長期化肥施用對雙季稻田土壤有機碳的影響

張 翔，魏文學，陳安磊*

（1.中國科學院大學，北京 100049；2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南 長沙 410125）

稻田作為我國主要農業土地利用方式，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，保障水稻產量的重要農業措施之一，其中尤以施化肥為主［3-4］。有研究結果表明，單施有機肥或有機肥配施化肥為土壤微生物提供碳源，加速土壤生物活動，是穩定提升農田土壤有機質水平的有效措施，且效果優于化肥單施［5-9］，但長期施用化肥對土壤有機質含量的影響并不十分清楚。有研究表明，單施化肥主要通過提高農作物的生物產量，從而增加土壤中作物殘茬和根的輸入量，進而提高土壤有機質含量［10-11］。另有結果表明，化肥施用可以提高作物殘茬和根向土壤有機質轉化的效率［12］。然而，也有研究指出，單施化肥只能基本維持土壤有機質平衡，其含量無明顯的增長趨勢［13］。不僅如此，長期單施常量氮、磷、鉀化肥作物的根茬殘留量較低，使土壤易氧化有機質和難氧化有機質均有所消耗，造成有機質總量下降［14-15］。由于在未來的農業生產中，化肥仍然是不可或缺的生產資料，因此探討長期施用化肥對土壤有機質含量的影響具有重要的理論意義和實踐價值。本研究依托中國科學院桃源農業生態試驗站的稻田長期施肥定位試驗（始于1990年），連續監測不同化肥處理的水稻產量、土壤有機碳（SOC）含量及相關因子的動態變化，系統分析了SOC含量動態變化與各因子的關系，以期為稻田化肥合理施用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地位于中國科學院桃源農業生態試驗站，地處湖南省桃源縣（28°55′N，111°26′E）。該區域屬于亞熱帶潮濕季風帶，為典型的丘陵農業區，年均降水量為1448 mm，年均氣溫為16.5℃，無霜期為283 d，供試土壤為第四紀紅色粘土發育而來的水稻土。

田間試驗開始于1990年，耕作層（0～20 cm）土壤初始基本肥力性狀為：有機碳含量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

長期定位試驗田采用完全隨機區組設計，每個處理3個重復，小區面積為33.2 m2。本文選用4種施肥處理，分別為：對照處理（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肥為過磷酸鈣，K肥為氯化鉀，施肥量見表1。

早、晚稻收割后，稻草全部從小區移出，僅有水稻根茬留在稻田內。早稻移栽時間為4月底，收割時間為7月中旬，晚稻移栽時間為7月中旬，收割時間為10月底，從10月底到次年4月上旬，稻田休閑，不進行任何農事操作。水稻生育期其它農事管理同當地稻田管理模式。

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。每小區采集9個小樣均勻混合成一個土壤樣品，除去根等可見有機物，室內風干之后先后過2和0.15 mm篩，用于土壤理化性質測定。土壤和植物樣品中的碳含量用重鉻酸鉀濕消化法測定。

每小區單獨收割和計產，曬谷場取小樣于70 ℃的烘箱中烘干至恒重，用于計算曬干稻谷的含水量，然后計算標準含水量為14%的產量。為獲取根茬還田量數據，于2000和2012年調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，因此不同處理有機碳年投入量為：

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

1.4 氣候數據來源

1990到2014年的全年降水量（mm）、全年平均氣溫（℃）和全年日照時數（h）等氣候數據均來源于桃源縣氣象局。

1.5 統計分析

使用SAS 9.4進行統計分析。不同處理早、晚稻產量和有機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進行直線相關性分析。使用OriginPro 2020制備圖形材料。

2 結果與分析

2.1 土壤SOC含量變化

經過24年單施化肥及雙季水稻種植后，土壤SOC的積累（圖1）可以分為兩個階段，即1990～2006年為SOC顯著上升期（每年上升都達0.01顯著水平），2006～2014年為SOC穩定期或下降期。4個施肥處理之間沒有顯著性差異，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達到相對穩定含量均出現在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處理的降幅相對較小，分別為2.2%和2.4%。

圖1 土壤有機碳含量變化

2.2 早、晚稻產量動態變化

試驗期間的早晚稻產量動態結果（圖2）表明，各處理之間的早稻產量差異性較為顯著，可以認為不同化肥施用模式對早稻產量的影響明顯大于晚稻。根據歷年的產量結果，4種處理可劃分為兩組，即產量相對較高的NPK和NP處理，和產量較低水平的N和CK處理，兩組之間的差異從1990年之后就達到了顯著水平（P＜0.05），且從2000年開始，組間的差異逐漸增加，但兩組的組內差異并不顯著。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，早稻產量從1990年始至2008年呈明顯上升的趨勢，并于2008年達到最高產量，且NP和NPK處理的產量較CK處理增加幅度均達最大值，分別為33.3%和69.3%。然而，2008～2014年4個處理的早稻產量均總體呈急劇下降的趨勢，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與早稻相似，不過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，變化都沒有達到顯著性。

圖2 稻谷產量的年際動態變化

2.3 有機碳輸入量的動態變化

由于4個單施化肥處理的有機碳輸入主要來自水稻根茬，因此其輸入量與水稻產量密切相關。根據有機碳輸入量年度變化動態曲線（圖3），N、NP、NPK處理之間均達到了顯著性差異（P＜0.05），且差異大小也從2000年左右開始增加。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個處理的變化趨勢基本相同，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，2006～2014年又表現為下降的趨勢。就不同處理而言，在整個試驗過程中，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處理的有機碳輸入量相差較小，N處理僅比CK處理高7.4%。

圖3 有機碳輸入量的年際動態變化

2.4 SOC與相關因子的相關性分析

經過連續24年施用化學肥料后，不同施肥處理的SOC與部分因子相關關系分析結果如表2所示，其中，早、晚稻產量和碳輸入量因處理而異。SOC的積累與水稻產量呈正相關，其中與早稻的相關性更為密切，4個處理均顯著相關，而與晚稻產量的相關性只有CK和NP處理達到顯著水平，N和NPK處理則接近顯著。由于施用無機肥處理的每年碳輸入量主要為殘留的稻茬和根系，因而碳輸入量與產量緊密相關，結果顯示各處理的SOC與碳輸入量均顯著或極顯著相關。

經對SOC與全年降水量、日照時數和平均氣溫等因子的統計分析，SOC的積累雖然與全年降水量和全年日照時數呈負相關關系，但各處理均未達到顯著水平。而SOC與全年平均氣溫呈正相關關系，但各處理也都未達到統計學顯著水平。

表2 SOC與產量、碳輸入量和氣候因子的相關性

3 討論

我國是水稻種植面積最大的國家之一［16］，其土壤有機質含量變化不僅關系到土壤地力狀況，而且與全球氣候變化有密切關系［17］。水稻土有機質含量變化一直受到廣泛關注，但在認識上存在一定的分歧，且不同地區有機質變化規律不同［18-19］。針對水稻土有機質含量能否穩定上升和施用化肥能否影響土壤有機質含量等問題，本文開展了長期觀測研究。結果表明，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含量與水稻產量顯著相關（表2），盡管稻草秸稈沒有還田，但殘留在稻田中的根茬量與產量呈正比關系，因此通過施用化肥提高水稻產量的同時也能在一定程度上提高SOC含量水平。接下來的問題是，根據1990～2014年的監測結果，所有處理包括不施肥對照的SOC含量在1990～2006年均呈現上升趨勢，2006～2010年為穩定期，2010～2014年則為緩慢下降期。產生這樣動態變化特征的主要原因可能有以下幾個方面：（1）在試驗開始時的1990年，土壤進行整治不久，SOC含量較低；經過連續多年種植雙季稻，盡管每年產生的早、晚稻稻草被移出，但留下的根茬成為SOC的穩定投入源［18］；在1990～2006年水稻產量呈上升趨勢，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，并與產量有很好的相關性，其中產量最高NPK處理的SOC含量一直維持在最高水平。（2）多方面的原因導致2006～2010年水稻產量明顯下降，這一期間水稻根茬殘留量也相應減少，造成SOC含量尤其是NPK處理的SOC含量增加幅度明顯減緩；產生這一現象的可能原因是在2006～2008年水稻產量還在繼續上升，但此后的2008～2010年大量減產，可以猜測SOC含量的變化也發生了類似情況；因而，2010年的SOC含量與2006年相比變化不大。（3）2010年后水稻產量和根茬殘留量總體上呈繼續下降的趨勢，而SOC含量也呈明顯下降的趨勢。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？可能有兩大因素驅動了土壤SOC的分解過程。其一是由于之前SOC含量的不斷增加提升了土壤肥力［20］，同時有效地增加了依賴SOC的微生物種群數量，雖然根茬投入減少，但這些微生物數量和活性短期內不會減少，從而導致SOC下降［21］；其二是新鮮有機物進入土壤會激發原有SOC分解［22-23］，新的投入量減少也可能造成SOC含量減少。試驗結果中產量高的NPK和NP處理的SOC下降程度明顯小于產量低的CK和N處理也可說明這一現象。有研究表明，長期施肥能使SOC快速增加，但SOC含量最終會處于波動的動態平衡［24-25］，且SOC含量越高，有機碳礦化損失越多［26］，因此在有機碳投入量減少時，動態平衡被打破，可能會導致SOC含量下降。統計分析結果進而表明，SOC含量變化與水稻產量和根茬殘留量（即有機碳投入量）顯著或極顯著相關，與不同時期的降水量、日照時數和平均氣溫沒有顯著相關，說明根茬的投入是水稻土SOC含量變化的關鍵決定因素。施用化肥，尤其是N、P、K肥同時施用，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，增加作物產量，從而增加了根茬的殘留量，提高了有機碳的投入量。

4 結論

長期施用化肥對SOC含量的影響主要取決于施肥模式對產量的影響，NPK配合施用獲得高產的同時也會增加SOC含量，但不平衡施肥不利于SOC的積累。當因氣候和其它原因導致水稻產量系統下降時，SOC含量不是繼續上升或維持穩定，而是隨之下降，說明新鮮投入的根茬相較于土壤原有SOC而言，對一定時期SOC含量的貢獻更大些。

因此，長期合理施用化肥不僅可以維持作物高產，同時也能增加SOC含量。如果能適當配施有機肥將更有利于SOC積累和土壤肥力的提升。