长期施肥对春玉米耕层土壤养分和肥料贡献率的影响

刘 艳，孙文涛，邢月华，蔡广兴

(辽宁省农业科学院 植物营养与环境资源研究所，辽宁 沈阳 110161)

连续定位施肥是将原本相同的土壤，通过长期固定的施肥方式使土壤性质按不同的方向不断发生改变后而形成不同的肥力。因其信息量丰富，数据准确可靠，又具有时间上的长期性和气候上的重复性等特点[1]，所以能够更加准确、科学地评价施肥对土壤各方面指标的长期作用，在生产上可提供决策性建议，是土壤学研究的重要手段，对揭示土壤养分平衡、土壤质量变化，指导合理施肥，保护生态环境和农业可持续发展等，均具有十分重要的理论意义和实践价值。

在粮食生产中肥料至关重要。大量研究工作充分证实了肥料的增产作用，并予以充分肯定[2-3]。不过也有试验结果显示，不合理的施肥量和施肥方式不仅影响作物稳产[4-5]，还会降低肥料贡献率、增产效应等，造成养分资源的浪费，增加营养元素在土体中的淋溶累积，对生态环境带来潜在危害。因此，如何通过合理施肥，提高作物产量及肥料利用效率，确保农业的可持续发展，是目前我们亟待解决的一个问题。因此，本研究基于在辽北玉米主产区进行的长期定位施肥试验，对春玉米耕层土壤养分变化和肥料贡献率的影响进行了探讨，以期为东北南部春玉米肥料高效利用、粮食持续稳产提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验设在辽宁省昌图县老城镇安家村(东经123°32′39″，北纬42°46′33″)，该区属中温带亚湿润大陆性气候，年均温度在7.1 ℃，全年无霜期145 d，年均降水量500 ～ 600 mm，4-9月有效日照总数1 700 h，≥10 ℃有效积温3 200 ℃。供试土壤为棕壤，耕层土壤(0～20 cm)基本理化性质：pH值6，全氮1.13 g/kg，有机质17.8 g/kg，碱解氮(N)135 mg/kg，有效磷(P2O5)17.6 mg/kg，速效钾(K2O)129.0 mg/kg。

1.2 试验处理

本研究起止时间为2007-2016年，设不同氮肥水平及施氮方式共9个处理，分别为N0(对照)，无氮肥；N1138.0 kg/hm2(低氮量)；N2241.5 kg/hm2(中氮量)；N3345.0 kg/hm2(高氮量)，N常168.0 kg/hm2(常规)5个氮肥水平，氮肥均为30%作基肥，70%在玉米拔节中期追施。另外为了探讨施肥方式对玉米产量及土壤养分变化的影响，本试验在中氮量(N 241.5 kg/hm2)条件下设置4种不同施肥方式处理，分别为N追1、N追2、N双层、N1次，追1次肥为氮肥30%作基肥，70%在拔节中期追施；追2次肥为氮肥20%作基肥，60%拔节中期施，20%大喇叭口施；双层施肥为30%的氮肥基施，70%氮肥深施于15 cm处；1次性深施肥采用缓控释肥1次性深施于15 cm处。所有处理均施磷钾肥，用量分别为(P2O5)225 kg/hm2和(K2O)225 kg/hm2，全部以基肥形式施入。氮肥为普通尿素(含N 46%)，磷肥为磷酸二铵(含P2O546%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)，缓控释肥为金正大包膜尿素含氮35%。试验以小区方式进行，小区面积30 m2，随机排列，重复3次。每年4月下旬播种，9月下旬收获。品种每2～3 a更换1次。玉米收获后，地上部秸秆全部移出小区，根茬还田。

1.3 分析测定方法

土壤养分测定：隔年秋收后在垄台上采集0～20 cm耕层土壤，每个小区多点取土(至少5点)混合成一个土样，风干研磨后用常规方法测定土壤养分。采用电位法测定土壤pH值，重铬酸钾法测定有机质，开氏法测全氮，碱解扩散法测碱解氮，碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测有效磷，醋酸铵浸提-火焰光度法测速效钾。

产量测定：收获时分别测定空白区和施肥区产量，测定产量的方法采取实收和随机取样实脱测产。

1.4 数据处理

肥料对作物产量的贡献率=(某施肥处理产量-不施肥处理产量)/某施肥处理产量×100%。

试验数据经Microsoft Excel 2010整理后，应用 SPSS 11.5软件进行方差统计分析和Duncan新复极差法多重比较。

2 结果与分析

2.1 连续施肥对土壤有机质和全氮的影响

土壤有机质含量是衡量农田土壤潜在肥力的重要因子之一。10 a来，不同氮肥处理的表层土壤有机质含量基本呈波动变化趋势，除2012年N0显著低于其他处理外，其他年份处理间差异均不显著，其中N0处理10 a来有机质含量由最初的17.8 g/kg下降到17.0 g/kg，而其他施肥处理耕层土壤有机质含量与试验前相比均略有提高，但并没有随着施肥量的增加而增加，N2处理10 a平均有机质含量最高，比N0增加了8.8%(图1-A)；施氮量相同时，施肥方式的改变也会导致土壤有机质累积的变异，N追1处理有机质含量在这几年中都较其他处理略高，但除2008年显著高于N双层处理外，其他年份与其他处理之间的差异均未达显著水平，不同施肥方式处理在2014年之前土壤有机质含量都是波动增加的趋势，但在2016年突然下降(图1-B)，原因有待进一步研究。

氮素在土壤中90%以上是以有机形态存在的，一般情况下土壤全氮的年际变化动态与有机质的变化趋势相似，但同一年份处理间差异幅度较有机质大(图2)。说明不施氮肥或者化肥偏施不利于土壤全氮的累积和稳定，这与古巧珍等[6]的研究结果相似。随着施氮量的增加土壤全氮含量略有提高，其中高量氮肥N3和中量氮肥N2处理的土壤全氮含量基本在同一水平，无显著差异，2010年N3处理表层土壤全氮含量显著高于N0、N1和N常，2014年N3和N2表层土壤全氮含量显著高于N0、N1和N常，但其他年份各氮肥处理间差异均未达显著水平(图2-A)。不同施肥方式的各处理连续施肥10 a后全氮含量提高了1.8%～8.8%，除2008年N追1处理显著高于N双层和N1次处理，2010年N追1、N追2、N双层显著高于N1次处理外，其他年份施肥方式处理之间没有显著差异(图2-B)，说明在施氮量相同时，施肥方式对表层土壤全氮含量的长期影响不显著。

不同小写字母表示同一土壤不同处理间差异达显著水平(P<0.05)。图2-7同。

图2 长期连续施肥后土壤全氮的变化

2.2 连续施肥对土壤碱解氮、有效磷和速效钾的影响

土壤速效NPK含量的高低，直接关系到土壤结构、供肥能力和作物产量。氮是土壤中最为活跃的大量营养元素之一，碱解氮含量在一定程度上可以反映出土壤氮素的供应强度。由图3-A可知，长期连续施用含氮的肥料，对耕层土壤碱解氮含量具有一定的提高作用，并随着施用量的增加，提高效果更加明显；不施氮处理的碱解氮含量呈逐年缓慢下降的趋势，10 a后下降了27.8%，严重影响了土壤氮的供应能力。在土壤中移动性较小的磷素与氮的情况不同，由图4-A可知，10 a来不同N肥处理的表层土壤有效磷含量基本呈波动缓慢上升的总体趋势；施肥第1年，各处理有效磷含量都较基础值有所下降，其中N0处理最低，下降了71.0%，而在以后的试验中N0处理的有效磷含量始终维持在一个极低的水平，与其他施氮处理均达到差异显著水平。速效钾含量的整体变化趋势与有效磷相似，由图5-A可知，不施氮处理速效钾含量最低，与其他施氮处理差异显著，氮肥的施用使速效钾含量均有所增加，其中N2处理速效钾含量较高，在2010年该处理其他施氮处理差异达显著水平。

宇万太等[7]研究表明，土壤速效养分含量主要受施肥水平和施肥方式的影响。不同施肥方式的各处理碱解氮、有效磷和速效钾含量在连续施肥10 a后都呈平稳缓慢上升的趋势(图3-B、4-B、5-B)。在施氮量相同时，施肥方式的改变对10 a后碱解氮和速效钾含量影响差异不显著；N追2处理的土壤有效磷含量增加的较快，在2012年以后其含量显著高于N追1和N1次处理。总体来看，长期施用氮磷钾全营养的肥料，在充分满足作物对氮磷钾营养需要的同时，还极大地提高了土壤的速效养分含量。

图3 连续施肥后土壤碱解氮的变化

图4 连续施肥后土壤有效磷的变化

图5 连续施肥后土壤速效钾的变化

2.3 连续施肥对土壤pH值的影响

土壤酸碱度受形成土壤的母质种类的影响。从图6中可以看出，不施氮和低氮处理，连续施肥10 a，土壤pH值升高了0.2～0.4个单位，稍稍缓解了土壤酸化，随着施氮量的增加，土壤pH值逐渐降低，尤其高氮处理10 a下降了0.4个单位，但各处理间无显著差异。双层施肥和一次性施肥处理的pH值也呈逐年下降的趋势，酸化程度越来越重，说明不合理的施用氮肥，能加速土壤的酸化，降低pH值。

图6 连续施肥后土壤pH值的变化

2.4 连续施肥对玉米产量和肥料贡献率的影响

2.4.1 连续施肥对玉米产量的影响 从表1可以看出，2016年不施氮肥处理N0减产非常严重，与各施肥处理相比差异达显著水平，这与10 a的平均产量结果相一致。随着施氮量的增加产量有逐渐增加的趋势，但氮量增加到一定程度时，产量就不再增加反而下降了，因此，N2处理的产量最高，与其他施氮处理相比产量差异都达到显著水平，比N0增产94.4%。从10 a的平均产量结果发现N2处理产量最高，产量变异系数最小，说明此施肥水平即可提高土壤生产能力，保证作物高产、稳产，而氮肥过高或过低都会影响玉米产量及其稳定性。

在施氮量相同时，不同的施氮方式对产量也会有很大的影响，2016年N追1处理的产量最高，与其他处理产量差异达显著水平，与不施氮肥处理相比增产率也是最高的；而其他3个不同施肥方式处理之间差异不显著。10 a玉米平均产量各施肥方式间无显著性差异。

2.4.2 连续施肥对肥料贡献率的影响 肥料贡献率，即肥料对作物产量的贡献率，将不施肥处理的产量视为土壤(地力)对产量的贡献，以其为基准进行计算，是反映年投入肥料的生产能力的指标[8]。分年度计算每年的肥料贡献率(图7)，取其平均值(表1)。从表1看出，2016年肥料贡献率从高到低分别是N2>N3>N常>N1，与10 a平均结果相一致。从图7-A肥料贡献率的动态变化来看，前4 a肥料贡献率波动较大，可能是由于试验初期产量的不稳定性导致的，有相关结论已发表[9]，后6 a肥料贡献率波动较小，趋于平稳。

不同施肥方式各处理由于产量的差异不显著，因此，肥料贡献率除2013年N追2处理显著低于其他处理外，其余年份各处理之间无显著差异(图7-B)，说明在辽北地区施氮量比施肥方式对玉米产量和肥料贡献率影响更大。

表1 长期连续施肥对玉米产量和肥料贡献率的影响

注：不同小写字母表示在5%水平上的差异显著性。

Note： Different letters indicate significant differences(P<0.05)。

图7 长期连续施肥条件下肥料贡献率的动态变化

3 讨论与结论

受土壤类型、肥料种类和作物轮作方式的影响，使长期连续施用化肥对土壤有机质的影响也各有差异[10-12]，林治安等[13]、王慎强等[14]研究显示，连续不施肥的对照处理土壤有机质含量没有逐渐下降，而是一直处在一个缓慢上升的过程；也有研究表明，长期不施肥导致土壤有机质有所下降[15]。本研究结果与后者结果相似，长期不施氮肥处理的土壤有机质含量和全氮含量都是在基本维持原有水平略有下降的，这可能是由于长期不施氮肥使土壤有效氮库过度耗竭造成的。化学氮肥并不能直接促进土壤碳、氮的累积，而有机物质的加入量和作物根茬残留量才是影响土壤有机碳、有机氮含量高低的主要因素[16-18]。从本研究结果可以看出，不同施肥方式各处理由于施肥量相同，每年根茬、叶秆等残留的还田量几乎不相上下，因此，使其土壤有机质和全氮含量的增长速度基本相同。

长期连续施肥通过提高土壤养分贮量和有效性而影响土壤肥力。连续定位施肥，不同处理因施肥量和施肥方式的不同，土壤养分结构不同，经过10 a累积作用使土壤养分含量发生了不同的变化，总的来看，长期不施氮肥处理的耕层土壤碱解氮和有效磷含量较基础值分别下降了27.8%和71.0%，且始终维持在较低的水平波动，严重影响了土壤有效养分的累积和对作物氮磷养分的供应能力。当适量氮肥配合磷钾肥一起使用，无论哪种施肥方式，都能提高土壤碱解氮、有效磷和速效钾的含量，有利于培肥地力，这与孙好[19]、张水清等[20]的研究结论基本一致。因此，氮肥是影响春玉米耕层土壤的主要营养元素，随着种植年限的延长，氮缺乏导致土壤养分储存和供应能力下降，适量氮肥与磷钾配施可使耕层土壤有效养分维持平稳增加。

长期连续定位施肥对作物的增产作用，国内外许多学者都已进行过大量的研究，这些研究表明，要想获得持续的高产，需要合理的氮磷钾配合施用[21-23]，本研究也证明了这一点，只施磷钾不施氮肥处理10 a来减产严重，随着氮肥施入量的增加产量也随之增加，而当化学肥料用量已经能够满足作物正常生长需要时，继续提高氮肥用量不能实现作物产量的持续增加，这与杨军等[24]试验结果相吻合。

经过10 a长期连续定位施肥试验研究发现：氮磷钾肥配合后，选择适宜的施肥量和施肥方式能提高土壤肥力、保证玉米产量，并在大约经过5 a左右的时间，产量保持在一个相对稳定的水平后，肥料贡献率波动范围较小。说明经过较长时间的施肥过程，土壤肥力和供肥性能已经达到相对稳定和充足阶段，在适量施肥和保证灌溉情况下，肥、水条件已经不是影响作物产量的限制因素，此时的作物产量应该是试验所在区域特定气候和环境条件下常规栽培粮田实际生产水平的具体体现。因此，本试验区域内推荐氮肥用量为241.5 kg/hm2，拔节中期追施一次的农田操作方式即可达到维持土壤较高肥力水平和粮食增产的和谐关系。