長期施肥對紅壤性水稻土理化性質(zhì)的影響及土壤肥力質(zhì)量評價

顏 雄，彭新華，張楊珠，陳江濤，李文昭，趙 君，陳 龍

（1. 遵義師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，貴州遵義563002；2. 中國科學(xué)院南京土壤研究所，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實驗室，江蘇南京210008；3. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙410128；4. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南長沙410125；5. 遵義師范學(xué)院農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，貴州遵義563002）

南方低丘紅壤稻田生態(tài)系統(tǒng)的水稻生產(chǎn)在我國糧食生產(chǎn)中占有重要地位[1]，水稻土的土壤肥力質(zhì)量影響著水稻的生產(chǎn)和發(fā)展[2]。長期定位試驗是建立有效施肥系統(tǒng)的重要方法[3]，是研究提高土壤肥力質(zhì)量的有效途徑。本研究基于江西省進(jìn)賢縣長期定位施肥試驗，研究南方典型紅壤性水稻土的基本理化性質(zhì)變化，對不同施肥措施的土壤肥力進(jìn)行定量評價，為選擇科學(xué)施肥措施和水稻可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗地為長期定位試驗田，設(shè)在江西省紅壤研究所內(nèi)(116°20'24″E、28°15'30″N)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫17.7～18.5℃，年均降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 200 mm。海拔高度25～30 m，為典型的低丘紅壤地區(qū)，土壤類型為第四紀(jì)紅粘土發(fā)育的潴育型水稻土，剖面構(gòu)型為：A－P－W 1－W 2－G，耕作制為“稻－稻－冬閑”制，試驗開始時耕層土壤pH 值6.9，粘粒（<0.001 mm）24.1%，有機(jī)碳16.3 g/kg，全氮1.49 g/kg，全磷0.48 g/kg，全鉀10.39 g/kg，速效磷4.15 mg/kg，速效鉀80.52 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位試驗于1981年開始，種植制度為早稻－晚稻－冬閑。共設(shè)置9個施肥處理：（1）不施肥處理（CK）；（2）單施氮肥處理（N）；（3）單施磷肥處理（P）；（4）單施鉀肥處理（K）；（5）施用氮肥、磷肥處理（NP）；（6）施用氮肥、鉀肥處理（NK）；（7）平衡施用氮肥、磷肥和鉀肥處理（NPK）；（8）平衡施用2 倍的氮肥、磷肥和鉀肥處理（2NPK）；（9）施用氮肥、磷肥和鉀肥同時加施新鮮豬糞處理（NPKOM）。具體詳見表1。小區(qū)面積46.67 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3 次。

表1 紅壤性水稻土長期定位試驗雙季稻每季不同施肥處理設(shè)計

1.3 樣品的采集及測試方法

從9個施肥處理的每個小區(qū)中隨機(jī)取5 點(diǎn)，采集土壤耕層0～20 cm 的樣品，混勻，帶回實驗室挑出根系、石塊、蚯蚓等動植物殘體，風(fēng)干后過2 mm 篩備用。土壤基本理化性質(zhì)測定采用常規(guī)測定方法，在室內(nèi)測定分析[4]。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用M icrosoft Excel 2003 記錄統(tǒng)計測定所得數(shù)據(jù)；采用SPSS 13.0 處理分析數(shù)據(jù)；采用最小顯著差異法（Fisher’s LSD）進(jìn)行差異顯著性測驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥下紅壤性水稻土基本理化性質(zhì)的變化

長期施肥對紅壤性水稻土耕層土壤理化性狀的影響如表2 所示。本次分析結(jié)果與定位試驗開始前（pH 值5.4）相比，除單施鉀肥（K）外，其他施肥處理的土壤pH 值均有不同程度的下降，說明長期施肥導(dǎo)致土壤酸化，而施用含N 肥的無機(jī)化肥處理的pH 值降低較為明顯（0.04～0.11），這是因為當(dāng)施入銨態(tài)氮肥過量時，NH4+-N 硝化及NO3-的淋洗會進(jìn)一步導(dǎo)致土壤酸化[5]。Guo[7]的研究結(jié)果也表明，化學(xué)氮肥的施用將導(dǎo)致紅壤酸化。但有機(jī)無機(jī)肥配施（NPKOM）土壤pH值與施肥前基本一致，證明有機(jī)肥的施用能有效緩解土壤酸化[6]。NPK、2NPK 和NPKOM 處理的有機(jī)碳含量與試驗開始前（16.3 g/kg） 相比提高了22.9%～57.4%，由于平衡施用化肥措施和有機(jī)無機(jī)肥配施措能提高作物的產(chǎn)量，從而增加了作物根茬的返田量[8]，同時加上有機(jī)肥的施入（NPKOM），使土壤有機(jī)質(zhì)得到了有效的補(bǔ)充。

表2 不同施肥處理耕層土壤養(yǎng)分含量變化

有機(jī)無機(jī)肥配施處理（NPKOM）使土壤的全氮提高了68.5%，明顯高于其他處理（29.5%～35.6%）。同時，有機(jī)肥也明顯提高了土壤全磷的含量，其他處理的土壤全磷含量提高幅度較小，單施氮肥處理的全磷含量甚至略微下降。所有處理的全鉀含量均有提高，且CK 處理和單一施肥處理（N、P、K）的增長幅度略微高于其他處理。

土壤的速效養(yǎng)分也呈現(xiàn)了不同程度的變化。各處理堿解氮的含量均提高15.8%以上，有機(jī)無機(jī)肥配施提高到54.7%。而速效磷的含量則有增有減，其中施磷肥的處理增長，其他處理減少。速效鉀的含量除有機(jī)無機(jī)肥配施（NPKOM）提高外，其他處理均有不同程度的減少。

總體看來，施用有機(jī)肥處理（NPKOM）中除全鉀外，土壤有機(jī)碳和各項養(yǎng)分含量都顯著高于其他處理，顯著促進(jìn)了作物對化肥中養(yǎng)分的吸收。有機(jī)肥的施入既能提高土壤肥力質(zhì)量，有效緩解土壤酸化，又能滿足作物對養(yǎng)分吸收的需求。在采用長期不同施肥措施的條件下，導(dǎo)致了肥力質(zhì)量出現(xiàn)不同的變化，其中有機(jī)無機(jī)肥配施（NPKOM）處理最有利于滿足水稻對養(yǎng)分的需求和紅壤性水稻土的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 長期不同施肥對土壤肥力質(zhì)量的影響

近年來，許多學(xué)者采用不同的統(tǒng)計方法，如：模糊數(shù)學(xué)、因子分析、聚類分析，進(jìn)行土壤肥力質(zhì)量的數(shù)值化評價。但由于土壤肥力指標(biāo)的選擇和劃分、權(quán)重系數(shù)的計算等在不同地方和不同土壤條件下存在差異，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。筆者綜合多位學(xué)者的研究結(jié)果，采用Fuzzy 綜合評判法即運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)建立模型和相關(guān)系數(shù)法權(quán)重分析的原理，對土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行數(shù)值化評價。

2.2.1 土壤肥力質(zhì)量評價指標(biāo)的選擇和處理首先，本研究選用土壤pH 值和有機(jī)質(zhì)，全氮、全磷和全鉀3種全量養(yǎng)分，堿解氮、速效磷和速效鉀3種速效養(yǎng)分作為土壤肥力質(zhì)量評價的指標(biāo)。其次，由于各種養(yǎng)分的量綱不一致，且對肥力質(zhì)量影響的作用不同，按照不同指標(biāo)的屬性建立與之對應(yīng)的隸屬函數(shù)[9-11]，并計算每個指標(biāo)的隸屬度值。其中，土壤pH 值屬于梯型（拋物線型）隸屬度函數(shù)，而其他7種肥力指標(biāo)屬于S 型（正相關(guān)型）隸屬度函數(shù)[9-11]，根據(jù)本研究實際，確定土壤pH 值在梯型隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值分別為：X1=4.5，X2=5.5，X3=6.0，X4=7.0。其他7種肥力指標(biāo)在正相關(guān)型隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)X1和X2的取值見表3。

表3 正相關(guān)型（S 型）函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值

將各項肥力質(zhì)量指標(biāo)值分別代入隸屬度函數(shù)可得其隸屬度值Ni，如表4 所示。隸屬度值的大?。?.1～1.0）反映了各指標(biāo)隸屬的程度，0.1 是最小值，表示土壤肥力質(zhì)量屬于嚴(yán)重缺乏狀態(tài)，而最大值1.0則表示土壤肥力質(zhì)量完全有助于作物的生長，處于最良好的狀態(tài)。

表4 各單項肥力質(zhì)量指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度值Ni

2.2.2 各單項土壤肥力指標(biāo)權(quán)重的確定 各單項土壤肥力指標(biāo)權(quán)重的高低代表其在土壤肥力質(zhì)量中貢獻(xiàn)率的大小。計算步驟為：（1）先計算出水稻土各單項土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，如表5 所示，從而建立相關(guān)系數(shù)矩陣R；（2）計算各單項土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)與其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的平均值；（3）求得該各單項土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)平均值占全部肥力質(zhì)量指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值之和的百分率，即可計算出各單項肥力質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重(W i)(見表6)。

2.2.3 土壤肥力質(zhì)量綜合性指標(biāo)值的計算 由以上兩步分別求得Ni（第i種養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值）和Wi（第i種養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)）后，根據(jù)加乘法則，計算出長期不同施肥處理的土壤肥力質(zhì)量的綜合指標(biāo)值IFI。計算公式為：IFI=∑Wi×Ni。

2.2.4 不同施肥處理土壤肥力質(zhì)量等級的劃分 本研究擬定義IFI 共分為5個級別：IFI ≥0.8 屬于高級別，0.8>IFI≥0.6 屬于較高級別，0.6>IFI≥0.4 屬于中等級別，0.4>IFI≥0.2 屬于較低級別，IFI<0.2 屬于低級別。如表7 所示，紅壤性水稻土的9個施肥處理中，有機(jī)無機(jī)肥配施（NPKOM）處理的土壤肥力質(zhì)量屬于二級（Ⅱ），為較高級別，其他施肥處理的均屬于三級（Ⅲ），為中等級別，其中CK、N 肥處理土壤肥力水平中等偏下，說明N 肥處理的土壤肥力質(zhì)量有明顯退化的趨勢。

表5 各單項肥力質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣R

表6 各單項肥力質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重Wi

表7 不同施肥處理土壤的肥力質(zhì)量等級

因此，與CK 處理相比，長期不合理施肥并未能提高土壤肥力質(zhì)量，而有機(jī)無機(jī)肥配施能有效提高土壤肥力質(zhì)量。

3 結(jié)論

長期施肥導(dǎo)致土壤酸化，不合理施肥使土壤養(yǎng)分含量有不同程度的下降，而有機(jī)無機(jī)肥配施處理是最合理的施肥模式，有效補(bǔ)充了土壤養(yǎng)分庫，緩解了土壤pH 值的下降。不同施肥處理導(dǎo)致土壤肥力質(zhì)量有所差異，有機(jī)無機(jī)肥配施處理的質(zhì)量等級最高，為二級，而其他處理均為三級，尤其以對照和單施氮肥處理質(zhì)量等級指標(biāo)值最低，其肥力水平中等偏下。因此，有機(jī)無機(jī)肥配施最有利于土壤肥力質(zhì)量的提高和土壤的可持續(xù)利用。

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