劉小粉，賀小思，易柏寧，劉春增，曹衛(wèi)東

（1．河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；2．河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；3．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

豫南稻區(qū)為單季稻產(chǎn)區(qū)，每年有大量冬閑田，當(dāng)?shù)亓?xí)慣種植冬綠肥紫云英，并于水稻插秧前翻壓還田用于土壤培肥。綠肥翻壓還田能使化肥施用量減少40%仍能保證水稻不減產(chǎn)［1］，還能活化土壤養(yǎng)分、改善土壤結(jié)構(gòu)和防止水土流失［1-5］，從而緩解化肥過度施用導(dǎo)致的土壤板結(jié)、食品安全和環(huán)境風(fēng)險問題，對土壤培肥和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)意義重大［5-6］。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤重要組成部分，含量雖少卻對土壤結(jié)構(gòu)改善、肥力保持、功能調(diào)節(jié)及植物生長發(fā)育起著關(guān)鍵作用［7］，因此，提升土壤有機(jī)質(zhì)/有機(jī)碳含量和質(zhì)量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。研究表明，綠肥還田能顯著提高稻田土壤總有機(jī)碳含量及土壤活性有機(jī)碳含量［4，8-10］，連續(xù)種植綠肥還能促進(jìn)有機(jī)碳在大團(tuán)聚體中固持［11］，但也有研究發(fā)現(xiàn)綠肥還田未顯著提高土壤有機(jī)碳含量［1，12］，需要進(jìn)一步研究。另外，目前關(guān)于有機(jī)碳的研究多集中于綠肥與化肥、秸稈配施效果，綠肥與有機(jī)肥配施效果報道較少，已有相關(guān)報道主要關(guān)注綠肥有機(jī)肥配施與其他施肥模式的差異性比較［13］，不同綠肥翻壓量與有機(jī)肥配施效果如何，尚缺乏相關(guān)報道。隨著人們生活水平和消費(fèi)理念提升，不施化肥的稻米越發(fā)受到青睞，而豫南稻區(qū)利用冬閑田種植綠肥翻壓還田并配施有機(jī)肥，是水稻清潔生產(chǎn)（有機(jī)生產(chǎn)）值得借鑒的培肥模式，但尚未開展相關(guān)科學(xué)研究。因此，該研究擬從宏觀（土壤）和微觀（團(tuán)聚體）兩個層面探討施有機(jī)肥條件下配施不同量綠肥對土壤有機(jī)碳組分和水稻產(chǎn)量的影響，為水稻清潔生產(chǎn)高效培肥和保障產(chǎn)量提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

該試驗(yàn)位于信陽市農(nóng)科院水稻試驗(yàn)田，土壤耕層質(zhì)地為粘壤，種植制度為單季稻，水稻品種為秈稻兩優(yōu)6326，水稻收獲后移除秸稈部分。共設(shè)置4 個處理:（1）有機(jī)肥（OF）；（2）有機(jī)肥+綠肥2 000 kg·hm-2（OF+GM1）；（3）有機(jī)肥+綠肥3 000 kg·hm-2（OF+GM2）；（4）有機(jī)肥+綠肥4 000 kg·hm-2（OF+GM3）。每個處理重復(fù)3 次，每個重復(fù)面積為15.3 m2，重復(fù)間做田埂并用塑料板隔開以防串水串肥，留0.8 m 寬溝以便灌排及其它田間管理。4 個處理均施用商品有機(jī)肥做基肥，施用量為100 kg·hm-2，其氮、磷、鉀含量分別為1.81%、1.22%、2.38%。除OF 處理外，其它3 個處理于每年9 月底水稻收獲后種植綠肥（當(dāng)?shù)刈显朴ⅲ?，并于下茬水稻插秧前（約4 月上、中旬）至少提前兩周收獲綠肥，按各試驗(yàn)處理綠肥用量不同，稱重后翻壓還田。試驗(yàn)連續(xù)開展兩年。

1.2 樣品采集與測定

水稻收獲后以挖剖面方式采集0 ～15 cm 耕層原狀土壤，每個小區(qū)隨機(jī)采集6 點(diǎn)進(jìn)行混合，用方形大鐵盒帶回實(shí)驗(yàn)室。過8 mm 篩后放置于牛皮紙上自然風(fēng)干，用濕篩法［14］分離團(tuán)聚體得到＞2、0.25 ～2、0.05 ～0.25 和＜0.05 mm 4個團(tuán)聚體粒級。選取占絕對優(yōu)勢的0.25 ～2 mm 團(tuán)聚體，采用改進(jìn)后密度浮選法［15］進(jìn)行分組，具體步驟為:（1）取5 g 團(tuán)聚體放入離心管中，加入1.85 g·cm-3的碘化鈉溶液35 mL，用手左右晃動離心管使其充分混合，待靜置20 min 后放入離心機(jī)進(jìn)行離心，棄去上層溶液，再用去離子水重復(fù)洗滌-離心3 ～5 次；（2）將土樣完全轉(zhuǎn)移到三角瓶中，并用少量去離子水沖洗干凈，在三角瓶中加入0.5 mol·L-1的六偏磷酸鈉10 mL，再加入約50 mL 去離子水，之后放入震蕩箱中持續(xù)震蕩8 h，把震蕩好的土樣依次過0.25 和0.05 mm 篩，將得到的三部分土粒分別轉(zhuǎn)移到小鋁盒中，在烘箱中烘干24 h，即得到加碘化鈉預(yù)處理的＜0.05、0.05 ～0.25 和0.25 ～2 mm 3 個 粒 級 的烘干土樣。同時取5 g 土樣放入三角瓶，重復(fù)步驟（2），即得到不加碘化鈉處理的＜0.05、0.05 ～0.25和0.25 ～2 mm 3個粒級的烘干土樣。以上步驟如圖1 所示。土壤、團(tuán)聚體及各組分有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法［16］測定。水稻產(chǎn)量為各小區(qū)實(shí)打?qū)嵤铡?/p>

圖1 土壤團(tuán)聚體各組分有機(jī)碳分組流程圖

1.3 統(tǒng)計分析

用SPSS 19 進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性差異和相關(guān)分析。采用單因素（one-way ANOVA）-Duncan 法進(jìn)行處理間顯著性差異分析，采用Pearson 法進(jìn)行各變量之間的相關(guān)性分析，顯著性水平均為P＜0.05。

表1 不同處理對土壤及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和水稻產(chǎn)量的影響

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥綠肥配施對土壤和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響

由表1 看出，水稻實(shí)測產(chǎn)量在處理間產(chǎn)生了顯著差異（P＜0.05），表現(xiàn)趨勢為OF＜OF+GM1＜OF+GM2和OF+GM3，OF+GM1、OF+GM2、OF+GM3 處理水稻產(chǎn)量比OF 分別提高37.2%、62.0%和63.1%。由表1 還看出，土壤有機(jī)碳含量在12.0 ～12.5 g·kg-1之間，處理間差異不顯著（P＞0.05）。在團(tuán)聚體尺度，有機(jī)碳含量隨團(tuán)聚體粒徑減小明顯降低，從大到小各粒徑平均值分別為17.8、13.0、10.4 和7.6 g·kg-1；但在處理間有機(jī)碳含量未產(chǎn)生顯著差異。該試驗(yàn)點(diǎn)前期研究［12］發(fā)現(xiàn)，除＜0.05 mm 團(tuán)聚體外，其它團(tuán)聚體含量均在處理間產(chǎn)生了顯著差異，團(tuán)聚體分布的變化引起了團(tuán)聚體穩(wěn)定性相應(yīng)改變，與OF 相比，配施綠肥的3 個處理團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高26%～42%。即綠肥還田雖未顯著提高土壤和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，卻引起土壤團(tuán)聚體分布變化，從而提高其穩(wěn)定性。鑒于團(tuán)聚體形成和有機(jī)碳周轉(zhuǎn)密切相關(guān)［17-19］，筆者假設(shè)團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳分布發(fā)生了變化，后面選取占絕對優(yōu)勢的粒級（0.25～2 mm 團(tuán)聚體），對有機(jī)碳分布展開進(jìn)一步分析。

2.2 有機(jī)肥綠肥配施對團(tuán)聚體各組分有機(jī)碳含量的影響

不同處理0.25 ～2 mm 團(tuán)聚體經(jīng)分散、篩分得到各組分有機(jī)碳含量如圖2 所示。對于同一處理，不同組分有機(jī)碳含量存在明顯差異:組分粒徑越大其有機(jī)碳含量越高，即0.25 ～2 mm＞0.05 ～0.25 mm＞＜0.05 mm。處理間相比較，0.25 ～2 mm 粒級有機(jī)碳含量無顯著差異（P＞0.05）。＜0.05 mm 粒級為OF ≤OF+GM2 和OF+GM3 ≤OF+GM1， 其 中OF+GM1、OF+GM2、OF+GM3 比OF 處理有機(jī)碳含量分別提高42.0%、13.2%、13.1%。0.05 ～0.25 mm粒 級 為OF ≤OF+GM1 ≤OF+GM2 和OF+GM3，其中OF+GM1、OF+GM2、OF+GM3 比OF 處理有機(jī)碳含量分別提高11.7%、20.7%、27.6%。因此，配施綠肥能有效提高各組分有機(jī)碳含量。

圖2 不同處理0．25 ～2 mm 團(tuán)聚體各組分有機(jī)碳含量

2.3 有機(jī)肥綠肥配施對團(tuán)聚體重組各組分有機(jī)碳含量的影響

不同處理0.25 ～2 mm 團(tuán)聚體經(jīng)碘化鈉浮選后，棄去上部游離輕組（因該土樣輕組肉眼幾乎不可見、量少，很難收集夠量以達(dá)到測定有機(jī)碳含量，因此棄去），只保留重組，再對重組進(jìn)行分散、篩分后得到的各組分有機(jī)碳含量如圖3 所示。對于同一處理，不同粒級有機(jī)碳含量存在明顯差異:粒徑越大其有機(jī)碳含量越高，即0.25 ～2 mm＞0.05 ～0.25 mm＞＜0.05 mm，與圖2 不經(jīng)碘化鈉浮選趨勢一致。對于同一粒級，各組分有機(jī)碳含量在處理間無顯著性差異（P＞0.05）。

圖3 不同處理0．25 ～2 mm 團(tuán)聚體重組各組分有機(jī)碳含量（加碘化鈉浮選）

3 討論與結(jié)論

該研究經(jīng)過兩年定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在施有機(jī)肥基礎(chǔ)上配施綠肥未顯著提高土壤及各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。楊艷［13］也發(fā)現(xiàn)，單施紫云英、單施有機(jī)肥、有機(jī)肥紫云英減半后配施未使水稻土團(tuán)聚體有機(jī)碳含量發(fā)生顯著變化，這與筆者的研究結(jié)果一致。而多數(shù)研究表明，綠肥還田不僅顯著提高土壤有機(jī)碳含量［9-10］，還提高土壤活性有機(jī)碳和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量［8-11］，與筆者研究結(jié)果不一致。這除了受土壤本底值、試驗(yàn)設(shè)置及試驗(yàn)?zāi)晗薜韧庖蛴绊?，還和有機(jī)碳自身性質(zhì)有關(guān):土壤有機(jī)碳含量僅能反映土壤總有機(jī)碳輸入與礦化平衡結(jié)果，并不能反映各功能庫情況。事實(shí)上，土壤有機(jī)質(zhì)/有機(jī)碳由不同的功能庫組成，各自有特定的穩(wěn)定機(jī)制和周轉(zhuǎn)速率，某些碳庫可能對不同農(nóng)業(yè)措施的反映比土壤總有機(jī)碳更靈敏，因此，有機(jī)質(zhì)分組是闡明土壤有機(jī)質(zhì)關(guān)鍵功能的常用方法［15，20-21］。其中，物理分組法對有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞程度小，分離出的有機(jī)質(zhì)組分能較真實(shí)反映原狀有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能，尤其能反映有機(jī)質(zhì)的位置和周轉(zhuǎn)特征［22-23］。該研究物理分組結(jié)果也證明了這一點(diǎn):盡管土壤和團(tuán)聚體有機(jī)碳無顯著變化，但對0.25 ～2 mm 團(tuán)聚體進(jìn)行物理分組后發(fā)現(xiàn)，與OF 處理相比，有機(jī)肥綠肥配施有機(jī)碳含量在＜0.05 和0.05 ～0.25 mm 這兩個組分（粒級）中顯著提高（圖2）。

該研究采用密度分組法把0.25 ～2 mm 團(tuán)聚體分為游離輕組和重組兩部分，進(jìn)一步分析導(dǎo)致圖2 中有機(jī)碳含量產(chǎn)生差異的關(guān)鍵組分。結(jié)果表明，棄去游離輕組保留重組后，用同樣的方法把重組分成3個組分，每個組分有機(jī)碳含量在處理間均無顯著差異（圖3），這與圖2 有機(jī)碳含量在處理間差異顯著不一致（表現(xiàn)在＜0.05 和0.05 ～0.25 mm 兩個組分）。在實(shí)驗(yàn)處理過程中，圖3 比圖2 多了棄去游離輕組這個步驟，說明游離輕組是導(dǎo)致有機(jī)肥綠肥配施處理有機(jī)碳含量提高的原因。這與楊艷［13］研究結(jié)果一致，她發(fā)現(xiàn)與單施有機(jī)肥、單施紫云英相比，有機(jī)肥紫云英減半配施能顯著提高土壤輕組有機(jī)碳含量。但楊艷［13］研究結(jié)果顯示，單施有機(jī)肥重組有機(jī)碳含量比單施紫云英、有機(jī)肥紫云英減半配施顯著提高，這與圖3 重組結(jié)果不一致。這可能和本研究試驗(yàn)只有2 年、時間較短有關(guān)（對方試驗(yàn)4 年），因?yàn)橹亟M有機(jī)質(zhì)主要存在于有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體中，周轉(zhuǎn)較慢，物理保護(hù)程度高，對農(nóng)業(yè)管理措施響應(yīng)較慢［24］。反之，輕組有機(jī)質(zhì)主要成分為動植物殘體、菌絲體、孢子、單糖、多糖、半木質(zhì)素等生物活性高的有機(jī)物，轉(zhuǎn)化分解較重組迅速，一般幾周到幾十年［25-27］，對耕作、施肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施響應(yīng)更快，也是判斷土壤有機(jī)碳固持特征變化快速而有效的手段［28-29］。因此，該研究在實(shí)驗(yàn)步驟中棄去游離輕組后，不同處理有機(jī)碳含量由圖2 存在差異變?yōu)閳D3 無顯著性差異，也恰好說明輕組易變、重組不易變。

鑒于水稻產(chǎn)量和部分組分有機(jī)碳含量在處理間都產(chǎn)生了顯著變化，該研究對兩者進(jìn)行了相關(guān)分析（表2）。結(jié)果表明，產(chǎn)量與0.25 ～2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和0.05 ～0.25 mm 組分有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。因此，綠肥還田除直接提高水稻產(chǎn)量，還通過提高0.25 ～2 mm 團(tuán)聚體和0.05 ～0.25 mm 組分有機(jī)碳含量間接影響水稻產(chǎn)量。但由于團(tuán)聚體有機(jī)碳在處理間并未產(chǎn)生顯著差異（表1），因此，綠肥還田可能主要通過0.05 ～0.25 mm 組分有機(jī)碳含量變化間接影響水稻產(chǎn)量。表2 還顯示，水稻產(chǎn)量與土壤、＜0.05 mm 組分和0.25 ～2 mm 組分有機(jī)碳含量正相關(guān)但相關(guān)性不顯著，可能因?yàn)橥寥馈?.25 ～2 mm 組分有機(jī)碳含量在處理間無顯著差異，雖然＜0.05 mm 組分有機(jī)碳含量在處理間差異顯著，但與0.05 ～0.25 mm 組分相比，其有機(jī)碳含量水平很低（圖2），因此對水稻產(chǎn)量影響相對較小。綜上所述，兩年施肥試驗(yàn)表明:（1）在施有機(jī)肥條件下，綠肥還田不能提高土壤及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，卻顯著提高水稻產(chǎn)量。（2）進(jìn)一步對0.25 ～2 mm 團(tuán)聚體物理分組發(fā)現(xiàn)，所得3 個組分有機(jī)碳含量隨粒徑增大而升高；與OF 處理相比，綠肥還田使0.05 ～0.25 mm 和＜0.05 mm 組分有機(jī)碳含量顯著提高，這些變化主要由游離輕組引起。（3）相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，綠肥還田除直接提高水稻產(chǎn)量，還通過提高0.05 ～0.25 mm 組分有機(jī)碳含量間接影響水稻產(chǎn)量。因此，水稻清潔生產(chǎn)（有機(jī)生產(chǎn)）中，提倡有機(jī)肥綠肥配施，綠肥配施量可根據(jù)輪作綠肥產(chǎn)草量選擇3 000 ～4 000 kg·hm-2。

表2 水稻產(chǎn)量與土壤、團(tuán)聚體及各組分有機(jī)碳含量的相關(guān)分析