化肥超施與土壤退化的研究

張川等

摘要 理論分析和試驗(yàn)表明，化肥超施將導(dǎo)致土壤退化。采取野外現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集研究和取典型試驗(yàn)區(qū)土樣帶回實(shí)驗(yàn)室研究相結(jié)合的方式，對化肥超施造成土壤退化的機(jī)制進(jìn)行研究。結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)化肥超施使得土壤有機(jī)質(zhì)含量和速效磷含量超標(biāo)，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差，對于嚴(yán)重超標(biāo)的土地，作物基本絕收。從近5年試驗(yàn)區(qū)作物產(chǎn)量變化可以看出，隨著長期化肥超施，作物產(chǎn)量下降，土壤生產(chǎn)能力降低，土壤退化。

關(guān)鍵詞 化肥超施；土壤退化；有機(jī)質(zhì)；速效磷；團(tuán)粒

中圖分類號 S158.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）20-06594-03

Ultraapplied Fertilizers and Soil Degradation

ZHANG Chuan， LIANG Yuxiang et al （School of Chemical Engineering， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610065）

Abstract Theoretical analysis and experiments show that ultraapplied fertilizers will result in soil degradation. By using the field data collection and take soil samples in typical test area back to the lab， the mechanism of ultraapplied fertilizers on soil degradation was studied. The results showed that the test area makes fertilizer applied over soil organic matter content and available phosphorus content exceeded， poor soil aggregate structure， for seriously overweight land， crops basic crops. From the past five years， changes in crop yields can be seen from the test area， with the ultralongterm fertilizer applied， decline in crop yields， reduction of soil productivity and soil degradation.

Key words Ultraapplied fertilizers； Soil degradation； Organic matter； Available phosphorus； Aggregate

土壤是植物賴以生存的自然環(huán)境，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源。隨著我國人口的迅速增加，對糧食的需求量不斷增大。施用化肥是提高糧食產(chǎn)量的有力手段?？茖W(xué)試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐表明，每施用1 kg化肥可增產(chǎn)糧食5～10 kg[1]。

近10年來，我國化肥的施用量增加接近1倍，但是糧食的總產(chǎn)量僅僅增加9.1%[5]。

大部分長期試驗(yàn)表明，化肥投入有助于土壤有機(jī)碳含量的提高[6-8]。這是因?yàn)槭┯没誓茉黾幼魑锷飳W(xué)產(chǎn)量，從而增加對土壤有機(jī)質(zhì)的投入（根系、殘茬、落葉、根系分泌物等）[9]。有研究表明，單施氮肥會使土壤有效磷含量降低[10-12]。這是由于施氮量增加引起作物生物產(chǎn)量的提高，造成對土壤磷素吸收的增加[9]。在氮、鉀基礎(chǔ)上施用磷肥，土壤有效磷除滿足作物生長所需，每年稍有剩余[11]。磷肥無論單施或與其他無機(jī)肥配施均會增加土壤中磷素含量，若長期施用磷肥則將導(dǎo)致土壤變酸。

團(tuán)聚體是形成良好土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠綜合地反映土壤整體的肥力狀況[13]。不同粒級的團(tuán)聚體在營養(yǎng)元素的保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用[14]。Haynes等[15]指出，施用磷肥可以促進(jìn)Al3+和Ca2+的黏結(jié)作用，從而促進(jìn)團(tuán)聚體的形成。劉中良等[16]也指出，施肥會減少>5 mm 的非團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的數(shù)量，增加0.25～5.00 mm團(tuán)聚體的含量，改善土壤的物理結(jié)構(gòu)；土壤大團(tuán)聚體中含有更多的全C、全N、全P，因此大團(tuán)聚體對養(yǎng)分的保持有重要作用；施肥對速效養(yǎng)分含量的影響顯著，堿解氮含量隨粒級的減小而增加，有利于作物的吸收；肥料的施加使得小粒級團(tuán)聚體對土壤養(yǎng)分儲量的貢獻(xiàn)率越來越突出，更利于養(yǎng)分的供給。

但是，由于對化肥的過分依賴，過施、濫施以及不合理的施用方法不可避免地對土壤產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致土壤退化[2，17]，直接威脅到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展。

只要合理施用化肥，即使不施有機(jī)肥料，土壤也不會結(jié)塊[18]，但若長期施用化肥，會則使土壤pH降低[19]，當(dāng)化肥超施時酸度增加較快，土壤酸度過大將造成土壤板結(jié)，通透性差，氧氣含量低[20]。Johnston等[21]指出，土壤酸化使得重金屬移動增強(qiáng)。夏立忠等[22]指出，大量施用化肥，易使保護(hù)地NO3-離子大量剩余與迅速累積，加速了土壤鹽積和次生鹽漬化。鹽分的過分積累會造成作物生理性干旱，甚至生理毒性物質(zhì)的形成[23]。因此，化肥超施會使得土壤發(fā)生物理、化學(xué)、生物特性的退化，導(dǎo)致土壤肥力退化與生產(chǎn)力減退。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球土壤退化面積達(dá)到1 965萬km2，其中，輕度退化僅占總退化面積的38%，退化形勢相當(dāng)嚴(yán)峻[3]。因此，研究土壤退化在空間、時間上的進(jìn)程與機(jī)理，分析影響土壤退化的人為因素，進(jìn)而找到預(yù)防土壤退化、修復(fù)已退化土壤的辦法，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國內(nèi)主要采用有機(jī)質(zhì)、速效磷等經(jīng)典參數(shù)對土壤退化的機(jī)理、過程、演變規(guī)律進(jìn)行研究[4]。筆者對四川省自貢市貢井區(qū)生態(tài)園土壤的有機(jī)質(zhì)、速效磷含量以及土壤的微觀團(tuán)粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對比實(shí)地考察的產(chǎn)量和化肥施入量，綜合分析土壤退化的特征和規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在四川省自貢市貢井區(qū)生態(tài)園進(jìn)行。試驗(yàn)地屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，平均氣溫17.5～18.0 ℃，日照1 150～1 200 h，降水1 000～1 100 mm。選擇成佳鎮(zhèn)、五寶鎮(zhèn)、白廟鎮(zhèn)以及龍?zhí)舵?zhèn)，進(jìn)行土樣采集。這些農(nóng)田均屬于生態(tài)種植基地，土質(zhì)一般比較好。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)定20個處理。為了解不同施肥量對土壤中有機(jī)質(zhì)和速效磷含量的影響以及與作物產(chǎn)量的關(guān)系，采用空白對照結(jié)合條件對照的方式進(jìn)行測定。該試驗(yàn)主要測定土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和土壤團(tuán)粒大小。

1.3 樣品采集及分析

采用S路線混合土壤采樣法，采集表層0～15 cm土樣，每個處理隨機(jī)取3個樣點(diǎn)，混合為一個土樣。將采回的土樣在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，將風(fēng)干后的土樣倒入鋼玻璃底的木盤上，用木棍研細(xì)，使之全部通過100目篩。用樣品袋將樣品裝好，密封，樣品袋上標(biāo)簽須注明樣號、采樣日期和篩孔號。

土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷含量的測定采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[24-25]；團(tuán)粒性大小采用在電子顯微鏡下觀察土樣的結(jié)構(gòu)圖來進(jìn)行對比測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析 土壤中有機(jī)質(zhì)含量按照有機(jī)碳含量的方式進(jìn)行計(jì)算。

有機(jī)碳=

式中，待測液（mg/L）為從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得的待測液濃度； 待測液體積為50 ml；分取倍數(shù)為浸提液總體積（ml）占吸取浸出液體積（ml）的倍數(shù)（100/10）；烘干土重為風(fēng)干土重乘以水分系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量

由圖1可知，各處理土樣有機(jī)質(zhì)含量因施肥量和施肥方式不同而不同。根據(jù)土壤養(yǎng)分分級表級別[26]劃分，測試土壤有機(jī)質(zhì)含量都大于4%，有機(jī)質(zhì)含量豐富。

圖1 不同施肥處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量

2.2 土壤速效磷含量

不同施肥處理下土壤速效磷含量如圖2所示。根據(jù)土壤養(yǎng)分分級表級別[26]劃分，測試土壤中1、6、13、18、19含量很低，為缺乏狀態(tài)；但是，大部分樣品速效磷含量豐富，以致于過剩。

圖2 不同施肥處理下土壤速效磷含量

2.3 土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)

通過對比，選擇2個典型的土樣進(jìn)行ESM和EDS分析，其中土樣1有機(jī)質(zhì)含量豐富，磷含量缺乏，但產(chǎn)量上優(yōu)于其他土樣；而土樣12有機(jī)質(zhì)含量和速效磷含量都相對很高，但基本絕收。

由圖3、4可知，土樣1的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較好，土壤結(jié)構(gòu)為片狀，空隙較多，通透性好；土樣12的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)很差，出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，空隙少，這樣的土壤就是嚴(yán)重退化后的現(xiàn)象。

圖3 電子顯微鏡下在mode SE為3 μm的結(jié)構(gòu)圖

圖4 電子顯微鏡下在mode SE為20 μm的結(jié)構(gòu)圖

2.4 蔬菜產(chǎn)量

由圖5可知，除了五寶鎮(zhèn)，其他鎮(zhèn)近5年蔬菜產(chǎn)量都逐年下降，其中土樣3、11、12、14的農(nóng)田基本絕收。據(jù)觀察，這4種土樣的有機(jī)質(zhì)含量和速效磷含量都非常高。

圖5 近5年蔬菜類產(chǎn)量的變化

綜合土樣有機(jī)質(zhì)、速效磷含量、土樣團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和近5年蔬菜類產(chǎn)量變化，可以看出所取土樣中化肥施用量基本超標(biāo)，有部分土地嚴(yán)重超標(biāo)，以致于蔬菜絕收?；食┦沟猛翗铀峄瘒?yán)重，重金屬離子聚集到作物根部，使得土壤結(jié)塊，造成缺氧，使得作物根系不發(fā)達(dá)，生長受阻。同時，因肥料濃度過大的“燒苗”現(xiàn)象，也是這塊土壤總是缺苗的原因。由實(shí)地調(diào)查結(jié)果可知，農(nóng)民們使用的化肥大多是復(fù)合肥，N∶P2O5∶K2O為4∶3∶7，與我國農(nóng)業(yè)化肥整體所需的N∶P2O5∶K2O 1.0∶（0.4～0.6）∶（0.2～0.3）的比例相比嚴(yán)重失衡，在施肥時也沒有注重化肥的比例。這更加導(dǎo)致土壤中N、P、K含量不平衡，土地生產(chǎn)能力降低，農(nóng)作物產(chǎn)量降低，土壤退化。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)前土地的化肥施入量普遍超過國家規(guī)定的225 kg/hm2，導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)和速效磷含量過高。

（2）通過電子顯微鏡觀察土壤結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)和速效磷含量過高的土壤結(jié)構(gòu)很差，出現(xiàn)了板結(jié)現(xiàn)象，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差。

（3）近5年，農(nóng)作物產(chǎn)量下降。結(jié)合土壤養(yǎng)分含量的變化和實(shí)地調(diào)查的結(jié)果，確定了土壤退化的事實(shí)。

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