長(zhǎng)期不同施肥措施下灌漠土養(yǎng)分特征變化分析

楊金鈺，許詠梅，孫九勝

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】土壤養(yǎng)分是限制作物生長(zhǎng)的重要因素之一，其中土壤有機(jī)質(zhì)、氮和磷是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤養(yǎng)分狀況的重要指標(biāo)。施肥是影響農(nóng)田作物產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分庫(kù)變化的主要因素[1]，化肥施用量不斷上升及有機(jī)肥用量減少導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡，特別是土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤結(jié)構(gòu)的變化，給作物產(chǎn)量和土壤質(zhì)量帶來(lái)持續(xù)的不良影響。研究科學(xué)合理的施肥方式，維持農(nóng)業(yè)高效和可持續(xù)發(fā)展是亟需解決的問(wèn)題。長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)具有時(shí)間的長(zhǎng)期性、氣候的重復(fù)性等特點(diǎn)，可系統(tǒng)揭示土壤肥力演變規(guī)律，為施肥制度合理性評(píng)判提供理論依據(jù)[2]。研究長(zhǎng)期不同施肥措施下土壤養(yǎng)分特征變化，對(duì)灌漠土區(qū)施肥方式的選擇重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有關(guān)有機(jī)肥和化肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響已有大量研究，如長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分含量，效果優(yōu)于化肥[3]。長(zhǎng)期單施化肥會(huì)降低有機(jī)質(zhì)含量[4]，與單施化肥相比，施用有機(jī)肥處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷均顯著增加[5]。有機(jī)肥和化肥都是農(nóng)田維持土壤肥力和作物增產(chǎn)的重要措施，但有機(jī)肥和化肥養(yǎng)分的有效性和形態(tài)不同，對(duì)土壤養(yǎng)分庫(kù)的容量和強(qiáng)度影響也明顯不同，通過(guò)長(zhǎng)期定位施肥，可正確認(rèn)識(shí)有機(jī)肥、化肥對(duì)土壤肥力演變和培肥效果的影響?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】灌漠土是分布于我國(guó)漠境地區(qū)的內(nèi)陸河流域和黃河流域的一類重要地帶性土壤，主要涉及新疆、甘肅、寧夏、青海等西北干旱區(qū)，占國(guó)土面積20%以上。吐魯番盆地屬極端干旱區(qū)，與甘肅等省份相比，該區(qū)日照、輻射量、積溫和無(wú)霜期等氣候肥力優(yōu)勢(shì)突出，自然與人為成土條件獨(dú)特，微生物區(qū)系差異有別于其他地區(qū)。葡萄是該區(qū)域的特色林果樹種，大量的化肥投入嚴(yán)重影響葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)，針對(duì)灌漠土種植葡萄化肥和有機(jī)肥合理施用的結(jié)果較為缺乏，長(zhǎng)期不同施肥下養(yǎng)分特征的變化尚未見報(bào)道。研究長(zhǎng)期不同施肥對(duì)新疆東部灌漠土養(yǎng)分特征的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以新疆東部吐魯番肥力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的黃土狀灌漠土為研究對(duì)象，分析長(zhǎng)期不同施肥條件下灌漠土有機(jī)碳、氮、磷等養(yǎng)分變化，為指導(dǎo)灌漠土區(qū)合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)區(qū)位于新疆吐魯番市鄯善縣連木沁鎮(zhèn)、魯克沁鎮(zhèn)“國(guó)家土壤肥力網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)”，屬溫帶大陸性氣候類型，是我國(guó)極端干旱的代表性區(qū)域，年均降雨25 mm，蒸發(fā)量3 200 mm，干燥度128。年均氣溫11.3℃，極端高溫48℃。熱量豐富，≥10℃積溫5 035℃，日照時(shí)數(shù)3 100 min，無(wú)霜期224 d。試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)：pH 8.1，有機(jī)質(zhì)13.6 g/kg，堿解氮78.3 mg/kg，Olsen-P 12.7 mg/kg，速效鉀178 mg/kg，容重1.15 g/cm3。供試土壤為黃土狀灌漠土。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇長(zhǎng)期施有機(jī)肥(M)、化肥配施有機(jī)肥(NP+1/2M，1/4NP+1/3M)、化肥(NP)、撂荒(CK0)5個(gè)典型處理。表1

表1 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)施肥量Table 1 The design of fixed position experiment (kg/hm2 )

于2017年7月采用多點(diǎn)混合法取農(nóng)田耕作層0～20、20～40 cm土壤，用布袋封裝帶回實(shí)驗(yàn)室，去除土壤中可見的動(dòng)植物殘?bào)w等雜物，風(fēng)干備用于分析土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀等土壤養(yǎng)分指標(biāo)。

1.2.2 土壤養(yǎng)分測(cè)定

風(fēng)干后的土壤樣品按照常規(guī)方法進(jìn)行土壤養(yǎng)分的測(cè)定。有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法，全氮采用凱氏定氮法，速效氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，速效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測(cè)定采用醋酸銨浸提-火焰光度法[6]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用DPS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

研究表明，與不耕作的撂荒土壤CK0相比，除純施用化肥的NP處理外，其他各處理0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量均提高，其中純施用有機(jī)肥的M處理和化肥與有機(jī)肥配施的1/4NP+1/3M處理有機(jī)質(zhì)顯著高于CK0，分別增加了282.3%和150.7%。20～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)變化規(guī)律與0～20 cm一致，含量最高的是純施用有機(jī)肥的M處理和化肥與有機(jī)肥減量配施的1/4NP+1/3M處理，顯著高于未耕作土壤CK0，分別增加了88.7%和85.1%。含量最低的是純施用化肥的處理NP，比未耕作土壤CK0處理低了2.7%。各處理0～20 cm和20～40 cm土壤相比，表層0～20 cm土壤的有機(jī)質(zhì)含量均高于20～40 cm土壤，且施用有機(jī)肥的處理表層有機(jī)質(zhì)含量較亞表層20～40 cm增幅較大，在73.7%～178.9%，純施用化肥處理NP表層有機(jī)質(zhì)含量較亞表層20～40 cm增加5.5%，未耕作土壤CK0表層有機(jī)質(zhì)含量較亞表層20～40 cm增加37.7%?？傮w看，純有機(jī)肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)提升的效果最明顯，有機(jī)肥與化肥配施處理次之，且化肥與有機(jī)肥減量配施的1/4NP+1/3M處理的提升效果高于化肥常量、有機(jī)肥減施的NP+1/2M處理。純施用化肥的處理在長(zhǎng)期耕作下，有機(jī)質(zhì)含量最低。圖1

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.2 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤全氮的影響

研究表明，與不耕作的CK0處理相比，0～20 cm土壤中，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的M處理、有機(jī)肥與化肥配施的NP+1/2M、1/4NP+1/3M處理的全氮含量顯著增加，增加的幅度在47.3%～57.2%，但這3個(gè)處理之間無(wú)顯著差異。純施用化肥的NP處理全氮含量最低，比不耕作的土壤減少了77.2%，顯著低于其他處理。20～40 cm中，各處理間全氮含量差異不顯著，含量最高的是純施用有機(jī)肥的M處理，比不耕作的CK0對(duì)照處理增加了33.2%，含量最低的是純施用化肥的處理NP，比不耕作的CK0對(duì)照處理減少了7.1%。各處理0～20 cm和20～40 cm土壤相比，除純施用化肥的NP處理，各處理0～20 cm土壤的全氮含量均高于20～40 cm土壤，增加幅度在31.7%～77.5%，純施用化肥的NP處理20～40 cm土壤的全氮較0～20 cm土壤增加了208.9%，長(zhǎng)期有機(jī)肥、有機(jī)肥配施化肥均可使土壤全氮含量增加，而純化肥施用不利于表層土壤氮素的累積。圖2

圖2 不同施肥處理下土壤全氮含量變化Fig.2 Total N contents in different treatments

2.3 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤速效氮的影響

研究表明，0～20 cm土壤中，速效氮含量最高的依次是化肥與有機(jī)肥配施的1/4NP+1/3M處理和純施用有機(jī)肥的M處理，顯著高于不耕作的CK0處理和純化肥施用的NP處理，與CK0相比，化肥與有機(jī)肥配施的NP+1/2M處理的速效氮含量增加了89.8%，但與各處理相比差異不顯著。20～40 cm土壤中，速效氮含量最高的是化肥與有機(jī)肥配施的1/4NP+1/3M處理和NP+1/2M處理，顯著高于不耕作的CK0處理。與CK0相比，純有機(jī)肥處理M和純化肥施用處理NP的速效氮含量分別增加了94.6%、45.3%，但與各處理相比差異不顯著。0～20 cm和20～40 cm土壤相比，0～20 cm土壤的速效氮含量均大于20～40 cm土壤，增加的幅度在3.05%～46.4%。化肥和有機(jī)肥配施有利于增加土壤速效氮含量，純有機(jī)肥處理對(duì)表層土壤速效氮增加明顯，純化肥施用不利于土壤速效氮的增加。圖3

圖3 不同施肥處理下土壤速效氮含量變化Fig.3 Alkali-hydrolysis N contents in different treatments

2.4 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤速效磷的影響

研究表明，0～20 cm土壤中，速效磷含量最高的是化肥和有機(jī)肥配施的1/4NP+1/3M處理，為106.5 mg/kg，顯著高于其他各處理，且其他各處理間含量差異不顯著。速效磷含量最低的是純施用化肥的NP處理，為14.6 mg/kg，比對(duì)照CK0低67.5%，比含量最高的化肥和有機(jī)肥配施的1/4NP+1/3M處理低86.3%。20～40 cm土壤中，各處理間的速效磷含量差異不顯著，含量最高的是化肥和有機(jī)肥配施的1/4NP+1/3M處理，為35.6 mg/kg，最低的是純施用有機(jī)肥M處理，為17.7 mg/kg。0～20 cm土壤與20～40 cm土壤相比，基本上呈表層比亞表層高的規(guī)律，相差幅度最大的是化肥和有機(jī)肥配施的1/4NP+1/3M處理，表層0～20 cm比20～40 cm高198.6%，其他處理相差幅度在1.0%～70.1%。純施用化肥的NP處理表層0～20 cm土壤速效磷比亞表層20～40 cm土壤含量低。化肥與有機(jī)肥減量配施有利于提高表層土壤的速效磷含量。圖4

圖4 不同施肥處理下土壤速效磷含量變化Fig.4 Available P contents in different treatments

2.5 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤速效鉀的影響

研究表明，0～20 cm土壤中，純化肥施用處理NP的速效鉀含量最高，為448.0 mg/kg，顯著高于其他各處理。不耕作的對(duì)照CK0處理的土壤速效鉀含量最低，為158.0 mg/kg，與純有機(jī)肥處理M、化肥和有機(jī)肥配施的NP+1/2M、1/4NP+1/3M處理相比差異不顯著。各處理20～40 cm土壤速效鉀的含量與0～20 cm土壤規(guī)律基本一致，純化肥施用處理NP的速效鉀含量最高，顯著高于其他各處理，而含量最低的是化肥和有機(jī)肥配施的NP+1/2M處理，比不耕作的CK0處理低13.7%，且與純有機(jī)肥處理M、化肥和有機(jī)肥配施的1/4NP+1/3M處理、不耕作的CK0處理相比差異不顯著。0～20 cm土壤與20～40 cm土壤相比，純有機(jī)肥處理M、化肥和有機(jī)肥配施的NP+1/2M處理、純化肥施用的NP處理速效鉀含量滿足表層比亞表層高的規(guī)律，表層比亞表層增加的幅度為22.3%～37.2%，而化肥和有機(jī)肥配施的1/4NP+1/3M處理、不耕作的CK0處理土壤速效鉀含量表現(xiàn)為亞表層高于表層，亞表層比表層增加了3.2%～10.9%。純化肥施用顯著增加了土壤中速效鉀含量，純有機(jī)肥、化肥與有機(jī)肥配施等其他施肥方式對(duì)速效鉀的增加作用不明顯，化肥與有機(jī)肥減量的情況下，表層土壤的速效鉀累積相比亞表層要少。圖5

圖5 不同施肥處理下土壤速效鉀含量變化Fig.5 Available K contents in different treatments

3 討 論

3.1 不同施肥措施對(duì)土壤養(yǎng)分變化的影響

研究表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥，0～20 cm、20～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他施肥處理，表層0～20 cm土壤的全氮、速效氮含量顯著高于其他處理。這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期施用有機(jī)肥可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤有機(jī)質(zhì)含量。有機(jī)物料的大量投入，可補(bǔ)充有機(jī)碳源，提高養(yǎng)分有效性，改善土壤結(jié)構(gòu)，極大促進(jìn)微生物量活性[7]；有機(jī)肥提供了氮源供給，激發(fā)微生物對(duì)碳源的利用，也會(huì)利于提高微生物量碳；土壤可溶性有機(jī)碳與有機(jī)肥使用量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[8]，研究有機(jī)肥處理M施用了大量羊糞，有機(jī)質(zhì)含量豐富，能被微生物快速分解利用；有機(jī)肥羊糞中的有機(jī)氮含量較高，有機(jī)氮在礦化過(guò)程中產(chǎn)生了大量的小分子含氮化合物，如氨基糖、蛋白質(zhì)、氨基酸等，增加了土壤中速效氮含量[9]。

長(zhǎng)期單施化肥，有機(jī)質(zhì)在表層與亞表層的含量均顯著低于其他各處理。全氮、速效N、速效磷在表層0～20 cm土壤的含量顯著低于其他處理，在亞表層20～40 cm的含量無(wú)差異。這可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期施用化肥雖然可以提升作物產(chǎn)量、生物量，增加根系分泌物、凋落物等，但是與有機(jī)肥直接輸入提供的碳源相比還十分有限[10]，所以土壤有機(jī)質(zhì)含量較低；施用化肥的NP處理表層的全氮、速效N、速效P含量低，這主要是因?yàn)槭┯玫屎螅趸饔檬沟兽D(zhuǎn)化為有效態(tài)氮后，氨揮發(fā)、氧化亞氮排放、淋失引起氮素?fù)p失。長(zhǎng)期施用磷肥，土壤速效磷含量增加顯著，大量施用磷肥會(huì)導(dǎo)致表層磷素淋失[11]，研究長(zhǎng)期施用磷肥，除滿足植物生長(zhǎng)需要的磷素外，土壤表層將出現(xiàn)磷素的淋溶損失。

研究中，化肥與有機(jī)肥配施的2個(gè)處理養(yǎng)分變化特征相似，表層0～20 cm土壤的全氮、有機(jī)質(zhì)含量顯著高于純化肥NP和對(duì)照CK0處理。亞表層20～40 cm土壤中，全氮含量與其他各處理相比無(wú)差異，速效鉀顯著低于其他施肥處理。已有研究表明，與不施肥和單施化肥相比，化肥與有機(jī)肥配施可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量[12]，這與研究結(jié)果相似。氮肥淋溶往往發(fā)生在土壤深層，土壤碳氮的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，作物與微生物競(jìng)爭(zhēng)利用土壤氮素，在土壤礦質(zhì)氮素充足時(shí)，各處理以植物根系殘茬等歸還到土壤的有機(jī)物料量不同，這時(shí)如果土壤有效氮充足，而有效碳缺乏，微生物就會(huì)分解利用土壤中的可溶性有機(jī)碳來(lái)滿足對(duì)碳的需求。所以，在研究中的2個(gè)化肥配施有機(jī)肥處理中，可能出現(xiàn)了有效碳釋放不平衡或氮肥抑制微生物活性的情況，使得亞表層土壤全氮與其他處理無(wú)顯著差異。化肥NP配施有機(jī)肥，由于長(zhǎng)期不添加鉀肥，主要依靠土壤本底鉀維持生產(chǎn)，必然導(dǎo)致土壤鉀消耗，越來(lái)越多的礦物鉀釋放并被吸收，使得土壤鉀維持在一個(gè)負(fù)平衡局面。配施有機(jī)肥后，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，更多的土壤溶液累積在表層，而非交換性鉀、水溶性鉀和交換性鉀在亞表層含量少，故亞表層速效鉀含量較低，這與王西和[13]的研究結(jié)果一致。

化肥與有機(jī)肥均減量配施的處理(1/4NP+1/3M)，表層土壤的全氮、速效氮、速效P含量顯著高于純施化肥NP和對(duì)照處理CK0。已有研究表明，長(zhǎng)期過(guò)量的施氮磷肥并不能提高土壤養(yǎng)分含量，反而會(huì)出現(xiàn)淋溶至土壤深層現(xiàn)象[11]。通過(guò)合適的有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配比，減少化肥使用量，配施有機(jī)肥對(duì)平衡土壤養(yǎng)分、培肥土壤具有重要意義[14，15]。研究中的處理1/4NP+1/3M，化肥與有機(jī)肥均減量配施，一方面有機(jī)肥和化肥也為微生物生長(zhǎng)提供了碳源和氮源，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)繁殖，化肥減量施用避免了氮素過(guò)量抑制微生物活性[16]的可能，提高了微生物群落的活性。另一方面，有機(jī)肥改善了土壤的理化性質(zhì)，適量的有機(jī)肥為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了良好的生活環(huán)境，有益微生物能夠礦化釋放土壤中被固持的礦質(zhì)態(tài)氮與難溶性磷素[17，18]，所以表層土壤的全氮、速效氮、磷含量高于純施用化肥和CK0處理。而深層的土壤可能受土壤有機(jī)質(zhì)、水分、通氣狀況、微生物活性等多方面因素影響，養(yǎng)分含量低。減量施用化肥配施有機(jī)肥的情況下，土壤養(yǎng)分仍然能夠保持較高水平且有助于維持土壤微生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

研究中，對(duì)照處理(CK0)土壤取自鄯善縣魯克沁鎮(zhèn)長(zhǎng)期撂荒地，土壤水分含量低且表層無(wú)植被覆蓋。速效氮含量最低，且顯著低于其他處理。表層土壤全氮顯著低于施肥耕作的土壤，亞表層土壤速效氮、速效鉀含量顯著低于其他施肥處理。在我國(guó)干旱半干旱地區(qū)，農(nóng)田、林地、草地等土壤中的秸稈、根茬、植株殘?jiān)扔袡C(jī)碳源的輸入刺激了微生物的分解作用，促進(jìn)了土壤氮、碳的累積。而撂荒地地面植被較少、生物化學(xué)風(fēng)化作用弱，且易受環(huán)境擾動(dòng)，土壤微生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤養(yǎng)分含量及微生物活性較低。這與張旭博等[19,20]的研究結(jié)果一致。

3.2 長(zhǎng)期施肥措施下土壤養(yǎng)分在不同土層的變化

各處理的養(yǎng)分含量呈現(xiàn)層化現(xiàn)象，表層土壤有機(jī)質(zhì)、速效N含量均大于亞表層。說(shuō)明不同施肥均對(duì)土壤淺層環(huán)境具有較強(qiáng)影響，已有研究表明，隨著土壤深度增加，土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮含量呈減小趨勢(shì)；微生物活性隨深度增加而下降，施肥對(duì)土壤碳氮的提升效應(yīng)逐漸降低，這與何倩、江晶等[21，22]的研究結(jié)果一致。因?yàn)楸韺油寥烙凶魑餁埐缂暗蚵湮锏睦鄯e，有機(jī)質(zhì)含量較高、灌溉水補(bǔ)給表層土水分、通氣狀況良好，所以適宜微生物生長(zhǎng)繁殖；表層土壤微生物活性強(qiáng)，土壤微生物生物量碳氮豐富，有利于殘茬及有機(jī)肥中碳氮轉(zhuǎn)化，使得土壤養(yǎng)分含量較高。

4 結(jié) 論

4.1長(zhǎng)期施用有機(jī)肥，灌漠土有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他施肥方式。長(zhǎng)期施用化肥，灌漠土有機(jī)質(zhì)含量明顯降低，全氮、速效氮、速效磷在表層0～20 cm的含量顯著低于其他處理。化肥配施有機(jī)肥可顯著提高表層0～20 cm土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量，尤其是通過(guò)合適的配比減施化肥和有機(jī)肥，表層0～20 cm土壤的全氮、有機(jī)質(zhì)及速效氮、速效P含量均大于純施化肥NP和對(duì)照處理CK0。減量施用化肥配施有機(jī)肥的情況下，土壤養(yǎng)分仍然能夠保持較高水平，是灌漠土區(qū)可以推薦的施肥方式。長(zhǎng)期撂荒模式下，速效氮含量顯著低于其他施肥方式，不利于土壤養(yǎng)分的保持。

4.2各處理的養(yǎng)分含量因土壤深度變化，一般情況下，表層土壤有機(jī)質(zhì)、速效N含量均大于亞表層，不同施肥均對(duì)土壤淺層具有較強(qiáng)影響。長(zhǎng)期純化肥施用情況下，大量的無(wú)機(jī)氮、磷向土壤深層累積，亞表層的全氮、速效P含量大于表層。