長期不同施肥制度下雙季稻田土壤肥力與溫室氣體排放規(guī)律的研究.pdf

1、糧食安全是當今全球面臨的重大挑戰(zhàn)之一，然而現(xiàn)代農業(yè)生產往往忽視了對土壤質量和生態(tài)環(huán)境產生的負面影響，研究農業(yè)措施的長期效果是關乎農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要課題。本研究以中國科學院湖南桃源農業(yè)生態(tài)試驗站始于1990年的長期定位施肥試驗為研究對象，探討長期不同施肥制度下雙季稻產量和土壤肥力變化趨勢、土壤固碳潛力以及溫室氣體CH4、N2O排放與NH3揮發(fā)的規(guī)律。試驗處理如下:①不施肥(CK);②施用常量化學N、P肥(NP);③施用常量化學N、K肥(

2、NK);④施用常量化學N、P、K肥(NPK);⑤施用常量化學N、P、K肥+全量秸稈還田+綠肥(FOM);⑥2/3化學N、P肥+1/3化學K肥+1/2秸稈還田+綠肥（ROM）。具體結果如下:
　　 1.1990-2009年，不平衡施肥處理（NP和NK）的早稻和晚稻平均產量分別比對照處理(CK)增加9.2-64.2％和13.6-30.6％。與對照相比，NPK處理的早稻和晚稻產量增加90.2％和46.4％。有機無機配施處理（FOM和R

3、OM）的早稻和晚稻產量分別比對照增加89.6-117.4％和47.6-53.5％。早稻和晚稻的產量均隨土壤綜合肥力指數的增加呈極顯著線性增加的趨勢。長期不施肥導致土壤綜合肥力顯著下降（P＜0.05）。與試驗前相比，2009年NPK、FOM和ROM處理的土壤綜合肥力比試驗前顯著增加（P＜0.05），并達到高肥力水平(0.723-0.787)。不平衡施肥條件下土壤綜合肥力指數沒有顯著增加。土壤磷的有效性是限制水稻增產的關鍵因素，其中施磷肥處

4、理（NP、NPK、FOM和ROM）的早稻產量呈顯著增加的趨勢(P＜0.05)，而不施磷處理（CK和NK）在早稻和晚稻季均無增加趨勢。
　　 2.1990-1996、1997-2005和2006-2009年，除CK處理外，所有施肥處理的土壤氮素表觀平衡均呈盈余狀態(tài)，但是氮素盈余量在不同年份變化較大，主要受氮肥投入和作物養(yǎng)分吸收年際變化的影響。FOM和ROM處理氮素表觀盈余量在所有年份均高于NP和NPK處理。長期不施用磷肥會導致NK

5、處理的表觀磷虧缺程度比CK更加嚴重。各施磷處理（NP、NPK、FOM和ROM）的土壤磷表觀平衡均呈盈余狀態(tài)，其中1990-2005年FOM處理的磷素盈余量最高，2006-2009年NP處理最高。NP處理在各階段土壤磷素盈余量均高于NPK處理，主要由于不平衡施肥導致NP處理的作物養(yǎng)分吸收量下降。不施鉀處理(NP和CK)的土壤鉀素表觀虧缺表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢，主要由于水稻植株的鉀吸收量下降。施鉀處理（NK、NPK、FOM和ROM）的土壤鉀素

6、表觀平衡在不同年份波動較大，僅FOM處理在所有階段均處于盈余狀態(tài)，且盈余量隨著鉀肥施用量的不斷增加而增加。ROM處理一直處于虧缺狀態(tài)，但虧缺量逐漸降低。NK和NPK在1990-1996年處于虧缺狀態(tài)，1997-2005和2006-2009年處于盈余狀態(tài)，且盈余量逐漸增加。此外，由于NK的養(yǎng)分吸收量明顯低于NPK處理，前者的鉀素表觀平衡量明顯高于后者。
　　 3.1999-2009年雙季稻系統(tǒng)耕層土壤有機碳(SOC)含量呈逐漸增加

7、的趨勢，其中2007-2009年SOC平均含量為0.49-0.80 g C kg-1yr-1。CK和NK處理耕層SOC含量飽和值為21.1-22.1 g C kg-1，NP和NPK處理為24.5-26.4 g C kg-1，而有機無機配施處理（FOM和ROM）為37.5-47.2 g C kg-1。2007-2009年，CK處理耕層土壤固碳速率為0.96 Mg C ha-1yr-1，其他施肥處理的土壤固碳速率為1.01-1.43 Mg

8、C ha-1yr-1。2009年雙季稻系統(tǒng)耕層土壤碳儲量為36.4-48.2 Mg Cha-1，比1999年高15-30％。
　　 4.2007-2009年早稻季和晚稻季田間NH3揮發(fā)損失平均分別為12.8-27.3 kgN ha-1和17.3-32.7 kg N ha-1，分別占施氮量的9.2-33.6％和17.8-32.2％。NH3揮發(fā)速率隨著田間水層NH4+濃度的增加呈顯著增加的趨勢(P＜0.01)。長期施肥可以顯著增加雙

9、季稻系統(tǒng)NH3揮發(fā)（除早稻季ROM和CK處理間沒有顯著差異外）。與NPK處理相比，長期不平衡施肥導致累積NH3損失進一步增加。在平衡施用無機肥的基礎上增施有機肥(FOM)也可以促進NH3揮發(fā)的增加。然而，有機肥替代部分無機化肥(ROM)條件下可以減少NH3揮發(fā)損失。NP和NK處理NH3揮發(fā)的增加與長期不平衡施肥導致水稻植株氮吸收顯著下降有很大關系。
　　 5.2006-2009年稻田CH4排放受施肥和環(huán)境條件的影響，具有明顯的季

10、節(jié)變化規(guī)律。除晚稻生育后期外，整個雙季稻種植季田間均處于淹水狀態(tài)。早稻季氣溫逐漸升高，CH4排放在生育前期緩慢增加，生育中后期出現(xiàn)1-2個排放峰，到生育末期緩慢下降。晚稻季氣溫逐漸降低，CH4排放表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢，在生育初期CH4排放達到全年最高峰。尤其是有機無機肥配施處理(FOM和ROM)在晚稻移栽后1-2周內出現(xiàn)極為顯著的CH4排放峰。晚稻季CH4累積排放通量比早稻季高113-157％，達到顯著差異水平(P＜0.01)。

11、非水稻種植季田間無水層覆蓋，加之氣溫較低，幾乎觀測不到CH4排放。CH4年累積排放通量范圍為621-1175 kg CH4ha-1（CK處理最低，F(xiàn)OM處理最高）。長期施肥可以增加稻田CH4排放通量。與對照處理相比，F(xiàn)OM和ROM處理下全年CH4累積排放通量分別增加89.8％和73.9％。單施化肥處理（NP、NK和NPK）全年CH4累積排放通量較低，僅比對照增加4.4-27.8％。
　　 6.2006-2009年水稻種植季淹水稻

12、田表現(xiàn)為典型的大氣N2O微弱的源或匯;非水稻種植季稻田不施肥，但沒有水層覆蓋，N2O排放通量相對較高。N2O年累積排放通量范圍為1.15-4.11 kg N2O-N ha-1（CK最低，F(xiàn)OM最高）。長期施肥對稻田N2O排放的季節(jié)變化模式無明顯影響，但影響其排放量。與對照相比，F(xiàn)OM和ROM處理的全年N2O累積排放通量分別增加257％和193％。單施化肥處理的全年N2O累積排放通量比對照增加68-158％。
　　 7.全年凈綜合

13、溫室效應和溫室氣體強度的平均變化范圍分別為12587-26066 kg CO2-equivalent ha-1yr-1和1.35-2.06 CO2-equivalent kg-1 grainyieldyr-1。長期有機無機配施處理（FOM和ROM）可以顯著增加全年凈綜合溫室效應，主要由于淹水條件下有機肥的施用促進CH4的大量排放。與對照相比，NP和NPK處理具有較低的溫室氣體強度，而FOM和ROM處理較高。
　　 以上研究表明(

14、1)雙季稻產量變化趨勢受施肥管理措施和土壤肥力變化的顯著影響。(2)土壤養(yǎng)分投入和產出的動態(tài)平衡不僅受肥料運籌的影響，而且受植株養(yǎng)分吸收的影響，平衡施肥需要考慮生產力的變化(3)雙季稻系統(tǒng)耕層有機碳儲量呈逐漸增加的趨勢。與單施化肥相比，增施秸稈和綠肥等有機物質的施用可以進一步促進土壤固碳。(4)稻田NH3揮發(fā)受施肥量和施肥方式的影響。長期平衡施肥可以促進水稻植株氮吸收，減少雙季稻系統(tǒng)NH3揮發(fā)。(5)稻田CH4和N2O排放具有明顯的季節(jié)

15、變化規(guī)律。長期施用化肥不僅可以增加水稻季CH4排放，而且促進非水稻種植季N2O的排放。有機肥的施用可以顯著增加淹水條件下水稻種植季的CH4排放，導致溫室氣體強度的增加;平衡施用化肥（尤其是磷肥的施用）可以減緩溫室氣體強度。因此，為同步實現(xiàn)較高的作物產量和較低的溫室氣體強度，雙季稻系統(tǒng)可采取以下農業(yè)管理措施:平衡施肥（尤其是磷肥的施用）、水稻種植季中期烤田替代持續(xù)淹水、非水稻種植季秸稈還田替代水稻種植季施用秸稈等。但上述農業(yè)措施在雙季稻系