胡志華,李大明,徐小林,余喜初,柳開樓,葉會財(cái),周利軍,胡惠文,黃慶海**

(1.江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心 南昌 331717; 2.農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測試驗(yàn)站 南昌 331717)

不同有機(jī)培肥模式下雙季稻田碳匯效應(yīng)與收益評估*

胡志華1,2,李大明1,2,徐小林1,2,余喜初1,2,柳開樓1,2,葉會財(cái)1,2,周利軍1,2,胡惠文1,2,黃慶海1,2**

(1.江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心 南昌 331717; 2.農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測試驗(yàn)站 南昌 331717)

本研究基于1981年開展的有機(jī)肥長期定位試驗(yàn),研究了不同有機(jī)肥種類、用量和施用方式對稻田生態(tài)系統(tǒng)碳排放、系統(tǒng)碳固定與凈碳匯的影響,并對各處理經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了比較,為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)低碳、高值、高效生產(chǎn)提供理論參考。本研究所選取的有機(jī)肥處理包括: 不施肥對照(CK); 早稻施用綠肥紫云英15 t·hm-2,晚稻不施有機(jī)肥(M1); 早稻施用兩倍綠肥紫云英30 t·hm-2,晚稻不施有機(jī)肥(M2); 早稻施用綠肥紫云英15 t·hm-2和豬糞15 t·hm-2,晚稻不施有機(jī)肥(M3); 早稻施用綠肥紫云英15 t·hm-2+晚稻施用豬糞15 t·hm-2和冬季稻草覆蓋4 500 kg·hm-2(M4); 長期施用化肥(NPK)等5個(gè)處理。每5年于晚稻收獲后采集土樣測定土壤有機(jī)碳含量,并測定每年的早晚季水稻產(chǎn)量與生物量,用于估算系統(tǒng)收益與碳收支(5年平均)。結(jié)果表明: 與不施肥對照相比,各施肥處理水稻產(chǎn)量均顯著提高(P＜0.05),增幅為 30.88%～96.52%,且隨著施肥年限的增加,M4處理增產(chǎn)作用最大。長期施用有機(jī)肥顯著提高紅壤稻田土壤固碳能力,且有機(jī)肥用量增加系統(tǒng)土壤固碳能力增強(qiáng),M2、M3、M4處理土壤固碳量顯著高于M1、NPK和CK處理; 稻田植株固碳量也顯著提高(P＜0.05),M4和M3最高,雙季稻植株固碳量為6.76～8.83 t(C)·hm-2·a-1。長期施用有機(jī)肥下稻田系統(tǒng)凈碳匯顯著增加,與對照相比施肥處理(M1、M2、M3、M4、NPK)系統(tǒng)凈碳匯增加1.43～3.93 t(C)·hm-2·a-1,系統(tǒng)碳匯效應(yīng)顯著(P＜0.05)。同一處理不同施肥年限由生產(chǎn)活動(dòng)所引起的碳排放量保持不變,系統(tǒng)凈碳匯量差異主要表現(xiàn)在系統(tǒng)固碳量上,其變化趨勢與水稻產(chǎn)量變化趨勢基本一致。長期施用有機(jī)肥顯著降低了化肥投入,稻田生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益顯著增加(P＜0.05),并以M4處理最高,達(dá) 25 683.7 ￥·hm-2·a-1。綜上結(jié)果表明: 長期施用有機(jī)肥顯著提高雙季稻田碳匯效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益(P＜0.05),綠肥紫云英與豬糞和秸稈配施稻田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效益與經(jīng)濟(jì)效益較單施綠肥紫云英優(yōu)勢明顯。

雙季稻田; 有機(jī)培肥模式; 產(chǎn)量; 固碳量; 碳匯效應(yīng); 經(jīng)濟(jì)效益

近年來,由于溫室效應(yīng)引發(fā)的全球升溫等氣候問題引起人們的廣泛關(guān)注,溫室氣體減排成為當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的方向與聚焦點(diǎn)。CH4和CO2是重要的溫室氣體,而大氣中70% CH4和20% CO2來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)[1],因此,探明稻田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對于降低系統(tǒng)CH4和CO2排放,緩解溫室效應(yīng)具有重要意義。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受自然因素和人為活動(dòng)影響較大,如:耕作、施肥、灌溉等,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳排放在時(shí)間與空間上變化復(fù)雜[2],但目前對該系統(tǒng)的碳收支平衡研究較少[3-4]。我國是世界上最重要的水稻(Oryza sativa)生產(chǎn)國家之一,水稻產(chǎn)量與種植面積在全世界排名分別為第1和第2[5],因此,探明稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡及其變化規(guī)律和調(diào)控機(jī)制對于評價(jià)全球大氣碳收支平衡與降低農(nóng)田碳排放,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)低碳與可持續(xù)化具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。韓冰等[6]研究表明改善耕作措施可顯著降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的CO2排放。施肥是重要的農(nóng)事措施,對稻田生態(tài)碳匯影響顯著。李潔靜等[7-8]發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥配施可顯著提高水稻產(chǎn)量與碳匯量。彭華等[9]也得到了類似成果。此外,余喜初等[10-11]針對鄱陽湖地區(qū)長期施肥條件下雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯效應(yīng)的研究也表明,適當(dāng)施用有機(jī)肥顯著提高稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益,是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)、增匯、減排的有效措施。目前,關(guān)于有機(jī)肥培肥對于稻田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應(yīng)的影響研究主要集中在施用有機(jī)肥與單施化肥的比較上。然而,雙季稻區(qū)的有機(jī)肥種類(水稻秸稈、冬季綠肥、畜禽糞便等)較多,利用率較低,且施用方式各異。而關(guān)于不同有機(jī)培肥模式對雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應(yīng)影響機(jī)制方面的研究報(bào)道較少。因此,本研究基于紅壤丘陵地區(qū)江西省紅壤研究所稻田有機(jī)肥長期定位試驗(yàn)所積累的數(shù)據(jù),以不同有機(jī)肥培肥模式為切入點(diǎn),以提升雙季稻區(qū)有機(jī)肥資源利用水平為目標(biāo),選取 1981—2010年30年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究不同有機(jī)肥種類、用量與施用方式下雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)碳排放、系統(tǒng)固碳與凈碳匯的差異,并對各處理經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行比較,旨在為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)低碳、高值、高效生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于江西省南昌市進(jìn)賢縣江西省紅壤研究所內(nèi)(116°20′24″N,28°15′30″E),屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均降水量 1 727 mm,年蒸發(fā)量1 100 mm; 年均氣溫17.7～18.5 ℃,最冷月(1月)平均氣溫4.6 ℃,最熱月(7月)平均氣溫28.0～29.8 ℃。海拔高度25～30 m,為典型的低丘紅壤地區(qū),土壤類型為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的潴育型水稻土。試驗(yàn)始于1981年春季,初始耕層土壤 pH 6.9,有機(jī)碳含量16.3 g·kg-1,全氮含量0.95 g·kg-1,全磷含量1.02 g·kg-1,全鉀含量15.41 g·kg-1,堿解氮含量144 mg·kg-1,有效磷(NaHCO3-P)含量10.3 mg·kg-1,速效鉀(NH4OAc-K)含量125.1 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于1981年,試驗(yàn)共設(shè)置9個(gè)處理,本研究選取了6個(gè)施肥處理(表1),分別為: 1)不施肥處理(CK); 2)早稻施用綠肥(M1); 3)早稻施用兩倍綠肥(M2); 4)早稻施用綠肥和豬糞(M3); 5)早稻施用綠肥+晚稻施用豬糞和冬季稻草覆蓋(M4); 6)長期施用化肥(NPK)。小區(qū)面積為60 m2,順序排列,3次重復(fù),各處理施肥見表 1。其中有機(jī)肥、磷肥和鉀肥作基肥,氮肥分兩次施(其中基肥50%,追肥50%),試驗(yàn)所用水稻品種為本區(qū)常用品種,每 5年更換一次,株行距為20 cm×20 cm。其他各項(xiàng)田間農(nóng)事管理同當(dāng)?shù)匾话愀弋a(chǎn)栽培管理措施一致。本試驗(yàn)所用有機(jī)肥為紫云英(Astragalus sinicus)、鮮豬糞和秸稈,其養(yǎng)分情況見表2。

表1 紅壤稻田有機(jī)肥長期定位試驗(yàn)處理施肥量Table 1 Fertilizers application rates of treatments of the long-term organic fertilizer experiment in the red paddy soil kg·hm-2

表2 試驗(yàn)用有機(jī)肥養(yǎng)分狀況Table 2 Nutrients contents of organic fertilizers applied in the experiment

1.3 測定內(nèi)容

試驗(yàn)期間每5年測定1次水稻產(chǎn)量、生物量及土壤碳含量和容重。水稻產(chǎn)量為早稻與晚稻各小區(qū)單打單收的實(shí)際產(chǎn)量之和,水稻生物量為早晚稻收割時(shí)所取植株樣測定。土壤碳含量為晚稻收獲后采集耕層(1～17 cm)土樣,采用魯如坤[12]方法測定土壤有機(jī)含量后換算所得; 土壤容重采用環(huán)刀法測定[12]。各處理物資及資源投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)為1981—2011年 30年間的平均值,農(nóng)產(chǎn)品收獲后的經(jīng)濟(jì)效益均以2015年的市場價(jià)格進(jìn)行估算(表3),研究所涉及的只是特定作物從播種到收獲產(chǎn)品期間的物質(zhì)循環(huán)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值,不涉及產(chǎn)品的去向。

表3 水稻田間生產(chǎn)年均投入量Table 3 Annual input in field production for paddy field

1.4 研究方法

本研究對象為紅壤地區(qū)雙季稻田生態(tài)系統(tǒng),邊界為不同的試驗(yàn)田塊,碳固定-排放及經(jīng)濟(jì)投入-收益分析的對象是土壤-作物系統(tǒng)及系統(tǒng)中附加的農(nóng)事活動(dòng)投入,如: 耕作、灌溉、農(nóng)藥、收割等。本研究參照李潔靜等[7-8]的方法計(jì)算雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡、碳吸收量、碳排放量和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)流等相關(guān)的參數(shù),具體研究方法如下:

系統(tǒng)碳吸收量(Ca)計(jì)算:

式中:Ccrop表示作物地上部固碳量,CSOC為土壤有機(jī)碳。

系統(tǒng)碳排放量(Ce),本研究所涉碳排放為生產(chǎn)活動(dòng)中涉及的碳排放(Eh),為農(nóng)用化學(xué)品(農(nóng)藥、化肥等)投入涉及的能源碳排放(Cac)、農(nóng)事管理投入的碳排放(Cm)與農(nóng)田作業(yè)時(shí)人工投入的碳排放(C1)之和:

系統(tǒng)凈碳匯(Cs)通過吸收與排放的碳平衡計(jì)算:

碳分項(xiàng)參數(shù)估算:

作物地上部固碳量(Ccrop)估算:

式中:Yer為早稻生物產(chǎn)量;Ylr為晚稻生物產(chǎn)量;Cf為作物合成單位生物量干物質(zhì)所吸收的大氣碳,水稻取值為0.41。

土壤有機(jī)碳(CSOC)計(jì)算:

式中:Ws為每公頃耕作層土重,通過供試土壤的容重?fù)Q算,Xy為取樣年分土壤的有機(jī)質(zhì)含量,Xo為試驗(yàn)開始年原始土壤的有機(jī)質(zhì)含量,1.724 為有機(jī)質(zhì)與碳的換算系數(shù)。

農(nóng)用化學(xué)品(農(nóng)藥、化肥等)投入涉及的能源碳排放(Cac),化學(xué)品投入涉及的碳排放包括殺蟲劑生產(chǎn)碳排放(Cpesticides)和肥料生產(chǎn)碳排放(Cfertilizers):

式中:Vin-CO2為生產(chǎn)殺蟲劑的 CO2排放,取值4 931.93 kg(C)·Mg-1;Wp為農(nóng)藥施用量(kg·hm-2)。

式中:Ufi-CO2為生產(chǎn)1 t化肥的碳排放;i表示不同的肥料種類,氮肥生產(chǎn)的碳排放為1.74 t(C)·t-1; 磷肥和鉀肥產(chǎn)生的碳排放分別為 165.09 kg(C)·t-1和 120.28 kg(C)·t-1;Wfi為單位面積的化肥施用量(kg·hm-2)。

農(nóng)事管理投入的碳排放(Cm)計(jì)算,包括灌溉活動(dòng)的碳排放(Cirrigation)、機(jī)耕與機(jī)收活動(dòng)的碳排放(Cmachine):

灌溉活動(dòng)的碳排放(Cirrigation)估算:

式中:Virrigation-CO2為煤電的碳強(qiáng)度系數(shù),0.92 kg(CO2)· (kW·h)-1; W為灌溉所用的電量(kW·h)。

機(jī)械能源的碳排放(Cmachine):

式中:Vm-CO2為柴油的碳強(qiáng)度系數(shù),2.63 kg(CO2)·L-1;L為每年單位面積機(jī)耕與機(jī)收總耗油量(L)。

農(nóng)田作業(yè)時(shí)人工投入的碳排放(Cl)計(jì)算:

式中:VCO2為成人(體重60 kg)每天呼出的CO2體積;Nl為一個(gè)作物生長季投入的人工總數(shù)(人·d-1)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本研究選取1981—2010年30年的試驗(yàn)數(shù)據(jù),并用 SAS 9.2數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,顯著性差異用Duncan法比較,并用Microsoft Excel繪圖工具進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施用有機(jī)肥對水稻產(chǎn)量的影響

長期施用有機(jī)肥顯著影響水稻產(chǎn)量(圖1)。與不施肥對照相比較,施肥處理(M1、M2、M3、M4、NPK)產(chǎn)量均顯著增長(P＜0.05)1.95～4.87 t·hm-2,增幅為30.88%～96.52%。有機(jī)肥施用量、種類和施用方式對水稻產(chǎn)量影響顯著,隨著施肥年限的增加,早稻施用綠肥+晚稻施用豬糞和冬季稻草覆蓋(M4)處理對水稻產(chǎn)量增長的促進(jìn)作用最大,其次為早稻施用綠肥和豬糞(M3)處理 ,均顯著高于M2和NPK處理,M1處理對水稻增產(chǎn)作用最小。增加有機(jī)肥用量可提高水稻產(chǎn)量,且豬糞、秸稈與紫云英配施對雙季水稻的增產(chǎn)效果較單一施用綠肥紫云英具有明顯優(yōu)勢。

2.2 不同有機(jī)肥管理模式系統(tǒng)碳排放狀況

本試驗(yàn)自開展以來每年施肥、農(nóng)藥、灌溉等田間管理水平基本一致,因此,不同施肥年限間同一施肥處理由生產(chǎn)活動(dòng)所引起的碳排放量無明顯差異(表4)。不同施肥處理間由生產(chǎn)活動(dòng)所引起的系統(tǒng)碳排放量差異主要表現(xiàn)在化肥施入量和人工投入的差異上,其中不施肥(CK)處理最低,為1.06 t(C)·hm-2·a-1,顯著低于其他處理(P＜0.05),最高為單施化肥(NPK)處理,碳排放達(dá)1.34 t(C)·hm-2·a-1,其次為早稻施用綠肥+晚稻施用豬糞和冬季稻草覆蓋(M4)處理,為1.32 t(C)·hm-2·a-1。

圖1 長期施用有機(jī)肥對水稻產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of long-term organic fertilization application on the rice yield

表4 不同有機(jī)肥管理模式農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量Table 4 Carbon emission of field ecosystem under different organic fertilizer managements

2.3 不同有機(jī)肥管理模式下系統(tǒng)碳固定

2.3.1 有機(jī)肥管理模式對土壤固碳量的影響

不同有機(jī)肥施用量、種類與施用模式等對雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳量影響顯著(圖2)。試驗(yàn)初始0～5 a不施肥(CK)與單施化肥(NPK)處理土壤碳含量均有所下降,施用有機(jī)肥顯著提高稻田生態(tài)系統(tǒng)的土壤固碳量,且早稻施用綠肥+晚稻施用豬糞和冬季稻草覆蓋(M4)處理以0.263 t(C)·hm-2·a-1的固碳量最高,其次為M3,而M2、M1處理系統(tǒng)土壤含碳量基本維持原有水平。隨著施肥年限的增加各處理土壤含碳量在施肥10 a后開始增長,且M2、M3、M4處理土壤固碳量逐漸趨于一致并顯著高于其他處理,其次為 M1和單施化肥(NPK)處理,不施肥處理(CK)固碳量最低。表明長期施用有機(jī)肥能顯著提升稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳量,且有機(jī)肥用量增加提高系統(tǒng)土壤固碳量。

圖2 長期施用有機(jī)肥對稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳量的影響Fig.2 Effect of long-term organic fertilization on the soil carbon sink of paddy field ecosystem

2.3.2 不同施肥模式下植株固碳狀況

長期施用有機(jī)肥顯著提高紅壤稻田水稻產(chǎn)量與干物質(zhì)積累,處理間植株固碳量存在顯著差異(表5)。試驗(yàn)期間各處理植株雙季固碳量均以不施肥(CK)最低,為 4.03～5.28 t(C)·hm-2·a-1,顯著低于其他施肥處理(P＜0.05),M4處理植株固碳量最高,為6.76～8.83 t(C)·hm-2·a-1。M3和M4處理植株固碳量僅在施肥20 a時(shí)存在顯著差異,且試驗(yàn)期間植株雙季固碳量均顯著高于其他處理(P＜0.05); 試驗(yàn)開展初始NPK處理植株雙季固碳量與M3和M4處理基本一致,隨著施肥年限的增加,施肥15 a后顯著低于M3和M4處理(P＜0.05); 試驗(yàn)期間M1處理植株雙季固碳量均顯著高于CK,但顯著低于其他施肥處理(P＜0.05); 試驗(yàn)開始初期M2處理植株雙季固碳量顯著低于NPK(P＜0.05),施肥10 a后兩處理間無顯著差異。這些結(jié)果表明施用有機(jī)肥對增加水稻植株固碳量的效果優(yōu)于長期施用化肥,且增加有機(jī)肥用量對固碳量的增加效果顯著,此外,紫云英、豬糞和秸稈混用處理效果顯著優(yōu)于單一施用紫云英處理。

江西是我國重要的雙季稻區(qū),早晚季水稻生長與固碳作用是兩個(gè)相對獨(dú)立的過程。本試驗(yàn)結(jié)果表明不同施肥處理對早晚季水稻植株固碳量具有顯著影響(表5)。試驗(yàn)前期M3和NPK處理早稻植株固碳量顯著高于其他處理,而隨著施肥時(shí)間的延長,施肥15 a后M4處理早稻植株固碳量與M3處理無顯著差異,施肥20 a后顯著高于NPK處理(P＜0.05)。晚稻植株固碳量也表現(xiàn)出類似趨勢,初期 M4處理最高,且顯著高于其他處理,隨著施肥的進(jìn)行與M3處理基本一致并顯著高于其他處理。

表5 不同有機(jī)肥管理模式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植株固碳情況Table 5 Status of crop carbon sink in agricultural ecosystem under different organic fertilizer managements t(C)·hm-2·a-1

2.4 系統(tǒng)凈碳匯變化特征

不同有機(jī)肥管理模式顯著影響雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳匯量(圖3)。其變化特征與水稻產(chǎn)量變化較為一致,其中以早稻施用綠肥+晚稻施用豬糞和冬季稻草覆蓋(M4)處理的系統(tǒng)凈碳匯效應(yīng)最大,其次為早稻施用綠肥和晚稻施用豬糞(M3)處理,且M3和M4處理在施肥 15 a后系統(tǒng)凈碳匯顯著高于 NPK處理(P＜0.05),系統(tǒng)凈碳匯分別增加0.61～1.07 t(C)·hm-2·a-1和0.66～1.41 t(C)·hm-2·a-1; M2與NPK處理間系統(tǒng)凈碳匯無顯著差異,且除施肥20 a外均顯著高于M1處理;各施肥處理系統(tǒng)凈碳匯試驗(yàn)期間均顯著高于不施肥處理(P＜0.05),系統(tǒng)凈碳匯增加1.43～3.93 t(C)·hm-2·a-1。同一處理不同施肥年限凈碳匯存在一定波動(dòng)性,但各處理變化趨勢與水稻產(chǎn)量變化趨勢一致,該差異可能受不同品種差異及不同年份氣候變化等因素的影響。

2.5 不同有機(jī)肥管理模式對稻田生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響

本系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益主要受水稻產(chǎn)量與生產(chǎn)投入成本影響(圖4),不同處理間在生產(chǎn)投入上存在顯著差異,其中以單施化肥(NPK)處理最高,達(dá) 5 256 ￥·hm-2·a-1,顯著高于其他處理(P＜0.05); 不施肥對照(CK)最低,為 3 206 ￥·hm-2·a-1; 各有機(jī)肥處理間生產(chǎn)投入差異主要來自于生產(chǎn)中的人工投入差異。不同施肥處理顯著影響水稻產(chǎn)量,進(jìn)而顯著影響稻田生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。如圖4所示,與對照相比各施肥處理(M1、M2、M3、M4、NPK)稻田生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益均顯著增加(P＜0.05),不同施肥處理間經(jīng)濟(jì)效益也存在顯著差異,其表現(xiàn)與各施肥處理產(chǎn)量差異基本一致,以早稻施用綠肥+晚稻施用豬糞和冬季稻草覆蓋(M4)處理最高,達(dá) 25 683.7 ￥·hm-2·a-1,其次為早稻施用綠肥和晚稻施用豬糞(M3)處理,顯著高于長期施用化肥(NPK)處理,而早稻施用綠肥(M1)處理增效作用最小,與NPK無顯著差異。

圖3 不同有機(jī)肥管理模式對雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯量的影響Fig.3 Effect of different organic fertilizer managements on the net carbon sink production in the double rice eco-system

圖4 不同有機(jī)肥管理模式下稻田生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益對比Fig.4 Comparison of the economic benefit of paddy field ecosystem under different organic fertilizers managements

3 討論

3.1 不同培肥模式對雙季稻田碳匯效應(yīng)的影響

研究表明近 100年內(nèi)全球表面平均溫度上升近1 ℃[13]。全球氣溫上升,極端天氣頻發(fā)日益成為制約我國水稻產(chǎn)量的重要因子,高溫等脅迫容易引起水稻生長變緩、分蘗減少、花粉不育、結(jié)實(shí)率降低等,顯著降低水稻產(chǎn)量與品質(zhì)[14-17]。CO2和 CH4等溫室氣體排放是引起全球氣溫上升的重要原因之一,其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)排放量占很大比例。前人為了降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放,緩解由之引發(fā)的溫室效應(yīng),提升其固碳作用實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)可持續(xù)化發(fā)展,做了大量的研究。梁二等[18]利用我國第 1次和第 2次土壤普查數(shù)據(jù)分析了我國各地農(nóng)田土壤碳的變化趨勢,估算了農(nóng)田土壤碳源、匯潛力,為農(nóng)田土壤碳匯能力及其農(nóng)田土壤固碳潛力等研究提供了方法和依據(jù)。張海林等[19]研究發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作減輕了對土壤的侵蝕和損傷,降低了表層有機(jī)碳的流失,顯著提高了表層土壤有機(jī)質(zhì)含量。吳家梅等[20]研究表明稻草還田碳匯效應(yīng)顯著,且稻草覆蓋免耕顯著降低了稻田CH4的排放。本研究結(jié)果表明長期施用有機(jī)肥顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤固碳能力,這與余喜初等[10-11]研究結(jié)果較為一致,且李潔靜等[8]在太湖等地區(qū)開展的研究也取得類似的成果。此外,本研究通過對不同有機(jī)肥施用模式下雙季稻田碳匯效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),早稻施用綠肥+晚稻施用豬糞和冬季稻草覆蓋(M4)和早稻施用綠肥和晚稻施用豬糞(M3)處理系統(tǒng)碳匯均顯著高于早稻施用兩倍綠肥(M2)處理,且 M2處理系統(tǒng)碳匯顯著高于早稻施用綠肥(M1)處理,表明有機(jī)肥施用量增加可使稻田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力明顯增強(qiáng),且綠肥紫云英、豬糞、稻草等有機(jī)肥混合施用較單一施用綠肥紫云英碳匯效應(yīng)顯著,這可能與不同有機(jī)肥的養(yǎng)分組成及其在土壤中腐解與釋放特征有關(guān),表 2可以發(fā)現(xiàn)豬糞氮磷鉀養(yǎng)分較為均衡,而綠肥季稻草磷元素含量明顯偏低,這為稻田系統(tǒng)有機(jī)肥的合理使用提供了重要的理論支撐。然而不同種類有機(jī)肥在土壤中降解對雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應(yīng)的影響機(jī)制尚不清晰,需進(jìn)一步研究。

3.2 長期施用有機(jī)肥對雙季稻田經(jīng)濟(jì)效益的影響

水稻生產(chǎn)是我國農(nóng)民重要的收入來源,因此,獲取較高的經(jīng)濟(jì)效益是農(nóng)民生產(chǎn)的首要目的。稻田生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益由生產(chǎn)投入成本與稻田谷物產(chǎn)值共同組成。本研究發(fā)現(xiàn)與施用化肥處理相比,施用有機(jī)肥處理顯著降低了水稻生產(chǎn)中化肥投入成本,其中M3和M4處理年均收益均顯著高于施用化肥(NPK)處理(P＜0.05)。余喜初等[8,10-11]也發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥配施可顯著提高稻田生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)綠肥紫云英與其他有機(jī)肥(秸稈、豬糞等)配施(M3,M4)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益顯著高于單一施用綠肥紫云英(M1,M2)(P＜0.05),其中以M4處理最高,達(dá)25 683.7 ￥·hm-2·a-1。因此,合理施用有機(jī)肥和化肥是提高稻田系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。

3.3 有機(jī)培肥的生態(tài)效益

我國是世界上最大的發(fā)展中國家,人口巨大,耕地資源等匱乏,且當(dāng)前環(huán)境形勢惡劣等因素一直制約著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此,發(fā)展生態(tài)高值農(nóng)業(yè)是克服這些難題重要途徑,也是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要出路[21]。施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的農(nóng)事活動(dòng),本研究發(fā)現(xiàn)長期施用有機(jī)肥顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量與水稻產(chǎn)量,其中以早稻施用綠肥+晚稻施用豬糞和冬季稻草覆蓋(M4)處理下稻田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益最佳,顯著高于對照及其他施肥處理。由此可見,合理施用有機(jī)肥可顯著降低水稻生產(chǎn)中化肥用量與碳排放,對于實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)節(jié)本增效與生態(tài)可持續(xù)化具有重要意義,符合我國生態(tài)高值農(nóng)業(yè)的要求。

4 結(jié)論

長期施用有機(jī)肥顯著提升了紅壤稻田系統(tǒng)的碳匯效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。與不施有機(jī)肥相比,各有機(jī)肥處理的土壤有機(jī)碳顯著提升,固碳能力和生產(chǎn)能力顯著增強(qiáng),系統(tǒng)凈碳匯增加顯著,與不施肥對照相比較,各施肥處理(M1、M2、M3、M4、NPK)系統(tǒng)凈碳匯增加 1.43～3.93 t(C)·hm-2·a-1,且與單施化肥相比較,施肥 15 a后早稻施用綠肥+晚稻施用豬糞和冬季稻草覆蓋(M4)處理和早稻施用綠肥和晚稻施用豬糞(M3)處理系統(tǒng)凈碳匯顯著增加(P＜0.05),增加量為0.61～1.41 t(C)·hm-2·a-1。同時(shí),長期施用有機(jī)肥降低了化肥投入,生產(chǎn)成本降低 362～722 ￥·hm-2·a-1,經(jīng)濟(jì)效益增加明顯,M4處理以25 683.7 ￥·hm-2·a-1最高,顯著高于其他處理(P＜0.05)。此外,不同有機(jī)培肥模式間稻田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益存在顯著差異,增加有機(jī)肥投入可提高系統(tǒng)碳匯效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益,與單一施用綠肥處理相比,綠肥、豬糞和秸稈配施處理的碳匯效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益均增加。因此,合理調(diào)控有機(jī)肥種類對于提升稻田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義,高度契合生態(tài)高值農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求,有利于實(shí)現(xiàn)紅壤稻田農(nóng)業(yè)的節(jié)本增效生產(chǎn)及生態(tài)的可持續(xù)化發(fā)展。

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Evaluation of net carbon sink effects and costs/benefits of double-cropped rice fields under different organic fertilizer applications*

HU Zhihua1,2,LI Daming1,2,XU Xiaolin1,2,YU Xichu1,2,LIU Kailou1,2,YE Huicai1,2,ZHOU Lijun1,2,HU Huiwen1,2,HUANG Qinghai1,2**
(1.Jiangxi Institute of Red Soil /National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement,Nanchang 331717,China; 2.Scientific Observation and Experimental Station of Arable Land Conservation (Jiangxi Province),Ministry of Agriculture,Nanchang 331717,China)

For theoretical reference on low carbon,high profit and efficient agriculture,a long-term organic fertilizer experiment was conducted since 1981 to study the effects and economic benefits of different organic fertilizers,fertilizer doses and application methods on carbon emission and carbon sink in paddy field ecosystems.Treatments of non-fertilizer (control),Astragalus sinicusapplication in early rice (15 t·hm-2) (M1),double amount ofA.sinicusapplication in early rice (30 t·hm-2) (M2),A.sinicusapplication (15 t·hm-2) plus pig manure application (15 t·hm-2) in early rice (M3),A.sinicusapplication in early rice (15 t·hm-2) plus pig manure application in late rice (15 t·hm-2) with straw mulching (4 500 kg·hm-2) in winter (M4),and NPK-chemical fertilizer in both early and late rice (NPK) were set up in the experiment.The soil samples were collected once every five years to measure organic carbon content after late rice harvest.Then rice biomass and yield were measured once every five years to evaluate the economic and carbon costs/benefits (5-year average) of the ecosystem after early rice and late rice harvest.Results showed that compared with the control,M1,M2,M3,M4 and NPK treatments significantly increased rice yield (P＜ 0.05) in a range of 30.88%–96.52%.Increase in the years promoted rice yield most under M4 treatment.Long-term organic fertilizer application significantly increased SOC (soil organic carbon) content and soil carbon sink ability.Soil carbon sink of M2,M3 and M4 treatments were significantly higher than that of M1,NPK and CK treatments.Crop carbon sink under long-term organic fertilization treatments,which was 6.76-8.83 t(C)·hm-2·a-1for double-cropped rice,was improved greatly.Compared with the control,net carbon sink under M1,M2,M3,M4 and NPK treatments increased significantly (P＜ 0.05) with increment of 1.43-3.93 t(C)·hm-2·a-1.Carbon emission caused by production activity of each treatment remained unchanged for different years of fertilizer application.The differences in net carbon sink among treatments were mainly caused by variation in carbon sink of ecosystem,whose changing trend was similar to that of rice yield.Long-term organic fertilizer application significantly reduced chemical fertilizer input,but also significantly increased the economic benefits of double-cropped rice (P＜ 0.05) to a maximum of 25 683.7 ￥·hm-2·a-1(under M4 treatment).In conclusion,long-term organic fertilizer application significantly increased soil carbon sink and economic benefits.Besides,an integrated application ofA.sinicus,pig manure and crop straw was obviously advantageous over sole application ofA.sinicusin terms of increasing net carbon sink effects and economic benefits of paddy field ecosystem.

Double-cropped rice field; Organic fertilizer application method; Yield; Carbon sequestration; Carbon sink effect; Economic benefit

S147.5

: A

: 1671-3990(2017)02-0157-09

10.13930/j.cnki.cjea.160725

胡志華,李大明,徐小林,余喜初,柳開樓,葉會財(cái),周利軍,胡惠文,黃慶海.不同有機(jī)培肥模式下雙季稻田碳匯效應(yīng)與收益評估[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2017,25(2): 157-165

Hu Z H,Li D M,Xu X L,Yu X C,Liu K L,Ye H C,Zhou L J,Hu H W,Huang Q H.Evaluation of net carbon sink effects and costs/benefits of double-cropped rice fields under different organic fertilizer applications[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2017,25(2): 157-165

* 國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41301269)、江西省水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系清潔生產(chǎn)與質(zhì)量控制崗位(JXARS-02-06)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201203030-07)資助

** 通訊作者: 黃慶海,E-mail: hqh0791@vip.sina.com胡志華,主要從事植物營養(yǎng)與生態(tài)研究。E-mail: hzh218314@yeah.net

2016-08-17 接受日期: 2016-10-09

* Funded by the National Natural Science Foundation of China (41301269),the Sanitary Production and Quality Control Station of Jiangxi Province Rice Technology System (JXARS-02-06),the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201203030-07)

** Corresponding author,E-mail: hqh0791@vip.sina.com

Received Aug.17,2016; accepted Oct.9,2016