劉彥伶 李渝 張雅蓉 張文安+黃興成+蔣太明
摘要:依托國家黃壤肥力與肥效長期定位試驗,研究連續(xù)施肥18年后,不同施肥處理對西南黃壤性水稻土土壤質(zhì)地、容重、總孔隙度、陽離子交換量(CEC)、pH值、有機質(zhì)、氮、磷、鉀等土壤理化性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明,長期不施肥土壤容重、孔隙度、陽離子交換量與初始值無明顯差異,而土壤養(yǎng)分含量基本呈下降趨勢;長期單施化肥土壤容重比試驗初始值增加5.1%,土壤孔隙度降低2.1百分點,土壤物理性質(zhì)有變劣趨勢,土壤pH值也顯著低于其他處理,除土壤磷素養(yǎng)分明顯增加外,有機質(zhì)、氮、鉀等其他土壤養(yǎng)分基本呈下降趨勢;常規(guī)有機肥(M)、常規(guī)有機肥+常量氮磷鉀肥(MNPK)處理黏粒含量顯著降低且沙粒含量顯著提高,土壤質(zhì)地由黏土轉(zhuǎn)變成壤質(zhì)黏土,土壤容重比單施化肥處理分別降低15.9%、18.1%,土壤孔隙度顯著提高。長期施用有機肥可顯著提高土壤陽離子交換量(CEC)、pH值及其他土壤養(yǎng)分,與試驗初始值相比,MNPK處理土壤CEC、pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷分別提高9.9%、5.0%、29.6%、352%、52.6%;長期施用綠肥效果雖不如有機肥,但也可在一定程度上改善土壤理化性質(zhì);長期不同施肥處理土壤全鉀含量均比試驗初始值下降9.1%~19.5%,在實際生產(chǎn)中應重視鉀肥的施用。在西南黃壤性水稻土上化肥與有機物料配施尤其是與畜禽有機肥配施對改善土壤理化性質(zhì)效果最佳。
關(guān)鍵詞:黃壤性水稻土;長期施肥;土壤理化性質(zhì)
中圖分類號: S157. 4+1;S153 文獻標志碼: A 文章編號:1002-1302(2017)19-0294-05
收稿日期:2016-05-12
基金項目:貴州省科技計劃(編號:黔科合支撐[2017]2852);貴州省農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新專項(黔農(nóng)科院科技創(chuàng)新[2017]06號);國家自然科學基金(編號:41461069);貴州省科技廳省院聯(lián)合基金(編號:黔科合LH字[2015]7079號)。
作者簡介:劉彥伶(1989—),女,貴州安順人,碩士研究生,研究實習員,主要從事土壤養(yǎng)分研究。E-mail:lyl890615@163.com。
通信作者:蔣太明,博士,研究員,主要從事土壤養(yǎng)分和土壤水分研究。E-mail:jtm532@163.com。 施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物獲得高產(chǎn)的必要措施。目前,盲目施用化肥的現(xiàn)象仍普遍存在,不僅造成養(yǎng)分大量流失、肥料利用率低下,還造成土壤板結(jié)、酸化及嚴重的環(huán)境污染問題[1-2]。施用有機肥可改善土壤微生物環(huán)境,提高土壤肥力和肥料利用率,是作物增產(chǎn)和地力培肥的重要措施[3-4]。但有機肥肥效慢、養(yǎng)分含量低,短期內(nèi)難以滿足作物對養(yǎng)分的需求,因此需要與化學肥料配合施用,才能達到緩急相濟、互相補充及提高肥料肥效的目的[5-6]。土壤的物理性狀主要通過影響土壤水、氣、熱進而影響土壤肥力,而土壤化學性質(zhì)則是土壤肥力水平的重要體現(xiàn)。因此,土壤的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)彼此相互影響、關(guān)系密切,二者可綜合反映土壤的質(zhì)量水平[7]。長期定位施肥在研究土壤肥力演化、肥料效應、農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)以及施肥與環(huán)境關(guān)系等方面具有重要價值,因而關(guān)于長期施肥對土壤理化性質(zhì)的影響已成為研究的熱點。黃壤是中國南方山區(qū)的主要土壤類型之一,主要分布于貴州省、四川省以及云南省、廣西自治區(qū)等地。貴州省黃壤面積達7038萬hm2,占全國黃壤總面積的30.27%,其質(zhì)地黏重,土壤淋溶強,鹽基飽和度低且酸性較強,嚴重制約著農(nóng)作物產(chǎn)量的提高。目前,關(guān)于長期施肥對黃壤性水稻土理化性質(zhì)影響的研究較少,本研究以國家黃壤(水稻土)肥力與肥效長期定位試驗為依托,通過研究長期不同施肥種類條件下對土壤理化性質(zhì)的影響,以期為黃壤性水稻土合理施肥及農(nóng)田可持續(xù)生產(chǎn)提供理論和實踐指導。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
國家黃壤性水稻土肥力長期定位試驗區(qū)位于貴州省貴陽市小河區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學院內(nèi)(106°07′E,26°11′N),地處黔中黃壤丘陵區(qū),平均海拔1 071 m,年平均氣溫15.3 ℃,年降水量1 100~1 200 mm,年平均日照時數(shù)1 354 h,相對濕度 75.5%,全年無霜期270 d左右。定位試驗區(qū)的成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁巖風化物,試驗始于1995年,設(shè)置14個處理,本研究選取其中的5個處理,分別為:(1)不施肥(CK);(2)常量氮磷鉀肥(NPK);(3)常量有機肥(M);(4)常量有機肥+常量氮磷鉀肥(MNPK);(5)常量氮磷鉀肥+翻壓綠肥(GNPK)。試驗采用大區(qū)對比試驗,小區(qū)面積為 201 m2(35.7 m×5.6 m),不設(shè)重復。土壤基礎(chǔ)容重 1.165 g/cm3,陽離子交換量17.7 cmol/kg,pH值為6.75,有機質(zhì)含量 4490 g/kg,全氮含量1.96 g/kg,全磷含量 0.95 g/kg,全鉀含量16.4 g/kg,堿解氮含量158.9 mg/kg,有效磷含量 13.4 mg/kg,速效鉀含量293.7 mg/kg。
試驗用氮肥為尿素(含N 46%),磷肥為普鈣(含P2O5 16%),鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。常規(guī)用量為每年施N 330 kg/hm2、P2O5 165 kg/hm2、K2O 165 kg/hm2,有機肥年均用量122 222 kg/hm2,所施用有機肥為牛廄肥(多年平均養(yǎng)分含量為N 2.7 g/kg、P2O5 1.3 g/kg、K2O 6 g/kg),每年按照有機肥養(yǎng)分含量來調(diào)節(jié)化學氮肥施用量,除MNPK處理氮肥施用量不同外,其他施氮小區(qū)的氮素施用量相同。種植制度為一年一季水稻,翻壓綠肥小區(qū)于水稻收獲后種植綠肥(早熟苕子)。在水稻播種前按處理分別施用氮磷鉀肥或配施有機肥或翻壓綠肥作基肥,處理在水稻生長期追施2次尿素。種植的水稻品種為金麻粘(1993—1998年)、農(nóng)虎禾(1999—2001年)、香兩優(yōu)875(2007—2008年)、汕優(yōu)聯(lián)合2號(2009年)、茂優(yōu)601(2010—2012年),2002—2006年由于試驗基地灌溉設(shè)施損毀,無法滿足水稻種植條件,改種玉米。1995—2012年不同處理年均肥料施用量見表1。endprint
1.2 樣品采集與分析方法
2012年于水稻收獲后采集土壤樣品,將每個處理分3段采集耕層土壤樣品作為3個重復,采集方法按照隨機(每一個采樣點是任意決定的,按照梅花形布點采樣)、等量(每點采集土壤量一致)和多點混合(每段采集5個點的土樣混合)的原則進行。土壤容重采用環(huán)刀法,土壤機械組成采用吸管法。有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法;全氮測定采用半微量凱氏法;全磷測定采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法;全鉀測定采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法;堿解氮測定采用堿解擴散法;速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提法;速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法;陽離子交換量采用乙酸鈉-火焰光度法測定;pH值采用1 ∶2.5土水比進行測定。具體測定方法參考土壤農(nóng)化分析[8]。
1.3 統(tǒng)計與分析
數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析采用Excel 2007、IBM SPSS Statistics 20軟件進行,處理間差異性采用鄧肯新復極差法(Duncan)檢驗。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同施肥處理土壤質(zhì)地
不同施肥處理可顯著影響土壤機械組成,但是對不同粒徑土粒影響不同(圖1)。不同施肥處理主要影響土壤黏粒(<0.002 mm)、沙粒(2.00~0.02 mm)含量,對粉粒(0.02~0.002 mm)含量無顯著影響。與CK相比,NPK處理有提高土壤黏粒含量和降低土壤沙粒含量的趨勢,但處理間差異不顯著;M、MNPK處理黏粒含量無顯著差異,分別比CK降低7.5%、10.7%,沙粒含量分別提高17.5%、37.2%,MNPK處理沙粒含量顯著高于M處理;GNPK處理黏粒含量與CK、NPK處理間差異不顯著,均顯著低于M、MNPK處理,但沙粒含量比CK提高12.7%。根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標準,連續(xù)施肥18年后,CK、NPK、GNPK處理土壤質(zhì)地為黏土,M、MNPK處理對土壤質(zhì)地有明顯改善,土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土。
2.2 不同施肥處理土壤容重和總孔隙度
土壤緊實,容重大,孔隙度低,微生物活性差,土壤養(yǎng)分有效化程度低,不利于作物栽培,土壤容重和土壤空隙度是衡量土壤質(zhì)量的重要指標[9]。從圖2可以看出,經(jīng)過18年連續(xù)施肥土壤容重和土壤孔隙度發(fā)生了明顯變化,且不同施肥處理間差異顯著。與試驗初始容重1.17 g/cm3和孔隙度 55.8% 相比,第18年CK處理無明顯變化,NPK處理土壤容重增加5.1%,土壤孔隙度降低2.1百分點,M、MNPK、GNPK 3個處理土壤容重平均下降12.0%,土壤孔隙度平均提高52百分點。與CK、NPK處理相比,施用有機肥和綠肥的處理可顯著降低土壤容重,M、MNPK、GNPK處理降低幅度分別為100%、12.4%、 8.2%和15.9%、18.1%、14.2%。與土壤容
重相反,M、MNPK、GNPK 3個處理土壤孔隙度比CK、NPK處理顯著提高4.5、5.5、3.7百分點和7.3、8.3、65百分點。
2.3 不同施肥處理土壤陽離子交換量
陽離子交換量直接反映了土壤的保肥、供肥性能和緩沖能力,其值越大,說明土壤的保肥能力越強。不同施肥處理對陽離子交換量(CEC)有顯著影響,從圖3可以看出,CK與NPK、GNPK處理CEC差異不顯著,M與MNPK處理間CEC差異不顯著,但二者分別比NPK、GNPK處理CEC顯著提高14.3%、11.7%和19.2%、16.5%。與初始陽離子交換量 17.7 cmol/kg 相比,連續(xù)施肥18年后,M、MNPK處理CEC提高12.4%、9.9%,其他處理則無明顯變化。
2.4 不同施肥處理土壤pH值
從圖4可以看出,不同施肥處理土壤pH值有顯著差異,表現(xiàn)為M>MNPK、CK>GNPK>NPK,與單施化肥相比,施用有機肥和綠肥可顯著提高土壤pH值。與pH值初始值6.75相比,連續(xù)施肥18年后,除NPK處理土壤pH值無明顯變化外,CK、M、MNPK、GNPK處理比初始pH值分別提高5.5%、7.8%、5.0%、2.9%。
2.5 不同施肥處理土壤養(yǎng)分比較
從表2可以看出,不同施肥處理對土壤養(yǎng)分有不同影響。CK與NPK處理間有機質(zhì)、全氮含量差異不顯著,但2者均顯著低于施用有機肥和綠肥的處理;M、MNPK處理有機質(zhì)含量差異不顯著,但均顯著高于GNPK處理;MNPK處理土壤有機質(zhì)和全氮含量分別比NPK、GNPK處理提高53.6%、42.6%和41.7%、29.3%。與試驗初始值相比,連續(xù)施肥18年后CK、NPK、GNPK處理有機質(zhì)含量比初始含量分別下降15.8%、16.5%、10.0%,M、MNPK處理有機質(zhì)含量分別提高28.1%、29.6%,CK、NPK處理全氮含量差異不顯著,M和MNPK處理全氮含量比初始含量分別提高32.1%和35.2%。
不施肥處理土壤全磷含量顯著低于各施磷處理,分別比NPK、M、MNPK和GNPK處理低13.9%、18.4%、35.9%和19.8%。施磷處理中,NPK、M和GNPK處理間土壤全磷含量差異不顯著,但均分別顯著低于MNPK處理25.5%、21.4%和20.0%。與試驗初始值相比,經(jīng)過連續(xù)18年施肥,除CK處理略微下降外,其他各施磷處理土壤全磷含量都有大幅提高,提高幅度為13.7%~52.6%。除GNPK處理外,各施肥處理間土壤全鉀含量差異不明顯,其中以M處理最高,GNPK處理最低。與試驗初始值相比,各處理土壤全鉀含量均有所下降,下降幅度為9.1%~19.5%。
不同施肥處理對土壤速效養(yǎng)分有明顯影響。除CK土壤處理土壤有效磷顯著低于其他各處理外,土壤堿解氮、有效磷和速效鉀均表現(xiàn)為CK、NPK和GNPK處理較低,M和MNPK處理較高;與NPK處理相比,M和MNPK處理土壤堿解氮、有效磷、速效鉀分別提高42.9%、33.4%、74.2%和40.2%、119.5%、138.3%;與GNPK處理相比,MNPK處理土壤堿解氮、有效磷、速效鉀分別提高28.9%、159.2%、130.7%。與試驗初始值相比,經(jīng)過連續(xù)18年施肥:M和MNPK處理土壤堿解氮無明顯變化,CK、NPK和GNPK處理下降幅度為 26.3%~32.9%;除CK處理土壤有效磷下降35.1%外,其他各處理土壤有效磷均呈現(xiàn)出提高趨勢,增幅為11.0%~188.3%;CK、NPK和GNPK處理土壤速效鉀比初始值下降14.9%~27.4%,M和MNPK處理土壤速效鉀則提高26.6%和73.1%。endprint
2.6 土壤有機質(zhì)與其他養(yǎng)分及土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析
土壤有機質(zhì)含量是衡量土壤肥力高低的重要指標,它能促使土壤形成團粒結(jié)構(gòu),改善土壤物理、化學及生物學過程,提高土壤的吸收性能和緩沖性能。
同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。
隙度和沙粒含量呈極顯著正相關(guān),說明在黏重的黃壤上土壤有機質(zhì)含量的提高能顯著改善土壤物理狀況,降低土壤黏粒含量和增加沙粒含量,改善土壤質(zhì)地,降低土壤容重,增加土壤孔隙度,進而增加土壤透氣性,改善土壤水、肥、氣、熱狀況,促進作物生長。土壤有機質(zhì)與陽離子交換量、pH值及氮磷鉀養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性,說明土壤有機質(zhì)的提升,有利于土壤其他養(yǎng)分的提高。因此,在西南黃壤性水稻土地區(qū)土壤有機培肥對土壤理化性質(zhì)都有非常重要的意義。
3 討論與結(jié)論
3.1 不同施肥處理對土壤物理性質(zhì)的影響
經(jīng)過18年連續(xù)施用有機肥,M和MNPK處理土壤黏粒含量分別比CK顯著降低7.5%和10.7%,沙粒含量分別顯著提高17.5%和37.2%,土壤質(zhì)地向壤質(zhì)黏土轉(zhuǎn)變。土壤質(zhì)地的改善,也可改善其他土壤物理指標,本研究結(jié)果,連續(xù)施用有機肥18年后,土壤容重比初始值降低11.6%~13.8%,孔隙度增加5.2~6.2百分點,本結(jié)果與其他人的研究結(jié)果[3,10-11]相一致,原因除與土壤中有機物料增大土粒間孔隙外,還可能與有機質(zhì)可促進土壤微生物活性提高[12-14]及團聚性增強[15-16]有關(guān)。眾多研究[17-18]表明,施用綠肥可以有效降低土壤容重,本研究結(jié)果表明,西南黃壤性水稻土上長期施用綠肥處理雖比單施化肥處理對土壤物理性質(zhì)有一定的改善作用,但作用不明顯,表明在西南黃壤性水稻土上施用畜禽有機肥對土壤物理性狀的改善效果優(yōu)于施用綠肥的處理,不同地區(qū)應根據(jù)具體情況選擇相應的有機肥類型。
3.2 不同施肥處理對土壤陽離子交換量和pH值的影響
施用有機肥可顯著提高西南黃壤性水稻土陽離子交換量,比NPK和GNPK處理顯著提高11.7%~19.2%。與CK相比,長期施用有機肥處理可顯著提高土壤pH值,但長期單施化肥土壤酸化趨勢明顯,這與前人研究結(jié)果[19-21]相一致。其主要原因是增施有機肥能夠提高土壤緩沖容量[22],增強水稻土的酸緩沖能力,長期有機肥的投入可補充作物收獲而帶走的土壤鹽基離子,從而避免土壤堿性物質(zhì)的過度消耗[23]。
3.3 不同施肥處理對土壤養(yǎng)分的影響
本研究通過對土壤不同養(yǎng)分含量分析發(fā)現(xiàn),與不施肥相比,單施化肥除能明顯提高土壤磷素養(yǎng)分外,對其他土壤養(yǎng)分均無明顯增加作用,其原因是植物生長所需的養(yǎng)分,除來自于化肥外,還有部分來自于有機質(zhì)的分解,長期單施化肥且缺乏有機質(zhì)的輸入,很容易導致土壤有機質(zhì)分解加快以滿足作物的生長需求,從而使土壤養(yǎng)分比試驗前水平有所下降[24],而土壤對磷素有較強的吸附作用,施入土壤的磷素大多被土壤吸附固定[25],因而土壤磷素養(yǎng)分比不施肥和試驗前都有明顯提高。與NPK處理相比,施用有機肥可顯著提高土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷和有效磷含量。說明長期施用有機肥可增加土壤氮、磷養(yǎng)分容量和強度,尤其是有機肥配施化肥提高作用最明顯。本結(jié)論與相關(guān)研究結(jié)果[26-28]一致,原因是有機物料的施用增加了土壤有機碳庫,增強了微生物的活動,從而促進了土壤有機質(zhì)含量及氮、磷養(yǎng)分含量的提高[29-30]。施入綠肥也可明顯提高土壤有機質(zhì)、全氮和全磷含量,但提升效果小于施用有機肥的處理,原因可能是施入的綠肥與有機肥養(yǎng)分含量及物理性狀不一致,綠肥施入土壤后其土壤物理性質(zhì)及微生物對不同有機物料的響應不同。此外,研究結(jié)果顯示,雖然施用有機肥處理能顯著提高土壤速效鉀含量,但所有處理全鉀含量與試驗前相比下降9.1%~19.5%,說明土壤鉀素養(yǎng)分在不斷消耗,其原因是大多數(shù)作物鉀肥的當季回收利用率往往高于100%[31-32],很容易造成土壤鉀素耗竭,因此生產(chǎn)中應注意補充鉀肥。
3.4 結(jié)論
長期單施化肥除能提高土壤磷素養(yǎng)分外,對土壤物理性質(zhì)和其他養(yǎng)分無改善作用,甚至土壤物理性質(zhì)有變黏重的趨勢,土壤養(yǎng)分比試驗開始前明顯下降,土壤pH值明顯低于其他施肥處理。長期不施肥處理與單施化肥相比,除土壤磷素顯著降低外,其他養(yǎng)分含量并無明顯差異,但土壤物理性質(zhì)卻有所改善,如土壤容重明顯高于單施化肥處理。
長期施用有機肥可顯著降低土壤黏粒含量并提高土壤沙粒含量,使黃壤性水稻土由黏土向壤質(zhì)黏土轉(zhuǎn)變,土壤質(zhì)地明顯改善,土壤容重顯著降低,土壤總孔隙度顯著增加。土壤物理性質(zhì)的改善,有利于形成良好的水、肥、氣、熱狀況,土壤養(yǎng)分也隨之得到改善,長期施用有機肥可顯著提高西南黃壤性水稻土CEC、pH值及土壤各種養(yǎng)分含量,尤其以MNPK處理效果最佳。長期施用綠肥土壤pH值、有機質(zhì)及全氮、全磷含量也可明顯提高,但是對土壤物理性質(zhì)及速效養(yǎng)分無明顯提高作用。
土壤有機質(zhì)含量與土壤其他養(yǎng)分含量及其物理性質(zhì)大多都呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,表明西南黃壤性水稻土有機培肥對改善土壤理化性質(zhì)具有重要意義。綜合考慮土壤物理和化學性質(zhì),在西南黃壤性水稻土上增施有機物料尤其是畜禽有機肥培肥土壤效果最佳。
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