2021, Vol. 53
2. 湖南大学研究生院隆平分院, 长沙 410125;
3. 农业部湖南耕地保育科学观测实验站, 长沙 410125;
4. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081
土壤活性有机碳(AOC)是土壤中周转速率较快、易分解矿化、有效性较高的有机碳组分[1]，在增加作物产量、改善土壤结构以及提高土壤质量等方面具有重要作用[2]。土壤微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)是土壤活性碳库的重要组成部分[3]，对耕作、施肥等田间管理措施响应敏感，尤其是施用有机肥能够显著影响其含量的变化[4]。
紫云英作为绿肥肥还田具有替代部分化肥、培肥土壤、改善生态环境等作用[5, 6]，且有利于提高土壤AOC、MBC及DOC的含量。杨滨娟等[7]研究发现长期施用绿肥土壤AOC和MBC含量明显有所提高；高嵩涓等[8]比较了3种绿肥对土壤MBC含量的影响，结果表明，土壤MBC含量紫云英处理 > 黑麦草处理 > 油菜处理；Yu等[9]研究发现紫云英还田有利于提高土壤MBC和DOC的含量。
近年来，国内外学者对土壤有机碳的研究主要集中在对外界条件响应敏感、周转速度较快的土壤AOC、MBC及DOC上[10]，关于施用紫云英及紫云英与不同比例的化肥配施对土壤AOC、MBC及DOC影响的研究较多[7-9, 11]，紫云英种植与利用下土壤MBC、DOC变化特征的研究报道也有一些[8, 12]。然而，化肥减施下紫云英不同翻压量对土壤MBC、DOC含量及MBC/TOC(总有机碳)、DOC/TOC比值动态变化等方面的研究较少。另外，耕作、施肥模式以及水稻生长阶段的不同，均会影响土壤AOC周年变化[8]。虽然万水霞等[13]研究了减量化肥与不同量紫云英配施对土壤MBC的影响，但未涉及阶段性变化特征，而研究土壤MBC随水稻生长的变化对于了解水稻生育期养分供给及长期施用紫云英的土壤培肥效应具有重要意义。因此，本研究以11年(2008——2018)长期定位试验为对象，研究了紫云英不同翻压量下土壤MBC、DOC含量及MBC/TOC、DOC/TOC比值的季节变化，探讨了紫云英替代化肥的生态效应及适宜翻压量，为双季稻田合理施用紫云英调控土壤肥力提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验点概况及供试材料试验地位于湖南省南县三仙湖乡万元桥村(112°18′20″E、29°11′29″N)，海拔30 m，属亚热带季风湿润气候，年均气温约16.6℃，年日照时数约1 775 h，年降水量约1 238 mm，成土母质为河湖沉积物发育的紫潮泥。供试土壤的基本性质如表 1所示。
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表 1 供试土壤基本性质 Table 1 Basic properties of tested soil |
试验共设7个处理，如表 2所示，小区面积20 m2 (4 m×5 m)，3次重复，随机区组排列。紫云英于每年晚稻收获后播种，播种量为22.5 kg/hm2，供试品种为湘紫1号，盛花期割取各小区紫云英地上部测定产量，将其全部混匀后按照各处理的用量进行翻压。紫云英鲜草含水量为88.9%，年均干基养分含量为N 37.5g/kg、P 3.50 g/kg、K 37.2 g/kg。全量化肥用量早晚稻均为N 150 kg/hm2，P2O5 75 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2。减量化肥的处理中仅氮、钾肥减施40%。磷肥、钾肥均在移栽前作基肥施入；氮肥按基肥和追肥1：1施入。早稻品种为“湘早籼45号”，晚稻品种为“黄华占”。
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表 2 试验设计 Table 2 Trial design |
土壤样品于2018年共采集5次，分别是紫云英翻压前10 d、早稻分蘖盛期、早稻成熟期、晚稻分蘖盛期及晚稻成熟期。各小区按“S”形采集7点0 ~ 20 cm的耕层土壤，混匀后分取一份保存于4℃冰箱中，以测定土壤MBC和DOC含量；其余的土壤通风阴干，用于测定土壤TOC含量。另外，晚稻成熟期土壤样品用于测定土壤AOC含量。早晚稻成熟后每小区单打单晒，分别称重计产。
利用重铬酸钾容量法外加热法测定土壤TOC[14]，高锰酸钾氧化法测定AOC[7]，氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定MBC[15]。土壤MBC计算方法为熏蒸与未熏蒸土样有机碳含量之差除以转换系数KC(0.45)，DOC含量即为未熏蒸土样有机碳含量。
1.4 数据处理利用Microsoft Excel 2010和SPSS19.0软件进行数据处理和统计分析，基于最小二乘法的多项式进行曲线拟合。
2 结果与分析 2.1 紫云英不同翻压量下土壤总有机碳周年变化特征不同时期各处理土壤TOC含量如图 1所示，可见，不同时期各处理土壤TOC含量变化规律一致，即早稻分蘖盛期最低(平均值24.6 g/kg)、早稻成熟期上升至紫云英翻压前水平(平均值28.5 g/kg)、晚稻分蘖盛期达到最高(平均值30.8 g/kg)、至晚稻成熟期又逐渐降低(平均值28.8 g/kg)。从各个时期看，与CK处理相比，各施肥处理均提高了土壤TOC含量，除在早稻成熟期差异未达到显著水平外，在其他时期与CK相比差异显著。不同时期土壤TOC含量随紫云英翻压量增加呈先增加后降低的变化趋势，在土壤性质相对稳定的晚稻成熟期，除60%CF+GM15.0处理外，其他紫云英翻压量处理较100%CF处理显著提高(P < 0.05)，而在其他各时期紫云不同翻压量处理间差异不显著。
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(图中不同小写字母表示同一取样时期内不同处理间差异在P < 0.05水平显著。下同) 图 1 不同时期各处理土壤TOC含量 Fig. 1 Soil TOC contents in different periods under different treatments |
图 2显示了稻-稻-紫云英轮作体系典型时期土壤MBC含量。由图 2可知，紫云英翻压前各处理土壤MBC含量平均值为1 390 mg/kg，至早稻分蘖盛期各处理的MBC含量急剧下降到905 mg/kg，在早稻成熟期有所回升，平均值为1 252 mg/kg，早稻成熟期至晚稻成熟期，除CK、60%CF+GM30.0和60%CF+ GM37.5处理呈先增加后降低的趋势外，其他处理均逐渐下降。不同紫云英翻压量处理土壤MBC含量在云英翻压前、早稻成熟期及晚稻分蘖盛期无显著差异，但在早稻分蘖盛期和晚稻成熟期各处理间差异明显，均随紫云英还田量的增加呈现出先增加后下降的变化趋势，以60%CF+GM22.5处理为最高。
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图 2 不同时期各处理土壤MBC含量 Fig. 2 Soil MBC contents in different periods under different treatments |
图 3是不同时期各处理土壤DOC含量变化。从图 3可以看出，紫云英翻压前各处理土壤DOC含量平均值为111.4 mg/kg，紫云英翻压前至早稻分蘖盛期逐渐降低，早稻成熟期各处理DOC含量降至最低，平均值为94.8 mg/kg，在晚稻分蘖盛期又上升至紫云英翻压前水平，平均值为113.9 mg/kg，晚稻成熟期又逐渐下降，平均值为102.6 mg/kg。与CK处理相比，不同时期紫云英与化肥配施均显著提高了土壤DOC含量(P < 0.05)，但除晚稻成熟期紫云英翻压超过一定量时DOC含量显著降低(P < 0.05)，其他时期紫云不同翻压量处理间差异均不显著。总体来看，紫云英与化肥配施能提高土壤中DOC含量，但增加翻压量对土壤DOC含量影响不大。从各个时期看，不同紫云英翻压量处理土壤DOC含量变化规律类似，均随紫云英翻压量增加呈先增加后下降的趋势，在60%CF+GM22.5处理最高。
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图 3 不同时期各处理土壤DOC含量 Fig. 3 Soil DOC contents in different periods under different treatments |
由图 4可以看出，与CK处理相比，施肥处理显著提高了土壤AOC含量(P < 0.05)，增幅为57.3% ~ 142.3%。与CK处理相比，GM22.5处理也显著增加了土壤AOC含量(P < 0.05)，增长幅度为62.2%。与100%CF处理相比，化肥减施下紫云英各翻压量处理显著提高了土壤AOC含量(P < 0.05)，且随着紫云英翻压量增加呈先增加后降低的趋势，在60%CF+GM30.0处理最高。
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图 4 紫云英不同翻压量对土壤AOC含量的影响 Fig. 4 Soil AOC contents under different incorporation rates of Chinese milk vetch |
由图 5可知，与土壤TOC相比，土壤AOC、MBC和DOC含量对紫云英翻压量的响应更灵敏，但随紫云英翻压量增加的变化趋势基本一致，即随着紫云英翻压量增加呈先增加后降低的趋势。TOC、AOC、MBC和DOC含量随紫云英翻压量的变化趋势及拟合方程表明，翻压量的最高点不同，变化范围为24.3 ~ 30.7 t/hm2。
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图 5 土壤有机碳对紫云英翻压量的响应 Fig. 5 Responses of soil organic carbon to application rate of Chinese milk vetch |
1) MBC/TOC。由表 3可知，MBC/TOC比值为微生物熵，其在各个时期的变化与土壤MBC含量类似，即除100%CF处理外，其他处理均表现为早稻分蘖盛期急剧下降，早稻成熟期或晚稻分蘖盛期有所回升，晚稻成熟期又下降。MBC/TOC比值在不同时期有较大的波动，但在紫云英不同翻压量处理间差异不显著。本试验中MBC/TOC比值在2.14% ~ 5.67% 之间变化。除晚稻分蘖盛期外，其他时期各施肥处理MBC/TOC比值显著高于CK处理(P < 0.05)，GM22.5处理MBC/TOC比值也显著高于CK处理(P < 0.05)。与100%CF处理相比，除早稻成熟期和晚稻成熟期的60%CF+ GM37.5处理外，不同时期其他紫云英各翻压量处理均提高了MBC/TOC比值。除紫云英翻压前外，其他时期MBC/TOC比值均随着紫云英翻压量增加呈现出先增加后下降的变化趋势，早稻分蘖盛期、早稻成熟期及晚稻成熟期以60%CF+GM22.5处理最高，晚稻分蘖盛期以60%CF+GM30.0处理最高。
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表 3 不同时期各处理土壤微生物熵(%) Table 3 Soil microbial quotients in different periods under different treatments |
2) DOC/TOC。由表 4可以看出，不同时期土壤DOC/TOC比值的变化与土壤DOC含量变化略有不同，总体来看，DOC/TOC比值在紫云英翻压前至早稻分蘖盛期呈上升趋势，早稻成熟期逐渐下降，晚稻分蘖盛期有所回升，晚稻成熟期除GM22.5和60%CF+ GM15.0处理呈上升趋势，其他处理均有所降低。本试验中DOC/TOC比值在0.203% ~ 0.466% 之间变化。不同时期DOC/TOC比值各处理间的差异与土壤DOC含量基本一致，与CK处理相比，除晚稻分蘖盛期外，其他时期各处理均显著提高了DOC/TOC比值(P < 0.05)。与100%CF处理相比，除晚稻成熟期紫云英翻压15.0 ~ 22.5 t/hm2时DOC/ TOC比值显著提高(P < 0.05)，翻压量超过22.5 t/hm2时则无明显改变外，其他各时期均表现为各施肥处理间差异不显著。
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表 4 不同时期各处理土壤DOC/TOC比值(%) Table 4 Ratios of soil DOC/TOC in different periods under different treatments |
3) AOC/TOC。由图 6可知，与CK处理相比，各施肥处理均显著提高了土壤AOC/TOC比值，增幅为3.0% ~ 8.5%；GM22.5处理也显著提高了AOC/ TOC比值(P < 0.05)，增幅为3.7%。与100%CF处理相比，除60%CF+GM15.0处理外，其他紫云英翻压量处理均显著提高AOC/TOC比值(P < 0.05)，且随着紫云英翻压量增加呈现先增加后下降的变化趋势，以60%CF+GM30.0处理为最高。
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图 6 土壤AOC/TOC比值 Fig. 6 Ratios of soil AOC/TOC under different treatments |
由表 5可知，AOC/TOC比值与土壤TOC含量呈显著相关(P < 0.05)，MBC/TOC、DOC/TOC比值与土壤TOC含量呈极显著相关(P < 0.01)。AOC/TOC、MBC/TOC、DOC/TOC比值与土壤AOC、MBC和DOC含量均呈极显著相关(P < 0.01)。从相关系数来看，与土壤TOC含量相比，土壤AOC、MBC和DOC含量与AOC/TOC、MBC/TOC、DOC/TOC比值相关性更强。此外，早、晚稻及全年两季稻谷产量与土壤各活性有机碳含量及比例均呈极显著相关(P < 0.01)，从相关系数来看，土壤TOC含量对产量的影响也较大，说明长期翻压紫云英提高土壤TOC含量的同时也提高了土壤生产力。
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表 5 水稻产量与土壤TOC及AOC组分间的相关性 Table 5 Correlation between rice yield, soil TOC and AOC components |
国内外大量的研究表明，与不施肥或单施化肥相比，施用有机肥或者有机无机肥配施可显著提高土壤TOC和AOC含量[7]。本研究亦表明，与CK处理相比，各施肥处理均显著提高了土壤TOC和AOC含量(P < 0.05)。与100%CF处理相比，紫云英各翻压量处理显著提高了土壤AOC含量(P < 0.05)，也提高了TOC含量，增幅分别为26.8% ~ 54.0% 和1.5% ~ 5.5%。这主要是由于紫云英绿肥翻压后为微生物生长提供了丰富的碳源和氮源，在微生物的作用下转化为土壤AOC；同时，紫云英还田直接向土壤中输入了大量的外源有机质和间接促进作物生长增加根茬和凋落物，以及促进土壤微生物对新鲜有机物质的固定，从而增加土壤TOC含量[16]。本研究中，在土壤性质相对稳定的晚稻成熟期土壤有机碳含量在一定范围内随紫云英还田量增加而提高，超过一定量时则显著降低(P < 0.05)，Ghimire等[17]长期研究结果表明，土壤有机碳含量随有机物料还田量的增多而提高。本研究结果与上述Ghimire等[17]研究结果的差异，一方面可能是由于紫云英C/N较低，过量的施用会增加微生物数量，引起“起爆效应”，进而导致土壤中原有机碳的分解加快[18]；另一方面可能和周年有机碳的输入输出有关，即经过周年的分解，到晚稻成熟期表现为土壤TOC输出量要远高于输入量，从而TOC含量显著低于其他翻压量处理。
陈春兰等[12]研究表明，紫云英与化肥配施处理土壤DOC含量从水稻生育期初期(4月)至7月显著降低，7月至8月逐渐上升，随后又逐渐降低。与上述研究结果类似[12]，在本研究中土壤DOC含量变化趋势为早稻成熟期最低、晚稻分蘖盛期有所回升、至晚稻成熟期又逐渐降低。高嵩涓等[8]研究了紫云英利用下水稻不同时期土壤MBC的变化特征，结果表明紫云英翻压前后土壤MBC含量无明显变化，早稻成熟期降低，晚稻收获后又逐渐上升。本研究中土壤MBC含量变化趋势为早稻分蘖盛期最低、早稻成熟期有所回升、至晚稻成熟期又逐渐降低，这与上述高嵩涓等[7]研究结果有差异，可能与土壤类型、紫云英与化肥的施用量及田间管理措施等不同有关。林诚等[19]研究了紫云英腐解过程中土壤MBC动态变化，随着翻压分解进程，土壤MBC含量呈先上升后下降的变化趋势，在20 d时达到峰值。本研究中土壤MBC含量从紫云英翻压前至早稻分蘖盛期急剧下降，这一方面可能与分蘖肥的施入有关，施入氮肥浓度高，影响了土壤的理化性质，如渗透压的快速升高，pH的快速变化等抑制了微生物活性[20]；另一方面，由于分蘖盛期是水稻养分需求量较大的时期，可能会与土壤微生物争夺养分，不利于微生物生长。随后早稻成熟期有所回升，主要是由于早稻成熟后，地下根系逐渐衰老死亡，水稻根系分泌物和残体增加了土壤微生物可利用的碳源和氮源，促进微生物生长[21]。而晚稻分蘖盛期的水稻与微生物争夺养分，又下降。至晚稻成熟期虽然有凋落物还田，但是由于气温的影响，微生物活性较低，从而导致MBC的含量持续降低。土壤DOC含量从紫云英翻压前至早稻分蘖盛期同样急剧下降。早稻成熟期土壤DOC含量的变化趋势与MBC有所不同，呈持续降低的趋势，这一方面可能是由于DOC含量与土壤含水量密切相关[12]，另一方面，由于MBC和DOC含量存在一定的消长动态关系[22]，MBC含量的上升可能会导致DOC含量降低。随着早稻收获后根茬的逐渐腐解，增加了DOC的溶出以及温度的升高降低了土壤对DOC的吸附，从而增加了土壤溶液中DOC的含量。晚稻成熟期虽然也有植物残体归还到土壤中，但稻田处于落干状态可能不利于土壤DOC的积累。
关强等[23]研究表明，紫云英与化肥配施较不施肥显著提高了土壤MBC、DOC的含量，而单施化肥却无显著变化。胡晓珊等[24]比较了不同夏季填闲绿肥种植、翻压对土壤DOC含量的影响，结果表明种植不同的绿肥品种均增加了土壤DOC含量。Sekhon等[25]研究表明，稻麦轮作体系化肥配施绿肥处理土壤中MBC和DOC含量分别提高了30.2% 和56.5%。本研究亦表明紫云英与化肥配施提高了土壤MBC和DOC含量，这一方面可能是紫云英翻压还田后增加了土壤TOC含量[9]；另一方面，微生物利用AOC组分，将紫云英翻压后输入的碳同化为微生物体碳[26]，提高了土壤中微生物的数量和活性[27]。周国朋等[28]研究发现，与CK处理相比，单施紫云英并未显著增加土壤DOC含量。本研究发现，与CK处理相比，GM22.5处理显著增加土壤DOC含量(P < 0.05)，造成这种差异的原因可能是气候条件、紫云英还田量及其翻压年限长短不同。万水霞等[13]与陈安强等[29]研究分别表明，随有机物料施用量的增多土壤MBC、DOC含量均逐渐增加。在本研究中，土壤MBC、DOC含量随紫云英翻压量的增加呈先增加后降低的变化趋势，可能与施用有机物料的种类、数量、化肥配施比例等不同有关，即紫云英还田超过一定量时，发达的根系会与微生物竞争养分，且其腐解过程会产生还原性气体，均会降低微生物数量[30-31]。
前人研究表明，紫云英与化肥配施能提高AOC/ TOC比值和DOC/TOC比值[11, 28]。本研究亦表明，与CK处理相比，化肥减施下紫云英各翻压量处理均显著提高了AOC/TOC比值和DOC/TOC比值，这一方面主要是由于紫云英中糖类、淀粉等物质较多，易被微生物分解利用，而纤维、木质素等不易分解的物质较少[32]，翻压还田后在土壤微生物的作用下能够快速分解，释放出大量的DOC，进而提高了DOC/TOC比值；另一方面外源有机物料的添加会产生“激发效应”促进原有机质的分解[18]，增加了土壤AOC含量，进而提高AOC/TOC比值。同时，减量化肥配施紫云英处理土壤微生物熵值也有所提高，可能是改善微生物生长的环境，增加了土壤的微生物数量。晚稻成熟期紫云英翻压量超过22.5 t/hm2时土壤DOC/TOC比值显著降低(P < 0.05)，这可能是由于虽然增加紫云英翻压量在一定程度上也增加了DOC含量，但相比与土壤TOC含量的增长幅度较小所致。土壤MBC/TOC比值一定范围内随紫云英翻压量的增加而增加，超过一定量时无明显改变。这可能由于增加紫云英翻压量提高土壤微生物数量的同时也提高了土壤TOC含量，使得MBC和TOC含量近似同等程度的增加[11]。
4 结论1) 与CK处理相比，紫云英与化肥配施显著提高了土壤TOC含量(P < 0.05)，在土壤性质相对稳定的晚稻成熟期，紫云英翻压量为15.0 ~ 30.0 t/hm2时土壤TOC含量随紫云英施用量的增加而提高，当紫云英翻压量超过30.0 t/hm2时则显著降低(P < 0.05)。
2) 与100%CF处理相比，紫云英与化肥配施显著提高了土壤AOC含量及AOC/TOC比值(P < 0.05)，且随紫云英翻压量的增加呈先增加后下降的变化趋势，均以60%CF+GM30.0处理最高。
3) 土壤MBC、DOC含量及MBC/TOC、DOC/ TOC比值随着取样时期的不同而波动，从各个时期来看，紫云英翻压22.5 ~ 30.0 t/hm2时更有利于提高土壤MBC、DOC含量及MBC/TOC、DOC/TOC比值。
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2. Long Ping Branch, Graduate School of Hunan University, Changsha 410125, China;
3. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation(Hunan), Ministry of Agriculture, Changsha 410125, China;
4. Agricultural Resource and Agricultural Division Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China