全 文 ：第 35 卷第 5 期
2015年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.5
Mar.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(41371250); 湖南省研究生科研创新项目(CX2012B287)
收稿日期:2013鄄10鄄24; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄07鄄14
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: lcyin0418@ sohu.com
DOI: 10.5846 / stxb201310282596
张蕾, 尹力初, 易亚男, 高德才, 付薇薇, 王泽浩.改变施肥管理后不同肥力稻田土壤 CO2 排放特征.生态学报,2015,35(5):1399鄄1406.
Zhang L, Yin L C, Yi Y N, Gao D C, Fu W W, Wang Z H.Effects of fertilization reforming on the CO2 flux in paddy soils with different fertilities.Acta
Ecologica Sinica,2015,35(5):1399鄄1406.
改变施肥管理后不同肥力稻田土壤 CO2 排放特征
张摇 蕾, 尹力初*, 易亚男, 高德才, 付薇薇, 王泽浩
湖南农业大学资源环境学院, 长沙摇 410128
摘要:利用一个长达 30a水稻土长期定位试验,在保证原有定位试验继续正常开展的前提下,将原化肥处理改施有机肥,原有机
肥处理改施化肥或者增施有机肥。 通过观测田间试验 2012—2013年双季稻轮作周期内不同肥力水平稻田土壤施肥管理改变
后的土体 CO2 排放通量(FCO2),研究不同后续施肥管理对不同肥力红壤性水稻土 CO2 排放的影响。 结果表明:变更施肥能明
显改变 CO2 排放动态变化,其中长期施用有机肥处理改施化肥后其 FCO2明显减小,长期施用化肥或有机肥处理增施有机肥后
其 FCO2显著增大。 有机肥和土壤有机碳均可促进土体 CO2 排放,有机肥处理有机物料碳添加量与 CO2 鄄C年排放量呈极显著的
正相关关系( r= 0.9015**,n= 21),单施化肥处理土壤有机碳含量与土体 CO2 鄄C 年排放量符合线性方程: y = 10.962x-68.86
(R2 = 0郾 7507,n= 9,P<0.01)。 长期施用有机肥土壤改施化肥会导致其有机碳矿化损失,土壤有机碳含量越高,矿化损失量越
多,最终其有机碳水平将与长期施用化肥的土壤有机碳平衡值一致;长期施用化肥或有机肥土壤改施或增施有机肥可促进土壤
有机碳积累,外源添加碳越多,土壤积累碳越多;相同有机肥施用量下土壤有机碳含量越高,有机物料表观分解率越大,积累于
土壤中的有机碳越少,不同有机碳水平土壤在相同有机肥管理下其有机碳最终会达到相同的平衡值。 在有机碳水平较低
(<20.46 g / kg)红壤稻田上增施有机肥是提升已培肥水稻土有机碳含量的可持续发展措施,而在有机碳水平较高(>14.45 g / kg)
红壤稻田上应避免改施化肥。 总之,在有机碳含量较高或者较低的中国南方红壤性水稻土上,持续的有机肥施用是保持或者提
高其有机碳水平的必要措施。
关键词:水稻土; 变更施肥; CO2 排放; 有机碳
Effects of fertilization reforming on the CO2 flux in paddy soils with different
fertilities
ZHANG Lei, YIN Lichu*, YI Yanan, GAO Decai, FU Weiwei, WANG Zehao
College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
Abstract: Paddy soils show significant potential of carbon sequestration. The soil organic carbon ( SOC) content of red
paddy soils have been reported to be steady after 30 years忆 cultivation and it varies with different fertilization practice. In
this study, three red paddy soils, which cultivated under different organic fertilization treatments in a 30 years fertilizer
experiment in Changsha, China, was adjusted to the following seven treatments without compromising the original
experiment: the original high organic fertilization treatment(HOM), the high organic fertilization treatment changed from
the original normal organic fertilization treatment(N鄄H), the original normal organic fertilization treatment(NOM), the
normal organic fertilization treatment changed from chemical fertilization ( C鄄N), the chemical fertilization treatment
changed from high organic fertilization treatment(H鄄C), the chemical fertilization treatment changed from normal organic
fertilization treatment( N鄄C), the original chemical fertilization treatment ( CF). CO2 flux of the three original and four
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changed treatments was measured to study the effects of the following鄄up fertilization reforming on the CO2 flux in red paddy
soils with different fertilities in 2012—2013. The results clearly showed that the following鄄up changing of fertilization had
obvious impacts on the dynamics of CO2 flux. The CO2 flux in the soils under long鄄term organic fertilization treatments
decreased after the adjustment from organic fertilization to chemical fertilization. However, the CO2 flux in the soils under
long鄄term chemical fertilization treatments increased remarkably after the adjustment from chemical fertilization to organic
fertilization. The results also indicated that both organic fertilizer and soil organic carbon (SOC) had important impacts on
CO2 flux. The amount of organic carbon inputted by organic fertilizers had a significantly positive relationship with the total
amount of annual CO2鄄C flux ( r = 0.9015
**,n = 21), and the inherent SOC content (x) also had a positive relationship
with the total amount of annual CO2鄄C ( y) ( y = 10.962x-68.86, R
2 = 0.7507, n = 9, P<0.01) in the paddy soils
received chemical in 2012. The fertilization reforming from organic fertilization to chemical fertilization would lead to the loss
of SOC in paddy soils due to its mineralization, and the SOC loss increased with the rising of inherent SOC content. The
SOC content in the paddy soils under long鄄term organic fertilization would be consistent with that in the paddy soils under
long鄄term chemical fertilization after the fertilization reforming from organic to chemical fertilization for a certain time. The
fertilization reforming from chemical to organic fertilization, or from low organic to high organic fertilization would lead to the
SOC accumulation in paddy soils, and the accumulating rate of SOC had a positive relationship with the amount of the
inputted organic material. Under same organic fertilization treatment, the apparent decomposition rate of organic material
applied in the soils with high SOC content was larger than that in the soils with low SOC content, which would result in
lower SOC accumulation. So, the paddy soils with different SOC content would have the same SOC level when they received
same organic fertilization management for a certain time. As a conclusion, the sustained organic fertilization in red paddy
soils with high or low SOC content is essential to maintain or improve the soil organic carbon content in Southern China.
Key Words: paddy soil; fertilization reforming; CO2 flux; soil organic carbon
近年来,温室气体的不断增加导致全球气候持续变暖和环境恶化,其中最重要的温室气体是 CO2,农业土
壤是大气 CO2 主要来源之一,因此增加土壤碳储量和减少土壤 CO2 排放对减缓全球温室效应极其重要[1鄄2]。
CO2 是土壤碳排放的主要形式之一,土壤碳排放与土壤有机碳动态变化密切相关,测定土壤 CO2 排放通量的
年际变化是估测农田土壤截获碳的方法之一[3]。 目前,水稻土特有的水耕熟化过程使其有机碳容量明显大
于其他农用土壤,其巨大固碳潜力已得到科学界的一致认可[4鄄6]。 中国南方红壤性水稻土固碳速率较其他类
型水稻土高,良好施肥下的饱和固碳量以富氧化铁的红壤性水稻土最高[7]。 因此,研究中国南方红壤性水稻
土的 CO2 排放规律并估测其有机碳动态变化对明确水稻土的固碳减排功能和缓解温室效应功能具有重要
意义。
在影响土壤 CO2 排放的众因素中,施肥作为一种强烈的田间管理措施,能显著地影响稻田土壤 CO2 排
放。 众多研究表明,有机肥及有机无机配施能显著地增加 CO2 的排放[8鄄9],而单施化肥对 CO2 排放无影
响[10鄄12]或有增强作用[9]均有报道。 大量文献资料表明,有机无机配施是促进土壤固碳的适宜措施[13鄄15], 有
机肥直接促进水稻土有机碳增长[16],无机肥则通过促进作物生长和增加作物输入碳(主要包括根系和根际分
泌物)间接增加土壤有机碳[17]。 目前,有关施肥影响南方红壤性水稻土 CO2 排放通量的报道多利用长期定
位试验,以比较红壤性水稻土在培肥过程中 CO2 排放通量对不同施肥措施的响应,从而估测土壤有机碳的动
态变化。 据李忠佩等[18]研究表明,红壤稻田水耕利用 30a 之后其有机碳含量达到平衡,土壤基本培肥,不同
施肥措施培肥的土壤有机碳含量及土壤肥力不同。 而对于已培肥红壤性水稻土在不同后续施肥措施下的
CO2 排放规律及有机碳变化则鲜有涉及。 因此本试验利用一个已有 30a 历史的红壤性水稻土土壤肥力长期
定位试验,在保证原有定位试验继续开展的前提下,变更原有 3种施肥处理部分平行的施肥,测定原施肥处理
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和改施肥处理在一个双季稻轮作周期内的 CO2 排放通量,研究不同后续施肥管理下不同肥力红壤性水稻土
CO2 排放的变化规律,揭示已培肥红壤性水稻土变更施肥后其有机碳的变化规律,为估测已培肥红壤性水稻
土在不同后续施肥下土壤有机碳的变化动态提供科学依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 长期定位试验及其变更
该定位试验位于湖南农业大学校园内,四周及顶部围有永久性不锈钢围网,占地面积 128 m2,由 3组双排
平行的水泥池组成,半地下式,每排设 6个小区,相邻小区之间水泥间隔厚 20 cm,共计 36 个小区。 组内中间
设有水槽控制水位,组间及四周设有 2 m深的排水沟。 各小区供试面积 1.44 m2,池深 1.5 m,底层铺 15 cm厚
的卵石与粗砂。 供试土壤为第四纪红色粘土发育的水稻土(定位试验开始前一年把耕性红壤分层填入,然后
淹水种稻)。 试验从 1982年春季开始淹水种稻连续进行至今。 研究前 10a 曾设置了稻鄄稻鄄冬闲、稻鄄稻鄄绿肥、
稻鄄稻鄄油菜等 3种稻作制处理,但由于冬季不施肥,油菜很难生长,从 1993 年起稻作制统一变更为稻鄄稻鄄冬
闲。 该定位试验设置 2个地下水位深度(20与 80 cm)以及 3个不同有机肥施用水平(高量有机肥、常量有机
肥、单施化肥)作为试验处理,设立 2因素多水平的长期定位试验,共 6个处理。 各个处理的重复数并不一致,
其中 20 cm地下水位下的常量有机肥处理有 12次重复,而 80 cm 地下水位下的化肥处理及高量有机肥处理
只有 3次重复,其余处理都有 6次重复。
本研究选择 20 cm 地下水位下的 3 个不同有机肥施用水平处理(高量有机肥(HOM)、常量有机肥
(NOM)、全施化肥(CF))作为试验处理,其中 NOM 有 12 次重复,HOM 和 CF 都有 6 次重复。 在本试验开展
前从 “常量有机肥处理冶和“高量有机肥处理冶各随机选取 3 个小区,然后统一变更为“化肥处理冶,得到常改
化处理(N鄄C)和高改化处理(H鄄C);同时从“常量有机肥处理冶中随机选取 3 个小区变更为“高量有机肥处
理冶,得到常改高处理(N鄄H);从“化肥处理冶中随机选择 3个小区变更为“常量有机肥处理冶,得到化改常处理
(C鄄N)。 利用新增加的 4个处理(N鄄C,H鄄C,C鄄N,N鄄H)和原有的 3个处理(CF、NOM、HOM),以开展本试验所
设计的研究内容。
以化肥处理施肥水平为标准,其施肥量为:每季施 N 150 kg / hm2,N 颐P 颐K = 1颐0.5颐0.67, 无机 N、P、K 肥分
别以尿素、氯化钾、过磷酸钙施入,有机肥源为粉碎过后的玉米秸秆;其中,常量有机 N为化肥 N 的 1 / 3,高量
有机 N为化肥 N的 2 / 3。 为保持各处理间施肥水平的基本一致,有机肥处理小区肥料不足部分用化肥补足。
肥料均在水稻移栽前一次性施入土壤。 2012年 3月采集供试小区耕作层土壤(0—15 cm),风干后过 20 目和
100目筛测定其基本理化性质指标,变更施肥前 HOM、NOM、CF 的土壤有机碳含量及 N、P、K 含量见表 1。 3
种施肥处理肥力水平高低顺序为:HOM >NOM>CF。 较高生产力水平下红壤稻田有机碳平衡值为(19依1)
g / kg[19],由此可判断供试 HOM、NOM水稻土有机碳基本达到较高生产力水平下的平衡值,而 CF有机碳未达
到较高生产力水平下的平衡值,处于不饱和状态。
表 1摇 供试土壤 NPK含量及有机碳含量
Table 1摇 The amount of nitrogen, phosphorus, potassium and organic carbon in different fertilization treatments
处理
Treatments
有机碳含量
Soil organic
carbon /
(g / kg)
pH
全氮
Total N /
(g / kg)
全磷
Total P /
(g / kg)
全钾
Total K /
(g / kg)
速效氮
Available N /
(mg / kg)
速效磷
Available P /
(mg / kg)
速效钾
Exchangeable K /
(mg / kg)
高量有机肥(HOM) 20.46 5.51 1.39 1.31 12.50 22.3 12.4 91.3
常量有机肥(NOM) 18.67 5.33 1.57 1.32 12.49 17.9 9.2 79.0
化肥(CF) 14.45 5.58 1.70 1.29 12.47 12.8 6.8 60.5
摇 摇 HOM:高量有机肥处理 High organic fertilization treatment;NOM:常量有机肥处理 Normal organic fertilization treatment;CF:化肥处理 Chemical
fertilization treatment
1041摇 5期 摇 摇 摇 张蕾摇 等:改变施肥管理后不同肥力稻田土壤 CO2 排放特征 摇
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1.2摇 CO2 样品的采集、测定与计算
采用静态箱法采集 CO2 气体样品,在翻耕土壤并施肥后,于每季水稻移栽前安置 PVC 采样箱,采样箱中
不种植水稻。 其中顶箱体积为 30 cm伊30 cm伊10 cm,外面覆有泡沫绝热材料(用来防止箱内温度上升过快,造
成与设施内自然环境不符的小环境);底座高 20 cm,插入犁底层以阻止水稻根系进入采样箱区域的土壤。 水
稻移栽后开始采集气样,在代表土壤日平均 CO2 排放通量的 9:00—10:00点之间采集气样[20],每隔 7d采集 1
次样品,如遇不适天气则适当调整采样时间间隔。 采样时,首先测定每个小区采气底座区域的水层高度,再将
采样箱置于采样底座上,并用水密封,然后按 0、10、20和 30 min的时间间隔用 50 mL注射器从采气箱中部的
采气孔插入,来回抽动 3次完全混匀气体后采集气体,同时测定 5 cm 处的土温。 气体采集后立即带回实验
室,使用气相色谱分析仪(GC7900)测定样品中 CO2 浓度,检测器为 FID,柱温 200 益,检测温度 360 益,以 N2
作为载气,H2作为燃气,通过标准气体和待测气体的峰面积来计算待测气体的浓度,然后计算 CO2 排放速率,
CO2 通量计算公式为:
F= 籽 伊 V / A伊驻C / 驻t伊273 / (273+T)
式中,F为排放通量(mg C m-2 h-1);p为标准状态下 CO2鄄C的密度,籽= 0.536 kg / m3;V为采气箱内有效空间体
积(m3);A为采气箱覆盖的土壤面积(m2);驻C为气体浓度差;驻t为时间间隔(h);T为采样时箱内温度(益)。
CO2鄄C累积排放量计算公式为:
M=移(F i+1+F i) / 2伊( ti +1-ti)伊24
式中,M为土壤 CO2鄄C累积呼吸量(mg C / m2);F 为 CO2 排放通量(mg C m
-2 h-1),i 为采样次数,t 为采样
时间。
1.3摇 数据分析
采用 Microsoft Excel for Windows 2007绘制 CO2 排放季节变化动态图。 有机物料的表观分解率定义为土
壤 CO2鄄C年累积排放量占有机物料添加碳的百分比。 以施肥为因素,采用单因素方差分析方法,检验不同施
肥对土壤有机碳、各时期 CO2 年累积排放量的影响程度和不同土壤有机碳水平对有机物料表观分解率的影
响程度,采用多重比较法(LSD,P<0.05)比较不同施肥处理之间土壤有机碳、各时期 CO2 年累积排放量、有机
物料表观分解率差异的显著性。 以土壤有机碳含量和 CO2 年累积排放量为指标,采用回归分析方法检验 CO2
排放量与有机碳含量的关系;以有机物料碳添加量与 CO2 年累积排放量为指标,采用相关分析方法检验有机
物料碳添加量与 CO2鄄C年排放量的关系。
2摇 结果
2.1摇 CO2 排放特征
2.1.1摇 CO2 排放动态变化
不同施肥处理下土体 CO2鄄C排放通量(FCO2鄄C)具有明显的季节变化,化肥与有机肥处理下的季节变化略
有差异(图 1),化肥处理(CF、N鄄C、H鄄C)下土体 FCO2鄄C的变幅较小,而有机肥处理(C鄄N、NOM、N鄄H、HOM)下土
体 FCO2鄄C的变幅相对较大。 早、晚稻淹水生长期间,化肥处理下土体 FCO2鄄C主要随气温的变化而改变,而有机肥
处理下土体 FCO2鄄C随有机肥施用时间的延长而减弱。 无论在化肥或有机肥处理下,土体 FCO2鄄C在早、晚稻成熟
烤田期都显著增加。 休闲期各施肥处理下土体 FCO2鄄C均相对较小,其随气温的降低而逐渐减小,且在气温最低
时(1 益)达到最小值(0.005 mgC m-2 h-1)。 各施肥处理(CF、N鄄C、H鄄C、C鄄N、NOM、N鄄H、HOM)的 FCO2鄄C均在早
稻烤田期达到峰值,分别为 162.38、281.08、395.78、303.42、337.78、426.34、489郾 19 mgC m-2 h-1。 整个观测时
期,化肥处理的 FCO2鄄C显著小于有机肥处理,常量有机肥处理(C鄄N、NOM)的 FCO2鄄C明显小于高量有机肥处理
(N鄄H、HOM),且增施有机肥处理 C鄄N、N鄄H的 FCO2鄄C分别显著大于 CF、NOM,改施化肥处理N鄄C、H鄄C 的 FCO2鄄C
分别明显小于 NOM、HOM。
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图 1摇 不同施肥处理水稻土 CO2 排放通量动态变化
Fig.1摇 Dynamics of CO2 flux in different fertilization treatments
CF:化肥处理 Chemical fertilization treatment;NOM:常量有机肥处理 Normal organic fertilization treatment;HOM:高量有机肥处理 High organic
fertilization treatment;N鄄C:常量有机肥改施化肥处理 Chemical fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment;H鄄
C:高量有机肥改施化肥处理 Chemical fertilization treatment changed from original high organic fertilization treatment;C鄄N:化肥改施常量有机肥处
理 Normal organic fertilization treatment changed from chemical fertilization treatment; N鄄H:常量有机肥改施高量有机肥处理 High organic
fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment
2.1.2摇 各时期 CO2鄄C累积排放量
在早稻、晚稻生长期和休闲期各施肥处理 CO2鄄C累积排放量(移CO2鄄C)大小均为:HOM> N鄄H> NOM> C鄄
N> H鄄C> N鄄C> CF,其中在早、晚稻生长期间,各处理移CO2鄄C差异较大,有机肥处理移CO2鄄C远远大于化肥处
理;而在休闲期,有机肥处理的移CO2鄄C降幅较大,各处理移CO2鄄C差异变小(图 2)。 各施肥处理年移CO2鄄C大
小分别为:HOM(522.31 g / m2)>N鄄H(411.32 g / m2)>NOM(260.01 g / m2)>C鄄N(216.17 g / m2)>H鄄C(149郾 06 g /
m2)>N鄄C(113.32 g / m2)>CF(83.20 g / m2) (图 2)。 统计与分析结果表明,各时期增施有机肥处理 C鄄N、N鄄H的
移CO2鄄C分别极显著大于 CF、NOM(P<0.01),改施化肥处理N鄄C、H鄄C 的移CO2鄄C分别明显小于 NOM、HOM
(P<0郾 01)。
图 2摇 不同时期各施肥处理水稻土 CO2 累积排放量
Fig.2摇 The cumulative CO2 flux of different fertilization treatments during different periods
小写字母表示不同施肥处理间 CO2 鄄C累积排放量在 P<0.05水平有差异
3041摇 5期 摇 摇 摇 张蕾摇 等:改变施肥管理后不同肥力稻田土壤 CO2 排放特征 摇
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2.2摇 土壤有机碳和外源添加碳对 CO2鄄C年排放量的影响
2.2.1摇 土壤有机碳对 CO2鄄C年排放量的影响
摇 图 3摇 化肥处理土壤固有有机碳含量与 CO2 鄄C 年排放量之间的
关系
Fig.3摇 Relationships between the inherent SOC content and the
total amount of annual CO2 鄄C in the paddy soils received
chemical fertilization
各处理年移CO2鄄C大小关系为:H鄄C > N鄄C > CF,
NOM> C鄄N,HOM> N鄄H,表明当施肥相同时,土壤固有
有机碳含量高者的土体年移CO2鄄C较大。 化肥处理中,
CF与 H鄄C 的年移CO2鄄C差异达到极显著水平 ( P <
0郾 01),而 N鄄C与 CF 和 H鄄C 的年移CO2鄄C差异均不显
著,N鄄C和 H鄄C 比 CF 平均每年分别多分解释放出
30郾 12和65郾 86 gCO2鄄C / m2。 CF、N鄄C、H鄄C的年移CO2鄄C
占其土壤有机碳储量(0—15 cm耕作层)的比例分别为
3郾 06%、3郾 80%、4郾 39%,三者之间差异显著(P<0郾 05),
说明化肥处理下土壤有机碳含量越高处理的有机碳矿
化速率越大。 由 CF、N鄄C、H鄄C 土壤有机碳含量和年
移CO2鄄C可拟合出单施化肥水稻土的土壤固有有机碳
含量(x)和土体 CO2鄄C 年排放量( y)之间满足线性方
程:y= 10郾 962x-68郾 86(R2 = 0郾 7507,n = 9,P<0郾 01) (图
3)。
有机肥处理中,NOM、HOM分别比 C鄄N、N鄄H多释放 43.84 gCO2鄄C / m2和 110.99 gCO2鄄C / m2,且差异均达到
显著关系(P<0.05),C鄄N、NOM、N鄄H、HOM 的年移CO2鄄C占其土壤有机碳储量的比例分别为 7.47%、7.79%、
10郾 84%、14.46%,C鄄N与 NOM以及N鄄H与 HOM之间的年移CO2鄄C占其土壤有机碳储量的比例差异不显著,说
明有机肥处理下土壤有机碳含量对其 CO2鄄C排放量有一定的促进,但效果不显著。
2.2.2摇 外源添加碳对 CO2鄄C年排放量的影响
统计分析结果表明高量有机肥处理(N鄄H、HOM)土体年移CO2鄄C极显著(P<0.01)高于常量有机肥处理
(C鄄N、NOM),二者又均极显著高于化肥处理(CF、N鄄C、H鄄C)(P<0.01),有机物料碳添加量与年移CO2鄄C)呈
极显著的正相关关系( r= 0.9015**,n= 21),表明随着有机物料添加量的增加,土体年移CO2鄄C逐渐增大。
2.3摇 土壤有机碳对外源添加碳表观分解率的影响
常量有机肥处理中,C鄄N 年移CO2鄄C显著小于 NOM(P<0.05),C鄄N 每年平均比 NOM 少释放 43.84 gCO2鄄
C / m2;高量有机肥处理中,HOM的年移CO2鄄C极显著大于N鄄H(P<0.01),N鄄H平均每年比 HOM 少分解释放出
110郾 99 g / m2的 CO2鄄C。 从表观上看,有机肥处理排放的 CO2鄄C均由有机物料碳分解释放,各有机肥处理释放
的 CO2鄄C占有机物料添加碳的比例可视为有机物料的表观分解率。 由表 2 可知,C鄄N 和N鄄H(土壤有机碳含
量低)的有机物料表观分解率分别显著小于 NOM和 HOM(土壤有机碳含量高)。
表 2摇 CO2 鄄C年累积排放量占外源添加碳的比例
Table 2摇 Percentages of the total amount of annual CO2 鄄C accounting for exogenous addition carbon
处理
Treatments
外源添加碳量 / g
Exogenous addition carbon
移CO2 鄄C /外源添加碳 / %
移CO2 鄄C / Exogenous addition carbon
C鄄N 431.1 50.14依1.82b
NOM 431.1 60.31依5.95a
N鄄H 862.2 47.71依3.69b
HOM 862.2 60.58依5.22a
摇 摇 N鄄C:常量有机肥改施化肥处理 Chemical fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment;H鄄C:高量有机肥改施化
肥处理 Chemical fertilization treatment changed from original high organic fertilization treatment; C鄄N:化肥改施常量有机肥处理 Normal organic
fertilization treatment changed from chemical fertilization treatment;N鄄H:常量有机肥改施高量有机肥处理 High organic fertilization treatment changed
from original normal organic fertilization treatment; 同一列数据后标识小写字母表示差异显著(P<0.05)
4041 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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3摇 讨论
淹水植稻期间,化肥处理 FCO2与温度变化一致,但有机肥处理 FCO2受温度的影响相对较小,其在施肥后明
显增加,并随时间的延长而逐渐减小;烤田期排水落干致使各施肥处理 FCO2均明显增大,休闲期各处理 FCO2变
化主要受气温影响,与温度变化基本同步(图 1)。 因此,施肥和水热因子综合影响 CO2 排放动态变化,且在整
个观测时期,增施有机肥处理 FCO2鄄C显著增大,改施化肥处理 FCO2鄄C显著减小,表明变更施肥能明显影响 FCO2动
态变化。 不同观测期间 CO2 累积排放量大小均表现为:高量有机肥处理(HOM>N鄄H) >常量有机肥处理
(NOM >C鄄N)>化肥处理(H鄄C>N鄄C>CF),这一结果表明有机肥能显著增强土体呼吸,与前人研究结果一
致[7鄄8,21],有机物料碳添加量与年移CO2鄄C之间呈极显著正相关关系( r = 0.9015**,n = 21);该结果还说明在相
同施肥条件下,有机碳含量越高的水稻土排放 CO2 越多,由此证明土壤有机碳是影响土壤呼吸的关键因素,
张东秋等[22]、李海防等[23]和李长生等[24]也得出相似结论。
供试 CF、N鄄C、H鄄C(施用等量化肥而土壤固有有机碳不同)的 CO2 年排放量随有机碳含量的增加而增加
(图 2),表明土壤有机碳含量越高,矿化分解为 CO2 的底物越充足,CO2 排放越大,土壤有机碳矿化损失越多。
在单施化肥水稻土上以 CO2鄄C形式损失的有机碳量可根据土壤固有有机碳含量(x)和土体年移CO2鄄C(y)之
间的线性方程:y= 10.962x-68.86(R2 = 0.7507,n= 9)进行估算;同时这也表明,长期施用有机肥的已培肥水稻
土改用单一化肥后,其已有的有机碳平衡被破坏,前期施用有机肥积累的土壤有机碳将分解损失,最终将与长
期单一施用化肥的土壤有机碳水平一致。 以 CF、N鄄C、H鄄C 3 个施肥处理年移CO2鄄C差值为基础,在不考虑
CH4鄄C的前提下,长期施用常量有机肥和高量有机肥的水稻土改施化肥后,其 15 cm 耕层土壤有机碳分别大
概需要 25a和 16a达到长期施用化肥水稻土的有机碳水平(14.45 g / kg)。 但实际上,该时间的估测并不精确,
因为稻田是 CH4的重要排放源[25],并且土壤有机碳的积累速度会逐年减小[18]。
C鄄N、N鄄H(固有土壤有机碳含量相对较低)分别比 NOM、HOM(固有土壤有机碳含量相对较高)少释放
43.84 gCO2鄄C / m2和 110.99 gCO2鄄C / m2,这一结果清楚地表明,在有机碳含量相对较低的水稻土上改施或增施
有机肥会促进一部分有机物料碳积累于水稻土中,且有机物料碳施用量越多,积累于水稻土中的碳越多,陈义
等[26]和 Li等[27]均得出相似结论。 因此,在有机碳含量较低的已培肥水稻土上增施有机肥会打破原有有机碳
平衡,使土壤有机碳容量扩大。 CF和 NOM改施或增施有机肥后,其原有有机碳平衡遭到破坏,有机碳容量扩
大,促进一部分有机物料碳累积于土壤中,以致 C鄄N 和N鄄H的有机物料表观分解率分别显著小于 NOM 和
HOM的有机物料碳表观分解率(表 2)。 由此可见,等量有机物料施用于有机碳水平不等的水稻土上,土壤有
机碳含量越高,有机物料表观分解率越大,土壤有机碳的进一步积累越困难。 进而说明土壤有机碳含量不同
的水稻土在相同的有机肥管理下,其土壤有机碳将达到相同的平衡水平。 假定供试常量和高量有机肥处理土
壤有机碳已经达到相应的平衡水平,以 C鄄N、NOM和N鄄H、HOM两组处理 CO2鄄C年累积排放量差值为基础,在
不考虑 CH4鄄C的前提下,长期施用化肥的处理改为常量有机肥和高量有机肥后,分别需要 17a和 3a可达到平
衡有机碳含量(18.67 g / kg和 20.46 g / kg)。
在土壤有机碳含量高于已培肥化肥水稻土有机碳平衡值(14.45 g / kg)的水稻土上单施化肥会导致土壤
有机碳的损失,在土壤有机碳含量低于高生产力土壤有机碳平衡值(20.46 g / kg)的水稻土上增施有机肥能促
进水稻土碳积累。 由此可以看出,增施有机肥是提升土壤有机碳(未达到高生产力土壤有机碳平衡值)的适
宜后续施肥措施,在已培肥的水稻土上减少其有机肥施用量或者完全改施化肥都将导致其土壤有机碳的损
失。 因此,在已培肥红壤水稻土上施用有机肥而避免施用化肥的意义不仅在于促进土壤有机碳增长,而且还
在于保持土壤已有有机碳水平。
4摇 结论
变更施肥能明显改变 CO2 排放动态变化,有机肥和土壤有机碳均能促进红壤性水稻土土体 CO2 排放。
5041摇 5期 摇 摇 摇 张蕾摇 等:改变施肥管理后不同肥力稻田土壤 CO2 排放特征 摇
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长期施用有机肥的红壤性水稻土改施化肥后其前期施用有机肥积累的土壤有机碳将分解损失,最终与长期单
一施用化肥的土壤有机碳水平相一致。 长期施用化肥(有机肥)的红壤性水稻土上改施(增施)有机肥能促进
其有机碳的积累,有机碳水平不同的水稻土在相同有机肥管理下,其土壤有机碳水平最终会达到相同的新平
衡。 增施有机肥是提升红壤稻田土壤固碳功能的可持续发展措施,避免有机肥改施化肥是防止红壤稻田土壤
有机碳损失的有效途径。
参考文献(References):
[ 1 ]摇 Rastogi M, Singh S, Pathak H. Emission of carbon dioxide from soil. Current Science, 2002, 82(5): 510鄄517.
[ 2 ] 摇 Guo L P, Lin E D. Carbon sink in cropland soils and the emission of greenhouse gases from paddy soils: a review of work in China. Chemosphere
Global Change Science, 2001, 3(4): 413鄄418.
[ 3 ] 摇 雷宏军, 李保国, 白由路, 黄元仿, 李江科. 黄淮海平原区不同农作措施下耕层土壤有机质矿化与 CO2 排放估算. 中国农业科学, 2005,
38(10): 2035鄄2042.
[ 4 ] 摇 Wissing L, K觟lbl A, Vogelsang V, Fu J R, Cao Z H, K觟gel鄄Knabner I. Organic carbon accumulation in a 2000鄄year chronosequence of paddy soil
evolution. Catena, 2011, 87(3): 376鄄385.
[ 5 ] 摇 Wang S Q, Yu G R, Zhao Q J, Nui D, Chen Q M, Wu Z F. Spatial characteristics of soil organic carbon storage in China忆s croplands. Pedosphere,
2005, 15(4): 417鄄423.
[ 6 ] 摇 潘根兴, 李恋卿, 郑聚锋, 张旭辉, 周萍. 土壤碳循环研究及中国稻田土壤固碳研究的进展与问题. 土壤学报, 2008, 45(5): 901鄄914.
[ 7 ] 摇 周萍, 潘根兴, 李恋卿, 张旭辉. 南方典型水稻土长期试验下有机碳积累机制 V.碳输入与土壤碳固定. 中国农业科学, 2009, 42(12):
4260鄄4268.
[ 8 ] 摇 Iqbal J, Hu R G, Lin S, Hatano R, Feng M L, Lu L, Ahamadou B, Du L J. CO2 emission in a subtropical red paddy soil (Ultisol) as affected by
straw and N鄄fertilizer applications: A case study in Southern China. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2009, 131(3 / 4): 292鄄302.
[ 9 ] 摇 张旭博, 徐明岗, 张文菊, 林昌虎, 段英华, 蔡泽江, 张崇玉. 添加有机物料后红壤 CO2 释放特征与微生物生物量动态. 中国农业科学,
2011, 44(24): 5013鄄5020.
[10] 摇 武文明, 杨光明, 沙丽清. 西双版纳地区稻田 CO2 排放通量.生态学报, 2009, 29(9): 4983鄄4992.
[11] 摇 Li C F, Kou Z K, Yang J H, Cai M L, Wang J P, Cao C G. Soil CO2 fluxes from direct seeding rice fields under two tillage practices in central
China. Atmospheric Environment, 2010, 44(23): 2696鄄2704.
[12] 摇 Ahmad S, Li C F, Dai G Z, Zhan M, Wang J P, Pan S G, Cao C G. Greenhouse gas emission from direct seeding paddy field under different rice
tillage systems in central China. Soil and Tillage Research, 2009, 106 (1): 54鄄61.
[13] 摇 潘根兴, 周萍, 张旭辉, 李恋卿, 郑聚锋, 邱多生, 储秋华.不同施肥对水稻土作物碳同化与土壤碳固定的影响—以太湖地区黄泥土肥料
长期试验为例. 生态学报, 2006, 26(11): 3704鄄3710.
[14] 摇 Cai Z C, Qin S W. Dynamics of crop yields and soil organic carbon in a long鄄term fertilization experiment in the Huang鄄Huai鄄Hai Plain of China.
Geoderma, 2006, 136(3 / 4): 708鄄715.
[15] 摇 Bhattacharyya P, Roy K S, Neogi S, Adhya T K, Rao K S, Manna M C. Effects of rice straw and nitrogen fertilization on greenhouse gas emissions
and carbon storage in tropical flooded soil planted with rice. Soil and Tillage Research, 2012, 124:119鄄130.
[16] 摇 Tong C L, Xiao H A, Tang G Y, Wang H Q, Huang T P, Xia H A, Keith S J, Li Y, Liu S L, Wu J S. Long鄄term fertilizer effects on organic
carbon and total nitrogen and coupling relationships of C and N in paddy soils in subtropical China. Soil and Tillage Research, 2009, 106(1):
8鄄14.
[17] 摇 Gong W, Yan X Y, Wang J Y. The effect of chemical fertilizer application on carbon input and export in soil A pot experiment with wheat using
natural 13C abundance method. Geoderma, 2012, 189鄄190: 170鄄175.
[18] 摇 李忠佩, 张桃林, 陈碧云, 尹瑞玲, 施亚琴. 红壤稻田土壤有机质的积累过程特征分析. 土壤学报, 2003, 40(3): 344鄄352.
[19] 摇 李忠佩, 吴大付. 红壤水稻土有机碳库的平衡值确定及固碳潜力分析. 土壤学报, 2006, 43(1): 46鄄52.
[20] 摇 汤洁, 韩源, 刘森, 李昭阳, 李娜, 张楠. 吉林西部不同土地利用方式下的生长季土壤 CO2 排放通量日变化及影响因素. 生态环境学报,
2012, 21(1): 33鄄37.
[21] 摇 强学彩, 袁红莉, 高旺盛. 秸秆还田量对土壤 CO2 释放和土壤微生物量的影响. 应用生态学报, 2004, 15 (3): 469鄄472.
[22] 摇 张东秋, 石培礼, 张宪洲. 土壤呼吸主要影响因素的研究进展. 地球科学进展, 2005, 20(7): 778鄄785.
[23] 摇 李海防, 夏汉平, 熊燕梅, 张杏锋. 土壤温室气体产生与排放影响因素研究进展. 生态环境, 2007, 16(6): 1781鄄1788.
[24] 摇 李长生, 肖向明, S. Frolking, B. Moore 芋, W. Salas, 邱建军, 张宇, 庄亚辉, 王效科, 戴昭华, 刘纪远, 秦小光, 廖柏寒, R. Sass. 中国
农田的温室气体排放. 第四纪研究, 2003, 23(5): 493鄄503.
[25] 摇 黄耀, 张稳, 郑循华, 韩圣慧, 于永强. 基于模型和 GIS技术的中国稻田甲烷排放估计. 生态学报, 2006, 26(4): 980鄄988.
[26] 摇 陈义, 吴春艳, 水建国,王家玉. 长期施用有机肥对水稻土 CO2 释放与固定的影响. 中国农业科学, 2005, 38(12): 2468鄄2473.
[27] 摇 Li Z P, Liu M, Wu X C, Han F X, Zhang T L. Effects of long鄄term chemical fertilization and organic amendments on dynamics of soil organic C
and total N in paddy soil derived from barren land in subtropical China. Soil and Tillage Research, 2010, 106(2):268鄄274.
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