不同施肥模式下西藏農(nóng)田土壤質(zhì)量的變化

李 猛，何永濤，孫 維，李少偉，鐘志明，余成群，張揚(yáng)建，張憲洲

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 拉薩高原生態(tài)試驗(yàn)站 北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049；3.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100190)

土壤質(zhì)量是土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)，維持生物的生產(chǎn)力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)植物健康的能力[1]，綜合反映了土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，以及形成這些性質(zhì)的一些重要過程[2]。土壤質(zhì)量的變化不僅可以反映土壤管理模式的變化[1]，同時(shí)也能反映土壤環(huán)境的變化趨勢以及人類活動(dòng)的影響[3]。土壤質(zhì)量評價(jià)通常采用可定量計(jì)算的物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)，其中土壤容重及機(jī)械組成是重要的物理指標(biāo)，其變化決定著土壤緊實(shí)度，不僅影響水分和氧氣的供應(yīng)，同時(shí)還會影響其它土壤性質(zhì)和過程[4]；pH和有機(jī)質(zhì)是評價(jià)土壤質(zhì)量的重要化學(xué)指標(biāo)，影響著多種土壤生物學(xué)與化學(xué)性質(zhì)及其之間的關(guān)系[4-5]；土壤微生物量碳是指土壤中微生物的總碳量，盡管在土壤總碳中占據(jù)很小的比例，但卻是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的部分[6]，其周轉(zhuǎn)速率快，可以及時(shí)反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中培肥措施、種植體系以及土地利用方式的變化，被廣泛應(yīng)用在土壤質(zhì)量評價(jià)中[7-8]。

一江兩河流域(雅魯藏布江、拉薩河、年楚河)是西藏高原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心區(qū)域，水熱條件較好，河谷多墾殖為耕地，種植以小麥、青稞、油菜為主的喜涼作物，同時(shí)也是西藏人口集中分布的區(qū)域，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于西藏地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。但由于西藏高原河谷農(nóng)田多為河谷沖、洪積物發(fā)育而來的砂質(zhì)土壤，土層淺薄、質(zhì)量較差，加之大部分農(nóng)田一直處于連年耕作的狀態(tài)，近年來出現(xiàn)了全面的退化。首先是土壤物理結(jié)構(gòu)的變化，如1990～2001年10年期間，西藏中部地區(qū)的農(nóng)田土壤容重增加了7.1%～14.3%、孔隙度則降低了5.9%～17.3%，土壤硬化、養(yǎng)分貧瘠化趨勢明顯[9]。其次是有機(jī)質(zhì)的下降，自20世紀(jì)60年代至今已有超過一半耕地的土壤有機(jī)質(zhì)降至2.0%，其中僅1990～2001年間，西藏主要農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量平均下降了26.7%～52.0%[10-11]。農(nóng)田土壤退化已經(jīng)成了限制當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素，如何有效改善土壤質(zhì)量是西藏農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面臨的突出問題。

中國科學(xué)院拉薩農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(以下簡稱拉薩站)是中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)和國家生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CNERN)臺站之一，位于拉薩河下游寬谷地段，是西藏河谷農(nóng)區(qū)的典型代表，同時(shí)也是世界海拔最高的農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站。2008年開始，拉薩站設(shè)置了長期施肥試驗(yàn)，目的是監(jiān)測不同施肥模式下高原農(nóng)田土壤質(zhì)量的長期演變趨勢，為該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化管理提供理論依據(jù)。本文對2015年獲取的土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，以探討經(jīng)過8a施肥試驗(yàn)后，不同施肥模式對高原農(nóng)田土壤質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

1.1 樣地概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣地位于拉薩農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站農(nóng)田試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，距西藏自治區(qū)首府拉薩市25 km，東經(jīng)91°20′37″，北緯29°40′40″，海拔3688 m，原為拉薩河谷的河漫灘地，1993 年建站后改造為農(nóng)田，土壤質(zhì)地為砂壤。該區(qū)域?qū)俑咴瓬貛О敫珊导撅L(fēng)氣候，年均氣溫 7.9 ℃，≥10℃積溫2200℃，年均降水量 497.7 mm，年蒸發(fā)量2190. 4 mm，年太陽總輻射達(dá)7700 MJ·m-2。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為長期等氮施肥試驗(yàn)，開始于2008年，共有4個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為10 m × 10 m。試驗(yàn)處理包括空白對照、羊糞、化肥以及羊糞+化肥(以下簡稱羊+化)，施肥量為當(dāng)?shù)仄骄郊兊?50 kg·hm-2，各處理的具體施肥情況見表 1。通過分別施用有機(jī)肥料、無機(jī)肥料、有機(jī)無機(jī)肥混施以及空白對照處理，對比觀測長期不同施肥模式對高原農(nóng)田土壤質(zhì)量的影響。種植當(dāng)?shù)刂饕魑锒←満痛呵囡?015年種植作物為春青稞。播種前施羊糞或化肥為基肥，化肥處理和羊+化處理在青稞抽穗期施用1次尿素作為追肥。引拉薩河水采用畦灌方式灌溉，2015年分播種、出苗期、分蘗期、拔節(jié)期、蠟熟期5次灌溉。

2015年春青稞生長季，按照中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)的規(guī)范，對土壤微生物量碳進(jìn)行了動(dòng)態(tài)取樣和分析；并在作物收獲后，測定了該長期試驗(yàn)樣地的土壤pH、有機(jī)質(zhì)、容重、機(jī)械組成等理化指標(biāo)。

1.2 樣品采集與測定方法

1.2.1 樣品采集 土壤微生物量碳樣品采集分別在 2015 年青稞種植前(3月8日)、拔節(jié)期(4月23日)、抽穗期(7月23日)、收獲后(10月18日)進(jìn)行。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)分別用直徑3.5 cm的土鉆隨機(jī)取5個(gè)表層(0～20cm)土壤混合為一個(gè)樣品，每個(gè)處理取 3個(gè)混合樣品。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后去除植物殘?bào)w與礫石等，一部分用于測定土壤含水量，一部分土樣冷凍保存在冰柜中用于測定土壤微生物量碳。

2015年9月15日青稞收獲后，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)按對角線隨機(jī)布點(diǎn)(3點(diǎn))挖取土壤剖面，并按 0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和 40～60 cm土層采用環(huán)刀法分別測定土壤容重，并在各層分別取土樣、混勻，帶回室內(nèi)用于分析土壤機(jī)械組成。同時(shí)在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)用土鉆隨機(jī)取5個(gè)表層(0～20 cm)土壤混合為一個(gè)樣品，每個(gè)處理取 3個(gè)混合樣品，用于測定土壤有機(jī)質(zhì)、pH。

1.2.2 室內(nèi)分析 土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法測定。測定時(shí)，稱取相當(dāng)于10.0 g 烘干土重的濕潤土壤，在25℃的黑暗條件下熏蒸24 h。用反復(fù)抽真空方法除去殘存氯仿后，加入 40 mL 0.5 mol L-1K2SO4溶液(土液比1∶4)，振蕩浸提 30 min。振蕩結(jié)束后立即用濾膜過濾浸提液，濾出的浸提液用TOC自動(dòng)分析儀(Liqui TOC Ⅱ)測定，通過計(jì)算氯仿熏蒸和未熏蒸樣品中的有機(jī)碳之差確定微生物量碳。土壤 pH用水浸法以pH計(jì)測定(水土比2.5∶1)；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測定；土壤機(jī)械組成采用MASTERSIZER 2000激光粒度儀測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 21進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以 LSD 和Duncan法進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)不同取樣時(shí)間、不同施肥模式下土壤理化指標(biāo)差異的顯著性(α=0.05)。繪圖采用Orgin 9.1軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式對土壤物理指標(biāo)的影響

2.1.1 機(jī)械組成 根據(jù)我國土粒分級標(biāo)準(zhǔn)將試驗(yàn)區(qū)土壤的機(jī)械組成進(jìn)行分級(表2)。結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田的土壤機(jī)械組成以砂粒(2～0.05mm)為主，比例達(dá)到了2/3左右；而粘粒含量普遍較小，不足3%。盡管差異未達(dá)到顯著的檢驗(yàn)水平，但與空白對照和化肥處理相比，羊糞和羊+化處理明顯增加了0～20 cm土層中的砂粒含量，降低了粉砂粒和粘粒含量，從而使土壤更為疏松。

表2 不同施肥模式農(nóng)田土壤各級土粒含量

2.1.2 容重 不同施肥模式對表層土壤容重有著顯著的影響(圖1)。0～10 cm土層容重為空白>化肥>羊+化>羊糞，其中空白處理容重最大，為1.37 g·cm-3，羊糞處理容重最小為1.18 g·cm-3，與單純施用化肥的樣地相比，施加了有機(jī)肥的羊糞和羊+化樣地的0～10cm表層土壤容重分別降低10.1%和10.0%，羊糞、羊+化與空白對照之間的差異顯著(P<0.05)，而化肥與空白對照之間的差異并未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。10～20 cm土層的容重也表現(xiàn)出相同的趨勢，即空白>化肥>羊+化>羊糞，分別為1.46 g·cm-3、1.40 g·cm-3、1.38 g·cm-3、1.27 g·cm-3，羊糞處理對降低該層容重的作用最為顯著(P<0.05)。而隨著土壤深度的增加，不同施肥模式對土壤容重的影響未表現(xiàn)出明顯的差異(P>0.05)。

2.2 不同施肥模式對土壤有機(jī)質(zhì)和pH的影響

由圖 2可以看出，不同施肥模式之間土壤有機(jī)質(zhì)差異明顯，其中羊糞處理最高，為31.1 g·kg-1，空白對照最小，僅為16.2 g·kg-1。與單純施用化肥樣地相比，羊糞和羊+化處理均顯著提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，提高幅度分別為92.0%和83.9%(P<0.05)；而單純施用化肥則對土壤有機(jī)質(zhì)的影響較小，相對于空白僅提高了11.1%(P>0.05)。不同施肥處理之間土壤pH的大小為羊糞>空白>化肥>羊化，分別為7.05、6.97、6.73和6.63，羊糞有提高土壤pH、而化肥則有降低土壤pH的趨勢。

圖1 不同施肥模式對土壤容重的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil bulk density

圖2 不同施肥模式對土壤有機(jī)質(zhì)及pH值的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil organic matter and pH value

2.3 不同施肥模式對土壤微生物量碳的影響

不同施肥模式對土壤微生物量碳有明顯的影響(圖4)。除3月初青稞尚未種植，不同施肥處理之間的土壤微生物量碳無明顯差異外，在青稞的生長期間以及收獲后，土壤微生物量碳均表現(xiàn)為羊糞>羊+化>空白>化肥。4月份青稞處于出苗期，羊糞和羊+化處理的微生物量碳顯著大于空白對照和化肥處理，羊糞最高可達(dá)到218.2 mg·kg-1，而化肥最低僅為68.4 mg·kg-1。羊糞和羊+化處理較空白對照分別提高了156.3%和132.1%，而化肥處理較空白對照則降低了19.7%。7月份青稞處于抽穗期，羊糞處理微生物量碳最高，達(dá)到了132.0 mg·kg-1，羊糞和羊化處理微生物量碳較空白對照分別提高了98.5%和48.8%，化肥處理較空白對照則降低了18.5%；10月份青稞收獲之后，農(nóng)田的土壤微生物量碳同樣表現(xiàn)為羊糞和羊+化處理顯著大于空白與化肥處理。以上結(jié)果表明，與空白對照相比，施加有機(jī)肥會顯著增加土壤微生物量碳(P<0.05)，而單純的施加化肥并未改變土壤微生物量碳。

圖3 不同施肥模式對土壤微生物量碳的影響Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soilmicrobial biomass Carbon

3 討 論

土壤容重、機(jī)械組成等物理性質(zhì)直接影響農(nóng)田農(nóng)作物的生長發(fā)育，而長期的不同施肥模式會對其產(chǎn)生顯著的影響。國內(nèi)許多研究表明：施用有機(jī)肥會顯著降低表層土壤容重，增大土壤孔隙度和通透性，有利于農(nóng)作物的生長發(fā)育及土壤養(yǎng)分的吸收[12-13]。長期施用化肥則會破壞土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)，降低孔隙度，增大土壤微團(tuán)聚體分散系數(shù)，從而使耕作層土壤變硬，不利于農(nóng)作物根系的生長[14]。本試驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)，與化肥樣地相比，施加羊糞顯著降低了高原農(nóng)田表層土壤容重，增加了砂粒組成，從而使土壤顆粒較粗、孔隙較大，因此土壤通氣性、透水性好，有利于作物的生長。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)量的核心，既是氮素的供給源，也影響著土壤的結(jié)構(gòu)，而長期的不同施肥模式會對農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。在本研究中羊糞和羊+化處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空白對照和化肥處理。其它研究也表明，長期不同施肥處理會使土壤有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生較大差異，單施化肥對土壤有機(jī)質(zhì)含量無明顯影響[15-16]，施加有機(jī)肥則可以提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量[17-18]。究其原因主要是由于長期施加化肥可保持土壤養(yǎng)分，增加作物產(chǎn)量，根茬殘留增加，維持土壤有機(jī)質(zhì)基本保持不變[16]，而農(nóng)田施加未經(jīng)腐解的有機(jī)肥有利于活化和更新土壤有機(jī)質(zhì)，增加農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)[19]。農(nóng)業(yè)耕作對土壤pH 的影響也很大[20]，本研究中長期施用化肥樣地的土壤pH低于羊糞處理，其它研究也發(fā)現(xiàn)長期使用化肥會降低農(nóng)田土壤pH，施加有機(jī)肥則會保持土壤pH穩(wěn)定[21]。因此，施加有機(jī)肥不僅可以增加西藏農(nóng)田土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)還可以維持土壤的酸堿度從而有利于作物的生長。

土壤微生物是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者，調(diào)節(jié)著陸地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過程，對土壤中的養(yǎng)分供應(yīng)起著重要作用[22]。施肥是調(diào)節(jié)土壤微生物數(shù)量及多樣性的重要措施[23]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與空白對照相比，單純施用化肥并未改變土壤微生物量碳，而施加羊糞對于高原農(nóng)田土壤微生物量的增加起到了促進(jìn)作用。其它研究也表明，長期只施用化肥與不施肥相比，并未增加土壤微生物數(shù)量[24-25]，效果遠(yuǎn)不及化肥和有機(jī)肥的配合使用[26]，而且隨著有機(jī)肥用量的增加，土壤微生物量碳也隨之提高[27]。長期單純施用化肥還會導(dǎo)致土壤pH下降和團(tuán)聚體破壞，土壤微生物生命活動(dòng)減弱[28]；而施加有機(jī)肥一方面不但可以增加土壤養(yǎng)分，為微生物提供了充足的碳源[29]，另一方面還有利于團(tuán)聚體的形成，改善微生物的生存小環(huán)境。

4 結(jié) 論

綜合以上分析，與單獨(dú)施用化肥和不施肥相比，施加有機(jī)肥可以顯著提高西藏高原農(nóng)田土壤的質(zhì)量，不僅能降低農(nóng)田表層土壤容重，疏松土壤，還可以提高有機(jī)質(zhì)的含量，穩(wěn)定土壤pH，并增加土壤中的微生物量碳。因此，在農(nóng)田耕作過程中，加大有機(jī)肥料的投入，對于西藏地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。但目前由于能源缺乏，西藏大部分農(nóng)村需要大量的作物秸稈和糞便作為燃料，從而導(dǎo)致在農(nóng)田施肥中大量使用化肥，有機(jī)肥補(bǔ)充嚴(yán)重不足。因此，未來的西藏農(nóng)村發(fā)展中，應(yīng)加大沼氣、太陽能等替代能源的發(fā)展力度，加強(qiáng)作物秸稈和牲畜廄糞的還田，改善西藏農(nóng)田的土壤質(zhì)量，穩(wěn)定高原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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