Z H, FENG W Q, XU T Q. Cause analysis of soil hardening and its effect on crops water-absorbing. Shaanxi Journal of Agricultural Sciences, 2020, 66(12): 71-73. (in Chinese)

[4] 張維理, KOLBE H, 張認連. 土壤有機碳作用及轉化機制研究進展. 中國農業科學, 2020, 53(2): 317-331.doi: 10.3864/j.issn.0578- 1752.2020.02.007.

ZHANG W L, KOLBE H, ZHANG R L. Research progress of SOC functions and transformation mechanisms. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(2): 317-331. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.02.007. (in Chinese)

[5] HAYNES R J. Labile organic matter fractions as central components of the quality of agricultural soils: an overview. Advances in Agronomy, 2005, 85: 221-268.

[6] 張俊華, 周志民, 王巖松, 張陽, 劉志陽. 黑河綠洲區耕作土壤有機碳及其活性和非活性組分固碳潛力研究. 中國農學通報, 2013, 29(36): 172-177.

ZHANG J H, ZHOU Z M, WANG Y S, ZHANG Y, LIU Z Y. Research on cultivated soil carbon sequestration potential in the Heihe oasis. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013, 29(36): 172-177. (in Chinese)

[7] 馬黎霞. 農田土壤化肥污染及應對措施. 農業開發與裝備, 2021(12): 155-156.

MA L X. Fertilizer pollution in agricultural soils and countermeasures. Agricultural Development ＆ Equipments, 2021(12): 155-156. (in Chinese)

[8] 吳玉紅, 王呂, 崔月貞, 郝興順, 王保軍, 田霄鴻, 李小剛, 秦宇航. 輪作模式及秸稈還田對水稻產量、稻米品質及土壤肥力的影響. 植物營養與肥料學報, 2021, 27(11): 1926-1937.

WU Y H, WANG L, CUI Y Z, HAO X S, WANG B J, TIAN X H, LI X G, QIN Y H. Rice yield, quality, and soil fertility in response to straw incorporation and rotation pattern. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(11): 1926-1937. (in Chinese)

[9] 蘇港. 綠肥油菜還田和減施化肥對土壤微生態及玉米氮素積累、轉運的影響[D]. 天津: 天津農學院, 2022.

SU G. Effects of green manure rape returning and reducing nitrogen application on soil microecology and nitrogen accumulation transshipment of maize[D]. Tianjin: Tianjin Agricultural University, 2022. (in Chinese)

[10] 張小毅, 劉文露, 向焱赟, 肖峰, 田偉, 張玉盛, 敖和軍. 混合綠肥還田對雙季稻干物質積累及產量的影響. 湖南農業大學學報(自然科學版), 2021, 47(6): 609-615.

ZHANG X Y, LIU W L, XIANG Y Y, XIAO F, TIAN W, ZHANG Y S, AO H J. Effects of returning mixed green manure on dry matter accumulation and yield of double cropping rice. Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences), 2021, 47(6): 609-615. (in Chinese)

[11] 李秀雙. 黃土高原南部有機物料還田與化肥施用對冬小麥產量和土壤有機碳固持的影響及機制[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2021.

LI X S. Effects and mechanisms of organic amendments and mineral fertilization on winter wheat yield and soil organic carbon sequestration in the southern loess plateau[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2021. (in Chinese)

[12] 張濟世, 劉春增, 鄭春風, 張琳, 張香凝, 呂玉虎, 曹衛東, 張玉亭. 紫云英還田與化肥減量配施對稻田土壤細菌群落組成和功能的影響. 環境科學, 2023, 44(5): 2936-2944.

ZHANG J S, LIU C Z, ZHENG C F, ZHANG L, ZHANG X N, Lü Y H, CAO W D, ZHANG Y T. Effects of Chinese milk vetch returning lncorporated with chemical fertilizer reduction on the composition and function of soil bacterial communities in paddy fields. Environmental Science, 2023, 44(5): 2936-2944. (in Chinese)

[13] 王敬寬, 高楓舒, 張楷悅, 李帥, 柳新偉. 禾本科綠肥還田對鹽堿地棉田土壤碳氮及微生物量碳氮的影響. 中國生態農業學報(中英文), 2023, 31(3): 396-404.

WANG J K, GAO F S, ZHANG K Y, LI S, LIU X W. Effects of returning gramineous green manure to cotton field on soil carbon and nitrogen and microbial biomass carbon and nitrogen in saline alkali soil. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(3): 396-404. (in Chinese)

[14] 馮靜琪. 皖南稻區紫云英-水稻系統中的稻秸還田效應[D]. 重慶: 西南大學, 2021.

FENG J Q. Effect of rice straw returning in Chinese milk vetch-rice system in southern Anhui Province[D]. Chongqing: Southwest University, 2021. (in Chinese)

[15] 程會丹, 魯艷紅, 聶軍, 朱啟東, 聶鑫, 曹衛東, 高雅潔, 廖育林. 土壤活性有機碳周年變化對紫云英翻壓量的響應. 土壤, 2021, 53(4): 723-731.

CHENG H D, LU Y H, NIE J, ZHU Q D, NIE X, CAO W D, GAO Y J, LIAO Y L. Responses of annual variation of soil active organic carbon to Chinese milk vetch application rates. Soils, 2021, 53(4): 723-731. (in Chinese)

[16] 羅玉瓊, 嚴博, 吳可, 謝慧敏, 梁和, 江立庚. 免耕和稻草還田對稻田土壤肥力和水稻產量的影響. 作物雜志, 2020(5): 133-139.

LUO Y Q, YAN B, WU K, XIE H M, LIANG H, JIANG L G. Effects of no-tillage and straw returning on soil fertility and rice yield in farmland. Crops, 2020(5): 133-139. (in Chinese)

[17] 和江鵬, 王雨晴, 趙海超, 王炯琪, 李璠, 黃智鴻, 盧海博, 劉子剛. 春玉米秸稈還田對土壤碳組分及碳庫管理指數的影響. 江蘇農業科學, 2021, 49(21): 224-230.

HE J P, WANG Y Q, ZHAO H C, WANG J Q, LI F, HUANG Z H, LU H B, LIU Z G. Effects of spring corn stalks returning to field on soil carbon components and carbon pool management index. Jiangsu Agricultural Sciences, 2021, 49(21): 224-230. (in Chinese)

[18] 吳科生, 車宗賢, 包興國, 張久東, 盧秉林, 楊新強, 楊蕊菊. 河西綠洲灌區灌漠土長期秸稈還田土壤肥力和作物產量特征分析. 草業學報, 2021, 30(12): 59-70.

WU K S, CHE Z X, BAO X G, ZHANG J D, LU B L, YANG X Q, YANG R J. Analysis of soil fertility and crop yield characteristics following long-term straw return to the field in a Hexi Oasis irrigated area. Acta Prataculturae Sinica, 2021, 30(12): 59-70. (in Chinese)

[19] 徐桂紅, 陳秀梅, 毛偉, 李文西, 郁潔, 夏偉. 秸稈連續全量還田對土壤性狀及水稻產量的影響. 現代農業科技, 2021(23): 1-3, 7.

XU G H, CHEN X M, MAO W, LI W X, YU J, XIA W. Effect of continuous total amount straw returning to field on soil properties and rice yield. Modern Agricultural Science and Technology, 2021(23): 1-3, 7. (in Chinese)

[20] AULAKH M S, KHERA T S, DORAN J W, BRONSON K F. Managing crop residue with green manure, urea, and tillage in a rice-wheat rotation. Soil Science Society of America Journal, 2001, 65(3): 820-827.

[21] 周興, 廖育林, 魯艷紅, 謝堅, 楊曾平, 聶軍, 曹衛東. 肥料減施條件下水稻土壤有機碳組分對紫云英-稻草協同利用的響應. 水土保持學報, 2017, 31(3): 283-290.

ZHOU X, LIAO Y L, LU Y H, XIE J, YANG Z P, NIE J, CAO W D. Responses of contents of soil organic carbon fractions to Chinese milk vetch-rice straw synergistic dispatching under the condition of reducing fertilizer application. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(3): 283-290. (in Chinese)

[22] 王呂, 崔月貞, 吳玉紅, 郝興順, 張春輝, 王俊義, 劉怡欣, 李小剛, 秦宇航. 綠肥稻稈協同還田下氮肥減量的增產和培肥短期效應. 作物學報, 2022, 48(4): 952-961.

WANG L, CUI Y Z, WU Y H, HAO X S, ZHANG C H, WANG J Y, LIU Y X, LI X G, QIN Y H. Effects of rice stalks mulching combined with green manure (smicus L.) incorporated into soil and reducing nitrogen fertilizer rate on rice yield and soil fertility. Acta Agronomica Sinica, 2022, 48(4): 952-961. (in Chinese)

[23] BOLINDER M A,JANZEN H H, GREGORICH E G, ANGERS D A, VANDENBYGAART A J. An approach for estimating net primary productivity and annual carbon inputs to soil for common agricultural crops in Canada. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2006, 118(1): 29-42.

[24] 張宇浩, 方莉, 程芳琴. 日光節能溫室土壤有機碳及組分變化對栽培年限的響應. 山西農業科學, 2013, 41(11): 1202-1204.

ZHANG Y H, FANG L, CHENG F Q. Response on the changes of soil organic carbon and its fractions in solar greenhouse to planting years. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2013, 41(11): 1202-1204. (in Chinese)

[25] 張方方, 岳善超, 李世清. 土壤有機碳組分化學測定方法及碳指數研究進展. 農業環境科學學報, 2021, 40(2): 252-259.

ZHANG F F, YUE S C, LI S Q. Chemical methods to determine soil organic carbon fractions and carbon indexes: a review. Journal of Agro-Environment Science, 2021, 40(2): 252-259. (in Chinese)

[26] BLAIR G J, LEFROY R, LISLE L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems. Australian Journal of Agricultural Research, 1995, 46(7): 1459.

[27] 朱長偉, 陳琛, 牛潤芝, 李洋, 姜桂英, 楊錦, 申鳳敏, 劉芳, 劉世亮. 不同輪耕模式對豫北農田土壤固碳及碳庫管理指數的影響. 中國生態農業學報(中英文), 2022, 30(4): 671-682.

ZHU C W, CHEN C, NIU R Z, LI Y, JIANG G Y, YANG J, SHEN F M, LIU F, LIU S L. Effects of tillage rotation modes on soil carbon sequestration and carbon pool management index of farmland in northern Henan. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2022, 30(4): 671-682. (in Chinese)

[28] 葉會財, 李大明, 胡志華, 胡丹丹, 宋惠潔, 萬長艷, 胡惠文, 柳開樓. 長期施肥下紅壤性水稻土固碳效應特征. 中國農學通報, 2021, 37(2): 61-66.

YE H C, LI D M, HU Z H, HU D D, SONG H J, WAN C Y, HU H W, LIU K L. Carbon sequestration characteristics of red paddy soil under long-term fertilization. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2021, 37(2): 61-66. (in Chinese)

[29] 張鵬, 鐘川, 周泉, 唐海鷹, 李新梅, 李萍, 黃國勤. 不同冬種模式對稻田土壤碳庫管理指數的影響. 中國生態農業學報(中英文), 2019, 27(8): 1163-1171.

ZHANG P, ZHONG C, ZHOU Q, TANG H Y, LI X M, LI P, HUANG G Q. Effects of different winter planting patterns on carbon management index of paddy field. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(8): 1163-1171. (in Chinese)

[30] 卜容燕, 韓上, 李敏, 程文龍, 胡潤, 鄭仁兵, 王慧, 唐杉, 高嵩涓, 曹衛東, 武際. 安徽單季稻區紫云英翻壓的氮肥替代效應. 植物營養與肥料學報, 2022, 28(7): 1219-1227.

BU R Y, HAN S, LI M, CHENG W L, HU R, ZHENG R B, WANG H, TANG S, GAO S J, CAO W D, WU J. Incorporation of milk vetch () reduces nitrogen fertilizer application rate in single cropping rice region of Anhui Province. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2022, 28(7): 1219-1227. (in Chinese)

[31] 王慧, 張琳, 常單娜, 周國朋, 高嵩涓, 曾鬧華, 聶良鵬, 呂玉虎, 曹衛東. 豫南紫云英水稻輪作區減施不同比例氮肥對水稻養分吸收和轉運的影響. 植物營養與肥料學報, 2022, 28(7): 1194-1207.

WANG H, ZHANG L, CHANG D N, ZHOU G P, GAO S J, ZENG N H, NIE L P, Lü Y H, CAO W D. Nutrient absorption and transport characteristics of rice under different nitrogen reduction ratios in a Chinese milk vetch and rice rotation system in southern Henan Province, China. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2022, 28(7): 1194-1207. (in Chinese)

[32] 張磊, 徐昌旭, 劉佳, 李順, 高嵩涓, 曹衛東. 減施20%化肥下綠肥翻壓量對江西雙季稻產量及氮素利用的影響. 植物營養與肥料學報, 2022, 28(5): 845-856.

ZHANG L, XU C X, LIU J, LI S, GAO S J, CAO W D. Effects of green manure on yield and nitrogen utilization of double rice under reduced 20% chemical fertilizer input in Jiangxi Province. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2022, 28(5): 845-856. (in Chinese)

[33] 程會丹. 土壤活性有機碳氮及水稻產量對紫云英翻壓量的響應[D]. 長沙: 湖南大學, 2020.

CHENG H D. Responses of soil active organic carbon, nitrogen and rice yield to Chinese milk vetch application rates[D]. Changsha: Hunan University, 2020. (in Chinese)

[34] 吳建富, 高繪文, 顏曉, 魏宗強, 盧志紅, 楊秀霞. 紫云英和稻草還田替代部分化肥對水稻產量和土壤理化性質的影響. 江西農業大學學報, 2020, 42(4): 647-654.

WU J F, GAO H W, YAN X, WEI Z Q, LU Z H, YANG X X. Effect of milk vetch and straw incorporation partially replacing chemical fertilizer on rice yield and soil physical and chemical properties. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis, 2020, 42(4): 647-654. (in Chinese)

[35] EAGLE A J, BIRD J A, HORWATH W R, LINQUIST B A, BROUDER S M, HILL J E, VAN KESSEL C. Rice yield and nitrogen utilization efficiency under alternative straw management practices. Agronomy Journal, 2000, 92(6): 1096-1103.

[36] 宋俊鳴. 寒地稻草還田對土壤還原性物質和水稻生長的影響[D]. 哈爾濱: 東北農業大學, 2021.

SONG J M. Effects of rice straw returning on soil reducing substances and rice growth in cold region[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2021. (in Chinese)

[37] ZENG Y H, WU J F, HE H, PAN X H, SHI Q H, WU Z M, DENG W M. Soil carbon pool management index under different straw retention regimes. Agricultural Science ＆ Technology, 2012, 13(4): 818-822.

[38] 劉立生, 徐明崗, 張璐, 文石林, 高菊生, 董春華. 長期種植綠肥稻田土壤顆粒有機碳演變特征. 植物營養與肥料學報, 2015, 21(6): 1439-1446.

LIU L S, XU M G, ZHANG L, WEN S L, GAO J S, DONG C H. Evolution characteristics of soil particulate organic carbon in the paddy field with long-term planting green manure. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(6): 1439-1446. (in Chinese)

[39] 鄭佳舜, 胡鈞銘, 韋燕燕, 申章佑, 蒙炎成, 韋翔華. 綠肥還田對粉壟稻田土壤活性有機碳的影響. 土壤, 2021, 53(2): 368-374.

ZHENG J S, HU J M, WEI Y Y, SHEN Z Y, MENG Y C, WEI X H. Effects of green manure returning on soil labile organic carbon in paddy field under smash ridging. Soils, 2021, 53(2): 368-374. (in Chinese)

[40] 曾憲楠, 王麒, 孫羽, 宋秋來, 馮延江, 袁媛. 水稻秸稈還田下氮肥對土壤有機碳及碳庫管理指數的影響. 黑龍江農業科學, 2016(5): 41-44.

ZENG X N, WANG Q, SUN Y, SONG Q L, FENG Y J, YUAN Y. Effect of N fertilizer application on soil organic carbon and carbon pool management index under rice staw returning. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2016(5): 41-44. (in Chinese)

[41] 彭華, 紀雄輝, 吳家梅, 朱堅, 田發祥. 不同稻草還田模式下雙季稻土壤有機碳及碳庫管理指數研究. 生態環境學報, 2016, 25(4): 563-568.

PENG H, JI X H, WU J M, ZHU J, TIAN F X. Organic carbon and carbon pool management index in soil under different rice straw returning way in double-croping paddy fields. Ecology and Environmental Sciences, 2016, 25(4): 563-568. (in Chinese)

[42] 郭乾坤. 紅壤性水稻土有機培肥效應及其微生物學機制[D]. 北京: 中國農業科學院, 2020.

GUO Q K. Impacts of different organic fertilization on soil fertility improvement and its microbiological mechanism in red paddy soil[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2020. (in Chinese)

[43] 陸美芝. 紫云英和稻草還田下江漢平原水稻生長及其土壤養分變化動態[D]. 武漢: 華中農業大學, 2020.

LU M Z. Dynamic changes of rice growth and soil nutrients in Jianghan plain under the condition of the return of Chinese milk vetch and straw[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2020. (in Chinese)

[44] 王飛, 王利民, 何春梅, 劉彩玲, 李清華, 張輝, 游燕玲, 黃毅斌, 黃建誠. 紫云英與有機物料連續還田在黃泥田水稻穩產提質增效中的作用. 土壤, 2022, 54(3): 455-463.

WANG F, WANG L M, HE C M, LIU C L, LI Q H, ZHANG H, YOU Y L, HUANG Y B, HUANG J C. Effects of continuous return of milk vetch(L.) and organic materials on stable yield, improved quality and efficiency in yellow-mud paddy field. Soils, 2022, 54(3): 455-463. (in Chinese)

[45] 李忠佩, 張桃林, 陳碧云, 尹瑞齡, 施亞琴. 紅壤稻田土壤有機質的積累過程特征分析. 土壤學報, 2003, 40(3): 344-352.

LI Z P, ZHANG T L, CHEN B Y, YIN R L, SHI Y Q. Soil organic matter dynamics in a cultivation chronosequence of paddy fields in subtropical China. Acta Pedologica Sinica, 2003, 40(3): 344-352. (in Chinese)

[46] 周國朋. 雙季稻田稻草與豆科綠肥聯合還田下土壤碳、氮轉化特征[D]. 北京: 中國農業科學院, 2017.

ZHOU G P. The characteristics of carbon and nitrogen transformation under the co-incorporation of rice straw and leguminous green manures in double rice field in Southern China[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2017. (in Chinese)

[47] ZHOU G, XU S, CIAIS P, MANZONI S, FANG J, YU G, TANG X, ZHOU P, WANG W, YAN J, WANG G, MA K, LI S, DU S, HAN S, MA Y, ZHANG D, LIU J, LIU S, CHU G, ZHANG Q, LI Y, HUANG W, REN H, LU X, CHEN X. Climate and litter C/N ratio constrain soil organic carbon accumulation. National Science Review, 2019, 6(4): 746-757.

[48] 楊爽. 稻茬-紫云英聯合還田對土壤碳氮特征及水稻生長的影響[D]. 武漢: 華中農業大學, 2021.

YANG S. Effects of rice stubble combined with Chinese milk vetch on soil carbon and nitrogen characteristics and rice growth[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2021. (in Chinese)

[49] 李繼明, 黃慶海, 袁天佑, 曹金華, 余喜初. 長期施用綠肥對紅壤稻田水稻產量和土壤養分的影響. 植物營養與肥料學報, 2011, 17(3): 563-570.

LI J M, HUANG Q H, YUAN T Y, CAO J H, YU X C. Effects of long-term green manure application on rice yield and soil nutrients in paddy soil. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(3): 563-570. (in Chinese)

[50] 徐虎, 蔡岸冬, 周懷平, Colinet Gilles, 張文菊, 徐明崗. 長期秸稈還田顯著降低褐土底層有機碳儲量. 植物營養與肥料學報, 2021, 27(5): 768-776.

XU H, CAI A D, ZHOU H P, GILLES C, ZHANG W J, XU M G. Long-term straw incorporation significantly reduced subsoil organic carbon stock in cinnamon soil. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(5): 768-776. (in Chinese)

[51] 劉威, 耿明建, 秦自果, 張智, 魯君明, 魯劍巍, 曹衛東. 種植綠肥與稻秸協同還田對單季稻田土壤有機碳庫和酶活性的影響. 農業工程學報, 2020, 36(7): 125-133.

LIU W, GENG M J, QIN Z G, ZHANG Z, LU J M, LU J W, CAO W D. Effects of co-incorporation of green manure planting and rice straw on soil organic carbon pool and soil enzyme activity in a mono-rice cropping system. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(7): 125-133. (in Chinese)

[52] BHARDWAJ A K, RAJWAR D, MANDAL U K, AHAMAD S, KAPHALIYA B, MINHAS P S, PRABHAKAR M, BANYAL R, SINGH R, CHAUDHARI S K, SHARMA P C. Impact of carbon inputs on soil carbon fractionation, sequestration and biological responses under major nutrient management practices for rice-wheat cropping systems. Scientific Reports, 2019, 9: 9114.

[53] 唐海明, 程凱凱, 肖小平, 湯文光, 汪柯, 李超, 張帆, 孫玉桃. 不同冬季覆蓋作物對雙季稻田土壤有機碳的影響. 應用生態學報, 2017, 28(2): 465-473.

TANG H M, CHENG K K, XIAO X P, TANG W G, WANG K, LI C, ZHANG F, SUN Y T. Effects of different winter cover crops on soil organic carbon in a double cropping rice paddy field. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(2): 465-473. (in Chinese)

[54] 張璐, 張文菊, 徐明崗, 蔡澤江, 彭暢, 王伯仁, 劉驊. 長期施肥對中國3種典型農田土壤活性有機碳庫變化的影響. 中國農業科學, 2009, 42(5): 1646-1655. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2009.05.018.

ZHANG L, ZHANG W J, XU M G, CAI Z J, PENG C, WANG B R, LIU H. Effects of long-term fertilization on change of labile organic carbon in three typical upland soils of China. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(5): 1646-1655. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2009. 05.018. (in Chinese)

[55] 龍攀, 蘇姍, 黃亞男, 李超, 肖志祥, 祝志娟, 劉莉, 傅志強. 雙季稻田冬季種植模式對土壤有機碳和碳庫管理指數的影響. 應用生態學報, 2019, 30(4): 1135-1142.

LONG P, SU S, HUANG Y N, LI C, XIAO Z X, ZHU Z J, LIU L, FU Z Q. Effects of winter cropping mode on soil organic carbon and carbon management index of double rice paddy. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(4): 1135-1142. (in Chinese)

[56] 周方亮. 紫云英和秸稈還田下團聚體穩定性及有機碳的分布特征[D]. 武漢: 華中農業大學, 2019.

ZHOU F L. Stability of aggregates and distribution characteristics of organic carbon under Chinese milk vetch and straw returning[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2019. (in Chinese)

Effects of Returning Chinese Milk Vetch and Rice Straw to Replace Partial Fertilizers on Double Season Rice Yield and Soil Labile Organic Carbon

XIE Xue1, 2, LU YanHong1, 3, LIAO YuLin1, 3, NIE Jun1, 3, ZHANG JiangLin1, 3, SUN YuTao1, 3, CAO WeiDong4, GAO YaJie1, 3

1Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125;2College of Resources, Hunan Agricultural University, Changsha 410128;3Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Hunan), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Changsha 410125;4Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

【Objective 】 The purpose of this study was to investigate the effects of replacing partial chemical fertilizers with Chinese milk vetch and rice straw on double rice yield and the soil labile organic carbon fractions, carbon pool management index of the paddy soil based on four consecutive years of field experiment. 【Method】 The double-season rice field experiment was conducted, and then yield of rice yield early and late rice, contents of soil organic carbon, soil high labile, medium labile, labile and no labile organic carbon were measured after four years experiment, then soil carbon pool management index were calculated. There were six treatments: (1) Winter fallow + N, P, K (CF); (2) Chinese milk vetch+N, P, K (MV); (3) Winter fallow + low weight of rice straw returning+N, P, K (RSl); (4) Winter fallow+high weight of rice straw returning+N, P, K (RSh); (5) Chinese milk vetch + low weight of rice straw returning+N, P, K (MV+RSl); (6) Chinese milk vetch + high weight of rice straw returning+N, P, K (MV+RSh). After harvest of late rice, 0-15 cm surface soil was collected. Potassium dichromate method was used to determine the content of soil organic carbon, and potassium permanganate oxidation method was used to determine the content of soil organic carbon with high labile (33 mmol·L-1), medium labile (167 mmol·L-1) and labile (333 mmol·L-1). 【Result】Under the equal nitrogen, phosphorus and potassium nutrient inputs, the double-season rice yield under the MV+RSh treatment differed significantly from the CF and RSl treatments, while there was no significant difference in rice yield between the other treatments, and the total double-season rice yield was the highest under the RSl treatment at 13 347 kg·hm-2and the lowest in the MV+RSh treatment at 11 687 kg·hm-2. After four years of continuous trials, the MV+RSh, RSh, MV+RSl, RSl, and MV treatments significantly increased soil organic carbon by 42.0%, 32.9%, 29.9%, 28.3%, and 26.3% (＜0.05), respectively; soil labile organic carbon content was increased by 23.9%-56.4% in each treatment, and soil no labile organic carbon content under MV+RSh, RSh, MV+RSl, RSl, and MV treatments significantly was increased by 37.3%, 28.6%, 25.8%, 24.1% and 23.4% (＜0.05). Compared with the CF treatment, soil high labile organic carbon was increased by 12.3%-27.7%, medium labile organic carbon was increased by 5.6%-20.0%, and labile organic carbon was increased by 9.9%-26.3% under MV+RSh, MV+RSl, MV, RSh and RSl treatments. The CF、MV、RSl、MV+RSl、RSh、MV+RSh treatments increased the soil organic carbon pool management index by 25.5%-61.7%.【Conclusion】 Under four consecutive years of equal nitrogen, phosphorus and potassium nutrient inputs, returning Chinese milk vetch and rice straw replacing part of the chemical fertilizer dosage could ensure double-season rice yields and increase soil organic carbon content, and also help to increase the content of high labile, medium labile, labile and no labile soil organic carbon, all of which were most significantly increased by the treatment of MV+RSh. The contribution of rice straw alone to the increase in soil organic carbon content was greater than that of Chinese milk vetch alone. To sum up, in the southern double-season rice area, within a certain range of substitution, the return of Chinese milk vetch and rice straw to the field could reduce the amount of chemical fertilizer and ensure rice yield, which was of great significance for green and sustainable rice production.

Chinese milk vetch returning; rice straw returning; soil organic carbon; soil labile organic carbon; rice yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.008

2022-10-21；

2022-12-06

國家重點研發計劃（2021YFD1700200）、現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-22-G-11）、國家自然科學基金聯合基金項目（U19A2046）

謝雪，E-mail：2224810653@qq.com。通信作者高雅潔，E-mail：gyj06107048@163.com

（責任編輯 李云霞）