耕作制度对稻田土壤有机碳季节变化的影响—以海南省定安县为例

唐 薇，赵志忠，王军广，赵泽阳

耕作制度对稻田土壤有机碳季节变化的影响—以海南省定安县为例

唐 薇，赵志忠*，王军广，赵泽阳

(海南师范大学地理与环境科学学院，海口 571158)

为了解耕作制度对稻田土壤有机碳时间变化的影响，选择了海南省定安县4种不同耕作制度下的稻田（一熟制、二熟制、三熟制和撂荒地）为研究对象，对比分析其表层土壤在2019年冬季（1月）、春季（4月）、夏季（7月）和秋季（10月）的有机碳和易氧化有机碳含量差异。结果表明，研究区稻田土壤有机碳含量在四个季节都表现为二、三熟制高，一熟制和撂荒地低，且在春季和夏季差异较大，夏季差异最为显著。各耕作制度下稻田土壤有机碳含量年内变化不明显。研究区不同耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳含量都在春季时最高，一熟制和二熟制稻田土壤易氧化有机碳含量在土壤总有机碳中的占比年内变化明显，三熟制和撂荒地易氧化有机碳占比则较稳定。研究区稻田土壤有机碳和易氧化有机碳总体呈正相关关系，但由于耕作制度的不同使得其在不同季度两者之间的相关性存在一定差异。可见稻田耕作制度对土壤有机碳的累积和固定有一定影响。

耕作制度；土壤有机碳；土壤易氧化有机碳；时间变化

土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库[1]。土壤有机碳是在一定面积范围内由土壤微生物作用形成的腐殖质、保留在土壤中的动植物残体和土壤微生物体内所含碳的总量，长久以来被认为是评价土壤质量的重要指标[2]。另外，由于人类对自然资源的滥用及土地利用方式的改变等活动，土壤碳库和大气之间的碳循环平衡遭到破坏，大量土壤有机碳被氧化并以CO2的形式释放到大气中去，增加了温室气体的排放，一定程度上影响到了全球气候变化[3]。水稻土是农田生态系统的一部分，其发育过程很大程度受到人类耕作活动的影响，强烈的人为干扰使得其成为对大气温室气体累积贡献最大的土壤类型，积累量占到人类活动释放到大气CO2的1/4[4]。近年来，学者通过研究发现，通过对农田耕作管理制度进行调整可以改变土壤团聚体结构等理化性质，影响土壤有机碳的周转[5-6]。因此，了解耕作制度对稻田土壤有机碳累积的影响，不仅对提高稻田土壤质量、科学利用和保护有限的稻田土壤资源具有重大意义，同时也是研究全球碳循环过程和预测气候变化趋势需重点关注的问题。

为了更好地研究土壤有机碳的累积机制，前人根据其稳定性将有机碳分为活性、慢性和惰性有机碳库3部分，其中的活性有机碳被认为是指示土壤物理性质和有机物矿化、评价土壤肥力和土壤经营措施对土壤质量影响的重要指标，是被广泛关注和深入研究的组分[7]。土壤易氧化有机碳作为土壤活性碳库的重要组成部分，其具有一定溶解性，在土壤中移动较快、不稳定、易氧化且易被土壤微生物矿化分解，对植物养分供应具有直接作用[8]。研究认为，土壤易氧化有机碳比总有机碳更能灵敏地反应土壤的理化性质变化，可作为表征土壤潜在生产力和人为耕作管理措施等变化导致土壤有机质变化的敏感指标之一，被认为是土壤碳库短期变化的重要指示因子[9-10]。另外，土壤易氧化有机碳占土壤总有机碳的比例更是反映土壤碳稳定性的重要指标，土壤易氧化有机碳占有机碳的比例越高，说明土壤碳活性越大，越不稳定，土壤肥力相对越低[11-12]。因此，土壤易氧化有机碳含量及其占总有机碳的比例常被作为评价土壤管理的重要指标。

综上所述，土壤有机碳和易氧化有机碳的研究已经引起了国内外众多学者的关注，而海南省近年来也有部分学者针对这一问题进行了相关研究。吕成文等[13]、吕丽萍等[14]对整个海南省土壤有机碳时空变化规律进行了长期研究，李燕等[15]、邢瑶丽等[16]也针对海南省部分地区不同土地利用方式下土壤有机碳和易氧化有机碳的分布进行了相关研究，这些研究详细介绍了海南省有机碳储量和变化情况，并探究了土地利用方式对农田土壤有机碳的影响，但针对不同的耕作制度对稻田土壤有机碳累积过程影响的相关研究涉及还比较少。海南省地处热带，具有高温多雨的气候特征，也使得稻田具有一年三熟的优势，这一特性使得热带地区水稻田耕作制度具有更多的选择，为研究不同耕作制度下土壤有机碳的变化规律提供了有利条件。本研究以海南省定安县作为研究对象，采集一熟制、二熟制、三熟制和撂荒地四种类型的稻田，探讨不同的耕作制度对土壤有机碳累积特征的影响，以期为研究区稻田土地资源科学可持续利用提供新的理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本次研究选择海南中部的定安县为研究区，研究区属于热带海洋性季风气候，年均气温24.7℃，总降水量2 007 mm左右，年平均日照时数为1 992 h，一年分旱雨两季，11月到次年4、5月为旱季，5～10月为雨季，土壤以赤红壤为主。通过实地调查及访问，在研究区选择了3个典型区域作为采样区，分别命名为S1～S3（如图1所示），其中S1采样区有相邻的2块二熟制稻田和1块撂荒地作为研究样点，S2采样区有相邻的1块一熟制稻田和1块撂荒地作为研究样点，S3采样区有2块三熟制稻田和1块撂荒地作为研究样点，共选取8块不同类型的稻田进行采样，每个样地在5 m×5 m范围内，随机选取2个取样点，每个样点采集一个深度为30 cm的柱状样，将样品充分混合后装入封口袋编号并带回实验室。本次研究分别于2019年冬季（1月）、春季（4月）、夏季（7月）和秋季（10月）4个不同季度在相同的样点进行了4次采样。所选样地特征如下：

一熟制稻田：土壤大多呈红棕色。采用传统犁耕进行耕作，灌溉主要依赖自然降水。6月底7月初时插秧，10月中旬收割。一般在插秧前施加氮肥等化肥，水稻生长期再根据长势增施复合肥，施肥1～3次，秸秆不还田。

二熟制稻田：土壤大多呈黄棕色。采用传统犁耕进行耕作，雨季依赖于自然降水，旱季抽水进行灌溉。一年两次生长期，第一稻于清明前插秧，6月中旬收割，第二稻于6月底7月初时插秧，10月中旬收割。插秧前施加氮肥等化肥，全年施肥2～5次，秸秆不还田。

三熟制稻田：土壤大多呈黄棕、暗棕色。采用传统犁耕进行耕作，雨季依赖于自然降水，旱季抽水进行灌溉。一年3次生长期，第一稻于前一年12月底插秧，第二年3月中旬收割；第二稻于清明前插秧，6月中旬收割；第三稻于6月底7月初时插秧，10月中旬收割。施肥方式与一熟及二熟制稻田相同，全年施肥3～7次，秸秆不还田。

图1 采样区分布图（审图号：GS(2013)2541）

Figure 1 Distribution of sampling area

撂荒地：土壤大多呈棕色。在撂荒前为水稻田，撂荒时间在3年以上，地表生长有杂草，利于积水，形成类似沼泽湿地的土地类型。

1.2 样品处理与分析

将野外采集的样品去除土样中动植物残体和石砾，摊开自然风干，用于测定相关指标。

土壤有机碳测定：将剔除杂物的风干土样取50 g研磨，取10 g已研磨土样放入烘箱，温度调至105℃，烘干至恒重后称取已烘干土样5 g置于50 mL烧杯中，以蒸馏水和盐酸9∶1的比例配置溶液，并向烧杯中加入30 mL溶液用于去除碳酸盐，用磁力搅拌器搅拌至没有气泡，静置24 h后，加入蒸馏水离心3～4 次，用pH试纸检测直至土样呈中性，再次将土样放入烘箱，温度调至60℃，约24 h后取出，冷却、干燥并研磨，取处理完成的土样25 mg用锡纸包裹，使用TOC分析仪检测。

土壤易氧化有机碳测定：采用由Logninow等[17]提出的KMnO4氧化法。称取风干过的约含15 mg有机碳的土样，加入333 mol·L-1KMnO4溶液25 mL进行振荡处理，1 h后离心5 min（4 000 r·min-1），倒出上清液，用去离子水按1∶250的比例对上清液进行稀释，然后用分光光度计在 565 nm下比色测定，同时进行空白试验。根据消耗的KMnO4含量可反算出易氧化有机碳质量分数（1 mol KMnO4氧化0.75 mol C）。

数据采用Excel 2007软件进行处理，并用SPSS 21软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 稻田土壤有机碳时间变化特征

表1表现了一年内不同季度不同耕作制度下稻田土壤有机碳含量的分布。由表中数据可以看出，一熟制稻田土壤有机碳含量在一年内呈现冬季>秋季>春季>夏季的顺序特征，二熟制稻田则呈春季>夏季>冬季>秋季的顺序特征，三熟制稻田和撂荒地土壤呈春季>冬季>夏季>秋季的顺序特征。从每个季度来看，冬季和春季研究区耕地土壤有机碳的含量分布都呈现三熟制>二熟制>撂荒地>一熟制的顺序特征，夏季和秋季，二熟制稻田土壤有机碳含量超过三熟制稻田，出现二熟制>三熟制>撂荒地>一熟制的顺序特征。

方差分析结果显示，冬季研究区四种类型耕地的土壤有机碳含量差异都不显著；春季和夏季，研究区二熟制和三熟制稻田土壤有机碳含量差异不显著，而与一熟制和撂荒地之间存在显著差异，一熟制稻田和撂荒地之间土壤有机碳含量差异不显著；秋季时，除一熟制稻田外，其他类型耕地之间土壤有机碳含量都不存在显著差异。总的来说，夏季时不同耕作制度稻田之间有机碳含量的差异最为显著，而同一耕作制度的稻田在一年内不同季度有机碳含量之间的差异都不显著。

2.2 稻田土壤易氧化有机碳时间变化特征

根据表2可知，春季时，研究区各耕作制度下土壤易氧化有机碳的含量都是最高的，且一熟制土壤易氧化有机碳含量呈现春季>夏季>冬季>秋季的顺序特征，二熟制稻田土壤易氧化有机碳含量呈现春季>秋季>夏季>冬季的顺序特征，三熟制稻田则呈现春季>夏季>冬季>秋季的顺序特征，撂荒地土壤易氧化有机碳含量呈现春季>夏季>秋季>冬季的顺序特征。对同一季度不同耕作制度下的易氧化有机碳含量进行比较，发现冬季和春季研究区土壤易氧化有机碳含量都呈现三熟制>二熟制>一熟制>撂荒地的顺序特征，夏季时土壤易氧化有机碳含量呈三熟制>二熟制>撂荒地>一熟制的顺序特征，秋季则呈现二熟制>一熟制>撂荒地>三熟制的特征。

从方差分析结果来看，一熟制稻田土壤易氧化有机碳含量在全年变化不明显，二、三熟制稻田及撂荒地的土壤易氧化有机碳含量则是除了春季易氧化有机碳显著大于其他季度以外，冬、夏和秋季之间易氧化有机碳含量都没有明显差异，三熟制易氧化有机碳含量在一年内变化幅度最大。从每个季度来看，4种耕作制度下稻田土壤有机碳含量之间都无明显差异。

表1 不同季度各耕作制度下稻田土壤有机碳含量

注：表中数值为平均值±标准误；同行数据后不同大写字母表示同一类型耕地不同季度土壤有机碳含量差异显著（<0.05），同列数据后不同小写字母表示同一季度不同类型耕地土壤有机碳差异显著（<0.05），相同字母表示差异不显著。值表示检测方差值，*表示差异显著。下同。

表 2 不同季度各耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳含量

表3 不同季度各耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳含量占总有机碳比例

表4 不同季度各耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳含量与总有机碳含量相关系数

注:*、**分别为0.05及0.01水平上的显著性差异。

不同季度不同耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳在总有机碳中的占比各不相同。从表3来看，3种熟制下的稻田土壤易氧化有机碳在总有机碳中的占比都在春季时最大，且其占比的大小顺序都和易氧化有机碳含量的顺序一致，而撂荒地土壤易氧化有机碳在总有机碳中的占比则呈现夏季>春季>冬季>秋季的特征，且变化幅度较小，这与易氧化有机碳含量在4个不同季度中的排序存在一定差异。

从方差分析结果来看，一、二熟制下稻田土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例在不同季度之间都存在明显差异，根据多重比较结果，一熟制稻田冬季和秋季的易氧化有机碳占总有机碳的比例在秋冬季节时明显小于春季和夏季，二熟制稻田夏季时易氧化有机碳占比明显大于其他季度，而三熟制和撂荒地的比例则在4个季度之间都没有显著差异。从每个季度不同耕作制度稻田易氧化有机碳占总有机碳的比例来看，春季和秋季时一熟制稻田与其他类型耕地差异显著，其他季度各耕作制度稻田之间并无显著差异。

根据表4可以得出，冬季时一熟制稻田土壤总有机碳含量与土壤易氧化有机碳含量之间存在显著相关性，二熟制稻田土壤总有机碳和易氧化有机碳含量之间存在极显著相关性，三熟制稻田和撂荒地土壤总有机碳和易氧化有机碳含量之间相关性不明显；春季时，三熟制稻田土壤总有机碳含量与土壤易氧化有机碳含量之间存在显著相关性，撂荒地土壤总有机碳和易氧化有机碳含量之间存在极显著相关性，一熟制和二熟制稻田相关性不明显；夏季和秋季，二熟制稻田土壤总有机碳和易氧化有机碳含量之间存在显著相关性，其他类型稻田土壤总有机碳和易氧化有机碳含量之间都没有显著相关性。

3 讨论与结论

3.1 不同耕作制度对稻田土壤总有机碳含量变化的影响

稻田土壤是一种特殊的耕作土壤，其有机碳主要来源于原始植被残留、秸秆还田、作物根系及人为施加有机肥料，且由于人们采用耕作管理措施的差异，土壤理化性质和有机碳分子结构将受到影响，从而影响有机碳贮存[18-20]。从研究结果来看，研究区4个不同季度内各耕作制度下稻田总体而言都呈现二熟制、三熟制稻田土壤有机碳含量较高，一熟制稻田和撂荒地含量较低的趋势，且冬季和春季时三熟制稻田土壤有机碳含量最高，夏季和秋季二熟制稻田含量超过三熟制。调查发现，研究区稻田全年施肥次数总体呈三熟制稻田>二熟制稻田>一熟制稻田的特征。前人研究表明，施肥不仅能直接为土壤和作物带来多种营养物质，还能间接地通过改善土壤的物理和化学性质增加土壤微生物的数量和活性，从而增加根茬碳的输入量[21-23]。根据施肥次数来看，二、三熟制稻田施肥次数较多，因此其根茬碳的输入量也更高，从而增加了土壤外源输入，也有学者认为，过量施用氮肥可能降低土壤有机碳含量，这可能是夏秋季节二熟制稻田有机碳含量高过三熟制的原因之一[24]。另外，相关学者通过研究认为传统的耕作方式会破坏土壤团聚体结构，加快土壤氧化和矿化，从而加速土壤有机碳的分解，使其含量降低[25]。三熟制稻田在一年内耕作次数最多，其有机碳通过氧化矿化分解的部分也因而较多，导致夏季后二熟制稻田土壤有机碳含量超过三熟制稻田。由此可见，耕作制度通过改变土壤结构和外源输入等方式影响土壤有机碳储存，对农田投入过少或利用强度过大，都不利于农田的可持续利用。研究区稻田土壤母质存在一定的差异，这也是影响土壤有机碳固定的重要因素，还需要进一步研究。

根据研究结果，春季和夏季时四种耕作制度下稻田土壤有机碳含量的差异较大，具体表现为二、三熟制稻田土壤有机碳的含量明显大于一熟制和撂荒地，且夏季时不同耕作制度下稻田土壤有机碳含量之间的差异最为显著。这是由于春季和夏季二、三熟制土壤正处于水稻生长期，春季时，研究区处于旱季，二、三熟制稻田大多处于插秧期，农户通过犁耕和灌溉等措施改变了土壤团聚体结构和含水量等特性，使得土壤微生物处于淹水环境，导致土壤中大量的铁、锰离子与有机质产生络合，尤其是氧化铁对有机碳的储存具有保护与稳定作用，土壤有机碳因此得到累积[26]。夏季采样时，三种熟制下稻田都处于水稻生长期，而二熟制和三熟制稻田已经经过了一次收割，前一稻收割后残留的作物根茬被腐化分解，转化为有机质，增加了土壤中有机质含量。

3.2 不同耕作制度对土壤易氧化有机碳时间变化的影响

土壤易氧化有机碳主要来源于动植物及微生物的残体，是对生产经营和管理措施反应最为敏感的一部分有机碳，能快速反映土壤生产力和土壤有机质变化[27-28]。从研究结果来看，4种耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳含量最高的时段都在春季，且除一熟制稻田外，其他耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳在春季时的含量都显著高于其他季节，出现这一现象原因可能是春季属于研究区的旱季，且相较于同样属于旱季的冬季来说气温较高，这一相对干热的气候特征使得土壤含水量少，微生物活动相对频繁，从而加速了凋落物分解和根茬碳源[29-30]，易氧化有机碳含量也随之升高。一熟制稻田差异不显著的原因可能是因为其土壤质地不适宜储存有机碳，使得全年有机碳含量都较低导致的，还需要对其进行深入研究，从每个季度来看，不同耕作制度下稻田易氧化土壤有机碳含量的差异都不明显，说明短期内耕作制度对易氧化有机碳含量影响不大。

从土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例来说，一熟、二熟、三熟制下的稻田土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例都表现出和易氧化有机碳含量相同的顺序特征，这说明了随着土壤总有机碳的增长，这些类型稻田土壤的易氧化有机碳含量也随着增长，而撂荒地土壤4个月易氧化有机碳含量的排序和土壤总有机碳含量有所差异，从全年来看，一熟制和二熟制稻田土壤易氧化有机碳在总有机碳中的占比变化较显著，一熟制稻田在春季和夏季时占比明显高于冬季和秋季，二熟制稻田在春季的占比明显高于其它季节，这是因为春季干热的气候特征不利于有机碳固定。从分析结果来看，秋季时一熟制稻田易氧化有机碳占比最低，这可能是水稻刚完成了收割，生长期农户通过对土壤施加化肥和混合肥增加了土壤肥力，且通过犁耕灌溉等方式改善了土壤理化性质，使得土壤微生物活性降低，土壤有机碳能较稳定地固存，易氧化有机碳占比也随之较 低[22,31]。三熟制稻田和撂荒地在一年内易氧化有机碳含量占总有机碳的比例变化不显著，这是由于这两种稻田在一年内土地利用状况差异不大，因而全年土壤环境的差异较小，易氧化有机碳的占比也比较稳定。

3.3 不同耕作制度稻田土壤有机碳和易氧化有机碳相关关系

从研究结果来看，不同季度不同耕作制度下稻田土壤有机碳和易氧化有机碳都呈一定的正相关关系，这也与阎欣等[32]和赵志忠等[33]的研究结果一致。但不同类型稻田在不同季度土壤有机碳和易氧化有机碳的相关系数有明显差异，这说明土壤易氧化有机碳含量和土壤有机碳含量密切相关，又一定程度的受到耕作制度和施肥灌溉等农田管理措施的影响。

不同的耕作制度对海南省稻田土壤有机碳和易氧化有机碳含量的时间变化具有一定的影响，主要通过施肥、耕作、灌溉等措施影响其累积机制，通过分析得出以下结论：

（1）研究区四个不同季度内各耕作制度下稻田土壤有机碳含量总体而言都呈现二熟制、三熟制稻田较高，一熟制稻田和撂荒地含量较低的特征，且春季和夏季时差异较大，夏季差异最为显著。各耕作制度下稻田土壤有机碳含量年内变化不显著。

（2）受气候影响，研究区不同耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳含量都在春季时最高，但一熟制稻田由于母质原因差异不显著。

（3）三种熟制下的稻田土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例在一年四个季度内的大小顺序都与易氧化有机碳含量一致，一熟制和二熟制稻田土壤易氧化有机碳含量土壤总有机碳中的占比年内变化明显，三熟制和撂荒地易氧化有机碳占比则较稳定。

研究区不同耕作制度下稻田土壤有机碳和易氧化有机碳总体呈正相关关系，但由于耕作制度的不同使得其在不同季度两者之间的相关性存在一定差异。

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Effects of tillage systems on seasonal changes of paddy soil organic carbon: Taking Ding'an county, Hainan Province as an example

TANG Wei, ZHAO Zhizhong, WANG Junguang, ZHAO Zeyang

(College of Geography and Environmental Science, Hainan Normal University, Haikou 571158)

In order to understand the impact of farming systems on the temporal changes of soil organic carbon, paddy under four different farming systems (one-cropping system, two-cropping system, three-cropping system and abandoned land) in Ding'an County, Hainan Province was selected as the research objects and a comparative analysis was conducted to analyze the difference in the contents of organic carbon and easily oxidized organic carbon in the surface soil of winter (January), spring (April), summer (July), and autumn (October) in 2019.The results showed that the organic carbon content of the paddy field soil in the study area was high in second and third crops, low in first crop and abandoned land in the four seasons. The difference was large in spring and summer, especially in summer. Under different tillage systems, the organic carbon content of the paddy soil did not change significantly during the year. The content of oxidizable organic carbon in the paddy soil in the study area was the highest in spring. The proportion of soil oxidizable organic carbon content in total soil organic carbon of the paddy under one-cropping system and two-cropping system changed significantly during the year, and the proportion of the three crops and the abandoned land is relatively stable. There is a positive correlation between organic carbon and easily oxidized organic carbon in the paddy soil in the study area. However, the correlation between the two is different in each season due to the different farming systems. It can be seen that the paddy field farming system has a certain effect on the accumulation and fixation of soil organic carbon.

farming system; soil organic carbon; soil easily oxidized organic carbon; time change

S151.9

A

1672-352X (2021)01-0108-07

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210319.005

2021-3-23 10:09:12

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210319.1503.010.html

2020-05-20

海南省自然科学基金创新团队项目（2017CXTD006），海南省研究生创新项目（Hys2019-242），海南自然科学基金项目（419MS049）和海南省高等学校研究项目（Hnky2019-39）共同资助。

唐 薇，硕士研究生。E-mail：576526463@qq.com

赵志忠，博士，教授。E-mail：zhizhong@hainnu.edu.cn