超级稻田碳氮库管理指数在等养分不同有机物料处理下的动态变化.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023，42（8）:1758-17672023年8月王开悦，廖育林，鲁艳红，等.超级稻田碳氮库管理指数在等养分不同有机物料处理下的动态变化J.农业环境科学学报,2023,42（8）：1758-1767.WANG K Y,LIAO Y L,LU Y H,et al.Dynamic changes in carbon and nitrogen pool management indexes in super rice fields treated with various organicmaterials and equal nutrientsJ.Journal of Agro-Environment Science,2023,42（8）：1758-1767.超级稻田碳氮库管理指数在等养分不同有机物料处理下的动态变化王开悦1，廖育林2，鲁艳红2，蔡岸冬1，张志伟1，3，陈旋1，秦晓波1*（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/中国农业科学院农业农村碳达峰碳中和研究中心/农业农村部农业环境重点实验室，北京 100081；2.湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125；3.南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京 210044）Dynamic changes in carbon and nitrogen pool management indexes in super rice fields treated with variousorganic materials and equal nutrientsWANG Kaiyue1,LIAO Yulin2,LU Yanhong2,CAI Andong1,ZHANG Zhiwei1,3,CHEN Xuan1,QIN Xiaobo1*（1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences/Agricultural andRural Carbon Peak and Carbon Neutral Research Center/Key Laboratory for Agro-Environment,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Beijing 100081,China;2.Soils and Fertilizer Institute of Hunan Province,Changsha 410125,China;3.School of Environmental Scienceand Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China）Abstract：To compare the effects of various organic materials returned to paddy fields on soil carbon and nitrogen pool management收稿日期：2022-12-08录用日期：2023-02-27作者简介：王开悦（1998），女，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事稻田固碳减排研究。E-mail：*通信作者：秦晓波E-mail：基金项目：“十四五”国家重点研发计划项目（2021YFD1700202）；江西省中央引导地方科技发展资金项目（20221ZDH04057）；国家自然科学基金项目（41775157）Project supported：“The 14th Five-Year Plan”National Key Research and Development Program of China（2021YFD1700202）；Jiangxi Provincial CentralLeading Local Science and Technology Development Fund Project（20221ZDH04057）；The National Natural Science Foundation of China（41775157）摘要：为比较等养分条件下不同有机物料还田对稻田土壤碳氮库管理指数的影响，揭示水稻不同生育期碳氮库管理指数动态变化及其与产量和收获指数的关系，在湖南省长沙市，选择超级稻种植系统为研究对象进行大田试验。共设置5个等养分投入处理，分别为单施化肥（F）、化肥+水稻秸秆全量还田（FS）、化肥+紫云英全量还田（FM）、化肥+秸秆、紫云英全量还田（FMS）、化肥+秸秆、紫云英全量还田+熟石灰（FMS+Ca），并在水稻5个不同生育期（移栽返青期、分蘖期、孕穗期、灌浆期、成熟期）采集土样，测定土壤有机碳（SOC）、可溶性有机碳（DOC）、总氮（TN）、可溶性总氮（TDN）含量，计算碳库管理指数（CPMI）、氮库管理指数（NPMI）。结果表明：不同处理下的CPMI整体动态变化趋势为移栽返青期降低后缓慢回升，在水稻生育末期紫云英-秸秆联合还田处理FMS（87.18）和FMS+Ca（80.59）的CPMI显著高于F处理（62.53）和FS处理（62.64）（P0.05）；NPMI在分蘖期与成熟期出现了两次急剧下降，并在水稻生育末期FMS+Ca处理（57.58）的NPMI显著高于F处理（45.64）和FS处理（42.70）（P0.05）；与F处理相比，有机无机配施（FS、FM、FMS）处理下作物产量提高了2.19%2.94%；水稻灌浆期的CPMI与产量和收获指数均呈显著正相关关系。研究表明，紫云英还田代替部分化肥施用能在保证产量的基础上扩容稻田土壤碳氮库，紫云英-秸秆联合还田对提升水稻不同生育期CPMI、NPMI的综合效果最佳。关键词：等养分投入；超级稻；紫云英和秸秆联合还田；不同生育期；碳库管理指数；氮库管理指数中图分类号：S511文献标志码：A文章编号：1672-2043（2023）08-1758-10doi:10.11654/jaes.2022-1258王开悦，等：超级稻田碳氮库管理指数在等养分不同有机物料处理下的动态变化2023年8月我国在2015年实施“化肥农药零增长”政策，有机肥代替部分化肥已成为减少化肥施用量的关键1-2。目前研究显示，有机肥还田后会对土壤活性碳氮含量3、作物养分吸收4、作物产量5等产生直接影响。土壤活性碳在土壤全碳中占比较小，但易被作物吸收利用，能体现土壤细微的变化6。碳库管理指数（CPMI）最早由 Blair 和 Lefroy 提出7，是一项综合土壤活性碳数量与质量的指标，能够灵敏地反映外界措施对土壤质量和肥力的影响。后人在 CPMI的基础上改进、引申出氮库管理指数（NPMI）810，与CPMI 相似，NPMI 常用来表征外界措施引起土壤活性氮素的变化，体现土壤氮素供应能力。因此研究有机肥代替部分化肥对 CPMI和 NPMI的影响，对减少氮肥施用、提高土壤肥力与作物产量的意义重大。李小磊等11基于长期定位试验的研究结果表明，与单施化肥相比，在其基础上对双季稻田早稻绿肥还田，晚稻施用猪粪和稻草冬季还田能显著提高020cm 土层处的 CPMI。Chen 等12基于 4 年连续不同地点相同处理的秸秆还田试验表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田能提升1.41.6倍的CPMI，具体提升效应受试验地点影响（环境、气候）。肖小平等13对冬季覆盖作物还田的研究显示，与黑麦草、油菜还田相比，紫云英还田提高了双季稻田 CPMI。Liu 等14发现，富氮生物炭的投入会降低稻田土壤CPMI。目前关于NPMI的研究表明种植方式、有机肥用量、水肥管理等都是影响NPMI的重要因素9。以往研究多限于单一有机物料投入或基于常量施用化肥的基础上再施用有机肥，且对水稻不同生育期CPMI、NPMI的动态研究较少。因此，本研究通过大田试验，利用有机肥代替部分化肥且基于等养分投入的试验设计，研究不同有机物料还田对水稻不同生育期稻田土壤CPMI和NPMI动态变化的影响，分析有机物料还田下CPMI、NPMI的动态变化及其对产量、收获指数及水稻氮素吸收的影响，在保证粮食产量的基础上响应“国家化肥农药零增长”政策，同时为我国稻田绿色投入品和土壤碳氮扩库增容政策措施提供科学支撑。1材料与方法1.1 试验地概况本试验于2020年10月至2021年9月在湖南省长沙市长沙县高桥农业科技示范园（28.46N，113.34E）内开展，该地区属于亚热带季风气候，年均温16.8，年降水量约1 504 mm，本试验开始前6年为单季优质稻和冬种紫云英轮作系统。试验期间月均温和月降水量见图1，试验前020 cm耕层土壤理化性质见表1。1.2 试验设计田间试验采用随机区组设计，共设置3次重复，indexes under equal nutrient conditions,the dynamic changes of carbon and nitrogen pool management indexes at different growth stages ofrice and their relationships with yield and harvest index were assessed.Thus,a scientific basis was provided for straw resource utilizationand soil carbon and nitrogen pool expansion in paddy fields.The field experiment was conducted in Changsha,Hunan Province,and thesuper-hybrid rice planting system was selected as the research object.Five equal nutrient inputs were used：single application of fertilizer（F）,fertilizer+total rice straw returning（FS）,fertilizer+total Chinese milk vetch returning（FM）,fertilizer+total Chinese milk vetchreturning+total rice straw（FMS）,and fertilizer+total Chinese milk vetch returning+total rice straw+slaked lime（FMS+Ca）.Soil sampleswere collected at five growth stages（transplanting stage,tillering stage,booting stage,filling stage,and maturity stage）to determine theconcentrations of soil organic carbon（SOC）,soluble organic carbon（DOC）,total nitrogen（TN）,and soluble total nitrogen（TDN）and tocalculate the carbon pool management index（CPMI）and nitrogen pool management index（NPMI）.The following results were obtained：the overall dynamic change trend of CPMI under di