適量有機(jī)肥與氮肥配施方可提高河西綠洲土壤肥力及作物生產(chǎn)效益

馬忠明，王　平，陳　娟，包興國(guó)

（1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2 蘭州市農(nóng)業(yè)科技研究推廣中心，甘肅蘭州 730000）

適量有機(jī)肥與氮肥配施方可提高河西綠洲土壤肥力及作物生產(chǎn)效益

馬忠明1，王平2，陳娟1，包興國(guó)1

（1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2 蘭州市農(nóng)業(yè)科技研究推廣中心，甘肅蘭州 730000）

【目的】河西綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)是我國(guó)主要的商品糧生產(chǎn)及玉米制種基地，結(jié)合當(dāng)?shù)馗髦贫冗M(jìn)行土壤有效培肥是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。本研究以河西灌漠土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為依托，探討了長(zhǎng)期施用一種或者多種有機(jī)肥以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤酶活性及產(chǎn)量的影響，為篩選出適于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的施肥模式提供理論依據(jù)?！痉椒ā吭囼?yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，除對(duì)照外，在施磷肥（P2O5）150 kg/hm2的基礎(chǔ)上，再設(shè) 12 個(gè)處理：?jiǎn)问┯棉r(nóng)家肥 120 t/hm2（M）；單施綠肥 45 t/hm2（G）；單施秸稈 10.5 t/hm2（S）；單施氮肥 375 kg/hm2（N）；農(nóng)家肥 60 t/hm2+綠肥 22.5 t/hm2（1/2MG）；農(nóng)家肥 60 t/hm2+秸稈 5.25 t/hm2（1/2MS）；農(nóng)家肥 60 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2MN）；綠肥 22.5 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2GN）；秸稈 60 t/hm2+氮肥187.5 kg/hm2（1/2SN）；農(nóng)家肥 40 t/hm2+綠肥 15 t/hm2+氮肥 124.5 kg/hm2（1/3MGN）；農(nóng)家肥 40 t/hm2+秸稈3495 kg/hm2+氮肥 124.5 kg/hm2（1/3MSN）；農(nóng)家肥 30 t/hm2+秸稈 2625 kg/hm2+綠肥 11.25 t/hm2+氮肥 94.5 kg/hm2（1/4MGSN）。調(diào)查了耕層土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量變化以及幾種主要土壤酶活力，采用主成分分析、聚類分析、經(jīng)濟(jì)效益分析綜合比較了不同施肥方式對(duì)土壤質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)收益的影響?！窘Y(jié)果】長(zhǎng)期不施肥、單施氮肥（N）、氮肥配施綠肥或者秸稈均會(huì)造成土壤鉀素匱缺，較 1988年初測(cè)土土壤速效鉀含量分別下降了16.59%、39.37%、25.04%、23.31%；M、G、S 三種有機(jī)肥單施或與氮配施均能提高土壤堿解氮、土壤有效磷、土壤有效鉀、土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量，不同施肥方式下，其含量大小總體表現(xiàn)為高量有機(jī)肥＞減量有機(jī)肥+減量 N＞N＞CK；M、G、S、N 單施或 1/2MN、1/2GN、1/2SN 處理均能提高蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶活性，以 G、1/2GN 處理對(duì)提高土壤蔗糖酶、脲酶的活性的效果最顯著，M、G、MN、GN 處理對(duì)提高堿性磷酸酶活性的效果最顯著；主成分得分進(jìn)行聚類分析，不同處理培肥土壤質(zhì)量效果由高到低分成四類，分別為一類高量有機(jī)肥 M、G、1/2MG＞二種有機(jī)肥與氮肥減量配施 1/2MN、1/3MSN、1/3MGN、1/2GN、1/2MS、1/4MSGN＞三類氮肥、秸稈、秸稈與氮肥 N、1/2SN、S＞四類不施肥（CK）；各施肥方式均能提高作物產(chǎn)量，與不施肥（CK）相比，增產(chǎn)幅度為 12.21%～235.4%，肥料貢獻(xiàn)率在 10.89%～70.18% 之間，單施肥增產(chǎn)總趨勢(shì)為 N＞G＞M＞S，減量配施肥增產(chǎn)總趨勢(shì)為 1/2GN＞1/2MN＞1/2MS，施肥方式以有機(jī)肥配施 N 對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大；經(jīng)濟(jì)效益分析表明施 N 或有機(jī)肥與 N 配施對(duì)于提高凈收益作用較大?！窘Y(jié)論】通過(guò)主成分分析與聚類分析、經(jīng)濟(jì)效益與產(chǎn)量綜合比較，農(nóng)家肥、綠肥和秸稈長(zhǎng)期單施成本高，產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益低，維持土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量需要的用量大。因此，提倡適量有機(jī)肥與氮肥配施，達(dá)到提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益，保證土壤肥力可持續(xù)發(fā)展。

長(zhǎng)期施肥；土壤養(yǎng)分；土壤酶活；主成分分析；聚類分析；作物產(chǎn)量

河西綠洲灌溉農(nóng)業(yè)歷史發(fā)展悠久，是我國(guó)主要的商品糧生產(chǎn)及玉米制種基地［1］。1980年以后，隨著化肥的大量應(yīng)用，灌區(qū)農(nóng)民為了追求糧食高產(chǎn)，盲目對(duì)化肥進(jìn)行高投入，而農(nóng)家肥施用嚴(yán)重不足。這種長(zhǎng)期的不合理施肥方式使得土壤養(yǎng)分含量下降、化肥利用率低、作物產(chǎn)量下降、地下水污染及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞［2-3］。

土壤養(yǎng)分是土壤中能直接或經(jīng)轉(zhuǎn)化后被植物根系吸收的有效營(yíng)養(yǎng)成分，是土壤供養(yǎng)能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)［4］。施肥是影響土壤質(zhì)量演化及其可持續(xù)利用最為深刻的農(nóng)業(yè)措施之一［5］，近年來(lái)，關(guān)于 NPK 配比試驗(yàn)研究較多，單一有機(jī)肥與化肥配施試驗(yàn)研究報(bào)道也很多。但是利用長(zhǎng)期肥力定位試驗(yàn)研究不同種類的有機(jī)肥及有機(jī)肥與化肥配施對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響較少，對(duì)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析更少。目前，大多數(shù)的學(xué)者開(kāi)始結(jié)合主成分分析與聚類分析對(duì)長(zhǎng)期定位的肥力指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、打分［6-7］。這一方法不僅減少了計(jì)算量，降低了主觀隨意性，而且克服了聚類分析方法因原始數(shù)據(jù)量龐大，錯(cuò)綜復(fù)雜而造成其結(jié)果偏離實(shí)際較遠(yuǎn)的缺點(diǎn)，大大提高了綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性［8］。本文通過(guò)分析目前生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用較為廣泛的三種有機(jī)肥（農(nóng)家肥、綠肥、秸稈）與化肥（氮肥）單施或有機(jī)肥與氮肥之間減量配施對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性及作物產(chǎn)量的影響，綜合土壤培肥效果，以期為河西灌區(qū)施肥措施改良提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地為甘肅武威市白云村（3 8°3 7′N，102°40′E），海拔 1504 m，無(wú)霜期 150d 左右，年降雨量 150 mm，年蒸發(fā)量 2021 mm，年平均氣溫為7.7℃，日照時(shí)數(shù) 3023 h，10℃ 的有效積溫為3016℃，年太陽(yáng)輻射總量 140～158 kJ/cm2，麥?zhǔn)蘸蟆?0℃ 的有效積溫為 1350℃。供試土壤為石灰性的灌漠土，表土為輕壤土，1988年3 月試驗(yàn)前取0—20 cm 耕層土壤分析，有機(jī)質(zhì)含量為 16.35 g/kg，pH 值為 8.8，耕層土壤全氮為 1.1 g/kg，全磷為 1.5 g/kg，堿解氮為 64.4 mg/kg，有效磷為 13.1 mg/kg，速效鉀為 180.0 mg/kg，土壤容重 1.4 g/cm3，孔隙度47.8%。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)開(kāi)始于1988年，小區(qū)面積為 30.01 m2，施磷肥（P2O5）150 kg/hm2作基肥，至試驗(yàn)分析已有 21年。所用農(nóng)家肥為當(dāng)?shù)赝寥S（牛糞），平均養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì) 29.1 g/kg，全氮 1.5 g/kg，全磷 0.88 g/kg，有效磷 60.3 mg/kg，有效鉀 1293 mg/kg；綠肥為箭筈豌豆，鮮草含全氮 1.90 g/kg，全磷 0.34 g/kg，全鉀 2.42 g/kg；秸稈為小麥秸稈（含N 量為0.45 g/kg），農(nóng)肥、綠肥、秸稈全部播前基施。N 肥為尿素，1/4 在小麥播種時(shí)撒施，3/4 在玉米拔節(jié)期及抽雄期追施在玉米帶，氮肥追施方式和時(shí)間與田間管理與當(dāng)?shù)匾恢?。試?yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，共設(shè)13 個(gè)處理，分別為：1）不施肥（CK）；2）農(nóng)家肥 120 t/hm2（M）；3）綠肥 45 t/hm2（G）；4）秸稈 10.5 t/hm2（S）；5）氮肥 375 kg/hm2（N）；6）農(nóng)肥 60 t/hm2+綠肥22.5 t/hm2（1/2MG）；7）農(nóng)肥 60 t/hm2+秸稈 5.25 t/hm2（1/2MS）；8）農(nóng)家肥 60 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2MN）；9）綠肥 22.5 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2GN）；10）秸稈 5.25 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2SN）； 11）農(nóng)家肥 40 t/hm2+綠肥 15 t/hm2+氮肥124.5 kg/hm2（1/3MGN）；12）農(nóng)肥 40 t/hm2+秸稈3495 kg/hm2+氮肥 124.5 kg/hm2（1/3MSN）；13）農(nóng)肥30 t/hm2+秸稈 2625 kg/hm2+綠肥 11.25 t/hm2+氮肥94.5 kg/hm2（1/4MGSN）。

1.3采樣及測(cè)定

本試驗(yàn)為小麥/玉米間作。于 2008年播前（4 月13日）、小麥拔節(jié)期（5月12日）、小麥灌漿期（6 月20日）、小麥?zhǔn)斋@后（7月20）采樣，在各小區(qū)內(nèi)采用S 形 5 點(diǎn)混合采樣法采集 0—20 cm 土樣，裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，過(guò) 1 mm 篩，置于 4℃ 冰箱貯存，測(cè)定土壤理化性質(zhì)。產(chǎn)量為小麥玉米折合公頃產(chǎn)量的和值，土壤養(yǎng)分與酶活性數(shù)值均為生育期內(nèi)的均值。

堿解氮、速效P、速效 K及有機(jī)質(zhì)含量采用堿解擴(kuò)散法、0.5 mol/LNaHCO3浸提鉬銻抗比色法、火焰光度法及重鉻酸鉀容量法測(cè)定［9］。過(guò)氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法、蔗糖酶活性用 3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定、脲酶活性用苯酚鈉比色法測(cè)定、堿性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定［10］。

1.4計(jì)算及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

肥料貢獻(xiàn)率［11-12］（fertilizer contribution rate）=（施肥區(qū)產(chǎn)量-無(wú)肥區(qū)產(chǎn)量）/施肥區(qū)產(chǎn)量×100%。數(shù)據(jù)分析采用 Excel 2013 和 SPSS21 統(tǒng)計(jì)軟件，主成分分析和聚類分析采用 SPSS21 軟件，作圖采用 Excel 2013。

2　結(jié)果與分析

2.1長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.1.1不同施肥方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響等磷條件下，不同施肥處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量在17.98～25.73 g/kg 之間（表1），各施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于 CK。其中，單施化肥（N）處理雖較 CK高，遠(yuǎn)不及有機(jī)肥理。有機(jī)肥處理較試驗(yàn)初，有機(jī)質(zhì)含量增幅在 22.26%～48.93%，M、G、S 之間差異不顯著。有機(jī)肥兩兩減量配施處理有機(jī)質(zhì)含量較 CK增幅在 14.40%～39.82% 之間，其中 1/2MN 處理較1/2GN、1/2SN 提高顯著。三種以上減量配施處理（1/3MGN、1/4MGSN、1/3MSN）土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK 增幅在 27.64%～43.10%。有機(jī)肥減量配施與有機(jī)肥單施比較，有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著。有機(jī)質(zhì)含量個(gè)處理由高到低為 M＞1/2MN＞N＞CK，G＞1/2GN＞N＞CK，S＞1/2SN＞N＞CK，總的有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為高量有機(jī)肥＞減量有機(jī)肥+減量N＞N＞CK。

2.1.2不同施肥方式對(duì)土壤堿解氮含量的影響較試驗(yàn)初，各施肥處理土壤堿解氮含量均顯著高于 CK，在 75.83～106.20 mg/kg 之間（表1）。有機(jī)肥單施或與N配施均能提高土壤堿解氮含量。單施肥處理下，土壤堿解氮含量N處理顯著低于有機(jī)肥處理，堿解氮含量大小表現(xiàn)為 G、M 顯著大于 S、N，較 CK 增幅在15.11%～40.05%；兩兩減量配施處理土壤堿解氮含量大小規(guī)律與有機(jī)肥單施含量相似，均顯著高于CK，其增幅為 14.80%～39.22%。三種以上有機(jī)肥減量配施處理（1/3MGN、1/4MGSN、1/3MSN）堿解氮含量較 CK 增幅在 28.64%～34.11%。G＞1/2GN＞N＞CK，M＞1/2MN＞N＞CK，G 與 M 能顯著增加土壤堿解氮含量，秸稈和氮肥與其配施同樣能增加土壤堿解氮含量。土壤堿解氮含量大小為高量有機(jī)肥＞減量有機(jī)肥+減量 N＞N＞CK。

2.1.3不同施肥方式對(duì)土壤有效磷含量的影響不同施肥處理下的土壤有效磷含量變化范圍為 8.92～36.00 mg/kg，均高于 CK。除了施N處理，CK 處理下的土壤有效磷含量顯著低于其他處理，較試驗(yàn)初的 13.1 mg/kg 下降了 31.19%，說(shuō)明在沒(méi)有外源磷施入的情況下，土壤有效磷含量會(huì)持續(xù)下降。從（表1）可以看出，單施 M、S、G、N 的處理土壤有效磷含量較 CK 增幅在 60.31%～303.59%，單施氮不能顯著增加有效磷含量；兩兩減量配施處理土壤有效磷含量均高于 C K；三種及以上減量配施處理1/4MGSN、1/3MSN、1/3MGN 的土壤堿解氮含量較CK增幅分別為 158.30%、167.71% 和 164.35%。表明單施農(nóng)家肥、秸稈及綠肥均能顯著增加土壤有效磷含量，與其它肥料配施也能顯著增加土壤有效磷含量。有機(jī)肥之間配施土壤有效磷含量較有機(jī)肥與N配施高，單施N增加的幅度最小，其原因?yàn)槿N有機(jī)肥自身含有較高的磷，其中農(nóng)家肥含全磷 0.88 g/kg、有效磷 60.30 mg/kg；綠肥含全磷 0.34 g/kg，秸稈磷含量一般為作物干重的 0.2%～1.1%［13］。

2.1.4不同施肥方式對(duì)土壤速效鉀含量的影響有機(jī)肥均能提高土壤速效鉀的含量，施 N 處理的土壤速效鉀含量最低（表1）。CK、N、1/2GN 和 1/2SN 處理較 1988年試驗(yàn)初始值，土壤速效鉀含量降幅在16.5%～23.31%。2008年M、G、S 處理土壤速效鉀含量較 CK 分別顯著增加了 255.94%、33.19%、39.86%，而 N 處理顯著下降了 27.31%；兩兩減量配施處理 1/2MG、1/2MS、1/2MN 土壤速效鉀含量較CK 分別增加了 201.43%、158.41%、128.86%，而 1/2GN、1/2SN 分別下降了 8.05%、10.13%；三種以上配施處理速效鉀含量較 CK 分別增加了 96.74%～114.86%。

表1　不同施肥處理土壤養(yǎng)分含量Table 1　Soil nutrient contents affected by long-term fertilization treatment

長(zhǎng)期綠肥和秸稈分別與氮減量配施增加了作物對(duì)鉀的吸收，而綠肥和秸稈中的鉀不足以彌補(bǔ)作物帶走的鉀，因此，這兩種組合及其用量是不利于土壤鉀素的平衡的。包興國(guó)等進(jìn)行的綠肥或者秸稈減半與N配施也得到了土壤速效鉀虧損的結(jié)論［17］。GN或者 SN 配施能夠增加作物對(duì)鉀的吸收，NP 配合秸稈還田能使小麥吸收的 84% 的鉀素還回土壤中，減緩了鉀素的嚴(yán)重虧缺，但仍處于虧缺狀態(tài)，鉀素年表觀虧缺達(dá)到 13.4～23.1 kg/hm2［18］，長(zhǎng)期氮磷與秸稈或者綠肥配施會(huì)造成土壤鉀素虧缺，會(huì)加劇土壤鉀的耗竭風(fēng)險(xiǎn)［19］。

2.2長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤酶活性的影響

2.2.1不同施肥方式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響土壤蔗糖酶活性大小不僅反映土壤有機(jī)碳積累與分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律，也是評(píng)價(jià)土壤熟化程度和土壤肥力水平的重要指標(biāo)［20］。由（表2）可以看出，不同施肥處理土壤蔗糖酶活性均高于 CK；G 與 S、N、M 相比土壤蔗糖酶活性差異顯著；兩兩減量配施或三種及以上配施與 CK 相比均能增加蔗糖酶活性。G 與 1/2GN處理的土壤蔗糖酶活性最高，這主要是由于綠肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分影響較大，有機(jī)肥與 N 配施較單施 N 更能提高其活性。

2.2.2不同施肥方式對(duì)堿性磷酸酶活性的影響不同施肥處理下堿性磷酸酯酶活性為 1.47～1.74 mg/g 土（24 h），施肥均能提高堿性磷酸酶活性（表2）。M、G、S 和 N 處理能顯著增加磷酸酶活性，較 CK 增幅在 0.67%～18.36%；兩兩減量配施磷酸酶活性較 CK增幅在 7.48%～12.24%；三種及以上配施之間差異不顯著。M、G 或 N 與其減量配施處理下的磷酸酶活性均高于 CK，增幅為 0.68%～18.37%，以單施 M處理土壤堿性磷酸酶活性最高。

表2　不同施肥處理小麥季土壤酶活性Table 2　Soil enzyme activities during wheat growth season affected by long-term fertilization treatment

2.2.3不同施肥方式對(duì)土壤脲酶活性的影響土壤脲酶活性可用來(lái)表征土壤氮營(yíng)養(yǎng)水平，其對(duì)土壤和肥料的氮素轉(zhuǎn)化起著重要作用。各施肥處理下脲酶活性均大于 CK（表2），處理 G 與處理 S、M 和 N 之間差異顯著，較 CK 增幅在 4.79%～15.43%。處理 S、M 和 N 對(duì)脲酶活性影響不顯著，這與鄭勇等［21］、孫瑞蓮等［22］的報(bào)道一致。兩兩減量配施處理 1/2MG、1/2GN、1/2MS、1/2SN、1/2MN 均顯著高于 CK，但配施處理間脲酶活性差異不顯著；三種及以上配施脲酶活性均高于 CK。施入秸稈可以增加脲酶活性，因?yàn)榻斩拰?duì)根際土壤脲酶活性有激活效應(yīng)［23］，其中又以秸稈與 NP 配合施用效果較好［24］。

2.2.4不同施肥方式對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響過(guò)氧化氫酶是一種重要的氧化還原酶，參與土壤中物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，在一定程度上較靈敏地反映了土壤微生物學(xué)過(guò)程和作物代謝過(guò)程的強(qiáng)度，能促進(jìn)過(guò)氧化氫對(duì)各種化合物的氧化［25］。與不施肥相比，長(zhǎng)期施肥均能提高過(guò)氧化氫酶活性，但無(wú)論單施、兩兩配施還是三者以上配施對(duì)過(guò)氧化氫酶活性影響不大，這與袁玲等研究結(jié)果相一致［26］。除單施 N 外，不同施肥處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性均高于 CK。

2.3土壤肥力狀況主成分分析及不同施肥制度的聚類分析

對(duì)不同處理土壤養(yǎng)分和酶活性進(jìn)行分析，根據(jù)主成分分析的原理，第一、第二、第三主成分對(duì)應(yīng)的特征大于 1，累積方差貢獻(xiàn)率大于 80%～85% 以上，即可代表樣本的總體變異。土壤養(yǎng)分的第一、二、三主成分可代表土壤肥力系統(tǒng)內(nèi)的總體變異信息，反映土壤肥力在不同施肥方式下的土壤養(yǎng)分變化狀況（表3）。通過(guò)表4的旋轉(zhuǎn)因子載荷可以看出，第一主成分綜合了 SOM、堿解氮、有效 P、有效 K的變異信息，成為土壤養(yǎng)分因子。第二主成分綜合了 SOM、堿解氮、蔗糖酶、脲酶的信息。第三主成分綜合了土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶的信息，成為酶活性因子。通過(guò)各土壤養(yǎng)分的變量載荷因子權(quán)系數(shù)和表3特征根，可計(jì)算得到土壤總養(yǎng)分信息系統(tǒng)的第一、二、三主成分模型方程如下：

表3　主成分分析的特征根和方差貢獻(xiàn)率Table 3　Eigenvalues and variance contribution of principal components analysis

利用第一、二、三主成分方程，分別結(jié)合方差貢獻(xiàn)率（表4），最終構(gòu)建出不同施肥方式下的土壤總養(yǎng)分狀況的綜合評(píng)價(jià)模型: F=0.24ZX1+0.30ZX2+0.19ZX3+0.15ZX4+0.22ZX5+0.23ZX6+0.05ZX7+0.20ZX8-0.22ZX9-0.09ZX10。式中，ZX 表示標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，其中 X1 為 SOM；X2 為土壤堿解氮含量；X3 為土壤有效磷含量；X4 為土壤速效鉀含量；X5 為蔗糖酶活性；X6 為土壤磷酸酶活性；X7為土壤脲酶活性；X8 為土壤過(guò)氧化氫酶活性；X9為土壤容重；X10 為土壤 pH 值。

表4　主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷Table 4　Component score coefficient matrix

根據(jù)主成分模型即可計(jì)算主成分得分，結(jié)合第一、二、三主成分得分與對(duì)應(yīng)的特征根計(jì)算出綜合主成分得分，并按主成分分值進(jìn)行排序（表5）。

根據(jù)第一、二、三主成分的得分信息，應(yīng)用平均聯(lián)接法對(duì)個(gè)案進(jìn)行聚類（圖1）。本研究根據(jù)不同施肥方式對(duì)土壤養(yǎng)分及酶活性的影響進(jìn)行聚類分析。土壤質(zhì)量等級(jí)可以通過(guò)主成分綜合得分進(jìn)行劃分［20］，根據(jù)綜合得分的最大值和最小值及聚類分析把不同施肥方式下的土壤質(zhì)量劃分為四個(gè)等級(jí)（四大類）。

第一類包含G、M、1/2MG，綜合得分范圍0.95～1.41。長(zhǎng)期施用高量有機(jī)肥條件下，對(duì)于土壤養(yǎng)分、酶活性的提高具有較大的作用。

第二類包含1/2MN、1/3MSN、1/3MGN、1/2GN、1/2MS、1/4MGSN，綜合得分范圍-0.14～0.62。有機(jī)肥與氮肥的配施與單施氮處理相比，土壤中的 SOM、堿解氮、速效 鉀、有效磷等指標(biāo)均有所增加。

表5　各樣本主成分得分Table 5　Principal scores of each treatment

圖1　聚類分析Fig.1　Dendrogram

第三類包含N、1/2SN、S，綜合得分范圍-0.92～-0.63。從聚類圖可以看出，單施 N、S及兩者配施培肥地力較差。

第四類為不施肥，綜合得分-2.72。由于常年不施肥，速效K及其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)均很低。

2.5不同施肥處理對(duì)小麥/玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)收益的影響

圖2　不同施肥處理作物產(chǎn)量及肥料貢獻(xiàn)率Fig.2　Crop yields and the contribution rate of fertilizer under different treatments

圖2顯示不同施肥處理的小麥、玉米產(chǎn)量差異顯著。2008年小麥/玉米合計(jì)產(chǎn)量在 4658～15622.4 kg/hm2之間，與 CK 相比，增產(chǎn)幅度在 12.21～235.4%，肥料貢獻(xiàn)率在 10.89%～70.18% 之間。施肥能顯著增加作物產(chǎn)量，不同肥料對(duì)作物增產(chǎn)效果不盡相同。在等磷的條件下，單施肥產(chǎn)量大小為 N＞G＞M＞S，較 CK 增產(chǎn)了 200.96%、147.56%、111.41%、12.22%；配施對(duì)產(chǎn)量影響大小為 1/2GN＞1/2MN＞1/3MGN＞1/3MSN＞CK。N 處理對(duì)作物產(chǎn)量影響最為顯著，與其配施 1/2GN、1/2MN 作物產(chǎn)量較高，與 CK 相比提高了 235.39%、197.32%，1/2GN 較單施氮產(chǎn)量增加 11.45%。說(shuō)明施用有機(jī)肥能提高土壤養(yǎng)分含量，增加作物產(chǎn)量，氮減半與土壤有機(jī)肥配施，作物產(chǎn)量較單施氮不減反增，且氮與有機(jī)肥配施肥料貢獻(xiàn)率較大。

根據(jù)表6可以看出，肥料支出以 1/2MG 最高，處理 M 與 G 其次。有機(jī)肥與氮合理配施的小麥、玉米凈利潤(rùn)以 N、1/2GN 較大，CK 和 1/2MS 處理較小，單施氮肥或氮肥有機(jī)肥適量配施對(duì)于提高凈收益作用較大。

表6　不同處理作物生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)收益（yuan/hm2）Table 6　Cost and economic returns of fertilization under different treatment

3　討論

施肥方式直接影響著土壤養(yǎng)分的保持與累積，進(jìn)而影響著作物的產(chǎn)量［27］。合理的施肥方式可以改善土壤理化性質(zhì)、增加作物產(chǎn)量。本研究是在等磷的條件下，研究長(zhǎng)期定位施用三種有機(jī)肥（M、G、S）與 N 的配施對(duì)土壤養(yǎng)分及酶活性、產(chǎn)量的影響，通過(guò)主成分與聚類及經(jīng)濟(jì)收益分析，綜合篩選最為合理的施肥方式，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論參考。

3.1不同施肥方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

試驗(yàn)經(jīng)過(guò) 21年定位施肥后，有機(jī)肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量均高于不施肥處理，有機(jī)肥對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)和速效 N、P、K含量的作用大于化肥。土壤有機(jī)質(zhì)含量的多寡是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，說(shuō)明施加有機(jī)肥可以提高土壤質(zhì)量。有機(jī)肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的大小表現(xiàn)為M＞G＞S，主要是由于它們均含有較多的有機(jī)質(zhì)如作物秸稈及作物根茬，農(nóng)家肥還含有動(dòng)物糞便、消化道酶及大量微生物［29］，可以促進(jìn)氮的礦化，有機(jī)磷的分解［30-31］，且單施化肥土壤有機(jī)質(zhì)的礦化損失大，高于配施有機(jī)肥處理。因此，單施有機(jī)肥或者有機(jī)肥與 N 減量配施可以提高土壤有機(jī)質(zhì)。

土壤有機(jī)質(zhì)與堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)［32］。施加有機(jī)肥處理堿解氮含量高于單施氮，主要是由于有機(jī)肥含有較多有機(jī)質(zhì)，其腐解、釋放的氮素會(huì)增加堿解氮含量。本試驗(yàn)中綠肥與農(nóng)家肥單施，或者與其減量配施的土壤堿解氮含量較高，單施秸稈與氮或者與其配施，土壤堿解氮含量較小。其主要原因是：土壤腐解速率取決于 C/N 比，豆科植物易分解組分含量高，C/N 比值?。s為 20～30∶1），在分解時(shí)能釋放較多的氮素；本試驗(yàn)農(nóng)家肥全氮含量比綠肥低 26.67%，C/N 比值高于綠肥低于秸稈；秸稈土壤堿解氮含量最低是由于秸稈的 C/N 比大多在60～100∶1［29］，C/N 比大，施入土壤后，常易發(fā)生微生物與作物爭(zhēng)奪氮素。因此，不同施肥處理土壤堿解氮含量大小為綠肥＞農(nóng)家肥＞秸稈＞N。

施用有機(jī)肥均能夠提高土壤有效K的含量，三種有機(jī)肥對(duì)土壤有效鉀含量的影響農(nóng)家肥＞綠肥＞秸稈。鉀素主要來(lái)源于土壤中含鉀礦物風(fēng)化及土壤有機(jī)質(zhì)分解［33］，農(nóng)家肥含有豐富的鉀，綠肥、秸稈次之。氮或者氮與綠肥、秸稈配施有效鉀含量有所下降，說(shuō)明施氮肥能促進(jìn)作物對(duì)土壤有效鉀的吸收利用，當(dāng)土壤中鉀素含量較少的情況下，隨作物籽粒及秸稈攜帶鉀素累積量增加，土壤鉀素流失加快［34］。

長(zhǎng)期施有機(jī)肥對(duì)土壤有效磷含量影響為農(nóng)家肥＞秸稈＞綠肥，以 1/2MS 處理的有效磷含量最高，而秸稈與綠肥對(duì)有效磷的影響差異不顯著。有機(jī)肥本身含有較高的有機(jī)磷，而有機(jī)磷組分比例不盡相同，從而對(duì)土壤有效磷的貢獻(xiàn)不同。秸稈中的磷素經(jīng)過(guò)分解和轉(zhuǎn)化積累到土壤中的有效磷較少，可緩慢增加土壤有效磷含量，而 M 中磷素含量較高，磷素形態(tài)復(fù)雜且分解較快，對(duì)土壤有效磷的貢獻(xiàn)是 N的 2～4 倍［36］。邱鳳瓊等的研究表明，施秸稈同樣有利于土壤有效磷含量的提高［37］，農(nóng)家肥和秸稈二者的共同施入能夠提高土壤有效磷和有機(jī)質(zhì)含量，為土壤微生物生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境，與顏慧等的研究結(jié)論一致［38］。

3.2施肥對(duì)土壤酶活性的影響

長(zhǎng)期施肥可直接影響土壤酶的活性。單施有機(jī)肥或者有機(jī)肥配施氮對(duì)提高土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶的活性均優(yōu)于單施氮或不施肥；高量有機(jī)肥及氮在減半或減到三分之一、四分之一配施下，酶活性并不隨有機(jī)肥量的劇減而大幅減小，而以有機(jī)肥與氮減量配施效果更好，這與宋震震等的結(jié)論一致［39］。綠肥處理能顯著提高蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶酶活性；農(nóng)家肥可以顯著提高堿性磷酸酶活性，秸稈對(duì)于提高酶活性不明顯且較綠肥與農(nóng)家肥差。主要由于綠肥含有豐富的碳源、氮源，是土壤微生物營(yíng)養(yǎng)源，且易分解，與農(nóng)家肥或氮肥配施，可以提高土壤微生物量，進(jìn)而提高土壤酶活性。

3.3不同施肥方式對(duì)作物產(chǎn)量及效益的影響

有機(jī)肥源以人畜排泄物和作物秸稈、綠肥等使用較廣泛。近年來(lái)，由于制作和施用有機(jī)肥花工費(fèi)多，農(nóng)村勞力逐漸減少等因素使得有機(jī)肥施用量呈下降趨勢(shì)，從 1979年單位播種面積平均施用有機(jī)肥10830 kg/hm2，到近幾年為 9000～9750 kg/hm2［40］，但有機(jī)肥的用量如果不斷增加會(huì)導(dǎo)致肥料利用降低和增加農(nóng)田磷的地表流失量加速了地表水體富營(yíng)養(yǎng)化，造成環(huán)境污染。研究表明有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)肥較單施更加能夠顯著提高產(chǎn)量［41］，有機(jī)無(wú)機(jī)配施中的礦質(zhì)養(yǎng)分和有機(jī)養(yǎng)分的釋放既能補(bǔ)充土壤養(yǎng)分不足，又具有持久釋放的能力，合理運(yùn)籌氮肥是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)和超高產(chǎn)的重要措施，而長(zhǎng)期單施和過(guò)量施用氮肥會(huì)造成土壤有機(jī)質(zhì)含量降低、理化性狀惡化，長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施方可提高土壤微生物量碳氮、脲酶活性［42］，最大限度地發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)元素互補(bǔ)作用，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥料，隨著施用年限延續(xù)有機(jī)肥肥效逐漸積累，并表現(xiàn)出良好的漸進(jìn)與持續(xù)性。常規(guī)農(nóng)村施氮肥的投入均大于產(chǎn)出，過(guò)量的氮肥投入不僅降低了其經(jīng)濟(jì)效益，也降低了環(huán)境生態(tài)效益。汪軍等研究表明隨氮肥用量的增加其經(jīng)濟(jì)效益呈先增加后降低的趨勢(shì)，過(guò)量的施氮使得作物新增純收益率顯著低于低氮處理，其經(jīng)濟(jì)效益降低［43］，而有機(jī)肥與氮肥的配施較單一施用有機(jī)肥或氮肥能更有效地提高潮土的土壤肥力，提高作物產(chǎn)量［44］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)民為了追求高產(chǎn)而盲目施氮，造成了肥料的浪費(fèi)，作物生長(zhǎng)發(fā)育受到脅迫，產(chǎn)量只降不增，造成大量 NO3-淋溶，地下水污染，危害人類健康。本試驗(yàn)以施加 1/2GN、1/2MN 處理作物產(chǎn)量較其他施肥高。因此，在氮肥減半的情況下，施用1/2GN、1/2MN 處理既可以保持土壤有效鉀、磷穩(wěn)定在一定水平上，避免過(guò)多的 NO3-進(jìn)入環(huán)境，同樣能提高作物產(chǎn)量，說(shuō)明在生產(chǎn)中減少化肥的投入量空間很大，最佳的施肥方式是有機(jī)肥與化肥配施，其可兼顧作物產(chǎn)量、生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。

3.4主成分和聚類分析在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中的應(yīng)用

化肥和有機(jī)肥對(duì)改善土壤肥力的作用已有大量研究，但多集中于單方面指標(biāo)的定性，通過(guò)簡(jiǎn)單相關(guān)性分析論述單項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)與土壤質(zhì)量的關(guān)系［45］。隨著統(tǒng)計(jì)學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，越來(lái)越多的學(xué)者，將土壤理化指標(biāo)通過(guò)函數(shù)關(guān)系或圖形來(lái)描述各因子之間的關(guān)系［46］，但有些因子內(nèi)在相互關(guān)系不易用準(zhǔn)確的函數(shù)或者數(shù)據(jù)來(lái)描述，從而使它們提供的信息部分發(fā)生交叉和重疊而影響了數(shù)據(jù)的正確分析。主成分分析的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，是揭示變量間關(guān)系的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法［47］。在土壤等級(jí)劃分、資源評(píng)價(jià)及合理利用方面，主成分分析得到大量的應(yīng)用［7］。一般認(rèn)為主成分分析可以弱化變量間的自相關(guān)性所引起的誤差，形成互不相關(guān)主成分，獲得各主成分得分，同時(shí)通過(guò)計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)得分，從而達(dá)到對(duì)土壤質(zhì)量的精確評(píng)價(jià)［47］。本研究把不同施肥方式下的培肥效果采用主成分與聚類分析做出定量化評(píng)價(jià)，以期為土壤可持續(xù)利用提供理論參考。

4　結(jié)論

1）等磷條件下，長(zhǎng)期單施高量農(nóng)家肥、綠肥、秸稈，或者農(nóng)家肥與氮肥配施均能提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量，但綠肥和秸稈減量與氮肥配施不能彌補(bǔ)土壤鉀的耗竭。

2）與綠肥和秸稈相比，農(nóng)家肥更有利于土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量的提高，有利于土壤磷酸酶與過(guò)氧化氫酶活性的提高，而綠肥更加有利于土壤堿解氮、蔗糖酶活性、脲酶活性的提高。

3）經(jīng)濟(jì)效益與產(chǎn)量聚類綜合分析，農(nóng)家肥、綠肥和秸稈長(zhǎng)期單施成本高，產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益低，維持土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量的用量大。因此，提倡適量有機(jī)肥與氮肥配施，達(dá)到提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益，保證土壤肥力可持續(xù)發(fā)展。

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Combined long-term application of organic materials with nitrogen fertilizer in suitable amount could improve soil fertility and crop production profit in He-xi Oasis of Gansu Province

MA Zhong-ming1，WANG Ping2，CHEN Juan1，BAO Xing-guo1
（1 Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou 730070， China；2 Lanzhou Agro-technical Research and Popularization Center， Lanzhou 730070， China）

【Objectives】Irrigation agricultural area in He-xi Oasis， Gansu Province， is one of the important commercial maize production base in China. Study on the effects of different fertilization patterns on soil fertility and crop yield will provide a scientific basis for high efficient and sustainable agricultural production in the area.【Methods】A long-term field experiment（1988-2009）under the base of application of P2O5150 kg/hm2，except control， was conducted in irrigated desert soil. The 13 treatments included single application of farmyard manure 120 t/hm2（M）， green manure 45 t/hm2（G）， straw 10.5 t/hm2（S）， N fertilizer 375 kg/hm2（N）and their combined application with each other as: 1/2MN， 1/2GN， 1/2SN， 1/2MG， 1/2MS， 1/2GS and 1/3MGN， 1/3MSN and 1/4MGSN. The soil organic carbon and available nutrient contents and the main soil enzyme activities were determined. Principle components analysis， cluster analysis and cost and economic returns were used to evaluate the soil quality and economic returns of different fertilization treatments.【Results】Long term treatments of CK， N， NG， NS caused soil available K deficiency， and the corresponding decease was 16.59%， 39.37%，25.04% and 23.31%， compared to those in 1988. The single application of M， G， and S or combined application with N could increase the contents of soil available N， soil available P， soil available K and soil organic matter（SOM）and soil enzyme activities（invertase， urease， alkaline phosphatase and catalase）， and the contents of soil available N， P， K and SOM were in order of combined organic fertilizer application in high quantity＞the combined application of low quantity organic fertilizer with low N＞single N＞CK. The single G or GN could increase the activities of invertase and urease， and the treatments of M， G and MN， GN could increase activities of alkaline phosphatase. The PCA and clustering analyses showed that the 13 fertilizer treatments can be divided into four categories according to the quality of soil: the first one was the high quantity organic fertilization including M， G and MG， the second one was the combined application of organic manure and N fertilizer including MN， MSN， MGN， GN， MS and MSGN， the third one was N， SN and S， and the last one was CK. Compared to CK， all the fertilization treatments could significantly improve crop yields， the crop yields were increased by 12.21%-235.4%， and the fertilizer contribution rates were in a range from 10.89% to 70.18%. The order of the crop yields was N＞G＞M＞S， and the order of the crop yields was GN＞MN＞MSN＞MGN＞MG＞SN＞MSGN＞MS. The organic fertilizer combined with application N fertilizer could obtain high yields. The cost and economic returns analysis showed that the single application of N fertilizer or organic fertilizer combined with N fertilizer could increase the net income.【Conclusions】Through the analysis and comparison， single application of farmyard， straw and green manure needs huge amount of input to keep soil fertility and a certain level of yield in the long run， the cost is high and economic benefit is low as a result. Therefore， the combined application of suitable amount of nitrogen fertilizer with organic materials is recommended for the increase of the crop yields and economic efficiency， ameliorate soil health and improve soil ecological environment.

long term fertilization； soil nutrient； enzyme activities； principalcomponentsanalysis；clustering analysis； crop yield

S154.2

A

1008-505X（2016）05-1298-12

2015-08-06接受日期：2015-12-18

日期：2016-05-26

公益性行業(yè)專項(xiàng)北方高原山地區(qū)面源污染監(jiān)測(cè)與氮磷投入閾值研究（201003014-7）資助。

馬忠明（1964—），男，甘肅省民勤人，博士生導(dǎo)師，研究員，主要從事作物栽培和節(jié)水農(nóng)業(yè)研究。

E-mail：mazhming@163.com