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Effect of free air carbon-dioxide enrichment on soil available K
in rice-wheat rotation system

开放式空气CO2浓度升高对水稻/小麦轮作土壤速效钾的影响


采用FACE(Free air carbon dioxide enrichment)技术,研究了不同施N水平下,大气CO2浓度升高对水稻/小麦轮作土壤速效钾的影响。结果表明,相对于对照处理,在不同氮水平下CO2浓度升高使作物生物量增加,导致作物生长季对土壤钾的吸收增加,但并没有降低作物主要生长期土壤(0―5、5―15 cm土层)速效钾的含量;CO2浓度升高使土壤速效钾增加的幅度在作物根际达6.3%~22.3%,在行间达3.7%~11.2%,且土壤速效钾增加的幅度在小麦季大于水稻季。表明根系对土壤速效钾的影响很大,因此,短期内土壤钾含量不会成为限制因素而影响作物对高CO2浓度的响应,反而会增加土壤钾的有效性。但在土壤肥力较低的土壤上可能会产生消极影响。

The effect of elevated atmospheric CO2 on soil available K in paddy soil through FACE(Free air carbon dioxide enrichment)system was studied by comparing the contents of soil available K at different growth stages of the rice-wheat rotation system. The results show that compared to the ambient air treatment, K uptakes of the crops are increased by elevated CO2 due to significant increase of their biomass, while the contents of soil available K of both upper soil layer (0-5 cm) and lower soil layer (5-15 cm) are not decreased. The increase magnitudes of soil available K due to elevated CO2 are 6.3%–22.3% in root rhizosphere and 3.7%–11.2% between crops lines. The increment of soil available K around wheat roots is higher than that of rice. These results indicate that root increased by elevated CO2 is beneficial to soil available K for crops, and K is not a limited factor for response of crops to elevated CO2 in a short time. However, this phenomenon may have negative effects for soils with poor fertility.


全 文 :收稿日期:!""#$"%$!& 接受日期:!""#$"’$!(
基金项目:国家“)(%”项目(!""!*+(,&""%);中国科学院知识创新重要方向项目(-.*/%!01!&&");国家自然科学基金项目(&"’(,,’();福建省
青年科技人才创新项目(!""(2%"!");福建省教育厅 +类项目(3+"("(4)资助。
作者简介:马红亮(,)(#—),男,山西原平人,博士,讲师,主要从事土壤碳氮循环与调控方面的研究。
567:"’),$#%&#%(%,,89:;<7::=7)%4>,4%? @A:。! 通讯作者 89:;<7:BCD=E> 开放式空气 !"# 浓度升高对水稻 $小麦轮作
土壤速效钾的影响
马红亮,,朱建国!!,谢祖彬!,刘 钢!,曾 青!
(, 福建省亚热带资源与环境重点实验室,福建师范大学地理科学学院,福建福州 %’"""(;
! 土壤与农业可持续发展国家重点实验室,中国科学院南京土壤研究所,江苏南京 !,"""#)
摘要:采用 2I*8(2J66 ;作土壤速效钾的影响。结果表明,相对于对照处理,在不同氮水平下 *O!浓度升高使作物生物量增加,导致作物生
长季对土壤钾的吸收增加,但并没有降低作物主要生长期土壤("—’、’—,’ @:土层)速效钾的含量;*O! 浓度升高
使土壤速效钾增加的幅度在作物根际达 4?%Q!!!?%Q,在行间达 %?(Q!,,?!Q,且土壤速效钾增加的幅度在小
麦季大于水稻季。表明根系对土壤速效钾的影响很大,因此,短期内土壤钾含量不会成为限制因素而影响作物对
高 *O!浓度的响应,反而会增加土壤钾的有效性。但在土壤肥力较低的土壤上可能会产生消极影响。
关键词:*O!浓度升高;水稻土;水稻;小麦;速效钾
中图分类号:0,’%?4 文献标识码:I 文章编号:,""#$’"’/(!""))"%$"4"($"4
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人类活动使大量碳进入大气,促使大气中 *O!
浓度升高。这种趋势还在继续,已由工业革命前(大
约 ,(’"年)的 !#" ‘ ,"!V P V增长到 !""& 年的大约
%#"!V P V左右
[,]。目前,许多研究关注地上植物部
植物营养与肥料学报 !""),,’(%):4"($4,!
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
a7;HN XENJ分,诸如光合作用、蒸腾作用和生物量累积等[!"#],
大气 $%!浓度升高对土壤碳、氮、磷的影响也有报
道[#"&];而有关大气 $%!浓度升高对土壤钾(’)影响
的研究较少。在大气 $%! 浓度升高条件下,一方面
生物量显著增加,需要吸收更多的钾;另一方面,有
!()!*()的光合同化碳转移到地下区域[+",],为土
壤微生物增加了碳源和能量,提高生物活性,有利于
增加土壤中钾的有效性。所以,值得我们深入研究
土壤中发生的变化。
本试验利用 -.$/技术平台,在农田生态系统
的稻麦轮作中,研究大气 $%!浓度升高对水稻 0小麦
轮作土壤速效钾的影响,弥补以往在密闭或半开放
环境下研究的不足,为农田耕作和水肥管理提供科
学的参考依据。
! 材料与方法
!"! 研究地区概括
稻麦轮作 -.$/系统平台[1(]于 !((1 年 2 月至
!((3年 2月建于江苏省无锡市安镇镇年余农场(#14
#&56,1!(4!+5/),土壤类型为水耕人为土(俗称黄泥
土),年降水量 11((!1!(( 77,年平均温度约 128,
年日照时间大于 !((( 9,年无霜天数大于 !#( :,耕
作方式为水稻—冬小麦轮作。土壤的基本性质:砂
粒((;(*!1 77),! < 0 =<,粉砂粒((;((1!(;(* 77)
2*& < 0 =<,粘粒( > (;((1 77)!*1 < 0 =<,容重 1;!
< 0 ?7#,有机碳 1* < 0 =<,全氮 1;*, < 0 =<,全磷 1;!#
< 0 =<,速效磷 1(;3 7< 0 =<,@A 2;+。!((3 年 2 月至
!((*年 2月重建于江苏省江都市小纪镇(11,43!5 (55
/,#!4#*5*556),土壤有关基本性质为:砂粒(!!
(;(! 77)*&+ < 0 =<,粉砂粒((;(!!(;((! 77)!+* < 0
=<,粘粒( > (;((! 77)1#& < 0 =<,(—1* ?7土壤容重
1;12 < 0 ?7#,全碳 1+;3 < 0 =<,全氮 1;* < 0 =<,全磷 (;2
< 0 =<,速效磷 1(;! 7< 0 =<,@A &;,。
!"# 田间试验处理
无锡 -.$/试验采用裂区设计。$%! 浓度为主
处理,氮肥处理为副处理。在 -.$/圈(高 $%! 圈,
$%!浓度比对照大气升高 !((!B 0 B,-表示)和 .7C
DEFGH圈(对照圈,当前周围大气 $%! 浓度,.)内设 !
个氮水平,即:常规氮(水稻和小麦各施 6 !*(
=< 0 97!,66表示)和低氮(水稻施 6 1*( =< 0 97!,小
麦施 6 1!* =< 0 97!,B6 表示);I 水平均为 I!%* &*
=< 0 97!。水稻季用复合肥、尿素和磷酸氢二铵分 3
次施用,分别在水稻移栽前 1 :、移栽后 *、*1和 21 :
作为基肥、苗肥、拔节肥和穗肥施用;低氮和常规氮
处理第 1和第 #次施肥分别用复合肥 # 0 *和 ! 0 *,第
!次用 ! 0 # 尿素和磷酸氢二铵,第 3 次施尿素 1 0 #。
移栽行距为 !* 7,株距为 12;& 7,合 !3穴 0 7!。小麦
季用复合肥和尿素分 3次施用,分别在小麦播种后
*、!2、11*和 13+ :作为基肥、苗肥、拔节肥和穗肥施
用;低氮处理在第 1和第 #次分别施复合肥的 ! 0 #
和 1 0 #,第 !和第 3次各施尿素 1 0 !;常规 6处理在
第 1和第 #次分别施复合肥 ! 0 #和 1 0 #、尿素分别施
! 0&和 1 0 &,第 !和第 3次各施尿素 ! 0 &。播种行距
!( ?7,密度 #(( J 1(3 0 97!。
江都 -.$/ 田间试验采用裂区设计。水稻于
!((3年 *月 !(日播种,2月 13日人工移栽,行距为
!* ?7,株距为 12;& ?7,!3 穴 0 7!。施氮量设:低氮
(6 1!* =< 0 97!,B6)、常规氮(6 !*( =< 0 97!,66)!个
水平,施磷、钾肥均为 &( =< 0 97!。施氮时间和施氮
量:2 月 1# 日施基肥,2 月 1, 日施分蘖肥,& 月 #(
日施穗肥,其中基、蘖肥占总施氮量的 2(),穗肥占
总施氮量的 3();I(I!%*)、’(’!%)肥均作为基肥
施用。!((3!!((*年小麦试验,氮肥分低氮(6 11!;
* =< 0 97!,B6)和常规氮(6 !!* =< 0 97!,66),磷肥
(I!%*)和钾肥(’!%)施用量各 &* =< 0 97!。氮肥为尿
素,磷、钾肥为复混肥。磷、钾肥在小麦播种前 ! :
作基肥一次施入,氮肥分别按基肥、拔节肥(播种后
11# :)和孕穗肥(播种后 132 :)施用,施用量分别为
总量的 *()、1()和 3()。$%! 浓度处理设计同无
锡试验。
!"$ 土样采集与分析
无锡试验:水稻于 !((1年 2月 1#日进行移栽,
移栽后 !&、3,、&2和 1!# :采样,分别代表着分蘖期、
拔节期、抽穗期和成熟期。每次采 (—*、*—1* ?7
土样,约 1 =<,取土时,将一个不锈钢铝框插入土壤
1( ?7,把框内的水抽去,用铲子取表层土,再取低层
土。同一肥料处理的同一层土混合,挑出可见的有
机物质和石砾。小麦于 !((1 年 11 月 + 日播种,播
种后 1!+、1*!、1&1和 !(! :分别采样,分别代表着分
蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期。每次采 (—*、*—
1* ?7两层土样,约 1 =<。取土时,在小麦行间用铲
子取表层土,接着取低层土。同一肥料处理的同一
层土混合,挑出可见有机物质和石砾。每次取土后
土壤样品风干保存备用。
江都试验:!((3年 1(月水稻和 !((*年 2月小
麦收获后,分别挖取远离根系 * ?7的行间土壤,同
时挖取靠近根系 * ?7之内的土壤,连同根系一起挖
出,适当风干后,将外面的土壤打碎、抖落,将紧靠根
+(2 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 1*卷
系的土壤收集,作为根际土壤。
土壤全钾含量测定用常规方法[!!];土壤速效
钾用乙酸铵提取,火焰光度计测定[!!]。
试验数据采用 "#$%"、&’检验和 ()*方法,在
不同 +$,浓度条件下对实验数据进行统计分析。
! 结果与分析
!"# $%!浓度升高对作物各生长期土壤速效钾的
影响
在水稻季,高 +$, 浓度条件下土壤速效钾含量
比对照处理增加,主要表现在分蘖期、抽穗期和成熟
期。在分蘖期不同土壤层次和成熟期 -—. /0 土
层,低氮((#)水平下增加幅度较大;而常规氮(##)
水平在抽穗期增加幅度较大(图 !)。在小麦季,高
+$,浓度条件下,不同 #水平小麦越冬期土壤速效
钾增加幅度最大,达到 1234!!5254;在分蘖期、
拔节期和收获期土壤速效钾在 (#水平下增加幅度
大于 ##水平;而且 ##水平 -—. /0土层速效钾有
降低趋势。高 +$,浓度使土壤速效钾总体上表现为
.—!. /0土层增加幅度大于 -—. /0土层,(#水平
增加幅度大于 ##水平。尽管高 +$, 浓度对土壤速
效钾的影响不够显著,但是即使少量的增加也有益
于维持作物在生长过程中养分供给的平衡,对于提
高粮食产量和品质来说也是很重要的。
图 # $%!浓度升高对水稻和小麦季不同生育期土壤速效钾的影响
&’()# *++,-./ 0+ ,1,23.,4 $%! 05 /0’1 323’1361, 7 3. 4’++,8,5. (809.: /.3(,/ ’5 8’-,;9:,3. 80.3.’05 /[注(#678):(#—低氮 (69 #;##—常规氮 #6:0;< #;-—.、.—!.—土层 )6=< <;>8:?(/0);@—分蘖期 @=<<8:=AB;
C—拔节期 C<6AB;7=AB;D—抽穗期 D8;E=AB;&—灌浆期 &=<<=AB;F—成熟期 F;7G:=7>;H—越冬期 H=A78:=AB;下同 @I8 ?;08 J8<69K]
!"! $%!浓度升高对作物根系周围土壤速效钾的
影响
图 ,看出,作物收获以后,小麦季土壤速效钾含
量大于水稻季。相对于对照 +$, 浓度处理,高 +$,
浓度使土壤速效钾含量增加幅度在小麦季大于水稻
季,且增加幅度在根际大于行间。水稻季 (# 水平
下根际和行间速效钾分别升高 L2M4和 3214;##
水平下分别升高 5234和 N234。在对照 +$, 处理
下,随着施肥水平的提高,根际和行间土壤速效钾含
量分别降低了 N2-4和 !214;在 +$,浓度升高处理
下,随着施肥水平提高,根际和行间土壤速效钾含量
分别降低了 52L4和 !2!4。高 +$, 浓度使小麦季
(#水平下根际和行间速效钾分别升高 !M2-4和
!!2,4,##水平下分别升高 ,,234和 !-2-4。在对
L-53期 马红亮,等:开放式空气 +$,浓度升高对水稻 O小麦轮作土壤速效钾的影响
照 !"#处理下,随着施肥水平增加,根际和行间土壤
速效钾含量分别降低了 $%&’和 (%(’;在 !"#浓度
升高处理下,随着施肥水平的提高,根际和行间土壤
速效钾含量分别降低了 (%)’和 *%(’。表明高 !"#
浓度条件下,不只是在作物生长期土壤速效钾偏高,
就是在收获以后土壤速效钾仍然保持较高的水平,
这样有利于作物生长对高 !"#浓度的积极响应。
图 ! "#!浓度升高对水稻—小麦季结束后根系不同部位土壤速效钾的影响
$%&’! ())*+,- .) */*01,*2 "#! .3 -.%/ 101%/14/* 5 %3 2%))*6*3, 716,- 16.832 6..,- 1),*6 6%+* 132 9:*1, -*1-.3
[注(+,-.):/—高 !"#浓度处理 /0.. 120 3104,5 62,726. .502389.5-;:—对照 !"#浓度处理 :942.5- 120 -0.1-9.5-;下同 ;8. <19. 4.=,>?]
!;< "#!浓度升高对作物钾素吸收的影响
在水稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期,相对
于对照处理,高 !"# 浓度条件下作物对钾的吸收在
@+处理下分别提高 )&%#’(A B C%C#D)、#&%)’、
(*%D’和 (#%C’;在 ++处理下分别提高 &$%E’(A
B C%CC#)、&%)’、E$%(’和 EE%F’(图 ()。而在小
麦分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期,!"# 浓度升高
使小麦对钾的吸收在 @+处理下分别增加 #*%F’、
$C%)’(A B C%CCD)、#F%F’和 F%(’;在 ++处理下
分别降低 )%*’、增加 *)%(’(A B C%C#D)、((%(’和
#)%E’。!"#浓度升高条件下,水稻和小麦对钾的
吸收比对照增加,且在水稻分蘖期和小麦拔节期增
加显著。从作物需求的角度分析,土壤中钾含量可
能会影响作物对 !"# 浓度升高的响应,所以在作物
生长期需根据土壤情况补充适当钾肥。
图 < "#!浓度升高对水稻和小麦不同生育期土壤钾吸收的影响
$%&’< ())*+,- .) */*01,*2 "#! .3 5 87,1=*- .) 6%+* 132 9%3,*6 9:*1, 1, ,:* 2%))*6*3, &6.9,: -,1&*-
CE$ 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 E)卷
! 讨论
众所周知,!"#是植物进行光合作用的底物,其
浓度的升高直接促进生物量的增加[$,%#&%$],需要更
多的矿质元素包括氮、磷、钾,因此作物对钾的吸收
在几个关键生育期增加。由于生物量在不同 !"#浓
度下产生的差异造成了作物对土壤钾吸收的不同,
必然会引起土壤钾的降低,很可能会限制作物对高
!"#浓度的持续响应[%’]。但是试验结果显示,短期
内在作物生物量增加、吸收更多钾的情况下,土壤速
效钾也没有显著降低,反而有所增加,可能与农业生
态系统中土壤肥力较高、有较多的有机质增加土壤
钾的缓冲能力有关。土壤中的钾主要是无机态,它
来源于外界施肥、土壤矿物的风化和有机物质的分
解代谢。在施用钾肥一致的条件下,高 !"# 浓度引
起土壤钾供给增加且土壤有效钾不降低,很大程度
上归于土壤矿物和有机物质的贡献。因为高 !"#浓
度下将有更多的同化产物进入土壤[(&),%*&%+],为土壤
有机生物提供了额外的碳源和能量,有利于土壤生
物和酶活性的提高,促进有机物质的分解,释放更多
的无机钾,间接地影响土壤过程[%,]。同时,高 !"#
浓度下,作物根系生物量增加且在纵向穿透和横向
分布上有所提高,在水平方向距离根系的不同位置
对土壤产生的影响不同[%,],这种影响在作物根际和
行间土壤速效钾的变化上有所体现。结果显示,相
对于对照 !"#浓度处理,高 !"# 浓度使水稻和小麦
季根际土壤速效钾含量增加幅度大于行间,表明根
系活动和分泌物对速效钾的积极影响。因此,在高
!"#浓度条件下土壤发生的变化既保证了作物吸收
钾的需要,也保证了土壤速效钾含量不降低。而且
已有的研究显示,不但是钾没有降低,氮和磷也没有
降低[*&+,%(]。这些结果无不说明与根系的紧密关系。
研究表明,矿物态氮的有效性是控制植物对高
!"#浓度响应的关键因素[%)]。大量的证据表明,地
上生物量会因氮肥的不足而减弱对 !"# 的响
应[#-&#%],因此氮水平将影响生物量的变化,自然会
影响到土壤钾的变化。试验结果显示,在不同氮水
平下,高 !"#浓度对土壤速效钾的影响并不显著,表
明在农田生态系统氮素还没有成为主要的限制因
子,即使在作物根际和行间土壤所产生的差异也不
显著。由于土壤钾含量的变化与生物量有一定的关
系[%#&%$],在不同氮肥水平下,高 !"# 浓度对土壤钾
的影响是作物吸收和土壤有效钾变化的结果。因
此,在外施肥料的情况下,还是要适当考虑增加有机
肥的施用,保证土壤钾的供给和养分的平衡。
参 考 文 献:
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!#O 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 #N卷