杨滨娟，李新梅，胡启良，刘宁，黄国勤

江西农业大学生态科学研究中心/江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，南昌 330045

耕地是不可再生资源。农村农业部明确提出“坚持用地养地结合，推进耕地质量保护与提升”，要“采用间套轮作、深耕深松、保护性耕作、粮草轮作、秸秆还田、增施有机肥、种植绿肥等多种方式，促进种养结合”[1］。轮作是利用不同作物的生物学特性，使不同的作物间均衡互补地利用光、温、水、气等自然资源，实现年间土地的高效利用，提高资源利用效率[2］。而休耕不是撂荒，也不是传统意义上的弃耕，而是有管理、有计划地休耕，旨在维持和增强地力，改善农业资源生态环境[3］。实施轮作休耕不仅有助于耕地的修养生息，也有利于保护耕地资源，保护农产品潜在生产能力[4］。土壤活性有机碳（active or⁃ganic carbon，AOC）虽然占比较小，但与土壤全碳相比，更有利于被植物、微生物利用[5］，能敏感地反映土壤细微的变化[6］，与土壤的理化性状[7］、耕作方式[8］和施肥措施[9］等具有密切的关系。同时，活性有机碳的不同组分及碳库管理指数（carbon pool manage⁃ment index，CPMI）也是反映土壤质量和肥力的良好指标[8］。国内外众多研究表明，种植制度、耕作栽培方式、施肥方法（有机无机配施比例）和稻田环境均是影响稻田微生物量碳、氮和活性碳变化的重要因素[10-12］。比如，在复种轮作中豆科（绿肥）作物、配合有机无机施肥措施，可以明显提高土壤中的有机碳，增加碳素供应以提高微生物对其的利用率[13-14］。“冬季种养结合-早稻-晚稻”模式在早稻分蘖期和晚稻孕穗期能显著提高稻田土壤可溶性有机碳、有机氮和微生物量氮[15］。种植冬季作物并秸秆覆盖还田，能较好地提高稻田0~5、5~10 和10~20 cm 土层土壤的碳库活度（carbon pool activity，A）、碳库活度指数（carbon pool activity index，AI）、碳库指数（carbon pool index，CPI）和土壤碳库管理指数（CPMI）[16］。因此，本研究在“紫云英-早稻-晚稻”传统种植模式上，设置不同类型的轮作休耕模式，探究稻田轮作休耕种植模式对稻田土壤有机碳及其组分的影响，以期为双季稻作区合理应用绿色高效的复种轮作休耕模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验 于2017 年9 月 至2019 年11 月，在 江西省鹰潭市余江区农业科学研究所试验田（28°14′8″N，116°51′22″E）进行，试验地属亚热带季风湿润气候，四季分明，降雨充沛，年降雨量1 788.8 mm，年平均气温17.6 ℃，太阳年辐射总量4 542.7 kJ/m2，年无霜期平均258 d。试验地土壤多为泥沙淤土，少数为红壤土，土质肥沃，微酸性。试验前土壤（0~20 cm）基础养分状况：土壤pH 值5.07，有机质30.07 g/kg，全氮1.79 g/kg，碱解氮182.67 mg/kg，有效磷86.10 mg/kg，速效钾129.67 mg/kg。

1.2 试验材料与田间试验设计

试验设5 个处理，其中处理A 为连作对照，处理B、C、D 进行2 a 复种轮作，处理E 为休耕模式，具体试验设计见表1。每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积为66.7 m2，小区间的田埂、水沟和环沟的宽度分别为0.5、1.0和0.5 m。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

试验作物和品种：紫云英（余江大叶籽），油菜（赣油1 号），早稻（中早33），晚稻（黄花占），大豆（沪鲜豆6 号），玉米（赣1 号），甘蔗（赣紫皮果蔗），甘薯（赣南瓜红薯）。

2018 年和2019 年早晚稻播期均相同，均采用移栽方式。早稻4 月15 日移栽，行株距为20 cm×14 cm，7 月8 日收获；晚稻7 月10 日移栽，行株距为20 cm×17 cm，11 月4 日收获；紫云英播种量为22.5 kg/hm2，2017 年10 月1 日播种，在盛花期（2018 年4月10 日）直接翻压还田；油菜种植密度为11.1 万株/hm2，2017 年12 月6 日移栽，2018 年5 月15 日收获；大豆种植密度为6.7 万株/hm2，春大豆4 月15 日移栽，6 月6 日收获，秋大豆6 月15 日移栽，10 月31日收获；玉米播种量为6.7 万株/hm2，7 月15 日播种，10 月20 日收获；甘蔗种植密度为8 230 株/hm2，5 月16 日移栽，12 月6 日收获；甘薯种植密度为5.6万株/hm2，7月15日移栽，10月20日收获。

肥料种类及用量：作物施肥料为尿素（N 46%）、“施大壮”复合肥（N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%）。早、晚稻化肥施肥量相等，水稻氮、钾肥分基肥、蘖肥、穗肥3 次撒施，施用比例为基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶3∶3，分蘖肥在移栽后5~7 d施用，穗肥在主茎幼穗长1~2 cm 时施用。作物施肥量详见表2，早稻秸秆切碎全量还田，晚稻秸秆覆盖还田，其他田间管理措施均按照一般大田栽培。

表2 作物施肥管理Table 2 Field fertilization management kg/hm2

1.3 作物考种与测产

按照各作物的经济产量，以原粮折算标准计算产量作对比分析。其中水稻、玉米、大豆、绿肥、马铃薯、甘薯、甘蔗实际产量的测定方法见参考文献[17］。

1.4 土壤有机碳库测定

于2018、2019 年晚稻成熟期每小区用5 点取样法取0~20 cm 土壤，混匀，一部分自然风干，用于土壤总有机碳和可溶性有机碳的测定，另一部分于冰箱内冷藏（4 ℃，< 72 h），用于土壤活性有机碳的测定。参考稻田土壤的总有机碳含量16.67 g/kg，活性有机碳含量计算方法见参考文献[18］。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 软件整理数据。用SPSS17.0 系统软件进行数据处理和统计分析，采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan’s 法进行方差分析和多重比较（α=0.05）。用Excel 2010 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同轮作休耕模式对作物产量的影响

表3 为2018 年和2019 年各处理作物的生物量。因处理E 为休耕，其作物生物量为0（故在进行产量比较时处理E 不计入）。由表3 可知，2019 年的作物生物量较2018 年，除处理B 增产87.86%外，其他处理有减产趋势。2018 年各处理作物的生物量最高的是处理D（油菜-甘蔗||春大豆），高出其他处理41.87%~128.12%。2019 年各处理作物的生物量最高的是处理B（油菜-甘蔗||春大豆），高出其他处理13.93%~101.67%。结合2 a 的数据来看，处理D（油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯）的总生物总量最大，较其他处理高出31.68%~65.91%。试验结果表明，5 种模式中，轮作模式有利于作物生物量的积累，尤其是油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯复种轮作模式。

表3 各处理的作物生物量Table 3 Crop biomass at different stages of treatments kg/hm2

2.2 轮作休耕模式对稻田土壤有机碳及其组分的影响

1）土壤全碳含量。 从图1 可以看出，2018 年至2019 年晚稻收获后，除处理C 外，其余各处理土壤全碳含量均有所下降，下降幅度为13.72%~20.10%；2018 年处理D 的土壤全碳含量最高，显著高出处理C 15.89%（P<0.05）。2019 年处理C 的土壤全碳含量达到最大且仅显著高出处理B 13.44%（P<0.05）。复种轮作模式土壤全碳含量变化最大，“油菜-甘蔗||春大豆”和“紫云英-春大豆-秋大豆”模式更有利于土壤全碳的积累。

图1 各处理2018−2019年间土壤全碳含量Fig.1 Soil total carbon content during 2018−2019

2）土壤活性有机碳。由图2 可知，与2018 年相比，2019 年晚稻收获后各处理土壤活性有机碳含量均有所增加，增加幅度为11.67%~51.38%，且均是处理E 含量最低。2018 年处理C 仅显著高于处理E 46.50%（P<0.05）。2019 年处理B 的活性有机碳含量最高，分别显著高出CK 和处理E 36.45%、40.41%（P<0.05）。综上说明，复种轮作模式较于连作模式和休耕模式更有利于土壤活性有机碳含量的积累，以“紫云英-早稻-玉米||甘薯”和“油菜-甘蔗||春大豆”模式表现最好。

图2 各处理2018−2019年土壤活性有机碳含量Fig.2 Soil active organic carbon content during 2018−2019

3）土壤可溶性有机碳。土壤可溶性有机碳是土壤碳库中非常活跃的有机组分。由图3可以看出，除处理C 外，2019 年较2018 年各处理的土壤可溶性有机碳均有所增加，增加幅度为20.08%~40.32%，但2018 年各处理间差异不显著（P>0.05）。2019 年处理B 的土壤可溶性有机碳含量最高，除了处理D 外，显著高出其他处理16.25%~39.84%（P<0.05）。综上，不同模式对土壤可溶性有机碳影响很大，休耕模式较于连作模式更有利于土壤可溶性有机碳的积累，“油菜-甘蔗||春大豆”模式表现更好。

图3 各处理2018−2019年土壤可溶性有机碳含量Fig.3 Soil dissolved organic carbon content during 2018−2019

4）土壤微生物量碳。由图4可知，2019晚稻收获后较2018 年，除处理B 外，其他各处理的土壤微生物量碳均有所下降，下降幅度为1.76%~14.31%，且2018 年各处理均差异不显著（P>0.05）。2019 年处理B 的微生物量碳最高，显著高出其他处理6.89%~40.39%（P<0.05）。综上，不同的复种轮作方式对土壤微生物量碳的影响更大，“油菜-甘蔗||春大豆”模式表现最好，更有利于微生物快速生长繁殖，更有利于促进有机质分解。

图4 各处理2018−2019年土壤微生物量碳Fig.4 Soil microbial biomass carbon content during 2018-2019

2.3 轮作休耕模式对稻田土壤碳库管理指数的影响

从表4 可以看出，与2018 年相比，2019 年晚稻收获后土壤碳库活度（A）、碳库活度指数（AI）、碳库管理指数（CPMI）的变化趋势基本一致，而且整体都有所增加。2018 年处理C 的碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数均达到最大，且仅与处理E差异达到显著（P<0.05）。2019 年处理B 的A、AI 和CPMI 均达到最大，且均显著高出其他处理59.46%~84.38%、59.06%~84.47%和52.81%~71.40%（P<0.05）。综上，不同的耕作方式和管理措施对土壤的土壤碳库管理指数影响显著，轮作模式更有利于提高A、AI 和CPMI，尤其是“紫云英-早稻-玉米||甘薯”和“油菜-甘蔗||春大豆”模式表现较好。

表4 各处理的稻田土壤碳库管理指数Table 4 Management index of soil carbon pool in paddy field of at different stages of treatments

3 讨 论

不同耕作措施与秸秆还田方式影响作物产量及土壤有机碳库[19］，不同农田生态系统的碳库管理指数受施肥、气候、土壤利用方式、耕种年限等因素的影响[20］。本研究中，2018−2019 年晚稻收获期土壤碳库活度、碳库活度指数、碳库管理指数均呈增加的趋势，不同的耕作方式和施肥措施对土壤碳库管理指数影响显著，复种轮作系统更有利于提高土壤碳库活度、碳库活度指数、碳库管理指数。究其原因，一方面，农田土壤有机碳含量与有机质的输入相关，作物根系残留、秸秆还田等均是有机碳增加的主要原因，另一方面，紫云英、大豆固氮作用强，秸秆腐解释放部分有机氮源，也能增加部分土壤有机碳含量。

稻田活性有机碳，如可溶性有机碳和微生物量碳等能够较好地反映稻田土壤质量，能灵敏有效地测度土壤质量的细微变化[20-22］。秸秆还田能显著增加土壤有机碳含量[23］，在本研究中得到了验证，复种轮作模式土壤全碳含量变化最大，复种轮作模式中“油菜-甘蔗||春大豆”和“紫云英-春大豆-秋大豆”更有利于土壤全碳的积累，而2019 年的全碳含量总体低于2018 年，这可能是因为复种轮作模式更容易消耗化肥和土壤养分等，这与2019 年的作物产量和土壤肥力都低于2018 年有直接的关系，这是否是短期的影响还需要进一步的观测和深入研究。张鹏等[24］研究表明，轮作能增加土壤有机碳含量，维持土壤中原有的易氧化有机碳，本研究得到了类似的结果，复种轮作模式和休耕模式较连作模式更有利于土壤活性有机碳含量的积累。不同复种轮作方式对土壤活性有机碳的影响，既包括耕作方式改变和不同作物秸秆还田所引起的有机质积累和分解、矿化等因素产生的影响，还包括不同种植模式与施肥管理所带来的土壤物理、化学和生物因素的长期影响。因此，有必要对轮作休耕模式进行长期深入的动态研究。

稻田复种轮作模式能够提高复种指数及资源利用率，能使农田生态系统高产高效。本研究分析了各种植模式下土壤有机碳及其组分的变化情况，特别是对轮作休耕模式进行了综合分析，可为稻田生态系统服务评价提供依据。但由于本试验年限较短，研究还不够深入，有待于长期试验研究。

综上，复种轮作模式有利于作物生物量的积累，尤其是本试验中的油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯复种轮作模式。2018−2019 年晚稻收获后，采用复种轮作模式、休耕模式较连作模式更有利于土壤活性有机碳含量的积累，休耕模式较连作模式更有利于土壤可溶性有机碳的积累，5 种复种轮作模式中，“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”轮作模式表现更好。耕作方式和管理措施对土壤的土壤碳库管理指数影响明显，轮作模式更有利于提高土壤碳库活度、碳库活度指数、碳库管理指数，尤其是“紫云英-早稻-玉米||甘薯”和“油菜-甘蔗||春大豆”模式表现较好。因此，在南方双季稻区“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”复种轮作模式能够增加作物产量，有利于土壤活性有机碳及碳库管理指数的提高，值得推广应用。