長期施肥與地膜覆蓋對棕壤交換性鈣、 鎂的影響

王 亮， 李雙異， 汪景寬， 顧 鑫， 孟凡奎

(沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，遼寧沈陽 110866)

長期施肥與地膜覆蓋對棕壤交換性鈣、 鎂的影響

王 亮， 李雙異， 汪景寬*， 顧 鑫， 孟凡奎

(沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，遼寧沈陽 110866)

棕壤； 交換性鈣； 交換性鎂； 長期定位施肥； 覆膜

鈣作為植物生長所必需的中量營養(yǎng)元素，對提高植物的抗逆性發(fā)揮著很大的作用，并且能夠和土壤中的有機質(zhì)結(jié)合形成土壤粘粒組分的膠結(jié)劑，可以促進土壤顆粒的團聚，對土壤團粒結(jié)構的形成有很大作用[1]。土壤如果缺鈣，則植物生長發(fā)育受到限制，會使一些作物的品質(zhì)下降，甚至會發(fā)生一些生理病害，嚴重的導致死亡。鎂作為植物生長所必需的另一中量營養(yǎng)元素，不僅作為葉綠素的組成成分參與光合作用，也是植物體內(nèi)多種酶的活化劑。當作物缺鎂時，葉綠素不能合成，光合作用受到抑制，作物不能正常生長發(fā)育，嚴重影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。近些年來，隨著氮、磷、鉀大量元素和鋅等微量元素的大量和廣泛施用，作物產(chǎn)量不斷提高，植物從土壤中攜走的鎂數(shù)量不斷增加，又因土壤鎂得不到有效補充，植物缺鎂現(xiàn)象在各地陸續(xù)出現(xiàn)[3]。

地膜覆蓋栽培技術能夠改善作物生長環(huán)境、明顯提高作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，因此在我國東北地區(qū)廣泛應用，但此技術的增產(chǎn)效益是以大量消耗地力為代價的[4]。有關地膜覆蓋增溫保墑、促進土壤有機質(zhì)礦化、改善土壤肥力、促進玉米生長發(fā)育和提高產(chǎn)量等綜合效應方面已經(jīng)有了較系統(tǒng)和深入的研究報道[5]。目前，長期施肥與覆膜條件下對棕壤碳、氮、磷、硫及微量元素的研究較多[6-10]，但有關鈣和鎂的研究相對較少。本文旨在探索長期施肥及覆膜條件下棕壤交換性鈣和鎂含量的變化特征，從而為合理施肥和培肥土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

供試土壤采自沈陽農(nóng)業(yè)大學長期定位試驗站，地處北緯41°49′，東經(jīng)123°34′，海拔75 m。該地區(qū)屬于大陸季風區(qū)，年均溫8.0℃，年均降水量705 mm。土壤屬中厚層棕壤(簡育淋溶土)。試驗開始時(1987年)耕層土壤基本理化性狀為有機質(zhì)含量15.6 g/kg、 全氮1.00 g/kg、 全磷0.52 g/kg、 全鉀21.56 g/kg、 堿解氮67 mg/kg、 速效磷8.4 mg/kg、 速效鉀98.3 mg/kg、 pH (H2O)6.39。該試驗從1987年開始進行，小區(qū)面積69 m2，分地膜覆蓋和不覆膜栽培兩組，每施肥處理3次重復，隨機排列。連作作物為玉米，每年4月25日左右播種、施肥和覆膜，并按常規(guī)進行田間管理；9月25日前后進行小區(qū)測產(chǎn)、采樣和收割，并對玉米莖稈及殘留地膜進行清除，然后進行翻地(根系都保留在土壤中)。本試驗選擇其中7個處理：對照(CK)；高量有機肥與氮、 磷配施(M4N2P1)，即有機肥配施氮、 磷化肥，年施有機肥中含N 270 kg/hm2、 施化肥N 135 kg/hm2、 P2O567.5 kg/hm2；高量有機肥(M4)，年施有機肥中含N 270 kg/hm2；低量有機肥(M2)，年施有機肥中含N 135 kg/hm2；高量氮、 磷肥(N4P2)，年施化肥N 270 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2；高量氮肥(N4)，年施化肥N 270 kg/hm2； 低量氮肥(N2)，年施化肥N 135 kg/hm2。施用的有機肥為豬廄肥，其有機質(zhì)含量為150 g/kg左右，全氮為10 g/kg； 施用的化肥為尿素(含N 46%)和磷酸二銨(含P2O545%，含N 21%)。

1.2 土壤樣品采集

本研究采樣時間為2011年9月，在每個重復小區(qū)， 采用五點法，用土鉆取0—20 cm、 20—40 cm 土層土樣。土樣經(jīng)過自然風干后研磨，過2.0 mm篩。各處理土壤基本特性見表1。

為進一步研究不同年份交換性鈣、鎂的動態(tài)變化，本文對1987年(試驗開始時)、2002年、2005年、 2008年采集的樣品(0—20 cm)也同時進行分析。這些不同年份采集的土壤樣品經(jīng)過自然風干后，裝在瓶中密封，避光保存，盡可能減少土樣中微生物活動(樣品保存在沈陽農(nóng)業(yè)大學土壤肥力研究室樣品室)。

1.3 土壤樣品分析

土壤鈣、鎂組分的測定：交換性鈣、鎂采用1 mol/L NH4OAc浸提，原子吸收分光光度計法測定[19]。其它指標的測定均采用實驗室常規(guī)方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，用Microsoft office Excel 2003軟件制表。

2 結(jié)果與分析

2.1長期施肥與地膜覆蓋對棕壤交換性鈣含量的影響

表1 各處理土壤基本理化性質(zhì)(2011年)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil samples in different treatments

表2 不同施肥處理土壤交換性鈣含量(g/kg)Table 2 Soil exchangeable Ca contents in different treatments

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著，同行不同大寫字母表示同行數(shù)據(jù)差異顯著 (n=3，P<0.05) Velues followed by different lowercase letters mean significant differences in the same column and different capital letters mean significant differences in the same row(n=3，P<0.05).

其中單施化肥(N4P2、 N4、N2)處理表層土壤中的交換性鈣含量顯著低于對照，施用有機肥(M4N2P1、M4、M2)處理可使土壤交換性鈣含量增加。一方面原因是，大量施入化肥使得玉米產(chǎn)量較高，從土壤中帶走大量的鈣素，而鈣素又沒有得到補充，另一方面交換性鈣會隨降雨向下遷移，使得土壤表層含量減少；而施用有機肥的土壤，盡管玉米產(chǎn)量較高，會帶走大量鈣素，但有機肥中含有大量鈣素，使土壤交換性鈣得到及時的補充。因此，施用有機肥是提高土壤交換性鈣含量的重要措施。

由表2還可以看出，覆膜后土壤表層交換性鈣含量增加，而底層含量降低，這可能是由于覆膜使土壤表層溫度升高，使底層的交換性鈣隨水的蒸發(fā)而在表層積累；不覆膜土壤受降水影響，交換性鈣隨著降水向下淋溶導致土體下層含量升高[13]。單施化肥土壤中交換性鈣含量有明顯隨深度增加而增加的趨勢，反映了棕壤中交換性鈣在土壤剖面中的淋溶特點。

由此可見，盡管該地區(qū)交換性鈣沒有降低到使作物缺鈣的水平，但施用化肥后交換性鈣含量減少，可能破壞土壤中團聚體，使土壤結(jié)構變差、土壤板結(jié)，進而影響土壤肥力水平及作物產(chǎn)量，因此在東北高強度利用的非石灰性耕地土壤中適當補充鈣素也十分必要。

2.2長期施肥與地膜覆蓋對棕壤交換性鎂含量的影響

施用有機肥的土壤交換性鎂含量顯著高于不施有機肥的土壤，并且表層含量大于底層，說明施肥增加了土壤中有機質(zhì)的含量，腐殖質(zhì)可吸附大量的交換性鎂，而且有機質(zhì)本身也是鎂的來源，因此交換性鎂含量升高。該結(jié)論與侯玲利[17]的研究結(jié)果一致。地膜覆蓋后，施用化肥土壤表層交換性鎂含量相應有些增加而底層相對減少，這可能也是覆膜后水分向表層移動而使水溶性鎂表聚的結(jié)果。

表3 不同施肥處理土壤交換性鎂含量(g/kg)Table 3 Soil exchangeable Mg contents in different treatments

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著，同行不同大寫字母表示同行數(shù)據(jù)差異顯著 (n=3，P<0.05) Velues followed by different lowercase letters mean significant differences in the same column and different capital letters mean significant differences in the same row(n=3，P<0.05).

2.3 不同年份土壤交換性鈣含量的變化

在東北棕壤地區(qū)現(xiàn)行耕作制度下，土壤肥力變化的研究已有許多報道[18]，但有關土壤交換性鈣含量的動態(tài)變化方面報道較少。因此本文利用長期定位試驗的有利條件，對1987、2002、2005、2008和2011 5個不同年份土壤表層交換性鈣含量進行了測定(表4)。從表4中可以看出，不覆膜長期不同有機肥處理0—20 cm土壤中交換性鈣含量呈現(xiàn)出增長趨勢，其中以低量有機肥(M2)增長最為明顯，經(jīng)過24年積累比試驗前基礎土壤(1987年)增加了0.52 g/kg，相對提高27.09%；其次是高量有機肥(M4)和高量有機肥與氮磷配施(M4N2P1)處理，分別提高18.82%和8.85%，說明有機肥能顯著提高土壤表層交換性鈣含量。而長期不同化肥處理表層(0—20 cm)土壤中交換性鈣含量呈現(xiàn)出遞減趨勢，其中以高量氮磷化肥(N4P2)處理減少最為明顯，經(jīng)過24年消耗比試驗前基礎土壤(1987年)降低0.57 g/kg，相對減少30.02%；其次是高量氮肥(N4)和低量氮肥(N2)處理，分別減少26.50%和2.95%，說明單施化肥加速交換性鈣的消耗。對照(CK)處理土壤表層交換性鈣含量增加了0.26 g/kg，相對提高13.39%，這可能是一方面由于土壤礦物風化釋放鈣素，另一方面對照處理的玉米產(chǎn)量一直較低，因此從土壤中帶走的鈣素較少。無論是化肥還是有機肥的施入都可以提高試驗地玉米產(chǎn)量，并且玉米產(chǎn)量會隨著肥料施入量的增加而增加[19]，隨之會帶走較多的交換性鈣，因而土壤中交換性鈣表現(xiàn)出低肥(M2、N2)處理分別大于高肥(M4、N4)處理，相應的高量有機肥配施化肥(M4N2P1)處理和高量氮磷配施(N4P2)處理的土壤交換性鈣含量最低。另外，長期增施氮肥土壤酸化程度增加，加劇了土壤膠體銨離子、氫離子與鈣離子的交換過程，促使土壤脫鈣[20]，這也導致了低肥(N2)處理的土壤交換性鈣大于高肥(N4)處理。

2.4 不同年份土壤交換性鎂含量的變化

由表5可知，不覆膜長期不同有機肥處理0—20 cm土壤中交換性鎂含量雖有波動，但呈現(xiàn)出增長趨勢，其中以高量有機肥(M4)處理增長最為明顯，經(jīng)過24年積累比試驗前基礎土壤(1987年)增加了0.21 g/kg，相對提高44.08%； 其次是低量有機肥(M2)和高量有機肥與氮磷配施(M4N2P1)處理，分別提高22.36%和21.72%，說明有機肥能顯著提高土壤表層交換性鎂含量。而長期不同化肥處理0—20 cm土壤中交換性鎂含量呈現(xiàn)出遞減趨勢，其中以高量氮肥(N4)處理減少最為明顯，經(jīng)過24年消耗比試驗前基礎土壤(1987年)降低了0.15 g/kg，相對減少33.33%；其次是高量氮磷配施(N4P2)處理和低量氮肥(N2)處理， 分別減少27.51%和16.68%，說明單施化肥加速交換性鎂的消耗。CK土壤表層交換性鎂含量幾乎沒變化，可能是由于沈陽地區(qū)鎂含量比較豐富，自然狀態(tài)下，作物生長所利用的水溶態(tài)鎂完全可以由其他形態(tài)轉(zhuǎn)換而來。

表4 不同年份不覆膜土壤表層交換態(tài)鈣含量(g/kg)Table 4 Exchangeable Ca Contents in uncovered topsoil in different years

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同列差異顯著，同行不同大寫字母表示同行數(shù)據(jù)差異顯著 (n=3，P<0.05) Velues followed by different lowercase letters mean significant differences in the same column and different capital letters mean significant differences in the same row (n=3，P<0.05).

表5 不同年份不覆膜土壤表層交換態(tài)鎂含量 (g/kg)Table 5 Exchangeable Mg Contents in uncovered topsoil in different years

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著，同行不同大寫字母表示同行數(shù)據(jù)差異顯著 (n=3，P<0.05) Velues followed by different lowercase letters mean significant differences in the same column and different capital letters mean significant differences in the same row (n=3，P<0.05).

無論是化肥還是有機肥的施入都可以提高試驗地玉米產(chǎn)量，并且玉米產(chǎn)量會隨著肥料施入量的增加而增加[19]，因而會帶走較多的交換性鎂。施化肥土壤交換性鎂表現(xiàn)出低肥(N2)大于高肥(N4)，高量氮磷配施(N4P2)略低于高肥(N4)；施有機肥(M2、 M4)處理土壤表現(xiàn)的規(guī)律與化肥相反，可能是由于施入的有機肥中鎂含量較高，經(jīng)過長期積累所致。

2.5 耕層土壤交換性鈣、鎂和pH的相關性

為了進一步分析影響土壤交換性鈣、鎂含量的因素，我們測定了不同年份不同處理耕層土壤的pH值，并對交換性鈣、鎂與pH之間的相關性進行分析。經(jīng)相關分析可以看出：無論不覆膜還是覆膜，土壤表層交換性鈣含量與pH值、交換性鎂含量與pH值之間都符合Y=AX+B的線性關系，且都呈現(xiàn)出顯著的正相關關系(圖1)，其中交換性鈣和pH值的正相關關系與張大庚[21]的研究結(jié)果一致，交換性鎂和pH值的正相關關系與侯玲利等[22]的研究結(jié)果一致。由此說明pH的降低可能是導致交換性鈣、鎂含量減少的一個原因。土壤中H+的代換能力大于Ca2+，因此土壤膠體上的鈣易被H+交換下來進入土壤溶液中，隨著土壤pH值的降低，土壤溶液中部分Ca2+會隨水分流失，導致土壤中交換性鈣含量下降[23]。從圖1還可以發(fā)現(xiàn)，覆膜條件下交換性鈣、鎂隨pH變化的幅度小于不覆膜(對應的A值較小)，說明覆膜對交換性鈣和鎂含量的變化有緩沖作用。

圖1 土壤交換性鈣和鎂與土壤pH的相關性Fig.1 Correlationships of soil exchangeable Ca and Mg with soil pH

3 結(jié)論

2) 從土壤的層次上看，單施化肥的不覆膜土壤交換性鈣、鎂表現(xiàn)出底層含量大于表層，這體現(xiàn)了交換性鈣、鎂在土壤剖面中的淋溶特點；單施化肥的覆膜土壤雖然沒有改變交換性鈣、鎂在土體剖面上的分布特點，但卻改變了不同層次的含量，具體表現(xiàn)為表層含量增加，底層含量降低。施有機肥的土壤，無論覆膜還是不覆膜，交換性鎂均表現(xiàn)出表層含量大于底層，說明有機肥可以顯著的提高土壤交換性鎂的含量，特別是表層。而此種規(guī)律對于交換性鈣來說不是很明顯。

3) 在過去24年里，對于不覆膜土壤(0—20 cm)來說，對照(CK)土壤交換性鈣、 鎂含量幾乎沒變化，而施用有機肥的土壤的交換性鈣、 鎂含量呈現(xiàn)出增長趨勢，施用化肥土壤的交換性鈣、 鎂含量呈現(xiàn)出遞減趨勢。

4) 表層土壤(0—20 cm)交換性鈣和鎂含量與土壤pH值之間存在極顯著的正相關關系；覆膜對交換性鈣和鎂含量的變化有緩沖作用。

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Effectoflong-termplasticfilmmulchingandfertilizationonexchangeablecalciumandmagnesiumcontentsinbrownearth

WANG Liang, LI Shuang-yi, WANG Jing-kuan*, GU Xin, MENG Fan-kui

(CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity,ShenyangLiaoning110866,China)

Soil exchangeable Ca and Mg contents were determined in continuous maize cropping system under different fertilization and plastic film mulching in the long-term brown earth experimental station (started in 1987) in Shenyang Agricultural University, Laoning Province, China. The results show that the contents of soil exchangeable Ca (0-40 cm) are from 1.34 g/kg to 2.52 g/kg, soil exchangeable Mg from 0.30 g/kg to 0.66 g/kg. Soils in this area are very rich in Ca and Mg, the deficiency of Ca and Mg in maize is rarely happened. Besed on the 24 years’ experiment, the exchangeable soil Ca and Mg in the topsoil (0-20 cm) keep increasing in plots applied with manure, decreasing in plots applied with inorganic fertilizers. The exchangeable Ca and exchangeable Mg contents in topsoil applied with inorganic fertilizers are lower than in subsoil (20-40 cm). The exchangeable Ca and Mg in topsoil are enhanced in the treatments of plastic film mulching and chemical-fertilizer addition. There are significant positive correlations between exchangeable Ca and Mg with pH in these treatments, which means the exchangeable Ca and Mg contents are influenced by soil pH.

brown earth; exchangeable Ca; exchangeable Mg; long-term fertilization; plastic film mulching

2012-11-26接受日期2013-06-04

王亮(1987—)， 男， 遼寧鐵嶺人，碩士， 主要從事土壤肥力、土壤質(zhì)量等方面的研究。 E-mail： lin_tianshi@126.com * 通信作者 E-mail： j-kwang@163.com

S153.6+1

A

1008-505X(2013)05-1200-07