長期化學(xué)氮肥和有機(jī)肥施用對棕壤肥力指標(biāo)的影響

劉雨薇，裴久渤，李艾蒙，汪景寬

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110161）

氮是植物生長的必需元素，也是初級生產(chǎn)力的限制性養(yǎng)分，在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中施用氮肥能夠提高土壤的凈初級生產(chǎn)能力，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。中國耕地面積占世界的7%，而中國的氮肥施用量占世界的25%[2]，故氮肥利用率總體不高[3]。肥料的施用會對土壤性質(zhì)造成很大的影響[4]，合理的氮肥施用，能夠創(chuàng)造豐富的養(yǎng)分，調(diào)節(jié)土壤酸堿性，改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，提高土壤肥力[5]。不合理的施用不僅導(dǎo)致氮肥利用率下降，還會造成土壤板結(jié)、酸化、肥力下降等一系列不利的影響[6-7]。大部分農(nóng)田土壤在自然條件下不能夠?yàn)樽魑锾峁┏渥愕酿B(yǎng)分[8]，又由于有機(jī)肥發(fā)酵腐解過程緩慢復(fù)雜，因此越來越多無機(jī)肥料代替有機(jī)肥料被用于滿足人民對高產(chǎn)的追求[9]。但與化肥相比，有機(jī)肥養(yǎng)分含量豐富，能夠?yàn)樽魑锷L提供全面穩(wěn)定的養(yǎng)分，并能培肥地力[10]。因此，探究長期化學(xué)氮肥和有機(jī)肥對土壤肥力指標(biāo)的影響成為作物增產(chǎn)和土壤培肥的關(guān)鍵。為此沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)于1987年設(shè)立了棕壤長期定位施肥試驗(yàn)，揭示長期化學(xué)氮肥和有機(jī)肥施用對土壤肥力演變的影響。本研究采用主成分分析等方法，研究了化學(xué)氮肥和有機(jī)肥施用31年后對棕壤肥力指標(biāo)的影響，以期明確化學(xué)氮肥和有機(jī)肥處理與肥力指標(biāo)的關(guān)系，從而為合理調(diào)控氮肥施用和有機(jī)肥替代化肥提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤長期定位試驗(yàn)站始建于1987年，位于41°49′N，123°34′E。地處溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，年均溫7.6℃，年降水量705mm，海拔75m。土壤為發(fā)育在黃土性母質(zhì)上的壤質(zhì)棕壤，通體無鹽酸反應(yīng)。作物為連作玉米（當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N）。每年4月25日播種，9月25日收獲。試驗(yàn)地1987年土壤基本理化性狀為：有機(jī)質(zhì)含量 15.6g·kg-1，全氮含量 1.0g·kg-1，全磷含量 0.5g·kg-1，全鉀含量 21.56g·kg-1，堿解氮含量67.4mg·kg-1，速效磷含量 8.4mg·kg-1，速效鉀含量 99.7mg·kg-1，pH 值 6.39，容重 1.22g·cm-3。試驗(yàn)小區(qū)長 9.6m，寬7.2m，面積 69m2。 施用的有機(jī)肥(M)為腐熟豬廄肥，有機(jī)質(zhì)含量 150g·kg-1，全氮 10g·kg-1[11]。

1.2 方法

2018年7月30日供試土壤采自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤長期定位試驗(yàn)5個不同氮肥施用處理樣地 （表1），采集各處理0～20cm土層的土壤樣品，其中CK0為試驗(yàn)地布置初始值。每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)按“S”形五點(diǎn)取樣后混合處理。在室內(nèi)挑出土壤中大的礫石、作物殘留根系和其他廢棄物，自然風(fēng)干后，分別過20目和100目篩，用于各肥力指標(biāo)的測定。用環(huán)刀采集每個重復(fù)處的土壤樣品，進(jìn)行容重測定。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

土壤pH值采用電位計(jì)法（水土比為2.5∶1）測定，用Phs-3B型pH計(jì)測定。土壤容重測定采用環(huán)刀法。堿解氮測定采用NaOH擴(kuò)散皿法。速效磷測定采用0.5mol·L-1NaHCO3浸提鉬銻抗比色法。速效鉀測定采用NH4OAc火焰光度計(jì)法。全磷測定采用NaOH熔融鉬銻抗比色法。全鉀測定采用NaOH熔融火焰光度計(jì)法。土壤有機(jī)質(zhì)測定采用元素分析儀（ElementarVario ELⅢ，德國）測得的土壤有機(jī)碳乘以系數(shù)1.724計(jì)算得到[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)果采用Microsoft Excel 2016、IBM SPSSStatistics 19和Canoco4.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析（LSD顯著性分析和主成分分析）和制圖。

表1 不同氮肥施肥量處理對產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of different amount nitrogen application amount for yield

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥施用對土壤pH值的影響

由圖1可知，經(jīng)過31年不同氮肥的施用，各處理的pH值均呈不同程度下降趨勢，下降幅度為3．44%～33．33%。單施化學(xué)氮肥降低的最大，且隨著化學(xué)氮肥施用量的增加，土壤pH值下降的幅度增大。有機(jī)肥的施 用能夠緩解化學(xué)氮肥引發(fā)的pH值下降的趨勢，在等氮條件下，土壤的 pH 值呈現(xiàn)出 M4＞M2N2＞N4。

2.2 不同氮肥施用對土壤容重的影響

不同氮肥處理土壤容重在 1．16～1．29g·cm-3之間（圖 2）。 與 CK0 相比，N2處理容重提升 0．03g·cm-3，N4處理提升0．08g·cm-3。有機(jī)肥與化學(xué)氮肥配施和單施有機(jī)肥處理土壤容重分別降低 0．04g·cm-3和 0．07g·cm-3。等氮條件下，N4處理土壤的容重最高，M2N2次之，M4處理土壤容重最低。

2.3 不同氮肥處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖3可知，與CK0相比，不同氮肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)不同水平的升高，有機(jī)質(zhì)含量升高范圍為 2．63%～84．35%。等氮條件下，M4處理的有機(jī)質(zhì)含量最高，有機(jī)肥的施入對于提高有機(jī)質(zhì)含量有促進(jìn)作用，并具有顯著差異（p＜0．05）。

圖1 不同氮肥處理對土壤pH的影響Figure 1 Effects of different nitrogen fertilizer treatments on soil p H

圖2 不同氮肥處理對土壤容重的影響Figure 2 Effects of different nitrogen fertilizer treatments on soil bulk density

圖3 不同氮肥處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Figure 3 Effects of different nitrogen fertilizer treatments on soil organic matter

2.4 不同氮肥處理對土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知，與CK0相比，土壤全量養(yǎng)分除全鉀和N2處理全磷呈現(xiàn)降低趨勢外，其余均呈現(xiàn)升高趨勢。CK、N2、N4分別使土壤全氮含量提升25%、23%和28%，而有機(jī)肥與化學(xué)氮肥配施（M2N2）提高了57%，單施有機(jī)肥提高 97%。等氮條件下，N4、M2N2、M4處理間全氮含量有顯著差異（p＜0．05），且單施有機(jī)肥土壤全氮含量最高。與CK0相比，各處理土壤全鉀含量均呈下降趨勢，下降范圍在7．08%～17．27%之間。各處理全磷含量變化范圍在-4%～332%之間，有機(jī)肥施用顯著提高了全磷的含量，而化學(xué)氮肥對全磷的含量變化影響不明顯。對于土壤速效養(yǎng)分，與CK0相比，各處理堿解氮含量均有所提升，N4、M2N2、M4處理與CK0相比有顯著提升，且N4處理堿解氮含量最高。各處理土壤速效鉀含量變化范圍在-65．31%～28．92%之間，與CK0相比，單施有機(jī)肥施用增加了土壤速效鉀含量，不施肥、單施氮肥及有機(jī)肥氮肥配施處理土壤速效鉀含量均呈降低趨勢。等氮條件下，M4處理的速效鉀含量最高，N4處理的速效鉀含量最低，呈現(xiàn)出顯著差異（p＜0．05）。各處理土壤速效磷含量與CK0相比呈現(xiàn)顯著升高的趨勢，其中有機(jī)肥處理（M2N2、M4）較化學(xué)氮肥處理提升較多，且各處理間差異顯著（p＜0．05）。

表2 不同氮肥處理土壤養(yǎng)分含量Table 2 Soil nutrients contents in different nitrogen fertilizer treatments

2.5 不同氮肥處理各肥力指標(biāo)的主成分分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，當(dāng)各主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率＞85%時，即可反映系統(tǒng)的變異信息，同時特征值在某種意義上也可看出各主成分影響度大小[13-14]。由表3可知，本試驗(yàn)第1主成分（PC1）的貢獻(xiàn)率為85．8%，第二主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到11．2%，前兩個主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了97%，且整體沒有變量丟失，可以用來反映土壤內(nèi)養(yǎng)分的變異情況，能夠解釋絕大部分變異。由圖4可知，PC1用于解釋施肥與不施肥處理的差異，PC2用于解釋有機(jī)肥與化學(xué)氮肥處理的差異。其中，CK處理對各肥力指標(biāo)影響均較弱，M2N2處理與產(chǎn)量相關(guān)性最強(qiáng)，M4處理與有機(jī)質(zhì)、全磷相關(guān)性最強(qiáng)。此外，M2N2與有機(jī)質(zhì)、全磷、總氮、速效鉀、產(chǎn)量、速效磷、堿解氮成正相關(guān)，與容重、pH值、全鉀呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。速效磷在PC1上的貢獻(xiàn)最大，全鉀在PC1上的載荷貢獻(xiàn)值最小。M4處理位于PC2的正半軸，而M2N2和N4處理位于PC2的負(fù)半軸。速效鉀在PC2上的載荷貢獻(xiàn)值最大，速效磷在PC2上的貢獻(xiàn)最小。

表3 主成分分析的特征根和方差貢獻(xiàn)率Table 3 Effects of different amount nitrogen application eigen value and contribution of variance by PCA analysis

3 討論與結(jié)論

圖4 土壤肥力指標(biāo)在第1和第2主成分的負(fù)荷分布Figure 4 Redundancy analysis of soil fertility indices in the first and second principal components

氮肥作為植物生長必須的重要元素已被廣泛使用，長期不同量、不同形式氮肥（不施肥、化學(xué)氮肥、有機(jī)肥）施用雖提高了玉米產(chǎn)量，但提高程度存在差異，且對土壤肥力指標(biāo)產(chǎn)生了不同程度的影響。單施化學(xué)氮肥（N2、N4）降低了土壤pH，主要由于尿素經(jīng)水解、硝化后生成NO3-，與土壤中H+結(jié)合，導(dǎo)致土壤pH下降[15]。同時，也增加了土壤容重，這與單施化學(xué)氮肥使得土壤板結(jié)，造成容重增加有關(guān)[16]。董澤鵬等[17]研究表明單施化肥會一定程度提升速效養(yǎng)分，但對全量養(yǎng)分的促進(jìn)作用不明顯。本研究結(jié)果顯示化學(xué)氮肥的施入增加了土壤全氮、堿解氮、速效磷等速效養(yǎng)分的含量[18]，一定程度上促進(jìn)了作物產(chǎn)量的增加，使得歸還土壤的作物殘留物（如根茬、秸稈）增加，從而提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量[19]。然而，單施化學(xué)氮肥和不施肥處理，由于沒有外源鉀素供給，并且根茬歸還土壤部分少于作物生長需要部分，因此土壤全鉀、速效鉀含量顯著下降。土壤全鉀含量主要與母質(zhì)和黏土礦物有關(guān)，而速效鉀含量受全鉀和施肥的影響[20]。有機(jī)肥的施用總體上對全量和速效養(yǎng)分的提升效果優(yōu)于化學(xué)氮肥的施用，可以改善養(yǎng)分容庫，提高土壤的供肥容量，對提升玉米產(chǎn)量更明顯[21]。其中，有機(jī)肥與化學(xué)氮肥配施是各處理中增產(chǎn)效果最高的。與CK0相比，有機(jī)肥施入也降低了土壤pH值（有機(jī)肥和化學(xué)氮肥配施較單施有機(jī)肥下降較多），但下降幅度低于單施化學(xué)氮肥，說明有機(jī)肥的施用可以減緩單施化學(xué)氮肥對土壤造成的酸化。此外，其補(bǔ)充了土壤有機(jī)質(zhì)的損失，維持了較好的土壤容重[22]。然而，與CK0相比，有機(jī)肥的施入雖顯著增加了土壤速效鉀的供應(yīng)，但一定程度降低了土壤全鉀含量，增加了土壤鉀素?fù)p失的風(fēng)險[23]，但單施有機(jī)肥能夠緩解化學(xué)氮肥引起的土壤全鉀的下降[24]?？傮w看，M2N2處理增加了全氮、全磷、堿解氮、速效磷含量，使土壤的肥力水平得到提升，且土壤的供肥能力穩(wěn)定，最有利于作物的生長和培肥土壤。大量研究也表明有機(jī)肥與化肥配施效果好于單施其中一種，可以提高土壤質(zhì)量及作物品質(zhì)[8,25]。

有機(jī)肥和化學(xué)氮肥配施能夠正向影響更多的指標(biāo)，且指標(biāo)間正向相關(guān)關(guān)系緊密。有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效磷、速效鉀之間均呈正相關(guān)關(guān)系，即土壤養(yǎng)分維持在一種相對平衡狀態(tài)，某一種養(yǎng)分的失衡將會引起其他的養(yǎng)分豐缺平衡。等氮條件下，M2N2處理與除pH外的其余養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)性較強(qiáng)，并直接影響作物產(chǎn)量，說明有機(jī)肥與化肥配施有利于平衡養(yǎng)分和土壤培肥。土壤容重與除全鉀外的其余肥力指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即容重越大土壤的肥力指標(biāo)越低，土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力越弱。此外，各處理對全鉀的調(diào)控均較弱，因此在一定程度上也反映了這些處理存在土壤鉀素的潛在損失。

31年化學(xué)氮肥和有機(jī)肥的施用對棕壤肥力指標(biāo)產(chǎn)生了不同程度的影響：與不施肥相比，化學(xué)氮肥和有機(jī)肥施用均提高了玉米的產(chǎn)量，單施高量化學(xué)氮肥處理增產(chǎn)效果最差，有機(jī)肥與化學(xué)氮肥配施增產(chǎn)效果最好；等氮條件下，有機(jī)肥和化學(xué)氮肥配施更有利于培肥土壤，緩解化學(xué)氮肥造成的不良影響，使各肥力指標(biāo)向利于產(chǎn)量方向發(fā)展；有機(jī)肥與化學(xué)氮肥配施對土壤速效磷、總氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全磷、速效鉀具有正相關(guān)調(diào)控作用，對容重和pH負(fù)相關(guān)調(diào)控作用較強(qiáng)，而化學(xué)氮肥對容重的正相關(guān)調(diào)控和pH值、全鉀的負(fù)相關(guān)調(diào)控較強(qiáng)。因此，有機(jī)肥與化學(xué)氮肥配施最有利于作物增產(chǎn)和培肥土壤，但需要注意土壤中鉀素的潛在損失。