陶玥玥 周新偉 金梅娟 施林林 陸長嬰 王海候
摘要: 為探求稻田濕潤灌溉對還田小麥秸稈腐解特征、土壤有機碳含量及其組分的影響,在太湖稻作區(qū)開展2年田間試驗,設定秸稈還田與否(小麥秸稈不還田、小麥秸稈還田)和種植體系(常規(guī)淹水灌溉、濕潤灌溉)雙因素試驗,采用原位模擬網袋法和土壤有機碳化學分組法測定還田小麥秸稈腐解率,碳、氮、磷、鉀釋放率以及土壤活性有機碳庫和土壤總有機碳的變化。研究結果表明,濕潤灌溉體系下還田小麥秸稈腐解率較常規(guī)淹水灌溉體系顯著增加了12.5%,小麥秸稈碳、氮、磷的釋放率分別顯著增加了8.9%、9.8%和13.1%。小麥秸稈中鉀釋放較快,不同種植體系間無顯著差異。與常規(guī)淹水灌溉體系相比,濕潤灌溉體系的土壤活性有機碳含量顯著提高,并且在小麥秸稈還田條件下更為明顯,土壤微生物量碳有效性和活性有機碳有效性顯著提高。與常規(guī)淹水灌溉相比,濕潤灌溉可促進還田小麥秸稈養(yǎng)分釋放以及土壤活性碳庫提升,濕潤灌溉可作為太湖稻作區(qū)可行的灌溉策略。
關鍵詞: 稻麥輪作;濕潤灌溉;小麥秸稈還田;秸稈腐解率;土壤活性有機碳
中圖分類號: S155.4 文獻標識碼: A 文章編號: 1000-4440(2022)01-0094-08
Abstract: To investigate the effects of saturated irrigation on the decomposition of wheat straw, soil organic carbon content and its components, a two-year field experiment was carried out in the rice growing area of Taihu Lake region. Two experimental factors of straw returning (with and without wheat straw returning) and rice growing system (traditional flooding and water-saturated irrigation) were included, using the simulated method with net bag in the field and soil organic carbon chemical grouping method, the rate of wheat straw decomposition, the release rates of carbon, nitrogen, phosphorus and potassium and changes of soil active organic carbon pool and total organic carbon were measured. Compared with the conventional flooding system, the decomposition rate of wheat straw in the water-saturated irrigation system was significantly increased by 12.5%, and the release rates of carbon, nitrogen and phosphorus in wheat straw were significantly increased by 8.9%, 9.8% and 13.1%, respectively. Potassium in wheat straw was released faster, and there was no significant difference between different planting systems. The content of soil active organic carbon in water-saturated irrigation system was significantly higher than that in the conventional flooding system, and it was more obvious under wheat straw returning. In addition, the soil microbial biomass carbon availability and active organic carbon availability were significantly improved. Hence, compared with the conventional flooding system, water-saturated irrigation system could promote the nutrient release rate of wheat straw and enhance the soil active carbon pool, which could be used as a feasible irrigation strategy in the rice-growing region of Taihu Lake.
Key words: rice-wheat rotation system;water-saturated irrigation;wheat straw returning;decomposition rate of wheat straw;soil active organic carbon
太湖稻作區(qū)是中國水稻主要生產地區(qū),以水稻-小麥復種為主要輪作制度,也是中國秸稈資源相對過剩的農作區(qū)之一,秸稈種類多,數量大。秸稈還田可以促進土壤養(yǎng)分循環(huán),維持土壤有機質水平,是提高農田土壤有機碳含量的重要措施[1]。秸稈腐解率是判斷秸稈還田能否發(fā)揮固碳效應的關鍵指標,與水分、溫度等環(huán)境因子息息相關[2]。土壤中的活性有機碳可被土壤微生物、植物直接利用,參與土壤生物化學過程,其對外界環(huán)境變化十分敏感,能在土壤總有機碳變化之前反映土壤碳庫的微小變動[3]。因此,研究土壤有機碳及其活性組分的變化,有利于揭示農業(yè)措施對土壤有機碳的影響機理。
土壤含水量是影響秸稈分解過程和土壤碳庫變化的重要環(huán)境因子[4]。隨著現代農業(yè)集約化生產水平的提高,作物產量不斷增加,單位面積上用于還田的秸稈量也隨之增加[5]。當前,太湖稻作區(qū)以傳統淹水管理為主,即除最高分蘗期排水曬田外,水稻移栽至成熟期前14 d田間均保持一定水層。淹水稻田持續(xù)輸入大量秸稈,不僅造成秸稈分解困難,易產生還原性物質,抑制水稻生長,還會引起溫室氣體排放和農業(yè)面源污染,導致一系列生態(tài)、經濟、社會問題[6-8]。
水分條件對秸稈分解的作用規(guī)律目前仍存在一定分歧。傳統觀點認為,與水田相比,旱地條件下土壤氧氣充足,利于好氧微生物繁殖,因此有機殘體分解速度較快[9]。室內培養(yǎng)試驗結果表明,淹水條件下秸稈分解速率和分解量均顯著高于旱地[10]。不同于單純淹水或旱地環(huán)境,濕潤稻作體系中水稻全生育期內不建立水層,保持田面無水,溝內有水,土壤含水量基本為濕潤-飽和狀態(tài)[11-12]。在濕潤稻作體系中,淹水層消失,土壤氧化還原電位通常高于傳統淹水稻田[13]。目前關于濕潤稻作體系的研究主要集中于農學、水肥利用率及溫室效應方面[14-16],關于濕潤稻作中還田秸稈分解特征及其對土壤碳庫影響的報道較少。國內外關于稻田控水栽培的研究主要集中在水資源緊張的稻作區(qū)[17-18],針對水資源相對豐富同時秸稈還田條件下的太湖地區(qū)的研究相對較少。本試驗擬在稻田不同水分管理體系下,研究小麥秸稈還田后的腐解規(guī)律、養(yǎng)分釋放特征及稻田土壤活性有機碳的變化,探討稻田水分調控對稻田麥秸分解規(guī)律、土壤有機碳及活性有機碳組分的影響,以期為太湖稻作區(qū)制訂綠色、合理、節(jié)約型的水稻栽培管理措施提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 試驗區(qū)概況
試驗于2018-2019年在蘇州市望亭鎮(zhèn)項路村(31°24′N, 120°25′E)進行。試驗地位于長江三角洲太湖平原,屬于北亞熱帶季風氣候區(qū),年降水量約1 100 mm,年平均溫度約15.7 ℃,年日照時數在2 000 h以上,年無霜期在230 d以上。供試土壤為黃泥土,試驗前0~20 cm耕層的土壤有機質含量為30.60 g/kg,全氮含量為1.76 g/kg,速效磷含量為28.90 mg/kg,速效鉀含量為78.00 mg/kg,pH值為6.25。種植制度主要實行水稻-小麥輪作。供試水稻品種為南粳5055,大田生育期為6月中下旬至11月上旬,人工移栽,行距25.4 cm,株距16.3 cm。還田秸稈為試驗田上茬收獲的小麥秸稈。
1.2 試驗設計
設定小麥秸稈還田與否(小麥秸稈不還田、小麥秸稈還田)與種植體系(常規(guī)淹水灌溉、濕潤灌溉)的雙因素隨機區(qū)組試驗,常規(guī)淹水灌溉(F):自移栽至收獲前14 d田間保持3.0~5.0 cm水層;濕潤灌溉(S):緩苗后間歇性灌水,田間保持濕潤狀態(tài),保持溝中有水(圖1)。本試驗共4個處理:小麥秸稈不還田-常規(guī)淹水灌溉、小麥秸稈不還田-濕潤灌溉、小麥秸稈還田-常規(guī)淹水灌溉、小麥秸稈還田-濕潤灌溉;每個處理設3個重復,共12個小區(qū),小區(qū)面積30.0 m2(4.0 m×7.5 m)。小區(qū)之間以寬50.0 cm、高30.0 cm的田埂隔開。
秸稈還田小區(qū)的小麥收獲后,粉碎小麥秸稈,按照3 t/hm2施用量旋耕翻壓還田。各小區(qū)內按廂寬1.60 m,溝寬0.25 m,溝深0.20~0.25 m的規(guī)格開溝作廂,整理好廂面后灌水泡田3~4 d。各小區(qū)磷肥、鉀肥施用量一致,按照當地常規(guī)高產田標準施肥。氮肥(純N)施用量為270 kg/hm2,按照基肥∶分蘗肥∶穗肥=3∶4∶3分次施用,其中分蘗肥按4∶6分別在移栽后5 d和12 d施用。磷肥為過磷酸鈣,施用50 kg/hm2的P2O5,均作基肥;鉀肥為氯化鉀,施用120 kg/hm2的K2O,其中50%為基肥,50%為穗肥。
1.3 測定項目及方法
小麥秸稈腐解率和養(yǎng)分釋放率測定:參照武際等[19]研究方法,采用原位模擬網袋法研究小麥秸稈在2種水稻種植體系下的養(yǎng)分釋放特征,用長30.00 cm、寬20.00 cm、孔徑0.12 mm的尼龍袋裝入40 g、5~7 cm長的小麥秸稈,扎實袋口,將網袋埋入各小區(qū)約8 cm深土層。試驗后0 d、10 d、20 d、30 d、40 d、60 d、90 d、120 d分別取出埋入土層的秸稈網袋,水洗后烘干,用于測定干質量和養(yǎng)分含量。養(yǎng)分含量分析方法:K2Cr2O7氧化外加熱法測定碳含量,H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法測定氮含量,鉬銻抗比色法測定磷含量,火焰光度計法測定鉀含量[20],并計算秸稈碳、氮、磷、鉀殘留量(養(yǎng)分含量與殘留干物質量的乘積)。
土壤有機碳及活性有機碳含量測定:2019年水稻收獲后采集土樣,各小區(qū)選取3個取樣點,采集0~15 cm耕層土壤,將3個取樣點的土樣混合后裝入自封袋,帶回實驗室用于測定土壤中的碳含量。K2Cr2O7氧化外加熱法測定土壤有機碳(TOC)含量,熏蒸法測定土壤微生物量碳(MBC)含量[21],KMnO4氧化法測定土壤活性有機碳(LOC)含量[22]。土壤穩(wěn)態(tài)有機碳(NLOC)含量為土壤總有機碳含量與土壤活性有機碳含量的差值。
1.4 數據分析
用Excel 2016進行數據處理,用Origin 9.2軟件進行作圖,用SAS 9.2[23]的廣義線性模型進行單因素方差分析。
2 結果與分析
2.1 不同種植體系下還田小麥秸稈腐解率與養(yǎng)分釋放特征
試驗120 d時供試小麥秸稈腐解率為45.5%~56.2%,碳釋放率46.7%~57.3%,氮釋放率49.1%~60.1%,磷釋放率56.6%~68.4%,鉀釋放率85.1%~92.3%。雙因素方差分析結果(表1)表明,種植體系顯著影響秸稈腐解率以及碳、氮、磷、鉀釋放率。與常規(guī)淹水灌溉體系相比,濕潤灌溉體系下小麥秸稈腐解率以及秸稈碳、氮、磷釋放率分別顯著增加了12.5%、8.9%、9.8%、13.1%(圖2)。2019年秸稈碳、氮、鉀釋放率高于2018年。
2.2 不同種植體系下還田小麥秸稈各階段腐解率的動態(tài)變化
2018-2019年不同種植體系下還田小麥秸稈腐解規(guī)律基本一致,秸稈殘留量和秸稈碳、氮、磷殘留量均表現為0~40 d分解前期迅速下降(快速期),40~90 d分解中期腐解率明顯減慢(緩慢期),90~120 d分解后期腐解率基本不變(停滯期);秸稈鉀釋放則表現為0~30 d快速期與30~120 d停滯期2個階段(圖3、圖4)。整個進程中,濕潤灌溉體系下的秸稈腐解率和養(yǎng)分釋放率均高于常規(guī)淹水灌溉體系。
表2顯示,與常規(guī)淹水灌溉體系相比,濕潤灌溉體系下快速期、緩慢期秸稈腐解率分別提高了10.6%和37.2%,碳釋放率分別提高了8.4%和20.2%,氮釋放率分別提高了9.5%和15.0%。濕潤灌溉體系下快速期秸稈磷釋放率較常規(guī)淹水灌溉體系提高了19.4%,常規(guī)淹水灌溉體系與濕潤灌溉體系間的鉀釋放率無顯著差異。
2.3 不同處理下土壤有機碳及組分變化
表3顯示,不同處理間土壤總有機碳含量無顯著差異,但小麥秸稈還田+濕潤灌溉處理的土壤微生物量碳含量和活性有機碳含量顯著高于其他處理(P<0.05)。整體而言,與常規(guī)淹水灌溉體系相比,濕潤灌溉體系下稻田土壤微生物量碳含量和活性有機碳含量分別增加了14.6%和16.9%,同時土壤微生物量碳含量和活性有機碳含量各占總有機碳含量比例顯著增加。濕潤灌溉體系中,小麥秸稈不還田處理的土壤總有機碳含量和穩(wěn)定性有機碳含量最低,較小麥秸稈還田處理分別降低了8.2%和5.2%。
3 討論
3.1 濕潤灌溉稻作體系對還田小麥秸稈分解規(guī)律的影響
連續(xù)2年田間原位模擬試驗研究結果表明,小麥秸稈還田90 d時其腐解率已基本不變,此時秸稈中易分解的物質已基本腐解完畢,這與前人研究結果[19, 24]基本一致。經過前期快速分解后,秸稈中殘存的主要是木質素、單寧和蠟質素等難分解物質,一般易被機械耕作等物理方法粉碎掩埋到地下,在田間殘留長達2~3年甚至更長,最終形成腐殖質積累在土壤中[25]。秸稈腐解過程的本質是微生物和酶主導的生物化學反應,土壤水分是秸稈腐解轉化的決定性因子之一[2]。在本研究中,與常規(guī)淹水灌溉稻作體系相比,濕潤灌溉稻作體系明顯促進了小麥秸稈的分解以及碳、氮、磷的釋放。這可能是由于在濕潤灌溉稻作體系中,淹水層消失使得土壤通氣性增加,土壤溫度提升,水熱條件改善,土壤微生物和酶的活性提高,從而提高了微生物對秸稈的分解速率[19,26]。
從不同階段小麥秸稈分解情況來看,一般認為秸稈腐解包括前期快速分解和后期緩慢分解2個階段[25]。本研究進一步明確了不同種植體系下太湖流域稻田還田麥秸分解以及碳、氮、磷釋放的階段性差異特征。供試小麥秸稈腐解以及秸稈碳、氮、磷釋放均分為3個階段,分別為0~40 d快速期、40~90 d緩慢期和90~120 d停滯期。在0~40 d,濕潤灌溉體系下的小麥秸稈腐解率以及碳、氮釋放率較常規(guī)淹水灌溉體系增加了10.6%、8.4%、9.5%,在40~90 d增幅分別為37.2%、20.2%、15.0%。可見,水稻濕潤灌溉體系對小麥秸稈分解以及秸稈碳、氮釋放的促進效應主要表現在緩慢期。這可能是由于在秸稈快速分解期,即水稻移栽后40 d內,正值5月至6月,太湖流域氣溫相對適宜,雨水豐富,適宜的環(huán)境條件使得秸稈中可溶性化合物迅速礦化,然而水稻移栽后40~90 d時秸稈中殘留的碳、氮難溶性有機物分解則受水分條件影響較大,濕潤灌溉體系下小麥秸稈分解速率明顯升高。此外,濕潤灌溉體系與常規(guī)淹水灌溉體系相比,0~40 d小麥秸稈磷釋放率顯著增加了19.4%,緩慢期和停滯期無顯著變化。這些結果對太湖稻作區(qū)土壤磷庫活化和磷肥減施具有重要意義。不同稻作體系對小麥秸稈各階段鉀的釋放無顯著影響,主要是由于秸稈中鉀主要以離子形式存在,極易釋放,還田后水熱適宜,0~30 d迅速釋放完畢[19, 24]。
3.2 不同種植體系下麥秸還田與否對土壤碳庫的影響
小麥秸稈還田作為一種外源添加有機質的方式[27-28],有助于土壤有機碳的積累。上世紀80年代以來,中國水稻產量持續(xù)增加導致秸稈殘體輸入量增加,有機肥施用量增加[29],使得稻田表層土壤較旱地土壤有機碳積累較快,試驗點水稻土壤有機碳含量處于全國各地相對較高水平[30]。本研究中,短期試驗條件下,無論常規(guī)淹水灌溉或是濕潤灌溉種植體系,與小麥秸稈不還田相比,小麥秸稈還田下土壤總有機碳含量無顯著變化,但土壤中微生物量碳含量和活性有機碳含量顯著提高,原因是小麥秸稈還田后可以為土壤微生物提供外源有機碳輸入,大部分被礦化,顯著提高了土壤活性碳庫組分含量[31-32]。土壤活性有機碳庫為土壤微生物活動提供能源,在土壤碳素轉化過程中發(fā)揮重要作用,對維持土壤碳庫平衡具有重要的意義[33-34]??梢?,還田小麥秸稈在土壤中分解對土壤碳庫組分進行了更新,釋放了土壤微生物生長代謝所需的營養(yǎng)物質。
值得注意的是,本研究中在小麥秸稈不還田條件下,與常規(guī)淹水灌溉體系相比,濕潤灌溉體系中土壤總有機碳含量有降低趨勢,同時其穩(wěn)定性有機碳含量顯著降低。一般認為,長期淹水環(huán)境有助于維持土壤有機質數量和穩(wěn)定性,維持土壤自身供氮水平[30,35]。這可能是由于稻田長期淹水條件下土壤微生物活性較低,土壤有機質分解速率降低[36]以及厭氧細菌缺乏響應分解酶,木質素和多酚類物質等具有較高穩(wěn)定性的物質增加[37]。在多種保護機制的共同作用下,與旱地相比,水田有機碳具有較高穩(wěn)定性,因此水田被普遍認為是較為穩(wěn)定的生產體系[35,38]。土壤有機碳水平主要由凈積累量決定,即由有機質輸入與礦化之間的相對平衡決定。秸稈還田等外源有機物的輸入是土壤有機質含量增加的重要來源,同時,土壤有機質含量也取決于土壤原有有機質的礦化分解[39]。所以在無外源麥秸輸入條件下,濕潤灌溉體系中土壤微生物活性增加,加速了土壤中原有有機質的分解。由此,在水稻生產過程中,應將水分管理與碳管理相結合,發(fā)揮水碳耦合效應,同步實現水資源節(jié)約和碳資源循環(huán)。
4 結論
本研究中,還田小麥秸稈在0~40 d迅速腐解并釋放碳、氮、磷素,隨后腐解速率降低。與常規(guī)淹水灌溉體系相比,濕潤灌溉體系下秸稈腐解率顯著增加了12.5%,碳、氮、磷釋放率分別增加了8.9%、9.8%和13.1%,鉀釋放率無顯著變化。不同種植體系間土壤總有機碳含量無顯著差異,但在小麥秸稈不還田條件下,濕潤灌溉體系中土壤總有機碳含量較常規(guī)淹水灌溉體系有下降趨勢。濕潤灌溉體系較常規(guī)淹水灌溉體系提高了土壤微生物量碳含量和活性有機碳含量??梢?,與常規(guī)淹水灌溉相比,濕潤灌溉可促進還田小麥秸稈養(yǎng)分釋放以及土壤活性有機碳含量的提升,可作為太湖稻作區(qū)可行的灌溉策略。
致謝: 蘇州市農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究中心技術員朱興連、王岳初以及實習生胡婕、趙英豪等同志在本試驗實施與樣品采集中做了大量工作,特此致謝!
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(責任編輯:王 妮)
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