王 薇, 楊 靜, 楊文浩,2, 周碧青,2, 張黎明,2, 邢世和,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2.土壤健康與調(diào)控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002)

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添加紫云英后2種水稻土的DOC動(dòng)態(tài)特征與差異分析

王 薇1, 楊 靜1, 楊文浩1,2, 周碧青1,2, 張黎明1,2, 邢世和1,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2.土壤健康與調(diào)控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002)

以福建省2種典型中低產(chǎn)田(紅泥砂田和灰黃泥砂田)為研究對(duì)象，在15和25 ℃條件下進(jìn)行室內(nèi)模擬淹水培養(yǎng)試驗(yàn)，研究添加等量紫云英后二者的可溶性有機(jī)碳(DOC)動(dòng)態(tài)變化特征差異.結(jié)果表明：與對(duì)照相比，2種溫度培養(yǎng)下添加紫云英均顯著提高紅泥砂田和灰黃泥砂田的DOC含量，2種溫度下灰黃泥砂田的DOC含量分別比紅泥砂田高29.38%～694.98%和45.40%～471.22%，且二者均呈先增后減、最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；25 ℃條件下土壤DOC峰值(10 d)較15 ℃條件下(20 d)提前了10 d.可見(jiàn)，中低產(chǎn)水稻土添加紫云英后DOC含量均顯著提高，不同肥力水平和培養(yǎng)溫度下土壤DOC動(dòng)態(tài)變化規(guī)律相似，但其動(dòng)態(tài)特征差異較明顯，肥力相對(duì)較高的灰黃泥砂田有利于DOC的形成，培養(yǎng)溫度升高則加速DOC的形成.

紫云英; 水稻土; 可溶性有機(jī)碳; 微生物量碳; 微生物量氮

土壤可溶性有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)是指土壤中能被水或鹽溶液浸提出來(lái)的有機(jī)態(tài)碳，是土壤中最具動(dòng)態(tài)特征的碳組分[1]，與土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳遷移、固持和二氧化碳的釋放以及流域水體富營(yíng)養(yǎng)化有密切聯(lián)系.研究DOC的動(dòng)態(tài)變化對(duì)土壤養(yǎng)分的科學(xué)管理以及全球氣候變暖和流域水體富營(yíng)養(yǎng)化的有效控制等都具有重要意義[2].研究[3]表明，DOC的變化與土壤類型、環(huán)境條件、有機(jī)物料的種類及其用量等因素有關(guān).馬超等[4]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田處理明顯提高了土壤DOC含量.此外，研究[5-6]還表明綠肥翻壓可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解和土壤養(yǎng)分的循環(huán)與轉(zhuǎn)化，顯著提高土壤DOC以及微生物量碳、氮含量.微生物量碳、氮容易受到初始有機(jī)質(zhì)含量、pH、溫度等的影響，進(jìn)而影響DOC含量[7-8].紫云英是我國(guó)南方稻區(qū)主要綠肥作物之一，具有固氮、改善土壤物理性狀、提高土壤養(yǎng)分含量、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等作用[9].

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)單一水稻土翻壓后紫云英對(duì)水稻產(chǎn)量[10-11]、土壤養(yǎng)分和微生物特性[12-14]等變化的影響進(jìn)行了研究.而有關(guān)紫云英翻壓后不同類型水稻土在不同溫度下DOC變化的研究尚未見(jiàn)報(bào)道.本文以福建省2種典型的中低產(chǎn)水稻土(紅泥砂田和灰黃泥砂田)為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬淹水培養(yǎng)試驗(yàn)，研究添加等量紫云英后(45 000 kg·hm-2紫云英鮮草)2種水稻土DOC含量的動(dòng)態(tài)變化特征，探討不同肥力水平和培養(yǎng)溫度下水田土壤添加紫云英后DOC動(dòng)態(tài)變化差異及其原因，旨在為南方中低產(chǎn)水稻土改良與培肥技術(shù)的研究提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

根據(jù)第2次土壤普查結(jié)果，福建省面積較大、有機(jī)質(zhì)含量較低的中低產(chǎn)田土種類型主要包括紅土田、紅泥砂田、黃泥田、灰黃泥田、黃泥砂田和灰黃泥砂田等[15]，本文選擇福建省2種肥力水平不同但質(zhì)地相同(均為砂壤)的典型中低產(chǎn)田(紅泥砂田和灰黃泥砂田)為研究對(duì)象.供試土壤采自福建省閩侯縣白沙鎮(zhèn)溪頭村，采集的土壤經(jīng)風(fēng)干后過(guò)2 mm篩備用.采用土壤農(nóng)化化學(xué)分析方法[16]分析相關(guān)土壤理化性狀(表1).供試紫云英(閩紫七號(hào))由福建農(nóng)科院土壤肥料研究所提供，全氮、磷和鉀含量分別為32.7、1.20和20.30 g·kg-1，有機(jī)碳含量為377.03 g·kg-1.

表1 供試土壤相關(guān)理化性質(zhì)

1.2 培養(yǎng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)設(shè)置2種水稻土在15和25 ℃培養(yǎng)溫度下不添加紫云英(對(duì)照)和添加等量紫云英2個(gè)處理.紫云英翻壓量分為低量、中量和高量3個(gè)等級(jí)，分別為15 000、30 000和45 000 kg·hm-2[17]，由于供試紅泥砂田和灰黃泥砂田的有機(jī)質(zhì)含量均不高，故本研究選擇高翻壓量來(lái)添加紫云英，即每公頃土壤添加45 000 kg紫云英鮮草(折算為每克土壤添加新鮮紫云英0.02 g).對(duì)照和添加紫云英處理土壤的每個(gè)溫度和培養(yǎng)時(shí)間均設(shè)3個(gè)重復(fù)，分別于添加紫云英后5、10、15、20、25、30、40、60、80 d取樣，利用恒溫恒濕培養(yǎng)箱進(jìn)行模擬淹水培養(yǎng).稱取50 g供試土壤于100 mL燒杯中，等比例稱取新鮮原狀紫云英的根、莖、葉共1 g翻埋于土樣中部，確保添加的紫云英與供試土壤充分接觸；加60 mL水，稱重后放入事先設(shè)置好溫度的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng)；培養(yǎng)過(guò)程中通過(guò)稱重定期補(bǔ)充水分，以確保土壤處于淹水狀態(tài).

1.3 土壤DOC含量及微生物量碳、氮的測(cè)定

每隔5、10、15、20、25、30、40、60、80 d分別取出3個(gè)重復(fù)培養(yǎng)燒杯，攪拌均勻靜置后，取上清液于高速離心機(jī)中以5 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速離心15 min，過(guò)濾；采用TOC分析儀測(cè)定離心清液中的總碳(TC)和無(wú)機(jī)態(tài)碳(IC)含量，兩者相減得到DOC含量.土壤微生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸浸提—水浴法測(cè)定[18].利用TOC分析儀測(cè)定熏蒸和未熏蒸樣品的有機(jī)碳、全氮含量.

式中，A表示熏蒸提取碳的TOC測(cè)定值/(mg·L-1);B表示未熏蒸提取碳的TOC測(cè)定值/(mg·L-1);

C表示熏蒸提取氮的TN測(cè)定值/(mg·L-1);D表示未熏蒸提取氮的TN測(cè)定值/(mg·L-1);

V表示K2SO4浸提體積+土樣所含水體積;M表示烘干土重/g;

KEC、KEN為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45[19].

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPPS 19.0軟件對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì).采用LSD方法進(jìn)行不同溫度、土壤以及不同處理間的差異顯著性檢驗(yàn)；采用Pearson法檢驗(yàn)DOC與微生物碳、氮之間的相關(guān)性，P<0.05表示差異顯著.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型水稻土DOC的動(dòng)態(tài)差異特征

為了研究不同肥力水平水稻土(紅泥砂田和灰黃泥砂田)添加紫云英后DOC動(dòng)態(tài)差異特征，分別在培養(yǎng)5、10、15、20、25、30、40、60、80 d后分析紅泥砂田和灰黃泥砂田DOC含量(圖1a、1b).從圖1可看出：在15和25 ℃培養(yǎng)溫度下，不同類型水稻土DOC動(dòng)態(tài)變化規(guī)律基本一致，呈先增后減、再趨于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律.添加紫云英處理的灰黃泥砂田在不同培養(yǎng)時(shí)間的DOC含量均高于紅泥砂田，分別比紅泥砂田提高29.38%～694.98%和45.40%～471.22%.方差分析結(jié)果表明，添加紫云英后，2種溫度下的灰黃泥砂田與紅泥砂田間的DOC含量差異也達(dá)到顯著水平(P<0.05).由此可見(jiàn)，在15和25 ℃培養(yǎng)溫度下，肥力相對(duì)較高的灰黃泥砂田添加紫云英后DOC含量不同程度地高于肥力相對(duì)較低的紅泥砂田.在15 ℃溫度下添加紫云英后紅泥砂田和灰黃泥砂田在不同培養(yǎng)時(shí)間下DOC含量分別比對(duì)照提高44.23%～918.48%和73.63%～657.01%，25 ℃溫度下2種水稻土不同培養(yǎng)時(shí)間的DOC含量分別比對(duì)照提高81.25%～4101.89%和48.98%～423.09%.方差分析結(jié)果表明，不同培養(yǎng)溫度下添加紫云英后2種水稻土DOC含量與對(duì)照間的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05).由此可見(jiàn)，添加紫云英處理顯著提高紅泥砂田和灰黃泥砂田的DOC含量.

a.15 ℃;b.25 ℃.

2.2 不同溫度下水稻土DOC的動(dòng)態(tài)差異

通過(guò)比較圖1a與圖1b可知，添加紫云英后紅泥砂田25 ℃下的DOC含量比15 ℃的低；25 ℃下2種水稻土DOC含量均達(dá)到峰值的時(shí)間提前，較15 ℃提早10 d.在15 ℃下添加紫云英后的紅泥砂田和灰黃泥砂田的DOC含量在10 d內(nèi)均迅速升高，之后緩慢升高，培養(yǎng)第20天時(shí)達(dá)到峰值，分別比對(duì)照提高562.59%和657.01%；在25 ℃下2種水稻土DOC含量迅速升高，培養(yǎng)第10天時(shí)達(dá)到峰值，分別比對(duì)照提高4101.89%和329.31%；之后2種水稻土DOC含量均呈下降趨勢(shì)，培養(yǎng)40 d后趨于相對(duì)穩(wěn)定.由此可見(jiàn)，不同培養(yǎng)溫度下2種水稻土DOC動(dòng)態(tài)變化規(guī)律相似，因此，溫度升高并不改變DOC的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，但會(huì)加快DOC的分解，從而使DOC含量降低.

2.3 水稻土微生物量碳、氮的動(dòng)態(tài)變化及其差異

為了解析DOC的動(dòng)態(tài)特征，研究了相同條件下微生物量碳、氮的動(dòng)態(tài)變化，即2種水稻土在不同溫度下的微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)含量的變化(圖2和圖3).由圖2可知，15和25 ℃溫度下紅泥砂田和灰黃泥砂田的MBC動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)與DOC一致，即隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增后降、再趨于相對(duì)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；且在15和25 ℃下2種水稻土MBC的峰值也分別出現(xiàn)在20和10 d，分別比對(duì)照提高496.98%、237.40%和605.55%、58.32%；灰黃泥砂田的MBC動(dòng)態(tài)含量均顯著高于紅泥砂田，分別比紅泥砂田高44.26%～278.00%和1.69%～570.01%.與對(duì)照相比，添加紫云英處理的紅泥砂田和灰黃泥砂田的MBC均顯著提高，分別比對(duì)照提高11.16%～1237.87%和0.66%～309.25%.

a.15 ℃;b.25 ℃.

從圖3可見(jiàn)，不同溫度下添加紫云英后紅泥砂田和灰黃泥砂田微生物量氮(MBN)的整體變化趨勢(shì)與MBC相似.在15 ℃下隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，2種水稻土MBN含量迅速升高，第15天達(dá)到峰值(34.30和50.93 mg·kg-1)，分別較對(duì)照提高了157.56%、178.17%；之后快速下降，至30 d后緩慢下降.在25 ℃添加紫云英后2種水稻土MBN含量迅速升高，第10天達(dá)到峰值(42.02和61.95 mg·kg-1)，比對(duì)照提高239.50%、104.40%；之后快速下降，25 d后呈波動(dòng)式緩慢上升或下降.灰黃泥砂田的MBN動(dòng)態(tài)含量均顯著高于紅泥砂田，分別比紅泥砂田提高38.99%～340.80%和0.60%～85.30%.與對(duì)照相比，添加紫云英處理的紅泥砂田和灰黃泥砂田的MBN含量均顯著提高，分別比對(duì)照提高30.33%～286.04%和23.14%～296.91%.

a.15 ℃;b.25 ℃.

3 討論

土壤DOC主要來(lái)源于植物的枯枝落葉等凋落物、根系分泌物和土壤動(dòng)物及微生物新陳代謝的產(chǎn)物， 同時(shí)也是土壤微生物礦化分解的對(duì)象，處于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中[20-21].此外，土壤的顆粒組成、初始有機(jī)碳含量以及長(zhǎng)期添加有機(jī)物料(如秸稈、綠肥等)能夠直接或間接影響土壤DOC含量[7,22-24].本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在添加等量紫云英的情況下，灰黃泥砂田DOC含量較紅泥砂田高，這是由于灰黃泥砂田的初始有機(jī)質(zhì)含量以及粘粒含量高于紅泥砂田，進(jìn)而影響土壤微生物活動(dòng)以及DOC的形成.粘粒含量越高，土壤對(duì)DOC的吸附力越強(qiáng)[22]；而有機(jī)質(zhì)含量越高，微生物群落代謝能力越強(qiáng)，則土壤DOC含量也越高[7].此外，MBC、MBN也是影響DOC的重要因素之一，一方面由于灰黃泥砂田的初始有機(jī)質(zhì)含量高于紅泥砂田，灰黃泥砂田為微生物提供的碳源較紅泥砂田多，促進(jìn)了土壤微生物的繁殖[25]；另一方面灰黃泥砂田pH低于紅泥砂田，導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而影響土壤微生物量[26]，而pH與微生物量呈負(fù)相關(guān)，因此表現(xiàn)為灰黃泥砂田的MBC、MBN含量高于紅泥砂田，故灰黃泥砂田的DOC含量也就明顯高于紅泥砂田.添加紫云英后2種水稻土DOC含量顯著高于對(duì)照，這與練成燕等[27].研究結(jié)果一致.主要是由于有機(jī)物料本身含有可溶性有機(jī)物質(zhì)[28].本研究添加的新鮮紫云英不僅含有豐富的可溶性有機(jī)物質(zhì)，而且C/N較低，為土壤微生物活動(dòng)提供了較豐富的碳、氮源，有助于土壤微生物的快速繁殖，促使紫云英中的有機(jī)物質(zhì)分解形成DOC.

本研究結(jié)果表明不同水稻土添加紫云英后DOC含量呈先增后減、再趨于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，與仇少君等[29]的研究結(jié)果相一致，主要與紫云英腐解規(guī)律[30]以及土壤中微生物數(shù)量及其活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān).研究[31]表明土壤DOC與微生物量碳、氮之間存在顯著或極顯著的正相關(guān).本研究中水稻土DOC含量動(dòng)態(tài)變化與MBC、MBN的變化規(guī)律相一致，且DOC含量與MBC、MBN含量均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.86(P<0.01).表明由于紫云英的添加，在培養(yǎng)前期不僅給土壤輸入可溶性有機(jī)物質(zhì)，而且也帶入較多的碳氮源，為土壤微生物生長(zhǎng)繁殖提供較豐富的能量[8]，促使紫云英及土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步分解形成DOC，致使水稻土DOC與MBC、MBN含量同步快速提高并達(dá)到峰值.但隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)及有機(jī)質(zhì)礦化作用的進(jìn)行，可供微生物利用的養(yǎng)分和能量開(kāi)始減少，土壤DOC也成為微生物分解的對(duì)象，導(dǎo)致DOC含量逐漸下降；而隨著DOC含量的下降，土壤中微生物生長(zhǎng)發(fā)育所需的養(yǎng)分和能量持續(xù)下降，從而抑制了微生物的活動(dòng)和繁殖，導(dǎo)致土壤DOC和微生物量碳、氮含量趨于相對(duì)穩(wěn)定.

在不同溫度下長(zhǎng)期施肥，微生物量碳、氮是反映土壤DOC變化的最敏感指標(biāo)[8]，說(shuō)明溫度可以通過(guò)影響微生物活性、數(shù)量和群落組成來(lái)影響土壤有機(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程，進(jìn)而影響DOC.本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)溫度升高，水稻土DOC含量出現(xiàn)峰值的時(shí)間提前了10 d，且25 ℃溫度下水稻土DOC的峰值高于15 ℃；不同溫度下翻壓紫云英后土壤MBC含量出現(xiàn)峰值的時(shí)間均與DOC含量峰值出現(xiàn)的時(shí)間相吻合.表明隨著溫度的升高，土壤中微生物數(shù)量增多，活性增強(qiáng)，微生物分解含碳有機(jī)物的能力也相應(yīng)增強(qiáng)，促使紫云英礦化形成DOC.但在培養(yǎng)后期，25 ℃溫度下的土壤DOC含量卻低于15 ℃，其原因是由于在較高培養(yǎng)溫度下，后期較強(qiáng)的微生物活性促使土壤DOC的進(jìn)一步分解，導(dǎo)致DOC含量明顯下降.

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(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)

Dynamic characteristics and difference of dissolved organic carbon in two types of paddy soils after Chinese milk-vetch application

WANG Wei1, YANG Jing1, YANG Wenhao1,2, ZHOU Biqing1,2, ZHANG Liming1,2, XING Shihe1,2

(1.College of Resource and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou， Fujian 350002, China;2.University Key Lab of Soil Ecosystem Health and Regulation in Fujian, Fuzhou, Fujian 350002, China)

Waterlogged incubation experiment was conducted with 2 typical low yield paddy soils, red mud sand and grey yellow sand, at 15 ℃ and 25 ℃. Changes in dissolved organic carbon (DOC) content after Chinese milk-vetch application were monitored. The results showed that DOC contents in 2 paddy soils applied with Chinese milk vetch increased significantly compared with the control at both 15 ℃ and 25 ℃. DOC contents in grey yellow sand were 29.38%-694.98% (15 ℃) and 45.40%-471.22% (25 ℃) higher than those in red mud sand. Variation pattern of DOC content for both paddy soils started with dramatic rise and then declined gradually, ending up in low levels for latter part of the incubations. DOC level reached the maximum on the 15th day of the experiment when incubated at 25 ℃, which was 10 d earlier comparing to incubation at 15 ℃. To summarize, Chinese milk vetch is likely to increase DOC content in waterlogged paddy soil. Change trends of DOC contents in 2 typical paddy soils were similar but grey yellow sand with higher fertility and temperature accelerated DOC formation.

Chinese milk-vetch; paddy soils; dissolved organic carbon; microbial biomass carbon; microbial biomass nitrogen

2016-08-16

2016-12-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41671490).

王薇(1992-)，女，碩士研究生.研究方向：植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境生態(tài).Email：542856845@qq.com.通訊作者邢世和(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.研究方向：土壤環(huán)境生態(tài)與碳氮循環(huán).Email：fafuxsh@126.com.

S131+.2; S142+.1; S154

A

1671-5470(2017)04-0453-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.04.016