長(zhǎng)期化肥施用對(duì)雙季稻田土壤有機(jī)碳的影響

張 翔，魏文學(xué)，陳安磊*

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

稻田作為我國(guó)主要農(nóng)業(yè)土地利用方式，在糧食安全和固碳減排方面都具有十分重要的意義［1-2］。施肥是維持和改善耕地肥力，保障水稻產(chǎn)量的重要農(nóng)業(yè)措施之一，其中尤以施化肥為主［3-4］。有研究結(jié)果表明，單施有機(jī)肥或有機(jī)肥配施化肥為土壤微生物提供碳源，加速土壤生物活動(dòng)，是穩(wěn)定提升農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)水平的有效措施，且效果優(yōu)于化肥單施［5-9］，但長(zhǎng)期施用化肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響并不十分清楚。有研究表明，單施化肥主要通過(guò)提高農(nóng)作物的生物產(chǎn)量，從而增加土壤中作物殘茬和根的輸入量，進(jìn)而提高土壤有機(jī)質(zhì)含量［10-11］。另有結(jié)果表明，化肥施用可以提高作物殘茬和根向土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的效率［12］。然而，也有研究指出，單施化肥只能基本維持土壤有機(jī)質(zhì)平衡，其含量無(wú)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)［13］。不僅如此，長(zhǎng)期單施常量氮、磷、鉀化肥作物的根茬殘留量較低，使土壤易氧化有機(jī)質(zhì)和難氧化有機(jī)質(zhì)均有所消耗，造成有機(jī)質(zhì)總量下降［14-15］。由于在未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，化肥仍然是不可或缺的生產(chǎn)資料，因此探討長(zhǎng)期施用化肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。本研究依托中國(guó)科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站的稻田長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)（始于1990年），連續(xù)監(jiān)測(cè)不同化肥處理的水稻產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳（SOC）含量及相關(guān)因子的動(dòng)態(tài)變化，系統(tǒng)分析了SOC含量動(dòng)態(tài)變化與各因子的關(guān)系，以期為稻田化肥合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地位于中國(guó)科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，地處湖南省桃源縣（28°55′N，111°26′E）。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒С睗窦撅L(fēng)帶，為典型的丘陵農(nóng)業(yè)區(qū)，年均降水量為1448 mm，年均氣溫為16.5℃，無(wú)霜期為283 d，供試土壤為第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育而來(lái)的水稻土。

田間試驗(yàn)開(kāi)始于1990年，耕作層（0～20 cm）土壤初始基本肥力性狀為：有機(jī)碳含量14.2 g·kg-1，全磷含量0.55 g·kg-1，全氮含量1.82 g·kg-1，全鉀含量12.9 g·kg-1。

1.2 施肥處理

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為33.2 m2。本文選用4種施肥處理，分別為：對(duì)照處理（CK），不施肥；N處理，僅施用N肥；NP處理，施用N、P肥；NPK處理，施用N、P、K肥。施用的N肥為尿素，P肥為過(guò)磷酸鈣，K肥為氯化鉀，施肥量見(jiàn)表1。

早、晚稻收割后，稻草全部從小區(qū)移出，僅有水稻根茬留在稻田內(nèi)。早稻移栽時(shí)間為4月底，收割時(shí)間為7月中旬，晚稻移栽時(shí)間為7月中旬，收割時(shí)間為10月底，從10月底到次年4月上旬，稻田休閑，不進(jìn)行任何農(nóng)事操作。水稻生育期其它農(nóng)事管理同當(dāng)?shù)氐咎锕芾砟Ｊ健?/p>

表1 不同處理年施肥量 （kg·hm-2·年-1）

1.3 取樣和分析

初始耕層（0～20 cm）土壤樣品在1990年4月初春耕前采集，此后每4年在春耕前采集1次耕層土樣。每小區(qū)采集9個(gè)小樣均勻混合成一個(gè)土壤樣品，除去根等可見(jiàn)有機(jī)物，室內(nèi)風(fēng)干之后先后過(guò)2和0.15 mm篩，用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。土壤和植物樣品中的碳含量用重鉻酸鉀濕消化法測(cè)定。

每小區(qū)單獨(dú)收割和計(jì)產(chǎn)，曬谷場(chǎng)取小樣于70 ℃的烘箱中烘干至恒重，用于計(jì)算曬干稻谷的含水量，然后計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)含水量為14%的產(chǎn)量。為獲取根茬還田量數(shù)據(jù)，于2000和2012年調(diào)查了不同施肥處理根茬的生物量，其生物量與稻谷烘干重的比值為0.51，因此不同處理有機(jī)碳年投入量為：

式中，Cinput代表有機(jī)碳投入量，Yfirst為早稻產(chǎn)量，Ysecond為晚稻產(chǎn)量，0.51為根茬與稻谷烘干重比值系數(shù)，Ccontent為根茬碳含量。

1.4 氣候數(shù)據(jù)來(lái)源

1990到2014年的全年降水量（mm）、全年平均氣溫（℃）和全年日照時(shí)數(shù)（h）等氣候數(shù)據(jù)均來(lái)源于桃源縣氣象局。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

使用SAS 9.4進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。不同處理早、晚稻產(chǎn)量和有機(jī)碳的年間顯著性差異用方差分析，年際顯著性差異用GLM方法分析，用CORR進(jìn)行直線相關(guān)性分析。使用OriginPro 2020制備圖形材料。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤SOC含量變化

經(jīng)過(guò)24年單施化肥及雙季水稻種植后，土壤SOC的積累（圖1）可以分為兩個(gè)階段，即1990～2006年為SOC顯著上升期（每年上升都達(dá)0.01顯著水平），2006～2014年為SOC穩(wěn)定期或下降期。4個(gè)施肥處理之間沒(méi)有顯著性差異，但SOC含量大致可分為兩組，CK和N處理為SOC相對(duì)低含量組，而NP和NPK處理為高含量組。其中NPK處理的SOC含量始終處于最高水平，分別比CK、N和NP處理平均高7.7%、7.9%和4.5%。CK、N、NP和NPK處理SOC的最大值分別為17.1、17.3、18.4和18.9 g·kg-1。各處理SOC達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定含量均出現(xiàn)在2006～2010年，相較于2010年的SOC峰值，CK、N處理在2014年分別下降5.4%、4.1%，NP和NPK處理的降幅相對(duì)較小，分別為2.2%和2.4%。

圖1 土壤有機(jī)碳含量變化

2.2 早、晚稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化

試驗(yàn)期間的早晚稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)結(jié)果（圖2）表明，各處理之間的早稻產(chǎn)量差異性較為顯著，可以認(rèn)為不同化肥施用模式對(duì)早稻產(chǎn)量的影響明顯大于晚稻。根據(jù)歷年的產(chǎn)量結(jié)果，4種處理可劃分為兩組，即產(chǎn)量相對(duì)較高的NPK和NP處理，和產(chǎn)量較低水平的N和CK處理，兩組之間的差異從1990年之后就達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），且從2000年開(kāi)始，組間的差異逐漸增加，但兩組的組內(nèi)差異并不顯著。其中NPK處理的早、晚稻分別比NP高出11.6%、13.5%，而N和CK處理產(chǎn)量比較接近（前者的早、晚稻分別高6.1%、8.3%）。除N處理外，早稻產(chǎn)量從1990年始至2008年呈明顯上升的趨勢(shì)，并于2008年達(dá)到最高產(chǎn)量，且NP和NPK處理的產(chǎn)量較CK處理增加幅度均達(dá)最大值，分別為33.3%和69.3%。然而，2008～2014年4個(gè)處理的早稻產(chǎn)量均總體呈急劇下降的趨勢(shì)，CK、N、NP和NPK處理的年平均下降幅度分別為8.8%、9.0%、7.2%和8.5%。雖然在最初的1990～1994年，晚稻產(chǎn)量快速下降（CK和N顯著下降，P＜0.05），但之后變化的總體趨勢(shì)與早稻相似，不過(guò)變化幅度明顯小于早稻（除N處理外），且除了1990～1992和2004～2012年之外，變化都沒(méi)有達(dá)到顯著性。

圖2 稻谷產(chǎn)量的年際動(dòng)態(tài)變化

2.3 有機(jī)碳輸入量的動(dòng)態(tài)變化

由于4個(gè)單施化肥處理的有機(jī)碳輸入主要來(lái)自水稻根茬，因此其輸入量與水稻產(chǎn)量密切相關(guān)。根據(jù)有機(jī)碳輸入量年度變化動(dòng)態(tài)曲線（圖3），N、NP、NPK處理之間均達(dá)到了顯著性差異（P＜0.05），且差異大小也從2000年左右開(kāi)始增加。其中NP和NPK處理在1994～2006年有顯著性差異，N和CK處理在2000年之前有顯著性差異。4個(gè)處理的變化趨勢(shì)基本相同，其中1990～1998年為輸入量由高量逐年減少，1998～2006年則呈明顯增加的趨勢(shì)，2006～2014年又表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)。就不同處理而言，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，NPK處理的年輸入量均為最高，分別比NP、N和CK處理高12.6%、52.6%和63.8%。其次是NP處理，其有機(jī)碳輸入量分別比N和CK處理高35.6%和45.5%。N和CK處理的有機(jī)碳輸入量相差較小，N處理僅比CK處理高7.4%。

圖3 有機(jī)碳輸入量的年際動(dòng)態(tài)變化

2.4 SOC與相關(guān)因子的相關(guān)性分析

經(jīng)過(guò)連續(xù)24年施用化學(xué)肥料后，不同施肥處理的SOC與部分因子相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果如表2所示，其中，早、晚稻產(chǎn)量和碳輸入量因處理而異。SOC的積累與水稻產(chǎn)量呈正相關(guān)，其中與早稻的相關(guān)性更為密切，4個(gè)處理均顯著相關(guān)，而與晚稻產(chǎn)量的相關(guān)性只有CK和NP處理達(dá)到顯著水平，N和NPK處理則接近顯著。由于施用無(wú)機(jī)肥處理的每年碳輸入量主要為殘留的稻茬和根系，因而碳輸入量與產(chǎn)量緊密相關(guān)，結(jié)果顯示各處理的SOC與碳輸入量均顯著或極顯著相關(guān)。

經(jīng)對(duì)SOC與全年降水量、日照時(shí)數(shù)和平均氣溫等因子的統(tǒng)計(jì)分析，SOC的積累雖然與全年降水量和全年日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但各處理均未達(dá)到顯著水平。而SOC與全年平均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，但各處理也都未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平。

表2 SOC與產(chǎn)量、碳輸入量和氣候因子的相關(guān)性

3 討論

我國(guó)是水稻種植面積最大的國(guó)家之一［16］，其土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不僅關(guān)系到土壤地力狀況，而且與全球氣候變化有密切關(guān)系［17］。水稻土有機(jī)質(zhì)含量變化一直受到廣泛關(guān)注，但在認(rèn)識(shí)上存在一定的分歧，且不同地區(qū)有機(jī)質(zhì)變化規(guī)律不同［18-19］。針對(duì)水稻土有機(jī)質(zhì)含量能否穩(wěn)定上升和施用化肥能否影響土壤有機(jī)質(zhì)含量等問(wèn)題，本文開(kāi)展了長(zhǎng)期觀測(cè)研究。結(jié)果表明，施用化肥能夠有效提升水稻土SOC含量，尤其是NPK配合施用處理，且施用NP肥較不施肥對(duì)照也有效地提高了SOC含量。由于各施肥處理的SOC含量與水稻產(chǎn)量顯著相關(guān)（表2），盡管稻草秸稈沒(méi)有還田，但殘留在稻田中的根茬量與產(chǎn)量呈正比關(guān)系，因此通過(guò)施用化肥提高水稻產(chǎn)量的同時(shí)也能在一定程度上提高SOC含量水平。接下來(lái)的問(wèn)題是，根據(jù)1990～2014年的監(jiān)測(cè)結(jié)果，所有處理包括不施肥對(duì)照的SOC含量在1990～2006年均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，2006～2010年為穩(wěn)定期，2010～2014年則為緩慢下降期。產(chǎn)生這樣動(dòng)態(tài)變化特征的主要原因可能有以下幾個(gè)方面：（1）在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的1990年，土壤進(jìn)行整治不久，SOC含量較低；經(jīng)過(guò)連續(xù)多年種植雙季稻，盡管每年產(chǎn)生的早、晚稻稻草被移出，但留下的根茬成為SOC的穩(wěn)定投入源［18］；在1990～2006年水稻產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)，因而殘留在土壤中的根茬量也逐年增加，各處理SOC含量也隨之升高，并與產(chǎn)量有很好的相關(guān)性，其中產(chǎn)量最高NPK處理的SOC含量一直維持在最高水平。（2）多方面的原因?qū)е?006～2010年水稻產(chǎn)量明顯下降，這一期間水稻根茬殘留量也相應(yīng)減少，造成SOC含量尤其是NPK處理的SOC含量增加幅度明顯減緩；產(chǎn)生這一現(xiàn)象的可能原因是在2006～2008年水稻產(chǎn)量還在繼續(xù)上升，但此后的2008～2010年大量減產(chǎn)，可以猜測(cè)SOC含量的變化也發(fā)生了類似情況；因而，2010年的SOC含量與2006年相比變化不大。（3）2010年后水稻產(chǎn)量和根茬殘留量總體上呈繼續(xù)下降的趨勢(shì)，而SOC含量也呈明顯下降的趨勢(shì)。雖然每年的根茬殘留量減少，但稻田仍然保持每年都有新有機(jī)物的投入，SOC含量不斷減少的原因是什么？可能有兩大因素驅(qū)動(dòng)了土壤SOC的分解過(guò)程。其一是由于之前SOC含量的不斷增加提升了土壤肥力［20］，同時(shí)有效地增加了依賴SOC的微生物種群數(shù)量，雖然根茬投入減少，但這些微生物數(shù)量和活性短期內(nèi)不會(huì)減少，從而導(dǎo)致SOC下降［21］；其二是新鮮有機(jī)物進(jìn)入土壤會(huì)激發(fā)原有SOC分解［22-23］，新的投入量減少也可能造成SOC含量減少。試驗(yàn)結(jié)果中產(chǎn)量高的NPK和NP處理的SOC下降程度明顯小于產(chǎn)量低的CK和N處理也可說(shuō)明這一現(xiàn)象。有研究表明，長(zhǎng)期施肥能使SOC快速增加，但SOC含量最終會(huì)處于波動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡［24-25］，且SOC含量越高，有機(jī)碳礦化損失越多［26］，因此在有機(jī)碳投入量減少時(shí)，動(dòng)態(tài)平衡被打破，可能會(huì)導(dǎo)致SOC含量下降。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)而表明，SOC含量變化與水稻產(chǎn)量和根茬殘留量（即有機(jī)碳投入量）顯著或極顯著相關(guān)，與不同時(shí)期的降水量、日照時(shí)數(shù)和平均氣溫沒(méi)有顯著相關(guān)，說(shuō)明根茬的投入是水稻土SOC含量變化的關(guān)鍵決定因素。施用化肥，尤其是N、P、K肥同時(shí)施用，可以在一定程度上增加SOC含量的原因是化肥能夠提高土壤地力，增加作物產(chǎn)量，從而增加了根茬的殘留量，提高了有機(jī)碳的投入量。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期施用化肥對(duì)SOC含量的影響主要取決于施肥模式對(duì)產(chǎn)量的影響，NPK配合施用獲得高產(chǎn)的同時(shí)也會(huì)增加SOC含量，但不平衡施肥不利于SOC的積累。當(dāng)因氣候和其它原因?qū)е滤井a(chǎn)量系統(tǒng)下降時(shí)，SOC含量不是繼續(xù)上升或維持穩(wěn)定，而是隨之下降，說(shuō)明新鮮投入的根茬相較于土壤原有SOC而言，對(duì)一定時(shí)期SOC含量的貢獻(xiàn)更大些。

因此，長(zhǎng)期合理施用化肥不僅可以維持作物高產(chǎn)，同時(shí)也能增加SOC含量。如果能適當(dāng)配施有機(jī)肥將更有利于SOC積累和土壤肥力的提升。