湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤肥力長(zhǎng)期演變特征

宮殿林 ，張文釗，羅尊長(zhǎng)，高菊生，鄭超，洪曦*，曾希柏，董春華，程愛武，湯春純，李榮，何運(yùn)祥0，毛衛(wèi)華，涂賽軍

（1. 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；4. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽(yáng)紅壤實(shí)驗(yàn)站，湖南 衡陽(yáng) 426182；5. 湘西土家族苗族自治州生態(tài)環(huán)境局，湖南 吉首 416099；6. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；7. 湖南省寧鄉(xiāng)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖南 寧鄉(xiāng) 410600；8. 湖南省岳陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，農(nóng)業(yè)部岳陽(yáng)農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，湖南 岳陽(yáng) 414000；9. 湖南省漢壽縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 漢壽 415900；10. 湖南省澧縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 澧縣 415500；11. 芷江侗族自治縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 芷江 419100；12. 湖南省南縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 南縣 413200）

湖南省地處長(zhǎng)江中游地區(qū)，水熱光資源豐富，生產(chǎn)潛力巨大，是我國(guó)重要的糧棉油生產(chǎn)基地。據(jù)湖南省第三次國(guó)土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào)（2021）顯示，全省現(xiàn)有耕地面積約360萬(wàn)hm2，其中，稻田面積近300萬(wàn)hm2，占比達(dá)80%以上。湖南省稻田主要以種植雙季稻為主，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件及糧食安全需求的變化，該區(qū)域稻田種植制度日趨多樣化，出現(xiàn)了一季稻種植模式和由水田轉(zhuǎn)變?yōu)楹档氐暮底髂Ｊ絒1]。土壤肥力水平和合理施用肥料是保證糧食持續(xù)增產(chǎn)和減少氮磷損失的關(guān)鍵因素。不同種植制度因作物類型、化肥施用和水分管理等田間管理措施各異，其對(duì)土壤肥力的影響存在較大差異。因此，了解湖南省各種種植制度下農(nóng)田肥力現(xiàn)狀，研究其在時(shí)間尺度上的演變規(guī)律，對(duì)有效保證湖南省耕地質(zhì)量、保障我國(guó)糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

土壤肥力在時(shí)間尺度上的演變受地形、母質(zhì)、種植制度和施肥等內(nèi)在和外在因素的綜合影響[2-3]，其研究的經(jīng)典方法是長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，主要由于土壤養(yǎng)分庫(kù)容較大，短期內(nèi)變化很難在總量上表現(xiàn)出來(lái)。因此，一般需要通過(guò)多年數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，才可能反映出其變化規(guī)律或趨勢(shì)。如英國(guó)于1843—1856年在洛桑試驗(yàn)站開展的經(jīng)典長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，我國(guó)在20世紀(jì)80年代起也開展了一批長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。目前，關(guān)于在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基礎(chǔ)上研究紅壤土壤肥力演變特征的報(bào)道相對(duì)較多，尤其是長(zhǎng)期施用有機(jī)肥、化肥和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施等對(duì)土壤的培肥作用[4-6]。眾多研究均表明長(zhǎng)期化肥和有機(jī)肥配施在提升作物產(chǎn)量與農(nóng)田土壤肥力方面優(yōu)于長(zhǎng)期單施化肥。旱地長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，化肥配施有機(jī)肥能夠顯著提升蔬菜—玉米輪作系統(tǒng)的作物產(chǎn)量和土壤綜合肥力水平[7]。湘南紅壤地區(qū)連續(xù)耕作30年的雙季稻—油菜輪作模式的紅壤土壤肥力水平顯著高于雙季稻—冬閑模式，水稻土壤養(yǎng)分有效性和綜合肥力質(zhì)量得到了明顯提升，改善了土壤綜合肥力質(zhì)量[8]。王樂(lè)等[9]對(duì)潮土區(qū)土壤經(jīng)過(guò)10～29年的常規(guī)施肥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土壤綜合肥力和作物產(chǎn)量均有顯著提高，其變化主要是潮土區(qū)土壤的綜合肥力和耕作作物的產(chǎn)量變化受土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的影響，而且長(zhǎng)期施用有機(jī)肥也可顯著提升潮土區(qū)土壤的綜合肥力，保證了作物的持續(xù)高產(chǎn)。

就湖南省農(nóng)田肥力演變而言，已有研究主要集中在單一種植制度下紅壤土壤肥力的變化，無(wú)法客觀全面表征農(nóng)民常規(guī)施肥下不同種植制度的土壤肥力動(dòng)態(tài)變化。由于紅壤區(qū)種植制度多樣，且各種植制度下農(nóng)田肥力的演變規(guī)律尚不明確，為能真實(shí)全面反映紅壤區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中農(nóng)田土壤肥力變化，本文以湖南省12個(gè)國(guó)家和省級(jí)農(nóng)田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)不同種植制度農(nóng)民常規(guī)施肥條件下農(nóng)田土壤養(yǎng)分變化為研究對(duì)象，探究農(nóng)民常規(guī)施肥條件下湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤肥力的演變規(guī)律，以期為因地制宜選擇合適的種植制度，合理調(diào)控土壤肥力和提升湖南省耕地質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南?。?08°47′～114°15′ E，24°39′～30°08′ N）地處中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，地勢(shì)西高東緩、南高北低，東、南、西三面環(huán)山，中部為丘陵，北面為洞庭湖平原。全省年均溫度16～18 ℃，年≥10℃有效積溫5 000～5 900 ℃，年降雨量1 100～1 800 mm，無(wú)霜期260～310 d，日照時(shí)數(shù)約1 240～1 870 h。

湖南省農(nóng)田土壤成土母巖母質(zhì)主要為花崗巖、砂頁(yè)巖、板頁(yè)巖、石灰?guī)r、紫色砂頁(yè)巖、第四紀(jì)紅土和河湖沉積物等，主要土壤類型（土類）為紅壤、黃壤、黃棕壤、紫色土、石灰土、潮土和水稻土等，是我國(guó)重要的水稻種植區(qū)。從二十世紀(jì)六七十年代起，種植制度以雙季稻模式為主，冬種作物以紫云英、油菜等為主。90年代后期，種植模式逐步多樣化，經(jīng)濟(jì)作物種植面積逐漸增加，傳統(tǒng)的冬季作物種植面積減少，除傳統(tǒng)的水稻—水稻—綠肥、水稻—水稻—油菜、水稻—水稻—冬閑和油菜—棉花以外，還有水稻—水稻—大麥、水稻—水稻—大豆、烤煙—水稻、水稻—蔬菜、大豆—紅薯、玉米—蘿卜等種植模式，近年來(lái)部分地區(qū)水稻—綠肥和水稻—冬閑等種植模式增多。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選取分別設(shè)立于湖南省祁陽(yáng)、漢壽、寧鄉(xiāng)、武岡、南縣、桂陽(yáng)、芷江、澧縣、汝城、岳陽(yáng)、道縣和邵東的12個(gè)農(nóng)田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的常規(guī)施肥處理，上述常規(guī)處理均按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣性施肥和管理設(shè)置。其中，水稻—水稻—黑麥草和水稻—水稻—紫云英模式中的黑麥草和紫云英均在次年開春翻壓作綠肥。水稻—水稻—油菜和水稻—油菜模式中的油菜收獲后秸稈全部移出農(nóng)田。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)開展最長(zhǎng)時(shí)間為35年，最短時(shí)間為11年。各長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的基本信息和土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)基本信息和初始土壤理化性狀Table 1 Basic information and initial soil physicochemical properties of different long-term experimental sites

水稻—水稻—黑麥草（RRR）：小區(qū)面積為37.5 m2。早晚稻基肥于水稻移栽前施入，追肥在移栽后6～10 d撒施。早稻移栽密度25.5 萬(wàn)株/hm2；晚稻密度為20 萬(wàn)株/hm2。在晚稻收割前10～15 d撒播黑麥草種子，播種量為15.0 kg/hm2。黑麥草生長(zhǎng)期間不施肥。每季水稻收獲后秸稈全部移出小區(qū)。

水稻—水稻—紫云英（RRC）：小區(qū)面積為66.7 m2。早晚稻基肥于水稻移栽前施入，追肥在移栽后6～10 d撒施，早晚稻移栽密度分別為31.8萬(wàn)和33 萬(wàn)株/hm2。晚稻收割前10～15 d在小區(qū)內(nèi)播撒紫云英種子，播種量為33 kg/hm2，紫云英生長(zhǎng)期間不施肥。每季水稻收獲后秸稈全部移出小區(qū)。

水稻—水稻—大麥（RRB）：小區(qū)面積 66.7 m2。早晚稻基肥于水稻移栽前施入，追肥在移栽后6～10 d撒施。早晚稻移栽密度分別為31.8萬(wàn)和33 萬(wàn)株/hm2。晚稻收獲后開溝排水，翻耕后播種大麥，播種量為250 kg/hm2，大麥播種前施入基肥。

水稻—水稻—冬閑（RRW）：小區(qū)面積66.7 m2。早晚稻基肥于水稻移栽前一天撒施，追肥一般在移栽后8～15 d施用。基肥為70%的氮肥和全部磷肥，追肥為30%的氮肥和全部鉀肥。

水稻—水稻—油菜（RRO）：小區(qū)面積66.7 m2。早晚稻品種分別為湘早秈45號(hào)和黃花粘，移栽密度分別為33萬(wàn)和30 萬(wàn)株/hm2。晚稻收獲后開溝排水，翻耕后移栽油菜，油菜品種為希望98，移栽密度為平均8.5 萬(wàn)株/hm2。

烤煙—水稻（RT）：小區(qū)面積為13.4 m2。先種植烤煙，待烤煙收獲后再種植水稻，試驗(yàn)種植烤煙品種為云煙87，水稻品種為兩優(yōu)6206，烤煙種植密度2 萬(wàn)株/hm2，水稻33 萬(wàn)株/hm2。

水稻—冬閑（RW）：小區(qū)面積為66.7 m2。于水稻移栽前一天撒施基肥，在移栽后8～15 d追肥?；蕿?0%的氮肥和全部磷鉀肥，追肥為40%的氮肥和全部鉀肥，種植密度為25 萬(wàn)株/hm2。

水稻—油菜（RO）：小區(qū)面積為66.7 m2。水稻移栽密度25 萬(wàn)株/hm2。水稻收獲后開溝排水，翻耕后移栽油菜，移栽密度為8.5 萬(wàn)株/hm2。

水稻—綠肥（RG）：小區(qū)面積為40 m2。水稻品種為超級(jí)雜交水稻Y兩優(yōu)7號(hào)，移栽密度為33萬(wàn)株/hm2?；试谒疽圃郧笆┤耄贩试谝圃院?～10 d撒施。在晚稻收割前10～15 d撒播紫云英種子，品種為紫云英2號(hào)，播種量為33 kg/hm2。紫云英生長(zhǎng)期間不施肥。紫云英在次年水稻移栽前15 d全部翻壓還田。

棉花—油菜（CR）：小區(qū)面積為40 m2。棉花在春季種植，品種為湘雜棉3號(hào)。每年4月中旬育苗，5月中旬移栽，移栽密度為7.5 萬(wàn)株/hm2，10月下旬收獲。油菜品種湘油16號(hào)，于每年9月下旬育苗，棉花收獲后移栽，移栽密度為7.8 萬(wàn)株/hm2，翌年5月初收獲。

大豆—紅薯（SS）：小區(qū)面積為66.7 m2。大豆在3月底至4月初種植，采用穴播方式，每穴播種3～4粒，平均密度為25 萬(wàn)穴/hm2，7月初收獲。大豆收獲后，翻耕起壟，移栽紅薯，移栽密度為4.0萬(wàn)株/hm2。

玉米—蘿卜（MR）：小區(qū)面積為66.7 m2。玉米在春季播種，播種方式為穴播，一穴一粒，播種密度為4.5 萬(wàn)株/hm2。玉米收獲后及時(shí)翻耕整地。蘿卜種植采用廂作，廂寬1.5 m，播種密度為10.5 萬(wàn)株/hm2，每穴播1～2粒。

1.3 土壤樣品采集與理化性質(zhì)測(cè)定

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)小區(qū)的土壤樣品，均在每年最后一季作物收獲后采集。采樣前，將小區(qū)內(nèi)殘留的作物秸稈等全部移除，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，用不銹鋼土鉆采集耕層（0～20 cm）土壤樣品，挑去動(dòng)植物殘?bào)w、根系和石塊，混合均勻后裝入塑料袋，帶回實(shí)驗(yàn)室放入4 ℃箱保存?zhèn)溆?。土樣理化性質(zhì)測(cè)定均參照《土壤農(nóng)化分析》[10]相關(guān)方法進(jìn)行。

1.4 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是國(guó)際上應(yīng)用較普遍的土壤綜合肥力評(píng)價(jià)方法[11-12]，它可以消除土壤各肥力指標(biāo)之間量綱的差異，通過(guò)此方法計(jì)算出的土壤分肥力系數(shù)處于0～3之間，使得相同的參數(shù)之間可比性較強(qiáng)，且同一級(jí)別的各屬性之間分肥力系數(shù)比較接近，可比性較高。

分肥力系數(shù)（IFIi）的計(jì)算公式為：

式中：IFIi為分肥力系數(shù)，x為該屬性測(cè)定值，xa與xp為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下、上限，xc為介于分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)上、下限間。各屬性值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（xa,xc,xp）主要參考第二次全國(guó)土壤普查標(biāo)準(zhǔn)（表2），每個(gè)等級(jí)反映了其各自的土壤肥力狀況。上限值（xa）是指綜合肥力處于低等級(jí)土壤的上限值，小于等于xa均屬綜合肥力低等級(jí)土地，xp下限值指綜合肥力高等級(jí)的最低值，大于等于xp均屬于綜合肥力高等級(jí)土地[13]。

表2 土壤各屬性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Grading standards of soil properties

土壤綜合肥力系數(shù)計(jì)算方法為：

式中：IFI為土壤綜合肥力系數(shù)，IFIi·avg平均值與IFIi·min為土壤各屬性分肥力均值與最小值，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量動(dòng)態(tài)變化分析

不同種植制度處理農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出不同的演變趨勢(shì)。雙季稻的RRR和RRC模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈逐年緩慢增加趨勢(shì)，分別從試驗(yàn)前1982年的20.10 g/kg和2004年的29.90 g/kg增加到2015年的30.34和39.80 g/kg（圖1），年均增加分別為0.31和0.90 g/kg。RRB模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量在1998—2011年期間呈逐年緩慢增加趨勢(shì)，2011年之后呈明顯下降趨勢(shì)，2015年其有機(jī)質(zhì)含量與試驗(yàn)前有機(jī)質(zhì)含量無(wú)明顯差異。RRW模式的土壤有機(jī)質(zhì)呈波浪型增加趨勢(shì)，在2005—2014年期間年均增加1.10 g/kg。與其它雙季稻模式不同，RRO模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量呈逐年下降趨勢(shì)，自2007年至2015年其有機(jī)質(zhì)含量由58.70 g/kg下降到了46.90 g/kg，年均下降1.31 g/kg。在4種一季稻模式中，RO和RG模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低，呈逐年緩慢增加趨勢(shì)，其年均增加量分別為2.11和0.60 g/kg。RT和RW模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量呈緩慢下降趨勢(shì)，年均下降0.31和1.38 g/kg。與雙季稻和一季稻模式相比，旱作模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)偏低，其中CR模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于SS和MR模式，且其有機(jī)質(zhì)呈明顯增加趨勢(shì)，年均增加1.20 g/kg，而SS和MR模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量年際變化相對(duì)較大且無(wú)明顯增加或下降趨勢(shì)。

圖1 湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的長(zhǎng)期變化Fig. 1 Long-term evolution of organic matter content under different cropping systems in Hunan province

2.2 農(nóng)田土壤全氮和堿解氮含量動(dòng)態(tài)變化分析

湖南省不同種植制度處理農(nóng)田土壤全氮含量的演變趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)含量的演變趨勢(shì)較為一致。在雙季稻模式中， RRR、RRB和 RRC模式的土壤全氮含量相對(duì)較低，均呈較為明顯的增加趨勢(shì)，其全氮含量年均增加分別為0.02、0.05和0.01 g/kg（圖2）。與之相反，RRW和RRO模式的土壤全氮含量相對(duì)較高，達(dá)到了2.34～4.38 g/kg，且均隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，年均下降分別為0.02和0.12 g/kg。在一季稻模式中，農(nóng)田土壤全氮含量相對(duì)較高的RT和RW模式的土壤全氮含量呈下降趨勢(shì)，年均下降分別為0.03和0.13 g/kg。農(nóng)田土壤全氮含量相對(duì)較低的RO模式的全氮含量則呈上升趨勢(shì)，年均增加0.09 g/kg。RG模式的土壤全氮含量則相對(duì)變化不明顯。三種旱作模式的土壤全氮含量表現(xiàn)為CR＞MR＞SS，且均有不同程度的增加，其中CR模式的土壤全氮含量年均增加0.03 g/kg，MR模式為0.05 g/kg，SS模式為0.02 g/kg。

圖2 湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤全氮含量長(zhǎng)期變化Fig. 2 Long-term evolution of total N content under different cropping systems in Hunan province

不同種植制度土壤堿解氮含量隨時(shí)間變化趨勢(shì)存在明顯差異。在雙季稻模式中，RRW和RRO模式的土壤堿解氮含量約在300 mg/kg左右（圖3），整體高于其它三種雙季稻模式，且年際間波動(dòng)較大，其中RRW模式的土壤堿解氮含量在試驗(yàn)期間略有增加，年均增加2.00 mg/kg，而RRO模式的堿解氮在試驗(yàn)后期呈明顯下降趨勢(shì)，年均下降8.01 mg/kg。RRR、RRC和RRB模式的土壤堿解氮?jiǎng)t均有不同程度的增加，其中RRC模式的土壤堿解氮含量增加速率相對(duì)較快，年均增加3.17 mg/kg。四種一季稻模式農(nóng)田土壤堿解氮含量年際變化相對(duì)較大，其中RW模式的土壤堿解氮含量相對(duì)較高，在試驗(yàn)期間年均增加7.71 mg/kg。RT和RO模式的土壤堿解氮含量在159.00～193.50 mg/kg之間波動(dòng)，在試驗(yàn)期間略有增加。RG模式的土壤堿解氮含量相對(duì)偏低，且呈下降趨勢(shì)，年均下降2.13 mg/kg。三種旱作模式的土壤堿解氮含量均有不同程度的增加，其中CR模式的堿解氮含量年均增加4.55 mg/kg，SS和MR模式的土壤堿解氮含量年均增加分別為3.88和1.38 mg/kg。

圖3 湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤堿解氮含量的長(zhǎng)期變化Fig. 3 Long-term evolution of alkaline hydrolysis N content under different cropping systems in Hunan province

2.3 農(nóng)田土壤速效磷和速效鉀動(dòng)態(tài)變化分析

不同種植制度土壤速效磷含量的演變趨勢(shì)存在較大差異。雙季稻模式中的RRR和RRO模式的土壤速效磷含量明顯高于其它三種雙季稻模式，其中RRR模式土壤速效磷含量由1982年的18.00 mg/kg上升到了2015年的79.50 mg/kg（圖4），年均增長(zhǎng)1.81 mg/kg。RRO模式則呈下降趨勢(shì)，由2006年的51.20 mg/kg下降到了2015年的32.30 mg/kg，年均下降1.89 mg/kg。RRC、RRB 和RRW模式的土壤速效磷含量則相對(duì)偏低，基本上低于20.00 mg/kg。RRC和RRW模式的土壤速效磷含量呈緩慢增加趨勢(shì)，年均增加分別為0.26和0.34 mg/kg，而RRB模式的土壤速效磷含量則呈較明顯的逐年降低趨勢(shì)，由1986年的28.00 mg/kg下降到了2015年的9.47 mg/kg，年均下降0.62 mg/kg。RT模式的土壤速效磷含量明顯高于其它三種一季稻模式，且隨試驗(yàn)?zāi)晗蕹试黾于厔?shì)，年均增加4.82 mg/kg。RW、RO和RG模式的土壤速效磷含量均呈緩慢增加趨勢(shì)，年均增加分別為0.52、0.83和0.74 mg/kg。三種旱作模式的土壤速效磷含量的演變趨勢(shì)較為一致，均在試驗(yàn)前期變化不明顯，在試驗(yàn)后期呈增加趨勢(shì)，CR、SS和MR的土壤速效磷含量年均增加分別為1.23、4.76和1.47 mg/kg。

圖4 湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤速效磷含量的長(zhǎng)期變化Fig. 4 Long-term evolution of available phosphorus content under different cropping systems in Hunan province

五種雙季稻模式的土壤速效鉀含量均呈下降趨勢(shì)，其中RRW模式的土壤速效鉀含量下降較為明顯，自2010—2015年期間年均下降了3.73 mg/kg，RRR、RRC、RRB和RRO模式的土壤速效鉀含量年均分別下降0.69、0.76、1.36和0.99 mg/kg（圖5）。在一季稻模式中，RT模式的土壤速效鉀含量明顯高于其它三種一季稻模式，且呈增加趨勢(shì)，年均增加38.00 mg/kg。RW、RO和RG模式的土壤速效鉀含量基本低于100 mg/kg，且均呈逐年緩慢降低趨勢(shì)，年均降低分別為3.25、3.14和2.38 mg/kg。在旱作模式中，MR模式的土壤速效鉀含量變化明顯，由2008年的87.00 mg/kg上升到了2015年的249.00 mg/kg，年均增加20.25 mg/kg，相比之下，CR和SS模式的土壤速效鉀含量則年際間相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯變化。

圖5 湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤速效鉀含量的長(zhǎng)期變化Fig. 5 Long-term evolution of rapidly available potassium content under different cropping systems in Hunan province

2.4 農(nóng)田土壤綜合肥力變化分析

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)不同種植制度土壤肥力進(jìn)行綜合分析，結(jié)果顯示不同種植制度土壤的綜合肥力系數(shù)（IFI）變化存在較大差異。雙季稻模式中的綜合肥力系數(shù)均有不同程度下降，其中RRB模式的IFI下降幅度最大，為6.66%，而RRW模式的IFI年均下降幅度高于其它雙季稻模式（表3）。一季稻模式的IFI均有不同程度上升，其中RO和RG模式的IFI上升幅度相對(duì)較高，增幅接近到了14%。三種旱作模式的IFI相對(duì)偏低，但均在試驗(yàn)?zāi)晗迌?nèi)呈增加趨勢(shì)，其中CR和MR模式的IFI增加幅度均超過(guò)了20%。

表3 不同種植制度土壤綜合肥力系數(shù)變化Table 3 Changes of soil integrated fertility indexes of different cropping systems

3 討論

3.1 湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)長(zhǎng)期演變

土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力的核心指標(biāo)，控制著諸多土壤理化性質(zhì)和主要生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[14]。國(guó)內(nèi)外研究表明不同種植制度顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)含量[15-17]。本研究結(jié)果表明，湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢(shì)均存在較大差異。在雙季稻模式中，水稻—水稻—黑麥草、水稻—水稻—紫云英和水稻—水稻—冬閑模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度的增加，這可能與長(zhǎng)期綠肥翻壓還田和長(zhǎng)期大量配施有機(jī)肥有關(guān)。綠肥是有機(jī)物質(zhì)，施入土壤后礦化可形成有機(jī)質(zhì)，同時(shí)，綠肥富含碳氮等元素，施用可提高作物產(chǎn)量，增加作物生物量及其殘留量，從而增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[2]。但曾希柏等[18]認(rèn)為傳統(tǒng)的水稻—水稻—紫云英土壤有機(jī)質(zhì)的變化幅度不大，而本研究中水稻—水稻—綠肥土壤有機(jī)質(zhì)年均增長(zhǎng)量達(dá)到了1.00 g/kg左右，兩者之間的差異可能是由于土壤成土母質(zhì)不同或是種植年限不同而造成。此外，相關(guān)研究指出長(zhǎng)期有機(jī)物料還田和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施有利于土壤有機(jī)質(zhì)的提升[19-21]。相比之下，水稻—水稻—油菜模式雖然有大量的化學(xué)肥料投入，但其土壤有機(jī)質(zhì)含量卻呈逐年下降趨勢(shì)，其主要原因可能是油菜種植過(guò)程中需要進(jìn)行開溝排水和耕作層翻耕等農(nóng)事操作，造成耕層土壤好氧環(huán)境，進(jìn)而加速土壤有機(jī)碳的礦化分解速率和導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的快速損失[22-23]。

同樣，由于長(zhǎng)期的周期性的淹水—落干水分管理措施和頻繁翻耕，一季稻模式中的烤煙—水稻處理土壤有機(jī)質(zhì)含量也呈逐年下降趨勢(shì)。雖然同樣為水旱輪作模式，但水稻—油菜處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量呈逐年上升趨勢(shì)，這可能與其較高的有機(jī)肥投入有關(guān)。

與水田相比，旱地土壤有機(jī)碳礦化速率相對(duì)較快，土壤有機(jī)質(zhì)提升難度相對(duì)較大[24]。但在本研究中，由于長(zhǎng)期大量的有機(jī)肥投入，棉花—油菜和大豆—紅薯處理的土壤有機(jī)質(zhì)均有不同程度的增加，而有機(jī)肥投入量相對(duì)較低的玉米—蘿卜處理土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不明顯，這充分說(shuō)明了有機(jī)肥在提升土壤有機(jī)質(zhì)含量中的重要作用。

3.2 湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤養(yǎng)分長(zhǎng)期演變

全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀是土壤綜合肥力屬性的主要貢獻(xiàn)因子[9]。本研究結(jié)果表明，湖南省農(nóng)田不同種植制度土壤全氮和速效養(yǎng)分長(zhǎng)期演變均存在較大差異，這與國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果一致[18,25-26]，其可能原因在于不同種植制度下，不同的水分管理和耕作措施以及不同的作物類型對(duì)養(yǎng)分的吸收和需求各異，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分受到的影響存在較大差異[18]。

土壤全氮反映土壤氮素的儲(chǔ)量，也是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一。Mikha等[27]認(rèn)為種植制度可顯著影響土壤氮素含量。本研究中水稻—水稻—紫云英、水稻—水稻—大麥和水稻—水稻—黑麥草輪作下土壤全氮含量均隨試驗(yàn)?zāi)晗蕹噬仙厔?shì)，其中水稻—水稻—紫云英輪作的全氮年均增長(zhǎng)率最高，分別是水稻—水稻—大麥和水稻—水稻—黑麥草輪作的6.15倍和2.21倍，同時(shí)水稻—水稻—紫云英輪作下土壤堿解氮的增加速率最高。這是由于紫云英屬豆科固氮作物，能夠吸收固定大氣中的氮素，同時(shí)能吸收耕層以下的氮磷養(yǎng)分并累積至耕層[28]。水稻—水稻—黑麥草輪作下全氮年增加量?jī)H次于水稻—水稻—綠肥，這可能是由于黑麥草具有強(qiáng)大的須根系，能減少硝態(tài)氮隨水分下滲的遷移[29]。同時(shí)，由于紫云英、黑麥草翻壓作綠肥能提高氮素在土壤中的殘留率，減少氮的氣態(tài)損失[30]。但是水稻—水稻—大麥和水稻—水稻—黑麥草的土壤堿解氮含量年均增加幅度存在較明顯差異，其差異的主要原因有待進(jìn)一步研究。由于土壤有機(jī)質(zhì)與土壤氮含量存在一定的相關(guān)性，因此，水稻—水稻—油菜處理的土壤全氮和堿解氮含量也均呈明顯的下降趨勢(shì)?？緹煛竞退尽e土壤全氮含量隨年限延長(zhǎng)而減少，不利于土壤全氮的累積，這可能是水稻—冬閑和水稻—水稻—冬閑輪作由于冬閑減少了作物對(duì)土壤的覆蓋，而冬季作物覆蓋有利于減少土壤氮素的流失[31]，同時(shí)烤煙—水稻輪作中煙草對(duì)氮的需求量相對(duì)較大，這也在一定程度上降低了土壤氮素含量。玉米—蘿卜處理的土壤全氮含量增加速率相對(duì)高于其它旱作模式，這可能與其較高的氮肥投入量有關(guān)，但其土壤堿解氮含量增加幅度明顯低于棉花—油菜和大豆—紅薯處理，其原因尚待進(jìn)一步探明。

本研究大部分種植制度土壤速效磷含量均有不同程度的增加，尤其是雙季稻模式中的水稻—水稻—黑麥草，一季稻模式中的烤煙—水稻和旱作模式中的大豆—紅薯處理的土壤速效磷增加幅度相對(duì)較大，這可能與紅壤具有強(qiáng)大的固磷能力有關(guān)[32]。長(zhǎng)期施用磷肥導(dǎo)致磷素在土壤中持續(xù)累積，累積的全磷在土壤速效磷低于一定水平時(shí)又可以轉(zhuǎn)化為速效磷。另一方面也與上述處理長(zhǎng)期施用大量磷肥有關(guān)，如烤煙—水稻模式的磷肥投入量是其它一季稻模式的2.17～4.09倍。但水稻—水稻—大麥輪作土壤速效磷卻隨時(shí)間呈線性遞減趨勢(shì)，這可能是由于相對(duì)較低的磷肥投入量滿足不了三季作物的需磷量，從而導(dǎo)致土壤速效磷含量的下降；另外也可能是供試土壤的初始全磷含量相對(duì)較低所致。有研究表明，在土壤初始全磷含量相對(duì)較低情況下，全磷的累積不會(huì)提高速效磷含量[33]。但值得注意的是水稻—水稻—紫云英處理土壤初始全磷含量同樣較低，速效磷含量卻隨年限延長(zhǎng)呈線性增加趨勢(shì)，這應(yīng)該是綠肥轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)過(guò)程中可活化土壤中固定的磷素所致[2]。水稻—水稻—黑麥草輪作下速效磷年增加速率較高，這可能是由于黑麥草強(qiáng)大的須根系能通過(guò)其根際活性促進(jìn)土壤磷有效化進(jìn)程[29]。三種旱作模式土壤的速效磷含量均有較大幅度提升，尤其是大豆—紅薯模式。國(guó)內(nèi)外均有研究表明，旱地作物輪作有利于提高土壤磷的累積，尤其是輪作中存在豆科作物時(shí)，豆科作物不但促進(jìn)了氮的累積，同時(shí)能提高磷的可利用率，促進(jìn)了磷的累積[26,34]。鉀是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，土壤中速效鉀是植物所需鉀的主要來(lái)源。種植制度的不同，作物對(duì)施鉀的反應(yīng)大不相同，從而引起各種種植制度下土壤鉀含量的差異[35]。本研究結(jié)果顯示雙季稻模式耕層土壤速效鉀含量均呈下降趨勢(shì)，一季稻模式除了稻煙輪作外耕層土壤速效鉀含量也均呈下降趨勢(shì)。雙季稻和一季稻模式大多屬于水旱輪作，頻繁的干濕交替過(guò)程致使土壤始終處于有氧—厭氧交替的狀態(tài)，導(dǎo)致大量速效鉀被土壤中的黏土礦物固定并阻礙緩效鉀的釋放，進(jìn)而降低土壤中速效鉀含量[36-37]。另一方面，土壤速效鉀含量的下降也可能與鉀肥用量相對(duì)較低有關(guān)，如水稻—水稻—冬閑模式的鉀肥用量遠(yuǎn)低于其它雙季稻和一季稻模式，其耕層土壤速效鉀含量下降速率卻遠(yuǎn)高于其它模式。與其它雙季稻和一季稻模式不同，烤煙—水稻模式雖然也屬于水旱輪作，但其耕層土壤速效鉀含量卻呈明顯上升趨勢(shì)，其主要原因?yàn)闊煵輰儆谙测涀魑?，長(zhǎng)期高量的鉀肥投入掩蓋了干濕交替過(guò)程對(duì)土壤速效鉀的負(fù)效應(yīng)，提高了土壤速效鉀含量。在旱作模式下，相較于大豆—紅薯和棉花—油菜輪作，玉米—蘿卜輪作模式的鉀肥用量相對(duì)偏高，其土壤速效鉀含量增加明顯。由于旱地土壤中過(guò)量施用的鉀肥不能迅速轉(zhuǎn)化為土壤其他形態(tài)的鉀，造成土壤速效鉀含量過(guò)高，反而影響作物的正常生長(zhǎng)[38]。因此，玉米—蘿卜輪作可以適當(dāng)減少鉀肥施用量。

3.3 湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤綜合肥力長(zhǎng)期演變

本文采用內(nèi)梅羅指數(shù)法分析了湖南省農(nóng)田不同種植制度土壤綜合肥力系數(shù)的變化，結(jié)果顯示湖南省不同種植制度農(nóng)田土壤肥力演變不同，其原因主要有幾個(gè)方面：第一，不同作物殘茬、根系和落葉等殘留物的數(shù)量和質(zhì)量存在較大差異；第二，不同種植制度所在地區(qū)秸稈還田和施肥量不同；第三，不同種植制度由于作物產(chǎn)量、收獲次數(shù)的不同，養(yǎng)分的輸出也不同。第四，不同種植制度影響了土壤溫度、濕度等環(huán)境因素及土壤微生物區(qū)系，從而影響土壤肥力的演變[39-41]。

盡管雙季稻模式除水稻—水稻—油菜輪作外耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量均有明顯上升，但其綜合肥力均有不同程度的下降，其主要原因與土壤速效磷和速效鉀含量下降有關(guān)。此外，雙季稻模式中多數(shù)處理的土壤全氮和堿解氮均接近或超出分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的下限，因此，湖南省農(nóng)田雙季稻模式應(yīng)根據(jù)不同輪作作物的需肥特征，適當(dāng)調(diào)整施肥策略，控制氮肥用量，重視和提高磷鉀肥施用量。與雙季稻模式的土壤綜合肥力變化趨勢(shì)相反，一季稻模式的綜合肥力均有不同程度的上升，這主要與長(zhǎng)期施用磷肥增加了土壤速效磷含量有關(guān)。由于長(zhǎng)期大量施用氮肥，一季稻模式的土壤全氮含量相對(duì)偏高（水稻—綠肥模式除外），應(yīng)適當(dāng)降低氮肥用量。另外，烤煙—水稻模式因長(zhǎng)期大量施用磷鉀肥，其土壤速效磷鉀含量遠(yuǎn)超過(guò)了分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的下限，需要適當(dāng)降低磷鉀肥用量。水稻—油菜、水稻—冬閑和水稻—綠肥模式的土壤速效鉀含量相對(duì)較低，應(yīng)重視鉀肥的施用。旱作模式土壤肥力均有明顯上升，除了與其初始土壤肥力相對(duì)較低有關(guān)外，還與其長(zhǎng)期大量施用磷肥，尤其是大豆—紅薯和玉米—蘿卜輪作模式，導(dǎo)致土壤有效磷含量快速提升有關(guān)，但鑒于其土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀含量相對(duì)偏低，而速效磷含量大多接近分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的下限，應(yīng)在注重培肥地力的基礎(chǔ)上重視氮鉀肥施用和控制磷肥用量。

4 結(jié)論

研究表明，長(zhǎng)期農(nóng)民習(xí)慣性施肥條件下，不同種植制度農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀的演變特征均存在較大差異。雙季稻和一季稻模式有機(jī)質(zhì)含量高于旱作模式，除RRO、RT和RW模式的有機(jī)質(zhì)含量逐年下降外，其余均逐年上升；雙季稻和一季稻模式中全氮、堿解氮和速效磷含量呈逐年下降趨勢(shì)，而旱作模式逐年遞增；雙季稻模式土壤速效鉀含量均呈逐年下降趨勢(shì)，而一季稻和旱作模式土壤速效鉀逐年下降趨勢(shì)不明顯或無(wú)變化。

雙季稻模式由于土壤速效鉀含量下降導(dǎo)致綜合肥力呈逐年下降趨勢(shì)，應(yīng)在控施氮肥基礎(chǔ)上重視鉀肥施用。而一季稻和旱作模式因土壤速效磷含量增加原因，導(dǎo)致土壤綜合肥力均有所上升，應(yīng)在注重培肥地力的基礎(chǔ)上重視氮鉀肥施用和控施磷肥。本研究結(jié)果可為湖南省農(nóng)田合適的種植制度選擇和土壤肥力科學(xué)調(diào)控提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。