论文部分内容阅读
粮食安全是当今全球面临的重大挑战之一,然而现代农业生产往往忽视了对土壤质量和生态环境产生的负面影响,研究农业措施的长期效果是关乎农业可持续发展的重要课题。本研究以中国科学院湖南桃源农业生态试验站始于1990年的长期定位施肥试验为研究对象,探讨长期不同施肥制度下双季稻产量和土壤肥力变化趋势、土壤固碳潜力以及温室气体CH4、N20排放与NH3挥发的规律。试验处理如下：①不施肥（CK）；②施用常量化学N、P肥（NP）；③施用常量化学N、K肥（NK）；④施用常量化学N、P、K肥（NPK）；⑤施用常量化学N、P、K肥+全量秸秆还田+绿肥（FOM）；⑥2/3化学N、P肥+1/3化学K肥+1/2秸秆还田+绿肥（ROM）。具体结果如下：1.1990-2009年,不平衡施肥处理（NP和NK）的早稻和晚稻平均产量分别比对照处理（CK）增加9.2-64.2%和13.6-30.6%。与对照相比,NPK处理的早稻和晚稻产量增加90.2%和46.4%。有机无机配施处理（FOM和ROM）的早稻和晚稻产量分别比对照增加89.6117.4%和47.6-53.5%。早稻和晚稻的产量均随土壤综合肥力指数的增加呈极显著线性增加的趋势。长期不施肥导致土壤综合肥力显著下降（P<0.05）。与试验前相比,2009年NPK、FOM和ROM处理的土壤综合肥力比试验前显著增加（P<0.05）,并达到高肥力水平（0.723-0.787）。不平衡施肥条件下土壤综合肥力指数没有显著增加。土壤磷的有效性是限制水稻增产的关键因素,其中施磷肥处理（NP、NPK、FOM和ROM）的早稻产量呈显著增加的趋势（P<0.05）,而不施磷处理（CK和NK）在早稻和晚稻季均无增加趋势。2.1990-1996、1997-2005和2006-2009年,除CK处理外,所有施肥处理的土壤氮素表观平衡均呈盈余状态,但是氮素盈余量在不同年份变化较大,主要受氮肥投入和作物养分吸收年际变化的影响。FOM和ROM处理氮素表观盈余量在所有年份均高于NP和NPK处理。长期不施用磷肥会导致NK处理的表观磷亏缺程度比CK更加严重。各施磷处理（NP、NPK、FOM和ROM）的土壤磷表观平衡均呈盈余状态,其中1990-2005年FOM处理的磷素盈余量最高,2006-2009年NP处理最高。NP处理在各阶段土壤磷素盈余量均高于NPK处理,主要由于不平衡施肥导致NP处理的作物养分吸收量下降。不施钾处理（NP和CK）的土壤钾素表观亏缺表现为逐渐下降的趋势,主要由于水稻植株的钾吸收量下降。施钾处理（NK、NPK、FOM和ROM）的土壤钾素表观平衡在不同年份波动较大,仅FOM处理在所有阶段均处于盈余状态,且盈余量随着钾肥施用量的不断增加而增加。ROM处理一直处于亏缺状态,但亏缺量逐渐降低。NK和NPK在1990-1996年处于亏缺状态,1997-2005和20062009年处于盈余状态,且盈余量逐渐增加。此外,由于NK的养分吸收量明显低于NPK处理,前者的钾素表观平衡量明显高于后者。3.19992009年双季稻系统耕层土壤有机碳（SOC）含量呈逐渐增加的趋势,其中2007-2009年SOC平均含量为0.49-0.80g C kg-1yr-1.CK和NK处理耕层SOC含量饱和值为21.1-22.1g C kg-1,NP和NPK处理为24.5-26.4g C kg-1,而有机无机配施处理（FOM和ROM）为37.5-7.2g C kg-1.2007-2009年,CK处理耕层土壤固碳速率为0.96Mg C ha-1yr-1,其他施肥处理的土壤固碳速率为1.01-1.43Mg C ha-1yr-1.2009年双季稻系统耕层土壤碳储量为36.4-48.2Mg Cha-1,比1999年高15-30%。4.2007-2009年早稻季和晚稻季田间NH3挥发损失平均分别为12.8-27.3kg Nha-1和17.3-32.7kg N ha-1,分别占施氮量的9.2-33.6%和17.8-32.2%。NH3挥发速率随着田间水层NH4+浓度的增加呈显著增加的趋势（P<0.01）。长期施肥可以显著增加双季稻系统NH3挥发（除早稻季ROM和CK处理间没有显著差异外）。与NPK处理相比,长期不平衡施肥导致累积NH3损失进一步增加。在平衡施用无机肥的基础上增施有机肥（FOM）也可以促进NH3挥发的增加。然而,有机肥替代部分无机化肥（ROM）条件下可以减少NH3挥发损失。NP和NK处理NH3挥发的增加与长期不平衡施肥导致水稻植株氮吸收显著下降有很大关系。5.2006-2009年稻田CH4排放受施肥和环境条件的影响,具有明显的季节变化规律。除晚稻生育后期外,整个双季稻种植季田间均处于淹水状态。早稻季气温逐渐升高,CH4排放在生育前期缓慢增加,生育中后期出现12个排放峰,到生育末期缓慢下降。晚稻季气温逐渐降低,CH4排放表现为先升高后降低的变化趋势,在生育初期CH4排放达到全年最高峰。尤其是有机无机肥配施处理（FOM和ROM）在晚稻移栽后1-2周内出现极为显著的CH4排放峰。晚稻季CH4累积排放通量比早稻季高113-157%,达到显著差异水平（P<0.01）。非水稻种植季田间无水层覆盖,加之气温较低,几乎观测不到CH4排放。CH4年累积排放通量范围为621-1175kg CH4ha-1（CK处理最低,FOM处理最高）。长期施肥可以增加稻田CH4排放通量。与对照处理相比,FOM和ROM处理下全年CH4累积排放通量分别增加89.8%和73.9%。单施化肥处理（NP、NK和NPK）全年CH4累积排放通量较低,仅比对照增加4.427.8%。6.2006-2009年水稻种植季淹水稻田表现为典型的大气N2O微弱的源或汇；非水稻种植季稻田不施肥,但没有水层覆盖,N20排放通量相对较高。N20年累积排放通量范围为1.15-4.11kg N2O-N ha-1（CK最低,FOM最高）。长期施肥对稻田N20排放的季节变化模式无明显影响,但影响其排放量。与对照相比,FOM和ROM处理的全年N20累积排放通量分别增加257%和193%。单施化肥处理的全年N20累积排放通量比对照增加68-158%。7.全年净综合温室效应和温室气体强度的平均变化范围分别为12587-26066kg CO2-equivalent ha-1yr-1和1.35-2.06CO2-equivalent kg-1grain yield yr-1。长期有机无机配施处理（FOM和ROM）可以显著增加全年净综合温室效应,主要由于淹水条件下有机肥的施用促进CH4的大量排放。与对照相比,NP和NPK处理具有较低的温室气体强度,而FOM和ROM处理较高。以上研究表明（1）双季稻产量变化趋势受施肥管理措施和土壤肥力变化的显著影响。（2）土壤养分投入和产出的动态平衡不仅受肥料运筹的影响,而且受植株养分吸收的影响,平衡施肥需要考虑生产力的变化（3）双季稻系统耕层有机碳储量呈逐渐增加的趋势。与单施化肥相比,增施秸秆和绿肥等有机物质的施用可以进一步促进土壤固碳。（4）稻田NH3挥发受施肥量和施肥方式的影响。长期平衡施肥可以促进水稻植株氮吸收,减少双季稻系统NH3挥发。（5）稻田CH4和N20排放具有明显的季节变化规律。长期施用化肥不仅可以增加水稻季CH4排放,而且促进非水稻种植季N20的排放。有机肥的施用可以显著增加淹水条件下水稻种植季的CH4排放,导致温室气体强度的增加；平衡施用化肥（尤其是磷肥的施用）可以减缓温室气体强度。因此,为同步实现较高的作物产量和较低的温室气体强度,双季稻系统可采取以下农业管理措施：平衡施肥（尤其是磷肥的施用）、水稻种植季中期烤田替代持续淹水、非水稻种植季秸秆还田替代水稻种植季施用秸秆等。但上述农业措施在双季稻系统中的实际效果,在以后研究中需要进一步验证和探讨。