超级稻田碳氮库管理指数在等养分不同有机物料处理下的动态变化

2023-09-18王开悦廖育林鲁艳红蔡岸冬张志伟陈旋秦晓波

农业环境科学学报 2023年8期

王开悦，廖育林，鲁艳红，蔡岸冬，张志伟，3，陈旋，秦晓波*

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/中国农业科学院农业农村碳达峰碳中和研究中心/农业农村部农业环境重点实验室，北京100081；2.湖南省土壤肥料研究所，长沙410125；3.南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京210044）王开悦，廖育林，鲁艳红，等. 超级稻田碳氮库管理指数在等养分不同有机物料处理下的动态变化[J]. 农业环境科学学报, 2023, 42（8）：1758-1767.

我国在2015 年实施“化肥农药零增长”政策，有机肥代替部分化肥已成为减少化肥施用量的关键[1-2]。目前研究显示，有机肥还田后会对土壤活性碳氮含量[3]、作物养分吸收[4]、作物产量[5]等产生直接影响。土壤活性碳在土壤全碳中占比较小，但易被作物吸收利用，能体现土壤细微的变化[6]。碳库管理指数（CPMI）最早由Blair 和Lefroy 提出[7]，是一项综合土壤活性碳数量与质量的指标，能够灵敏地反映外界措施对土壤质量和肥力的影响。后人在CPMI的基础上改进、引申出氮库管理指数（NPMI）[8-10]，与CPMI 相似，NPMI 常用来表征外界措施引起土壤活性氮素的变化，体现土壤氮素供应能力。因此研究有机肥代替部分化肥对CPMI 和NPMI 的影响，对减少氮肥施用、提高土壤肥力与作物产量的意义重大。李小磊等[11]基于长期定位试验的研究结果表明，与单施化肥相比，在其基础上对双季稻田早稻绿肥还田，晚稻施用猪粪和稻草冬季还田能显著提高0～20 cm 土层处的CPMI。Chen 等[12]基于4 年连续不同地点相同处理的秸秆还田试验表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田能提升1.4～1.6 倍的CPMI，具体提升效应受试验地点影响（环境、气候）。肖小平等[13]对冬季覆盖作物还田的研究显示，与黑麦草、油菜还田相比，紫云英还田提高了双季稻田CPMI。Liu 等[14]发现，富氮生物炭的投入会降低稻田土壤CPMI。目前关于NPMI 的研究表明种植方式、有机肥用量、水肥管理等都是影响NPMI 的重要因素[9]。以往研究多限于单一有机物料投入或基于常量施用化肥的基础上再施用有机肥，且对水稻不同生育期CPMI、NPMI 的动态研究较少。因此，本研究通过大田试验，利用有机肥代替部分化肥且基于等养分投入的试验设计，研究不同有机物料还田对水稻不同生育期稻田土壤CPMI和NPMI动态变化的影响，分析有机物料还田下CPMI、NPMI 的动态变化及其对产量、收获指数及水稻氮素吸收的影响，在保证粮食产量的基础上响应“国家化肥农药零增长”政策，同时为我国稻田绿色投入品和土壤碳氮扩库增容政策措施提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2020年10月至2021年9月在湖南省长沙市长沙县高桥农业科技示范园（28.46°N，113.34°E）内开展，该地区属于亚热带季风气候，年均温16.8 ℃，年降水量约1 504 mm，本试验开始前6 年为单季优质稻和冬种紫云英轮作系统。试验期间月均温和月降水量见图1，试验前0～20 cm 耕层土壤理化性质见表1。

表1 试验开始前土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil before the test

图1 试验期间的月降水量和月均温Figure 1 Monthly precipitation and monthly mean temperature during the experiment

1.2 试验设计

田间试验采用随机区组设计，共设置3 次重复，小区面积为4 m×7.5 m=30 m2，相邻小区间留出一定宽度的保护行。水稻品种选用籼型两系超级杂交稻“晶两优华占”，推荐移栽秧龄为30 d，移栽密度为25 cm×30 cm，每穴2 株。紫云英品种选用“湘紫一号”。共设置5 个等养分投入处理，分别是：（1）单施化肥（F）；（2）冬闲期水稻秸秆还田（FS），上季水稻收获后秸秆在紫云英播种后全量覆盖还田；（3）冬闲期种植绿肥还田（FM），上季水稻收获后秸秆全部移出田间后播种绿肥；（4）冬闲期水稻秸秆还田+种植绿肥还田（FMS），上季水稻收获后秸秆全量覆盖还田并种植绿肥；（5）冬闲期水稻秸秆还田+种植绿肥还田+生石灰（FMS+Ca）（详细内容参考文献[15] ），上季水稻收获后秸秆全量覆盖还田并种植绿肥，水稻季施熟石灰3.375 kg·小区-1，具体施肥处理如表2。

表2 不同处理具体施肥（kg·hm-2）Table 2 Specific fertilization under different treatments（kg·hm-2）

1.3 样品采集与测定

在水稻移栽返青期、分蘖期、孕穗期、灌浆期和成熟期，分别对应2021年6月11日、6月21日、7月1日、8月9日、9月6日，于每个小区内按照“S”型路线，采用多点混合取样法用土钻取0～15 cm 深度土壤，置于-18 ℃冰箱内冷冻保存待测。供试样品土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、无机氮、可溶性有机氮（TON）在湖南省土壤肥料研究所农化检测中心测定，易溶解有机碳（DOC）、可溶性总氮（TDN）在中国科学院亚热带农业生态研究所测定[16]。在水稻收获前1 d，在各小区选取有代表性的5蔸水稻植株测定株高。随后将植株的茎、穗和根部分开，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量后测定各部分干质量。在水稻成熟期按各小区收割水稻，脱粒后晒干测定稻谷产量。

1.4 碳库管理指数、氮库管理指数、氮素吸收量、氮素收获指数计算

本研究以试验开始前的土壤作为参照土壤，用Blair 等[7]提出的方法计算各处理碳库管理指数，具体计算如下：

在Blair 公式的基础上，研究者常与具体的研究目标相结合，对CPMI 和NPMI 的计算公式进行扩展引申[10，17-19]。本研究中，以SOC 与DOC 之差计算非可溶性有机碳，以TN与TDN之差计算非可溶性氮。

1.5 数据处理和统计分析

使用Excel（v.2010，Microsoft）初步整理数据，使用SPSS（v.23.0，IBM）进行数据标准误差计算和方差分析，使用最小显著性检验（LSD）法比较不同处理间的差异显著性[20]；使用Pearson 双侧检验进行相关性分析，在0.05 水平和0.01 水平检验相关系数显著性；进行回归方程模拟，用回归系数最简比表示概念图中相关关系；使用Origin（OriginLab 2021）软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理下

、D ON 占TDN 比例的

动态变化

图2 不同处理、不同生育期下3种可溶性氮占可溶性总氮的百分比Figure 2 Percentages of three kinds of soluble nitrogen in total soluble nitrogen under different treatments and different growth periods

2.2 不同处理下DOC、TDN的动态变化

土壤DOC 含量整体表现为先降低后升高的趋势（图3A），但因不同处理、不同生育期产生差异。除分蘖期外，水稻不同生育期DOC 含量的最大值均出现在紫云英-秸秆联合还田处理组（FMS、FMS+Ca）。在水稻成熟期，DOC 含量表现为FMS＞FMS+Ca＞FM＞FS＞F，其中FMS的DOC含量显著高于F 39.24%，显著高于FS 39.04%（P＜0.05）。

图3 不同生育期DOC、TDN的含量Figure 3 Contents of DOC and TDN in different growth stages

土壤TDN 含量变化规律表现为移栽返青期最高，分蘖期骤降，并在成熟期出现第二次骤降（图3B）。在水稻移栽返青期和孕穗期，F 处理的TDN 含量最高，在水稻另外3 个生育期（分蘖期、灌浆期、成熟期）紫云英-秸秆联合还田处理组（FMS、FMS+Ca）的TDN 含量最高，分别为41.25、46.80、21.45 mg·kg-1。在成熟期时，不同处理下的TDN 大小顺序表现为FMS+Ca＞FMS＞FM＞F＞FS，其中FMS+Ca 的TDN 含量显著高于F 25.95%，显著高于FS 34.65%（P＜0.05）。

2.3 不同处理下碳库管理指数、氮库管理指数的动态变化

CPMI在水稻生育期内的动态变化表现为先下降后回升的趋势，且有机无机肥配施（FS、FM、FMS、FMS+Ca）处理下不同生育期的CPMI 整体表现优于F（表3）。移栽返青期FMS处理下CPMI最高（115.65），显著高于F（90.40%）、FS（49.05%）和FM（56.36%）（P＜0.05）；孕穗期时FMS+Ca 处理的CPMI 最高（55.80），显著高于FS（63.59%）（P＜0.05）；而在水稻成熟期，FMS＞FMS+Ca＞FM＞FS＞F，FMS 的CPMI 显著高于F（39.41%）和FS（39.18%）（P＜0.05）。

表3 不同生育期碳库管理指数和氮库管理指数Table 3 Carbon pool management index and nitrogen pool management index at different growth stages

NPMI在水稻生育期内动态变化表现为移栽返青期表现出最大值，在分蘖期急剧下降，伴随水稻生育在孕穗期和灌浆期缓慢回升，并在成熟期出现第二次骤降（表3）。移栽返青期和孕穗期NPMI 的最大值均出现在F 处理，另外3 个生育期（分蘖期、灌浆期、成熟期）NPMI的最高值均出现在紫云英-秸秆联合还田处理（FMS 或FMS+Ca）中。在移栽返青期F 处理的NPMI 显著高于FS（32.98%）、FM（41.19%）（P＜0.05）；在成熟期，各处理间NPMI 大小顺序表现为FMS+Ca＞FMS＞FM＞F＞FS。

2.4 不同处理下的水稻株高、干物质量、产量和收获指数

不同处理下的水稻株高、各部分干物质量、产量和收获指数见表4。FMS+Ca 与F 的株高接近，高出其他处理0.96%～2.80%；FS 的茎干质量和穗干质量最大，分别高出其他处理12.08%～30.54%和1.24%～23.96%；FMS 的根干质量最大，高于其他处理6.71%～21.32%，但FMS+Ca 的根干质量最小；各处理间的产量表现为FM＞FS＞FMS＞F＞FMS+Ca，FM、FS、FMS 的产量较F 相比提升了2.19%～2.94%；不同处理间的收获指数表现为FMS＞FM＞FMS+Ca＞FS＞F，与无紫云英添加处理相比，紫云英添加（FM、FMS、FMS+Ca）处理下的收获指数提高了0.59%～5.20%。

表4 水稻株高、各部分干质量、产量及收获指数Table 4 Plant height，dry weight，yield and harvest index of rice

2.5 不同处理下的水稻氮素吸收量、氮素收获指数

FS 与其他处理相比，各部分氮素吸收量最高，氮素收获指数最低（表5），其茎秆氮素吸收量显著高于添加紫云英处理，高出FM 51.27%、FMS 42.46%、FMS+Ca 80.41%（P＜0.05），但氮素收获指数显著低于添加紫云英处理，低于FM 10.12%、FMS 10.13%、FMS+Ca 13.53%（P＜0.05），这可能是水稻对不同外源养分吸收、利用、转化能力存在差异性导致的。

2.6 相关性分析

确保产量提升是试验进行的前提和基础，本研究结果显示：产量分别与灌浆期的CPMI 和分蘖期的NPMI呈显著正相关关系（P＜0.05）（图4、图5）；收获指数是评价作物产量水平和栽培成效的重要指标，本试验中，收获指数分别与移栽返青期、孕穗期、灌浆期和成熟期4 个生育期的CPMI 呈显著正相关关系（P＜0.05）；稻谷氮素吸收量是影响水稻品质和产量的关键因素，本试验中，稻谷氮素吸收量与分蘖期的CPMI呈显著正相关关系（P＜0.05），且水稻产量与稻谷氮素吸收量、收获指数均呈显著正相关关系（P＜0.05），这均为调节水稻产量的关键因素。

图4 水稻不同生育期碳库管理指数、氮库管理指数与产量、稻谷氮素吸收量、收获指数和氮素收获指数相关矩阵图Figure 4 Correlation matrix of carbon pool management index，nitrogen pool management index and yield，nitrogen uptake，harvest index and nitrogen harvest index of rice at different growth stages

3 讨论

3.1 等养分条件下不同绿肥还田对水稻不同生育期碳库管理指数的动态影响

CPMI作为土壤有机质总量及其质量变化较为系统和敏感的监测指标[21]，常用来反映农艺措施对土壤有机质变化的影响[22-23]。在本研究中，CPMI 在水稻不同生育期下的动态变化趋势一致，表现为在分蘖期出现降低后缓慢上升。本研究结果显示，与单独施用化肥相比，在有机无机配施的基础上添加紫云英能显著提高CPMI，其中以紫云英-秸秆联合还田效果最佳。紫云英-秸秆联合还田在生育季初期（移栽返青期）的CPMI 显著高于其余处理，这可能是由于紫云英-秸秆联合还田模式产生了较好的激发效应所导致，在此基础上施用熟石灰使得孕穗期的CPMI 出现短暂性提升，这可能是由于土壤中加入熟石灰首先改变了土壤pH 和微生物活性[24]，伴随水稻生长发育，在水稻孕穗期出现最佳效果，同时结合本研究中使用熟石灰处理的水稻根系干质量最小推断，熟石灰的投入对水稻根系造成损伤从而导致在水稻生育后期土壤碳素养分分解效果差、后力不足，进而造成了在水稻生育后期（灌浆期、成熟期）的CPMI 小于不施用熟石灰处理。同时，本研究发现：秸秆与化肥配合还田与单独施用化肥在水稻生育末期的CPMI 几乎一致，这与前人的研究结果不同[6，12，25-27]，本研究为第一年开展，稻田土壤中对秸秆腐化利用的微生物菌群丰度和活度较低，导致秸秆腐化效果差[28]，且本研究中秸秆还田方式为直接覆盖还田，该方式与粉碎翻压还田相比对土壤养分的提升效果差[29]，这也是秸秆化肥配施在本研究中还田效果不甚理想的原因。本研究结果显示，与单独施用化肥相比，有机无机配施处理下生长季末期的CPMI提高了0.11～24.65，这与前人研究结果一致：有机无机配施能提高土壤CPMI[30-31]。总体而言，紫云英-秸秆联合还田对土壤CPMI 提升效果更加理想，是一种良好的秸秆资源化利用方式。

3.2 等养分条件下不同绿肥还田对水稻不同生育期氮库管理指数的影响

NPMI能反映外界条件对土壤氮及活性氮组分变化的效应[8]。本研究中，NPMI的动态变化表现为在分蘖期和成熟期骤降（图5），这与水稻在这两个时期的生长发育对活性氮素吸收量大有关[32]，同时发现，从发生NPMI 骤降前一生育期（移栽返青期、灌浆期）到出现骤降的时期，可溶性无机氮占可溶性总氮的百分比上升，一方面可能是可溶性总氮含量高易发生可溶性氮素径流损失，另一方面是水稻根际和微生物加快了对可溶性有机氮的分解利用，因此导致NPMI 骤降、可溶性无机氮素占比上升。谷月[8]对不同有机物还田后滴灌土壤的NPMI 研究发现，施用秸秆相比施用牧草和动物粪便对NPMI 提升效果更好，但在本研究中，化肥与秸秆配合还田后仅在水稻生育前期（移栽返青期、分蘖期）的NPMI 表现出短暂性提升，此后的NPMI 均低于其余处理，且本研究中化肥秸秆配施下的CPMI 在水稻生育前期（移栽返青期、分蘖期）具有相似表现，结合在本研究中水稻生育前期可溶性有机氮素在可溶性总氮素中占比较高，进一步推测这可能是由于秸秆还田后土壤微生物先对秸秆中易于分解部分进行快速分解和腐化[33]，从而导致生育前期化肥秸秆配施处理下的NPMI、CPMI 较高，但在水稻生育后期对秸秆中的纤维素和木质素等难分解养分的腐解率降低[34]。焦欢等[10]研究发现，与对照相比，有机无机配施能分别提高复垦4年和8年土壤的NPMI，本研究结果与其相似，与单独施用化肥相比，除化肥秸秆配施外，其余有机无机配施处理在水稻生长末期的NPMI 均有提高，其中在紫云英-秸秆配施化肥的基础上添加熟石灰提升NPMI 的效果最佳，这可能是熟石灰的添加一方面对土壤具有杀菌消毒作用，另一方面调节土壤pH，有利于土壤可溶性氮素的增加，进而达到土壤活性氮库扩容的目标。同时本研究发现在水稻生育末期，添加紫云英处理的NPMI 优于不添加紫云英处理，且此时期下添加紫云英处理的可溶性无机氮占可溶性总氮的百分比均高于不添加紫云英处理，这进一步说明紫云英作为豆科绿肥代替部分化肥有利于作物对氮素的直接吸收和NPMI的提高。

3.3 水稻不同生育期碳氮库管理指数对水稻氮素吸收量、产量和收获指数的影响

本研究中，产量与稻谷氮素吸收量、收获指数、氮素收获指数均具有显著正相关性，土壤中的养分通过根系吸收、茎部运输，在水稻穗部表达为结实率、千粒质量等关键因素最终影响水稻产量[35]。水稻氮素吸收受土壤养分、环境、微生物等的影响。与可溶性有机氮相比，可溶性无机氮可直接参与水稻生育和土壤微生物活动。本研究发现，化肥秸秆处理下氮素吸收量最高，但氮素收获指数最低，这说明化肥秸秆还田在本研究中不是最优的还田方式。同时，本研究结果表明，分蘖期是影响水稻产量、稻谷氮素吸收量的关键时期，可能原因是：分蘖期水稻植株叶鞘舒展叶面积增大，光合作用增强，对土壤中活性氮素养分吸收量变大[36]，生育前期植株内部氮素的累积为营养器官的发育和水稻产量的提高奠定了基础。在本研究的水稻分蘖期时，化肥秸秆配施处理下可溶性无机态氮占可溶性总氮比例最高，而水稻氮素吸收受外源氮形态影响，无机氮更易被水稻吸收获取，这可能是导致化肥秸秆配施处理氮素吸收量最大的原因。

另外，本研究发现灌浆期CPMI与产量、收获指数和根干质量均呈显著正相关性。水稻在灌浆期进行蛋白质、淀粉等物质的合成，此时期的碳氮代谢过程复杂[37]，土壤中活性有机碳的数量和质量的提高，一方面影响根系活力和根部营养物质的累积，促进对土壤中养分的吸收、运输和转化[38]，另一方面为土壤微生物的活动提供碳源，提高微生物在此生育期的活性，从而影响剑叶、籽粒养分和水稻产量。因此在已知水稻不同生育期CPMI、NPMI与水稻产量关系的基础上，通过在不同生育期对CPMI 和NPMI 的调控，如施用有机肥、添加液体氮肥及控制含水量[39]等，提高CPMI、NPMI以达到直接或间接增加产量的目的。