長期不同施肥措施對紅壤水稻土有機碳和養(yǎng)分含量的影響

1、長期不同施肥措施對紅壤水稻土有機碳和養(yǎng)分含量的影響吳曉晨1, 2, 3，李忠佩1, 3*，張?zhí)伊?, 31. 中國科學院南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 ；2. 海南省環(huán)境科學研究院，海南 海口 ；3. 中國科學院研究生院，北京 摘要：將紅壤丘陵地區(qū)的荒地開墾為水田不僅可以防治土壤侵蝕，而且能增加土壤肥力，提高農(nóng)田生產(chǎn)力。本文研究了紅壤荒地墾殖為稻田，長期定位施肥15年后不同施肥措施下水稻土的有機碳和養(yǎng)分含量特征。結果表明：不同施肥措施包括不施肥條件下，15年水稻墾殖都提高了土壤肥力。不同施肥措施水稻土的pH提高了0.91.3個單位。耕層土壤有機碳含量達到8.19

2、10.13 gkg-1，全氮含量達到0.891.20 gkg-1，有機碳與全氮含量都有明顯提高，且有機碳和全氮含量之間相關性極顯著。水稻土耕層全磷含量在0.250.60 gkg-1之間，有效磷含量在2.220.9 mgkg-1之間，化學磷肥的培肥效果好于有機肥（豬糞），有機無機磷肥配施能顯著提高土壤全磷和有效磷庫。土壤全鉀還未有明顯變化，土壤速效鉀含量在40.4142.5 mgkg-1之間，不同施肥措施除氮鉀肥處理外都造成了土壤速效鉀含量下降，秸稈還田到目前為止對于土壤速效鉀含量還沒有明顯作用。關鍵詞：施肥；紅壤水稻土；有機碳；養(yǎng)分中圖分類號：S158.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-

3、2175（2008）05-2019-05為了保證我國的糧食安全，必須注重耕地資源的數(shù)量保持和質(zhì)量改善1。我國南方紅壤丘陵地區(qū)自然條件優(yōu)越，氣候生產(chǎn)潛力大。但是由于長期對土地資源的不合理開發(fā)與利用，大量荒地和旱地土壤侵蝕嚴重，生產(chǎn)力低。將宜農(nóng)荒地開墾為水田或“旱改水”不僅可以治理土壤侵蝕，而且能增加土壤肥力，提高農(nóng)田生產(chǎn)力2-3。我國南方紅壤地區(qū)已經(jīng)建立了為數(shù)不少的水田長期試驗4-7，但其中大部分都是在肥力中等或較高的水田或旱地上建立起來的，缺乏對紅壤地區(qū)開墾自荒地或低產(chǎn)旱地的稻田土壤肥力的長期觀測。1990年在中國科學院紅壤生態(tài)試驗站建立了稻田施肥制度長期試驗，主要觀測不同施肥制度下墾自紅壤荒

4、地的稻田的生產(chǎn)力和土壤性狀變化過程。本文研究了該長期試驗進行15年后不同施肥措施下水稻土的有機碳和養(yǎng)分狀況，揭示不同施肥措施對低肥力水稻土的培肥效果，為紅壤丘陵地區(qū)中低產(chǎn)田改造提供幫助。1 材料與方法1.1 試驗區(qū)概況試驗建立在中國科學院紅壤生態(tài)試驗站，位于江西省余江縣(11655E，2815N)。該區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，水熱資源豐富，年降雨量1795 mm，平均溫度17.6 ，年蒸發(fā)量1318 mm，降雨集中于每年的36月，無霜期261 d。試驗于1990年開始，將發(fā)育自第四紀紅粘土的荒地平整后，設計9個試驗處理，每個處理3個重復，共27個試驗小區(qū)。每個小區(qū)面積為30 m2，各小區(qū)用磚和水泥

5、隔開(地面高15 cm，地下部分深50 cm)，且各小區(qū)具有良好的排水功能。實驗前土壤基本性質(zhì)為：有機質(zhì)含量5.7 gkg-1，全氮0.43 gkg-1，全磷(P2O5) 0.65 gkg-1，全鉀(K2O) 13.4 gkg-1，速效磷5.6 mgkg-1，速效鉀105.9 mgkg-1, 堿解氮90.2 mgkg-1，pH 4.5，粘粒( 1m) 含量38%7。作物輪作制度為水稻 （Oryza sativa L.）-水稻（Oryza sativa L.）。早稻每年4月底5月初移栽，7月底收獲，晚稻7月底8月初移栽，11月初收獲。1.2試驗設計各處理內(nèi)容如下：1. 無肥區(qū) (CK)；2. 有

6、機養(yǎng)分循環(huán) (C)；3. 化學氮肥 (N)；4. 氮肥+循環(huán) (NC)；5. 化學氮磷肥 (NP)；6. 化學氮磷鉀肥 (NPK)；7. 氮磷鉀肥+循環(huán) (NPKC)；8. 化學氮鉀肥 (NK)；9. 化學氮磷鉀肥+1/2秸稈回田 (NPKS)。肥料施用量按各處理內(nèi)容要求, 1998年前每季每公頃N 230 kg，P2O5 68 kg，K2O 84 kg；1998年開始每季每公頃N 115 kg，P2O5 68 kg，K2O 42 kg。其中氮肥為尿素，磷肥為鈣鎂磷肥，鉀肥為氯化鉀。磷肥和鉀肥以基肥形式施入，尿素分基肥和追肥按87的比例兩次施入。循環(huán)處理中秸稈全部還田，另每季施入833 kgh

7、m-2 (以干物計)豬糞以補充收獲籽粒所移出的養(yǎng)分。1.3 樣品采集與分析方法 2006年3月稻田耕翻前每個小區(qū)多點混合采集015 cm和1530 cm土樣，測定土壤養(yǎng)分含量。土壤pH值采用電位計法，土壤有機碳測定用重鉻酸鉀容量法，全氮用凱氏法，全磷用堿熔-鉬銻抗比色法，全鉀用 NaOH熔融-火焰光度法，堿解氮用擴散法，速效磷用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法8。試驗數(shù)據(jù)用SPSS 13.0 for Windows軟件進行相關性分析和One-Way ANOVA分析，相關性大小采用pearson指數(shù)表示，差異顯著性用Duncan法分析。2 結果與分析2.1 土

8、壤pH 015 cm土壤pH在5.45.7之間，1530 cm土壤pH在5.55.8之間（圖1）。紅壤荒地開墾種植水稻15年后，不同施肥處理水稻土的pH提高了0.91.3個單位，而不同施肥措施對水稻土pH的改善作用到目前為止還沒有顯著差異，表明耕作灌溉與施肥結構相比更能影響紅壤水稻土的pH。圖1 不同施肥處理土壤pHFig. 1 Soil pH of different fertilization management2.2 土壤有機碳圖2 不同施肥處理土壤有機碳含量 Fig. 2 Soil organic carbon content of different fertilization m

9、anagement15年的不同施肥措施顯著影響了水稻土的有機碳庫（圖2）。土壤1530 cm有機碳（SOC）含量在3.924.92 gkg-1之間，不同施肥處理間沒有顯著差異。015 cm SOC含量在8.1910.13 gkg-1之間，不同施肥處理SOC含量分為4個水平，C、NC、NPK、NPKS、NPKC處理最高，NP處理其次，NK、N處理SOC含量處于第3水平，無肥區(qū)最低。與實驗開始前相比，015 cm SOC含量明顯提高，但是1530 cm SOC含量幾乎沒有變化。說明到現(xiàn)在為止水稻墾殖所帶入土壤的有機質(zhì)還只積累在耕層。耕層土壤SOC含量與不同施肥措施的有機碳還田量相關。稻田土壤有機碳

10、的輸入途徑主要是根茬和還田秸稈，不同施肥處理的根茬量則與其成熟水稻的生物量成比例。NPKC、NPKS、NC和C處理的碳輸入除了根茬還有秸稈還田，有機碳歸還量相對較高；其他處理的有機碳輸入主要為根茬，NP、NK、N和CK處理的生物量依次降低，因而輸入的有機質(zhì)也依次減少。統(tǒng)計分析可以得知不同施肥措施的土壤耕層有機碳含量和其多年平均年總產(chǎn)量和年總生物量顯著正相關（p0.05），相關系數(shù)分別為0.795和0.787。 長期試驗表明，NPK配合施用不僅可以提高土壤生產(chǎn)力，而且有益于增加土壤有機碳。有機肥對土壤有機碳含量的提高作用好于化肥9。土壤有機碳的消長取決于有機碳輸入量和SOC礦化量的平衡，因此土壤

11、的固碳速率不僅與根茬和有機肥等有機碳總輸入量有關10，同時也受土壤本身有機碳含量的影響。同為第四紀紅粘土母質(zhì)發(fā)育的稻田長期試驗，初始有機質(zhì)含量高（23.2 gkg-1）時，不施肥或施化肥，水稻根茬不能補充土壤有機碳的礦化損失，隨著試驗進行SOC含量降低，即使NPK肥配合施用也只能維持土壤有機碳含量基本不變11；而在本長期試驗中，由于原始土壤有機碳含量很低，各種施肥措施包括不施肥處理15年都顯著增加了土壤有機碳含量，表明即使不施肥，水稻根茬形成的土壤有機碳也高于土壤有機碳的礦化損失，增加土壤的碳儲量；將荒地開墾為稻田能夠作為碳匯，固定大氣中的CO2。2.3 土壤全氮和堿解氮不同施肥處理015 c

12、m 土壤全氮含量在0.891.20 gkg-1之間，堿解氮含量在75.393.1 mgkg-1之間，1530 cm 土壤全氮含量在0.500.62 gkg-1之間，堿解氮含量在35.549.6 mgkg-1之間（圖3）。除有機養(yǎng)分循環(huán)配合施用化學N肥（NC）或NPK肥（NPKC）處理的耕層全氮含量顯著高于無肥區(qū)外，其他施肥處理土壤的全氮和堿解氮含量都無顯著差異。15年不同施肥處理包括不施肥處理均顯著提高了耕層土壤全氮含量，這與有機碳的情況類似，表明在低肥力土壤上進行水稻種植，即使不人為施入氮肥，僅依靠氮的自然輸入，也能在一定范圍內(nèi)提高土壤的氮含量。耕層全氮和有機碳含量的相關性極顯著（p0.01

13、），這一點也在多個長期試驗中被證實12-13。 圖3 不同施肥處理土壤總氮(上圖)和堿解氮(下圖)含量 Fig. 3 Soil total N (upper) and hydrolyzable N (lower) content of different fertilization management不同施肥措施水稻土的年有機碳輸入量和氮盈余量相差很大（未發(fā)表資料），但土壤耕層有機碳和全氮不同施肥處理間的差別還不明顯，不同施肥措施對土壤有機碳和全氮含量的影響還需進行更長時間的試驗觀測。2.4 土壤總磷和有效磷不同施肥處理土壤總磷和有效磷含量的變化趨勢一致。015 cm土壤總磷含量在0.250

14、.60 gkg-1之間，有效磷含量在2.220.9 mgkg-1之間（圖4），分為4個水平：施用化學磷肥同時有機養(yǎng)分循環(huán)的處理（NPKC、NPKS）土壤總磷和有效磷含量最高，其他有化學磷肥施用的處理（NPK、NP）次之，有機養(yǎng)分循環(huán)或N+有機養(yǎng)分循環(huán)處理（NC、C）的土壤總磷和有效磷水平第三，沒有任何有機或化學磷肥施入的CK、N和NK處理的土壤磷含量最低。不同水平之間的總磷含量差異顯著（p0.05）。1530 cm土壤總磷含量在0.160.28 gkg-1之間，有效磷含量在1.45.1 mgkg-1之間，不同處理間差異不顯著。長期不同施肥措施下1530 cm土層中的總磷和有效磷含量變化不明顯，

15、015 cm土層中則有顯著差異。沒有有機或無機磷肥輸入的處理土壤有效磷含量顯著降低，但由于產(chǎn)量低，磷輸出量低，因而年虧缺量少，還未對土壤總磷庫產(chǎn)生顯著影響。施用有機肥或化肥都增加了土壤磷庫，循環(huán)處理、循環(huán)加N肥處理和只施用化學磷肥的3個處理磷素的年盈余量接近，其中循環(huán)和N+循環(huán)處理提高了土壤總磷含量，但對土壤有效磷含量的作用不明顯；只施用化學磷肥的3個處理總磷和有效磷含量都顯著提高，說明化學磷肥在提高缺磷水稻土總磷和有效磷含量的效果好于有機肥（豬糞）。有機無機肥配合施用顯著提高了土壤的有效磷庫，其效果甚至好于有機或無機磷肥單獨施用條件下有效磷的增加量之和。有機肥一方面直接向土壤提供磷素14-1

16、6，另一方面，可以降低土壤對磷的吸附、增加磷的解吸以及通過無機磷向有機磷轉化提高磷肥的利用率，而且還能通過還原、酸溶、絡合溶解作用促進解磷微生物增殖等過程活化土壤中難利用磷為可利用磷17-20。2.5 土壤全鉀和速效鉀與土壤氮、磷庫不同的是，不同深度土壤的全鉀及速效鉀含量基本一致。不同施肥處理土壤全鉀含量在12.314.7 gkg-1之間，不同施肥處理之間差異不顯著；速效鉀含量在40.4142.5 mgkg-1之間，施用化學磷肥或進行有機養(yǎng)分循環(huán)的處理最低，CK、N處理次之，NK處理最高（圖5）。圖4 不同施肥處理土壤總磷 (上圖)和有效磷 (下圖)含量 Fig. 4 Soil total P

17、 (upper) and Available P (lower) content of different fertilization management圖5 不同施肥處理土壤總鉀(上圖)和速效鉀(下圖)含量 Fig. 5 Soil total K (upper) and exchangeable K (lower) content of different fertilization management與初始土壤相比，不同施肥措施15年后土壤全鉀含量還未見明顯變化，表明到目前為止不同施肥措施還未對土壤全鉀含量產(chǎn)生明顯影響。一般認為秸稈還田等施用有機肥的措施與施用化學鉀肥一樣都能提高土壤速

18、效鉀含量或緩解其減少的趨勢21-23，但這一趨勢還未在此長期試驗中發(fā)現(xiàn)。速效鉀含量除NK處理顯著提高，CK、N處理略有降低但不顯著外，其他處理都顯著降低。不同施肥處理土壤的速效鉀含量與其水稻多年平均生物量顯著負相關（P0.05），相關系數(shù)為-0.755。土壤中速效鉀含量與鉀肥輸入量和水稻吸鉀量的平衡有關，生物量高的處理吸鉀量大，土壤速效鉀的損耗多，NPK、NPKC和NPKS處理的化學鉀肥不能完全滿足水稻的需求，即使秸稈還田補充鉀素，但是秸稈中鉀的有效性低，也還不能補充土壤速效鉀庫的損耗；CK、N、NK處理的生物量低，吸收的速效鉀少，土壤速效鉀含量相對較高，其中NK處理水稻的吸鉀量低于化學鉀肥的

19、輸入量，從而增加了土壤速效鉀庫。水稻秸稈是重要的鉀肥資源，但是還需要配合適量化學鉀肥才能同時維持土壤全鉀和速效鉀的平衡。3 結論將紅壤荒地開墾種植水稻15年，不同施肥措施，包括不施肥處理都提高了土壤pH，增加了土壤耕層的有機碳和全氮含量，提高了土壤肥力。土壤中有機碳和氮的積累還只發(fā)生在015 cm的耕層，土壤有機碳和全氮含量間相關性顯著。15 cm深度以下的土壤碳氮還未有明顯變化，且耕層土壤碳氮含量也只達到該地區(qū)相同母質(zhì)發(fā)育的高產(chǎn)水稻土碳氮含量的1/2左右24，表明本長期試驗當前的土壤肥力還處于較低水平。不同施肥措施對耕層土壤磷素養(yǎng)分影響顯著，施用化學磷肥對土壤總磷和有效磷含量的提高作用好于有

20、機肥（豬糞），有機養(yǎng)分循環(huán)配合NPK肥能極大提高土壤有效磷含量。種植水稻15年土壤全鉀庫還未受到不同施肥措施的明顯影響，土壤速效鉀含量除了NK處理因化學鉀肥施用量超過水稻吸鉀量而增加外，其余施肥處理不管鉀素收支是否平衡，都出現(xiàn)了速效鉀含量下降的情況。秸稈還田對土壤速效鉀含量還未有明顯影響。參考文獻：1 傅澤強, 蔡運龍, 楊友孝, 等. 中國糧食安全與耕地資源變化的相關分析J. 自然資源學報, 2001, 16(4): 313-319.Fu Zeqiang, Cai Yunlong, Yang Youxiao, et al. Research on the relationship of cu

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41、es, Nanjing China;2. Hainan Provincial Academy of Environmental Science, Haikou China;3. Graduate university of the Chinese Academy of Sciences, Beijing ChinaAbstract: Alteration of wasteland to paddy field in highland region of subtropical China could not only alleviate soil erosion, but also promote soil fertility and productivity. In our study, after altering wasteland to paddy field and follow-up 15 years of different