长期化肥施用对双季稻田土壤有机碳的影响

张 翔，魏文学，陈安磊*

（1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125）

稻田作为我国主要农业土地利用方式，在粮食安全和固碳减排方面都具有十分重要的意义［1-2］。施肥是维持和改善耕地肥力，保障水稻产量的重要农业措施之一，其中尤以施化肥为主［3-4］。有研究结果表明，单施有机肥或有机肥配施化肥为土壤微生物提供碳源，加速土壤生物活动，是稳定提升农田土壤有机质水平的有效措施，且效果优于化肥单施［5-9］，但长期施用化肥对土壤有机质含量的影响并不十分清楚。有研究表明，单施化肥主要通过提高农作物的生物产量，从而增加土壤中作物残茬和根的输入量，进而提高土壤有机质含量［10-11］。另有结果表明，化肥施用可以提高作物残茬和根向土壤有机质转化的效率［12］。然而，也有研究指出，单施化肥只能基本维持土壤有机质平衡，其含量无明显的增长趋势［13］。不仅如此，长期单施常量氮、磷、钾化肥作物的根茬残留量较低，使土壤易氧化有机质和难氧化有机质均有所消耗，造成有机质总量下降［14-15］。由于在未来的农业生产中，化肥仍然是不可或缺的生产资料，因此探讨长期施用化肥对土壤有机质含量的影响具有重要的理论意义和实践价值。本研究依托中国科学院桃源农业生态试验站的稻田长期施肥定位试验（始于1990年），连续监测不同化肥处理的水稻产量、土壤有机碳（SOC）含量及相关因子的动态变化，系统分析了SOC含量动态变化与各因子的关系，以期为稻田化肥合理施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地位于中国科学院桃源农业生态试验站，地处湖南省桃源县（28°55′N，111°26′E）。该区域属于亚热带潮湿季风带，为典型的丘陵农业区，年均降水量为1448 mm，年均气温为16.5℃，无霜期为283 d，供试土壤为第四纪红色粘土发育而来的水稻土。

田间试验开始于1990年，耕作层（0～20 cm）土壤初始基本肥力性状为：有机碳含量14.2 g·kg-1，全磷含量0.55 g·kg-1，全氮含量1.82 g·kg-1，全钾含量12.9 g·kg-1。

1.2 施肥处理

长期定位试验田采用完全随机区组设计，每个处理3个重复，小区面积为33.2 m2。本文选用4种施肥处理，分别为：对照处理（CK），不施肥；N处理，仅施用N肥；NP处理，施用N、P肥；NPK处理，施用N、P、K肥。施用的N肥为尿素，P肥为过磷酸钙，K肥为氯化钾，施肥量见表1。

早、晚稻收割后，稻草全部从小区移出，仅有水稻根茬留在稻田内。早稻移栽时间为4月底，收割时间为7月中旬，晚稻移栽时间为7月中旬，收割时间为10月底，从10月底到次年4月上旬，稻田休闲，不进行任何农事操作。水稻生育期其它农事管理同当地稻田管理模式。

表1 不同处理年施肥量 （kg·hm-2·年-1）

1.3 取样和分析

初始耕层（0～20 cm）土壤样品在1990年4月初春耕前采集，此后每4年在春耕前采集1次耕层土样。每小区采集9个小样均匀混合成一个土壤样品，除去根等可见有机物，室内风干之后先后过2和0.15 mm筛，用于土壤理化性质测定。土壤和植物样品中的碳含量用重铬酸钾湿消化法测定。

每小区单独收割和计产，晒谷场取小样于70 ℃的烘箱中烘干至恒重，用于计算晒干稻谷的含水量，然后计算标准含水量为14%的产量。为获取根茬还田量数据，于2000和2012年调查了不同施肥处理根茬的生物量，其生物量与稻谷烘干重的比值为0.51，因此不同处理有机碳年投入量为：

式中，Cinput代表有机碳投入量，Yfirst为早稻产量，Ysecond为晚稻产量，0.51为根茬与稻谷烘干重比值系数，Ccontent为根茬碳含量。

1.4 气候数据来源

1990到2014年的全年降水量（mm）、全年平均气温（℃）和全年日照时数（h）等气候数据均来源于桃源县气象局。

1.5 统计分析

使用SAS 9.4进行统计分析。不同处理早、晚稻产量和有机碳的年间显著性差异用方差分析，年际显著性差异用GLM方法分析，用CORR进行直线相关性分析。使用OriginPro 2020制备图形材料。

2 结果与分析

2.1 土壤SOC含量变化

经过24年单施化肥及双季水稻种植后，土壤SOC的积累（图1）可以分为两个阶段，即1990～2006年为SOC显著上升期（每年上升都达0.01显著水平），2006～2014年为SOC稳定期或下降期。4个施肥处理之间没有显著性差异，但SOC含量大致可分为两组，CK和N处理为SOC相对低含量组，而NP和NPK处理为高含量组。其中NPK处理的SOC含量始终处于最高水平，分别比CK、N和NP处理平均高7.7%、7.9%和4.5%。CK、N、NP和NPK处理SOC的最大值分别为17.1、17.3、18.4和18.9 g·kg-1。各处理SOC达到相对稳定含量均出现在2006～2010年，相较于2010年的SOC峰值，CK、N处理在2014年分别下降5.4%、4.1%，NP和NPK处理的降幅相对较小，分别为2.2%和2.4%。

图1 土壤有机碳含量变化

2.2 早、晚稻产量动态变化

试验期间的早晚稻产量动态结果（图2）表明，各处理之间的早稻产量差异性较为显著，可以认为不同化肥施用模式对早稻产量的影响明显大于晚稻。根据历年的产量结果，4种处理可划分为两组，即产量相对较高的NPK和NP处理，和产量较低水平的N和CK处理，两组之间的差异从1990年之后就达到了显著水平（P＜0.05），且从2000年开始，组间的差异逐渐增加，但两组的组内差异并不显著。其中NPK处理的早、晚稻分别比NP高出11.6%、13.5%，而N和CK处理产量比较接近（前者的早、晚稻分别高6.1%、8.3%）。除N处理外，早稻产量从1990年始至2008年呈明显上升的趋势，并于2008年达到最高产量，且NP和NPK处理的产量较CK处理增加幅度均达最大值，分别为33.3%和69.3%。然而，2008～2014年4个处理的早稻产量均总体呈急剧下降的趋势，CK、N、NP和NPK处理的年平均下降幅度分别为8.8%、9.0%、7.2%和8.5%。虽然在最初的1990～1994年，晚稻产量快速下降（CK和N显著下降，P＜0.05），但之后变化的总体趋势与早稻相似，不过变化幅度明显小于早稻（除N处理外），且除了1990～1992和2004～2012年之外，变化都没有达到显著性。

图2 稻谷产量的年际动态变化

2.3 有机碳输入量的动态变化

由于4个单施化肥处理的有机碳输入主要来自水稻根茬，因此其输入量与水稻产量密切相关。根据有机碳输入量年度变化动态曲线（图3），N、NP、NPK处理之间均达到了显著性差异（P＜0.05），且差异大小也从2000年左右开始增加。其中NP和NPK处理在1994～2006年有显著性差异，N和CK处理在2000年之前有显著性差异。4个处理的变化趋势基本相同，其中1990～1998年为输入量由高量逐年减少，1998～2006年则呈明显增加的趋势，2006～2014年又表现为下降的趋势。就不同处理而言，在整个试验过程中，NPK处理的年输入量均为最高，分别比NP、N和CK处理高12.6%、52.6%和63.8%。其次是NP处理，其有机碳输入量分别比N和CK处理高35.6%和45.5%。N和CK处理的有机碳输入量相差较小，N处理仅比CK处理高7.4%。

图3 有机碳输入量的年际动态变化

2.4 SOC与相关因子的相关性分析

经过连续24年施用化学肥料后，不同施肥处理的SOC与部分因子相关关系分析结果如表2所示，其中，早、晚稻产量和碳输入量因处理而异。SOC的积累与水稻产量呈正相关，其中与早稻的相关性更为密切，4个处理均显著相关，而与晚稻产量的相关性只有CK和NP处理达到显著水平，N和NPK处理则接近显著。由于施用无机肥处理的每年碳输入量主要为残留的稻茬和根系，因而碳输入量与产量紧密相关，结果显示各处理的SOC与碳输入量均显著或极显著相关。

经对SOC与全年降水量、日照时数和平均气温等因子的统计分析，SOC的积累虽然与全年降水量和全年日照时数呈负相关关系，但各处理均未达到显著水平。而SOC与全年平均气温呈正相关关系，但各处理也都未达到统计学显著水平。

表2 SOC与产量、碳输入量和气候因子的相关性

3 讨论

我国是水稻种植面积最大的国家之一［16］，其土壤有机质含量变化不仅关系到土壤地力状况，而且与全球气候变化有密切关系［17］。水稻土有机质含量变化一直受到广泛关注，但在认识上存在一定的分歧，且不同地区有机质变化规律不同［18-19］。针对水稻土有机质含量能否稳定上升和施用化肥能否影响土壤有机质含量等问题，本文开展了长期观测研究。结果表明，施用化肥能够有效提升水稻土SOC含量，尤其是NPK配合施用处理，且施用NP肥较不施肥对照也有效地提高了SOC含量。由于各施肥处理的SOC含量与水稻产量显著相关（表2），尽管稻草秸秆没有还田，但残留在稻田中的根茬量与产量呈正比关系，因此通过施用化肥提高水稻产量的同时也能在一定程度上提高SOC含量水平。接下来的问题是，根据1990～2014年的监测结果，所有处理包括不施肥对照的SOC含量在1990～2006年均呈现上升趋势，2006～2010年为稳定期，2010～2014年则为缓慢下降期。产生这样动态变化特征的主要原因可能有以下几个方面：（1）在试验开始时的1990年，土壤进行整治不久，SOC含量较低；经过连续多年种植双季稻，尽管每年产生的早、晚稻稻草被移出，但留下的根茬成为SOC的稳定投入源［18］；在1990～2006年水稻产量呈上升趋势，因而残留在土壤中的根茬量也逐年增加，各处理SOC含量也随之升高，并与产量有很好的相关性，其中产量最高NPK处理的SOC含量一直维持在最高水平。（2）多方面的原因导致2006～2010年水稻产量明显下降，这一期间水稻根茬残留量也相应减少，造成SOC含量尤其是NPK处理的SOC含量增加幅度明显减缓；产生这一现象的可能原因是在2006～2008年水稻产量还在继续上升，但此后的2008～2010年大量减产，可以猜测SOC含量的变化也发生了类似情况；因而，2010年的SOC含量与2006年相比变化不大。（3）2010年后水稻产量和根茬残留量总体上呈继续下降的趋势，而SOC含量也呈明显下降的趋势。虽然每年的根茬残留量减少，但稻田仍然保持每年都有新有机物的投入，SOC含量不断减少的原因是什么？可能有两大因素驱动了土壤SOC的分解过程。其一是由于之前SOC含量的不断增加提升了土壤肥力［20］，同时有效地增加了依赖SOC的微生物种群数量，虽然根茬投入减少，但这些微生物数量和活性短期内不会减少，从而导致SOC下降［21］；其二是新鲜有机物进入土壤会激发原有SOC分解［22-23］，新的投入量减少也可能造成SOC含量减少。试验结果中产量高的NPK和NP处理的SOC下降程度明显小于产量低的CK和N处理也可说明这一现象。有研究表明，长期施肥能使SOC快速增加，但SOC含量最终会处于波动的动态平衡［24-25］，且SOC含量越高，有机碳矿化损失越多［26］，因此在有机碳投入量减少时，动态平衡被打破，可能会导致SOC含量下降。统计分析结果进而表明，SOC含量变化与水稻产量和根茬残留量（即有机碳投入量）显著或极显著相关，与不同时期的降水量、日照时数和平均气温没有显著相关，说明根茬的投入是水稻土SOC含量变化的关键决定因素。施用化肥，尤其是N、P、K肥同时施用，可以在一定程度上增加SOC含量的原因是化肥能够提高土壤地力，增加作物产量，从而增加了根茬的残留量，提高了有机碳的投入量。

4 结论

长期施用化肥对SOC含量的影响主要取决于施肥模式对产量的影响，NPK配合施用获得高产的同时也会增加SOC含量，但不平衡施肥不利于SOC的积累。当因气候和其它原因导致水稻产量系统下降时，SOC含量不是继续上升或维持稳定，而是随之下降，说明新鲜投入的根茬相较于土壤原有SOC而言，对一定时期SOC含量的贡献更大些。

因此，长期合理施用化肥不仅可以维持作物高产，同时也能增加SOC含量。如果能适当配施有机肥将更有利于SOC积累和土壤肥力的提升。