葉會(huì)財(cái)，李大明，胡志華，胡丹丹，宋惠潔，萬(wàn)長(zhǎng)艷，胡惠文，柳開樓

（江西省紅壤研究所，江西進(jìn)賢 331717）

0 引言

紅壤性水稻土是中國(guó)南方水稻生產(chǎn)最重要的土壤類型，維護(hù)和提高其耕地質(zhì)量對(duì)保障中國(guó)糧食生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。有機(jī)碳含量是土壤最重要的肥力指標(biāo)之一，土壤碳儲(chǔ)量是陸地碳庫(kù)的核心組成部分[1-3]，農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化對(duì)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變化的影響具有重要意義[4-5]，分析長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量的變化對(duì)科學(xué)施肥、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的理論意義。研究表明，利用土壤固定大氣中的二氧化碳是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的重要途徑[6]，水田種植比旱地種植能顯著提升土壤有機(jī)碳濃度[7]。平衡施用化肥，單施有機(jī)肥，有機(jī)肥與化肥配施均能顯著提升土壤有機(jī)碳含量[8-10]。國(guó)外對(duì)土壤固碳潛力也有很多研究[11-13]，大多以發(fā)達(dá)國(guó)家旱地的保護(hù)性耕作為對(duì)象，對(duì)中國(guó)特定的土壤類型和農(nóng)作方式不一定適用[14-16]，而中國(guó)的相關(guān)研究起步較晚，結(jié)果也比較粗略[17]，相關(guān)研究以土壤有機(jī)碳的提高途徑和轉(zhuǎn)化機(jī)理為多。本研究以江西省紅壤研究所1981年設(shè)立的紅壤稻田化肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為平臺(tái)，探討紅壤雙季稻種植下不同施肥對(duì)作物產(chǎn)量和土壤固碳效應(yīng)的影響。明確長(zhǎng)期施肥下耕層土壤有機(jī)碳含量與儲(chǔ)量的變化特征，以及有機(jī)碳投入與水稻產(chǎn)量和有機(jī)碳儲(chǔ)量的相互關(guān)系，為紅壤稻田培肥及持續(xù)豐產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，也為評(píng)價(jià)中國(guó)水稻生產(chǎn)對(duì)大氣碳循環(huán)的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究以江西省紅壤研究所于1981年設(shè)立的紅壤稻田化肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為平臺(tái)，位于江西省進(jìn)賢縣張公鎮(zhèn)(116°20′24″N、28°15′30″E)。中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量1537 mm，年均氣溫18.0℃。供試土壤類型為第四紀(jì)紅粘土發(fā)育的中度潴育型水稻土，剖面構(gòu)型為A-P-W1-W2-C。試驗(yàn)開始于1981年，為雙季稻作制，耕層土壤基礎(chǔ)肥力（表1）如下。

表1 試驗(yàn)前土壤肥力

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)氮磷鉀(NPK)、2倍氮磷鉀(NPK2)、氮磷鉀配施有機(jī)肥（NPKM，早晚稻有機(jī)肥分別為紫云英和豬糞）、不施肥(CK)4個(gè)處理，施肥量見表2，其中紫云英和豬糞為鮮重。3次重復(fù)，隨機(jī)排列，大田試驗(yàn)，小區(qū)面積46.7 m2。早稻、晚稻化肥施用量一致，氮磷鉀化肥種類分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀；N肥基蘗穗肥比例為4:3:3，鉀肥基蘗穗肥比例為5:0:5，磷肥和有機(jī)肥全部作基肥。小區(qū)間用水泥田埂隔開，水肥不相互滲串。雙季稻手插秧種植，水稻品種每5年更換一次，密度為20×20 cm。統(tǒng)一播種、移栽、施肥、打藥和灌溉等日常管理措施。

表2 紅壤性水稻土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)施肥量

1.3 采樣與分析方法

晚稻收獲后用5點(diǎn)采樣法采取耕層土樣，風(fēng)干研磨過篩。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測(cè)定[18]。水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量為小區(qū)實(shí)際產(chǎn)量，各小區(qū)單收單打單曬，曬干后稱重測(cè)產(chǎn)。

1.4 計(jì)算公式

有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)的計(jì)算見公式(1)。

式中Ct為耕層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)，d為耕層厚度(m)，BDt為土壤容重(t/m3)，10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

作物碳投入(kg/hm2)的計(jì)算見公式(2)。

式中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(jìn)入地下部分的碳的比例；Dγ為根系生物量分布在0～20 cm土層的比例。Rs為留茬占秸稈的比例，W和Ccrop(g/kg)分別為水稻地上部分風(fēng)干樣的含水量和含碳量。

有機(jī)肥碳投入(kg/hm2)的計(jì)算見公式(3)。

式中ManureC有機(jī)肥的有機(jī)碳含量(g/kg)；W為有機(jī)肥含水量(%)；A為有機(jī)肥鮮基施用量[kg/(hm2·a)]。

固碳效率(%)的計(jì)算見公式(4)。

式中SOCstock-t和SOCstock-c分別代表處理和對(duì)照有機(jī)碳儲(chǔ)量，Cinput-t和Cinput-c分別代表處理和對(duì)照有機(jī)碳投入[19]。

固碳速率(%)的計(jì)算見公式(5)。

式中SOCstock-t和SOCstock-c分別代表處理和對(duì)照有機(jī)碳儲(chǔ)量，n代表累積年份。

1.5 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

采用Excel 2003整理分析與作圖，采用DPS 7.05統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法，P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層土壤有機(jī)碳含量的影響

長(zhǎng)期不同施肥條件下，紅壤性水稻土耕層土壤有機(jī)碳含量變化見圖1。試驗(yàn)前基礎(chǔ)土樣有機(jī)碳含量為16.3 g/kg，試驗(yàn)37年，所有處理包括CK耕層土壤有機(jī)碳含量均呈上升趨勢(shì)，上升速率由快到慢依次為：NPKM＞NPK2＞NPK＞CK。與長(zhǎng)期不施肥處理CK相比，各施肥處理的土壤有機(jī)碳含量均顯著提高。37年后，NPKM處理的土壤有機(jī)碳含量增加到22.7 g/kg，分別比NPK、NPK2和CK處理高23.4%、24.7%和30.5%，比試驗(yàn)前增加了6.4 g/kg，年均增速為0.17 g/kg，增速顯著高于NPK和NPK2處理；NPK、NPK2處理的土壤有機(jī)碳含量比CK處理分別增加了5.7%和4.6%，NPK2處理土壤有機(jī)碳含量與NPK處理間差異不顯著。這說明在紅壤性水稻土上，氮磷鉀化肥與有機(jī)肥配合施用是提高土壤有機(jī)碳含量，培肥土壤的有效施肥措施。

圖1 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

2.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)水稻年產(chǎn)量的影響

圖2 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

長(zhǎng)期不同施肥條件下，水稻年產(chǎn)量變化見圖2。CK處理水稻年產(chǎn)量由于土壤養(yǎng)分的逐漸消耗而呈下降趨勢(shì)，其他處理水稻年產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)，不同年際水稻產(chǎn)量的波動(dòng)較大，其中有氣候原因，也有水稻品種的原因。試驗(yàn)第一年，除CK處理外，其他處理水稻產(chǎn)量相差不大，產(chǎn)量最低的NPK處理為9529 kg/hm2，產(chǎn)量最高的NPKM處理為10001 kg/hm2，分別比CK、NPK、NPK2處理高39.0%、4.95%、3.3%。試驗(yàn)37年，不同處理間的水稻產(chǎn)量差異有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)，37年后產(chǎn)量最低的CK處理年產(chǎn)量為5767 kg/hm2，產(chǎn)量最高的NPKM處理水稻年產(chǎn)量為14903 kg/hm2，分別比CK、NPK、NPK2處理高158.4%、42.4%、9.1%。NPKM處理水稻產(chǎn)量始終顯著高于NPK2和NPK處理，說明氮磷鉀與有機(jī)肥配施是促進(jìn)水稻持續(xù)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效施肥措施。NPK2處理水稻產(chǎn)量也始終高于NPK處理，并且產(chǎn)量差距也有擴(kuò)大趨勢(shì)，原因可能是NPK處理的施肥量偏低，N、P2O5、K2O施用量分別為90、45、75 kg/hm2，隨著水稻品種的改善和種植管理水平的提高，相應(yīng)的施肥量越來越不能滿足作物的需要。

2.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤性水稻土有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

不同施肥措施可以顯著影響紅壤性水稻土的有機(jī)碳儲(chǔ)量（表3）。試驗(yàn)37年后，NPK、NPK2、NPKM、CK處理耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別比試驗(yàn)前上升了6.5、7.2、12.7、3.6 t/hm2，提高幅度分別為19.5%、21.4%、37.9%和10.9%。37年間，NPK、NPK2和NPKM處理固碳速率分別為0.18、0.19、0.34、0.10 t/(hm2·a)。37年后，NPK、NPK2和NPKM處理耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別比CK處理高2.9、3.5、9.1 t/hm2。NPKM處理分別比NPK、NPK2處理增加 6.2、5.5 t/hm2。所有處理包括CK的耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均不同程度上升，說明在不同施肥措施下，紅壤稻田系統(tǒng)在雙季稻種植模式下均可以實(shí)現(xiàn)碳的固定，為溫室氣體減排做出貢獻(xiàn)；施用化肥會(huì)增加作物產(chǎn)量和土壤碳投入，從而提高耕層土壤碳儲(chǔ)量；氮磷鉀化肥與有機(jī)肥配施，是提高紅壤性水稻土有機(jī)碳儲(chǔ)量的有效的施肥方式。

表3 長(zhǎng)期施肥下耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化

2.4 累積碳投入與有機(jī)碳儲(chǔ)量的響應(yīng)關(guān)系

不同施肥處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與累積碳投入的關(guān)系見圖3，所有處理有機(jī)碳儲(chǔ)量均隨累積碳投入的增加而升高，二者均呈直線顯著正相關(guān)關(guān)系，NPK、NPK2、NPKM、CK處理的線性方程分別為式(6)～(9)。NPK、NPK2和NPKM 3個(gè)處理的固碳效率分別為32.7%、25.9%、35.0%。這說明增加有機(jī)碳投入可以顯著提高紅壤性水稻土的有機(jī)碳儲(chǔ)量，增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳固定，并提高固碳效率。

式中y為有機(jī)碳儲(chǔ)量，x為累積碳投入。

2.5 有機(jī)碳含量與產(chǎn)量的響應(yīng)關(guān)系

有機(jī)碳含量是土壤最重要的肥力指標(biāo)之一。長(zhǎng)期不同施肥處理土壤有機(jī)碳含量顯著變化，本研究所有處理的土壤有機(jī)碳與水稻產(chǎn)量之間呈顯著直線正相關(guān)（圖2），直線方程見式(10)。

其中y為水稻產(chǎn)量，x為有機(jī)碳含量入，R2=0.3683，P＜0.05。

3 討論

圖3 不同施肥處理累積碳投入對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

圖4 有機(jī)碳含量與水稻產(chǎn)量的關(guān)系

有機(jī)碳含量是土壤質(zhì)量和土地可持續(xù)利用的重要指標(biāo)[20]。土壤有機(jī)碳的演變是一個(gè)長(zhǎng)期而復(fù)雜的過程，這一過程受很多因素的影響，其中施肥尤其是施用有機(jī)肥是調(diào)控土壤有機(jī)碳的重要措施之一[21]。本研究中，所有處理包括長(zhǎng)期不施肥的CK，連續(xù)37年的雙季稻種植后，其土壤有機(jī)碳含量均為緩慢增加的趨勢(shì)，主要原因是水稻根茬和植株殘?bào)w對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)。雖然不同施肥措施都可以增加土壤有機(jī)碳含量，但有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)顯著優(yōu)于單獨(dú)施用無(wú)機(jī)肥的處理，這一結(jié)果也與此前的報(bào)道一致[22-23]。本研究中有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理的水稻產(chǎn)量在不同試驗(yàn)?zāi)晗蘧@著高于其他處理，說明有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施在增加土壤碳庫(kù)的同時(shí)也促進(jìn)了水稻持續(xù)豐產(chǎn)。

紅壤稻田雙季稻種植下，土壤有機(jī)碳含量增加的同時(shí)，儲(chǔ)量也相應(yīng)的增加。研究表明，土壤有機(jī)碳約占陸地生物碳的2.4倍，其固存與排放的平衡不僅影響土壤肥力和作物產(chǎn)量，對(duì)全球氣候變化也有重要影響[24]。外源有機(jī)碳投入在土壤中存在分解礦化、淋溶和遷移、風(fēng)和表面徑流侵蝕等3個(gè)過程[25]，不能全部轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳，本研究中，不同施肥處理土壤的固碳效率在25.9%～35.0%之間，碳的損失在65.0%～74.1%之間，符合蔡岸冬[26]土壤有機(jī)碳固定效率的理論最大值約為44.6%的分析結(jié)果，柳開樓等[27]研究顯示，紅壤旱地的固碳效率為8.6%，蔡岸冬等[19]則認(rèn)為這一值為10.6%，結(jié)果的差異可能與氣候、種植管理及土壤類型等有關(guān)。本研究對(duì)土壤碳的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理沒有進(jìn)行深入的研究，只對(duì)碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)作了分析，與NPK處理相比，NPKM處理有機(jī)碳儲(chǔ)量增加了6.2 t/hm2。因此，無(wú)論從土壤培肥、作物增產(chǎn)還是農(nóng)田固碳來說，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施都具有顯著作用，是紅壤性水稻土建議推薦的施肥模式。

4 結(jié)論

（1）紅壤稻田雙季稻種植模式下，CK和不同施肥處理，由于作物殘?bào)w和有機(jī)肥的碳投入，均可以增加土壤碳儲(chǔ)量，實(shí)現(xiàn)碳的固存，施肥由于增加了碳投入，土壤碳儲(chǔ)量相應(yīng)提高。

（2）土壤有機(jī)碳含量與水稻產(chǎn)量間呈顯著直線正相關(guān)。

（3）氮磷鉀化肥與有機(jī)肥配施是提高土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量，培肥土壤，促進(jìn)水稻持續(xù)豐產(chǎn)，并提高固碳效率的最有效施肥措施。