長期單施不同量化肥和有機肥后鹽化潮土pH和EC的變化

唐繼偉，李 娟，車升國，徐久凱，田昌玉，林治安，趙秉強

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081）

土壤酸化，表征為土壤pH降低，可加速有害重金屬活化、降低土壤有益微生物種群數量、加重土壤板結、引起土壤退化，對農業生產、生態環境和人類健康造成潛在威脅[1]。土壤pH是表征農田土壤肥力的重要特征參數之一。高投入高產出的集約化農業將原本非常緩慢的自然過程加速，耕層土壤pH持續下降已成為我國耕地最為普遍的過程和亟需面臨的問題。

化肥的過量投入是導致我國農田土壤酸化的主要原因之一[1-2]。江蘇潮土區研究表明，施肥30年后耕層土壤pH下降明顯，降幅達0.41～0.70個單位[3]。湖南紅壤區研究表明，長期投入化肥導致土壤pH明顯下降，以單施氮肥降幅最大，18年降低了1.5個單位[4]；試驗開始8～10年土壤pH降低迅速，當pH降至4.5時，降低速度趨于緩慢并相對穩定。美國32年的小麥連作試驗結果表明，年施氮量為136 kg/hm2時，土壤pH由最初的5.7降至4.2～4.5[5]。在西非[6]、澳洲[7]、巴西[8]、墨西哥[9]等地區也均發現耕層土壤pH隨化肥施用年限呈階段性降低的趨勢。華北平原區作為我國重要商品糧生產基地，冬小麥-夏玉米輪作體系下肥料的科學施用一直是熱點問題[10-12]。該地區集約化程度高、施肥量大，土壤大多為弱堿性、堿性，加之目前有機糞肥中含鹽量較高[13]，長期大量以有機糞肥代替化肥對土壤理化性狀的影響還不清楚。我國農業生產和環境對有機肥替代化肥的呼聲越來越高，為此，中國農業科學院陵縣試驗基地從2006年起，設置了有機肥和化肥大跨度單獨施用定位試驗，為黃淮海鹽化潮土的可持續發展提供科學施肥依據。

1 試驗方法

1.1 試驗點概況

本試驗在中國農業科學院德州實驗站陵縣試驗基地開展。基地 (37°20′ N，116°38′ E) 位于黃淮海平原中心地帶典型農業區，海拔21.4 m，屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候區，四季分明，日照時數長，光照強度大。土壤類型為鹽化潮土，鹽漬化類型以硫酸鹽-氯化物鹽土為主，土壤質地為輕壤土。表層0—20 cm土壤，土壤有機質含量9.01 g/kg、硝態氮10.2 mg/kg、速效磷16.3 mg/kg、速效鉀 109 mg/kg、pH 8.38、EC 159 μS/cm。

1.2 試驗設計與田間管理

2005年勻地，2006年10月小麥季布置定位試驗，種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟。化肥和有機肥均設置10個氮水平：N 0、60、120、180、240、300、360、420、500 和 600 kg/hm2，共計19個處理。隨機區組設計，三次重復，共計57個小區，小區面積25 m2(5 m × 5 m)。冬小麥一般于9月下旬至10月上、中旬播種，次年6月上中旬收獲；夏玉米于冬小麥收獲后播種，當年10月上旬收獲。

有機肥處理根據每年施肥前測定的有機肥含水量、含氮量計算得出，以全氮含量進行折算。有機肥選用當地養殖場腐熟廄糞，干基主要養分含量氮(N) 1.10%～2.31%，磷 (P2O5) 0.74%～3.35%，鉀(K2O) 0.67%～3.00%，pH 7.82～8.92，EC 7.01～11.83 mS/cm。2006年10月至2009年6月有機肥為豬糞，2009年10月開始為牛糞 (表1)。2006—2014年有機肥分別于小麥、玉米播種前作基肥施入；2015年開始，原來小麥、玉米兩季的有機肥改為小麥播種前一次性施入。小麥、玉米季100%的磷肥和50%的氮肥做基肥，50%氮肥在小麥拔節期追施，玉米季在大喇叭口期開溝追施。化肥處理中磷鉀肥投入量與同一氮水平有機肥處理有機肥帶入的磷鉀量相等。供試氮肥為尿素 (N 46.4%)，磷肥用磷酸二銨 (N 18%、P2O546%)，鉀肥用硫酸鉀 (K2O 50%)。試驗田間日常管理參考當地種植習慣，采用常規栽培模式。

1.3 測定項目與方法

取樣時間為每年的小麥收獲后 (6月) 和玉米收獲后 (10月)。利用不銹鋼筒形土鉆于各小區內用“S”形取樣方法采集0—20 cm耕層8個點的土樣充分混合保存。土樣實驗室內自然風干后，過2 mm篩。水土比2.5∶1浸提，電導法測定土壤EC，電極法測定土壤pH[14]。

1.4 數據處理

測定數據利用Microsoft Excel 2003進行數據預處理，采用SAS軟件進行統計分析，用最小二插值法進行差異性分析 (P＜ 0.05)，利用Sigmplot10.0軟件制圖。

表1 供試有機肥源及其氮磷鉀含量、pH和EC值Table 1 NPK content, pH and EC of cattle manure and rates used in this experiment

2 結果與分析

2.1 土壤pH和EC的影響因子分析

表2表明，黃淮海平原鹽化潮土區，肥料類型、用量水平、施肥年限顯著影響土壤pH和土壤EC，肥料類型、肥料用量、年際之間的交互作用對潮土pH和EC也存在極顯著的影響 (P＜ 0.01)。

2.2 長期單施有機肥和化肥對鹽化潮土EC的影響

表3和圖1顯示，肥料類型和用量顯著影響小麥-玉米輪作體系下鹽化潮土EC動態變化規律。試驗前本地區鹽化潮土EC為159 μS/cm。試驗開始后，隨著試驗年限的延長，不施肥處理基本維持穩定，2007—2016年平均土壤EC為243 μS/cm。有機肥N 60、120、180、240 kg/hm2處理土壤EC分別為242、265、246和260 μS/cm，高于CK但差異不顯著。化肥N 60、120、180、240 kg/hm2處理土壤EC分別為232、280、220和258 μS/cm，與N0相比差異未達顯著水平，與等養分量有機肥處理差異也不顯著。當投入N 300 kg/hm2時，有機肥處理的土壤EC為278 μS/cm，化肥處理的為320 μS/cm，有機肥和化肥處理間差異為42.1 μS/cm，達顯著水平(P＜ 0.05)。當氮投入為 N 360、420、500、600 kg/hm2時，有機肥處理的土壤EC依次為314、318、405和382 μS/cm，化肥處理的依次為403、513、516和570 μS/cm。有機肥和化肥兩者土壤EC差依次為89.0、195、110、188 μS/cm，差異均達極顯著水平 (P＜ 0.01)。這表明，當氮素投入水平超過300 kg/hm2時，化肥增加土壤EC的作用顯著高于有機肥。

表2 黃淮海地區鹽化潮土pH和EC的多影響因子方差分析Table 2 Three-way ANOVA analysis for soil pH and EC in fluvo-aquic soil under long-term fertilization

表3 相同有機肥和化肥用量下土壤EC值及其差值 (2007—2017)Table 3 Soil EC values under the same chemical and manure N input and the resulted EC difference

圖 1 2007—2017年有機、無機肥氮不同投入量鹽化潮土冬小麥、夏玉米季土壤EC的變化Fig. 1 Variation of soil EC values in winter wheat and summer corn season of salinized aquic-fluvo soils applied N from organic and inorganic fertilizers during 2007-2017

隨著肥料投入量的增加和施肥年限的延長，季節波動越來越劇烈，特別是化肥，對土壤EC的影響更為強烈。氮投入為N 60、120、180、240、300、360、420、500、600 kg/hm2時，有機肥處理的土壤EC年際變異依次為39.4%、37.5%、32.6%、30.9%、32.2%、32.5%、33.8%、33.9%和31.1%，化肥處理的依次為39.1%、42.0%、39.5%、41.1%、45.9%、42.5%、50.4%、45.8%和48.0%。這表明，與相同投入量的化肥相比，有機肥處理土壤EC的緩沖性能更強。同一輪作周期小麥收獲后土壤EC明顯高于玉米收獲后。不施肥處理CK，2009—2016年6月份采集的土壤EC平均為309 μS/cm，10月份平均為187 μS/cm，6月份比10月份平均高65.2%。當施氮量從N 60 kg/hm2提高到N 600 kg/hm2，有機肥處理小麥收獲后的土壤EC較玉米收獲后的平均分別高32.4%，化肥的平均高37.0%。化肥處理的差異大于有機肥。

2.3 長期單施有機肥和化肥對鹽化潮土pH的影響

表4和圖2顯示，肥料類型和用量顯著影響黃淮海平原鹽化潮土區土壤pH值動態變化特征。試驗前本地區土壤pH為8.38。試驗開始后，隨施肥年限的延長，不施肥處理呈現先快速降低后穩定波動的趨勢。不施肥處理土壤pH先降低至7.64，后維持7.97波動，較試驗前降低0.41。隨著肥料投入量的增加，加劇了土壤pH變化，特別是化肥，降低趨勢更為顯著。2007—2016年有機肥處理土壤pH平均為7.87，降幅為0.51，化肥平均為7.73，降幅達0.65。有機肥N 60 kg/hm2和N 180 kg/hm2處理2007—2016年土壤pH平均為7.87，與CK處理(7.91) 差異未達顯著水平；化肥N 60 kg/hm2和180 kg/hm2處理土壤pH分別為7.91和7.84，與等養分量有機肥處理相差-0.04和0.03，差異尚未達顯著水平。當氮投入量為N 240 kg/hm2時，有機肥和化肥處理的土壤pH分別為7.80和7.78，差異尚未達顯著水平，但顯著低于不施肥處理 (P＜ 0.05)；當氮投入為N 300 kg/hm2時，有機肥處理的土壤pH為7.84，化肥處理為7.76，差異達顯著水平 (P＜ 0.05)。當氮投入為N 360、420、500、600 kg/hm2時，有機肥處理的土壤pH依次為7.82、7.79、7.76和7.71，化肥處理的依次為7.73、7.60、7.58和7.58，有機肥和化肥兩者土壤pH差依次為0.09、0.18、0.18和0.14，差異均達極顯著水平 (P＜ 0.05)。

施肥6～8年后，各處理土壤pH呈穩定波動的狀態。氮投入量為N 60、120、180、240、300、360、420、500和600 kg/hm2時，有機肥處理的土壤pH波動水平分別為7.97、7.93、7.98、7.89、7.93、7.91、7.86、7.84和7.74；化肥處理分別為7.96、7.89、7.88、7.85、7.83、7.72、7.53、7.51 和7.42。同一輪作周期小麥收獲后土壤的pH明顯高于玉米收獲后土壤pH。不施肥處理2009—2016年6月份土壤pH平均為7.94，10月份平均為7.78，6月份比10月份平均高0.16。當施氮量從N 60 kg/hm2提高到N 600 kg/hm2，有機肥處理小麥收獲后的土壤pH較玉米收獲后的平均高0.20，化肥處理的平均高0.17。

表4 相同有機肥和化肥氮用量下土壤pH值及其差值 (2007—2017)Table 4 Soil pH in soils under the same chemical and manure N input rate and the pH value difference

圖 2 2007—2017年有機、無機氮肥不同投入量鹽化潮土冬小麥、夏玉米季土壤pH的變化Fig. 2 Variation of soil pH in winter wheat and summer corn season of salinized aquic-fluvo soils applied N from organic and irorganic fertilizers during 2007-2017

3 討論

土壤pH降低由自然因素或人為活動導致的土壤酸中和容量的減少等原因引起。農業生產中過分重視作物產量，過量投入化肥勢必對耕地土壤產生影響，導致或加重H+循環脫節引起土壤pH降低[15-16]。本研究表明，化肥用量水平顯著影響黃淮海地區鹽化潮土土壤pH和EC的演變特征。化肥的過量投入造成土壤EC迅速升高，土壤pH降低，加重土壤酸化的潛在可能性，對土壤結構、農田生態造成潛在危害。不施肥處理土壤EC維持低水平季節性波動，平均為243 μS/cm。化肥N 60、120、180和240 kg/hm2處理，土壤EC分別為232、281、220和258 μS/cm，與CK差異不顯著；隨著肥料用量的增加，土壤EC顯著提高 (P＜ 0.05)。化肥N 300、360、420、500和600 kg/hm2處理，土壤EC分別為320、403、513、516和570 μS/cm，顯著高于化肥氮60～240 kg/hm2處理 (P＜ 0.05)。土壤pH隨種植年限呈先快速降低后穩定波動趨勢。10年20季播種作物后，不施肥處理土壤pH基本在7.99上下波動，化肥 N 60、120、180、240、300、360、420、500 和600 kg/hm2處理土壤pH波動分別為7.96、7.89、7.88、7.85、7.83、7.72、7.53、7.51 和 7.42，隨肥料用量的增加呈顯著降低趨勢，Y= -0.001x+ 8.0315，R2= 0.9481 (圖3)。這一研究與蔡澤江等[4]、汪吉東等[17]、賈立輝等[18]研究結果類似。蔡澤江等在湖南紅壤研究證明，長期施用化學肥料加劇了土壤酸化進程，尤以單施化肥土壤pH降幅最大，為1.5，氮磷處理和氮磷鉀處理分別降低1.3和1.2[4]。賈立輝等[18]在吉林黑土研究表明，不施肥處理0—20 cm土層土壤pH與初始值 (7.60) 基本穩定，施用化肥則導致土壤pH顯著降低，下降約1.8，土壤酸化明顯。汪吉東等[17]在江蘇地區的研究表明，長期化肥投入同樣會導致酸緩沖能力較強的石灰性潮土土壤酸化，土壤酸緩沖能力降低，氮肥處理和氮磷鉀肥處理土壤酸堿緩沖容量分別為15.8 cmol/kg和17.6 cmol/kg，低于不施肥處理的18.4 cmol/kg。化肥投入量超過作物需求量時，NH4+的硝化和NO3-的淋洗作用會逐漸導致表層土壤pH降低[16]。而有機肥可增加土壤的氮積累速率，降低生態系統氮循環從而緩解農田土壤酸化進程[19]。

本研究表明，肥料類型對黃淮海地區鹽化潮土土壤EC和pH存在顯著影響 (P＜ 0.05)。與等養分量化肥相比，有機肥利于耕層土壤總含鹽量降低，土壤酸堿緩沖性能提高。低水平施肥時，化肥與有機肥處理土壤EC和pH類似，但隨著肥料投入量增加，差距越來越明顯，與肥料用量呈顯著線性相關(圖3)。氮投入量為N 60、120、180、240 kg/hm2時，等養分有機肥處理和無機肥處理土壤EC和土壤pH相差分別為9.90、-15.9、26.4、1.76 μS/cm和-0.04、0、0.03、0.02。隨著肥料用量的增加，有機肥與化肥差異程度迅速提高。氮投入量N 300、360、420、500、600 kg/hm2時土壤EC和土壤pH相差分別為-42.1、-90.5、-195、-110、-188 μS/cm和0.08、0.09、0.18、0.18、0.14，差異均達顯著水平 (P＜ 0.05)。這些研究結果與湖南紅壤、吉林黑土、江蘇石灰性潮土等的長期試驗結果類似[4,17-19]。汪吉東等[17]研究表明，有機肥處理的石灰性潮土耕層土壤酸堿緩沖容量為20.6 cmol/kg，明顯高于氮肥處理 (15.8 cmol/kg)、氮磷處理 (18.8 cmol/kg)、氮鉀處理 (16.4 cmol/kg) 和氮磷鉀處理 (17.6 cmol/kg)。蔡澤江等[4]研究證明，有機肥處理包括單施有機肥和有機無機配施處理紅壤土壤pH保持穩定或有所提升，單施有機肥pH升高達1.0個單位。賈立輝等[18]、高洪軍等[20]研究表明，有機肥具有防止黑土土壤酸化的作用，有機無機配施處理土壤pH基本維持穩定。孟紅旗等[19]研究指出，有機無機配施的土壤酸化速率較化肥顯著降低，在南方高降雨量的紅壤和紫色土表現的更為顯著，在北方低降水量的黑土表現不明顯，不同區域其作用效果及機理可能不同。張永春[3]在江蘇太湖地區黃泥土研究顯示，小麥-水稻輪作系統連續21年化肥增施有機肥處理土壤pH較單施化肥處理下降，這可能與天湖地區增施有機肥后水稻、小麥生物量增加，導致鹽基離子通過作物吸收移走數量超過有機肥中鹽基離子的供應量有關。這些研究表明，有機肥對土壤酸堿緩沖性的影響程度與土壤基礎地力、當地氣候條件、作物的輪作制度、土壤類型、肥料施用量等密切相關，未來我國各區域畜禽糞便等有機物質還田資源化利用時要考慮各方面因素，適地適量科學還田。

圖 3 有機肥與化肥土壤pH和及其差值隨肥料用量的變化Fig. 3 Variation of soil pH values and the difference between organic and chemical N treatment with the increase of N rate

4 結論

在黃淮海鹽化潮土區冬小麥-夏玉米輪作體系下，長期有機氮和無機氮投入不超過240 kg/hm2均不會對鹽化潮土土壤pH和EC有顯著影響，而當氮投入量過高 (超過N 300 kg/hm2) 時，不論有機肥還是化肥都會顯著提高土壤EC，降低土壤pH，而化肥較有機肥這種趨勢更為明顯，施肥量越高，施用化肥與有機肥的土壤EC和pH相差越顯著 (P＜ 0.05)，且隨著施肥年限延長趨勢更加突出。