李 艷，陳 義，唐 旭，吳春艷，計(jì)小江，唐良梁

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。農(nóng)田土壤的有機(jī)質(zhì)主要來源于作物根系的分泌物、根茬、枯枝落葉，以及每年施入的有機(jī)肥料，如綠肥、堆肥、漚肥和廄肥等[1-2]。施肥對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)的累積和轉(zhuǎn)化具有重要的作用：首先，施肥可以改善土壤速效養(yǎng)分狀況，促進(jìn)作物根系和地上部分的生長(zhǎng)，使得進(jìn)入土壤的根系分泌物和有機(jī)殘留量增加；其次，施肥可能通過影響土壤微生物種類和數(shù)量來促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的生物降解，加快有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)，同時(shí)，有機(jī)肥中的有機(jī)碳也是土壤有機(jī)碳的重要來源[3]。不同的施肥模式對(duì)土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)存的影響存在差異，多數(shù)研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥料配施能夠明顯提高土壤總有機(jī)碳含量[4-6]。禹洪雙等[7]指出，有機(jī)無機(jī)肥料配施不僅可以提高土壤有機(jī)碳含量和貯量，還可以改善土壤物理性狀，提高活性有機(jī)碳組分含量。施肥措施對(duì)土壤有機(jī)碳的響應(yīng)受多種因素，如氣候、土壤類型、種植制度、耕作方式等[8-12]的影響。

通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究不同施肥措施對(duì)土壤有機(jī)碳庫的影響對(duì)評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤質(zhì)量和固碳潛力具有重要意義。本研究依托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部浙江環(huán)境科學(xué)與土壤肥料科學(xué)觀測(cè)站，探討長(zhǎng)期施用化肥、有機(jī)肥，以及化肥有機(jī)肥配施等不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳平衡、有機(jī)碳的固定與轉(zhuǎn)化速率的影響，為探明南方地區(qū)稻麥輪作體系下水稻土碳庫形成及組分周轉(zhuǎn)特征提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于浙江省嘉興市海寧市許村鎮(zhèn)楊渡村浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地(120°24′23″E，30°26′07″N)，屬北亞熱帶海洋性濕潤(rùn)氣候，海拔3～4 m，年均降水量1 550 mm，年均氣溫16～17 ℃，年均無霜期245 d，年日照時(shí)數(shù)1 900～2 000 h，溫、光、熱資源豐富，適于多種作物生長(zhǎng)。

供試土壤屬于水稻土類，滲育型水稻土亞類，黃松田土屬，母質(zhì)為湖海相過渡淺海沉積物，地形屬?zèng)_積海積平原。試驗(yàn)初期土壤耕層理化性狀：有機(jī)質(zhì)26.6 g·kg-1，全氮1.55 g·kg-1，全磷1.03 g·kg-1，全鉀18.59 g·kg-1，堿解氮123 mg·kg-1，速效磷42.3 mg·kg-1，速效鉀 61.6 mg·kg-1，pH值6.4，容重1.16 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理：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，施有機(jī)肥22 500 kg·hm-2；M+NPK，施有機(jī)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，施有機(jī)肥22 500 kg·hm-2、N 487.5 kg·hm-2、P2O5243.75 kg·hm-2、K2O 243.75 kg·hm-2。供試肥料：氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O515%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 62%)，有機(jī)肥為豬廄肥(N 0.5%，P 0.6%，K 0.7%)。氮肥分3次施入，有機(jī)肥和磷鉀肥種前一次性施入。

1990—2000年，種植制度為稻-稻-麥輪作，其中，各季的施肥量按1∶2∶2施入，有機(jī)肥平均施用；2001年起種植制度更改為稻-麥輪作，施肥總量不變，施肥比例為稻季68%、麥季32%，有機(jī)肥平均施用。

1.3 樣品采集和分析

每年11月水稻收獲后，每小區(qū)分6～8個(gè)點(diǎn)取0～20 cm耕層土樣，混合后風(fēng)干，過篩備用。土壤有機(jī)碳含量用K2CrO7-H2SO4氧化法測(cè)定[13]。

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 土壤有機(jī)碳的投入量及平衡量

本試驗(yàn)中每季作物收獲后秸稈全部移走，有機(jī)碳投入量(I，kg·hm-2)包括作物根系、殘茬和有機(jī)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分別為作物籽粒和秸稈的產(chǎn)量，kg·hm-2；Wc為作物的含水量，水稻、大麥的風(fēng)干含水量分別為16%、14%；Ccrop為作物的含碳量，取40%；Rr為光合作用進(jìn)入地下部分的碳比例，取30%；Dr為作物根系生物量平均分布在0～20 cm土層的比例，水稻、大麥分別為80%和75%；Rs為作物收割留茬占秸稈的比例，水稻、大麥分別為5%和13%；Am為每年有機(jī)肥的鮮質(zhì)量，kg·hm-2；Wm為有機(jī)肥的含水量，取55.9%；Cm為有機(jī)肥的含碳量，取41.5%。

B=I-0.045C。

(2)

式(2)中：B為有機(jī)碳平衡量，kg·hm-2；C為土壤有機(jī)碳含量，kg·hm-2；0.045為有機(jī)碳的礦化系數(shù)[16-19]。

1.4.2 土壤固碳速率

土壤的固碳速率(v，t·hm-2·a-1)，即目前各試驗(yàn)處理耕層土壤的碳儲(chǔ)量與起始年份耕層土壤碳儲(chǔ)量差值的年平均變化[20-21]，采用差減法計(jì)算。

v=(Ct×Bt-C0×B0)×D×0.1/n。

(3)

式(3)中：C0、Ct分別為試驗(yàn)開始時(shí)和目前土壤有機(jī)碳含量，g·kg-1；B0和Bt分別為試驗(yàn)開始時(shí)和目前耕層土壤容重，g·cm-3；D為耕層深度，20 cm；n為種植年限。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SAS v8統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，對(duì)各處理有機(jī)碳及其平衡量采用無重復(fù)雙因素方差分析，雙因素分別為試驗(yàn)時(shí)間和施肥處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)變化

從圖1可以看出，不同施肥處理下，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間推移整體呈上升趨勢(shì)，但不同年份存在一定的波動(dòng)。M+1.3NPK、M+NPK、NPK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高。

通過12 a的連續(xù)種植，各施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量如圖2所示，依次為M+1.3NPK>M+NPK>NPK>M>NK>N>NP>CK。經(jīng)方差分析，施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量有顯著影響(P<0.05)。NPK與M處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異。與M相比，在施用有機(jī)肥的基礎(chǔ)上配施一定量的氮磷鉀化肥后(即M+NPK處理)可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)一步增大氮磷鉀化肥施用量(即M+1.3NPK處理)可使土壤有機(jī)質(zhì)含量得到顯著提高。與CK相比，M+NPK、M+1.3NPK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高了17.9%和23.3%。

2.2 不同施肥處理的土壤有機(jī)碳平衡

長(zhǎng)期不同施肥處理下土壤有機(jī)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、留茬帶入的碳量和施用有機(jī)肥中的碳。各施肥處理下作物根茬和留茬所帶入的碳量依次為CK

從表1還可以看出，有機(jī)碳平衡量整體隨有機(jī)碳投入量的增加而增加。對(duì)有機(jī)碳平衡(y)和有機(jī)碳投入(x)的相關(guān)性分析表明，線性方程y=0.951 9x-1 580.3(R2=0.998 5)可以較好地?cái)M合兩者之間的關(guān)系，斜率表示有機(jī)碳投入量變化一個(gè)單位時(shí)對(duì)應(yīng)的有機(jī)碳平衡量的變化。假設(shè)y=0，得到x=1 660，表明維持該試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)碳平衡每年所需的最低有機(jī)碳投入量為1 660 kg·hm-2。

圖1 不同施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic change of soil organic matter under different treatments

圖2 不同施肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.2 Soil organic matter content under different fertilization treatments

表1 不同施肥處理的碳投入和碳平衡

2.3 不同施肥處理的土壤固碳速率

經(jīng)方差分析，施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳的固定速率有顯著影響(P<0.05)，除N、NP處理的固碳速率差異不顯著外，其他各施肥處理的土壤固碳速率均有顯著差異(P<0.05)。由圖3可知，各施肥處理下的固碳速率依次為M+1.3NPK>M+NPK>NPK>M>NK>N>NP>CK。CK處理的土壤固碳速率為0.18 t·hm-2·a-1，M+1.3NPK、M+NPK、NPK、M、NK、N、NP各處理的土壤固碳速率依次為CK處理的8.9、6.9、5.3、4.7、4.0、1.8、1.5倍。與M處理相比，M+NPK、M+1.3NPK處理的土壤固碳速率分別增加47.6%、91.7%。說明施用有機(jī)肥的同時(shí)，配施一定量氮磷鉀化肥可提高土壤固碳速率。

有機(jī)碳投入量(x)與固碳速率(Y)具有顯著的線性相關(guān)性，可用方程Y=0.182 3x+0.124 8來描述，斜率0.182 3表示每年投入1 t的有機(jī)物料碳，其中的0.182 3 t能進(jìn)入土壤有機(jī)碳庫，即土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化速率為18.23%。

2.4 土壤有機(jī)碳含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系

從圖4可以看出，作物產(chǎn)量(y′)與土壤有機(jī)質(zhì)含量(X)表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性，且大麥、晚稻產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，早稻與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說明作物產(chǎn)量隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。

圖3 不同處理土壤有機(jī)碳的固定與轉(zhuǎn)化Fig.3 Soil carbon sequestration and transformation under different treatments

圖4 土壤有機(jī)碳含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系Fig.4 Correlation of soil organic carbon contents and crops yields

3 討論

本研究通過連續(xù)12 a對(duì)不同施肥處理土壤有機(jī)碳含量動(dòng)態(tài)變化的連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同施肥措施下土壤有機(jī)質(zhì)的含量均隨時(shí)間推移整體呈上升趨勢(shì)，有機(jī)無機(jī)肥料配施相較CK可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，M+NPK、M+1.3NPK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高17.9%和23.3%。各施肥處理的土壤有機(jī)碳平衡均表現(xiàn)為盈余，有機(jī)碳平衡和有機(jī)碳投入呈線性相關(guān)性，維持該試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)碳平衡每年所需的最低有機(jī)碳投入量為1 660 kg·hm-2。有機(jī)無機(jī)肥料配施可提高土壤有機(jī)碳的固定速率。大麥、早稻、晚稻的產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為線性相關(guān)性，作物產(chǎn)量隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。

前人研究[22-23]表明，與單施化肥相比，長(zhǎng)期的有機(jī)肥和化肥配施可使土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，具有培肥土壤和增加土壤碳匯的效果。適宜的有機(jī)無機(jī)肥配施措施對(duì)土壤碳、氮積累，以及作物對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分的吸收利用具有積極作用。在施用有機(jī)氮肥的基礎(chǔ)上，增施無機(jī)氮肥可促進(jìn)有機(jī)氮的礦化和作物對(duì)有機(jī)氮的吸收利用[24]。本研究結(jié)果顯示，M+1.3NPK處理的效果優(yōu)于M+NPK處理，這是因?yàn)?.3倍的無機(jī)肥料配施可通過水稻生物產(chǎn)量的增加來提高水稻根茬等有機(jī)物的還田量，從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的累積。同時(shí)，1.3倍無機(jī)肥料的增施可能更有利于土壤有機(jī)氮、磷的礦化，從而提高水稻對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用。從提高作物產(chǎn)量、養(yǎng)分元素利用率及土壤培肥的角度出發(fā)，本試驗(yàn)條件下，以M+1.3NPK的施肥方式最佳。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的盈虧，是決定土壤養(yǎng)分水平長(zhǎng)消的根本原因。因此，土壤有機(jī)碳平衡特征是研究有機(jī)碳穩(wěn)定性和土壤培肥效果的根本依據(jù)[5]。本試驗(yàn)中，各施肥處理下的土壤有機(jī)碳均表現(xiàn)為盈余，且盈余量隨有機(jī)肥的投入明顯增加，土壤有機(jī)碳平衡量與有機(jī)碳投入量呈線性正相關(guān)，這與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[5，18，21]。試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)碳平衡每年所需的最低有機(jī)碳投入量為1 660 kg·hm-2，即該試驗(yàn)點(diǎn)每年需至少投入1.66 t·hm-2的有機(jī)碳才能維持土壤有機(jī)碳的基本收支平衡。農(nóng)田系統(tǒng)的碳投入主要包括作物根系、根系殘茬和有機(jī)肥的投入。不施肥處理(CK)每年僅由作物根系和殘茬帶入的有機(jī)碳量為1 660.35 kg·hm-2，基本能保持土壤有機(jī)碳的平衡。有機(jī)無機(jī)肥配施下作物生物量增加，帶入土壤更多的新鮮殘茬和根系分泌物，同時(shí)，施用有機(jī)肥也能夠?yàn)橥寥捞峁┴S富的外源有機(jī)質(zhì)，相較單施化肥更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積和土壤肥力的提升。

本試驗(yàn)中，土壤固碳量與碳投入量呈顯著正相關(guān)，這與Zhang等[25]和Lou等[26]的研究結(jié)果一致，表明該土壤碳庫還未飽和，仍具有一定的固碳潛力。Zhang等[27]報(bào)道我國(guó)南方雙季稻土壤固碳速率為0.20～0.48 t·hm-2·a-1，稻麥輪作體系下土壤有機(jī)碳的固定速率為0.70～0.88 t·hm-2·a-1；蘭宇等[3]研究發(fā)現(xiàn)，棕壤玉米-玉米-大豆輪作下最高固碳速率為0.44～0.49 t·hm-2·a-1。本研究中，稻-稻-麥輪作體系下土壤有機(jī)碳固定速率為0.18～1.61 t·hm-2·a-1，比文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果略高。

本研究發(fā)現(xiàn)，化肥、有機(jī)肥配施所產(chǎn)生的交互作用更有利于土壤有機(jī)碳貯量的增加和固碳速率的提高，這與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[3，28-29]。Zhang等[25]計(jì)算出了我國(guó)6種典型土壤的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化速率，依次為灌漠土(31.0%)>灰漠土(26.7%)>中層黑土(15.8%)>褐潮土(7.7%)>黃潮土(7.4%)>潮土(6.8%)[25]。由此可見，不同地區(qū)、土壤類型及種植制度下的有機(jī)碳固定和轉(zhuǎn)化速率存在較大差異。此外，氣候條件、水分管理等也是影響土壤有機(jī)碳固定和轉(zhuǎn)化速率的重要因素。