化肥超施与土壤退化的研究

张川等

摘要 理论分析和试验表明，化肥超施将导致土壤退化。采取野外现场数据采集研究和取典型试验区土样带回实验室研究相结合的方式，对化肥超施造成土壤退化的机制进行研究。结果表明，试验区化肥超施使得土壤有机质含量和速效磷含量超标，土壤团粒结构差，对于严重超标的土地，作物基本绝收。从近5年试验区作物产量变化可以看出，随着长期化肥超施，作物產量下降，土壤生产能力降低，土壤退化。

关键词 化肥超施；土壤退化；有机质；速效磷；团粒

中图分类号 S158.1 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）20-06594-03

Ultraapplied Fertilizers and Soil Degradation

ZHANG Chuan， LIANG Yuxiang et al （School of Chemical Engineering， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610065）

Abstract Theoretical analysis and experiments show that ultraapplied fertilizers will result in soil degradation. By using the field data collection and take soil samples in typical test area back to the lab， the mechanism of ultraapplied fertilizers on soil degradation was studied. The results showed that the test area makes fertilizer applied over soil organic matter content and available phosphorus content exceeded， poor soil aggregate structure， for seriously overweight land， crops basic crops. From the past five years， changes in crop yields can be seen from the test area， with the ultralongterm fertilizer applied， decline in crop yields， reduction of soil productivity and soil degradation.

Key words Ultraapplied fertilizers； Soil degradation； Organic matter； Available phosphorus； Aggregate

土壤是植物赖以生存的自然环境，也是农业生产的重要资源。随着我国人口的迅速增加，对粮食的需求量不断增大。施用化肥是提高粮食产量的有力手段。科学试验和生产实践表明，每施用1 kg化肥可增产粮食5～10 kg[1]。

近10年来，我国化肥的施用量增加接近1倍，但是粮食的总产量仅仅增加9.1%[5]。

大部分长期试验表明，化肥投入有助于土壤有机碳含量的提高[6-8]。这是因为施用化肥能增加作物生物学产量，从而增加对土壤有机质的投入（根系、残茬、落叶、根系分泌物等）[9]。有研究表明，单施氮肥会使土壤有效磷含量降低[10-12]。这是由于施氮量增加引起作物生物产量的提高，造成对土壤磷素吸收的增加[9]。在氮、钾基础上施用磷肥，土壤有效磷除满足作物生长所需，每年稍有剩余[11]。磷肥无论单施或与其他无机肥配施均会增加土壤中磷素含量，若长期施用磷肥则将导致土壤变酸。

团聚体是形成良好土壤结构的物质基础，能够综合地反映土壤整体的肥力状况[13]。不同粒级的团聚体在营养元素的保持、供应及转化能力等方面发挥着不同的作用[14]。Haynes等[15]指出，施用磷肥可以促进Al3+和Ca2+的黏结作用，从而促进团聚体的形成。刘中良等[16]也指出，施肥会减少>5 mm 的非团粒结构的数量，增加0.25～5.00 mm团聚体的含量，改善土壤的物理结构；土壤大团聚体中含有更多的全C、全N、全P，因此大团聚体对养分的保持有重要作用；施肥对速效养分含量的影响显著，碱解氮含量随粒级的减小而增加，有利于作物的吸收；肥料的施加使得小粒级团聚体对土壤养分储量的贡献率越来越突出，更利于养分的供给。

但是，由于对化肥的过分依赖，过施、滥施以及不合理的施用方法不可避免地对土壤产生负面影响，导致土壤退化[2，17]，直接威胁到农业生产的持续发展。

只要合理施用化肥，即使不施有机肥料，土壤也不会结块[18]，但若长期施用化肥，会则使土壤pH降低[19]，当化肥超施时酸度增加较快，土壤酸度过大将造成土壤板结，通透性差，氧气含量低[20]。Johnston等[21]指出，土壤酸化使得重金属移动增强。夏立忠等[22]指出，大量施用化肥，易使保护地NO3-离子大量剩余与迅速累积，加速了土壤盐积和次生盐渍化。盐分的过分积累会造成作物生理性干旱，甚至生理毒性物质的形成[23]。因此，化肥超施会使得土壤发生物理、化学、生物特性的退化，导致土壤肥力退化与生产力减退。

据统计，全球土壤退化面积达到1 965万km2，其中，轻度退化仅占总退化面积的38%，退化形势相当严峻[3]。因此，研究土壤退化在空间、时间上的进程与机理，分析影响土壤退化的人为因素，进而找到预防土壤退化、修复已退化土壤的办法，具有十分重要的现实意义。目前，国内主要采用有机质、速效磷等经典参数对土壤退化的机理、过程、演变规律进行研究[4]。笔者对四川省自贡市贡井区生态园土壤的有机质、速效磷含量以及土壤的微观团粒结构进行研究，对比实地考察的产量和化肥施入量，综合分析土壤退化的特征和规律。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在四川省自贡市贡井区生态园进行。试验地属中亚热带湿润季风气候，平均气温17.5～18.0 ℃，日照1 150～1 200 h，降水1 000～1 100 mm。选择成佳镇、五宝镇、白庙镇以及龙潭镇，进行土样采集。这些农田均属于生态种植基地，土质一般比较好。

1.2 試验设计

设定20个处理。为了解不同施肥量对土壤中有机质和速效磷含量的影响以及与作物产量的关系，采用空白对照结合条件对照的方式进行测定。该试验主要测定土壤有机质、速效磷和土壤团粒大小。

1.3 样品采集及分析

采用S路线混合土壤采样法，采集表层0～15 cm土样，每个处理随机取3个样点，混合为一个土样。将采回的土样在实验室风干，将风干后的土样倒入钢玻璃底的木盘上，用木棍研细，使之全部通过100目筛。用样品袋将样品装好，密封，样品袋上标签须注明样号、采样日期和筛孔号。

土壤有机质和速效磷含量的测定采用国家标准方法[24-25]；团粒性大小采用在电子显微镜下观察土样的结构图来进行对比测定。

1.4 数据分析 土壤中有机质含量按照有机碳含量的方式进行计算。

有机碳=

式中，待测液（mg/L）为从标准曲线上查得的待测液浓度； 待测液体积为50 ml；分取倍数为浸提液总体积（ml）占吸取浸出液体积（ml）的倍数（100/10）；烘干土重为风干土重乘以水分系数。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质含量

由图1可知，各处理土样有机质含量因施肥量和施肥方式不同而不同。根据土壤养分分级表级别[26]划分，测试土壤有机质含量都大于4%，有机质含量丰富。

图1 不同施肥处理下土壤有机质含量

2.2 土壤速效磷含量

不同施肥处理下土壤速效磷含量如图2所示。根据土壤养分分级表级别[26]划分，测试土壤中1、6、13、18、19含量很低，为缺乏状态；但是，大部分样品速效磷含量丰富，以致于过剩。

图2 不同施肥处理下土壤速效磷含量

2.3 土壤团粒结构

通过对比，选择2个典型的土样进行ESM和EDS分析，其中土样1有机质含量丰富，磷含量缺乏，但产量上优于其他土样；而土样12有机质含量和速效磷含量都相对很高，但基本绝收。

由图3、4可知，土样1的团粒结构较好，土壤结构为片状，空隙较多，通透性好；土样12的团粒结构很差，出现板结现象，空隙少，这样的土壤就是严重退化后的现象。

图3 电子显微镜下在mode SE为3 μm的结构图

图4 电子显微镜下在mode SE为20 μm的结构图

2.4 蔬菜产量

由图5可知，除了五宝镇，其他镇近5年蔬菜产量都逐年下降，其中土样3、11、12、14的农田基本绝收。据观察，这4种土样的有机质含量和速效磷含量都非常高。

图5 近5年蔬菜类产量的变化

综合土样有机质、速效磷含量、土样团粒结构和近5年蔬菜类产量变化，可以看出所取土样中化肥施用量基本超标，有部分土地严重超标，以致于蔬菜绝收。化肥超施使得土样酸化严重，重金属离子聚集到作物根部，使得土壤结块，造成缺氧，使得作物根系不发达，生长受阻。同时，因肥料浓度过大的“烧苗”现象，也是这块土壤总是缺苗的原因。由实地调查结果可知，农民们使用的化肥大多是复合肥，N∶P2O5∶K2O为4∶3∶7，与我国农业化肥整体所需的N∶P2O5∶K2O 1.0∶（0.4～0.6）∶（0.2～0.3）的比例相比严重失衡，在施肥时也没有注重化肥的比例。这更加导致土壤中N、P、K含量不平衡，土地生产能力降低，农作物产量降低，土壤退化。

3 结论

（1）当前土地的化肥施入量普遍超过国家规定的225 kg/hm2，导致土壤中有机质和速效磷含量过高。

（2）通过电子显微镜观察土壤结构，发现有机质和速效磷含量过高的土壤结构很差，出现了板结现象，土壤团粒结构差。

（3）近5年，农作物产量下降。结合土壤养分含量的变化和实地调查的结果，确定了土壤退化的事实。

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