有机肥施用对节水灌溉稻田土壤有机碳及其活性组分的影响

2021-05-31张淑娜林秀颜杨士红龚水明王乙江

中国农村水利水电 2021年5期

张淑娜，林秀颜，陈曦，杨士红，龚水明，王乙江

（1.河海大学农业科学与工程学院，江苏南京210098；2.昆山市水利水务工程质量与安全监督站，江苏苏州215300）

土壤有机碳作为评价土壤质量的一个重要指标，其动态平衡直接影响着土壤肥力和作物产量［1］。另外，土壤碳固持与排放也显著影响着大气温室气体的含量和全球气候的变化［2］。而土壤活性有机碳作为土壤有机碳中较为活跃的化学成分，是土壤有机碳动态变化的敏感指标［3］。因此，研究土壤有机碳及其活性组分变化，可为土壤可持续利用提供科学依据。

我国自古就有施用有机肥更新地力的传统［4］。有机肥作为一种传统肥料，具有养分全面、肥效持久、成本低等特点。有机肥中含有有机质、氮、磷、钾等多种养分［5］。相对于化肥而言，有机肥的应用能够使土壤理化性质得到更大改善，使土壤微生物活性得到有效提高，使土壤养分能够维持基本平衡［6］。水稻作为我国主要粮食作物，有机肥施用对稻田土壤有机碳影响已有较多研究。崔新卫［7］等人通过对红壤土稻田施用有机肥和化肥的不同组合，经过长期定位试验发现施用有机肥可以提高红壤稻田土的总有机碳及溶解性有机碳含量，而化学氮、磷、钾肥和有机肥平衡配施较单施有机肥效果更加。这与董春华［8］等人的研究结果相似。另有研究表明，施用有机肥的稻田土壤碳氮比高于单施化肥，而土壤碳氮比越高，土壤的固碳能力越强［9］。

已有研究主要针对有机肥施用对淹水灌溉稻田土壤有机碳及其组分的影响。随着各种水稻节水灌溉技术的大面积推广应用，其干湿交替过程势必会影响稻田土壤有机碳及其组分的转化，相关研究较少。因此，本研究基于田间试验，将节水灌溉与有机肥施用相结合，探究稻田土壤有机碳、土壤可溶性碳、土壤微生物碳对节水灌溉与有机肥施用相结合的响应，旨在为稻田水碳资源可持续利用提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在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市水利技术排灌实验基地（34°15′21″N，121°05′22″E），该地属亚热带南部季风气候区，年降雨量1 097.1 mm，平均无霜期234 d，年平均气温15.5 ℃，年蒸发量1 365.9 mm，日照时数2 085.9 h。主要种植模式为稻麦轮作，试验土为潴育型黄泥土，试验地耕层土壤为重壤土，土壤基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质Tab.1 The basic physical and chemical properties of soil

1.2 试验设计

试验设计两种灌溉处理，常规灌溉（FI）与控制灌溉（CI），两种施肥管理，常规施肥（FM）与有机肥管理（MM），共4 个处理（分别为FF、FM、CF 与CM），每个处理设3 次重复，共计12 个小区，每个小区面积为21 m2（3 m×7 m）。

本试验水稻品种为南粳46，全生育期120 d左右。6月下旬插秧，10月下旬收获。施肥量和施肥时间参照当地农民习惯统一进行。在水稻整个生育期内，通过无机肥投入的N、P2O5、K2O含量分别为268.35、54、76.50 kg/hm2。有机肥处理在水稻移栽前做基肥一次性施用，有机肥管理在无机肥处理的基础上增施商品有机肥7 500 kg/hm2［石家庄冀田生物科技有限公司，有效量：W（N+P2O5+K2O）≥5%，W（有机质）≥45%］。控制灌溉处理在返青期田面保留10～30 mm 薄水层。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以外，其余各生育阶段田间均保留薄水层，黄熟期自然落干。

1.3 样品采集

在水稻典型生育期（泡田期、返青期、分蘖期、拔节孕穗期与收割后）于12个小区中采集土壤样品。采用“S”法取样，取样后及时剔除植物残根、石砾等杂物并将土样混合均匀，随后将土样运回室内，把一部分新鲜土样放置于4 ℃冰箱冷藏保存，并及时测定土壤微生物量碳（SMBC）和土壤可溶性碳含量（DOC），其余土样自然风干后过100目土筛保存，供土壤有机碳含量（TOC）的测定。土壤含水量采用烘干法测定；土壤有机碳、可溶性有机碳与微生物量碳分别采用重络酸钾外加热法［11］、去离子水浸提法与氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2007 进行数据整理，并作图；用SPSS 22.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥施用对节水灌溉稻田土壤有机碳含量的影响

从图1可以看出，不同处理土壤有机碳含量在水稻各生长阶段变化趋势较缓，在9.46～10.47 g/kg 范围上下波动。土壤有机碳含量在植物生长初期和末期较高，在乳熟期最低。

图1 水碳调控下稻田土壤有机碳含量的变化Fig.1 The variation of soil organic carbon content of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements

不同肥料管理条件下，节水灌溉稻田土壤有机碳含量在水稻整个生育期内始终低于淹水灌溉稻田，并在拔节育穗期差距最为明显。节水灌溉稻田土壤有机碳含量在水稻生育期整体呈下降趋势，除返青期和分蘖期土壤有机碳含量高于泡田期以外，其他生育期均低于泡田期，平均减少0.489 g/kg。而淹水灌溉处理呈上升趋势，除乳熟期外，其他生育期均高于泡田期，平均增长幅度为1.503 g/kg。不同水分管理条件下，施用有机肥稻田土壤有机碳含量在各生育期均大于常规肥料管理稻田，各生育期有机碳含量平均值为10.99 g/kg，较常规肥处理高22.9%。有机肥施用明显增加了稻田土壤有机碳含量。不同水碳联合调控下，CF 处理土壤有机碳平均含量8.63 g/kg，较FF 处理低7.2%。CM 处理土壤有机碳平均含量10.29 g/kg，较FF 处理高1.04 g/kg。由此可见，节水灌溉对土壤有机碳分解有促进作用，而施加有机肥显著提高节水灌溉稻田土壤有机碳含量。

2.2 有机肥施用对节水灌溉稻田土壤可溶性有机碳的影响

从图2可以看出，不同处理的土壤可溶性有机碳含量在303.43～371.15 mg/kg 范围内波动，4 种处理稻田土壤可溶性有机碳含量在水稻生育初期平均由250.69 mg/kg 逐渐增至374.7 mg/kg，在返青期达到峰值后下降至500.04 mg/kg。随后在分蘖后期和拔节孕穗初期显著增高，直至620.53 mg/kg，达到生育期内最大值。随着试验的进行，土壤可溶性有机碳含量不断减少，收割后达到最小值214.33 mg/kg，这可能与稻田在生育后期排水落干有关。

图2 水碳调控下稻田土壤可溶性有机碳含量的变化Fig.2 The variation of soil dissolved organic carbon content of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements

不同施肥制度下，淹水灌溉处理下稻田土壤可溶性有机碳平均含量为351.11 mg/kg，较节水灌溉高13.1%。除泡田期及收割前，节水灌溉下土壤可溶性有机碳含量低于淹水灌溉以外，其他生育期节水灌溉下土壤可溶性有机碳含量均高于淹水灌溉，并在返青期差值达到最大。不同水分管理模式下，施加有机肥处理的土壤可溶性有机碳含量平均为344.29 mg/kg，较常规肥高27.04 mg/kg。在泡田期至拔节育穗期施加有机肥处理土壤可溶性有机碳含量高于常规肥处理，但在生育后期，常规肥处理下土壤可溶性有机碳含量略高于有机肥处理。在节水灌溉条件下，CM 处理土壤可溶性有机碳含量在水稻生育初期和后期低于CF处理，在水稻生育中期高于CF处理，尤其在返青期差异最明显，差值达到106.57 mg/kg。淹水灌溉下，FM 处理土壤可溶性有机碳含量仅在乳熟期低于FF处理，土壤可溶性有机碳含量在返青期和拔节孕穗期差异较大，FM 处理较FF 处理分别高36.7%和13.4%。不同水碳联合管理下，稻田土壤可溶性有机碳平均含量以FF处理最高，为371.75 mg/kg，较FM、CM、CF处理分别高12.1%、16.9%和22.3%。

2.3 稻田土壤微生物量碳在水碳调控下的变化规律

图3表明，不同处理稻田土壤微生物量碳含量平均波动范围为151.83～202.92 mg/kg。稻田土壤微生物量碳随水稻生长变化较大：从生育初期的132.29 mg/kg 不断增至183.39 mg/kg，在返青期达到峰值后，逐渐回落，在分蘖期达到最小值129.36 mg/kg。拔节育穗期土壤微生物量碳含量显著增加，达到整个生长阶段的最大值276.43 mg/kg后缓慢降至134.86 mg/kg。

图3 水碳调控下稻田土壤微生物量碳含量的变化Fig.3 The variation of soil microbial carbon content of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements

不同施肥制度下，节水灌溉处理稻田微生物量碳含量在水稻各生育期均高于淹水灌溉，其中拔节孕穗期差异最为明显，平均高出30.53 mg/kg。不同灌溉模式下，施加有机肥处理土壤微生物量碳含量平均为198.36 mg/kg，与常规肥处理相比，平均高出29.77 mg/kg。在节水灌溉条件下，CM 处理土壤微生物量碳含量在水稻整个生育期始终高于CF 处理，且在拔节育穗期差异最大，达122.11 mg/kg。而淹水灌溉下，FM 处理土壤微生物量碳含量仅在泡田期至拔节孕穗期过程中高于FF处理，在乳熟期和收割后FF 处理稻田土壤微生物量碳含量高于FM 处理，两种处理土壤微生物量碳含量依然在拔节育穗期差异最大。结合水分管理和施加有机肥对土壤微生物量碳的影响，稻田土壤微生物量碳含量CM＞FM＞FF＞CF，CM处理土壤微生物量碳含量较FF 处理高9.5%，节水灌溉下施加有机肥有利于土壤微生物量碳的积累。

2.4 节水灌溉稻田土壤碳有效率对有机肥施用的响应

可溶性有机碳有效率（DOC 有效率）和微生物熵是土壤碳库质量变化的敏感指标，可以很好地指示土壤碳有效性和土壤碳活性。土壤碳有效率计算方法如下：

不同水碳调控下，土壤碳有效率见表2。由表2可知，灌溉模式与不同碳调控模式下，土壤碳有效率不同：其中DOC 有效率表现为FF＞CF＞FM＞CM，与FF 相比，CF、FM、CM 处理均使DOC 有效率减少，其中CM 处理DOC 有效率最小，而DOC 在土壤有机碳中属移动性较强的成分，因此DOC有效率的减少有利于土壤固碳作用，说明节水灌溉和有机肥相配合对于提高土壤有机碳稳定性是一种较为有效的模式。

表2 不同水碳调控下全生育期稻田土壤碳有效率的变化 %Tab.2 The variation of effective rate of soil carbon of paddy fields under different irrigations and fertilizer managements during the total growing periods

不同水碳调控下，与FF 处理相比，CM 处理微生物熵减少8.2%，可能是因为CM 处理土壤有机碳含量较FF 处理增加幅度远大于微生物量碳含量的增加幅度，分别为11.2%、9.5%。虽然微生物熵呈下降趋势，但微生物量碳含量和土壤总有机碳含量呈上升趋势，所以此研究中微生物熵的减少并不能说明节水灌溉与施用有机肥联合管理降低了微生物分解碳源的速率，从而降低土壤养分。这与徐一兰［10］的结论不一致。

3 讨论

大量研究表明，有机肥施用可以提高淹水灌溉稻田土壤有机碳及其组分。淹水灌溉由于土层表面长期保持有水层，影响土壤通气性，不能很好地改善土壤温度、水分等环境，进而降低了土壤微生物的活性，抑制了土壤有机碳的分解。有机肥料中含有一定的有机质和养分，一方面直接影响土壤有机碳的输入，另一方面为土壤中微生物提供大量的有机质，促进微生物生长繁殖，使微生物量碳含量有所提高。这与汪洋［11］等人的研究结果类似。有研究表明，施用有机肥显著提高土壤有机质含量［12］，并且对于土壤碳固持作用具有显著影响，研究还发现等氮量输入下，施加有机肥较施化肥而言，土壤微生物量碳含量增加50%以上［13］。土壤可溶性有机碳主要来源于植物残体、腐殖质的降解、微生物量和根系分泌物等，有机肥施用增加了作物产量，从而提高了植物残体量，植物残体经降解形成的简单化合物大大增加了DOC含量，与前人研究结果一致［14］。

本研究表明，有机肥施用对节水灌溉稻田土壤有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳含量有促进作用，分别提高19.2%、4.6%、33.7%。节水灌溉以根层土壤水分占饱和含水率60%～80%的组合作为控制指标，仅在返青期设薄水层。良好的耕层通气状况和适宜的水分含量有利于土壤有机碳的矿化作用［15］。有机肥以一种直接碳源的方式对土壤中有机碳含量进行补充，施加有机肥促进了土壤团聚体的形成，使微生物的生存环境有所改善，增加了微生物数量和种类，同时有机肥中本身含有的腐殖质为土壤养分的提高创造了良好的条件。DOC 含量增加幅度最低可能与在水稻部分生育期根系分泌物的减少和微生物对DOC的需求增加有关［14］。