长期施肥对红壤性水稻土理化性质的影响及土壤肥力质量评价

颜 雄，彭新华，张杨珠，陈江涛，李文昭，赵 君，陈 龙

（1. 遵义师范学院资源与环境学院，贵州遵义563002；2. 中国科学院南京土壤研究所，土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏南京210008；3. 湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙410128；4. 湖南省农业科学院，湖南长沙410125；5. 遵义师范学院农业科技学院，贵州遵义563002）

南方低丘红壤稻田生态系统的水稻生产在我国粮食生产中占有重要地位[1]，水稻土的土壤肥力质量影响着水稻的生产和发展[2]。长期定位试验是建立有效施肥系统的重要方法[3]，是研究提高土壤肥力质量的有效途径。本研究基于江西省进贤县长期定位施肥试验，研究南方典型红壤性水稻土的基本理化性质变化，对不同施肥措施的土壤肥力进行定量评价，为选择科学施肥措施和水稻可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验地为长期定位试验田，设在江西省红壤研究所内(116°20'24″E、28°15'30″N)，属中亚热带季风气候，年均气温17.7～18.5℃，年均降雨量1 537 mm，年蒸发量1 100～1 200 mm。海拔高度25～30 m，为典型的低丘红壤地区，土壤类型为第四纪红粘土发育的潴育型水稻土，剖面构型为：A－P－W 1－W 2－G，耕作制为“稻－稻－冬闲”制，试验开始时耕层土壤pH 值6.9，粘粒（<0.001 mm）24.1%，有机碳16.3 g/kg，全氮1.49 g/kg，全磷0.48 g/kg，全钾10.39 g/kg，速效磷4.15 mg/kg，速效钾80.52 mg/kg。

1.2 试验设计

长期定位试验于1981年开始，种植制度为早稻－晚稻－冬闲。共设置9个施肥处理：（1）不施肥处理（CK）；（2）单施氮肥处理（N）；（3）单施磷肥处理（P）；（4）单施钾肥处理（K）；（5）施用氮肥、磷肥处理（NP）；（6）施用氮肥、钾肥处理（NK）；（7）平衡施用氮肥、磷肥和钾肥处理（NPK）；（8）平衡施用2 倍的氮肥、磷肥和钾肥处理（2NPK）；（9）施用氮肥、磷肥和钾肥同时加施新鲜猪粪处理（NPKOM）。具体详见表1。小区面积46.67 m2，随机区组排列，重复3 次。

表1 红壤性水稻土长期定位试验双季稻每季不同施肥处理设计

1.3 样品的采集及测试方法

从9个施肥处理的每个小区中随机取5 点，采集土壤耕层0～20 cm 的样品，混匀，带回实验室挑出根系、石块、蚯蚓等动植物残体，风干后过2 mm 筛备用。土壤基本理化性质测定采用常规测定方法，在室内测定分析[4]。

1.4 数据分析与处理

采用M icrosoft Excel 2003 记录统计测定所得数据；采用SPSS 13.0 处理分析数据；采用最小显著差异法（Fisher’s LSD）进行差异显著性测验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 长期施肥下红壤性水稻土基本理化性质的变化

长期施肥对红壤性水稻土耕层土壤理化性状的影响如表2 所示。本次分析结果与定位试验开始前（pH 值5.4）相比，除单施钾肥（K）外，其他施肥处理的土壤pH 值均有不同程度的下降，说明长期施肥导致土壤酸化，而施用含N 肥的无机化肥处理的pH 值降低较为明显（0.04～0.11），这是因为当施入铵态氮肥过量时，NH4+-N 硝化及NO3-的淋洗会进一步导致土壤酸化[5]。Guo[7]的研究结果也表明，化学氮肥的施用将导致红壤酸化。但有机无机肥配施（NPKOM）土壤pH值与施肥前基本一致，证明有机肥的施用能有效缓解土壤酸化[6]。NPK、2NPK 和NPKOM 处理的有机碳含量与试验开始前（16.3 g/kg） 相比提高了22.9%～57.4%，由于平衡施用化肥措施和有机无机肥配施措能提高作物的产量，从而增加了作物根茬的返田量[8]，同时加上有机肥的施入（NPKOM），使土壤有机质得到了有效的补充。

表2 不同施肥处理耕层土壤养分含量变化

有机无机肥配施处理（NPKOM）使土壤的全氮提高了68.5%，明显高于其他处理（29.5%～35.6%）。同时，有机肥也明显提高了土壤全磷的含量，其他处理的土壤全磷含量提高幅度较小，单施氮肥处理的全磷含量甚至略微下降。所有处理的全钾含量均有提高，且CK 处理和单一施肥处理（N、P、K）的增长幅度略微高于其他处理。

土壤的速效养分也呈现了不同程度的变化。各处理碱解氮的含量均提高15.8%以上，有机无机肥配施提高到54.7%。而速效磷的含量则有增有减，其中施磷肥的处理增长，其他处理减少。速效钾的含量除有机无机肥配施（NPKOM）提高外，其他处理均有不同程度的减少。

总体看来，施用有机肥处理（NPKOM）中除全钾外，土壤有机碳和各项养分含量都显著高于其他处理，显著促进了作物对化肥中养分的吸收。有机肥的施入既能提高土壤肥力质量，有效缓解土壤酸化，又能满足作物对养分吸收的需求。在采用长期不同施肥措施的条件下，导致了肥力质量出现不同的变化，其中有机无机肥配施（NPKOM）处理最有利于满足水稻对养分的需求和红壤性水稻土的可持续发展。

2.2 长期不同施肥对土壤肥力质量的影响

近年来，许多学者采用不同的统计方法，如：模糊数学、因子分析、聚类分析，进行土壤肥力质量的数值化评价。但由于土壤肥力指标的选择和划分、权重系数的计算等在不同地方和不同土壤条件下存在差异，目前尚无统一的标准。笔者综合多位学者的研究结果，采用Fuzzy 综合评判法即运用模糊数学建立模型和相关系数法权重分析的原理，对土壤肥力质量进行数值化评价。

2.2.1 土壤肥力质量评价指标的选择和处理首先，本研究选用土壤pH 值和有机质，全氮、全磷和全钾3种全量养分，碱解氮、速效磷和速效钾3种速效养分作为土壤肥力质量评价的指标。其次，由于各种养分的量纲不一致，且对肥力质量影响的作用不同，按照不同指标的属性建立与之对应的隶属函数[9-11]，并计算每个指标的隶属度值。其中，土壤pH 值属于梯型（抛物线型）隶属度函数，而其他7种肥力指标属于S 型（正相关型）隶属度函数[9-11]，根据本研究实际，确定土壤pH 值在梯型隶属度函数曲线中转折点的取值分别为：X1=4.5，X2=5.5，X3=6.0，X4=7.0。其他7种肥力指标在正相关型隶属度函数曲线中转折点X1和X2的取值见表3。

表3 正相关型（S 型）函数曲线转折点的取值

将各项肥力质量指标值分别代入隶属度函数可得其隶属度值Ni，如表4 所示。隶属度值的大小（0.1～1.0）反映了各指标隶属的程度，0.1 是最小值，表示土壤肥力质量属于严重缺乏状态，而最大值1.0则表示土壤肥力质量完全有助于作物的生长，处于最良好的状态。

表4 各单项肥力质量指标对应的隶属度值Ni

2.2.2 各单项土壤肥力指标权重的确定 各单项土壤肥力指标权重的高低代表其在土壤肥力质量中贡献率的大小。计算步骤为：（1）先计算出水稻土各单项土壤肥力质量指标之间的相关系数，如表5 所示，从而建立相关系数矩阵R；（2）计算各单项土壤肥力质量指标与其他指标相关系数的平均值；（3）求得该各单项土壤肥力质量指标平均值占全部肥力质量指标相关系数平均值之和的百分率，即可计算出各单项肥力质量指标的权重(W i)(见表6)。

2.2.3 土壤肥力质量综合性指标值的计算 由以上两步分别求得Ni（第i种养分指标的隶属度值）和Wi（第i种养分指标的权重系数）后，根据加乘法则，计算出长期不同施肥处理的土壤肥力质量的综合指标值IFI。计算公式为：IFI=∑Wi×Ni。

2.2.4 不同施肥处理土壤肥力质量等级的划分 本研究拟定义IFI 共分为5个级别：IFI ≥0.8 属于高级别，0.8>IFI≥0.6 属于较高级别，0.6>IFI≥0.4 属于中等级别，0.4>IFI≥0.2 属于较低级别，IFI<0.2 属于低级别。如表7 所示，红壤性水稻土的9个施肥处理中，有机无机肥配施（NPKOM）处理的土壤肥力质量属于二级（Ⅱ），为较高级别，其他施肥处理的均属于三级（Ⅲ），为中等级别，其中CK、N 肥处理土壤肥力水平中等偏下，说明N 肥处理的土壤肥力质量有明显退化的趋势。

表5 各单项肥力质量指标的相关系数矩阵R

表6 各单项肥力质量指标的权重Wi

表7 不同施肥处理土壤的肥力质量等级

因此，与CK 处理相比，长期不合理施肥并未能提高土壤肥力质量，而有机无机肥配施能有效提高土壤肥力质量。

3 结论

长期施肥导致土壤酸化，不合理施肥使土壤养分含量有不同程度的下降，而有机无机肥配施处理是最合理的施肥模式，有效补充了土壤养分库，缓解了土壤pH 值的下降。不同施肥处理导致土壤肥力质量有所差异，有机无机肥配施处理的质量等级最高，为二级，而其他处理均为三级，尤其以对照和单施氮肥处理质量等级指标值最低，其肥力水平中等偏下。因此，有机无机肥配施最有利于土壤肥力质量的提高和土壤的可持续利用。

[1]李成亮，何园球，王艳玲，等.氮磷钾肥对红壤区水稻增产效应的影响[J].中国水稻科学，2007，21（2）：179-184.

[2]黎孟渡，张先婉．土壤肥力概念与模式：土壤肥力研究之一．土壤肥力研究进展[M].北京：科学技术出版社，1991.208-213.

[3]高菊生，秦道珠，刘更另，等.长期施用有机肥对水稻生长及产量的影响[J].耕作与栽培，2002，（2）:31-33.

[4]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,2008.

[5]Malhi S S,Nyborg M,Harapiak J T.Effects of long-term N fertilizer-induced acidification and liming onmicronutrients in soil and in bromegrasshay[J].Soil TillageResearch,1998,（48）:91-101.

[6]颜 雄，彭新华，张杨珠，等.长期施肥对红壤旱地玉米生物量及养分吸收的影响[J].水土保持学报，2013，27（2）：120-125.

[7]Guo J H,Liu X J,Zhang Y,et al.Significant acidification in major Chinese croplands[J].Science,2010,327:1008-1010.

[8]Hutchinson J J，Campbell C A，Desjardins R L.Some perspectives on carbon sequestration in agriculture [J].Agricultural and Forest Meteorology,2007,142:288-302.

[9]唐晓平，陈健飞．Fuzzy综合评判法在紫色土肥力评价中的应用[J].福建师范大学学报(自然科学版)，1996，12(2)：107-113.

[10]颜 雄,张杨珠,刘 晶.土壤肥力质量评价的研究进展.湖南农业科学,2008,(5):82-85.

[11]吕 新，寇金梅，李宏伟.模糊评判方法在土壤肥力综合评价中的应用研究[J].干旱地区农业研究，2004，22(3)：56-59.