長期施肥下紅壤旱地的固碳效率①

柳開樓，葉會財，李大明，黃慶海，余喜初，胡志華，徐小林，胡惠文，周利軍，王賽蓮

(國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/江西省紅壤研究所，南昌 330046)

紅壤是我國南方地區(qū)重要的土地資源，總面積5 690萬hm2，其中以紅色黏土發(fā)育的紅壤面積分布最廣，其自然特性為土層深厚、酸性強、黏重板結(jié)、有機質(zhì)含量低、保肥保水性能差、生產(chǎn)力水平較低。再加上近年來不合理的土地利用，導(dǎo)致紅壤肥力進一步下降，嚴重制約了該地區(qū)糧食增產(chǎn)潛力的發(fā)揮[1]。

土壤有機碳是陸地碳庫的重要組成部分，其分解和積累的變化一方面直接影響了全球的碳平衡, 另一方面影響了土壤肥力和植物生長，從而間接影響糧食產(chǎn)量[2-3]。大量研究表明，通過施用有機肥、秸稈覆蓋、還田和種植綠肥等措施可以同時實現(xiàn)增加作物產(chǎn)量和土壤有機碳含量[4-6]。但土壤是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，有機碳在土壤中礦化、固定等周轉(zhuǎn)過程受微生物、根系以及環(huán)境等諸多因素的影響，在以往的研究中，Kong 等[7]和 Liu等[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機碳固定與累積碳投入存在顯著的線性關(guān)系。Zhang 等[9]研究認為這種線性關(guān)系主要適用于那些土壤有機碳含量尚未達到飽和點的土壤，且認為這些土壤具有較大的潛力固定大氣的CO2。因此，通過構(gòu)建碳投入和固定的量化關(guān)系是研究土壤有機碳平衡的重要途徑，但這些研究多集中在小麥、玉米、水稻等糧食主產(chǎn)區(qū)[8-11]。在紅壤旱地上，雖然已有研究表明作物產(chǎn)量與土壤有機碳含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[4]，但有關(guān)土壤固碳效率對不同施肥措施的響應(yīng)規(guī)律仍不明確[5]，尤其是雙季玉米連作模式下。而研究不同培肥措施的固碳效率對于指導(dǎo)紅壤旱地的有機肥管理意義重大。因此，本研究以雙季玉米種植模式的紅壤旱地長期肥料試驗為基礎(chǔ)，通過分析不同施肥處理的土壤有機碳含量和儲量的變化規(guī)律，并進一步探討了碳投入與玉米產(chǎn)量及土壤碳儲量的相互關(guān)系，以期明確紅壤旱地的固碳效率及碳投入的平衡點，從而指導(dǎo)該地區(qū)的玉米生產(chǎn)和肥料管理。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

長期試驗地位于江西省進賢縣張公鎮(zhèn)江西省紅壤研究所內(nèi)(116o17'23''E、28o35'15''N)，地處中亞熱帶，年均氣溫 18.1 ℃，≥10 ℃ 積溫 6 480 ℃，年降雨量 1 537 mm，年蒸發(fā)量 1 150 mm，無霜期約為 289 d，年日照時數(shù) 1 950 h。供試土壤為紅壤，成土母質(zhì)為第四紀紅黏土。長期試驗從 1986 年開始，初始時耕層土壤基本性質(zhì)為：有機碳 9.39 g/kg，全氮 0.98 g/kg，堿解氮 60.3 mg/kg，全磷 0.62 g/kg，有效磷 5.6 mg/kg，全鉀 11.36 g/kg，速效鉀 70.25 mg/kg，pH 6.0。

1.2 試驗設(shè)計

本研究共選取 7個施肥處理：①不施肥處理(CK)；②氮(N)；③氮磷鉀(NPK)；④兩倍氮磷鉀(HNPK)；⑤氮磷鉀+有機肥(NPKM)；⑥有機肥(OM)。每處理重復(fù)3次，小區(qū)面積22.2 m2，隨機排列，各小區(qū)之間用60 cm深水泥埂隔開。種植方式為春玉米-秋玉米-冬閑制。玉米品種自試驗開始后每季均為掖單13號。具體肥料用量詳見表1，氮肥、磷肥和鉀肥的種類分別為尿素(N為 46.2%)、鈣鎂磷肥(P2O5為46.2%)和氯化鉀(K2O為60%)。磷肥、鉀肥和有機肥在玉米種植前作基肥一次性施用，氮肥分基肥(70%)和追肥(30%)施用。玉米種植中采用河水灌溉，其他管理措施同農(nóng)民習(xí)慣。

表1 紅壤旱地不同施肥處理的肥料投入量Table 1 Fertilizer inputs of drylands of red soil under different treatments

1.3 測定指標和方法

1.3.1 樣品采集 每年在秋玉米收獲后的11月中旬隨機采集 0～20 cm 土壤，每小區(qū)取 5個點混合成一個樣，室內(nèi)風(fēng)干，磨細過 1 mm 和 0.25 mm 篩，裝瓶保存待分析。在每季玉米成熟期，每個小區(qū)采集3 棵有代表性的植株樣，將籽粒和秸稈分開后烘干，研磨以備分析。

1.3.2 土壤和植株養(yǎng)分測定 土壤有機碳(SOC)采用 K2Cr2O7-H2SO4氧化法測定，土壤全氮(TN)用半微量凱氏法測定，土壤全磷(TP)為HF-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定，土壤全鉀(TK)用HF-HClO4消煮-火焰光度計法測定，堿解氮(AN)采用堿解擴散法測定，有效磷(AP)采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀(AK)采用NH4OAc 浸提-火焰光度計法測定。植株樣品用H2SO4-H2O2消化，凱氏法測氮，鉬銻抗比色法測磷，火焰光度計法測鉀。具體測定方法見參考文獻[12]。

1.3.3 土壤有機碳投入和固定的相關(guān)指標計算

式中：SOCt為耕層土壤有機碳儲量(t/hm2)；Ct為耕層土壤有機碳含量(g/kg)；d為耕層厚度(m)，本研究為0.2 m；BDt為土壤體積質(zhì)量(g/cm3)；10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

式中：SC為土壤有機碳含量的年均變化速率(t/(hm2·a))；t為試驗觀測期限 (a)，由試驗觀測的終止年與起始年的差值得到；C0和Ct分別為試驗觀測起始年和終止年的有機碳含量(g/kg)。

式中：SSOC為土壤有機碳儲量的年均變化速率(t/(hm2·a))；t為試驗觀測期限 (a)，由試驗觀測的終止年與起始年的差值得到；SOC0和SOCt分別為試驗觀測起始年和終止年的有機碳儲量 (t/hm2)。

式中：Cinput為根茬有機碳投入量 (kg/hm2)，Yg為作物籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2)；Ys是秸稈產(chǎn)量 (kg/hm2)；R為光合作用進入地下部分的碳的比例 (%)；Dy為作物根系生物量平均分布在 0～20 cm 土層的比例(%)；Rs為作物收割留茬占秸稈的比例 (%)；W和Ccrop分別為玉米地上部分風(fēng)干樣的含水量 (%) 和含碳量(g/kg)。

式中：Cinput-M為有機肥的有機碳投入量 (kg/hm2)，ManureC是實測有機肥的有機碳含量(g/kg)；W為有機肥含水量 (%)；Am為每年施用有機肥的鮮基重(kg/(hm2·a))。

對投入與土壤有機碳儲量變化量之間進行線性回歸

式中：a為固碳效率 (%)，b為土壤有機碳的年分解速率 (t/(hm2·a))。

采用 Excel 2003 和 SPSS 16.0 進行數(shù)據(jù)的整理和分析，采用 Origin 8.1 軟件作圖，不同處理的差異顯著性采用 LSD 進行比較(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對紅壤旱地有機碳含量的影響

長期施肥條件下，紅壤旱地不同肥料處理土壤有機碳含量變化見圖1。與不施肥處理(CK)相比，施肥處理的土壤有機碳含量顯著提高，其中以氮磷鉀+有機肥(NPKM)和有機肥(OM)處理最高，氮肥單獨施用(N)處理的土壤有機碳在試驗 27 年間均高于不施肥(CK)，但與試驗前相比則不存在顯著提高；氮磷鉀(NPK)和兩倍氮磷鉀(HNPK)處理在試驗前 20 年間隨著施肥年限的增加其土壤有機碳含量逐漸提高，但20～27年間則快速下降，在27 年時與試驗前不存在顯著差異，但與CK處理相比，NPK、HNPK處理的土壤有機碳含量在試驗27年時分別增加了17.4% 和19.0%；在連續(xù)試驗27年時，NPKM和OM處理土壤有機碳含量分別比CK增加51.5% 和42.0%，且在27年間的增加量分別為2.26 g/kg和1.53 g/kg，增加速率分別為 0.08 g/(kg·a) 和 0.06 g/(kg·a)。其中以NPKM 處理的增幅最高。因此，在紅壤旱地上，氮磷鉀肥與有機肥配合施用可以持續(xù)穩(wěn)定提高土壤有機碳含量。

圖1 長期施肥下紅壤旱地有機碳含量變化趨勢Fig. 1 Changes of SOC contents in drylands of red soil under long-term fertilization

2.2 長期施肥對紅壤旱地有機碳儲量的影響

不同施肥措施可以顯著影響紅壤旱地的有機碳儲量。表2顯示，與試驗前相比，試驗27 a時，CK、N、NPK和HNPK處理的有機碳儲量分別下降4.63、3.93、0.98和0.65 t/hm2，而NPKM和OM處理的有機碳儲量則分別提高了6.36 t/hm2和4.26 t/hm2。在所有處理中，施用有機肥的土壤有機碳儲量顯著較高，與CK處理相比，27 a時NPKM和OM處理有機碳儲量則分別增加57.1% 和45.7%。進一步計算發(fā)現(xiàn)，NPKM和OM處理的有機碳儲量在27 a間的增加速率分別為0.24 和0.16 t/(hm2·a)。這說明，施用有機肥是提高紅壤旱地有機碳儲量的有效途徑。

表2 長期施肥下紅壤旱地有機碳儲量和變化速率Table 2 Pools and changes of SOC in drylands of red soil under long-term fertilization

2.3 紅壤旱地有機碳投入與玉米產(chǎn)量的相互關(guān)系

在紅壤旱地上，不同施肥處理下土壤的有機碳投入量存在明顯差異(圖2)，除了有機肥施用下土壤的有機碳投入量明顯增加之外，由于不同施肥措施可以改變玉米的根系生物量，因此各處理的根茬碳呈現(xiàn)出NPKM、HNPK ＞ OM、NPK ＞ N ＞ CK。但綜合計算得出，各處理的總有機碳投入量仍表現(xiàn)出NPKM和OM處理最高，分別比CK處理增加了8.4倍和7.4倍。

紅壤旱地上增加有機碳投入可以提高玉米產(chǎn)量(圖3)，且有機碳投入量與玉米產(chǎn)量的相互關(guān)系可以用米氏方程進行擬合：y= -8.38+25.15x/(0.67+x)，R2=0.901 7，P= 0.030 8。當玉米產(chǎn)量較低時(2～10 t/(hm2·a))，提高有機碳投入量可以快速增加玉米產(chǎn)量，但是，當玉米產(chǎn)量大于10 t/(hm2·a) 時，有機碳投入量的持續(xù)增加不能顯著增加玉米產(chǎn)量。這說明，隨著有機碳投入量的增加，玉米產(chǎn)量存在最大值。根據(jù)方程進一步計算得出，紅壤旱地上玉米的最大產(chǎn)量為15.62 t/(hm2·a)。

圖2 紅壤旱地不同施肥處理有機碳投入Fig. 2 Organic carbon inputs in drylands of red soil under different fertilization treatments

圖3 長期施肥下紅壤旱地有機碳投入與玉米籽粒產(chǎn)量的相互關(guān)系Fig. 3 Relationship between corn yield and organic carbon input in dryland of red soil under long-term fertilization

2.4 紅壤旱地有機碳投入與有機碳儲量變化速率的相互關(guān)系

圖4 表明，有機碳投入量與土壤有機碳儲量變化速率之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，線性方程y= -0.158+ 0.086x可以較好地擬合二者的關(guān)系(R2= 0.971 5，P＜0.001)，表明土壤有機碳沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，紅壤旱地的固碳效率為8.6%(直線斜率)，且當有機碳投入量為1.84 t/(hm2·a) 時，土壤有機碳儲量變化速率為0，即土壤有機碳儲量保持平衡。這進一步證明，在紅壤旱地上增加有機碳投入可以提高土壤有機碳儲量。

圖4 長期施肥下紅壤旱地有機碳投入與土壤有機碳儲量變化速率的相互關(guān)系Fig. 4 Relationship between organic carbon input and changing rate of SOC pool in dryland of red soil under long-term fertilization

3 討論

在我國南方亞熱帶地區(qū)，紅壤旱地是十分重要的土壤類型，但是，酸性較強和土壤有機質(zhì)含量較低[13-14]也限制了生產(chǎn)潛力的發(fā)揮，而大量研究證明，通過合理施肥可以顯著提高紅壤旱地肥力，尤其是長期施用有機肥[15-18]。在本試驗中，氮磷鉀+有機肥(NPKM)和有機肥(OM)處理在 27年間土壤有機碳的增加量分別為2.26 g/kg和1.53 g/kg，增加速率分別為 0.08 g/(kg·a)和 0.06 g/(kg·a)。其中 NPKM 處理的增幅顯著高于氮磷鉀(NPK)、兩倍氮磷鉀(HNPK)和OM處理。這與很多研究結(jié)果相同[19-21]，這主要是由于NPKM處理在增加土壤有機碳的同時，也通過較高的根系生物量進一步增加了有機碳的投入量(圖2)。因此，在紅壤旱地上，長期進行有機無機肥配施是穩(wěn)定提高土壤有機碳含量的有效施肥措施，進而提高了土壤固碳能力。在本研究中，與試驗前相比，試驗27年時，施用有機肥處理(NPKM和OM)的土壤有機碳儲量分別提高了6.36 t/hm2和4.26 t/hm2，有機碳儲量的增加速率分別為 0.24 t/(hm2·a) 和 0.16 t/(hm2·a)，且均顯著高于CK處理。這進一步表明有機無機肥配施在維持作物高產(chǎn)的同時可以提升土壤有機碳儲量[19,21]。說明 NPKM 處理比其他處理具有較強的碳“匯”功能。但也有研究表明，紅壤旱地的有機碳礦化速率較高，有機肥的施用顯著促進了土壤CO2和 N2O排放，其固定的有機碳對溫室氣體的貢獻較大[22-25]。

有機碳投入是作物產(chǎn)量提高的重要途徑[26]，與水稻土上的結(jié)果相似，紅壤旱地上有機碳投入量與玉米產(chǎn)量也存在顯著的量化關(guān)系(R2= 0.901 7，P=0.030 8)，且根據(jù)米氏方程發(fā)現(xiàn)其玉米產(chǎn)量的最大值為15.62 t/(hm2·a)。這說明，雖然有機碳投入可以提高紅壤旱地的玉米產(chǎn)量，但玉米產(chǎn)量不會持續(xù)提高，該方程有利于人們根據(jù)目標產(chǎn)量準確估算有機碳投入量。然而，外源投入的有機碳在土壤中存在礦化、分解等過程，并不能完全轉(zhuǎn)化成土壤有機碳。但土壤是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，土壤中有機碳的周轉(zhuǎn)受土壤微生物、作物根系等諸多因素的影響，因此，在以往的研究中，人們往往將土壤作為一個“黑箱”，通過有機碳投入和土壤有機碳儲量的量化關(guān)系來研究土壤的固碳效率和平衡點。在本研究中，當前培肥措施下紅壤旱地的有機碳仍未飽和，且其固碳效率為 8.6%，該結(jié)果略低于蔡岸冬等[27]的研究(10.6%)，可能與有機碳投入量和種植模式有關(guān)。同時，本研究根據(jù)線性方程表明，在雙季玉米種植模式下，當紅壤旱地的有機碳投入量為1.84 t/(hm2·a) 時，土壤有機碳達到平衡。這一數(shù)值與該區(qū)域水稻土上的研究結(jié)果不同[28-29]，原因可能是紅壤旱地和水稻土的光合營養(yǎng)微生物、有機碳礦化速率、可溶性有機碳組分及土壤濕度均存在較大差異[30-31]。

4 結(jié)論

長期施用有機肥可以顯著提高紅壤旱地的有機碳含量和儲量，在27年間，有機肥處理的土壤有機碳含量和儲量的增加速率分別為0.06～0.08 g/(kg·a)和 0.16～0.24 t/(hm2·a)，且均顯著高于其他施肥處理。在雙季玉米種植模式下，紅壤旱地的有機碳含量仍未達到飽和，其固碳效率為 8.6%。當有機碳投入量為1.84 t/(hm2·a) 時，紅壤旱地的有機碳儲量保持平衡。

[1] 孫波, 董元華, 徐明崗, 等. 加強紅壤退化分區(qū)治理，促進東南紅壤丘陵區(qū)現(xiàn)代高效生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展[J]. 土壤,2015, 47(2): 204-209

[2] Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J]. Science, 2004, 304(5677):1623-1627

[3] Pan G X, Li L Q, Wu L, et al. Storage and sequestration potential of topsoil organic carbon in China's paddy soils[J].Global Change Biology, 2004, 10(1): 79-92

[4] Zhang H M, Wang B R, Xu M G, et al. Crop yield and soil responses to long-term fertilization on a red soil in southern China[J]. Pedosphere, 2009, 19(2): 199-207

[5] Zhang W J, Xu M G, Wang B R. et al. Soil organic carbon,total nitrogen and grain yields under long-term fertilizations in the upland red soil of southern China[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009, 84(1): 59-69

[6] Zhou H, Peng X, Perfect E, et al. Effects of organic and inorganic fertilization on soil aggregation in an Ultisol as characterized by synchrotron based X-ray micro-computed tomography[J]. Geoderma, 2013, 195: 23-30

[7] Kong A Y, Six J, Bryant D C, et al. The relationship between carbon input, aggregation, and soil organic carbon stabilization in sustainable cropping systems[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(4): 1078-1085

[8] Zhang W J, Wang X J, Xu M G, et al. Soil organic carbon dynamics under long-term fertilizations in arable land of northern China[J]. Biogeosciences, 2010, 7: 409-425

[9] Liu C, Lu M, Cui J, et al. Effects of straw carbon input on carbon dynamics in agricultural soils: A meta-analysis[J].Global Change Biology, 2014, 20(5): 1366-1381

[10] Cai Z C, Qin S W. Dynamics of crop yields and soil organic carbon in a long-term fertilization experiment in the Huang-Huai-Hai Plain of China[J]. Geoderma, 2006,136(3): 708-715

[11] Majumder B, Mandal B, Bandyopadhyay P K, et al.Organic amendments influence soil organic carbon pools and rice-wheat productivity[J]. Soil Science Society of America Journal, 2008, 72(3): 775-785

[12] 魯如坤. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 2000

[13] 徐明崗, 于榮, 王伯仁. 長期不同施肥下紅壤活性有機質(zhì)與碳庫管理指數(shù)變化[J]. 土壤學(xué)報, 2006, 43(5):723-729

[14] 蔡澤江, 孫楠, 王伯仁, 等. 長期施肥對紅壤 pH, 作物產(chǎn)量及氮, 磷, 鉀養(yǎng)分吸收的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2011, 17(1): 71-78

[15] 王勁松, 戴茨華, 徐紅, 等. 紅壤連續(xù)施用綠肥和有機肥對玉米產(chǎn)量及土壤肥力的影響[J]. 中國土壤與肥料,2012(5): 27-30

[16] 顏雄, 彭新華, 張楊珠, 等. 長期施肥對紅壤旱地玉米生物量及養(yǎng)分吸收的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2013, 27(2):120-125

[17] 于天一, 逢煥成, 李玉義, 等. 紅壤旱地長期施肥對春玉米光合特性和產(chǎn)量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013(2): 17-21

[18] 成艷紅, 武琳, 鐘義軍, 等. 控釋肥對稻草覆蓋紅壤花生產(chǎn)量及土壤有效氮平衡的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2014,51(2): 306-313

[19] Yan X, Zhou H, Zhu Q H, et al. Carbon sequestration efficiency in paddy soil and upland soil under long-term fertilization in southern China[J]. Soil and Tillage Research,2013, 130: 42-51

[20] Zhang J C, Zhang L, Wang P, et al. The role of non-crystalline Fe in the increase of SOC after long-term organic manure application to the red soil of southern China[J]. European Journal of Soil Science, 2013, 64(6):797-804

[21] Peng X, Yan X, Zhou H, et al. Assessing the contributions of sesquioxides and soil organic matter to aggregation in an Ultisol under long-term fertilization[J]. Soil and Tillage Research. 2015, 146: 89-98

[22] Zhai L M, Liu H B, Zhang J Z, et al. Long-term application of organic manure and mineral fertilizer on N2O and CO2emissions in a red soil from cultivated maize-wheat rotation in China[J]. Agricultural Sciences in China, 2011,10(11): 1748-1757

[23] Zhang X B, Wu L H, Sun N, et al. Soil CO2and N2O emissions in maize growing season under different fertilizer regimes in an upland red soil region of south China[J].Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(3): 604-614

[24] 黃晶, 張楊珠, 劉宏斌, 等. 長期不同施肥條件下紅壤小麥和玉米季 CO2, N2O 排放特征[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報, 2011, 27(4): 7-13

[25] 王聰, 沈健林, 鄭亮, 等. 豬糞化肥配施對雙季稻田CH4和 N2O排放及其全球增溫潛勢的影響[J]. 環(huán)境科學(xué),2014, 35(8): 3120-3127

[26] 余喜初, 李大明, 柳開樓, 等. 長期施肥紅壤稻田有機碳演變規(guī)律及影響因素[J]. 土壤, 2013, 45(4): 655-660

[27] 蔡岸冬, 張文菊, 申小冉, 等. 長期施肥土壤不同粒徑顆粒的固碳效率[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21(6):1431-1438

[28] Cong R H, Xu M G, Wang X B, et al. An analysis of soil carbon dynamics in long-term soil fertility trials in China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2012,93(2): 201-213

[29] Zhang W J, Xu M G, Wang X J, et al. Effects of organic amendments on soil carbon sequestration in paddy fields of subtropical China[J]. Journal of Soils and Sediments, 2012,12: 457-470

[30] 王嬡華, 蘇以榮, 李楊, 等. 水田和旱地土壤有機碳周轉(zhuǎn)對水分的響應(yīng)[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45(2): 266-274

[31] Chen X, Wang A, Li Y, et al. Fate of 14C-labeled dissolved organic matter in paddy and upland soils in responding to moisture[J]. Science of the Total Environment, 2014, 488:268-274