长期施肥对栗褐土区土壤-作物系统可持续性的影响*

黄学芳, 王娟玲, 黄明镜, 赵 聪, 刘化涛



长期施肥对栗褐土区土壤-作物系统可持续性的影响*

黄学芳, 王娟玲, 黄明镜, 赵 聪, 刘化涛

(山西省农业科学院旱地农业研究中心 太原 030031)

利用长期施肥定位试验开展土壤-作物系统的可持续性评价, 可为农田合理施肥和管理提供理论支撑。在黄土丘陵区栗褐土农田进行了26年长期肥料定位试验, 设置8个处理, 分别是不施肥(CK)、单施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2, N]、氮[120.0 kg(N)·hm–2]和磷[75 kg(P2O5)·hm–2]肥配施(NP)、单施低量有机肥(22 500 kg·hm–2, M1)、低量有机肥与氮肥配合施用(M1N)、低量有机肥与氮磷肥配合施用(M1NP)、高量有机肥(45 000 kg·hm–2)与氮肥配合施用(M2N)和高量有机肥与氮磷肥配合施用(M2NP)。测定了19项指标, 根据三角性面积法计算了土壤养分指数、土壤微生物指数、作物指数和可持续性指数, 分析讨论了长期施肥对栗褐土区土壤-作物系统可持续性的影响。结果表明: 1)N、M1处理的可持续性指数较CK分别提高27.1%、141.7%, 但较临界值(1.30)低53.1%和10.8%; NP处理的可持续性指数虽然较N处理提高62.3%, 但仍比临界值(1.30)低23.8%。说明长期单施氮肥、低量有机肥和氮磷配施下土壤-作物系统均不可持续。2)施用无机肥处理(N和NP)的土壤养分指数、土壤微生物指数和作物指数较CK提高7.1%和46.4%、-6.0%和25.4%、40.0%和60.0%; 单施低量有机肥(M1)的土壤养分指数、土壤微生物指数和作物指数较CK提高98.2%、41.8%和31.7%。说明施用无机肥有利于作物指数的提升, 而施用有机肥有利于土壤养分指数和土壤微生物指数的提升。3)M1N处理的土壤养分指数(1.06)、土壤微生物指数(1.04)、作物指数(1.00)和可持续性指数(1.38)均超过或等于临界值, 使土壤-作物系统具有较好的可持续性。4)M1NP、M2N、M2NP处理的土壤养分指数较M1N处理分别提高21.7%、37.7%和72.6%, 土壤微生物指数较M1N处理分别提高15.4%、7.7%和18.3%, 作物指数与M1N处理相比差异很小, 可持续性指数较M1N处理分别提高28.3%、32.6%和68.1%。说明在M1N基础上再增施磷肥或有机肥, 可持续性指数可进一步提升是由于土壤养分指数和土壤微生物指数提高的缘故, 同时也增加了潜在的环境风险。适量有机肥与无机氮配合施用(M1N)是实现栗褐土区土壤-作物系统可持续生产的较佳施肥模式。

土壤-作物系统; 长期施肥; 栗褐土; 可持续性指数; 土壤养分指数; 土壤微生物指数; 作物指数

农业生态系统是一种人为控制的生态系统, 人为管理和气候环境因素共同影响了农田生态系统组成及其功能和过程的变化, 这些变化过程和相互作用存在时间和空间的效应[1]。施肥是人为管理的主要组成部分。合理施肥既能培肥土壤、提升土壤质量, 又能大幅度提高作物产量、改善品质、保护生态环境, 是实现农业可持续发展的基础[2-5]。由于施肥对土壤性质和生产力的影响是一个缓慢的过程, 因此施肥效应的研究只有在长期定位试验条件下才能获得较为正确的结论。长期定位试验具有时间的长期性和气候的代表性等特点, 可以克服气候的年变化对施肥效果的影响, 信息量丰富, 准确可靠, 在研究土壤质量演变、肥料效应、农田养分循环、施肥与环境关系、预测土壤承载能力以及为区域农业可持续发展提供决策依据等方面具有重要的科学价值[6-7]。

栗褐土是黄土丘陵区的主要土壤类型, 大部分土壤贫瘠且产量低而不稳, 农业生产可持续性差。前人利用砖窑沟流域的长期施肥试验开展了土壤理化性质、土壤肥力演变、土壤生产力、土壤微生物以及硝态氮残留等方面的研究[8-11], 但单项指标很难评价施肥的合理性和科学性。如许多研究认为长期施用无机肥与土壤质量以及农田生产力的关系表现为正效应[12-14], 而且无机肥对粮食增产的贡献在50%左右[15]; 也有研究指出长期偏施无机肥后土壤容重增加、孔隙度降低、土壤结构稳定性差[8,16], 加速土壤缺施养分的耗竭[17], 影响作物根系的生长, 导致作物产量及其稳定性下降[18-21]。为合理评价施肥对土壤-作物农田生态系统可持续性的影响, 需采用科学可行的方法。土壤是农业生态系统的基础, 也是作物生长的物质基础, 对土壤质量进行合理评价, 才能为农业的可持续发展提供理论依据, 因此也常用土壤质量指数指标来评价农业系统可持续[22],但该方法只考虑了土壤本身, 且评价方法需要考虑各项土壤功能的权重, 另外土壤质量各项指标还没有严格的统一标准[23]。沈宏等[24]研究认为土壤养分可持续性指数可以用来表征土壤肥力高低及其可持续性。作物产量是土壤、气候、耕作栽培等因素的综合反应的结果, 虽然作物产量不是土壤属性中的指标, 但与土壤生产力密切相关, 一般也可用作物产量的高低来评价土壤肥力。许多研究者用产量可持续性指数(SYI)评价农业系统的可持续性, SYI值越大, 系统的可持续性越好[25-27], 但该评价方法并没有土壤属性指标参与计算。李强等[28]、孙本华等[29]应用三角形面积法计算的可持续性指数探索性研究了农田生态系统的可持续性, 并且认为三角形面积法充分结合了土壤和作物指标属性, 能够较好地评价长期施肥对土壤-作物系统的可持续性。目前关于长期不同施肥条件下栗褐土区农田土壤-作物系统的可持续性研究尚少有开展。鉴于此, 本研究借助1988年在黄土丘陵区晋西北栗褐土农田的长期肥料定位试验, 测定了土壤-作物系统的19项指标, 并分类转化为土壤养分指数、土壤微生物指数和作物指数, 根据三角形面积法[28,30]计算可持续性指数。旨在综合评价长期不同施肥对农田土壤-作物系统可持续性的影响, 为该区域栗褐土农田可持续生产提供理论依据和建议。

1 材料和方法

1.1 研究区概况与试验方法

试验始于1988年, 地点位于山西省河曲县砖窑沟流域的沙坪村(39°12′18″N, 111°15′41″E), 海拔1 089 m, 年平均气温8.8 ℃, ≥10 ℃有效积温3 000~ 3 360 ℃, 无霜期140 d左右; 1988—2013年平均降雨量389.4 mm, 61%以上的降雨集中在6—8月。供试土壤为轻壤黄土质淡栗褐土, 试验前耕层0~20 cm主要理化性状: 土壤有机质5.64 g·kg–1, 全氮0.45 g·kg–1, 全磷1.23 g·kg–1, 碱解氮34.90 mg·kg–1, 速效磷2.69 mg·kg–1, CEC 6.97 cmol·kg–1, pH 8.2。

试验共设8个处理: 1)不施肥(CK); 2)单施氮肥(N); 3)氮磷配合施用(NP); 4)单施低量有机肥(M1); 5)低量有机肥与氮肥配合施用(M1N); 6)低量有机肥与氮磷肥配合施用(M1NP); 7)高量有机肥与氮肥配合施用(M2N); 8)高量有机肥与氮磷肥配合施用(M2NP)。其中氮肥用量为120.0 kg(N)·hm–2, 磷肥为75 kg(P2O5)·hm–2, 低量有机肥为 22 500 kg·hm–2, 高量有机肥为 45 000 kg·hm–2。试验小区面积 24 m2(4 m×6 m), 随机区组排列, 重复3次。氮肥为尿素(含N 460 g·kg–1), 磷肥为过磷酸钙(含P2O5140 g·kg–1), 有机肥为当地圈肥(N含量多年平均为 3.64 g·kg–1, P2O5含量多年平均为 2.46 g·kg–1)。所有肥料均作基肥在播前整地时一次性施用。1988—2008年, 采取糜子()-马铃薯()轮作方式耕种, 2009—2013年采取玉米()连作方式耕种, 每年秸秆不还田, 耕作管理措施与大田相同。

1.2 样品采集与测定方法

建议究利用究2013年10月玉米收获后, 用五点采样法采集各处理每个小区0~20 cm表层土样, 样品装入事先灭菌的聚乙烯塑料袋中并置于冰块上运回实验室。将采集的土壤样品分为两部分: 一部分土壤样品经风干处理后用于土壤养分的测定, 另一部分新鲜土壤用于可培养微生物的测定。土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾等指标按照常规方法测定[30]。土壤可培养微生物采用稀释平板法测定[31], 细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基, 放线菌采用改良高氏Ⅰ号培养基, 真菌采用马丁氏孟加拉红培养基, 有机磷细菌采用蒙金娜有机磷培养基, 无机磷细菌采用磷酸三钙无机磷培养基[32]。微生物数量以每克干土中的菌落数表示。2009—2013年期间玉米收获时, 在每个小区取15株玉米, 用于测定收获指数、籽粒养分含量及籽粒蛋白质、淀粉、脂肪含量; 每个小区单独收获进行测产。玉米籽粒全氮、全磷、全钾指标按照常规方法测定[30]; 玉米蛋白质、淀粉、脂肪含量采用FOSS近红外谷物品质分析仪测定。

1.3 可持续指数的计算方法

本研究测定了土壤-作物系统的6项土壤养分指标(土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾), 5项土壤微生物指标(细菌、放线菌、真菌、无机磷细菌和有机磷细菌)和8项作物指标(籽粒产量、籽粒全氮、籽粒全磷、籽粒全钾、收获指数以及籽粒的蛋白质、淀粉、脂肪含量), 并确定每项指标的临界值, 将每项指标实测值与临界值相比获得指标的无量纲化评价数值后, 再分别计算土壤养分指数(N)、土壤微生物指数(M)、作物指数(C)以及土壤-作物系统可持续性指数(sustainability index,S)[28,33]:

I=A/T(1)

式中: I为第个处理第个指标的无量纲化数值,A指第个处理第个指标的实测值,T是第个指标的临界值。各指标临界值的确定: 根据该研究区长期定位试验的研究结果, NP和M1N处理的土壤有机质、全氮和全磷养分指标随施肥时间而显著增加[9], 说明在氮磷配施或有机肥与氮肥配施条件下, 这3项养分指标持续性较好, 可以采用NP和M1N处理的平均值作为临界值。土壤碱解氮、速效磷和速效钾以全国土壤养分指标分级的第Ⅲ等级(较丰富)的中间值为临界值[34]。土壤微生物各指标采用不同施肥处理数值的算术平均值作为临界值。长期试验结果表明, 氮磷平衡施肥或有机无机配合施肥处理的作物产量相对较高, 作物生产的可持续性较高[3-4,9,26], 作物产量、籽粒全氮等作物指标以NP、M1N、M1NP、M2N、M2NP等处理的算术平均值作为临界值。

式中:Ni是第个处理的土壤养分指数值,是养分指标数量。

式中:Mi是第个处理的土壤微生物指数值,是土壤微生物指标数量。

式中:Ci是第个处理的作物指数值,是作物指标数量。

式中:S是土壤-作物系统可持续性指数, 其数值大小用△ABC面积(图1)表示, 图1中的、和是从点O出发的3条不同长度的线段, 每两条线段之间的夹角为120°,代表土壤养分指数,代表土壤微生物指数,代表作物指数, 连接3条线段的外端点即可组成△ABC, 再根据公式(5)计算出三角形面积(△ABC)就可得到每个处理下土壤-作物系统的可持续性指数S。为了达到系统的可持续性, 所选指标应该与系统可持续性呈正相关关系[35], 同时每个指标的数值应该等于或者大于指标临界值。可持续性指数越大表示系统的可持续性越强[28,33]。一般来说可持续性指数应该大于或等于1.3(当、和均为1时), 否则视为系统不可持续。

图1 三角形方法计算土壤-作物系统的可持续性指数

1.4 数据处理与统计分析

试验数据用Excel 2003进行处理, 方差分析和多重比较数据使用DPS 7.05软件完成。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥对土壤养分的影响

连续26年施肥, 不同施肥处理土壤有机质含量发生了显著变化。由表1可见, 长期施有机肥处理(M1、M1N、M1NP、M2N和M2NP)的有机质较CK增加100.5%~169.6%, 与CK间差异均达显著水平; 有机肥施用越多, 有机质含量提升幅度越高, 高量有机肥处理与低量有机肥处理之间差异也达显著水平。长期施用N和NP处理的有机质含量较CK分别增加13.3%、19.4%, 提升幅度较低，但NP处理与CK间差异显著, 而N处理与CK间差异不显著。

表1 不同长期施肥处理下土壤养分指标及临界值

CK: 不施肥; N: 单施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]; NP: 氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]和磷肥[75 kg(P2O5)·hm–2]配施; M1: 单施低量有机肥(22 500 kg·hm–2); M1N: 低量有机肥与氮肥配施; M1NP: 低量有机肥与氮磷肥配施; M2N: 高量有机肥(45 000 kg·hm–2)与氮肥配施; M2NP: 高量有机肥与氮磷肥配施。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。CK: non fertilization; N: application of 120.0 kg(N)·hm–2urea; NP: combined application of 120.0 kg(N)·hm–2urea and 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate; M1: application of 22 500 kg·hm–2organic fertilizer; M1N: combination of M1and N treatments; M1NP: combination of M1and NP treatments; M2N: combined application of 45 000 kg·hm–2organic fertilizer and 120.0 kg(N)·hm–2urea; M2NP: combination of M2and NP treatments. Different small letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

长期施肥下土壤氮素养分也发生了显著变化。7个施肥处理都含有氮素, 长期施肥后, 施肥处理的土壤全氮和碱解氮含量均高于CK(表1), 全氮含量增加幅度为21.4%~145.2%, 碱解氮含量增加幅度为8.0%~ 154.8%。其中有机无机配施更有利于土壤全氮和碱解氮含量的提高, 特别是高量有机肥处理(M2N、M2NP), 增加幅度最大。所有施肥处理的土壤全氮含量与CK间差异显著, 有机肥处理(M1、M1N、M1NP、M2N和M2NP)与施化肥处理(N、NP)间土壤全氮含量差异显著; 施有机肥处理的土壤碱解氮含量与CK相比差异显著, 而施N或施NP处理与CK相比差异不显著。单施有机肥(M1)提升土壤碱解氮含量的作用高于N处理, 而低于有机无机配施处理。说明长期施用有机肥能有效提高土壤氮素含量, 与氮肥或氮磷肥配合施用效果更明显。

表1可以看出, N与CK处理间土壤全磷和速效磷含量无显著差异, 其他施用磷肥和有机肥处理的土壤全磷和速效磷含量均显著高于CK, 其中有机肥和磷肥配施的效果更明显; M1NP和M2NP处理的全磷含量较CK增加幅度分别为55.7%和64.3%, 速效磷含量较CK分别增加585.0%和1 044.6%; M1、M1N和M2N处理的全磷含量较CK增加幅度为8.6%~22.9%, 速效磷含量较CK增加幅度为240.6%~515.4%; NP处理的全磷、速效磷含量较CK增加幅度为27.1%、304.4%。从全磷和速效磷含量的增加幅度看, 无论是施用化学磷肥还是施用有机肥或者有机肥配施磷肥, 土壤速效磷含量增加幅度远远高于全磷含量的增加幅度, 说明栗褐土长期施用过磷酸钙或者有机肥不仅可以增加土壤全磷含量, 而且能大幅提高土壤速效磷含量, 增强土壤的供磷能力。

连续26年长期施肥后, N和NP处理在没有配施化学钾肥情况下, 土壤速效钾含量与CK无差异, 并未加快土壤速效钾的耗竭, 这可能与栗褐土土壤全钾、缓效钾含量高有关, 可以在作物消耗土壤速效钾的过程中, 由土壤矿物钾和缓效钾不断补充和维持土壤速效钾的含量。长期施用有机肥对土壤速效钾含量产生了十分明显的影响, 所有施有机肥处理的速效钾含量排序由高到低依次为M2NP≈M2N>M1>M1N> M1NP, 分别较CK增加196.4%、196.4%、126.1%、98.6%和2.38%, 表现出有机肥施用量越多, 土壤速效钾含量越高的现象; 高量有机肥处理(M2NP、M2N)土壤速效钾含量与施低量有机肥处理(M1、M1N、M1NP)之间差异达显著水平, 低量有机肥处理与未施有机肥处理(CK、N、NP)之间速效钾含量差异也达显著水平。显而易见, 施用有机肥是维持和提高栗褐土供钾能力的一种重要措施, 这与有机肥本身含有比较丰富的钾元素有关。

2.2 长期不同施肥对土壤微生物数量的影响

由表2可知, 长期施肥后土壤微生物数量发生了明显的变化。所有施有机肥处理(M1、M1N、M1NP、M2N、M2NP)的土壤可培养细菌、放线菌、真菌、无机磷细菌和有机磷细菌数量较CK增加幅度分别为129.5%~149.7%、31.4%~60.8%、22.1%~167.6%、38.2%~63.6%和20.0%~53.2%, 与CK的差异均达显著水平; 有机肥配施化学氮、磷肥(M1NP、M2NP)提高土壤真菌数量的效果最为明显, 显著高于单施有机肥(M1)和有机肥配施氮肥的处理(M1N、M2N); NP处理的土壤可培养细菌、放线菌、真菌、无机磷细菌和有机磷细菌数量较CK增加幅度分别为75.8%、23.9%、3.5%、18.0%和23.0%, 但只有细菌数量与CK之间的差异达显著水平; N处理的土壤微生物数量与CK无显著差异, 甚至无机磷细菌数量显著下降。可见, 长期施用有机肥能有效提高土壤可培养微生物数量, 而长期单施氮肥或氮磷配施对土壤微生物数量的提升无显著作用。

表2 不同长期施肥处理下土壤微生物指标及临界值

CK: 不施肥; N: 单施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]; NP: 氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]和磷肥[75 kg(P2O5)·hm–2]配施; M1: 单施低量有机肥(22 500 kg·hm–2); M1N: 低量有机肥与氮肥配施; M1NP: 低量有机肥与氮磷肥配施; M2N: 高量有机肥(45 000 kg·hm–2)与氮肥配施; M2NP: 高量有机肥与氮磷肥配施。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。CK: non fertilization; N: application of 120.0 kg(N)·hm–2urea; NP: combined application of 120.0 kg(N)·hm–2urea and 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate; M1: application of 22 500 kg·hm–2organic fertilizer; M1N: combination of M1and N treatments; M1NP: combination of M1and NP treatments; M2N: combined application of 45 000 kg·hm–2organic fertilizer and 120.0 kg(N)·hm–2urea; M2NP: combination of M2and NP treatments. Different small letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.3 长期不同施肥对作物产量、养分吸收量及品质的影响

表3中的籽粒产量为5年(2009—2013年)的玉米平均产量。长期不施肥(CK)情况下, 5年玉米平均产量为3 200.8 kg·hm–2, 而以往种植马铃薯多年平均产量[9]为1 103.3 kg·hm–2(按5∶1折算的产量), 糜子的多年平均产量[9]为1 069.1 kg·hm–2。相比之下, 玉米的产量明显高于马铃薯和糜子。这可能和玉米能较充分利用当地的光热资源有关, 试验期间播种玉米的时间一般在每年的5月1日左右, 而种植马铃薯和糜子的时间一般都在6月1日左右。与CK相比, 所有施肥处理都显著提高了玉米产量, 增产幅度为80.4%~164.3%, 其中M1NP处理增产幅度最高, M1处理增产幅度最低; 有机无机配施的处理产量之间无显著差异, 但与N、M1处理之间差异显著; 氮磷配施(NP)产量显著高于单施氮肥(N)和单施有机肥(M1), 较N、M1增产幅度分别达22.8%和36.3%, NP处理的产量虽显著低于M1NP处理, 但与其他有机无机配施处理(M1N、M2N、M2NP)间无显著差异。这与相同试验不同施肥处理下马铃薯和糜子产量的变化趋势结果一致[9]。说明在黄土丘陵区栗褐土农田, 有机肥与无机肥配施或氮磷配施是提高作物产量的有效措施, 但在M1N基础上增施有机肥或化学磷肥不会再显著提高作物产量。

表3 不同长期施肥处理下作物(玉米)指标及临界值

CK: 不施肥; N: 单施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]; NP: 氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]和磷肥[75 kg(P2O5)·hm–2]配施; M1: 单施低量有机肥(22 500 kg·hm–2); M1N: 低量有机肥与氮肥配施; M1NP: 低量有机肥与氮磷肥配施; M2N: 高量有机肥(45 000 kg·hm–2)与氮肥配施; M2NP: 高量有机肥与氮磷肥配施。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。CK: non fertilization; N: application of 120.0 kg(N)·hm–2urea; NP: combined application of 120.0 kg(N)·hm–2urea and 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate; M1: application of 22 500 kg·hm–2organic fertilizer; M1N: combination of M1and N treatments; M1NP: combination of M1and NP treatments; M2N: combined application of 45 000 kg·hm–2organic fertilizer and 120.0 kg(N)·hm–2urea; M2NP: combination of M2and NP treatments. Different small letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

玉米籽粒全氮、全磷、全钾总量和籽粒蛋白质含量指标, 各处理之间的变化趋势与玉米籽粒产量相似。玉米收获指数以CK最低, 显著低于各施肥处理; 收获指数NP最高, 显著高于M1处理, 但与其他施肥处理差异不显著。

由表3可以看出, 长期施肥后, 玉米籽粒产量、籽粒氮磷钾总量、籽粒蛋白质含量等作物指标的变异系数高于10%, 而收获指数、籽粒淀粉含量和籽粒脂肪含量等作物指标的变异系数只有3.4%、0.5%和2.2%, 说明长期施肥对玉米籽粒产量、籽粒氮磷钾总量、籽粒蛋白质含量影响较大, 而对玉米收获指数、籽粒淀粉和脂肪含量影响较小。

2.4 长期不同施肥对可持续性指数的影响

由表4可以看出, 长期施肥处理的土壤养分指数、土壤微生物指数、作物指数及可持续性指数均高于CK, 表现为正效应, 各指数较CK平均增加108.9%、49.3%、58.3%和200.0%, 表明长期施肥可以提高栗褐土农田土壤-作物系统的可持续性。

表4 长期不同施肥处理的土壤养分、微生物、作物和土壤-作物系统可持续性指数

CK: 不施肥; N: 单施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]; NP: 氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]和磷肥[75 kg(P2O5)·hm–2]配施; M1: 单施低量有机肥(22 500 kg·hm–2); M1N: 低量有机肥与氮肥配施; M1NP: 低量有机肥与氮磷肥配施; M2N: 高量有机肥(45 000 kg·hm–2)与氮肥配施; M2NP: 高量有机肥与氮磷肥配施。CK: non fertilization; N: application of 120.0 kg(N)·hm–2urea; NP: combined application of 120.0 kg(N)·hm–2urea and 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate; M1: application of 22 500 kg·hm–2organic fertilizer; M1N: combination of M1and N treatments; M1NP: combination of M1and NP treatments; M2N: combined application of 45 000 kg·hm–2organic fertilizer and 120.0 kg(N)·hm–2urea; M2NP: combination of M2and NP treatments.

与CK的可持续性指数(0.48)相比, N和M1处理的可持续性指数分别提高27.1%和141.7%, 但是与可持续性指数临界值(1.30)相比分别低53.1%和10.8%, 表明长期单施氮肥(N)、单施有机肥(M1)下栗褐土农田土壤-作物系统不可持续。NP处理的可持续性指数较N处理提高62.3%, 但是与可持续性指数临界值相比仍然低23.8%, 表明长期氮磷配施下栗褐土区土壤-作物系统也不可持续。进一步分析发现, 施用无机肥(N、NP)更有利于作物指数的提升, 而施用有机肥(M1)更有利于土壤养分指数和土壤微生物指数的提升; 施用无机肥处理(N和NP)的土壤养分指数、土壤微生物指数、作物指数较CK提高7.1%和46.4%、-6.0%和25.4%、40.0%和60.0%, 且氮磷配施后(NP)的作物指数(0.96)接近临界值(1.00); 单施有机肥(M1)的土壤养分指数、土壤微生物指数和作物指数较CK提高98.2%、41.8%和31.7%, 且土壤养分指数(1.11)高于临界值(1.00), 土壤微生物指数(0.95)只略低于临界值(1.00)。因此在氮磷配施(NP)情况下也需要通过增加其他措施来提高土壤养分指数和土壤微生物指数, 才可能实现栗褐土区土壤-作物系统的可持续性, 而单施有机肥(M1)需要改善作物指数才能实现土壤-作物系统的可持续性。

有机无机配施处理(M1N、M1NP、M2N、M2NP)的可持续性指数较N、NP、M1处理平均增加199.2%、84.3%、57.3%, 并高出临界值(1.30)40.4%, 表明有机无机配施处理不仅使土壤-作物系统具有更好的可持续性, 而且还弥补了单施无机肥(N、NP)或单施有机肥(M1)持续性差的缺陷。

不同有机无机配施处理之间可持续性指数差异明显, 大小顺序依次是M2NP(2.32)>M2N(1.83)> M1NP(1.77)>M1N(1.38)。低量有机肥配施氮肥处理(M1N)的可持续性指数已超过临界值(1.30), 并且其土壤养分指数、土壤微生物指数和作物指数也都超过了临界值(1.00), 说明M1N处理可以使栗褐土区土壤-作物系统具有良好的可持续性。在M1N基础上再增施磷肥或有机肥后, M1NP、M2N、M2NP处理的土壤养分指数较M1N处理分别提高21.7%、37.7%和72.6%, 土壤微生物指数较M1N处理分别提高15.4%、7.7%和18.3%, 作物指数与M1N处理相比差异很小, 可持续性指数较M1N处理分别提高28.3%、32.6%和68.1%。增施磷肥后土壤养分指数增加的原因主要是磷肥有显著提高土壤全磷和速效磷含量的作用(表1), 而增施有机肥土壤养分指数增加是由于有机肥能显著提升土壤各项养分含量的缘故。说明在M1N处理基础上增施磷肥或增施有机肥主要是通过提升土壤养分指数和土壤微生物指数, 而使可持续性指数进一步提高, 但并不会再显著提高土壤-作物系统的产出。

土壤养分指数的变异系数为39.8%, 土壤微生物指数的变异系数为24.1%, 作物指数的变异系数为16.6%, 而可持续性指数的变异系数为48.2%。说明用可持续性指数能更好地反映栗褐土区不同施肥处理的差异, 这与李强等[28]认为作物指数的变异性最大的结果并不一致。

3 讨论

本研究利用长期施肥定位试验, 借助三角形面积法计算了长期不同施肥下栗褐土农田土壤-作物生态系统的可持续性指数。

栗褐土农田长期施肥试验表明, 长期单施低量有机肥(M1)的土壤养分指数高于临界值1.00, 在提升土壤养分指数方面表现为可持续, 而且M1处理的土壤微生物指数接近临界值, 表现为基本可持续。这是因为有机肥含有丰富的有机碳源和各种元素, 即能补充土壤有机质以及作物带走的各种土壤养分, 又有利于土壤微生物的生长繁殖, 故其土壤养分指数和微生物指数较高。王慎强等[12]的研究认为有机肥在创造有利于微生物生长发育的土壤环境方面明显优于化学肥料。但从作物指数来看M1处理, 其数值明显低于临界值, 表现为不可持续。因此单独用土壤养分指标或土壤微生物指标来评价M1处理下土壤-作物系统的可持续性则可能以偏概全。氮磷配施(NP)处理则相反, 其作物指数(0.96)接近临界值1.00, 较N处理有了明显提高, 表现为基本可持续, 主要是因为氮磷配施后作物产量、籽粒的吸氮量和吸磷量较N处理有了显著的提升; 李强等[28]对中国科学院安塞试验站17年连续施肥试验的研究同样发现, 氮磷配施较单施氮处理具有较强的增产优势, 显著促进了对氮磷元素的吸收量, 作物指数也大幅提高; 孙本华等[29]也得出了类似结果; 俄胜哲等[18]的研究发现, 随着试验年限的延长, 单施氮肥处理的土壤磷素等营养元素消耗过大, 导致产量急剧下降, 而氮磷配施后作物产量稳定性大幅增加。然而氮磷配施(NP)处理的土壤养分指数和土壤微生物指数均明显低于临界值1.00, 虽然其土壤全磷和速效磷含量较N处理有了显著提升, 使土壤养分指数有了一定的提高, 但并没有改善或明显提高其他土壤养分指标, 使得NP处理的土壤养分指数表现为不可持续, 这与李强等[28]的研究结果不同。这可能和本长期施肥试验不进行秸秆还田有关, 但按照养分归还学说原理, 只补施氮磷元素, 长期下去势必会造成土壤中其他元素含量的下降和亏缺。李彦等[36]的研究表明, 潮土上长期不施钾的NP处理其土壤速效钾下降幅度最大, 甚至低于35 mg·kg–1, 土壤处于缺钾状态; 因此不考虑土壤养分因素而单独用作物指数来评价NP配施条件下的土壤-作物系统的可持续性也不合理。

综合考虑3项指数指标后, CK、N、NP和M1处理的可持续性指数均小于可持续性指数临界值, 表现为不可持续, 避免了用单个指数评价农田系统的可持续性时而高估一些施肥处理的合理性。而有机无机配合的所有处理(M1N、M1NP、M2N、M2NP)可持续性指数均高于临界值, 表现出很好的可持续性(表4), 这与Kang等[33]、孙本华等[29]的研究结果一致。事实上, 从表4可以看出, 施用无机肥有利于作物指数的提升, 而施用有机肥有利于土壤养分指数和土壤微生物指数的提升, 有机无机结合可以利用各自的优点, 使得有机无机配施后的各项指数都得到了改善和提升, 保证了农田土壤-作物系统的可持续性生产。

三角形面积法要求所选指标应与系统可持续性指数成正相关关系, 因此就会存在施肥增多, 土壤养分指数和系统的可持续性指数增高的情况。如果按照可持续指数越大、系统的可持续性越强评价施肥的合理性和科学性, 就可能将过量施肥处理评价为最好的施肥措施, 而忽略了过量施肥形成的潜在环境风险。出现这种情况是因为三角形面积法的可持续性指数无法兼顾生态环境指标有关。为避免这种情况, 笔者认为应用三角形面积法评价施肥下农田土壤-作物系统的可持续性时, 较佳的施肥模式可能不是可持续性指数最大的施肥处理, 而是3项指数数值既超过临界值但又与临界值差值最小的施肥处理, 当然如果能结合与环境有关的指标去评价农田系统的可持续性会更科学。如在本试验中, M1N处理较CK的各项指数都有明显提高, 超过了临界值, 各指数数值与临界值差值又最小, 且各指数之间数值大小较均衡, 已使栗褐土区土壤-作物系统具有良好的可持续性。M1N处理中包括了有机肥(M1), 经过26年的连续施用, M1N处理下土壤的各项养分指标与CK相比有了显著的提升, 其中速效磷含量达到16.35 mg·kg–1, 与试验前土壤速效磷含量2.69 mg·kg–1相比, 提高了6.1倍, 其含量已达到了较丰富的水平, 可满足栗褐土农田土壤-作物系统的较高生产力需求。在M1N基础上增施磷肥后(M1NP), 作物指数没有明显增加, 但土壤速效磷(Olsen-P)含量却翻倍增加到32.88 mg·kg–1, 使土壤养分指数增加, 同时还提高了农田潜在的磷流失环境风险[37]。龚娟等[38]认为目标水体为湖库和河流的土壤Olsen-P环境阈值分别为25.0 mg·kg–1和75.0 mg·kg–1。而在M1N基础上增施有机肥后, 土壤的各项养分指标均显著提升, 导致土壤养分指数和可持续性指数明显提高, 但与增施磷肥一样作物指数也没有明显变化; 由于有机肥和化学氮肥都含有氮素, 增加有机肥意味着增加了施入土壤的总氮量, 在作物指数不再增加的情况下, 必然造成土壤氮素大量累积。该长期定位试验的第19年测定了农田硝态氮累积量[11], 结果表明M2N处理0~200 cm的硝态氮累积量高达373.98kg·hm–2, 较M1N处理增加幅度为64.3%。说明M1N基础上增施有机肥大大增加了氮素淋失的风险, 降低了氮素的利用率, 也造成养分资源的浪费。

上述分析表明, 三角形面积法计算得出的可持续性指数虽能较好结合土壤和作物属性, 可以较好地反映栗褐土农田土壤-作物系统的可持续性, 但具体应用时应注意3项指数均达到临界值后, 可持续性指数不是越大越好, 如能结合生态环境指标去评价会更科学合理。

4 结论

黄土丘陵区栗褐土农田经过26年的长期定位施肥后, 施肥处理的土壤养分指数、土壤微生物指数、作物指数及可持续性指数较CK平均增加108.9%、49.3%、58.3%和200.0%, 施肥具有提高农业生产系统的可持续性作用。单施氮肥(N)和单施有机肥(M1)的可持续性指数分别为0.61和1.16, 均低于可持续性临界值(1.30), 是不可持续的施肥模式。氮磷配施(NP)的可持续性指数虽然较单施氮肥(N)提高62.3%, 但仍没有达到可持续水平, 也是不可持续的施肥模式, 需要通过增加其他措施来提高土壤养分指数和土壤微生物指数才能实现系统的可持续性。有机无机配施(M1N、M1NP、M2N、M2NP)的可持续性指数(1.38、1.77、1.83和2.32)均高于临界值, 土壤-作物系统具有较好的可持续性。结合过量施肥可能造成的潜在环境风险, 低量有机肥与无机氮配施(M1N)是该研究区农田土壤-作物系统可持续生产的较佳施肥模式。

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Sustainability of soil-crop systems under different long-term fertilizations in Chestnut Cinnamon soil areas*

HUANG Xuefang, WANG Juanling, HUANG Mingjing, ZHAO Cong, LIU Huatao

(Center for Arid Farming Research, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China)

The sustainability of soil-crop systems was evaluated based on a long-term fertilization experiment to provide theoretical support for farmland fertilization and management. The long-term fertilizer experiment consisting of 8 treatments and a CK was carried out in the Chestnut Cinnamon soil of loess hilly-gully region for 26 years. The treatments included: non-fertilization (CK), 120.0 kg(N)·hm–2urea (N), 120.0 kg(N)·hm–2urea + 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate (NP), 22 500 kg·hm–2organic fertilizer (M1), M1+ N (M1N), M1+ NP (M1NP), 45 000 kg·hm–2organic fertilizer + 120.0 kg(N)·hm–2urea (M2N) and M2+ NP (M2NP). A total of 19 indicators of the soil-crop system were measured, and soil nutrient index, soil microbial index, crop index and sustainability index were calculated by the triangle area method. The effects of long-term fertilization on the sustainability of soil-crop systems in the Chestnut Cinnamon soil region were discussed. The results indicated that: 1) the sustainability indexes of N and M1treatments increased respectively by 27.1% and 141.7% compared with CK, but were 53.1% and 10.8% lower than the critical value (1.30). Although the sustainability index of NP treatment was 62.3% higher than N treatment, it was 23.8% lower than the critical value (1.30). This indicated that soil-crop systems under long-term application of single nitrogen, or low organic fertilizer or nitrogen and phosphorus were all unsustainable. 2) Nutrient index, microbial index and crop index of inorganic fertilizer (N, NP) treatments increased respectively by 7.1% and 46.4%,-6.0% and 25.4%, 40.0% and 60.0% compared with CK. Nutrient index, microbial index and crop index of single application of organic fertilizer (M1) were respectively 98.2%, 41.8% and 31.7% higher than those of CK, showing inorganic fertilizer application improved crop index, organic fertilizer application improved nutrient index and microbial index. 3) Soil nutrient index (1.06), soil microbial index (1.04), crop index (1.00) and sustainability index (1.38) of M1N all exceeded or equaled the critical value, which was good for the sustainability of soil-crop systems. 4) Soil nutrient indexes of M1NP, M2N and M2NP increased respectively by 21.7%, 37.7% and 72.6% compared with M1N, and the corresponding soil microbial index increased by 15.4%, 7.7% and 18.3% over M1N. There were small differences in crop indexes of the above treatments, compared with M1N. Sustainability indexes of the above treatments increased respectively by 28.3%, 32.6% and 68.1% compared with M1N. The results indicated that increasing application of phosphorus or organic fertilizer over M1N further enhanced sustainability index because of enhanced soil nutrient index and microbial index, but also increased potential environmental risk. A combination of moderate amounts of organic and inorganic N application (M1N) was a comparatively better fertilization model, which ensured sustainable production of soil-crop systems in Chestnut Cinnamon soil region.

Soil-crop system; Long-term fertilization;Chestnut Cinnamon soil; Sustainability index; Soil nutrient index; Soil microbial index; Crop index

, HUANG Xuefang, E-mail: hxfwmf@163.com

May 15, 2018;

May 23, 2018

S154.4; S158.3; S127

A

1671-3990(2018)08-1107-10

10.13930/j.cnki.cjea.180468

2018-05-15

2018-05-23

* This work was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503124) and the Science and Technology Key Program of Shanxi Province, China (201703D211002).

黄学芳, 主要研究方向为农田水肥资源高效利用与生态环境。E-mail: hxfwmf@163.com

* 国家公益性行业(农业)科研专项(201503124)和山西省重点研发计划重点项目(201703D211002)资助

黄学芳, 王娟玲, 黄明镜, 赵聪, 刘化涛. 长期施肥对栗褐土区土壤-作物系统可持续性的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(8): 1107-1116

HUANG X F, WANG J L, HUANG M J, ZHAO C, LIU H T. Sustainability of soil-crop systems under different long-term fertilizations in Chestnut Cinnamon soil areas[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(8): 1107-1116