环境科学  2023, Vol. 44 Issue (8): 4647-4654   PDF    
引用本文
刘欣宇, 卢江, 孟璇, 刘铮, 宋鹏, 李季, 田光明. 不同施肥措施下长江经济带地区农田土壤有机碳含量的变化分析[J]. 环境科学, 2023, 44(8): 4647-4654.
LIU Xin-yu, LU Jiang, MENG Xuan, LIU Zheng, SONG Peng, LI Ji, TIAN Guang-ming. Analysis on Change in Soil Organic Carbon Content of Farmland in Yangtze River Economic Belt Under Different Fertilizing Measures[J]. Environmental Science, 2023, 44(8): 4647-4654.
不同施肥措施下长江经济带地区农田土壤有机碳含量的变化分析
刘欣宇1,2, 卢江3, 孟璇1, 刘铮2, 宋鹏1, 李季1, 田光明1     
1. 中国农业大学有机循环研究院(苏州), 苏州 215100;
2. 辽宁省农业科学院农村经济研究所, 沈阳 110161;
3. 安徽农业大学马克思主义学院, 合肥 230036
收稿日期: 2022-04-27; 修订日期: 2022-10-30
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFD1100601-03); 江苏省碳达峰碳中和科技创新专项(BM2022006); 辽宁省社会科学规划基金项目(L21CJY016); 辽宁省科学事业公益研究基金(软科学研究)计划项目(2022JH4/10100050); 苏州市农业科技创新项目(SNG2021012)
作者简介: 刘欣宇(1995~), 男, 硕士, 助理研究员, 主要研究方向为植物营养与土壤固碳, E-mail: liuxinyu@oricau.cn
通信作者: 田光明, E-mail: gmtian@zju.edu.cn
摘要: 收集整理1992年1月至2022年5月长江经济带地区长期定位施肥试验文献, 提取并整合了其中农田土壤有机碳的资料.采用归一化处理和变化速率的分析方法, 研究长期不同施肥措施下长江经济带地区农田土壤有机碳含量的总体变化, 并比较3种耕作模式及不同土壤类型下土壤有机碳含量的变化差异, 判断分析试验持续年限长短对土壤有机碳动态的影响.结果表明, 在长期不同施肥措施下, 我国长江经济带地区农田土壤有机碳含量整体呈上升趋势, 无机氮肥磷肥配施(NP)、无机氮磷钾肥配施(NPK)、单独施用有机肥(O)和有机无机肥配施(NPKO)处理均能增加农田土壤的有机碳含量, 其中以NPKO处理为最大, 而单独施用无机氮肥(N)则会降低土壤有机碳含量.旱田、水田和水旱轮作农田土壤有机碳含量变化速率分别为0.22、0.24和0.16g·(kg·a)-1, 3种耕作模式在土壤固碳效果方面并无显著性差异.O和NPKO处理下所带来的有机碳相对快速增加效应在旱田土壤中的持续年限最高不超过28 a, 而在水田及水旱轮作土壤中依然可以持续到28 a以上.在不同的土壤类型下, 土壤有机碳含量的变化速率存在着一定的差异, 平均有机碳变化速率: 红壤为0.25g·(kg·a)-1, 棕壤为0.14g·(kg·a)-1, 潮土为0.19g·(kg·a)-1, 水稻土为0.15g·(kg·a)-1.土壤有机碳含量变化速率基本保持NPKO＞O＞NPK＞NP＞N的趋势, 其中NPKO施肥处理均显著高于单施化肥(N、NP和NPK)处理.单施氮肥(N)处理对于红壤及水稻土有机碳含量均表现出降低作用.从农田土壤固碳角度考虑, 有机无机肥配施为该地区较为适宜的施肥方式.
关键词: 长江经济带      施肥措施      农田土壤      有机碳      长期定位     
Analysis on Change in Soil Organic Carbon Content of Farmland in Yangtze River Economic Belt Under Different Fertilizing Measures
LIU Xin-yu1,2 , LU Jiang3 , MENG Xuan1 , LIU Zheng2 , SONG Peng1 , LI Ji1 , TIAN Guang-ming1     
1. Organic Recycling Research Institute (Suzhou) of China Agricultural University, Suzhou 215100, China;
2. Institute of Rural Economy, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, China;
3. College of Marxism, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China
Abstract: The literature from a long-term fertilization experiment in the Yangtze River Economic Belt from January 1992 to May 2022 was collected, and the data of farmland soil organic carbon were extracted and integrated. Using the normalization treatment and the analysis method of relative annual variation, the overall change in soil organic carbon content in farmland in the Yangtze River Economic Belt under different long-term fertilization measures was studied, and the change differences of soil organic carbon content under three tillage modes were compared so as to judge and analyze the influence of the duration of the experiment on soil organic carbon dynamics. The results showed that under different long-term fertilization measures, the organic carbon content of farmland soil in the Yangtze River Economic Belt in China showed an overall upward trend. The NP, NPK, O, and NPKO treatments all increased the organic carbon content of agricultural soils, with that of the NPKO treatment being the largest. The sole application of inorganic nitrogen fertilizer reduced the organic carbon content of the soil. The rates of change in soil organic carbon content were 0.22 g·(kg·a)-1, 0.24 g·(kg·a)-1, and 0.16 g·(kg·a)-1for dryland, paddy, and water-dry rotation farmland, respectively. Additionally, the relatively rapid increase effect of organic carbon brought by the O and NPKO treatments could last for no more than 28 years in dryland soil but could still last for more than 28 years in paddy field and paddy-upland rotation soil. There was some variation in the rate of change of soil organic carbon content between soil types. The average rate of change of organic carbon was 0.25 g·(kg·a)-1for red soils, 0.14 g·(kg·a)-1 for brown soils, 0.19 g·(kg·a)-1 for tidal soils, and 0.15 g·(kg·a)-1 for rice soils. The trend of NPKO>O>NPK>NPK>NP>N was basically maintained for the rate of change in soil organic carbon content. The NPKO treatments were all significantly higher than the chemical fertilizer (N, NP, and NPK) treatments alone. The N treatment showed a reduction in organic carbon content in both red soil and rice soils. Considering the carbon fixation of farmland soil, the combined application of organic and inorganic fertilizers is a more suitable fertilization method in this area.
Key words: Yangtze River Economic Belt      fertilizing measure      farmland soil      organic carbon      long-term positioning     

土壤有机碳对于大气中的CO2浓度具有显著的影响, 而农田土壤固碳向来被认为是降低CO2排放的重要途径之一[1~5].根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的统计, 科学良好的农业措施可贡献(以CO2当量计)至少5.50×1015t的减排潜力, 其中高达89%的减排潜力可通过土壤固碳进行实现[6].自2015年我国开始推行化肥减施政策以来, 各地开始大力推广有机肥的施用并优化农业管理措施, 使得农田土壤呈现明显的碳增汇趋势.有学者就农业管理措施对农田土壤有机碳含量的影响开展了大量的研究[7~13], 而研究结果最终认为科学合理地施用化肥及有机肥均对农田土壤有机碳含量的提升起到明显的促进作用[14].

长江经济带是我国农业发展的战略性区域, 从耕地资源方面来看, 2019年长江经济带主要农作物种植面积为6.54×107 hm2, 占全国总量的39.89%.可见长江经济带地区广大的农田面积蕴藏着巨大的固碳减排潜力, 但是当前关于农业管理措施对这一战略区域的农田土壤有机碳动态总体影响的研究尚不完善, 无法评估影响该地区农田有机碳含量的最大施肥因子和最大影响幅度, 因而还未能充分地评估在不同农业管理措施下的土壤固碳潜力.然而, 通过对长江经济带地区部分省市的相关研究结果, 仍能简单地了解到一些不同种植模式及施肥措施对该地区农田土壤有机碳含量的影响.例如在江苏地区, 已有学者证明长期施用有机肥可以提高土壤的有机碳矿化速率并提升土壤总有机碳含量[15].在浙江地区, 水稻土条件下的双季稻种植模式能够带来更佳的土壤固碳效果[16].但关于长江经济带地区总体上的相关研究仍然缺乏可靠的相关资料.

为评价不同施肥措施对长江经济带地区农田土壤有机碳动态分布的总体影响, 本研究收集了分布于长江经济带地区不同省(市)的73个代表性长期定位施肥试验点的资料.采用归一化处理和变化速率的分析方法, 研究长期不同施肥下长江经济带地区农田土壤有机碳含量的总体变化, 并比较旱田、水田和水旱轮作等3种耕作模式下土壤有机碳含量的变化差异, 判断分析试验持续年限长短对土壤有机碳动态的影响, 以期为长江经济带地区农田固碳减排及可持续发展提供施肥管理依据.

1 材料与方法 1.1 研究区域

研究区域为长江经济带, 包括上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、云南和贵州等11个省(市), 面积约2.05×106 km2, 占全国的21.4%, 人口和生产总值均超过全国的40%, 耕地总面积约为1.72×108 hm2, 是生态文明建设的先行示范带.

1.2 数据来源

本研究收集整理了1992年1月~2022年5月间有关我国长江经济带地区长期定位施肥试验的研究论文共135篇, 提取其中试验地点、土壤类型、耕作模式、监测时间、施肥处理以及有机碳(质)含量数据.采集数据的筛选标准为：①施肥措施为单独施用无机氮肥(N)、无机氮肥磷肥配施(NP)、无机氮磷钾肥配施(NPK)、单独施用有机肥(O)和有机无机肥配施(NPKO); ②试验为周期超过3 a的长期定位试验, 文中包含试验起止年份; ③测试土样取自耕层表面(0~20 cm); ④土壤试验始末有机质或有机碳含量确定; ⑤试验以不施为对照.经筛选, 最终获得符合标准的文献54篇, 共涉及73个试验地点, 包括旱田21个, 水田20个, 水旱轮作32个, 涵盖4种土壤类型, 共计处理样本总数270个.数据来自文献中的正文、图和表, 图中数据采用Get Data软件进行提取.其中, 土壤有机质含量和有机碳含量之间的转换系数为0.58.将收集到的5种类型施肥处理中涉及的肥料施用量按照有关标准折算为N、P2 O5和K2 O的年养分施用量.

1.3 不同施肥措施下农田土壤有机碳含量的变化 1.3.1 不同处理下农田土壤有机碳平均年含量的变化

分别计算试验周期内不施肥处理和各施肥处理的有机碳平均年变化量：

式中, AC为农田土壤有机碳含量的年变化量; t为试验观测时间的始末差值; SOC0和SOCt分别为试验点的始末有机碳含量(g·kg-1).

1.3.2 不同施肥措施下农田土壤有机碳变化速率

为研究各施肥处理对农田土壤有机碳含量变化的实际影响, 应将各施肥处理引起的有机碳含量的变化扣除不施肥处理下土壤有机碳含量的变化, 进而获得农田土壤有机碳的变化速率：

式中, RAC为农田土壤有机碳含量的变化速率; TR为施肥处理, CK为不施肥处理.

1.4 数据处理

考虑到不同耕作方式下农田土壤固碳效果可能有所不同, 本研究按旱田、水田和水旱轮作这3种耕作方式对其数据进行分别统计并比较分析, 利用DPS 18.1软件进行数据处理并进行差异显著性检验(P＜0.05).

2 结果与分析 2.1 长江经济带地区农田土壤有机碳变化总体分布

在本研究共统计的197组试验处理样本中(未包含不施肥处理), 有139组样本的有机碳含量随着试验的持续而呈现出增加的现象, 占比约为70.56%, 其余60组样本呈现降低态势, 占比约为29.44%.总体来看, 长江经济带地区农田土壤有机碳的变化速率(未包含不施肥处理)介于-0.36~0.38g·(kg·a)-1, 平均变化速率为0.25g·(kg·a)-1.其中旱田土壤有机碳的变化速率介于-0.10~0.27g·(kg·a)-1, 平均变化速率为0.22g·(kg·a)-1; 水田土壤有机碳的变化速率介于-0.15~0.41g·(kg·a)-1, 平均变化速率为0.24g·(kg·a)-1; 水旱轮作农田土壤有机碳变化速率介于-0.67~0.48g·(kg·a)-1, 平均变化速率为0.16g·(kg·a)-1(表 1).可以看出, 总体而言3种耕作模式下的农田土壤有机碳含量均处于上升态势, 水田土壤有机碳的变化速率高于其余两种耕作模式, 但三者之间并未达到显著性差异.

表 1 不同耕作模式土壤有机碳含量变化速率动态分布1) Table 1 Dynamic distribution of soil organic carbon under different tillage patterns

2.2 不同施肥措施下农田土壤有机碳含量变化

表 2显示了不同施肥措施下农田土壤有机碳含量的变化特征, 不同施肥措施均对农田土壤有机碳含量产生提升作用.对于施用有机肥的农田(O和NPKO处理), 旱田土壤平均有机碳变化速率达到了0.36g·(kg·a)-1和0.37g·(kg·a)-1, 水田达到了0.31g·(kg·a)-1和0.45g·(kg·a)-1, 水旱轮作土壤达到了0.40g·(kg·a)-1和0.62g·(kg·a)-1.对于施用无机肥料的农田, 旱田土壤有机碳的变化速率介于0.01~0.13g·(kg·a)-1, 水田介于-0.03~0.16g·(kg·a)-1, 水旱轮作介于-0.29~0.19g·(kg·a)-1. 3种耕作模式下田间土壤不同施肥措施下有机碳的变化速率的变化特征均为：NPKO＞O＞NPK＞NP＞N, 综合3种耕作模式下的农田土壤有机碳总量变化速率同样表现为：NPKO＞O＞NPK＞NP＞N.由此可见, 有机施肥和有机无机配施处理对于农田土壤有机碳含量的提高幅度明显高于单独施用无机肥.分析其原因在于, 有机肥处理可以直接增加对农田土壤有机物质的输入, 而NPK处理则通过相对于N及NP处理更加均衡的养分输入使作物的生长量达到更好的状态, 进而间接使土壤中的有机物质含量增加.通过将各试验样本中涉及的肥料施用量按照有关标准折算为N、P2 O5和K2 O的年养分施用量, 可以看出3种耕作模式在不同施肥措施情况下的年养分施用量均呈现出NPKO＞O＞NPK＞NP＞N的特点, 这与3种耕作模式在不同施肥措施情况下的农田土壤有机碳含量变化速率相一致.

表 2 不同施肥措施下土壤有机碳含量变化速率及年养分施用量1) Table 2 RAC and annual nutrient application under different fertilization practices

2.3 农田土壤有机碳含量动态随试验持续时间的变化

本研究中涉及的试验周期为4~41 a, 将其分为3个不同的持续时间的组合, 分别计算3种耕作模式在相应试验周期下的农田土壤有机碳含量变化速率(图 1).可见随着试验的持续, 3种耕作模式下的农田土壤有机碳含量均表现出上升的趋势, 而变化速率呈现逐步减小的特点.综合来看, 相对于旱田[图 1(a)]和水旱轮作[图 1(c)], 水田[图 1(b)]更能增加土壤中的有机碳含量.随着试验时间的持续, 不同施肥措施下农田土壤有机碳含量变化速率(绝对值)均呈现降低的趋势, 各施肥措施之间变化速率的差异则明显变小.在试验周期为28 a内, 旱田不同施肥措施之间的有机碳含量变化速率(绝对值)的差异幅度较为明显.对于水田和水旱轮作土壤, 不同施肥措施的土壤固碳效果在试验持续28 a以上依然存在较为显著的差异.

不同小写字母表示显著性差异(P＜0.05), 下同 图 1 不同施肥措施下土壤有机碳含量变化速率随试验周期的变化 Fig. 1 Variation in RAC with experimental period under different fertilization measures

2.4 不同施肥措施下农田土壤类型对有机碳含量变化的影响

将试验信息中涉及的土壤类型进行分类, 共分为红壤、棕壤、潮土和水稻土这4种类型, 并根据不同施肥措施下土壤有机碳含量变化速率进行分别统计, 共获得红壤数据46组, 棕壤数据9组, 潮土数据40组和水稻土数据104组, 处理结果见图 2.可见在不同的土壤类型下, 土壤有机碳含量的变化速率存在着一定的差异, 红壤平均有机碳变化速率为0.25g·(kg·a)-1, 棕壤为0.14g·(kg·a)-1, 潮土为0.19g·(kg·a)-1, 水稻土为0.15g·(kg·a)-1.除棕壤数据样本不足之外, 其余3种土壤有机碳含量变化速率仍基本保持为NPKO＞O＞NPK＞NP＞N的趋势, 其中NPKO施肥处理均显著高于单施化肥(N、NP和NPK)处理.单施氮肥(N)处理对于红壤和水稻土有机碳含量均表现出降低作用.

图 2 不同施肥措施下农田土壤类型对有机碳含量变化的影响 Fig. 2 Influence of farmland soil type on changes in organic carbon content under different fertilization practices

3 讨论 3.1 不同耕作模式对土壤有机碳含量变化的影响

耕作模式的不同导致了农田土壤在农业生产过程中的自然环境与作物种类均会产生差异, 而这些差异也将直接或间接地影响土壤有机碳含量.本研究结果表明, 在长江经济带地区3种耕作模式下的农田土壤有机碳含量均处于上升态势, 其中水田土壤有机碳的变化速率高于旱田和水旱轮作耕作模式, 三者之间并未达到显著性差异, 这可能是因为本研究中3种耕作模式的试验持续时间差异较大, 其中旱田平均试验持续时间为21.57 a, 水田为15.41 a, 水旱轮作为10.79 a.而韩冰等[17]的早期研究结果也同样认为水田相对于旱田具有更大的固碳能力.

3.2 不同施肥措施对土壤有机碳含量变化的影响

本研究结果表明, 长江经济带地区不同施肥措施下(N、NP、NPK、O和NPKO)农田土壤有机碳含量变化速率平均为0.25g·(kg·a)-1, 说明相对于不施肥, 施肥有助于农田土壤有机碳的积累.这项结果接近于朱利群等[7]对长江下游稻麦轮作农田的研究结果, 高于王成己等[18]关于我国农田表土有机碳含量的研究结果.对于二者之间的差异, 其原因可能在于前者研究范围为全国地区, 而本文则针对整个长江经济带地区的旱田、水田及水旱轮作农田进行了研究.本研究中, NPKO施肥处理下, 长江经济带农田土壤有机碳含量的变化速率为0.49g·(kg·a)-1, 这与朱利群等[7]对我国南方地区红壤有机碳含量的研究结果接近.当农田长期采取无机肥料(N、NP和NPK)的施肥措施下, NPK施肥处理下的农田土壤有机碳含量变化速率通常高于N和NP处理, 这一点在本研究中的旱田土壤中表现得尤为明显.发生这种现象的原因可能在于NPK处理下的农作物获得了相对于N和NP处理更加充足的养分, 并因此而具备了更加发达的根系, 增加了残茬量与根系对土壤的输入[19~25], 同时不可忽视的是, 单一施用氮肥有可能刺激土壤呼吸进而减少土壤中的有机碳含量[26~31].O和NPKO处理均能够显著增加土壤中有机碳的积累, 在旱田、水田和水旱轮作农田中, NPKO处理下的土壤有机碳含量变化速率均高于O处理, 分析其原因在于单独施用有机肥虽然能够对农田土壤产生直接有机物料投入的效果, 但其肥效释放较为缓慢, 并且无机肥与有机肥配施更有利于土壤团聚体活性有机碳含量的提升[32~38].而正如前文所述, 有机肥的施用(O和NPKO)可以将有机物料直接投入至土壤, 这也使得本研究中O和NPKO处理下的农田土壤有机碳含量变化速率高于单独施用无机肥料(N、NP和NPK).

3.3 不同试验持续时间对土壤有机碳含量变化的影响

农田土壤对于有机碳的固碳能力是有限的, 当土壤中的有机碳达到一定含量时会形成一种平衡状态, 在达到平衡状态的过程中, 土壤有机碳含量会出现先迅速上升后缓慢增加的情况[39~45].本研究中旱田和水旱轮作农田土壤有机碳含量变化速率随试验持续时间变化的结果印证了这一理论, 水田土壤有机碳含量变化速率则在3~41 a的试验持续时间内呈现不断快速上升的反常情况, 经过笔者对水田相关数据的核实, 发现在本研究所选取的3个研究时间区间中, 29~41 a中的水田数据样本明显低于前两个时间区间, 这可能是导致水田土壤有机碳含量变化速率随试验持续时间增加而不断上升的原因.同时, 随着试验周期的不断增长, 旱田各施肥措施之间的土壤有机碳含量变化速率的差异明显变小, 而对于水田和水旱轮作土壤, 不同施肥措施的土壤固碳效果在试验持续28 a以上依然存在较为显著的差异.这说明O和NPKO处理下所带来的有机碳相对快速增加效应在旱田土壤中的持续年限最高不超过28 a, 而在水田和水旱轮作土壤中依然可以持续到28 a以上.

3.4 不同施肥措施下农田土壤类型对有机碳含量变化的影响

不同的土壤类型意味着不同的理化性质, 其对于作物的选择与生长均具有重要的影响, 进而影响土壤的固碳效果.本研究结果表明, 红壤的固碳效果最佳.在施肥措施方面, 各个类型的土壤固碳效果基本保持为：NPKO＞O＞NPK＞NP＞N, 有机肥与化肥的配合施用对于红壤、潮土和水稻土的固碳效果均显著高于单独施用化肥.

4 结论

综上所述, 在长期不同施肥措施下, 我国长江经济带地区农田土壤有机碳含量整体呈上升趋势.与N处理相比, NP、NPK、O和NPKO处理均能实现农田土壤有机碳含量的提升, 其中尤以NPKO处理的效果最为明显.旱田、水田和水旱轮作这3种耕作模式对农田土壤有机碳含量的变化影响并不显著.O和NPKO处理下所带来的有机碳相对快速增加效应在旱田土壤中的持续年限最高不超过28 a, 而在水田和水旱轮作土壤中依然可以持续到28 a以上.对长江经济带地区来说, 良好的施肥管理有助于充分挖掘农田土壤的固碳潜力.从农田土壤固碳角度考虑, 有机无机肥配施为该地区较为适宜的施肥方式.在长期不同施肥措施下, 我国长江经济带地区农田土壤有机碳含量整体呈上升趋势, 无机氮肥磷肥配施(NP)、无机氮磷钾肥配施(NPK)、单独施用有机肥(O)和有机无机肥配施(NPKO)处理均能增加农田土壤的有机碳含量, 其中以NPKO处理为最大, 而单独施用无机氮肥(N)则会降低土壤有机碳含量.在不同的土壤类型下, 土壤有机碳含量的变化速率存在着一定的差异, 表现为：红壤＞潮土＞水稻土＞棕壤.从农田土壤固碳角度考虑, 有机无机肥配施为该地区较为适宜的施肥方式.

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