长期施用有机物料对稻田生态系统服务功能的影响

全孝飞，颜晓元，王书伟，周伟

(1.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室,南京 210008；2.中国科学院大学,北京 100049）

长期施用有机物料对稻田生态系统服务功能的影响

全孝飞1，2，颜晓元1*，王书伟1，2，周伟1，2

(1.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室,南京 210008；2.中国科学院大学,北京 100049）

基于长期定位试验,测定稻田温室气体排放通量、土壤和糙米重金属、淋溶水中氮磷含量,收集整理水稻产量和土壤肥力长期数据,以研究长期施用有机物料对稻田生态系统服务功能的影响。选择净经济效益(NEB）作为生态系统服务功能的评价指标。研究结果表明.与单施化肥(F）相比,长期施用猪粪(FM）显著提高土壤有机碳、全氮、全磷和有效磷含量,秸秆还田(FS）显著提高土壤有机碳和速效钾,提高了全氮、全磷、速效氮和全钾,但差异不显著,说明长期施用有机物料可提高土壤肥力；FM和FS提高水稻平均产量分别达4.1%和4.3%；FS和FM显著增加CH4累积排放量,减少N2O排放,但差异不显著；FM和FS提高土壤有机碳固存率。与F和FS相比,FM降低了淋溶水中氮淋溶量,但显著增加了田面水磷含量和20 cm深淋溶水磷淋溶量,而对60 cm和80 cm深淋溶水磷淋溶量没有影响；FM显著提高土壤Zn、Cu和Cd含量,所有处理重金属含量均没有超过土壤环境质量二级标准,FM没有引起水稻糙米中重金属含量的累积。与F相比,FM增加NEB 5.2%,达到1 056.8元·hm-2。上述结果表明,20年尺度下,施用猪粪对稻田生态系统服务功能的正面影响远大于其所带来的负面影响,但随着猪粪施用时间的延长其负面效应可能进一步扩大,应引起重视。

有机物料；稻田；生态系统服务；净经济效益(NEB）

城郊关键带是一类具有城市和农村双重特性的特殊关键带［1］。由于区内畜禽养殖业发达,每年产生的大量畜禽粪便得不到有效处理,严重影响水体和空气质量；种植业产生的大量秸秆也得不到妥善处理,秸秆焚烧造成空气质量的恶化；同时以长期大量施用化肥为种植模式的农业生态系统导致城郊区土壤生态系统服务功能受到严重破坏［2］,因而用畜禽粪便替代部分化肥和秸秆还田等技术越来越受到重视。大量研究表明,畜禽粪便有机质含量高、养分全面、肥效长。一方面,能增加土壤有机碳库,改良土壤,提高土壤肥力,从而促进作物生长,提高作物产量和品质［3-4］；另一方面,可能会引起CH4等温室气体排放增加和地下水氮磷污染［5-6］。另外,由于畜禽粪便中含有大量重金属元素,施入土壤后可能导致土壤和作物重金属的累积［7］。单施化肥有可能造成土壤有机质的耗竭,秸秆可以作为碳源施入土壤,以补充土壤有机质,提高土壤肥力［6］。

现有研究表明,大部分长期定位试验中,施用有机肥后土壤重金属含量出现不同程度的累积［7］,而在短期试验中,施用两年有机肥并没有引起土壤中重金属的累积［8］。王美等［7］分析现有文献资料得出,长期试验中由于土壤重金属的累积,导致作物可食部位Cu、Zn、Pb含量比对照分别增加0.03～1.8、0.02～11.8、0.01～0.31 mg·kg-1；而在短期试验中,作物可食部分重金属含量相比对照有增有减。有机肥对产量的影响也有类似的现象［8-9］。这表明长期试验比短期试验更能真实地反映施用有机肥对作物产量、土壤重金属累积和作物可食部位重金属含量的影响,其数据更具有说服力。

因此,我们需要综合评价长期施用猪粪对生态系统服务功能的影响。农田生态系统服务功能是指农田生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用,其可归纳为生产功能(主要为提供农产品）、生态功能(调节温室气体、维持土壤肥力、土壤固碳、污染物控制、涵养水分、保持土壤、净化水质等）和生活功能(休闲娱乐与旅游观光）［10］。

然而,在我国城郊关键带的水稻栽培区,施用有机物料对产量、有机碳固定、土壤肥力、土壤和作物重金属含量、温室气体排放及淋溶水氮磷污染等方面的影响缺乏全面的监测——特别是缺乏长期试验监测数据,同时,施用有机物料会产生正负两方面的影响,但没有指标对各方面结果进行统一评估,使得处理之间结果没有可比性,阐释不清楚阐释不清楚长期施用有机物料对生态系统服务功能产生怎样的影响。本研究以始于1997年有机肥长期定位试验为载体,通过全面监测土壤和作物重金属含量、温室气体排放通量和淋溶水氮磷浓度,收集整理水稻产量、土壤有机碳和土壤氮磷钾含量等数据,用净经济效益指标评价长期施用有机物料对稻田生态系统服务生产功能和主要生态功能的影响(对基本不会因为本试验处理不同而改变的其他服务功能,如涵养水分、保持土壤等生态功能和生活功能,本试验设定各处理一样）,以期为相关评估提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2016年在中国科学院常熟农业生态试验站(31°32′45″N,120°41′57″E）排水采集器长期定位实验田进行。该站地处长江三角洲腹地——太湖流域,该区域为典型的城郊关键带区,属亚热带湿润气候,年平均降雨量1038 mm,年平均气温17.8℃,年日照1745 h,无霜期242 d。站区海拔3.2 m,地下水埋深80 cm左右。稻-麦轮作是其主要种植制度。供试土壤为湖积物发育而成的潜育型水稻土。表层0～20 cm土壤的基本理化性质(1997年测定）如下.有机碳10.5 g·kg-1,全氮1.1 g·kg-1,速效氮19.4 mg·kg-1,全磷0.54 g·kg-1,有效磷6.5 mg·kg-1,全钾19.3 g·kg-1,速效钾91.7 mg·kg-1。

1.2 试验设计及处理

该试验田始建于1997年,三个施肥处理分别为(1）常规施肥(F）,稻季施N 300 kg·hm-2,P2O548 kg· hm-2,K2O 120 kg·hm-2,麦季施N 230 kg·hm-2,P2O577kg·hm-2,K2O 90 kg·hm-2；(2）常规施肥加秸秆还田(FS）,施肥与F相同,每季增加秸秆还田量4.5 t·hm-2；(3）猪粪等氮替代部分氮肥(FM）,稻季施N 230 kg· hm-2,P2O536 kg·hm-2,K2O 90 kg·hm-2,麦季施N 160 kg·hm-2,P2O551 kg·hm-2,K2O 60 kg·hm-2,每季增加猪粪施用量为15 t·hm-2。有机肥用量均为鲜重,猪粪鲜样含水率为81.2%,猪粪重金属及营养元素含量见表1。该施肥方案从1997年开始实施。磷肥、秸秆和猪粪全作基肥一次施入；氮肥分3次施入,基肥、分蘖肥和穗肥比例为4∶2∶ 4；钾肥分两次施入,基肥和穗肥比例为1∶1。各处理3次重复,随机排列,共9个小区,每个小区面积为2 m×2 m=4 m2。每个小区等间距插秧100穴,试验小区之间用水泥埂隔开,并高出田面20 cm以减少侧渗和串流,灌溉水为自来水,除试验设计要求外,田间管理与试验站其他大田一致。供试水稻品种为南粳46号,水稻于2016年6月19日移栽,11月3日收获,3次施肥时间分别为6月19日、7月2日和8月9日。基肥撒施田面后耙地,使之与表土混合,两次追肥均为撒施。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 气样采集与分析

采用静态暗箱-色谱法连续观测稻田CH4和N2O排放通量。采气箱底座(横截面积50 cm×50 cm）长期埋于田间,底座内插有4穴水稻植株,槽密封。采气箱为PVC材料,箱体表面贴有海绵和铝箔以防止箱内温度变化过大,箱顶插入温度计；采气箱连接槽采样时需加水密封连接。为适应水稻生长,采气箱分为两种尺寸(50 cm×50 cm×50 cm和50 cm×50 cm×100 cm）。采样时间为上午8.00—11.00,扣箱后立刻用20 mL注射器采集第一个样品,以后每隔10 min采1次,共采样4次,采样结束立即带回实验室进行测定分析。采样频率为每周1～2次,施肥和烤田期加密采样。气体样品用Agilent 7890A气相色谱仪分析,CH4使用电子捕获(FID）检测器测定,N2O使用氢火焰离子化(ECD）检测器测定。检测器和柱箱温度分别为300℃和40℃,载气为高纯氮气,流速40 mL·min-1。所有样品2 d内测完。

1.3.2 水样总氮、总磷测定

在采集气体样品的同时,用塑料瓶采集田面水(0 cm）和20、60、80 cm土层渗漏水各100 mL,共采样31次。渗漏水通过排水采集器采集,在每个小区的20、60 cm和80 cm土层分别装有一个渗漏水采集盒(10 cm×15 cm×10 cm）,用不锈钢管(内径1 cm）连接导出,其末端接上医用输液管(内径0.4 cm）以便采样。每次采样时,应放干渗漏水采集盒里面残留的水。具体采集方法参考文献［11］。样品带回实验室过0.45 μm滤膜,用碱性过硫酸钾消解后,用全自动间断化学分析仪(Smartchem 140,WESTCO,法国）测定水样总氮和总磷,所有样品放入4℃冰箱保存并在一周内测完。

1.3.3 土壤、猪粪和糙米重金属测定

土壤中全量重金属(Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As）采用HF-HNO3-HCl微波消解法,猪粪和糙米中全量重金属采用HNO3-HClO4-HCl三酸消煮法,消煮液用ICP-OES测定。猪粪全碳、全氮及重金属含量如表1所示。

1.3.4 水稻产量及土壤肥力测定

水稻收获时田间实际测产,各小区于每年晚稻收获后,按“S”形取样法取5个点,取0～20 cm土层混合样,自然风干后过20目筛,用于土壤肥力测定。土壤肥力数据(有机质、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾等）由中国科学院南京土壤研究所分析中心检测,同时收集1997年以来该试验田水稻产量数据(由中国科学院常熟农业生态试验站提供）。

1.4 数据处理

1.4.1 气体排放通量

温室气体排放通量计算公式如下.

式中：F为CH4或N2O排放通量,mg·m-2·h-1；ρ为标准状态下CH4或N2O-N密度,其值分别为0.714 kg·m-3(CH4）和1.25 kg·m-3(N2O-N）；h为采样箱高度,m；dc/dt为单位时间内CH4或N2O的浓度变化率,μL·L-·1h-1；T为采样箱内的平均温度,℃。

表1 猪粪重金属及养分含量Table 1 Contents of heavy metals and nutrients of pig manure

1.4.2 气体累积排放量

温室气体累积排放量计算公式如下.

式中：A为CH4或N2O累积排放量,kg·hm-2；Fi为第i次采样CH4或N2O-N排放通量,mg·m-2·h-1；di+1-di为两次采样测定时间间隔,d。

1.4.3 土壤有机碳固定

土壤有机碳(SOC）含量是用土壤有机质含量除以换算系数1.724所得,土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定。土壤有机碳密度(SOCD,kg C·hm-2）及有机碳固定速率(SOCSR,kg C·hm-2·a-1）计算公式［12］如下.

式中：SOC为土壤耕作层(0～20 cm）有机碳含量,g C· kg-1；ρ为土壤容重(1.13 g·cm-3）；H为耕作层深度(20 cm）；SOCD2016和SOCD2017分别代表试验最终和最初的SOCD；t为试验时间(20 a）。

1.4.4 净全球增温潜势

CH4或N2O在100 a尺度的综合增温效应采用IPCC推荐的综合增温潜势计算,全球增温潜势(GWP,kg CO2-eq·hm-2·a-1）和净全球增温潜势(NGWP,kg CO2-eq·hm-2·a-1）计算公式［13］如下.

式中：ACH4

和AN2O分别代表CH4和N2O累积排放量；25和298分别代表CH4和N2O在100 a尺度上相对CO2的增温潜势的倍数；公式(5）中44和28分别代表N2O和N的摩尔质量,g·mol-1；公式(6）中44和12分别代表CO2和C的摩尔质量,g·mol-1。

1.4.5 净经济效益

FM和F处理的净经济效益(NEB,元·hm-2）,计算公式［14］如下.

式中：Y为水稻产量,kg·hm-2；Pr为水稻市场价格,近几年常熟水稻价格2.7元·kg-1；Ri为化肥i(以N、P2O5、K2O计）施用量,Pi为化肥i(以N、P2O5、K2O计）价格,分别为4.8、5.8、5.3元·kg-1；Pd为碳交易价格, 0.15元·kg-1CO2-eq［14］；Pf为多出的施肥成本,本试验只有施猪粪处理有该成本,取560元·hm-2(一次化肥施肥为375元·hm-2,猪粪会需要更多劳动力,合理扩展1.5倍即为施猪粪成本）［15］；公式最后一部分代表治理富营养化成本,LN、LP(kg·hm-2）分别为80 cm深淋溶水总氮和总磷淋溶量(详细计算方法参考文献［16］）,本试验淋溶速度取5 mm·d-1［17］；s和t为LN和LP转化成等当量PO4的系数,分别为0.42和3. 06；Pm为治理PO4价格,4.26元·kg-1PO4-eq［13］。

1.5 数据处理

本文试验数据均用Excel 2010进行统计,Origin 9.0作图,SPSS 19.0进行方差分析和T检验,用Ducan法检验各处理之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 长期施用有机物料对土壤肥力的影响

表2为各处理连续施肥20年后土壤养分含量状况。该表表明,与F相比,FM处理显著提高土壤有机碳、全氮、全磷和有效磷含量,各养分含量分别提高了39.3%、33.5%、197.5%和320.6%,亦提高了速效氮含量,但差异不显著,对全钾和速效钾没有影响；与F相比,FS处理显著提高了有机碳和速效钾含量,分别为18.2%和18.7%,全氮、全磷、速效氮和全钾各养分含量分别提高了13.9%、7.1%、22.9%和5.8%,但差异不显著,对有效磷没有影响。这说明长期施用有机物料能提高土壤肥力。

表2 长期施用有机物料对土壤肥力的影响Table 2 Effect of long-term application of organic materials on soil fertility

2.2 长期施用有机物料对水稻产量的影响

图1 长期施用有机物料对水稻产量的影响Figure 1 Effect of long-term application of organic materials on grain yield

图1表明,各处理水稻产量年际间变化较大,但随试验时间所呈现的变化趋势一致。与F处理相比, FM和FS处理均提高水稻产量,但各处理在统计上没有显著差异,20年平均增产分别达到4.1%和4.3%, F、FM、FS处理产量分别为8 529.5、8 882.2和8 894.8 kg·hm-2。说明长期施用有机物料可以使水稻增产。

2.3 长期施用有机物料对温室气体排放和净全球增温潜势的影响

图2 长期施用有机物料对稻田CH4和N2O排放通量的影响Figure 2 Effect of long-term application of organic materials on CH4and N2O fluxes

对CH4排放特征分析得出,各处理排放通量季节变化趋势一致(图2a）。CH4季平均排放通量大小顺序为FS＞FM＞F,其值依次为5.2、5.0、3.1 mg·m-2·h-1。与F处理相比,FM和FS处理显著增加了稻田CH4累积排放量(表3）,大小顺序为FS＞FM＞F,其值依次为169.6、163.4、102.6 kg·hm-2。CH4排放主要集中在烤田前期,烤田结束重新灌水后,CH4排放也没有恢复到烤田前水平。

图2b为稻田N2O排放通量变化特征。由图可知,各处理排放季节变化趋势一致,N2O平均排放通量大小为F＞FS＞FM,其值依次为32.1、28.0、27.4 μg·m-2· h-1。与F处理相比,FS和FM处理均减少了N2O累积排放量(表3）,但各处理之间差异不显著,大小顺序为F＞FS＞FM,其值依次为1.05、0.92、0.89 kg N2O-N· hm-2。

表3表明,与F处理相比,FM和FS显著提高了全球增温潜势,F、FM和FS处理分别为3 056.8、4 503.4和4 669.6 kg CO2-eq·hm-2·a-1。秦晓波等［6］在湖南望城长期定位试验点也得到相同的结果。然而,与F处理相比,FM和FS处理显著增加了有机碳固定速率(表3）；与FS相比,FM显著提高了土壤有机碳固定速率,说明施用有机物料比单施化肥更快地增加土壤有机碳库。

由公式(6）计算FM、F和FS处理的净全球增温潜势分别为1 320.7、1 994.2和2 626.4 kg CO2-eq·hm-2· a-1,均为正值,即从土壤输出CO2-eq到大气中,表现为温室气体的源。与FM处理相比,FS处理显著提高了净全球增温潜势,各处理该值大小顺序为FM＜F＜FS,表明施猪粪处理对全球温室效应的贡献最小。

2.4 长期施用有机物料对土壤和糙米重金属含量的影响

图3a表明,在试验20年后,与F相比,FM处理显著增加耕层土壤Zn、Cu和Cd含量,含量分别增加了55.4%、61.1%和48.5%；与FS相比,FM处理也显著增加土壤Zn、Cu和Cd含量,含量分别增加了43.6%、58.9%和71.4%；施用猪粪对As、Cr、Ni和Pb含量则没有影响。所有处理重金属含量均没有超过国家《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995）二级限值。虽然FM处理中土壤Zn、Cu和Cd含量较高,但是并没有引起水稻糙米中重金属含量的累积,各处理间重金属含量没有差异(图3b）,也没有超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 27673—2012）中糙米重金属含量标准允许范围。

2.5 长期施用有机物料对氮、磷淋溶的影响

表4结果显示,与F和FS处理相比,长期施用猪粪能显著降低20、60 cm和80 cm深土壤全氮淋溶量,降低表层田面水中全氮含量,但处理间差异不显著。这表明长期施用猪粪减少氮的淋溶损失,从而降低了氮污染风险。长期施用猪粪显著增加了田面水磷含量和20 cm深淋溶水磷淋溶量,而对60 cm和80 cm深淋溶水全磷淋溶量没有影响。这表明长期施用猪粪增加了田面水和浅层淋溶水磷污染风险,而对深层淋溶水磷淋溶污染没有影响。

2.6 长期施用有机物料对净经济效益的影响

表5结果表明,由公式(7）计算得出FM和F处理每公顷净经济效益分别为21 422.5元和20 365.7元。通过T检验表明,FM和F处理之间的产量效益、净全球增温潜势成本、富营养化成本和净经济效益都没有显著差异。与F处理相比,FM处理产量收益增加952元·hm-2,肥料成本减少564.6元·hm-2,净全球增温潜势成本减少101元·hm-2,富营养化成本减少1.5元·hm-2,但增加了一次施猪粪的成本560元· hm-2,从而使净经济效益增加5.2%,达到1 056.8元· hm-2。以上结果表明,农田长期施用猪粪可减少城郊关键带畜禽粪便污染,减少化肥施用,增加产量,减小净全球增温潜势,且不增加60 cm和80 cm深淋溶水氮磷污染风险,最后实现净经济效益的增加。

3 讨论

3.1 长期施用有机物料对土壤肥力和产量的影响

很多研究表明,与施用化肥相比,猪粪等有机肥与化肥配施可以显著提高土壤有机碳含量和氮磷钾含量［8-9］。这是因为猪粪含有大量的有机质和氮磷钾元素,与单施化肥相比,有机无机配施输入了更多的外源碳和氮磷钾,促进了土壤有机碳和氮磷钾的累积［13］。作物的产量与土壤养分的供应过程密切相关,有机无机配施能改善土壤养分供应过程,使土壤养分平稳释放。与单施化肥相比,有机无机配施能显著提高土壤的有机碳和氮磷钾养分含量,从而提高作物产量［9］。本试验中,与F相比,FM没有增加土壤中全钾含量,这可能是因为FM比F每年少施钾肥(K2O计）60 kg· hm-2,猪粪中含有的钾只能弥补少施的钾肥,并无多余的钾积累。

表3 长期施用有机物料对净全球增温潜势的影响Table 3 Effect of long-term application of organic materials on net global warming potential

图3 长期施用有机物料对土壤和糙米重金属含量的影响Figure 3 Effect of long-term application of organic materials on the contents of soil and brown rice heavy metals such as Zn,Cu,Cd,Cr,As,Pb and Ni

表4 长期施用有机物料对氮、磷淋溶的影响Table 4 Effect of long-term application of organic materials on nitrogen,phosphorus leaching

表5 长期施用有机物料对净经济效益的影响(元·hm-2）Table 5 Effect of long-term application of organic materials on net economic benefit(yuan·hm-2）

2016年FM、F和FS处理的有机碳含量比1997年的10.5 mg·kg-1增加了73.4%、24.5%和47.1%。兰宇等［18］在沈阳的长期定位试验也有类似现象,有机无机配施更有利于土壤有机碳的增加。当然,在长期施肥条件下,土壤对碳的固存并不会无限增加,而是存在一个最大的保持容量,即饱和水平,当土壤有机碳达到饱和水平时,外源碳的增加将不再增加土壤碳库。

值得注意的是,FM处理有效磷含量从1997年的6.5 mg·kg-1,增加到2016年的115.4 mg·kg-1,带来了很大的环境风险。从表4可知,与F和FS相比,FM处理显著增加田面水中磷含量,这表明,FM处理通过径流带走有效磷的风险增加,在以后的试验中应引起注意,猪粪的施用量需要调整。同时,FM、F和FS处理的速效氮含量从1997年的19.4 mg·kg-1,分别增加到2016年的213.7、174.3 mg·kg-1和214.2 mg·kg-1,增加了通过径流带走速效氮进而污染环境的风险,这表明目前的施氮量是超量的,以后的试验中应调整各处理的施氮量,减少氮损失。

3.2 长期施用有机物料对重金属的影响

大多数研究结果表明施用畜禽粪便类有机肥增加了土壤中Zn和Cu等重金属含量［7,9］,这是因为畜禽粪便中含有大量Cu、Zn和Cd等重金属,长期施用导致土壤重金属的累积,而这些重金属主要来原于饲料添加剂的过量使用。因此,减少饲料添加剂的滥用对于猪粪在农田生态系统中的应用非常重要。另外,有研究表明无机酸和超声处理均可去除猪粪中Cu、Zn和Cd等重金属［19］,以后的研究可以考虑在实验中施用去除重金属的猪粪,以减少土壤重金属的累积。

有研究表明施用畜禽粪便类有机肥增加了植物中Zn和Cu等重金属含量［5,7］,本研究中施用畜禽粪便类有机肥并没有引起水稻糙米中重金属含量的累积,这可能是由于本试验所用水稻品种是Cu、Zn和Cd等重金属低积累的品种。曹方彬［20］分析了浙江省144份水稻品种(系）的籽粒重金属含量,表明品种间存在显著差异,并筛选到可在中、轻度污染地区种植的籽粒重金属低积累水稻品种(系）嘉优08-1和春优689。

3.3 长期施用有机物料对温室气体排放及净全球增温潜势的影响

大多数研究结果表明施用有机肥会增加稻田

CH4排放［5,12,21］,如王聪等［21］研究结果表明,有机无机配施CH4排放较单施化肥处理显著提高了43.5%。CH4是在严格厌氧条件下产甲烷菌作用于产甲烷基质的结果,充足的产甲烷基质和适宜的产甲烷菌生长环境是CH4产生的先决条件,施用有机肥增加稻田CH4排放的主要机理是.一方面有机肥为产甲烷菌提供了大量的产甲烷前体基质；另一方面,稻田长期淹水条件下有机肥的快速分解加速稻田氧化还原电位(Eh）的下降,为土壤产甲烷菌提供了适宜的生长条件,从而促进稻田CH4的排放［22］。

目前,有机无机配施对稻田N2O排放的影响并没有统一的结论。一方面,有机肥不仅为土壤提供充足的氮源和碳源,且可提供更多的其他土壤养分,而有较高C/N的有机肥在腐解过程中微生物活动能够消耗土壤中的少量氧气,造成局部厌氧环境而有利于反硝化作用进行,最终导致N2O排放的增加；另一方面,高C/N的秸秆等有机肥料在腐解过程中产生的化感物质会抑制土壤反硝化等相关的微生物活性,进而导致土壤N2O排放减少［23］。因此,有机肥施用对土壤N2O排放影响的机理需进一步深入研究。

在农业生态系统中增加土壤有机碳固定对减缓全球温室气体排放非常重要。表3表明FM对全球温室效应的贡献最小。这主要是因为施猪粪比其他处理固定了更多的土壤有机碳,从而抵消了更多的CH4和N2O的增温效应。与单施化肥相比,长期秸秆还田显著增加CH4排放和土壤有机碳固定率,但是由秸秆引起的CH4排放增加量是土壤有机碳固定率增加量的3.21～3.92倍［13］,导致稻田CH4排放的增加,这与我们的试验结果相符。为了避免秸秆直接还田导致稻田CH4的大量排放,秸秆的前处理就显得很重要,比如秸秆好氧腐解。有研究表明与秸秆直接还田相比,秸秆好氧腐解能显著减少CH4排放,提高土壤质量和增加产量［24］。

3.4 长期施用有机物料对淋溶的影响

长期施用猪粪可减少氮的淋溶损失,从而降低氮污染风险。可能的原因有以下两点.一方面,与无机氮施肥后立即体现有效性不同的是,猪粪中的氮是逐渐矿化释放出来的,猪粪替代部分化肥减少施肥初期的氮淋溶损失基质［25］。另一方面,猪粪替代部分化肥增强了微生物对矿质态氮的固定,增加了土壤氮存留,从而减少氮淋溶损失［26］,特别是在作物生长早期通过植物根系吸收氮受限制时效果更明显。长期施用猪粪增加了田面水和浅层淋溶水P污染风险,而对深层淋溶水P淋溶污染没有影响。王少先等［27］在南昌的水稻-油菜轮作系统水稻季也观察到类似现象,与纯施化肥相比,施猪粪处理显著提高田面水磷含量,但100 cm深淋溶水磷含量各处理间没有差异。这可能是由于磷在土壤中主要靠扩散作用而移动,磷肥施到土壤后易被土壤固定,移动很困难［28］。

3.5 长期施用有机物料对净经济效益的影响

通过统一标准评价施用有机物料对净经济效益影响方面的研究目前还比较缺乏。廖义善等［29］研究表明,与常规施化肥相比,有机无机配施可以使水稻增产9%,减少总氮和总磷流失量分别达30.0%和69.2%,最后增加收入2716元·hm-2,其经济效益、环境效益俱佳。但是该研究并没有考虑温室气体排放和富营养化等对环境的影响。在以后的研究中,还应考虑稻田氨挥发、径流等过程,从而更全面地认识长期施用有机物料对稻田净经济效益的影响。

4 结论

(1）长期施用有机物料可以提高土壤肥力,增加水稻产量,提高土壤有机碳固定率,增加CH4排放通量,对N2O排放没有影响。与纯施化肥相比,施用猪粪可降低净全球增温潜势。

(2）连续20年施用猪粪显著提高土壤Zn、Cu和Cd含量,对As、Cr、Ni和Pb含量没有影响；没有造成水稻糙米中重金属含量的累积；降低了淋溶水氮淋溶损失和污染风险；显著增加了田面水磷含量和20 cm深淋溶水磷淋溶量,而对60 cm和80 cm深淋溶水全磷淋溶量没有影响。

(3）通过统一的评估方法得到结果显示,长期施用猪粪比单施化肥增加净经济效益5.2%,达到1 056.8元·hm-2。综上,在20年尺度下,施用猪粪所带来的益处远大于其带来的坏处,对稻田生态系统服务功能产生正面影响。当然,随着试验年限的增长,其负面效应有可能会加强,其对生态环境的综合影响还需更长时间的监测试验来评价。

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Effects of long-term application of organic materials on the ecosystem services of paddy fields

QUAN Xiao-fei1,2,YAN Xiao-yuan1*,WANG Shu-wei1,2,ZHOU Wei1,2
(1.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）

There are many individual studies on the effects of long-term application of organic materials on ecosystem services of paddy fields in terms of grain yield,greenhouse gas emissions,heavy metals,and nitrogen and phosphorus leaching,but few have comprehensively monitored or assessed the effects with a comprehensive index.We examined greenhouse gas emissions,heavy metal accumulation in soil,nitrogen and phosphorus leaching,rice yield,and soil fertility data from a 20-year(1997—2016）experiment to explore the effects of three different treatments,namely chemical fertilizer application(F）,pig manure plus chemical fertilizer application(FM）and straw plus chemical fertilizer application(FS）,on the ecosystem services of paddy fields.The net economic benefit(NEB）was chosen as a key index for evaluating ecosystem services.Compared to F,FM significantly(P＜0.05）increased the contents of soil organic carbon(SOC）,total N,total P,and available P.FS significantly(P＜0.05）increased the contents of SOC and available K.In addition,FS and FM consistently increased rice yield by 4%.FS and FM increased CH4emission and annual SOC sequestration rate and decreased N2O emission.Moreover,compared to Fand FS,FM decreased the N load in percolating water and significantly increased the P concentration in surface water and P load in percolating water at 20 cm depth,while water at 60 cm and 80 cm was not affected.FM also significantly(P＜0.05）increased the contents of zinc,copper,and cadmium in soil,but all of the heavy metals did not exceed the Soil Environmental Quality StandardⅡ.FM did not cause the accumulation of heavy metals in brown rice,indicating that the contents of the heavy metals in brown rice were within safe limits.Compared to F,FM increased the NEB by about 5.2%(1 056.8 yuan·hm-2）.Taken together,our results suggest that the positive effects of pig manure on ecosystem services of paddy fields outnumbered its negative effects at a timescale of 20 years.

organic materials;paddy field;ecosystem services;net economic benefit(NEB）

X592

A

1672-2043(2017）07-1406-10

10.11654/jaes.2017-0401

全孝飞,颜晓元,王书伟,等.长期施用有机物料对稻田生态系统服务功能的影响［J］.农业环境科学学报,2017,36(7）.1406-1415.

QUAN Xiao-fei,YAN Xiao-yuan,WANG Shu-wei,et al.Effects of long-term application of organic materials on the ecosystem services of paddy fields［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1406-1415.

2017-03-20

全孝飞(1991—）,男,四川达州人,硕士研究生,主要研究方向为碳氮循环与全球变化。E-mail:quanxiaofei@issas.ac.cn

*通信作者：颜晓元E-mail:yanxy@issas.ac.cn

国家自然科学基金项目(41571130062）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China(41571130062）