長期施肥對褐土有機質、氮動態變化的影響

楊振興，周懷平，解文艷，劉志平

（山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

有機質和氮素是土壤質量的重要組成部分，是作物獲得高產的主要限制因子，對于農業生產與可持續發展起著至關重要的作用[1-2]。然而長期大量施用化肥和連續性耕作改變了農田的耕地質量[3-4]。長期肥料定位試驗是在不同土壤、不同種植制度下連年種植某種固定作物并施用定量肥料，對作物生長發育情況和土壤各種理化性狀及土壤肥力演變等進行的長期性研究，其研究成果將對提高我國耕地的綜合生產能力、提高糧食產量和保護環境具有重要的理論指導意義。眾多學者已在黑土[5-6]、紅壤[7]、棕壤[8]、潮土[9-10]、灰漠土[11]等不同土壤類型上進行了長期定位施肥試驗研究，結果表明，長期施用無機肥，雖然可以顯著增加土壤中硝態氮、銨態氮和堿解氮含量，但是破壞了土壤結構的穩定性，土壤容重增加，孔隙度降低，對土壤的酸度也有較大影響。有機無機配施可顯著提高土壤有機質、全量養分及速效養分含量，增加土壤碳、氮儲量，提升土壤基礎地力，增加作物產量。目前，關于在褐土條件下長期定位施肥對土壤碳氮影響變化的研究報道相對較少。

本研究利用中國農業科學院壽陽旱地農業試驗站25 a（1992—2016 年）的部分試驗結果，對褐土條件下長期施肥對土壤有機質及氮動態變化的影響進行初探，以期為褐土類型區域合理化施肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

長期施肥試驗設在山西省壽陽縣宗艾村國家旱作農業科技攻關試驗區。試驗區海拔1 130 m，年均溫7.6 ℃，大于10 ℃積溫3 400 ℃，無霜期135～140 d，多年平均降雨量501.1 mm，年際變率較大，干燥度1.3，屬半濕潤偏旱區。土壤為褐土性土，土層深厚，地勢平坦，質地為輕壤。1992 年試驗前耕層土壤基本理化性質如表1 所示。

表1 基礎土樣基本理化性質

1.2 試驗材料

供試作物為玉米，1992—1995 年品種為煙單14 號，1996—2002 年品種為晉單34 號，2003—2011 年品種為強盛31 號，種植密度為5.20 萬～5.25 萬株/hm2；2012—2016 年品種為晉單81 號，種植密度為6.60 萬株/hm2。

1.3 試驗設計

有機肥無機肥配施長期定位試驗從1992 年春開始，到2016 年歷時25 a。試驗采用氮、磷、有機肥三因素四水平正交設計，共18 個處理，小區面積為66.7 m2，無重復，隨機排列。試驗選取其中8 個處理，即不施肥（N0P0M0，CK）、4 個不同氮磷化肥配施處理（N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0）和3 個有機肥無機肥配施處理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）進行研究。試驗所用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為普通過磷酸鈣（P2O514%），不施鉀肥，農家肥為腐熟廄肥（有機質90.5～127.3 g/kg、全氮3.93～4.97 g/kg、全磷1.37～1.46 g/kg、全鉀14.1～34.3 g/kg），氮磷化肥和有機肥在作物播種前一次性撒施并耕翻入土。不同施肥處理施肥量如表2 所示。

表2 不同施肥處理施肥量 kg/hm2

田間管理按大田豐產要求進行，一年種植一季，4 月15—28 日播種，9 月20 日至10 月10 日收獲。

1.4 測定項目及方法

玉米收獲后，取小區的耕層（0～20 cm）土樣進行土壤有機質、全氮、堿解氮含量的分析測定。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮、堿解氮分別用凱氏定氮法和堿解擴散法測定。

1.5 數據分析

試驗數據經Microsoft Office Excel 2003 整理后，采用Minitab 15 軟件進行單因素方差分析及相關分析。

2 結果與分析

2.1 長期定位施肥對褐土氮素含量的影響

2.1.1 長期定位施肥對褐土全氮含量的影響 從圖1 可以看出，不施肥處理土壤全氮呈逐年下降趨勢，連續試驗25 a 后全氮含量降為0.85 g/kg，較試驗初下降了19%。長期施用氮磷化肥以及氮磷有機肥配施對耕層土壤全氮具有一定的影響，施用無機肥各處理較不施肥處理土壤全氮都具有一定的提高作用，但無顯著性差異，且土壤全氮含量并沒有隨著施氮量的增加而增加。氮磷化肥配施有機肥（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）的3 個處理提高較為顯著，分別比不施肥處理增加了44.7%，21.3%和74.5%，同時高于單施化肥各處理，說明有機無機肥配施可以顯著提高土壤氮素含量。

2.1.2 長期定位施肥對褐土堿解氮含量的影響

從表3 可以看出，長期施用氮磷化肥處理的耕層土壤堿解氮含量有明顯的提高，堿解氮含量隨著氮肥施用量的增加而增加；當氮磷化肥與有機肥配施時效果更加顯著，隨著有機肥投入量的增加，其堿解氮含量也隨之增加。各處理對耕層土壤堿解氮含量的 影 響 由 高 到 低 依 次 為N3P2M3、N4P4M0、N3P3M0、N4P2M2、N2P1M1、N2P2M0、N1P1M0、N0P0M0。由此可見，長期施用氮磷有機肥處理有利于提高土壤堿解氮的供應能力，同時，施入有機肥后可以適量降低氮肥的投入量，以減少無機肥對農田環境的影響。

不施肥處理耕層土壤堿解氮含量2001—2011年一直處在71～73 mg/kg 這一相對穩定的范圍內，主要是與作物產量較低導致作物吸收消耗較少和作物遺留在土壤中的殘茬腐解量較少有關。從2012 年開始，試驗處理增加了小區種植密度，土壤堿解氮含量有所下降，可能與作物吸收量增加有關，這還有待于在今后的研究中進行論證。

表3 長期定位施肥土壤（0～20 cm）堿解氮含量變化 mg/kg

2.2 長期定位施肥對土壤有機質含量的影響

由圖2 可知，連續施肥25 a 后，不同施肥處理對耕層土壤的有機質含量具有不同的影響，各施肥處理較不施肥對照處理土壤有機質含量都有一定的提高，且隨有機肥的施入，提高幅度也在增大，各處理有機質含量由高到低順序為N3P2M3＞N4P2M2＞N1P1M0＞N2P1M1＞N2P2M0＞N4P4M0＞N3P3M0＞N0P0M0。其中，N3P2M3與N4P2M2處理明顯高于其他處理，分別比不施肥對照處理增加了59.6%和38.1%，說明氮磷化肥配施有機肥可顯著提高耕層土壤有機質含量，并隨有機肥投入量的增加而增加。

3 結論與討論

3.1 長期施肥對褐土氮變化的影響

大量研究表明，持續不施氮肥，土壤中全氮含量多數情況是下降的[7]，施用無機肥后耕層土壤中全氮含量沒有隨著投入氮素化肥量的增加表現出明顯的增加，氮肥過量施用反而會降低土壤氮素利用效率[12]。施用有機肥或化肥有機肥配施，土壤全氮含量有明顯增加[13]。趙聰等[14]研究結果顯示，施用化肥處理土壤有效氮含量多數表現為增加，化肥與有機肥配施土壤有效氮含量增加幅度較大。

本研究結果表明，長期施用氮肥各處理的土壤全氮含量有一定程度的提高，其中以氮磷化肥配施有機肥的3 個處理效果最為明顯，均高于單施化肥各處理，與王麗等[15]24 a 定位試驗得出的有機肥在提高土壤有機質和氮含量方面大大優于化學肥料結論相似；長期施用氮磷配合肥料處理耕層土壤堿解氮含量明顯提高，且堿解氮含量隨著氮肥施用量的增加而增加，當氮磷與有機肥配施時效果更加顯著，有機肥投入量大的處理，堿解氮含量也隨之增大。由此可見，長期施用氮磷有機肥有利于提高土壤堿解氮的供應能力。鑒于每季作物施氮180 kg/hm2大大增加了耕層土壤堿解氮含量，對長期施氮的環境風險問題還需進一步研究。

3.2 長期施肥對褐土有機質變化的影響

盧志紅等[16]經肥料長期定位試驗得出，經27 a后無肥區的土壤有機質含量比試驗初期降低26.6%，氮磷化肥配施處理有機質含量大多是增加的，施用有機肥或有機肥化肥配施處理，土壤有機質含量增加比較明顯，與本研究結論類似。

與不施肥對照處理相比，施肥對土壤有機質含量都具有一定的提高作用，氮磷化肥與有機肥配施土壤有機質含量均高于氮磷化肥處理，并隨著有機肥投入量的增加而增加。說明在褐土上氮磷化肥配施有機肥具有顯著提高土壤有機質含量的作用，國內外一些定位試驗的研究結果與本研究結論相似[17-20]。