長期施肥對春玉米耕層土壤養(yǎng)分和肥料貢獻率的影響

劉 艷，孫文濤，邢月華，蔡廣興

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，遼寧 沈陽 110161)

連續(xù)定位施肥是將原本相同的土壤，通過長期固定的施肥方式使土壤性質(zhì)按不同的方向不斷發(fā)生改變后而形成不同的肥力。因其信息量豐富，數(shù)據(jù)準確可靠，又具有時間上的長期性和氣候上的重復(fù)性等特點[1]，所以能夠更加準確、科學(xué)地評價施肥對土壤各方面指標的長期作用，在生產(chǎn)上可提供決策性建議，是土壤學(xué)研究的重要手段，對揭示土壤養(yǎng)分平衡、土壤質(zhì)量變化，指導(dǎo)合理施肥，保護生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等，均具有十分重要的理論意義和實踐價值。

在糧食生產(chǎn)中肥料至關(guān)重要。大量研究工作充分證實了肥料的增產(chǎn)作用，并予以充分肯定[2-3]。不過也有試驗結(jié)果顯示，不合理的施肥量和施肥方式不僅影響作物穩(wěn)產(chǎn)[4-5]，還會降低肥料貢獻率、增產(chǎn)效應(yīng)等，造成養(yǎng)分資源的浪費，增加營養(yǎng)元素在土體中的淋溶累積，對生態(tài)環(huán)境帶來潛在危害。因此，如何通過合理施肥，提高作物產(chǎn)量及肥料利用效率，確保農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是目前我們亟待解決的一個問題。因此，本研究基于在遼北玉米主產(chǎn)區(qū)進行的長期定位施肥試驗，對春玉米耕層土壤養(yǎng)分變化和肥料貢獻率的影響進行了探討，以期為東北南部春玉米肥料高效利用、糧食持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗設(shè)在遼寧省昌圖縣老城鎮(zhèn)安家村(東經(jīng)123°32′39″，北緯42°46′33″)，該區(qū)屬中溫帶亞濕潤大陸性氣候，年均溫度在7.1 ℃，全年無霜期145 d，年均降水量500 ～ 600 mm，4-9月有效日照總數(shù)1 700 h，≥10 ℃有效積溫3 200 ℃。供試土壤為棕壤，耕層土壤(0～20 cm)基本理化性質(zhì)：pH值6，全氮1.13 g/kg，有機質(zhì)17.8 g/kg，堿解氮(N)135 mg/kg，有效磷(P2O5)17.6 mg/kg，速效鉀(K2O)129.0 mg/kg。

1.2 試驗處理

本研究起止時間為2007-2016年，設(shè)不同氮肥水平及施氮方式共9個處理，分別為N0(對照)，無氮肥；N1138.0 kg/hm2(低氮量)；N2241.5 kg/hm2(中氮量)；N3345.0 kg/hm2(高氮量)，N常168.0 kg/hm2(常規(guī))5個氮肥水平，氮肥均為30%作基肥，70%在玉米拔節(jié)中期追施。另外為了探討施肥方式對玉米產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分變化的影響，本試驗在中氮量(N 241.5 kg/hm2)條件下設(shè)置4種不同施肥方式處理，分別為N追1、N追2、N雙層、N1次，追1次肥為氮肥30%作基肥，70%在拔節(jié)中期追施；追2次肥為氮肥20%作基肥，60%拔節(jié)中期施，20%大喇叭口施；雙層施肥為30%的氮肥基施，70%氮肥深施于15 cm處；1次性深施肥采用緩控釋肥1次性深施于15 cm處。所有處理均施磷鉀肥，用量分別為(P2O5)225 kg/hm2和(K2O)225 kg/hm2，全部以基肥形式施入。氮肥為普通尿素(含N 46%)，磷肥為磷酸二銨(含P2O546%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)，緩控釋肥為金正大包膜尿素含氮35%。試驗以小區(qū)方式進行，小區(qū)面積30 m2，隨機排列，重復(fù)3次。每年4月下旬播種，9月下旬收獲。品種每2～3 a更換1次。玉米收獲后，地上部秸稈全部移出小區(qū)，根茬還田。

1.3 分析測定方法

土壤養(yǎng)分測定：隔年秋收后在壟臺上采集0～20 cm耕層土壤，每個小區(qū)多點取土(至少5點)混合成一個土樣，風(fēng)干研磨后用常規(guī)方法測定土壤養(yǎng)分。采用電位法測定土壤pH值，重鉻酸鉀法測定有機質(zhì)，開氏法測全氮，堿解擴散法測堿解氮，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測有效磷，醋酸銨浸提-火焰光度法測速效鉀。

產(chǎn)量測定：收獲時分別測定空白區(qū)和施肥區(qū)產(chǎn)量，測定產(chǎn)量的方法采取實收和隨機取樣實脫測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

肥料對作物產(chǎn)量的貢獻率=(某施肥處理產(chǎn)量-不施肥處理產(chǎn)量)/某施肥處理產(chǎn)量×100%。

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2010整理后，應(yīng)用 SPSS 11.5軟件進行方差統(tǒng)計分析和Duncan新復(fù)極差法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)施肥對土壤有機質(zhì)和全氮的影響

土壤有機質(zhì)含量是衡量農(nóng)田土壤潛在肥力的重要因子之一。10 a來，不同氮肥處理的表層土壤有機質(zhì)含量基本呈波動變化趨勢，除2012年N0顯著低于其他處理外，其他年份處理間差異均不顯著，其中N0處理10 a來有機質(zhì)含量由最初的17.8 g/kg下降到17.0 g/kg，而其他施肥處理耕層土壤有機質(zhì)含量與試驗前相比均略有提高，但并沒有隨著施肥量的增加而增加，N2處理10 a平均有機質(zhì)含量最高，比N0增加了8.8%(圖1-A)；施氮量相同時，施肥方式的改變也會導(dǎo)致土壤有機質(zhì)累積的變異，N追1處理有機質(zhì)含量在這幾年中都較其他處理略高，但除2008年顯著高于N雙層處理外，其他年份與其他處理之間的差異均未達顯著水平，不同施肥方式處理在2014年之前土壤有機質(zhì)含量都是波動增加的趨勢，但在2016年突然下降(圖1-B)，原因有待進一步研究。

氮素在土壤中90%以上是以有機形態(tài)存在的，一般情況下土壤全氮的年際變化動態(tài)與有機質(zhì)的變化趨勢相似，但同一年份處理間差異幅度較有機質(zhì)大(圖2)。說明不施氮肥或者化肥偏施不利于土壤全氮的累積和穩(wěn)定，這與古巧珍等[6]的研究結(jié)果相似。隨著施氮量的增加土壤全氮含量略有提高，其中高量氮肥N3和中量氮肥N2處理的土壤全氮含量基本在同一水平，無顯著差異，2010年N3處理表層土壤全氮含量顯著高于N0、N1和N常，2014年N3和N2表層土壤全氮含量顯著高于N0、N1和N常，但其他年份各氮肥處理間差異均未達顯著水平(圖2-A)。不同施肥方式的各處理連續(xù)施肥10 a后全氮含量提高了1.8%～8.8%，除2008年N追1處理顯著高于N雙層和N1次處理，2010年N追1、N追2、N雙層顯著高于N1次處理外，其他年份施肥方式處理之間沒有顯著差異(圖2-B)，說明在施氮量相同時，施肥方式對表層土壤全氮含量的長期影響不顯著。

不同小寫字母表示同一土壤不同處理間差異達顯著水平(P<0.05)。圖2-7同。

圖2 長期連續(xù)施肥后土壤全氮的變化

2.2 連續(xù)施肥對土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的影響

土壤速效NPK含量的高低，直接關(guān)系到土壤結(jié)構(gòu)、供肥能力和作物產(chǎn)量。氮是土壤中最為活躍的大量營養(yǎng)元素之一，堿解氮含量在一定程度上可以反映出土壤氮素的供應(yīng)強度。由圖3-A可知，長期連續(xù)施用含氮的肥料，對耕層土壤堿解氮含量具有一定的提高作用，并隨著施用量的增加，提高效果更加明顯；不施氮處理的堿解氮含量呈逐年緩慢下降的趨勢，10 a后下降了27.8%，嚴重影響了土壤氮的供應(yīng)能力。在土壤中移動性較小的磷素與氮的情況不同，由圖4-A可知，10 a來不同N肥處理的表層土壤有效磷含量基本呈波動緩慢上升的總體趨勢；施肥第1年，各處理有效磷含量都較基礎(chǔ)值有所下降，其中N0處理最低，下降了71.0%，而在以后的試驗中N0處理的有效磷含量始終維持在一個極低的水平，與其他施氮處理均達到差異顯著水平。速效鉀含量的整體變化趨勢與有效磷相似，由圖5-A可知，不施氮處理速效鉀含量最低，與其他施氮處理差異顯著，氮肥的施用使速效鉀含量均有所增加，其中N2處理速效鉀含量較高，在2010年該處理其他施氮處理差異達顯著水平。

宇萬太等[7]研究表明，土壤速效養(yǎng)分含量主要受施肥水平和施肥方式的影響。不同施肥方式的各處理堿解氮、有效磷和速效鉀含量在連續(xù)施肥10 a后都呈平穩(wěn)緩慢上升的趨勢(圖3-B、4-B、5-B)。在施氮量相同時，施肥方式的改變對10 a后堿解氮和速效鉀含量影響差異不顯著；N追2處理的土壤有效磷含量增加的較快，在2012年以后其含量顯著高于N追1和N1次處理?？傮w來看，長期施用氮磷鉀全營養(yǎng)的肥料，在充分滿足作物對氮磷鉀營養(yǎng)需要的同時，還極大地提高了土壤的速效養(yǎng)分含量。

圖3 連續(xù)施肥后土壤堿解氮的變化

圖4 連續(xù)施肥后土壤有效磷的變化

圖5 連續(xù)施肥后土壤速效鉀的變化

2.3 連續(xù)施肥對土壤pH值的影響

土壤酸堿度受形成土壤的母質(zhì)種類的影響。從圖6中可以看出，不施氮和低氮處理，連續(xù)施肥10 a，土壤pH值升高了0.2～0.4個單位，稍稍緩解了土壤酸化，隨著施氮量的增加，土壤pH值逐漸降低，尤其高氮處理10 a下降了0.4個單位，但各處理間無顯著差異。雙層施肥和一次性施肥處理的pH值也呈逐年下降的趨勢，酸化程度越來越重，說明不合理的施用氮肥，能加速土壤的酸化，降低pH值。

圖6 連續(xù)施肥后土壤pH值的變化

2.4 連續(xù)施肥對玉米產(chǎn)量和肥料貢獻率的影響

2.4.1 連續(xù)施肥對玉米產(chǎn)量的影響 從表1可以看出，2016年不施氮肥處理N0減產(chǎn)非常嚴重，與各施肥處理相比差異達顯著水平，這與10 a的平均產(chǎn)量結(jié)果相一致。隨著施氮量的增加產(chǎn)量有逐漸增加的趨勢，但氮量增加到一定程度時，產(chǎn)量就不再增加反而下降了，因此，N2處理的產(chǎn)量最高，與其他施氮處理相比產(chǎn)量差異都達到顯著水平，比N0增產(chǎn)94.4%。從10 a的平均產(chǎn)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)N2處理產(chǎn)量最高，產(chǎn)量變異系數(shù)最小，說明此施肥水平即可提高土壤生產(chǎn)能力，保證作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，而氮肥過高或過低都會影響玉米產(chǎn)量及其穩(wěn)定性。

在施氮量相同時，不同的施氮方式對產(chǎn)量也會有很大的影響，2016年N追1處理的產(chǎn)量最高，與其他處理產(chǎn)量差異達顯著水平，與不施氮肥處理相比增產(chǎn)率也是最高的；而其他3個不同施肥方式處理之間差異不顯著。10 a玉米平均產(chǎn)量各施肥方式間無顯著性差異。

2.4.2 連續(xù)施肥對肥料貢獻率的影響 肥料貢獻率，即肥料對作物產(chǎn)量的貢獻率，將不施肥處理的產(chǎn)量視為土壤(地力)對產(chǎn)量的貢獻，以其為基準進行計算，是反映年投入肥料的生產(chǎn)能力的指標[8]。分年度計算每年的肥料貢獻率(圖7)，取其平均值(表1)。從表1看出，2016年肥料貢獻率從高到低分別是N2>N3>N常>N1，與10 a平均結(jié)果相一致。從圖7-A肥料貢獻率的動態(tài)變化來看，前4 a肥料貢獻率波動較大，可能是由于試驗初期產(chǎn)量的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的，有相關(guān)結(jié)論已發(fā)表[9]，后6 a肥料貢獻率波動較小，趨于平穩(wěn)。

不同施肥方式各處理由于產(chǎn)量的差異不顯著，因此，肥料貢獻率除2013年N追2處理顯著低于其他處理外，其余年份各處理之間無顯著差異(圖7-B)，說明在遼北地區(qū)施氮量比施肥方式對玉米產(chǎn)量和肥料貢獻率影響更大。

表1 長期連續(xù)施肥對玉米產(chǎn)量和肥料貢獻率的影響

注：不同小寫字母表示在5%水平上的差異顯著性。

Note： Different letters indicate significant differences(P<0.05)。

圖7 長期連續(xù)施肥條件下肥料貢獻率的動態(tài)變化

3 討論與結(jié)論

受土壤類型、肥料種類和作物輪作方式的影響，使長期連續(xù)施用化肥對土壤有機質(zhì)的影響也各有差異[10-12]，林治安等[13]、王慎強等[14]研究顯示，連續(xù)不施肥的對照處理土壤有機質(zhì)含量沒有逐漸下降，而是一直處在一個緩慢上升的過程；也有研究表明，長期不施肥導(dǎo)致土壤有機質(zhì)有所下降[15]。本研究結(jié)果與后者結(jié)果相似，長期不施氮肥處理的土壤有機質(zhì)含量和全氮含量都是在基本維持原有水平略有下降的，這可能是由于長期不施氮肥使土壤有效氮庫過度耗竭造成的?；瘜W(xué)氮肥并不能直接促進土壤碳、氮的累積，而有機物質(zhì)的加入量和作物根茬殘留量才是影響土壤有機碳、有機氮含量高低的主要因素[16-18]。從本研究結(jié)果可以看出，不同施肥方式各處理由于施肥量相同，每年根茬、葉稈等殘留的還田量幾乎不相上下，因此，使其土壤有機質(zhì)和全氮含量的增長速度基本相同。

長期連續(xù)施肥通過提高土壤養(yǎng)分貯量和有效性而影響土壤肥力。連續(xù)定位施肥，不同處理因施肥量和施肥方式的不同，土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)不同，經(jīng)過10 a累積作用使土壤養(yǎng)分含量發(fā)生了不同的變化，總的來看，長期不施氮肥處理的耕層土壤堿解氮和有效磷含量較基礎(chǔ)值分別下降了27.8%和71.0%，且始終維持在較低的水平波動，嚴重影響了土壤有效養(yǎng)分的累積和對作物氮磷養(yǎng)分的供應(yīng)能力。當(dāng)適量氮肥配合磷鉀肥一起使用，無論哪種施肥方式，都能提高土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的含量，有利于培肥地力，這與孫好[19]、張水清等[20]的研究結(jié)論基本一致。因此，氮肥是影響春玉米耕層土壤的主要營養(yǎng)元素，隨著種植年限的延長，氮缺乏導(dǎo)致土壤養(yǎng)分儲存和供應(yīng)能力下降，適量氮肥與磷鉀配施可使耕層土壤有效養(yǎng)分維持平穩(wěn)增加。

長期連續(xù)定位施肥對作物的增產(chǎn)作用，國內(nèi)外許多學(xué)者都已進行過大量的研究，這些研究表明，要想獲得持續(xù)的高產(chǎn)，需要合理的氮磷鉀配合施用[21-23]，本研究也證明了這一點，只施磷鉀不施氮肥處理10 a來減產(chǎn)嚴重，隨著氮肥施入量的增加產(chǎn)量也隨之增加，而當(dāng)化學(xué)肥料用量已經(jīng)能夠滿足作物正常生長需要時，繼續(xù)提高氮肥用量不能實現(xiàn)作物產(chǎn)量的持續(xù)增加，這與楊軍等[24]試驗結(jié)果相吻合。

經(jīng)過10 a長期連續(xù)定位施肥試驗研究發(fā)現(xiàn)：氮磷鉀肥配合后，選擇適宜的施肥量和施肥方式能提高土壤肥力、保證玉米產(chǎn)量，并在大約經(jīng)過5 a左右的時間，產(chǎn)量保持在一個相對穩(wěn)定的水平后，肥料貢獻率波動范圍較小。說明經(jīng)過較長時間的施肥過程，土壤肥力和供肥性能已經(jīng)達到相對穩(wěn)定和充足階段，在適量施肥和保證灌溉情況下，肥、水條件已經(jīng)不是影響作物產(chǎn)量的限制因素，此時的作物產(chǎn)量應(yīng)該是試驗所在區(qū)域特定氣候和環(huán)境條件下常規(guī)栽培糧田實際生產(chǎn)水平的具體體現(xiàn)。因此，本試驗區(qū)域內(nèi)推薦氮肥用量為241.5 kg/hm2，拔節(jié)中期追施一次的農(nóng)田操作方式即可達到維持土壤較高肥力水平和糧食增產(chǎn)的和諧關(guān)系。