紫云英翻壓還田對水稻土有機碳轉化的影響機制研究進展

王利民 王飛 邢世和

摘 要：長期過量施用化肥，導致稻田土壤生產力下降，中低產田比重加大，已嚴重威脅糧食安全。近年來，水稻化肥綠色替代技術對農田土壤營養物質轉化的影響已成為研究熱點。然而，目前系統研究化肥減施處理下紫云英綠肥持續回田后稻田土壤有機碳轉化的影響因子及機制還很缺乏。因此，綜述了化肥減施處理下紫云英持續回田后土壤有機碳轉化過程，并闡析了紫云英持續回田后土壤物理、化學和生物學性質對有機碳轉化的影響及其機理，特別是闡述了與碳固定功能相關的微生物種類在有機碳轉化過程中發揮的作用，為將來有效調控水稻土有機碳轉化提供新的途徑，實現土壤增碳和水稻增產。

關鍵詞：綠肥作物;有機碳轉化;土壤理化性質;土壤微生物特性

Abstract：The excessive application of fertilizers for a long time has led to the decrease of soil productivity in rice fields and the increase of the proportion of middleand lowyield fields， which has seriously threatened the food security. In recent years， the effect of green replacement technology of rice fertilizer on soil nutrient conversion has become a research hotspot. However， at present， the influence factors and mechanism of soil organic carbon conversion after continuous return to the field of Astragalus sinicus green manure under the treatment of reduced fertilization were still lacking. Therefore， the process of soil organic carbon conversion after continuous return to the field of Astragalus sinicus under the treatment of reduced fertilization was reviewed， and then the effects of soil physical， chemical and biological properties on organic carbon conversion and its mechanism after continuous return to the field of Astragalus sinicus were analyzed. In particular， the role of microbial species related to carbon fixation in the organic carbon conversion was described， which provided a new way for effective regulation of organic carbon conversion in paddy soil in the future， so as to realize soil carbon increase and rice yield increase.

Key words：Green manure crop; Organic carbon conversion; Soil physical and chemical properties; Soil microbiologic properties

在水稻Oryza sativa L.種植過程中，長期不合理的大量施用化肥，導致稻田土壤質量退化，稻米品質下降和農田面源污染，已經成為中國水稻生產的重要制約因素[1]。因此，研究化肥綠色替代技術，實現稻田生態系統的可持續發展迫在眉睫。

紫云英Astragalus sinicus L.是中國南方稻區主要的冬種水田綠肥作物，屬于豆科黃芪屬越年生草本植物，其根瘤具有較強的固氮功能，能夠減少水稻氮肥用量[2-3]。此外，紫云英持續回田也向土壤中不斷輸入了新的有機碳。有機碳轉化過程關系到土壤有機碳的儲量和穩定性，它既是土壤肥力的核心和可持續農業的基礎，又是全球碳循環的重要組成部分，已成為當今土壤學相關領域的研究熱點之一[4]。然而，目前系統研究紫云英持續回田對水稻土有機碳轉化的影響及其機制還很缺乏。因此，本文系統綜述了紫云英-水稻長期輪作下土壤有機碳轉化規律及其內在的機理，旨在闡明紫云英持續回田后水稻土有機碳轉化及機制，同時也為水稻田化肥減施和水稻增產提供實踐指導，具有重要的理論意義和應用價值。

1 紫云英翻壓還田對水稻土有機碳轉化的影響

土壤有機碳轉化過程主要包括腐殖化過程和礦質化過程。礦質化作用為作物生長提供營養元素，并且為腐殖質形成提供基本材料，成為腐殖化的前提。腐殖化過程就是有機碳在分解轉化過程中，又重新合成腐殖質的過程，是有機碳從一種有機碳形式轉化為另一種有機碳形式，也叫有機碳的周轉。土壤有機碳礦化的難易程度可以通過活性有機碳組分與總有機碳（SOC）的比值進行表征，其值越大，表明土壤有機碳活性越高，易礦化[5]。王飛等[6]利用網袋法模擬亞熱帶單季稻區紫云英盛花期翻壓下土壤有機碳釋放特征。結果表明，翻壓后0～20 d是紫云英有機碳釋放的高峰期，碳累積釋放率為53.3%;翻壓后20～90 d碳釋放逐漸趨于平緩，至90 d時碳累積釋放率高達90.1%。種植翻壓紫云英配施化肥處理能夠提高水稻土DOC/SOC比值，并隨著紫云英翻壓量的增加而增加，表明紫云英持續回田后土壤有機碳潛在的礦化能力得到加強[7-8]。Eclesia等研究表明，一方面紫云英施入土壤后，紫云英植株中含有的大量可溶性有機物能夠直接轉變成土壤活性有機碳組分，從而提高活性有機碳的相對比例;另一方面紫云英作為一種新鮮有機物料輸入土壤后，能夠產生正激發效應，促進原有土壤中有機碳的分解，形成更多的土壤活性有機碳[9]。但也有研究表明，將新鮮紫云英直接加入土壤后，在其分解盛期才具有促進土壤有機碳礦化的作用，而后期存在微弱的抑制現象

[10]。總之，紫云英綠肥持續翻壓還田既可以通過改變土壤有機碳的投入數量和質量，直接影響有機碳平衡，也能夠通過影響土壤物理、化學、生物學性質等內在屬性，間接影響土壤有機碳轉化。

2 紫云英翻壓還田后影響土壤有機碳轉化的因素

2.1 紫云英翻壓還田后影響土壤有機碳轉化的非生物因素

2.1.1 土壤物理性狀 團聚體是土壤結構和功能的基本單位，其形成與有機碳的轉化和穩定性密切相關[11]。首先，土壤初級顆粒和粉粒大小的團聚體通過腐殖質、氧化物、非晶體鋁硅酸鹽等穩定性膠結劑形成微團聚體;然后，微團聚體再通過含碳量高的不穩定的真菌菌絲、根系和植物多糖等膠結劑黏結形成大團聚體（>0.25 mm）。因此，大團聚體固碳量更高，在生物和環境因素作用下，大團聚體包裹的有機碳又逐漸被降解，其形態和結構發生改變，并與粉黏粒結合重新形成微團聚體，此時團聚體對有機碳的物理保護進一步加強[12-13]。種植翻壓紫云英綠肥可以促進水稻土大團聚體的形成[14]。此外，土壤質地和孔隙度可以影響土壤微生物的種類、數量和活性，從而間接影響土壤有機碳的轉化過程[15-16]。

2.1.2 土壤化學性質 土壤pH會影響微生物的生長，在酸性土壤中微生物種類受到限制，以真菌為主，減慢了有機物碳的分解[17-18]。多年冬種紫云英對湖南紫潮泥土和江西黃泥田兩種典型雙季稻土pH值未有明顯的影響[19]。但是，Wang等[20]對赤紅壤水稻土和黃泥田水稻土進行研究卻發現，種植利用紫云英可以提高土壤pH值。種植翻壓紫云英結合減施化肥處理4年后單季稻土pH值無顯著性變化，但8年后土壤pH值出現明顯升高[21-22]。由此可見，關于種植翻壓紫云英對土壤pH值的影響并不一致，主要由于pH值受到種植年限、氣候條件和土壤類型等綜合因素的共同作用。

鐵鋁氧化物的巨大比表面積對土壤有機碳的積累和穩定性具有重要作用，還可以通過腐殖質表面的羥基或羧基與礦物表面進行配位體交換，與胡敏酸、富里酸形成穩定的有機無機復合體[23]。Wisman等

[24]通過對德國中部土壤碳及其吸附保存進行研究顯示，鐵鋁氧化物是該地區土壤有機碳穩定的基礎，其主要作用機理是靜電吸引、氫鍵和配位體交換反應。在火山灰土中這種保護作用變得更加明顯[25]。鐵鋁氧化物在中國南方水稻土固碳過程中也發揮了重要的作用，但這種作用在不同土壤和不同粒徑團聚體中有所差別，以紅壤性水稻土大粒徑團聚體的保護較強[26]。

土壤有機碳的轉化還與其自身的結構存在關聯。不同結構的有機碳化學穩定性不同，抗性較強的碳類型能夠在土壤中相對累積[27]。此外，不同基團有機碳也代表了不同的物質來源和腐殖化途徑，烷氧碳和烷基碳是植物殘體的主要結構。烷氧碳是易分解的碳類型;烷基碳主要來自于脂類、軟木質、蠟質等，相對難以分解，而且容易與土壤黏粒結合。植物根系或凋落物烷基碳含量平均為73.2%，是土壤有機質的主要組成部分[28]。芳香碳和羰基碳結構主要是有機質代謝和氧化的產物，其中芳香碳是難分解的有機碳，可能是微生物的次級代謝產物，也可能是植物來源的殘留物選擇性保留，如環狀結構的植物木質素和不飽和烯烴結構[29]。

2.2 紫云英翻壓還田后影響土壤有機碳轉化的生物因素

2.2.1 土壤微生物特性 不僅有機碳的分子結構會影響土壤有機碳的轉化，而且微生物在有機碳轉化過程中也發揮重要的功能。在土壤微生物的作用下，復雜的土壤有機碳被分解成簡單的無機化合物，直接減少了土壤有機碳的含量，同時也為合成復雜的腐殖質提供物質基礎，增強了土壤有機碳的穩定性。與細菌相比，真菌不管是其自身物質或其代謝產物均有利于土壤有機碳積累，因此真菌主導的微生物群落會增強土壤有機碳的穩定性[17]。在水稻土中存在豐富的自養微生物，其具有可觀的CO2同化潛力，因此稻田生態系統是陸地生態系統中極其活躍且固碳潛力巨大的碳庫之一[30]。通過克隆文庫、TRFLP及定量PCR等分子生物學技術，對稻田土壤固碳微生物群落組成、結構和數量進行分析，表明土壤固碳細菌的優勢種群可能是紅假單胞菌、慢生根瘤和勞爾氏菌等，其中參與水稻土CO2光合同化的功能基因（cbbL）豐度為0.04～1.3×108 copies·g-1[31]。而且，連續31年翻壓紫云英還田增加了水稻根際土壤不動桿菌屬（Acinetobacter）、假單胞菌屬（Pseudomonas）等有益細菌的數量[32]。此外，紫云英綠肥和化肥配施還能顯著提高真菌和放線菌的數量[33]，因為紫云英綠肥結合化肥配施，降低了紫云英綠肥的碳氮比值，進而加快了土壤微生物繁殖[34]。然而，紫云英翻壓量超過22500 kg·hm-2時，腐解時間延長，在腐解過程中易引起土壤氧化還原電位下降，產生大量的H2S等有毒物質，從而降低土壤微生物數量[35]。因此，紫云英翻壓量并非越大越好，適量紫云英綠肥與減量化肥配施才能獲得良好的微生態環境，促進土壤微生物生長繁殖。

2.2.2 土壤酶活性 土壤微生物可以合成和釋放大量的酶于土壤中[36]。土壤中各種酶活性的強弱，直接影響到土壤有機碳的轉化。RubisCO（核酮糖二磷酸縮化酶）能把空氣中的CO2連接到植物內的五碳糖上，變成1個六碳糖，然后再平分成2個三碳的磷酸甘油酸，最后，一部分磷酸甘油酸重新合成五碳糖，供碳固定循環，另一部分磷酸甘油酸用于合成蔗糖等有機物[37]。纖維素酶和β葡萄糖苷酶能夠將纖維素類物質催化分解為易溶于水的纖維二糖、果糖和葡萄糖等小分子糖類物質[38]。蔗糖酶也可以將土壤中的蔗糖水解成葡萄糖和果糖[39]。土壤酚氧化酶可以將酚類物質轉化為醌類，降低甚至消除了土壤酚類物質對纖維素酶、蔗糖酶和β葡萄糖苷酶等水解酶類的毒害作用，提高它們的活性，從而促進活性有機碳的形成[40]。反之，酚氧化酶活性的降低會加速土壤中可溶性酚類物質的累積，從而抑制水解酶類的活性，減少其對土壤有機碳的分解，有利于土壤有機碳的固存[38]。此外，用絕對酶活性與土壤微生物生物量（MBC）的比值表征相對酶活性，能夠消除微生物對酶活性的影響，該比值越高表明酶催化活性越強，可以更加準確地評價不同施肥措施對酶活性的影響[41]。與對照相比，隨著紫云英翻壓量的增加，相對蔗糖酶和相對β葡萄糖苷酶活性均顯著增強，而相對酚氧化酶和相對過氧化物酶活性明顯減弱[8]。外源大量紫云英綠肥的輸入，不僅能夠為土壤水解酶提供更多的木質素類底物，還可以為這類酶提供更多的附著位點，改善酶促反應的微域環境條件，有助于增加酶活性;但同時紫云英植株中富含酚類底物，會逐漸減少土壤微生物群落對于來自土壤自身營養的依賴性，導致相對酚氧化酶活性的降低[8]。Yuan等[31]研究顯示，稻田土壤的RubisCO酶活性顯著高于旱地，表明水稻土自養微生物具有更強的碳同化能力。

3 展望

綜上所述，雖然國內外學者對紫云英-雙季稻輪作土壤有機碳轉化過程的研究很多，但較少涉及紫云英-單季稻輪作土壤。在紫云英-單季稻輪作系統中，紫云英腐解時間、紫云英翻壓量、植株養分吸收利用狀況及環境條件與紫云英-雙季稻輪作存在很大差異。目前，有關紫云英連續還田后單季稻土有機碳轉化及其影響機制尚不十分清楚，尤其是土壤樣本中與碳固定功能相關的微生物有哪些，以及這些微生物在有機碳轉化過程中的作用如何，是今后研究的重點方向。

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（責任編輯：柯文輝）