李委濤劉 明李朋發(fā)李桂龍江春玉吳 萌仇存璞董元華李忠佩

近40年余江縣高產(chǎn)水稻土有機(jī)碳及養(yǎng)分含量的演變特征*

李委濤1，劉 明1，李朋發(fā)1，2，李桂龍1，2，江春玉1，吳 萌1，仇存璞1，2，董元華1，2，李忠佩1，2?

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

土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標(biāo)，研究土壤肥力的演變規(guī)律對提升地力、維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論指導(dǎo)意義。參照第二次土壤普查和2002年采樣背景資料，通過田間采樣分析及對比研究，探討江西省余江縣高產(chǎn)水稻土有機(jī)碳、養(yǎng)分、pH及陽離子交換量（CEC）的狀況及其近40年的演變規(guī)律。結(jié)果表明，余江縣域內(nèi)上表層水稻土（0～10 cm）有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀含量分別是（27.3±1.3）g·kg–1、（2.9±0.2）g·kg–1、（40.5±3.8）mg·kg–1、（148±7.9）mg·kg–1，土壤肥力處于較高水平。與1980年背景資料對比發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳和土壤養(yǎng)分均有顯著提升；尤其自2002年以來，近15年0～10 cm層次水稻土有機(jī)碳、全氮及速效鉀的增幅分別達(dá)35%、40%和34%，但有效磷含量變化并不顯著，而在10～20 cm層有效磷含量顯著增加了56%。與2002年采樣結(jié)果相比，0～10 cm、10～20 cm和 20～40 cm pH顯著降低，而CEC顯著增加。長期植稻過程中施用化肥，尤以近15年來，土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分及CEC顯著提高，但同時(shí)造成土壤pH下降。

水稻土；有機(jī)碳；氮磷鉀；pH；土層

水稻是全世界重要的糧食作物之一，近年來大量施用化肥使得作物產(chǎn)量大幅攀升[1]，以滿足人類日益增長的糧食需求。隨著化肥的連年施入，肥料利用率下降、養(yǎng)分增產(chǎn)效率顯著降低，造成的環(huán)境壓力越來越明顯[2-4]，這些問題嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。土壤有機(jī)碳是反映土壤生態(tài)功能及肥力的重要指標(biāo)[5]，施肥可顯著增加土壤有機(jī)碳含量，進(jìn)而影響土壤肥力的演變過程[6]。受土壤空間異質(zhì)性、時(shí)間尺度效應(yīng)的影響，有關(guān)土壤肥力演變特征的眾多結(jié)論并不一致。不同地域受氣候因子、成土母質(zhì)等一系列因子的影響，導(dǎo)致土壤肥力演化具有明顯的差異性[7]；即使在一定區(qū)域范圍，也因土壤類型差異導(dǎo)致土壤肥力演變特征迥異[8]。隨著研究的深入，占土壤碳庫一半儲(chǔ)量的下表層土壤逐漸受到重視[9]，隨土層深度增加，土壤母質(zhì)的影響可能隨之增加[10]。當(dāng)前，研究某一時(shí)間段內(nèi)不同施肥措施下表層土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分變化的較多[11]，對于不同時(shí)間段內(nèi)，不同土層碳庫及養(yǎng)分演變的報(bào)道尚不多見。

我國亞熱帶地區(qū)是水稻的主要種植區(qū)，土壤類型多樣，對于肥力水平較高的水田，肥料的大量施用，使得水田中物質(zhì)循環(huán)維持在較高水平，表現(xiàn)出輸入高于輸出的盈余狀態(tài)[12]。有關(guān)土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的變化規(guī)律也有較多報(bào)道。然而，近年來肥料高投入下，土壤肥力演化特征并不清楚。本研究通過田間采樣分析，并對比第二次土壤普查（1980年）及2002年對不同類型水稻土采樣分析，研究江西省余江縣高產(chǎn)水稻土有機(jī)碳及土壤養(yǎng)分的演變規(guī)律，結(jié)果可為區(qū)域農(nóng)田養(yǎng)分管理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

本研究選擇江西省余江縣紅壤典型區(qū)域，該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫17.6℃，年均降水量1 795 mm，年蒸發(fā)量1 318 mm，無霜期261 d。作物輪作制度為雙季稻（L.）。參照第二次土壤普查資料及2002年采樣資料記載，在江西省余江縣內(nèi)14 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇26塊高產(chǎn)水田，采樣點(diǎn)均處于較高的地勢、灌排水狀況良好、耕作背景相近。于2017年晚稻收獲后，采集0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm不同深度土壤樣品，采用五點(diǎn)法采集土樣并混合為一個(gè)樣品。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，過2 mm篩后，于室溫下陰干測定土壤理化指標(biāo)。

1.2 測定指標(biāo)與分析方法

采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法測定土壤有機(jī)碳；半微量凱氏法測定全氮；碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定有效磷；乙酸銨浸提—火焰光度法測定速效鉀；陽離子交換量（CEC）利用乙酸銨法測定；采用電位法測定土壤pH（水土比2.5︰1）[13]。

大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高102 m，壩頂寬 10 m，壩頂長306 m。防浪墻高4.2 m，防浪墻采用L形結(jié)構(gòu)。防浪墻底部與面板相接處設(shè)沉降縫。大壩上游坡度為1∶1.5，下游坡度（上壩公路間）為 1∶1.3、1∶1.5。 下游壩坡采用漿砌塊石護(hù)坡。

1.3 數(shù)據(jù)處理

與第二次土壤普查結(jié)果對比，過去37年間，表層土壤（0～15 cm）有效磷和速效鉀含量分別增至（35.1±3.2）mg·kg–1和（124.8±6.6）mg·kg–1，田塊平均增幅分別為2.7倍和37.3%。于洋等[18]研究了1980年和2011年兩個(gè)時(shí)期渭北臺(tái)塬區(qū)耕地土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異特征，結(jié)果表明30年間有效磷顯著增加了179.3%，速效養(yǎng)分增加量與土壤原有土壤養(yǎng)分含量呈顯著負(fù)相關(guān)，施肥和灌溉等為土壤速效養(yǎng)分時(shí)空變化的重要影響因素。

隨土層深度增加，土壤有機(jī)碳、全氮含量及碳氮比均逐漸降低。不同田塊之間有機(jī)碳含量具有顯著差異性，變異系數(shù)達(dá)24%（0～10 cm），且隨土層深度增加變異系數(shù)逐漸增加。這可能與土壤黏粒含量有關(guān)：上表層土（0～10 cm）中有機(jī)碳與黏粒含量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（=0.49*，=26），并且這一相關(guān)性隨土層深度增加更為明顯。土壤母質(zhì)決定著黏粒組分含量，進(jìn)而影響土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體及團(tuán)聚體的形成，導(dǎo)致不同母質(zhì)發(fā)育土壤碳庫含量和穩(wěn)定性的差異，土壤碳庫與黏粒含量之間的正相關(guān)性在表層以下土壤尤為明顯[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 余江縣高產(chǎn)水稻田有機(jī)碳和全氮在不同土層的分布規(guī)律

由于1980年土壤普查時(shí)采樣深度為0～15 cm，本研究將2002年和2017年采樣中0～10 cm和10～20 cm土層分析結(jié)果加權(quán)平均，便于不同年份之間比較。結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳含量從1980年的（17.6±1.5）g·kg–1，顯著增加至2017年的（24.9±1.2）g·kg–1（=2.5*，=26）（圖1a））。從1980年至2017年，土壤全氮含量顯著增加（=3*，=26），增幅達(dá)62%（圖1b））。從第二次土壤普查到2002年采樣，近20年間，土壤有機(jī)碳含量變化并不顯著；從2002年至2017年的15年間，土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著增加，最主要原因是化肥施用量大且連年增加，提升作物產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分含量。近15年來，作物產(chǎn)量顯著增加，輸入土壤的有機(jī)碳也隨之增加，導(dǎo)致耕層土壤中碳氮比顯著增加。江葉楓等[16]研究了余干縣從1982年至2012年間土壤碳氮比的變化規(guī)律，結(jié)果表明30年間大部分區(qū)域土壤C/N增加明顯；1982 年土壤C/N空間變異受成土母質(zhì)的影響最大，其影響程度占17. 3%，而2012年土壤C/N 空間變異受秸稈還田和氮肥施用量影響最大，其影響程度為42. 3%。

使用適合雙邊貿(mào)易的Gruel-Lioyd指標(biāo)，對中國和歐盟可再生能源產(chǎn)業(yè)內(nèi)貿(mào)易水平進(jìn)行衡量，并將產(chǎn)業(yè)內(nèi)貿(mào)易指數(shù)值分為四個(gè)區(qū)間[12～13]。

2017年余江縣高產(chǎn)水稻田不同土層（0～10、10～20、20～40 cm）有機(jī)碳含量分別為（27.3±1.3）g·kg–1、（20.3±1.2）g·kg–1、（6.5±0.6）g·kg–1，全氮含量分別為（2.9±0.2）g·kg–1、（2.2±0.1）g·kg–1、（0.8±0.1）g·kg–1。將0～10 cm和10～20 cm土層中有機(jī)碳和全氮含量分別加權(quán)平均為23.8 g·kg–1和2.6 g·kg–1，這些田塊耕層土壤中有機(jī)碳和全氮含量均處于較高水平（表1）。李忠佩等[14]研究紅壤有機(jī)碳累積過程表明，植稻30 a水田，0～20 cm土壤有機(jī)碳和全氮含量分別為20 g·kg–1和1.6 g·kg–1，即使植稻達(dá)80 a，土壤有機(jī)碳和全氮含量趨于穩(wěn)定，無明顯提升。本研究選取的水田，植稻年限均在80 a以上，有機(jī)碳和全氮含量豐富。

2.2 余江縣高產(chǎn)水稻田不同土層有效磷和速效鉀變化規(guī)律

余江縣高產(chǎn)水稻土不同土層（0～10、10～20、20～40 cm）有效磷含量分別為（40.5±3.8）mg·kg–1、（24.3±2.5）mg·kg–1、（7.5±1.3）mg·kg–1。對比2002采樣與本次采樣結(jié)果，過去15年間，10～20 cm土層有效磷含量顯著增加（=2.0*，=26），增幅達(dá)56.2%（圖2b））。表土中有效磷含量較豐富，隨土層深度增加逐漸降低。不同田塊之間有效磷含量也有顯著差異性，變異系數(shù)達(dá)48%（0～10 cm），且隨土層深度增加變異系數(shù)逐漸增加，下表層土變異系數(shù)達(dá)87%（20～40 cm）。這可能與土壤質(zhì)地有關(guān)，不同質(zhì)地土壤對磷的固定不同，影響磷的有效性[12]。

水稻土不同土層（0～10、10～20、20～40 cm）速效鉀含量分別為（148±7.9）mg·kg–1、（78.5±5.2）mg·kg–1、（59.9±4.2）mg·kg–1。對比2002采樣與本次采樣結(jié)果，過去15年間，10～20 cm和20～40 cm土層中速效鉀含量顯著增加（<0.05），增幅分別為33.9%和23.4%（圖2a），圖2 c））。表土中速效鉀含量較豐富，隨土層深度增加逐漸降低。不同田塊之間速效鉀含量也有顯著差異性，變異系數(shù)達(dá)30%（0～10 cm）。施用鉀肥顯著增加土壤鉀素可利用性，不同土壤質(zhì)地也是影響鉀素有效性的重要因子[17]。

表1 2017年余江縣不同類型水稻土有機(jī)碳及全氮含量在不同土層的分布

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。Note：the data in the table are of mean ± standard error. ①Fe-leach-Stagnic Anthrosols，②Haplic Stagnic Anthrosols，③Gleyic Stagnic Anthrosols，④Fe-accumul-Stagnic Anthrosols，and ⑤Fe-leach-Stagnic Anthrosols.

①Fe-leach-Stagnic Anthrosols，②Haplic Stagnic Anthrosols，③Gleyic Stagnic Anthrosols，④Fe-accumul-Stagnic Anthrosols，and ⑤Fe-leach-Stagnic Anthrosols.

水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。在國家大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新形勢下，河北華雨農(nóng)業(yè)科技有限公司發(fā)揮自身在灌溉裝備和新型微生物肥料行業(yè)多年形成的獨(dú)特優(yōu)勢，在水肥一體化技術(shù)領(lǐng)域推出新成果，為優(yōu)質(zhì)高效綠色環(huán)保型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)注入新的活力。

采用配對檢驗(yàn)的方法分析不同年份同一田塊內(nèi)相應(yīng)土層有機(jī)碳、養(yǎng)分、pH及CEC的差異性。檢驗(yàn)和各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析采用SPSS16.0（SPSS Inc. Chicago，IL，美國）統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行。

注：AP：有效磷，AK：速效鉀。Notes：AP and AK stands for available P and readily available K，respectively. ①Fe-leach- Stagnic Anthrosols，②Haplic Stagnic Anthrosols，③Gleyic Stagnic Anthrosols，④Fe-accumul-Stagnic Anthrosols，and ⑤Fe- leach-Stagnic Anthrosols.

2.3 余江縣高產(chǎn)水稻田不同土層pH和CEC變化規(guī)律

余江縣水稻土不同層次（0～10、10～20、20～40 cm）pH平均值分別為5.1±0.04、5.1±0.03、5.5±0.06。對比2002采樣與本次采樣結(jié)果，過去15年間，0～10、10～20、20～40 cm土層pH均顯著降低（<0.001）（圖3）。劉燕等[19]對比了2014年與1984年揚(yáng)州市邗江區(qū)耕地土壤pH的變化，30年間耕地土壤pH下降了0.88個(gè)單位。施肥是引起土壤pH下降的主要因素[20-21]。

中國儲(chǔ)運(yùn)：作為外資品牌，英特諾是如何了解并適應(yīng)中國市場的？英特諾在本土化方面采取了哪些措施？未來將如何調(diào)整以便更加貼近中國客戶的需求？

盡管長期施肥引起土壤pH顯著降低，但陽離子交換量（CEC）顯著增加。余江縣水稻土不同層次（0～10、10～20、20～40 cm）中CEC平均值分別為（11.8±0.6）cmol·kg–1、（10.3±0.4）cmol·kg–1、（9.3±0.4）cmol·kg–1。對比2002采樣與本次采樣結(jié)果，過去15年間，0～10、10～20 cm土層均顯著增加（<0.001）（圖3a），圖3b）。郭春雷等[22]研究發(fā)現(xiàn)，與不施肥處理相比，秸稈還田配施NPK肥可顯著增加土壤CEC，增幅為2.30 cmol·kg–1。施肥增加土壤CEC，可能的原因是，長期施肥增加作物產(chǎn)量，導(dǎo)致更多的秸稈量及殘茬還田，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，明顯提高土壤CEC[23]。

①Fe-leach-Stagnic Anthrosols，②Haplic Stagnic Anthrosols，③Gleyic Stagnic Anthrosols，④Fe-accumul-Stagnic Anthrosols，and ⑤Fe-leach-Stagnic Anthrosols.

3 結(jié) 論

近40年，余江縣高產(chǎn)水稻田不同土層有機(jī)碳和養(yǎng)分含量顯著增加，尤其是從2002年至2017年的15年間，土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量增加更為顯著。有機(jī)碳含量與土壤黏粒含量顯著相關(guān)，隨土層深度增加相關(guān)性逐漸增加。長期植稻導(dǎo)致土壤不同土層pH不同程度的降低及CEC含量的顯著增加。長期植稻過程中，施肥增加土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量，但同時(shí)造成土壤pH降低。如何減量施肥，既能保證土壤肥力又不造成土壤pH繼續(xù)下降，是當(dāng)前需要解決的重要問題。

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Temporal Variation of Soil Organic C and Nutrients in High Yield Paddy Soils of Yujiang County in the Past 40 Years

LI Weitao1, LIU Ming1, LI Pengfa1, 2, LI Guilong1, 2, JIANG Chunyu1, WU Meng1, QIU Cunpu1, 2, Dong Yuanhua1, 2, LI Zhongpei1, 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)

Soil organic carbon and nutrients are important indicators of soil fertility. The study on rules of the temporal variation of soil fertility is of important theoretical guiding significance to improving soil fertility and maintaining sustainable development of the agriculture.Based on the data of the Second National Soil Survey in 1980 and the soil sampling in 2002, soil samples(0–15 cm)were collected from three soil layers(0–10, 10–20 and 20–40 cm)at the same 26 sampling sites in paddy fields of Yujiang County in 2017 for analysis of soil organic carbon, nutrients, pH and CEC, and comparison was performed for rules of the variation of soil fertility in the past 40 years.The contents of organic carbon, total nitrogen, available phosphorus and available potassium in the upper surface paddy soil (0–10 cm) in Yujiang County was (27.3±1.3)g·kg–1, (2.9±0.2)g·kg–1, (40.5±3.8)mg·kg–1and (148±7.9)mg·kg–1, respectively. Compared with the data in 1980, organic carbon and soil nutrients have significantly improved; especially organic carbon, total nitrogen and available potassium in the 0–10 cm soil layer of the paddy fields have increased by 35%, 40% and 34%, respectively, in the past 15 years since 2002. The available phosphorus content in the 0-10 cm soil layer did not change much, while it did increase by 56% in the 10–20 cm soil layer. Compared with the data obtained in 2002, pH in the 0–10 cm, 10–20 cm and 20–40 cm soil layers decreased significantly, while CEC did reversely.Long-term paddy cultivation applied with chemical fertilizer significantly increased soil organic carbon, nutrients and CEC, but decreased soil pH, especially in the past 15 years.Key words: Paddy soil; Soil organic carbon(SOC); Nitrogen, phosphorus and potassium; pH; Soil layer

S158.1；S153.6+21

A

10.11766/trxb201904180202

李委濤，劉明，李朋發(fā)，李桂龍，江春玉，吳萌，仇存璞，董元華，李忠佩. 近40年余江縣高產(chǎn)水稻土有機(jī)碳及養(yǎng)分含量的演變特征[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（4）：937–942.

LI Weitao，LIU Ming，LI Pengfa，LI Guilong，JIANG Chunyu，WU Meng，QIU Cunpu，Dong Yuanhua，LI Zhongpei. Temporal Variation of Soil Organic C and Nutrients in High Yield Paddy Soils of Yujiang County in the Past 40 Years [J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（4）：937–942.

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200309，2018YFD0301104-01）、中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2018M640530）與江蘇省博士后基金項(xiàng)目（2018K202C）共同資助Supported by the National Key Research and Development Program of China（Nos. 2016YFD0200309 and 2018YFD0301104-01），the Postdoctoral Science Foundation of China（No. 2018M640530）and the Postdoctoral Foundation of Jiangsu Province in China（No. 2018K202C）

，E-mail：zhpli@issas.ac.cn

李委濤（1987—），男，河南開封人，博士，主要研究土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的微生物學(xué)機(jī)制。E-mail：wtli@issas.ac.cn

2019–04–18；

2019–07–18；

2019–08–20

（責(zé)任編輯：陳榮府）