長期不同施肥模式下南方水稻土有機(jī)碳的平衡特征

李 艷，陳 義，唐 旭，吳春艷，計小江，唐良梁

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一。農(nóng)田土壤的有機(jī)質(zhì)主要來源于作物根系的分泌物、根茬、枯枝落葉，以及每年施入的有機(jī)肥料，如綠肥、堆肥、漚肥和廄肥等[1-2]。施肥對于土壤有機(jī)質(zhì)的累積和轉(zhuǎn)化具有重要的作用：首先，施肥可以改善土壤速效養(yǎng)分狀況，促進(jìn)作物根系和地上部分的生長，使得進(jìn)入土壤的根系分泌物和有機(jī)殘留量增加；其次，施肥可能通過影響土壤微生物種類和數(shù)量來促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的生物降解，加快有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)，同時，有機(jī)肥中的有機(jī)碳也是土壤有機(jī)碳的重要來源[3]。不同的施肥模式對土壤有機(jī)碳含量和儲存的影響存在差異，多數(shù)研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥料配施能夠明顯提高土壤總有機(jī)碳含量[4-6]。禹洪雙等[7]指出，有機(jī)無機(jī)肥料配施不僅可以提高土壤有機(jī)碳含量和貯量，還可以改善土壤物理性狀，提高活性有機(jī)碳組分含量。施肥措施對土壤有機(jī)碳的響應(yīng)受多種因素，如氣候、土壤類型、種植制度、耕作方式等[8-12]的影響。

通過長期定位試驗研究不同施肥措施對土壤有機(jī)碳庫的影響對評價農(nóng)田土壤質(zhì)量和固碳潛力具有重要意義。本研究依托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部浙江環(huán)境科學(xué)與土壤肥料科學(xué)觀測站，探討長期施用化肥、有機(jī)肥，以及化肥有機(jī)肥配施等不同處理對土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳平衡、有機(jī)碳的固定與轉(zhuǎn)化速率的影響，為探明南方地區(qū)稻麥輪作體系下水稻土碳庫形成及組分周轉(zhuǎn)特征提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于浙江省嘉興市海寧市許村鎮(zhèn)楊渡村浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地(120°24′23″E，30°26′07″N)，屬北亞熱帶海洋性濕潤氣候，海拔3～4 m，年均降水量1 550 mm，年均氣溫16～17 ℃，年均無霜期245 d，年日照時數(shù)1 900～2 000 h，溫、光、熱資源豐富，適于多種作物生長。

供試土壤屬于水稻土類，滲育型水稻土亞類，黃松田土屬，母質(zhì)為湖海相過渡淺海沉積物，地形屬沖積海積平原。試驗初期土壤耕層理化性狀：有機(jī)質(zhì)26.6 g·kg-1，全氮1.55 g·kg-1，全磷1.03 g·kg-1，全鉀18.59 g·kg-1，堿解氮123 mg·kg-1，速效磷42.3 mg·kg-1，速效鉀 61.6 mg·kg-1，pH值6.4，容重1.16 g·cm-3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)8個處理：CK，不施肥；N，施N 375 kg·hm-2；NP，施N 375 kg·hm-2、P2O5187.5 kg·hm-2；NK，施N 375 kg·hm-2、K2O 187.5 kg·hm-2；NPK，施N 375 kg·hm-2、P2O5187.5 kg·hm-2、K2O 187.5 kg·hm-2；M，施有機(jī)肥22 500 kg·hm-2；M+NPK，施有機(jī)肥22 500 kg·hm-2、N 375 kg·hm-2、P2O5187.5 kg·hm-2、K2O 187.5 kg·hm-2；M+1.3NPK，施有機(jī)肥22 500 kg·hm-2、N 487.5 kg·hm-2、P2O5243.75 kg·hm-2、K2O 243.75 kg·hm-2。供試肥料：氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O515%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 62%)，有機(jī)肥為豬廄肥(N 0.5%，P 0.6%，K 0.7%)。氮肥分3次施入，有機(jī)肥和磷鉀肥種前一次性施入。

1990—2000年，種植制度為稻-稻-麥輪作，其中，各季的施肥量按1∶2∶2施入，有機(jī)肥平均施用；2001年起種植制度更改為稻-麥輪作，施肥總量不變，施肥比例為稻季68%、麥季32%，有機(jī)肥平均施用。

1.3 樣品采集和分析

每年11月水稻收獲后，每小區(qū)分6～8個點取0～20 cm耕層土樣，混合后風(fēng)干，過篩備用。土壤有機(jī)碳含量用K2CrO7-H2SO4氧化法測定[13]。

1.4 計算方法

1.4.1 土壤有機(jī)碳的投入量及平衡量

本試驗中每季作物收獲后秸稈全部移走，有機(jī)碳投入量(I，kg·hm-2)包括作物根系、殘茬和有機(jī)肥[6，14-15]。

I=(Yg+Ys)×(1-Wc)×Ccrop×Rr×Dr+Ys×Rs×(1-Wc)×Ccrop+Am×(1-Wm)×Cm。

(1)

式(1)中：Yg、Ys分別為作物籽粒和秸稈的產(chǎn)量，kg·hm-2；Wc為作物的含水量，水稻、大麥的風(fēng)干含水量分別為16%、14%；Ccrop為作物的含碳量，取40%；Rr為光合作用進(jìn)入地下部分的碳比例，取30%；Dr為作物根系生物量平均分布在0～20 cm土層的比例，水稻、大麥分別為80%和75%；Rs為作物收割留茬占秸稈的比例，水稻、大麥分別為5%和13%；Am為每年有機(jī)肥的鮮質(zhì)量，kg·hm-2；Wm為有機(jī)肥的含水量，取55.9%；Cm為有機(jī)肥的含碳量，取41.5%。

B=I-0.045C。

(2)

式(2)中：B為有機(jī)碳平衡量，kg·hm-2；C為土壤有機(jī)碳含量，kg·hm-2；0.045為有機(jī)碳的礦化系數(shù)[16-19]。

1.4.2 土壤固碳速率

土壤的固碳速率(v，t·hm-2·a-1)，即目前各試驗處理耕層土壤的碳儲量與起始年份耕層土壤碳儲量差值的年平均變化[20-21]，采用差減法計算。

v=(Ct×Bt-C0×B0)×D×0.1/n。

(3)

式(3)中：C0、Ct分別為試驗開始時和目前土壤有機(jī)碳含量，g·kg-1；B0和Bt分別為試驗開始時和目前耕層土壤容重，g·cm-3；D為耕層深度，20 cm；n為種植年限。

1.5 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SAS v8統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析，對各處理有機(jī)碳及其平衡量采用無重復(fù)雙因素方差分析，雙因素分別為試驗時間和施肥處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量的動態(tài)變化

從圖1可以看出，不同施肥處理下，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨時間推移整體呈上升趨勢，但不同年份存在一定的波動。M+1.3NPK、M+NPK、NPK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較高。

通過12 a的連續(xù)種植，各施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量如圖2所示，依次為M+1.3NPK>M+NPK>NPK>M>NK>N>NP>CK。經(jīng)方差分析，施肥處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量有顯著影響(P<0.05)。NPK與M處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異。與M相比，在施用有機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施一定量的氮磷鉀化肥后(即M+NPK處理)可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)一步增大氮磷鉀化肥施用量(即M+1.3NPK處理)可使土壤有機(jī)質(zhì)含量得到顯著提高。與CK相比，M+NPK、M+1.3NPK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高了17.9%和23.3%。

2.2 不同施肥處理的土壤有機(jī)碳平衡

長期不同施肥處理下土壤有機(jī)碳的投入量和平衡量如表1所示。土壤碳投入量包括作物根茬、留茬帶入的碳量和施用有機(jī)肥中的碳。各施肥處理下作物根茬和留茬所帶入的碳量依次為CK

從表1還可以看出，有機(jī)碳平衡量整體隨有機(jī)碳投入量的增加而增加。對有機(jī)碳平衡(y)和有機(jī)碳投入(x)的相關(guān)性分析表明，線性方程y=0.951 9x-1 580.3(R2=0.998 5)可以較好地擬合兩者之間的關(guān)系，斜率表示有機(jī)碳投入量變化一個單位時對應(yīng)的有機(jī)碳平衡量的變化。假設(shè)y=0，得到x=1 660，表明維持該試驗點有機(jī)碳平衡每年所需的最低有機(jī)碳投入量為1 660 kg·hm-2。

圖1 不同施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic change of soil organic matter under different treatments

圖2 不同施肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.2 Soil organic matter content under different fertilization treatments

表1 不同施肥處理的碳投入和碳平衡

2.3 不同施肥處理的土壤固碳速率

經(jīng)方差分析，施肥處理對土壤有機(jī)碳的固定速率有顯著影響(P<0.05)，除N、NP處理的固碳速率差異不顯著外，其他各施肥處理的土壤固碳速率均有顯著差異(P<0.05)。由圖3可知，各施肥處理下的固碳速率依次為M+1.3NPK>M+NPK>NPK>M>NK>N>NP>CK。CK處理的土壤固碳速率為0.18 t·hm-2·a-1，M+1.3NPK、M+NPK、NPK、M、NK、N、NP各處理的土壤固碳速率依次為CK處理的8.9、6.9、5.3、4.7、4.0、1.8、1.5倍。與M處理相比，M+NPK、M+1.3NPK處理的土壤固碳速率分別增加47.6%、91.7%。說明施用有機(jī)肥的同時，配施一定量氮磷鉀化肥可提高土壤固碳速率。

有機(jī)碳投入量(x)與固碳速率(Y)具有顯著的線性相關(guān)性，可用方程Y=0.182 3x+0.124 8來描述，斜率0.182 3表示每年投入1 t的有機(jī)物料碳，其中的0.182 3 t能進(jìn)入土壤有機(jī)碳庫，即土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化速率為18.23%。

2.4 土壤有機(jī)碳含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系

從圖4可以看出，作物產(chǎn)量(y′)與土壤有機(jī)質(zhì)含量(X)表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性，且大麥、晚稻產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，早稻與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說明作物產(chǎn)量隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。

圖3 不同處理土壤有機(jī)碳的固定與轉(zhuǎn)化Fig.3 Soil carbon sequestration and transformation under different treatments

圖4 土壤有機(jī)碳含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系Fig.4 Correlation of soil organic carbon contents and crops yields

3 討論

本研究通過連續(xù)12 a對不同施肥處理土壤有機(jī)碳含量動態(tài)變化的連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)不同施肥措施下土壤有機(jī)質(zhì)的含量均隨時間推移整體呈上升趨勢，有機(jī)無機(jī)肥料配施相較CK可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，M+NPK、M+1.3NPK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高17.9%和23.3%。各施肥處理的土壤有機(jī)碳平衡均表現(xiàn)為盈余，有機(jī)碳平衡和有機(jī)碳投入呈線性相關(guān)性，維持該試驗點有機(jī)碳平衡每年所需的最低有機(jī)碳投入量為1 660 kg·hm-2。有機(jī)無機(jī)肥料配施可提高土壤有機(jī)碳的固定速率。大麥、早稻、晚稻的產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為線性相關(guān)性，作物產(chǎn)量隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。

前人研究[22-23]表明，與單施化肥相比，長期的有機(jī)肥和化肥配施可使土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，具有培肥土壤和增加土壤碳匯的效果。適宜的有機(jī)無機(jī)肥配施措施對土壤碳、氮積累，以及作物對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收利用具有積極作用。在施用有機(jī)氮肥的基礎(chǔ)上，增施無機(jī)氮肥可促進(jìn)有機(jī)氮的礦化和作物對有機(jī)氮的吸收利用[24]。本研究結(jié)果顯示，M+1.3NPK處理的效果優(yōu)于M+NPK處理，這是因為1.3倍的無機(jī)肥料配施可通過水稻生物產(chǎn)量的增加來提高水稻根茬等有機(jī)物的還田量，從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的累積。同時，1.3倍無機(jī)肥料的增施可能更有利于土壤有機(jī)氮、磷的礦化，從而提高水稻對土壤養(yǎng)分的吸收利用。從提高作物產(chǎn)量、養(yǎng)分元素利用率及土壤培肥的角度出發(fā)，本試驗條件下，以M+1.3NPK的施肥方式最佳。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的盈虧，是決定土壤養(yǎng)分水平長消的根本原因。因此，土壤有機(jī)碳平衡特征是研究有機(jī)碳穩(wěn)定性和土壤培肥效果的根本依據(jù)[5]。本試驗中，各施肥處理下的土壤有機(jī)碳均表現(xiàn)為盈余，且盈余量隨有機(jī)肥的投入明顯增加，土壤有機(jī)碳平衡量與有機(jī)碳投入量呈線性正相關(guān)，這與文獻(xiàn)報道結(jié)果一致[5，18，21]。試驗點有機(jī)碳平衡每年所需的最低有機(jī)碳投入量為1 660 kg·hm-2，即該試驗點每年需至少投入1.66 t·hm-2的有機(jī)碳才能維持土壤有機(jī)碳的基本收支平衡。農(nóng)田系統(tǒng)的碳投入主要包括作物根系、根系殘茬和有機(jī)肥的投入。不施肥處理(CK)每年僅由作物根系和殘茬帶入的有機(jī)碳量為1 660.35 kg·hm-2，基本能保持土壤有機(jī)碳的平衡。有機(jī)無機(jī)肥配施下作物生物量增加，帶入土壤更多的新鮮殘茬和根系分泌物，同時，施用有機(jī)肥也能夠為土壤提供豐富的外源有機(jī)質(zhì)，相較單施化肥更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積和土壤肥力的提升。

本試驗中，土壤固碳量與碳投入量呈顯著正相關(guān)，這與Zhang等[25]和Lou等[26]的研究結(jié)果一致，表明該土壤碳庫還未飽和，仍具有一定的固碳潛力。Zhang等[27]報道我國南方雙季稻土壤固碳速率為0.20～0.48 t·hm-2·a-1，稻麥輪作體系下土壤有機(jī)碳的固定速率為0.70～0.88 t·hm-2·a-1；蘭宇等[3]研究發(fā)現(xiàn)，棕壤玉米-玉米-大豆輪作下最高固碳速率為0.44～0.49 t·hm-2·a-1。本研究中，稻-稻-麥輪作體系下土壤有機(jī)碳固定速率為0.18～1.61 t·hm-2·a-1，比文獻(xiàn)報道結(jié)果略高。

本研究發(fā)現(xiàn)，化肥、有機(jī)肥配施所產(chǎn)生的交互作用更有利于土壤有機(jī)碳貯量的增加和固碳速率的提高，這與文獻(xiàn)報道結(jié)果一致[3，28-29]。Zhang等[25]計算出了我國6種典型土壤的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率，依次為灌漠土(31.0%)>灰漠土(26.7%)>中層黑土(15.8%)>褐潮土(7.7%)>黃潮土(7.4%)>潮土(6.8%)[25]。由此可見，不同地區(qū)、土壤類型及種植制度下的有機(jī)碳固定和轉(zhuǎn)化速率存在較大差異。此外，氣候條件、水分管理等也是影響土壤有機(jī)碳固定和轉(zhuǎn)化速率的重要因素。