长期施肥下红壤性水稻土固碳效应特征

2021-01-15叶会财李大明胡志华胡丹丹宋惠洁万长艳胡惠文柳开楼

中国农学通报 2021年2期

叶会财，李大明，胡志华，胡丹丹，宋惠洁，万长艳，胡惠文，柳开楼

（江西省红壤研究所，江西进贤 331717）

0 引言

红壤性水稻土是中国南方水稻生产最重要的土壤类型，维护和提高其耕地质量对保障中国粮食生产，实现农业可持续健康发展具有重要意义。有机碳含量是土壤最重要的肥力指标之一，土壤碳储量是陆地碳库的核心组成部分[1-3]，农田土壤有机碳储量变化对评价农业对气候变化的影响具有重要意义[4-5]，分析长期施肥对土壤有机碳含量和储量的变化对科学施肥、保护生态环境具有重要的理论意义。研究表明，利用土壤固定大气中的二氧化碳是应对全球气候变化的重要途径[6]，水田种植比旱地种植能显著提升土壤有机碳浓度[7]。平衡施用化肥，单施有机肥，有机肥与化肥配施均能显著提升土壤有机碳含量[8-10]。国外对土壤固碳潜力也有很多研究[11-13]，大多以发达国家旱地的保护性耕作为对象，对中国特定的土壤类型和农作方式不一定适用[14-16]，而中国的相关研究起步较晚，结果也比较粗略[17]，相关研究以土壤有机碳的提高途径和转化机理为多。本研究以江西省红壤研究所1981年设立的红壤稻田化肥长期定位试验为平台，探讨红壤双季稻种植下不同施肥对作物产量和土壤固碳效应的影响。明确长期施肥下耕层土壤有机碳含量与储量的变化特征，以及有机碳投入与水稻产量和有机碳储量的相互关系，为红壤稻田培肥及持续丰产提供科学依据，也为评价中国水稻生产对大气碳循环的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究以江西省红壤研究所于1981年设立的红壤稻田化肥长期定位试验为平台，位于江西省进贤县张公镇(116°20′24″N、28°15′30″E)。中亚热带季风气候，年均降雨量1537 mm，年均气温18.0℃。供试土壤类型为第四纪红粘土发育的中度潴育型水稻土，剖面构型为A-P-W1-W2-C。试验开始于1981年，为双季稻作制，耕层土壤基础肥力（表1）如下。

表1 试验前土壤肥力

1.2 试验设计

设氮磷钾(NPK)、2倍氮磷钾(NPK2)、氮磷钾配施有机肥（NPKM，早晚稻有机肥分别为紫云英和猪粪）、不施肥(CK)4个处理，施肥量见表2，其中紫云英和猪粪为鲜重。3次重复，随机排列，大田试验，小区面积46.7 m2。早稻、晚稻化肥施用量一致，氮磷钾化肥种类分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾；N肥基蘖穗肥比例为4:3:3，钾肥基蘖穗肥比例为5:0:5，磷肥和有机肥全部作基肥。小区间用水泥田埂隔开，水肥不相互渗串。双季稻手插秧种植，水稻品种每5年更换一次，密度为20×20 cm。统一播种、移栽、施肥、打药和灌溉等日常管理措施。

表2 红壤性水稻土长期定位试验施肥量

1.3 采样与分析方法

晚稻收获后用5点采样法采取耕层土样，风干研磨过筛。土壤容重采用环刀法测定，土壤有机碳采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法测定[18]。水稻籽粒和秸秆产量为小区实际产量，各小区单收单打单晒，晒干后称重测产。

1.4 计算公式

有机碳储量(t/hm2)的计算见公式(1)。

式中Ct为耕层土壤有机碳含量(g/kg)，d为耕层厚度(m)，BDt为土壤容重(t/m3)，10为单位转换系数。

作物碳投入(kg/hm2)的计算见公式(2)。

式中Yg为作物籽粒产量(kg/hm2)，Ys是秸秆产量(kg/hm2)。R为光合作用进入地下部分的碳的比例；Dγ为根系生物量分布在0～20 cm土层的比例。Rs为留茬占秸秆的比例，W和Ccrop(g/kg)分别为水稻地上部分风干样的含水量和含碳量。

有机肥碳投入(kg/hm2)的计算见公式(3)。

式中ManureC有机肥的有机碳含量(g/kg)；W为有机肥含水量(%)；A为有机肥鲜基施用量[kg/(hm2·a)]。

固碳效率(%)的计算见公式(4)。

式中SOCstock-t和SOCstock-c分别代表处理和对照有机碳储量，Cinput-t和Cinput-c分别代表处理和对照有机碳投入[19]。

固碳速率(%)的计算见公式(5)。

式中SOCstock-t和SOCstock-c分别代表处理和对照有机碳储量，n代表累积年份。

1.5 数据分析与统计

采用Excel 2003整理分析与作图，采用DPS 7.05统计分析软件对数据进行方差分析及差异显著性检验(LSD法，P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对耕层土壤有机碳含量的影响

长期不同施肥条件下，红壤性水稻土耕层土壤有机碳含量变化见图1。试验前基础土样有机碳含量为16.3 g/kg，试验37年，所有处理包括CK耕层土壤有机碳含量均呈上升趋势，上升速率由快到慢依次为：NPKM＞NPK2＞NPK＞CK。与长期不施肥处理CK相比，各施肥处理的土壤有机碳含量均显著提高。37年后，NPKM处理的土壤有机碳含量增加到22.7 g/kg，分别比NPK、NPK2和CK处理高23.4%、24.7%和30.5%，比试验前增加了6.4 g/kg，年均增速为0.17 g/kg，增速显著高于NPK和NPK2处理；NPK、NPK2处理的土壤有机碳含量比CK处理分别增加了5.7%和4.6%，NPK2处理土壤有机碳含量与NPK处理间差异不显著。这说明在红壤性水稻土上，氮磷钾化肥与有机肥配合施用是提高土壤有机碳含量，培肥土壤的有效施肥措施。

图1 长期不同施肥对土壤有机碳含量的影响

2.2 长期施肥对水稻年产量的影响

图2 长期不同施肥对水稻产量的影响

长期不同施肥条件下，水稻年产量变化见图2。CK处理水稻年产量由于土壤养分的逐渐消耗而呈下降趋势，其他处理水稻年产量呈上升趋势，不同年际水稻产量的波动较大，其中有气候原因，也有水稻品种的原因。试验第一年，除CK处理外，其他处理水稻产量相差不大，产量最低的NPK处理为9529 kg/hm2，产量最高的NPKM处理为10001 kg/hm2，分别比CK、NPK、NPK2处理高39.0%、4.95%、3.3%。试验37年，不同处理间的水稻产量差异有逐渐扩大的趋势，37年后产量最低的CK处理年产量为5767 kg/hm2，产量最高的NPKM处理水稻年产量为14903 kg/hm2，分别比CK、NPK、NPK2处理高158.4%、42.4%、9.1%。NPKM处理水稻产量始终显著高于NPK2和NPK处理，说明氮磷钾与有机肥配施是促进水稻持续增产稳产的有效施肥措施。NPK2处理水稻产量也始终高于NPK处理，并且产量差距也有扩大趋势，原因可能是NPK处理的施肥量偏低，N、P2O5、K2O施用量分别为90、45、75 kg/hm2，随着水稻品种的改善和种植管理水平的提高，相应的施肥量越来越不能满足作物的需要。

2.3 长期施肥对红壤性水稻土有机碳储量的影响

不同施肥措施可以显著影响红壤性水稻土的有机碳储量（表3）。试验37年后，NPK、NPK2、NPKM、CK处理耕层土壤有机碳储量分别比试验前上升了6.5、7.2、12.7、3.6 t/hm2，提高幅度分别为19.5%、21.4%、37.9%和10.9%。37年间，NPK、NPK2和NPKM处理固碳速率分别为0.18、0.19、0.34、0.10 t/(hm2·a)。37年后，NPK、NPK2和NPKM处理耕层土壤有机碳储量分别比CK处理高2.9、3.5、9.1 t/hm2。NPKM处理分别比NPK、NPK2处理增加 6.2、5.5 t/hm2。所有处理包括CK的耕层土壤有机碳储量均不同程度上升，说明在不同施肥措施下，红壤稻田系统在双季稻种植模式下均可以实现碳的固定，为温室气体减排做出贡献；施用化肥会增加作物产量和土壤碳投入，从而提高耕层土壤碳储量；氮磷钾化肥与有机肥配施，是提高红壤性水稻土有机碳储量的有效的施肥方式。

表3 长期施肥下耕层土壤有机碳储量变化

2.4 累积碳投入与有机碳储量的响应关系

不同施肥处理土壤有机碳储量与累积碳投入的关系见图3，所有处理有机碳储量均随累积碳投入的增加而升高，二者均呈直线显著正相关关系，NPK、NPK2、NPKM、CK处理的线性方程分别为式(6)～(9)。NPK、NPK2和NPKM 3个处理的固碳效率分别为32.7%、25.9%、35.0%。这说明增加有机碳投入可以显著提高红壤性水稻土的有机碳储量，增加农田生态系统的碳固定，并提高固碳效率。

式中y为有机碳储量，x为累积碳投入。

2.5 有机碳含量与产量的响应关系

有机碳含量是土壤最重要的肥力指标之一。长期不同施肥处理土壤有机碳含量显著变化，本研究所有处理的土壤有机碳与水稻产量之间呈显著直线正相关（图2），直线方程见式(10)。

其中y为水稻产量，x为有机碳含量入，R2=0.3683，P＜0.05。

3 讨论

图3 不同施肥处理累积碳投入对有机碳储量的影响

图4 有机碳含量与水稻产量的关系

有机碳含量是土壤质量和土地可持续利用的重要指标[20]。土壤有机碳的演变是一个长期而复杂的过程，这一过程受很多因素的影响，其中施肥尤其是施用有机肥是调控土壤有机碳的重要措施之一[21]。本研究中，所有处理包括长期不施肥的CK，连续37年的双季稻种植后，其土壤有机碳含量均为缓慢增加的趋势，主要原因是水稻根茬和植株残体对土壤有机碳的贡献。虽然不同施肥措施都可以增加土壤有机碳含量，但有机无机肥配施对土壤有机碳的贡献显著优于单独施用无机肥的处理，这一结果也与此前的报道一致[22-23]。本研究中有机无机配施处理的水稻产量在不同试验年限均显著高于其他处理，说明有机无机肥配施在增加土壤碳库的同时也促进了水稻持续丰产。

红壤稻田双季稻种植下，土壤有机碳含量增加的同时，储量也相应的增加。研究表明，土壤有机碳约占陆地生物碳的2.4倍，其固存与排放的平衡不仅影响土壤肥力和作物产量，对全球气候变化也有重要影响[24]。外源有机碳投入在土壤中存在分解矿化、淋溶和迁移、风和表面径流侵蚀等3个过程[25]，不能全部转化为土壤有机碳，本研究中，不同施肥处理土壤的固碳效率在25.9%～35.0%之间，碳的损失在65.0%～74.1%之间，符合蔡岸冬[26]土壤有机碳固定效率的理论最大值约为44.6%的分析结果，柳开楼等[27]研究显示，红壤旱地的固碳效率为8.6%，蔡岸冬等[19]则认为这一值为10.6%，结果的差异可能与气候、种植管理及土壤类型等有关。本研究对土壤碳的迁移转化机理没有进行深入的研究，只对碳储量的变化趋势作了分析，与NPK处理相比，NPKM处理有机碳储量增加了6.2 t/hm2。因此，无论从土壤培肥、作物增产还是农田固碳来说，有机无机肥配施都具有显著作用，是红壤性水稻土建议推荐的施肥模式。