长期施肥对褐土有机质、氮动态变化的影响

2019-12-19杨振兴周怀平解文艳刘志平

山西农业科学 2019年12期

杨振兴，周怀平，解文艳，刘志平

（山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

有机质和氮素是土壤质量的重要组成部分，是作物获得高产的主要限制因子，对于农业生产与可持续发展起着至关重要的作用[1-2]。然而长期大量施用化肥和连续性耕作改变了农田的耕地质量[3-4]。长期肥料定位试验是在不同土壤、不同种植制度下连年种植某种固定作物并施用定量肥料，对作物生长发育情况和土壤各种理化性状及土壤肥力演变等进行的长期性研究，其研究成果将对提高我国耕地的综合生产能力、提高粮食产量和保护环境具有重要的理论指导意义。众多学者已在黑土[5-6]、红壤[7]、棕壤[8]、潮土[9-10]、灰漠土[11]等不同土壤类型上进行了长期定位施肥试验研究，结果表明，长期施用无机肥，虽然可以显著增加土壤中硝态氮、铵态氮和碱解氮含量，但是破坏了土壤结构的稳定性，土壤容重增加，孔隙度降低，对土壤的酸度也有较大影响。有机无机配施可显著提高土壤有机质、全量养分及速效养分含量，增加土壤碳、氮储量，提升土壤基础地力，增加作物产量。目前，关于在褐土条件下长期定位施肥对土壤碳氮影响变化的研究报道相对较少。

本研究利用中国农业科学院寿阳旱地农业试验站25 a（1992—2016 年）的部分试验结果，对褐土条件下长期施肥对土壤有机质及氮动态变化的影响进行初探，以期为褐土类型区域合理化施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

长期施肥试验设在山西省寿阳县宗艾村国家旱作农业科技攻关试验区。试验区海拔1 130 m，年均温7.6 ℃，大于10 ℃积温3 400 ℃，无霜期135～140 d，多年平均降雨量501.1 mm，年际变率较大，干燥度1.3，属半湿润偏旱区。土壤为褐土性土，土层深厚，地势平坦，质地为轻壤。1992 年试验前耕层土壤基本理化性质如表1 所示。

表1 基础土样基本理化性质

1.2 试验材料

供试作物为玉米，1992—1995 年品种为烟单14 号，1996—2002 年品种为晋单34 号，2003—2011 年品种为强盛31 号，种植密度为5.20 万～5.25 万株/hm2；2012—2016 年品种为晋单81 号，种植密度为6.60 万株/hm2。

1.3 试验设计

有机肥无机肥配施长期定位试验从1992 年春开始，到2016 年历时25 a。试验采用氮、磷、有机肥三因素四水平正交设计，共18 个处理，小区面积为66.7 m2，无重复，随机排列。试验选取其中8 个处理，即不施肥（N0P0M0，CK）、4 个不同氮磷化肥配施处理（N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0）和3 个有机肥无机肥配施处理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）进行研究。试验所用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为普通过磷酸钙（P2O514%），不施钾肥，农家肥为腐熟厩肥（有机质90.5～127.3 g/kg、全氮3.93～4.97 g/kg、全磷1.37～1.46 g/kg、全钾14.1～34.3 g/kg），氮磷化肥和有机肥在作物播种前一次性撒施并耕翻入土。不同施肥处理施肥量如表2 所示。

表2 不同施肥处理施肥量 kg/hm2

田间管理按大田丰产要求进行，一年种植一季，4 月15—28 日播种，9 月20 日至10 月10 日收获。

1.4 测定项目及方法

玉米收获后，取小区的耕层（0～20 cm）土样进行土壤有机质、全氮、碱解氮含量的分析测定。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮、碱解氮分别用凯氏定氮法和碱解扩散法测定。

1.5 数据分析

试验数据经Microsoft Office Excel 2003 整理后，采用Minitab 15 软件进行单因素方差分析及相关分析。

2 结果与分析

2.1 长期定位施肥对褐土氮素含量的影响

2.1.1 长期定位施肥对褐土全氮含量的影响从图1 可以看出，不施肥处理土壤全氮呈逐年下降趋势，连续试验25 a 后全氮含量降为0.85 g/kg，较试验初下降了19%。长期施用氮磷化肥以及氮磷有机肥配施对耕层土壤全氮具有一定的影响，施用无机肥各处理较不施肥处理土壤全氮都具有一定的提高作用，但无显著性差异，且土壤全氮含量并没有随着施氮量的增加而增加。氮磷化肥配施有机肥（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）的3 个处理提高较为显著，分别比不施肥处理增加了44.7%，21.3%和74.5%，同时高于单施化肥各处理，说明有机无机肥配施可以显著提高土壤氮素含量。

2.1.2 长期定位施肥对褐土碱解氮含量的影响

从表3 可以看出，长期施用氮磷化肥处理的耕层土壤碱解氮含量有明显的提高，碱解氮含量随着氮肥施用量的增加而增加；当氮磷化肥与有机肥配施时效果更加显著，随着有机肥投入量的增加，其碱解氮含量也随之增加。各处理对耕层土壤碱解氮含量的影响由高到低依次为N3P2M3、N4P4M0、N3P3M0、N4P2M2、N2P1M1、N2P2M0、N1P1M0、N0P0M0。由此可见，长期施用氮磷有机肥处理有利于提高土壤碱解氮的供应能力，同时，施入有机肥后可以适量降低氮肥的投入量，以减少无机肥对农田环境的影响。

不施肥处理耕层土壤碱解氮含量2001—2011年一直处在71～73 mg/kg 这一相对稳定的范围内，主要是与作物产量较低导致作物吸收消耗较少和作物遗留在土壤中的残茬腐解量较少有关。从2012 年开始，试验处理增加了小区种植密度，土壤碱解氮含量有所下降，可能与作物吸收量增加有关，这还有待于在今后的研究中进行论证。

表3 长期定位施肥土壤（0～20 cm）碱解氮含量变化 mg/kg

2.2 长期定位施肥对土壤有机质含量的影响

由图2 可知，连续施肥25 a 后，不同施肥处理对耕层土壤的有机质含量具有不同的影响，各施肥处理较不施肥对照处理土壤有机质含量都有一定的提高，且随有机肥的施入，提高幅度也在增大，各处理有机质含量由高到低顺序为N3P2M3＞N4P2M2＞N1P1M0＞N2P1M1＞N2P2M0＞N4P4M0＞N3P3M0＞N0P0M0。其中，N3P2M3与N4P2M2处理明显高于其他处理，分别比不施肥对照处理增加了59.6%和38.1%，说明氮磷化肥配施有机肥可显著提高耕层土壤有机质含量，并随有机肥投入量的增加而增加。

3 结论与讨论

3.1 长期施肥对褐土氮变化的影响

大量研究表明，持续不施氮肥，土壤中全氮含量多数情况是下降的[7]，施用无机肥后耕层土壤中全氮含量没有随着投入氮素化肥量的增加表现出明显的增加，氮肥过量施用反而会降低土壤氮素利用效率[12]。施用有机肥或化肥有机肥配施，土壤全氮含量有明显增加[13]。赵聪等[14]研究结果显示，施用化肥处理土壤有效氮含量多数表现为增加，化肥与有机肥配施土壤有效氮含量增加幅度较大。

本研究结果表明，长期施用氮肥各处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机肥的3 个处理效果最为明显，均高于单施化肥各处理，与王丽等[15]24 a 定位试验得出的有机肥在提高土壤有机质和氮含量方面大大优于化学肥料结论相似；长期施用氮磷配合肥料处理耕层土壤碱解氮含量明显提高，且碱解氮含量随着氮肥施用量的增加而增加，当氮磷与有机肥配施时效果更加显著，有机肥投入量大的处理，碱解氮含量也随之增大。由此可见，长期施用氮磷有机肥有利于提高土壤碱解氮的供应能力。鉴于每季作物施氮180 kg/hm2大大增加了耕层土壤碱解氮含量，对长期施氮的环境风险问题还需进一步研究。