長期施肥下不同肥力紫色水稻土氮磷活化能力

樊紅柱，秦魚生，郭 松，陳慶瑞

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，四川 成都 610066）

【研究意義】水稻是我國三大糧食作物之一，全國60%以上的人口以稻米為主食，持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展水稻生產(chǎn)對保障國家糧食安全起著重要作用［1-2］。土壤是水稻賴以生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，受土壤自身性質(zhì)及人為不合理墾殖的影響，我國稻田土壤存在肥力差異大、肥料利用率低、水稻產(chǎn)量不穩(wěn)等問題［3-4］，從而嚴重制約水稻生產(chǎn)潛力的發(fā)揮，因此提升稻田土壤質(zhì)量對水稻可持續(xù)發(fā)展意義重大?！厩叭搜芯窟M展】水稻生產(chǎn)中合理施肥可以在很大程度上改善土壤肥力狀況和作物產(chǎn)量。我國東北稻區(qū)試驗表明，控釋氮肥側(cè)條施用減少了氮素淋溶、延遲了氮濃度峰值出現(xiàn)時間，在確保水稻不減產(chǎn)條件下，施用控釋肥比常規(guī)氮肥用量減少10%～20%，氮肥表觀利用率提高5.23%，氮肥農(nóng)學(xué)效率提高6.48 kg/kg［5］。我國長江中下游稻區(qū)紅壤性水稻土不施肥土壤有效磷年下降速率為0.35 mg/kg，單施化學(xué)磷肥和化學(xué)磷肥配施有機肥土壤有效磷年增加速率分別為0.83、1.48 mg/kg，且后者處理比單施化肥或單施有機肥能夠顯著提高土壤有效磷、全磷和磷素活化效率［6］。紅壤性稻田冬季種植綠肥能顯著提高土壤抗物理退化、土壤養(yǎng)分供應(yīng)和貯藏、抗生物化學(xué)退化和保持作物生產(chǎn)力的功能，且不同綠肥品種對土壤培肥效果不同［7］。長期非均衡的PK、NP、NK 施肥導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化，土壤缺磷和缺鉀限制了水稻生產(chǎn)力；長期施用石灰對水稻土質(zhì)量的提升效果不明顯，氮磷鉀化肥配施有機肥是提升南方紅壤性水稻土質(zhì)量的最佳措施［8］。胡誠等［9］研究發(fā)現(xiàn)，化肥配合有機肥施用能夠顯著提高稻谷產(chǎn)量，且大大提高黃棕壤性水稻土耕層有效磷含量，但對其它土層影響不明顯，同時提高0～40 cm 土層速效鉀含量。樊紅柱等［10］基于我國西南稻區(qū)紫色水稻土長期試驗研究指出，不施磷肥，土壤磷素常年處于虧缺狀態(tài)，施磷則呈現(xiàn)盈余，且有機無機磷肥配施，磷盈余量大于單施有機肥或單施無機磷肥；單施無機磷肥、有機磷肥和有機無機磷肥配施，土壤有效磷含量年增加量分別為1.13、0.032、1.17 mg/kg；施用無機磷肥土壤磷素可遷移至60～80 cm 土層，施用有機磷肥或有機無機磷肥配施，土壤磷素可遷移至100 cm以下，隨著磷肥施用年限持續(xù)，土壤磷素遷移深度和遷移量將會更大［11］。黃繼川等［12］對我國華南稻區(qū)水稻土質(zhì)量進行評價，發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷均呈上升趨勢，而土壤有效鉀含量呈下降趨勢，建議在水稻生產(chǎn)中重視有機肥的投入，尤其要注重鉀肥的施用比例。廣西赤紅壤稻田連續(xù)施肥10 年，土壤有機質(zhì)含量年均增加0.25 g/kg，全氮含量年均增加0.035 g/kg，不施化學(xué)磷肥，土壤全磷和有效磷含量基本穩(wěn)定，施用化學(xué)磷肥，土壤全磷和有效磷含量呈逐年增加趨勢，不施化學(xué)鉀肥，土壤全鉀含量基本保持不變，而速效鉀含量呈現(xiàn)下降趨勢，在施用有機肥基礎(chǔ)上增施氮磷鉀化肥是不斷培肥土壤的有效措施之一［13］。【本研究切入點】各種類型土壤的質(zhì)量提升對施肥的響應(yīng)程度不同，引起土壤養(yǎng)分庫容和活化能力也不同。紫色水稻土是我國西南稻區(qū)重要的一種土壤資源，目前對不同肥力紫色水稻土養(yǎng)分演變特征及其氮磷活化能力的差異研究鮮有報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以紫色水稻土36 年肥料定位試驗為平臺，研究不同肥力稻田土壤氮磷養(yǎng)分及其活化能力的時間演變特征，明確土壤pH、有機碳與氮磷活化度的量化關(guān)系，為該區(qū)稻田土壤培肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

長期肥料定位試驗位于四川省遂寧市船山區(qū)四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所野外試驗站內(nèi)（30°34′25.46′′N、105°37′25.63′E），該區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫17.4℃，年降雨量930 mm，無霜期約337 d，年日照時數(shù)1 227 h。供試土壤為鈣質(zhì)紫色水稻土，為侏羅系遂寧組砂頁巖母質(zhì)發(fā)育的紅棕紫泥田，土壤質(zhì)地為粘土。長期試驗從1982 年開始，初始時耕層土壤基本性質(zhì)為：pH 8.6，有機質(zhì)含量15.9 g/kg，全氮（N）、全磷（P）、全鉀（K）含量分別為1.09、0.60、22.32 g/kg，速效氮（N）、有效磷（P2O5）、速效鉀（K2O）含量分別為66、3.9、108 mg/kg，該土壤鉀素豐富、磷素不足。

1.2 試驗方法

試驗設(shè)低肥力田塊（LF，不施任何肥料）、中肥力田塊（MF，氮磷鉀平衡施肥）、高肥力田塊（HF，氮磷鉀配施有機肥）3 個處理，每個處理3 次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積13.4 m2，各小區(qū)間用離地面20 cm 高的水泥板隔開。種植方式為水稻—小麥一年兩熟模式。水稻和小麥品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N。MF 處理肥料用量分別為N 240 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2和K2O 120 kg/hm2，HF 處理在MF 處理基礎(chǔ)上增施新鮮豬糞（含水率約83%，干物質(zhì)含C 388 g/kg、N 26.6 g/kg、P2O521.2 g/kg、K2O 6.6 g/kg）30 000 kg/hm2。水稻季和小麥施肥量相同，為上述施肥量的一半；所有磷肥和有機肥作基肥施用，其中水稻季60%氮肥、50%鉀肥作基肥，剩余肥料作分蘗肥施用；小麥季30%氮肥、50%鉀肥作基肥，其余肥料作拔節(jié)肥施用；肥料種類為尿素、磷酸二銨、氯化鉀及新鮮豬糞。試驗小區(qū)田間管理措施同普通大田。

1.3 樣品測定與分析

水稻收獲后的10～11月采集每個處理0～20 cm混合土壤樣品，室內(nèi)風(fēng)干，磨細過篩，裝瓶保存待分析。土壤樣品養(yǎng)分含量采用常規(guī)方法測定［14］：pH 采用pH 計法，有機碳含量測定采用K2CrO7-H2SO4氧化法，全氮含量測定采用半微量開氏法，全磷和全鉀含量測定采用NaOH 熔融法，堿解氮含量測定采用擴散法，有效磷含量測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀含量測定采用NH4OAc 浸提-火焰光度計法。受土壤保存能力和經(jīng)費的限制，本研究中歷年的土壤氮磷含量數(shù)據(jù)存在部分缺失，因此土壤氮磷的演變圖中試驗?zāi)晗迿M坐標存在差別。土壤磷活化度用有效磷含量占全磷含量的百分數(shù)表示［6,15］，同理計算氮活化度。

采用Excel 2010 和DPS 統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)整理和分析，利用線性方程擬合土壤氮磷及其活化度與施肥時間的關(guān)系以及pH、有機碳與氮磷活化度的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥力處理水稻和小麥產(chǎn)量變化

由圖1 可知，不同肥力處理水稻和小麥產(chǎn)量差異較大。隨試驗?zāi)晗扪永m(xù)，LF 土壤水稻產(chǎn)量呈緩慢增加趨勢，年水稻產(chǎn)量增加36.12 kg/hm2，而MF 和HF 土壤水稻產(chǎn)量則降低，年水稻產(chǎn)量分別下降4.58、4.33 kg/hm2；但MF 和HF土壤多年水稻平均產(chǎn)量分別為7 100、7 461 kg/hm2，比LF 土壤（水稻產(chǎn)量3 065 kg/hm2）分別提高131.64%、143.43%。試驗?zāi)晗扪娱L對不同處理小麥產(chǎn)量的影響規(guī)律與水稻相似；MF 和HF 土壤多年小麥平均產(chǎn)量為3 224、3 349 kg/hm2，比LF 土壤（小麥產(chǎn)量1 222 kg/hm2）分別增加163.83%、174.06%，可見，培肥土壤有利于作物增產(chǎn)。

圖1 不同肥力處理水稻和小麥產(chǎn)量動態(tài)變化Fig.1 Dynamic change of rice and wheat yields under different fertility conditions

2.2 不同肥力土壤全氮和堿解氮的時間演變

由圖2 可知，不同肥力稻田土壤全氮含量對施肥時間的響應(yīng)存在一定差異。連續(xù)施肥36 年，低肥力（LF）稻田土壤全氮含量隨施肥時間的延續(xù)呈增加趨勢，但沒有達到顯著差異，說明不施肥沒有顯著改善土壤中全氮含量，所以低肥力稻田土壤全氮含量基本保持穩(wěn)定；而中肥力（MF）和高肥力（HF）稻田土壤全氮含量隨施肥時間的延長表現(xiàn)出極顯著增加趨勢。3 種肥力稻田土壤全氮含量年增加量分別為0.0055、0.0142、0.0170 g/kg。當(dāng)施肥36 年時，3 種肥力稻田土壤全氮含量分別為1.25、1.48、1.58 g/kg，其中MF、HF 處理比LF 處理增加18.4%、26.4%；比試驗開始時土壤全氮（1.09 g/kg）分別提高14.68%、35.78%和44.95%。說明MF 和HF 處理稻田比LF 處理稻田具有更高的全氮含量。

圖2 不同肥力土壤全氮含量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of total N (TN) contents under different fertility soils

不同肥力稻田土壤堿解氮含量對施肥時期的響應(yīng)特征明顯與全氮不同（圖3）。LF、MF和HF 土壤中堿解氮含量均表現(xiàn)出隨施肥年限的延續(xù)呈極顯著增加的趨勢。連續(xù)施肥36 年，3 種不同肥力水平稻田土壤堿解氮含量分別為74.66、91.08、106.15 mg/kg，分別比試驗開始時土壤堿解氮（66.30 mg/kg）增加12.61%、37.38%和60.11%，且HF 土壤堿解氮含量最高，分別比LF、MF 土壤提高42.18%、16.55%。3種肥力稻田土壤堿解氮含量年增加量分別為0.3983、1.0456、1.3182 mg/kg。當(dāng)土壤中氮素含量足夠高時，繼續(xù)施用氮肥土壤中堿解氮含量幾乎不再增加，年施N 240 kg/hm2時紫色水稻土連續(xù)施肥13年土壤中含有足夠的氮素，此后MF 和HF 稻田土壤堿解氮含量平均為102.69、110.30 mg/kg。

圖3 不同肥力土壤堿解氮含量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of available N (AN) contents under different fertility soils

2.3 不同肥力土壤全磷和有效磷的時間演變

由圖4 可知，不同肥力稻田土壤全磷隨施肥時期呈現(xiàn)不同的演變趨勢。LF 稻田土壤全磷含量隨施肥時間的變化基本穩(wěn)定，而MF 或HF 稻田土壤全磷含量隨施肥年限的延續(xù)均呈極顯著增加趨勢。LF、MF、HF 3 種肥力土壤全磷含量年變化量分別為0.0008、0.0171、0.018 g/kg，MF 和HF 稻田土壤全磷含量年變化量比較接近，且兩者約為LF 稻田的20 多倍。連續(xù)施肥36 年，LF、MF、HF 稻田土壤全磷含量分別為0.55、1.25 和1.33 g/kg，HF 稻田土壤全磷含量分別比LF、MF稻田土壤增加141.82%、6.40%；與試驗開始土壤全磷含量（0.59 g/kg）相比，LF 稻田土壤全磷含量降低6.78%，而MF 和HF 稻田土壤全磷含量分別提高111.87%和125.42%。說明MF 和HF 稻田比LF 稻田具有更高的全磷含量。

圖4 不同肥力土壤全磷含量動態(tài)變化Fig.4 Dynamic change of total P (TP) contents under different fertility soils

不同肥力稻田土壤有效磷含量的時間變化趨勢呈現(xiàn)明顯差異（圖5）。LF 稻田土壤有效磷含量隨施肥時間呈直線下降趨勢，擬合方程為y=-0.0328x+5.441，土壤有效磷含量年下 降0.0328 mg/kg；MF 和HF 稻田土壤有效磷含量均隨施肥時間呈極顯著增加趨勢，擬合方程為y=2.0491x-6.6182和y=1.8511x-1.4715，有效磷含量年增加量分別為2.0491、1.8511 mg/kg。連續(xù)施肥9 年，MF 和HF稻田土壤有效磷含量不同年份間差異較小，平均含量分別為6.50、8.47 mg/kg，9 年后兩個處理不同年份間土壤有效磷含量差異較小，平均值分別為48.60、49.85 mg/kg，說明連續(xù)施肥9 年紫色水稻土有效磷含量已足夠高，繼續(xù)施肥土壤中有效磷含量增加較小。經(jīng)過36 年種植，LF、MF、HF 3 種肥力土壤有效磷含量分別為2.85、93.38、82.13 mg/kg，MF 和HF 處理比LF處理增加3176.49% 和2781.75%，LF、MF、HF 處理較試驗開始時土壤有效磷含量（3.90 mg/kg）增加-26.92%、2294.36%和2005.90%。表明MF 和HF 稻田土壤有效磷含量遠遠高于LF 稻田，存在磷素環(huán)境風(fēng)險。

圖5 不同肥力土壤有效磷含量動態(tài)變化Fig.5 Dynamic change of available P (AP) contents under different fertility soils

2.4 不同肥力土壤氮、磷活化度的時間演變

從圖6 可以看出，不同肥力紫色水稻土氮素活化度均隨試驗時間的延長呈升高趨勢，但差異均沒有達到顯著水平，氮素活化度年變化速率在0.002%～0.0139%，說明不同肥力稻田施肥年限對土壤中氮素活化能力影響較小。LF、MF、HF 稻田多年平均氮素活化度分別為6.46%、7.01%和7.14%，前者明顯低于后兩者，但后兩者差異不顯著；比試驗開始時的氮素活化度（6.08%）分別提高6.25%、15.30% 和17.43%，表明MF 和HF 處理能夠明顯提高土壤氮素活化度。土壤磷素活化度隨時間變化規(guī)律與氮素活化度的結(jié)果不同。連續(xù)施肥36 年，不施磷肥的LF 土壤磷素活化度基本保持不變，但略有下降趨勢。施用磷肥的MF 和HF 土壤磷素活化度隨施肥年限延長呈現(xiàn)出極顯著增加的趨勢，磷素活化度年增加速率分別為0.1699%、0.1460%。連續(xù)施肥36 年，LF、MF 和HF 土壤磷素活化度分別為0.73%、3.85%和3.86%，后兩者差異不大但明顯高于前者，分別比試驗開始時的活化度（0.66%）提高10.61%、483.33%和484.85%。說明施用磷肥顯著增加土壤磷素活化能力。

圖6 不同肥力土壤氮、磷活化度動態(tài)變化Fig.6 Dynamic change of N and P activation coefficients under different fertility soils

2.5 土壤氮磷活化度與pH、有機碳的量化關(guān)系

由圖7 可知，紫色水稻土氮磷活化度與土壤pH、有機碳含量的相互關(guān)系存在較大差異，氮素活化度與pH、有機碳含量差異均沒有達到顯著水平，說明改變土壤pH 和有機碳含量不能提高或降低土壤氮素活化能力。然而，土壤磷素活化度則隨著pH 值的增加呈極顯著降低變化，而隨土壤有機碳含量的增加而呈極顯著增加的趨勢，二者負相關(guān)關(guān)系線性擬合方程為：y=-6.64281x+56.28（R2=0.342，P＜0.01），二者正相關(guān)關(guān)系方程為：y=1.3512x-10.926（R2=0.626，P＜0.01）。表明降低土壤pH 或增加有機碳含量可顯著提高紫色水稻土磷素活化能力，從而有效保障土壤的磷素供給水平以及滿足作物吸磷需求。

圖7 土壤pH、有機碳與氮磷活化度的相互關(guān)系Fig.7 Relationship between pH,soil organic carbon (SOC) and activation coefficients of N and P

3 討論

水旱輪作是我國長江中上游主要的耕作模式，由于土壤肥力的差異和不合理施肥管理，造成該區(qū)農(nóng)田產(chǎn)能不穩(wěn)定，本研究發(fā)現(xiàn)中肥力和高肥力土壤產(chǎn)能差異不大，水稻產(chǎn)量在7 100～7 461 kg/hm2、小麥產(chǎn)量在3 224～3 349 kg/hm2范圍變化，依次分別比低肥力土壤水稻產(chǎn)量增加131.64%～143.43%、小麥產(chǎn)量提高163.83%～174.06%，說明培肥土壤有利于增加作物產(chǎn)量，這與陳軒敬等［16］研究結(jié)果一致。長期肥料定位試驗由于其結(jié)果的可靠性、延續(xù)性和檢驗性更科學(xué)成為目前研究施肥對土壤肥力影響常用和可靠的方法［17-18］。本研究發(fā)現(xiàn)紫色水稻土連續(xù)施肥36 年內(nèi)，低肥力稻田土壤全氮、全磷含量相對穩(wěn)定，堿解氮隨施肥時間的延續(xù)呈顯著增加，而有效磷含量稍有下降趨勢，說明低產(chǎn)稻田土壤氮磷含量相對穩(wěn)定。這與黃晶等［6］和柳開樓等［19］在紅壤稻田與旱地上的研究結(jié)果一致。土壤堿解氮含量增加的原因可能是河流灌溉水帶入部分養(yǎng)分，尤其是氮素養(yǎng)分。然而，無論中肥力和高肥力稻田土壤全氮、堿解氮、全磷和有效磷含量均隨施肥時間的延長表現(xiàn)出極顯著增加的趨勢，低肥力、中肥力和高肥力稻田土壤全氮含量年增加量分別為0.0055、0.0142、0.0170 g/kg，堿解氮年增加量為0.3983、1.0456、1.3182 mg/kg，全磷年增加量為0.0008、0.0171、0.018 g/kg，有效磷年增加量為-0.0328、2.0491、1.8511 mg/kg，說明土壤養(yǎng)分增加量對不同肥力稻田的響應(yīng)程度不同，表現(xiàn)為中肥力和高肥力稻田土壤養(yǎng)分年增加量高于低肥力稻田。然而，連續(xù)施肥36 年中肥力和高肥力稻田土壤氮磷含量年增加量差異較??；通過階段分析發(fā)現(xiàn)，在施肥1～13 年間，中肥力和高肥力稻田土壤堿解氮含量不同年份間差異較小，多年平均含量非常接近分別為77.43、77.33 mg/kg，連續(xù)施肥13 年后各處理不同年份間堿解氮含量變化也不大，且其堿解氮含量比連續(xù)施肥13 年前急速增加，平均值分別為102.69、110.30 mg/kg；中肥力和高肥力稻田土壤有效磷含量也可分兩個階段，連續(xù)施肥1～9 年間兩個處理各自不同年份間有效磷含量差異較小，多年平均為6.50、8.47 mg/kg，連續(xù)施肥9 年后各處理不同年份間有效磷含量變化也不大，且明顯高于連續(xù)施肥9 年前，平均值分別為48.60、49.85 mg/kg；說明土壤養(yǎng)分足夠高時，過量施肥對土壤肥力提升空間是有限的，這與國內(nèi)外多數(shù)研究結(jié)果一致［16,20-21］；也表明在本試驗施肥水平下紫色水稻土氮磷施肥轉(zhuǎn)折點的時間分別為連續(xù)施肥13 年和9 年，即施用氮肥13 年后土壤中含有足夠的氮素養(yǎng)分，施磷肥9 年后土壤中含有足夠高的磷素養(yǎng)分。

土壤氮磷活化度是反映土壤氮磷養(yǎng)分供應(yīng)能力的重要指標［6,19,22］。3 種肥力稻田沒有顯著影響土壤氮活化度，高肥力、中肥力和低肥力稻田土壤氮活化度變化范圍分別為5.53%～8.82%、5.95%～8.64%和5.51%～7.98%，多年平均值分別為7.14%、7.01%和6.46%，分別比試驗開始時提高17.43%、15.30%和6.25%。與氮活化度不同，低肥力稻田土壤磷活化度基本保持不變，而中肥力和高肥力稻田土壤磷活化度隨施肥年限延長均呈極顯著增加趨勢，高肥力、中肥力和低肥力稻田土壤磷活化度值分別為3.86%、3.85%和0.73%，比試驗開始時增加484.85%、483.33%和10.61%。說明高肥力和中肥力稻田能夠明顯提高土壤氮磷活化能力，保障養(yǎng)分充足供應(yīng)。土壤環(huán)境因子pH 和有機碳均沒有顯著影響氮活化度；磷活化度與pH 值呈極顯著負相關(guān)，而與有機碳含量呈極顯著正相關(guān)；說明降低土壤pH 或增加有機碳可顯著提高土壤磷活化能力，這與柳開樓等［19］在我國南方紅壤和Zhan等［22］在我國東北黑土上的研究結(jié)果一致。土壤中的氮素容易被作物吸收利用或者通過淋溶和地表徑流等方式損失［23-24］，被認為土壤中較活躍的營養(yǎng)元素，所以氮活化度與pH 和有機碳含量差異不顯著；而磷在土壤中移動性差、容易被固定，磷肥當(dāng)季利用率較低一般為10%～25%［25］，沒有被作物吸收利用的大量磷素累積到土壤中，當(dāng)施入有機肥或降低土壤pH 時，增加了土壤生物群落多樣性和微生物活性從而活化被土壤吸附的磷素［26-28］，引起隨pH 降低或有機碳含量增加土壤磷活化度提高。土壤氮磷活化度與pH 和有機碳的作用機制還需進一步試驗。

4 結(jié)論

低肥力稻田土壤全氮、全磷含量對施肥時期響應(yīng)不顯著，堿解氮含量隨施肥年限的延長呈極顯著增加，而有效磷含量則有所下降。無論中肥力或高肥力稻田土壤全氮、堿解氮、全磷和有效磷含量均隨施肥時間的增長而呈極顯著增加趨勢。土壤氮磷養(yǎng)分年增加速率對不同肥力水平土壤的響應(yīng)程度差異較大，中肥力和高肥力稻田土壤氮磷含量增加速率高于低肥力稻田，而前兩者之間差異較小。當(dāng)年施N 240 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2時，紫色水稻土氮磷含量足夠高的施肥持續(xù)年限分別為13 年與9 年。土壤pH、有機碳對氮活化度無顯著影響，土壤磷活化度與pH 呈極顯著負相關(guān)，而與有機碳呈極顯著正相關(guān)。氮磷鉀平衡施肥或有機無機肥料配施是西南丘陵區(qū)稻田土壤培肥的重要措施。