長期定位施肥條件下土壤理化性質的演變

王子鳳，李絮花，王鵬

（1.山東農業大學資源與環境學院/土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安 271018；2.泰安市岱岳區農業農村局土肥站，山東 泰安 271000）

土壤是農業養分循環利用系統過程中一個比較重要的環節，也是農業經濟基礎的必要保障［1］。而土壤肥力是土壤的基礎特征之一［2］，土壤肥力指的是土壤為植物的生長發育所提供適宜的環境條件以及養分水分條件的能力，是土壤性質的綜合體現。合理施用化肥一方面可以提高土壤肥力和肥料利用率；另一方面可以提高作物產量［3，4］。但近年來由于人們為了提高產量而不合理的施用化肥不僅造成了大量養分的流失、肥料利用率低下、作物產量低，而且還引發了土壤酸化板結、農民收益低下以及更嚴重的環境污染問題［5，6］。就目前而言，如何合理的施用化肥、提高化肥利用率、提高土壤生產力和可持續利用能力以及農民的收入，促進人類與自然的和諧發展，緩解環境向不利方面發展是我國土壤學現在最需解決的問題［7］。有些問題雖然可以通過短期試驗獲得研究成果，但長期定位施肥試驗是采取既“長期”又“定位”的特殊研究方式，定向培育了具有時間長期性、氣候重復性、地理定位性、歷史代表性等顯著優點的農田生態系統，是發現重大科學問題、開展重要科學研究的關鍵性平臺［8，9］。并且該方法信息量豐富、準確可靠、解釋能力強，能為農業的生產發展提供決策依據，因此它具有常規試驗不可比擬的優點［10］。

前人大量研究表明：化學肥料與有機肥配合施用不僅可以達到高產穩產的效果，而且可以提高土壤肥力，減少養分損失、提高肥料利用率，改善農田生態系統的良性循環，增加農民收入的目的［11］。但是目前關于長期單施化肥對土壤理化性質的研究相對較少，本試驗利用了長達10年的長期定位培育土壤來探究不同施肥處理對土壤肥力各指標的影響，為發展化肥生產、合理施用化肥，提高農作物產量和質量打下理論和實踐基礎，以期為農業生產中的科學施肥問題提供理論依據，保證農業的可持續發展。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗在山東農業大學資源與環境學院試驗基地進行，開始于玉米季。供試玉米品種為鄭單958，供試小麥品種為濟麥22。供試肥料：氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O516%）或重過磷酸鈣（含P2O546%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%）。試驗開始前供試土壤基本理化性質如表1。

表1 試驗實施前土壤基本理化性質（2009）

1.2 試驗設計

試驗設置CK（長期不施肥）、NP（長期施用氮磷肥）、NK（長期施用氮鉀肥）、PK（長期施用磷鉀肥）、NPK（長期施用氮磷鉀肥）5個處理，隨機區組排列，重復3次。小區面積10 m×2.4 m＝24 m2，試驗區周邊設有保護行。玉米季和小麥季的肥料施用量是測土配方施肥項目中本區域玉米和小麥的優化施肥量。其中在玉米上，氮、磷、鉀肥于小喇叭口期一次施入，施肥方式為溝施；在小麥上，磷、鉀肥和1/3尿素做基肥一次性施入，施肥方式為撒施后耕翻再播種，2/3尿素做追肥，施肥方式為溝施。玉米種植以60 cm等行距種植，4行區，每公頃種植密度為6.0萬株，小麥種植以寬、窄行40、20 cm種植，8行區，每公頃種植密度為180萬株。每年玉米6月10左右播種，10月1日左右收獲；小麥10月8日左右播種，次年6月5日左右收獲。具體施肥量如表2。

表2 純養分施用量 （kg·hm-2）

1.3 樣品采集

在每季玉米收獲后采集每個小區0～20 cm土層土樣，充分混合后經風干、磨細、過篩用以測定土壤肥力指標。本研究分析了2009、2010、2011、2012、2014、2015、2016、2017以及2018年的土壤樣品（其中2013年因為氣候差異比較大，所以未作分析）。

1.4 測定項目及方法

土壤pH值采用水土比5∶1浸提，pH計法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀用乙酸銨浸提—火焰光度法測定；全氮采用H2SO4-催化劑消煮全量蒸餾法測定；有機質采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2013軟件對數據進行處理和作圖，采用SPSS軟件進行數據統計分析，Duncan’s多重比較法進行顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 長期定位施肥對土壤pH值的影響

由表3可以看出，長達10年的不同施肥處理對土壤pH值有一定的影響，平均pH值由高到低的順序為CK＞PK＞NK＞NP＞NPK。與試驗初始值相比，在試驗開始的第1年只有NK處理的土壤pH值下降，而CK、PK、NP、NPK處理的pH值均增加且CK的pH值增加最多，為8.16。隨著施肥年限的延長，與CK相比長期施用化肥會使土壤pH值下降，尤其是在2016—2017年NK、PK、NP以及NPK處理的土壤pH值分別達到了10年中較低水平，其中PK處理的土壤pH值高于NK、NP及NPK處理。從施用氮肥10年的處理來看，NK、NP、NPK處理的平均土壤pH值分別為7.77、7.72、7.63，年際間變異系數分別為2.05%、2.90%、2.60%。

2.2 長期定位施肥對土壤有機質的影響

從表4可以看出，長達10年的不同施肥處理對土壤有機質含量的影響各有差異，平均有機質含量由高到低表現為NPK＞NK＞NP＞CK＞PK，年際間的變異系數為4.97%～8.95%，隨著施肥年限的延長，施用氮肥處理（NK、NP、NPK）和不施用氮肥處理（CK、PK）的土壤有機質差距變化不明顯。同時發現，在2014、2015年土壤有機質含量明顯低于其它年份，2014年，NK、PK、NP以及NPK 處理的土壤有機質含量比CK 增加6.15%～17.65%，且差異達顯著水平；NPK處理與NK、PK及NP處理差異顯著，NK處理與PK和NP處理差異顯著，但PK和NP處理之間差異不顯著。而從2017、2018近兩年的測定結果可以看出，PK處理的土壤有機質含量均低于其它施肥處理，甚至低于CK，而NPK與NK處理之間差異不顯著。

表3 長期定位施肥條件下不同處理土壤pH值的變化

表4 長期定位施肥條件下不同處理土壤有機質含量的變化 （g·kg-1）

2.3 長期定位施肥對土壤全氮的影響

由表5可以看出，定位施肥10年的NPK、NK、NP、PK、CK處理土壤全氮平均含量為0.95、0.91、0.85、0.85、0.84 g·kg-1，長期施用氮肥處理土壤全氮含量呈上升趨勢，長期不施肥處理土壤全氮總體呈下降趨勢，而長期施用磷鉀肥處理土壤全氮含量下降最明顯，由2009年的1.19 g·kg-1下降為2018年的0.84 g·kg-1。10年定向培肥中，2015年各處理土壤全氮含量均較高，可以看出，與CK相比施用化肥可以提高土壤全氮含量；與PK處理相比，NP、NK以及NPK處理的土壤全氮含量增加6.19%、13.40%和18.56%，且NK和NPK處理都與PK和NP處理差異顯著，但NK和NPK處理之間差異不顯著。

表5 長期定位施肥條件下不同處理土壤全氮含量的變化 （g·kg-1）

2.4 長期定位施肥對土壤堿解氮的影響

由表6可以看出，10年施用氮肥處理（NP、NK和NPK）土壤堿解氮平均含量明顯高于不施氮肥（CK和PK）處理，且PK處理的堿解氮含量最低，其中2018年CK的堿解氮較2009年降低3.4 mg·kg-1。在2011—2014年間各處理土壤堿解氮含量變化趨勢為先上升后下降，其中2012年各處理的堿解氮含量表現為NK＞NP＞NPK＞CK＞PK，且施用化肥與不施肥處理間差異顯著，施用氮肥與不施氮肥處理間差異顯著，而NP處理與NPK、NK處理差異均不顯著，但NK和NPK處理差異顯著。

2.5 長期定位施肥對土壤有效磷的影響

由表7可以看出，10年施用磷肥（PK、NP和NPK）與不施磷肥處理（CK和NK）相比，土壤有效磷含量表現有所不同。在試驗開始前兩年各處理的土壤有效磷均基本維持在試驗初始水平，而隨著種植年限的延長，尤其是種植到第10年時不施磷肥處理（CK、NK）的土壤有效磷含量明顯下降，由試驗前的68.38 mg·kg-1分別下降到14.96 mg·kg-1和15.02 mg·kg-1，降幅分別為78.12%和78.03%，且與施用磷肥各處理差異顯著。長期施用磷肥處理（PK、NP、NPK），土壤有效磷含量維持在一個較高水平，至2018年，分別為58.20、63.40 mg·kg-1和64.95 mg·kg-1，其中PK處理與NP、NPK處理差異顯著，而NP與NPK處理間差異不顯著。

表6 長期定位施肥條件下不同處理土壤堿解氮含量的變化 （mg·kg-1）

表7 長期定位施肥條件下不同處理土壤有效磷含量的變化 （mg·kg-1）

2.6 長期定位施肥對土壤速效鉀的影響

從表8可以看出，試驗第1年（2009年）施用鉀肥與不施鉀肥處理間土壤速效鉀含量表現為：PK＞CK＞NP＞NK＞NPK，其中PK處理與其它處理間差異顯著，CK與NP處理、NK與NPK處理之間差異均不顯著。隨著種植年限的延長，NK和NPK處理的土壤速效鉀含量總體呈上升趨勢，2018年與2009年相比分別增加42.73%和35.55%，而PK處理下降21.46%，但始終維持在試驗初始水平左右。10年定位施肥各處理土壤速效鉀平均值表現為，CK和NP處理呈明顯下降趨勢，平均含量為80.28 mg·kg-1和79.84 mg·kg-1，與NK處理相比分別降低36.01%和36.36%。

表8 長期定位施肥條件下不同處理土壤速效鉀含量的變化 （mg·kg-1）

3 討論

長期單施化肥特別是氮肥土壤pH值下降，導致土壤有酸化的趨勢［12-14］。在生產中農民為了高產增加化肥用量，而長期單施氮肥是加速土壤酸化的一個重要原因。氮素在植物生長發育中起著至關重要的作用，一般認為施用銨態氮時，由于總吸收量中陽離子量大于陰離子量，植物為維持體內的電荷平衡和細胞生長所需的pH值，根系分泌出質子，使根土界面pH值下降［15］。本研究結果表明，10年定位試驗不施肥處理（CK）土壤pH值高于施用化肥處理，其中施氮肥處理的pH值低于不施用氮肥（PK）處理，這表明長期施用化肥特別是氮肥會使土壤呈酸化趨勢［16］。

有機質對土壤肥力有重要意義［17］，它既是植物礦質營養和有機營養的供給源，也是形成土壤結構的重要因素［18］。因此，土壤有機質直接影響著土壤的保肥性、保水性、緩沖性、耕性和通氣狀況等。在不同地區由于氣候條件、土壤狀況、耕作制度及施肥量的差異，長期單施化肥對土壤有機質的影響結果不一。有研究指出，單施化肥可以提高土壤有機質含量［19］；而本研究發現無論是長期單施化肥還是不施肥處理土壤有機質含量均比試驗初期大幅度降低，這與前人的研究結論有所相同［20-23］，其原因有可能是在試驗開始前該試驗田落荒了3年，在此期間翻地加速了土壤有機質的流失，同時土壤中又缺乏有機質的投入，為了保證作物良好的生長需求需加快分解有機質，從而使土壤有機質比試驗前水平有所下降［24］。而施用氮肥處理的土壤有機質含量高于PK和CK處理，這可能是因為施用氮肥處理的作物產量較高，相對增加了土壤中根茬、殘茬和根系分泌物的量等，從而使其土壤有機質含量提高。

氮素是土壤中最為活躍的大量營養元素之一，也是植物生長發育需求量比較大的元素之一。土壤全氮含量代表土壤中氮的總儲備量［5］。雖然NK、NP、NPK處理的土壤全氮、堿解氮含量高于CK和PK，但5個處理的土壤全氮、堿解氮含量均比試驗初始值低，這與前人的結果一致［25］。分析產生這種結果的原因：可能是作物在生長過程中對氮素的需求量比較大，收獲時從土壤中帶走的比較多；還可能是因為氮素淋失，造成土壤氮素淋失的原因有很多，如作物種類、灌溉、降雨以及施肥量等［26，27］，具體原因還需進一步研究。同時本研究發現施氮肥處理的土壤全氮含量與無氮肥處理的土壤全氮含量之間差別不大，這與楊旸等［28］的研究結果一致，說明施用化學氮肥雖然可以提高作物產量，但無法增加表層土壤氮養分含量，使得土壤供氮能力不足［29］。

磷在作物生長中起著不可或缺的作用，而土壤有效磷是土壤磷素養分的重要指標，最能反映土壤的供磷水平［30］。長期不施磷肥土壤有效磷含量呈明顯下降趨勢，這與李東初等［31］的研究結果大體一致，在第8年左右達到了土壤嚴重缺磷的程度，原因可能是作物為維持生長發育而從土壤中帶走大量的磷素，導致隨著種植年限的延長土壤有效磷含量呈現明顯下降的趨勢。而10年施用化學磷肥的處理（PK、NP、NPK）土壤有效磷維持在較高水平且基本保持不變，這與劉彥伶等［32］的結果不太一致，其原因有可能是施肥方式、氣候條件、灌溉方式、種植制度以及土壤類型不同等條件導致的。

本研究發現隨著施肥年限的延長，10年不施鉀肥的處理（CK、NP）土壤速效鉀含量水平呈現下降趨勢，這是因為土壤在沒有鉀肥投入的基礎上作物每年會從土壤中吸收一部分鉀素來維持生長需求，從而導致長期以來土壤速效鉀含量呈現下降的趨勢［33，34］，而10年進行化學鉀肥處理（NK、PK、NPK）的土壤速效鉀含量維持較高水平，其中NK、NPK處理有上升趨勢。

4 結論

4.1 10年施用化學氮肥（NK、NP及NPK），土壤pH值呈下降趨勢，土壤有機質變化很小，全氮含量有增加的趨勢；10年不施氮肥（CK和PK）土壤pH值沒有顯著變化，但與施用氮肥處理比較土壤有機質、全氮、堿解氮呈下降趨勢。

4.2 10年施用化學磷肥（PK、NP和NPK）土壤有效磷含量維持在較高水平；10年不施磷肥（CK和NK）有效磷含量大幅度降低，降幅達78%。

4.3 10年施用化學鉀肥（NK、PK和NPK）土壤速效鉀含量維持在120 mg·kg-1左右，其中NK、NPK處理有上升趨勢，而PK處理呈下降趨勢；而不施用鉀肥（CK和NP）處理的土壤速效鉀含量大幅下降至80 mg·kg-1左右。