全 文 ：第 25 卷第 12 期
2005 年 12 月
生　　态　　学　　报
A CTA ECOLO G ICA S IN ICA
V o l. 25,N o. 12
D ec. , 2005
中亚热带红壤地区稻-稻-草轮作系统
稻田土壤质量评价
王　华1, 黄　宇1, 23 , 阳柏苏3, 黄　璜1, 张　芬4
(11 湖南农业大学生态研究所, 长沙　410128; 21 湖南省科技厅, 长沙　410001;
31 中南林学院, 长沙　410004; 41 湖南农业大学教务处, 长沙　410128)
基金项目: 湖南省重点资助项目 (N o. 04N K3062)
收稿日期: 2005205219; 修订日期: 2005210219
作者简介: 王华 (1975～ ) , 女, 博士, 主要从事环境生态学以及生态系统评价与管理研究. E2m ail: w angch ina926@ 163. com3 通讯作者A utho r fo r co rrespondence
Foundation item: Key Research P rogram of H u’nan P rovince (N o. 04N K3062)
Rece ived date: 2005205219; Accepted date: 2005210219
Biography:WAN G H ua, Ph. D. , m ain ly engaged in environm ent eco logy, eco system assessm ent and m anagem ent.
摘要: 在中亚热带红壤地区, 利用定位研究方法, 比较了 5 种不同的轮作模式, 即早稻2晚稻2黑麦草、早稻2晚稻2黑麦草→早稻2
晚稻2冬闲、早稻2晚稻23ö4 黑麦草‖1ö4 紫云英、早稻2晚稻2紫云英、早稻2晚稻2冬闲, 对稻田土壤质量的影响。研究结果表明,
与常规稻作系统相比较, 在稻2草轮作模式下, 稻田土壤养分含量增加, 物理性状改善, 土壤生物活性提高, 土壤动物数量增加。
在对土壤功能评价的基础上利用土壤质量评价体系定量地评价了 5 种轮作模式的土壤质量状况。“水分贮存功能”(AW E)、“土
壤结构退化抑制功能”(R SSD )、“稻田作物品质和产量维持功能”(SCO P) 其评价值以及最终的土壤质量指数 (SQ I) 都是稻2稻2
3ö4 黑麦草‖1ö4 紫云英、稻2稻2黑麦草、稻2稻2紫云英 3 种轮作模式大于常规稻作模式, 其中以稻2稻23ö4 黑麦草‖1ö4 紫云英
表现最优;“促使水分运移、提高水分有效性功能”(FWM A )功能在 5 种轮作模式中其评价值相等。结果还表明, 土壤质量指数
(SQ I)、土壤退化指数 (SD I)和生物肥力指数 (B IF)之间具有良好的线性关系, 说明此 3 种评价方法都能有效地评价研究试区稻
田土壤质量。土壤退化指数 (SD I)表明, 稻2草轮作模式稻田土壤质量都有不同程度的提高, 而常规稻作系统稻田土壤质量有轻
微下降。稻田土壤蚯蚓丰富度与土壤质量指数 (SQ I)、土壤退化指数 (SD I)和生物肥力指数 (B IF) 都成显著的正相关, 蚯蚓的丰
富度可指示本研究试区稻田土壤质量。
关键词: 稻2草轮作; 黑麦草; 土壤质量评价; 土壤功能; 红壤地区
文章编号: 100020933 (2005) 1223271211　中图分类号: X53　文献标识码: A
Paddy so il qua l ity a ssessm en t under r ice-ryegra ss rota tion system in red so il
reg ion of m id- subtrop ics
W AN G H ua1, HUAN G Yu1, 23 , YAN G Bo2Su3, HUAN G H uang1, ZHAN G Fen4 　 ( 11R esearch Institu te of
E cology , H u’nan A g ricu ltu ra l U niversity , Chang sha 410128, Ch ina; 31 S cience and T echnology D ep artm en t of H u’nan P rov ince, Chang sha
410001, Ch ina; 21 Centra l S ou th F orestry U niversity , Chang sha 410004, Ch ina; 41 A cad em ic A f f a irs Of f ice, H u’nan A g ricu ltu ra l U niversity ,
Chang sha 410128, Ch ina). A cta Ecolog ica S in ica , 2005, 25 (12) : 3271～ 3281.
Abstract: F ive differen t ro tat ion system s, V iz. early rice2la te rice2ryegrass (L oliun m u ltif lorum ) , early rice2la te rice2ryegrass
→early rice2la te rice2w in ter fallow , early rice2la te rice23ö4ryegrass‖1ö4Ch inese m ilk vetch (A strag a lus sin icus) , early rice2
la te rice2Ch inese m ilk vetch and early rice2la te rice2w in ter fallow , w ere estab lished in red so il region of m id2sub trop ics. F ive
ro tat ion models effects on so il characterist ics w ere evaluated by m easu ring differen t physico2chem ical, m icrob io logical,
b iochem ical param eters and so il an im al. T he resu lts show ed that, compared w ith conven tional cropp ing system , rice (O ry z a
sa tiva) 2ryegrass ro tat ion system s imp roved paddy so il physico2chem ical and b io logical p ropert ies as w ell as increased so il
an im al. So il funct ions and so il quality assessm en t show ed that, so il funct ions, viz. accommodate w ater en try (AW E) , resist
su rface structu re degradation (R SSD ) , sustain fieldcrop quality and p roductivity (SCQ P) and so il quality index (SQ I) w ere all
h igher under early rice2la te rice23ö4ryegrass‖1ö4Ch inese m ilk vetch, early rice2la te rice2ryegrass and early rice2la te rice2
Ch inese m ilk vetch than under early rice2la te rice2w in ter fallow , the assessm en t values being greater under early rice2la te rice2
3ö4ryegrass‖ 1ö4Ch inese m ilk vetch; facilita te w ater movem en t and availab ility (FWM A ) w as equal among five ro tat ion
models. T he resu lts also show ed that, h igh ly co rrela t ions betw een so il quality index (SQ I) , so il degenerat ion index (SD I) and
b io logical index of fert ility (B IF ) w ere also detected, suggeating these th ree m ethods w ere all feasib le to assess paddy so il
quality in th is study area. In addit ion, so il degenerat ion index (SD I) also suggested that, compared to the w aster land in th is
study area, paddy field increased to varying degree under all rice2ryegrass ro tat ion system s and decreased sligh tly under
conven tional cropp ing system in the p resen t study. T here w ere also po sit ive co rrela t ions betw een earthw o rm abundance of
paddy so il and so il quality index ( SQ I) , so il degenerat ion index ( SD I) , b io logical index of fert ility (B IF ) , indicat ing
earthw o rm abundance can be used as indicato r of paddy so il quality in th is study area.
Key words: rice2ryegrass ro tat ion system; ryegrass; paddy so il quality assessm en t; so il funct ion; red so il region
由于我国人多地少, 形成了人畜争粮、粮饲争地的矛盾, 这些矛盾随着人口的增加和人们物质生活水平的提高以及对肉、
蛋、奶、皮毛等需求的增加而愈发激烈。这种状况在我国的南方地区尤为突出。我国亚热带地区饲养业和养殖业由于缺乏青饲
料, 使得青饲料供应远不能满足畜牧业发展的要求, 导致生产者不得不使用大量的粮食做精饲料, 造成饲养成本增加, 也提高了
粮食的消耗量。一方面, 由于人口和建设用地等的不断增加, 饲料生产用地也在逐渐减少; 另外一方面, 长期的粮食2经济作物二
元结构造成作物生产时空搭配上的协调, 浪费了大量的耕地和光、热、水等资源, 土地的利用率和利用效率不高。据不完全统计,
每年全国仅冬 (夏秋)闲田就达到 2000 万 hm 2, 而且因外出务工人员的增多, 近年来农田闲置面积也随之大量增加[1, 2 ]。这显然
是一项极有价值的可利用土地资源, 但往往为人们所忽视而未加以开发利用。自从我国加入世贸组织后, 湖南省就提出了要大
力发展畜牧业, 并将其列为农业六大支柱产业之一, 所以在湖南省利用冬闲田发展青饲料具有非常广阔的前景。
20 世纪 90 年代以来, 许多科研工作者探讨了在我国南亚热带区域建立“草2水稻”草田轮作系统的可行性[1～ 3 ], 并研究了草
田轮作的方法以及草田轮作对水稻和牧草产量、品质、土壤性质的影响[4～ 11 ]。研究发现, 草田轮作系统能增加后作水稻的总生
物量、提高有效分蘖数、成穗率和结实率, 土壤理化性质和生物学性质也得到了不同程度的改善[4～ 11 ]。因此已有研究表明草田
轮作系统具有很好的经济效益、生态效益和社会效益[11 ]。
本研究本文采用 Glover 等人介绍的土壤质量评价体系[12 ] , 将土壤功能划分为“水分贮存功能 (AW E accommodate w ater
en try)”、“促使水分运移、提高水分有效性功能 (FWM A facilita te w ater movem en t and availab ility)”、“土壤结构退化抑制功能
( R SSD resist su rface structu re degradation )”、“稻田作物品质和产量维持功能 ( SCO P sustain fieldcrop quality and
p roductivity)”4 类, 在对土壤功能评价的基础上直观定量地评价稻田土壤质量, 以了解不同轮作模式对土壤的影响程度。这既
可以为农业的高效持续发展提供依据, 同时还可以为亚热带区域稻田生态系统土壤质量指标的选定和系土壤质量的评价提供
参考。
1　材料与方法
111　试验地概况
本研究选在湖南省桃江县桃花江镇进行, 该地区属典型的亚热带湿润气候, 年平均气温 1617℃, 年降水量 1500～ 1700
mm , 稻田土壤是由第四纪红壤发育而成的黄泥田。
试验设 5 个处理: A 早稻2晚稻2黑麦草; B 早稻2晚稻2黑麦草→早稻2晚稻2冬闲; C 早稻2晚稻23ö4 黑麦草‖1ö4 紫云英; D
早稻2晚稻2紫云英; E 早稻2晚稻2冬闲。
A、B、D 3 个处理黑麦草或紫云英均按 15000kgöhm 2 翻压作肥料还田, C 按 7500 kgöhm 2 黑麦草+ 250 kgöhm 2 紫云英翻压
作肥料还田, 其余作饲料。草套播前施复合肥 375 kgöhm 2 (N ∶P∶K = 1∶1∶1) , 在 10 月上中旬散播与稻田中, 水稻收割后 10
～ 15d 结合田间灌水施尿素 150 kgöhm 2, 草 30 cm 左右收割 1 次, 每次留茬 5～ 6cm。稻草不还田 (稻茬除外)。
5 个处理的施肥、耕作以及有关农田管理均相同。单季水稻 (O ry z a sa tiva ) 按每公顷施 N 150 kg、P2O 5 8215 kg、K2O
1210 kg, 黑麦草 (L oliun m u ltif lorum )和紫云英 (A strag a lus sin icus)生长期间不施肥。小区面积 60 m 2, 小区间用田埂隔开, 每个
处理设 3 个重复, 随机排列。
112　土样采集与测定
本试验从 1999 年开始, 2004 年在收割晚稻之后分别在各处理采用多点法取 0～ 10 cm 表层土壤, 混合制样供室内分析。用
于测定土壤酶和呼吸强度的土样同期采取, 放置于 4 ℃的冰箱中备分析。蚯蚓测定采用手捡法, 样方大小为 20m × 20m [13 ]。
全氮含量采用凯氏法; 全磷含量采用氢氧化钠碱熔2钼锑抗比色法; 全钾含量采用火焰光度法; 有机质含量采用重铬酸钾
2723　 生　态　学　报 25 卷
法; 水解N 含量测定采用扩散法; 速效 P 含量测定采用碳酸氢钠法; 速效 K 含量测定采用醋酸铵提取——火焰光度法; 阳离子
交换量 (CEC)采用醋酸铵法; pH 值采用酸度计测定; 土壤容重、孔隙度测定采用环刀法; 水稳性团聚体采用湿筛法[14 ]。土壤脲
酶 (U R )采用扩散法; 土壤蛋白酶 (PR )、酸性磷酸酶 (A P) 和脱氢酶 (DH ) 采用比色法; 土壤过氧化氢酶 (CA )、转化酶采用滴定
法; 土壤呼吸强度采用碱石灰吸收法[15 ]。
土壤微生物量C (Cm ic)、N (N m ic) 、P (Pm ic)采用熏蒸法[16 ]。代谢熵或呼吸熵 (qCO 2)是土壤呼吸强度与微生物2C 的比值, 用
m g CO 22Cö(h·g) 微生物2C 表示; 微生物熵 (Cm ic∶Co rg)是微生物2C 与总有机2C 的比值。
113　土壤质量评价
土壤质量到目前为止在国际上还没有一个全面的、系统的、权威的评价体系使其精确定量化, 事实上对土壤质量的界定是
非常复杂的, 涉及到很多方面, 诸如土壤类型、土地利用方式, 还有作物或植被的自身特性等等。另外, 土壤质量评价参数也是非
常之多, 包括物理的、化学的、生物的, 所以这些都要影响到对土壤质量的界定。现在不管是国内还是国外都有大量的科研工作
者在不断地探索, 土壤质量的评价体系也在不断地完善。本研究采用 Glover 等人介绍的土壤质量评价体系[12 ] , 参照赵其国
等[17 ]对整个红壤地区不同利用方式下土壤状况的调查, 本评价体系将土壤功能划分为“水分贮存功能”(AW E)、“促使水分运
移、提高水分有效性功能”(FWM A ) 、“土壤结构退化抑制功能”(R SSD )、“稻田作物品质和产量维持功能”(SCO P) 4 类, 在对土
壤功能评价的基础上直观定量地评价稻田土壤质量。
土壤质量评价指标标准化的标准评分方程 (Standard Sco ring Function 即 SSF)可参见文献[18, 19 ] , 土壤质量评价体系中的土
壤功能和指标权重、土壤质量指标中各土壤性质的相对重要值以及土壤质量评价指标的阈值分别见表 1、表 2 和表 3。
表 1　土壤质量评价体系中的土壤功能和指标权重
Table 1　W e ights of so il function s and indicators in so il qual ity assessmen t
土壤功能　So il function 权重
W eigh t
第 1 层次指标
Indicato r of level 1
权重
W eigh t
第 2 层次指标
Indicato r of level 1
权重
W eigh t
贮存水分 A ccommodate 0125 水稳性团聚体W ater2stab le m icroaggregate 0140
w ater en try (AW E) 容重 Bulk density 0140
蚯蚓 Earthwo rm s 0120
促使水分运移, 提高水分
有效性 Facilitate w ater
movem ent and
availab ility (FWM A )
0125 毛管水含量 Cap illary mo isture conten t 0140
总孔隙度 To tal po ro sity 0125
总有机C To tal o rgan ic C 0125
蚯蚓 Earthwo rm s 0110
抑制土壤结构退化
Resist surface structure
degradation (RSSD )
0125 水稳性团聚体W ater2stab le m icroaggregate 0140
总有机C To tal o rgan ic C 0140
微生物过程M icrobial p rocesses 0120 微生物C
M icrobial b iom ass2C 0140
微生物N
M icrobial b iom ass2N 0140
毛管水含量 cap illary
mo isture conten t
0120
维持稻田作物品质和产
量 Sustain fieldcrop
quality and p roductivity
(SCQ P)
0125 CEC 0120
总有机C To tal o rgan ic C 0120
pH 0110
微生物过程M icrobial p rocesses 0110 微生物C
M icrobial b iom ass2C 0140
微生物N
M icrobial b iom ass2N 0140
毛管水含量 cap illary
mo isture conten t
0120
全 N To tal N 0110
水解N H ydro lyzab le N 0110
有效 P A vailab le P 0110
电导率 E lectrical conductivity 0110
372312 期 王　华等: 中亚热带红壤地区稻2稻2草轮作系统稻田土壤质量评价 　
表 2　土壤质量指标中各土壤性质的相对重要值
Table 2　Relative importance of so il properties in the so il qual ity index
土壤性质 So il p roperty 权重W eigh t 土壤功能 So il functions effected
总有机C To tal o rgan ic C 012125 贮存水分 A ccommodate w ater en try
促使水分运移, 提高水分有效性 Facilitate w ater movem ent and availab ility
抑制土壤结构退化 Resist surface structure degradation
维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
水稳性团聚体W ater2stab le
m icroaggregate
01200 贮存水分 A ccommodate w ater en try
抑制土壤结构退化 Resist surface structure degradation
毛管水含量
Cap illary mo isture conten t
011150 促使水分运移, 提高水分有效性 Facilitate w ater movem ent and availab ility
抑制土壤结构退化 Resist surface structure degradation
维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
容重 Bulk density 011000 贮存水分 A ccommodate w ater en try
蚯蚓 Earthwo rm s 010750 贮存水分 A ccommodate w ater en try
促使水分运移, 提高水分有效性 Facilitate w ater movem ent and availab ility
总孔隙度 To tal po ro sity 010625 促使水分运移, 提高水分有效性 Facilitate w ater movem ent and availab ility
CEC 010500 维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
微生物C M icrobial b iom ass2C 010300 抑制土壤结构退化 Resist surface structure degradation
维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
微生物N M icrobial b iom ass2N 010300 抑制土壤结构退化 Resist surface structure degradation
维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
全 N To tal N 010250 维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
水解N H ydro lyzab le N 010250 维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
有效 P A vailab le P 010250 维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
电导率 E lectrical conductivity 010250 维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
pH 010250 维持稻田作物品质和产量 Sustain fieldcrop quality and p roductivity
总计 To tal 11000
表 3　土壤质量评价指标的阈值和标准评分方程3
Table 3　Threshold l im its and standard scor ing function (SSF) for so il qual ity indicators
指标 Indicato r SSF L T a U T a LB a UB a O a 资料来源 Source
容重Bulk density (göm 3) 3 110 210 115 H ussain [20 ]
水稳性团聚体A ggregate stab ility (% ) 1 5 20 10 Glover [12 ]
毛管水含量 cap illary mo isture conten t (% ) 2 15 90 30 60 45 Karlen [21、22 ]
总孔隙度 To tal po ro sity (% ) 2 20 80 40 60 50 Glover [12 ]
全 N To tal N (gökg) 1 015 310 115 王效举[23 ]
水解N H ydro lyzab le N (m gökg) 2 50 300 100 200 150 王效举[23 ]
有效 P A vailab le P (m gökg) 2 5 150 15 30 100 张华[24 ]
电导率 E lectrical conductivity (dSöm ) 2 0125 210 015 1175 110 Sm ith [25 ]
pH 2 415 915 615 717 513 Karlen [21、22 ]
CEC (cmo lökg) 1 3 20 10 Glover [12 ]
总有机C To tal o rgan ic C 1 5 30 15 H ussain [20 ]
微生物C M icrobial b iom ass2C (m gökg) 1 100 500 300 Glover [12 ]
微生物N M icrobial b iom ass2N (m gökg) 1 20 70 50 Glover [12 ]
蚯蚓 Earthwo rm s ( ind. öm 2) 1 20 100 50 W erner [26 ]
　　L T 为下限 L T low er th resho ld; LB 为较低基准值 LB low er baseline; UB 为较高基准值 UB upper baseline; U T 为上限 U T upper
th resho ld; O 为最适值O op tim al; 3 标准评分方程可参见文献[18, 19 ]
2　结果与讨论
211　土壤物理性状
不同轮作模式对对土壤物理性状的影响见表 4。土壤容重是土壤紧实度的一个敏感性指标, 也是表征土壤质量的一个重要
参数[27, 28 ]。同常规稻作模式相比, 稻2草轮作系统稻田土壤容重都有不同程度的降低, 其中以稻2稻2黑麦草‖紫云英轮作模式降
低幅度最大。土壤孔隙是土壤通气和水分渗透的一个重要指数, 它能影响土壤与大气之间水和气体的交换以及植物体对土壤中
水分和养分的吸收[29 ]。在本研究中, 稻2草轮作系统总孔隙度和非毛管孔隙度比常规稻作系统都要高, 尽管它们之间的差异还
没有达到显著水平。与常规稻作系统比较, > 0125 mm 水稳性团聚体在稻2稻2黑麦草‖紫云英与稻2稻2黑麦草两种模式下分别
4723　 生　态　学　报 25 卷
提高 35142% 和 32129%。稻2草轮作系统土壤物理性状的改善可能主要与黑麦草自身发达而密集的根系在土壤中的穿插及其
新陈代谢作用以及土壤有机质含量的提高有关。统计分析结果也表明, 土壤有机质含量分别与土壤容重、总孔隙度、水稳性团聚
体含量之间都有着密切的相关性 (p < 0101)。
表 4　土壤物理性状
Table 4　So il physica l properties
容重
Bulk density
(göcm 3) 总孔隙度To talpo ro sity (% ) 非毛管孔隙度N on2cap illarypo ro sity (% ) 毛管孔隙度Cap illarypo ro sity (% ) 孔隙比Po ro sity ratio 毛管水含量Cap illary mo istureconten t (% ) > 0125 mm水稳性团聚体> 0125 mmW ater2stab le
m icroaggregate
A
1112 a
(0111) 58164 a(3128) 17113 a(1102) 41151 a(3196) 0141 a(01052) 53154 a(4102) 23119 a(1186)
B
1115 a
(0113) 56187 a(3117) 13196 a(0198) 42191 a(2168) 0133 a(01021) 48133 a(3118) 19101 ab(1123)
C
1105 a
(0110) 60128 a(2159) 20183 a(1121) 39145 a(3118) 0153 a(01037) 55126 a(3165) 23174 a(1164)
D
1114 a
(0113) 57139 a(2145) 15109 a(1111) 42130 a(3183) 0136 a(01028) 51164 a(2189) 20193 ab(2101)
E
1119 a
(0115) 56117 a(2131) 12140 a(0186) 43177 a(3104) 0128 a(01019) 45129 a(3101) 17153 b(1141)
　　括号内数字为标准方差 Standard deviation in paren theses; 表中同一栏数据带不同字母的表示达到了 5% 的显著水平V alues in the sam e
co lum ns w ith differen t let ters are sign ifican tly differen t at the 5% level
212　土壤化学性状
稻2草轮作系统稻田土壤全N、全 P、全 K 以及水解N、有效 P 和速效 K 含量均高于常规稻田 (表 5) , 尽管差异并不都是很
显著, 这与杨中艺等的研究结果不完全相同[9 ], 但与辛国荣等的研究结果完全一致[7 ]。杨中艺等研究发现, 在水稻生长初期种草
区土壤有效 P 和有效 K 含量低于对照区土壤[9 ]。从表 5 也可以看出, 稻2稻2紫云英轮作模式其土壤氮含量高于其它几种稻2草
轮作模式, 主要原因可能是与紫云英固氮作用有关。稻2草轮作系统稻田土壤 pH 值稍低于常规稻作系统, 但差异并不显著, 这
与杨中艺等的研究结果基本一致[9 ]。稻2草轮作系统稻田土壤pH 值的降低可能是牧草在翻埋以后有机酸增加而作用的结果。土
壤CEC 是土壤保肥性能的一个重要指标, 稻2稻2黑麦草‖紫云英与稻2稻2黑麦草两种轮作系统稻田土壤 CEC 同常规稻作系统
相比分别提高了 5103% 和 3169% (p > 0105)。稻田土壤电导率也是稻2草轮作系统高于常规稻作系统, 但其差异没达到显著
水平。
稻2草轮作系统稻田土壤养分含量的提高, 其主要原因可能是以下几个方面: ①黑麦草发达而密集的根系, 使养分在耕层富
集; ②黑麦草通过其根际活性, 包括根系的分泌物, 如有机酸等, 可促使土壤中有些缓效态或难溶性养分转化为速效态或易溶性
养分; ③大量黑麦草根系在土壤的中腐熟分解也有利于土壤肥力的提高; ④给稻2草轮作系统的施肥也是一个不容忽视的因素。
表 5　土壤化学性状
Table 5　So il chem ical properties
全 N
To tal N
(gökg) pH 全 PTo tal P(gökg) 有效 PA vailab le P(m gökg) 全 KTo tal K(gökg) 速效 KA vailab le K(m gökg) 水解NH ydro lyzab le N(m gökg) CEC(cmo lökg) 电导率E lectrical conductivity(dSöm )
A
1180 a
(0113) 6116 a(0138) 0160 a(01049) 14174 a(1113) 18134 a(1177) 91135 a(7196) 134164 a(11133) 14163 a(1129) 0179 a(01089)
B
1178 a
(0115) 6127 a(0129) 0161 a(01037) 12191 a(1120) 17192 a(1142) 74126 a(8113) 123105 a(13109) 14138 a(1156) 0165 a(01073)
C
1185 a
(0111) 6124 a(0144) 0171 a(01051) 15195 a(1133) 18173 a(1153) 101167 a(10102) 141119a(9186) 14182 a(1137) 0188 a(01067)
D
1182 a
(0116) 6119 a(0131) 0164 a(01043) 14117 a(1109) 18117 a(1169) 88177 a(6139) 157181 a(12145) 14155 a(1113) 0174 a(01091)
E
1169 a
(0112) 6131 a(0130) 0154 a(01029) 9163 b(0186) 17131 a(1146) 59144 b(4187) 97133 b(8137) 14111 a(1127) 0157 a(01048)
　　括号内数字为标准方差 Standard deviation in paren theses; 表中同一栏数据带不同字母的表示达到了 5% 的显著水平V alues in the sam e
co lum ns w ith differen t let ters are sign ifican tly differen t at the 5% level
572312 期 王　华等: 中亚热带红壤地区稻2稻2草轮作系统稻田土壤质量评价 　
213　土壤生物学性状
21311　土壤微生物量、总有机C 与呼吸强度　土壤有机质是土壤的重要组成部分, 是植物的养分来源和土壤微生物生命活动
的能量来源, 并能改善土壤的物理和化学性状, 促进土壤生物活动, 因而被普遍认作土壤质量的一个指示指标[30, 31 ]。在本研究
中, 稻2草轮作系统总有机C 含量高于常规稻作系统 (表 6) , 但它们之间没有显著差异。据研究发现[32 ], 黑麦草具有发达的须根,
在土壤表层其数量可达到 597～ 1148 göm 2, 这些残留在土壤中的根系极大地丰富了土壤有机质。
土壤微生物是土壤有机质和养分循环和转化的动力, 也是土壤养分的储存库, 对土壤中养分的转化和供应起着极其重要的
作用[17、35～ 37 ]。从表 6 可以看出, 不同轮作模式对土壤微生物量的影响极大。稻2草轮作系统稻田土壤微生物生物量C、N、P 含量
显著高于常规稻作系统 (p < 0101) , 其主要原因可能是稻2草轮作系统有机质输入大且矿质养分含量也高。经统计分析表明, 土
壤微生物生物量C 与土壤总有机C (R 2= 016729, p < 0101)、微生物生物量N 与土壤全N (R 2= 015938, p < 0101)、微生物生物
量 P 与土壤全 P (R 2= 016314, p < 0101)之间都有着密切的正相关, 这同有关研究结果基本一致[33, 34 ]。
土壤呼吸强度常被用作土壤微生物活性的一个重要指标[17, 34, 36 ]。稻2草轮作系统稻田土壤呼吸强度显著高于常规稻作系统
(p < 0101) , 其原因可能是稻2草轮作系统存在一个相对较大的易分解的碳基库[36 ]。微生物熵 (Cm ic∶Co rg) 是土壤有机质变化的
一个指示指标, 有的研究工作者甚至将它视为土壤质量的一个参数, 如果土壤正在退化, 微生物C 库下降的速度将大于有机C
的下降, 因而微生物熵随之降低[17, 34, 36 ]。本研究中稻2草轮作系统土壤微生物熵 (Cm ic: Co rg) 大于常规稻作系统, 表明常规稻作
系统稻田土壤中易为生物降解的有机质含量相对较少。另外, 稻2草轮作系统中不同的轮作模式土壤微生物熵也有差异, 但并不
显著。代谢熵 (qCO 2) 是表征土壤微生物生物活性的一个敏感指标, 在一个较稳定和成熟的生态系统内往往表现出一个较低的
值[34, 36 ]。代谢熵在 5 种稻2作模式中以常规稻作系统最高, 稻2草轮作系统稍低, 这可能与常规稻作系统土壤有机C 含量处于较
低水平有关。
表 6　土壤微生物量、总有机C 与呼吸强度
Table 6　M icrobia l biomass, tota l organ ic C and basal resp iration
处理
T reatm ent
微生物C
M icrobial
b iom ass2C
(m gökg dry
w eigh t so il)
微生物N
M icrobial
b iom ass2N
(m gökg dry
w eigh t so il)
微生物 P
M icrobial
b iom ass2P
(m gökg dry
w eigh t so il)
总有机C
To tal o rgan ic
C (gökg) 呼吸强度Basalresp irat ion(Λg CO 22Cö(g dry
w eigh t so il h) )
微生物商
(Cm ic∶Co rg)
M icrob ial
quo tien t
代谢商
(qCO 2)
M etabo lic
quo tien t
A
629 a
(123)
71 a
(14)
22 a
(4)
24179 a
(1167) 0152 a(0112) 2154 ab(0114) 0183 a(01021)
B
523 bab
(107)
48 b
(8)
16 ab
(3)
23187 a
(1143) 0141 b(01078) 2119 ab(0111) 0178 a(01022)
C
698 a
(141)
83 a
(11)
26 a
(4)
25145 a
(1153) 0157 a(0113) 2174 a(0117) 0182 a(01031)
D
593 a
(118)
59 a
(9)
21 a
(5)
24131 a
(1161) 0146 a(01089) 2146 ab(0113) 0177 a(01024)
E
402 b
(102)
32 b
(5)
12 b
(3)
21136 a
(1134) 0135 b(01081) 1188 b(01086) 0187 a(01031)
　　括号内数字为标准方差 Standard deviation in paren theses; 表中同一栏数据带不同字母的表示达到了 5% 的显著水平V alues in the sam e
co lum ns w ith differen t let ters are sign ifican tly differen t at the 5% level
21312　土壤酶活性和土壤动物　土壤酶活性是维持土壤肥力的一个潜在性指标[34、37 ]。脱氢酶活性能够较全面反映土壤微生
物的氧化特性, 是土壤微生物生物活性的一个指示指标[37 ]; 脲酶、蛋白酶直接参与土壤中含N 有机化合物的转化, 其活性强度
常用来表征土壤N 素供应程度[34、36 ]; 酸性磷酸酶能加速土壤有机磷的脱磷速度, 从而提高磷的有效性[34 ]; 过氧化氢酶, 是细胞
内的一种氧化还原酶, 在微生物细胞体外仍然能保持其活性, 所以也常用来作为土壤生物活性的一个评定指标[38 ]。在 5 种稻2作
模式中, 稻2草轮作系统稻田土壤五种酶活性都高于常规稻作系统 (表 7) , 而且它们之间的差异都达到了显著水平 (p < 0101 或
p < 0105) , 这与辛国荣等的研究结果基本一致[7 ]。酶活性的提高表明稻2草轮作系统稻田土壤中C、N 和 P 营养物质循环强度比
常规稻作系统大, 有机残体分解速度亦比常规稻作系统的快。稻2草轮作系统稻田土壤酶活性的增强可能与其土壤中相对较高
的矿质养分含量的有着紧密的联系, 众多研究结果也表明, 土壤中大多数酶活性与土壤中养分元素含量存在密切的相关
性[17, 34 ]。另有研究结果表明, 冬种黑麦草对稻田土壤酶活性以及水稻自身生长的影响在水稻生长前期与水稻成熟期并不完全
一致, 冬种黑麦草对后作水稻的前期生长有较为明显的抑制作用, 对根系生长发育的影响尤为明显, 对脲酶活性的抑制也比较
大[6 ]。其原因可能主要是黑麦草在水田土壤中残留的大量根系不利于水稻根系在插植后恢复和定植, 另外黑麦草根系的腐熟分
6723　 生　态　学　报 25 卷
解也有一定的负面影响。所以, 应选择好黑麦草收割期与水稻插植期之间的时间间隔, 以保证黑麦草根系成分腐熟分解。
土壤动物是稻田生态系统物质循环中重要的参与者, 其组成、数量、生物量在很大程度上影响稻田生态系统的物质循环与
转化。众多研究结果已表明, 蚯蚓在评价农田土壤污染以及农业的可持续性中可作为一个重要的生物指标[39～ 41 ]。从表 7 可以看
出, 稻2稻2黑麦草‖紫云英与稻2稻2黑麦草两种轮作模式稻田土壤蚯蚓数量显著高于常规稻作模式 (p < 0101)。其它几种轮作
模式稻田土壤蚯蚓数量一般也是常规稻作的 2～ 3 倍, 虽然它们之间的差异并不显著 (主要是数据变异较大)。稻2草轮作系统蚯
蚓数量的大幅度增加主要是其稻田土壤环境改善所致。统计分析表明, 蚯蚓数量与土壤有机质和其它养分含量以及土壤容重、
孔隙度都有显著的相关性 (p < 0101 或 p < 0105)。
表 7　土壤酶活性和土壤动物
Table 7　Enzyme activ ities and an imal of so ils
处理
T reatm ent
脱氢酶 (DH )
(Λl T PFö(g dry
w eigh t so il
24h) )
脲酶 (U R )
(m g N H 3ö(g dry
w eigh t so il
24h) )
蛋白酶 (PR )
(Λmo l N H 3ö(g dry
w eigh t so il
h) )
过氧化氢酶 (CA )
(Λmo l KM nO 4ö
(g dry w eigh t
so il h) )
酸性磷酸酶 (A P)
(Λg P2nitropheno lö
(g dry w eigh t
so il h) )
蚯蚓 Earthwo rm s
( ind. öm 2)
A
36310 a
(4213) 0192 a(0113) 1183 ab(0118) 8013 a(617) 6511 ab(811) 42 ac(6)
B
3201 4 ab
(2916) 0175 ab(0111) 1156 b(0117) 5615 b(413) 4716 b(317) 17 bc(4)
C
38712 a
(5011) 0199 a(0115) 2118 a(0121) 9217 a(811) 7917 a(913) 56 a(8)
D
35118 a
(2918) 0188 a(0110) 1172 ab(0119) 7414 a(614) 5614 ab(416) 31 ac(4)
E
27117 b
(2417) 0161 b(01079) 1134 b(0114) 4017 b(516) 3813 b(415) 9 bc(3)
　　括号内数字为标准方差 Standard deviation in paren theses; 表中同一栏数据带不同字母的表示达到了 5% 的显著水平V alues in the sam e
co lum ns w ith differen t let ters are sign ifican tly differen t at the 5% level
214　稻田土壤质量评价
21411　土壤质量指数　图 1 是几种不同轮作模式土壤功能和土壤质量的评价值。从图 1 可以看出,AW E、R SSD 和 SCO P 3 项
土壤功能其评价值都是稻2稻2黑麦草‖紫云英、稻2稻2黑麦草、稻2稻2紫云英 3 种轮作模式大于常规稻作模式, FWM A 在 5 种
轮作模式中其值相等 (都为 015) ; 稻2稻2黑麦草→稻2稻2冬闲轮作模式R SSD 和 SCO P 两项土壤功能其评价值也都大于常规稻
作模式。此评价结果与各土壤功能所对应的土壤性质基本一致 (可从土壤各性质的测定值反映出来) , 同时也说明了此土壤质量
评价体系的可行性。从最终的土壤质量指数看, 稻2稻2黑麦草‖紫云英 (016275) = 稻2稻2黑麦草 (016275) > 稻2稻2紫云英
(016150) > 稻2稻2黑麦草→稻2稻2冬闲 (015150) > 稻2稻2冬闲 (015000)。
图 1　不同轮作系统稻田土壤功能和质量指数
F ig. 1　So il function and so il quality index (SQ I ) under differen t cropp ing system s
21412　土壤退化指数　土壤退化指数 (SD I , so il degenerat ion index) 根据A dejuw on & Ekanade[42 ]提出的计算公式计算, 它是
以某种土地利用类型为基准, 假设其它的土地利用类型都是由作为基准的土地利用类型转变而来, 然后比较土壤各个属性在其
它土地利用类型与基准土地利用类型之间的差异 (以百分数表示) , 最后将各个属性的差异求和平均, 起计算公式如下:
772312 期 王　华等: 中亚热带红壤地区稻2稻2草轮作系统稻田土壤质量评价 　
SD I = ∑ ( (X i - X ’i) öX ’i) × 100% ön
式中, SD I 为土壤退化指数, X i 为土壤质量参数值, X ’ i 是基准土地利用类型土壤参数值。但因土壤容重数值越高表示退化越严
重, 所以计算时取其差值的相反数。土壤退化指数负数表明土壤退化, 正数说明土壤质量提高。本研究SD I 的计算采用了 14 个
土壤指标, 选用的基准土地利用类型为试验地附近的荒草地。
表 8　不同轮作系统 (X i- X ’ i) öX ’ i 值
Table 8　Values of (X i- X ’ i) öX ’ i under differen t cropping system s
项目 Item A B C D E
容重Bulk density 0109677 0107258 011532 0108065 0104032
CEC 0107891 0106047 0109292 0107301 0104056
总有机C To tal o rgan ic C 011172 0107571 011469 0109554 - 0103740
全N To tal N 011304 011056 011491 011180 0104969
全 P To tal P - 0104762 - 0103175 011270 0101587 - 011429
全 K To tal K 011122 0108672 011358 011019 0104973
水解N H ydro lyzab le N 019700 016400 017945 018818 012972
有效 P A vailab le 011453 01003108 012393 011010 - 012518
有效 K A vailab le K 112049 017924 114540 111427 014347
微生物C M icrobial b iom ass2C 0109582 - 0108885 012160 0103310 - 012997
微生物N M icrobial b iom ass2N 016512 011163 019302 013721 - 012558
微生物 P M icrobial b iom ass2P 112000 016000 116000 111000 012000
脲酶U R 0101099 - 011758 0108791 - 0103297 - 013297
蛋白酶 PR 011227 - 0104294 013374 0105522 - 011779
　　通过表 8 的结果, 利用公式可直接计算出不同轮作模式土壤的退化指数 (图 2)。土壤退化指数可定量地反映土壤退化或改
善的程度, 正值表明土壤质量有所改善, 而负值表明土壤质量有退化的趋势。从图 2 可以看出, 除常规稻作系统外, 其它 4 种轮
作模式稻田土壤质量都有所改善, 其中以稻2稻2黑麦草‖紫云英轮作模式增加幅度最大。而常规稻作系统稻田土壤质量有退化
的趋势, 但其退化幅度很小, 主要可能是施肥的缘故。土壤退化指数与土壤质量指数所得出的研究结果趋于一致。
经统计分析可以看出, 土壤退化指数 (SD I )和土壤质量指数 (SQ I ) (R 2= 018537, p < 0105)之间具有良好的线性关系, 该关系表
明, 土壤退化指数同土壤质量指数一样也能有效地评价研究试区稻田土壤质量, 而且过程简化, 评价指标也不受限制, 但基准土
地利用类型的选择对其影响很大。
21413　生物肥力指数　根据生物肥力指数 (B IF : b io logical index of fert ility)表达式[43 ]:
B IF = (115 ×D H + CA ) ö2
　　式中,D H 为脱氢酶, CA 为过氧化氢酶。计算出 5 种轮作模式稻田土壤的生物肥力指数B IF (图 3)。
图 2　不同轮作系统稻田土壤退化指数
F ig. 2 　 So il degeneration index (SD I ) under differen t cropp ing
system s
图 3　不同轮作系统稻田土壤生物肥力指数
F ig. 3 　 So il b io logical index of fert ility (B IF ) under differen t
cropp ing system s
　　从图 3 可以看出, 稻2草轮作系统稻田土壤生物肥力指数大于常规稻作系统, 其中以稻2稻2黑麦草‖紫云英轮作模式其生
物肥力指数最高, 其次是稻2稻2黑麦草模式, 这与稻田土壤质量指数趋势基本一致。经统计分析表明, 土壤生物肥力指数 (B IF )
分别与土壤退化指数 (SD I ) (y = 010043x - 019998, R 2 = 019993, p < 0101) 和土壤质量指数 (SQ I ) (y = 63211x - 761145, R 2 =
01858, p < 0105)都有良好的线性关系, 说明生物肥力指数在一定程度上可反映出稻田土壤质量的高低。
21414　SQ I、SD I、B IF 与蚯蚓丰富度之间的相关性　统计分析表明, 稻田土壤蚯蚓丰富度分别与 SQ I (y = 010031x + 014818,
8723　 生　态　学　报 25 卷
R 2 = 018245, p < 0105)、SD I (y = 010097x - 010519, R 2= 019362, p < 0101)、B IF (y = 212193x + 219178, R 2= 019243, p < 0101)
都呈显著正相关, 说明蚯蚓的丰富度可指示本研究试区稻田土壤质量, 另外也因蚯蚓丰富度受耕作制度的影响很大[41 ], 所以,
在构建稻田土壤质量评价体系时, 可将土壤动物作为重要的参数来考虑。
3　结论
(1) 稻2稻2草轮作制能增加土壤养分含量, 改善土壤物理性状, 提高土壤生物活性, 增加土壤动物数量, 从而维持或提高稻
田土壤质量, 达到农田生态系统可持续经营的目的。
(2)在四项土壤功能评价的基础上, 利用土壤质量评价体系直观地评价了稻田土壤质量状况。AW E (贮存水分)、R SSD (抑
制土壤结构退化)和 SCO P (维持稻田作物品质和产量) 3 项土壤功能其评价值都是稻2稻2黑麦草‖紫云英、稻2稻2黑麦草、稻2稻2紫云英 3 种轮作模式大于常规稻作模式, FWM A (促使水分运移, 提高水分有效性) 在 5 种轮作模式中其评价值相等; 稻2稻2黑
麦草→稻2稻2冬闲轮作模式R SSD 和 SCO P 两项土壤功能其评价值也都大于常规稻作模式。评价结果与实地观测基本一致, 说
明此土壤质量评价体系在评价研究试区稻田土壤质量的可行性。土壤质量指数、土壤退化指数和生物肥力指数之间具有良好的
线性关系, 说明此 3 种评价方法都能有效地评价研究试区稻田土壤质量。土壤退化指数表明, 稻2草轮作模式稻田土壤质量都有
不同程度的提高, 而常规稻作系统稻田土壤质量有轻微下降。
(3) 稻田土壤蚯蚓丰富度与土壤质量指数、土壤退化指数和生物肥力指数都成显著的正相关, 蚯蚓的丰富度可指示本研究
试区稻田土壤质量。在构建稻田土壤质量评价体系时, 可将土壤动物作为重要的参数来考虑。
(4) 稻2稻2草轮作制与常规稻作制比较能提高稻田土壤质量, 为发展农业多种经营提供了重要的物质基础, 同时也能改善
区域农业结构, 促进“三元结构”农业和节粮型畜牧业的发展。稻2稻2草轮作制还为农业种植业和畜牧业之间提供了一个结合
点, 从而启动连接土、草、粮、畜等多个环节的生态农业系统。另外, 稻2稻2草轮作制的应用与推广, 也提高了土地的利用率和利
用效率。
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