不同冬种模式对稻田土壤碳库管理指数的影响*

张 鹏, 钟 川, 周 泉, 唐海鹰, 李新梅, 李 萍, 黄国勤

不同冬种模式对稻田土壤碳库管理指数的影响*

张 鹏, 钟 川, 周 泉, 唐海鹰, 李新梅, 李 萍, 黄国勤**

(江西农业大学生态科学研究中心 南昌 330045)

长江中下游地区是我国水稻生产的重要基地, 在保障我国粮食安全中占有重要地位, 但该地区农田可持续性不高, 稻田冬季利用率较低。本研究通过探讨不同冬季种植模式对土壤质量的影响, 为冬闲田合理开发利用, 提高稻田可持续性提供理论依据。设置5种冬种模式, 分别为冬季休闲、冬种紫云英、冬种油菜、冬种大蒜和冬季轮作(马铃薯、紫云英、油菜)模式, 通过测定不同土层土壤养分、土壤有机碳、活性有机碳和微生物生物量碳等, 进一步分析不同冬种模式的土壤碳库管理指数及其综合效应。结果表明, 在0~30 cm稻田土壤, 与冬闲处理相比, 不同冬季种植模式土壤有机碳提高6.12%~7.17%、活性有机碳提高13.56%~20.76%、微生物生物量碳提高0.13%~14.34%、可溶性有机碳提高3.49%~19.15%, 土壤活性有机碳有效率提高6.74%~17.20%, 冬季轮作(马铃薯、紫云英、油菜)模式能显著促进稻田土壤总有机碳及可溶性有机碳的积累; 不同冬种模式提高了稻田土壤碳库活度指数和碳库指数, 并且土壤碳库管理指数增加14.37%~27.29%。土壤有机碳与活性有机碳呈极显著相关(<0.01), 土壤碳库管理指数与总有机碳呈显著相关(<0.05)、与活性有机碳间存在极显著(<0.01)的相关性。对土壤碳库管理指数影响因素的灰色关联度综合分析表明, 冬季轮作(马铃薯、紫云英、油菜)模式排名第1。可见, 不同冬季种植模式能增加土壤有机碳含量和提高土壤碳库管理指数, 冬季轮作(马铃薯、紫云英、油菜)模式的综合评价最好, 其次为冬种大蒜模式。

稻田; 冬种模式; 土壤质量; 活性有机碳; 碳库管理指数; 灰色关联法

我国南方地区, 尤其是长江中下游地区是水稻(L.)的重要生产地, 在解决我国粮食问题中具有重大意义[1]。南方稻区大多气候适宜, 有利于冬季作物种植, 目前中国南方稻区大约9.3×106hm2冬闲田可以充分利用, 其中72%较容易开发利用[2], 因此, 在保障双季稻持续生产的基础上, 探讨长期不同冬季种植模式下土壤养分及有机碳库的变化特征, 对于保障农业生产力的持续发展具有重大意义。

土壤碳库管理指数可作为土壤有机质总量和质量变化的较为系统和敏感的监测指标, 是土壤管理措施引起土壤有机质变化的重要依据[3]。任何影响土壤中碳物质保护的因素, 如耕作制度, 都可能导致碳的快速流失[4]。相关研究表明, 农作物种植制度是影响土壤质量演化及其可持续利用最为深刻的农业措施之一[5], 合理的种植制度可提高土壤的生物学活性。稻田轮作改善了土壤的理化性状, 土壤容重降低, 而孔隙度增加, 并且有效阻止土壤次生潜育化和酸化[6]。杨滨娟等[7]研究表明绿肥能显著促进土壤总有机碳和活性有机碳的积累。而唐海明等[8]研究认为, 冬季覆盖作物秸秆还田均提高了稻田不同层次土壤的碳库活度。近年来, 有关种植绿肥的研究较多[9-11], 研究结果表明冬季绿肥有利于改善土壤物理性状、提高养分含量和固定氮素[12]。然而, 以上研究主要为南方较常见的“紫云英(L.)+双季稻”和“油菜(L.)+双季稻”的轮作模式, 缺乏对其他冬种模式以及周年复种轮作下的冬种模式研究。

因此, 本研究在长期试验的基础上, 通过探讨不同冬种模式及冬季轮作模式对稻田土壤养分及有机碳等的影响, 进一步分析不同冬种模式的土壤碳库管理指数及其综合评价, 为合理调整和优化配置稻区的不同冬季种植模式提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在赣东北典型双季稻区的江西省万年县农业科学研究所陈营镇试验田(28°41′N, 116°55′E)进行。该区属亚热带季风气候, 气候湿润, 光照充足, 热量资源丰富, 气温季节性变化显著。试验期间年平均气温18.6 ℃, 极端最高气温38.3 ℃, 极端最低气温-5 ℃, 年平均降雨量1 906 mm, 年平均日照时长1 662.65 h, 年平均风速1.3 m∙s-1, 年无霜期260 d。春夏季以偏南风为主, 秋冬季多偏北风。试验基地土壤为第四纪亚红黏土母质发育的潴育土, 试验前表层土壤(0~15 cm土层)肥力状况为pH 6.08, 有机质41.81 g∙kg-1, 全氮1.97 g∙kg-1, 有效磷16.38 mg∙kg-1, 速效钾130.00 mg∙kg-1, 有机碳24.25 g∙kg-1, C/N比为12.31。

1.2 试验设计与田间管理

试验于2012年4月开始, 采取单因素随机区组设计, 共设置5个处理, CK: 冬闲-双季稻; T1: 紫云英-双季稻; T2: 油菜-双季稻; T3: 大蒜(L.)-双季稻; T4: 马铃薯(L.)(紫云英、油菜)-双季稻, 此处理的冬季种植作物自2012年冬季开始在马铃薯、紫云英和油菜之间循环轮作, 2017年该处理的冬季种植作物为油菜。试验小区采用随机区组设计, 小区周围设置宽1.5 m的保护带进行保护行隔离, 每个小区的面积为66.0 m2, 每个处理设3次重复, 总计15个试验小区, 试验前每个小区的土壤肥力状况基本一致。根据冬季覆盖作物秸秆养分含量和还田量, 早稻种植期间对各处理补充施用化肥, 2018年早稻‘中早39’种植期间对各处理施用化肥为尿素(折合成N, 46%) 153.33 kg∙hm-2, 过磷酸钙(折合成P2O5, 12%) 50.91 kg∙hm-2, 氯化钾(折合成K2O, 60%) 122.73 kg∙hm-2, 其中磷肥全部作基肥在水稻移栽前一次性施入, 水稻钾、氮肥分基肥、蘖肥、穗肥3次撒施, 施用比例为基肥∶分蘖肥∶穗肥=2∶2∶1, 分蘖肥在移栽后5~7 d施用, 穗肥在主茎幼穗长1~2 cm时施用。冬季作物品种、播种量及施肥量见表1, 施用“三元”牌复合肥(N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%)。紫云英播种时间为2017年9月30日; 油菜播种时间为2017年10月29日; 大蒜播种时间为2017年11月2日, 种植前开沟、作畦、耙碎, 株行距18 cm×5 cm, 冬季种植后覆盖部分晚稻秸秆, 保证其正常生长。所有冬作物均在4月15日收获并将秸秆翻压还田。早稻播种时间为2018年4月1日, 5月3日移栽, 7月20日收获。早稻收获后秸秆全部切碎翻压还田, 晚稻收获后秸秆半量还田, 其他田间管理措施同一般大田栽培。

表1 不同试验处理的作物、品种及施肥、还田情况(2017年冬季)

1.3 样品采集与测定

2018年7月, 早稻成熟收获后, 用土钻在各小区内按“S”法采集0~15 cm和15~30 cm土壤样品, 一部分风干过筛用于测定土壤总有机碳、活性有机碳和养分等指标, 一部分保存于4 ℃冰箱中用于测定土壤微生物生物量碳指标。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定, 土壤活性有机碳采用高锰酸钾氧化法测定[13], 土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸法测定[14], 土壤可溶性有机碳采用水提取、过滤方法测定[15]。以试验地附近冬闲地土壤为参考土壤, 其0~15 cm土层土壤总有机碳含量为24.85 g∙kg-1, 活性有机碳含量为3.36 g∙kg-1; 15~30 cm土层土壤总有机碳含量为11.48 g∙kg-1, 活性有机碳含量为2.35 g∙kg-1。土壤养分测定采用常规分析方法[16]。

1.4 数据计算和分析

碳素有效率和碳库管理指数计算公式为:

活性有机碳有效率(LC, %)=活性有机碳/总有机碳×100 (1)

微生物生物量碳有效率(MC, %)=微生物生物量碳/ 总有机碳×100 (2)

可溶性碳有效率(DC, %)=可溶性碳/总有机碳×100 (3)

碳库指数(CPI)=样品总有机碳/参考土壤总有机碳 (4)

碳库活度()=活性有机碳/非活性有机碳 (5)

碳库活度指数(I)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度 (6)

碳库管理指数(CPMI)=CPI×LI×100 (7)

等权关联度公式为:

式中:为样本数。

权重系数公式为:

加权关联度公式为:

试验数据采用Microsoft Excel 2010整理, 不同处理之间各指标分别采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(Duncan法对各项测定数据进行多重比较)和皮尔逊双尾相关性分析, 图形制作采用Origin 9.0进行。

2 结果与分析

2.1 不同冬季种植模式对稻田土壤养分的影响

不同冬季种植模式15~30 cm土层土壤养分含量均低于0~15 cm土层, 土壤养分状况总体随深度加深而下降; 在0~15 cm土壤深度, 其余处理的土壤养分含量均高于对照(表2); 在0~15 cm土壤深度, T4处理土壤碱解氮含量与CK处理无显著差异, 但却显著增加了土壤有效磷、速效钾及全氮含量; 在全氮指标测定中, 以T1处理效果最佳, 相对于对照处理全氮养分增加10.16%, 且差异达显著水平(<0.05)。在15~30 cm土壤深度, 各处理土壤有效磷差异不显著; 处理T4与CK间碱解氮差异显著, 而处理T1、T2、T3三者间无显著差异; 处理T4与CK的速效钾和全氮间差异显著。

表2 不同冬季种植模式下稻田土壤养分含量的变化

数据为3个重复的平均值±标准误; 同列不同小写字母表示同一土层不同处理间差异在5%水平显著。The data are means ± standard deviation. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at 5% level among different treatments of the same soil depth.

2.2 不同冬闲田种植模式对稻田土壤不同形态碳素及活性碳有效率的影响

不同冬季种植模式对稻田土壤不同形态碳素及活性有机碳有效率的影响如表3所示。可以看出不同冬种模式有利于提高稻田土壤总有机碳、活性有机碳、微生物生物量碳和可溶性有机碳含量, 且提高了稻田土壤活性有机碳有效率。不同冬季种植模式对稻田土壤总有机碳含量有较大影响, 通过冬季种植模式下作物的残茬还田提高了稻田土壤有机碳含量, 土壤总有机碳随着稻田土壤深度的增加呈下降趋势, 并且在0~15 cm和15~30 cm土层, T1、T2、T3和T4处理均与CK处理差异显著, 0~15 cm各处理分别比CK增加4.43%、5.35%、5.21%和5.98%, 15~30 cm各处理分别比CK增加10.22%、7.76%、8.43%和9.63%; 不同土壤深度除CK外, 其余处理间无显著差异。稻田土壤活性有机碳含量在0~15 cm和15~30 cm土壤深度表现不一致, 在15~30 cm土壤深度各处理间无显著差异, 0~15 cm土壤深度T3和T4处理均与CK处理间存在显著差异。微生物生物量碳在不同稻田土壤深度间表现一致, 各处理间差异不显著, 0~15 cm土壤深度各处理均提高了稻田土壤微生物生物量碳含量。关于稻田土壤可溶性有机碳而言, 不同土壤深度下各处理间差异性表现基本一致, T4处理在0~15 cm和15~30 cm土层均与冬闲CK处理间存在显著差异。在0~15 cm土壤深度T3处理的活性碳有效率显著高于CK, 15~30 cm土壤深度各处理间差异不显著。总的来说, 早稻收获时T1、T2、T3及T4处理土壤活性有机碳有效率分别比CK增加10.51%、13.23%、15.01%及12.23%。

表3 不同冬季种植模式下稻田土壤总有机碳、活性有机碳、微生物生物量碳、可溶性有机碳及活性有机碳有效率的变化

数据为3个重复的平均值±标准误; 同列不同小写字母表示同一土层不同处理间差异在5%水平显著。The data are means ± standard deviation. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at 5% level among different treatments of the same soil depth.

2.3 不同冬季种植模式对稻田土壤碳库管理指数的影响

土壤碳库管理指数是反映土壤碳素动态变化的有效指标, 不同冬季种植模式下稻田土壤碳库活度指数(I)、碳库指数(CPI)及碳库管理指数(CPMI)如图1所示。通过对稻田土壤碳库管理指数的分析, 可为增加稻田土壤活性碳含量提供量化依据。与CK相比, 不同冬季种植模式对各项指数都有所提高, 其中在碳库活度指数方面, 各处理间差异不显著; 而在碳库指数和碳库管理指数方面, 处理T3和T4均与CK处理间存在显著差异, T1与T2处理间差异不显著, 其中碳库管理指数大小顺序为T3>T4>T2> T1>CK。此外, 碳库活度指数T1、T2、T3、T4处理分别比CK增加7.62%、10.91%、19.88%、14.58%。

图1 不同冬闲田种植模式下稻田土壤碳库活度指数、碳库指数及碳库管理指数的变化

不同小写字母表示处理间差异达5%水平。Different lowercase letters indicate significant differences at 5% level among different treatments.

2.4 稻田土壤不同形态碳素有效率、碳库管理指数与土壤肥力的相关性

关于土壤总有机碳、微生物生物量碳、活性有机碳有效率、可溶性有机碳有效率及碳库管理指数与稻田土壤肥力指标的相关性分析结果如表4所示。土壤总有机碳与碱解氮、速效钾、全氮及活性有机碳之间极显著相关, 而土壤总有机碳与有效磷呈显著相关; 活性有机碳有效率与活性有机碳之间极显著相关; 微生物生物量碳有效率与碱解氮和微生物生物量碳显著(或极显著)相关; 可溶性有机碳有效率只与可溶性有机碳间呈极显著相关; 土壤碳库管理指数与速效钾、总有机碳和活性有机碳显著(或极显著)相关, 其中活性有机碳的相关系数最高, 表明土壤碳库管理指数与活性有机碳的关系更为密切。

表4 稻田土壤碳素有效率、碳库管理指数与土壤肥力的相关性

*、**分别表示显著(<0.05)和极显著(<0.01)相关。* and ** mean significant correlation at 5% and 1% levels, respectively.

2.5 不同冬闲田种植模式稻田土壤碳库管理指数影响因素分析

根据灰色关联分析, 选取相关性分析中的指标(碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、微生物生物量碳、可溶性有机碳、活性有机碳、总有机碳、活性有机碳有效率、微生物生物量碳有效率、可溶性有机碳有效率、碳库管理指数)进行综合分析, 计算等权关联度与加权关联度, 由表5可知, 这两者的排名结果一致, 最后可得不同冬季种植模式的综合排名为T4>T3>T1>T2>CK。

表5 不同冬季稻田种植模式的综合分析

3 讨论

稻田土壤肥力是农业生产力可持续发展的基础, 土壤养分的暂存与矿化主要是靠土壤微生物的作用, 其中秸秆还田、水分管理及施肥等农艺措施都会对稻田土壤养分产生影响。长期翻耕会破坏农田土壤结构, 加剧土壤养分损失, 导致农田质量下降。保护性耕作能够提高土壤养分含量, 改善农田质量, 提高土壤肥力[19-20]。本研究表明, 不同冬种模式下通过冬季作物翻压还田后, 土壤全氮、速效磷、有效钾、碱解氮含量均有不同程度提高, 说明冬种模式有利于提高稻田土壤养分。其中, 紫云英-双季稻(T1)处理全氮含量显著高于其余各处理, 5种冬季种植模式中表现最佳, 前人研究也表明紫云英在提高稻田土壤养分中起到重要作用[21]。总体来看, 不同冬季种植模式相对冬闲对照来说均在一定程度上提高了稻田土壤养分含量。

一般认为农田土壤有机碳含量和耕作程度密切相关[22], 随着作物系统的多样化, 其不同种植模式下的碳输入存在相应的差异。在本研究中, 相对于冬闲对照(CK)处理, 各不同冬季种植模式下秸秆还田均提高了稻田土壤的有机碳含量, 且马铃薯(紫云英、油菜三者冬季轮作)-双季稻(T4)处理土壤有机碳含量提高的效果最佳。该结果与唐海明等[8]、肖小平等[23]、Kubar等[24]的研究结果基本一致, 因为土壤有机碳含量与长期冬季种植模式下的施肥、秸秆还田等农艺措施有关, 而且与秸秆还田关系密切[25]。不同冬季种植模式下稻田土壤有机碳积累效果以马铃薯、紫云英、油菜这三者冬季轮作种植的模式最好, 其次是冬种紫云英处理, 这可能与长期多年种植所造成的碳氮代谢和土壤微生物有关, 其影响机理需进一步研究。土壤微生物量是土壤有机质的重要组成部分, 是土壤有机质中活跃及易变化的部分, 生物量碳占总有机碳的比例是衡量碳可得性的一种标准[26]。土壤中活性有机碳占总有机碳的百分比从一定程度反映了土壤有机碳质量, 活性有机碳的百分比越大, 则有机碳越容易被微生物分解[27]。与对照相比, 各冬种模式均在不同程度提高了0~30 cm稻田土壤微生物生物量碳, 说明冬种模式在增加土壤有机质含量后为微生物活动提供充足的碳源, 有利于增加土壤微生物含量与活性, 这与朱波等[28]的研究结果一致; 另一方面, 各冬种模式也提高了稻田土壤活性有机碳有效率。

土壤碳库管理指数可灵敏地反映农业生产措施对土壤肥力、土壤碳库动态变化的影响[29]。有研究认为, 土壤碳库管理指数与相关农艺措施关系密切[30], 其中包括耕作方式、秸秆还田以及施肥等措施。在饲用小黑麦(L.)-玉米(L.)轮作土壤中, 鸡粪配施化肥显著提高了总有机碳、活性有机碳含量和碳库管理指数[31]; 水稻-小麦(L.)轮作条件下, 长期施用化肥配合秸秆还田有助于提高碳库管理指数[32]。Blair等[33]研究结果表明轮作作物类型对土壤物理肥力有显著影响, 与红壤和黑土的长期休闲处理相比, 豆科植物轮作的碳库管理指数更高。本研究结果表明在长期冬种模式下, 通过冬季作物翻压还田措施有利于提高稻田土壤碳库管理指数, 不同的轮作作物类型对土壤碳库管理指数结果有一定的影响变化。

相关性分析表明土壤碳库管理指数与土壤活性有机碳显著相关, 土壤有机碳与各养分指标呈显著或极显著相关, 表明在不同冬种模式下通过冬作物翻压还田的农艺措施有利于提高稻田养分和碳库管理指数, 土壤养分的增加进而促进了土壤碳库的循环和周转速度。另外关于土壤碳库管理指数的总体周年情况将在后期研究中更加深入, 充分分析各冬季种植模式的土壤碳库管理指数情况。本试验对不同冬种模式进行研究, 结果表明不同冬种模式有利于稻田土壤养分的积累, 增加稻田土壤总有机碳、活性有机碳、微生物生物量碳以及可溶性有机碳含量, 提高土壤碳库管理指数, 有助于土壤质量的提高。最后, 在客观评价不同冬季种植模式下稻田土壤碳库管理指数的影响因素分析中, 综合等权关联度与加权关联度对不同种植模式进行评价, 可以得到不同冬季种植模式的综合排名为T4>T3>T1>T2> CK。

4 结论

不同冬季种植模式均有利于提高稻田土壤养分含量、土壤有机碳和有机碳中活性组分含量, 并且增加了土壤有机碳中活性组分的有效率和土壤碳库管理指数。土壤有机碳的大小顺序表现为T4>T1> T3>T2>CK, 土壤活性有机碳和土壤碳库管理指数的大小表现为T3>T4>T2>T1>CK, 不同冬季种植模式的综合排名为T4>T3>T1>T2>CK。综上, 不同冬季种植模式可增加稻田土壤碳库管理指数, 其中冬季轮作(马铃薯、紫云英、油菜)模式的综合评价最好, 其次为冬种大蒜模式。

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Effects of different winter planting patterns on carbon management index of paddy field*

ZHANG Peng, ZHONG Chuan, ZHOU Quan, TANG Haiying, LI Xinmei, LI Ping, HUANG Guoqin**

(Ecological Science Research Center of Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China)

The middle and lower reaches of the Yangtze River region is an important base for rice production in China, which plays an important role in ensuring China’s food security. However, the utilization rate of paddy field resources in winter was not high in this area. In this study, the effects of different winter planting patterns on soil quality were discussed, which would contribute to the rational development and utilization of winter fallow fields and provide theoretical basis for improving the sustainability of paddy fields. Five winter cropping modes were set up, including winter fallow, winter Chinese vetch, winter rape, winter garlic and winter rotation (potato, Chinese milk vetch, rape). Soil carbon pool management index and comprehensive evaluation of different winter cropping modes were further analyzed by measuring nutrients, organic carbon, active organic carbon, and microbial biomass carbon in different soil layers. The results showed that the contents of soil organic carbon, microbial biomass carbon, soluble organic carbon and active organic carbon in different winter planting patterns were increased to a certain extent in the depth of 0-30 cm paddy field, compared with those in winter fallow treatment. Among them, soil organic carbon increased by 6.12%-7.17%, active organic carbon increased by 13.56%-20.76%, microbial biomass carbon increased by 0.13%-14.34%, soluble organic carbon increased by 3.49%-19.15%, and soil active organic carbon efficiency increased by 6.74%-17.20%. Winter rotation (potato, Chinese milk vetch, rape) could significantly promote the accumulation of total organic carbon and soluble organic carbon in paddy soil. Different winter patterns increased soil carbon pool activity index and carbon pool index, and soil carbon pool management index increased by 14.37%-27.29%. Soil organic carbon was significantly correlated with active organic carbon (< 0.01); soil carbon pool management index was significantly correlated with total organic carbon (< 0.05), and there was a significant correlation between soil organic carbon and active organic carbon (< 0.01). It can be seen that different winter planting patterns can increase soil organic carbon content and improve soil carbon pool management index. The winter rotation (potato, Chinese milk vetch, rape) pattern has the best comprehensive effect, followed by winter garlic planting pattern.

Paddy field; Winter planting patterns; Soil quality; Active organic carbon; Carbon management index; Grey association method

S344.16

2096-6237(2019)08-1163-09

10.13930/j.cnki.cjea.180995

* 国家重点研发计划课题(2016YFD0300208)和江西省重点研发计划项目(20161BBF60058)资助

黄国勤, 研究方向为耕作制度、农业生态、农业可持续发展等。E-mail: hgqjxes@sina.com

张鹏, 主要研究方向为农业生态学。E-mail: 952100612@qq.com

2018-11-12

2019-03-28

* This work was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300208) and the Key Research and Development Project of Jiangxi Province (20161BBF60058).

, E-mail: hgqjxes@sina.com

Nov. 12, 2018;

Mar. 28, 2019

张鹏, 钟川, 周泉, 唐海鹰, 李新梅, 李萍, 黄国勤. 不同冬种模式对稻田土壤碳库管理指数的影响[J]. 中国生态农业学报(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[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(8): 1163-1171