配施紫云英对不同类型水稻土溶解性有机碳氮淋溶及损失的影响

摘要：为探讨配施紫云英对不同类型稻田土壤溶解性有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）和溶解性有机氮（Dissolved organic mitrogen，DON）含量的影响程度，阐明稻田土壤DOC和DON的淋溶特性，本研究以亚热带3种典型水稻土（黄泥田、灰黄泥田和灰泥田）为研究对象，通过田间试验，探讨等氮磷钾条件下单施化肥（CK）和紫云英配施化肥（cmv）处理对不同水稻土DOC和DON的动态变化、淋溶特性及损失的影响。结果表明，不同土壤类型水稻土DOC和DON的淋溶特性有所不同。3种供试水稻土中，灰泥田水稻土DOC淋溶损失量最大，其CK处理DOC淋溶损失量较灰黄泥田和黄泥田分别显著提高24.09％和72.15％，cmv处理淋溶损失量较灰黄泥田和黄泥田分别显著提高16.53％和40.55％；而黄泥田水稻土DON淋溶损失量最大，其CK处理淋溶损失量较灰黄泥田和灰泥田分别显著提高18.93％和37.01％，cmv处理3种不同类型水稻土DON淋溶损失量无显著差异。配施紫云英可显著降低水稻土DON的淋溶损失量，每季水稻中cmv处理黄泥田、灰黄泥田和灰泥田DON淋溶损失量较CK处理分别降低了24.67％、14.88％和13.54％；黄泥田cmv处理DOC较CK处理提高了19.19％，而灰黄泥田和灰泥田2种施肥处理无显著差异。供试稻田中DOC和DON在土层间的淋溶具有一定的延迟性，且DOC的延迟时间大于DON。灰色关联分析表明，在土壤性质中有机质是影响水稻土DOC淋溶损失的重要因素，孔隙度是DON淋溶损失的重要影响因素。不同类型水稻土DON的淋失早于DOC，且DON在黄泥田中淋溶损失较高，而DOC在灰泥田中淋溶损失较高；在等氮磷钾的条件下，配施紫云英可减少水稻土DON的淋溶损失，而低肥力水稻土DOC的淋溶损失量有所增加。

关键词：紫云英；水稻土；溶解性有机碳；溶解性有机氮；淋溶特性

中图分类号：S153.6 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）02-0351-09 doi：10.11654/jaes.2023-0583

溶解性有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）和溶解性有机氮（Dissolved organic nitrogen，DON）是指可利用真空杯、渗滤仪等采集的原位土壤溶液或自然淋洗液中的有机碳、氮。其中DOC是重要的碳通量因子，影响着土壤微生物的生长繁殖、污染物及养分的迁移，在土壤碳循环中起着重要作用；DON对环境变化敏感，更新周期短，部分DON还可直接被植物根系吸收利用。DOC和DON的移动性较强，在耕层土壤中的吸附率仅分别为19.4％和20.0％，可通过地表径流或随重力水向深层土壤运移。研究表明DOC和DON的淋溶是非农业生态系统土壤碳氮损失的重要途径之一，而农业生态系统中主要关注于无机氮。因此，研究农田生态系统中DOC和DON的动态变化和迁移特性，对防控土壤碳氮损失具有重要意义。

DOC和DON的淋溶损失与土壤属性密切相关，且受到人为干扰的影响。土壤属性对DOC和DON的影响主要体现在土壤质地、结构及其剖面等方面。土壤质地越轻，砂粒含量越高，溶解性有机质越容易被淋失，且DOC和DON淋失量随土壤深度增加而减小。氮肥的施用是影响土壤DOC和DON损失的主要人为因素，但不同的研究结果不尽相同。Sorrenti等研究表明堆肥可提供易溶性有机物，施用后显著增加了土壤DOC和DON的形成量和累计淋失量。陶武辉研究表明向土壤施加有机物料后土壤DOC／DON较不添加有机物料明显提高。陈裴裴等研究表明常规施肥处理雷竹林渗漏水DOC的淋失量显著高于减量有机肥，而常规施肥处理DON的淋失量则低于减量有机肥。在酸性黏土中施用粪肥并未改变DOC的淋失量，而显著增加DON的淋失量；施用生物炭及生物炭配施鸡粪均可降低土壤中DOC的淋失，且炭施用比例越高，DOC淋失越少。然而，周志红等的研究结果却表明低量生物炭的施用可降低黑钙土和紫色土氮素淋失；但高量生物炭的施用却可增加黑钙土和紫色土氮素淋失量。因此，不同土壤类型及不同种类肥料对土壤DOC和DON淋失的影响不同。

紫云英（Astragalus sinicus L.）作为我国南方最常见的豆科绿肥，施用后可改善土壤理化性质、培肥地力、提高水稻的产量和品质。研究表明紫云英腐解后能够产生大量的DOC和DON，可随着重力水向下淋失，影响地下水水质，对人类健康产生一定的安全风险。然而，有关紫云英配施化肥处理对DOC和DON含量的影响程度如何，是否会增加水稻土DOC和DON的淋失风险，以及在不同类型水稻土中的淋失风险是否存在差异等问题尚有待进一步研究。黄泥田水稻土、灰黄泥田水稻土和灰泥田水稻土是福建省分布面积较大的水稻土壤类型，分别属于低肥力、中肥力和高肥力水稻土。因此，本研究以福建省的黄泥田、灰黄泥田和灰泥田3种不同类型水稻土为研究对象，通过田间试验，研究单施化肥和紫云英配施化肥对不同类型水稻土DOC、DON动态变化及其淋溶特性的影响，阐明不同类型水稻土DOC和DON的淋溶损失量及其差异，揭示土壤性质对DOC和DON淋溶损失的影响，为防控稻田DOC、DON的淋失以及合理施肥等提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

试验区位于福建省闽侯县白沙镇的福建省农业科学院试验基地（26°13′31″N，119°04′10″E），属中亚热带季风气候，年均降水量1351 mm，年日照数1813 h，年均温度19.5℃，无霜期311 d。供试土壤类型为发育于中性岩红壤坡积物和河流冲积物的3种不同类型水稻土，即低肥力的黄泥田、中肥力的灰黄泥田和高肥力的灰泥田，地形部位分别为低丘上部、低丘中下部及紧邻低丘的宽谷盆地。水稻品种为11 673，属于再生稻。水稻的栽培管理与当地一致。试验区耕层土壤理化性质见表1。

1.2试验设计

田间试验设置单施化肥（对照，CK）和紫云英+化肥（cmv）两种施肥处理，每个小区面积12 m2（3 mx4m），每个处理设置3个重复，采取随机区组排列。在各个试验小区中分别布设两组连接带盖不锈钢管的砂滤管，砂滤管长度为20 cm，埋设深度分别为0-20、20-40 cm和40-60 cm。CK处理化肥施用量为尿素481.7 kg·hm-2、过磷酸钙900 kg·hm-2和氯化钾300kg·hm-2，其中过磷酸钙作为基肥全部施用，尿素和氯化钾作为基肥50％（紫云英翻压后第9d）和分蘖肥50％（紫云英翻压后第25 d）分两次施用。cmv处理施用的紫云英品种为闽紫7号，含水量为90％，紫云英干基中有机质含量752.8 g·kg-1、全碳（C）含量436.63 g·kg-1，全氮（N）含量30.94 g·kg-1，全磷（P）含量5.91 g·kg-1，全钾（K）含量32.47 g·kg-1；采用等量氮磷钾-异地翻压方式施用，紫云英施用量（以鲜质量计）为30 000 kg·hm-2，氮、磷和钾不足部分用尿素、氯化钾和过磷酸钙补齐，各处理氮磷钾施用量见表2；紫云英于盛花期作为基肥一次性翻压，配施化肥的施用方法与对照相同；水稻于紫云英翻压后10 d移栽，其栽培过程管理与当地保持一致。

1.3样品采集

根据紫云英翻压回田的腐解规律及水稻生育期，采样时间设为紫云英翻压后5、10、17、24、38、59、80、101 d和122 d，整个试验期间共进行9次水样采集。在各采样时间前2d利用电动水样采集器将砂滤管中的渗滤液抽干，定期抽取稻田淹水层（0 cm）水样品和不同深度（0-20、20-40、40-60 cm）土壤渗滤液样品，装入聚乙烯塑料瓶中密封后带回实验室。为了防止因降雨导致各处理小区间淹水层的窜渗，在试验期间内存在连续降水量（超过50 mm）时各试验小区淹水层向外排水5 cm。

1.4测定项目与方法

采集的水溶液样品立即用0.45 um滤膜过滤，利用配置有总氮检测器的总有机碳分析仪（Shimadzu，日本，TOC-L CPH）测定水样中的DOC和溶解性总氮（Total dissolved nitrogen，TDN）含量，借助连续流动注射分析仪（Systea，意大利，Flowsys）测定水样中的溶解性无机氮（Dissolved inorganic nitrogen，DIN，包含NH+4，NO-3和NO-2）含量，采用差减法（DON=TDN-DIN）计算获得DON含量。未能及时测定的水样置于4℃恒温冰箱中短期保存。

1.5数据统计分析

采用Excel 2010和SPSS 20软件进行数据处理，使用Sigmaplot 14.0软件作图。由于研究过程中发现紫云英翻压59 d后渗滤液样品中DON浓度均低于检出限（1 mg·L-1），故本文仅显示并计算5-59 d的相关数据。因水稻难以吸收利用20-60 cm土层渗滤液中的养分，故将20-60 cm土层渗滤液中的DOC和DON视为稻田碳氮淋溶损失的部分。土壤DOC和DON的损失量参考Nie等描述的公式进行计算：

2结果与分析

2.1不同施肥处理下供试水稻土DOC的淋溶特性及其差异

3种供试水稻土不同土层DOC质量浓度达到峰值的时间具有一定差异（图1），淹水层DOC质量浓度于紫云英翻压后10 d和24 d达到峰值，0-20 cm土层DOC质量浓度于紫云英翻压后17 d和38 d达到峰值，20-40 cm与40-60 cm土层DOC质量浓度均于59d达到峰值。3种不同类型水稻土DOC质量浓度具有一定差异，淹水层不同取样期DOC质量浓度的均值差异表现为黄泥田gt;灰黄泥田gt;灰泥田，但不同类型水稻土间无显著差异；而0-60 cm土壤层次中DOC质量浓度的均值差异表现为灰泥田gt;灰黄泥田gt;黄泥田，灰泥田DOC均值差异较灰黄泥田和黄泥田显著提高118.16％-155.46％和137.99％-286.21％。3种供试水稻土不同施肥处理的DOC质量浓度也具有一定差异。水稻生育期内cmv处理黄泥田各层次（淹水层、0-20、20-40、40-60 cm土层）DOC质量浓度均值较CK处理有明显增加，分别增加了244.37％、8.80％、18.02％、20.60％；在灰黄泥田中淹水层、0-20 cm和20-40 cm层次cmv处理DOC质量浓度均值较CK处理分别增加了18.98％、23.01％和8.39％，在40-60 cm土层中则减少了7.20％；而灰泥田0-20 cm土层cmv处理DOC质量浓度均值较CK处理增加24.10％，但淹水层、20-40 cm和40-60 cm层次则较CK处理分别减少9.29％、3.74％和5.31％。可见，随着紫云英翻压后时间的推移，3种供试水稻土DOC均具有向下淋溶的趋势，且不同层次间具有一定的延迟性；3种供试水稻土中，灰泥田的DOC存在较大的淋溶风险，而紫云英配施化肥可显著增加黄泥田DOC淋溶损失的风险。

2.2不同施肥处理下供试水稻土DON的淋溶特性及其差异

3种供试水稻土不同层次渗滤液DON含量存在明显差异（图2）。淹水层DON质量浓度于紫云英翻压后10 d和24 d达到峰值，0-20 cm土层DON质量浓度于紫云英翻压后17 d和38 d达到峰值，20-40 cm与40-60 cm土层DON质量浓度均于24 d达到峰值。就不同类型稻田土壤而言，土壤渗滤液DON质量浓度也具有一定的差异。水稻生育期试供水稻土淹水层DON质量浓度均表现为灰黄泥田gt;灰泥田gt;黄泥田，不同类型水稻土间无显著差异；0-20 cm层次DON质量浓度表现为灰泥田gt;灰黄泥田gt;黄泥田，灰泥田和灰黄泥田DON均值较黄泥田显著增加了308.37％和84.44％；而20-40 cm和40-60 cm层次DON质量浓度则表现为黄泥田gt;灰黄泥田gt;灰泥田，20-40 cm和40-60 cm层次黄泥田DON均值差异较灰泥田显著提高36.87％和150.52％，而黄泥田与灰黄泥田间无显著差异。两种施肥处理供试水稻土DON质量浓度也具有一定差异。5-59 d cmv处理供试水稻土各层次（淹水层、0-20、20-40 cm和40-60 cm）的DON质量浓度均值均低于CK处理，较CK处理分别降低了55.24％-72.68％、21.09％-36.05％、21.46％-34.00％和4.75％-35.78％。可见，随紫云英翻压后时间的推移，供试水稻土DON有向下淋溶的趋势，3种供试水稻土中黄泥田的DON淋溶风险最大，紫云英配施化肥具有缓减DON淋溶损失的趋势。

2.3不同施肥处理供试水稻土DOC、DON的淋溶损失

紫云英翻压后3种供试水稻土DOC和DON的淋溶损失量存在明显差异（图3）。不同施肥处理3种供试水稻土DOC淋溶损失量表现为灰泥田gt;灰黄泥田gt;黄泥田。灰泥田CK处理，DOC淋溶损失量较灰黄泥田和黄泥田分别显著提高24.09％和72.15％；cmv处理，分别显著提高16.53％和40.55％。不同类型水稻土2种施肥处理DOC淋溶损失量具有一定差异，黄泥田cmv处理DOC淋溶损失量较CK处理显著提高19.19％，而灰黄泥田和灰泥田2种施肥处理DOC的淋溶损失量无显著差异。不同施肥处理下3种供试水稻土DON淋溶损失量表现为黄泥田gt;灰黄泥田gt;灰泥田，黄泥田CK处理DON淋溶损失量较灰黄泥田和灰泥田显著提高18.93％和37.01％，cmv处理3种不同类型水稻土DON淋溶损失量无显著差异。不同类型水稻土2种施肥处理DON淋溶损失量具有显著差异，黄泥田、灰黄泥田和灰泥田cmv处理DON淋溶损失量较CK处理分别显著降低了24.67％、14.88％和13.54％。可见，不同类型水稻土中，DOC淋溶损失以高肥力灰泥田水稻土较高，而DON淋溶损失量则以低肥力黄泥田较高；紫云英配施化肥处理可降低供试水稻土DON淋溶损失，但黄泥田DOC淋溶损失量有所提高。

2.4不同施肥处理供试水稻土DOC、DON淋溶损失的影响因素

采用灰色关联分析模型探讨不同处理水稻土DOC和DON淋溶损失量与紫云英施用量和土壤相关性质的关系（表3），揭示水稻土DOC和DON淋溶损失的影响因子。结果表明，土壤有机质与DOC淋溶损失量的关联系数为0.873，在所有可能的影响因子中与DOC淋溶损失量的关联度最高，其次为黏粒含量，关联系数为0.749。土壤非毛管孔隙度对水稻土DON淋溶损失量的影响较为显著，关联系数为0.793，其次为容重和pH，关联系数分别为0.752和0.746。可见，在土壤性质中水稻土DOC淋溶损失量主要受有机质的影响，而DON淋溶损失量主要受孔隙度的影响。

3讨论

3.1不同类型水稻土DOC和DON的淋溶损失差异

不同类型水稻土DOC和DON的淋失风险具有一定差异，2种施肥方式DOC淋溶损失风险在高肥力的灰泥田最大，而DON的淋溶损失风险则在低肥力的黄泥田最大，这与3种供试水稻土的性质以及DOC和DON的质量浓度密切相关。研究表明高肥力水稻土的DOC中易分解的小分子DOC百分比含量较其他稻田土壤相对丰富，而土壤对小分子量DOC组分的吸附相对较弱，且吸附后的生物稳定性差，导致高肥力的灰泥田溶液中DOC含量增加，随重力水的作用向下淋失，从而增加淋溶损失风险。此外，高肥力水稻土DOC的低生物降解率导致DOC的消耗降低，也增加了DOC淋失的来源。本研究灰色关联分析结果表明水稻土DOC的淋溶损失量主要受有机质含量的影响（表3）。供试的高肥力灰泥田水稻土有机质含量分别是灰黄泥田和黄泥田的1.16倍和1.73倍，DOC淋失的来源大，从而导致高肥力的灰泥田水稻土DOC淋溶损失较大。韩成卫等的研究也发现在同一DOC质量浓度条件下高肥力水稻土的DOC淋溶风险高于低肥力水稻土。稻田土壤中DON分子量小，迁移性强，易在重力水的作用下产生淋溶损失。本研究灰色关联分析结果表明水稻土DON淋溶损失量主要受非毛管孔隙度的影响（表3）。土壤中水流的运移通道主要靠的是大孔隙，70％-85％的水分运动源于大孔隙的贡献。水分在土壤剖面中的垂直运动是氮素向下淋溶的必要条件，因此土壤大孔隙的存在会加速氮素向深层土壤淋溶，本研究供试黄泥田中非毛管孔隙度是灰黄泥田和灰泥田的2.24倍和1.27倍，有利于DON随土壤水向下淋溶，增加黄泥田DON的淋溶损失。

3.2不同施肥处理水稻土DOC和DON的淋溶损失差异

施肥方式可通过影响土壤养分状况、微生物活性、DOC和DON分子量等，进一步影响土壤DOC和DON的淋溶损失风险。本研究中紫云英配施化肥较单施化肥处理可显著增加黄泥田DOC淋溶损失风险，而有效减缓各肥力稻田DON的淋溶损失风险。这是因紫云英配施化肥较单施化肥处理对稻田有着更大的碳投入（两种处理间的施碳量差值为1 519.23kg·hm-2），促进土壤溶液中DOC含量增加，提高了土壤DOC的淋溶损失的来源。而本研究结果表明2种不同施肥处理间灰黄泥田和灰泥田DOC的淋溶损失量无显著差异，究其原因可能与土壤有机质含量有关（表3）。汤宏等研究表明高肥力的麻沙泥水稻土DOC主要来源于土壤自身含有的有机质分解。本研究中供试灰泥田和灰黄泥田有机质含量较高（表1），不同施肥处理后土壤原有有机质的分解均产生大量的DOC。化肥尤其是氮肥和磷肥的施用可促进稻田土壤有机质的激发效应，生成大量的DOC，增加DOC的淋溶损失来源，而翻压紫云英后增加了对高肥力土壤的有机碳组分的损耗，从而导致2种施肥处理间DOC淋溶损失差异不显著。在等氮处理条件下，由于施用的尿素为小分子DON，施用于土壤后可直接快速增加溶液中小分子DON（酰胺类化合物）含量，从而导致单施化肥处理的水稻土DON更易于淋失；而紫云英较化肥（尿素）释放DON所需的时间长，且紫云英翻压至土壤后，促进稻田土壤芳香性和疏水性的大分子DON含量增加，使其易被土壤固持，减少其淋失风险。此外，有研究表明向土壤中大量翻压绿肥可以短期内提升土壤C/N，增加土壤的DON吸附潜力，进而降低了试供稻田土壤中DON的淋溶损失。

3.3水稻土DOC和DON的淋溶速率差异

稻田土壤中DOC和DON分子量小，流动性强，易随下渗水淋溶迁移。本研究结果表明，随着紫云英翻压后时间的推移不同类型水稻土DOC和DON均有向下淋溶的趋势，且不同层次间具有一定的延迟性（图1，图2）。本研究中供试水稻土均为黏土和壤质黏土，质地较为黏重，比表面积和电荷密度较大，有利于土壤吸附滤液中的DOC和DON，减缓其向下淋溶的速度。随着紫云英翻压后时间的推移，同一供试水稻土中DOC和DON的淋失速率存在一定差异。淹水层和0-20 cm土层渗滤液中DOC与DON质量浓度随紫云英翻压时间的延长表现出相似的变化趋势，但20-60 cm土层中DON含量则优先于DOC达到峰值。这可能与DOC和DON组分的亲-疏水性和分子量有关。一方面，土壤溶液中亲水性化合物N含量较高，而疏水性化合物主要是富含C的化合物，而土壤对富含氮素的亲水组分的吸附能力弱于疏水组分，导致SON比SOC更易从土壤中淋失。另一方面，土壤DOC主要由碳水化合物、长链脂肪族化合物和蛋白质等组成，其芳香度达19.9％；而土壤DON则以氨基酸、氨基糖等小分子化合物为主，其各组分的粒径远低于DOC相应粒径，故推断DOC组分的平均分子量通常高于DON。土壤对DOC和DON中较大分子量组分有着更强的吸附力，吸附能力随着分子量增加而增加。有研究发现小分子量和亲水性化合物不易被土壤吸附，吸附后易出现解吸以及被大分子量和疏水性化合物替代吸附的情况，使供试水稻土中DOC和DON淋失不同步，即DON更易随渗滤水向下淋溶，导致供试水稻土20-60 cm土层中DON含量优先于DOC达到峰值。此外，在淋溶发生时，稻田中表层土壤养分向下淋失过程中，下层土壤对淋溶DOC的吸附截留后再解吸附的现象，以及土壤中存在优先吸附DOC并将DON释放于土壤溶液的现象，也导致了其与DON的淋失速率具有一定差异。

4结论

（1）不同土壤类型水稻土中，高肥力灰泥田的DOC淋溶损失风险较大，而低肥力黄泥田水稻土的DON淋溶损失风险较大。

（2）在等氮磷钾的条件下，较单施化肥，紫云英配施化肥有助于减缓稻田内DON的损失，但黄泥田DOC的淋溶损失量有所增加；因此，在实际生产中，采用紫云英改善土壤肥力的同时，翻压量应充分考虑其在不同土壤中的生态效应。

（3）供试水稻土中DOC和DON的淋溶有所差异，DON较DOC更易随渗滤水向下淋溶，且DOC淋溶损失量与土壤有机质密切相关，而DON淋溶损失量与土壤孔隙度密切相关。