适量有机肥与氮肥配施方可提高河西绿洲土壤肥力及作物生产效益

马忠明，王　平，陈　娟，包兴国

（1 甘肃省农业科学院，甘肃兰州 730070；2 兰州市农业科技研究推广中心，甘肃兰州 730000）

适量有机肥与氮肥配施方可提高河西绿洲土壤肥力及作物生产效益

马忠明1，王平2，陈娟1，包兴国1

（1 甘肃省农业科学院，甘肃兰州 730070；2 兰州市农业科技研究推广中心，甘肃兰州 730000）

【目的】河西绿洲灌溉农业区是我国主要的商品粮生产及玉米制种基地，结合当地耕作制度进行土壤有效培肥是提高农业生产效益和可持续发展的基础。本研究以河西灌漠土长期定位试验为依托，探讨了长期施用一种或者多种有机肥以及有机无机肥配合对土壤养分、土壤酶活性及产量的影响，为筛选出适于当地农业可持续发展的施肥模式提供理论依据。【方法】试验采用随机区组排列，除对照外，在施磷肥（P2O5）150 kg/hm2的基础上，再设 12 个处理：单施用农家肥 120 t/hm2（M）；单施绿肥 45 t/hm2（G）；单施秸秆 10.5 t/hm2（S）；单施氮肥 375 kg/hm2（N）；农家肥 60 t/hm2+绿肥 22.5 t/hm2（1/2MG）；农家肥 60 t/hm2+秸秆 5.25 t/hm2（1/2MS）；农家肥 60 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2MN）；绿肥 22.5 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2GN）；秸秆 60 t/hm2+氮肥187.5 kg/hm2（1/2SN）；农家肥 40 t/hm2+绿肥 15 t/hm2+氮肥 124.5 kg/hm2（1/3MGN）；农家肥 40 t/hm2+秸秆3495 kg/hm2+氮肥 124.5 kg/hm2（1/3MSN）；农家肥 30 t/hm2+秸秆 2625 kg/hm2+绿肥 11.25 t/hm2+氮肥 94.5 kg/hm2（1/4MGSN）。调查了耕层土壤有机质和速效养分含量变化以及几种主要土壤酶活力，采用主成分分析、聚类分析、经济效益分析综合比较了不同施肥方式对土壤质量与经济收益的影响。【结果】长期不施肥、单施氮肥（N）、氮肥配施绿肥或者秸秆均会造成土壤钾素匮缺，较 1988年初测土土壤速效钾含量分别下降了16.59%、39.37%、25.04%、23.31%；M、G、S 三种有机肥单施或与氮配施均能提高土壤碱解氮、土壤有效磷、土壤有效钾、土壤有机质（SOM）含量，不同施肥方式下，其含量大小总体表现为高量有机肥＞减量有机肥+减量 N＞N＞CK；M、G、S、N 单施或 1/2MN、1/2GN、1/2SN 处理均能提高蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性，以 G、1/2GN 处理对提高土壤蔗糖酶、脲酶的活性的效果最显著，M、G、MN、GN 处理对提高碱性磷酸酶活性的效果最显著；主成分得分进行聚类分析，不同处理培肥土壤质量效果由高到低分成四类，分别为一类高量有机肥 M、G、1/2MG＞二种有机肥与氮肥减量配施 1/2MN、1/3MSN、1/3MGN、1/2GN、1/2MS、1/4MSGN＞三类氮肥、秸秆、秸秆与氮肥 N、1/2SN、S＞四类不施肥（CK）；各施肥方式均能提高作物产量，与不施肥（CK）相比，增产幅度为 12.21%～235.4%，肥料贡献率在 10.89%～70.18% 之间，单施肥增产总趋势为 N＞G＞M＞S，减量配施肥增产总趋势为 1/2GN＞1/2MN＞1/2MS，施肥方式以有机肥配施 N 对产量贡献最大；经济效益分析表明施 N 或有机肥与 N 配施对于提高净收益作用较大。【结论】通过主成分分析与聚类分析、经济效益与产量综合比较，农家肥、绿肥和秸秆长期单施成本高，产量和经济效益低，维持土壤养分和产量需要的用量大。因此，提倡适量有机肥与氮肥配施，达到提高作物产量，增加经济效益，保证土壤肥力可持续发展。

长期施肥；土壤养分；土壤酶活；主成分分析；聚类分析；作物产量

河西绿洲灌溉农业历史发展悠久，是我国主要的商品粮生产及玉米制种基地［1］。1980年以后，随着化肥的大量应用，灌区农民为了追求粮食高产，盲目对化肥进行高投入，而农家肥施用严重不足。这种长期的不合理施肥方式使得土壤养分含量下降、化肥利用率低、作物产量下降、地下水污染及农田生态系统遭到破坏［2-3］。

土壤养分是土壤中能直接或经转化后被植物根系吸收的有效营养成分，是土壤供养能力的重要评价指标［4］。施肥是影响土壤质量演化及其可持续利用最为深刻的农业措施之一［5］，近年来，关于 NPK 配比试验研究较多，单一有机肥与化肥配施试验研究报道也很多。但是利用长期肥力定位试验研究不同种类的有机肥及有机肥与化肥配施对土壤理化性质的影响较少，对土壤肥力指标进行综合评价分析更少。目前，大多数的学者开始结合主成分分析与聚类分析对长期定位的肥力指标进行综合评价、打分［6-7］。这一方法不仅减少了计算量，降低了主观随意性，而且克服了聚类分析方法因原始数据量庞大，错综复杂而造成其结果偏离实际较远的缺点，大大提高了综合评价结果的准确性［8］。本文通过分析目前生产实践应用较为广泛的三种有机肥（农家肥、绿肥、秸秆）与化肥（氮肥）单施或有机肥与氮肥之间减量配施对土壤养分、酶活性及作物产量的影响，综合土壤培肥效果，以期为河西灌区施肥措施改良提供可靠的科学依据。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验地为甘肃武威市白云村（3 8°3 7′N，102°40′E），海拔 1504 m，无霜期 150d 左右，年降雨量 150 mm，年蒸发量 2021 mm，年平均气温为7.7℃，日照时数 3023 h，10℃ 的有效积温为3016℃，年太阳辐射总量 140～158 kJ/cm2，麦收后≥10℃ 的有效积温为 1350℃。供试土壤为石灰性的灌漠土，表土为轻壤土，1988年3 月试验前取0—20 cm 耕层土壤分析，有机质含量为 16.35 g/kg，pH 值为 8.8，耕层土壤全氮为 1.1 g/kg，全磷为 1.5 g/kg，碱解氮为 64.4 mg/kg，有效磷为 13.1 mg/kg，速效钾为 180.0 mg/kg，土壤容重 1.4 g/cm3，孔隙度47.8%。

1.2试验设计

本试验开始于1988年，小区面积为 30.01 m2，施磷肥（P2O5）150 kg/hm2作基肥，至试验分析已有 21年。所用农家肥为当地土圈粪（牛粪），平均养分含量为有机质 29.1 g/kg，全氮 1.5 g/kg，全磷 0.88 g/kg，有效磷 60.3 mg/kg，有效钾 1293 mg/kg；绿肥为箭筈豌豆，鲜草含全氮 1.90 g/kg，全磷 0.34 g/kg，全钾 2.42 g/kg；秸秆为小麦秸秆（含N 量为0.45 g/kg），农肥、绿肥、秸秆全部播前基施。N 肥为尿素，1/4 在小麦播种时撒施，3/4 在玉米拔节期及抽雄期追施在玉米带，氮肥追施方式和时间与田间管理与当地一致。试验采用随机区组排列，共设13 个处理，分别为：1）不施肥（CK）；2）农家肥 120 t/hm2（M）；3）绿肥 45 t/hm2（G）；4）秸秆 10.5 t/hm2（S）；5）氮肥 375 kg/hm2（N）；6）农肥 60 t/hm2+绿肥22.5 t/hm2（1/2MG）；7）农肥 60 t/hm2+秸秆 5.25 t/hm2（1/2MS）；8）农家肥 60 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2MN）；9）绿肥 22.5 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2GN）；10）秸秆 5.25 t/hm2+氮肥 187.5 kg/hm2（1/2SN）； 11）农家肥 40 t/hm2+绿肥 15 t/hm2+氮肥124.5 kg/hm2（1/3MGN）；12）农肥 40 t/hm2+秸秆3495 kg/hm2+氮肥 124.5 kg/hm2（1/3MSN）；13）农肥30 t/hm2+秸秆 2625 kg/hm2+绿肥 11.25 t/hm2+氮肥94.5 kg/hm2（1/4MGSN）。

1.3采样及测定

本试验为小麦/玉米间作。于 2008年播前（4 月13日）、小麦拔节期（5月12日）、小麦灌浆期（6 月20日）、小麦收获后（7月20）采样，在各小区内采用S 形 5 点混合采样法采集 0—20 cm 土样，装入自封袋中带回实验室，过 1 mm 筛，置于 4℃ 冰箱贮存，测定土壤理化性质。产量为小麦玉米折合公顷产量的和值，土壤养分与酶活性数值均为生育期内的均值。

碱解氮、速效P、速效 K及有机质含量采用碱解扩散法、0.5 mol/LNaHCO3浸提钼锑抗比色法、火焰光度法及重铬酸钾容量法测定［9］。过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法、蔗糖酶活性用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定、脲酶活性用苯酚钠比色法测定、碱性磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定［10］。

1.4计算及数据统计方法

肥料贡献率［11-12］（fertilizer contribution rate）=（施肥区产量-无肥区产量）/施肥区产量×100%。数据分析采用 Excel 2013 和 SPSS21 统计软件，主成分分析和聚类分析采用 SPSS21 软件，作图采用 Excel 2013。

2　结果与分析

2.1长期定位施肥对土壤养分的影响

2.1.1不同施肥方式对土壤有机质含量的影响等磷条件下，不同施肥处理下土壤有机质含量在17.98～25.73 g/kg 之间（表1），各施肥处理土壤有机质含量均高于 CK。其中，单施化肥（N）处理虽较 CK高，远不及有机肥理。有机肥处理较试验初，有机质含量增幅在 22.26%～48.93%，M、G、S 之间差异不显著。有机肥两两减量配施处理有机质含量较 CK增幅在 14.40%～39.82% 之间，其中 1/2MN 处理较1/2GN、1/2SN 提高显著。三种以上减量配施处理（1/3MGN、1/4MGSN、1/3MSN）土壤有机质含量较CK 增幅在 27.64%～43.10%。有机肥减量配施与有机肥单施比较，有机质含量差异不显著。有机质含量个处理由高到低为 M＞1/2MN＞N＞CK，G＞1/2GN＞N＞CK，S＞1/2SN＞N＞CK，总的有机质含量表现为高量有机肥＞减量有机肥+减量N＞N＞CK。

2.1.2不同施肥方式对土壤碱解氮含量的影响较试验初，各施肥处理土壤碱解氮含量均显著高于 CK，在 75.83～106.20 mg/kg 之间（表1）。有机肥单施或与N配施均能提高土壤碱解氮含量。单施肥处理下，土壤碱解氮含量N处理显著低于有机肥处理，碱解氮含量大小表现为 G、M 显著大于 S、N，较 CK 增幅在15.11%～40.05%；两两减量配施处理土壤碱解氮含量大小规律与有机肥单施含量相似，均显著高于CK，其增幅为 14.80%～39.22%。三种以上有机肥减量配施处理（1/3MGN、1/4MGSN、1/3MSN）碱解氮含量较 CK 增幅在 28.64%～34.11%。G＞1/2GN＞N＞CK，M＞1/2MN＞N＞CK，G 与 M 能显著增加土壤碱解氮含量，秸秆和氮肥与其配施同样能增加土壤碱解氮含量。土壤碱解氮含量大小为高量有机肥＞减量有机肥+减量 N＞N＞CK。

2.1.3不同施肥方式对土壤有效磷含量的影响不同施肥处理下的土壤有效磷含量变化范围为 8.92～36.00 mg/kg，均高于 CK。除了施N处理，CK 处理下的土壤有效磷含量显著低于其他处理，较试验初的 13.1 mg/kg 下降了 31.19%，说明在没有外源磷施入的情况下，土壤有效磷含量会持续下降。从（表1）可以看出，单施 M、S、G、N 的处理土壤有效磷含量较 CK 增幅在 60.31%～303.59%，单施氮不能显著增加有效磷含量；两两减量配施处理土壤有效磷含量均高于 C K；三种及以上减量配施处理1/4MGSN、1/3MSN、1/3MGN 的土壤碱解氮含量较CK增幅分别为 158.30%、167.71% 和 164.35%。表明单施农家肥、秸秆及绿肥均能显著增加土壤有效磷含量，与其它肥料配施也能显著增加土壤有效磷含量。有机肥之间配施土壤有效磷含量较有机肥与N配施高，单施N增加的幅度最小，其原因为三种有机肥自身含有较高的磷，其中农家肥含全磷 0.88 g/kg、有效磷 60.30 mg/kg；绿肥含全磷 0.34 g/kg，秸秆磷含量一般为作物干重的 0.2%～1.1%［13］。

2.1.4不同施肥方式对土壤速效钾含量的影响有机肥均能提高土壤速效钾的含量，施 N 处理的土壤速效钾含量最低（表1）。CK、N、1/2GN 和 1/2SN 处理较 1988年试验初始值，土壤速效钾含量降幅在16.5%～23.31%。2008年M、G、S 处理土壤速效钾含量较 CK 分别显著增加了 255.94%、33.19%、39.86%，而 N 处理显著下降了 27.31%；两两减量配施处理 1/2MG、1/2MS、1/2MN 土壤速效钾含量较CK 分别增加了 201.43%、158.41%、128.86%，而 1/2GN、1/2SN 分别下降了 8.05%、10.13%；三种以上配施处理速效钾含量较 CK 分别增加了 96.74%～114.86%。

表1　不同施肥处理土壤养分含量Table 1　Soil nutrient contents affected by long-term fertilization treatment

长期绿肥和秸秆分别与氮减量配施增加了作物对钾的吸收，而绿肥和秸秆中的钾不足以弥补作物带走的钾，因此，这两种组合及其用量是不利于土壤钾素的平衡的。包兴国等进行的绿肥或者秸秆减半与N配施也得到了土壤速效钾亏损的结论［17］。GN或者 SN 配施能够增加作物对钾的吸收，NP 配合秸秆还田能使小麦吸收的 84% 的钾素还回土壤中，减缓了钾素的严重亏缺，但仍处于亏缺状态，钾素年表观亏缺达到 13.4～23.1 kg/hm2［18］，长期氮磷与秸秆或者绿肥配施会造成土壤钾素亏缺，会加剧土壤钾的耗竭风险［19］。

2.2长期定位施肥对土壤酶活性的影响

2.2.1不同施肥方式对土壤蔗糖酶活性的影响土壤蔗糖酶活性大小不仅反映土壤有机碳积累与分解转化的规律，也是评价土壤熟化程度和土壤肥力水平的重要指标［20］。由（表2）可以看出，不同施肥处理土壤蔗糖酶活性均高于 CK；G 与 S、N、M 相比土壤蔗糖酶活性差异显著；两两减量配施或三种及以上配施与 CK 相比均能增加蔗糖酶活性。G 与 1/2GN处理的土壤蔗糖酶活性最高，这主要是由于绿肥对土壤有机质和全量养分影响较大，有机肥与 N 配施较单施 N 更能提高其活性。

2.2.2不同施肥方式对碱性磷酸酶活性的影响不同施肥处理下碱性磷酸酯酶活性为 1.47～1.74 mg/g 土（24 h），施肥均能提高碱性磷酸酶活性（表2）。M、G、S 和 N 处理能显著增加磷酸酶活性，较 CK 增幅在 0.67%～18.36%；两两减量配施磷酸酶活性较 CK增幅在 7.48%～12.24%；三种及以上配施之间差异不显著。M、G 或 N 与其减量配施处理下的磷酸酶活性均高于 CK，增幅为 0.68%～18.37%，以单施 M处理土壤碱性磷酸酶活性最高。

表2　不同施肥处理小麦季土壤酶活性Table 2　Soil enzyme activities during wheat growth season affected by long-term fertilization treatment

2.2.3不同施肥方式对土壤脲酶活性的影响土壤脲酶活性可用来表征土壤氮营养水平，其对土壤和肥料的氮素转化起着重要作用。各施肥处理下脲酶活性均大于 CK（表2），处理 G 与处理 S、M 和 N 之间差异显著，较 CK 增幅在 4.79%～15.43%。处理 S、M 和 N 对脲酶活性影响不显著，这与郑勇等［21］、孙瑞莲等［22］的报道一致。两两减量配施处理 1/2MG、1/2GN、1/2MS、1/2SN、1/2MN 均显著高于 CK，但配施处理间脲酶活性差异不显著；三种及以上配施脲酶活性均高于 CK。施入秸秆可以增加脲酶活性，因为秸秆对根际土壤脲酶活性有激活效应［23］，其中又以秸秆与 NP 配合施用效果较好［24］。

2.2.4不同施肥方式对过氧化氢酶活性的影响过氧化氢酶是一种重要的氧化还原酶，参与土壤中物质与能量转化过程，在一定程度上较灵敏地反映了土壤微生物学过程和作物代谢过程的强度，能促进过氧化氢对各种化合物的氧化［25］。与不施肥相比，长期施肥均能提高过氧化氢酶活性，但无论单施、两两配施还是三者以上配施对过氧化氢酶活性影响不大，这与袁玲等研究结果相一致［26］。除单施 N 外，不同施肥处理的土壤过氧化氢酶活性均高于 CK。

2.3土壤肥力状况主成分分析及不同施肥制度的聚类分析

对不同处理土壤养分和酶活性进行分析，根据主成分分析的原理，第一、第二、第三主成分对应的特征大于 1，累积方差贡献率大于 80%～85% 以上，即可代表样本的总体变异。土壤养分的第一、二、三主成分可代表土壤肥力系统内的总体变异信息，反映土壤肥力在不同施肥方式下的土壤养分变化状况（表3）。通过表4的旋转因子载荷可以看出，第一主成分综合了 SOM、碱解氮、有效 P、有效 K的变异信息，成为土壤养分因子。第二主成分综合了 SOM、碱解氮、蔗糖酶、脲酶的信息。第三主成分综合了土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶的信息，成为酶活性因子。通过各土壤养分的变量载荷因子权系数和表3特征根，可计算得到土壤总养分信息系统的第一、二、三主成分模型方程如下：

表3　主成分分析的特征根和方差贡献率Table 3　Eigenvalues and variance contribution of principal components analysis

利用第一、二、三主成分方程，分别结合方差贡献率（表4），最终构建出不同施肥方式下的土壤总养分状况的综合评价模型: F=0.24ZX1+0.30ZX2+0.19ZX3+0.15ZX4+0.22ZX5+0.23ZX6+0.05ZX7+0.20ZX8-0.22ZX9-0.09ZX10。式中，ZX 表示标准化后的数据，其中 X1 为 SOM；X2 为土壤碱解氮含量；X3 为土壤有效磷含量；X4 为土壤速效钾含量；X5 为蔗糖酶活性；X6 为土壤磷酸酶活性；X7为土壤脲酶活性；X8 为土壤过氧化氢酶活性；X9为土壤容重；X10 为土壤 pH 值。

表4　主成分旋转因子载荷Table 4　Component score coefficient matrix

根据主成分模型即可计算主成分得分，结合第一、二、三主成分得分与对应的特征根计算出综合主成分得分，并按主成分分值进行排序（表5）。

根据第一、二、三主成分的得分信息，应用平均联接法对个案进行聚类（图1）。本研究根据不同施肥方式对土壤养分及酶活性的影响进行聚类分析。土壤质量等级可以通过主成分综合得分进行划分［20］，根据综合得分的最大值和最小值及聚类分析把不同施肥方式下的土壤质量划分为四个等级（四大类）。

第一类包含G、M、1/2MG，综合得分范围0.95～1.41。长期施用高量有机肥条件下，对于土壤养分、酶活性的提高具有较大的作用。

第二类包含1/2MN、1/3MSN、1/3MGN、1/2GN、1/2MS、1/4MGSN，综合得分范围-0.14～0.62。有机肥与氮肥的配施与单施氮处理相比，土壤中的 SOM、碱解氮、速效 钾、有效磷等指标均有所增加。

表5　各样本主成分得分Table 5　Principal scores of each treatment

图1　聚类分析Fig.1　Dendrogram

第三类包含N、1/2SN、S，综合得分范围-0.92～-0.63。从聚类图可以看出，单施 N、S及两者配施培肥地力较差。

第四类为不施肥，综合得分-2.72。由于常年不施肥，速效K及其他土壤养分指标均很低。

2.5不同施肥处理对小麦/玉米产量及经济收益的影响

图2　不同施肥处理作物产量及肥料贡献率Fig.2　Crop yields and the contribution rate of fertilizer under different treatments

图2显示不同施肥处理的小麦、玉米产量差异显著。2008年小麦/玉米合计产量在 4658～15622.4 kg/hm2之间，与 CK 相比，增产幅度在 12.21～235.4%，肥料贡献率在 10.89%～70.18% 之间。施肥能显著增加作物产量，不同肥料对作物增产效果不尽相同。在等磷的条件下，单施肥产量大小为 N＞G＞M＞S，较 CK 增产了 200.96%、147.56%、111.41%、12.22%；配施对产量影响大小为 1/2GN＞1/2MN＞1/3MGN＞1/3MSN＞CK。N 处理对作物产量影响最为显著，与其配施 1/2GN、1/2MN 作物产量较高，与 CK 相比提高了 235.39%、197.32%，1/2GN 较单施氮产量增加 11.45%。说明施用有机肥能提高土壤养分含量，增加作物产量，氮减半与土壤有机肥配施，作物产量较单施氮不减反增，且氮与有机肥配施肥料贡献率较大。

根据表6可以看出，肥料支出以 1/2MG 最高，处理 M 与 G 其次。有机肥与氮合理配施的小麦、玉米净利润以 N、1/2GN 较大，CK 和 1/2MS 处理较小，单施氮肥或氮肥有机肥适量配施对于提高净收益作用较大。

表6　不同处理作物生产成本和经济收益（yuan/hm2）Table 6　Cost and economic returns of fertilization under different treatment

3　讨论

施肥方式直接影响着土壤养分的保持与累积，进而影响着作物的产量［27］。合理的施肥方式可以改善土壤理化性质、增加作物产量。本研究是在等磷的条件下，研究长期定位施用三种有机肥（M、G、S）与 N 的配施对土壤养分及酶活性、产量的影响，通过主成分与聚类及经济收益分析，综合筛选最为合理的施肥方式，为当地农业生产提供理论参考。

3.1不同施肥方式对土壤养分的影响

试验经过 21年定位施肥后，有机肥处理的土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量均高于不施肥处理，有机肥对提高土壤有机质和速效 N、P、K含量的作用大于化肥。土壤有机质含量的多寡是反映土壤肥力的重要指标，说明施加有机肥可以提高土壤质量。有机肥对土壤有机质含量的大小表现为M＞G＞S，主要是由于它们均含有较多的有机质如作物秸秆及作物根茬，农家肥还含有动物粪便、消化道酶及大量微生物［29］，可以促进氮的矿化，有机磷的分解［30-31］，且单施化肥土壤有机质的矿化损失大，高于配施有机肥处理。因此，单施有机肥或者有机肥与 N 减量配施可以提高土壤有机质。

土壤有机质与碱解氮含量呈极显著正相关［32］。施加有机肥处理碱解氮含量高于单施氮，主要是由于有机肥含有较多有机质，其腐解、释放的氮素会增加碱解氮含量。本试验中绿肥与农家肥单施，或者与其减量配施的土壤碱解氮含量较高，单施秸秆与氮或者与其配施，土壤碱解氮含量较小。其主要原因是：土壤腐解速率取决于 C/N 比，豆科植物易分解组分含量高，C/N 比值小（约为 20～30∶1），在分解时能释放较多的氮素；本试验农家肥全氮含量比绿肥低 26.67%，C/N 比值高于绿肥低于秸秆；秸秆土壤碱解氮含量最低是由于秸秆的 C/N 比大多在60～100∶1［29］，C/N 比大，施入土壤后，常易发生微生物与作物争夺氮素。因此，不同施肥处理土壤碱解氮含量大小为绿肥＞农家肥＞秸秆＞N。

施用有机肥均能够提高土壤有效K的含量，三种有机肥对土壤有效钾含量的影响农家肥＞绿肥＞秸秆。钾素主要来源于土壤中含钾矿物风化及土壤有机质分解［33］，农家肥含有丰富的钾，绿肥、秸秆次之。氮或者氮与绿肥、秸秆配施有效钾含量有所下降，说明施氮肥能促进作物对土壤有效钾的吸收利用，当土壤中钾素含量较少的情况下，随作物籽粒及秸秆携带钾素累积量增加，土壤钾素流失加快［34］。

长期施有机肥对土壤有效磷含量影响为农家肥＞秸秆＞绿肥，以 1/2MS 处理的有效磷含量最高，而秸秆与绿肥对有效磷的影响差异不显著。有机肥本身含有较高的有机磷，而有机磷组分比例不尽相同，从而对土壤有效磷的贡献不同。秸秆中的磷素经过分解和转化积累到土壤中的有效磷较少，可缓慢增加土壤有效磷含量，而 M 中磷素含量较高，磷素形态复杂且分解较快，对土壤有效磷的贡献是 N的 2～4 倍［36］。邱凤琼等的研究表明，施秸秆同样有利于土壤有效磷含量的提高［37］，农家肥和秸秆二者的共同施入能够提高土壤有效磷和有机质含量，为土壤微生物生长提供良好的环境，与颜慧等的研究结论一致［38］。

3.2施肥对土壤酶活性的影响

长期施肥可直接影响土壤酶的活性。单施有机肥或者有机肥配施氮对提高土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶的活性均优于单施氮或不施肥；高量有机肥及氮在减半或减到三分之一、四分之一配施下，酶活性并不随有机肥量的剧减而大幅减小，而以有机肥与氮减量配施效果更好，这与宋震震等的结论一致［39］。绿肥处理能显著提高蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶酶活性；农家肥可以显著提高碱性磷酸酶活性，秸秆对于提高酶活性不明显且较绿肥与农家肥差。主要由于绿肥含有丰富的碳源、氮源，是土壤微生物营养源，且易分解，与农家肥或氮肥配施，可以提高土壤微生物量，进而提高土壤酶活性。

3.3不同施肥方式对作物产量及效益的影响

有机肥源以人畜排泄物和作物秸秆、绿肥等使用较广泛。近年来，由于制作和施用有机肥花工费多，农村劳力逐渐减少等因素使得有机肥施用量呈下降趋势，从 1979年单位播种面积平均施用有机肥10830 kg/hm2，到近几年为 9000～9750 kg/hm2［40］，但有机肥的用量如果不断增加会导致肥料利用降低和增加农田磷的地表流失量加速了地表水体富营养化，造成环境污染。研究表明有机肥配施无机肥较单施更加能够显著提高产量［41］，有机无机配施中的矿质养分和有机养分的释放既能补充土壤养分不足，又具有持久释放的能力，合理运筹氮肥是实现作物高产和超高产的重要措施，而长期单施和过量施用氮肥会造成土壤有机质含量降低、理化性状恶化，长期有机无机肥料配施方可提高土壤微生物量碳氮、脲酶活性［42］，最大限度地发挥营养元素互补作用，长期施用有机肥料，随着施用年限延续有机肥肥效逐渐积累，并表现出良好的渐进与持续性。常规农村施氮肥的投入均大于产出，过量的氮肥投入不仅降低了其经济效益，也降低了环境生态效益。汪军等研究表明随氮肥用量的增加其经济效益呈先增加后降低的趋势，过量的施氮使得作物新增纯收益率显著低于低氮处理，其经济效益降低［43］，而有机肥与氮肥的配施较单一施用有机肥或氮肥能更有效地提高潮土的土壤肥力，提高作物产量［44］。在农业生产中，农民为了追求高产而盲目施氮，造成了肥料的浪费，作物生长发育受到胁迫，产量只降不增，造成大量 NO3-淋溶，地下水污染，危害人类健康。本试验以施加 1/2GN、1/2MN 处理作物产量较其他施肥高。因此，在氮肥减半的情况下，施用1/2GN、1/2MN 处理既可以保持土壤有效钾、磷稳定在一定水平上，避免过多的 NO3-进入环境，同样能提高作物产量，说明在生产中减少化肥的投入量空间很大，最佳的施肥方式是有机肥与化肥配施，其可兼顾作物产量、生态环境及经济效益。

3.4主成分和聚类分析在长期定位试验中的应用

化肥和有机肥对改善土壤肥力的作用已有大量研究，但多集中于单方面指标的定性，通过简单相关性分析论述单项土壤养分指标与土壤质量的关系［45］。随着统计学的应用领域不断拓展，越来越多的学者，将土壤理化指标通过函数关系或图形来描述各因子之间的关系［46］，但有些因子内在相互关系不易用准确的函数或者数据来描述，从而使它们提供的信息部分发生交叉和重叠而影响了数据的正确分析。主成分分析的优点是简化数据，是揭示变量间关系的一种多元统计分析方法［47］。在土壤等级划分、资源评价及合理利用方面，主成分分析得到大量的应用［7］。一般认为主成分分析可以弱化变量间的自相关性所引起的误差，形成互不相关主成分，获得各主成分得分，同时通过计算得到综合评价得分，从而达到对土壤质量的精确评价［47］。本研究把不同施肥方式下的培肥效果采用主成分与聚类分析做出定量化评价，以期为土壤可持续利用提供理论参考。

4　结论

1）等磷条件下，长期单施高量农家肥、绿肥、秸秆，或者农家肥与氮肥配施均能提高土壤有机质、碱解氮、有效磷含量，但绿肥和秸秆减量与氮肥配施不能弥补土壤钾的耗竭。

2）与绿肥和秸秆相比，农家肥更有利于土壤有机质、有效磷、速效钾含量的提高，有利于土壤磷酸酶与过氧化氢酶活性的提高，而绿肥更加有利于土壤碱解氮、蔗糖酶活性、脲酶活性的提高。

3）经济效益与产量聚类综合分析，农家肥、绿肥和秸秆长期单施成本高，产量和经济效益低，维持土壤养分和产量的用量大。因此，提倡适量有机肥与氮肥配施，达到提高作物产量，增加经济效益，保证土壤肥力可持续发展。

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Combined long-term application of organic materials with nitrogen fertilizer in suitable amount could improve soil fertility and crop production profit in He-xi Oasis of Gansu Province

MA Zhong-ming1，WANG Ping2，CHEN Juan1，BAO Xing-guo1
（1 Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou 730070， China；2 Lanzhou Agro-technical Research and Popularization Center， Lanzhou 730070， China）

【Objectives】Irrigation agricultural area in He-xi Oasis， Gansu Province， is one of the important commercial maize production base in China. Study on the effects of different fertilization patterns on soil fertility and crop yield will provide a scientific basis for high efficient and sustainable agricultural production in the area.【Methods】A long-term field experiment（1988-2009）under the base of application of P2O5150 kg/hm2，except control， was conducted in irrigated desert soil. The 13 treatments included single application of farmyard manure 120 t/hm2（M）， green manure 45 t/hm2（G）， straw 10.5 t/hm2（S）， N fertilizer 375 kg/hm2（N）and their combined application with each other as: 1/2MN， 1/2GN， 1/2SN， 1/2MG， 1/2MS， 1/2GS and 1/3MGN， 1/3MSN and 1/4MGSN. The soil organic carbon and available nutrient contents and the main soil enzyme activities were determined. Principle components analysis， cluster analysis and cost and economic returns were used to evaluate the soil quality and economic returns of different fertilization treatments.【Results】Long term treatments of CK， N， NG， NS caused soil available K deficiency， and the corresponding decease was 16.59%， 39.37%，25.04% and 23.31%， compared to those in 1988. The single application of M， G， and S or combined application with N could increase the contents of soil available N， soil available P， soil available K and soil organic matter（SOM）and soil enzyme activities（invertase， urease， alkaline phosphatase and catalase）， and the contents of soil available N， P， K and SOM were in order of combined organic fertilizer application in high quantity＞the combined application of low quantity organic fertilizer with low N＞single N＞CK. The single G or GN could increase the activities of invertase and urease， and the treatments of M， G and MN， GN could increase activities of alkaline phosphatase. The PCA and clustering analyses showed that the 13 fertilizer treatments can be divided into four categories according to the quality of soil: the first one was the high quantity organic fertilization including M， G and MG， the second one was the combined application of organic manure and N fertilizer including MN， MSN， MGN， GN， MS and MSGN， the third one was N， SN and S， and the last one was CK. Compared to CK， all the fertilization treatments could significantly improve crop yields， the crop yields were increased by 12.21%-235.4%， and the fertilizer contribution rates were in a range from 10.89% to 70.18%. The order of the crop yields was N＞G＞M＞S， and the order of the crop yields was GN＞MN＞MSN＞MGN＞MG＞SN＞MSGN＞MS. The organic fertilizer combined with application N fertilizer could obtain high yields. The cost and economic returns analysis showed that the single application of N fertilizer or organic fertilizer combined with N fertilizer could increase the net income.【Conclusions】Through the analysis and comparison， single application of farmyard， straw and green manure needs huge amount of input to keep soil fertility and a certain level of yield in the long run， the cost is high and economic benefit is low as a result. Therefore， the combined application of suitable amount of nitrogen fertilizer with organic materials is recommended for the increase of the crop yields and economic efficiency， ameliorate soil health and improve soil ecological environment.

long term fertilization； soil nutrient； enzyme activities； principalcomponentsanalysis；clustering analysis； crop yield

S154.2

A

1008-505X（2016）05-1298-12

2015-08-06接受日期：2015-12-18

日期：2016-05-26

公益性行业专项北方高原山地区面源污染监测与氮磷投入阈值研究（201003014-7）资助。

马忠明（1964—），男，甘肃省民勤人，博士生导师，研究员，主要从事作物栽培和节水农业研究。

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