连续施肥对不同肥力稻田土壤基础地力和土壤养分变化的影响

鲁艳红，廖育林,3，聂 军,3，周 兴，谢 坚，杨曾平



连续施肥对不同肥力稻田土壤基础地力和土壤养分变化的影响

鲁艳红1,2，廖育林1,2,3，聂 军1,2,3，周 兴1,2，谢 坚1,2，杨曾平1,2

（1湖南省土壤肥料研究所，长沙410125；2农业部湖南耕地保育科学观测实验站，长沙 410125；3南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128）

【目的】研究双季稻种植制度下，连续3年施肥与不施肥对不同肥力土壤基础地力产量、基础地力贡献率、土壤氮磷钾表观平衡和土壤养分变化的影响，为不同肥力土壤基础地力培育及土壤肥力维持和提升提供参考。【方法】从32年长期施用不同肥料定位试验的不施任何肥料（CK）、施氮磷钾肥（NPK）和氮磷钾肥配施稻草（NPKS）处理采取土壤，分别代表3种不同肥力水平，设置连续3年施肥与不施肥处理的盆栽试验，监测双季水稻产量、土壤基础地力产量、基础地力贡献率和土壤氮磷钾养分的变化。【结果】在试验期间，不同肥力土壤的早晚稻基础地力产量、基础地力贡献率均表现为：NPKS处理土壤＞NPK处理土壤＞CK处理土壤，且随着试验年限的延长，不同肥力土壤之间的差异呈逐渐缩小趋势，到试验第3年，不同肥力土壤之间的差异变得不显著。无论施肥或不施肥，初始肥力越高的土壤经3年6季水稻种植，由作物收获带走的氮、磷、钾养分越多。不同肥力土壤在连续施肥条件或不施肥条件下，肥力养分变化规律存在较大差异，这种差异与水稻种植体系中养分输入-输出平衡状况有一定关系。【结论】初始肥力越高的土壤如果连续不施肥，其基础地力下降得越快。因此，对于地力水平较低的土壤应注重合理施肥，培育和提高农田土壤肥力和基础地力；地力水平较高的土壤也应注意高效合理补充养分，以维持土壤较高的肥力水平和持续生产力。

双季稻田；不同肥力；土壤基础地力；土壤养分；连续施肥

0 引言

【研究意义】2015年中国粮食总产量达到6.2144×108t，粮食生产实现“十二连增”，这主要与近年来中国粮食生产结构调整、科技进步和粮食播种面积稳步扩大有关，也与中低产田改良密不可分[1]。为了实现新形势下国家粮食安全战略中谷物基本自给和口粮绝对安全的目标，进一步提高中国粮食生产能力成为必然要求。但是，在中国粮食连续多年增产后基数大、生产资源约束趋紧的形势下，如何满足未来粮食持续增产成为亟待解决的问题。通过合理施肥提高农田土壤质量，提升面积广大的中低产田地力水平，提高农业生产资源利用的可持续性成为应对这一问题的有效途径。【前人研究进展】农田基础地力提升对农作物产量提高有非常重要的作用，同时对减少化肥投入，减少环境负担也有重要意义[2-4]。农田地力水平的高低取决于养分补偿与消耗的动态平衡。中低产田改良过程也是土壤地力培育和提升过程[5-6]，高强度种植中，农田地力的提升有赖于生产过程中培育补偿作用的加大和生物转化过程中物质积累的贡献。合理施肥既是水稻稳产增产的重要途径，也是土壤基础地力培育的重要措施[7-8]。通过农田土壤基础地力的提高，可以实现“藏粮于地”。合理均衡施肥或有机无机肥配施能缓慢培育或维持土壤肥力，而长期非均衡或不施肥则可能导致作物产量下降、土壤养分比例失衡、养分耗竭[9-10]。【本研究切入点】目前，中国中低产田存在的主要问题是土壤贫瘠化加重，高产田也普遍存在退化速度加快的问题。不同施肥使土壤基础地力朝不同方向发展，但以往关于施肥制度的研究较多集中在作物产量效应、养分吸收及养分利用效率等方面，有关施肥对于不同肥力土壤基础地力变化和土壤肥力变化的比较研究相对较少。【拟解决的关键问题】本研究从32年长期施用不同肥料定位试验的不施任何肥料（CK）、施氮磷钾肥（NPK）和氮磷钾肥配施稻草（NPKS）处理采取土壤，分别代表高、较高、低3种不同肥力水平，在这3种土壤基础上设置施氮磷钾肥和不施肥盆栽试验，监测连续3年6季水稻种植中的3种不同肥力水平土壤上双季稻产量效应和基础地力的变化规律，分析不同肥力土壤基础地力变化特征的差异，研究土壤有机质、氮磷钾养分变化规律的差异及分析造成这种差异可能的原因，探讨同一施肥条件下不同肥力土壤基础地力变化的方向及速率，揭示农田地力提升机理，提出农田地力定向培育对策，为克服农田高强度种植中的养分限制因素、提升农田基础地力和阻控高产田退化提供科学数据和理论支撑。

1 材料与方法

试验于2012—2014年在湖南省农业科学院盆栽试验场进行。

1.1 研究区概况

试验点地处亚热带季风气候，年均降雨量1 400 mm，降雨主要集中在春季和夏季，年均气温为16.8℃，最高和最低月平均气温分别在7月（28.9℃）和1月（4.7℃）。

1.2 盆栽试验设计

为了保证供试土壤除肥力不同外其他因素较为一致，盆栽土壤采自农业部望城红壤水稻土生态环境重点野外科学观测试验站的长期定位肥料试验，以该长期定位试验CK、NPK和NPKS三种处理的0—20 cm耕层土壤，分别代表低肥力、较高肥力和高肥力3种不同土壤肥力水平。土壤为第四纪红土发育的水稻土（粉质轻黏土，土壤系统分类名称为普通简育水耕人为土），基本理化性状见表1。在每种肥力土壤上分别设置常规施肥（施NPK化肥，conventional fertilization，CF）和不施肥（no fertilization，NF）处理，9次重复。试验采用的陶瓷盆钵高32.0 cm，直径20.0 cm，每盆装干土10.0 kg。盆栽土壤均过5 mm筛，混合均匀装盆后，浸水两天使土壤完全湿润再施基肥。盆栽试验氮、磷、钾化肥品种分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。氮肥（N）按早稻1.38 g/盆和晚稻1.60 g/盆施入；磷肥（P）按早稻、晚稻各0.35 g/盆施入；钾肥（K）按早稻、晚稻各0.89 g/盆施入。2012—2014年早稻为常规稻品种湘早籼24号，晚稻为杂交稻品种丰源优272，插秧时每盆3穴。种植制度为双季稻-冬闲。

表1 盆栽试验供试土壤的基本理化性状

1.3 样品采集与测定

每季水稻成熟后各盆钵单独测产，测定稻谷和稻草重量，并制备植株样品用于测定氮、磷、钾含量。于每年早晚稻成熟后从各盆钵采集0—15 cm土层土壤样品，用于分析土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾含量。采用常规分析法测定[11]。

1.4 数据处理

基础地力产量（Yield of basic soil productivity，BSPY）=不施肥区籽粒产量；

基础地力贡献率（Contribution rate of basic soil productivity to yield，BSPCR）=不施肥区籽粒产量/施肥区籽粒产量。

数据处理及分析采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.5等数据处理系统。

2 结果

2.1 不同肥力土壤连续不施肥和施肥下的水稻产量效应

2.1.1 不同肥力土壤基础地力产量的动态变化 不同肥力土壤连续3年不施肥早晚稻基础地力产量的动态变化如图1所示。在试验期间，不同肥力土壤早晚稻基础地力产量均表现为：NPKS处理土壤＞NPK处理土壤＞CK处理土壤，但在试验前2年不同肥力土壤之间基础地力产量存在较大差异，试验第3年不同肥力土壤之间的早晚稻基础地力产量差异不明显（＞0.05）。

不同大、小写字母分别表示处理间差异达到极显著水平（P＜0.01）和显著水平（P＜0.05）。下同

早稻基础地力产量在试验第1年NPK处理土壤较CK处理土壤高78.2%（＜0.01），试验第2年高38.4%（＜0.01），试验第3年仅高1.4%（＞0.05）；试验第1年NPKS处理土壤较NPK处理土壤高21.9%（＜0.01），试验第2年高21.4%（＜0.05），试验第3年高2.2%（＞0.05）。晚稻基础地力产量在试验第1年NPK处理土壤较CK处理土壤高30.1%（＜0.05），试验第2年高25.8%（＜0.05），试验第3年高2.4%（＞0.05）；试验第1年NPKS处理土壤较NPK处理土壤高31.5%（＜0.05），试验第2年高18.5%（＜0.05），试验第3年高6.7%（＞0.05）。从总体上看，随着不施肥年限的延长，不同肥力土壤之间基础地力产量的差异呈逐渐缩小趋势。

2.1.2 不同肥力土壤施肥处理产量的变化 在试验期间，不同肥力土壤早、晚稻施肥处理产量均表现为：NPKS处理土壤＞NPK处理土壤＞CK处理土壤（图2）。早稻施肥处理产量在试验第1年长期NPK处理土壤较CK处理土壤高13.1%（＜0.05），试验第2年高6.2%（＜0.05），试验第3年高0.4%（＞0.05）；试验第1年NPKS处理土壤较NPK处理土壤高13.3%（＜0.05），试验第2年高2.5%（＞0.05），试验第3年高0.9%（＞0.05）。晚稻施肥处理产量在试验第1年NPK处理土壤较CK处理土壤高38.3%（＜0.01），试验第2年高10.6%（＜0.05），试验第3年高2.0%（＞0.05）；试验第1年NPKS处理土壤较NPK处理土壤高1.1%（＞0.05），试验第2年NPKS处理土壤较NPK处理土壤高6.6%（＞0.05），试验第3年高1.8%（＞0.05）。从总体上看，试验前2年不同土壤之间施肥处理产量差异大于试验第3年。

图2 不同肥力土壤施肥处理产量的变化动态

2.2 不同肥力土壤基础地力贡献率的变化

不同肥力土壤早晚稻基础地力贡献率动态变化如图3所示。在试验期间，不同肥力土壤早晚稻基础地力贡献率均表现为：NPKS处理土壤＞NPK处理土壤＞CK处理土壤，试验前两年不同肥力土壤之间基础地力贡献率存在较大差异，试验第3年不同肥力土壤之间早、晚稻基础地力贡献率差异不明显（＞0.05）。

早稻基础地力贡献率在试验第1年NPK处理土壤较CK处理土壤高25.3%，提高率为50.7%（＜0.01），试验第2年提高7.1%，提高率21.9%（＜0.05），试验第3年NPK处理土壤与CK处理土壤之间无显著差异（＞0.05）；试验第1年NPKS处理土壤较NPK处理土壤提高14.1%，提高率18.8%（＜0.05），试验第2年提高5.8%，提高率为14.8%（＜0.05），试验第3年2种土壤间无显著差异（＞0.05）。晚稻基础地力贡献率在试验第1年NPK处理土壤较CK处理土壤提高2.6%，提高率为5.9%（＞0.05），试验第2年提高5.0%，提高率12.8%（＜0.05），试验第3年二者无显著差异（＞0.05）；试验第1年NPKS处理土壤较NPK处理土壤提高9.5%，提高率19.9%（＜0.05），试验第2年提高4.0%，提高率8.9%（＞0.05），试验第3年提高1.6%，提高率4.4%（＞0.05）。从总体上看，随着试验年限的延长，不同肥力土壤之间土壤基础地力贡献率的差异呈缩小趋势。

进一步分析不同肥力土壤基础地力贡献率在试验期间的变化，发现初始肥力最高的NPKS处理土壤其早稻基础地力贡献率由试验第1年的89.3%下降至第3年的31.8%，年均下降28.7%，初始肥力较高的NPK处理土壤由试验第1年的75.1%下降至第3年的31.8%，年均下降21.7%，初始肥力较低的CK处理土壤由试验第1年的49.8%下降至第3年的30.8%，年均下降9.5%；晚稻基础地力贡献率NPKS处理土壤由试验第1年的57.2%下降至第3年的38.1%，年均下降9.6%，NPK处理土壤由试验第1年的47.7%下降至第3年的36.5%，年均下降5.6%，CK处理土壤由试验第1年的45.3%下降至第3年的36.4%，年均下降4.4%。这一结果表明在连续不施肥条件下，初始肥力水平越高的土壤其基础地力贡献率下降的速率越快。

图3 不同肥力土壤基础地力贡献率的变化动态

2.3 氮磷钾养分投入与水稻收获带出收支平衡分析

通过计算3年6季水稻种植中氮、磷、钾养分总投入和总支出分析养分表观平衡。由于在本试验中未测定干湿沉降中的氮磷钾养分，表2中养分投入仅包括通过肥料的养分投入。试验采用的陶瓷盆钵底部完整无孔，不产生养分淋溶损失；由于未测定挥发和降雨时溢出水分的养分量，表2中养分支出为6季水稻收获带走的总养分量。

由表2可以看出，3种土壤不施肥处理（NF）的氮、磷、钾支出由高到低均表现为NPKS处理土壤＞NPK处理土壤＞CK处理土壤，施肥处理（CF）氮、磷、钾养分支出也表现为NPKS处理土壤＞NPK处理土壤＞CK处理土壤。这表明无论施肥或不施肥，在相同条件下初始肥力越高的土壤由作物收获带走的养分越多。在分析中还发现，不同肥力土壤作物带走养分的这种高低差异在试验前期更明显，随着试验的进行不同土壤间的差异在减小（数据未列出）。

表2 氮、磷、钾养分表观平衡状况分析

2.4 不同肥力土壤连续施肥或不施肥下土壤养分的变化

不同肥力土壤连续不施肥处理和施肥处理土壤养分动态变化特征有所差异（图4）。试验期间，连续施肥条件下CK处理土壤和NPK处理土壤有机质随试验年限呈上升趋势，NPKS处理土壤有机质随年限变化不显著；连续不施肥条件下CK处理土壤有机质随年限呈上升趋势，NPK处理土壤有机质随年份基本不变化，NPKS处理土壤有机质呈下降趋势。

不同肥力土壤在连续施肥或连续不施肥条件下土壤全氮在试验前两年有下降趋势，第3年又有所回升。从总体上看，初始全氮含量最高的NPKS处理土壤全氮随年限呈下降趋势。3种土壤全氮初始含量差异较大，经过3年6季连续不施肥后全氮含量变得基本接近；经过3年连续施肥，其土壤全氮含量差异也呈减小趋势。在试验期间，3种肥力土壤连续施肥或连续不施肥下土壤碱解氮含量均随试验年限呈上升趋势。

连续不施肥条件下，肥力较高的NPK和NPKS处理土壤全磷随试验年限的推移呈下降趋势。3种肥力土壤连续施肥下有效磷均呈上升趋势，但变化均不显著；连续不施肥下土壤有效磷均随试验年限推移呈下降趋势，初始肥力越高的土壤有效磷下降越明显。

3种土壤连续施肥或连续不施肥下土壤全钾含量随试验年限均无明显变化。连续不施肥条件下，3种肥力土壤速效钾均随试验年限的推移呈下降趋势。连续施肥条件下，CK处理土壤速效钾随试验年限呈上升趋势，NPKS处理和NPK处理土壤速效钾随试验年限变化不明显。

图4 连续施肥和不施肥对不同肥力土壤养分的变化动态

3 讨论

3.1 连续施肥或不施肥下不同肥力土壤作物产量的变化

地力条件是制约作物生长的主要因素之一，不仅不施肥下的作物产量（基础地力产量）受土壤地力水平影响，施肥条件下的作物产量也与土壤地力水平密切相关[12-13]。夏圣益[14]认为基础地力高的土壤作物获得高产的潜力较大，基础地力低的土壤只有在较高施肥水平下才能获得较高产量。曾祥明等[15]在不同肥力田块上的研究表明无论是施肥或不施肥，在相同施肥条件下高肥力稻田水稻产量均高于低肥力稻田，在其他作物上的研究也得到类似结果[15-18]。叶全宝等[19]认为不同土壤条件下水稻施肥产量效应差异的主要原因可能与土壤基础肥力的差异有关。本研究试验结果也表明，在3种不同肥力土壤上，在试验期间，无论施肥或不施肥早、晚稻产量均表现为初始肥力越高的土壤其产量也越高，这一结果也证明土壤地力条件对作物产量的重要影响。因此，培育和维持较高的土壤肥力是获得水稻高产、高效的基础。本试验结果还表明不同初始肥力土壤在不施肥条件下水稻产量的差异随试验年限推移呈减小趋势，这可能是由于在连续不施肥种植条件下，土壤处于一种养分持续消耗状态，初始肥力较高土壤在试验前两年产量较高，随作物收获移出土壤的养分较多，其土壤养分消耗量也越多，肥力下降速度也越快，从而导致产量差异随试验年限推移逐渐变小。连续不施肥条件下土壤养分处于不断消耗状态，在理想条件下同一土壤同一处理水稻产量应该呈现逐年降低趋势，但在本试验中观察到第1年水稻产量低于第2年的现象，这可能主要与两方面原因有关：一是供试土壤从大田取回后即进行晾干、混匀和过筛，装盆泡水2 d后立即开展试验，此时土壤结构、孔隙、耕层土壤养分分布等条件并不利于水稻生长，而经过2季水稻种植后土壤结构等物理性状得到改善，有利于水稻生长；二是可能与该盆栽场为露天场地，2013年的气候条件更有利于作物生长有关。

3.2 连续不施肥条件下不同肥力土壤基础地力贡献率的变化

长期不施肥可能导致土壤基础地力下降[20-22]，如黄欠如等[20]通过23年的长期施肥试验研究发现23年长期不施肥红壤性水稻土地力贡献率较第1年降低9.4%。本试验研究连续3年不施肥条件下不同肥力土壤基础地力贡献率变化的结果发现，在试验期间初始肥力高的土壤其早晚稻基础地力贡献率也较高，初始肥力低的土壤其基础地力贡献率也较低，同时也发现不同肥力土壤基础地力贡献率均随试验时间的推移呈下降趋势，而肥力越高的土壤其基础地力贡献率下降速率越快，到连续不施肥第3年，初始肥力差异较大的3种土壤基础地力贡献率已无明显差异。这说明对于低地力土壤，只有通过长期合理施肥来培育基础地力和提高土地生产力，才能实现“藏粮于地”，保证粮食生产稳产、高产和农业生产的可持续性；对于高地力土壤，同样要注重合理施肥，因为在目前高强度种植制度下，地力越高的土壤其养分消耗得越快，如果不通过合理施肥使农田地力生产消耗与地力培育补偿相匹配，有效调控农田系统生产力，高产田退化速度将十分迅速。

3.3 连续不同施肥措施下不同肥力土壤的养分变化及其与土壤基础地力的关系

土壤肥力是土壤的核心和农业可持续发展的基础[23]。土壤养分含量是土壤地力最直观的因素，通常地力水平较高的土壤其各项养分指标也相对较高[17]。不同施肥制度对土壤肥力养分的作用已有大量研究[24-30]。廖育林等[24]通过27年长期定位施肥试验研究发现长期不施肥土壤有机质随试验时间延长而显著下降，施氮磷钾肥土壤有机质随时间延长呈上升趋势；向艳文等[25]研究认为双季稻种植制度下长期不施肥导致土壤全氮、水解性氮下降，长期均衡施肥促进土壤全氮和水解性氮含量的提高；宇万太等[26]认为不施肥导致土壤全磷、速效磷明显降低。这些研究均表明不同施肥制度对土壤养分具有重要的影响，但这些研究多是集中在不同施肥制度对同一土壤条件下土壤养分影响方面，对于连续不同施肥对不同肥力土壤养分变化的比较研究还相对较少。本研究结果表明连续施肥或不施肥条件下，对于同一质地的土壤和在相同的种植制度和管理措施下，土壤的肥力水平差异对土壤养分的变化存在明显影响，这种影响的差异主要表现在土壤养分变化方向和变化速率上。而土壤养分变化方向和速率也是决定土壤基础地力发展方向的基本因素。在本试验条件下影响土壤养分变化方向和速率的重要因素是养分投入和养分支出的输入-输出平衡关系，养分投入和消耗的动态平衡通过影响土壤养分的变化也影响土壤基础地力产量和基础地力贡献率的变化速率与方向。

4 结论

4.1 不同肥力土壤的早、晚稻基础地力产量、基础地力贡献率均表现为：NPKS处理土壤＞NPK处理土壤＞CK处理土壤，在试验前两年不同肥力土壤之间存在较明显的差异，但不同肥力土壤之间的差异随着试验年限的推移呈逐渐缩小趋势，到试验第3年，不同肥力土壤之间的差异已不显著。

4.2 无论施肥或不施肥，在相同条件下初始肥力越高的土壤由作物收获带走的氮、磷、钾养分越多。水稻种植体系中养分输入-输出平衡状况对不同肥力的土壤肥力养分变化产生一定的影响。不同肥力土壤在连续施肥条件下或连续不施肥条件下土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷等养分的变化规律有所差异。

4.3 初始肥力越高的土壤如果连续不施肥，其基础地力下降得也越快。因此，根据土壤肥力水平的特性及其与水稻生产的关系，有针对性地调节施肥措施，能更好地发挥土地生产潜力，增加水稻产量。对于地力水平较低的农田土壤，应注重合理施肥培育和提高农田土壤肥力与基础地力；地力水平较高的土壤也应注意高效合理补充养分，维持土壤较高的肥力水平和持续生产力。

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（责任编辑 赵伶俐）

Effect of Successive Fertilization on Dynamics of Basic Soil Productivity and Soil Nutrients in Double Cropping Paddy Soils with Different Fertilities

LU Yan-hong1,2, LIAO Yu-lin1,2,3, NIE Jun1,2,3, ZHOU Xing1,2, XIE Jian1,2, YANG Zeng-ping1,2

(1Soil and Fertilizer Institute of Hunan province, Changsha 410125;2Scientific observing and experimental Station of Arable Land Conservation (Hunan), Ministry of Agriculture, Changsha 410125;3Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha 410128)

【Objective】Effects of successive fertilization for 3 years on the dynamic change of basic soil productivity (BSP) yield, contribution rate of basic soil productivity, apparent balance of NPK and soil nutrients in paddy soils with different fertilities under double-cropping rice system were studied to provide reference for basic soil productivity cultivation and soil fertility maintaining and improving in different fertility soils.【Method】A pot experiment based on three different fertility soils collected from a long-term fertilizer experiment including no fertilizer (CK), NPK fertilizer (NPK) and NPK fertilizer plus rice straw (NPKS) was conducted. Two treatments were designed including no fertilizer (NF) and NPK application (CF) for three years for the above soils to monitor the impacts of these treatments on the changing characteristics of rice yield, BSP yield, BSP contribution rateof double-cropping rice, soil NPK nutrients and soil organic matter.【Result】Results showed that the orders both of BSP yield and BSP contribution rate in soils with different fertilities were NPKS treatment soil＞NPK treatment soil＞CK treatment soil during the period of the experiment, and the differences of BSP yield and BSP contribution rate among different fertility soils decreased with the experimental years. The differences of BSP yield and BSP contribution rate among soils with different fertilities were insignificant in the last experimental year. Whether fertilization or nofertilization, the higher fertility was of the initial soil, more nitrogen, phosphate and potassium nutrients were taken away from soil by rice plant in six seasons ofthree years rice planting. There were greater differences between different fertility soils in nutrient fertility change rule under continuous fertilization or no fertilization, which had a certain relationship with the nutrient input-output balance in rice planting system.【Conclusion】The higher the initial soil fertility, the faster the basic soil productivity declined under successive no fertilization. Therefore, reasonable fertilization in low fertility soil should be attached great importance in order to cultivate and improve soil fertility and basic soil productivity, and scientific and attention also should be paid to reasonable adding nutrients in high fertility soil to maintain relatively higher level of soil fertility and sustainable productivity.

double cropping paddy soil; different fertilities; basic soil productivity; soil nutrition; successive fertilization

2016-03-29；接受日期：2016-08-19

国家“十二五”科技支撑计划（2013BAD07B11）、国家公益性行业（农业）科研专项（201203013）、湖南省自然科学基金（2016JJ6063）、国际植物营养研究所（IPNI）资助项目（Hunan-17）

联系方式：鲁艳红，Tel：0731-84693197；E-mail：luyanhong6376432@163.com。通信作者聂军，E-mail:junnie@foxmail.com