绿肥压青对粉垄稻田土壤微生物量碳和有机碳累积矿化量的影响*

2021-04-15郑佳舜胡钧铭韦翔华韦燕燕苏世鸣李婷婷俞月凤张俊辉

中国生态农业学报(中英文) 2021年4期

郑佳舜, 胡钧铭, 韦翔华, 韦燕燕, 苏世鸣, 李婷婷, 夏旭,俞月凤, 张俊辉

郑佳舜1,2, 胡钧铭1**, 韦翔华2, 韦燕燕2, 苏世鸣3, 李婷婷1, 夏旭3,俞月凤1, 张俊辉1

(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. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京 100081)

绿肥压青还田是调控现代集约化稻田土壤逆境的重要手段, 为评估绿肥压青下粉垄耕作对稻田土壤微生物量碳和土壤有机碳累积矿化量的影响, 设置早稻粉垄耕作与常规耕作2种耕作模式, 不施肥和同等肥力条件下施化肥、单倍绿肥配施化肥和双倍绿肥配施化肥4种施肥处理, 晚稻免耕常规施用化肥, 开展双季稻周年大田应用试验。结果表明: 单倍绿肥压青下, 粉垄耕作能提高稻田土壤微生物量碳含量, 可达常规耕作的2倍, 能有效增加微生物对土壤碳素的利用率。增加绿肥压青量会提高粉垄耕作稻田土壤有机碳累积矿化量和矿化潜力, 与施用化肥相比, 单倍绿肥压青下早晚稻分别增加1.6%~32.8%和0.6%~16.6%, 双倍绿肥压青下分别增加58.6%~70.9%和29.6%~38.4%。粉垄单倍绿肥压青会降低免耕晚稻齐穗期、收获期土壤呼吸强度, 较常规耕作分别降低33.4%和38.7%, 较粉垄耕作其他处理降低8.5%~31.4%。单倍绿肥压青下粉垄稻田土壤代谢商较常规耕作累积降低65.5%, 与常耕相比, 粉垄双倍绿肥压青和粉垄单一化肥的土壤代谢商分别累积增加20.3%和159.2%,粉垄双倍绿肥压青可有效缓解土壤代谢商的提升。微生物量碳含量与有机碳矿化激发效应呈负相关, 绿肥压青还田下相关系数达0.44; 累积矿化量和代谢商呈极显著正相关, 粉垄耕作下相关系数达0.59。可见, 绿肥粉垄耦合的模式可作为一种增加稻田土壤微生物量碳含量、减少部分生育时期土壤呼吸强度, 增强土壤碳库稳定性及碳固持的重要调控技术措施。

粉垄; 绿肥压青; 稻田土壤; 微生物量碳; 有机碳矿化

现代集约化农业过分依赖化肥投入, 不利于土壤与作物间养分供给平衡, 导致土壤酸化板结问题越发严重[1]。绿肥和秸秆还田是农田土壤调控的重要手段[2],而南方山区受还田机械、运输、腐解诸多因素限制, 导致秸秆还田利用率低于北方[3]。南方温、热资源丰富, 空闲田多, 适宜发展绿肥生产[4], 作为传统农业的精华, 绿肥易于还田和腐解改良土壤[5-6]。在国家化肥减量背景下, 转变农业发展方式成为新时期农业绿色发展的重要手段。绿肥种植及还田已成为当前的研究热点, 在南方两熟或3熟耕作区具有调节茬口、培肥改良土壤的重要作用, 对驱动土壤碳库周转、改善土壤碳封存有积极意义[7-8]。

土壤微生物量碳参与有机质的分解和腐殖质的形成, 对土壤养分转化和循环起到举足轻重的作用[9]。秸秆还田能为土壤微生物提供大量可利用的营养物质, 有利于土壤微生物加快生长繁殖, 有助于土壤微生物量碳含量提高[10]。土壤中微生物有助于激发有机质的活性功能, 实现有机资源的有效利用[11], 其中土壤代谢商用以评估土壤微生物呼吸速率与微生物生物量变化, 当代谢商呈下降趋势, 意味着维持相同微生物生物量所需的能量越少, 微生物呼吸消耗的碳比例较小, 形成微生物细胞的碳比例相对较大, 碳源的利用效率高[12]。而土壤微生物商则是土壤微生物对有机碳利用效率的综合反映[13]。研究认为, 与施用化肥相比, 紫云英(L.)还田后配施氮肥能够显著增加稻田土壤微生物量碳[14-15], 且比单施紫云英的效果好[16]; 高嵩涓等[17]研究认为冬绿肥紫云英还田处理土壤微生物量碳、微生物商显著高于冬闲田。Zimmerman等[11]则认为绿肥的投入在影响土壤微生物分解的同时也降低了土壤代谢商。土壤有机碳的矿化过程关系到土壤呼吸潜力、CO2气体的排放及土壤有机碳库存, 是微生物利用和降解土壤有机质的物化过程之一[18]。稻田土壤呼吸向大气传输CO2影响陆地生态系统碳循环[19]。王成己等[20]研究发现, 常年翻耕的农田能迅速分解有机物料中的土壤微生物, 加快了土壤呼吸强度。而稻田垄作免耕保护性耕作有助于提高土壤有机碳矿化量和矿化强度[21], 结合有机物料稻草秸秆还田则有助于增加土壤有机碳日矿化量和累积矿化量[22]。有机物料菌渣配施化肥促进土壤原有机质分解, 能大幅增加稻田土壤高活性有机碳和潜在可矿化有机碳含量[23]。稻田添加有机物料生物炭后促进水稻生育前期土壤有机碳矿化, 但后期则产生抑制作用[24]。因此, 农田中有机资源的投入对土壤微生物量碳、有机碳矿化强度易于产生比较优势。

旋耕有助于提高土壤养分的供给能力[25]。旋耕秸秆还田增加了土壤呼吸速率, 而免耕减弱土壤呼吸[26]。然而, 我国当前少有适应大范围推行的新型耕作技术体系, 系统的耕作技术仍然缺乏[27]。粉垄耕作是近年来发展起来的一种新型农田深旋耕技术[28], 采用螺旋型钻头刀片横向切割土壤, 可实现绿肥、秸秆同步还田, 对土壤培育、土壤环境调控具有重要意义。课题组前期研究发现, 绿肥压青下粉垄耕作对早稻(L.)田有一定的CO2减排作用[29], 但绿肥压青对粉垄稻田土壤微生物量碳和有机碳矿化特征的影响有待深入研究。本文在早稻绿肥压青下粉垄耕作和晚稻常规施用化肥免耕的周年水稻种植下, 结合土壤微生物商和代谢商, 拟合一阶动力学方程, 利用矿化激发效应和呼吸强度, 探讨了绿肥压青下粉垄稻田土壤微生物量碳和土壤有机碳累积矿化量(以下简称“矿化量碳”)特征, 为评估绿肥压青下粉垄耕作对稻田土壤微生物量碳及土壤碳库环境的稳定性提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2016—2018年在广西农业科学院定位试验基地开展绿肥压青还田下粉垄耕作水稻试验。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。试验土壤为黏性红壤水稻土。试验土壤pH 6.6, 全氮1.80 g∙kg–1, 全磷0.92 g∙kg–1, 全钾7.43 g∙kg–1, 有效磷37.90 mg∙kg–1, 有机质24.50 g∙kg–1, 水解性氮131.00 mg∙kg–1, 速效钾97.80 mg∙kg–1。

1.2 试验设计

早稻田间试验为粉垄耕作与常规耕作2种耕作模式, 4种施肥方式, 共8个处理, 每个处理3次重复, 小区面积46 m2。早稻以不施肥为空白对照, 以N 240 kg∙hm–2(N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶1)为常规施用化肥参考标准, 在同等养分条件下, 早稻大田各处理情况如表1所示。水稻秸秆移除, 还田绿肥为新鲜紫云英秸秆(干基养分为2.7% N、0.65% P2O5、2.5% K2O), 在早稻移栽前一周, 按紫云英鲜重还田量, 均匀覆盖于稻田, 同步粉垄耕作和常规耕作压青还田, 并配施化肥, 达到各小区养分平衡。化肥施用包括尿素(46% N)、过磷酸钙(15% P2O5)、氯化钾(62.7% K2O)和复合肥(14.64% N-14.92% P2O5-15.08% K2O), 晚稻均为常规施用100%化肥实行免耕。

1.3 土壤样品的采集与测定

1.3.1 土壤样品的采集

在2018年双季稻分蘖期、孕穗期、齐穗期和收获期用“S”形取样法采集0~15 cm耕层土壤样品, 早稻分别在移栽后20 d、40 d、60 d和90 d进行, 晚稻分别在移栽后23 d、50 d、70 d和80 d进行。土壤采集后一部分研磨鲜土放置冰箱冷藏保存, 另一部分风干研磨干土。

表1 不同处理的早稻施肥方式、肥料类型及用量

1.3.2 微生物量碳的测定及其相关指标的计算

土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定。土壤微生物商为微生物量碳含量与土壤有机碳的比值, 以百分比表示。早晚稻各关键期土壤总有机碳含量采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定[30]。

1.3.3 可矿化有机碳的测定及其相关指标的计算

土壤有机碳矿化过程采用室内恒温培养-碱液吸收法测定, 鲜土培养温度为(25±1) °C, 土壤水分保持为田间持水量的70%, 培养周期32 d, 分别于第1 d、2 d、3 d、4 d、6 d、8 d、10 d、13 d、16 d、20 d、24 d、28 d和32 d取出, 每个土壤3个平行样品, 加入2 mL 1 mol∙L–1BaCl2固定CO2后用2 mol∙L–1HCl滴定, 用以计算土壤CO2释放量和培养期间CO2累积释放量, 计算公式如下[31]:

1)培养期间CO2释放量:

式中: MC为培养期间土壤有机碳的矿化释放量, 以每千克干土所释放的CO2来表示(mg∙kg–1);0为空白标定时所消耗的盐酸体积(mL);为标定样品时消耗的HCl体积(mL);HCl为标准盐酸浓度(mol∙L–1);为试用土样质量(g);%为土壤含水率。

2)土壤有机碳矿化一阶动力学方程

C=0(1−e−kt) (2)

实验以室内培养的第1 d和第2 d有机碳矿化量均值作为土壤呼吸强度[32]。代谢商为呼吸强度与微生物生物量碳的比值[8]。

3)有机碳矿化激发效应[33]

式中: PE为有机碳矿化激发效应,1为添加绿肥后土壤有机碳矿化的CO2量,0为未添加绿肥的土壤有机碳矿化的CO2量。

1.4 数据分析

试验数据采用SPSS Statistics 19分析: 用Duncan’s法进行多重比较, 不同处理间的差异显著性采用LSD法检验; 用Pearson法分析土壤微生物量碳和矿化量碳各项指标间的相关性系数; 用双因素方差分析法进行显著性检验, 并分析有无绿肥处理、耕作方式及其两者间的交互效应。Microsoft Excel 2010制图。

2 结果与分析

2.1 绿肥压青下粉垄稻田土壤微生物量碳的特征

2.1.1 土壤微生物量碳含量

如图1所示, 同种施肥方式下与常规耕作相比, 粉垄耕作能较有效地提高多数时期土壤微生物量碳含量, FN1较CN1早、晚稻分别提高5.7%~22.3%和30.4%~99.1%, 但早稻齐穗期降低12.5%。FN2较CN2在早晚稻分蘖期降低31.9%~36.4%, 孕穗期和齐穗期分别增加54.5%~59.0%和62.1%~108.6%, 增加值高于N1施肥处理。FN0较CN0土壤微生物量碳增加量低于N1处理。粉垄耕作下, 早晚稻各生育期FN1处理高于其他施肥处理, 且在双季稻孕穗期、齐穗期、收获期差异显著。4个生育期中, 与FN0和FN2相比, FN1在分蘖期增加较少, 收获期增加较多。在双季稻分蘖期、收获期中FN0>FN2, 孕穗期、齐穗期中FN2>FN0。

各处理的含义见表1。不同小写字母表示同一生育期不同处理间差异显著(0.05)。Meaning of each treatment is shown in the table 1. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at the same growth stage at<0.05 level.

2.1.2 土壤微生物商

如图2所示, 同种施肥方式下, 与常规耕作相比, 粉垄耕作增加了各生育期土壤微生物商, FN较CN增加32.7%~221.7%, FN0较CN0增加29.1%~154.4%, FN1较CN1增加0.5%~138.4%, FN2较CN2在早晚稻分蘖期分别降低21.3%和15.7%, 且在收获期提高最少, 齐穗期最多。因此, 单倍绿肥的转化能增加土壤微生物商含量。大多时期, 粉垄或常规耕作下单倍绿肥配施化肥(N1)的土壤微生物商显著高于其他施肥处理, 但在早晚稻分蘖期低于单一施用化肥处理(N0)。FN1分别较为FN、FN0、FN2增加5.5%~142.4%、55.6%~113.7%和25.3%~299.4%, 在收获期增加量最多, 且早稻高于晚稻。

2.2 绿肥压青下粉垄稻田土壤有机碳的矿化特征

2.2.1 土壤有机碳矿化特征参数

水稻收获期, 稻田土壤有机碳矿化与培养天数之间的动态变化用一阶动力学方程进行拟合(表2), 拟合度均达0.98以上。与常规耕作相比, 粉垄耕作降低了双季稻矿化量碳(C)、土壤有机碳矿化潜力(0)和有机碳矿化速率常数(), 但绿肥的投入增加了粉垄耕作、常规耕作稻田土壤C、0和。在粉垄耕作中, FN1土壤C和0较FN在早稻收获期分别增加9.2%和5.3%, 在晚稻收获期分别增加4.2%和1.7%, FN2土壤C和0较FN在早稻收获期分别增加30.5%和17.1%, 在晚稻收获期分别增加75.0%和40.0%, FN0土壤C和0较FN在早稻收获期分别减少17.7%和9.6%, 在晚稻收获期分别增加2.4%和1.1%。说明绿肥对稻田土壤C和0有提升作用, 粉垄耕作对稻田土壤有机碳矿化速率有降低作用, 绿肥有机资源的转化对有机碳矿化速率有增加作用。

2.2.2 土壤有机碳累积矿化量(矿化量碳)

如图3所示, 水稻齐穗期的矿化量碳较低。与常规耕作相比, 粉垄耕作会降低绝大多数关键期的有机碳累积矿化量, 早稻降低较少, 晚稻降低较多, 达6.9%~53.4%, 而仅在早稻分蘖期FN0较CN0增加44.1%, 孕穗期FN2较CN2增加19.0%。常规耕作下随着绿肥的投入, 有机碳累积矿化量特征较不规律。绿肥压青增加了粉垄稻田土壤的累积矿化量, FN1较FN0增加1.1%~33.4%, 但在晚稻孕穗期降低0.1%, FN2较FN0增加2.7%~70.3%, 但在晚稻齐穗期降低15.2%。除了早稻分蘖期和晚稻齐穗期, 随绿肥的增加, 粉垄稻田土壤累积矿化量逐渐增加。可见, 绿肥压青是增加粉垄稻田矿化量碳的主要手段。

表2 不同处理下早晚稻收获期培养32 d土壤有机碳累积矿化一阶动力学方程参数

各处理的含义见表1。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)。**和*分别表示一阶动力学方程达极显著(0.01)和显著水平(0.05)。Meaning of each treatment is shown in the table 1. Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different at<0.05 level. ** and * mean significant of the first-order kinetic function at<0.01 level and<0.05 level, respectively.

各处理的含义见表1。Meaning of each treatment is shown in the table 1.

2.2.3 土壤呼吸强度

土壤呼吸是农田碳库向大气排放CO2输出的重要途径。如图4所示, 在相同施肥方式下, 粉垄耕作土壤呼吸强度在早稻多数时期中高于常规耕作, 但晚稻免耕中恰好相反。单一施用化肥后(N0), 稻田土壤在早稻前3个关键期中FN0>CN0, 其他时期均有CN>FN。绿肥配施化肥条件下土壤呼吸强度所呈趋势较为一致, 仅在早稻收获期中有不同表现: CN1>FN1, FN2>CN2。绿肥增加有助于提高土壤呼吸强度, 粉垄耕作中, 早稻孕穗期FN1最高, 而孕穗期表现为FN0>FN1>FN2, 晚稻齐穗期、收获期FN0>FN1。可见, 粉垄耕作下单倍绿肥转化对晚稻免耕下齐穗期、收获期土壤呼吸强度有一定的降低作用。

各处理的含义见表1。Meaning of each treatment is shown in the table 1.

2.2.4 土壤有机碳矿化激发效应

粉垄耕作下双季稻田耕层土壤有机碳矿化的激发效应在较多生育关键期低于常规耕作, 粉垄耕作稻田土壤有机碳矿化激发效应波动降低, 且随绿肥的增加而逐渐增加(图5)。早稻齐穗期稻田土壤在N0、N1的施肥处理下表现为负激发效应, FN0>FN1>CN1>CN0, 在N2施肥处理中表现为正激发效应, 表现为CN2>FN2。早稻收获期土壤在绿肥配施下(N1、N2)表现为正激发效应。晚稻土壤有机碳矿化激发效应在粉垄耕作背景下表现为抑制作用, 在晚稻分蘖期、孕穗期、收获期, 随绿肥的增多, 抑制强度逐渐减弱, 而齐穗期FN1的抑制减弱效果小于FN2, FN2较FN0增加35.5%, 但FN1较FN0降低7.8%。在粉垄耕作下, 晚稻分蘖期、孕穗期的土壤负激发效应高于常规耕作的负激发效应或正激发效应(即粉垄耕作的绝对值始终高于常规耕作),但FN1在晚稻齐穗期和孕穗期较低, FN2在收获期表现较低。

图5 不同处理双季稻各生育期土壤有机碳矿化激发效应

各处理的含义见表1。Meaning of each treatment is shown in the table 1.

2.2.5 土壤代谢商

如图6所示, 同种耕作方式下土壤代谢商表现为N1

2.3 耕作和施肥方式对稻田土壤微生物量碳和有机碳累积矿化量(矿化量碳)的影响

耕作方式和施肥方式之间的交互作用较小(表3), 而耕作方式对土壤微生物商、有机碳累积矿化量和有机碳矿化激发效应的影响极显著。施肥方式对土壤有机碳矿化激发潜力产生显著影响, 对微生物量碳有极显著影响。

表3 耕作、施肥方式对双季稻田土壤微生物量碳、有机碳累积矿化量及其相关指标影响的双因素方差分析

MBC表示微生物量碳, MC表示有机碳累积矿化量,CO2表示代谢商, MQ表示微生物商, RI表示呼吸强度, PE表示有机碳矿化激发效应。*和**分别表示影响达<0.05和<0.01水平。MBC is microbial biomass carbon, MC is cumulative mineralization of organic carbon,CO2is metabolic quotient, MQ is microbial quotient, RI is respiration rate, PE is priming effect of organic carbon mineralization. * and ** indicate significant effects at<0.05 and<0.01 levels, respectively.

2.4 稻田土壤微生物量碳与有机碳累积矿化量(矿化量碳)的相关性

如表4所示, 稻田土壤微生物量碳与土壤代谢商呈极显著负相关, 与土壤矿化激发效应呈负相关, 与土壤微生物商呈极显著正相关, 投入绿肥增加了它们的相关系数, 但粉垄耕作却降低了它们的相关系数。粉垄稻田土壤微生物量碳与土壤呼吸强度呈正相关, 但在常规耕作中二者却呈负相关。投入绿肥或粉垄耕作下, 土壤矿化量碳与土壤代谢商、土壤呼吸强度、土壤矿化激发效应都呈极显著正相关: 绿肥的投入增加了土壤矿化量碳与土壤代谢商、呼吸强度的相关系数, 但降低了与土壤矿化激发效应相关系数。与常规耕作相比, 粉垄耕作增加了稻田土壤矿化量碳与土壤代谢商、土壤呼吸强度、土壤矿化激发效应的相关系数。土壤矿化量碳与土壤微生物商呈负相关, 当施用绿肥时相关系数较大。

表4 绿肥还田和不同耕作方式下双季稻田土壤微生物量碳和有机碳累积矿化量与各指标的相关性

CO2表示代谢商, MQ表示微生物商, RI表示呼吸强度, PE表示有机碳矿化激发效应。*和**分别表示相关性达<0.05和<0.01水平。CO2is metabolic quotient, MQ is microbial quotient, RI is respiration rate, PE is priming effect of organic carbon mineralization. * and ** indicate significant correlations at<0.05 and<0.01 levels, respectively.

3 讨论

本研究表明, 单倍绿肥压青与粉垄耕作能有效提高稻田土壤微生物量碳, 增加水稻孕穗期、齐穗期、收获期土壤微生物对有机碳利用效率。吴立鹏等[34]通过对水稻单倍秸秆还田(4500 kg∙hm–2)和双倍秸秆还田(9000 kg∙hm–2)的研究发现, 单倍秸秆还田的土壤微生物量碳含量较高, 这与本研究的结论相似: 单倍绿肥压青下的水稻微生物量碳高于双倍绿肥。不同的是, 在吴立鹏等[34]的研究中, 水稻秸秆还田的土壤微生物量碳含量与不还田土壤相比增长最高为1.2倍, 而本研究中增长高至2倍, 这与有机资源养分和还田量有关, 水稻秸秆干基养分普遍以0.83% N、0.27% P2O5、2.06% K2O计[3], 而本研究中的有机资源绿肥干基养分为2.7% N、0.65% P2O5、2.5% K2O。合理的耕作方式有利于提高土壤生化反应的进行, 孔凡磊等[35]研究发现, 旋耕土壤微生物量碳低于翻耕, 土壤微生物生物量随外源碳输入量提高而上升[36]。而本研究中, 单倍绿肥配施下粉垄深旋耕却提高了稻田土壤微生物量碳, 这是绿肥压青的效果。有机物料转化是提高土壤微生物量及其对养分固持能力的主要途径[35]。粉垄耕作疏松土壤, 为土壤微生物提供空气, 而新鲜绿肥经过机械粉碎或翻耕还田为土壤微生物提供了大量有机质, 保证了微生物的生长需求。当投入更多绿肥, 腐解过程中会产生较多有机酸, 反而不利于土壤微生物活性。土壤微生物商变化一般为1.00%~4.00%[37]。杨曾平等[38]研究发现南方红壤土在冬种绿肥耕作下土壤微生物商介于3.67%~4.55%, 而高嵩涓等[17]研究发现冬种紫云英、黑麦草(L.)翻压后稻田土壤微生物商值均大于4.00%。本研究中FN1处理下微生物商均值为2.14%, 与其他施肥处理相比最高, 与其他学者的研究相比偏低, 这可能与红壤稻区土地管理方式、绿肥压青量的不同有关。

绿肥压青量增加能提高粉垄耕作稻田土壤累积矿化量, 提升土壤潜在可矿化有机碳及矿化速率, 增加早稻土壤呼吸强度。有机碳累积矿化量和有机碳矿化潜力的增加有利于土壤有机碳的固持[39]。有机资源投入产生的有机质参与土壤矿化和腐殖化过程, 增加了土壤呼吸强度[40-42], 也增加对土壤矿化速率和累积矿化量[40,43], 与本研究结果较为一致。随着免耕时间的增加, 土壤稳定性有机碳逐渐累积[44], 这与本文常规耕作下所有施肥处理研究结果一致, 但是粉垄耕作中仅与单一施用化肥和双倍绿肥转化下较为一致。双倍绿肥压青下缓解了单一化肥所增加的粉垄耕作稻田土壤代谢商, 有利于稻田土壤有机碳的潜在固定。这是因为增加有机资源的同时为植物生长提供了充足的矿物质养分[45]。本研究中粉垄耕作会降低稻田土壤有机碳的矿化程度, 分析其原因: 一是土壤有机碳及活性有机碳含量随土层的加深而降低[46-47], 而粉垄耕作将地下土层旋耕至上层土壤, 稻田土壤淋溶作用使可溶性有机碳下移, 导致无法抵消下层土壤向耕层土壤上移矿化有机碳; 其二, 相比传统耕作, 深层土壤中作物的根系密度分布沿土层深度发生变化, 即深层土壤中根系密度小, 浅层土壤根系密度大[48], 根系密度分布影响了有机质向深层土壤的运输。有机碳矿化速率能直观体现土壤有机碳的相对稳定性和土壤的固碳能力[49], 有机碳矿化速率越大, 代表土壤有机碳活性较高, 有机质的分解越快[50], 矿化速率越低, 说明土壤有机碳较稳定, 固碳能力越高[51]。因此, 辩证地看待粉垄降低矿化速率而提高碳固持、绿肥压青加速土壤有机碳活性而促进有机碳矿化分解, 具有一定的探索价值。有研究发现, 激发效应随碳的投入呈现非线性增长[52], 但也有研究认为碳输入量与激发效应存在线性的正相关关系[53-54]。本研究中, 有机碳矿化激发效应的抑制强度随绿肥的增多而逐渐降低。本研究中, 水稻在早稻生育后期和晚稻生育前期土壤呼吸强度降低, 可能受到南方高温多雨气候影响, 早晚稻在6—9月份光合作用和呼吸作用增强, 提高了水稻CO2固定量的同时也提高了作物根活力和土壤微生物活性[55], 促进了土壤有机质矿化变化和土壤呼吸量的稳定释放[36]。本研究中, 单倍绿肥压青下粉垄耕作降低了晚稻免耕齐穗期、收获期土壤呼吸强度, 使得有机和无机配施在晚稻免耕后延条件下, 土壤微生物量及其活性得到有效提高和利用[56], 有利于降低稻田土壤CO2的排放。

土壤矿化量碳、有机碳矿化激发效应和土壤微生物商的主要作用力来自耕作方式。粉垄耕作对土壤呼吸关联较大, 相比常规耕作增加了矿化量碳与代谢商、微生物商、呼吸强度的相关性。张志毅等[57]通过秸秆还田的研究发现, 土壤水稳性大团聚体、土壤活性有机碳主要受到土壤耕作和有机物的交互作用, 而有机资源的酸水解有机碳主要源于耕作作用。本研究中有机物料与其不同, 耕作和施肥方式无交互作用, 但因耕作是影响土壤结构的直接手段, 而绿肥在自然状态下易于腐解[6], 调节土壤微生物利用, 增加土壤碳组分的稳定性[58], 若有机资源在短时间内无法腐解成为土壤有机碳, 不仅易带来耕作障碍, 还会导致有机酸积累危害作物根系。粉垄耕作上旋下犁, 增加土层厚度, 能促使土壤有机资源通过发酵分解达到合理化利用, 因此有机资源的腐解过程受到耕作的影响。土壤微生物量碳、有机碳矿化激发潜力的主要作用力来自于施肥方式。土壤微生物受外源有机物料输入类型较为敏感[54], 绿肥紫云英粉垄还田后, 比常规秸秆还田更能快速地形成供土壤微生物利用的土壤有效有机质, 并矿化释放矿质养分, 促进土壤腐殖质降解和再生, 利于土壤团粒结构形成和培肥土壤[50], 因此, 绿肥压青对碳源养分性指标关联较大。绿肥压青增加了微生物量碳与代谢商、微生物商、矿化激发效应的相关性。叶协锋等[36]发现, 矿化激发效应随微生物生物量线性增长, 但本研究中却呈负相关, 可能与土地利用类型和有机资源的种类有关。

4 结论

粉垄耕作促进了稻田土壤有机碳矿化量与各结构指标相关性, 且降低晚稻有机碳矿化激发效率。而绿肥压青量与粉垄稻田潜在可矿化有机碳、矿化速率、早稻土壤呼吸强度呈正相关, 且能提升微生物量碳与碳的养分指标相关性。单倍绿肥压青粉垄稻田能有效增加土壤微生物量碳, 提高微生物对有机碳的利用率, 同时降低晚稻免耕齐穗期、收获期土壤呼吸强度。从双季水稻稻田温室气体排放及土壤有机碳的潜在影响综合角度看, 绿肥粉垄耦合是一种有助于推进双季稻田土壤有机碳的稳效利用的优化模式。

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Effects of green manure returning on soil microbial biomass carbon and mineralization of organic carbon in smash ridging paddy field*

ZHENG Jiashun1,2, HU Junming1**, WEI Xianghua2, WEI Yanyan2, SU Shiming3, LI Tingting1, XIA Xu3, YU Yuefeng1, ZHANG Junhui1

(1. Agricultural Resource and Environment Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China; 2. Agricultural College, Guangxi University, Nanning 530004, China; 3. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

Returning green manure is an important method for controlling soil adversity in modern intensive paddy fields. To evaluate the influence of smash ridging under green manure returning on soil microbial biomass carbon and carbon mineralization in paddy fields, annual field application tests of double-cropping rice were conducted with two tillage modes in early rice (smash ridging and conventional tillage), four fertilization treatments (no fertilizer, and under the same fertility conditions applying chemical fertilizer, single green manure with chemical fertilizer, and double green manure with chemical fertilizer), and chemical fertilizer application to late rice for no-tillage. The results showed that the content of soil microbial biomass carbon under single green manure returning to paddy fields can be up to two times higher than that of conventional tillage, which can effectively increase the utilization rate of soil carbon by microbes. An increase in the amount of green manure increased the soil organic carbon mineralization and mineralization potential in the smash ridging paddy field. Compared with chemical fertilizer application, thecumulative mineralization of soil organic carbon and mineralization potential of early and late rice increased by 1.6%–32.8% and 0.6%–16.6%, respectively, under single green manure returning, and 58.6%–70.9% and 29.6%–38.4%, respectively, under double green manure returning. Soil respiration intensity of late rice during no-tillage at the full heading and harvest stages was reduced by 33.4% and 38.7%, respectively, compared with conventional tillage; and reduced by 8.5%–31.4% compared with the other smash ridging treatments. The metabolic quotient in rice soil with smash ridging under single green manure returning decreased by 65.5% compared with conventional tillage. Compared with conventional tillage, smash ridging under double green manure returning and under chemical fertilizer increased by 20.3% and 159.2%, respectively; smash ridging under double green manure returning can effectively alleviate the increase in the soil metabolic quotient. There was a negative correlation between the content of microbial biomass carbon and the priming effect of organic carbon mineralization, with a correlation coefficient of 0.44 under green manure returing. There was a significant positive correlation between cumulative mineralization and the metabolic quotient, with a correlation coefficient of 0.59 under smash ridging. In conclusion, a combination of green manure returning and smash ridging can increase the content of soil microbial biomass carbon in paddy soil, reduces soil respiration intensity during the growth stages, and serves as an important technical measure for the regulation and control of soil stability and carbon fixation.

Smash ridging; Green manure returning; Paddy field soil; Microbial biomass carbon; Organic carbon mineralization

10.13930/j.cnki.cjea.200428

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S151.9

* 国家自然科学基金项目(41661074)、广西“新世纪十百千人才工程”专项资金项目(2018221)、广西创新驱动重大专项(桂科AA17204078-2)和广西农业科学院创新团队项目(桂农科2018YT08, 桂农科2021YT040)资助

胡钧铭, 主要研究方向为农业有机资源利用与生境调控及逆境生态。E-mail: jmhu06@126.com

郑佳舜, 主要研究方向为土壤环境生态。E-mail: ashunz08@163.com

2020-06-06

2020-08-13

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41661074), the Talent Project of New Century Ten-Hundred-Thousand of Guangxi (2018221), the Key Innovation Program of Guangxi Driven Project (Guike AA17204078-2) and the Innovation Team Project of Guangxi Academy of Agricultural Sciences (Guinongke 2018YT08, Guinongke2021YT040).

, E-mail: jmhu06@126.com

Jun. 6, 2020;

Aug. 13, 2020