一、研究背景及目的
土壤有机碳（SOC）既是衡量土壤肥力的重要指标，也是陆地生态系统碳汇的关键组成部分。其流失会转化为温室气体排放源，因此近几十年来，SOC与大气间的复杂相互作用备受关注。研究发现，氮素状况能调控SOC动态，表明SOC与全氮（N）含量存在密切关联。
氮素通常被视为作物生长发育最关键的土壤养分限制因子，因此化学氮肥对保障作物高产和粮食安全至关重要。然而，过量施用化学氮肥会引发土壤酸化、加剧氮素盈余积累、降低氮肥利用率（NUE），并加速土壤氮素流失。化学氮肥（如尿素）因可能加剧氮素损失和全球变暖效应，在近几十年对粮食作物增产的贡献度受到质疑。相比之下，有机粪肥替代化学肥料因能通过维持土壤有机碳库提升土壤肥力、作物产量和氮肥利用率，同时减少N2O排放并促进环境安全。这种替代效应主要源于有机肥料矿化过程中释放的结合态氮促进了作物总吸氮量增加。
中国亚热带地区以稻–稻轮作为主。但土壤肥力低下与酸化问题严重制约了碳固存率（CSR）和氮肥利用率。研究表明，在改善土壤肥力和有机碳含量条件下，作物产量和氮肥利用率同步提升，证实了土壤有机碳积累与氮肥利用率的密切关联。虽然有机肥替代化学肥料已被公认为降低施氮量、提升碳固存和改善氮肥利用率的标准措施，但中国南方稻–稻轮作系统中不同替代比例对作物产量、CSR和氮肥利用率的长期影响仍不明确。因此，本研究提出假设：长期有机肥替代化学肥料比单施化肥更能有效提升CSR和NUE。具体研究目标包括：(1)评估不同施肥处理对水稻产量、CSR和氮肥利用率的长期影响(2)确定中国南方稻–稻轮作系统的最佳有机肥替代比例。
二、试验设计
试验在中国江西省南昌县江西省农业科学院科研农场（28°57′N、115°94′E，海拔25米）启动。该实验包含五种不同的长期施肥处理：（1）NPK0，不施肥对照；（2）NPK1，100%化学氮磷钾肥；（3）NPKM1，70%化学氮磷钾肥和30%有机肥；（4）NPKM2，50%化学氮磷钾肥和50%有机肥；（5）NPKM3，30%化学氮磷钾肥和70%有机肥。这些处理采用随机完全区组设计。每个处理重复三次，共设15个小区，小区之间用水泥矮墙隔开。表1列出了早稻和晚稻期间所有施肥处理的氮磷钾施用量。化学肥料以三种不同比例（即30%、50%和70%）被有机肥替代。尿素分三次施用：50%作为基肥、25%作为第一次追肥、25%作为第二次追肥。氯化钾分两次平均施用。移栽前，磷酸二氢钙和新鲜猪粪作为基肥施用。早稻季的有机肥为紫云英，晚稻季的化学肥料被猪粪替代。
三、结果与分析
图1 长期不同施肥处理对双季稻早稻和晚稻籽粒产量的影响
不同的长期施肥处理对水稻产量有显著影响。在早稻季中，NPKM1、NPKM2和NPKM3 处理下的水稻产量显著高于NPK0和NPK1处理。与NPK0相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理下的早稻产量分别提高了103%、100%和107%；与NPK1相比，分别提高了7.3%、5.5%和9.1%。而在晚稻季中，NPK1、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理下的水稻产量无显著差异，但均显著高于NPK0处理。与NPK0相比，NPK1、NPKM1、NPKM2和NPKM3处理下的晚稻产量分别提高了82.1%、82.3%、85.7%和85.9%。
表2 1984-2018年不同长期施肥处理对土壤容重（BD）、全氮（TN）、全磷（TP）含量及土壤pH的影响
不同的长期施肥处理对土壤容重有显著影响。与对照和单施化肥处理相比，施用有机肥处理的土壤容重显著降低。然而，在施用有机肥的处理中，NPKM2和NPKM3的土壤容重显著低于NPKM1。不同长期施肥处理对土壤pH值、全氮、全磷和化学计量比有显著影响。NPK0、NPK1、NPKM2和NPKM3处理下的土壤pH值显著高于NPKM3。土壤全氮和全磷含量在各处理间存在差异。与NPKM3相比，NPK0、NPK1、NPKM1和NPKM2处理下的土壤全氮含量分别降低了31.1%、17.0%、8.5%和5.1%。
表3 1984–2018年不同长期施肥处理对土壤养分化学计量比（C:N:P）及酶活性几何平均数（GMea）的影响
与NPK0相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处的土壤全磷含量分别增加了118%、134%和157%。同样，与NPK1相比，则分别增加了22%、30%和43%。NPKM1、NPKM2和NPKM3处的土壤碳氮比高于NPK0和NPK1处。相反，NPK0和NPK1处的土壤碳磷比和氮磷比高于NPKM1、NPKM2和NPKM3处。不同长期施肥处理对GMea有显著影响。NPKM1、NPKM2和NPKM3处的GMea值显著高于NPK0和NPK1处。GMea值随着替代率的增加而增加
表4 1984–2018年耕层土壤有机碳含量（SOC）、土壤碳储量（SOCs）、碳封存速率（CSR）及年碳输入量
不同的长期施肥处理对土壤有机碳含量、土壤有机碳储量、固碳速率和碳输入量均有显著影响。不同施肥处理下的土壤有机碳含量在13–20g/kg之间变化，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理下的土壤有机碳含量显著高于NPK0和NPK1处理。与NPK0相比，NPKM1、NPKM2和NPKM3处理下的土壤有机碳含量分别增加了38%、32%和54%。同样，与NPK1相比则分别增加了13%、19%和25%。土壤有机碳储量的变化趋势与土壤有机碳含量相似。与NPK0相比，NPKM1、NPKM2 和 NPKM3处理下的土壤有机碳固存速率分别增加了 175%、181% 和 218%。相反，与NPK1相比则分别增加了140%、160%和280%。
图2 不同长期施肥处理对双季稻早稻与晚稻氮肥利用效率（NUE）的影响
不同长期施肥处理下，年碳输入量差异显著，依次为：NPKM3＞NPKM2＞NPKM1＞NPK1＞NPK0。早稻季，施用有机肥处理下的氮素利用效率显著高于单施化肥处理。晚稻季氮素利用效率的变化趋势与早稻季相似，但NPKM2和NPKM3处理下的氮素利用效率显著低于NPKM1处理。与NPKM1相比，NPKM2和NPKM3处理下的氮素利用效率分别降低了10%和14%。
图3 稻-稻轮作系统中碳固存速率（CSR）对早稻（A）、晚稻（B）及双季稻生长季（C）水稻产量的影响（不同长期施肥处理条件下）
图4 稻-稻轮作系统中碳固存速率（CSR）对早稻（A）、晚稻（B）及双季稻生长季（C）水稻籽粒氮含量（N）的影响（不同长期施肥处理条件下）
在早稻和晚稻生长季，水稻产量与碳固存速率（CSR）呈显著正相关关系（图3A–B）。线性回归分析表明，CSR每增加0.1单位，早稻和晚稻产量分别增加6.33kg/ha–1和5.29kg/ha–1（图3A–C）。水稻籽粒氮含量与CSR呈非显著正相关关系，早稻季和晚稻季的相关性较弱（图4A–B）。线性回归结果显示，CSR每增加0.1单位，早稻和晚稻籽粒氮含量分别增加0.85kg/ha–1和0.95kg/ha–1（图4A–C）。
表5 基于平衡1984–2018年水稻籽粒产量（GY）与土壤有机碳（SOC）含量的施肥处理TOPSIS评分与排序
表6 基于平衡1984–2018年氮肥利用效率（NUE）与碳固存速率（CSR）的施肥处理TOPSIS评分与排序
不同长期施肥处理的TOPSIS分析结果见表5和表6。在平衡水稻产量与土壤有机碳（SOC）时，NPKM3处理表现最优（Pi=0.649），NPK1处理表现最差（Pi=0.351）；在平衡氮肥利用效率（NUE）与碳固存速率（CSR）时，NPKM3处理同样表现最优（Pi=0.743），NPK1处理表现最差（Pi=0.321）。综合评估表明，基于TOPSIS评价程序，不同长期施肥处理的综合表现排序为：NPKM3＞NPKM2＞NPKM1＞NPK1。因此，NPKM3（70%无机化肥+30%有机肥）可作为中国南方酸性稻田中提升碳固存速率、氮肥利用效率并维持水稻高产的最优施肥策略。
四、总结
研究证明，有机肥部分替代化学肥料能显著提升土壤整体质量，并可持续维持土壤肥力。研究涉及的三种替代比例通过提高土壤pH值和有机碳含量，为改善稻–稻轮作系统下中国南方酸性稻田土壤生化特性、潜在减少温室气体排放提供了可行方案。研究还表明，有机肥替代化学肥料（尤其是70%替代比例）对提升土壤有机碳固存速率和氮肥利用效率具有更显著效果。当前研究结果对提升碳固存能力、氮肥利用效率，以及改善土壤质量和肥力的可持续稻田管理具有重要意义。