长期不同施肥措施下华北潮土土壤有机碳的固存变化

土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)是土壤肥力的核心,对维持和保障农田生产力有重要作用[1-2]。土壤有机碳对土壤的理化性质及植物的生长具有重要影响,如促进土壤团粒结构的形成,改善土壤的通气性,提高土壤对养分的保存能力等。因此,土壤有机碳的保护和固存对于提高土壤肥力,维持作物生产力和改善土壤环境状况有重要作用[3]。

农田土壤中碳投入主要来源于作物残体(秸秆、残茬、根系和根系渗出物)和添加到土壤中的有机肥等。通过作物地上生物量返回土壤(秸秆还田)或直接添加有机肥等措施,可以增加碳投入,进而促进有机碳固存,提高作物产量[4]。因此,土壤中有机物质来源数量和质量的变化,必然影响土壤的肥力和固碳速率。施肥和秸秆还田等农业措施均会影响农田碳投入[2,5]。施肥可以通过改善土壤养分状况来提高土壤有机质含量,同时也通过提高作物生长残留的根茬、根系分泌物等碳投入来增加土壤有机碳储量。胡佳栋等[6]研究指出合理施肥促进光合作用增强,从而增加作物碳的供应。毛霞丽等[7]在水稻土、王月玲等[8]在塿土以及徐宁等[9]在黑土的研究中都指出合理施肥是提高土壤有机质水平的重要措施之一。此外,秸秆还田等耕作措施直接碳投入也是提升土壤有机碳的主要措施[2,10]。还田秸秆进入土壤后,经过一系列的物理、化学和生物反应,最终转化为土壤有机碳。刘骅等[11]研究指出，秸秆还田可使土壤自有颗粒有机碳以0.03～0.05 g/(kg·a)的速率增加；Di等[12]在红壤上的研究也指出秸秆还田对土壤碳库有巨大的补充作用。潮土是华北平原区典型的土壤类型,具有分布广、产量潜力大等特点。目前研究中,不同施肥措施对潮土有机碳含量的影响及土壤有机碳与外源有机物碳投入的响应关系研究较少。本研究以22 a长期定位试验为基础,研究不同施肥与秸秆还田措施下土壤有机碳变化特征,解析华北潮土有机碳增长速率、固存速率、固存效率,明确其对作物籽粒产量的影响,以期为华北潮土土壤有机碳提升、土壤有机碳库保育提供理论指导,对实现该地区农田的可持续发展具有重大意义。

1 材料和方法

1.1 试验设计

河北省冬小麦-夏玉米轮作下钾素循环与调控长期定位试验位于河北省辛集市马兰农场(东经115°11′28.18″, 北纬37°59′22.93″),地处中纬度欧亚大陆边缘。气候属于温带大陆性季风气候,年平均气温12.5 ℃,大于10度积温4 653 ℃,年降水量447 mm,年蒸发量1 211 mm,无霜期约198 d,年日照时数2 427 h。试验地土壤为轻壤质潮土,成土母质为洪冲积物。长期试验从1992年10月开始,初始耕层(0～20 cm)土壤有机碳含量8.70 g/kg,碱解氮69.7 mg/kg,有效磷12.6 mg/kg,pH值8.2。采用小麦-玉米一年两熟轮作制。

试验设置4个处理：①不施钾+秸秆不还田对照(NP)；②施钾肥+秸秆不还田(NPK)；③不施钾+小麦秸秆还田(NPS)；④施钾肥+小麦秸秆还田(NPKS)。每个处理重复4次,小区面积50 m2,随机区组排列。各处理均不施有机肥,玉米秸秆全部清除,NPS处理与NPKS处理在玉米五叶期前垄间覆盖小麦秸秆,用量为6 000 kg/hm2,其他处理不施秸秆。各处理每季施N 225 kg/hm2,P2O5 90 kg/hm2,NPK处理与NPKS处理每季各施K2O 150 kg/hm2,其余2个处理不施钾肥(表1),所有处理磷、钾肥全部作基肥,氮肥基追各半,小麦追肥在拔节期,玉米追肥在六-七叶期。田间管理措施与农户相同。

1.2 测定指标及方法

各小区单独测产,玉米收获时每个小区取2行,人工将玉米穗取下,带回试验室风干后(籽粒含水量14%)脱粒,称质量,计算玉米籽粒产量；小麦收获时在每个小区随机选长势均匀的3个面积为1 m2正方块,带回试验室,风干后(籽粒含水量14%)脱粒,称质量,计算小麦籽粒产量。同时,在测产时,每个小区玉米随机取5棵植株,小麦取1 m双行植物样品,带回试验室粉干后测定养分含量。每年玉米收获后(10月初)在各小区按之字型采集0～20 cm土壤样品,每小区每层取10个点混合成一个样,带回试验室。样品于室内风干,磨细过1.00,0.25 mm筛,进行测定土壤有机碳含量。

1.2.1 有机碳储量有机碳储量计算如下：

SOCstock=(SOCi×BD×Hi)×0.1

式中：SOCstock为特定深度的土壤有机碳储量(t/hm2)；SOCi为第i层土壤的有机碳浓度(g/kg)；BD为第i层土壤容重(g/cm3)；Ti为第i层土壤厚度(cm),0.1为单位转化系数。

1.2.2 固碳速率和固碳效率土壤总有机碳的固持速率和固持效率采用公式②～④[13]：

ΔSOCstock=SOCstock-t-SOCstock-c

SOCSE=ΔSOCstock/(Cinput-t-Cinput-c)

式中,SOCstock-t、SOCstock-c和ΔSOC分别代表处理有机碳储量、对照有机碳储量和有机碳储量的增加量；Cinput-t 和Cinput-c分别代表处理和对照外有机碳输入量；n代表外源有机碳输入的累积年份；SOCSR和SOCSE分别代表土壤固碳速率和固碳效率。

1.2.3 累积碳投入量农田生态系统下外源有机碳输入主要来自作物残茬(根系+秸秆残茬)秸秆还田及有机粪肥。除了秸秆还田管理方式外,其他管理方式下在作物收获时地上部分均随籽粒全部移走,其有机碳投入主要来自作物地下部分根系和残茬；

作物来源的有机碳投入计算公式如下：

Cinput=((Yg+Ys)×R×Dr+Rs×Ys)×(1-W)×Ccrop/1000

其中,Cinput(kg/hm2),Yg为作物籽粒产量(kg/hm2),Ys是秸秆产量(kg/hm2)。R为光合作用进入地下部分的碳的比例,小麦的R根据文献取30%[14]；Dr为作物根系生物量平均分布在0～20 cm土层的比例,本研究中所用的Dr为75.3%[15]。Rs为作物收割留茬占秸秆的比例,本研究中不施肥小麦留茬所占秸秆生物量的比例Rs为18.3%[16]；W和Ccrop(g/kg)分别为小麦地上部分风干样的含水量和含碳量,小麦平均烘干基有机碳含量为399 g/kg[17]。

1.2.4 边界线分析边界线(Boundary line)[18-21]是指在存在因果关系的数据对中,有一条存在于数据体边界上的、表示群体中最佳表现的线,这条线可以将影响因素单一化,即边界线上的所有点只受自变量的影响。操作步骤如下：

将22 a所有处理土壤有机碳含量(X)和作物籽粒产量(Y)作散点图,每个点将对应一个边界点,将所有点的边界点寻找出来(按X值排序后,利用Excel表格中的if公式求出),边界点拟合线性加平台方程后可得这些点的边界线[22]。

1.3 数据处理与分析

试验结果统计与分析采用Excel和SPSS软件进行,所有数据测定结果均以平均值表示。不同施肥处理之间采用最小显著差数法(LSD)进行差异显性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥措施对0～20 cm土壤有机碳储量的影响

长期定位试验不同施肥1992-2014年0～20 cm土壤有机碳含量如图1所示,不同处理的土壤表层有机碳含量均有一定提高,NP、NPK、NPS、NPKS处理分别较试验开始时增加1.1,3.4,3.2,4.8 g/kg,约占初始值13.1%,39.1%,36.6%,55.5%。利用线性回归方程对土壤有机碳和施肥年限进行拟合(表2),发现土壤有机碳随着施肥年限的增加均呈现增加的趋势,NP处理的增加速率最小为0.06 g/(kg·a),NPK平衡施肥处理的增长率明显提高为0.17 g/(kg·a),NPS和NPKS处理的增加幅度则分别达到了0.25,0.342 g/(kg·a),秸秆还田或者在平衡施肥基础上秸秆还田对土壤有机碳的提高作用明显。NPS处理的有机碳增长速率大于NPK处理,显示秸秆还田在促进土壤有机碳累积方面有重要的作用。总体来看,华北潮土的土壤有机碳含量呈增加趋势,平衡施肥和秸秆还田有效促进了农田土壤有机碳的提高。

2.2 长期不同施肥措施对潮土0～20 cm土壤有机碳储量及固碳速率的影响

经过22 a的不同施肥处理,NP处理的表层(0～20 cm)土壤有机碳储量增长缓慢,增加2.2 t/hm2,其他处理均增加较快,NPKS增长最高为8.9 t/hm2,NPK与NPS处理分别增加6.2,5.9t/hm2表3)。各处理土壤中有机物料的来源存在差异：NP与NPK处理的有机物料来源主要为作物残茬的生物量投入,NPS与NPKS处理为作物残茬的生物量投入和小麦秸秆还田量。22 a处理后,NP与NPK处理碳投入量较低,分别为66.6,74.4 t/hm2,NPKS与NPS较高,为128.8,122.8 t/hm2,累积碳投入量的差异主要是由秸秆碳投入量的差异造成。平均固碳速率来看,NP处理固碳速率仅有0.10 t/(hm2·a),明显低于NPKS的0.40 t/(hm2·a),NPK处理与NPSt处理的固碳速率比较接近,分别为0.28,0.27 t/(hm2·a)。

Note: The different smaller letters mean significantly difference at 5% probably level.

2.3 长期不同施肥措施下潮土有机碳储量变化量与累积碳投入量变化量的响应关系

土壤有机碳储量随着外源有机碳输入量的增加而增加,而单位外源有机碳输入下土壤有机碳的变化量即为土壤固碳效率。从图2中可以看出,有机碳储量变化量与累积碳投入变化量呈显著正相关关系,其回归方程为y=0.091x-0.241(P<0.05),其斜率表示有机碳投入量增减变化一个单位是土壤有机碳储量的变化量,与x轴相交的截距表示土壤有机碳储量变化值为0时所需的维持投入量[23]。在本研究中,华北潮土的土壤固碳效率为9.1%,维持土壤有机碳库平衡的有机碳年投入量为2.65 t/hm2。

2.4 有机碳含量与作物籽粒产量的关系

国内外大量试验证明,当土壤有机碳含量低的时候,增加施肥量,产量不会提高；作物高产和稳产性均随土壤有机碳的增加而显著增加。利用边界线分析的方法,对土壤有机碳与小麦、玉米产量的关系进行模拟,并对边界点拟合线性加平台模型拟合发现,其拟合的土壤有机碳拐点为9.47 g/kg,拟合平台小麦产量为7 720 kg/hm2(图3-A),在未达到平台产量时,土壤有机碳每增加1 g/kg,小麦产量约提高167.5 kg/hm2,若根据小麦产量与土壤有机碳的相关关系分析,土壤有机碳的最低培肥目标是9.47 g/kg；玉米与土壤有机碳的关系可以用线性加平台模型进行模拟,其拟合的土壤有机碳拐点为9.04 g/kg,拟合平台玉米产量为9 581 kg/hm2(图3-B)。在未达到平台产量前,土壤有机碳每增加1 g/kg,玉米产量约提高678.5 kg/hm2。若根据玉米产量与土壤有机碳的边界线相关分析,土壤有机碳的最低培肥目标是9.04 g/kg。总体来看,河北省潮土区土壤有机碳的培肥目标应该在9.04～9.47 g/kg以上,才能满足当地作物高产、稳产的要求。

2.5 壤质潮土有机质提升策略

壤质潮土长期定位试验各处理有机碳储量增加量与其相应的累积碳投入量呈线性关系(图3)。由不同累积碳投入阶段的有机碳转化效率可知,壤质潮土对小麦秸秆的固碳效率为9.1%,即每投入100 t碳,9.1 t可被固持在土壤中。潮土土壤有机碳储量提升5%,需再额外投入21.2 t/hm2；土壤有机碳储量提升10%,需再额外投入42.5 t/hm2小麦干秸秆；土壤有机碳储量提升20%,需再额外投入85.0 t/hm2小麦干秸秆(表4)。

注：起始有机碳储量为16.2 t/hm2；小麦秸秆碳含量(干基)为39.9%[17]。

Note:Inital SOC storage was 16.2 t/ha;The carbon content of wheat straw(dry base)was 39.9%[17].

3 讨论与结论

3.1 长期秸秆还田与NPK平衡施肥对提高土壤有机碳作用显著

长期秸秆还田与NPK配合平衡施用能显著提高土壤有机碳含量。壤质潮土连续22 a施肥管理下,由1992年的低肥力土壤(有机碳含量7.48 g/kg)到2014年均变为高肥力土壤(施用钾肥和秸秆还田的土壤有机碳含量为13.5 g/kg)。N、P、K化学肥料均衡施用对增加土壤有机质的效果优于单施N、P肥,秸秆还田也是增加土壤有机质的有效且重要的措施。

秸秆还田可改善土壤质量,提高农田碳库储量[24],主要在于秸秆还田直接增加了碳投入,从而增加有机碳储量。另外秸秆还田所释放的养分可以直接供作物吸收利用,如磷、钾等养分释放迅速,极易被作物吸收利用[25],继而促进作物生长,增加碳投入。并且碳源的投入对土壤微生物活性有激发效应[26],有益微生物对土壤碳周转、土壤养分的活化产生正效应。

许多研究表明,无机肥料的施用可以增加作物残留物的还田量并且提高表层土壤有机碳的含量。平衡施用化肥可以提高作物籽粒产量及秸秆生物量,从而最大限度提高碳投入量。高伟等[23]通过对32 a华北潮土有机碳变化指出,平衡施用化肥处理有机碳增加29.0%；马俊永等[27]对华北潮土的研究也指出,平衡施用化肥可以降低耕层容重,提高土壤有机碳含量。秸秆还田与NPK平衡施用可增加土壤剖面碳储量,对土壤有机碳及土壤碳库的提升有重要的作用。

3.2 华北地区壤质潮土有机碳水平与培肥目标

土壤有机碳水平是土壤肥力水平的核心内容,土壤有机碳的提升对土壤肥力的提高及作物产量的增长有重要作用。本研究中,土壤有机碳含量处于低水平时,每提高1 g/kg土壤有机碳,小麦与玉米籽粒产量分别提高167.5,678.5 kg/hm2。高伟等[23]在天津进行的长期定位试验研究也指出,土壤有机碳含量每提高1 g/kg,小麦产量与玉米产量分别提高224.6,288.1 kg/hm2。也有研究指出土壤有机质的提升对产量的作用与区域、气候、土壤类型等有很大关系[28],大致为北方高于南方。

本研究通过建立土壤有机碳含量与作物产量边界点的关系,得出华北潮土稳产的土壤有机碳含量水平,为小麦9.47 g/kg,玉米9.04 g/kg,也就是说超过此水平后,土壤有机质含量已不是影响作物增产的主要因素,作物产量的提高还受品种、气候、养分投入、病虫害等因素的影响。华北地区壤质潮土有机碳水平为4.06～12.7 g/kg(平均值为8.12 g/kg)[29],低于本研究所指出的9.04～9.47 g/kg的稳产范围。

3.2 华北壤质潮土有机碳提升和维持有机碳水平的外源有机物料施用量

在本研究条件下,由于长期定位试验仅设计了小麦秸秆还田,并没有涉及玉米秸秆还田情况,因此总体来看秸秆还田量不足仍然是限制土壤有机碳增长速率的关键因素。魏猛等[30]对潮土定位试验的分析表明,固碳效率与累积碳投入量有线性加平台的关系,在累积碳投入小于83 t/hm2时土壤固碳效率为18.3%,大于83 t/hm2时固碳效率下降为11.5%。；而张雅蓉等[31]对贵州黄壤的研究则发现土壤累积碳投入量的拐点为54.3 t/hm2,小于此值时固碳效率高达26.6%,此后仅为1.72%。产生拐点的原因很可能与土壤有机碳的“碳饱和”有关[32-33]。在本研究条件下,由于仅有小麦秸秆还田,其还田量相对较少,因此远未达到此“拐点”。赵雅雯等[34]利用Roth-C模型分析的土壤新生成SOC的组成中,小麦根系的固碳效率(15.5%～17.5%)大于玉米根系和玉米秸秆的固碳效率(10.8%～11.4%),小麦根系对新形成SOC的贡献率(50%～71%)大于玉米根系和玉米秸秆对新形成SOC贡献率(22%～40%)。对河北潮土来说,小麦玉米秸秆、根系残茬等的碳转化效率与河南潮土区应该有一定的相似性,今后应该重点对小麦玉米秸秆还田条件下的农田土壤SOC的转化效果进行深入的评价。

秸秆还田与平衡施肥均可增加土壤有机碳含量,NP、NPK、NPS、NPKS有机碳增加速率分别为0.06,0.17,0.25,0.34 g/(kg·a)；有机碳储量的固定速率分别为0.10,0.28,0.27,0.40 t/(hm2·a)；华北潮土进行22 a试验后,小麦秸秆与残茬的固碳效率为9.1%；华北潮土农田小麦和玉米生产有机碳稳产阈值为分别为9.47,9.04 g/kg,在未达到阈值前有机碳含量每增加1 g/kg,小麦与玉米产量分别增加167.5,678.5 g/kg。

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