配施紫云英對不同類型水稻土溶解性有機碳氮淋溶及損失的影響

摘要：為探討配施紫云英對不同類型稻田土壤溶解性有機碳（Dissolved organic carbon，DOC）和溶解性有機氮（Dissolved organic mitrogen，DON）含量的影響程度，闡明稻田土壤DOC和DON的淋溶特性，本研究以亞熱帶3種典型水稻土（黃泥田、灰黃泥田和灰泥田）為研究對象，通過田間試驗，探討等氮磷鉀條件下單施化肥（CK）和紫云英配施化肥（cmv）處理對不同水稻土DOC和DON的動態變化、淋溶特性及損失的影響。結果表明，不同土壤類型水稻土DOC和DON的淋溶特性有所不同。3種供試水稻土中，灰泥田水稻土DOC淋溶損失量最大，其CK處理DOC淋溶損失量較灰黃泥田和黃泥田分別顯著提高24.09％和72.15％，cmv處理淋溶損失量較灰黃泥田和黃泥田分別顯著提高16.53％和40.55％；而黃泥田水稻土DON淋溶損失量最大，其CK處理淋溶損失量較灰黃泥田和灰泥田分別顯著提高18.93％和37.01％，cmv處理3種不同類型水稻土DON淋溶損失量無顯著差異。配施紫云英可顯著降低水稻土DON的淋溶損失量，每季水稻中cmv處理黃泥田、灰黃泥田和灰泥田DON淋溶損失量較CK處理分別降低了24.67％、14.88％和13.54％；黃泥田cmv處理DOC較CK處理提高了19.19％，而灰黃泥田和灰泥田2種施肥處理無顯著差異。供試稻田中DOC和DON在土層間的淋溶具有一定的延遲性，且DOC的延遲時間大于DON。灰色關聯分析表明，在土壤性質中有機質是影響水稻土DOC淋溶損失的重要因素，孔隙度是DON淋溶損失的重要影響因素。不同類型水稻土DON的淋失早于DOC，且DON在黃泥田中淋溶損失較高，而DOC在灰泥田中淋溶損失較高；在等氮磷鉀的條件下，配施紫云英可減少水稻土DON的淋溶損失，而低肥力水稻土DOC的淋溶損失量有所增加。

關鍵詞：紫云英；水稻土；溶解性有機碳；溶解性有機氮；淋溶特性

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）02-0351-09 doi：10.11654/jaes.2023-0583

溶解性有機碳（Dissolved organic carbon，DOC）和溶解性有機氮（Dissolved organic nitrogen，DON）是指可利用真空杯、滲濾儀等采集的原位土壤溶液或自然淋洗液中的有機碳、氮。其中DOC是重要的碳通量因子，影響著土壤微生物的生長繁殖、污染物及養分的遷移，在土壤碳循環中起著重要作用；DON對環境變化敏感，更新周期短，部分DON還可直接被植物根系吸收利用。DOC和DON的移動性較強，在耕層土壤中的吸附率僅分別為19.4％和20.0％，可通過地表徑流或隨重力水向深層土壤運移。研究表明DOC和DON的淋溶是非農業生態系統土壤碳氮損失的重要途徑之一，而農業生態系統中主要關注于無機氮。因此，研究農田生態系統中DOC和DON的動態變化和遷移特性，對防控土壤碳氮損失具有重要意義。

DOC和DON的淋溶損失與土壤屬性密切相關，且受到人為干擾的影響。土壤屬性對DOC和DON的影響主要體現在土壤質地、結構及其剖面等方面。土壤質地越輕，砂粒含量越高，溶解性有機質越容易被淋失，且DOC和DON淋失量隨土壤深度增加而減小。氮肥的施用是影響土壤DOC和DON損失的主要人為因素，但不同的研究結果不盡相同。Sorrenti等研究表明堆肥可提供易溶性有機物，施用后顯著增加了土壤DOC和DON的形成量和累計淋失量。陶武輝研究表明向土壤施加有機物料后土壤DOC／DON較不添加有機物料明顯提高。陳裴裴等研究表明常規施肥處理雷竹林滲漏水DOC的淋失量顯著高于減量有機肥，而常規施肥處理DON的淋失量則低于減量有機肥。在酸性黏土中施用糞肥并未改變DOC的淋失量，而顯著增加DON的淋失量；施用生物炭及生物炭配施雞糞均可降低土壤中DOC的淋失，且炭施用比例越高，DOC淋失越少。然而，周志紅等的研究結果卻表明低量生物炭的施用可降低黑鈣土和紫色土氮素淋失；但高量生物炭的施用卻可增加黑鈣土和紫色土氮素淋失量。因此，不同土壤類型及不同種類肥料對土壤DOC和DON淋失的影響不同。

紫云英（Astragalus sinicus L.）作為我國南方最常見的豆科綠肥，施用后可改善土壤理化性質、培肥地力、提高水稻的產量和品質。研究表明紫云英腐解后能夠產生大量的DOC和DON，可隨著重力水向下淋失，影響地下水水質，對人類健康產生一定的安全風險。然而，有關紫云英配施化肥處理對DOC和DON含量的影響程度如何，是否會增加水稻土DOC和DON的淋失風險，以及在不同類型水稻土中的淋失風險是否存在差異等問題尚有待進一步研究。黃泥田水稻土、灰黃泥田水稻土和灰泥田水稻土是福建省分布面積較大的水稻土壤類型，分別屬于低肥力、中肥力和高肥力水稻土。因此，本研究以福建省的黃泥田、灰黃泥田和灰泥田3種不同類型水稻土為研究對象，通過田間試驗，研究單施化肥和紫云英配施化肥對不同類型水稻土DOC、DON動態變化及其淋溶特性的影響，闡明不同類型水稻土DOC和DON的淋溶損失量及其差異，揭示土壤性質對DOC和DON淋溶損失的影響，為防控稻田DOC、DON的淋失以及合理施肥等提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

試驗區位于福建省閩侯縣白沙鎮的福建省農業科學院試驗基地（26°13′31″N，119°04′10″E），屬中亞熱帶季風氣候，年均降水量1351 mm，年日照數1813 h，年均溫度19.5℃，無霜期311 d。供試土壤類型為發育于中性巖紅壤坡積物和河流沖積物的3種不同類型水稻土，即低肥力的黃泥田、中肥力的灰黃泥田和高肥力的灰泥田，地形部位分別為低丘上部、低丘中下部及緊鄰低丘的寬谷盆地。水稻品種為11 673，屬于再生稻。水稻的栽培管理與當地一致。試驗區耕層土壤理化性質見表1。

1.2試驗設計

田間試驗設置單施化肥（對照，CK）和紫云英+化肥（cmv）兩種施肥處理，每個小區面積12 m2（3 mx4m），每個處理設置3個重復，采取隨機區組排列。在各個試驗小區中分別布設兩組連接帶蓋不銹鋼管的砂濾管，砂濾管長度為20 cm，埋設深度分別為0-20、20-40 cm和40-60 cm。CK處理化肥施用量為尿素481.7 kg·hm-2、過磷酸鈣900 kg·hm-2和氯化鉀300kg·hm-2，其中過磷酸鈣作為基肥全部施用，尿素和氯化鉀作為基肥50％（紫云英翻壓后第9d）和分蘗肥50％（紫云英翻壓后第25 d）分兩次施用。cmv處理施用的紫云英品種為閩紫7號，含水量為90％，紫云英干基中有機質含量752.8 g·kg-1、全碳（C）含量436.63 g·kg-1，全氮（N）含量30.94 g·kg-1，全磷（P）含量5.91 g·kg-1，全鉀（K）含量32.47 g·kg-1；采用等量氮磷鉀-異地翻壓方式施用，紫云英施用量（以鮮質量計）為30 000 kg·hm-2，氮、磷和鉀不足部分用尿素、氯化鉀和過磷酸鈣補齊，各處理氮磷鉀施用量見表2；紫云英于盛花期作為基肥一次性翻壓，配施化肥的施用方法與對照相同；水稻于紫云英翻壓后10 d移栽，其栽培過程管理與當地保持一致。

1.3樣品采集

根據紫云英翻壓回田的腐解規律及水稻生育期，采樣時間設為紫云英翻壓后5、10、17、24、38、59、80、101 d和122 d，整個試驗期間共進行9次水樣采集。在各采樣時間前2d利用電動水樣采集器將砂濾管中的滲濾液抽干，定期抽取稻田淹水層（0 cm）水樣品和不同深度（0-20、20-40、40-60 cm）土壤滲濾液樣品，裝入聚乙烯塑料瓶中密封后帶回實驗室。為了防止因降雨導致各處理小區間淹水層的竄滲，在試驗期間內存在連續降水量（超過50 mm）時各試驗小區淹水層向外排水5 cm。

1.4測定項目與方法

采集的水溶液樣品立即用0.45 um濾膜過濾，利用配置有總氮檢測器的總有機碳分析儀（Shimadzu，日本，TOC-L CPH）測定水樣中的DOC和溶解性總氮（Total dissolved nitrogen，TDN）含量，借助連續流動注射分析儀（Systea，意大利，Flowsys）測定水樣中的溶解性無機氮（Dissolved inorganic nitrogen，DIN，包含NH+4，NO-3和NO-2）含量，采用差減法（DON=TDN-DIN）計算獲得DON含量。未能及時測定的水樣置于4℃恒溫冰箱中短期保存。

1.5數據統計分析

采用Excel 2010和SPSS 20軟件進行數據處理，使用Sigmaplot 14.0軟件作圖。由于研究過程中發現紫云英翻壓59 d后滲濾液樣品中DON濃度均低于檢出限（1 mg·L-1），故本文僅顯示并計算5-59 d的相關數據。因水稻難以吸收利用20-60 cm土層滲濾液中的養分，故將20-60 cm土層滲濾液中的DOC和DON視為稻田碳氮淋溶損失的部分。土壤DOC和DON的損失量參考Nie等描述的公式進行計算：

2結果與分析

2.1不同施肥處理下供試水稻土DOC的淋溶特性及其差異

3種供試水稻土不同土層DOC質量濃度達到峰值的時間具有一定差異（圖1），淹水層DOC質量濃度于紫云英翻壓后10 d和24 d達到峰值，0-20 cm土層DOC質量濃度于紫云英翻壓后17 d和38 d達到峰值，20-40 cm與40-60 cm土層DOC質量濃度均于59d達到峰值。3種不同類型水稻土DOC質量濃度具有一定差異，淹水層不同取樣期DOC質量濃度的均值差異表現為黃泥田gt;灰黃泥田gt;灰泥田，但不同類型水稻土間無顯著差異；而0-60 cm土壤層次中DOC質量濃度的均值差異表現為灰泥田gt;灰黃泥田gt;黃泥田，灰泥田DOC均值差異較灰黃泥田和黃泥田顯著提高118.16％-155.46％和137.99％-286.21％。3種供試水稻土不同施肥處理的DOC質量濃度也具有一定差異。水稻生育期內cmv處理黃泥田各層次（淹水層、0-20、20-40、40-60 cm土層）DOC質量濃度均值較CK處理有明顯增加，分別增加了244.37％、8.80％、18.02％、20.60％；在灰黃泥田中淹水層、0-20 cm和20-40 cm層次cmv處理DOC質量濃度均值較CK處理分別增加了18.98％、23.01％和8.39％，在40-60 cm土層中則減少了7.20％；而灰泥田0-20 cm土層cmv處理DOC質量濃度均值較CK處理增加24.10％，但淹水層、20-40 cm和40-60 cm層次則較CK處理分別減少9.29％、3.74％和5.31％。可見，隨著紫云英翻壓后時間的推移，3種供試水稻土DOC均具有向下淋溶的趨勢，且不同層次間具有一定的延遲性；3種供試水稻土中，灰泥田的DOC存在較大的淋溶風險，而紫云英配施化肥可顯著增加黃泥田DOC淋溶損失的風險。

2.2不同施肥處理下供試水稻土DON的淋溶特性及其差異

3種供試水稻土不同層次滲濾液DON含量存在明顯差異（圖2）。淹水層DON質量濃度于紫云英翻壓后10 d和24 d達到峰值，0-20 cm土層DON質量濃度于紫云英翻壓后17 d和38 d達到峰值，20-40 cm與40-60 cm土層DON質量濃度均于24 d達到峰值。就不同類型稻田土壤而言，土壤滲濾液DON質量濃度也具有一定的差異。水稻生育期試供水稻土淹水層DON質量濃度均表現為灰黃泥田gt;灰泥田gt;黃泥田，不同類型水稻土間無顯著差異；0-20 cm層次DON質量濃度表現為灰泥田gt;灰黃泥田gt;黃泥田，灰泥田和灰黃泥田DON均值較黃泥田顯著增加了308.37％和84.44％；而20-40 cm和40-60 cm層次DON質量濃度則表現為黃泥田gt;灰黃泥田gt;灰泥田，20-40 cm和40-60 cm層次黃泥田DON均值差異較灰泥田顯著提高36.87％和150.52％，而黃泥田與灰黃泥田間無顯著差異。兩種施肥處理供試水稻土DON質量濃度也具有一定差異。5-59 d cmv處理供試水稻土各層次（淹水層、0-20、20-40 cm和40-60 cm）的DON質量濃度均值均低于CK處理，較CK處理分別降低了55.24％-72.68％、21.09％-36.05％、21.46％-34.00％和4.75％-35.78％。可見，隨紫云英翻壓后時間的推移，供試水稻土DON有向下淋溶的趨勢，3種供試水稻土中黃泥田的DON淋溶風險最大，紫云英配施化肥具有緩減DON淋溶損失的趨勢。

2.3不同施肥處理供試水稻土DOC、DON的淋溶損失

紫云英翻壓后3種供試水稻土DOC和DON的淋溶損失量存在明顯差異（圖3）。不同施肥處理3種供試水稻土DOC淋溶損失量表現為灰泥田gt;灰黃泥田gt;黃泥田。灰泥田CK處理，DOC淋溶損失量較灰黃泥田和黃泥田分別顯著提高24.09％和72.15％；cmv處理，分別顯著提高16.53％和40.55％。不同類型水稻土2種施肥處理DOC淋溶損失量具有一定差異，黃泥田cmv處理DOC淋溶損失量較CK處理顯著提高19.19％，而灰黃泥田和灰泥田2種施肥處理DOC的淋溶損失量無顯著差異。不同施肥處理下3種供試水稻土DON淋溶損失量表現為黃泥田gt;灰黃泥田gt;灰泥田，黃泥田CK處理DON淋溶損失量較灰黃泥田和灰泥田顯著提高18.93％和37.01％，cmv處理3種不同類型水稻土DON淋溶損失量無顯著差異。不同類型水稻土2種施肥處理DON淋溶損失量具有顯著差異，黃泥田、灰黃泥田和灰泥田cmv處理DON淋溶損失量較CK處理分別顯著降低了24.67％、14.88％和13.54％。可見，不同類型水稻土中，DOC淋溶損失以高肥力灰泥田水稻土較高，而DON淋溶損失量則以低肥力黃泥田較高；紫云英配施化肥處理可降低供試水稻土DON淋溶損失，但黃泥田DOC淋溶損失量有所提高。

2.4不同施肥處理供試水稻土DOC、DON淋溶損失的影響因素

采用灰色關聯分析模型探討不同處理水稻土DOC和DON淋溶損失量與紫云英施用量和土壤相關性質的關系（表3），揭示水稻土DOC和DON淋溶損失的影響因子。結果表明，土壤有機質與DOC淋溶損失量的關聯系數為0.873，在所有可能的影響因子中與DOC淋溶損失量的關聯度最高，其次為黏粒含量，關聯系數為0.749。土壤非毛管孔隙度對水稻土DON淋溶損失量的影響較為顯著，關聯系數為0.793，其次為容重和pH，關聯系數分別為0.752和0.746。可見，在土壤性質中水稻土DOC淋溶損失量主要受有機質的影響，而DON淋溶損失量主要受孔隙度的影響。

3討論

3.1不同類型水稻土DOC和DON的淋溶損失差異

不同類型水稻土DOC和DON的淋失風險具有一定差異，2種施肥方式DOC淋溶損失風險在高肥力的灰泥田最大，而DON的淋溶損失風險則在低肥力的黃泥田最大，這與3種供試水稻土的性質以及DOC和DON的質量濃度密切相關。研究表明高肥力水稻土的DOC中易分解的小分子DOC百分比含量較其他稻田土壤相對豐富，而土壤對小分子量DOC組分的吸附相對較弱，且吸附后的生物穩定性差，導致高肥力的灰泥田溶液中DOC含量增加，隨重力水的作用向下淋失，從而增加淋溶損失風險。此外，高肥力水稻土DOC的低生物降解率導致DOC的消耗降低，也增加了DOC淋失的來源。本研究灰色關聯分析結果表明水稻土DOC的淋溶損失量主要受有機質含量的影響（表3）。供試的高肥力灰泥田水稻土有機質含量分別是灰黃泥田和黃泥田的1.16倍和1.73倍，DOC淋失的來源大，從而導致高肥力的灰泥田水稻土DOC淋溶損失較大。韓成衛等的研究也發現在同一DOC質量濃度條件下高肥力水稻土的DOC淋溶風險高于低肥力水稻土。稻田土壤中DON分子量小，遷移性強，易在重力水的作用下產生淋溶損失。本研究灰色關聯分析結果表明水稻土DON淋溶損失量主要受非毛管孔隙度的影響（表3）。土壤中水流的運移通道主要靠的是大孔隙，70％-85％的水分運動源于大孔隙的貢獻。水分在土壤剖面中的垂直運動是氮素向下淋溶的必要條件，因此土壤大孔隙的存在會加速氮素向深層土壤淋溶，本研究供試黃泥田中非毛管孔隙度是灰黃泥田和灰泥田的2.24倍和1.27倍，有利于DON隨土壤水向下淋溶，增加黃泥田DON的淋溶損失。

3.2不同施肥處理水稻土DOC和DON的淋溶損失差異

施肥方式可通過影響土壤養分狀況、微生物活性、DOC和DON分子量等，進一步影響土壤DOC和DON的淋溶損失風險。本研究中紫云英配施化肥較單施化肥處理可顯著增加黃泥田DOC淋溶損失風險，而有效減緩各肥力稻田DON的淋溶損失風險。這是因紫云英配施化肥較單施化肥處理對稻田有著更大的碳投入（兩種處理間的施碳量差值為1 519.23kg·hm-2），促進土壤溶液中DOC含量增加，提高了土壤DOC的淋溶損失的來源。而本研究結果表明2種不同施肥處理間灰黃泥田和灰泥田DOC的淋溶損失量無顯著差異，究其原因可能與土壤有機質含量有關（表3）。湯宏等研究表明高肥力的麻沙泥水稻土DOC主要來源于土壤自身含有的有機質分解。本研究中供試灰泥田和灰黃泥田有機質含量較高（表1），不同施肥處理后土壤原有有機質的分解均產生大量的DOC。化肥尤其是氮肥和磷肥的施用可促進稻田土壤有機質的激發效應，生成大量的DOC，增加DOC的淋溶損失來源，而翻壓紫云英后增加了對高肥力土壤的有機碳組分的損耗，從而導致2種施肥處理間DOC淋溶損失差異不顯著。在等氮處理條件下，由于施用的尿素為小分子DON，施用于土壤后可直接快速增加溶液中小分子DON（酰胺類化合物）含量，從而導致單施化肥處理的水稻土DON更易于淋失；而紫云英較化肥（尿素）釋放DON所需的時間長，且紫云英翻壓至土壤后，促進稻田土壤芳香性和疏水性的大分子DON含量增加，使其易被土壤固持，減少其淋失風險。此外，有研究表明向土壤中大量翻壓綠肥可以短期內提升土壤C/N，增加土壤的DON吸附潛力，進而降低了試供稻田土壤中DON的淋溶損失。

3.3水稻土DOC和DON的淋溶速率差異

稻田土壤中DOC和DON分子量小，流動性強，易隨下滲水淋溶遷移。本研究結果表明，隨著紫云英翻壓后時間的推移不同類型水稻土DOC和DON均有向下淋溶的趨勢，且不同層次間具有一定的延遲性（圖1，圖2）。本研究中供試水稻土均為黏土和壤質黏土，質地較為黏重，比表面積和電荷密度較大，有利于土壤吸附濾液中的DOC和DON，減緩其向下淋溶的速度。隨著紫云英翻壓后時間的推移，同一供試水稻土中DOC和DON的淋失速率存在一定差異。淹水層和0-20 cm土層滲濾液中DOC與DON質量濃度隨紫云英翻壓時間的延長表現出相似的變化趨勢，但20-60 cm土層中DON含量則優先于DOC達到峰值。這可能與DOC和DON組分的親-疏水性和分子量有關。一方面，土壤溶液中親水性化合物N含量較高，而疏水性化合物主要是富含C的化合物，而土壤對富含氮素的親水組分的吸附能力弱于疏水組分，導致SON比SOC更易從土壤中淋失。另一方面，土壤DOC主要由碳水化合物、長鏈脂肪族化合物和蛋白質等組成，其芳香度達19.9％；而土壤DON則以氨基酸、氨基糖等小分子化合物為主，其各組分的粒徑遠低于DOC相應粒徑，故推斷DOC組分的平均分子量通常高于DON。土壤對DOC和DON中較大分子量組分有著更強的吸附力，吸附能力隨著分子量增加而增加。有研究發現小分子量和親水性化合物不易被土壤吸附，吸附后易出現解吸以及被大分子量和疏水性化合物替代吸附的情況，使供試水稻土中DOC和DON淋失不同步，即DON更易隨滲濾水向下淋溶，導致供試水稻土20-60 cm土層中DON含量優先于DOC達到峰值。此外，在淋溶發生時，稻田中表層土壤養分向下淋失過程中，下層土壤對淋溶DOC的吸附截留后再解吸附的現象，以及土壤中存在優先吸附DOC并將DON釋放于土壤溶液的現象，也導致了其與DON的淋失速率具有一定差異。

4結論

（1）不同土壤類型水稻土中，高肥力灰泥田的DOC淋溶損失風險較大，而低肥力黃泥田水稻土的DON淋溶損失風險較大。

（2）在等氮磷鉀的條件下，較單施化肥，紫云英配施化肥有助于減緩稻田內DON的損失，但黃泥田DOC的淋溶損失量有所增加；因此，在實際生產中，采用紫云英改善土壤肥力的同時，翻壓量應充分考慮其在不同土壤中的生態效應。

（3）供試水稻土中DOC和DON的淋溶有所差異，DON較DOC更易隨滲濾水向下淋溶，且DOC淋溶損失量與土壤有機質密切相關，而DON淋溶損失量與土壤孔隙度密切相關。