長(zhǎng)期施肥對(duì)褐土有機(jī)質(zhì)、氮?jiǎng)討B(tài)變化的影響

楊振興，周懷平，解文艷，劉志平

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

有機(jī)質(zhì)和氮素是土壤質(zhì)量的重要組成部分，是作物獲得高產(chǎn)的主要限制因子，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1-2]。然而長(zhǎng)期大量施用化肥和連續(xù)性耕作改變了農(nóng)田的耕地質(zhì)量[3-4]。長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)是在不同土壤、不同種植制度下連年種植某種固定作物并施用定量肥料，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育情況和土壤各種理化性狀及土壤肥力演變等進(jìn)行的長(zhǎng)期性研究，其研究成果將對(duì)提高我國(guó)耕地的綜合生產(chǎn)能力、提高糧食產(chǎn)量和保護(hù)環(huán)境具有重要的理論指導(dǎo)意義。眾多學(xué)者已在黑土[5-6]、紅壤[7]、棕壤[8]、潮土[9-10]、灰漠土[11]等不同土壤類型上進(jìn)行了長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用無機(jī)肥，雖然可以顯著增加土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和堿解氮含量，但是破壞了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，土壤容重增加，孔隙度降低，對(duì)土壤的酸度也有較大影響。有機(jī)無機(jī)配施可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分及速效養(yǎng)分含量，增加土壤碳、氮儲(chǔ)量，提升土壤基礎(chǔ)地力，增加作物產(chǎn)量。目前，關(guān)于在褐土條件下長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤碳氮影響變化的研究報(bào)道相對(duì)較少。

本研究利用中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院壽陽(yáng)旱地農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站25 a（1992—2016 年）的部分試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)褐土條件下長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)及氮?jiǎng)討B(tài)變化的影響進(jìn)行初探，以期為褐土類型區(qū)域合理化施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)設(shè)在山西省壽陽(yáng)縣宗艾村國(guó)家旱作農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)海拔1 130 m，年均溫7.6 ℃，大于10 ℃積溫3 400 ℃，無霜期135～140 d，多年平均降雨量501.1 mm，年際變率較大，干燥度1.3，屬半濕潤(rùn)偏旱區(qū)。土壤為褐土性土，土層深厚，地勢(shì)平坦，質(zhì)地為輕壤。1992 年試驗(yàn)前耕層土壤基本理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 基礎(chǔ)土樣基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)材料

供試作物為玉米，1992—1995 年品種為煙單14 號(hào)，1996—2002 年品種為晉單34 號(hào)，2003—2011 年品種為強(qiáng)盛31 號(hào)，種植密度為5.20 萬～5.25 萬株/hm2；2012—2016 年品種為晉單81 號(hào)，種植密度為6.60 萬株/hm2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

有機(jī)肥無機(jī)肥配施長(zhǎng)期定位試驗(yàn)從1992 年春開始，到2016 年歷時(shí)25 a。試驗(yàn)采用氮、磷、有機(jī)肥三因素四水平正交設(shè)計(jì)，共18 個(gè)處理，小區(qū)面積為66.7 m2，無重復(fù)，隨機(jī)排列。試驗(yàn)選取其中8 個(gè)處理，即不施肥（N0P0M0，CK）、4 個(gè)不同氮磷化肥配施處理（N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0）和3 個(gè)有機(jī)肥無機(jī)肥配施處理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）進(jìn)行研究。試驗(yàn)所用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為普通過磷酸鈣（P2O514%），不施鉀肥，農(nóng)家肥為腐熟廄肥（有機(jī)質(zhì)90.5～127.3 g/kg、全氮3.93～4.97 g/kg、全磷1.37～1.46 g/kg、全鉀14.1～34.3 g/kg），氮磷化肥和有機(jī)肥在作物播種前一次性撒施并耕翻入土。不同施肥處理施肥量如表2 所示。

表2 不同施肥處理施肥量 kg/hm2

田間管理按大田豐產(chǎn)要求進(jìn)行，一年種植一季，4 月15—28 日播種，9 月20 日至10 月10 日收獲。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

玉米收獲后，取小區(qū)的耕層（0～20 cm）土樣進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量的分析測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤全氮、堿解氮分別用凱氏定氮法和堿解擴(kuò)散法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Office Excel 2003 整理后，采用Minitab 15 軟件進(jìn)行單因素方差分析及相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)褐土氮素含量的影響

2.1.1 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)褐土全氮含量的影響 從圖1 可以看出，不施肥處理土壤全氮呈逐年下降趨勢(shì)，連續(xù)試驗(yàn)25 a 后全氮含量降為0.85 g/kg，較試驗(yàn)初下降了19%。長(zhǎng)期施用氮磷化肥以及氮磷有機(jī)肥配施對(duì)耕層土壤全氮具有一定的影響，施用無機(jī)肥各處理較不施肥處理土壤全氮都具有一定的提高作用，但無顯著性差異，且土壤全氮含量并沒有隨著施氮量的增加而增加。氮磷化肥配施有機(jī)肥（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）的3 個(gè)處理提高較為顯著，分別比不施肥處理增加了44.7%，21.3%和74.5%，同時(shí)高于單施化肥各處理，說明有機(jī)無機(jī)肥配施可以顯著提高土壤氮素含量。

2.1.2 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)褐土堿解氮含量的影響

從表3 可以看出，長(zhǎng)期施用氮磷化肥處理的耕層土壤堿解氮含量有明顯的提高，堿解氮含量隨著氮肥施用量的增加而增加；當(dāng)?shù)谆逝c有機(jī)肥配施時(shí)效果更加顯著，隨著有機(jī)肥投入量的增加，其堿解氮含量也隨之增加。各處理對(duì)耕層土壤堿解氮含量的 影 響 由 高 到 低 依 次 為N3P2M3、N4P4M0、N3P3M0、N4P2M2、N2P1M1、N2P2M0、N1P1M0、N0P0M0。由此可見，長(zhǎng)期施用氮磷有機(jī)肥處理有利于提高土壤堿解氮的供應(yīng)能力，同時(shí)，施入有機(jī)肥后可以適量降低氮肥的投入量，以減少無機(jī)肥對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響。

不施肥處理耕層土壤堿解氮含量2001—2011年一直處在71～73 mg/kg 這一相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，主要是與作物產(chǎn)量較低導(dǎo)致作物吸收消耗較少和作物遺留在土壤中的殘茬腐解量較少有關(guān)。從2012 年開始，試驗(yàn)處理增加了小區(qū)種植密度，土壤堿解氮含量有所下降，可能與作物吸收量增加有關(guān)，這還有待于在今后的研究中進(jìn)行論證。

表3 長(zhǎng)期定位施肥土壤（0～20 cm）堿解氮含量變化 mg/kg

2.2 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖2 可知，連續(xù)施肥25 a 后，不同施肥處理對(duì)耕層土壤的有機(jī)質(zhì)含量具有不同的影響，各施肥處理較不施肥對(duì)照處理土壤有機(jī)質(zhì)含量都有一定的提高，且隨有機(jī)肥的施入，提高幅度也在增大，各處理有機(jī)質(zhì)含量由高到低順序?yàn)镹3P2M3＞N4P2M2＞N1P1M0＞N2P1M1＞N2P2M0＞N4P4M0＞N3P3M0＞N0P0M0。其中，N3P2M3與N4P2M2處理明顯高于其他處理，分別比不施肥對(duì)照處理增加了59.6%和38.1%，說明氮磷化肥配施有機(jī)肥可顯著提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量，并隨有機(jī)肥投入量的增加而增加。

3 結(jié)論與討論

3.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)褐土氮變化的影響

大量研究表明，持續(xù)不施氮肥，土壤中全氮含量多數(shù)情況是下降的[7]，施用無機(jī)肥后耕層土壤中全氮含量沒有隨著投入氮素化肥量的增加表現(xiàn)出明顯的增加，氮肥過量施用反而會(huì)降低土壤氮素利用效率[12]。施用有機(jī)肥或化肥有機(jī)肥配施，土壤全氮含量有明顯增加[13]。趙聰?shù)萚14]研究結(jié)果顯示，施用化肥處理土壤有效氮含量多數(shù)表現(xiàn)為增加，化肥與有機(jī)肥配施土壤有效氮含量增加幅度較大。

本研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用氮肥各處理的土壤全氮含量有一定程度的提高，其中以氮磷化肥配施有機(jī)肥的3 個(gè)處理效果最為明顯，均高于單施化肥各處理，與王麗等[15]24 a 定位試驗(yàn)得出的有機(jī)肥在提高土壤有機(jī)質(zhì)和氮含量方面大大優(yōu)于化學(xué)肥料結(jié)論相似；長(zhǎng)期施用氮磷配合肥料處理耕層土壤堿解氮含量明顯提高，且堿解氮含量隨著氮肥施用量的增加而增加，當(dāng)?shù)着c有機(jī)肥配施時(shí)效果更加顯著，有機(jī)肥投入量大的處理，堿解氮含量也隨之增大。由此可見，長(zhǎng)期施用氮磷有機(jī)肥有利于提高土壤堿解氮的供應(yīng)能力。鑒于每季作物施氮180 kg/hm2大大增加了耕層土壤堿解氮含量，對(duì)長(zhǎng)期施氮的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題還需進(jìn)一步研究。

3.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)褐土有機(jī)質(zhì)變化的影響

盧志紅等[16]經(jīng)肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)得出，經(jīng)27 a后無肥區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量比試驗(yàn)初期降低26.6%，氮磷化肥配施處理有機(jī)質(zhì)含量大多是增加的，施用有機(jī)肥或有機(jī)肥化肥配施處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加比較明顯，與本研究結(jié)論類似。

與不施肥對(duì)照處理相比，施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量都具有一定的提高作用，氮磷化肥與有機(jī)肥配施土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于氮磷化肥處理，并隨著有機(jī)肥投入量的增加而增加。說明在褐土上氮磷化肥配施有機(jī)肥具有顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的作用，國(guó)內(nèi)外一些定位試驗(yàn)的研究結(jié)果與本研究結(jié)論相似[17-20]。