施肥對紫色土農(nóng)田土壤有機碳損失過程的影響*

沈 姣, 王小國, 馬 晗

(1.中國科學院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室/中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所 成都 610041; 2.中國科學院大學 北京 100049)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫, 其微小的變化都會對全球碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響, 農(nóng)田土壤碳庫作為其中最活躍的部分, 對全球氣候變化起著重要作用[1]。農(nóng)田土壤有機碳庫是土壤有機碳輸入和輸出動態(tài)平衡的結(jié)果, 主要輸入源包括植物殘體和有機物料等, 輸出主要包括土壤異養(yǎng)呼吸以及泥沙有機碳、可溶性有機碳(DOC)隨徑流遷移的水文過程等[2]。

目前有關(guān)土壤有機碳氣態(tài)損失過程的研究較多,已經(jīng)證明施肥作為重要的農(nóng)業(yè)管理措施, 可以改變土壤有機質(zhì)含量、土壤C/N、土壤團聚體結(jié)構(gòu)以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等, 從而影響土壤CO2的釋放過程[3]。陳濤等[4]的研究表明, 秸稈還田、有機肥配施氮磷鉀肥的土壤CO2排放顯著高于無肥處理土壤,并且土壤CO2排放量與土壤有機碳含量存在顯著的相關(guān)性。與氣態(tài)損失相比, 有機碳徑流損失過程相對復雜, 除了在降雨過程中以泥沙結(jié)合態(tài)有機碳的形式隨地表徑流損失, 還可以以DOC的形式通過地表徑流和壤中流遷移[5], 并且不同區(qū)域土壤有機碳徑流損失過程不同。黃土高原地區(qū)坡度較大, 土壤顆粒中粉粒占主導地位, 水土流失嚴重, 研究表明泥沙承載的有機碳是該地區(qū)土壤有機碳坡面遷移的最主要途徑[6]; 南方紅壤地區(qū)的有機碳選擇性遷移受降雨影響較大, 長時間均勻降雨時, 有機碳遷移以壤中流DOC為主, 突發(fā)型降雨時地表徑流產(chǎn)流比例增加[7-8]。而紫色土的有機碳遷移特征與紅壤、黃壤存在差異。熊子怡等[9]的研究表明, 紫色土地區(qū)徑流DOC損失通量占土壤有機碳總徑流損失通量的99%以上, 并且以壤中流DOC損失為主, 因為紫色土土層淺薄、質(zhì)地疏松且頁巖層透水性極差, 分布地降雨較多且集中在夏季, 壤中流發(fā)育更為活躍[10]。

紫色土作為長江上游重要的耕地資源, 土壤受降雨侵蝕嚴重, 土壤有機碳含量普遍偏低, 并且呈逐年下降趨勢。因此, 研究施肥對紫色土有機碳庫的影響具有重要意義。然而, 以往對于土壤有機碳氣態(tài)損失和徑流損失的研究都是相對獨立的進行, 缺乏同步觀測與試驗研究。本文依托于中國科學院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站, 利用可同時觀測土壤有機碳氣體排放和徑流遷移的試驗小區(qū), 研究不同施肥處理紫色土有機碳損失途徑及其通量, 為紫色土農(nóng)田土壤有機質(zhì)管理和溫室氣體減排提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

觀測試驗依托于中國科學院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站。該站位于四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)(105°27′E, 31°16′N), 地處涪江支流彌江、湍江的分水嶺上, 該地區(qū)海拔400～600 m, 地形以中深丘陵為主, 屬于典型的亞熱帶濕潤季風氣候, 受東南季風控制, 年平均溫度為17.3 ℃, 極端最高氣溫40 ℃, 極端最低氣溫?5.1 ℃, 多年平均降雨量826 mm, 且降雨集中在夏季。供試土壤為蓬萊鎮(zhèn)石灰性紫色土, 田間持水量為28.1%～37.8%, 平均土層厚度約20～60 cm,土壤母質(zhì)為泥巖。

1.2 試驗設計

試驗小區(qū)坡長8 m, 寬度為4 m, 面積為32 m2, 土層厚度約為60 cm, 坡向西北?東南, 坡度6°。小區(qū)設有能同時測定地表徑流和壤中流的裝置(Freedrain Lysimeter), 并且在每個試驗小區(qū)坡底, 距離小區(qū)邊緣50 cm處安放氣樣采集裝置, 用于采集土壤排放的CO2, 實現(xiàn)土壤有機碳氣態(tài)損失過程和徑流損失過程的同步觀測(ZL2007100640686)。試驗小區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 紫色土坡地土壤有機碳氣態(tài)損失過程和徑流損失過程的同步觀測試驗小區(qū)示意圖[11]Fig.1 Schematic diagram of simultaneous observation experiment plot for gaseous loss process and runoff loss process of soil organic carbon of purple soil slope[11]

試驗共設置4個處理: 無肥對照(CK)、常規(guī)氮磷鉀肥(NPK)、豬糞肥配施氮磷鉀肥(OMNPK)、秸稈還田配施氮磷鉀肥(RSDNPK), 每個處理分別設置3個重復, 一個重復為一個試驗小區(qū)。施肥試驗始于2001年。試驗地采用冬小麥(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)輪作種植制度, 2020年玉米于5月30日播種, 9月23日收獲。玉米季常規(guī)施肥(NPK)處理施氮肥150 kg?hm?2(以純N計)、磷肥90 kg(P2O5)?hm?2、鉀肥36 kg (K2O)?hm?2, 除CK外, 各處理施肥總氮含量維持在同一水平, OMNPK與RSDNPK無機化肥的施氮量分別為總施氮量的60%、80%, 糞肥與秸稈分別占總施氮量的40%和20%。施肥前, 提前測得豬糞和當季還田秸稈中全氮含量, 并按純氮總量進行換算。無機化肥氮肥為尿素, 磷肥為過磷酸鈣, 鉀肥為氯化鉀, 施用豬糞為商品豬糞肥, 還田秸稈為上一季小麥秸稈。施肥方式采用基肥一次性于播種前人工施入, 耕作和施肥同步, 耕作方式為人工鋤耕,深度為20 cm, 具體的施肥方案如表1所示。

表1 各處理的肥料類型及用量Table 1 Fertilizer types and application rates of each treatment

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤異養(yǎng)呼吸速率的測定

土壤異養(yǎng)呼吸速率采用的是靜態(tài)暗箱-氣相色譜法。采樣箱由底座和頂箱兩部分組成, 材質(zhì)均為不銹鋼。底座大小為50 cm×50 cm×20 cm (長×寬×高),插入土壤20 cm, 種植時底座內(nèi)單獨施肥但不播撒種子, 施肥比例與試驗小區(qū)相同, 底座四周需要各留50 cm的間距避免植株對采氣微區(qū)內(nèi)碳平衡的干擾;頂箱為5面體結(jié)構(gòu), 長、寬、高和鋼板厚度分別為500 mm、500 mm、500 mm和2.5 mm, 頂端裝有1根壓力平橫管(Φ3.59 mm×6.22 cm), 側(cè)面安裝1個溫度傳感器和氣體樣品接口。

為減少土壤呼吸日變化差異的影響, 采樣時間均為早上9:00?11:00, 每個采樣點用60 mL注射器采集5個樣品, 每個樣品時間間隔為7 min, 所采氣樣放入收納箱內(nèi)避光暫存, 采集完成后立即送回實驗室并在24 h內(nèi)完成CO2濃度測定。自施肥后第2天開始采樣, 施肥后第1周采樣頻率為每天1次, 第2周為兩天1次, 其他時期為每周2次, 但在出現(xiàn)降雨、灌溉等能使土壤濕度發(fā)生劇烈變化的擾動后需要增加采樣頻率。CO2濃度利用美國安捷倫公司的氣相色譜儀(GC, Agilent 7890A/B)分析。

1.3.2 徑流水樣的采集與測定

2020年玉米季每逢降雨采集徑流樣品。降雨產(chǎn)流結(jié)束后, 分別用鋼尺測得徑流池中地表徑流、壤中流的水位, 以計算其徑流量, 為減少人工測量帶來的誤差, 每個徑流池水位測量4次, 取平均值。水位測定完成后, 用500 mL聚乙烯塑料瓶分別采集兩瓶地表徑流(1瓶用于測定泥沙含量, 1瓶用于測定DOC含量)和1瓶壤中流樣品。采集地表徑流樣品前, 均需將徑流池中水樣充分攪拌混勻迅速采集混合樣。徑流樣品送回實驗室后, 先過0.45 μm濾膜,過濾液用流動分析儀(AA3, SEAL, German) DOC分析模塊進行在線測試測定DOC濃度。地表徑流水沙混合樣用量筒量出體積, 靜止48 h后小心棄去上清液, 泥沙轉(zhuǎn)移入鋁盒后再用經(jīng)典烘干法測定其重量以計算泥沙含量, 烘干的泥沙用元素分析儀測定其有機碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

1.4.1 土壤異養(yǎng)呼吸速率

單位面積的土壤異養(yǎng)呼吸速率通過CO2濃度隨時間的變化計算。計算方法如下:

式中:F為土壤異養(yǎng)呼吸速率(μg?m?2·h?1),M為氣體摩爾質(zhì)量(g?mol?1),V0為標準狀態(tài)下氣體的摩爾體積(22.41×10?3m3),T0和P0分別為標準狀態(tài)下的氣溫(237 K)和氣壓(1031 hPa),P為采樣點的氣壓(hPa),T為采樣時箱內(nèi)的平均氣溫(K),dc/dt為采樣箱內(nèi)CO2濃度變化速率,H為采樣箱的高度(cm),k為量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.4.2 CO2排放量

CO2排放量則通過觀測值和未觀測日內(nèi)插法計算值逐日累加所得。計算方法如下:

式中:E代表CO2排放量[kg(C)·hm?1];k為量綱換算系數(shù);Xi為第i天CO2的日排放通量值[mg(C)·m?2·d?1],將小時排放通量[μg(C)·m?2·h?1]乘以24 h而轉(zhuǎn)換成日排放通量; Δt為相近兩次日排放通量值間隔的天數(shù)(d);n為作物生長期內(nèi)有效日排放通量觀測值的天數(shù)。

1.4.3 可溶性有機碳(DOC)損失通量

歷次降雨產(chǎn)流事件中DOC遷移通量為:

式中:Qi為地表徑流或壤中流DOC損失通量(mg·m?2);Ci為地表徑流或壤中流中DOC質(zhì)量濃度(mg·L?1), 采用3個重復小區(qū)的平均值;qi為地表徑流或壤中流單位面積徑流深(mm)。

玉米季地表徑流和壤中流DOC累積通量為歷次產(chǎn)流事件中地表徑流和壤中流DOC損失通量累加, 計算公式為:

式中:Q為地表徑流或壤中流遷移負荷(mg·m?2),Qi為地表徑流或壤中流DOC損失通量(mg?m?2),n為降雨產(chǎn)流次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤異養(yǎng)呼吸速率動態(tài)

圖2是2020年玉米季不同施肥處理下土壤異養(yǎng)呼吸速率。CK、NPK、OMKPH處理的異養(yǎng)呼吸速率在玉米生育前期隨時間波動上升, 至8月11日達到峰值, 其中OMNPK處理的異養(yǎng)呼吸速率峰值為152.29 mg(CO2)?m?2?h?1, 高于CK和NPK處理, 此后開始呈下降趨勢。與其他處理變化趨勢不同, RSDNPK處理的異養(yǎng)呼吸速率在施肥第1天就達到了較高的水平[210.26 mg(CO2)?m?2?h?1], 直至8月11日, RSDNPK處理的異養(yǎng)呼吸速率一直顯著高于其他3個施肥處理(P<0.05), 在62.41～212.84 mg(CO2)?m?2?h?1波動,8月11日后開始與其他處理同步下降。4種施肥處理的平均CO2排放速率也存在差異, CK、NPK、OMNPK、RSDNPK處理的平均異養(yǎng)呼吸速率分別為56.85 mg(C)?m?2?h?1、75.01 mg(C)?m?2?h?1、78.56 mg(C)?m?2?h?1、140.64 mg(C)?m?2?h?1。其 中, NPK、OMNPK、RSDNPK處理的平均異養(yǎng)呼吸速率顯著高于CK (P<0.05), 說明施肥均可以顯著增加土壤異養(yǎng)呼吸速率; OMNPK與NPK的平均異養(yǎng)呼吸速率沒有顯著差異(P>0.05), 但顯著小于RSDNPK, 說明施肥方式也會對土壤異養(yǎng)呼吸產(chǎn)生影響, 秸稈還田配施氮磷鉀肥對土壤異養(yǎng)呼吸速率的促進作用最大。

圖2 不同施肥處理的紫色土異養(yǎng)呼吸速率動態(tài)Fig.2 Dynamics of soil heterotrophic respiration rates under different fertilization treatments

2.2 紫色土有機碳徑流損失特征

2.2.1 不同施肥處理下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

圖3為歷次降雨產(chǎn)流事件中的降雨量、最大雨強與各施肥處理的徑流深。2020年玉米季累計降雨514.6 mm, 單次降雨事件降雨量在21.7～163.6 mm之間, 最大降雨強度為30.8 mm?h?1。試驗區(qū)共觀察到地表徑流產(chǎn)流7次, 壤中流產(chǎn)流6次, CK處理的最大地表徑流深為15.45 mm, 比NPK、OMNPK和RSDNPKCK的分別增加49.42%、37.09%和85.03%;壤中流最大產(chǎn)流出現(xiàn)在7月28日的降雨事件中, 4種施肥處理的徑流深分別為77.90 mm、91.66 mm、113.03 mm和110.40 mm。累計地表徑流深分別為45.25 mm、25.22 mm、32.31 mm和25.36 mm, CK顯著大于其他3個處理(P<0.05); 壤中流累計徑流深則表現(xiàn)為CK

圖3 不同施肥處理的歷次產(chǎn)流事件的徑流深Fig.3 Runoff depth of every runoff event under different fertilization treatments

2020年玉米季CK與NPK處理觀測到了7次地表徑流產(chǎn)沙現(xiàn)象, OMNPK與RSDNPK處理觀測到了6次(圖4)。不同施肥處理地表徑流泥沙平均濃度順序為: CK>OMNPK>NPK>RSDNPK, CK處理的平均泥沙濃度為0.59 g?L?1, 顯著高于其他施肥處理(P<0.05), 與CK處理相比, NPK、OMNPK、RSDNPK的地表徑流泥沙濃度分別降低74.00%、50.00%和86.00%。8月22日的產(chǎn)沙事件中, 4種施肥處理的泥沙有機碳損失通量均達到峰值, 分別為112.69 mg(C)?m?2、18.95 mg(C)?m?2、58.63 mg(C)?m?2和7.13 mg(C)?m?2, 可能是由于此次產(chǎn)流時間的降雨強度最大, 對地表的沖刷強度大。玉米季各施肥處理的累計泥沙有機碳損失通量分別為269.94 mg(C)?m?2、44.62 mg(C)?m?2、102.08 mg(C)?m?2和20.43 mg(C)?m?2,NPK、OMNPK和RSDNPK的泥沙有機碳損失通量顯著小于無肥對照組CK (P<0.05), 說明施加化肥、有機肥與秸稈還田均可以有效緩解紫色土的泥沙侵蝕, 并且施用秸稈對緩解泥沙侵蝕的效果最佳。

圖4 歷次產(chǎn)流事件中不同施肥處理的產(chǎn)沙特征和泥沙有機碳通量(圖柱為泥沙有機碳通量, 曲線為泥沙濃度)Fig.4 Characteristics of sediment yield and total organic carbon (TOC) flux in each runoff event under different fertilization treatments (in the figure, the columns show the TOC fluxes, and the curves show the sediment concentrations)

2.2.2 不同施肥處理下可溶性有機碳(DOC)損失特征

圖5A是各施肥處理地表徑流DOC損失的變化情況。在施肥后第1次產(chǎn)流事件中, CK、NPK、OMNPK和RSDNPK處理的地表徑流DOC損失濃度均為本試驗周期內(nèi)的最高值, 分別為3.55 mg?L?1、3.99 mg?L?1、4.04 mg?L?1和3.49 mg?L?1, 這可能是因為小麥季殘存的生物量隨雨水的沖刷, 泥沙的遷移進入地表徑流。4種施肥處理歷次產(chǎn)流事件中地表徑流DOC平均損失濃度分別為2.24 mg?L?1、2.89 mg?L?1、2.93 mg?L?1和2.45 mg?L?1, 各處理間無顯著差異。地表徑流DOC損失通量在7月28日達到峰值,4種施肥處理的最高地表徑流DOC損失通量分別為39.46 mg(C)?m?2、29.77 mg(C)?m?2、39.90 mg(C)?m?2、19.62 mg(C)?m?2, 累計地表徑流DOC損失通量則表現(xiàn)為RSDNPK

圖5B中, 壤中流DOC損失濃度的最小值出現(xiàn)在7月19日的CK處理, 為1.27 mg?L?1, 同期的NPK、OMNPK、RSDNPK較CK分別增加71.65%、70.08%、92.13%。4種施肥處理的壤中流DOC濃度最高值分別為3.95 mg?L?1、3.28 mg?L?1、4.88 mg?L?1和4.16 mg?L?1。不同施肥處理歷次產(chǎn)流事件壤中流DOC平均濃度順序為: RSDNPK>OMNPK>NPK>CK, DOC平均濃度分別為3.20 mg?L?1、2.71 mg?L?1、2.44 mg?L?1和2.10 mg?L?1, RSDNPK處理的壤中流DOC濃度顯著高于CK (P<0.05)。各施肥處理的地表徑流DOC損失通量均在7月28日達峰值, 分別為150.04 mg(C)?m?2、199.17 mg(C)?m?2、246.77 mg(C)?m?2、362.74 mg(C)?m?2,壤中流累計DOC損失通量表現(xiàn)為CK

圖5 歷次產(chǎn)流事件中不同施肥處理的可溶性有機碳(DOC)遷移濃度及損失通量(圖柱為DOC通量, 曲線為DOC濃度)Fig.5 Concentrations and amounts of dissolved organic carbon (DOC) in surface flow and interflow in each runoff event under different fertilization treatments (in the figure, the columns show the DOC flux, and the curves show the DOC concentrations)

2.3 紫色土有機碳損失途徑及其通量

表2是試驗期內(nèi)4種施肥處理紫色土有機碳損失途徑及通量。RSDNPK處理的土壤異養(yǎng)呼吸CO2排放通量顯著高于其他處理(P<0.05), 達4155.87 kg(C)?hm?2, 有機碳徑流損失通量為9.01 kg(C)?hm?2,也顯著高于CK與NPK (P<0.05)。NPK、OMNPK和RSDNPK處理的有機碳損失總通量均顯著大于CK(P<0.05), 說明施加無機肥、有機肥與秸稈還田均促進土壤有機碳的損失。NPK和OMNPK處理的有機碳徑流損失通量沒有顯著性差異, 但均顯著小于秸稈還田處理(P<0.05), RSDNPK處理的有機碳徑流損失總通量為4164.87 kg(C)?hm?2, 比CK、NPK和OMNPK的總損失通量分別增加163.23%、90.38%和71.28%。并且各施肥處理的有機碳氣態(tài)損失占總通量比例均大于99%, 說明氣態(tài)損失是紫色土有機碳損失的主要途徑。

表2 不同施肥處理的土壤有機碳損失途徑及通量Table 2 Pathways and amounts of soil organic carbon loss under different fertilization treatments

2.4 不同施肥處理下玉米產(chǎn)量

2020年4種施肥處理的玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為:RSDNPK>OMNPK>NPK>CK (圖6)。NPK、OMNPK和RSDNPK的玉米產(chǎn)量沒有顯著性差異, 分別為8188.41 kg?hm?2、8385.69 kg?hm?2和9188.41 kg?hm?2,但均顯著大于CK (P<0.05)。CK的玉米產(chǎn)量為1536.23 kg?hm?2, 比NPK、OMNPK和RSDNPK分別減少81.24%、81.68%和83.28%, 說明施肥有顯著增加作物產(chǎn)量的作用。

圖6 不同施肥處理的玉米產(chǎn)量Fig.6 Maize yield under different fertilization treatments

3 討論

3.1 施肥方式對紫色土異養(yǎng)呼吸的影響

施肥普遍促進土壤異養(yǎng)呼吸, 不同施肥方式主要通過影響作物生長以及土壤理化性質(zhì)影響土壤異養(yǎng)呼吸速率及CO2排放通量。史書等[12]對重慶紫色土的CO2排放進行了研究, 結(jié)果表明施氮磷鉀肥土壤累計CO2排放通量比不施肥增加18%; 道力格亞[13]的研究也表明了長期施肥下, 單施化肥、豬糞肥配施氮磷鉀肥的土壤CO2排放通量會顯著增加; 張慶忠等[14]發(fā)現(xiàn)秸稈還田對土壤CO2排放通量有顯著影響, 并且在配施一定量氮肥的情形下, 秸稈還田量越大, 土壤CO2排放通量越高。在本研究中, 不同施肥處理下的土壤異養(yǎng)呼吸速率及CO2排放通量均表現(xiàn)為: RSDNPK>OMNPK>NPK>CK, 其中NPK、OMNPK和RSDNPK處理的土壤異養(yǎng)呼吸速率均顯著高于CK, 與前人施肥普遍促進土壤CO2排放的研究結(jié)果一致。主要是由于長期單施化肥、化肥配施豬糞肥、化肥配施秸稈還田均能促進農(nóng)作物生長, 從而增加植株凋落物輸入以及提高根際有機碳的輸入, 顯著提高土壤有機碳含量, 為微生物提供更多的活性底物, 促進土壤微生物活性以提高土壤異養(yǎng)呼吸[15-16]。OMNPK處理的土壤異養(yǎng)呼吸速率及CO2排放通量雖然大于NPK處理土壤, 但是二者沒有顯著性差異,并且均顯著低于RSDNPK處理土壤, 這與花可可等[17]的結(jié)論存在差異, 可能是因為在本研究中施加的豬糞為商品豬糞, 二者C/N存在差異, 并且商品豬糞所含微生物及酶的活性小于新鮮豬糞[18]。秸稈還田配施氮磷鉀肥處理的累計CO2排放通量較其他處理增加0.71～1.64倍, 是由于秸稈還田不僅可以通過促進農(nóng)作物生長間接增加土壤有機碳含量, 還直接向土壤添加了外源有機質(zhì), 微生物量碳增加, 促進微生物活性[19]; 并且研究表明秸稈還田還可以增加土壤透氣性, 以促進土壤中的CO2向空氣中擴散[20]。

3.2 施肥對紫色土有機碳徑流損失的影響

在本研究中, 壤中流徑流量占徑流總量的80.48%～90.49%, 壤中流DOC損失通量占徑流碳損失總通量的49.82%～92.11%, 說明壤中流DOC損失是紫色土有機碳徑流損失的主要方式。這與前人對紫色土壤中流和地表徑流損失特征的研究結(jié)果一致[21], 主要是由于紫色土具有獨特的土壤-母巖二元結(jié)構(gòu)體, 并且土層淺薄、質(zhì)地疏松、入滲能力強, 水分下滲至透水性弱的紫色頁巖層后難以繼續(xù)下滲,沿坡側(cè)向流動極易匯集形成壤中流[10]。

施肥可以通過影響作物生長、土壤的物理性質(zhì)等影響土壤有機碳的徑流損失過程。圖7是2020年玉米季各施肥處理的土壤有機碳徑流損失的途徑和通量。從圖中可以看出, CK處理的紫色土泥沙有機碳損失通量顯著高于其他處理, 達2.63 kg(C)·hm?2,相較泥沙損失通量最低的RSDNPK處理增加了12倍, 而RSDNPK處理在有效緩解紫色土泥沙侵蝕的同時, 也顯著增加了壤中流DOC流失通量, 與熊子怡等[9]研究的重慶紫色土可溶性有機碳損失特征結(jié)果一致。究其原因主要包括3點: 首先, CK相較于施肥處理土壤氮磷等養(yǎng)分供應不足, 玉米生長差,地表植被覆蓋率低, 降雨直接擊打沖刷地表, 泥沙更易隨著地表徑流損失[22]。而RSDNPK處理玉米生長旺盛, 大大降低降雨對土壤的沖刷。其次, 秸稈還田可以在土壤中形成多孔管道, 降低土壤容重, 提高土壤的水分入滲率和地表蓄水性[23], 而于維忠[24]的研究表明, 土壤的水分下滲率與壤中流產(chǎn)流量呈正相關(guān)關(guān)系, 并且秸稈有較高的機械阻滯作用, 從而減少地表徑流的發(fā)生并且緩解泥沙侵蝕[25]。最后, 秸稈在分解過程中會向土壤釋放出DOC, 部分DOC隨著降雨以壤中流的形式損失, 增加了壤中流DOC濃度。

圖7 各施肥處理總有機碳(TOC)和可溶性有機碳(DOC)的徑流損失途徑及其通量Fig.7 Pathways and amounts of soil total organic carbon(TOC) and dissolved organic carbon (DOC) loss under different fertilization treatments

3.3 施肥對紫色土單位產(chǎn)量碳損失通量及土壤有機碳含量的影響

施加無機肥、有機肥均可以起到促進產(chǎn)量的作用, 與前人的研究結(jié)果一致[26-27], 但是施肥在促進產(chǎn)量的同時也促進了土壤CO2排放, 加劇了土壤有機碳的損失, 對生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的污染。因此產(chǎn)量的增加是否足以抵消土壤有機碳損失對環(huán)境造成的污染負荷成為了重要的問題。2010年有學者為了平衡作物產(chǎn)量與溫室氣體排放, 將全球增溫潛勢GWP作為作物產(chǎn)量的函數(shù)進行評估, 提出了單位產(chǎn)量全球增溫潛勢(yield-scaled GWP)的概念[28]。因此, 本文計算了不同施肥處理小區(qū)單位玉米產(chǎn)量的有機碳損失通量, 將作物經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境負荷相結(jié)合, 從中優(yōu)選出既能保障作物產(chǎn)量, 又能有效緩解土壤有機碳損失, 減少CO2排放的最佳施肥方案。

與土壤有機碳損失通量不同, 4種施肥處理的單位產(chǎn)量碳損失通量表現(xiàn)為: CK>RSDNPK>OMNPK>NPK, 其中CK處理的單位產(chǎn)量碳損失通量顯著大于其他3個處理, 為1.04 kg(C)?kg?1, NPK、OMNPK、RSDNPK的單位產(chǎn)量碳損失通量無顯著性差異(圖8A)。NPK、OMNPK、RSDNPK施肥處理的作物產(chǎn)量無顯著性差異, 并且均大于國家統(tǒng)計局公布的2020年全國玉米產(chǎn)量(6317 kg?hm?2), 而RSDNPK處理的有機碳損失通量較NPK和OMNPK分別增加了90.38%和71.28%, 說明秸稈還田的增產(chǎn)效應不足以抵消對環(huán)境產(chǎn)生的負荷。但是有大量研究表明, 秸稈還田可以有效增加土壤有機碳含量, 因此,本文對不同施肥處理的土壤有機碳含量進行了測定。結(jié)果表現(xiàn)為: RSDNPK>OMNPK>NPK>CK, 其中RSDNPK處理的土壤有機碳含量顯著大于NPK和CK, 但是與OMNPK沒有顯著性差異(圖8B)。主要是由于OMNPK和RSDNPK處理除了可以增加農(nóng)作物生物量與產(chǎn)量, 間接增加土壤有機碳輸入, 還直接向土壤中輸入了外源有機碳。因此本研究認為在紫色土地區(qū)可以優(yōu)先考慮施加有機肥配施氮磷鉀肥,既能均衡作物產(chǎn)量與土壤有機碳損失的關(guān)系, 還有利于土壤有機碳的累積。

圖8 不同施肥處理的單位產(chǎn)量碳損失通量(A)和土壤有機碳含量(B)Fig.8 Carbon loss fluxes per unit crop yield (A) and soil organic carbon content (B) under different fertilization treatments

4 結(jié)論

施肥方式對紫色土有機碳排放途徑及通量具有顯著影響。首先, 施肥可以影響土壤呼吸過程, 施加無機肥、有機肥以及秸稈還田均會促進土壤異養(yǎng)呼吸速率, 增加土壤CO2排放通量。其次, 施肥也會影響徑流過程中有機碳的損失途徑及通量, 秸稈還田配施氮磷鉀肥可以顯著緩解紫色土的泥沙侵蝕現(xiàn)象,但是也顯著促進了壤中流DOC損失, RSDNPK處理的壤中流DOC損失通量8.29 kg(C)·hm?2, 相較于常規(guī)施肥處理增加了72.71%, 占其徑流損失總通量的92.11%。

綜合有機碳氣態(tài)損失與徑流損失途徑, 各施肥處理的CO2排放通量占紫色土有機碳損失總量的比例均大于99%, 說明土壤異養(yǎng)呼吸是紫色土有機碳的主要損失途徑。在通過施肥等農(nóng)業(yè)管理措施調(diào)控土壤碳庫時, 應該注意把控CO2的排放。綜合作物產(chǎn)量, 施加無機肥、有機肥及秸稈還田的單位產(chǎn)量碳損失通量沒有顯著性差異, 均顯著小于無肥對照,其中OMNPK處理的土壤有機碳含量為5.86 g?kg?1,大于NPK處理, 說明施加有機肥有利于土壤有機碳的積累, 因此在紫色土地區(qū)可以優(yōu)先考慮施加有機肥配施氮磷鉀肥。