稻茬-紫云英联合还田对水稻土表层水可溶性碳氮的影响

杨 爽，刘 佳，陈晓芬，秦文婧，陈静蕊，罗文文，孙鲁沅，耿明建，徐昌旭

（1.华中农业大学资源与环境学院，湖北 武汉 430070；2.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，江西 南昌 330200）

养分随地表径流进入河湖水网是土壤养分流失的主要途径［1］。不合理的农业管理措施可能增加稻田养分流失，造成农业面源污染［2］。目前，已有大量农业管理措施影响稻田表层水养分流失的研究报道。马晓焉等［3］在红壤性水稻土上的研究发现，表层水氮素含量与猪粪施用量呈正相关关系，猪粪施用后15 d 内表层水铵态氮（NH4+-N）、可溶性有机氮（DON）含量显著高于单施化肥处理。龚静静等［4］研究发现，秸秆还田可使稻油轮作农田径流氮素含量下降16.9%～19.8%，有效减缓氮素流失的风险。郭智等［5］也证实，较常规施肥处理，秸秆还田能使稻麦轮作农田径流总氮损失降低13.48%。开展稻田养分流失及其消减措施相关研究是当下农业科技工作者关注的焦点。

紫云英是南方稻田广泛种植利用的冬季绿肥，翻压还田有利于改善土壤性质、提高作物产量、提升农产品品质［6-9］。在南方红壤区习惯于在早稻种植前（4月中旬）将紫云英带水翻压，此时紫云英含氮量高、鲜嫩多汁、极易分解，还田后迅速释放养分［10］。但此时水稻处于苗期，养分需求较小，紫云英还田后可能存在养分流失的风险，然而目前未有关于紫云英还田影响田面水养分含量的相关报道。当前，晚稻机收留茬是南方红壤区的普遍现象。水稻留茬有助于紫云英出苗越冬，提高紫云英盛花期的产量和养分含量，留茬也为早稻移栽前与紫云英的联合还田提供了可能，近年来，已有学者在此方面开展了一定研究。周国朋等［11］发现，相较于稻茬或紫云英单独利用，二者联合还田的土壤肥力和水稻产量均得到明显提升。也有研究发现，稻茬与紫云英联合还田可以驱动土壤产甲烷菌的群落演变，进而降低甲烷排放通量，有利于稻田生态系统固碳减排［12］。稻茬与紫云英联合还田能否降低田面水养分浓度、减少潜在的养分流失风险，还有待研究。

本研究以江西省最典型的红壤性水稻土和冲积性水稻土为研究对象，布置精准控制水稻盆栽试验，设置紫云英与不同高度稻茬联合还田的试验处理，研究水稻土表层水可溶性碳氮含量的动态变化，旨在为南方双季稻区紫云英的合理利用、农业面源污染的科学防控提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2020年5～8月在江西省农业科学院（28°33′38″N，115°56′16″E，海拔25.6 m）露天网室进行。该地区为典型的亚热带季风气候，年均气温17.0～17.7℃，年降水量1600～1700 mm，年日照时数1800～1820 h。供试土壤为第四纪红黏土母质发育的红壤性水稻土和河流冲积性母质发育的冲积性水稻土，前者采自江西省丰城市张巷镇范桥村（28°07′55″N，115°54′36″E，海拔25.4 m），后者采自江西省上高县泗溪镇渡埠农场（江西省农业科学院高安基地，28°15′21″N，115°7′49″E，海拔25.2 m），所取土壤为未进行试验的表层（0～20 cm）水稻土。土壤采集后风干，挑去杂物过2 mm筛，充分混匀备用。供试土壤的基础理化性质见表1。

表1 供试土壤基础理化性质

供试有机物料为稻茬和紫云英，在2020年4月中旬早稻种植前采集。稻茬为上一年度晚稻机械收获后自然越冬的田间留茬，紫云英为盛花期地上部鲜样。采集后将稻茬和紫云英烘干剪碎至2 cm左右备用，经测定稻茬含碳378.5 g/kg，含氮11.9 g/kg，碳氮比（C/N）31.7，含水量22.4%；紫云英含 碳386.2 g/kg，含 氮24.5 g/kg，C/N 15.8，含 水量88.2%。供试化肥为尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）。

1.2 试验设计

盆栽试验设4个处理：不施用稻茬和紫云英（CK）、紫云英单独还田（MV）、低量稻茬和紫云英联合还田（LSMV）、高量稻茬和紫云英联合还田（HSMV），每个处理4次重复。除CK外，各处理紫云英还田量均为干物质2700 kg/hm2（按鲜草产量22500 kg/hm2，含水量88.0%计算），LSMV处理按1350 kg/hm2添加稻茬（大约相当于晚稻机械收获留茬10～15 cm），HSMV处理按4050 kg/hm2添加稻茬（大约相当于晚稻机械收获留茬30～45 cm）。参照当地大田施肥习惯，各处理的化肥施用 量 为N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。氮肥按照基肥50%、穗肥50%施用，磷肥和钾肥全部用作基肥。将各处理的基肥、有机物料与5 kg供试土壤完全混匀、装盆，每盆准确灌入5 L去离子水，而后挑选长势一致的水稻幼苗进行移栽，每盆移栽2株水稻幼苗。试验期间每天上午定时定量补水。考虑到盆栽试验可能出现养分供应不足的情况，参考刘蕊等［13］的方法在实际操作中将有机物料和化肥用量扩大2倍，各处理具体添加量见表2。

表2 有机物料添加量及化肥施用量 （g/盆）

1.3 盆栽表层水的采集与测定

水稻移栽后第3、7、15、30 d用50 mL注射器在尽量不扰动土层情况下，随机采集盆栽内3个点位的表层水装入250 mL塑料瓶内，过0.45 μm滤膜后，尽快测定滤液的可溶性有机碳（DOC）、可溶性总氮（DTN）、NH4+-N和硝态氮（NO3--N）含量。滤液的DOC和DTN使用Multi C/N 3100（德国耶拿公司）测定，NH4+-N和NO3--N使用Smart chem 200全自动间断化学分析仪（法国爱利安斯公司）测定。滤液的无机氮（DIN）含量为NH4+-N和NO3--N含量的加和，DON通过 DTN与DIN的差值计算得出［14］。

1.4 数据统计

试验数据经Excel 2003整理后，用SPSS 22.0进行单因素方差分析、Duncan多重比较，用Origin 9.1作图。

2 结果与分析

2.1 水稻土表层水DOC含量的动态变化

红壤性水稻土表层水DOC含量的动态变化如图1a所示。整个取样期内CK始终下降，而MV、LSMV和HSMV处理均表现为先上升后下降的变化趋势。与CK相比，LSMV和HSMV处理的DOC含量增幅较小，而MV处理则显著提高。在第7 d峰值时，LSMV和HSMV处理的DOC含量相较于CK分别提高了41.6%和87.6%（P＜0.05），而MV处理却大幅提高了5.9倍（P＜0.05），达到414.3 mg/L。在第30 d时，各处理的DOC含量差异不显著。

图1 水稻土表层水DOC含量的动态变化

冲积性水稻土表层水DOC含量的动态变化如图1b所示。整个取样期内，CK、LSMV和HSMV处理始终下降，仅MV处理呈先上升后下降的变化趋势。与红壤性水稻土不同，冲积性水稻土中添加物料各处理的DOC含量均增幅较小。与CK相比，整个取样期内MV处理的DOC含量平均增幅仅为27.9%，而LSMV和HSMV处理分别达到36.2%和62.7%。

2.2 水稻土表层水DTN含量的动态变化

红壤性水稻土表层水DTN含量的动态变化如图2a所示，各处理表层水的DTN含量始终呈下降趋势。整个取样期内，LSMV和HSMV处理的DTN含量与CK相近，二者分别为CK的77.1%～118.9%（P＞0.05）和81.0%～125.0%（P＞0.05）；而MV处理则大幅提高。在第3 d时，MV处理的DTN含量高达575.4 mg/L，是CK的15.1倍，在第15 d时，MV处理的DTN含量急剧下降到66.4 mg/L，仍然是CK的11.4倍。在第30 d时，各处理表层水的DTN含量差异不显著。

图2 水稻土表层水DTN含量的动态变化

冲积性水稻土表层水DTN含量的动态变化如图2b所示。与红壤性水稻土相似，冲积性水稻土各处理表层水的DTN含量也呈下降趋势。不同的是，整个取样期内MV处理的DTN含量相较于CK增幅较小，仅上升了3.3%～44.2%；而LSMV和HSMV处理的DTN含量相较于CK甚至下降了20.9%～32.0%和24.5%～54.9%。在第30 d时，各处理表层水的DTN含量差异不显著。

2.3 水稻土表层水NH4+-N含量的动态变化

红壤性水稻土表层水NH4+-N含量的动态变化如图3a所示，各处理表层水的NH4+-N含量始终呈下降趋势。在第3 d取样时，MV处理的NH4+-N含量为49.9 mg/L，相较于CK提高了117.9%（P＜0.05），而LSMV和HSMV处理相较于CK分别仅提 高 了25.8%（P＞0.05）和40.4%（P＞0.05）。第7～30 d，MV、LSMV和HSMV处理的NH4+-N含量与CK逐渐趋于一致。

冲积性水稻土表层水NH4+-N含量的变化规律与DTN相似。从图3b可以看出，整个取样期内，各处理的NH4+-N含量呈下降趋势。在前7 d，MV处理的NH4+-N含量相较于CK有所上升，增幅达35.2%～37.0%，而LSMV和HSMV处理的NH4+-N含量相较于CK却有所下降，降幅分别为18.6%～25.9%和48.5%～55.0%。15 d后，各处理的NH4+-N含量与CK相近。

2.4 水稻土表层水NO3--N含量的动态变化

红壤性水稻土表层水NO3--N含量的动态变化如图4a所示。各处理NO3--N含量均在第7 d达到峰值后下降。各处理NO3--N含量峰值仅在1.6～5.6 mg/L之间，其中LSMV处理的NO3--N含量最高，相较于CK峰值上升了32.3 %（P＜0.05），HSMV处理的NO3--N含量最低，相较于CK峰值降低了61.8%（P＜0.05）。取样期内MV处理和CK的NO3--N含量始终相近，无显著差异（P＞0.05）。在第30 d时，各处理表层水的NO3--N含量差异不显著。

图3 水稻土表层水NH4+-N含量的动态变化

图4 水稻土表层水NO3--N含量的动态变化

冲积性水稻土表层水NO3--N含量的动态变化如图4b所示。与红壤性水稻土相似，各处理的NO3--N含量均在第7 d达到峰值后下降。各处理NO3--N含量峰值在2.4～7.0 mg/L之间，其中CK的NO3--N含量明显高于其他处理，HSMV处理的NO3--N含量相较于CK降低了66.1 %（P＜0.05），降幅最大，而LSMV处理的NO3--N含量相较于CK仅下降了26.1%（P＜0.05），降幅最小。在第30 d时，各处理表层水的NO3--N含量差异不显著。

2.5 水稻土表层水DON含量的动态变化

红壤性水稻土表层水DON含量的动态变化如图5a所示。各处理的DON变化规律与其DTN（图2a）相似，在整个观测期内始终呈下降趋势。MV处理的DON含量显著高于其他处理（P＜0.05），第3 d时其峰值含量高达532.4 mg/L，相较于CK大幅提高了35.8倍（P＜0.05）；而LSMV、HSMV处理的DON含量却与CK无显著差异（P＞0.05）。在第30 d时，各处理表层水的DON含量趋于一致。

冲积性水稻土表层水DON含量的变化规律如图5b所示。在整个观测期内，各处理的DON含量均呈下降趋势。与红壤性水稻土表层水的DON表现相反，在第3 d峰值时，MV处理的DON含量仅11.0 mg/L，相对于CK显著降低了37.8%（P＜0.05），而LSMV和HSMV处理与CK接近，前者的DON含量下降了4.6%（P＞0.05），后者的DON含量上升了9.3%（P＞0.05）。在第30 d时，各处理表层水的DON含量差异不显著。

2.6 水稻土表层水DOC/DTN的动态变化

红壤性水稻土表层水DOC/DTN的变化规律如图6a所示，随观测时间的延长，各处理的DOC/DTN整体呈上升趋势。在观测初期（前7 d）各处理的DOC/DTN接近，第15 d时，各处理DOC/DTN的大小顺序为HSMV（16.5）＞LSMV（9.5）≈CK（8.5）＞MV（3.3）。但第15 d后，各添加有机物料处理（MV、LSMV和HSMV）的DOC/DTN迅速趋于一致，第30 d时，其值在23.8～24.7之间，显著高于CK的16.3（P＜0.05）。

图5 水稻土表层水DON含量的动态变化

图6 水稻土表层水DOC/DTN的动态变化

冲积性水稻土表层水DOC/DTN的变化规律如图6b所示，在整个观测期内各处理的DOC/DTN也呈整体上升趋势。与红壤性水稻土不同，在前15 d，各处理DOC/DTN的大小顺序始终为HSMV＞LSMV＞MV＞CK，且在第15 d时各处理相互间达到显著差异（P＜0.05）。但第15 d后，CK的DOC/DTN迅速上升，而MV、LSMV和HSMV处理趋于一致，第30 d时，CK的DOC/DTN（35.1）显著高于MV、LSMV和HSMV处理（29.1～30.2）。

3 讨论

水稻土表层水中的可溶性碳氮是稻田生态系统的重要组成部分，它既是植物、微生物可以直接吸收利用的营养物质，也是造成稻田养分流失风险的潜在污染源［3，15-16］。本研究发现，在红壤性水稻土上将紫云英单独还田（MV处理），表层水中的DOC、DTN和DON含量急剧增加，三者最高时分别达到414.3（第7 d）、575.4（第3 d）和532.4 mg/L（第3 d），相对于对应时间的CK分别增加了5.9、14.1和35.8倍，而冲积性水稻土MV处理的DOC、DTN和DON含量相对于CK最高也仅增加了51.9%（第7 d）、25.2%（第7 d）和58.4%（第7 d）。可见紫云英单独还田对两种水稻土表层水中可溶性碳、氮养分浓度的影响截然不同，在红壤性稻田中存在极高的流失风险。这可能与两种水稻土的性质差异有关。红壤性水稻土发育自第四纪红黏土，其质地黏重、通气透水性差，紫云英分解释放的大量碳、氮养分未能被土体有效吸纳而存在于表层水中；而冲积性水稻土的砂粒含量较高（表1），其机械组成更加“松散”，通气透水性好，具有强大的“海绵功能”，对投入的外源养分能很快表现出良好的“缓冲性能”。虽然前人研究也曾发现添加外源物质对不同类型水稻土的影响各异［17-18］，但几乎未见类似于本研究中红壤性水稻土和冲积性水稻土如此巨大差别的研究报道，之后还需要进一步研究以深入揭示不同类型水稻土产生差异的根本原因。郑小龙等［19］研究发现，施用生物炭可有效吸附田面水中的DOC和氮、磷养分，从而降低环境污染风险。本研究也发现，在红壤性水稻土上将稻茬与紫云英联合还田，LSMV和HSMV处理表层水的DOC、DTN和DON含量均大幅降低至与CK接近的水平。其原因可能是：一方面，稻茬也具有一定的吸附养分功能；另一方面，高C/N的稻茬（31.7）可与低C/N的紫云英（15.8）形成互补，微生物分解稻茬时会大量吸收环境中的氮素养分［20-21］。因此，在南方红壤性水稻土上，晚稻机收留茬越冬配合紫云英在次年春季联合还田应当是一项值得推广的技术措施。

本研究发现，不论是红壤性水稻土还是冲积性水稻土，表层水中的NH4+-N含量均在第3 d达到峰值，而NO3--N含量均在第7 d达到峰值。其原因是紫云英还田后快速分解，植株体内的有机氮首先经矿化作用转变为NH4+-N，进而经硝化作用转变为NO3--N，因而NH4+-N的峰值早于NO3--N出现，这也与许多研究［22-23］一致。对于表层水的NH4+-N含量，可以看出两种水稻土均以紫云英单独还田的MV处理峰值最高，而将稻茬与紫云英联合还田可将NH4+-N含量大幅降低35.6%～42.4%（红壤性水稻土）和45.9%～48.5%（冲积性水稻土）。由于氨挥发是稻田氮素损失的主要途径，田面水的NH4+-N浓度是影响氨挥发的重要因素，因此，稻茬与紫云英联合还田可能是有效控制紫云英单独施用后稻田氨挥发损失的关键措施。对于表层水中的NO3--N含量，在两种水稻土上，各添加物料处理的NO3--N峰值均表现为LSMV＞MV＞HSMV（处理间差异显著，P＜0.05），这说明紫云英配合低量稻茬还田促进了NH4+-N向NO3--N的转化，而配合高量稻茬则明显抑制了NH4+-N向NO3--N的转化。盘莫谊等［24］研究发现，在水稻生长前期土壤的硝化作用强度随秸秆还田量的增加呈先上升后降低的趋势。Scarlett等［25］也发现，通过调控还田物料的C/N可以改变土壤微生物的丰度和群落组成，进而影响NH4+-N向NO3--N转化的速率。微生物最适宜的环境C/N一般在20～30之间［26］。表层水的DOC/DTN既反映了微生物吸收利用环境中碳氮养分的状况，也在一定程度上代表了水稻土C/N的发展方向。本研究发现，在观测结束时（第30 d），红壤性水稻土各添加物料处理的表层水DOC/DTN在23.8～24.7之间，显著高于CK（16.3），而冲积性水稻土各添加物料处理在29.1～30.2之间，显著低于CK（35.1），说明在两种水稻土上进行稻茬和紫云英还田，均有助于培肥改良土壤，促进微生物对碳氮的利用和固持。

4 结论

在红壤性水稻土上将紫云英单独还田，会大幅提高水稻土表层水中DOC、DTN和DON的含量，急剧增加养分流失的风险；将稻茬与紫云英联合还田，会使表层水的DOC、DTN和DON含量降低至与CK接近的水平。而在冲积性水稻土上将紫云英单独还田，表层水中的DOC、DTN和DON含量增幅较小。将稻茬与紫云英联合还田还有助于降低两种水稻土表层水中的NH4+-N含量，低量的稻茬配合紫云英还田可促进NH4+-N向NO3--N的转化，而高量的稻茬配合紫云英还田明显抑制了NH4+-N向NO3--N的转化。因此，在南方稻田，晚稻机收留茬越冬配合紫云英在次年春季联合还田应当加以推广，尤其是在红壤性水稻土上更应采取此项技术措施。