張 蕾, 尹力初, 易亞男, 高德才, 付薇薇, 王澤浩

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 長沙 410128

改變施肥管理后不同肥力稻田土壤CO2排放特征

張 蕾, 尹力初*, 易亞男, 高德才, 付薇薇, 王澤浩

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 長沙 410128

利用一個長達(dá)30a水稻土長期定位試驗，在保證原有定位試驗繼續(xù)正常開展的前提下，將原化肥處理改施有機(jī)肥，原有機(jī)肥處理改施化肥或者增施有機(jī)肥。通過觀測田間試驗2012—2013年雙季稻輪作周期內(nèi)不同肥力水平稻田土壤施肥管理改變后的土體CO2排放通量(FCO2)，研究不同后續(xù)施肥管理對不同肥力紅壤性水稻土CO2排放的影響。結(jié)果表明：變更施肥能明顯改變CO2排放動態(tài)變化，其中長期施用有機(jī)肥處理改施化肥后其FCO2明顯減小，長期施用化肥或有機(jī)肥處理增施有機(jī)肥后其FCO2顯著增大。有機(jī)肥和土壤有機(jī)碳均可促進(jìn)土體CO2排放，有機(jī)肥處理有機(jī)物料碳添加量與CO2-C年排放量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.9015**，n=21)，單施化肥處理土壤有機(jī)碳含量與土體CO2-C年排放量符合線性方程:y=10.962x-68.86(R2=0.7507，n=9，P<0.01)。長期施用有機(jī)肥土壤改施化肥會導(dǎo)致其有機(jī)碳礦化損失，土壤有機(jī)碳含量越高，礦化損失量越多，最終其有機(jī)碳水平將與長期施用化肥的土壤有機(jī)碳平衡值一致；長期施用化肥或有機(jī)肥土壤改施或增施有機(jī)肥可促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累，外源添加碳越多，土壤積累碳越多；相同有機(jī)肥施用量下土壤有機(jī)碳含量越高，有機(jī)物料表觀分解率越大，積累于土壤中的有機(jī)碳越少，不同有機(jī)碳水平土壤在相同有機(jī)肥管理下其有機(jī)碳最終會達(dá)到相同的平衡值。在有機(jī)碳水平較低(<20.46 g/kg)紅壤稻田上增施有機(jī)肥是提升已培肥水稻土有機(jī)碳含量的可持續(xù)發(fā)展措施，而在有機(jī)碳水平較高(>14.45 g/kg)紅壤稻田上應(yīng)避免改施化肥?？傊?，在有機(jī)碳含量較高或者較低的中國南方紅壤性水稻土上，持續(xù)的有機(jī)肥施用是保持或者提高其有機(jī)碳水平的必要措施。

水稻土; 變更施肥; CO2排放; 有機(jī)碳

近年來，溫室氣體的不斷增加導(dǎo)致全球氣候持續(xù)變暖和環(huán)境惡化，其中最重要的溫室氣體是CO2，農(nóng)業(yè)土壤是大氣CO2主要來源之一，因此增加土壤碳儲量和減少土壤CO2排放對減緩全球溫室效應(yīng)極其重要[1- 2]。CO2是土壤碳排放的主要形式之一，土壤碳排放與土壤有機(jī)碳動態(tài)變化密切相關(guān)，測定土壤CO2排放通量的年際變化是估測農(nóng)田土壤截獲碳的方法之一[3]。目前，水稻土特有的水耕熟化過程使其有機(jī)碳容量明顯大于其他農(nóng)用土壤，其巨大固碳潛力已得到科學(xué)界的一致認(rèn)可[4- 6]。中國南方紅壤性水稻土固碳速率較其他類型水稻土高，良好施肥下的飽和固碳量以富氧化鐵的紅壤性水稻土最高[7]。因此，研究中國南方紅壤性水稻土的CO2排放規(guī)律并估測其有機(jī)碳動態(tài)變化對明確水稻土的固碳減排功能和緩解溫室效應(yīng)功能具有重要意義。

在影響土壤CO2排放的眾因素中，施肥作為一種強(qiáng)烈的田間管理措施，能顯著地影響稻田土壤CO2排放。眾多研究表明，有機(jī)肥及有機(jī)無機(jī)配施能顯著地增加CO2的排放[8- 9]，而單施化肥對CO2排放無影響[10- 12]或有增強(qiáng)作用[9]均有報道。大量文獻(xiàn)資料表明，有機(jī)無機(jī)配施是促進(jìn)土壤固碳的適宜措施[13- 15], 有機(jī)肥直接促進(jìn)水稻土有機(jī)碳增長[16]，無機(jī)肥則通過促進(jìn)作物生長和增加作物輸入碳(主要包括根系和根際分泌物)間接增加土壤有機(jī)碳[17]。目前，有關(guān)施肥影響南方紅壤性水稻土CO2排放通量的報道多利用長期定位試驗，以比較紅壤性水稻土在培肥過程中CO2排放通量對不同施肥措施的響應(yīng)，從而估測土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化。據(jù)李忠佩等[18]研究表明，紅壤稻田水耕利用30a之后其有機(jī)碳含量達(dá)到平衡，土壤基本培肥，不同施肥措施培肥的土壤有機(jī)碳含量及土壤肥力不同。而對于已培肥紅壤性水稻土在不同后續(xù)施肥措施下的CO2排放規(guī)律及有機(jī)碳變化則鮮有涉及。因此本試驗利用一個已有30a歷史的紅壤性水稻土土壤肥力長期定位試驗，在保證原有定位試驗繼續(xù)開展的前提下，變更原有3種施肥處理部分平行的施肥，測定原施肥處理和改施肥處理在一個雙季稻輪作周期內(nèi)的CO2排放通量，研究不同后續(xù)施肥管理下不同肥力紅壤性水稻土CO2排放的變化規(guī)律，揭示已培肥紅壤性水稻土變更施肥后其有機(jī)碳的變化規(guī)律，為估測已培肥紅壤性水稻土在不同后續(xù)施肥下土壤有機(jī)碳的變化動態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 長期定位試驗及其變更

該定位試驗位于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，四周及頂部圍有永久性不銹鋼圍網(wǎng)，占地面積128 m2，由3組雙排平行的水泥池組成，半地下式，每排設(shè)6個小區(qū)，相鄰小區(qū)之間水泥間隔厚20 cm，共計36個小區(qū)。組內(nèi)中間設(shè)有水槽控制水位，組間及四周設(shè)有2 m深的排水溝。各小區(qū)供試面積1.44 m2，池深1.5 m，底層鋪15 cm厚的卵石與粗砂。供試土壤為第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育的水稻土(定位試驗開始前一年把耕性紅壤分層填入，然后淹水種稻)。試驗從1982年春季開始淹水種稻連續(xù)進(jìn)行至今。研究前10a曾設(shè)置了稻-稻-冬閑、稻-稻-綠肥、稻-稻-油菜等3種稻作制處理，但由于冬季不施肥，油菜很難生長，從1993年起稻作制統(tǒng)一變更為稻-稻-冬閑。該定位試驗設(shè)置2個地下水位深度(20與80 cm)以及3個不同有機(jī)肥施用水平(高量有機(jī)肥、常量有機(jī)肥、單施化肥)作為試驗處理，設(shè)立2因素多水平的長期定位試驗，共6個處理。各個處理的重復(fù)數(shù)并不一致，其中20 cm地下水位下的常量有機(jī)肥處理有12次重復(fù)，而80 cm地下水位下的化肥處理及高量有機(jī)肥處理只有3次重復(fù)，其余處理都有6次重復(fù)。

本研究選擇20 cm地下水位下的3個不同有機(jī)肥施用水平處理(高量有機(jī)肥(HOM)、常量有機(jī)肥(NOM)、全施化肥(CF))作為試驗處理，其中NOM有12次重復(fù)，HOM和CF都有6次重復(fù)。在本試驗開展前從 “常量有機(jī)肥處理”和“高量有機(jī)肥處理”各隨機(jī)選取3個小區(qū)，然后統(tǒng)一變更為“化肥處理”，得到常改化處理(N-C)和高改化處理(H-C)；同時從“常量有機(jī)肥處理”中隨機(jī)選取3個小區(qū)變更為“高量有機(jī)肥處理”，得到常改高處理(N-H)；從“化肥處理”中隨機(jī)選擇3個小區(qū)變更為“常量有機(jī)肥處理”，得到化改常處理(C-N)。利用新增加的4個處理(N-C，H-C，C-N，N-H)和原有的3個處理(CF、NOM、HOM)，以開展本試驗所設(shè)計的研究內(nèi)容。

以化肥處理施肥水平為標(biāo)準(zhǔn)，其施肥量為：每季施N 150 kg/hm2，N∶P∶K=1∶0.5∶0.67， 無機(jī)N、P、K肥分別以尿素、氯化鉀、過磷酸鈣施入，有機(jī)肥源為粉碎過后的玉米秸稈；其中，常量有機(jī)N為化肥N的1/3，高量有機(jī)N為化肥N的2/3。為保持各處理間施肥水平的基本一致，有機(jī)肥處理小區(qū)肥料不足部分用化肥補(bǔ)足。肥料均在水稻移栽前一次性施入土壤。2012年3月采集供試小區(qū)耕作層土壤(0—15 cm)，風(fēng)干后過20目和100目篩測定其基本理化性質(zhì)指標(biāo)，變更施肥前HOM、NOM、CF的土壤有機(jī)碳含量及N、P、K含量見表1。3種施肥處理肥力水平高低順序為：HOM >NOM>CF。較高生產(chǎn)力水平下紅壤稻田有機(jī)碳平衡值為(19±1) g/kg[19]，由此可判斷供試HOM、NOM水稻土有機(jī)碳基本達(dá)到較高生產(chǎn)力水平下的平衡值，而CF有機(jī)碳未達(dá)到較高生產(chǎn)力水平下的平衡值，處于不飽和狀態(tài)。

表1 供試土壤NPK含量及有機(jī)碳含量Table 1 The amount of nitrogen, phosphorus, potassium and organic carbon in different fertilization treatments

HOM：高量有機(jī)肥處理High organic fertilization treatment；NOM：常量有機(jī)肥處理Normal organic fertilization treatment；CF：化肥處理Chemical fertilization treatment

1.2 CO2樣品的采集、測定與計算

采用靜態(tài)箱法采集CO2氣體樣品，在翻耕土壤并施肥后，于每季水稻移栽前安置PVC采樣箱，采樣箱中不種植水稻。其中頂箱體積為30 cm×30 cm×10 cm，外面覆有泡沫絕熱材料(用來防止箱內(nèi)溫度上升過快，造成與設(shè)施內(nèi)自然環(huán)境不符的小環(huán)境)；底座高20 cm，插入犁底層以阻止水稻根系進(jìn)入采樣箱區(qū)域的土壤。水稻移栽后開始采集氣樣，在代表土壤日平均CO2排放通量的9:00—10:00點之間采集氣樣[20]，每隔7d采集1次樣品，如遇不適天氣則適當(dāng)調(diào)整采樣時間間隔。采樣時，首先測定每個小區(qū)采氣底座區(qū)域的水層高度，再將采樣箱置于采樣底座上，并用水密封，然后按0、10、20和30 min的時間間隔用50 mL注射器從采氣箱中部的采氣孔插入，來回抽動3次完全混勻氣體后采集氣體，同時測定5 cm處的土溫。氣體采集后立即帶回實驗室，使用氣相色譜分析儀(GC7900)測定樣品中CO2濃度，檢測器為FID，柱溫200 ℃，檢測溫度360 ℃，以N2作為載氣，H2作為燃?xì)猓ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)氣體和待測氣體的峰面積來計算待測氣體的濃度，然后計算CO2排放速率，CO2通量計算公式為：

F=ρ×V/A×ΔC/Δt×273/(273+T)

式中，F(xiàn)為排放通量(mg C m-2h-1)；p為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2-C的密度，ρ=0.536 kg/m3；V為采氣箱內(nèi)有效空間體積(m3)；A為采氣箱覆蓋的土壤面積(m2)；ΔC為氣體濃度差；Δt為時間間隔(h)；T為采樣時箱內(nèi)溫度(℃)。

CO2-C累積排放量計算公式為：

M=∑(Fi+1+Fi)/2×(ti+1-ti)×24

式中，M為土壤CO2-C累積呼吸量(mg C/m2)；F為CO2排放通量(mg C m-2h-1)，i為采樣次數(shù)，t為采樣時間。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel for Windows 2007繪制CO2排放季節(jié)變化動態(tài)圖。有機(jī)物料的表觀分解率定義為土壤CO2-C年累積排放量占有機(jī)物料添加碳的百分比。以施肥為因素，采用單因素方差分析方法，檢驗不同施肥對土壤有機(jī)碳、各時期CO2年累積排放量的影響程度和不同土壤有機(jī)碳水平對有機(jī)物料表觀分解率的影響程度，采用多重比較法(LSD，P<0.05)比較不同施肥處理之間土壤有機(jī)碳、各時期CO2年累積排放量、有機(jī)物料表觀分解率差異的顯著性。以土壤有機(jī)碳含量和CO2年累積排放量為指標(biāo)，采用回歸分析方法檢驗CO2排放量與有機(jī)碳含量的關(guān)系；以有機(jī)物料碳添加量與CO2年累積排放量為指標(biāo)，采用相關(guān)分析方法檢驗有機(jī)物料碳添加量與CO2-C年排放量的關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 CO2排放特征

2.1.1 CO2排放動態(tài)變化

不同施肥處理下土體CO2-C排放通量(FCO2-C)具有明顯的季節(jié)變化，化肥與有機(jī)肥處理下的季節(jié)變化略有差異(圖1)，化肥處理(CF、N-C、H-C)下土體FCO2-C的變幅較小，而有機(jī)肥處理(C-N、NOM、N-H、HOM)下土體FCO2-C的變幅相對較大。早、晚稻淹水生長期間，化肥處理下土體FCO2-C主要隨氣溫的變化而改變，而有機(jī)肥處理下土體FCO2-C隨有機(jī)肥施用時間的延長而減弱。無論在化肥或有機(jī)肥處理下，土體FCO2-C在早、晚稻成熟烤田期都顯著增加。休閑期各施肥處理下土體FCO2-C均相對較小，其隨氣溫的降低而逐漸減小，且在氣溫最低時(1 ℃)達(dá)到最小值(0.005 mgC m-2h-1)。各施肥處理(CF、N-C、H-C、C-N、NOM、N-H、HOM)的FCO2-C均在早稻烤田期達(dá)到峰值，分別為162.38、281.08、395.78、303.42、337.78、426.34、489.19 mgC m-2h-1。整個觀測時期，化肥處理的FCO2-C顯著小于有機(jī)肥處理，常量有機(jī)肥處理(C-N、NOM)的FCO2-C明顯小于高量有機(jī)肥處理(N-H、HOM)，且增施有機(jī)肥處理C-N、N-H的FCO2-C分別顯著大于CF、NOM，改施化肥處理N-C、H-C的FCO2-C分別明顯小于NOM、HOM。

圖1 不同施肥處理水稻土CO2排放通量動態(tài)變化 Fig.1 Dynamics of CO2 flux in different fertilization treatments

2.1.2 各時期CO2-C累積排放量

在早稻、晚稻生長期和休閑期各施肥處理CO2-C累積排放量(∑CO2-C)大小均為：HOM> N-H> NOM> C-N> H-C> N-C> CF，其中在早、晚稻生長期間，各處理∑CO2-C差異較大，有機(jī)肥處理∑CO2-C遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于化肥處理；而在休閑期，有機(jī)肥處理的∑CO2-C降幅較大，各處理∑CO2-C差異變小(圖2)。各施肥處理年∑CO2-C大小分別為：HOM(522.31 g/m2)>N-H(411.32 g/m2)>NOM(260.01 g/m2)>C-N(216.17 g/m2)>H-C(149.06 g/m2)>N-C(113.32 g/m2)>CF(83.20 g/m2) (圖2)。統(tǒng)計與分析結(jié)果表明，各時期增施有機(jī)肥處理C-N、N-H的∑CO2-C分別極顯著大于CF、NOM(P<0.01)，改施化肥處理N-C、H-C的∑CO2-C分別明顯小于NOM、HOM(P<0.01)。

圖2 不同時期各施肥處理水稻土CO2累積排放量Fig.2 The cumulative CO2 flux of different fertilization treatments during different periods

2.2 土壤有機(jī)碳和外源添加碳對CO2-C年排放量的影響

2.2.1 土壤有機(jī)碳對CO2-C年排放量的影響

圖3 化肥處理土壤固有有機(jī)碳含量與CO2-C年排放量之間的關(guān)系Fig.3 Relationships between the inherent SOC content and the total amount of annual CO2-C in the paddy soils received chemical fertilization

各處理年∑CO2-C大小關(guān)系為：H-C> N-C> CF，NOM> C-N，HOM> N-H，表明當(dāng)施肥相同時，土壤固有有機(jī)碳含量高者的土體年∑CO2-C較大?；侍幚碇?，CF與H-C的年∑CO2-C差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，而 N-C與CF和H-C的年∑CO2-C差異均不顯著，N-C和H-C比CF平均每年分別多分解釋放出30.12和65.86 gCO2-C/m2。CF、N-C、H-C的年∑CO2-C占其土壤有機(jī)碳儲量(0—15 cm耕作層)的比例分別為3.06%、3.80%、4.39%，三者之間差異顯著(P<0.05)，說明化肥處理下土壤有機(jī)碳含量越高處理的有機(jī)碳礦化速率越大。由CF、N-C、H-C土壤有機(jī)碳含量和年∑CO2-C可擬合出單施化肥水稻土的土壤固有有機(jī)碳含量(x)和土體CO2-C年排放量(y)之間滿足線性方程：y=10.962x-68.86(R2=0.7507，n=9，P<0.01)(圖3)。

有機(jī)肥處理中，NOM、HOM分別比C-N、N-H多釋放43.84 gCO2-C/m2和110.99 gCO2-C/m2，且差異均達(dá)到顯著關(guān)系(P<0.05)，C-N、NOM、N-H、HOM的年∑CO2-C占其土壤有機(jī)碳儲量的比例分別為7.47%、7.79%、10.84%、14.46%，C-N與NOM以及N-H與HOM之間的年∑CO2-C占其土壤有機(jī)碳儲量的比例差異不顯著，說明有機(jī)肥處理下土壤有機(jī)碳含量對其CO2-C排放量有一定的促進(jìn)，但效果不顯著。

2.2.2 外源添加碳對CO2-C年排放量的影響

統(tǒng)計分析結(jié)果表明高量有機(jī)肥處理(N-H、HOM)土體年∑CO2-C極顯著(P<0.01)高于常量有機(jī)肥處理(C-N、NOM)，二者又均極顯著高于化肥處理(CF、N-C、H-C)(P<0.01)，有機(jī)物料碳添加量與年∑CO2-C)呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.9015**，n=21)，表明隨著有機(jī)物料添加量的增加，土體年∑CO2-C逐漸增大。

2.3 土壤有機(jī)碳對外源添加碳表觀分解率的影響

常量有機(jī)肥處理中，C-N年∑CO2-C顯著小于NOM(P<0.05)，C-N每年平均比NOM少釋放43.84 gCO2-C/m2；高量有機(jī)肥處理中，HOM的年∑CO2-C極顯著大于N-H(P<0.01)，N-H平均每年比HOM少分解釋放出110.99 g/m2的CO2-C。從表觀上看，有機(jī)肥處理排放的CO2-C均由有機(jī)物料碳分解釋放，各有機(jī)肥處理釋放的CO2-C占有機(jī)物料添加碳的比例可視為有機(jī)物料的表觀分解率。由表2可知，C-N和N-H(土壤有機(jī)碳含量低)的有機(jī)物料表觀分解率分別顯著小于NOM和HOM(土壤有機(jī)碳含量高)。

表2 CO2-C年累積排放量占外源添加碳的比例Table 2 Percentages of the total amount of annual CO2-C accounting for exogenous addition carbon

N-C：常量有機(jī)肥改施化肥處理Chemical fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment；H-C：高量有機(jī)肥改施化肥處理Chemical fertilization treatment changed from original high organic fertilization treatment；C-N：化肥改施常量有機(jī)肥處理Normal organic fertilization treatment changed from chemical fertilization treatment；N-H：常量有機(jī)肥改施高量有機(jī)肥處理High organic fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment; 同一列數(shù)據(jù)后標(biāo)識小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

3 討論

淹水植稻期間，化肥處理FCO2與溫度變化一致，但有機(jī)肥處理FCO2受溫度的影響相對較小，其在施肥后明顯增加，并隨時間的延長而逐漸減小；烤田期排水落干致使各施肥處理FCO2均明顯增大，休閑期各處理FCO2變化主要受氣溫影響，與溫度變化基本同步(圖1)。因此，施肥和水熱因子綜合影響CO2排放動態(tài)變化，且在整個觀測時期，增施有機(jī)肥處理FCO2-C顯著增大，改施化肥處理FCO2-C顯著減小，表明變更施肥能明顯影響FCO2動態(tài)變化。不同觀測期間CO2累積排放量大小均表現(xiàn)為：高量有機(jī)肥處理(HOM>N-H)>常量有機(jī)肥處理(NOM >C-N)>化肥處理(H-C>N-C>CF)，這一結(jié)果表明有機(jī)肥能顯著增強(qiáng)土體呼吸，與前人研究結(jié)果一致[7- 8,21]，有機(jī)物料碳添加量與年∑CO2-C之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.9015**，n=21)；該結(jié)果還說明在相同施肥條件下，有機(jī)碳含量越高的水稻土排放CO2越多，由此證明土壤有機(jī)碳是影響土壤呼吸的關(guān)鍵因素，張東秋等[22]、李海防等[23]和李長生等[24]也得出相似結(jié)論。

供試CF、N-C、H-C(施用等量化肥而土壤固有有機(jī)碳不同)的CO2年排放量隨有機(jī)碳含量的增加而增加(圖2)，表明土壤有機(jī)碳含量越高，礦化分解為CO2的底物越充足，CO2排放越大，土壤有機(jī)碳礦化損失越多。在單施化肥水稻土上以CO2-C形式損失的有機(jī)碳量可根據(jù)土壤固有有機(jī)碳含量(x)和土體年∑CO2-C(y)之間的線性方程：y=10.962x-68.86(R2=0.7507，n=9)進(jìn)行估算；同時這也表明，長期施用有機(jī)肥的已培肥水稻土改用單一化肥后，其已有的有機(jī)碳平衡被破壞，前期施用有機(jī)肥積累的土壤有機(jī)碳將分解損失，最終將與長期單一施用化肥的土壤有機(jī)碳水平一致。以CF、N-C、H-C 3個施肥處理年∑CO2-C差值為基礎(chǔ)，在不考慮CH4-C的前提下，長期施用常量有機(jī)肥和高量有機(jī)肥的水稻土改施化肥后，其15 cm耕層土壤有機(jī)碳分別大概需要25a和16a達(dá)到長期施用化肥水稻土的有機(jī)碳水平(14.45 g/kg)。但實際上，該時間的估測并不精確，因為稻田是CH4的重要排放源[25]，并且土壤有機(jī)碳的積累速度會逐年減小[18]。

C-N、N-H(固有土壤有機(jī)碳含量相對較低)分別比NOM、HOM(固有土壤有機(jī)碳含量相對較高)少釋放43.84 gCO2-C/m2和110.99 gCO2-C/m2，這一結(jié)果清楚地表明，在有機(jī)碳含量相對較低的水稻土上改施或增施有機(jī)肥會促進(jìn)一部分有機(jī)物料碳積累于水稻土中，且有機(jī)物料碳施用量越多，積累于水稻土中的碳越多，陳義等[26]和Li等[27]均得出相似結(jié)論。因此，在有機(jī)碳含量較低的已培肥水稻土上增施有機(jī)肥會打破原有有機(jī)碳平衡，使土壤有機(jī)碳容量擴(kuò)大。CF和NOM改施或增施有機(jī)肥后，其原有有機(jī)碳平衡遭到破壞，有機(jī)碳容量擴(kuò)大，促進(jìn)一部分有機(jī)物料碳累積于土壤中，以致C-N和N-H的有機(jī)物料表觀分解率分別顯著小于NOM和HOM的有機(jī)物料碳表觀分解率(表2)。由此可見，等量有機(jī)物料施用于有機(jī)碳水平不等的水稻土上，土壤有機(jī)碳含量越高，有機(jī)物料表觀分解率越大，土壤有機(jī)碳的進(jìn)一步積累越困難。進(jìn)而說明土壤有機(jī)碳含量不同的水稻土在相同的有機(jī)肥管理下，其土壤有機(jī)碳將達(dá)到相同的平衡水平。假定供試常量和高量有機(jī)肥處理土壤有機(jī)碳已經(jīng)達(dá)到相應(yīng)的平衡水平，以C-N、NOM和N-H、HOM兩組處理CO2-C年累積排放量差值為基礎(chǔ)，在不考慮CH4-C的前提下，長期施用化肥的處理改為常量有機(jī)肥和高量有機(jī)肥后，分別需要17a和3a可達(dá)到平衡有機(jī)碳含量(18.67 g/kg和20.46 g/kg)。

在土壤有機(jī)碳含量高于已培肥化肥水稻土有機(jī)碳平衡值(14.45 g/kg)的水稻土上單施化肥會導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的損失，在土壤有機(jī)碳含量低于高生產(chǎn)力土壤有機(jī)碳平衡值(20.46 g/kg)的水稻土上增施有機(jī)肥能促進(jìn)水稻土碳積累。由此可以看出，增施有機(jī)肥是提升土壤有機(jī)碳(未達(dá)到高生產(chǎn)力土壤有機(jī)碳平衡值)的適宜后續(xù)施肥措施，在已培肥的水稻土上減少其有機(jī)肥施用量或者完全改施化肥都將導(dǎo)致其土壤有機(jī)碳的損失。因此，在已培肥紅壤水稻土上施用有機(jī)肥而避免施用化肥的意義不僅在于促進(jìn)土壤有機(jī)碳增長，而且還在于保持土壤已有有機(jī)碳水平。

4 結(jié)論

變更施肥能明顯改變CO2排放動態(tài)變化，有機(jī)肥和土壤有機(jī)碳均能促進(jìn)紅壤性水稻土土體CO2排放。長期施用有機(jī)肥的紅壤性水稻土改施化肥后其前期施用有機(jī)肥積累的土壤有機(jī)碳將分解損失，最終與長期單一施用化肥的土壤有機(jī)碳水平相一致。長期施用化肥(有機(jī)肥)的紅壤性水稻土上改施(增施)有機(jī)肥能促進(jìn)其有機(jī)碳的積累，有機(jī)碳水平不同的水稻土在相同有機(jī)肥管理下，其土壤有機(jī)碳水平最終會達(dá)到相同的新平衡。增施有機(jī)肥是提升紅壤稻田土壤固碳功能的可持續(xù)發(fā)展措施，避免有機(jī)肥改施化肥是防止紅壤稻田土壤有機(jī)碳損失的有效途徑。

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Effects of fertilization reforming on the CO2flux in paddy soils with different fertilities

ZHANG Lei, YIN Lichu*, YI Yanan, GAO Decai, FU Weiwei, WANG Zehao

CollegeofResourcesandEnvironment,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China

Paddy soils show significant potential of carbon sequestration. The soil organic carbon (SOC) content of red paddy soils have been reported to be steady after 30 years′ cultivation and it varies with different fertilization practice. In this study, three red paddy soils, which cultivated under different organic fertilization treatments in a 30 years fertilizer experiment in Changsha, China, was adjusted to the following seven treatments without compromising the original experiment: the original high organic fertilization treatment(HOM), the high organic fertilization treatment changed from the original normal organic fertilization treatment(N-H), the original normal organic fertilization treatment(NOM), the normal organic fertilization treatment changed from chemical fertilization (C-N), the chemical fertilization treatment changed from high organic fertilization treatment(H-C), the chemical fertilization treatment changed from normal organic fertilization treatment(N-C), the original chemical fertilization treatment(CF). CO2flux of the three original and four changed treatments was measured to study the effects of the following-up fertilization reforming on the CO2flux in red paddy soils with different fertilities in 2012—2013. The results clearly showed that the following-up changing of fertilization had obvious impacts on the dynamics of CO2flux. The CO2flux in the soils under long-term organic fertilization treatments decreased after the adjustment from organic fertilization to chemical fertilization. However, the CO2flux in the soils under long-term chemical fertilization treatments increased remarkably after the adjustment from chemical fertilization to organic fertilization. The results also indicated that both organic fertilizer and soil organic carbon (SOC) had important impacts on CO2flux. The amount of organic carbon inputted by organic fertilizers had a significantly positive relationship with the total amount of annual CO2-C flux (r=0.9015**，n=21), and the inherent SOC content (x) also had a positive relationship with the total amount of annual CO2-C (y) (y= 10.962x-68.86,R2= 0.7507,n= 9,P<0.01) in the paddy soils received chemical in 2012. The fertilization reforming from organic fertilization to chemical fertilization would lead to the loss of SOC in paddy soils due to its mineralization, and the SOC loss increased with the rising of inherent SOC content. The SOC content in the paddy soils under long-term organic fertilization would be consistent with that in the paddy soils under long-term chemical fertilization after the fertilization reforming from organic to chemical fertilization for a certain time. The fertilization reforming from chemical to organic fertilization, or from low organic to high organic fertilization would lead to the SOC accumulation in paddy soils, and the accumulating rate of SOC had a positive relationship with the amount of the inputted organic material. Under same organic fertilization treatment, the apparent decomposition rate of organic material applied in the soils with high SOC content was larger than that in the soils with low SOC content, which would result in lower SOC accumulation. So, the paddy soils with different SOC content would have the same SOC level when they received same organic fertilization management for a certain time. As a conclusion, the sustained organic fertilization in red paddy soils with high or low SOC content is essential to maintain or improve the soil organic carbon content in Southern China.

paddy soil; fertilization reforming; CO2flux; soil organic carbon

國家自然科學(xué)基金(41371250); 湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2012B287)

2013- 10- 24;

日期:2014- 07- 14

10.5846/stxb201310282596

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lcyin0418@sohu.com

張蕾, 尹力初, 易亞男, 高德才, 付薇薇, 王澤浩.改變施肥管理后不同肥力稻田土壤CO2排放特征.生態(tài)學(xué)報,2015,35(5):1399- 1406.

Zhang L, Yin L C, Yi Y N, Gao D C, Fu W W, Wang Z H.Effects of fertilization reforming on the CO2flux in paddy soils with different fertilities.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1399- 1406.