長期不同施肥措施下灌漠土養分特征變化分析

楊金鈺，許詠梅，孫九勝

(新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】土壤養分是限制作物生長的重要因素之一，其中土壤有機質、氮和磷是評價土壤質量和土壤養分狀況的重要指標。施肥是影響農田作物產量及土壤養分庫變化的主要因素[1]，化肥施用量不斷上升及有機肥用量減少導致土壤養分失衡，特別是土壤有機質含量及土壤結構的變化，給作物產量和土壤質量帶來持續的不良影響。研究科學合理的施肥方式，維持農業高效和可持續發展是亟需解決的問題。長期定位施肥試驗具有時間的長期性、氣候的重復性等特點，可系統揭示土壤肥力演變規律，為施肥制度合理性評判提供理論依據[2]。研究長期不同施肥措施下土壤養分特征變化，對灌漠土區施肥方式的選擇重要意義?！厩叭搜芯窟M展】有關有機肥和化肥對土壤養分的影響已有大量研究，如長期施用有機肥可顯著增加土壤有機質、速效養分含量，效果優于化肥[3]。長期單施化肥會降低有機質含量[4]，與單施化肥相比，施用有機肥處理土壤有機質、全氮、有效磷均顯著增加[5]。有機肥和化肥都是農田維持土壤肥力和作物增產的重要措施，但有機肥和化肥養分的有效性和形態不同，對土壤養分庫的容量和強度影響也明顯不同，通過長期定位施肥，可正確認識有機肥、化肥對土壤肥力演變和培肥效果的影響。【本研究切入點】灌漠土是分布于我國漠境地區的內陸河流域和黃河流域的一類重要地帶性土壤，主要涉及新疆、甘肅、寧夏、青海等西北干旱區，占國土面積20%以上。吐魯番盆地屬極端干旱區，與甘肅等省份相比，該區日照、輻射量、積溫和無霜期等氣候肥力優勢突出，自然與人為成土條件獨特，微生物區系差異有別于其他地區。葡萄是該區域的特色林果樹種，大量的化肥投入嚴重影響葡萄產量和品質，針對灌漠土種植葡萄化肥和有機肥合理施用的結果較為缺乏，長期不同施肥下養分特征的變化尚未見報道。研究長期不同施肥對新疆東部灌漠土養分特征的影響?！緮M解決的關鍵問題】以新疆東部吐魯番肥力長期監測點的黃土狀灌漠土為研究對象，分析長期不同施肥條件下灌漠土有機碳、氮、磷等養分變化，為指導灌漠土區合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗區位于新疆吐魯番市鄯善縣連木沁鎮、魯克沁鎮“國家土壤肥力網監測點”，屬溫帶大陸性氣候類型，是我國極端干旱的代表性區域，年均降雨25 mm，蒸發量3 200 mm，干燥度128。年均氣溫11.3℃，極端高溫48℃。熱量豐富，≥10℃積溫5 035℃，日照時數3 100 min，無霜期224 d。試驗區基礎土壤理化性質：pH 8.1，有機質13.6 g/kg，堿解氮78.3 mg/kg，Olsen-P 12.7 mg/kg，速效鉀178 mg/kg，容重1.15 g/cm3。供試土壤為黃土狀灌漠土。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

選擇長期施有機肥(M)、化肥配施有機肥(NP+1/2M，1/4NP+1/3M)、化肥(NP)、撂荒(CK0)5個典型處理。表1

表1 長期定位試驗施肥量Table 1 The design of fixed position experiment (kg/hm2 )

于2017年7月采用多點混合法取農田耕作層0～20、20～40 cm土壤，用布袋封裝帶回實驗室，去除土壤中可見的動植物殘體等雜物，風干備用于分析土壤有機質、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀等土壤養分指標。

1.2.2 土壤養分測定

風干后的土壤樣品按照常規方法進行土壤養分的測定。有機質測定采用重鉻酸鉀氧化法，全氮采用凱氏定氮法，速效氮測定采用堿解擴散法，速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法[6]。

1.3 數據處理

利用DPS統計軟件進行方差分析，新復極差法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 長期不同施肥對土壤有機質的影響

研究表明，與不耕作的撂荒土壤CK0相比，除純施用化肥的NP處理外，其他各處理0～20 cm土壤有機質含量均提高，其中純施用有機肥的M處理和化肥與有機肥配施的1/4NP+1/3M處理有機質顯著高于CK0，分別增加了282.3%和150.7%。20～40 cm土壤有機質變化規律與0～20 cm一致，含量最高的是純施用有機肥的M處理和化肥與有機肥減量配施的1/4NP+1/3M處理，顯著高于未耕作土壤CK0，分別增加了88.7%和85.1%。含量最低的是純施用化肥的處理NP，比未耕作土壤CK0處理低了2.7%。各處理0～20 cm和20～40 cm土壤相比，表層0～20 cm土壤的有機質含量均高于20～40 cm土壤，且施用有機肥的處理表層有機質含量較亞表層20～40 cm增幅較大，在73.7%～178.9%，純施用化肥處理NP表層有機質含量較亞表層20～40 cm增加5.5%，未耕作土壤CK0表層有機質含量較亞表層20～40 cm增加37.7%。總體看，純有機肥處理對土壤有機質提升的效果最明顯，有機肥與化肥配施處理次之，且化肥與有機肥減量配施的1/4NP+1/3M處理的提升效果高于化肥常量、有機肥減施的NP+1/2M處理。純施用化肥的處理在長期耕作下，有機質含量最低。圖1

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.2 長期不同施肥對土壤全氮的影響

研究表明，與不耕作的CK0處理相比，0～20 cm土壤中，長期施用有機肥的M處理、有機肥與化肥配施的NP+1/2M、1/4NP+1/3M處理的全氮含量顯著增加，增加的幅度在47.3%～57.2%，但這3個處理之間無顯著差異。純施用化肥的NP處理全氮含量最低，比不耕作的土壤減少了77.2%，顯著低于其他處理。20～40 cm中，各處理間全氮含量差異不顯著，含量最高的是純施用有機肥的M處理，比不耕作的CK0對照處理增加了33.2%，含量最低的是純施用化肥的處理NP，比不耕作的CK0對照處理減少了7.1%。各處理0～20 cm和20～40 cm土壤相比，除純施用化肥的NP處理，各處理0～20 cm土壤的全氮含量均高于20～40 cm土壤，增加幅度在31.7%～77.5%，純施用化肥的NP處理20～40 cm土壤的全氮較0～20 cm土壤增加了208.9%，長期有機肥、有機肥配施化肥均可使土壤全氮含量增加，而純化肥施用不利于表層土壤氮素的累積。圖2

圖2 不同施肥處理下土壤全氮含量變化Fig.2 Total N contents in different treatments

2.3 長期不同施肥對土壤速效氮的影響

研究表明，0～20 cm土壤中，速效氮含量最高的依次是化肥與有機肥配施的1/4NP+1/3M處理和純施用有機肥的M處理，顯著高于不耕作的CK0處理和純化肥施用的NP處理，與CK0相比，化肥與有機肥配施的NP+1/2M處理的速效氮含量增加了89.8%，但與各處理相比差異不顯著。20～40 cm土壤中，速效氮含量最高的是化肥與有機肥配施的1/4NP+1/3M處理和NP+1/2M處理，顯著高于不耕作的CK0處理。與CK0相比，純有機肥處理M和純化肥施用處理NP的速效氮含量分別增加了94.6%、45.3%，但與各處理相比差異不顯著。0～20 cm和20～40 cm土壤相比，0～20 cm土壤的速效氮含量均大于20～40 cm土壤，增加的幅度在3.05%～46.4%?；屎陀袡C肥配施有利于增加土壤速效氮含量，純有機肥處理對表層土壤速效氮增加明顯，純化肥施用不利于土壤速效氮的增加。圖3

圖3 不同施肥處理下土壤速效氮含量變化Fig.3 Alkali-hydrolysis N contents in different treatments

2.4 長期不同施肥對土壤速效磷的影響

研究表明，0～20 cm土壤中，速效磷含量最高的是化肥和有機肥配施的1/4NP+1/3M處理，為106.5 mg/kg，顯著高于其他各處理，且其他各處理間含量差異不顯著。速效磷含量最低的是純施用化肥的NP處理，為14.6 mg/kg，比對照CK0低67.5%，比含量最高的化肥和有機肥配施的1/4NP+1/3M處理低86.3%。20～40 cm土壤中，各處理間的速效磷含量差異不顯著，含量最高的是化肥和有機肥配施的1/4NP+1/3M處理，為35.6 mg/kg，最低的是純施用有機肥M處理，為17.7 mg/kg。0～20 cm土壤與20～40 cm土壤相比，基本上呈表層比亞表層高的規律，相差幅度最大的是化肥和有機肥配施的1/4NP+1/3M處理，表層0～20 cm比20～40 cm高198.6%，其他處理相差幅度在1.0%～70.1%。純施用化肥的NP處理表層0～20 cm土壤速效磷比亞表層20～40 cm土壤含量低。化肥與有機肥減量配施有利于提高表層土壤的速效磷含量。圖4

圖4 不同施肥處理下土壤速效磷含量變化Fig.4 Available P contents in different treatments

2.5 長期不同施肥對土壤速效鉀的影響

研究表明，0～20 cm土壤中，純化肥施用處理NP的速效鉀含量最高，為448.0 mg/kg，顯著高于其他各處理。不耕作的對照CK0處理的土壤速效鉀含量最低，為158.0 mg/kg，與純有機肥處理M、化肥和有機肥配施的NP+1/2M、1/4NP+1/3M處理相比差異不顯著。各處理20～40 cm土壤速效鉀的含量與0～20 cm土壤規律基本一致，純化肥施用處理NP的速效鉀含量最高，顯著高于其他各處理，而含量最低的是化肥和有機肥配施的NP+1/2M處理，比不耕作的CK0處理低13.7%，且與純有機肥處理M、化肥和有機肥配施的1/4NP+1/3M處理、不耕作的CK0處理相比差異不顯著。0～20 cm土壤與20～40 cm土壤相比，純有機肥處理M、化肥和有機肥配施的NP+1/2M處理、純化肥施用的NP處理速效鉀含量滿足表層比亞表層高的規律，表層比亞表層增加的幅度為22.3%～37.2%，而化肥和有機肥配施的1/4NP+1/3M處理、不耕作的CK0處理土壤速效鉀含量表現為亞表層高于表層，亞表層比表層增加了3.2%～10.9%。純化肥施用顯著增加了土壤中速效鉀含量，純有機肥、化肥與有機肥配施等其他施肥方式對速效鉀的增加作用不明顯，化肥與有機肥減量的情況下，表層土壤的速效鉀累積相比亞表層要少。圖5

圖5 不同施肥處理下土壤速效鉀含量變化Fig.5 Available K contents in different treatments

3 討 論

3.1 不同施肥措施對土壤養分變化的影響

研究表明，長期施用有機肥，0～20 cm、20～40 cm土壤有機質含量顯著高于其他施肥處理，表層0～20 cm土壤的全氮、速效氮含量顯著高于其他處理。這主要是因為長期施用有機肥可有效改善土壤結構，提升土壤有機質含量。有機物料的大量投入，可補充有機碳源，提高養分有效性，改善土壤結構，極大促進微生物量活性[7]；有機肥提供了氮源供給，激發微生物對碳源的利用，也會利于提高微生物量碳；土壤可溶性有機碳與有機肥使用量呈顯著正相關關系[8]，研究有機肥處理M施用了大量羊糞，有機質含量豐富，能被微生物快速分解利用；有機肥羊糞中的有機氮含量較高，有機氮在礦化過程中產生了大量的小分子含氮化合物，如氨基糖、蛋白質、氨基酸等，增加了土壤中速效氮含量[9]。

長期單施化肥，有機質在表層與亞表層的含量均顯著低于其他各處理。全氮、速效N、速效磷在表層0～20 cm土壤的含量顯著低于其他處理，在亞表層20～40 cm的含量無差異。這可能是因為長期施用化肥雖然可以提升作物產量、生物量，增加根系分泌物、凋落物等，但是與有機肥直接輸入提供的碳源相比還十分有限[10]，所以土壤有機質含量較低；施用化肥的NP處理表層的全氮、速效N、速效P含量低，這主要是因為施用氮肥后，硝化作用使氮肥轉化為有效態氮后，氨揮發、氧化亞氮排放、淋失引起氮素損失。長期施用磷肥，土壤速效磷含量增加顯著，大量施用磷肥會導致表層磷素淋失[11]，研究長期施用磷肥，除滿足植物生長需要的磷素外，土壤表層將出現磷素的淋溶損失。

研究中，化肥與有機肥配施的2個處理養分變化特征相似，表層0～20 cm土壤的全氮、有機質含量顯著高于純化肥NP和對照CK0處理。亞表層20～40 cm土壤中，全氮含量與其他各處理相比無差異，速效鉀顯著低于其他施肥處理。已有研究表明，與不施肥和單施化肥相比，化肥與有機肥配施可顯著提高土壤有機質、全氮含量[12]，這與研究結果相似。氮肥淋溶往往發生在土壤深層，土壤碳氮的變化是一個動態平衡的過程，作物與微生物競爭利用土壤氮素，在土壤礦質氮素充足時，各處理以植物根系殘茬等歸還到土壤的有機物料量不同，這時如果土壤有效氮充足，而有效碳缺乏，微生物就會分解利用土壤中的可溶性有機碳來滿足對碳的需求。所以，在研究中的2個化肥配施有機肥處理中，可能出現了有效碳釋放不平衡或氮肥抑制微生物活性的情況，使得亞表層土壤全氮與其他處理無顯著差異?；蔔P配施有機肥，由于長期不添加鉀肥，主要依靠土壤本底鉀維持生產，必然導致土壤鉀消耗，越來越多的礦物鉀釋放并被吸收，使得土壤鉀維持在一個負平衡局面。配施有機肥后，土壤結構得到改善，更多的土壤溶液累積在表層，而非交換性鉀、水溶性鉀和交換性鉀在亞表層含量少，故亞表層速效鉀含量較低，這與王西和[13]的研究結果一致。

化肥與有機肥均減量配施的處理(1/4NP+1/3M)，表層土壤的全氮、速效氮、速效P含量顯著高于純施化肥NP和對照處理CK0。已有研究表明，長期過量的施氮磷肥并不能提高土壤養分含量，反而會出現淋溶至土壤深層現象[11]。通過合適的有機無機肥料配比，減少化肥使用量，配施有機肥對平衡土壤養分、培肥土壤具有重要意義[14，15]。研究中的處理1/4NP+1/3M，化肥與有機肥均減量配施，一方面有機肥和化肥也為微生物生長提供了碳源和氮源，促進了微生物的生長繁殖，化肥減量施用避免了氮素過量抑制微生物活性[16]的可能，提高了微生物群落的活性。另一方面，有機肥改善了土壤的理化性質，適量的有機肥為微生物生長繁殖提供了良好的生活環境，有益微生物能夠礦化釋放土壤中被固持的礦質態氮與難溶性磷素[17，18]，所以表層土壤的全氮、速效氮、磷含量高于純施用化肥和CK0處理。而深層的土壤可能受土壤有機質、水分、通氣狀況、微生物活性等多方面因素影響，養分含量低。減量施用化肥配施有機肥的情況下，土壤養分仍然能夠保持較高水平且有助于維持土壤微生態系統的平衡。

研究中，對照處理(CK0)土壤取自鄯善縣魯克沁鎮長期撂荒地，土壤水分含量低且表層無植被覆蓋。速效氮含量最低，且顯著低于其他處理。表層土壤全氮顯著低于施肥耕作的土壤，亞表層土壤速效氮、速效鉀含量顯著低于其他施肥處理。在我國干旱半干旱地區，農田、林地、草地等土壤中的秸稈、根茬、植株殘渣等有機碳源的輸入刺激了微生物的分解作用，促進了土壤氮、碳的累積。而撂荒地地面植被較少、生物化學風化作用弱，且易受環境擾動，土壤微生態環境脆弱，土壤養分含量及微生物活性較低。這與張旭博等[19,20]的研究結果一致。

3.2 長期施肥措施下土壤養分在不同土層的變化

各處理的養分含量呈現層化現象，表層土壤有機質、速效N含量均大于亞表層。說明不同施肥均對土壤淺層環境具有較強影響，已有研究表明，隨著土壤深度增加，土壤有機質、速效氮含量呈減小趨勢；微生物活性隨深度增加而下降，施肥對土壤碳氮的提升效應逐漸降低，這與何倩、江晶等[21，22]的研究結果一致。因為表層土壤有作物殘茬及凋落物的累積，有機質含量較高、灌溉水補給表層土水分、通氣狀況良好，所以適宜微生物生長繁殖；表層土壤微生物活性強，土壤微生物生物量碳氮豐富，有利于殘茬及有機肥中碳氮轉化，使得土壤養分含量較高。

4 結 論

4.1長期施用有機肥，灌漠土有機質含量顯著高于其他施肥方式。長期施用化肥，灌漠土有機質含量明顯降低，全氮、速效氮、速效磷在表層0～20 cm的含量顯著低于其他處理?；逝涫┯袡C肥可顯著提高表層0～20 cm土壤全氮、有機質含量，尤其是通過合適的配比減施化肥和有機肥，表層0～20 cm土壤的全氮、有機質及速效氮、速效P含量均大于純施化肥NP和對照處理CK0。減量施用化肥配施有機肥的情況下，土壤養分仍然能夠保持較高水平，是灌漠土區可以推薦的施肥方式。長期撂荒模式下，速效氮含量顯著低于其他施肥方式，不利于土壤養分的保持。

4.2各處理的養分含量因土壤深度變化，一般情況下，表層土壤有機質、速效N含量均大于亞表層，不同施肥均對土壤淺層具有較強影響。長期純化肥施用情況下，大量的無機氮、磷向土壤深層累積，亞表層的全氮、速效P含量大于表層。