長期施肥下紅壤性水稻土固碳效應特征

葉會財，李大明，胡志華，胡丹丹，宋惠潔，萬長艷，胡惠文，柳開樓

（江西省紅壤研究所，江西進賢 331717）

0 引言

紅壤性水稻土是中國南方水稻生產最重要的土壤類型，維護和提高其耕地質量對保障中國糧食生產，實現農業可持續健康發展具有重要意義。有機碳含量是土壤最重要的肥力指標之一，土壤碳儲量是陸地碳庫的核心組成部分[1-3]，農田土壤有機碳儲量變化對評價農業對氣候變化的影響具有重要意義[4-5]，分析長期施肥對土壤有機碳含量和儲量的變化對科學施肥、保護生態環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對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碳濃度[7]。平衡施用化肥，單施有機肥，有機肥與化肥配施均能顯著提升土壤有機碳含量[8-10]。國外對土壤固碳潛力也有很多研究[11-13]，大多以發達國家旱地的保護性耕作為對象，對中國特定的土壤類型和農作方式不一定適用[14-16]，而中國的相關研究起步較晚，結果也比較粗略[17]，相關研究以土壤有機碳的提高途徑和轉化機理為多。本研究以江西省紅壤研究所1981年設立的紅壤稻田化肥長期定位試驗為平臺，探討紅壤雙季稻種植下不同施肥對作物產量和土壤固碳效應的影響。明確長期施肥下耕層土壤有機碳含量與儲量的變化特征，以及有機碳投入與水稻產量和有機碳儲量的相互關系，為紅壤稻田培肥及持續豐產提供科學依據，也為評價中國水稻生產對大氣碳循環的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

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

表1 試驗前土壤肥力

1.2 試驗設計

設氮磷鉀(NPK)、2倍氮磷鉀(NPK2)、氮磷鉀配施有機肥（NPKM，早晚稻有機肥分別為紫云英和豬糞）、不施肥(CK)4個處理，施肥量見表2，其中紫云英和豬糞為鮮重。3次重復，隨機排列，大田試驗，小區面積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，磷肥和有機肥全部作基肥。小區間用水泥田埂隔開，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 紅壤性水稻土長期定位試驗施肥量

1.3 采樣與分析方法

晚稻收獲后用5點采樣法采取耕層土樣，風干研磨過篩。土壤容重采用環刀法測定，土壤有機碳采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測定[18]。水稻籽粒和秸稈產量為小區實際產量，各小區單收單打單曬，曬干后稱重測產。

1.4 計算公式

有機碳儲量(t/hm2)的計算見公式(1)。

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

作物碳投入(kg/hm2)的計算見公式(2)。

式中Yg為作物籽粒產量(kg/hm2)，Ys是秸稈產量(kg/hm2)。R為光合作用進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干樣的含水量和含碳量。

有機肥碳投入(kg/hm2)的計算見公式(3)。

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

固碳效率(%)的計算見公式(4)。

式中SOCstock-t和SOCstock-c分別代表處理和對照有機碳儲量，Cinput-t和Cinput-c分別代表處理和對照有機碳投入[19]。

固碳速率(%)的計算見公式(5)。

式中SOCstock-t和SOCstock-c分別代表處理和對照有機碳儲量，n代表累積年份。

1.5 數據分析與統計

采用Excel 2003整理分析與作圖，采用DPS 7.05統計分析軟件對數據進行方差分析及差異顯著性檢驗(LSD法，P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 長期施肥對耕層土壤有機碳含量的影響

長期不同施肥條件下，紅壤性水稻土耕層土壤有機碳含量變化見圖1。試驗前基礎土樣有機碳含量為16.3 g/kg，試驗37年，所有處理包括CK耕層土壤有機碳含量均呈上升趨勢，上升速率由快到慢依次為：NPKM＞NPK2＞NPK＞CK。與長期不施肥處理CK相比，各施肥處理的土壤有機碳含量均顯著提高。37年后，NPKM處理的土壤有機碳含量增加到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處理的土壤有機碳含量比CK處理分別增加了5.7%和4.6%，NPK2處理土壤有機碳含量與NPK處理間差異不顯著。這說明在紅壤性水稻土上，氮磷鉀化肥與有機肥配合施用是提高土壤有機碳含量，培肥土壤的有效施肥措施。

圖1 長期不同施肥對土壤有機碳含量的影響

2.2 長期施肥對水稻年產量的影響

圖2 長期不同施肥對水稻產量的影響

長期不同施肥條件下，水稻年產量變化見圖2。CK處理水稻年產量由于土壤養分的逐漸消耗而呈下降趨勢，其他處理水稻年產量呈上升趨勢，不同年際水稻產量的波動較大，其中有氣候原因，也有水稻品種的原因。試驗第一年，除CK處理外，其他處理水稻產量相差不大，產量最低的NPK處理為9529 kg/hm2，產量最高的NPKM處理為10001 kg/hm2，分別比CK、NPK、NPK2處理高39.0%、4.95%、3.3%。試驗37年，不同處理間的水稻產量差異有逐漸擴大的趨勢，37年后產量最低的CK處理年產量為5767 kg/hm2，產量最高的NPKM處理水稻年產量為14903 kg/hm2，分別比CK、NPK、NPK2處理高158.4%、42.4%、9.1%。NPKM處理水稻產量始終顯著高于NPK2和NPK處理，說明氮磷鉀與有機肥配施是促進水稻持續增產穩產的有效施肥措施。NPK2處理水稻產量也始終高于NPK處理，并且產量差距也有擴大趨勢，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，相應的施肥量越來越不能滿足作物的需要。

2.3 長期施肥對紅壤性水稻土有機碳儲量的影響

不同施肥措施可以顯著影響紅壤性水稻土的有機碳儲量（表3）。試驗37年后，NPK、NPK2、NPKM、CK處理耕層土壤有機碳儲量分別比試驗前上升了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處理耕層土壤有機碳儲量分別比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的耕層土壤有機碳儲量均不同程度上升，說明在不同施肥措施下，紅壤稻田系統在雙季稻種植模式下均可以實現碳的固定，為溫室氣體減排做出貢獻；施用化肥會增加作物產量和土壤碳投入，從而提高耕層土壤碳儲量；氮磷鉀化肥與有機肥配施，是提高紅壤性水稻土有機碳儲量的有效的施肥方式。

表3 長期施肥下耕層土壤有機碳儲量變化

2.4 累積碳投入與有機碳儲量的響應關系

不同施肥處理土壤有機碳儲量與累積碳投入的關系見圖3，所有處理有機碳儲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關系，NPK、NPK2、NPKM、CK處理的線性方程分別為式(6)～(9)。NPK、NPK2和NPKM 3個處理的固碳效率分別為32.7%、25.9%、35.0%。這說明增加有機碳投入可以顯著提高紅壤性水稻土的有機碳儲量，增加農田生態系統的碳固定，并提高固碳效率。

式中y為有機碳儲量，x為累積碳投入。

2.5 有機碳含量與產量的響應關系

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

其中y為水稻產量，x為有機碳含量入，R2=0.3683，P＜0.05。

3 討論

圖3 不同施肥處理累積碳投入對有機碳儲量的影響

圖4 有機碳含量與水稻產量的關系

有機碳含量是土壤質量和土地可持續利用的重要指標[20]。土壤有機碳的演變是一個長期而復雜的過程，這一過程受很多因素的影響，其中施肥尤其是施用有機肥是調控土壤有機碳的重要措施之一[21]。本研究中，所有處理包括長期不施肥的CK，連續37年的雙季稻種植后，其土壤有機碳含量均為緩慢增加的趨勢，主要原因是水稻根茬和植株殘體對土壤有機碳的貢獻。雖然不同施肥措施都可以增加土壤有機碳含量，但有機無機肥配施對土壤有機碳的貢獻顯著優于單獨施用無機肥的處理，這一結果也與此前的報道一致[22-23]。本研究中有機無機配施處理的水稻產量在不同試驗年限均顯著高于其他處理，說明有機無機肥配施在增加土壤碳庫的同時也促進了水稻持續豐產。

紅壤稻田雙季稻種植下，土壤有機碳含量增加的同時，儲量也相應的增加。研究表明，土壤有機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量，對全球氣候變化也有重要影響[24]。外源有機碳投入在土壤中存在分解礦化、淋溶和遷移、風和表面徑流侵蝕等3個過程[25]，不能全部轉化為土壤有機碳，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]土壤有機碳固定效率的理論最大值約為44.6%的分析結果，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]則認為這一值為10.6%，結果的差異可能與氣候、種植管理及土壤類型等有關。本研究對土壤碳的遷移轉化機理沒有進行深入的研究，只對碳儲量的變化趨勢作了分析，與NPK處理相比，NPKM處理有機碳儲量增加了6.2 t/hm2。因此，無論從土壤培肥、作物增產還是農田固碳來說，有機無機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，由于作物殘體和有機肥的碳投入，均可以增加土壤碳儲量，實現碳的固存，施肥由于增加了碳投入，土壤碳儲量相應提高。

（2）土壤有機碳含量與水稻產量間呈顯著直線正相關。

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