沈 姣, 王小國(guó), 馬 晗

(1.中國(guó)科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 成都 610041; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫, 其微小的變化都會(huì)對(duì)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(duì)全球氣候變化起著重要作用[1]。農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫是土壤有機(jī)碳輸入和輸出動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果, 主要輸入源包括植物殘?bào)w和有機(jī)物料等, 輸出主要包括土壤異養(yǎng)呼吸以及泥沙有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳(DOC)隨徑流遷移的水文過程等[2]。

目前有關(guān)土壤有機(jī)碳?xì)鈶B(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(jī)質(zhì)含量、土壤C/N、土壤團(tuán)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(jī)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(jī)碳含量存在顯著的相關(guān)性。與氣態(tài)損失相比, 有機(jī)碳徑流損失過程相對(duì)復(fù)雜, 除了在降雨過程中以泥沙結(jié)合態(tài)有機(jī)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(jī)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(dǎo)地位, 水土流失嚴(yán)重, 研究表明泥沙承載的有機(jī)碳是該地區(qū)土壤有機(jī)碳坡面遷移的最主要途徑[6]; 南方紅壤地區(qū)的有機(jī)碳選擇性遷移受降雨影響較大, 長(zhǎng)時(shí)間均勻降雨時(shí), 有機(jī)碳遷移以壤中流DOC為主, 突發(fā)型降雨時(shí)地表徑流產(chǎn)流比例增加[7-8]。而紫色土的有機(jī)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(jī)碳總徑流損失通量的99%以上, 并且以壤中流DOC損失為主, 因?yàn)樽仙镣翆訙\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(zhǎng)江上游重要的耕地資源, 土壤受降雨侵蝕嚴(yán)重, 土壤有機(jī)碳含量普遍偏低, 并且呈逐年下降趨勢(shì)。因此, 研究施肥對(duì)紫色土有機(jī)碳庫的影響具有重要意義。然而, 以往對(duì)于土壤有機(jī)碳?xì)鈶B(tài)損失和徑流損失的研究都是相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)行, 缺乏同步觀測(cè)與試驗(yàn)研究。本文依托于中國(guó)科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站, 利用可同時(shí)觀測(cè)土壤有機(jī)碳?xì)怏w排放和徑流遷移的試驗(yàn)小區(qū), 研究不同施肥處理紫色土有機(jī)碳損失途徑及其通量, 為紫色土農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)管理和溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

觀測(cè)試驗(yàn)依托于中國(guó)科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)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(rùn)季風(fēng)氣候, 受東南季風(fēng)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)坡長(zhǎng)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(shè)有能同時(shí)測(cè)定地表徑流和壤中流的裝置(Freedrain Lysimeter), 并且在每個(gè)試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)碳?xì)鈶B(tài)損失過程和徑流損失過程的同步觀測(cè)(ZL2007100640686)。試驗(yàn)小區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 紫色土坡地土壤有機(jī)碳?xì)鈶B(tài)損失過程和徑流損失過程的同步觀測(cè)試驗(yàn)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(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理: 無肥對(duì)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(gè)處理分別設(shè)置3個(gè)重復(fù), 一個(gè)重復(fù)為一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。施肥試驗(yàn)始于2001年。試驗(yàn)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(jì))、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(jī)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(cè)得豬糞和當(dāng)季還田秸稈中全氮含量, 并按純氮總量進(jìn)行換算。無機(jī)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(cè)定

1.3.1 土壤異養(yǎng)呼吸速率的測(cè)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(zhǎng)×寬×高),插入土壤20 cm, 種植時(shí)底座內(nèi)單獨(dú)施肥但不播撒種子, 施肥比例與試驗(yàn)小區(qū)相同, 底座四周需要各留50 cm的間距避免植株對(duì)采氣微區(qū)內(nèi)碳平衡的干擾;頂箱為5面體結(jié)構(gòu), 長(zhǎng)、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(gè)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(shí)間均為早上9:00?11:00, 每個(gè)采樣點(diǎn)用60 mL注射器采集5個(gè)樣品, 每個(gè)樣品時(shí)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(shí)驗(yàn)室并在24 h內(nèi)完成CO2濃度測(cè)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(shí)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(dòng)后需要增加采樣頻率。CO2濃度利用美國(guó)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(cè)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(cè)得徑流池中地表徑流、壤中流的水位, 以計(jì)算其徑流量, 為減少人工測(cè)量帶來的誤差, 每個(gè)徑流池水位測(cè)量4次, 取平均值。水位測(cè)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(cè)定泥沙含量, 1瓶用于測(cè)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?jǐn)嚢杌靹蜓杆俨杉旌蠘?。徑流樣品送回?shí)驗(yàn)室后, 先過0.45 μm濾膜,過濾液用流動(dòng)分析儀(AA3, SEAL, German) DOC分析模塊進(jìn)行在線測(cè)試測(cè)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(cè)定其重量以計(jì)算泥沙含量, 烘干的泥沙用元素分析儀測(cè)定其有機(jī)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(shí)間的變化計(jì)算。計(jì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的摩爾體積(22.41×10?3m3),T0和P0分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣溫(237 K)和氣壓(1031 hPa),P為采樣點(diǎn)的氣壓(hPa),T為采樣時(shí)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(cè)值和未觀測(cè)日內(nèi)插法計(jì)算值逐日累加所得。計(jì)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(shí)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(zhǎng)期內(nèi)有效日排放通量觀測(cè)值的天數(shù)。

1.4.3 可溶性有機(jī)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(gè)重復(fù)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(jì)算公式為:

式中:Q為地表徑流或壤中流遷移負(fù)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(dòng)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(shí)間波動(dòng)上升, 至8月11日達(dá)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(shì)。與其他處理變化趨勢(shì)不同, RSDNPK處理的異養(yǎng)呼吸速率在施肥第1天就達(dá)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(gè)施肥處理(P<0.05), 在62.41～212.84 mg(CO2)?m?2?h?1波動(dòng),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(huì)對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸產(chǎn)生影響, 秸稈還田配施氮磷鉀肥對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸速率的促進(jìn)作用最大。

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

2.2 紫色土有機(jī)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(qiáng)與各施肥處理的徑流深。2020年玉米季累計(jì)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(qiáng)度為30.8 mm?h?1。試驗(yàn)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(jì)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(gè)處理(P<0.05); 壤中流累計(jì)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(cè)到了7次地表徑流產(chǎn)沙現(xiàn)象, OMNPK與RSDNPK處理觀測(cè)到了6次(圖4)。不同施肥處理地表徑流泥沙平均濃度順序?yàn)? 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(jī)碳損失通量均達(dá)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(shí)間的降雨強(qiáng)度最大, 對(duì)地表的沖刷強(qiáng)度大。玉米季各施肥處理的累計(jì)泥沙有機(jī)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(jī)碳損失通量顯著小于無肥對(duì)照組CK (P<0.05), 說明施加化肥、有機(jī)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(duì)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(jī)碳通量(圖柱為泥沙有機(jī)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(jī)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(yàn)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?yàn)樾←溂練埓娴纳锪侩S雨水的沖刷, 泥沙的遷移進(jìn)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(dá)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(jì)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?yàn)? 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(dá)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(jì)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(jī)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(jī)碳損失途徑及其通量

表2是試驗(yàn)期內(nèi)4種施肥處理紫色土有機(jī)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(dá)4155.87 kg(C)?hm?2, 有機(jī)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(jī)碳損失總通量均顯著大于CK(P<0.05), 說明施加無機(jī)肥、有機(jī)肥與秸稈還田均促進(jìn)土壤有機(jī)碳的損失。NPK和OMNPK處理的有機(jī)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(jī)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(jī)碳?xì)鈶B(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(jī)碳損失的主要途徑。

表2 不同施肥處理的土壤有機(jī)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(duì)紫色土異養(yǎng)呼吸的影響

施肥普遍促進(jìn)土壤異養(yǎng)呼吸, 不同施肥方式主要通過影響作物生長(zhǎng)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(duì)重慶紫色土的CO2排放進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明施氮磷鉀肥土壤累計(jì)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(zhǎng)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(huì)顯著增加; 張慶忠等[14]發(fā)現(xiàn)秸稈還田對(duì)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(jìn)土壤CO2排放的研究結(jié)果一致。主要是由于長(zhǎng)期單施化肥、化肥配施豬糞肥、化肥配施秸稈還田均能促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng), 從而增加植株凋落物輸入以及提高根際有機(jī)碳的輸入, 顯著提高土壤有機(jī)碳含量, 為微生物提供更多的活性底物, 促進(jìn)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?yàn)樵诒狙芯恐惺┘拥呢i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(jì)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(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)間接增加土壤有機(jī)碳含量, 還直接向土壤添加了外源有機(jī)質(zhì), 微生物量碳增加, 促進(jìn)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(jìn)土壤中的CO2向空氣中擴(kuò)散[20]。

3.2 施肥對(duì)紫色土有機(jī)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(jī)碳徑流損失的主要方式。這與前人對(duì)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(dú)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(qiáng), 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(dòng)極易匯集形成壤中流[10]。

施肥可以通過影響作物生長(zhǎng)、土壤的物理性質(zhì)等影響土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳損失通量顯著高于其他處理, 達(dá)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(shí), 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(jī)碳損失特征結(jié)果一致。究其原因主要包括3點(diǎn): 首先, CK相較于施肥處理土壤氮磷等養(yǎng)分供應(yīng)不足, 玉米生長(zhǎng)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(zhǎng)旺盛, 大大降低降雨對(duì)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(jī)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(huì)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(jī)碳(TOC)和可溶性有機(jī)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(duì)紫色土單位產(chǎn)量碳損失通量及土壤有機(jī)碳含量的影響

施加無機(jī)肥、有機(jī)肥均可以起到促進(jìn)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(jìn)產(chǎn)量的同時(shí)也促進(jìn)了土壤CO2排放, 加劇了土壤有機(jī)碳的損失, 對(duì)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(jī)碳損失對(duì)環(huán)境造成的污染負(fù)荷成為了重要的問題。2010年有學(xué)者為了平衡作物產(chǎn)量與溫室氣體排放, 將全球增溫潛勢(shì)GWP作為作物產(chǎn)量的函數(shù)進(jìn)行評(píng)估, 提出了單位產(chǎn)量全球增溫潛勢(shì)(yield-scaled GWP)的概念[28]。因此, 本文計(jì)算了不同施肥處理小區(qū)單位玉米產(chǎn)量的有機(jī)碳損失通量, 將作物經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境負(fù)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(jī)碳損失, 減少CO2排放的最佳施肥方案。

與土壤有機(jī)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(gè)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(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的2020年全國(guó)玉米產(chǎn)量(6317 kg?hm?2), 而RSDNPK處理的有機(jī)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(yīng)不足以抵消對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)荷。但是有大量研究表明, 秸稈還田可以有效增加土壤有機(jī)碳含量, 因此,本文對(duì)不同施肥處理的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表現(xiàn)為: RSDNPK>OMNPK>NPK>CK, 其中RSDNPK處理的土壤有機(jī)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(jī)碳輸入, 還直接向土壤中輸入了外源有機(jī)碳。因此本研究認(rèn)為在紫色土地區(qū)可以優(yōu)先考慮施加有機(jī)肥配施氮磷鉀肥,既能均衡作物產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳損失的關(guān)系, 還有利于土壤有機(jī)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(jī)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(duì)紫色土有機(jī)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(jī)肥、有機(jī)肥以及秸稈還田均會(huì)促進(jìn)土壤異養(yǎng)呼吸速率, 增加土壤CO2排放通量。其次, 施肥也會(huì)影響徑流過程中有機(jī)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(jìn)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(jī)碳?xì)鈶B(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(jī)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(jī)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(shí), 應(yīng)該注意把控CO2的排放。綜合作物產(chǎn)量, 施加無機(jī)肥、有機(jī)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(duì)照,其中OMNPK處理的土壤有機(jī)碳含量為5.86 g?kg?1,大于NPK處理, 說明施加有機(jī)肥有利于土壤有機(jī)碳的積累, 因此在紫色土地區(qū)可以優(yōu)先考慮施加有機(jī)肥配施氮磷鉀肥。