2025, Vol. 62
2. 岳麓山实验室, 长沙 410128;
3. 衡阳市农业科学研究院, 湖南衡阳 421000;
4. 湖南省烟草公司长沙市公司, 长沙 410007
2. Yuelushan Laboratory, Changsha 410128, China;
3. Hengyang Academy of Agricultural Sciences, Hengyang, Hunan 421000, China;
4. Changsha Branch of Hunan Provincial Tobacco Company, Changsha 410007, China
稻田作为我国主要的耕地类型之一，贡献了全国粮食总量的31.20%[1]。大部分稻田集中在南方地区，该地区光水热资源丰富，适合发展多熟制农业。2021—2023年连续三年的中央一号文件均指出：要充分利用冬闲田发展油菜。水稻–油菜复种不仅保障了粮食的供应，也满足了人们对油料的需求。而粮油产量的提升很大程度上取决于土壤肥力，促进土壤有机碳积累是增加土壤肥力的有效途径，0.1%的有机质在南方稻区相当于0.6 t·hm–2的粮食产量[2]。但是，稻油作物频繁的复种为土壤有机质的提升带来了新的挑战[3]。因此，提高稻油复种系统土壤有机碳积累，对保障国家粮油安全具有重要的作用。
秸秆等有机物料输入是土壤有机碳积累的主要来源[4]。有机物料还田后在土壤颗粒态有机碳(Particulate organic carbon，POC)和矿物结合态有机碳(Mineral-associated organic carbon，MAOC)之间的分配影响着土壤有机碳积累及其稳定性。其中，POC通常是分解程度较低的碳，易被微生物利用，用于表征活性的土壤碳库；MAOC是分解程度较高的碳，难以被微生物利用，其占比越高，土壤碳库相对越稳定，更利于有机碳积累[5]。POC和MAOC的积累受到不同农业措施的调控。如，小麦–豌豆复种下秸秆还田促进了有机碳各组分的积累，但降低了MAOC的占比[6]；秸秆还田下，玉米–牧草复种相对单一玉米种植提高了MAOC的占比，增强了土壤碳库的稳定性[7]。全球meta分析表明，集约化种植下，复种频率的增加虽减少了土壤有机碳积累，但增加了MAOC含量；而免耕相对于常规耕作降低了土壤有机碳及其各组分含量[8]。上述研究表明，复种作物类型和耕作措施的不同均会改变土壤有机碳及其组分的积累。稻油复种作为典型的水旱轮作制度，其独特的土壤氧化还原条件有别于单一的旱作和稻作复种系统[9]，不同的农业措施是如何影响土壤有机碳及其组分积累的，需要深入研究。
前期研究发现，在秸秆不还田条件下，长期稻稻油复种相对稻稻闲处理提高了水稻产量，但其土壤有机碳积累相对缓慢[10]；将油菜作为绿肥复种，降低了水稻光合碳向土壤积累，尤其是向MAOC中的分配[11]。秸秆还田作为增加土壤有机碳积累的重要措施，也是解决稻油频繁种植下农业固体废弃物的有效途径[12]，而其还田下不同复种频次和耕作措施对土壤有机碳及其组分积累影响的研究相对较少。基于此，本研究依托八年稻油复种定位试验，探究水稻和油菜秸秆全量还田下，水稻–水稻–油菜、水稻–油菜翻耕和水稻–油菜免耕等不同复种措施下土壤有机碳及其组分POC和MAOC的积累特征，以期为制定合理的稻油复种措施、充分利用秸秆，提高土壤有机碳积累和减少农业固体废弃物乱堆乱放引发的环境污染等问题提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 定位试验设计试验地位于湖南省衡阳市农业科学院实验基地(26.85°N，112.49°E)，年平均气温为18.0 ℃，年平均降雨量为1 322 mm。供试土壤为第四纪红壤发育的水稻土。定位试验始于2014年，包括四种稻油复种处理，分别为：水稻–水稻–冬闲(稻稻闲，RRF)、水稻–水稻–油菜(稻稻油，RRO)、水稻–油菜翻耕(稻油翻，ROT)、水稻–油菜免耕(稻油免，RON)。除免耕处理中水稻、油菜季均不翻耕外，其他处理中每季作物种植前均翻耕。每种处理设置4个重复小区，随机区组排列，每个小区面积为50.9 m2。所有处理除成熟的水稻籽粒和油菜籽粒外，秸秆全部还田。稻稻闲和稻稻油处理中两季稻秸秆总还田量分别约为9 400和10 712 kg·hm–2，稻稻油处理中油菜秸秆还田量约为6 331 kg·hm–2；稻油翻和稻油免处理中，一季稻秸秆还田量分别约为8 420和6 411 kg·hm–2，油菜秸秆还田量分别约为12 740和11 895 kg·hm–2。
在每年三熟处理中，每季作物的施肥量均为氮肥(N)120 kg·hm–2、磷肥(P2O5)67.5 kg·hm–2、钾肥(K2O)120 kg·hm–2；在每年两熟处理中，每季作物的N、P2O5和K2O施用量均为150、67.5和120 kg·hm–2。每季作物肥料均采用尿素、过磷酸钙和氯化钾，按基肥、分蘖(或苗)肥和穗(或薹)肥施用，施用比例分别为5︰2︰3、1︰0︰0和1︰0︰1。
1.2 土壤样品采集连续耕种八年后，于2022年晚稻收获后采集土壤样品。利用土钻采集0~20 cm和 > 20~40 cm土层样品，每个小区按照“S”形采样法，避开边行采集5个点，充分混匀为一个土壤样品，挑除可见的动植物残体和石砾后，按照四分法分取一部分土样保存于4℃恒温冰箱，用于微生物生物量和酶活性的测定；另一部分土样自然风干后过筛，用于土壤有机碳、POC、MAOC及其他土壤基本理化性质的测定。
1.3 指标测定土壤基本理化性质(有机碳、全氮、pH)采用《土壤农化分析》[13]中的方法进行测定。土壤β-葡萄糖苷酶(S-β-GC)和β-1, 4-葡聚糖酶(S-C1)活性的测定均采用比色法，其中底物均为对硝基苯酚[14]，单位以每天每克土壤生成1 μmol对硝基苯酚定义为一个酶活力单位(U·g–1)。土壤漆酶活性则采用以ABTS为底物的方法进行测定[15]，单位以每天每克土壤生成1 μmol ABTS自由基定义为一个酶活力单位(U·g–1)。微生物生物量碳(MBC)含量测定采用氯仿熏蒸–K2SO4浸提法[16]。
土壤POC和MAOC含量测定参照章晓芳等[17]的方法，具体步骤如下：称取10.00 g过2 mm筛的风干土样于100 mL离心管中，加入50 mL 5 g·L–1六偏磷酸钠溶液后放入180 r·min–1的摇床中连续振荡18 h，振荡后的悬浊液过0.053 mm筛，利用去离子水少量多次冲洗筛中土壤至筛下流水呈无色，其中筛上部分为颗粒有机物(> 0.053 mm，POM)，筛下部分为矿物结合态有机物(< 0.053 mm，MAOM)，将两部分均置于60 ℃烘箱内烘干。土样烘干后，研磨过0.149 mm筛，测定有机碳含量。土壤POC含量以及POC/SOC(%)计算公式如下：
| $ \begin{aligned} &\text { POC 含量 }\left(\mathrm{g} \cdot \mathrm{~kg}^{-1}\right)=\text { 颗粒有机物中有机碳含量 }\\ &\left(\mathrm{g} \cdot \mathrm{~kg}^{-1}\right) \times \frac{\text { 颗粒有机物质量 }(\mathrm{g})}{\text { 土壤质量 }(\mathrm{g})} \end{aligned}$ |
| $ \text{POC/SOC}(\%)=\frac{\text{POC}含量(\text{g}\cdot {\text{kg}}^{-\text{1}})}{\text{SOC}含量(\text{g}\cdot {\text{kg}}^{-\text{1}})}\times 100 $ |
MAOC和MAOC/SOC(%)的计算与上述公式一致，将式中POC改为MAOC即可。
1.4 数据处理所有试验数采用Graph pad(9.3.1)和SPSS 20. 0进行作图和统计分析，在进行数据分析前分别利用Shapro-Wilk方法和Levene’s方法检验数据的正态分布和方差齐性，均符合。处理间的差异采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行检验，利用邓肯(Duncan)法进行比较，P < 0.05时认为影响显著。环境因子与有机碳组分占比之间的相关关系利用皮尔逊相关性分析(Pearson correlation analysis)进行检验。
2 结果 2.1 不同种植措施下土壤理化性质经过八年复种后，稻稻闲、稻稻油、稻油翻和稻油免各处理SOC含量在0~20 cm土层分别为15.08、18.86、17.66和15.87 g·kg–1；在20~40 cm土层分别为7.11、8.43、10.24和9.26 g·kg–1(表 1)。相对稻稻闲处理，稻油复种各处理使SOC含量在0~20 cm土层增加5.28%~25.13%，尤其稻稻油处理；在20~40 cm土层增幅达18.48%~43.97%，其中稻油翻和稻油免处理达到显著水平(P < 0.05)。这些结果表明稻油复种促进了土壤有机碳的积累，且稻稻油三季种植主要促进了表层SOC，而稻油两季种植对深层次SOC积累的促进效果较为明显。
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表 1 稻油复种不同种植措施对不同土层土壤理化性质的影响 Table 1 Effects of different rice-rape rotation measures on soil physical and chemical properties in different soil layers |
稻油复种下土壤全氮含量与SOC具有相似的趋势(表 1)。与稻稻闲相比，稻油复种各处理使全氮含量在0~20 cm土层显著增加12.06%~43.94%，在20~40 cm土层显著增加23.80%~31.62%(P < 0.05)。相对稻稻闲，稻油复种各处理在0~20和20~40 cm土层均未显著改变土壤C/N，稻油两季种植在20~40 cm显著降低了土壤pH(P < 0.05)。
2.2 不同种植措施下土壤POC和MAOC含量及其占有机碳比例稻油复种不同程度地改变了POC和MAOC的含量(图 1a、图 1 b)。相对稻稻闲，仅稻油免处理显著改变了0~20 cm土层POC含量，使其含量降低19.71%(P < 0.05)；稻油复种各处理均显著增加了20~40 cm土层的POC含量，增幅为18.62%~26.14%(P < 0.05)。稻油复种各处理相比于稻稻闲使MAOC含量在0~20 cm和20~40 cm土层分别增加6.75%~25.00%和51.74%~57.06%，其中除了稻油翻处理下0~20 cm土层未达到显著外，其余均达到显著水平(P < 0.05)。
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注：图中误差线为标准差，同一土层不同处理无相同字母表示处理之间存在显著差异(P < 0.05)；下同。 Note: Error bars in the figures indicate standard deviation. Different treatments in the same soil layer without the same letter indicate significant differences among treatments(P < 0.05). The same below. 图 1 稻油复种不同种植措施下土壤颗粒态有机碳和矿物结合态有机碳含量及其占有机碳比例 Fig. 1 The content of POC and MAOC, as well as its ratio to SOC in different rice-rape rotation measures |
稻油复种显著改变了POC和MAOC占SOC的比例(图 1c、图 1d)。相对稻稻闲，稻油复种各处理使POC/SOC比值在0~20 cm和20~40 cm分别显著降低9.80%~21.33%和18.01%~20.75%(P < 0.05)，使MAOC/SOC比值在0~20 cm和20~40 cm分别显著提高2.31%~7.49%和1.56 %~2.66%(P < 0.05)。该结果表明稻油复种提高了土壤有机碳库的稳定性。
2.3 不同种植措施下土壤酶活性和微生物生物量及其与有机碳组分占比的相关性在土壤碳转化相关酶活性方面，相对稻稻闲，稻稻油和稻油免处理均显著提高了0~20 cm和20~40 cm土层的β-葡萄糖苷酶和β-1, 4-葡聚糖酶活性；稻油翻处理显著提高了20~40 cm土层β-葡萄糖苷酶活性，以及0~20 cm和20~40 cm土层β-1, 4-葡聚糖酶活性(图 2a、图 2b，P < 0.05)；稻稻油和稻油翻处理显著提高了0~20 cm土层漆酶活性，稻油复种各处理均显著提高了20~40 cm土层漆酶活性，尤其稻稻油处理(图 2c，P < 0.05)。在微生物生物量方面，与稻稻闲相比，稻稻油处理显著提高了20~40 cm土层MBC含量(图 2d，P < 0.05)。
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图 2 稻油复种不同种植措施下土壤酶活性和微生物生物量碳含量 Fig. 2 The soil enzyme activities and the content of MBC in different rice-rape rotation measures |
相关性分析表明，POC/SOC比值在0~20 cm土层与β-1, 4-葡聚糖酶活性呈显著负相关，在20~40 cm土层与土壤有机碳和β-1, 4-葡聚糖酶活性均呈显著负相关；MAOC/SOC比值在0~20 cm土层与土壤β-葡萄糖苷酶活性、β-1, 4-葡聚糖酶活性呈显著正相关，在20~40 cm土层与土壤有机碳和β-1, 4-葡聚糖酶活性均呈显著正相关(表 2)。该结果表明稻油复种提高了土壤有机碳库的稳定性。
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表 2 稻油复种不同种植措施下土壤酶活性和微生物生物量与有机碳组分占比的相关性分析 Table 2 Correlation analysis between the ratio of organic carbon fractions and soil enzyme activities and microbial biomass under different rice-rape rotation measures |
水稻–油菜复种是充分利用冬闲田的重要举措，是保障国家粮油安全的有效途径。稻油作物频繁复种对土壤地力的要求越来越高，促进该系统下土壤有机碳积累对提升粮油产量和减少温室气体排放均具有重要的意义。连续八年的定位试验结果表明，在水稻和油菜秸秆全量还田条件下，相对稻稻闲，无论是在双季稻基础上增加一季油菜种植，还是单季稻与油菜复种，均能提高稻田土壤有机碳含量(表 1)。这有别于秸秆不还田条件下，与稻稻闲相比，稻稻油复种减缓了土壤有机碳积累的结果[10]，表明了秸秆还田可以扭转稻油作物频繁复种对地力的不利影响，促进土壤有机碳积累，进而培肥土壤。其主要原因可能是增加或替换一季油菜秸秆还田均向土壤多输入大量的碳源，并增加了碳转化相关酶活性(图 2a–图 2c)，促进了秸秆碳源向土壤有机碳的转化与积累。该措施也能有效防止农业生产中频繁种植造成的大量秸秆乱堆乱放引发的环境风险。进一步分析发现，相对于稻稻闲处理，稻稻油三季种植对0~20 cm表层土壤有机碳积累促进作用较强，而稻油两季复种则对犁底层以下20~40 cm土层土壤有机碳积累的促进效果更为显著(表 1)。这可能是由于水稻根系集中在0~20 cm土层，而油菜根系发达，入土深度可达40~100 cm[18]，且单季稻相对于双季稻种植后复种的油菜生育期长，生物量大、根系更为发达，通过根系分泌物或残体能向土壤输入更多的碳。以往研究表明，集约化种植系统中常规耕作相对于免耕更有利于有机碳积累[8]。在本研究中，与稻油免耕相比，稻油翻耕促进了0~20 cm土层有机碳的含量，而在20~40 cm土层没有显著差异。这表明0~20 cm土层中的翻耕措施有利于秸秆与土壤混合，促进秸秆碳向土壤有机碳转化；在稻田犁底层以下的20~40 cm土层中，油菜根系及其分泌物是有机碳积累的主要来源，其在免耕和常规耕作措施下可能无显著差异。此外，秸秆还田量是影响土壤有机碳含量变化的重要因素之一[19]，在本研究中，稻油翻相较于稻油免处理具有更高的秸秆还田总量也是导致两者在0~20 cm土层有机碳含量存在差异的原因之一。
3.2 稻油复种对土壤有机碳组分及其稳定性的影响土壤POC与MAOC之间的分配规律可以表征有机碳的抗分解能力及其被微生物分解的难易程度，指示土壤碳库的稳定性，在一定程度上反映土壤肥力和土壤质量状况[20]。因此，探明稻油复种下土壤POC和MAOC的含量及其占比，有助于揭示土壤有机碳积累规律及其稳定性特征。本研究表明稻油复种不同程度地影响了POC和MAOC的积累(图 1)。在0~20 cm土层，除稻油免降低了POC含量外，其余各处理对POC积累无显著影响，但稻油复种各处理均显著增加了该层MAOC含量。其原因可能是稻稻油和稻油翻两个处理下大量的秸秆还田后经过翻耕与土壤充分接触，既提高了与易分解碳源相关的β-葡萄糖苷酶和β-1, 4-葡聚糖酶活性，也提高了与木质素等难分解碳源相关的漆酶活性(图 2a–图 2c)，使秸秆各组分分解较完全，进而促使分解后的碳与矿物相结合形成MAOC[21]，而POC变化不显著；在稻油免处理中，秸秆在还田后与土壤表面接触，仅提高了与易分解碳相关的酶活性(图 2a、图 2b)，易分解碳源彻底分解后易与矿物结合[22]，使其POC与进行翻耕的稻稻闲处理相比具有较低含量，而其MAOC含量较高。在20~40 cm土层，稻油复种各处理均显著增加了POC和MAOC含量(图 1a、图 1b)，这可能是复种的油菜根系入土较深，增加了深层土壤根系及其分泌物碳源，使POC和MAOC形态的碳含量均显著增加[23]。
深入分析发现，稻油复种各处理在0~20和20~40 cm土层均显著降低了POC占有机碳的比例，同时提高了MAOC的占比(图 1c、图 1d)，表明在秸秆还田下，稻油复种能够显著提高土壤碳库的稳定性，有利于有机碳的长效积累。稻油复种相对于稻稻闲增加了植物种植多样性，这与植物多样化种植可以增强土壤碳库稳定性的研究结果相一致[24]。土壤有机碳的稳定化过程是由微生物活动驱动的[25]，稻油复种下大量的秸秆、根系及其分泌物进入土壤后，显著提高了表层和深层土壤碳转化相关酶活性，且不同程度提高了深层土壤微生物生物量(图 2)，增强了微生物对碳源的分解和利用，进而促进输入的碳源向MAOC中分配。
3.3 稻油复种对土壤其他性质的影响及其质量评价稻油复种秸秆还田不仅促进了土壤有机碳积累，提高了碳库的稳定性，同时对土壤其他理化性质也产生了一定影响。在本研究中，土壤全氮含量与有机碳积累趋势基本一致，且土壤C/N比值在各处理间无显著差异(表 1)，这表明在秸秆全量还田条件下，稻油复种促进了土壤碳氮的协同积累。全氮的积累在一定程度上可以提高土壤氮素供应能力。我们前期研究表明长期稻油复种通过提高系统内氮素利用效率，促进水稻增产5.31%~7.38%[10]。在本研究中，稻稻油相对于稻稻闲使两季水稻平均增产14.78%。值得一提的是，与稻稻闲相比，稻稻油三季复种中多一季的油菜秸秆还田对0~20和20~40 cm土层pH无显著影响，这与其他研究中秸秆还田会造成土壤pH下降的结果不同[26]，表明了秸秆还田不会导致稻稻油三季复种系统土壤酸化。然而，稻油两季复种与稻稻闲、稻稻油三季复种相比，均使20~40 cm土层pH下降(表 1)，这可能是两季复种下油菜生育期长，输入的根系残体和根际分泌物多，且旱作时间相对较长，引起了深层土壤的pH下降[27]。此外，在本试验中，相较于稻油两季复种，稻稻油处理下具有较低的秸秆还田总量，但其表层土壤有机碳含量却较高(表 1)，这表明稻稻油三季复种模式具有更高的固碳效率。因此，无论是从保障粮油安全的角度，还是培育肥沃和健康土壤的角度，在南方地区开展稻稻油三季复种结合秸秆还田是一种相对较好的农业耕种措施。
4 结论秸秆全量还田下，稻油复种各措施均能促进不同层次土壤有机碳积累，显著提高MAOC占总有机碳的比例，增强有机碳库稳定性，有利于土壤碳库的长效储存。其中，稻稻油复种对表层土壤有机碳提升更为显著，且对各层土壤pH均无显著影响。在不考虑劳动力的条件下，从保障粮油产量、培肥土壤和提高土壤质量的角度考虑，稻稻油复种是一种相对较优的复种模式。
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