葉會財，李大明，胡志華，胡丹丹，宋惠潔，萬長艷，胡惠文，柳開樓

（江西省紅壤研究所，江西進賢 331717）

0 引言

紅壤性水稻土是中國南方水稻生產(chǎn)最重要的土壤類型，維護和提高其耕地質(zhì)量對保障中國糧食生產(chǎn)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。有機碳含量是土壤最重要的肥力指標之一，土壤碳儲量是陸地碳庫的核心組成部分[1-3]，農(nóng)田土壤有機碳儲量變化對評價農(nóng)業(yè)對氣候變化的影響具有重要意義[4-5]，分析長期施肥對土壤有機碳含量和儲量的變化對科學施肥、保護生態(tài)環(huán)境具有重要的理論意義。研究表明，利用土壤固定大氣中的二氧化碳是應對全球氣候變化的重要途徑[6]，水田種植比旱地種植能顯著提升土壤有機碳濃度[7]。平衡施用化肥，單施有機肥，有機肥與化肥配施均能顯著提升土壤有機碳含量[8-10]。國外對土壤固碳潛力也有很多研究[11-13]，大多以發(fā)達國家旱地的保護性耕作為對象，對中國特定的土壤類型和農(nóng)作方式不一定適用[14-16]，而中國的相關(guān)研究起步較晚，結(jié)果也比較粗略[17]，相關(guān)研究以土壤有機碳的提高途徑和轉(zhuǎn)化機理為多。本研究以江西省紅壤研究所1981年設立的紅壤稻田化肥長期定位試驗為平臺，探討紅壤雙季稻種植下不同施肥對作物產(chǎn)量和土壤固碳效應的影響。明確長期施肥下耕層土壤有機碳含量與儲量的變化特征，以及有機碳投入與水稻產(chǎn)量和有機碳儲量的相互關(guān)系，為紅壤稻田培肥及持續(xù)豐產(chǎn)提供科學依據(jù)，也為評價中國水稻生產(chǎn)對大氣碳循環(huán)的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究以江西省紅壤研究所于1981年設立的紅壤稻田化肥長期定位試驗為平臺，位于江西省進賢縣張公鎮(zhèn)(116°20′24″N、28°15′30″E)。中亞熱帶季風氣候，年均降雨量1537 mm，年均氣溫18.0℃。供試土壤類型為第四紀紅粘土發(fā)育的中度潴育型水稻土，剖面構(gòu)型為A-P-W1-W2-C。試驗開始于1981年，為雙季稻作制，耕層土壤基礎肥力（表1）如下。

表1 試驗前土壤肥力

1.2 試驗設計

設氮磷鉀(NPK)、2倍氮磷鉀(NPK2)、氮磷鉀配施有機肥（NPKM，早晚稻有機肥分別為紫云英和豬糞）、不施肥(CK)4個處理，施肥量見表2，其中紫云英和豬糞為鮮重。3次重復，隨機排列，大田試驗，小區(qū)面積46.7 m2。早稻、晚稻化肥施用量一致，氮磷鉀化肥種類分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀；N肥基蘗穗肥比例為4:3:3，鉀肥基蘗穗肥比例為5:0:5，磷肥和有機肥全部作基肥。小區(qū)間用水泥田埂隔開，水肥不相互滲串。雙季稻手插秧種植，水稻品種每5年更換一次，密度為20×20 cm。統(tǒng)一播種、移栽、施肥、打藥和灌溉等日常管理措施。

表2 紅壤性水稻土長期定位試驗施肥量

1.3 采樣與分析方法

晚稻收獲后用5點采樣法采取耕層土樣，風干研磨過篩。土壤容重采用環(huán)刀法測定，土壤有機碳采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測定[18]。水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量為小區(qū)實際產(chǎn)量，各小區(qū)單收單打單曬，曬干后稱重測產(chǎn)。

1.4 計算公式

有機碳儲量(t/hm2)的計算見公式(1)。

式中Ct為耕層土壤有機碳含量(g/kg)，d為耕層厚度(m)，BDt為土壤容重(t/m3)，10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

作物碳投入(kg/hm2)的計算見公式(2)。

式中Yg為作物籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)，Ys是秸稈產(chǎn)量(kg/hm2)。R為光合作用進入地下部分的碳的比例；Dγ為根系生物量分布在0～20 cm土層的比例。Rs為留茬占秸稈的比例，W和Ccrop(g/kg)分別為水稻地上部分風干樣的含水量和含碳量。

有機肥碳投入(kg/hm2)的計算見公式(3)。

式中ManureC有機肥的有機碳含量(g/kg)；W為有機肥含水量(%)；A為有機肥鮮基施用量[kg/(hm2·a)]。

固碳效率(%)的計算見公式(4)。

式中SOCstock-t和SOCstock-c分別代表處理和對照有機碳儲量，Cinput-t和Cinput-c分別代表處理和對照有機碳投入[19]。

固碳速率(%)的計算見公式(5)。

式中SOCstock-t和SOCstock-c分別代表處理和對照有機碳儲量，n代表累積年份。

1.5 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

采用Excel 2003整理分析與作圖，采用DPS 7.05統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析及差異顯著性檢驗(LSD法，P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對耕層土壤有機碳含量的影響

長期不同施肥條件下，紅壤性水稻土耕層土壤有機碳含量變化見圖1。試驗前基礎土樣有機碳含量為16.3 g/kg，試驗37年，所有處理包括CK耕層土壤有機碳含量均呈上升趨勢，上升速率由快到慢依次為：NPKM＞NPK2＞NPK＞CK。與長期不施肥處理CK相比，各施肥處理的土壤有機碳含量均顯著提高。37年后，NPKM處理的土壤有機碳含量增加到22.7 g/kg，分別比NPK、NPK2和CK處理高23.4%、24.7%和30.5%，比試驗前增加了6.4 g/kg，年均增速為0.17 g/kg，增速顯著高于NPK和NPK2處理；NPK、NPK2處理的土壤有機碳含量比CK處理分別增加了5.7%和4.6%，NPK2處理土壤有機碳含量與NPK處理間差異不顯著。這說明在紅壤性水稻土上，氮磷鉀化肥與有機肥配合施用是提高土壤有機碳含量，培肥土壤的有效施肥措施。

圖1 長期不同施肥對土壤有機碳含量的影響

2.2 長期施肥對水稻年產(chǎn)量的影響

圖2 長期不同施肥對水稻產(chǎn)量的影響

長期不同施肥條件下，水稻年產(chǎn)量變化見圖2。CK處理水稻年產(chǎn)量由于土壤養(yǎng)分的逐漸消耗而呈下降趨勢，其他處理水稻年產(chǎn)量呈上升趨勢，不同年際水稻產(chǎn)量的波動較大，其中有氣候原因，也有水稻品種的原因。試驗第一年，除CK處理外，其他處理水稻產(chǎn)量相差不大，產(chǎn)量最低的NPK處理為9529 kg/hm2，產(chǎn)量最高的NPKM處理為10001 kg/hm2，分別比CK、NPK、NPK2處理高39.0%、4.95%、3.3%。試驗37年，不同處理間的水稻產(chǎn)量差異有逐漸擴大的趨勢，37年后產(chǎn)量最低的CK處理年產(chǎn)量為5767 kg/hm2，產(chǎn)量最高的NPKM處理水稻年產(chǎn)量為14903 kg/hm2，分別比CK、NPK、NPK2處理高158.4%、42.4%、9.1%。NPKM處理水稻產(chǎn)量始終顯著高于NPK2和NPK處理，說明氮磷鉀與有機肥配施是促進水稻持續(xù)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效施肥措施。NPK2處理水稻產(chǎn)量也始終高于NPK處理，并且產(chǎn)量差距也有擴大趨勢，原因可能是NPK處理的施肥量偏低，N、P2O5、K2O施用量分別為90、45、75 kg/hm2，隨著水稻品種的改善和種植管理水平的提高，相應的施肥量越來越不能滿足作物的需要。

2.3 長期施肥對紅壤性水稻土有機碳儲量的影響

不同施肥措施可以顯著影響紅壤性水稻土的有機碳儲量（表3）。試驗37年后，NPK、NPK2、NPKM、CK處理耕層土壤有機碳儲量分別比試驗前上升了6.5、7.2、12.7、3.6 t/hm2，提高幅度分別為19.5%、21.4%、37.9%和10.9%。37年間，NPK、NPK2和NPKM處理固碳速率分別為0.18、0.19、0.34、0.10 t/(hm2·a)。37年后，NPK、NPK2和NPKM處理耕層土壤有機碳儲量分別比CK處理高2.9、3.5、9.1 t/hm2。NPKM處理分別比NPK、NPK2處理增加 6.2、5.5 t/hm2。所有處理包括CK的耕層土壤有機碳儲量均不同程度上升，說明在不同施肥措施下，紅壤稻田系統(tǒng)在雙季稻種植模式下均可以實現(xiàn)碳的固定，為溫室氣體減排做出貢獻；施用化肥會增加作物產(chǎn)量和土壤碳投入，從而提高耕層土壤碳儲量；氮磷鉀化肥與有機肥配施，是提高紅壤性水稻土有機碳儲量的有效的施肥方式。

表3 長期施肥下耕層土壤有機碳儲量變化

2.4 累積碳投入與有機碳儲量的響應關(guān)系

不同施肥處理土壤有機碳儲量與累積碳投入的關(guān)系見圖3，所有處理有機碳儲量均隨累積碳投入的增加而升高，二者均呈直線顯著正相關(guān)關(guān)系，NPK、NPK2、NPKM、CK處理的線性方程分別為式(6)～(9)。NPK、NPK2和NPKM 3個處理的固碳效率分別為32.7%、25.9%、35.0%。這說明增加有機碳投入可以顯著提高紅壤性水稻土的有機碳儲量，增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳固定，并提高固碳效率。

式中y為有機碳儲量，x為累積碳投入。

2.5 有機碳含量與產(chǎn)量的響應關(guān)系

有機碳含量是土壤最重要的肥力指標之一。長期不同施肥處理土壤有機碳含量顯著變化，本研究所有處理的土壤有機碳與水稻產(chǎn)量之間呈顯著直線正相關(guān)（圖2），直線方程見式(10)。

其中y為水稻產(chǎn)量，x為有機碳含量入，R2=0.3683，P＜0.05。

3 討論

圖3 不同施肥處理累積碳投入對有機碳儲量的影響

圖4 有機碳含量與水稻產(chǎn)量的關(guān)系

有機碳含量是土壤質(zhì)量和土地可持續(xù)利用的重要指標[20]。土壤有機碳的演變是一個長期而復雜的過程，這一過程受很多因素的影響，其中施肥尤其是施用有機肥是調(diào)控土壤有機碳的重要措施之一[21]。本研究中，所有處理包括長期不施肥的CK，連續(xù)37年的雙季稻種植后，其土壤有機碳含量均為緩慢增加的趨勢，主要原因是水稻根茬和植株殘體對土壤有機碳的貢獻。雖然不同施肥措施都可以增加土壤有機碳含量，但有機無機肥配施對土壤有機碳的貢獻顯著優(yōu)于單獨施用無機肥的處理，這一結(jié)果也與此前的報道一致[22-23]。本研究中有機無機配施處理的水稻產(chǎn)量在不同試驗年限均顯著高于其他處理，說明有機無機肥配施在增加土壤碳庫的同時也促進了水稻持續(xù)豐產(chǎn)。

紅壤稻田雙季稻種植下，土壤有機碳含量增加的同時，儲量也相應的增加。研究表明，土壤有機碳約占陸地生物碳的2.4倍，其固存與排放的平衡不僅影響土壤肥力和作物產(chǎn)量，對全球氣候變化也有重要影響[24]。外源有機碳投入在土壤中存在分解礦化、淋溶和遷移、風和表面徑流侵蝕等3個過程[25]，不能全部轉(zhuǎn)化為土壤有機碳，本研究中，不同施肥處理土壤的固碳效率在25.9%～35.0%之間，碳的損失在65.0%～74.1%之間，符合蔡岸冬[26]土壤有機碳固定效率的理論最大值約為44.6%的分析結(jié)果，柳開樓等[27]研究顯示，紅壤旱地的固碳效率為8.6%，蔡岸冬等[19]則認為這一值為10.6%，結(jié)果的差異可能與氣候、種植管理及土壤類型等有關(guān)。本研究對土壤碳的遷移轉(zhuǎn)化機理沒有進行深入的研究，只對碳儲量的變化趨勢作了分析，與NPK處理相比，NPKM處理有機碳儲量增加了6.2 t/hm2。因此，無論從土壤培肥、作物增產(chǎn)還是農(nóng)田固碳來說，有機無機肥配施都具有顯著作用，是紅壤性水稻土建議推薦的施肥模式。

4 結(jié)論

（1）紅壤稻田雙季稻種植模式下，CK和不同施肥處理，由于作物殘體和有機肥的碳投入，均可以增加土壤碳儲量，實現(xiàn)碳的固存，施肥由于增加了碳投入，土壤碳儲量相應提高。

（2）土壤有機碳含量與水稻產(chǎn)量間呈顯著直線正相關(guān)。

（3）氮磷鉀化肥與有機肥配施是提高土壤有機碳含量和儲量，培肥土壤，促進水稻持續(xù)豐產(chǎn)，并提高固碳效率的最有效施肥措施。