添加紫云英后2种水稻土的DOC动态特征与差异分析

王 薇, 杨 静, 杨文浩,2, 周碧青,2, 张黎明,2, 邢世和,2

(1.福建农林大学资源与环境学院；2.土壤健康与调控福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)



添加紫云英后2种水稻土的DOC动态特征与差异分析

王 薇1, 杨 静1, 杨文浩1,2, 周碧青1,2, 张黎明1,2, 邢世和1,2

(1.福建农林大学资源与环境学院；2.土壤健康与调控福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

以福建省2种典型中低产田(红泥砂田和灰黄泥砂田)为研究对象，在15和25 ℃条件下进行室内模拟淹水培养试验，研究添加等量紫云英后二者的可溶性有机碳(DOC)动态变化特征差异.结果表明：与对照相比，2种温度培养下添加紫云英均显著提高红泥砂田和灰黄泥砂田的DOC含量，2种温度下灰黄泥砂田的DOC含量分别比红泥砂田高29.38%～694.98%和45.40%～471.22%，且二者均呈先增后减、最后趋于稳定的变化趋势；25 ℃条件下土壤DOC峰值(10 d)较15 ℃条件下(20 d)提前了10 d.可见，中低产水稻土添加紫云英后DOC含量均显著提高，不同肥力水平和培养温度下土壤DOC动态变化规律相似，但其动态特征差异较明显，肥力相对较高的灰黄泥砂田有利于DOC的形成，培养温度升高则加速DOC的形成.

紫云英; 水稻土; 可溶性有机碳; 微生物量碳; 微生物量氮

土壤可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)是指土壤中能被水或盐溶液浸提出来的有机态碳，是土壤中最具动态特征的碳组分[1]，与土壤生态系统中有机碳迁移、固持和二氧化碳的释放以及流域水体富营养化有密切联系.研究DOC的动态变化对土壤养分的科学管理以及全球气候变暖和流域水体富营养化的有效控制等都具有重要意义[2].研究[3]表明，DOC的变化与土壤类型、环境条件、有机物料的种类及其用量等因素有关.马超等[4]研究发现秸秆还田处理明显提高了土壤DOC含量.此外，研究[5-6]还表明绿肥翻压可促进土壤有机质的矿化分解和土壤养分的循环与转化，显著提高土壤DOC以及微生物量碳、氮含量.微生物量碳、氮容易受到初始有机质含量、pH、温度等的影响，进而影响DOC含量[7-8].紫云英是我国南方稻区主要绿肥作物之一，具有固氮、改善土壤物理性状、提高土壤养分含量、提高农产品产量和品质、改善农业生态环境等作用[9].

国内学者对单一水稻土翻压后紫云英对水稻产量[10-11]、土壤养分和微生物特性[12-14]等变化的影响进行了研究.而有关紫云英翻压后不同类型水稻土在不同温度下DOC变化的研究尚未见报道.本文以福建省2种典型的中低产水稻土(红泥砂田和灰黄泥砂田)为研究对象，通过室内模拟淹水培养试验，研究添加等量紫云英后(45 000 kg·hm-2紫云英鲜草)2种水稻土DOC含量的动态变化特征，探讨不同肥力水平和培养温度下水田土壤添加紫云英后DOC动态变化差异及其原因，旨在为南方中低产水稻土改良与培肥技术的研究提供依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

根据第2次土壤普查结果，福建省面积较大、有机质含量较低的中低产田土种类型主要包括红土田、红泥砂田、黄泥田、灰黄泥田、黄泥砂田和灰黄泥砂田等[15]，本文选择福建省2种肥力水平不同但质地相同(均为砂壤)的典型中低产田(红泥砂田和灰黄泥砂田)为研究对象.供试土壤采自福建省闽侯县白沙镇溪头村，采集的土壤经风干后过2 mm筛备用.采用土壤农化化学分析方法[16]分析相关土壤理化性状(表1).供试紫云英(闽紫七号)由福建农科院土壤肥料研究所提供，全氮、磷和钾含量分别为32.7、1.20和20.30 g·kg-1，有机碳含量为377.03 g·kg-1.

表1 供试土壤相关理化性质

1.2 培养试验

本试验设置2种水稻土在15和25 ℃培养温度下不添加紫云英(对照)和添加等量紫云英2个处理.紫云英翻压量分为低量、中量和高量3个等级，分别为15 000、30 000和45 000 kg·hm-2[17]，由于供试红泥砂田和灰黄泥砂田的有机质含量均不高，故本研究选择高翻压量来添加紫云英，即每公顷土壤添加45 000 kg紫云英鲜草(折算为每克土壤添加新鲜紫云英0.02 g).对照和添加紫云英处理土壤的每个温度和培养时间均设3个重复，分别于添加紫云英后5、10、15、20、25、30、40、60、80 d取样，利用恒温恒湿培养箱进行模拟淹水培养.称取50 g供试土壤于100 mL烧杯中，等比例称取新鲜原状紫云英的根、茎、叶共1 g翻埋于土样中部，确保添加的紫云英与供试土壤充分接触；加60 mL水，称重后放入事先设置好温度的恒温恒湿培养箱中培养；培养过程中通过称重定期补充水分，以确保土壤处于淹水状态.

1.3 土壤DOC含量及微生物量碳、氮的测定

每隔5、10、15、20、25、30、40、60、80 d分别取出3个重复培养烧杯，搅拌均匀静置后，取上清液于高速离心机中以5 000 r·min-1的转速离心15 min，过滤；采用TOC分析仪测定离心清液中的总碳(TC)和无机态碳(IC)含量，两者相减得到DOC含量.土壤微生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸浸提—水浴法测定[18].利用TOC分析仪测定熏蒸和未熏蒸样品的有机碳、全氮含量.

式中，A表示熏蒸提取碳的TOC测定值/(mg·L-1);B表示未熏蒸提取碳的TOC测定值/(mg·L-1);

C表示熏蒸提取氮的TN测定值/(mg·L-1);D表示未熏蒸提取氮的TN测定值/(mg·L-1);

V表示K2SO4浸提体积+土样所含水体积;M表示烘干土重/g;

KEC、KEN为转换系数，取值0.45[19].

1.4 数据处理

采用Excel 2013和SPPS 19.0软件对研究数据进行分析统计.采用LSD方法进行不同温度、土壤以及不同处理间的差异显著性检验；采用Pearson法检验DOC与微生物碳、氮之间的相关性，P<0.05表示差异显著.

2 结果与分析

2.1 不同类型水稻土DOC的动态差异特征

为了研究不同肥力水平水稻土(红泥砂田和灰黄泥砂田)添加紫云英后DOC动态差异特征，分别在培养5、10、15、20、25、30、40、60、80 d后分析红泥砂田和灰黄泥砂田DOC含量(图1a、1b).从图1可看出：在15和25 ℃培养温度下，不同类型水稻土DOC动态变化规律基本一致，呈先增后减、再趋于相对稳定的动态变化规律.添加紫云英处理的灰黄泥砂田在不同培养时间的DOC含量均高于红泥砂田，分别比红泥砂田提高29.38%～694.98%和45.40%～471.22%.方差分析结果表明，添加紫云英后，2种温度下的灰黄泥砂田与红泥砂田间的DOC含量差异也达到显著水平(P<0.05).由此可见，在15和25 ℃培养温度下，肥力相对较高的灰黄泥砂田添加紫云英后DOC含量不同程度地高于肥力相对较低的红泥砂田.在15 ℃温度下添加紫云英后红泥砂田和灰黄泥砂田在不同培养时间下DOC含量分别比对照提高44.23%～918.48%和73.63%～657.01%，25 ℃温度下2种水稻土不同培养时间的DOC含量分别比对照提高81.25%～4101.89%和48.98%～423.09%.方差分析结果表明，不同培养温度下添加紫云英后2种水稻土DOC含量与对照间的差异均达显著水平(P<0.05).由此可见，添加紫云英处理显著提高红泥砂田和灰黄泥砂田的DOC含量.

a.15 ℃;b.25 ℃.

2.2 不同温度下水稻土DOC的动态差异

通过比较图1a与图1b可知，添加紫云英后红泥砂田25 ℃下的DOC含量比15 ℃的低；25 ℃下2种水稻土DOC含量均达到峰值的时间提前，较15 ℃提早10 d.在15 ℃下添加紫云英后的红泥砂田和灰黄泥砂田的DOC含量在10 d内均迅速升高，之后缓慢升高，培养第20天时达到峰值，分别比对照提高562.59%和657.01%；在25 ℃下2种水稻土DOC含量迅速升高，培养第10天时达到峰值，分别比对照提高4101.89%和329.31%；之后2种水稻土DOC含量均呈下降趋势，培养40 d后趋于相对稳定.由此可见，不同培养温度下2种水稻土DOC动态变化规律相似，因此，温度升高并不改变DOC的动态变化规律，但会加快DOC的分解，从而使DOC含量降低.

2.3 水稻土微生物量碳、氮的动态变化及其差异

为了解析DOC的动态特征，研究了相同条件下微生物量碳、氮的动态变化，即2种水稻土在不同温度下的微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)含量的变化(图2和图3).由图2可知，15和25 ℃温度下红泥砂田和灰黄泥砂田的MBC动态变化趋势与DOC一致，即随着培养时间的延长呈先增后降、再趋于相对稳定的变化趋势；且在15和25 ℃下2种水稻土MBC的峰值也分别出现在20和10 d，分别比对照提高496.98%、237.40%和605.55%、58.32%；灰黄泥砂田的MBC动态含量均显著高于红泥砂田，分别比红泥砂田高44.26%～278.00%和1.69%～570.01%.与对照相比，添加紫云英处理的红泥砂田和灰黄泥砂田的MBC均显著提高，分别比对照提高11.16%～1237.87%和0.66%～309.25%.

a.15 ℃;b.25 ℃.

从图3可见，不同温度下添加紫云英后红泥砂田和灰黄泥砂田微生物量氮(MBN)的整体变化趋势与MBC相似.在15 ℃下随着培养时间的延长，2种水稻土MBN含量迅速升高，第15天达到峰值(34.30和50.93 mg·kg-1)，分别较对照提高了157.56%、178.17%；之后快速下降，至30 d后缓慢下降.在25 ℃添加紫云英后2种水稻土MBN含量迅速升高，第10天达到峰值(42.02和61.95 mg·kg-1)，比对照提高239.50%、104.40%；之后快速下降，25 d后呈波动式缓慢上升或下降.灰黄泥砂田的MBN动态含量均显著高于红泥砂田，分别比红泥砂田提高38.99%～340.80%和0.60%～85.30%.与对照相比，添加紫云英处理的红泥砂田和灰黄泥砂田的MBN含量均显著提高，分别比对照提高30.33%～286.04%和23.14%～296.91%.

a.15 ℃;b.25 ℃.

3 讨论

土壤DOC主要来源于植物的枯枝落叶等凋落物、根系分泌物和土壤动物及微生物新陈代谢的产物， 同时也是土壤微生物矿化分解的对象，处于动态转化过程中[20-21].此外，土壤的颗粒组成、初始有机碳含量以及长期添加有机物料(如秸秆、绿肥等)能够直接或间接影响土壤DOC含量[7,22-24].本研究结果发现在添加等量紫云英的情况下，灰黄泥砂田DOC含量较红泥砂田高，这是由于灰黄泥砂田的初始有机质含量以及粘粒含量高于红泥砂田，进而影响土壤微生物活动以及DOC的形成.粘粒含量越高，土壤对DOC的吸附力越强[22]；而有机质含量越高，微生物群落代谢能力越强，则土壤DOC含量也越高[7].此外，MBC、MBN也是影响DOC的重要因素之一，一方面由于灰黄泥砂田的初始有机质含量高于红泥砂田，灰黄泥砂田为微生物提供的碳源较红泥砂田多，促进了土壤微生物的繁殖[25]；另一方面灰黄泥砂田pH低于红泥砂田，导致土壤微生物群落结构改变，进而影响土壤微生物量[26]，而pH与微生物量呈负相关，因此表现为灰黄泥砂田的MBC、MBN含量高于红泥砂田，故灰黄泥砂田的DOC含量也就明显高于红泥砂田.添加紫云英后2种水稻土DOC含量显著高于对照，这与练成燕等[27].研究结果一致.主要是由于有机物料本身含有可溶性有机物质[28].本研究添加的新鲜紫云英不仅含有丰富的可溶性有机物质，而且C/N较低，为土壤微生物活动提供了较丰富的碳、氮源，有助于土壤微生物的快速繁殖，促使紫云英中的有机物质分解形成DOC.

本研究结果表明不同水稻土添加紫云英后DOC含量呈先增后减、再趋于相对稳定的动态变化规律，与仇少君等[29]的研究结果相一致，主要与紫云英腐解规律[30]以及土壤中微生物数量及其活动的动态变化密切相关.研究[31]表明土壤DOC与微生物量碳、氮之间存在显著或极显著的正相关.本研究中水稻土DOC含量动态变化与MBC、MBN的变化规律相一致，且DOC含量与MBC、MBN含量均呈极显著正相关，相关系数分别为0.91、0.86(P<0.01).表明由于紫云英的添加，在培养前期不仅给土壤输入可溶性有机物质，而且也带入较多的碳氮源，为土壤微生物生长繁殖提供较丰富的能量[8]，促使紫云英及土壤有机质进一步分解形成DOC，致使水稻土DOC与MBC、MBN含量同步快速提高并达到峰值.但随着培养时间的延长及有机质矿化作用的进行，可供微生物利用的养分和能量开始减少，土壤DOC也成为微生物分解的对象，导致DOC含量逐渐下降；而随着DOC含量的下降，土壤中微生物生长发育所需的养分和能量持续下降，从而抑制了微生物的活动和繁殖，导致土壤DOC和微生物量碳、氮含量趋于相对稳定.

在不同温度下长期施肥，微生物量碳、氮是反映土壤DOC变化的最敏感指标[8]，说明温度可以通过影响微生物活性、数量和群落组成来影响土壤有机质的矿化过程，进而影响DOC.本研究结果发现培养温度升高，水稻土DOC含量出现峰值的时间提前了10 d，且25 ℃温度下水稻土DOC的峰值高于15 ℃；不同温度下翻压紫云英后土壤MBC含量出现峰值的时间均与DOC含量峰值出现的时间相吻合.表明随着温度的升高，土壤中微生物数量增多，活性增强，微生物分解含碳有机物的能力也相应增强，促使紫云英矿化形成DOC.但在培养后期，25 ℃温度下的土壤DOC含量却低于15 ℃，其原因是由于在较高培养温度下，后期较强的微生物活性促使土壤DOC的进一步分解，导致DOC含量明显下降.

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(责任编辑:叶济蓉)

Dynamic characteristics and difference of dissolved organic carbon in two types of paddy soils after Chinese milk-vetch application

WANG Wei1, YANG Jing1, YANG Wenhao1,2, ZHOU Biqing1,2, ZHANG Liming1,2, XING Shihe1,2

(1.College of Resource and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou， Fujian 350002, China;2.University Key Lab of Soil Ecosystem Health and Regulation in Fujian, Fuzhou, Fujian 350002, China)

Waterlogged incubation experiment was conducted with 2 typical low yield paddy soils, red mud sand and grey yellow sand, at 15 ℃ and 25 ℃. Changes in dissolved organic carbon (DOC) content after Chinese milk-vetch application were monitored. The results showed that DOC contents in 2 paddy soils applied with Chinese milk vetch increased significantly compared with the control at both 15 ℃ and 25 ℃. DOC contents in grey yellow sand were 29.38%-694.98% (15 ℃) and 45.40%-471.22% (25 ℃) higher than those in red mud sand. Variation pattern of DOC content for both paddy soils started with dramatic rise and then declined gradually, ending up in low levels for latter part of the incubations. DOC level reached the maximum on the 15th day of the experiment when incubated at 25 ℃, which was 10 d earlier comparing to incubation at 15 ℃. To summarize, Chinese milk vetch is likely to increase DOC content in waterlogged paddy soil. Change trends of DOC contents in 2 typical paddy soils were similar but grey yellow sand with higher fertility and temperature accelerated DOC formation.

Chinese milk-vetch; paddy soils; dissolved organic carbon; microbial biomass carbon; microbial biomass nitrogen

2016-08-16

2016-12-14

国家自然科学基金资助项目(41671490).

王薇(1992-)，女，硕士研究生.研究方向：植物营养与环境生态.Email：542856845@qq.com.通讯作者邢世和(1962-)，男，教授，博士生导师.研究方向：土壤环境生态与碳氮循环.Email：fafuxsh@126.com.

S131+.2; S142+.1; S154

A

1671-5470(2017)04-0453-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.04.016