长期施肥条件下红壤性水稻土有机质特征及其与土壤质量的关系

【摘要】：本文以农业部望城红壤水稻土生态环境重点野外科学观测实验站长期肥料定位试验为平台,研究了双季稻(早稻—晚稻)种植制度下长期不同施肥制度对土壤有机质及其组分特征,有机质的动态变化,不同土层土壤有机碳特征,水稳性团聚体内有机碳分布以及土壤性质(物理、化学及生物化学性质)的影响；研究了长期不同施肥制度对水稻产量和可持续性的影响；探讨长期无机-有机肥配施下的稻田土壤有机质的演变规律及其生物效应；揭示了稻田土壤有机质与土壤质量的关系；为构建红壤性水稻土优化施肥结构和土壤培肥提供科学依据。主要研究结果如下： 在不同施肥制度下,土壤有机质总体上呈现出上升或者下降的趋势,但在不同年份间有波动。27年双季稻种植期间,CK和NP处理的有机质含量呈下降趋势,而NK、NPK、NK+PM(猪粪)、NP+RS(稻草)、NPK+RS处理呈上升趋势。NPK、NK+PM、NP+RS、NPK+RS处理土壤有机质处于稳定增长阶段,其提升量与施肥年限呈显著的直线正相关；施用氮、钾肥(NK)处理土壤有机质含量处于慢速增长阶段；不施肥(CK)处理和施用氮、磷肥(NP)处理土壤有机质含量随时间的推移呈明显下降趋势,其下降趋势与利用年限呈显著的直线负相关。氮磷钾长期平衡施用能提高土壤活性有机质含量,且有机-无机肥配施对活性有机质的累积效应大于单施化肥。 经过27年的种植,不同施肥处理之间土壤总有机碳(TOC)、易氧化有机碳(EOC)、微生物量碳(MBC)、轻组有机碳(LFOC)、胡敏酸碳(HA-C)和富里酸碳(HF-C)含量差异显著。有机无机配施(NK+PM、NP+RS、NPK+RS)处理的TOC、EOC、MBC、LFOC、HA-C和HF-C含量均显著高于相应的单施化肥(NK, NP和NPK)和无肥(CK)处理(p0.05)。不同组分活性有机碳占总有机碳的比例顺序为：MBC LFOC EOC。TOC与EOC(P0.01)和LFOC (P0.05)之间的相关性均达到显著水平。 在长期不同施肥制度下,不同施肥处理的各粒级水稳定性团聚体百分含量的差异明显。各处理耕作层水稳定性团聚体以5mmm粒径的团块含量最高,其次为0.25mm粒径团聚体。与CK处理相比,长期单施化肥(NP、NK和NPK)处理各粒级水稳性团聚体有机碳含量均出现降低,而无机肥与有机肥长期配施(NK+PM, NP+RS和NPK+RS)处理各粒级团聚体内有机碳含量显著增加。各处理不同粒级的水稳性团聚体有机碳对土壤有机碳贡献率均以5mm粒径最大(占54.31%),其次为0.25mm粒径的团聚体(占26.35%)。化肥与有机肥长期配施可提高水稳性团聚体稳定性,改善土壤团聚体的结构,提高各粒级团聚体内有机碳含量。 随土层的加深,不同施肥处理土壤有机碳、活性有机碳、高活性有机碳和中等活性有机碳含量均有较大幅度的降低,不同土层之间的有机碳、活性有机碳、高活性有机碳和中等活性有机碳含量差异显著。有机肥与无机肥长期配合施用能明显提高0～15cm和15～30cm土层的土壤有机碳含量,但对30～45cm土层的有机碳含量的作用不明显。各土层的活性有机碳、高活性有机碳和中等活性有机碳含量在不同处理之间差异显著,但土壤总有机碳仅在0～15cm土层各处理间差异显著,而在15～30cm和30～45cm土层中各处理间无明显差异。 在长期不同施肥制度下,各处理之间的土壤容重、土粒密度及土壤孔隙度等物理性质均存在显著差异。化肥与有机肥长期配施可显著地降低土壤容重和土粒密度,提高孔隙度；与不施肥(CK)处理相比,NP, NK和NPK处理团聚体平均质量直径(MWD)显著增加(p0.05),无机肥与有机肥长期配施的NK+PM,NP+RS和NPK+RS处理的MWD极显著增加(p0.01)；有机-无机肥配施促进了5-0.5mm水稳性团聚体的形成,有利于改善土壤物理质量和提高土壤结构稳定性。化肥与有机肥长期配施处理的土壤pH值比试前有所下降,电导率(EC)变化不大。化肥与猪粪、稻草配施处理的土壤TOC、全N、速效N、速效P均高于CK处理和相应的单施化肥处理,水稻产量也高于相应的单施化肥处理。NPK化肥长期均衡施用比非均衡施用NP、NK处理的土壤TOC、全N、速效P和速效K养分明显增加,但土壤pH、电导率变化差异不明显。NPK长期均衡施用的水稻产量和可持续产量指数(SYI)均高于非均衡施用的处理。化肥与猪粪或稻草长期配施能明显增强土壤脲酶、磷酸酶、转化酶和脱氢酶活性,为作物稳定高产创造良好的生物化学环境。土壤有机C、全N、速效N、速效P、土壤脲酶、磷酸酶、转化酶、脱氢酶及微生物量碳和微生物量氮与水稻产量呈显著或极显著正相关关系,可以作为评价土壤质量的有用指标。 土壤有机碳、各活性有机碳组分的含量与土壤容重、土粒密度和孔隙度均有一定的相关性,其中土壤TOC和MBC与这些物理性状相关性最强,表明土壤中易氧化有机碳和轻组有机碳的积累有利于土壤物理性状的改善。土壤有机碳、各活性有机碳组分与土壤化学性质的相关分析表明,土壤TOC、EOC、MBC和LFOC均与土壤的全氮、速效氮、可矿化氮、固定态铵和速效磷存在较强的正相关。土壤有机碳、各活性有机碳的积累同时也有利于改善土壤的生物学性质,土壤TOC、EOC、MBC和LFOC与土壤呼吸、土壤酶活性等生物学参数呈一定程度的相关。土壤有机碳及各活性有机碳组分与水稻产量和可持续产量指数(SYI)呈正相关关系,但仅LFOC与稻谷产量和SYI相关性达到显著水平(P0.05)。化肥与有机肥长期配施可促进水稻对N、P、K养分的吸收,土壤TOC、EOC、MBC和LFOC与水稻吸氮量、吸磷量和吸钾量均呈正相关关系。土壤有机碳及各活性有机碳组分与土壤质量指数SQI均呈正相关关系,其中EOC和LFOC与SQI的相关性达到显著水平(P0.05), TOC与SQI的相关性达到极显著水平(P0.01)。在南方红壤水稻种植区,化肥与有机肥长期配施明显改善土壤物理、化学环境和提高土壤生物活性,从而提高了土壤的综合质量。