長期施用有機(jī)物料對稻田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響

全孝飛，顏曉元，王書偉，周偉

(1.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049）

長期施用有機(jī)物料對稻田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響

全孝飛1，2，顏曉元1*，王書偉1，2，周偉1，2

(1.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049）

基于長期定位試驗(yàn),測定稻田溫室氣體排放通量、土壤和糙米重金屬、淋溶水中氮磷含量,收集整理水稻產(chǎn)量和土壤肥力長期數(shù)據(jù),以研究長期施用有機(jī)物料對稻田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響。選擇凈經(jīng)濟(jì)效益(NEB）作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評價(jià)指標(biāo)。研究結(jié)果表明.與單施化肥(F）相比,長期施用豬糞(FM）顯著提高土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和有效磷含量,秸稈還田(FS）顯著提高土壤有機(jī)碳和速效鉀,提高了全氮、全磷、速效氮和全鉀,但差異不顯著,說明長期施用有機(jī)物料可提高土壤肥力；FM和FS提高水稻平均產(chǎn)量分別達(dá)4.1%和4.3%；FS和FM顯著增加CH4累積排放量,減少N2O排放,但差異不顯著；FM和FS提高土壤有機(jī)碳固存率。與F和FS相比,FM降低了淋溶水中氮淋溶量,但顯著增加了田面水磷含量和20 cm深淋溶水磷淋溶量,而對60 cm和80 cm深淋溶水磷淋溶量沒有影響；FM顯著提高土壤Zn、Cu和Cd含量,所有處理重金屬含量均沒有超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn),FM沒有引起水稻糙米中重金屬含量的累積。與F相比,FM增加NEB 5.2%,達(dá)到1 056.8元·hm-2。上述結(jié)果表明,20年尺度下,施用豬糞對稻田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的正面影響遠(yuǎn)大于其所帶來的負(fù)面影響,但隨著豬糞施用時(shí)間的延長其負(fù)面效應(yīng)可能進(jìn)一步擴(kuò)大,應(yīng)引起重視。

有機(jī)物料；稻田；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；凈經(jīng)濟(jì)效益(NEB）

城郊關(guān)鍵帶是一類具有城市和農(nóng)村雙重特性的特殊關(guān)鍵帶［1］。由于區(qū)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá),每年產(chǎn)生的大量畜禽糞便得不到有效處理,嚴(yán)重影響水體和空氣質(zhì)量；種植業(yè)產(chǎn)生的大量秸稈也得不到妥善處理,秸稈焚燒造成空氣質(zhì)量的惡化；同時(shí)以長期大量施用化肥為種植模式的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)導(dǎo)致城郊區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受到嚴(yán)重破壞［2］,因而用畜禽糞便替代部分化肥和秸稈還田等技術(shù)越來越受到重視。大量研究表明,畜禽糞便有機(jī)質(zhì)含量高、養(yǎng)分全面、肥效長。一方面,能增加土壤有機(jī)碳庫,改良土壤,提高土壤肥力,從而促進(jìn)作物生長,提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［3-4］；另一方面,可能會(huì)引起CH4等溫室氣體排放增加和地下水氮磷污染［5-6］。另外,由于畜禽糞便中含有大量重金屬元素,施入土壤后可能導(dǎo)致土壤和作物重金屬的累積［7］。單施化肥有可能造成土壤有機(jī)質(zhì)的耗竭,秸稈可以作為碳源施入土壤,以補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì),提高土壤肥力［6］。

現(xiàn)有研究表明,大部分長期定位試驗(yàn)中,施用有機(jī)肥后土壤重金屬含量出現(xiàn)不同程度的累積［7］,而在短期試驗(yàn)中,施用兩年有機(jī)肥并沒有引起土壤中重金屬的累積［8］。王美等［7］分析現(xiàn)有文獻(xiàn)資料得出,長期試驗(yàn)中由于土壤重金屬的累積,導(dǎo)致作物可食部位Cu、Zn、Pb含量比對照分別增加0.03～1.8、0.02～11.8、0.01～0.31 mg·kg-1；而在短期試驗(yàn)中,作物可食部分重金屬含量相比對照有增有減。有機(jī)肥對產(chǎn)量的影響也有類似的現(xiàn)象［8-9］。這表明長期試驗(yàn)比短期試驗(yàn)更能真實(shí)地反映施用有機(jī)肥對作物產(chǎn)量、土壤重金屬累積和作物可食部位重金屬含量的影響,其數(shù)據(jù)更具有說服力。

因此,我們需要綜合評價(jià)長期施用豬糞對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用,其可歸納為生產(chǎn)功能(主要為提供農(nóng)產(chǎn)品）、生態(tài)功能(調(diào)節(jié)溫室氣體、維持土壤肥力、土壤固碳、污染物控制、涵養(yǎng)水分、保持土壤、凈化水質(zhì)等）和生活功能(休閑娛樂與旅游觀光）［10］。

然而,在我國城郊關(guān)鍵帶的水稻栽培區(qū),施用有機(jī)物料對產(chǎn)量、有機(jī)碳固定、土壤肥力、土壤和作物重金屬含量、溫室氣體排放及淋溶水氮磷污染等方面的影響缺乏全面的監(jiān)測——特別是缺乏長期試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù),同時(shí),施用有機(jī)物料會(huì)產(chǎn)生正負(fù)兩方面的影響,但沒有指標(biāo)對各方面結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一評估,使得處理之間結(jié)果沒有可比性,闡釋不清楚闡釋不清楚長期施用有機(jī)物料對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生怎樣的影響。本研究以始于1997年有機(jī)肥長期定位試驗(yàn)為載體,通過全面監(jiān)測土壤和作物重金屬含量、溫室氣體排放通量和淋溶水氮磷濃度,收集整理水稻產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳和土壤氮磷鉀含量等數(shù)據(jù),用凈經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)評價(jià)長期施用有機(jī)物料對稻田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)生產(chǎn)功能和主要生態(tài)功能的影響(對基本不會(huì)因?yàn)楸驹囼?yàn)處理不同而改變的其他服務(wù)功能,如涵養(yǎng)水分、保持土壤等生態(tài)功能和生活功能,本試驗(yàn)設(shè)定各處理一樣）,以期為相關(guān)評估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)于2016年在中國科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(31°32′45″N,120°41′57″E）排水采集器長期定位實(shí)驗(yàn)田進(jìn)行。該站地處長江三角洲腹地——太湖流域,該區(qū)域?yàn)榈湫偷某墙缄P(guān)鍵帶區(qū),屬亞熱帶濕潤氣候,年平均降雨量1038 mm,年平均氣溫17.8℃,年日照1745 h,無霜期242 d。站區(qū)海拔3.2 m,地下水埋深80 cm左右。稻-麥輪作是其主要種植制度。供試土壤為湖積物發(fā)育而成的潛育型水稻土。表層0～20 cm土壤的基本理化性質(zhì)(1997年測定）如下.有機(jī)碳10.5 g·kg-1,全氮1.1 g·kg-1,速效氮19.4 mg·kg-1,全磷0.54 g·kg-1,有效磷6.5 mg·kg-1,全鉀19.3 g·kg-1,速效鉀91.7 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及處理

該試驗(yàn)田始建于1997年,三個(gè)施肥處理分別為(1）常規(guī)施肥(F）,稻季施N 300 kg·hm-2,P2O548 kg· hm-2,K2O 120 kg·hm-2,麥季施N 230 kg·hm-2,P2O577kg·hm-2,K2O 90 kg·hm-2；(2）常規(guī)施肥加秸稈還田(FS）,施肥與F相同,每季增加秸稈還田量4.5 t·hm-2；(3）豬糞等氮替代部分氮肥(FM）,稻季施N 230 kg· hm-2,P2O536 kg·hm-2,K2O 90 kg·hm-2,麥季施N 160 kg·hm-2,P2O551 kg·hm-2,K2O 60 kg·hm-2,每季增加豬糞施用量為15 t·hm-2。有機(jī)肥用量均為鮮重,豬糞鮮樣含水率為81.2%,豬糞重金屬及營養(yǎng)元素含量見表1。該施肥方案從1997年開始實(shí)施。磷肥、秸稈和豬糞全作基肥一次施入；氮肥分3次施入,基肥、分蘗肥和穗肥比例為4∶2∶ 4；鉀肥分兩次施入,基肥和穗肥比例為1∶1。各處理3次重復(fù),隨機(jī)排列,共9個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為2 m×2 m=4 m2。每個(gè)小區(qū)等間距插秧100穴,試驗(yàn)小區(qū)之間用水泥埂隔開,并高出田面20 cm以減少側(cè)滲和串流,灌溉水為自來水,除試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求外,田間管理與試驗(yàn)站其他大田一致。供試水稻品種為南粳46號,水稻于2016年6月19日移栽,11月3日收獲,3次施肥時(shí)間分別為6月19日、7月2日和8月9日。基肥撒施田面后耙地,使之與表土混合,兩次追肥均為撒施。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 氣樣采集與分析

采用靜態(tài)暗箱-色譜法連續(xù)觀測稻田CH4和N2O排放通量。采氣箱底座(橫截面積50 cm×50 cm）長期埋于田間,底座內(nèi)插有4穴水稻植株,槽密封。采氣箱為PVC材料,箱體表面貼有海綿和鋁箔以防止箱內(nèi)溫度變化過大,箱頂插入溫度計(jì)；采氣箱連接槽采樣時(shí)需加水密封連接。為適應(yīng)水稻生長,采氣箱分為兩種尺寸(50 cm×50 cm×50 cm和50 cm×50 cm×100 cm）。采樣時(shí)間為上午8.00—11.00,扣箱后立刻用20 mL注射器采集第一個(gè)樣品,以后每隔10 min采1次,共采樣4次,采樣結(jié)束立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定分析。采樣頻率為每周1～2次,施肥和烤田期加密采樣。氣體樣品用Agilent 7890A氣相色譜儀分析,CH4使用電子捕獲(FID）檢測器測定,N2O使用氫火焰離子化(ECD）檢測器測定。檢測器和柱箱溫度分別為300℃和40℃,載氣為高純氮?dú)?流速40 mL·min-1。所有樣品2 d內(nèi)測完。

1.3.2 水樣總氮、總磷測定

在采集氣體樣品的同時(shí),用塑料瓶采集田面水(0 cm）和20、60、80 cm土層滲漏水各100 mL,共采樣31次。滲漏水通過排水采集器采集,在每個(gè)小區(qū)的20、60 cm和80 cm土層分別裝有一個(gè)滲漏水采集盒(10 cm×15 cm×10 cm）,用不銹鋼管(內(nèi)徑1 cm）連接導(dǎo)出,其末端接上醫(yī)用輸液管(內(nèi)徑0.4 cm）以便采樣。每次采樣時(shí),應(yīng)放干滲漏水采集盒里面殘留的水。具體采集方法參考文獻(xiàn)［11］。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室過0.45 μm濾膜,用堿性過硫酸鉀消解后,用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(Smartchem 140,WESTCO,法國）測定水樣總氮和總磷,所有樣品放入4℃冰箱保存并在一周內(nèi)測完。

1.3.3 土壤、豬糞和糙米重金屬測定

土壤中全量重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As）采用HF-HNO3-HCl微波消解法,豬糞和糙米中全量重金屬采用HNO3-HClO4-HCl三酸消煮法,消煮液用ICP-OES測定。豬糞全碳、全氮及重金屬含量如表1所示。

1.3.4 水稻產(chǎn)量及土壤肥力測定

水稻收獲時(shí)田間實(shí)際測產(chǎn),各小區(qū)于每年晚稻收獲后,按“S”形取樣法取5個(gè)點(diǎn),取0～20 cm土層混合樣,自然風(fēng)干后過20目篩,用于土壤肥力測定。土壤肥力數(shù)據(jù)(有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀等）由中國科學(xué)院南京土壤研究所分析中心檢測,同時(shí)收集1997年以來該試驗(yàn)田水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)(由中國科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站提供）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 氣體排放通量

溫室氣體排放通量計(jì)算公式如下.

式中：F為CH4或N2O排放通量,mg·m-2·h-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4或N2O-N密度,其值分別為0.714 kg·m-3(CH4）和1.25 kg·m-3(N2O-N）；h為采樣箱高度,m；dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)CH4或N2O的濃度變化率,μL·L-·1h-1；T為采樣箱內(nèi)的平均溫度,℃。

表1 豬糞重金屬及養(yǎng)分含量Table 1 Contents of heavy metals and nutrients of pig manure

1.4.2 氣體累積排放量

溫室氣體累積排放量計(jì)算公式如下.

式中：A為CH4或N2O累積排放量,kg·hm-2；Fi為第i次采樣CH4或N2O-N排放通量,mg·m-2·h-1；di+1-di為兩次采樣測定時(shí)間間隔,d。

1.4.3 土壤有機(jī)碳固定

土壤有機(jī)碳(SOC）含量是用土壤有機(jī)質(zhì)含量除以換算系數(shù)1.724所得,土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定。土壤有機(jī)碳密度(SOCD,kg C·hm-2）及有機(jī)碳固定速率(SOCSR,kg C·hm-2·a-1）計(jì)算公式［12］如下.

式中：SOC為土壤耕作層(0～20 cm）有機(jī)碳含量,g C· kg-1；ρ為土壤容重(1.13 g·cm-3）；H為耕作層深度(20 cm）；SOCD2016和SOCD2017分別代表試驗(yàn)最終和最初的SOCD；t為試驗(yàn)時(shí)間(20 a）。

1.4.4 凈全球增溫潛勢

CH4或N2O在100 a尺度的綜合增溫效應(yīng)采用IPCC推薦的綜合增溫潛勢計(jì)算,全球增溫潛勢(GWP,kg CO2-eq·hm-2·a-1）和凈全球增溫潛勢(NGWP,kg CO2-eq·hm-2·a-1）計(jì)算公式［13］如下.

式中：ACH4

和AN2O分別代表CH4和N2O累積排放量；25和298分別代表CH4和N2O在100 a尺度上相對CO2的增溫潛勢的倍數(shù)；公式(5）中44和28分別代表N2O和N的摩爾質(zhì)量,g·mol-1；公式(6）中44和12分別代表CO2和C的摩爾質(zhì)量,g·mol-1。

1.4.5 凈經(jīng)濟(jì)效益

FM和F處理的凈經(jīng)濟(jì)效益(NEB,元·hm-2）,計(jì)算公式［14］如下.

式中：Y為水稻產(chǎn)量,kg·hm-2；Pr為水稻市場價(jià)格,近幾年常熟水稻價(jià)格2.7元·kg-1；Ri為化肥i(以N、P2O5、K2O計(jì)）施用量,Pi為化肥i(以N、P2O5、K2O計(jì)）價(jià)格,分別為4.8、5.8、5.3元·kg-1；Pd為碳交易價(jià)格, 0.15元·kg-1CO2-eq［14］；Pf為多出的施肥成本,本試驗(yàn)只有施豬糞處理有該成本,取560元·hm-2(一次化肥施肥為375元·hm-2,豬糞會(huì)需要更多勞動(dòng)力,合理擴(kuò)展1.5倍即為施豬糞成本）［15］；公式最后一部分代表治理富營養(yǎng)化成本,LN、LP(kg·hm-2）分別為80 cm深淋溶水總氮和總磷淋溶量(詳細(xì)計(jì)算方法參考文獻(xiàn)［16］）,本試驗(yàn)淋溶速度取5 mm·d-1［17］；s和t為LN和LP轉(zhuǎn)化成等當(dāng)量PO4的系數(shù),分別為0.42和3. 06；Pm為治理PO4價(jià)格,4.26元·kg-1PO4-eq［13］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)均用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì),Origin 9.0作圖,SPSS 19.0進(jìn)行方差分析和T檢驗(yàn),用Ducan法檢驗(yàn)各處理之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施用有機(jī)物料對土壤肥力的影響

表2為各處理連續(xù)施肥20年后土壤養(yǎng)分含量狀況。該表表明,與F相比,FM處理顯著提高土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和有效磷含量,各養(yǎng)分含量分別提高了39.3%、33.5%、197.5%和320.6%,亦提高了速效氮含量,但差異不顯著,對全鉀和速效鉀沒有影響；與F相比,FS處理顯著提高了有機(jī)碳和速效鉀含量,分別為18.2%和18.7%,全氮、全磷、速效氮和全鉀各養(yǎng)分含量分別提高了13.9%、7.1%、22.9%和5.8%,但差異不顯著,對有效磷沒有影響。這說明長期施用有機(jī)物料能提高土壤肥力。

表2 長期施用有機(jī)物料對土壤肥力的影響Table 2 Effect of long-term application of organic materials on soil fertility

2.2 長期施用有機(jī)物料對水稻產(chǎn)量的影響

圖1 長期施用有機(jī)物料對水稻產(chǎn)量的影響Figure 1 Effect of long-term application of organic materials on grain yield

圖1表明,各處理水稻產(chǎn)量年際間變化較大,但隨試驗(yàn)時(shí)間所呈現(xiàn)的變化趨勢一致。與F處理相比, FM和FS處理均提高水稻產(chǎn)量,但各處理在統(tǒng)計(jì)上沒有顯著差異,20年平均增產(chǎn)分別達(dá)到4.1%和4.3%, F、FM、FS處理產(chǎn)量分別為8 529.5、8 882.2和8 894.8 kg·hm-2。說明長期施用有機(jī)物料可以使水稻增產(chǎn)。

2.3 長期施用有機(jī)物料對溫室氣體排放和凈全球增溫潛勢的影響

圖2 長期施用有機(jī)物料對稻田CH4和N2O排放通量的影響Figure 2 Effect of long-term application of organic materials on CH4and N2O fluxes

對CH4排放特征分析得出,各處理排放通量季節(jié)變化趨勢一致(圖2a）。CH4季平均排放通量大小順序?yàn)镕S＞FM＞F,其值依次為5.2、5.0、3.1 mg·m-2·h-1。與F處理相比,FM和FS處理顯著增加了稻田CH4累積排放量(表3）,大小順序?yàn)镕S＞FM＞F,其值依次為169.6、163.4、102.6 kg·hm-2。CH4排放主要集中在烤田前期,烤田結(jié)束重新灌水后,CH4排放也沒有恢復(fù)到烤田前水平。

圖2b為稻田N2O排放通量變化特征。由圖可知,各處理排放季節(jié)變化趨勢一致,N2O平均排放通量大小為F＞FS＞FM,其值依次為32.1、28.0、27.4 μg·m-2· h-1。與F處理相比,FS和FM處理均減少了N2O累積排放量(表3）,但各處理之間差異不顯著,大小順序?yàn)镕＞FS＞FM,其值依次為1.05、0.92、0.89 kg N2O-N· hm-2。

表3表明,與F處理相比,FM和FS顯著提高了全球增溫潛勢,F、FM和FS處理分別為3 056.8、4 503.4和4 669.6 kg CO2-eq·hm-2·a-1。秦曉波等［6］在湖南望城長期定位試驗(yàn)點(diǎn)也得到相同的結(jié)果。然而,與F處理相比,FM和FS處理顯著增加了有機(jī)碳固定速率(表3）；與FS相比,FM顯著提高了土壤有機(jī)碳固定速率,說明施用有機(jī)物料比單施化肥更快地增加土壤有機(jī)碳庫。

由公式(6）計(jì)算FM、F和FS處理的凈全球增溫潛勢分別為1 320.7、1 994.2和2 626.4 kg CO2-eq·hm-2· a-1,均為正值,即從土壤輸出CO2-eq到大氣中,表現(xiàn)為溫室氣體的源。與FM處理相比,FS處理顯著提高了凈全球增溫潛勢,各處理該值大小順序?yàn)镕M＜F＜FS,表明施豬糞處理對全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)最小。

2.4 長期施用有機(jī)物料對土壤和糙米重金屬含量的影響

圖3a表明,在試驗(yàn)20年后,與F相比,FM處理顯著增加耕層土壤Zn、Cu和Cd含量,含量分別增加了55.4%、61.1%和48.5%；與FS相比,FM處理也顯著增加土壤Zn、Cu和Cd含量,含量分別增加了43.6%、58.9%和71.4%；施用豬糞對As、Cr、Ni和Pb含量則沒有影響。所有處理重金屬含量均沒有超過國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995）二級限值。雖然FM處理中土壤Zn、Cu和Cd含量較高,但是并沒有引起水稻糙米中重金屬含量的累積,各處理間重金屬含量沒有差異(圖3b）,也沒有超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 27673—2012）中糙米重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)允許范圍。

2.5 長期施用有機(jī)物料對氮、磷淋溶的影響

表4結(jié)果顯示,與F和FS處理相比,長期施用豬糞能顯著降低20、60 cm和80 cm深土壤全氮淋溶量,降低表層田面水中全氮含量,但處理間差異不顯著。這表明長期施用豬糞減少氮的淋溶損失,從而降低了氮污染風(fēng)險(xiǎn)。長期施用豬糞顯著增加了田面水磷含量和20 cm深淋溶水磷淋溶量,而對60 cm和80 cm深淋溶水全磷淋溶量沒有影響。這表明長期施用豬糞增加了田面水和淺層淋溶水磷污染風(fēng)險(xiǎn),而對深層淋溶水磷淋溶污染沒有影響。

2.6 長期施用有機(jī)物料對凈經(jīng)濟(jì)效益的影響

表5結(jié)果表明,由公式(7）計(jì)算得出FM和F處理每公頃凈經(jīng)濟(jì)效益分別為21 422.5元和20 365.7元。通過T檢驗(yàn)表明,FM和F處理之間的產(chǎn)量效益、凈全球增溫潛勢成本、富營養(yǎng)化成本和凈經(jīng)濟(jì)效益都沒有顯著差異。與F處理相比,FM處理產(chǎn)量收益增加952元·hm-2,肥料成本減少564.6元·hm-2,凈全球增溫潛勢成本減少101元·hm-2,富營養(yǎng)化成本減少1.5元·hm-2,但增加了一次施豬糞的成本560元· hm-2,從而使凈經(jīng)濟(jì)效益增加5.2%,達(dá)到1 056.8元· hm-2。以上結(jié)果表明,農(nóng)田長期施用豬糞可減少城郊關(guān)鍵帶畜禽糞便污染,減少化肥施用,增加產(chǎn)量,減小凈全球增溫潛勢,且不增加60 cm和80 cm深淋溶水氮磷污染風(fēng)險(xiǎn),最后實(shí)現(xiàn)凈經(jīng)濟(jì)效益的增加。

3 討論

3.1 長期施用有機(jī)物料對土壤肥力和產(chǎn)量的影響

很多研究表明,與施用化肥相比,豬糞等有機(jī)肥與化肥配施可以顯著提高土壤有機(jī)碳含量和氮磷鉀含量［8-9］。這是因?yàn)樨i糞含有大量的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀元素,與單施化肥相比,有機(jī)無機(jī)配施輸入了更多的外源碳和氮磷鉀,促進(jìn)了土壤有機(jī)碳和氮磷鉀的累積［13］。作物的產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分的供應(yīng)過程密切相關(guān),有機(jī)無機(jī)配施能改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)過程,使土壤養(yǎng)分平穩(wěn)釋放。與單施化肥相比,有機(jī)無機(jī)配施能顯著提高土壤的有機(jī)碳和氮磷鉀養(yǎng)分含量,從而提高作物產(chǎn)量［9］。本試驗(yàn)中,與F相比,FM沒有增加土壤中全鉀含量,這可能是因?yàn)镕M比F每年少施鉀肥(K2O計(jì)）60 kg· hm-2,豬糞中含有的鉀只能彌補(bǔ)少施的鉀肥,并無多余的鉀積累。

表3 長期施用有機(jī)物料對凈全球增溫潛勢的影響Table 3 Effect of long-term application of organic materials on net global warming potential

圖3 長期施用有機(jī)物料對土壤和糙米重金屬含量的影響Figure 3 Effect of long-term application of organic materials on the contents of soil and brown rice heavy metals such as Zn,Cu,Cd,Cr,As,Pb and Ni

表4 長期施用有機(jī)物料對氮、磷淋溶的影響Table 4 Effect of long-term application of organic materials on nitrogen,phosphorus leaching

表5 長期施用有機(jī)物料對凈經(jīng)濟(jì)效益的影響(元·hm-2）Table 5 Effect of long-term application of organic materials on net economic benefit(yuan·hm-2）

2016年FM、F和FS處理的有機(jī)碳含量比1997年的10.5 mg·kg-1增加了73.4%、24.5%和47.1%。蘭宇等［18］在沈陽的長期定位試驗(yàn)也有類似現(xiàn)象,有機(jī)無機(jī)配施更有利于土壤有機(jī)碳的增加。當(dāng)然,在長期施肥條件下,土壤對碳的固存并不會(huì)無限增加,而是存在一個(gè)最大的保持容量,即飽和水平,當(dāng)土壤有機(jī)碳達(dá)到飽和水平時(shí),外源碳的增加將不再增加土壤碳庫。

值得注意的是,FM處理有效磷含量從1997年的6.5 mg·kg-1,增加到2016年的115.4 mg·kg-1,帶來了很大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。從表4可知,與F和FS相比,FM處理顯著增加田面水中磷含量,這表明,FM處理通過徑流帶走有效磷的風(fēng)險(xiǎn)增加,在以后的試驗(yàn)中應(yīng)引起注意,豬糞的施用量需要調(diào)整。同時(shí),FM、F和FS處理的速效氮含量從1997年的19.4 mg·kg-1,分別增加到2016年的213.7、174.3 mg·kg-1和214.2 mg·kg-1,增加了通過徑流帶走速效氮進(jìn)而污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn),這表明目前的施氮量是超量的,以后的試驗(yàn)中應(yīng)調(diào)整各處理的施氮量,減少氮損失。

3.2 長期施用有機(jī)物料對重金屬的影響

大多數(shù)研究結(jié)果表明施用畜禽糞便類有機(jī)肥增加了土壤中Zn和Cu等重金屬含量［7,9］,這是因?yàn)樾笄菁S便中含有大量Cu、Zn和Cd等重金屬,長期施用導(dǎo)致土壤重金屬的累積,而這些重金屬主要來原于飼料添加劑的過量使用。因此,減少飼料添加劑的濫用對于豬糞在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常重要。另外,有研究表明無機(jī)酸和超聲處理均可去除豬糞中Cu、Zn和Cd等重金屬［19］,以后的研究可以考慮在實(shí)驗(yàn)中施用去除重金屬的豬糞,以減少土壤重金屬的累積。

有研究表明施用畜禽糞便類有機(jī)肥增加了植物中Zn和Cu等重金屬含量［5,7］,本研究中施用畜禽糞便類有機(jī)肥并沒有引起水稻糙米中重金屬含量的累積,這可能是由于本試驗(yàn)所用水稻品種是Cu、Zn和Cd等重金屬低積累的品種。曹方彬［20］分析了浙江省144份水稻品種(系）的籽粒重金屬含量,表明品種間存在顯著差異,并篩選到可在中、輕度污染地區(qū)種植的籽粒重金屬低積累水稻品種(系）嘉優(yōu)08-1和春優(yōu)689。

3.3 長期施用有機(jī)物料對溫室氣體排放及凈全球增溫潛勢的影響

大多數(shù)研究結(jié)果表明施用有機(jī)肥會(huì)增加稻田

CH4排放［5,12,21］,如王聰?shù)龋?1］研究結(jié)果表明,有機(jī)無機(jī)配施CH4排放較單施化肥處理顯著提高了43.5%。CH4是在嚴(yán)格厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌作用于產(chǎn)甲烷基質(zhì)的結(jié)果,充足的產(chǎn)甲烷基質(zhì)和適宜的產(chǎn)甲烷菌生長環(huán)境是CH4產(chǎn)生的先決條件,施用有機(jī)肥增加稻田CH4排放的主要機(jī)理是.一方面有機(jī)肥為產(chǎn)甲烷菌提供了大量的產(chǎn)甲烷前體基質(zhì)；另一方面,稻田長期淹水條件下有機(jī)肥的快速分解加速稻田氧化還原電位(Eh）的下降,為土壤產(chǎn)甲烷菌提供了適宜的生長條件,從而促進(jìn)稻田CH4的排放［22］。

目前,有機(jī)無機(jī)配施對稻田N2O排放的影響并沒有統(tǒng)一的結(jié)論。一方面,有機(jī)肥不僅為土壤提供充足的氮源和碳源,且可提供更多的其他土壤養(yǎng)分,而有較高C/N的有機(jī)肥在腐解過程中微生物活動(dòng)能夠消耗土壤中的少量氧氣,造成局部厭氧環(huán)境而有利于反硝化作用進(jìn)行,最終導(dǎo)致N2O排放的增加；另一方面,高C/N的秸稈等有機(jī)肥料在腐解過程中產(chǎn)生的化感物質(zhì)會(huì)抑制土壤反硝化等相關(guān)的微生物活性,進(jìn)而導(dǎo)致土壤N2O排放減少［23］。因此,有機(jī)肥施用對土壤N2O排放影響的機(jī)理需進(jìn)一步深入研究。

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中增加土壤有機(jī)碳固定對減緩全球溫室氣體排放非常重要。表3表明FM對全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)最小。這主要是因?yàn)槭┴i糞比其他處理固定了更多的土壤有機(jī)碳,從而抵消了更多的CH4和N2O的增溫效應(yīng)。與單施化肥相比,長期秸稈還田顯著增加CH4排放和土壤有機(jī)碳固定率,但是由秸稈引起的CH4排放增加量是土壤有機(jī)碳固定率增加量的3.21～3.92倍［13］,導(dǎo)致稻田CH4排放的增加,這與我們的試驗(yàn)結(jié)果相符。為了避免秸稈直接還田導(dǎo)致稻田CH4的大量排放,秸稈的前處理就顯得很重要,比如秸稈好氧腐解。有研究表明與秸稈直接還田相比,秸稈好氧腐解能顯著減少CH4排放,提高土壤質(zhì)量和增加產(chǎn)量［24］。

3.4 長期施用有機(jī)物料對淋溶的影響

長期施用豬糞可減少氮的淋溶損失,從而降低氮污染風(fēng)險(xiǎn)?？赡艿脑蛴幸韵聝牲c(diǎn).一方面,與無機(jī)氮施肥后立即體現(xiàn)有效性不同的是,豬糞中的氮是逐漸礦化釋放出來的,豬糞替代部分化肥減少施肥初期的氮淋溶損失基質(zhì)［25］。另一方面,豬糞替代部分化肥增強(qiáng)了微生物對礦質(zhì)態(tài)氮的固定,增加了土壤氮存留,從而減少氮淋溶損失［26］,特別是在作物生長早期通過植物根系吸收氮受限制時(shí)效果更明顯。長期施用豬糞增加了田面水和淺層淋溶水P污染風(fēng)險(xiǎn),而對深層淋溶水P淋溶污染沒有影響。王少先等［27］在南昌的水稻-油菜輪作系統(tǒng)水稻季也觀察到類似現(xiàn)象,與純施化肥相比,施豬糞處理顯著提高田面水磷含量,但100 cm深淋溶水磷含量各處理間沒有差異。這可能是由于磷在土壤中主要靠擴(kuò)散作用而移動(dòng),磷肥施到土壤后易被土壤固定,移動(dòng)很困難［28］。

3.5 長期施用有機(jī)物料對凈經(jīng)濟(jì)效益的影響

通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)施用有機(jī)物料對凈經(jīng)濟(jì)效益影響方面的研究目前還比較缺乏。廖義善等［29］研究表明,與常規(guī)施化肥相比,有機(jī)無機(jī)配施可以使水稻增產(chǎn)9%,減少總氮和總磷流失量分別達(dá)30.0%和69.2%,最后增加收入2716元·hm-2,其經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益俱佳。但是該研究并沒有考慮溫室氣體排放和富營養(yǎng)化等對環(huán)境的影響。在以后的研究中,還應(yīng)考慮稻田氨揮發(fā)、徑流等過程,從而更全面地認(rèn)識長期施用有機(jī)物料對稻田凈經(jīng)濟(jì)效益的影響。

4 結(jié)論

(1）長期施用有機(jī)物料可以提高土壤肥力,增加水稻產(chǎn)量,提高土壤有機(jī)碳固定率,增加CH4排放通量,對N2O排放沒有影響。與純施化肥相比,施用豬糞可降低凈全球增溫潛勢。

(2）連續(xù)20年施用豬糞顯著提高土壤Zn、Cu和Cd含量,對As、Cr、Ni和Pb含量沒有影響；沒有造成水稻糙米中重金屬含量的累積；降低了淋溶水氮淋溶損失和污染風(fēng)險(xiǎn)；顯著增加了田面水磷含量和20 cm深淋溶水磷淋溶量,而對60 cm和80 cm深淋溶水全磷淋溶量沒有影響。

(3）通過統(tǒng)一的評估方法得到結(jié)果顯示,長期施用豬糞比單施化肥增加凈經(jīng)濟(jì)效益5.2%,達(dá)到1 056.8元·hm-2。綜上,在20年尺度下,施用豬糞所帶來的益處遠(yuǎn)大于其帶來的壞處,對稻田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生正面影響。當(dāng)然,隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑鲩L,其負(fù)面效應(yīng)有可能會(huì)加強(qiáng),其對生態(tài)環(huán)境的綜合影響還需更長時(shí)間的監(jiān)測試驗(yàn)來評價(jià)。

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Effects of long-term application of organic materials on the ecosystem services of paddy fields

QUAN Xiao-fei1,2,YAN Xiao-yuan1*,WANG Shu-wei1,2,ZHOU Wei1,2
(1.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）

There are many individual studies on the effects of long-term application of organic materials on ecosystem services of paddy fields in terms of grain yield,greenhouse gas emissions,heavy metals,and nitrogen and phosphorus leaching,but few have comprehensively monitored or assessed the effects with a comprehensive index.We examined greenhouse gas emissions,heavy metal accumulation in soil,nitrogen and phosphorus leaching,rice yield,and soil fertility data from a 20-year(1997—2016）experiment to explore the effects of three different treatments,namely chemical fertilizer application(F）,pig manure plus chemical fertilizer application(FM）and straw plus chemical fertilizer application(FS）,on the ecosystem services of paddy fields.The net economic benefit(NEB）was chosen as a key index for evaluating ecosystem services.Compared to F,FM significantly(P＜0.05）increased the contents of soil organic carbon(SOC）,total N,total P,and available P.FS significantly(P＜0.05）increased the contents of SOC and available K.In addition,FS and FM consistently increased rice yield by 4%.FS and FM increased CH4emission and annual SOC sequestration rate and decreased N2O emission.Moreover,compared to Fand FS,FM decreased the N load in percolating water and significantly increased the P concentration in surface water and P load in percolating water at 20 cm depth,while water at 60 cm and 80 cm was not affected.FM also significantly(P＜0.05）increased the contents of zinc,copper,and cadmium in soil,but all of the heavy metals did not exceed the Soil Environmental Quality StandardⅡ.FM did not cause the accumulation of heavy metals in brown rice,indicating that the contents of the heavy metals in brown rice were within safe limits.Compared to F,FM increased the NEB by about 5.2%(1 056.8 yuan·hm-2）.Taken together,our results suggest that the positive effects of pig manure on ecosystem services of paddy fields outnumbered its negative effects at a timescale of 20 years.

organic materials;paddy field;ecosystem services;net economic benefit(NEB）

X592

A

1672-2043(2017）07-1406-10

10.11654/jaes.2017-0401

全孝飛,顏曉元,王書偉,等.長期施用有機(jī)物料對稻田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(7）.1406-1415.

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2017-03-20

全孝飛(1991—）,男,四川達(dá)州人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樘嫉h(huán)與全球變化。E-mail:quanxiaofei@issas.ac.cn

*通信作者：顏曉元E-mail:yanxy@issas.ac.cn

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571130062）

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