绿肥还田对粉垄稻田土壤活性有机碳的影响①

郑佳舜，胡钧铭，韦燕燕，申章佑，蒙炎成，韦翔华

(1 广西农业科学院农业资源与环境研究所，南宁 530007；2 广西大学农学院，南宁 530004；3 广西农业科学院经济作物研究所，南宁 530007)

土壤是陆地生态系统中最大的碳库，农田土壤碳库与土壤碳循环、全球气候变化密不可分[1]，土壤有机碳在全球CO2动态变化中扮演着重要角色[2]。在国家农田化肥减量增效的绿色发展背景下，探索土壤碳循环与土壤养分供给意义巨大。农业有机物是调控土壤环境的重要手段[3]，影响土壤碳储量和碳循环[4]。土壤活性有机碳能有效表征土壤物质循环、潜在生产力以及土壤管理措施引起的土壤有机碳变化特征[5]。土壤碳库管理指数是反映土壤固碳能力的重要标志，其结合土壤有机碳活性和土壤养分，表征外界条件变化对土壤有机质性质的影响[6]，被广泛用于农业生态系统中土壤质量与健康状况评价[7-9]。

耕作和农田有机资源投入是驱动土壤碳库周转的重要因素[10]。有研究显示，剧烈的耕作会扰动土壤，加剧农田土壤水土流失，土壤有机碳矿化损失严重，导致土壤质量下降[11]。减少耕作强度有助于改善土壤结构，提高土壤有机碳[12-13]。秸秆有机资源还田可以提高土壤碳库指数，增加土壤活性有机碳组分[14]。长期旋耕配施秸秆还田下的土壤有机碳的活性有机碳比例较高，将旋耕转变为深松可显著降低土壤活性有机碳在总有机碳的比例[15]。绿肥还田是改良土壤的重要手段，明确绿肥还田条件下对稻田耕层土壤不同活性有机碳的影响尤为必要。本研究从水稻生育期土壤活性有机碳库随时间变化、土壤垂直空间活性有机碳库环境变化角度，系统探讨绿肥还田对粉垄稻田土壤有机碳储量和活性有机碳稳定性的影响，为稻田土壤活性有机碳库调控及土壤质量提升提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

2016—2018年在广西农业科学院试验基地开展水稻定位试验，试验区属亚热带季风性气候，是水热资源丰富的典型南方双季籼稻区。2016年10月和2017年10月分别种植冬绿肥紫云英，2017年4月和2018年4月起开始分别移栽种植双季水稻。研究选择2018年的土壤活性有机碳测试，以考察绿肥还田对粉垄稻田土壤的第二年定位累积效应。

土壤基本性质：pH 6.6，全氮1.80 g/kg，全磷0.92 g/kg，全钾7.43 g/kg，有效磷37.90 mg/kg，有机质24.50 g/kg，水解性氮131.00 mg/kg，速效钾97.80 mg/kg。压青绿肥为紫云英(干基养分N 2.7%、P2O50.65%、K2O 2.5%)，化肥施用包括复合肥(N 14.64%、P2O514.92%、K2O 15.08%)、尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O515%)、氯化钾(K2O 62.7%)。

1.2 试验设计和样品采集

1.2.1 试验设计 试验小区面积7.41 m × 6.21 m，供试水稻品种为三系籼超级稻，特优582，株行距12 cm × 24 cm，每穴2株插苗，4月4日移栽，生育期为110 d。试验设置常规耕作、粉垄耕作2种耕作模式，粉垄深旋耕利用垂直螺旋型钻头刀片高速横向切割土壤碎土，一次性完成自然悬浮成垄将土壤耕层加深至30 cm[16-17]，采用传统拖拉机进行常规耕作。以不施肥为空白对照，在同等养分条件下以常规施用化肥(N 240 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 240 kg/hm2)为参考标准，在同等养分条件下双倍绿肥提供的养分N代替化肥中的100% 养分N，单倍绿肥提供的养分N代替化肥中50% 的养分N，进行设计。3种施肥方式为：100% 化肥(804.4 kg/hm2复合肥、260.9 kg/hm2尿素、195.7 kg/hm2氯化钾)、单倍绿肥配施化肥(35 586.6 kg/hm2绿肥，配施608.7 kg/hm2复合肥、65.2 kg/hm2尿素、65.2 kg/hm2氯化钾)、双倍绿肥配施化肥(71 173.1 kg/hm2绿肥，配施414.8 kg/hm2过磷酸钙、28.0 kg/hm2氯化钾)，共8处理，每处理3次重复，各处理如表1所示。田间管理按常规超级稻生产进行。

1.2.2 样品采集 采用土钻在水稻分蘖期、孕穗期、齐穗期和收获期(分别为移栽后20、40、60、90 d)4个生育期采集0 ~ 15 cm土壤样品：用尺子标记土钻底部至下而上的15 cm长度，土钻取样时土壤样品需达到标记线。在水稻收获后挖取土壤剖面，用刀片至上而下分别刮取0 ~ 15、15 ~ 30、30 ~ 45 cm的剖面土。

表 1 试验处理设置Table 1 Experimental treatments

1.3 试验方法和计算

土壤活性有机碳(LOC)采用KMnO4氧化法测定[6]：根据KMnO4浓度的变化求出样品的不同活性有机碳含量，其中以浓度333 mmol/L KMnO4测定低活性有机碳(即易氧化有机碳)，是活性有机碳中活性最高、最容易被氧化的那部分活性有机碳；以浓度176 mmol/L KMnO4测定中活性有机碳；以浓度33.3 mmol/L KMnO4测定高活性有机碳。总有机碳采用高温重络酸钾–外热法测定[18]。

土壤碳库管理指数(CPMI)以不施肥土壤为参考，均以易氧化有机碳作为活性有机碳标准，计算公式[6]为：

1.4 数据分析和处理

试验数据采用IBM SPSS Statistics 19软件分析，Microsoft Excel 2010软件制图。

2 结果与分析

2.1 绿肥还田对粉垄稻田土壤总有机碳的影响

如图1A所示，分蘖期土壤总有机碳(TOC)含量最高，稻田各生育期土壤TOC含量呈波动变化。粉垄耕作降低了各生育期土壤TOC含量，同种施肥方式下，FN0比CN0降低3.14 ~ 6 .11 g/kg；绿肥还田减少了粉垄与常耕之间TOC含量的差异：FN1比CN1降低1.45 ~ 3.42 g/kg，而FN2比CN2降低2.60 ~3.47 g/kg。随着绿肥的增加，粉垄稻田土壤TOC含量逐渐增加，FN2较FN0提高了25.6% ~ 60.1%，FN1较FN0提高了14.6% ~ 48.8%。在常规耕作中，绿肥的增加提高了分蘖期、孕穗期、收获期土壤TOC含量。

如图1B所示，随着土层加深，土壤TOC含量逐渐递减。粉垄耕作下，FN0、FN1、FN23个处理在15 ~ 30 cm比0 ~ 15 cm的土壤TOC分别降低30.8%、33.0%、331.6%，降低率均低于同种施肥方式下的常规耕作；将30 ~ 45 cm与15 ~ 30 cm土壤TOC比较，依然表现为粉垄耕作的降低率更低，说明粉垄耕作能综合各土层间TOC的运移。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm与如图1A收获期的土壤TOC特征不同：FN、FN0、FN1与同种施肥方式的常规耕作相比分别增加了20.7%、1.2%、7.6%，仅FN2较CN2降低1.9%；此外，FN1和FN2较FN0分别增加25.7% 和18.7%。15 ~ 30 cm土壤中，FN1、FN2较CN1和CN2分别增加47.3% 和8.7%，而FN0较CN0降低了1.7%，FN1和FN2较FN0分别增加21.6% 和17.3%。30 ~ 45 cm土壤中，粉垄耕作下的土壤TOC含量均高于常规耕作，增加了41.7% ~ 84.4%。因此，粉垄耕作能较有效提高剖面各土层土壤TOC含量，绿肥还田相比单施化肥降低了粉垄稻田30 ~ 45 cm土壤TOC含量，单倍绿肥还田降低地较少，相比双倍绿肥还田更能提高粉垄稻田0 ~ 30 cm土壤TOC含量。

2.2 绿肥还田对粉垄稻田土壤活性有机碳含量的影响

如表2所示，粉垄耕作水稻各生育期土壤低活性有机碳(LLOC)、中活性有机碳(MLOC)、高活性有机碳(HLOC)含量均显著低于常规耕作，绿肥还田提高了粉垄耕作下水稻各生育期土壤的各级活性有机碳(LOC)含量，多数时期表现为FN2>FN1>FN0，分蘖期、齐穗期的土壤MLOC和分蘖期的土壤HLOC表现为FN1>FN2。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm与未收割水稻时收获期0 ~ 15 cm土壤LOC含量特征不同：同一施肥方式下，土壤MLOC和HLOC表现为FN1FN2≥FN0，而FN1和FN2的土壤MLOC分别较FN0降低了12.3% 和27.6%。15 ~ 30 cm土壤中，与同种施肥方式下的常耕耕作相比，粉垄耕作FN1和FN2处理土壤LOC多数表现为降低，而FN2较CN2的土壤MLOC增加19.3%；绿肥的增加能较有效提高该土层粉垄稻田土壤LOC含量，但FN1较FN0降低0.5%。30 ~45 cm土壤中，与同种施肥方式下的常耕相比，FN2处理土壤LOC含量总体表现为降低，而FN1的土壤MLOC和HLOC含量分别增加134.3% 和27.3%。

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

2.3 绿肥还田对粉垄稻田土壤非活性有机碳占比的影响

降低土壤非活性有机碳(NLOC)在总有机碳中的占比，是提高土壤有机碳利用的基础，即：土壤NLOC占比越少，土壤LOC的可激活率越高，对土壤碳库应用尺度越大。如图2A所示，水稻生长时间越长，土壤NLOC占比越高。将各处理按4个生育期拟合成直线，粉垄耕作的决定系数R2均高于常规耕作，且FN处理在前3个生育期中R2达0.999，FN1和FN2在后3个生育期中R2分别可达0.999和0.992，说明粉垄耕作土壤NLOC占比在对应时期随时间增加而增加，且呈线性变化规律。与常耕相比，FN1较CN1在前3个生育期NLOC增加1.3% ~ 1.7%，在收获期增加最多，达7.5%；FN2较CN2在前3个生育期降低1.8% ~ 5.7%，在收获期增加7.0%。粉垄耕作中，与FN0相比，FN1和FN2的NLOC占比逐渐降低，但FN1在齐穗期增加1.8%。

随着土层的加深，土壤NLOC占比逐渐降低(图2B)。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm与如图2A收获期的土壤NLOC占比特征不同：与FN0相比，FN1和FN2分别增加2.8% 和5.4%，而15 ~ 30 cm中FN2增加率会低于FN1；至30 ~ 45 cm时，FN2较FN0降低3.1%，而FN1仍然高FN01.7%。与常规耕作相比，FN1和FN2的土壤NLOC占比表现为增加，FN1在15~ 45 cm增加较多，FN2在0 ~ 30 cm增加较多，且FN1和FN2在30 ~ 45 cm中的土壤NLOC占比远高于CN1和CN2，分别增了80.6% 和59.3%。若将各处理按3个土层拟合直线，FN1和FN2决定系数R2分别达0.999和0.998，说明土壤NLOC占比随土层的加深而降低，呈线性变化规律。

2.4 绿肥还田对粉垄稻田土壤碳库管理指数的影响

粉垄耕作的土壤碳库管理指数(CPMI)始终低于常规耕作。如图3A所示，水稻孕穗期出现土壤CPMI最大值，绿肥的增加提高了粉垄稻田各生育期土壤CPMI，粉垄耕作后3个时期呈负线性相关，FN1和FN2决定系数R2分别达0.973和0.997，随水稻的生长土壤CPMI逐渐降低。绿肥的增加减小了各生育期粉垄与常规耕作土壤CPMI的降低率：4个关键期中FN0较CN0减少了28.4% ~ 60.7%，FN1较CN1减少了22.3% ~ 40.5%，FN2较CN2减少了8.7% ~ 38.4%。

如图3B所示，水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm与图3A收获期的土壤CPMI特征不同：粉垄耕作中FN2低于其他施肥处理。CN0随土层的增加土壤CPMI呈线性降低，决定系数R2达0.999。15 ~ 30 cm和30 ~45 cm土壤CPMI均表现为FN1和FN2低于FN0，其中FN1降低得较多，分别降低8.5% 和20.1%，FN2降低得较少。与常耕相比，粉垄稻田土壤15 ~ 30 cm到30 ~ 45 cm的土壤CPMI降低更快。

3 讨论

绿肥还田能有效提高粉垄稻田土壤固碳水平。耕地对土壤扰动会降低土壤团聚体的稳定性，不利于保证土壤有机碳的积累，降低了土壤固碳能力[11,19]，绿肥还田将土壤新的碳储量进行更新和积累，提高有机碳库存[20]。绿肥中含有大量的养分及高活性有机碳[21]，同时促进了土壤原有机碳转变成易被作物吸收利用的活性有机碳[6]。绿肥易分解有机物的稳定性越小，其碳损失较大[22]。也有学者认为，与碳输入量相比，土壤自身对有机碳的扭转水平更能影响土壤对外源有机碳的固持作用[23]，粉垄耕作对土壤有机碳的扭转具有一定的促进作用。水稻分蘖期土壤有机碳最高，绿肥的增加可有效提高粉垄双季稻田土壤碳库管理指数，且在孕穗期最高、收获期最低。分析其原因可能是水稻分蘖期是化肥养分溶解或绿肥腐解的重要时期，多处淹水状态，养分运移最为活跃，刺激了土壤微生物的繁殖和生长[24]，促进土壤有机质的更新与活化[25]，对有机碳的提升起到了关键作用。水稻分蘖期低活性有机碳含量降低，可能是水稻因绿肥腐解为高活性有机碳提供了直接来源[26]，有效提高了生育初期土壤中、高活性有机碳含量，在一定程度上对低活性有机碳的降低有着间接的影响。

绿肥还田影响粉垄稻田土壤垂直空间活性有机碳稳定性，低活性有机碳>中活性有机碳>高活性有机碳。由高至低活性有机碳，若较高一级与较低一级的活性有机碳的降低率越低，说明其较高一级的有机碳含量更加接近较低一级，活性有机碳含量级别越低，所呈现的土壤易氧化程度越高。不同活性的有机碳组分可以灵敏地反映土壤质量和土壤有机质有效组分的变化状况[27]。绿肥中含有大量的养分及高活性有机碳[21]，尤其是新鲜的有机资源粉碎后腐解产生的热量，有助于改善、优化土壤结构，在一定程度上保持土壤的温度和水分条件[28]，促进了土壤原有有机碳转变成易被作物吸收利用的活性有机碳。而当前对稻田剖面土壤活性有机碳的运移分布特征研究甚少，本研究通过绿肥粉垄耦合下稻田剖面土壤各级活性有机碳转变特征受粉垄耕作、绿肥投入的共同影响。特征如下：①粉垄耕作能有效增加0 ~ 15 cm稻田土壤中活性有机碳向低活性有机碳的易氧化程度，绿肥还田增加粉垄稻田0 ~ 15 cm土壤高活性有机碳向中活性有机碳的易氧化程度；②双倍绿肥还田粉垄耕作加速15 ~ 30 cm土壤中活性有机碳向低活性有机碳、高活性有机碳向中活性有机碳的易氧化程度；③粉垄耕作有效增加稻田30 ~ 45 cm土壤中活性有机碳向低活性有机碳转变的易氧化程度，增加高活性有机碳向中活性有机碳的易氧化程度。但其发生原因有待深入研究，该结果可为进一步的研究提供基础。

粉垄耕作对土壤有机碳的扭转具有一定的促进作用，能减缓各垂直空间土壤有机碳随土层下降的程度。Liang等[29]认为，深层土壤的养分含量比表层土壤更低，当外源易分解有机物进入深层土壤时，土壤有机碳的矿化会受到限制。赵满兴等[30]研究发现，土壤的耕层和母质层对可溶性有机碳的吸附能力相对较弱，施用有机肥后对可溶性有机碳在土壤中的移动性较强，会增加环境风险。然而本研究中，粉垄耕作通过改变土壤空间移动，改善了土壤结构，有助于优化稻田土壤的碳纵向迁移过程。绿肥的增加提高了水稻收获期0 ~ 15 cm土壤的有机碳，这是有机资源对土壤碳的直接作用[20]。单倍绿肥还田增加了粉垄稻田剖面各土层有机碳积累，这可能是化肥中50%的养分氮被单倍绿肥中的养分氮替代，恰好达到一定介质，促进土壤的扭转[23]，加速了土壤有机酸的活化。水稻收割后剖面土0 ~ 15 cm与未收割水稻收获期0 ~ 15 cm土壤的有机碳、活性有机碳、碳库管理指数特征有所差异，造成收割后0 ~ 15 cm剖面土在粉垄耕作下的有机碳、活性有机碳、碳库管理指数相比收获期0 ~ 15 cm土壤偏高。常规耕作下偏低的原因：①收获前的土壤有水稻植株种植间隔覆盖，而挖取剖面土是在水稻收割之后，土壤有机碳受到水稻收获前后植株凋零物中易氧化有机质的影响；②各生育期0 ~ 15 cm土壤采用土钻取样，取样过程受到压实，实际取样深度可能偏大，而取样剖面土先用卷尺测量再至上而下刮取，即为实际取样深度。

4 结论

绿肥还田能有效增加粉垄稻田土壤有机碳储量和活性有机碳的稳定性，对稻田耕层土壤至上而下地激发各级活性有机碳的运移和潜在利用具有积极的线性变化规律。提高绿肥还田量是提升粉垄稻田各生育期表层土壤活性有机碳及有机碳储备的重要因素。但单倍绿肥还田有助于提高粉垄稻田剖面土有机碳的积累，调控粉垄耕作背景下土壤垂直空间活性有机碳库环境。