长期不同施肥措施对红壤水稻土有机碳和养分含量的影响

生态环境2008,17(5):[e-mail]基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2007CB109301）作者简介：吴晓晨（1981年生），男，博士，主要从事土壤生物化学和环境土壤学研究。E-mail：[e-mail]*通讯作者：E-mail：[e-mail]收稿日期：2008-05-16长期不同施肥措施对红壤水稻土有机碳和养分含量的影响吴晓晨1,2,3，李忠佩1,3*，张桃林1,31.中国科学院南京土壤研究所//土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏南京210008；2.海南省环境科学研究院，海南海口570206；3.中国科学院研究生院，北京100049摘要：将红壤丘陵地区的荒地开垦为水田不仅可以防治土壤侵蚀，而且能增加土壤肥力，提高农田生产力。本文研究了红壤荒地垦殖为稻田，长期定位施肥15年后不同施肥措施下水稻土的有机碳和养分含量特征。结果表明：不同施肥措施包括不施肥条件下，15年水稻垦殖都提高了土壤肥力。不同施肥措施水稻土的pH提高了0.9~1.3个单位。耕层土壤有机碳含量达到8.19~10.13g·kg-1，全氮含量达到0.89~1.20g·kg-1，有机碳与全氮含量都有明显提高，且有机碳和全氮含量之间相关性极显著。水稻土耕层全磷含量在0.25~0.60g·kg-1之间，有效磷含量在2.2~20.9mg·kg-1之间，化学磷肥的培肥效果好于有机肥（猪粪），有机无机磷肥配施能显著提高土壤全磷和有效磷库。土壤全钾还未有明显变化，土壤速效钾含量在40.4~142.5mg·kg-1之间，不同施肥措施除氮钾肥处理外都造成了土壤速效钾含量下降，秸秆还田到目前为止对于土壤速效钾含量还没有明显作用。关键词：施肥；红壤水稻土；有机碳；养分中图分类号：S158.2文献标识码：A文章编号：1672-2175（2008）05-2019-05为了保证我国的粮食安全，必须注重耕地资源的数量保持和质量改善[1]。我国南方红壤丘陵地区自然条件优越，气候生产潜力大。但是由于长期对土地资源的不合理开发与利用，大量荒地和旱地土壤侵蚀严重，生产力低。将宜农荒地开垦为水田或“旱改水”不仅可以治理土壤侵蚀，而且能增加土壤肥力，提高农田生产力[2-3]。我国南方红壤地区已经建立了为数不少的水田长期试验[4-7]，但其中大部分都是在肥力中等或较高的水田或旱地上建立起来的，缺乏对红壤地区开垦自荒地或低产旱地的稻田土壤肥力的长期观测。1990年在中国科学院红壤生态试验站建立了稻田施肥制度长期试验，主要观测不同施肥制度下垦自红壤荒地的稻田的生产力和土壤性状变化过程。本文研究了该长期试验进行15年后不同施肥措施下水稻土的有机碳和养分状况，揭示不同施肥措施对低肥力水稻土的培肥效果，为红壤丘陵地区中低产田改造提供帮助。1材料与方法1.1试验区概况试验建立在中国科学院红壤生态试验站，位于江西省余江县(116°55′E，28°15′N)。该区属亚热带季风气候区，水热资源丰富，年降雨量1795mm，平均温度17.6℃，年蒸发量1318mm，降雨集中于每年的3−6月，无霜期261d。试验于1990年开始，将发育自第四纪红粘土的荒地平整后，设计9个试验处理，每个处理3个重复，共27个试验小区。每个小区面积为30m2，各小区用砖和水泥隔开(地面高15cm，地下部分深50cm)，且各小区具有良好的排水功能。实验前土壤基本性质为：有机质含量5.7g·kg-1，全氮0.43g·kg-1，全磷(P2O5)0.65g·kg-1，全钾(K2O)13.4g·kg-1，速效磷5.6mg·kg-1，速效钾105.9mg·kg-1,碱解氮90.2mg·kg-1，pH4.5，粘粒(1μm)含量38%[7]。作物轮作制度为水稻（OryzasativaL.）-水稻（OryzasativaL.）。早稻每年4月底5月初移栽，7月底收获，晚稻7月底8月初移栽，11月初收获。1.2试验设计各处理内容如下：1.无肥区(CK)；2.有机养分循环(C)；3.化学氮肥(N)；4.氮肥+循环(NC)；5.化学氮磷肥(NP)；6.化学氮磷钾肥(NPK)；7.氮磷钾肥+循环(NPKC)；8.化学氮钾肥(NK)；9.化学氮磷钾肥+1/2秸秆回田(NPKS)。肥料施用量按各处理内容要求,1998年前每季每公顷N230kg，P2O568kg，K2O84kg；1998年开始每季每公顷N115kg，P2O568kg，K2O42kg。其中氮肥为尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾。磷肥和钾肥以基肥形式施入，尿素分基肥和追肥按8∶7的比例两次施入。循环处理中秸秆全部还田，另每季施入833kg·hm-2(以干物计)猪粪以补充收获籽粒所移出的养分。1.3样品采集与分析方法2006年3月稻田耕翻前每个小区多点混合采集2020生态环境第17卷第5期（2008年9月）0~15cm和15~30cm土样，测定土壤养分含量。土壤pH值采用电位计法，土壤有机碳测定用重铬酸钾容量法，全氮用凯氏法，全磷用碱熔-钼锑抗比色法，全钾用NaOH熔融-火焰光度法，碱解氮用扩散法，速效磷用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法[8]。试验数据用SPSS13.0forWindows软件进行相关性分析和One-WayANOVA分析，相关性大小采用pearson指数表示，差异显著性用Duncan法分析。2结果与分析2.1土壤pH0~15cm土壤pH在5.4~5.7之间，15~30cm土壤pH在5.5~5.8之间（图1）。红壤荒地开垦种植水稻15年后，不同施肥处理水稻土的pH提高了0.9~1.3个单位，而不同施肥措施对水稻土pH的改善作用到目前为止还没有显著差异，表明耕作灌溉与施肥结构相比更能影响红壤水稻土的pH。2.2土壤有机碳15年的不同施肥措施显著影响了水稻土的有机碳库（图2）。土壤15~30cm有机碳（SOC）含量在3.92~4.92g·kg-1之间，不同施肥处理间没有显著差异。0~15cmSOC含量在8.19~10.13g·kg-1之间，不同施肥处理SOC含量分为4个水平，C、NC、NPK、NPKS、NPKC处理最高，NP处理其次，NK、N处理SOC含量处于第3水平，无肥区最低。与实验开始前相比，0~15cmSOC含量明显提高，但是15~30cmSOC含量几乎没有变化。说明到现在为止水稻垦殖所带入土壤的有机质还只积累在耕层。耕层土壤SOC含量与不同施肥措施的有机碳还田量相关。稻田土壤有机碳的输入途径主要是根茬和还田秸秆，不同施肥处理的根茬量则与其成熟水稻的生物量成比例。NPKC、NPKS、NC和C处理的碳输入除了根茬还有秸秆还田，有机碳归还量相对较高；其他处理的有机碳输入主要为根茬，NP、NK、N和CK处理的生物量依次降低，因而输入的有机质也依次减少。统计分析可以得知不同施肥措施的土壤耕层有机碳含量和其多年平均年总产量和年总生物量显著正相关（p0.05），相关系数分别为0.795和0.787。长期试验表明，NPK配合施用不仅可以提高土壤生产力，而且有益于增加土壤有机碳。有机肥对土壤有机碳含量的提高作用好于化肥[9]。土壤有机碳的消长取决于有机碳输入量和SOC矿化量的平衡，因此土壤的固碳速率不仅与根茬和有机肥等有机碳总输入量有关[10]，同时也受土壤本身有机碳含量的影响。同为第四纪红粘土母质发育的稻田长期试验，初始有机质含量高（23.2g·kg-1）时，不施肥或施化肥，水稻根茬不能补充土壤有机碳的矿化损失，随着试验进行SOC含量降低，即使NPK肥配合施用也只能维持土壤有机碳含量基本不变[11]；而在本长期试验中，由于原始土壤有机碳含量很低，各种施肥措施包括不施肥处理15年都显著增加了土壤有机碳含量，表明即使不施肥，水稻根茬形成的土壤有机碳也高于土壤有机碳的矿化损失，增加土壤的碳储量；将荒地开垦为稻田能够作为碳汇，固定大气中的CO2。2.3土壤全氮和碱解氮不同施肥处理0~15cm土壤全氮含量在0.89~1.20g·kg-1之间，碱解氮含量在75.3~93.1mg·kg-1之间，15~30cm土壤全氮含量在0.50~0.62g·kg-1之间，碱解氮含量在35.5~49.6mg·kg-1之间（图3）。除有机养分循环配合施用化学N肥（NC）或NPK肥（NPKC）处理的耕层全氮含量显著高于无肥区外，其他施肥处理土壤的全氮和碱解氮含量都无显著差异。15年不同施肥处理包括不施肥处理均显著提高了耕层土壤全氮含量，这与有机碳的情况类似，表明在低肥力土壤上进行水稻种植，即使不人为施入氮肥，仅依靠氮的自然输入，也能在一定范围内提高土壤的氮含量。耕层全氮和有机碳含量的相关性极显著（p0.01），这一点也在多个长期试验中被证实[12-13]。InitCKCNNCNPNPKNPKCNKNPKS0246处理pH0-15cm15-30cm图1不同施肥处理土壤pHFig.1SoilpHofdifferentfertilizationmanagementInitCKCNNCNPNPKNPKCNKNPKS04812处理SOC/(gkg-1)0-15cm15-30cm图2不同施肥处理土壤有机碳含量Fig.2Soilorganiccarboncontentofdifferentfertilizationmanagement吴晓晨等：长期不同施肥措施对红壤水稻土有机碳和养分含量的影响2021不同施肥措施水稻土的年有机碳输入量和氮盈余量相差很大（未发表资料），但土壤耕层有机碳和全氮不同施肥处理间的差别还不明显，不同施肥措施对土壤有机碳和全氮含量的影响还需进行更长时间的试验观测。2.4土壤总磷和有效磷不同施肥处理土壤总磷和有效磷含量的变化趋势一致。0~15cm土壤总磷含量在0.25~0.60g·kg-1之间，有效磷含量在2.2~20.9mg·kg-1之间（图4），分为4个水平：施用化学磷肥同时有机养分循环的处理（NPKC、NPKS）土壤总磷和有效磷含量最高，其他有化学磷肥施用的处理（NPK、NP）次之，有机养分循环或N+有机养分循环处理（NC、C）的土壤总磷和有效磷水平第三，没有任何有机或化学磷肥施入的CK、N和NK处理的土壤磷含量最低。不同水平之间的总磷含量差异显著（p0.05）。15~30cm土壤总磷含量在0.16~0.28g·kg-1之间，有效磷含量在1.4~5.1mg·kg-1之间，不同处理间差异不显著。长期不同施肥措施下15~30cm土层中的总磷和有效磷含量变化不明显，0~15cm土层中则有显著差异。没有有机或无机磷肥输入的处理土壤有效磷含量显著降低，但由于产量低，磷输出量低，因而年亏缺量少，还未对土壤总磷库产生显著影响。施用有机肥或化肥都增加了土壤磷库，循环处理、循环加N肥处理和只施用化学磷肥的3个处理磷素的年盈余量接近，其中循环和N+循环处理提高了土壤总磷含量，但对土壤有效磷含量的作用不明显；只施用化学磷肥的3个处理总磷和有效磷含量都显著提高，说明化学磷肥在提高缺磷水稻土总磷和有效磷含量的效果好于有机肥（猪粪）。有机无机肥配合施用显著提高了土壤的有效磷库，其效果甚至好于有机或无机磷肥单独施用条件下有效磷的增加量之和。有机肥一方面直接向土壤提供磷素[14-16]，另一方面，可以降低土壤对磷的吸附、增加磷的解吸以及通过无机磷向有机磷转化提高磷肥的利用率，而且还能通过还原、酸溶、络合溶解作用促进解磷微生物增殖等过程活化土壤中难利用磷为可利用磷[17-20]。2.5土壤全钾和速效钾与土壤氮、磷库不同的是，不同深度土壤的全钾及速效钾含量基本一致。不同施肥处理土壤全钾含量在12.3~14.7g·kg-1之间，不同施肥处理之间差异不显著；速效钾含量在40.4~142.5mg·kg-1之间，施用化学磷肥或进行有机养分循环的处理最低，CK、N处理次之，NK处理最高（图5）。与初始