?不同施肥模式对油菜—棉花轮作产量及土壤养分的影响?

汤春纯 余乾 文炯 陈鸽 朱坚

摘 要：为了确保洞庭湖区油菜和棉花的经济效益，持续改善和提高区域土壤肥力，通过2015—2019年连续5 a定位监测，研究了油菜—棉花轮作模式下不同施肥处理对油菜和棉花的产量及土壤肥力状况的影响，旨在为区域经济作物合理施肥和耕地土壤可持续发展提供科学依据。结果表明：有机无机肥配施有利于提高油菜和棉花的产量，50%有机肥处理的油菜和棉花经济产量分别较纯化肥处理增加23.3%和24.3%;同时，有机无机肥配施有利于提高油菜—棉花模式的土壤养分水平，50%有机肥处理的土壤有机质、全氮、有效磷和有效钾分别较纯化肥处理增加42.1%、44.5%、5.7%和24.8%。

关键词：油菜—棉花轮作;施肥;产量;土壤肥力

中图分类号：S565.4文献标识码：A文章编号：1006-060X（2020）07-0036-05

Abstract： In order to ensure the economic profits of rapeseed and cotton production and improve soil nutrient conditions of rapeseed-cotton rotation pattern in the Dongting Lake area， the effects of different fertilization treatments on the yield and soil fertility under the rapeseed-cotton rotation mode were studied through a 5-year positioning monitoring from 2015 to 2019， aiming to provide a scientific basis for the rational fertilization of regional cash crops and the sustainable development of arable soil. The results showed that the combined application of organic and inorganic fertilizers was beneficial to the yield increases of rapeseed and cotton. Typically， the effect of 50% organic fertilizer was the best， which increased the economic yield of rapeseed and cotton by 23.3% and 24.3%， respectively. The combined application of organic and inorganic fertilizers also improved the soil nutrients under rapeseed-cotton rotation. Compared with chemical fertilizer， 50% organic fertilizer treatment increased soil organic matter， total nitrogen， available phosphorus， and available potassium by 42.1%， 44.5%， 5.7%， and 24.8%， respectively.

Key words： rapeseed-cotton rotation; fertilization; yield; soil fertility

土壤肥力是土壤質量的本质属性，是土壤质量核心的基础[1]，直接影响作物产量、品质以及农业生产的可持续性。不同施肥方式对土壤肥力影响显著，合理施肥不仅能够保证作物的经济产量，还能提高土壤肥力水平，确保土壤的可持续生产能力[2]。林诚等[3]研究表明，长期施肥，特别是长期采用有机无机肥配施可提高农田土壤有机质含量。而长期施用无机化肥，虽然能够在一定程度上保障作物产量，但长期施用会导致土壤板结、酸化，甚至出现肥力水平下降的情况，容易对耕地质量环境造成不可修复的负面影响[4-5]。油菜—棉花轮作是洞庭湖区的主要种植模式之一，因当地农民长期施肥不合理，区域内油菜和棉花的经济产量较其他区域低，耕地质量也呈现出不断下降的趋势。因此，笔者以洞庭湖区油菜—棉花轮作模式为对象，于2015—2019年连续5 a定位监测了不同施肥处理对油菜和棉花产量及土壤肥力状况的影响，以期为确保洞庭湖区油菜和棉花的经济效益，改善和提高土壤肥力，维持土壤持续生产力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验地位于农业农村部岳阳农业环境观测试验站（113°5′15″E，29°16′0″N）内，属于长江中游亚热带地区，气候温暖湿润，光照充足，雨量适宜，年平均气温17℃，年均降雨量1 400 mm，全年日照时数1 722～1 816 h。供试土壤为湖积物发育的水稻土，土壤基础理化指标：pH值5.7、有机质19.6 g/kg、全氮1.37 g/kg、碱解氮115 mg/kg、有效磷15.3 mg/kg和速效钾69 mg/kg。

1.2 试验设计

采用棉花—油菜轮作模式，油菜品种为湘油16号，棉花品种为湘杂棉3号。试验设习惯施肥（TF）、施纯化肥（NPK）、施30%有机肥（30%OM）、施50%有机肥（50%OM）和不施肥（CK）5个处理。习惯施肥处理为当地农民的习惯施肥用量，其他施肥处理均以养分总量相等施用为原则，各处理按照施纯化肥的量确定氮磷钾养分施用量，再按百分比折算成实物施用量，并保持各处理的氮素用量基本一致。各处理的养分施用量见表1。小区面积为6 m×7 m=42 m2，不设重复。试验从2015年开始连续5 a进行定位监测。

所用肥料种类为：有机肥选用菜籽饼，化肥用尿素（N含量46%）、钙镁磷肥（P2O5含量12%）和氯化钾（K2O含量60%）。施肥方法是：油菜移栽前，菜籽饼、钙镁磷肥、25%的尿素和50%的氯化钾作基肥施用，在整地时一同施入土壤，其余的肥料在蕾薹期对水浇施;棉花移栽时，菜籽饼、钙镁磷肥、25%的尿素和35%的氯化钾作基肥，在整地时埋施，其余部分作为花铃肥分期埋施。

1.3 取样和分析方法

每季作物成熟后每个处理单独收获，测定不同处理的经济产量。每年在第二季作物棉花收获后，采用多点混合取样方法，对每个小区0～20 cm耕层土壤进行取样，样品风干研磨后分别过10目和60目筛，测定土壤养分含量。土壤有机质含量用重铬酸钾容量法、全氮用凯氏法、碱解氮用扩散法、速效磷用Olsen法、速效钾用1 mol/L NH4OAC浸提火焰光度法测定。

1.4 数据处理方法

采用Excel 2007软件处理数据和作图。

2 结果与分析

2.1 土壤基础肥力及作物产量变化

2.1.1 不施肥处理（CK）的作物产量变化 连续不施肥的作物产量可反映土壤基础肥力情况。2015—2019年连续5 a的监测结果显示（图1），不施肥处理（CK）油菜的产量为375.0～750.0 kg/hm2，平均544.8 kg/hm2;棉花的产量为135.0～526.5 kg/hm2，平均340.8 kg/hm2。油菜的产量表现为先增加后降低的趋势，棉花的产量则表现为先降低后逐渐增加的趋势。整体而言，连续不施肥处理油菜和棉花的产量均有所降低。2019年油菜和棉花产量较2015年分别下降24.9%和9.1%，说明长期不施肥会导致土壤养分逐渐消耗，使作物产量下降。但是该试验结果并未表现出随栽培年限延长，产量逐年下降的趋势，可能原因是土壤接收了环境养分的补充[6]。

2.1.2 不同施肥处理的作物产量变化 不同施肥处理年际间产量见表2。各施肥处理油菜的产量为1 327.5～2 500.5 kg/hm2，其中TF、NPK、30%OM、50%OM各年的平均产量分别为1 592.9、1 644.3、1 934.4和2 027.4 kg/hm2，平均产量表现为50%OM>30%OM>NPK>TF>CK;各施肥处理棉花的产量为925.5～2 152.5 kg/hm2，其中TF、NPK、30%OM、50%OM各年的平均产量分别为1 192.5、1 190.1、1 410.9和1 479.0 kg/hm2，平均产量表现为50%OM>30%OM>NPK>TF>CK。50%OM处理无论是油菜还是棉花的产量均为最高，说明用有机肥替代50%的化肥养分对作物增产效果最好。

2.2 不同施肥处理土壤养分变化

2.2.1 土壤有机质含量变化 2015—2019年监测不同施肥处理土壤有机质含量变化结果如图2所示。从图2中可以看出，30% OM、50% OM和TF处理的有机质含量基本呈上升趋势，NPK处理的有机质含量是先略有上升再呈下降趋势，CK处理的有机质含量则是逐年下降。这表明不同施肥处理对土壤有机质含量有很大影响，其中有机无机肥配施可以显著提高土壤有机质含量，以50%OM处理的有机质含量增加幅度最大，从2015年的19.6 g/kg增加到2019年的28.0 g/kg，增加8.4 g/kg，增幅为42.9%;30%OM和TF处理的有机质含量分别增加3.4和1.5 g/kg，增幅分别为17.3%和7.7%。

进一步分析土壤有机质含量与不同施肥處理和施用年限的关系发现，30%OM和50%OM处理土壤的有机质含量与施用年限之间的关系呈直线相关关系。30%OM和50%OM处理的土壤有机质含量（y）与施用年限（x）的关系分别为：y=0.73x+19.45（R2=0.743 0）和y=1.94x+18.46（R2=0.941 7）。通过拟合公式方程斜率可知30%OM和50%OM处理土壤有机质平均增加量分别为0.73和1.94 g/kg，土壤有机质年增长幅度表现为随有机肥用量增加而增加。

2.2.2 土壤全氮含量变化 2015—2019年监测5 a不同施肥处理土壤全氮含量的变化结果见图3。土壤全氮含量的变化趋势与有机质较相似，表现为有机无机肥配施处理的土壤全氮含量逐年增加，施化肥和不施肥处理则表现为土壤全氮含量逐年下降趋势。其中，30%OM和50%OM处理的土壤全氮含量在5 a内分别增加0.18和0.48 g/kg，增幅分别为13.1%和35.0%;TF和NPK处理在2015—2017年略有上升，然后缓慢下降;CK处理基本呈下降趋势，从2015年的1.37 g/kg下降到2019年的1.07 g/kg。

30%OM和50%OM处理的土壤全氮含量与施用年限之间的关系也呈直线相关关系。30%OM和50%OM处理的土壤全氮含量（y）与施用年限（x）的关系分别为：y=0.038x+1.39（R2=0.522 8）和y=0.12x+1.27（R2=0.956 7）。30%OM和50%OM处理土壤全氮平均增加量分别为0.038和0.12 g/kg，土壤全氮年增长幅度也表现为随有机肥用量增加而增加。

2.2.3 土壤碱解氮含量变化 如图4所示，除CK外，各处理的土壤碱解氮含量均呈上升趋势，其含量依次为：NPK>50%OM>30%OM>TF。2015—2019年，CK处理的碱解氮含量下降了32 mg/kg。NPK处理的碱解氮含量2015—2018年的增长幅度都大于其余3个施肥处理，但2019年则呈下降趋势，而50% OM处理则缓慢上升，说明施用化肥能在短时间内增加土壤碱解氮的含量，但配施有机肥则能够持续增加土壤碱解氮含量。

30%OM和50%OM处理的土壤碱解氮含量与施用年限之间的关系也呈直线相关关系。30%OM和50%OM处理的土壤碱解氮含量（y）与施用年限（x）的关系分别为：y= 8.1x+105.6（R2=0.888 8）和y= 11.1x+101.4（R2=0.962 0）。30%OM和50%OM处理土壤碱解氮平均增加量分别为8.1和11.1 mg/kg，土壤碱解氮年增长幅度也表现为随有机肥用量增加而增加。

2.2.4 土壤有效磷含量变化 土壤有效磷的变化与磷素的投入量有密切关系（图5）。CK处理因不施肥导致土壤磷素亏损严重，有效磷含量是逐年下降，2015—2019年下降9.6 mg/kg，降幅达62.7%。NPK处理的有效磷含量在2015—2018年是持续上升，且增长趋势超过有机无机肥配施处理，但到2019年则快速下降。有机无机肥配施处理的土壤有效磷含量表现为逐年增加的趋势，说明增施有机磷对提高土壤有效磷有明显作用。

30%OM和50%OM处理的土壤有效磷含量与施用年限之间的关系也呈直线相关关系。30%OM和50%OM处理的土壤有效磷含量（y）与施用年限（x）的关系分别为：y= 4.18x+13.24（R2=0.860 3）和y= 7.05x+10.21（R2=0.865 3），土壤有效磷平均增加量分别为4.18和7.05 mg/kg，土壤有效磷年增长幅度同样表现为随有机肥用量增加而增加。

2.2.5 土壤速效钾含量变化 如图6所示，CK处理的速效钾含量由于长期不施肥而明显下降，2015—2019年下降了14.9 mg/kg，降幅为22.8%。施肥处理的速效钾含量都呈上升趋势，50%OM、30%OM、NPK和TF 4个处理的速效钾含量2019年较2015年分别增加18.0、14.8、10.9和9.0 mg/kg，增加量表现为50%OM>30%OM>NPK>TF。

30%OM和50%OM处理的土壤速效钾含量与施用年限之间的关系也同样呈直线相关关系。30%OM和50%OM处理的土壤速效钾含量（y）与施用年限（x）的关系分别为：y= 4.39x+63.99（R2=0.866 1）和y= 6.02x+61.64（R2=0.955 5），土壤速效钾平均增加量分别为4.39和6.02 mg/kg，土壤速效钾年增长幅度也同样表现为随有机肥用量增加而增加。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

土壤肥力是土壤的本质属性，表现为植物生长供应、协调营养条件和环境条件的能力[7]，土壤肥力与作物的高产、稳定和可持续生产密切相关[8-10]，施肥不合理可导致土壤肥力和作物产量降低[11]。土壤有机质水平是反映土壤肥力的一个重要指标，不同的施肥方式对土壤有机质的变化有明显影响;施肥可明显提高有机质含量，且施有机肥的效果更佳[12]。试验中，2015—2019年，不同处理的土壤有机质和全氮含量变化基本一致，表现为50%OM>30%OM>TF>NPK>CK;与不施肥（CK）相比，施肥处理均能显著提高土壤有机质和全氮含量，以50%OM和30%OM增幅最大。由此可见，有机无机肥配施处理对土壤全氮、有机质的影响明显优于施用纯化肥处理，有机肥的施入不仅提高了有机质的含量，还直接补充了土壤营养物质，有效且全面促进了作物生长[13-14]。温廷臣等[15]的研究也表明，与单施化肥相比，施用有机肥处理的土壤有机质、全氮均有显著增加。

在速效养分含量中，NPK处理的碱解氮和有效磷含量在2015—2018年持续上升，且增幅均超过有机无机肥配施处理，但2019年则快速下降。整体表现为有机无机肥配施能够持续增加土壤速效养分含量，对提高土壤肥力效果较单施化肥好。陈鸽等[16]的研究表明，施化肥在短時间内能较快速地增加土壤有效磷的含量，但随着试验年限的增加，其效果和化肥与有机肥配施之间的差距逐渐缩小并被赶超。沈浦[17]的研究也印证了在双季旱作下有机无机肥配施处理的有效磷增量大于单施化肥。另外，施有机肥能降低土壤对钾的吸附，可把土壤中难溶性钾活化为作物可利用钾，促进作物对钾的吸收和利用[18-19]，从而提高土壤中有效钾的含量。试验中以50%OM和30%OM处理的速效钾含量最高，这也验证了上述结果。

3.2 结 论

（1）不施肥会降低旱地经济作物产量和土壤有机质、全氮和速效养分含量，导致土壤肥力水平逐年下降。

（2）施肥对油菜—棉花轮作模式下的作物产量影响较大。习惯施肥（TF）由于施肥方式不合理，其产量较化肥合理施用（NPK）和有机无机肥配施（50%OM和30%OM）都低，以50%OM处理的作物产量最高。

（3）与施纯化肥（NPK）相比，有机无机肥配施均能在一定程度上提高土壤有机质、全氮和速效养分含量，改善旱地土壤肥力水平，其中以50%OM处理效果最好。

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（责任编辑：肖光辉）