长期不同施肥模式下南方水稻土有机碳的平衡特征

李 艳，陈 义，唐 旭，吴春艳，计小江，唐良梁

(浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

有机质是土壤的重要组成部分，是评价土壤肥力的重要指标之一。农田土壤的有机质主要来源于作物根系的分泌物、根茬、枯枝落叶，以及每年施入的有机肥料，如绿肥、堆肥、沤肥和厩肥等[1-2]。施肥对于土壤有机质的累积和转化具有重要的作用：首先，施肥可以改善土壤速效养分状况，促进作物根系和地上部分的生长，使得进入土壤的根系分泌物和有机残留量增加；其次，施肥可能通过影响土壤微生物种类和数量来促进土壤有机质的生物降解，加快有机质周转，同时，有机肥中的有机碳也是土壤有机碳的重要来源[3]。不同的施肥模式对土壤有机碳含量和储存的影响存在差异，多数研究结果表明，施用有机肥或有机无机肥料配施能够明显提高土壤总有机碳含量[4-6]。禹洪双等[7]指出，有机无机肥料配施不仅可以提高土壤有机碳含量和贮量，还可以改善土壤物理性状，提高活性有机碳组分含量。施肥措施对土壤有机碳的响应受多种因素，如气候、土壤类型、种植制度、耕作方式等[8-12]的影响。

通过长期定位试验研究不同施肥措施对土壤有机碳库的影响对评价农田土壤质量和固碳潜力具有重要意义。本研究依托农业农村部浙江环境科学与土壤肥料科学观测站，探讨长期施用化肥、有机肥，以及化肥有机肥配施等不同处理对土壤有机碳含量、有机碳平衡、有机碳的固定与转化速率的影响，为探明南方地区稻麦轮作体系下水稻土碳库形成及组分周转特征提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省嘉兴市海宁市许村镇杨渡村浙江省农业科学院试验基地(120°24′23″E，30°26′07″N)，属北亚热带海洋性湿润气候，海拔3～4 m，年均降水量1 550 mm，年均气温16～17 ℃，年均无霜期245 d，年日照时数1 900～2 000 h，温、光、热资源丰富，适于多种作物生长。

供试土壤属于水稻土类，渗育型水稻土亚类，黄松田土属，母质为湖海相过渡浅海沉积物，地形属冲积海积平原。试验初期土壤耕层理化性状：有机质26.6 g·kg-1，全氮1.55 g·kg-1，全磷1.03 g·kg-1，全钾18.59 g·kg-1，碱解氮123 mg·kg-1，速效磷42.3 mg·kg-1，速效钾 61.6 mg·kg-1，pH值6.4，容重1.16 g·cm-3。

1.2 试验设计

试验共设8个处理：CK，不施肥；N，施N 375 kg·hm-2；NP，施N 375 kg·hm-2、P2O5187.5 kg·hm-2；NK，施N 375 kg·hm-2、K2O 187.5 kg·hm-2；NPK，施N 375 kg·hm-2、P2O5187.5 kg·hm-2、K2O 187.5 kg·hm-2；M，施有机肥22 500 kg·hm-2；M+NPK，施有机肥22 500 kg·hm-2、N 375 kg·hm-2、P2O5187.5 kg·hm-2、K2O 187.5 kg·hm-2；M+1.3NPK，施有机肥22 500 kg·hm-2、N 487.5 kg·hm-2、P2O5243.75 kg·hm-2、K2O 243.75 kg·hm-2。供试肥料：氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O515%)，钾肥为氯化钾(K2O 62%)，有机肥为猪厩肥(N 0.5%，P 0.6%，K 0.7%)。氮肥分3次施入，有机肥和磷钾肥种前一次性施入。

1990—2000年，种植制度为稻-稻-麦轮作，其中，各季的施肥量按1∶2∶2施入，有机肥平均施用；2001年起种植制度更改为稻-麦轮作，施肥总量不变，施肥比例为稻季68%、麦季32%，有机肥平均施用。

1.3 样品采集和分析

每年11月水稻收获后，每小区分6～8个点取0～20 cm耕层土样，混合后风干，过筛备用。土壤有机碳含量用K2CrO7-H2SO4氧化法测定[13]。

1.4 计算方法

1.4.1 土壤有机碳的投入量及平衡量

本试验中每季作物收获后秸秆全部移走，有机碳投入量(I，kg·hm-2)包括作物根系、残茬和有机肥[6，14-15]。

I=(Yg+Ys)×(1-Wc)×Ccrop×Rr×Dr+Ys×Rs×(1-Wc)×Ccrop+Am×(1-Wm)×Cm。

(1)

式(1)中：Yg、Ys分别为作物籽粒和秸秆的产量，kg·hm-2；Wc为作物的含水量，水稻、大麦的风干含水量分别为16%、14%；Ccrop为作物的含碳量，取40%；Rr为光合作用进入地下部分的碳比例，取30%；Dr为作物根系生物量平均分布在0～20 cm土层的比例，水稻、大麦分别为80%和75%；Rs为作物收割留茬占秸秆的比例，水稻、大麦分别为5%和13%；Am为每年有机肥的鲜质量，kg·hm-2；Wm为有机肥的含水量，取55.9%；Cm为有机肥的含碳量，取41.5%。

B=I-0.045C。

(2)

式(2)中：B为有机碳平衡量，kg·hm-2；C为土壤有机碳含量，kg·hm-2；0.045为有机碳的矿化系数[16-19]。

1.4.2 土壤固碳速率

土壤的固碳速率(v，t·hm-2·a-1)，即目前各试验处理耕层土壤的碳储量与起始年份耕层土壤碳储量差值的年平均变化[20-21]，采用差减法计算。

v=(Ct×Bt-C0×B0)×D×0.1/n。

(3)

式(3)中：C0、Ct分别为试验开始时和目前土壤有机碳含量，g·kg-1；B0和Bt分别为试验开始时和目前耕层土壤容重，g·cm-3；D为耕层深度，20 cm；n为种植年限。

1.5 统计分析

数据采用Microsoft Excel 2003和SAS v8统计软件进行分析，对各处理有机碳及其平衡量采用无重复双因素方差分析，双因素分别为试验时间和施肥处理。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下土壤有机质含量的动态变化

从图1可以看出，不同施肥处理下，土壤有机质含量随时间推移整体呈上升趋势，但不同年份存在一定的波动。M+1.3NPK、M+NPK、NPK处理的土壤有机质含量相对较高。

通过12 a的连续种植，各施肥处理土壤有机质含量如图2所示，依次为M+1.3NPK>M+NPK>NPK>M>NK>N>NP>CK。经方差分析，施肥处理对土壤有机质含量有显著影响(P<0.05)。NPK与M处理的土壤有机质含量无显著差异。与M相比，在施用有机肥的基础上配施一定量的氮磷钾化肥后(即M+NPK处理)可提高土壤有机质含量，进一步增大氮磷钾化肥施用量(即M+1.3NPK处理)可使土壤有机质含量得到显著提高。与CK相比，M+NPK、M+1.3NPK处理的土壤有机质含量分别提高了17.9%和23.3%。

2.2 不同施肥处理的土壤有机碳平衡

长期不同施肥处理下土壤有机碳的投入量和平衡量如表1所示。土壤碳投入量包括作物根茬、留茬带入的碳量和施用有机肥中的碳。各施肥处理下作物根茬和留茬所带入的碳量依次为CK

从表1还可以看出，有机碳平衡量整体随有机碳投入量的增加而增加。对有机碳平衡(y)和有机碳投入(x)的相关性分析表明，线性方程y=0.951 9x-1 580.3(R2=0.998 5)可以较好地拟合两者之间的关系，斜率表示有机碳投入量变化一个单位时对应的有机碳平衡量的变化。假设y=0，得到x=1 660，表明维持该试验点有机碳平衡每年所需的最低有机碳投入量为1 660 kg·hm-2。

图1 不同施肥处理土壤有机质的动态变化Fig.1 Dynamic change of soil organic matter under different treatments

图2 不同施肥处理的土壤有机质含量Fig.2 Soil organic matter content under different fertilization treatments

表1 不同施肥处理的碳投入和碳平衡

2.3 不同施肥处理的土壤固碳速率

经方差分析，施肥处理对土壤有机碳的固定速率有显著影响(P<0.05)，除N、NP处理的固碳速率差异不显著外，其他各施肥处理的土壤固碳速率均有显著差异(P<0.05)。由图3可知，各施肥处理下的固碳速率依次为M+1.3NPK>M+NPK>NPK>M>NK>N>NP>CK。CK处理的土壤固碳速率为0.18 t·hm-2·a-1，M+1.3NPK、M+NPK、NPK、M、NK、N、NP各处理的土壤固碳速率依次为CK处理的8.9、6.9、5.3、4.7、4.0、1.8、1.5倍。与M处理相比，M+NPK、M+1.3NPK处理的土壤固碳速率分别增加47.6%、91.7%。说明施用有机肥的同时，配施一定量氮磷钾化肥可提高土壤固碳速率。

有机碳投入量(x)与固碳速率(Y)具有显著的线性相关性，可用方程Y=0.182 3x+0.124 8来描述，斜率0.182 3表示每年投入1 t的有机物料碳，其中的0.182 3 t能进入土壤有机碳库，即土壤有机碳的转化速率为18.23%。

2.4 土壤有机碳含量与作物产量的关系

从图4可以看出，作物产量(y′)与土壤有机质含量(X)表现出显著的线性相关性，且大麦、晚稻产量与土壤有机质含量的相关性达到极显著水平(P<0.01)，早稻与土壤有机质含量的相关性达到显著水平(P<0.05)。说明作物产量随土壤有机质含量的增加而增加。

图3 不同处理土壤有机碳的固定与转化Fig.3 Soil carbon sequestration and transformation under different treatments

图4 土壤有机碳含量与作物产量的关系Fig.4 Correlation of soil organic carbon contents and crops yields

3 讨论

本研究通过连续12 a对不同施肥处理土壤有机碳含量动态变化的连续监测，发现不同施肥措施下土壤有机质的含量均随时间推移整体呈上升趋势，有机无机肥料配施相较CK可显著提高土壤有机质含量，M+NPK、M+1.3NPK处理的土壤有机质含量分别提高17.9%和23.3%。各施肥处理的土壤有机碳平衡均表现为盈余，有机碳平衡和有机碳投入呈线性相关性，维持该试验点有机碳平衡每年所需的最低有机碳投入量为1 660 kg·hm-2。有机无机肥料配施可提高土壤有机碳的固定速率。大麦、早稻、晚稻的产量与土壤有机质含量均表现为线性相关性，作物产量随土壤有机质含量的增加而增加。

前人研究[22-23]表明，与单施化肥相比，长期的有机肥和化肥配施可使土壤有机质含量明显增加，具有培肥土壤和增加土壤碳汇的效果。适宜的有机无机肥配施措施对土壤碳、氮积累，以及作物对氮磷钾养分的吸收利用具有积极作用。在施用有机氮肥的基础上，增施无机氮肥可促进有机氮的矿化和作物对有机氮的吸收利用[24]。本研究结果显示，M+1.3NPK处理的效果优于M+NPK处理，这是因为1.3倍的无机肥料配施可通过水稻生物产量的增加来提高水稻根茬等有机物的还田量，从而促进土壤有机质的累积。同时，1.3倍无机肥料的增施可能更有利于土壤有机氮、磷的矿化，从而提高水稻对土壤养分的吸收利用。从提高作物产量、养分元素利用率及土壤培肥的角度出发，本试验条件下，以M+1.3NPK的施肥方式最佳。

农田生态系统养分平衡的盈亏，是决定土壤养分水平长消的根本原因。因此，土壤有机碳平衡特征是研究有机碳稳定性和土壤培肥效果的根本依据[5]。本试验中，各施肥处理下的土壤有机碳均表现为盈余，且盈余量随有机肥的投入明显增加，土壤有机碳平衡量与有机碳投入量呈线性正相关，这与文献报道结果一致[5，18，21]。试验点有机碳平衡每年所需的最低有机碳投入量为1 660 kg·hm-2，即该试验点每年需至少投入1.66 t·hm-2的有机碳才能维持土壤有机碳的基本收支平衡。农田系统的碳投入主要包括作物根系、根系残茬和有机肥的投入。不施肥处理(CK)每年仅由作物根系和残茬带入的有机碳量为1 660.35 kg·hm-2，基本能保持土壤有机碳的平衡。有机无机肥配施下作物生物量增加，带入土壤更多的新鲜残茬和根系分泌物，同时，施用有机肥也能够为土壤提供丰富的外源有机质，相较单施化肥更有利于土壤有机质的累积和土壤肥力的提升。

本试验中，土壤固碳量与碳投入量呈显著正相关，这与Zhang等[25]和Lou等[26]的研究结果一致，表明该土壤碳库还未饱和，仍具有一定的固碳潜力。Zhang等[27]报道我国南方双季稻土壤固碳速率为0.20～0.48 t·hm-2·a-1，稻麦轮作体系下土壤有机碳的固定速率为0.70～0.88 t·hm-2·a-1；兰宇等[3]研究发现，棕壤玉米-玉米-大豆轮作下最高固碳速率为0.44～0.49 t·hm-2·a-1。本研究中，稻-稻-麦轮作体系下土壤有机碳固定速率为0.18～1.61 t·hm-2·a-1，比文献报道结果略高。

本研究发现，化肥、有机肥配施所产生的交互作用更有利于土壤有机碳贮量的增加和固碳速率的提高，这与文献报道结果一致[3，28-29]。Zhang等[25]计算出了我国6种典型土壤的有机碳转化速率，依次为灌漠土(31.0%)>灰漠土(26.7%)>中层黑土(15.8%)>褐潮土(7.7%)>黄潮土(7.4%)>潮土(6.8%)[25]。由此可见，不同地区、土壤类型及种植制度下的有机碳固定和转化速率存在较大差异。此外，气候条件、水分管理等也是影响土壤有机碳固定和转化速率的重要因素。