夏文建，秦文婧，刘 佳，陈晓芬，张丽芳，曹卫东，徐昌旭，陈静蕊，*

(1.江西省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所，国家红壤改良工程技术研究中心，农业农村部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室，江西 南昌 330200； 2.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

土壤有机碳(SOC)含有植物生长发育所必需的营养元素，具有改善土壤理化性质、增强土壤供水保水能力、提高土壤生物活性等多重作用，是衡量农田土壤肥力状况的重要指标[1]。土壤可溶性有机碳(DOC)是土壤有机碳中的活跃组分，是能被微生物直接利用的速效碳源[2]，对土壤碳素的生物地球化学循环影响巨大，在土壤有机碳库的周转与更新、“源汇”功能发挥等方面都具有关键作用[3-4]。因此，提高土壤SOC、DOC含量，改善土壤有机碳库质量，对于农业的可持续发展和生态系统稳定都具有重要意义[5-6]。

通常情况下，土壤SOC和DOC含量受土地利用方式、施肥状况和种植作物等因素的影响比较大[7-8]。杨滨娟等[9]在江西稻田的研究发现，施用绿肥能显著促进SOC积累；但李增强等[10]在浙江稻田的研究认为，施用绿肥可显著增加土壤DOC，但对SOC影响不显著；包明等[11]在陕西黑垆土麦田的研究发现，绿肥与氮肥配施显著增加了土壤SOC和DOC。可见，土壤SOC、DOC含量受土壤、施肥、土地利用方式和作物类型等多种因素的影响，在不同的生态系统中变化规律不尽相同。

DOC在土水界面的迁移是SOC损失的主要形式之一[12]。DOC的迁移不仅受土壤性质的影响，还与DOC的来源和成分密切相关[13]。土壤对DOC有较强的吸附和截留作用。袁颖红等[14]发现，土壤DOC占SOC的比率在耕作层(A层)显著大于犁底层(P层)。DOC/SOC可用于表征土壤活性有机碳库质量[2]，DOC/SOC值越大，表示有机碳活性成分越高，越有利于土壤微生物的分解利用，土壤有机碳库的质量越高[15]。长期施用化肥会导致DOC/SOC下降，而有机无机配施有利于DOC/SOC的稳定和提高[2，14]。

红壤是我国南方热带亚热带地区的典型土壤，种植双季稻是红壤区最常见的土地利用方式[16]。然而，强烈的风化淋溶和高强度的土地利用加剧了红壤贫瘠，已成为限制该区域农业可持续发展的主要障碍因子。南方稻田冬种绿肥，对于维持土壤肥力、提高水稻产量等具有积极作用[11]。为此，本研究基于持续8 a的绿肥长期定位试验，研究不同处理对红壤水稻土SOC和DOC垂直分布的影响，揭示二者的季节性变化规律与比例关系，以期为绿肥作物的合理利用和红壤性水稻土的科学培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验设置在江西省丰城市张巷镇范桥村(28°7′11″N，115°56′9″E)。该地区属亚热带大陆性季风气候，年平均气温16.5 ℃，日照时数1 935.7 h，无霜期274 d，降水量1 552.1 mm，4—6月降水量占全年总降水量的50%以上。供试土壤系由第四季红黏土母质发育而成的水稻土，土质黏重，有明显的犁底层。试验前耕层土壤的基础理化性质如下：有机质含量25.0 g·kg-1，全氮含量1.80 g·kg-1，碱解氮含量155 mg·kg-1，速效磷含量6.0 mg·kg-1，速效钾含量109 mg·kg-1，pH值5.16。

1.2 试验设计

试验开始于2008年。试验处理分别为不施肥不种植绿肥的空白对照(CK)、不施肥种植绿肥处理(M)、施用化肥处理(F)和施用化肥并种植绿肥处理(F+M)。小区面积5 m×4 m=20 m2，采用随机区组排列，每处理4次重复。

种植的绿肥为紫云英(AstragalussinicusL.)，于每年10月上旬晚稻收获前采用稻底套播方式播种，播种量为30 kg·hm-2，整个生长季不施化肥，次年早稻移栽前10～15 d按22 500 kg·hm-2的用量就地翻压，深度约20 cm，多余的绿肥移出他用。

化肥用量为早稻施N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，晚稻施N 180 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2。肥料施用方式统一为磷、钾肥全部基施，氮肥按基肥、分蘖肥、穗肥4∶3∶3的比例施用。化肥品种为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)。

紫云英品种为丰城青杆种，早稻品种为株两优30，晚稻品种为Ⅱ优305。

1.3 样品采集与分析

2015年分别于早稻收获期(7月中旬)和晚稻收获期(10月下旬)采集土壤样品。每小区用土钻随机采集5个样点土壤，分别采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm共5个深度的土样。土样带回室内摊平风干，拣去动植物残体和石砾，分别过2 mm筛和0.149 mm筛备用。

土壤SOC采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[17]。土壤DOC的测定参考Ghani等[18]、Jones等[19]的方法并略作调整：称取过2 mm筛的风干土5.00 g，按水土体积质量比5∶1加入超纯水，以250 r·min-1的转速在25 ℃恒温振荡机上振荡30 min，之后以4 000 r·min-1的转速离心10 min，取上清液过0.45 μm水系滤膜后用德国耶拿Multi N/C 3100 TOC总有机碳/总氮分析仪进行测定。

1.4 统计分析

所有试验数据用Excel 2003进行处理，用SPSS 16.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和皮尔逊(Pearson)相关性分析，对有显著(P<0.05)差异的处理采用Duncan法进行多重比较，用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对红壤水稻土SOC垂直分布的影响

从不同处理土壤SOC含量随深度的变化情况(图1)可以看出，施用绿肥或化肥均有利于表层(0～20 cm)土壤SOC的积累，早稻季各处理表层土壤SOC含量从高到低依次为F+M(a)>F(a)>M(b)>CK(c)[处理后跟随的括号中无相同小写字母的表示处理间差异显著(P<0.05)，下同]，F+M、F和M处理的SOC含量分别比CK显著(P<0.05)提高了92.8%、80.9%和51.1%。晚稻季与早稻季相似，各处理表层土壤SOC含量从高到低依次为F(a)≈ F+M(a)>M(a)>CK(b)，F、F+M和M处理的SOC含量分别比CK显著(P<0.05)提高了81.3%、81.2%和66.6%。晚稻季表层土壤SOC比早稻季下降6.8%～19.8%。各处理深层(20～100 cm)土壤SOC含量差异较小，早稻季和晚稻季深层土壤的SOC含量分别在0.88～1.88 g·kg-1和0.79～2.28 g·kg-1。

S函数与指数函数、对数函数和幂函数相比，更适合描述SOC含量(CSOC)的垂直分布[20]。利用S函数对早稻和晚稻不同处理0～100 cm土壤剖面的SOC含量进行拟合(表1)，早稻季拟合曲线的决定系数(R2)为0.929～0.966，晚稻季拟合曲线的R2为0.928～0.941，P值均小于0.01，因此采用S函数对SOC含量(CSOC)随土壤深度(H)的变化情况进行描述。

图1 土壤有机碳含量的垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution characteristics of soil organic carbon

2.2 不同处理对红壤水稻土DOC垂直分布的影响

从不同处理土壤DOC含量随土壤深度变化情况(图2)可以看出，施用绿肥(F+M和M处理)有利于增加表层土壤的DOC含量，而单施化肥(F处理)的效果较差。早稻季不同处理土壤表层DOC含量从高到低依次为F+M(a)>M(b)>CK(c)>F(c)，F+M和M处理的DOC含量分别比CK显著(P<0.05)提高了46.2%和12.9%；晚稻季各处理的DOC含量从高到低依次为F+M(a)>M(a)>F(b)>CK(c)，F+M、M和F处理的DOC含量分别比CK显著(P<0.05)提高了45.2%、37.1%和10.8%。晚稻季表层土壤DOC含量比早稻季增加了85.5%～141.6%。各处理深层土壤DOC含量差异较小，早稻和晚稻季深层土壤的DOC含量分别在11.36～17.84 mg·kg-1和16.58～28.68 mg·kg-1。

采用S函数对不同处理DOC含量随深度的变化进行拟合(表2)，早稻季拟合曲线的R2为0.876～0.975，晚稻季拟合曲线的R2为0.916～0.924，P值均小于0.01，因此可以使用S函数描述土壤DOC含量(CDOC)随深度(H)的变化情况。

2.3 土壤DOC含量与SOC含量的关系分析

对早稻季和晚稻季土壤DOC含量随SOC含量的变化进行线性拟合(图3)：早稻季，CDOC=10.302+3.062CSOC，R2=0.914，P<0.01；晚稻季，CDOC=11.302+7.987CSOC，R2=0.954，P<0.01。土壤DOC含量与SOC含量呈极显著(P<0.01)正相关关系。晚稻季DOC含量随SOC含量的增长速率高于早稻季。

表1 不同处理SOC含量随土层深度的回归分析

Table 1 Regression equation of soil organic carbon with soil depth

处理Treatment早稻 Early rice方程EquationR2晚稻 Late rice方程EquationR2CKCSOC=e-0.322+28.176/H0.966CSOC=e-0.254+26.743/H0.941MCSOC=e-0.342+32.609/H0.947CSOC=e-0.408+33.549/H0.928FCSOC=e-0.353+34.742/H0.965CSOC=e-0.474+34.505/H0.938F+MCSOC=e-0.253+34.232/H0.929CSOC=e-0.227+32.355/H0.929

图2 土壤可溶性有机碳的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil dissolved organic carbon

表2 不同处理DOC含量随土层深度的回归分析

Table 2 Regression equation of soil organic carbon with soil depth

处理Treatment早稻 Early rice方程EquationR2晚稻 Late rice方程EquationR2CKCDOC=e2.249+18.142/H0.945CDOC=e2.590+23.037/H0.916MCDOC=e2.291+20.196/H0.942CDOC=e2.480+26.484/H0.921FCDOC=e2.297+16.567/H0.876CDOC=e2.603+23.067/H0.924F+MCDOC=e2.174+23.922/H0.975CDOC=e2.665+24.788/H0.923

图3 土壤DOC含量与SOC含量的线性相关分析Fig.3 Simple linear correlations of soil DOC with SOC

施肥措施会影响土壤自身，以及外源有机碳的矿质化和腐殖化过程，改变不同组分有机碳的相对比例，从而影响SOC的品质和生态功能[10]。探明DOC占SOC的比例有助于了解土壤中有机物质转化与施肥方式的关系，明确SOC品质的发展趋势。晚稻季DOC/SOC高于早稻季。与CK相比，早稻季和晚稻季施肥处理降低了土壤DOC/SOC，但施用绿肥的处理(F+M，M)与F处理相比，缓解了DOC/SOC的下降(图4)，表明施用绿肥有助于维持土壤活性有机碳的比例。早稻季F+M和M处理的DOC/SOC比F处理高34.5%和41.4%，晚稻季F+M和M处理比F处理高30.4%和34.8%。

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.图4 不同处理对表层(0～20 cm)土壤DOC/SOC的影响Fig.4 Effects of different treatments on DOC/SOC of topsoil (0-20 cm)

3 讨论

本研究基于在江西红壤性水稻土上开展了8 a的绿肥定位试验，发现施用绿肥或化肥均有利于增加表层(0～20 cm)土壤的SOC含量，施用绿肥还增加了表层土壤的DOC含量，但单施化肥对表层土壤DOC含量的提升效果有限。施用绿肥或化肥对深层(20～100 cm)土壤SOC和DOC含量的影响微弱。红壤性水稻土早稻和晚稻季SOC、DOC含量随深度的变化可用S函数进行拟合。土壤DOC含量与SOC含量呈显著正相关，晚稻季每单位SOC对DOC的增加效应要高于早稻季。与对照相比，施用化肥降低了土壤DOC/SOC，配施绿肥缓解了DOC/SOC下降。可见，种植绿肥促进了南方红壤性水稻土表层土壤SOC和DOC的积累，维持了DOC的比例，有助于土壤有机碳库的累积和稳定。

绿肥翻压会影响土壤SOC的组成和生态功能[4]。Blanco-Canqui等[21]发现，长期施用绿肥主要提高了0～15 cm土层的SOC；但Sharma等[4]却发现，绿肥翻压23 d后30～60 cm土层的SOC含量增加。本研究发现，各施肥和绿肥处理对土壤SOC和DOC的影响主要在表层，当土层深度在20 cm以下时，各处理的影响都非常微弱。这可能与土壤性质有关。本研究中的供试土壤是红壤性水稻土，发育自第四季红黏土，质地黏重，且犁底层明显，不利于绿肥腐解的有机组分向深层土壤转移。同时，绿肥腐解快，其当季腐解率和碳释放率分别达到84%和88%，绿肥转化为土壤有机碳的比例较低[22]，因此施用绿肥对土壤SOC的影响主要集中在表层。大量研究发现，土壤DOC含量与SOC含量具有良好的相关性[23-24]，本文也有同样发现，因此不同处理DOC的垂直分布特征大体上与SOC相似。

本试验结果表明，F处理对SOC的影响非常明显，但对DOC的影响较弱。红壤性水稻土由于水耕熟化，大量的作物残体和其他来源的有机物质在土壤中累积，土壤SOC迅速增加[25]。稻田施用化肥促进了作物生长，通过凋落物、根系和秸秆残留，以及土壤生物活动等途径提高了SOC含量[25-27]。但单施化肥不利于提高土壤有机碳中活性组分(DOC)的含量[28]，从而导致活性组分占总有机碳的比例降低[14]，长久来看不利于土壤碳库质量的维持。M处理对SOC积累的效果弱于F处理，却利于DOC的增加，表明绿肥翻压有助于增加土壤中活性有机碳比例[29]。土壤SOC的增长不仅受到施肥措施的影响，还与土地利用方式和土壤基础肥力密切相关[25，30]。本研究发现，绿肥与化肥配施(F+M处理)下，土壤SOC和DOC的增幅最大，并在一定程度上维持了土壤DOC占SOC的比例，是培肥土壤、提高有机碳数量和质量的较优措施[6，26]。

本研究发现，晚稻季SOC含量较早稻季降低，而DOC含量却更高，其原因可能是残留的水稻秸秆或绿肥在早稻季分解有限，经过晚稻季进一步矿化分解，从而使SOC降低。水稻种植总体上是一个土壤熟化、有机碳积累培肥的过程，然而这一过程在不同季节间可能是往复曲折的，陈春兰等[28]的研究也有相似结论。残留的水稻秸秆或绿肥在晚稻季经过微生物的作用，首先转化成土壤可溶性有机物质形态，这就促进了土壤DOC含量的提高，因而晚稻季的DOC含量要整体高于早稻季。经过早、晚稻2季的累加效应，晚稻季每单位的SOC对DOC的增加效应明显高于早稻季。本研究还发现，利用S函数可以较好地模拟南方红壤水稻土SOC和DOC含量随深度的变化情况，这为将来开展类似研究提供了新的方法。本研究主要关注了多年绿肥种植翻压利用后土壤SOC和DOC的垂直分布特征，实际上绿肥的腐解主要集中在翻压后的前30 d[31]，因此，将来有必要针对绿肥的关键腐解期进一步开展相关研究，以期为绿肥作物的合理利用和红壤水稻土的科学培肥提供更加全面的理论依据。