柳開樓，葉會(huì)財(cái)，李大明，黃慶海，余喜初，胡志華，徐小林，胡惠文，周利軍，王賽蓮

(國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/江西省紅壤研究所，南昌 330046)

紅壤是我國南方地區(qū)重要的土地資源，總面積5 690萬hm2，其中以紅色黏土發(fā)育的紅壤面積分布最廣，其自然特性為土層深厚、酸性強(qiáng)、黏重板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量低、保肥保水性能差、生產(chǎn)力水平較低。再加上近年來不合理的土地利用，導(dǎo)致紅壤肥力進(jìn)一步下降，嚴(yán)重制約了該地區(qū)糧食增產(chǎn)潛力的發(fā)揮[1]。

土壤有機(jī)碳是陸地碳庫的重要組成部分，其分解和積累的變化一方面直接影響了全球的碳平衡, 另一方面影響了土壤肥力和植物生長，從而間接影響糧食產(chǎn)量[2-3]。大量研究表明，通過施用有機(jī)肥、秸稈覆蓋、還田和種植綠肥等措施可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)增加作物產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳含量[4-6]。但土壤是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，有機(jī)碳在土壤中礦化、固定等周轉(zhuǎn)過程受微生物、根系以及環(huán)境等諸多因素的影響，在以往的研究中，Kong 等[7]和 Liu等[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳固定與累積碳投入存在顯著的線性關(guān)系。Zhang 等[9]研究認(rèn)為這種線性關(guān)系主要適用于那些土壤有機(jī)碳含量尚未達(dá)到飽和點(diǎn)的土壤，且認(rèn)為這些土壤具有較大的潛力固定大氣的CO2。因此，通過構(gòu)建碳投入和固定的量化關(guān)系是研究土壤有機(jī)碳平衡的重要途徑，但這些研究多集中在小麥、玉米、水稻等糧食主產(chǎn)區(qū)[8-11]。在紅壤旱地上，雖然已有研究表明作物產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[4]，但有關(guān)土壤固碳效率對(duì)不同施肥措施的響應(yīng)規(guī)律仍不明確[5]，尤其是雙季玉米連作模式下。而研究不同培肥措施的固碳效率對(duì)于指導(dǎo)紅壤旱地的有機(jī)肥管理意義重大。因此，本研究以雙季玉米種植模式的紅壤旱地長期肥料試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過分析不同施肥處理的土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量的變化規(guī)律，并進(jìn)一步探討了碳投入與玉米產(chǎn)量及土壤碳儲(chǔ)量的相互關(guān)系，以期明確紅壤旱地的固碳效率及碳投入的平衡點(diǎn)，從而指導(dǎo)該地區(qū)的玉米生產(chǎn)和肥料管理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

長期試驗(yàn)地位于江西省進(jìn)賢縣張公鎮(zhèn)江西省紅壤研究所內(nèi)(116o17'23''E、28o35'15''N)，地處中亞熱帶，年均氣溫 18.1 ℃，≥10 ℃ 積溫 6 480 ℃，年降雨量 1 537 mm，年蒸發(fā)量 1 150 mm，無霜期約為 289 d，年日照時(shí)數(shù) 1 950 h。供試土壤為紅壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。長期試驗(yàn)從 1986 年開始，初始時(shí)耕層土壤基本性質(zhì)為：有機(jī)碳 9.39 g/kg，全氮 0.98 g/kg，堿解氮 60.3 mg/kg，全磷 0.62 g/kg，有效磷 5.6 mg/kg，全鉀 11.36 g/kg，速效鉀 70.25 mg/kg，pH 6.0。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共選取 7個(gè)施肥處理：①不施肥處理(CK)；②氮(N)；③氮磷鉀(NPK)；④兩倍氮磷鉀(HNPK)；⑤氮磷鉀+有機(jī)肥(NPKM)；⑥有機(jī)肥(OM)。每處理重復(fù)3次，小區(qū)面積22.2 m2，隨機(jī)排列，各小區(qū)之間用60 cm深水泥埂隔開。種植方式為春玉米-秋玉米-冬閑制。玉米品種自試驗(yàn)開始后每季均為掖單13號(hào)。具體肥料用量詳見表1，氮肥、磷肥和鉀肥的種類分別為尿素(N為 46.2%)、鈣鎂磷肥(P2O5為46.2%)和氯化鉀(K2O為60%)。磷肥、鉀肥和有機(jī)肥在玉米種植前作基肥一次性施用，氮肥分基肥(70%)和追肥(30%)施用。玉米種植中采用河水灌溉，其他管理措施同農(nóng)民習(xí)慣。

表1 紅壤旱地不同施肥處理的肥料投入量Table 1 Fertilizer inputs of drylands of red soil under different treatments

1.3 測定指標(biāo)和方法

1.3.1 樣品采集 每年在秋玉米收獲后的11月中旬隨機(jī)采集 0～20 cm 土壤，每小區(qū)取 5個(gè)點(diǎn)混合成一個(gè)樣，室內(nèi)風(fēng)干，磨細(xì)過 1 mm 和 0.25 mm 篩，裝瓶保存待分析。在每季玉米成熟期，每個(gè)小區(qū)采集3 棵有代表性的植株樣，將籽粒和秸稈分開后烘干，研磨以備分析。

1.3.2 土壤和植株養(yǎng)分測定 土壤有機(jī)碳(SOC)采用 K2Cr2O7-H2SO4氧化法測定，土壤全氮(TN)用半微量凱氏法測定，土壤全磷(TP)為HF-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定，土壤全鉀(TK)用HF-HClO4消煮-火焰光度計(jì)法測定，堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷(AP)采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀(AK)采用NH4OAc 浸提-火焰光度計(jì)法測定。植株樣品用H2SO4-H2O2消化，凱氏法測氮，鉬銻抗比色法測磷，火焰光度計(jì)法測鉀。具體測定方法見參考文獻(xiàn)[12]。

1.3.3 土壤有機(jī)碳投入和固定的相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

式中：SOCt為耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)；Ct為耕層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；d為耕層厚度(m)，本研究為0.2 m；BDt為土壤體積質(zhì)量(g/cm3)；10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

式中：SC為土壤有機(jī)碳含量的年均變化速率(t/(hm2·a))；t為試驗(yàn)觀測期限 (a)，由試驗(yàn)觀測的終止年與起始年的差值得到；C0和Ct分別為試驗(yàn)觀測起始年和終止年的有機(jī)碳含量(g/kg)。

式中：SSOC為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的年均變化速率(t/(hm2·a))；t為試驗(yàn)觀測期限 (a)，由試驗(yàn)觀測的終止年與起始年的差值得到；SOC0和SOCt分別為試驗(yàn)觀測起始年和終止年的有機(jī)碳儲(chǔ)量 (t/hm2)。

式中：Cinput為根茬有機(jī)碳投入量 (kg/hm2)，Yg為作物籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2)；Ys是秸稈產(chǎn)量 (kg/hm2)；R為光合作用進(jìn)入地下部分的碳的比例 (%)；Dy為作物根系生物量平均分布在 0～20 cm 土層的比例(%)；Rs為作物收割留茬占秸稈的比例 (%)；W和Ccrop分別為玉米地上部分風(fēng)干樣的含水量 (%) 和含碳量(g/kg)。

式中：Cinput-M為有機(jī)肥的有機(jī)碳投入量 (kg/hm2)，ManureC是實(shí)測有機(jī)肥的有機(jī)碳含量(g/kg)；W為有機(jī)肥含水量 (%)；Am為每年施用有機(jī)肥的鮮基重(kg/(hm2·a))。

對(duì)投入與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量之間進(jìn)行線性回歸

式中：a為固碳效率 (%)，b為土壤有機(jī)碳的年分解速率 (t/(hm2·a))。

采用 Excel 2003 和 SPSS 16.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析，采用 Origin 8.1 軟件作圖，不同處理的差異顯著性采用 LSD 進(jìn)行比較(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對(duì)紅壤旱地有機(jī)碳含量的影響

長期施肥條件下，紅壤旱地不同肥料處理土壤有機(jī)碳含量變化見圖1。與不施肥處理(CK)相比，施肥處理的土壤有機(jī)碳含量顯著提高，其中以氮磷鉀+有機(jī)肥(NPKM)和有機(jī)肥(OM)處理最高，氮肥單獨(dú)施用(N)處理的土壤有機(jī)碳在試驗(yàn) 27 年間均高于不施肥(CK)，但與試驗(yàn)前相比則不存在顯著提高；氮磷鉀(NPK)和兩倍氮磷鉀(HNPK)處理在試驗(yàn)前 20 年間隨著施肥年限的增加其土壤有機(jī)碳含量逐漸提高，但20～27年間則快速下降，在27 年時(shí)與試驗(yàn)前不存在顯著差異，但與CK處理相比，NPK、HNPK處理的土壤有機(jī)碳含量在試驗(yàn)27年時(shí)分別增加了17.4% 和19.0%；在連續(xù)試驗(yàn)27年時(shí)，NPKM和OM處理土壤有機(jī)碳含量分別比CK增加51.5% 和42.0%，且在27年間的增加量分別為2.26 g/kg和1.53 g/kg，增加速率分別為 0.08 g/(kg·a) 和 0.06 g/(kg·a)。其中以NPKM 處理的增幅最高。因此，在紅壤旱地上，氮磷鉀肥與有機(jī)肥配合施用可以持續(xù)穩(wěn)定提高土壤有機(jī)碳含量。

圖1 長期施肥下紅壤旱地有機(jī)碳含量變化趨勢Fig. 1 Changes of SOC contents in drylands of red soil under long-term fertilization

2.2 長期施肥對(duì)紅壤旱地有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

不同施肥措施可以顯著影響紅壤旱地的有機(jī)碳儲(chǔ)量。表2顯示，與試驗(yàn)前相比，試驗(yàn)27 a時(shí)，CK、N、NPK和HNPK處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量分別下降4.63、3.93、0.98和0.65 t/hm2，而NPKM和OM處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量則分別提高了6.36 t/hm2和4.26 t/hm2。在所有處理中，施用有機(jī)肥的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著較高，與CK處理相比，27 a時(shí)NPKM和OM處理有機(jī)碳儲(chǔ)量則分別增加57.1% 和45.7%。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，NPKM和OM處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量在27 a間的增加速率分別為0.24 和0.16 t/(hm2·a)。這說明，施用有機(jī)肥是提高紅壤旱地有機(jī)碳儲(chǔ)量的有效途徑。

表2 長期施肥下紅壤旱地有機(jī)碳儲(chǔ)量和變化速率Table 2 Pools and changes of SOC in drylands of red soil under long-term fertilization

2.3 紅壤旱地有機(jī)碳投入與玉米產(chǎn)量的相互關(guān)系

在紅壤旱地上，不同施肥處理下土壤的有機(jī)碳投入量存在明顯差異(圖2)，除了有機(jī)肥施用下土壤的有機(jī)碳投入量明顯增加之外，由于不同施肥措施可以改變玉米的根系生物量，因此各處理的根茬碳呈現(xiàn)出NPKM、HNPK ＞ OM、NPK ＞ N ＞ CK。但綜合計(jì)算得出，各處理的總有機(jī)碳投入量仍表現(xiàn)出NPKM和OM處理最高，分別比CK處理增加了8.4倍和7.4倍。

紅壤旱地上增加有機(jī)碳投入可以提高玉米產(chǎn)量(圖3)，且有機(jī)碳投入量與玉米產(chǎn)量的相互關(guān)系可以用米氏方程進(jìn)行擬合：y= -8.38+25.15x/(0.67+x)，R2=0.901 7，P= 0.030 8。當(dāng)玉米產(chǎn)量較低時(shí)(2～10 t/(hm2·a))，提高有機(jī)碳投入量可以快速增加玉米產(chǎn)量，但是，當(dāng)玉米產(chǎn)量大于10 t/(hm2·a) 時(shí)，有機(jī)碳投入量的持續(xù)增加不能顯著增加玉米產(chǎn)量。這說明，隨著有機(jī)碳投入量的增加，玉米產(chǎn)量存在最大值。根據(jù)方程進(jìn)一步計(jì)算得出，紅壤旱地上玉米的最大產(chǎn)量為15.62 t/(hm2·a)。

圖2 紅壤旱地不同施肥處理有機(jī)碳投入Fig. 2 Organic carbon inputs in drylands of red soil under different fertilization treatments

圖3 長期施肥下紅壤旱地有機(jī)碳投入與玉米籽粒產(chǎn)量的相互關(guān)系Fig. 3 Relationship between corn yield and organic carbon input in dryland of red soil under long-term fertilization

2.4 紅壤旱地有機(jī)碳投入與有機(jī)碳儲(chǔ)量變化速率的相互關(guān)系

圖4 表明，有機(jī)碳投入量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化速率之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，線性方程y= -0.158+ 0.086x可以較好地?cái)M合二者的關(guān)系(R2= 0.971 5，P＜0.001)，表明土壤有機(jī)碳沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，紅壤旱地的固碳效率為8.6%(直線斜率)，且當(dāng)有機(jī)碳投入量為1.84 t/(hm2·a) 時(shí)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化速率為0，即土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量保持平衡。這進(jìn)一步證明，在紅壤旱地上增加有機(jī)碳投入可以提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

圖4 長期施肥下紅壤旱地有機(jī)碳投入與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化速率的相互關(guān)系Fig. 4 Relationship between organic carbon input and changing rate of SOC pool in dryland of red soil under long-term fertilization

3 討論

在我國南方亞熱帶地區(qū)，紅壤旱地是十分重要的土壤類型，但是，酸性較強(qiáng)和土壤有機(jī)質(zhì)含量較低[13-14]也限制了生產(chǎn)潛力的發(fā)揮，而大量研究證明，通過合理施肥可以顯著提高紅壤旱地肥力，尤其是長期施用有機(jī)肥[15-18]。在本試驗(yàn)中，氮磷鉀+有機(jī)肥(NPKM)和有機(jī)肥(OM)處理在 27年間土壤有機(jī)碳的增加量分別為2.26 g/kg和1.53 g/kg，增加速率分別為 0.08 g/(kg·a)和 0.06 g/(kg·a)。其中 NPKM 處理的增幅顯著高于氮磷鉀(NPK)、兩倍氮磷鉀(HNPK)和OM處理。這與很多研究結(jié)果相同[19-21]，這主要是由于NPKM處理在增加土壤有機(jī)碳的同時(shí)，也通過較高的根系生物量進(jìn)一步增加了有機(jī)碳的投入量(圖2)。因此，在紅壤旱地上，長期進(jìn)行有機(jī)無機(jī)肥配施是穩(wěn)定提高土壤有機(jī)碳含量的有效施肥措施，進(jìn)而提高了土壤固碳能力。在本研究中，與試驗(yàn)前相比，試驗(yàn)27年時(shí)，施用有機(jī)肥處理(NPKM和OM)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別提高了6.36 t/hm2和4.26 t/hm2，有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加速率分別為 0.24 t/(hm2·a) 和 0.16 t/(hm2·a)，且均顯著高于CK處理。這進(jìn)一步表明有機(jī)無機(jī)肥配施在維持作物高產(chǎn)的同時(shí)可以提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[19,21]。說明 NPKM 處理比其他處理具有較強(qiáng)的碳“匯”功能。但也有研究表明，紅壤旱地的有機(jī)碳礦化速率較高，有機(jī)肥的施用顯著促進(jìn)了土壤CO2和 N2O排放，其固定的有機(jī)碳對(duì)溫室氣體的貢獻(xiàn)較大[22-25]。

有機(jī)碳投入是作物產(chǎn)量提高的重要途徑[26]，與水稻土上的結(jié)果相似，紅壤旱地上有機(jī)碳投入量與玉米產(chǎn)量也存在顯著的量化關(guān)系(R2= 0.901 7，P=0.030 8)，且根據(jù)米氏方程發(fā)現(xiàn)其玉米產(chǎn)量的最大值為15.62 t/(hm2·a)。這說明，雖然有機(jī)碳投入可以提高紅壤旱地的玉米產(chǎn)量，但玉米產(chǎn)量不會(huì)持續(xù)提高，該方程有利于人們根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量準(zhǔn)確估算有機(jī)碳投入量。然而，外源投入的有機(jī)碳在土壤中存在礦化、分解等過程，并不能完全轉(zhuǎn)化成土壤有機(jī)碳。但土壤是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，土壤中有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)受土壤微生物、作物根系等諸多因素的影響，因此，在以往的研究中，人們往往將土壤作為一個(gè)“黑箱”，通過有機(jī)碳投入和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的量化關(guān)系來研究土壤的固碳效率和平衡點(diǎn)。在本研究中，當(dāng)前培肥措施下紅壤旱地的有機(jī)碳仍未飽和，且其固碳效率為 8.6%，該結(jié)果略低于蔡岸冬等[27]的研究(10.6%)，可能與有機(jī)碳投入量和種植模式有關(guān)。同時(shí)，本研究根據(jù)線性方程表明，在雙季玉米種植模式下，當(dāng)紅壤旱地的有機(jī)碳投入量為1.84 t/(hm2·a) 時(shí)，土壤有機(jī)碳達(dá)到平衡。這一數(shù)值與該區(qū)域水稻土上的研究結(jié)果不同[28-29]，原因可能是紅壤旱地和水稻土的光合營養(yǎng)微生物、有機(jī)碳礦化速率、可溶性有機(jī)碳組分及土壤濕度均存在較大差異[30-31]。

4 結(jié)論

長期施用有機(jī)肥可以顯著提高紅壤旱地的有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量，在27年間，有機(jī)肥處理的土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量的增加速率分別為0.06～0.08 g/(kg·a)和 0.16～0.24 t/(hm2·a)，且均顯著高于其他施肥處理。在雙季玉米種植模式下，紅壤旱地的有機(jī)碳含量仍未達(dá)到飽和，其固碳效率為 8.6%。當(dāng)有機(jī)碳投入量為1.84 t/(hm2·a) 時(shí)，紅壤旱地的有機(jī)碳儲(chǔ)量保持平衡。

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