施肥对紫色土农田土壤有机碳损失过程的影响*

沈 姣, 王小国, 马 晗

(1.中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 成都 610041; 2.中国科学院大学 北京 100049)

土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库, 其微小的变化都会对全球碳循环产生重大影响, 农田土壤碳库作为其中最活跃的部分, 对全球气候变化起着重要作用[1]。农田土壤有机碳库是土壤有机碳输入和输出动态平衡的结果, 主要输入源包括植物残体和有机物料等, 输出主要包括土壤异养呼吸以及泥沙有机碳、可溶性有机碳(DOC)随径流迁移的水文过程等[2]。

目前有关土壤有机碳气态损失过程的研究较多,已经证明施肥作为重要的农业管理措施, 可以改变土壤有机质含量、土壤C/N、土壤团聚体结构以及土壤微生物群落结构等, 从而影响土壤CO2的释放过程[3]。陈涛等[4]的研究表明, 秸秆还田、有机肥配施氮磷钾肥的土壤CO2排放显著高于无肥处理土壤,并且土壤CO2排放量与土壤有机碳含量存在显著的相关性。与气态损失相比, 有机碳径流损失过程相对复杂, 除了在降雨过程中以泥沙结合态有机碳的形式随地表径流损失, 还可以以DOC的形式通过地表径流和壤中流迁移[5], 并且不同区域土壤有机碳径流损失过程不同。黄土高原地区坡度较大, 土壤颗粒中粉粒占主导地位, 水土流失严重, 研究表明泥沙承载的有机碳是该地区土壤有机碳坡面迁移的最主要途径[6]; 南方红壤地区的有机碳选择性迁移受降雨影响较大, 长时间均匀降雨时, 有机碳迁移以壤中流DOC为主, 突发型降雨时地表径流产流比例增加[7-8]。而紫色土的有机碳迁移特征与红壤、黄壤存在差异。熊子怡等[9]的研究表明, 紫色土地区径流DOC损失通量占土壤有机碳总径流损失通量的99%以上, 并且以壤中流DOC损失为主, 因为紫色土土层浅薄、质地疏松且页岩层透水性极差, 分布地降雨较多且集中在夏季, 壤中流发育更为活跃[10]。

紫色土作为长江上游重要的耕地资源, 土壤受降雨侵蚀严重, 土壤有机碳含量普遍偏低, 并且呈逐年下降趋势。因此, 研究施肥对紫色土有机碳库的影响具有重要意义。然而, 以往对于土壤有机碳气态损失和径流损失的研究都是相对独立的进行, 缺乏同步观测与试验研究。本文依托于中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站, 利用可同时观测土壤有机碳气体排放和径流迁移的试验小区, 研究不同施肥处理紫色土有机碳损失途径及其通量, 为紫色土农田土壤有机质管理和温室气体减排提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

观测试验依托于中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站。该站位于四川盆地中北部的盐亭县林山乡(105°27′E, 31°16′N), 地处涪江支流弥江、湍江的分水岭上, 该地区海拔400～600 m, 地形以中深丘陵为主, 属于典型的亚热带湿润季风气候, 受东南季风控制, 年平均温度为17.3 ℃, 极端最高气温40 ℃, 极端最低气温−5.1 ℃, 多年平均降雨量826 mm, 且降雨集中在夏季。供试土壤为蓬莱镇石灰性紫色土, 田间持水量为28.1%～37.8%, 平均土层厚度约20～60 cm,土壤母质为泥岩。

1.2 试验设计

试验小区坡长8 m, 宽度为4 m, 面积为32 m2, 土层厚度约为60 cm, 坡向西北−东南, 坡度6°。小区设有能同时测定地表径流和壤中流的装置(Freedrain Lysimeter), 并且在每个试验小区坡底, 距离小区边缘50 cm处安放气样采集装置, 用于采集土壤排放的CO2, 实现土壤有机碳气态损失过程和径流损失过程的同步观测(ZL2007100640686)。试验小区示意图如图1所示。

图1 紫色土坡地土壤有机碳气态损失过程和径流损失过程的同步观测试验小区示意图[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]

试验共设置4个处理: 无肥对照(CK)、常规氮磷钾肥(NPK)、猪粪肥配施氮磷钾肥(OMNPK)、秸秆还田配施氮磷钾肥(RSDNPK), 每个处理分别设置3个重复, 一个重复为一个试验小区。施肥试验始于2001年。试验地采用冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)轮作种植制度, 2020年玉米于5月30日播种, 9月23日收获。玉米季常规施肥(NPK)处理施氮肥150 kg∙hm−2(以纯N计)、磷肥90 kg(P2O5)∙hm‒2、钾肥36 kg (K2O)∙hm−2, 除CK外, 各处理施肥总氮含量维持在同一水平, OMNPK与RSDNPK无机化肥的施氮量分别为总施氮量的60%、80%, 粪肥与秸秆分别占总施氮量的40%和20%。施肥前, 提前测得猪粪和当季还田秸秆中全氮含量, 并按纯氮总量进行换算。无机化肥氮肥为尿素, 磷肥为过磷酸钙, 钾肥为氯化钾, 施用猪粪为商品猪粪肥, 还田秸秆为上一季小麦秸秆。施肥方式采用基肥一次性于播种前人工施入, 耕作和施肥同步, 耕作方式为人工锄耕,深度为20 cm, 具体的施肥方案如表1所示。

表1 各处理的肥料类型及用量Table 1 Fertilizer types and application rates of each treatment

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤异养呼吸速率的测定

土壤异养呼吸速率采用的是静态暗箱-气相色谱法。采样箱由底座和顶箱两部分组成, 材质均为不锈钢。底座大小为50 cm×50 cm×20 cm (长×宽×高),插入土壤20 cm, 种植时底座内单独施肥但不播撒种子, 施肥比例与试验小区相同, 底座四周需要各留50 cm的间距避免植株对采气微区内碳平衡的干扰;顶箱为5面体结构, 长、宽、高和钢板厚度分别为500 mm、500 mm、500 mm和2.5 mm, 顶端装有1根压力平横管(Φ3.59 mm×6.22 cm), 侧面安装1个温度传感器和气体样品接口。

为减少土壤呼吸日变化差异的影响, 采样时间均为早上9:00−11:00, 每个采样点用60 mL注射器采集5个样品, 每个样品时间间隔为7 min, 所采气样放入收纳箱内避光暂存, 采集完成后立即送回实验室并在24 h内完成CO2浓度测定。自施肥后第2天开始采样, 施肥后第1周采样频率为每天1次, 第2周为两天1次, 其他时期为每周2次, 但在出现降雨、灌溉等能使土壤湿度发生剧烈变化的扰动后需要增加采样频率。CO2浓度利用美国安捷伦公司的气相色谱仪(GC, Agilent 7890A/B)分析。

1.3.2 径流水样的采集与测定

2020年玉米季每逢降雨采集径流样品。降雨产流结束后, 分别用钢尺测得径流池中地表径流、壤中流的水位, 以计算其径流量, 为减少人工测量带来的误差, 每个径流池水位测量4次, 取平均值。水位测定完成后, 用500 mL聚乙烯塑料瓶分别采集两瓶地表径流(1瓶用于测定泥沙含量, 1瓶用于测定DOC含量)和1瓶壤中流样品。采集地表径流样品前, 均需将径流池中水样充分搅拌混匀迅速采集混合样。径流样品送回实验室后, 先过0.45 μm滤膜,过滤液用流动分析仪(AA3, SEAL, German) DOC分析模块进行在线测试测定DOC浓度。地表径流水沙混合样用量筒量出体积, 静止48 h后小心弃去上清液, 泥沙转移入铝盒后再用经典烘干法测定其重量以计算泥沙含量, 烘干的泥沙用元素分析仪测定其有机碳含量。

1.4 数据分析与处理

1.4.1 土壤异养呼吸速率

单位面积的土壤异养呼吸速率通过CO2浓度随时间的变化计算。计算方法如下:

式中:F为土壤异养呼吸速率(μg∙m−2·h−1),M为气体摩尔质量(g∙mol−1),V0为标准状态下气体的摩尔体积(22.41×10−3m3),T0和P0分别为标准状态下的气温(237 K)和气压(1031 hPa),P为采样点的气压(hPa),T为采样时箱内的平均气温(K),dc/dt为采样箱内CO2浓度变化速率,H为采样箱的高度(cm),k为量纲转换系数。

1.4.2 CO2排放量

CO2排放量则通过观测值和未观测日内插法计算值逐日累加所得。计算方法如下:

式中:E代表CO2排放量[kg(C)·hm−1];k为量纲换算系数;Xi为第i天CO2的日排放通量值[mg(C)·m−2·d−1],将小时排放通量[μg(C)·m−2·h−1]乘以24 h而转换成日排放通量; Δt为相近两次日排放通量值间隔的天数(d);n为作物生长期内有效日排放通量观测值的天数。

1.4.3 可溶性有机碳(DOC)损失通量

历次降雨产流事件中DOC迁移通量为:

式中:Qi为地表径流或壤中流DOC损失通量(mg·m−2);Ci为地表径流或壤中流中DOC质量浓度(mg·L−1), 采用3个重复小区的平均值;qi为地表径流或壤中流单位面积径流深(mm)。

玉米季地表径流和壤中流DOC累积通量为历次产流事件中地表径流和壤中流DOC损失通量累加, 计算公式为:

式中:Q为地表径流或壤中流迁移负荷(mg·m−2),Qi为地表径流或壤中流DOC损失通量(mg∙m−2),n为降雨产流次数。

2 结果与分析

2.1 土壤异养呼吸速率动态

图2是2020年玉米季不同施肥处理下土壤异养呼吸速率。CK、NPK、OMKPH处理的异养呼吸速率在玉米生育前期随时间波动上升, 至8月11日达到峰值, 其中OMNPK处理的异养呼吸速率峰值为152.29 mg(CO2)∙m−2∙h−1, 高于CK和NPK处理, 此后开始呈下降趋势。与其他处理变化趋势不同, RSDNPK处理的异养呼吸速率在施肥第1天就达到了较高的水平[210.26 mg(CO2)∙m−2∙h−1], 直至8月11日, RSDNPK处理的异养呼吸速率一直显著高于其他3个施肥处理(P<0.05), 在62.41～212.84 mg(CO2)∙m−2∙h−1波动,8月11日后开始与其他处理同步下降。4种施肥处理的平均CO2排放速率也存在差异, CK、NPK、OMNPK、RSDNPK处理的平均异养呼吸速率分别为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处理的平均异养呼吸速率显著高于CK (P<0.05), 说明施肥均可以显著增加土壤异养呼吸速率; OMNPK与NPK的平均异养呼吸速率没有显著差异(P>0.05), 但显著小于RSDNPK, 说明施肥方式也会对土壤异养呼吸产生影响, 秸秆还田配施氮磷钾肥对土壤异养呼吸速率的促进作用最大。

图2 不同施肥处理的紫色土异养呼吸速率动态Fig.2 Dynamics of soil heterotrophic respiration rates under different fertilization treatments

2.2 紫色土有机碳径流损失特征

2.2.1 不同施肥处理下的产流产沙特征

图3为历次降雨产流事件中的降雨量、最大雨强与各施肥处理的径流深。2020年玉米季累计降雨514.6 mm, 单次降雨事件降雨量在21.7～163.6 mm之间, 最大降雨强度为30.8 mm∙h−1。试验区共观察到地表径流产流7次, 壤中流产流6次, CK处理的最大地表径流深为15.45 mm, 比NPK、OMNPK和RSDNPKCK的分别增加49.42%、37.09%和85.03%;壤中流最大产流出现在7月28日的降雨事件中, 4种施肥处理的径流深分别为77.90 mm、91.66 mm、113.03 mm和110.40 mm。累计地表径流深分别为45.25 mm、25.22 mm、32.31 mm和25.36 mm, CK显著大于其他3个处理(P<0.05); 壤中流累计径流深则表现为CK

图3 不同施肥处理的历次产流事件的径流深Fig.3 Runoff depth of every runoff event under different fertilization treatments

2020年玉米季CK与NPK处理观测到了7次地表径流产沙现象, OMNPK与RSDNPK处理观测到了6次(图4)。不同施肥处理地表径流泥沙平均浓度顺序为: CK>OMNPK>NPK>RSDNPK, CK处理的平均泥沙浓度为0.59 g∙L−1, 显著高于其他施肥处理(P<0.05), 与CK处理相比, NPK、OMNPK、RSDNPK的地表径流泥沙浓度分别降低74.00%、50.00%和86.00%。8月22日的产沙事件中, 4种施肥处理的泥沙有机碳损失通量均达到峰值, 分别为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, 可能是由于此次产流时间的降雨强度最大, 对地表的冲刷强度大。玉米季各施肥处理的累计泥沙有机碳损失通量分别为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的泥沙有机碳损失通量显著小于无肥对照组CK (P<0.05), 说明施加化肥、有机肥与秸秆还田均可以有效缓解紫色土的泥沙侵蚀, 并且施用秸秆对缓解泥沙侵蚀的效果最佳。

图4 历次产流事件中不同施肥处理的产沙特征和泥沙有机碳通量(图柱为泥沙有机碳通量, 曲线为泥沙浓度)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 不同施肥处理下可溶性有机碳(DOC)损失特征

图5A是各施肥处理地表径流DOC损失的变化情况。在施肥后第1次产流事件中, CK、NPK、OMNPK和RSDNPK处理的地表径流DOC损失浓度均为本试验周期内的最高值, 分别为3.55 mg∙L−1、3.99 mg∙L−1、4.04 mg∙L−1和3.49 mg∙L−1, 这可能是因为小麦季残存的生物量随雨水的冲刷, 泥沙的迁移进入地表径流。4种施肥处理历次产流事件中地表径流DOC平均损失浓度分别为2.24 mg∙L−1、2.89 mg∙L−1、2.93 mg∙L−1和2.45 mg∙L−1, 各处理间无显著差异。地表径流DOC损失通量在7月28日达到峰值,4种施肥处理的最高地表径流DOC损失通量分别为39.46 mg(C)∙m−2、29.77 mg(C)∙m−2、39.90 mg(C)∙m−2、19.62 mg(C)∙m−2, 累计地表径流DOC损失通量则表现为RSDNPK

图5B中, 壤中流DOC损失浓度的最小值出现在7月19日的CK处理, 为1.27 mg∙L−1, 同期的NPK、OMNPK、RSDNPK较CK分别增加71.65%、70.08%、92.13%。4种施肥处理的壤中流DOC浓度最高值分别为3.95 mg∙L−1、3.28 mg∙L−1、4.88 mg∙L−1和4.16 mg∙L−1。不同施肥处理历次产流事件壤中流DOC平均浓度顺序为: RSDNPK>OMNPK>NPK>CK, DOC平均浓度分别为3.20 mg∙L−1、2.71 mg∙L−1、2.44 mg∙L−1和2.10 mg∙L−1, RSDNPK处理的壤中流DOC浓度显著高于CK (P<0.05)。各施肥处理的地表径流DOC损失通量均在7月28日达峰值, 分别为150.04 mg(C)∙m−2、199.17 mg(C)∙m−2、246.77 mg(C)∙m−2、362.74 mg(C)∙m−2,壤中流累计DOC损失通量表现为CK

图5 历次产流事件中不同施肥处理的可溶性有机碳(DOC)迁移浓度及损失通量(图柱为DOC通量, 曲线为DOC浓度)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 紫色土有机碳损失途径及其通量

表2是试验期内4种施肥处理紫色土有机碳损失途径及通量。RSDNPK处理的土壤异养呼吸CO2排放通量显著高于其他处理(P<0.05), 达4155.87 kg(C)∙hm−2, 有机碳径流损失通量为9.01 kg(C)∙hm−2,也显著高于CK与NPK (P<0.05)。NPK、OMNPK和RSDNPK处理的有机碳损失总通量均显著大于CK(P<0.05), 说明施加无机肥、有机肥与秸秆还田均促进土壤有机碳的损失。NPK和OMNPK处理的有机碳径流损失通量没有显著性差异, 但均显著小于秸秆还田处理(P<0.05), RSDNPK处理的有机碳径流损失总通量为4164.87 kg(C)∙hm−2, 比CK、NPK和OMNPK的总损失通量分别增加163.23%、90.38%和71.28%。并且各施肥处理的有机碳气态损失占总通量比例均大于99%, 说明气态损失是紫色土有机碳损失的主要途径。

表2 不同施肥处理的土壤有机碳损失途径及通量Table 2 Pathways and amounts of soil organic carbon loss under different fertilization treatments

2.4 不同施肥处理下玉米产量

2020年4种施肥处理的玉米产量表现为:RSDNPK>OMNPK>NPK>CK (图6)。NPK、OMNPK和RSDNPK的玉米产量没有显著性差异, 分别为8188.41 kg∙hm−2、8385.69 kg∙hm−2和9188.41 kg∙hm−2,但均显著大于CK (P<0.05)。CK的玉米产量为1536.23 kg∙hm−2, 比NPK、OMNPK和RSDNPK分别减少81.24%、81.68%和83.28%, 说明施肥有显著增加作物产量的作用。

图6 不同施肥处理的玉米产量Fig.6 Maize yield under different fertilization treatments

3 讨论

3.1 施肥方式对紫色土异养呼吸的影响

施肥普遍促进土壤异养呼吸, 不同施肥方式主要通过影响作物生长以及土壤理化性质影响土壤异养呼吸速率及CO2排放通量。史书等[12]对重庆紫色土的CO2排放进行了研究, 结果表明施氮磷钾肥土壤累计CO2排放通量比不施肥增加18%; 道力格亚[13]的研究也表明了长期施肥下, 单施化肥、猪粪肥配施氮磷钾肥的土壤CO2排放通量会显著增加; 张庆忠等[14]发现秸秆还田对土壤CO2排放通量有显著影响, 并且在配施一定量氮肥的情形下, 秸秆还田量越大, 土壤CO2排放通量越高。在本研究中, 不同施肥处理下的土壤异养呼吸速率及CO2排放通量均表现为: RSDNPK>OMNPK>NPK>CK, 其中NPK、OMNPK和RSDNPK处理的土壤异养呼吸速率均显著高于CK, 与前人施肥普遍促进土壤CO2排放的研究结果一致。主要是由于长期单施化肥、化肥配施猪粪肥、化肥配施秸秆还田均能促进农作物生长, 从而增加植株凋落物输入以及提高根际有机碳的输入, 显著提高土壤有机碳含量, 为微生物提供更多的活性底物, 促进土壤微生物活性以提高土壤异养呼吸[15-16]。OMNPK处理的土壤异养呼吸速率及CO2排放通量虽然大于NPK处理土壤, 但是二者没有显著性差异,并且均显著低于RSDNPK处理土壤, 这与花可可等[17]的结论存在差异, 可能是因为在本研究中施加的猪粪为商品猪粪, 二者C/N存在差异, 并且商品猪粪所含微生物及酶的活性小于新鲜猪粪[18]。秸秆还田配施氮磷钾肥处理的累计CO2排放通量较其他处理增加0.71～1.64倍, 是由于秸秆还田不仅可以通过促进农作物生长间接增加土壤有机碳含量, 还直接向土壤添加了外源有机质, 微生物量碳增加, 促进微生物活性[19]; 并且研究表明秸秆还田还可以增加土壤透气性, 以促进土壤中的CO2向空气中扩散[20]。

3.2 施肥对紫色土有机碳径流损失的影响

在本研究中, 壤中流径流量占径流总量的80.48%～90.49%, 壤中流DOC损失通量占径流碳损失总通量的49.82%～92.11%, 说明壤中流DOC损失是紫色土有机碳径流损失的主要方式。这与前人对紫色土壤中流和地表径流损失特征的研究结果一致[21], 主要是由于紫色土具有独特的土壤-母岩二元结构体, 并且土层浅薄、质地疏松、入渗能力强, 水分下渗至透水性弱的紫色页岩层后难以继续下渗,沿坡侧向流动极易汇集形成壤中流[10]。

施肥可以通过影响作物生长、土壤的物理性质等影响土壤有机碳的径流损失过程。图7是2020年玉米季各施肥处理的土壤有机碳径流损失的途径和通量。从图中可以看出, CK处理的紫色土泥沙有机碳损失通量显著高于其他处理, 达2.63 kg(C)·hm−2,相较泥沙损失通量最低的RSDNPK处理增加了12倍, 而RSDNPK处理在有效缓解紫色土泥沙侵蚀的同时, 也显著增加了壤中流DOC流失通量, 与熊子怡等[9]研究的重庆紫色土可溶性有机碳损失特征结果一致。究其原因主要包括3点: 首先, CK相较于施肥处理土壤氮磷等养分供应不足, 玉米生长差,地表植被覆盖率低, 降雨直接击打冲刷地表, 泥沙更易随着地表径流损失[22]。而RSDNPK处理玉米生长旺盛, 大大降低降雨对土壤的冲刷。其次, 秸秆还田可以在土壤中形成多孔管道, 降低土壤容重, 提高土壤的水分入渗率和地表蓄水性[23], 而于维忠[24]的研究表明, 土壤的水分下渗率与壤中流产流量呈正相关关系, 并且秸秆有较高的机械阻滞作用, 从而减少地表径流的发生并且缓解泥沙侵蚀[25]。最后, 秸秆在分解过程中会向土壤释放出DOC, 部分DOC随着降雨以壤中流的形式损失, 增加了壤中流DOC浓度。

图7 各施肥处理总有机碳(TOC)和可溶性有机碳(DOC)的径流损失途径及其通量Fig.7 Pathways and amounts of soil total organic carbon(TOC) and dissolved organic carbon (DOC) loss under different fertilization treatments

3.3 施肥对紫色土单位产量碳损失通量及土壤有机碳含量的影响

施加无机肥、有机肥均可以起到促进产量的作用, 与前人的研究结果一致[26-27], 但是施肥在促进产量的同时也促进了土壤CO2排放, 加剧了土壤有机碳的损失, 对生态环境造成了一定程度的污染。因此产量的增加是否足以抵消土壤有机碳损失对环境造成的污染负荷成为了重要的问题。2010年有学者为了平衡作物产量与温室气体排放, 将全球增温潜势GWP作为作物产量的函数进行评估, 提出了单位产量全球增温潜势(yield-scaled GWP)的概念[28]。因此, 本文计算了不同施肥处理小区单位玉米产量的有机碳损失通量, 将作物经济效益与生态环境负荷相结合, 从中优选出既能保障作物产量, 又能有效缓解土壤有机碳损失, 减少CO2排放的最佳施肥方案。

与土壤有机碳损失通量不同, 4种施肥处理的单位产量碳损失通量表现为: CK>RSDNPK>OMNPK>NPK, 其中CK处理的单位产量碳损失通量显著大于其他3个处理, 为1.04 kg(C)∙kg−1, NPK、OMNPK、RSDNPK的单位产量碳损失通量无显著性差异(图8A)。NPK、OMNPK、RSDNPK施肥处理的作物产量无显著性差异, 并且均大于国家统计局公布的2020年全国玉米产量(6317 kg∙hm−2), 而RSDNPK处理的有机碳损失通量较NPK和OMNPK分别增加了90.38%和71.28%, 说明秸秆还田的增产效应不足以抵消对环境产生的负荷。但是有大量研究表明, 秸秆还田可以有效增加土壤有机碳含量, 因此,本文对不同施肥处理的土壤有机碳含量进行了测定。结果表现为: RSDNPK>OMNPK>NPK>CK, 其中RSDNPK处理的土壤有机碳含量显著大于NPK和CK, 但是与OMNPK没有显著性差异(图8B)。主要是由于OMNPK和RSDNPK处理除了可以增加农作物生物量与产量, 间接增加土壤有机碳输入, 还直接向土壤中输入了外源有机碳。因此本研究认为在紫色土地区可以优先考虑施加有机肥配施氮磷钾肥,既能均衡作物产量与土壤有机碳损失的关系, 还有利于土壤有机碳的累积。

图8 不同施肥处理的单位产量碳损失通量(A)和土壤有机碳含量(B)Fig.8 Carbon loss fluxes per unit crop yield (A) and soil organic carbon content (B) under different fertilization treatments

4 结论

施肥方式对紫色土有机碳排放途径及通量具有显著影响。首先, 施肥可以影响土壤呼吸过程, 施加无机肥、有机肥以及秸秆还田均会促进土壤异养呼吸速率, 增加土壤CO2排放通量。其次, 施肥也会影响径流过程中有机碳的损失途径及通量, 秸秆还田配施氮磷钾肥可以显著缓解紫色土的泥沙侵蚀现象,但是也显著促进了壤中流DOC损失, RSDNPK处理的壤中流DOC损失通量8.29 kg(C)·hm−2, 相较于常规施肥处理增加了72.71%, 占其径流损失总通量的92.11%。

综合有机碳气态损失与径流损失途径, 各施肥处理的CO2排放通量占紫色土有机碳损失总量的比例均大于99%, 说明土壤异养呼吸是紫色土有机碳的主要损失途径。在通过施肥等农业管理措施调控土壤碳库时, 应该注意把控CO2的排放。综合作物产量, 施加无机肥、有机肥及秸秆还田的单位产量碳损失通量没有显著性差异, 均显著小于无肥对照,其中OMNPK处理的土壤有机碳含量为5.86 g∙kg−1,大于NPK处理, 说明施加有机肥有利于土壤有机碳的积累, 因此在紫色土地区可以优先考虑施加有机肥配施氮磷钾肥。