張建軍，樊廷錄，趙 剛，黨 翼，王 磊，李尚中，程萬莉

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所/甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070)

化肥在保證西北黃土高原旱區(qū)糧食穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)方面發(fā)揮了巨大作用[1]，但由于化肥過量施用引起的肥料利用率低、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列社會(huì)問題不容忽視[2-3]。有機(jī)物料分解是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)形成和養(yǎng)分釋放意義重大[4-5]。合理利用有機(jī)肥資源是實(shí)現(xiàn)中國到2020年化肥施用量零增長目標(biāo)的重要途徑[6]。大量研究證明：有機(jī)物料在提供作物養(yǎng)分[7]、更新土壤有機(jī)質(zhì)[8-9]，增強(qiáng)土壤保水保肥能力[10]，特別是在改善土壤結(jié)構(gòu)和保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等方面具有化肥不可替代的作用[11-12]。

對(duì)于土壤瘠薄、干旱少雨的隴東黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，有機(jī)培肥是解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境問題的重大關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，為了減少化肥施用量，緩解化肥過量施用對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的污染，提出了以有機(jī)物料部分替代化肥的解決措施。中國的長期定位試驗(yàn)起步較晚，且大多數(shù)為耕作方式、有機(jī)無機(jī)肥配施及比例等模式，涉及有機(jī)肥的長期定位試驗(yàn)，特別是有機(jī)肥與化肥在等氮條件下，作物種植方式為同一種作物連作的長期定位試驗(yàn)甚少。本研究依托該區(qū)域始于2005年的不同有機(jī)物料替代部分化肥的長期定位試驗(yàn)， 通過對(duì)歷年連續(xù)養(yǎng)分資料的系統(tǒng)分析，揭示不同種類有機(jī)物料部分替代化肥后的土壤養(yǎng)分演變規(guī)律，探索實(shí)現(xiàn)西北黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)耕地質(zhì)量穩(wěn)步提升的化肥減施措施的可行性，為確保西北黃土旱塬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)糧食安全提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2005～2016年在甘肅省慶陽市鎮(zhèn)原縣(35°29′42″N，107°29′36″E)的農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與施肥科學(xué)觀測試驗(yàn)站進(jìn)行，土壤類型為發(fā)育良好的覆蓋黑壚土。該區(qū)年均降水量540 mm，年蒸發(fā)量1 532 mm，年均氣溫8.3℃，無霜期170 d，海拔1 279 m，為暖溫帶半濕潤偏旱大陸性季風(fēng)氣候，屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗(yàn)前(2005年)0～20 cm耕層土壤基本理化性狀見表1。

表1 2005年試驗(yàn)播種前0～20 cm土壤基本理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，為了有效控制因品種差異導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果誤差，種植方式采用同一冬小麥品種連作，小區(qū)面積24 m2(4 m×6 m)，3次重復(fù)。連續(xù)多年設(shè)1個(gè)不施肥處理(CK)和4個(gè)等量氮、磷養(yǎng)分處理(表2)，試驗(yàn)每年均施入氮、磷化肥和有機(jī)物料。氮肥為尿素(N 46%)，基肥∶追肥為7∶3，追肥于返青期施入；磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)，一次性基肥施入，不施鉀肥。根據(jù)不同有機(jī)肥的施用量及其含N、P2O5量，折算出施入有機(jī)肥料N、P2O5量，不足部分施用無機(jī)氮、磷肥補(bǔ)充，達(dá)到總氮、磷施用量相同。所有有機(jī)物料做基肥播前一次性施入。

供試品種為當(dāng)?shù)卮竺娣e推廣的自育冬小麥新品種“隴鑒301”，播量187.5 kg/hm2，播期為9月中下旬，收獲期為翌年6月下旬，各處理除肥料種類不同外，其它栽培管理措施相同。

表2 肥料種類及平均年用量 (kg/hm2)

1.3 觀測指標(biāo)及方法

1.3.1 土樣采集

2005～2016年每年冬小麥?zhǔn)斋@后，按照“S”形多點(diǎn)混合法采集試驗(yàn)地0～20 cm土層土壤，風(fēng)干、研磨過篩后用于土壤有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量的測定。

2016年冬小麥?zhǔn)斋@后，按照“S”形多點(diǎn)混合方法采集試驗(yàn)地0～100 cm土樣，每20 cm為一個(gè)采樣層，風(fēng)干、研磨過0.15 mm篩后用于土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀及堿解N、有效P含量測定。

1.3.2 測定方法

有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-外加熱法，全氮采用半微量凱氏法，全磷采用HClO4-H2SO4法，全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法，有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-比色法，速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法[13]。銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用德國生產(chǎn)的AA3型流動(dòng)注射分析儀測定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最小顯著極差法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同有機(jī)物料處理對(duì)土壤剖面養(yǎng)分含量的影響

圖1 不同施肥處理不同土層硝態(tài)氮含量變化

各處理0～100 cm土層銨態(tài)氮含量變化不盡相同(圖2)，除秸稈還田外，其余處理均在0～20 cm土層銨態(tài)氮含量最高，且均隨土層深度增加而逐漸降低，但降低幅度不同。相同土層銨態(tài)氮含量相比，不施肥的CK處理各土層銨態(tài)氮含量均最低，施肥處理在0～20和20～40 cm土層銨態(tài)氮含量高低基本一致，為農(nóng)家肥>生物肥料>秸稈還田>化肥。40～100 cm秸稈還田處理出現(xiàn)明顯波動(dòng)，表現(xiàn)為40～80 cm緩慢增加，80～100 cm急劇降低，其余施肥處理趨于穩(wěn)定。

圖2 不同施肥處理不同土層銨態(tài)氮含量變化

不同處理全氮含量隨土層深度增加而減少， 0～60 cm土層劇烈降低，60～100 cm土層趨于平緩(圖3)。與不施肥的CK處理相比，各施肥處理明顯提高了0～40 cm土層全氮含量，農(nóng)家肥和生物肥料處理增加幅度最為明顯，0～40 cm土層全氮平均含量較CK和化肥處理分別增加了138.6%、117.8%和133.9%、113.8%，而在100 cm土層內(nèi)，農(nóng)家肥和生物肥料較CK和化肥處理分別增加了27.2%、13.6%和16.5%、4.0%，即在施氮量相同的條件下，農(nóng)家肥和生物肥料提高土壤全氮的效果明顯優(yōu)于化學(xué)肥料。秸稈還田、化學(xué)肥料與不施肥的CK處理在0～100 cm土層全氮含量基本一致，秸稈還田和化學(xué)肥料較CK處理分別增加了4.7%和9.3%，而秸稈還田較化學(xué)肥料降低了4.1%。

圖3 不同施肥處理不同土層全氮含量變化

不同施肥處理全磷含量變化主要集中在0～20 cm土層(圖4)，為農(nóng)家肥>生物肥料>化學(xué)肥料>秸稈還田，其含量與CK相比，依次分別增加了68.0%、55.4%、38.8%、31.0%，40～100 cm土層全磷含量變化基本一致。在0～100 cm土層不施肥的CK處理全磷含量一直最低，農(nóng)家肥最高，生物肥料次之，二者依次分別較CK和化肥增加24.2%、6.8%和20.5%、3.7%，秸稈還田居第三位，其含量較CK增加13.7%。

圖4 不同施肥處理不同土層全磷含量變化

各施肥處理均能提高相應(yīng)土層的有機(jī)質(zhì)含量，在0～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于無肥CK處理(圖5)。從有機(jī)質(zhì)平均含量來看，其變化順序?yàn)檗r(nóng)家肥>生物肥料>化學(xué)肥料>秸稈還田，依次分別較CK提高了41.5%、22.4%、17.0%、11.3%，而秸稈還田較化肥處理有機(jī)質(zhì)含量降低了4.9%。

圖5 不同施肥處理不同土層有機(jī)質(zhì)含量變化

堿解氮含量在一定程度上可反映出土壤氮素的供應(yīng)強(qiáng)度。在0～100 cm土層，不同施肥處理隨土層深度增加，堿解氮含量逐漸降低(圖6)。從平均含量來看，其排序?yàn)樯锓柿?農(nóng)家肥>化學(xué)肥料>秸稈還田，依次分別較CK增加了13.4%、11.7%、4.5%、2.0%，而秸稈還田較化學(xué)肥料降低了2.4%。

圖6 不同施肥處理不同土層堿解氮含量變化

土壤中移動(dòng)性較小的磷與氮變化情況不同(圖7)。不同施肥處理對(duì)有效磷的影響主要集中在0～40 cm土層，以0～20 cm土層變化最為劇烈，為農(nóng)家肥>生物肥料>化學(xué)肥料>秸稈還田，且隨土層深度的增加，各施肥處理有效磷含量均呈明顯下降趨勢(shì)，60～100 cm變化與CK趨于一致。其中0～20 cm土層，農(nóng)家肥、生物肥料、化學(xué)肥料、秸稈還田與CK相比，依次分別增加了332.2%、281.9%、252.8%、164.6%，秸稈還田較化學(xué)肥料降低了25.0%；而0～40 cm土層，依次分別增加了327.9%、248.1%、214.3%、135.2%，秸稈還田較化學(xué)肥料降低了25.2%。

圖7 不同施肥處理不同土層有效磷含量變化

2.2 長期不同有機(jī)物料處理對(duì)表層土壤養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 有機(jī)質(zhì)含量

從11年的土壤有機(jī)質(zhì)平均含量(表3)來看，不同施肥方式有機(jī)質(zhì)含量差異顯著。CK處理由于長期不施用任何肥料，11年間總體呈下降趨勢(shì)，低于試驗(yàn)前4.9%，這也說明長期不施肥會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降。相比于CK和播前，各施肥處理有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度增加，其變化順序?yàn)樯锓柿?農(nóng)家肥>化學(xué)肥料>秸稈還田。生物肥料、秸稈還田、農(nóng)家肥、化學(xué)肥料依次分別較播前年均增加1.60、1.12、0.28、0.25 g/kg，較CK年均增加2.22、1.74、0.90、0.87 g/kg，以生物肥料年均增量最多，其次為農(nóng)家肥，秸稈還田與化學(xué)肥料處理接近。可見，施用生物肥料在提高土壤有機(jī)質(zhì)含量方面作用巨大。

2.2.2 全氮和堿解氮含量

各施肥處理全氮、堿解氮平均含量與CK差異顯著，CK由于長期未施用任何肥料，全氮和堿解氮分別低于試驗(yàn)前11.22%和15.53%，說明長期不施肥會(huì)導(dǎo)致土壤氮素嚴(yán)重缺乏。經(jīng)過11年連續(xù)施肥，相比于CK，生物肥料、秸稈還田、農(nóng)家肥、化學(xué)肥料全氮較CK分別增加了11.49%、10.34%、14.94%、9.20%，較播前除農(nóng)家肥處理的全氮平均含量有2.04%的增加外，生物肥料、秸稈還田、化學(xué)肥料分別降低了1.02%、2.04%、3.06%。堿解氮除生物有機(jī)肥處理與CK差異顯著外，其余各處理與CK差異不顯著。與CK相比，施肥提高了堿解氮含量，生物肥料、秸稈還田、農(nóng)家肥、化學(xué)肥料分別較CK增加了14.94%、9.24%、10.87%、6.14%，與播前相比，各施肥處理堿解氮含量均有不同程度降低，依次較播前分別降低了2.92%、7.73%、6.35%、10.34%。

2.2.3 全磷和有效磷含量

各施肥處理全磷和有效磷含量與CK差異顯著，且全磷和有效磷平均含量均高于播前和CK，說明長期施肥可逐步提高土壤磷含量。各施肥處理以生物肥料全磷和有效磷平均含量最高，分別較播前和CK提高了8.82%、15.62%和140.28%、143.25%， 年均增幅分別為0.005 g/kg、1.358 mg/kg和0.009 g/kg、1.37 mg/kg，原因是有機(jī)肥本身含有一定數(shù)量的磷，且易于釋放，可有效提高土壤磷含量。

2.2.4 全鉀和速效鉀含量

全鉀各施肥處理間差異不顯著，均低于播前，生物肥料、秸稈還田、農(nóng)家肥、化學(xué)肥料分別減少了26.7%、27.7%、26.7%、29.4%。速效鉀含量施有機(jī)肥處理與CK和化肥配施處理差異顯著，均高于播前和CK，其中生物肥料和農(nóng)家肥較CK和播前分別提高了36.33%、41.58%和37.92%、43.24%，年均增幅為4.05、4.63 mg/kg和4.18、4.64 mg/kg。

表3 不同肥料處理表層土壤平均養(yǎng)分含量變化(2005～2016年)

注：同一列中不同小寫字母表示不同處理在P<0.05水平之差異顯著。

3 討論

3.1 長期施肥對(duì)土壤剖面養(yǎng)分含量的影響

關(guān)于長期施肥對(duì)旱地土壤硝態(tài)氮含量的影響，已有研究結(jié)論存在分歧。Stumborg C等[14]和Tong Y A等[15]認(rèn)為在旱地土壤上長期大量施用有機(jī)肥會(huì)導(dǎo)致硝酸鹽在不同層次土壤的過量累積。劉敏超等[16]認(rèn)為，過多而不合理的氮肥投入會(huì)導(dǎo)致硝態(tài)氮在土壤剖面中的大量累積。而楊生茂等[17]認(rèn)為，化肥有機(jī)肥配施能顯著降低土壤剖面的硝態(tài)氮含量。本研究結(jié)果顯示，在等氮量條件下，施用有機(jī)肥增加了硝態(tài)氮在0～60 cm土層的積累量，0～20 cm土層表現(xiàn)尤為突出，且在0～60 cm隨土層深度增加，硝態(tài)氮含量呈降低趨勢(shì)，60～100 cm硝態(tài)氮含量趨于穩(wěn)定。肥料類型間以農(nóng)家肥最為突出，其次為生物肥料，第三是秸稈還田，三者硝態(tài)氮累積量均高于氮磷化肥配施。

本研究結(jié)果還顯示：隨土層深度增加，土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷全量及堿解N、有效P含量呈逐漸降低趨勢(shì)，0～20 cm土層為土壤有機(jī)質(zhì)、全量及堿解N、有效P含量的富集區(qū)。而秸稈還田土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷全量及堿解N、有效P含量接近或低于氮磷化肥配施。

3.2 長期施肥對(duì)表層土壤養(yǎng)分含量的影響

長期施肥對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響因作物、肥料、土壤類型的不同而存在明顯差異[18]。已有研究表明，施用有機(jī)肥能顯著提高土壤養(yǎng)分全量及速效養(yǎng)分含量[7,19-20]。崔文華等[21]認(rèn)為應(yīng)通過施用有機(jī)肥來提高土壤堿解氮含量。張夫道[22]在一些長期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施有機(jī)肥料區(qū)土壤含氮量均高于化肥和無肥區(qū)。本研究結(jié)果顯示：經(jīng)過連續(xù)11年施肥至2016年冬小麥?zhǔn)斋@，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量均發(fā)生顯著變化。相比于播前，不施肥的CK除速效鉀外，其余養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為明顯降低，而施肥處理有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷、速效鉀含量均表現(xiàn)為增加，全氮除農(nóng)家肥增加外，其余處理均降低。全鉀、堿解氮各施肥處理均降低，但各施肥處理間全鉀含量差異不顯著。不施肥的CK較各有機(jī)肥處理有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量顯著下降。通常認(rèn)為，長期單施化肥，土壤有機(jī)質(zhì)基本能保持平衡[18,23]。本研究結(jié)果顯示：長期不施肥和氮磷化肥配施有機(jī)質(zhì)含量出現(xiàn)微弱上升，沒有顯著變化，再次佐證了上述觀點(diǎn)。原因是在當(dāng)前化肥高投入條件下，冬小麥產(chǎn)量持續(xù)增加，根系凋落物等大量殘留土壤所致。長期施用有機(jī)肥或化肥有機(jī)肥配施，可顯著提高有機(jī)質(zhì)含量[24-25]。本研究結(jié)果顯示：有機(jī)物料配施氮磷化肥有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生顯著變化，生物肥料、秸稈還田、農(nóng)家肥較CK增幅分別為18.39%、7.20%、14.42%，較試驗(yàn)前增幅為12.61%、1.97%、8.83%。秸稈還田與試驗(yàn)前相比，土壤有機(jī)質(zhì)基本維持在同一個(gè)水平，原因是秸稈還田土壤有機(jī)質(zhì)的積累與秸稈施用量、施用時(shí)間及其礦化、腐殖化過程有關(guān)，還受當(dāng)?shù)貧夂?、土壤條件的影響。但為了有效解決小麥秸稈焚燒引起的大氣污染問題，秸稈入土還田成為一項(xiàng)必不可少的手段，至于采用何種方式還田，還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

4.1 在年降水量540 mm左右的隴東半濕潤偏旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，在等氮量條件下，長期施用有機(jī)肥增加了硝態(tài)氮在0～60 cm土層的累積，突出表現(xiàn)在0～20 cm土層，且隨土層深度增加而降低；0～20 cm土層為有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K養(yǎng)分富集區(qū)，隨土層深度增加其含量降低。肥料間硝態(tài)氮累積量排序?yàn)檗r(nóng)家肥>生物肥料>秸稈還田>化學(xué)肥料。

4.2 經(jīng)過連續(xù)11年施肥，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量均發(fā)生顯著變化。平均養(yǎng)分含量無肥對(duì)照較各施肥區(qū)有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量顯著下降，而施肥區(qū)較試驗(yàn)前有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷、速效鉀均表現(xiàn)為增加，全鉀、堿解氮均降低。

4.3 施用有機(jī)物料可顯著增加有機(jī)質(zhì)含量。生物有機(jī)肥、秸稈還田、農(nóng)家肥較試驗(yàn)前分別增加了12.61%、1.97%、8.83%，顯著高于氮磷化肥配施。因此，化肥有機(jī)肥配施，兼顧鉀肥的施肥措施是隴東半濕潤偏旱區(qū)冬小麥田首選施肥技術(shù)。

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