長(zhǎng)期施肥對(duì)黃壤性水稻土綜合肥力和水稻產(chǎn)量的影響

黃興成 楊葉華 李渝 劉彥伶 張雅蓉 朱華清 熊涵 蔣太明

摘要：【目的】評(píng)價(jià)長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)西南地區(qū)黃壤性水稻土綜合肥力和水稻產(chǎn)量的影響，為西南稻區(qū)土壤培肥和作物產(chǎn)能提升提供科學(xué)參考?！痉椒ā恳劳修r(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，選取10個(gè)不同施肥處理：不施肥（CK）、單施氮肥（N）、施氮磷肥（NP）、施氮鉀肥（NK）、施磷鉀肥（PK）、平衡化肥（NPK）、25%有機(jī)肥替代化肥（3/4NP+1/4M）、50%有機(jī)肥替代化肥（1/2NP+1/2M）、單施有機(jī)肥（M）、有機(jī)肥化肥配施（NPK+M），測(cè)試各處理2016—2020年作物產(chǎn)量和耕層土壤養(yǎng)分，運(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)土壤綜合肥力進(jìn)行估算，采用隨機(jī)森林回歸評(píng)估土壤性質(zhì)對(duì)綜合肥力的影響，基于穩(wěn)定性指數(shù)和可持續(xù)性指數(shù)評(píng)估不同施肥管理下水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性特征，通過(guò)路徑分析明確施肥對(duì)土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響。【結(jié)果】長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)黃壤性水稻土綜合肥力有明顯影響，土壤綜合肥力指數(shù)以N處理最低，NPK+M處理最高；長(zhǎng)期施用有機(jī)肥各處理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）的土壤綜合肥力指數(shù)顯著高于CK和施化肥處理（N、NP、NK、NPK）（P<0.05，下同）。隨機(jī)森林回歸結(jié)果表明，土壤有效磷和有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤綜合肥力指數(shù)的重要影響因素，相對(duì)重要性分別為32.1%和25.0%。水稻產(chǎn)量結(jié)果表明，有機(jī)肥部分替代化肥（3/4NP+1/4M和1/2NP+1/2M）和NPK+M處理的水稻產(chǎn)量顯著高于CK、N和NK處理。施用有機(jī)肥各處理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）在獲得水稻高產(chǎn)的同時(shí)，水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性也較高；CK、N和NK處理水稻產(chǎn)量較低，且產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性低。土壤綜合肥力指數(shù)與水稻產(chǎn)量密切相關(guān)，路徑分析結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用磷肥和有機(jī)肥促進(jìn)了黃壤性水稻土綜合肥力提升，并促進(jìn)作物增產(chǎn)；當(dāng)季施用氮肥和磷肥促進(jìn)水稻增產(chǎn)?！窘Y(jié)論】長(zhǎng)期施用有機(jī)肥和磷肥可提升黃壤性水稻土綜合肥力，并維持水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)性。土壤有效磷和有機(jī)質(zhì)含量是影響黃壤性水稻土綜合肥力高低的重要養(yǎng)分指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：土壤綜合肥力指數(shù)；穩(wěn)定性指數(shù)；可持續(xù)性指數(shù)；隨機(jī)森林回歸；路徑分析

中圖分類號(hào)：S146? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：2095-1191（2023）02-0506-10

Abstract：【Objective】To evaluate the effects of long-term different fertilization treatments on the comprehensive fertility and rice yield of yellow paddy soil in southwest China，and to provide scientific reference for farmland soil fertilization and crop productivity enhancement in southwest China. 【Method】The study was based on the long-term fertilization experiment by the Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation and Agricultural Environment （Guizhou），Ministry of Agriculture and Rural Affairs. The ten fertilization treatments includedno fertilization （CK）， single application of nitrogen fertilizer （N）， nitrogen and phosphorus fertilizer （NP）， nitrogen and potassium fertilizer （NK）， phosphorus and potassium fertilizer （PK）， balanced fertilizer （NPK）， 25% organic fertilizer replacement fertilizer （3/4NP+1/4M）， 50% organic fertilizer replacement fertilizer （1/2NP+1/2M）， single application of organic fertilizer （M）， combined application of organic fertilizer and chemical fertilizer（NPK+ M）. The rice yields and top soil properties collected from 2016 to 2020 were measured，and the change trends of soil fertility was assessed using the improved Nemoro index （IFI）. Random forest regression was used to assess the importance of soil property indexes on integrated soil fertility. The stability and sustainability characteristics of rice yield under different fertilization management were assessed based on stability index and sustainability index，and the effect of different fertilizer applications on soil fertility and crop yield was clarified by path analysis. 【Result】Long-term different fertilizer managements had obvious effects on integrated fertility （IFI）in yellow paddy soil. The lowest IFI was in the treatment N and the highest in the treatment NPK+M. The IFI of each treatment with long-term application of organic fertilizer （3/4NP+1/4M，1/2NP+1/2M，M，NPK+M）were significantly higher than CK and each treatment with chemical fertilizer （N，NP，NK，NPK）（P<0.05， the same below）. Random forest regression analysis showed that soil available phosphorus and soil organic matter content were important influencing factors on soil integrated fertility index，with relative importance of 32.1% and 25.0%，respectively.The results of rice yield showed that the rice yield of partial replacement of chemical fertilizer by organic fertilizer （3/4NP+1/4M and 1/2NP+1/2M）and NPK+M were significantly higher than those of treatments CK，NK and N. Rice yield stability and sustainability were higher in each treatment （3/4NP+1/4M，1/2NP+1/2M，M，and NPK+M）with organic ferti-lizer application while achieving high yields；rice yields were lower in the CK，N，and NK treatments and yield stability and sustainability were lower. Soil integrated fertility index was closely related to rice yield. The path analysis showed that long-term application of phosphorus fertilizer and organic fertilizer promoted the integrated fertility of yellow paddy soils and increased crop yield；short-term application of nitrogen fertilizer and phosphorus fertilizer promoted rice yield increase. 【Conclusion】Long-term application of organic fertilizer and phosphorus fertilizer improves soil integrated fertility of yellow paddy soil，and maintain high，stable and sustainable rice grain yield. Available phosphorus and soil organic matter are the most important soil indicators affecting the integrated fertility of yellow paddy soil.

Key words： integrated soil fertility index； stability index； sustainability index； random forest regression； pathway analysis

Foundation items： National Natural Science Foundation of China（31860132）； Guizhou Provincial Science and Technology Foundation（QKHJC〔2020〕1Y411）； Project for Technological Innovation of Guizhou Academy of Agricultural Sciences（QNKKJCX〔2022〕09）； Special Supplementary Funds for National Natural Science Foundation Projects of Guizhou Academy of Agricultural Sciences（QNKYGJHBZ〔2021〕26）

0 引言

【研究意義】土壤肥力是支撐農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)（Qiao et al.，2022）。由于人類不合理的土地利用和耕作管理，全球農(nóng)田土壤肥力退化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，威脅著人類糧食安全和可持續(xù)發(fā)展（Bai et al.，2008；Lal，2015；Yin et al.，2022）。只有通過(guò)良好可持續(xù)的土壤管理，減少土壤退化，提升土壤肥力，才能保障人類社會(huì)不斷增長(zhǎng)的糧食需求（潘根興等，2015；Wall and Six，2015）。黃壤性水稻土是我國(guó)西南山地的典型農(nóng)業(yè)土壤類型，確定黃壤性水稻土土壤肥力的限制因素及優(yōu)化管理措施，對(duì)于該區(qū)域良好的土壤養(yǎng)分管理和可持續(xù)水稻生產(chǎn)均具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】施肥是影響土壤肥力和作物產(chǎn)量的主要管理措施，科學(xué)合理的施肥能有效提升農(nóng)田土壤肥力和作物產(chǎn)量（徐一蘭等，2017；楊勝玲等，2021）。目前，已有較多學(xué)者針對(duì)不同生態(tài)區(qū)和土壤類型研究了施肥模式對(duì)土壤肥力及水稻產(chǎn)量的影響（Dong et al.，2012；宋美芳等，2018；柳開(kāi)樓等，2019；姜恒鑫等，2022），為我國(guó)各稻區(qū)水稻生產(chǎn)因地制宜合理施肥提供了科學(xué)指導(dǎo)。研究指出，長(zhǎng)期不施肥或不均衡施用化肥會(huì)導(dǎo)致紅壤區(qū)稻田土壤質(zhì)量退化，水稻產(chǎn)量降低；平衡施用化肥或施有機(jī)肥可提高土壤有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量，提升土壤質(zhì)量指數(shù)，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量（聶軍等，2010；Dong et al.，2012；胡中澤等，2021）。長(zhǎng)期不施肥和單一施肥會(huì)導(dǎo)致紫色土綜合肥力指數(shù)降低，水稻產(chǎn)量下降；而平衡施用化肥和施用有機(jī)肥能提升土壤綜合肥力，提高水稻產(chǎn)量（陳軒敬等，2016）。長(zhǎng)期施肥會(huì)改變土壤養(yǎng)分的有效性，也會(huì)改變土壤養(yǎng)分平衡。Shi等（2015）對(duì)太湖流域稻田土壤磷平衡研究表明，長(zhǎng)期不施肥或施氮鉀肥導(dǎo)致土壤磷虧缺，而施用化學(xué)磷肥和有機(jī)肥的土壤磷素實(shí)現(xiàn)盈余；黃金生等（2016）通過(guò)10年的定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期不施肥或不施鉀肥導(dǎo)致土壤速效鉀含量降低；魯艷紅等（2017）研究證實(shí)，長(zhǎng)期單施化肥或不施肥導(dǎo)致土壤磷活化系數(shù)降低，施用有機(jī)肥促進(jìn)磷的有效性提升；許海敏等（2021）通過(guò)9年的定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不施肥、施氮磷肥和平衡化肥處理的稻田土壤，每年鉀素虧缺分別為167.7、220.0和176.3 kg/ha。綜合來(lái)看，只有通過(guò)長(zhǎng)期科學(xué)的施肥管理，才能維持和提升土壤肥力，并提升水稻產(chǎn)量（李文昭等，2021；Wang et al.，2021）?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，不同施肥模式對(duì)黃壤性水稻土土壤肥力及其對(duì)作物產(chǎn)量的影響主要集中在短期和單一養(yǎng)分指標(biāo)的研究，尚缺乏長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)黃壤性水稻土綜合肥力影響的系統(tǒng)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】依托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法，評(píng)價(jià)長(zhǎng)期不同施肥處理下土壤綜合肥力的變異特征，分析影響土壤肥力的主要養(yǎng)分指標(biāo)，以期為西南稻區(qū)農(nóng)田土壤培肥和作物產(chǎn)能提升提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（東經(jīng)106°39'52''，北緯26°29'49''）。土壤類型為水稻土類黃泥田土種。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)開(kāi)始于1995年，1995年試驗(yàn)前耕層（0～20 cm）土壤性質(zhì)：pH 6.75、有機(jī)質(zhì)44.5 g/kg、全氮1.96 g/kg、堿解氮134.0 mg/kg、全磷1.0 g/kg、有效磷13.4 mg/kg、全鉀11.5 g/kg、速效鉀294.0 mg/kg。本研究選取2016—2020年的水稻產(chǎn)量和土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2016年水稻品種為秈優(yōu)108，2017—2020年水稻品種為茂優(yōu)601。

1. 2 試驗(yàn)方法

采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，種植模式為一季中稻。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)共有14個(gè)處理，本研究選擇其中與長(zhǎng)期施肥相關(guān)的10個(gè)處理：不施肥（CK）、單施氮肥（N）、施氮磷肥（NP）、施氮鉀肥（NK）、施磷鉀肥（PK）、平衡化肥（NPK）、25%有機(jī)肥替代化肥（3/4NP+1/4M）、50%有機(jī)肥替代化肥（1/2NP+1/2M）、單施有機(jī)肥（M）、有機(jī)肥化肥配施（NPK+M），不同施肥處理施肥量見(jiàn)表1。試驗(yàn)用化肥為尿素（N 46%）、過(guò)磷酸鈣（P2O5 12%）和氯化鉀（K2O 60%），有機(jī)肥為牛廄肥（含C 104.0 g/kg、N 2.7 g/kg、P2O5 1.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg）?；瘜W(xué)氮肥分2次施入（返青肥40%、分蘗肥60%），磷肥、鉀肥和有機(jī)肥在水稻移栽前作為基肥一次性施入。試驗(yàn)小區(qū)面積201 m2，小區(qū)間用水泥田埂分開(kāi)，獨(dú)立排灌。

1. 3 測(cè)定指標(biāo)及方法

每年試驗(yàn)前采用“S”形采樣法采集0～20 cm土層土壤樣品，每小區(qū)采集15鉆土壤樣品，混合均勻，去除根系和雜質(zhì)，帶回室內(nèi)風(fēng)干保存。參照《土壤農(nóng)化分析》（鮑士旦，2000）測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、堿解氮（AN）、全磷（TP）、有效磷（AP）、全鉀（TK）和速效鉀（AK）。水稻黃熟期收獲計(jì)產(chǎn)，收獲后的水稻籽粒自然曬干去雜后稱量籽粒產(chǎn)量。

1. 4 指標(biāo)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析

基于改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行土壤綜合肥力評(píng)估（包耀賢等，2012）。參考陳軒敬等（2016）選取pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀8項(xiàng)土壤指標(biāo)計(jì)算土壤綜合肥力。參考全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（全國(guó)土壤普查辦公室，1998）（表2），對(duì)土壤各養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化。

養(yǎng)分分肥力系數(shù)（IFIi）計(jì)算公式：

[IFIi=x/xa? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?x≤xa1+（x?xa）/（xb?xa）? ? xaxc]

式中，IFIi是土壤單一指標(biāo)養(yǎng)分分肥力系數(shù)；x為土壤養(yǎng)分指標(biāo)值；xa、xb和xc為指標(biāo)等級(jí)閾值。

根據(jù)養(yǎng)分分肥力系數(shù)計(jì)算養(yǎng)分綜合肥力指數(shù)（IFI）：

[IFI=AveIFIi2+Min（IFIi）22×（n?1）n]

式中，IFI為土壤綜合肥力指數(shù)；Ave（IFIi）和Min（IFIi）分別為所有養(yǎng)分指標(biāo)分肥力系數(shù)的平均值和最小值；n表示參與計(jì)算的養(yǎng)分指標(biāo)數(shù)（n=8）。

隨機(jī)森林回歸模型是由一系列不同的回歸樹(shù)（CART）組成基于多個(gè)分類樹(shù)的算法，被廣泛應(yīng)用于建立回歸模型和確定特征重要性（Guo et al.，2015；Keerthan et al.，2019）。本研究建立了土壤綜合肥力和土壤養(yǎng)分指標(biāo)的隨機(jī)森林回歸模型，采用數(shù)據(jù)樣本7∶3的比例分層隨機(jī)分成訓(xùn)練集與驗(yàn)證集。

作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性用穩(wěn)定性指數(shù)（SI）衡量，SI值越低表明產(chǎn)量越穩(wěn)定（Pan et al.，2009）；作物產(chǎn)量的可持續(xù)性采用可持續(xù)性指數(shù)（SYI）衡量，SYI值越大表明產(chǎn)量的可持續(xù)性越高（梁濤等，2015）。計(jì)算方法如下：

[SI=Std（Yield）Ave（Yield）]

[SYI=AveYield?Std（Yield）Max（Yield）]

式中， Std（Yield）、Ave（Yield）和Max（Yield）分別為不同處理2016—2020年產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)差、平均值和最大值。

采用路徑分析評(píng)估肥料氮、肥料磷、肥料鉀和有機(jī)肥施用對(duì)水稻產(chǎn)量的效應(yīng)，將長(zhǎng)期施肥通過(guò)影響土壤綜合肥力變異導(dǎo)致的水稻產(chǎn)量差異定義為施肥的長(zhǎng)期效應(yīng)，當(dāng)季施肥直接影響的水稻產(chǎn)量差異定義為施肥的短期效應(yīng)。

采用Excel 2019、SigmaPlot 12.5進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖，采用SPSSPRO進(jìn)行隨機(jī)森林回歸和路徑分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同施肥處理的土壤綜合肥力指數(shù)特征

長(zhǎng)期不同施肥處理的土壤綜合肥力指數(shù)結(jié)果（圖1）表明，施用有機(jī)肥各處理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）的土壤綜合肥力指數(shù)較高，4個(gè)處理間差異不顯著（P>0.05，下同），但均顯著高于除PK外的其他化肥處理（P<0.05，下同），N和NK處理的綜合肥力指數(shù)相對(duì)較低。與試驗(yàn)開(kāi)始前（1995年）的土壤綜合肥力指數(shù)（1.815）比較，施用有機(jī)肥（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）各處理的土壤綜合肥力指數(shù)分別提高2.07%、2.23%、2.28%和2.78%，NPK、N、PK、NK、NP處理和CK的土壤綜合肥力指數(shù)分別降低3.08%、6.67%、0.99%、6.66%、2.88%和5.15%。表明施用有機(jī)肥有利于黃壤性水稻土綜合肥力的維持和提高，施化肥或不施肥導(dǎo)致土壤綜合肥力降低。

2. 2 土壤綜合肥力指數(shù)的影響因素分析

隨機(jī)森林回歸分析結(jié)果表明，有效磷對(duì)土壤綜合肥力指數(shù)的影響遠(yuǎn)大于其他因素，重要性達(dá)32.1%；其次為土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤綜合肥力指數(shù)影響較大，重要性為25.0%；堿解氮、全鉀、全磷、全氮、速效鉀和pH的重要性相對(duì)較低，分別為11.4%、8.4%、8.3%、7.8%、5.2%和1.8%（圖2）。

2. 3 不同處理的水稻產(chǎn)量及其穩(wěn)定性和可持續(xù)性

由圖3可看出，長(zhǎng)期不同施肥處理的水稻產(chǎn)量差異顯著。以有機(jī)肥和化肥配施各處理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、NPK+M）的水稻產(chǎn)量較高，年均產(chǎn)量分別為9.67、9.47和10.77 t/ha；其次是M、NPK、NP和PK處理，年均產(chǎn)量分別為8.96、8.82、8.63和8.50 t/ha；CK和N、NK處理的水稻產(chǎn)量最低，年均產(chǎn)量分別為6.92、7.26和6.20 t/ha。表明有機(jī)肥化肥配施有利于水稻獲得高產(chǎn)，而施化肥特別是不施磷肥的水稻產(chǎn)量較低。

比較不同處理水稻產(chǎn)量與產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，結(jié)果（圖4）表明，NPK和施用有機(jī)肥（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M和NPK+M）各處理水稻產(chǎn)量較高，穩(wěn)定性指數(shù)較低，可持續(xù)性指數(shù)較高，表明其產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性較高；CK、NK和N處理的水稻產(chǎn)量較低，穩(wěn)定性指數(shù)較高，可持續(xù)性指數(shù)較低，表明其產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性較低。

2. 4 作物產(chǎn)量與土壤綜合肥力指數(shù)和施肥的關(guān)系

比較不同施肥處理作物產(chǎn)量與土壤綜合肥力指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果（圖5）表明，施用有機(jī)肥各處理（3/4NP+1/4M、1/2NP+1/2M、M、NPK+M）具有較高的土壤綜合肥力指數(shù)，同時(shí)水稻產(chǎn)量較高；CK、NK和N處理的土壤綜合肥力指數(shù)較低，且水稻產(chǎn)量也較低；NP和NPK處理水稻產(chǎn)量較高，但土壤綜合肥力較低。

圖6的路徑分析結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用磷肥和有機(jī)肥能直接提高土壤綜合肥力，肥料磷和有機(jī)肥與土壤綜合肥力指數(shù)的路徑系數(shù)分別為0.561和0.420。水稻當(dāng)季產(chǎn)量與土壤綜合肥力指數(shù)、肥料磷、肥料氮呈直接正作用，路徑系數(shù)分別為0.593、0.476和0.188；水稻當(dāng)季產(chǎn)量與短期有機(jī)肥施用呈直接負(fù)作用，路徑系數(shù)為-0.225。長(zhǎng)期施用磷肥和有機(jī)肥通過(guò)提升土壤綜合肥力，從而間接提高水稻產(chǎn)量；短期的磷肥和氮肥施用有助于提升水稻產(chǎn)量；本研究中有機(jī)肥采用替代化肥的方式施入，表明短期有機(jī)肥替代會(huì)降低水稻產(chǎn)量。

3 討論

3. 1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤肥力的影響

提升土壤肥力是保障我國(guó)糧食安全和維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保證（趙偉霞等，2022）?？茖W(xué)合理的施肥是維持和提高土壤肥力的基礎(chǔ)。本研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施肥改變了黃壤性水稻土綜合肥力特征，施用有機(jī)肥促進(jìn)了土壤綜合肥力指數(shù)提升，而不施肥或施化肥會(huì)造成土壤肥力退化。前人研究指出，長(zhǎng)期偏施氮肥會(huì)造成土壤酸化，不施磷鉀肥會(huì)因作物帶走養(yǎng)分導(dǎo)致土壤磷鉀庫(kù)容虧缺，從而降低土壤肥力（宋美芳等，2018；李文昭等，2021）。徐新朋（2015）通過(guò)分析稻田土壤—作物系統(tǒng)養(yǎng)分平衡發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)1000 kg水稻籽粒，地上部干物質(zhì)養(yǎng)分需求分別為14.8 kg氮、3.8 kg磷和15.0 kg鉀。通過(guò)平衡施用化肥，能維持土壤氮磷鉀庫(kù)容平衡，從而維持土壤肥力（Zhang et al.，2010）。與單施化肥比較，施用有機(jī)肥能降低土壤容重，提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，提高磷鉀有效性，從而提升土壤肥力（包耀賢等，2012；溫延臣等，2015；陳軒敬等，2016）。同時(shí)，有機(jī)肥氮的緩慢釋放，能增加微生物氮固持，降低氮素?fù)]發(fā)和淋洗損失，提高土壤氮素肥力（陳香碧等，2020）。由于地區(qū)間土壤特性的差異，前人對(duì)于土壤綜合肥力的主要影響因素評(píng)估存在差異。陳軒敬等（2016）分析表明，有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量是影響紫色土綜合肥力的主要影響指標(biāo)。黃興成等（2018）研究表明，黃壤旱地影響土壤肥力的主要因素是土壤pH、堿解氮、全磷和全鉀含量。王樂(lè)等（2020）研究證實(shí)，潮土土壤肥力和生產(chǎn)力主要受有機(jī)質(zhì)、有效磷等因素影響較大。魏勇等（2022）的研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和堿解氮是重慶花椒園地土壤肥力的主要限制因子。本研究結(jié)果表明，影響黃壤性水稻土土壤綜合肥力最重要的因素是有效磷含量。究其原因，可能是黃壤區(qū)土壤受氣候和長(zhǎng)期降雨影響，風(fēng)化淋溶和富鋁化作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致土壤中有效性較高的Ca2-P向有效性低的O-P、Fe-P、Al-P轉(zhuǎn)化，土壤磷素有效性降低（張邦喜等，2016）。施用磷肥能提升土壤磷素庫(kù)容，施用有機(jī)肥能提升土壤磷酸酶活性從而提升有效磷含量（劉彥伶等，2022）。值得注意的是，長(zhǎng)期施用磷肥和有機(jī)肥通過(guò)改變微生物對(duì)磷的周轉(zhuǎn)和改變磷的吸附解析狀態(tài)（劉彥伶等，2021，2022），可能導(dǎo)致土壤有效磷含量快速提升，增加磷向環(huán)境水體遷移的風(fēng)險(xiǎn)（劉京，2015）。因此，必須通過(guò)合理施用有機(jī)肥和磷肥，以維持和提高黃壤性水稻土的有效磷含量，并保障黃壤區(qū)土壤肥力提升和環(huán)境安全的協(xié)同。

3. 2 施肥對(duì)水稻產(chǎn)量及其穩(wěn)定性和可持續(xù)性的影響

施肥的主要目標(biāo)是提高作物產(chǎn)量，并保障作物產(chǎn)量的穩(wěn)定和可持續(xù)。本研究結(jié)果表明，不施肥或施用化肥不平衡會(huì)導(dǎo)致水稻低產(chǎn)，平衡施用化肥和施用有機(jī)肥會(huì)提高水稻產(chǎn)量，同時(shí)產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性也較高。氮和磷是水稻前期分蘗形成的重要營(yíng)養(yǎng)元素，氮磷供應(yīng)不足會(huì)導(dǎo)致水稻分蘗芽的伸長(zhǎng)受抑制，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)（Umehara et al.，2010；Liu et al.，2011）；鉀素缺乏會(huì)導(dǎo)致水稻根系生長(zhǎng)受抑制，降低水稻養(yǎng)分吸收，光合同化物轉(zhuǎn)運(yùn)受抑制，導(dǎo)致籽粒千粒重降低（徐曉明等，2016）。水稻對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分的吸收存在交互作用，平衡的養(yǎng)分供應(yīng)能維持水稻各生育期的營(yíng)養(yǎng)需求，促進(jìn)水稻前期分蘗生長(zhǎng)，增加有效穗數(shù)，同時(shí)促進(jìn)水稻小穗分化，提高穗粒數(shù)，保障生育后期籽粒灌漿，提高千粒重，從而維持水稻高產(chǎn)（燕金香等，2017；儲(chǔ)成才等，2021）。施用有機(jī)肥能為水稻提供小分子有機(jī)氮素，促進(jìn)水稻根系吸收有機(jī)氮，并通過(guò)土壤氨化過(guò)程緩慢而持續(xù)釋放礦質(zhì)氮，滿足水稻正常生長(zhǎng)的氮素需求（陳香碧等，2020）。有機(jī)肥還能提高微生物對(duì)磷的周轉(zhuǎn)，提高有機(jī)磷含量，從而提高磷對(duì)水稻的有效性，增加水稻花前和花后磷素和干物質(zhì)累積，促進(jìn)作物高產(chǎn)（尹巖等，2012；劉彥伶等，2019）。同時(shí)，施用有機(jī)肥能向土壤中提供大量有機(jī)物質(zhì)，并通過(guò)降低作物對(duì)氣候和品種的敏感性，從而維持水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性（李笑笑，2021；Qiao et al.，2022）。然而，也有學(xué)者指出，在等養(yǎng)分替代下，短期內(nèi)過(guò)高的有機(jī)肥替代化肥可能導(dǎo)致作物減產(chǎn)（黃興成等，2022；肖大康等，2022），作物產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性指數(shù)降低（魏猛等，2017）。這可能是由于當(dāng)季有機(jī)肥養(yǎng)分釋放速率較慢，限制了作物的養(yǎng)分吸收。一般而言，當(dāng)季的雞糞、豬糞、牛糞的凈礦化量平均占施用有機(jī)氮總量的21.0%、19.1%和13.1%，有機(jī)肥回收率僅約30.0%（李玲玲，2011）。

3. 3 土壤肥力對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量的高低受土壤肥力和當(dāng)季施肥狀況的共同作用，科學(xué)合理的施肥對(duì)于提升土壤肥力和保障水稻高產(chǎn)具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻當(dāng)季產(chǎn)量與長(zhǎng)期施肥后土壤綜合肥力指數(shù)呈直接正向作用。有研究指出，稻田基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率較高，水稻當(dāng)季產(chǎn)量中地力貢獻(xiàn)率占60%～80%，肥料貢獻(xiàn)率占20%～40%（李忠芳等，2015；梁濤等，2015），提升土壤基礎(chǔ)地力對(duì)于實(shí)現(xiàn)水稻產(chǎn)量的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)具有重要作用（黃興成等，2017）。長(zhǎng)期施肥條件下，稻田土壤肥力呈動(dòng)態(tài)變化，平衡施用化肥能維持土壤養(yǎng)分積累，從而提升水稻的養(yǎng)分供應(yīng)，提高水稻產(chǎn)量（Zhang et al.，2010；Wang et al.，2021）。本研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥和磷肥可通過(guò)維持和提高黃壤性水稻土土壤綜合肥力而間接提升水稻產(chǎn)量。劉彥伶等（2019）指出，磷是制約黃壤生產(chǎn)力的重要限制因子，長(zhǎng)期不施磷肥導(dǎo)致土壤磷的耗竭，嚴(yán)重制約水稻產(chǎn)量和磷吸收量的提高。因此，通過(guò)合理施用有機(jī)肥和磷肥，才能持續(xù)保障黃壤性水稻土土壤肥力提升和短期水稻養(yǎng)分需求的平衡，進(jìn)而保障水稻高產(chǎn)。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期施用有機(jī)肥促進(jìn)了黃壤性水稻土土壤綜合肥力提升，不施肥或單施化肥導(dǎo)致土壤綜合肥力降低。有效磷和有機(jī)質(zhì)含量是影響黃壤性水稻土綜合肥力的重要養(yǎng)分指標(biāo)。合理施用有機(jī)肥可維持較高的水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥通過(guò)間接提升土壤綜合肥力而提高水稻產(chǎn)量，施用磷肥可通過(guò)提高土壤肥力長(zhǎng)期效應(yīng)和當(dāng)季施肥短期效應(yīng)的共同作用來(lái)提升水稻產(chǎn)量。

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（責(zé)任編輯 王 暉）