稻田水旱轮作系统对土壤有机碳及产量的短期影响

曹培 朱杰 朱波 等

摘要 [目的]探明不同水旱轮作系统对稻田不同土层土壤活性有机碳组分、碳库管理指数、土壤有机碳储量和作物产量的短期影响。[方法]2017年在荆州市江陵县三湖农场开展试验，采用随机区组设计，设置中稻-冬闲（RF）、中稻-油菜（RR）、中稻-小麦（RW）和春玉米-晚稻（MR）4种种植模式。[结果]与RF处理相比，MR处理显著降低了稻田不同层次的土壤总有机碳含量;且RW、RR和MR处理均降低了稻田土壤活性有机碳含量。MR处理有利于碳库活度和碳库活度指数的提高，RR处理则利于稳态碳和碳库指数的提高。不同土层各处理的土壤有机碳储量差异趋势一致，均为RR>RF>RW>MR，与RF处理相比，RR处理土壤有机碳储量增加了8.14%。与RF处理相比，RW、RR和MR处理产量分别增加了46.71%、35.77%和35.33%。[结论]RR模式更有利于稻田土壤有机碳的固持，是适宜在当地推广的水旱轮作模式。

关键词 水旱轮作;土壤活性有机碳;碳库管理指数;土壤有机碳储量;作物产量

中图分类号 S181文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）04-0081-05

Agricultural Use of Wetland，Ministry of Education，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434025;2.College of Agriculture，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434025;3.Xiangyang Academy of Agricultural Sciences，Xiangyang，Hubei 441057）

Abstract [Objective] In order to give an insight into soil active organic carbon in different soil layers，carbon pool management index，soil organic carbon storage and crop yieldas shortterm affected by paddyupland rotation systems.[Method] A field experiment was conducted at Sanhu Farm of Jiangling County of Jingzhou in 2017.Different cropping patterns were established following a design of randomized complete block with ricefallow （RF），ricerapeseed （RR），ricewheat （RW） and maizerice （MR）.[Result] Compared with RF treatment，MR treatment significantly reduced the total organic carbon content in different layers of paddy soil，and RW，RR and MR treatment all reduced the active organic carbon content in paddy soil.MR treatment was benefit to increasing  activity of carbon pool and carbon pool activity index; whereas，RR treatment was benefit to increasing stable carbon and carbon pool index.The soil organic carbon storage difference in different soil layers showed same tendency among paddyupland rotation systems，all were RR > RF > RW > MR.Compared with RF treatment，soil organic carbon storage of  RR treatment increased by 8.14%.Compared with RF treatment，the yield of RW，RR and MR treatment increased by 46.71%，35.77% and 35.33%，respectively.[Conclusion] RR pattern is more conducive to the retention of soil organic carbon in paddy fields，and is suitable for the promotion of paddyupland rotation system in the local area.

Key words Paddyupland rotation;Soil active organic carbon;Carbon pool management index;Soil organic carbon storage;Crop yield

土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）是陆地生态系统中最大的有机碳库，其全库容量达1550 Pg[1]，在全球碳循环过程中起着十分重要的作用，其微小的变动将会导致CO2浓度较大的变动，并影响全球气候的变化[1-3]。SOC的转化和稳定性与土壤可持续利用及碳循环关系密切，作为反映碳循环和土壤质量的指标[4]，因此准确认识SOC动态变化是全球生态系统特别是农业生态系统保持可持续性发展的需要。

土壤总有机碳含量及其储量是有机物质输入（残茬、分泌物和浸出物等）与输出（SOC矿化分解）之间动态变化平衡的结果[5]，其变化极其缓慢，短期内难以监测因农业措施导致的土壤质量的变化。然而，占土壤有机碳比例较小且周转速度较快的部分称作活性有机碳，能够作为土壤潜在生产力以及由土壤管理措施引起的土壤有机质变化的早期指标，而非活性有机碳则表征土壤长期积累和固碳能力[6]。由土壤活性有机碳计算的碳库管理指数（carbon pool management index，CPMI）不仅能反映土壤碳库有效性及质量，而且还能够相对全面地反映外界管理措施对土壤碳库中各组分在质、量上的变化，进而反映土壤质量变化的程度[7]。因此，土壤活性有机碳和碳库管理指数能反映土壤质量和土壤肥力状况，是评价土壤管理的良好指标[8]。

长江中下游地区是我国水稻的主产区，水稻种植面积达1 500.7万hm 占全国种植面积的49.7%[9]，水旱轮作系统是该地区主要的稻田种植方式，常见的有水稻—小麦和水稻—油菜轮作系统。随着农业生产的发展，该区种植业结构也在不断地调整，在市场的带动下，近年来该区玉米发展迅速，出现了春玉米—晚稻水旱轮作模式[10]。水旱轮作系统的一个显著特征是作物系统的水旱交替轮换导致土壤系统季节间的干湿交替变化，引起水旱轮作作物季节间土壤物理、化学和生物学特性的交替变化[11-12]，这势必会影响土壤中的微生物，从而影响土壤活性有机碳组分。目前，对于农田不同利用方式下的研究多集中于长期效应，而对于稻田水旱轮作短期效应的研究较少，且说法不一。黄伟生等[13]在洞庭湖区开展的研究表明，水稻—油菜轮作系统的SOC的含量低于水稻—冬闲。吴玉红等[14]研究认为小麦茬口较油菜茬口稻田土壤碳矿化作用强，油菜—水稻轮作系统更有利于土壤表土有机碳的积累。李清华等[15]通过连续3年试验的研究表明，与冬闲—水稻相比，水旱轮作系统（水稻—紫云英、水稻—蚕豆、水稻—油菜、水稻—玉米）中以玉米—水稻产量最高。为此，通过设置稻田不同的水旱轮作试验，研究短期水旱轮作模式对稻田土壤活性有机碳组分及产量的影响，旨在探索适宜当地生产的稻田水旱轮作系统，为稻田作物生产及土壤培肥制度的建立提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年3月至2018年5月在湖北省荆州市江陵县三湖农场试验基地进行，位于112°29′～112°35′E，30°10′～30°15′N。该区属北亚热带季风性湿润气候，水热资源丰富，年均降雨量900～1 100 mm，年平均气温16.0～16.4 ℃。试验田试验前为冬闲-单季稻制，土壤为潮土。供试土壤耕作层（0～20 cm）基本理化性状为：有机质28.59 g/kg、全氮2.44 g/kg、碱解氮170.88 mg/kg、全磷0.38 g/kg、速效磷12.67 mg/kg、全钾17.76 g/kg、速效钾159 mg/kg、pH 6.92、容重1.10 g/cm3。

1.2 试验设计

试验共设置4个处理，分别为中稻-冬闲（RF）、中稻-油菜（RR）、中稻-小麦（RW）、春玉米-晚稻（MR）。每个处理3次重复，采用随机区组排列。每小区面积98 m2（长14 m，宽7 m），各小区筑埂覆膜，防止水肥串流。各作物品种、种植方式、播种期、移栽期及收获期如表1。

1.2.1  R-F。中稻移栽密度22.4万穴/hm2（26.70 cm×16.70 cm），每穴3株苗。水稻全生育期施肥量为225 kg/hm2 N、75 kg/hm2 P2O5、180 kg/hm2 K2O;氮肥按照基肥∶蘖肥∶穗肥为4∶3∶3施用;磷肥作基肥一次施用;钾肥按照基肥∶穗肥为1∶1施用。水稻生长期间水分管理采用前期灌水、中期晒田、后期干湿交替的管理模式。病虫草害防治按当地大面积生产统一实施。

1.2.2  R-R。该模式中稻种植同R-F的中稻。油菜于水稻收获后，浅旋耕做厢播种，播种量为4.50 kg/hm 基本苗密度6.00万株/hm2。油菜生育期间，施复合肥（N∶P2O5∶K2O=16∶10∶22）600 kg/hm2、硼肥7.5 kg/hm2作基肥，提苗肥施尿素75 kg/hm 薹肥施尿素75 kg/hm2。

1.2.3  R-W。该模式中稻种植同R-F的中稻。小麦于水稻收获后，浅旋耕做厢播种，播种量为225 kg/hm 基本苗密度300万株/hm2。小麦生育期间，施复合肥（N∶P2O5∶K2O=16∶10∶22）600 kg/hm2作基肥，追90 kg/hm2 N。

1.2.4 M-R。春玉米采用厢作，厢宽为1.00 m，沟宽为0.20 m，厢沟模式单位宽度为1.20 m，40 cm+80 cm宽窄行播种2行，窄行位于厢面，每个小区5厢。玉米按27.8 cm株距人工移栽，密度为6.00 万株/hm 移栽后人工覆膜。玉米生长期间，肥料于移栽时一次性基施，全生育期施肥量为240 kg/hm2 N、135 kg/hm2 P2O5、180 kg/hm2 K2O。于玉米6叶期揭去地膜并噴施玉米专用除草剂，其余田间管理措施同一般高产田。春玉米收获后泡田，破坏原厢沟模式进行旋田整地后人工移栽晚稻，移栽密度22.4 万穴/hm2（26.70 cm×16.70 cm），每穴3株苗。晚稻全生育期施肥量为180 kg/hm2 N、75 kg/hm2 P2O5、150 kg/hm2 K2O;氮肥按照基肥∶蘖肥∶穗肥为2∶2∶1施用;磷肥作基肥一次施用;钾肥按照基肥∶穗肥为4∶3施用。晚稻田间管理同中稻。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤活性有机碳组分。

R-F和M-R模式休闲期后及油菜和小麦收获后，用土钻在每个小区内按“S”形选取5个点，每点分别采集0～5、5～10和10～20 cm 3个层次土壤样品，同层混合，作为该小区混合样。样品采回后，一部分挑去细根放入4 ℃冰箱中保存，用于测定鲜土指标，剩下的土样置于阴凉、通风处风干，分别过筛（0.25 mm和0.149 mm）备用，用于测定干土指标。

土壤活性有机碳（ROC）采用Blair等[7]提出的KMnO4氧化法测定。土壤总有机碳（TOC）采用元素分析仪（ECS4024）测定。该研究土壤碳库管理指数以R-F模式为参照土壤，根据公式（1）～（5）进行土壤碳库管理指数的计算。

稳态碳=总有机碳-活性有机碳（1）

碳库指数（CPI）=样品全碳含量/参照土壤全碳含量（2）

碳库活数（CPA）=活性碳含量/稳态碳含量（3）

碳库活度指数（CPAI）=样品碳库活度/参照土壤碳库活度（4）

碳库管理指数（CPMI）=碳库指数×碳库活度指数×100（5）

R-F和M-R模式休闲期后及油菜和小麦收获后，采用环刀法[16]测定土壤容重（BD）。先在田间选择挖掘土壤剖面的位置，然后挖掘土壤剖面，按剖面层次，分0～5、5～10和10～20 cm层次采样，每层重复3次。全土有机碳储量计算方法[5]如（6）式所示：

1.3.2 作物地上部生物量和产量测定。于收获期，每小区按照大田平均穗数取6穴水稻，分茎、叶和穗;取代表性油菜植株3株，分茎枝、角壳和籽粒;取代表性小麦植株10株，分茎、叶和穗;取代表性玉米植株3株，分茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒;105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘至恒重，测定干物质重，即可得各作物的地上部生物量。

于收获前调查玉米种植密度，每个小区收获中间一个厢面2个连续20株的果穗，自然风干后考察穗粒数与千粒重，脱粒称重。水稻、油菜和小麦成熟后，各小区选取生长均匀的3 m2植株，脱粒并晒干，风选清除杂质后，测定总重和含水量，按照14%含水量折算水稻和玉米产量，按照13%含水量折算小麦产量。

1.4 数据统计与分析

所有试验数据均采用Excel（Microsoft office，2010）进行分析整理，用DPS软件进行方差分析和多重比较。试验结果均以3次重复的平均值与标准误来表示。采用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 水旱轮作系统对稻田土壤总有机碳含量的影响

稻田水旱轮作模式对土壤总有机碳的影响如图1所示，土壤总有机碳均随土层的增加而降低，在0～10 cm土层，RF、RW和RR处理的土壤总有机碳显著高于MR处理，且它们之间无显著性差异;10～20 cm土层，RF和RR处理的土壤总有机碳显著高于MR处理，且RW处理与RF和RR处理，或与MR处理之间差异不显著。总体来看，0～20 cm土层，与RF处理相比，RW、RR和MR处理土壤总有机碳含量分别减少了3.09%、0.34%和21.58%。

2.2 水旱轮作系统对稻田土壤活性有机碳含量的影响

稻田水旱轮作系统对各个土层的活性有机碳组分表现出一定的差异性。各处理的活性有机碳组分在各个土层的变化趋势与TOC一致，均随土层深度的增加而降低。如图2所示，在0～5 cm土层，与RF处理相比，RW、RR和MR处理土壤活性有机碳含量分别减少了13.97%、20.53%和14.20%，RF处理土壤活性有机碳含量显著高于RR处理;在5～10 cm土层，RF处理土壤活性有机碳含量显著高于RW和RR处理，且MR与RW和RR处理，或与RF处理之间无显著性差异;在10～20 cm土层，RW、RR和MR处理土壤活性有机碳含量显著低于RF处理。总体来看，0～20 cm土层，与RF处理相比，RW、RR和MR处理土壤活性有机碳含量显著减少了19.66%、21.02和22.11%。

2.3 稻田水旱轮作系统对土壤碳库管理指数的影响

不同水旱轮作系统对稻田土壤碳库管理指数的影响如表2所示，在0～5 cm土层，与RF处理相比，MR处理的稳态碳含量减少了18.00%，而RR和RW处理则增加了12.47%和1.48%;RF和MR处理的碳库活度、碳库活度指数显著高于RR处理，且各处理之间的碳库管理指数无显著性差异。在5～10 cm土层，与RF处理相比，MR处理的稳态碳含量减少了15.69%，而RR和RW处理则增加了3.36%和7.38%;RF和MR的碳库活度、碳库活度指数显著高于RW和RR处理;RR处理的碳库指数显著高于MR处理;各处理之间的碳库管理指数无显著性差异。在10～20  cm土层，RR处理的稳态碳含量显著高于MR处理;各处理的碳库指数、碳库活度指数均无显著性差异;RF处理的碳库管理指数显著高于MR处理，且RW和RR处理与RF处理，或与MR处理之间无显著性差异。总体来看，0～20 cm土层，与RF处理相比，MR处理的稳态碳含量减少了21.40%，而RR和RW处理则增加了6.47%和2.36%;RF和MR处理的碳库活度、碳库活度指数显著高于RW和RR处理;RR处理的碳库指数显著高于MR处理，且RF和RW处理与RR处理，或与MR处理之间无显著性差异，相比于RF处理，MR、RW和RR处理碳库管理指数分别减少了21.01%、25.07%和23.55%。从整个稻田水旱轮作系统来看，MR处理利于碳库活度和碳库活度指数的提高;RR处理则利于稳态碳和碳库指数的提高。由此说明，MR处理是通过提高土壤活性有机碳含量来提高土壤有机碳库;RR处理主要是通过提高土壤的稳态碳含量來提高土壤有机碳含量。

2.4 不同种植模式对稻田土壤有机碳储量的影响

由图3可知，在0～5 cm土层，RR处理土壤有机碳储量显著高于MR处理，与RF处理相比，RR处理土壤有机碳储量增加了10.11%，RW和MR处理则减少了1.39%、11.63%。在5～10 cm，RR处理显著高于其他处理，与RF处理相比，RR处理土壤有机碳储量增加了4.36%，RW和MR处理则减少了0.73%、11.77%。在10～20 cm土层，RF、RW和RR处理的土壤有机碳储量显著高于MR处理，与RF处理相比，RR处理土壤有机碳储量增加了8.14%，RW和MR处理则减少了4.43%、27.67%。综合分析0～20  cm土层，RF、RW、MR和RR处理的总SOC储量值分别为1 417.62、1 372.40、1 162.85和1 537.27g C/m 与RF处理相比，RR处理土壤有机碳储量增加了8.14%，RW和MR处理则减少了4.43%、27.67%。

2.5 稻田水旱轮作系统对产量的影响 由图4可知，不同水旱轮作模式对作物产量的影响表现出作物季之间的差异性。对于不同水旱轮作模式的第1季，RF、RW、RR和MR处理的年产量分别为12.25、13.00、13.58和9.36 t/hm2。与RF处理相比，RW和RR处理产量分别增加了6.05%和10.84%，而MR处理显著减少了23.61%，RF、RW和RR处理之间无显著性差异，且显著高于MR处理。

对于不同水旱轮作模式的第2季，RF、RW、RR和MR处理的年产量分别为0、4.98、3.06和7.22 t/hm2。MR处理的产量显著高于RW和RR处理，且RW处理显著高于RR处理，由于RF处理第2季为冬闲田，因此，RF处理产量均显著低于其他处理。

从整个水旱轮作系统周年来看，各处理之间的产量表现为RW>MR>RR>RF;与RF处理相比，RW、RR和MR处理产量分别增加了46.71%、35.77%和35.33%。RW、RR和MR处理产量无显著性差异，且它们之间均显著高于RF处理。

3 讨论

农作物不仅是农田土壤中碳素的重要来源，也是土壤中碳素耗损的主要影响因素。耕种、施肥、灌溉等农业管理措施会影响农业土壤中碳库的质和量的迅速变化[17]。作物轮作是调控农田土壤有机碳循环和积累的重要影响因素[18]。吴玉红等[14]研究认为无秸秆投入条件下小麦茬口较油菜茬口稻田土壤碳矿化作用强，油菜—水稻轮作系统更有利于土壤表土有机碳的积累。该研究中，不同水旱轮作模式下，RF、RR和RW处理土壤总有机碳含量均显著高于MR处理，这主要是由于种植模式的不同，改变了稻田土壤理化性状，影响土壤有机质的矿化过程。该试验中，MR模式作物生育期较其他模式不同，第1季作物玉米收获时间为7月15日，正值全年高温阶段，此时翻耕整田，加速了土壤总有机碳含量的分解矿化速率，从而导致土壤总有机碳含量降低。该研究中，各处理土壤总有机碳和土壤活性有机碳均随土层的加深而减少，这与唐海明等[19]的研究结果相似。不同轮作模式是通过轮作之间作物根系或残体归还的质量和数量的不同，从而影响土壤有机碳的矿化和固定过程，以此来改变土壤活性有机碳的数量[18，20]。该研究中，RF处理的土壤活性有机碳均显著高于其他处理，这可能是由于RF处理第二季为冬闲，并未对土壤进行扰动，从而使土壤保持良好的结构，减缓了土壤有机质的氧化和矿化，减弱了土壤中微生物的保护性物质释放[21-22]。

由土壤碳库指标和土壤碳库活度指标计算而来的土壤碳库管理指数，反映了外界管理措施对土壤有机碳总量和土壤有机碳组分的变化情况，是评价土壤管理的良好指标[23]。王淑彬等[24]研究表明冬种作物可以提高土壤碳库管理指数。该研究表明，MR处理利于碳库活度和碳库活度指数的提高;RR处理则利于稳态碳和碳库指数的提高。由此说明，MR处理是通过提高土壤活性有机碳含量来提高土壤有机碳庫;RR处理主要是通过提高土壤的稳态碳含量来提高土壤有机碳含量。

RR模式相比RW、MR和对照（RF）模式有利于提高稻田耕层不同层次土壤有机碳储量，增加了土壤固碳潜力;随着土层增加，土壤有机碳储量总体上呈增加趋势，这与唐海明等[19]的研究结果一致。有研究报道，油菜是一种养地作物[25];殷艳等[26]研究认为，稻—油轮作不但不消耗地力反而会增加土壤地力。RR模式主要是通过提高土壤总有机碳含量来提高土壤有机碳储量，因此RR模式较其他模式具有更高的土壤碳储量以及固碳潜力。

王飞等[27]研究认为，单季稻模式改为油菜—水稻、玉米—水稻、紫云英—水稻、蚕豆—水稻水旱轮作模式后，水稻季中油菜—水稻、玉米—水稻轮作方式的增产效果最好，以玉米—水稻轮作模式的产量最高，从旱作期来看，不同轮作模式旱作期2季作物的平均产量以玉米—水稻轮作模式最高。该研究表明，对于第1季作物，RR、RW和RF处理显著高于MR处理，对于第2季作物，MR处理显著高于其他处理， 由于RF处理第2季为冬闲，因此导致RF处理的周年产量显著低于其他处理。

4 结论

经过1年的水旱轮作系统种植试验，短期内，不同水旱轮作系统对稻田不同层次的总有机碳和活性有机碳表现出一定的差异性。在0～20 cm土层，RF、RW和RR处理的总有机碳含量和活性有机碳含量较MR处理分别增加了27.52%、23.58%、27.08%和28.39%、3.15%和1.39%。MR处理利于2季作物收获后各个土层碳库活度和碳库活度指数的提高，RR处理则利于2季作物收获后各个土层稳态碳的提高。由此说明，MR处理是通过提高土壤活性有机碳含量来提高土壤有机碳库;RR处理主要是通过提高土壤的稳态碳含量来提高土壤有机碳含量。从不同水旱轮作系统来看，RR处理较其他处理具有更高的土壤碳储量以及固碳潜力，且RW、RR和MR处理的周年产量均显著高于RF处理。因此，RR模式是适宜在长江中游平原区推广的一种水旱轮作模式。

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