秸秆还田对节水灌溉稻田土壤有机碳及其组分的影响

丁 洁，杨士红,2，金元林，孙 潇，江赜伟，肖亚楠

(1.河海大学农业工程学院，南京 210098；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3. 江苏省昆山市张浦水利(水务)站， 江苏 昆山 215321)

土壤有机碳是土壤最重要的组成部分，是评价土壤质量和土壤肥力的重要指标[1,2]。土壤中的活性有机碳占土壤总有机碳含量的比例虽然不高，却可被土壤微生物和植物直接利用，与农作物的生长息息相关。并且土壤活性有机碳对外界环境变化十分敏感，能在土壤有机碳变化之前反映土壤碳库的微小变动[3]，因此研究土壤有机碳及其活性组分的变化，有利于揭示农业措施对土壤有机碳的影响机理。

秸秆是农业生产中的副产品，2015年我国作物秸秆资源总量约10.4 亿t[4]，并且随着农业生产力的提高，秸秆的产量还在不断增加[5]。秸秆直接焚烧或者弃置极易造成火灾，不仅造成资源浪费，也加重了气候变暖和空气污染[6,7]。秸秆中含有丰富的有机质、氮磷钾和微量元素，秸秆还田可以有效提高土壤有机质含量，增强耕层土壤酶活性，提高作物产量，变废为宝[8,9]。目前关于水稻土壤有机碳的研究大多集中于耕作措施、还田方式和施肥制度对土壤有机碳的影响[10,11]。王保君等[12]研究了麦秸还田后稻田在不同水氮管理模式下的土壤养分及碳库的短期变化，试验结果表明随着施氮量的增加，稻田土壤有机质、全氮、易氧化有机碳含量均呈先升高后降低趋势。李硕等[13]的试验结果表明小麦、玉米秸秆以不同方式还田均可明显提高土壤有机碳及其活性组分含量，添加小麦秸秆效果优于玉米秸秆，混匀方式优于覆盖方式。对于灌溉用水方式，尤其是水碳联合管理下稻田土壤有机碳的研究还不多见，随着水稻节水灌溉技术的大面积推广应用，其土壤水分管理模式改变了稻田原有的生态环境和微生物群落，从而影响土壤有机质的分解过程。为此本试验在节水灌溉管理条件下，研究了秸秆还田处理下的稻田土壤有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳的季节变化，探讨了水碳联合调控对稻田土壤有机碳以及活性有机碳组分的影响规律，旨在为南方地区制定合理、高效的水碳管理措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山试验研究基地(34°15′21″N ，121°05′22″E)，昆山市地处太湖平原，境内河网密布，地势平坦。试验区属亚热带南部季风气候区，年平均气温15.5 ℃，年降雨量1 097.1 mm，年蒸发量1 365.9 mm，日照时数2 085.9 h，平均无霜期234 d。当地习惯稻麦轮作，本实验主要在水稻生育期内进行。试验田土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤为重壤土，容重为1.30 g/cm3, 0～18 cm土层土壤有机质21.71 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，全钾20.86 g/kg，pH值7.4。

1.2 试验设计

试验于2015年6月-2015年10 月进行，试验将常规灌溉(F)、控制灌溉(C)2种水分处理形式，与常规肥(F)、秸秆还田(S)2种施肥管理方式相结合，共设4个处理，分别记为FS、CS、FF、CF，每种处理设3次重复，共12个小区。

本试验选用的水稻品种为南粳46号，水稻秧苗于2015年6月下旬移栽，每穴3～4株，株距13.0 cm×25.0 cm，10月下旬收获。施肥量和施肥时间按当地农民习惯进行，整个生育期共施氮、磷、钾肥折合成N、P2O5、K2O依次为268.35、54.00、76.50 kg/hm2。在水稻移栽之前，秸秆还田的小区在施加无机肥的基础上施用打碎小麦秸秆3 000 kg/hm2。小麦秸秆的有机碳含量为441 g/kg，即通过秸秆还田向稻田输入1 322 kg/hm2有机碳。控制灌溉处理在返青期内田面保留10～30 mm薄水层，其他各个生育期灌溉后稻田不建立水层，以根层土壤水分占饱和含水率60%～80%的组合为灌水控制指标，确定灌水时间和灌水定额[14]。常规灌溉处理按当地水稻种植习惯管理，除分蘖后期排水晒田和黄熟期自然落干以外，其余各生育阶段田间均保留3～5 cm薄水层。除草、病虫害防治等其他管理措施均同当地常规管理。

1.3 样品采集与分析

试验于2015年水稻各生育期(泡田期、返青期、分蘖期、拔节育穗期、乳熟期、和收割后，共6次)在试验设计的12个小区中采用“S”法采集土样。将土样混合均匀，剔除植物根系、石砾后，分为两个部分：一部分新鲜土样置于冰箱中4 ℃保鲜保存，供测定土壤微生物量碳(SMBC)和土壤可溶性碳(DOC)；另一部分土壤自然风干后过100目土筛，用来测定土壤总有机碳(TOC)。用烘干法测定土壤含水量，采用重铬酸钾外加热法测定TOC[15]，去离子水浸提法测定DOC，氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定SMBC[16]。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2007进行初步分析并建立数据库；用SPSS 22.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 水碳调控对稻田土壤有机碳含量季节变化的影响

稻田土壤有机碳含量随季节的波动说明土壤中存在较为活跃的碳成分的转化。整个水稻生育期内，土壤有机碳含量在9.22～10.48 g/kg上下波动，变化范围不大(图1)。土壤有机碳含量在植物生长的初期和末期比较高，在生长中期较低，在乳熟期达到最低值。

图1 水碳调控下稻田土壤有机碳含量季节变化

不同肥料管理模式下，控制灌溉处理的水稻生育期内土壤有机碳平均含量为9.42 g/kg，较常规灌溉处理低1.09 g/kg。控制灌溉稻田土壤有机碳含量在分蘖期前变化不大，分蘖期后呈降低趋势，在乳熟期达到最低值8.67 g/kg。而常规灌溉稻田土壤有机碳在返青期一直不断增长，在拔节孕穗期达到最大值11.09 g/kg，随后在乳熟期不断减少，达到最低值9.77 g/kg。控制灌溉条件下，水稻种植前后的土壤有机碳呈现下降趋势，除分蘖期外控制灌溉的土壤有机碳含量均低于泡田期，平均减少0.52 g/kg。而常规灌溉处理呈现增长趋势，除乳熟期外，土壤有机碳含量均高于生育初值，增长幅度为1.13 g/kg。水稻各生长阶段，控制灌溉条件下土壤有机碳含量始终低于常规灌溉，且随水稻生长二者差别逐渐增大，因此控制灌溉处理促进了土壤有机碳的分解。不同灌溉模式下，施加秸秆的稻田土壤有机碳平均含量为10.99 g/kg，较常规肥处理高2.05 g/kg。秸秆还田处理的稻田土壤有机碳含量在分蘖后期均比生育初增加，施加常规肥的稻田则在分蘖期之后呈现减少状态，这是因为水稻在乳熟期灌浆需要大量有机物质。

不同水碳联合管理下，CF处理的土壤有机碳平均含量最低，仅为8.63 g/kg，较FF处理减少了0.61 g/kg，FS处理的土壤有机碳平均含量最高，为11.78 g/kg，较FF处理提高了10.4%。因此控制灌溉会加速土壤有机碳分解，而在控制灌溉基础上向稻田中施加秸秆则有利于土壤有机碳的积累。

2.2 水碳调控稻田土壤可溶性有机碳随季节变化规律

土壤可溶性有机碳是土壤碳库中非常活跃的有机组分，对生态环境具有重要的意义。水稻土壤可溶性有机碳含量在303.43～331.06 mg/kg的范围内波动，在水稻全生育期内的变化较大，总体呈下降趋势，平均降低了38.71 mg/kg(图2)。4种处理的水稻土壤可溶性有机碳在水稻生育初期平均从248.12 mg/kg不断增长到332.01 mg/kg，在返青期达到峰值后，在分蘖初期回落。拔节孕穗期土壤可溶性有机碳显著增加，达到生育期内的最大值605.74 mg/kg。乳熟期后，随着排水落干，土壤中的可溶性有机碳含量逐渐减少，在收获后达到最小值209.41 mg/kg。

图2 水碳调控下稻田土壤可溶性有机碳含量季节变化

不同肥料管理下，控制灌溉稻田土壤可溶性有机碳平均含量为315.62 mg/kg，比常规灌溉低6.24 mg/kg。分蘖期前，控制灌溉处理稻田的土壤可溶性有机碳含量高于常规灌溉处理，而在生育中后期常规灌溉条件下土壤可溶性有机碳含量高于控灌处理。不同水分管理条件下，施加秸秆处理的稻田土壤可溶性有机碳含量平均为320.24 mg/kg，略高于施加常规肥，常规肥处理的稻田土壤可溶性有机碳含量为317.25 mg/kg。在控灌条件下，CS和CF处理的土壤可溶性有机碳含量在分蘖和乳熟期差异较大，CS较CF处理分别高60.52和57.25 mg/kg。常规灌溉条件下，FS和FF处理间在分蘖拔节孕穗以及乳熟期差异较大，尤其在分蘖期，FS较FF处理高出88.92 mg/kg。

不同水碳联合管理下，稻田土壤可溶性有机碳平均含量FF>CS>FS>CF，水碳管理对其的影响存在交互作用。CS处理的稻田土壤可溶性有机碳含量平均为327.82 mg/kg，FF处理土壤中含有可溶性有机碳331.06 mg/kg，比CS处理略高一些。

2.3 水碳调控稻田土壤微生物量碳随季节变化规律

土壤微生物量碳含量能够敏锐地反映易变碳库量的变化。整个生育期内，不同处理稻田微生物量碳含量在166.66～226.71 mg/kg范围内波动，在稻季前后较低，在水稻生长的过程中含量较高(图3)。稻田中微生物量碳含量随水稻生长变化较大：从水稻移栽到返青期的过程中，不同处理下的土壤中微生物量碳含量平均从146.41 mg/kg缓慢增加到219.02 mg/kg，在分蘖期含量略微降低，为140.49 mg/kg，水稻拔节育穗期达到整个生育期的最大值360.68 mg/kg，随后逐渐减少，直到收获后达到最低值137.62 mg/kg。

图3 水碳调控下稻田土壤微生物量碳含量季节变化

不同施肥处理下，控制灌溉稻田的土壤微生物量碳为189.17 mg/kg，比常规灌溉条件下降低了16.02 mg/kg。水稻种植前后，控制灌溉处理的土壤微生物量碳整体表现为降低趋势，平均降低了22.55 mg/kg，常规灌溉表现为上升趋势，平均增长4.98 mg/kg。在水稻各个生育阶段，控制灌溉处理土壤微生物量碳含量始终低于常规灌溉。不同的灌溉模式下，施加秸秆处理土壤微生物量碳含量平均为219.20 mg/kg，比常规肥高25.1%。控制灌溉条件下，CS和CF处理的土壤微生物量碳含量在水稻拔节孕穗期差别尤其明显，CS比CF处理高38.9%。常规灌溉条件下，FS和FF处理间在分蘖、拔节孕穗、乳熟期差别较大，同样在拔节孕穗期差异达到最大，FS处理土壤微生物量碳含量比FF处理高80.56 mg/kg。

综合水分管理和秸秆还田对土壤微生物量碳的影响，CF处理土壤中微生物量碳含量最低，为166.65 mg/kg，较FF处理减少了17.01 mg/kg，FS处理的土壤微生物量碳平均含量最高，为226.71 mg/kg，较FF处理提高了15.3%。因此在控制灌溉条件下，施加秸秆有利于提高土壤中的微生物量碳含量。

2.4 稻田土壤活性有机碳与总有机碳的关系

虽然土壤活性有机碳在土壤总有机碳中所占的比重很小,但是与土壤生产力关系密切，对土壤养分的供应转化有着重要影响。分析土壤活性总有机碳与总有机碳之间的关系发现(图4)，稻田中土壤可溶性有机碳与土壤总有机碳线性表达式为y=15.144x+173.03(R2=0.536 2，n=12)，相关系数为0.732，土壤微生物量碳与土壤总有机碳线性关系为y=16.64x+20.226(R2=0.775 8，n=12)，相关系数为0.881，均表现为极显著正相关，可见土壤可溶性有机碳含量与土壤总有机碳之间存在着十分密切的联系。

图4 土壤活性有机碳与总有机碳的线性关系

3 讨 论

传统水稻栽培采用长期淹灌的水分管理模式。淹灌条件下，土层表面始终保持有水层，保温效果较好，土层温度较高[17]，有利于有机质的腐解过程释放更多的养分供植物吸收和利用，为土壤微生物活动提供充足的能量和碳源，增强各种微生物的活性[18]。但与此同时，连续的浸水为土壤微生物创造了一个厌氧条件，限制了土壤微生物的活性，从而降低了有机碳的分解速率[19]，并且缺氧的状态降低了土壤Eh，减缓了有机物的发酵过程[20]。控制灌溉在水稻大部分生育期内不建立水层，土壤水分处于饱和状态的时间较短，土壤干湿交替会刺激土壤碳矿化过程[21]，加速有机碳的分解。王楷等[22]的试验结果表明不同灌溉模式下土壤SOC含量之间的差异与施氮处理和生育期有关，但总体看来，干湿交替模式下的SOC含量高于“薄浅湿晒”模式和常规灌溉模式。本试验中，在水稻种植前后，控制灌溉条件下TOC、SMBC均呈下降趋势，而常规灌溉处理呈增长趋势。其中在水稻各生长阶段，控制灌溉条件下土壤TOC、SMBC含量也均低于常规灌溉处理。控制灌溉处理DOC有机碳平均含量为315.62 mg/kg，比常规灌溉处理低6.24 mg/kg。节水灌溉加速了土壤有机碳的分解，因此在推广过程中，需与碳管理技术如秸秆还田、有机肥施用等相结合，实现稻田水碳资源的可持续利用。

秸秆还田作为一种外源添加有机质的方式，有助于土壤有机碳的积累。有研究表明，无论耕作还是施肥处理，都需要有机物质的投入来提高土壤肥力和环境可持续性[23]。本研究中发现，秸秆还田增加了节水灌溉稻田土壤有机碳含量，稻田TOC、DOC、SMBC分别提高了12.8%、8.0%、27.0%。其中SMBC增加幅度较大，较淹水灌溉稻田施用秸秆效果明显，这可能与控制灌溉稻田的通气性良好有关。秸秆还田为微生物提供了丰富的碳源，配合适宜的土壤水热条件，可以促进微生物生长繁殖。因此需要土壤湿度保持在一定范围之内，湿度过大会导致土壤通气不良、厌气缺氧，使土壤菌类的生长发育受到抑制[24]。

本试验中，DOC与TOC，SMBC与TOC之间均存在极显著相关关系，与前人的结论一致[25,26]。土壤中DOC和MBC的大小首先决定于土壤中的有机质含量，其次，才受土壤水热条件、土壤质地、pH等环境因素的影响[27]。环境适宜的情况下，微生物快速生长繁殖，土壤MBC含量较高，促进有机质分解过程。DOC作为土壤中分子较小的有机碳水化合物首先被分解，同时为微生物活动提供能量来源[28]，维持土壤肥力。

4 结 语

(1)不同肥料管理模式下，控制灌溉稻田土壤平均TOC、DOC、SMBC较常规灌溉处理均有所降低。控制灌溉处理的TOC、SMBC在水稻各个生育阶段始终低于常规灌溉。水稻种植前后，控制灌溉处理的土壤TOC、SMBC整体表现为降低趋势，常规灌溉表现为增长趋势。不同水分管理模式下，施加秸秆的稻田土壤平均TOC、DOC、SMBC较常规肥处理高。分蘖期后，秸秆还田的稻田TOC较生育期初呈增长状态，常规肥处理稻田呈减少状态。两种施肥处理下的土壤DOC在分蘖期差异较大，SMBC在水稻拔节孕穗期差别明显。

(2)控制灌溉与施用秸秆联合管理(CS)和采用常规灌溉、施用常规肥(FF)处理稻田相比，TOC、SMBC分别提高了10.4%和15.3%，DOC含量区别不大。控制灌溉会降低土壤TOC、SMBC，但在控制灌溉基础上向稻田中施加秸秆有利于提高土壤TOC、SMBC含量。

(3)稻田土壤可溶性有机碳与土壤总有机碳之间存在极显著正相关关系，相关系数为0.732，土壤微生物量碳与土壤总有机碳之间同样存在极显著正相关关系，相关系数为0.881。