长期定位施肥条件下土壤理化性质的演变

王子凤，李絮花，王鹏

（1.山东农业大学资源与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，山东 泰安 271018；2.泰安市岱岳区农业农村局土肥站，山东 泰安 271000）

土壤是农业养分循环利用系统过程中一个比较重要的环节，也是农业经济基础的必要保障［1］。而土壤肥力是土壤的基础特征之一［2］，土壤肥力指的是土壤为植物的生长发育所提供适宜的环境条件以及养分水分条件的能力，是土壤性质的综合体现。合理施用化肥一方面可以提高土壤肥力和肥料利用率；另一方面可以提高作物产量［3，4］。但近年来由于人们为了提高产量而不合理的施用化肥不仅造成了大量养分的流失、肥料利用率低下、作物产量低，而且还引发了土壤酸化板结、农民收益低下以及更严重的环境污染问题［5，6］。就目前而言，如何合理的施用化肥、提高化肥利用率、提高土壤生产力和可持续利用能力以及农民的收入，促进人类与自然的和谐发展，缓解环境向不利方面发展是我国土壤学现在最需解决的问题［7］。有些问题虽然可以通过短期试验获得研究成果，但长期定位施肥试验是采取既“长期”又“定位”的特殊研究方式，定向培育了具有时间长期性、气候重复性、地理定位性、历史代表性等显著优点的农田生态系统，是发现重大科学问题、开展重要科学研究的关键性平台［8，9］。并且该方法信息量丰富、准确可靠、解释能力强，能为农业的生产发展提供决策依据，因此它具有常规试验不可比拟的优点［10］。

前人大量研究表明：化学肥料与有机肥配合施用不仅可以达到高产稳产的效果，而且可以提高土壤肥力，减少养分损失、提高肥料利用率，改善农田生态系统的良性循环，增加农民收入的目的［11］。但是目前关于长期单施化肥对土壤理化性质的研究相对较少，本试验利用了长达10年的长期定位培育土壤来探究不同施肥处理对土壤肥力各指标的影响，为发展化肥生产、合理施用化肥，提高农作物产量和质量打下理论和实践基础，以期为农业生产中的科学施肥问题提供理论依据，保证农业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验在山东农业大学资源与环境学院试验基地进行，开始于玉米季。供试玉米品种为郑单958，供试小麦品种为济麦22。供试肥料：氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（含P2O516%）或重过磷酸钙（含P2O546%），钾肥为硫酸钾（K2O 50%）。试验开始前供试土壤基本理化性质如表1。

表1 试验实施前土壤基本理化性质（2009）

1.2 试验设计

试验设置CK（长期不施肥）、NP（长期施用氮磷肥）、NK（长期施用氮钾肥）、PK（长期施用磷钾肥）、NPK（长期施用氮磷钾肥）5个处理，随机区组排列，重复3次。小区面积10 m×2.4 m＝24 m2，试验区周边设有保护行。玉米季和小麦季的肥料施用量是测土配方施肥项目中本区域玉米和小麦的优化施肥量。其中在玉米上，氮、磷、钾肥于小喇叭口期一次施入，施肥方式为沟施；在小麦上，磷、钾肥和1/3尿素做基肥一次性施入，施肥方式为撒施后耕翻再播种，2/3尿素做追肥，施肥方式为沟施。玉米种植以60 cm等行距种植，4行区，每公顷种植密度为6.0万株，小麦种植以宽、窄行40、20 cm种植，8行区，每公顷种植密度为180万株。每年玉米6月10左右播种，10月1日左右收获；小麦10月8日左右播种，次年6月5日左右收获。具体施肥量如表2。

表2 纯养分施用量 （kg·hm-2）

1.3 样品采集

在每季玉米收获后采集每个小区0～20 cm土层土样，充分混合后经风干、磨细、过筛用以测定土壤肥力指标。本研究分析了2009、2010、2011、2012、2014、2015、2016、2017以及2018年的土壤样品（其中2013年因为气候差异比较大，所以未作分析）。

1.4 测定项目及方法

土壤pH值采用水土比5∶1浸提，pH计法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾用乙酸铵浸提—火焰光度法测定；全氮采用H2SO4-催化剂消煮全量蒸馏法测定；有机质采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法测定。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2013软件对数据进行处理和作图，采用SPSS软件进行数据统计分析，Duncan’s多重比较法进行显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 长期定位施肥对土壤pH值的影响

由表3可以看出，长达10年的不同施肥处理对土壤pH值有一定的影响，平均pH值由高到低的顺序为CK＞PK＞NK＞NP＞NPK。与试验初始值相比，在试验开始的第1年只有NK处理的土壤pH值下降，而CK、PK、NP、NPK处理的pH值均增加且CK的pH值增加最多，为8.16。随着施肥年限的延长，与CK相比长期施用化肥会使土壤pH值下降，尤其是在2016—2017年NK、PK、NP以及NPK处理的土壤pH值分别达到了10年中较低水平，其中PK处理的土壤pH值高于NK、NP及NPK处理。从施用氮肥10年的处理来看，NK、NP、NPK处理的平均土壤pH值分别为7.77、7.72、7.63，年际间变异系数分别为2.05%、2.90%、2.60%。

2.2 长期定位施肥对土壤有机质的影响

从表4可以看出，长达10年的不同施肥处理对土壤有机质含量的影响各有差异，平均有机质含量由高到低表现为NPK＞NK＞NP＞CK＞PK，年际间的变异系数为4.97%～8.95%，随着施肥年限的延长，施用氮肥处理（NK、NP、NPK）和不施用氮肥处理（CK、PK）的土壤有机质差距变化不明显。同时发现，在2014、2015年土壤有机质含量明显低于其它年份，2014年，NK、PK、NP以及NPK 处理的土壤有机质含量比CK 增加6.15%～17.65%，且差异达显著水平；NPK处理与NK、PK及NP处理差异显著，NK处理与PK和NP处理差异显著，但PK和NP处理之间差异不显著。而从2017、2018近两年的测定结果可以看出，PK处理的土壤有机质含量均低于其它施肥处理，甚至低于CK，而NPK与NK处理之间差异不显著。

表3 长期定位施肥条件下不同处理土壤pH值的变化

表4 长期定位施肥条件下不同处理土壤有机质含量的变化 （g·kg-1）

2.3 长期定位施肥对土壤全氮的影响

由表5可以看出，定位施肥10年的NPK、NK、NP、PK、CK处理土壤全氮平均含量为0.95、0.91、0.85、0.85、0.84 g·kg-1，长期施用氮肥处理土壤全氮含量呈上升趋势，长期不施肥处理土壤全氮总体呈下降趋势，而长期施用磷钾肥处理土壤全氮含量下降最明显，由2009年的1.19 g·kg-1下降为2018年的0.84 g·kg-1。10年定向培肥中，2015年各处理土壤全氮含量均较高，可以看出，与CK相比施用化肥可以提高土壤全氮含量；与PK处理相比，NP、NK以及NPK处理的土壤全氮含量增加6.19%、13.40%和18.56%，且NK和NPK处理都与PK和NP处理差异显著，但NK和NPK处理之间差异不显著。

表5 长期定位施肥条件下不同处理土壤全氮含量的变化 （g·kg-1）

2.4 长期定位施肥对土壤碱解氮的影响

由表6可以看出，10年施用氮肥处理（NP、NK和NPK）土壤碱解氮平均含量明显高于不施氮肥（CK和PK）处理，且PK处理的碱解氮含量最低，其中2018年CK的碱解氮较2009年降低3.4 mg·kg-1。在2011—2014年间各处理土壤碱解氮含量变化趋势为先上升后下降，其中2012年各处理的碱解氮含量表现为NK＞NP＞NPK＞CK＞PK，且施用化肥与不施肥处理间差异显著，施用氮肥与不施氮肥处理间差异显著，而NP处理与NPK、NK处理差异均不显著，但NK和NPK处理差异显著。

2.5 长期定位施肥对土壤有效磷的影响

由表7可以看出，10年施用磷肥（PK、NP和NPK）与不施磷肥处理（CK和NK）相比，土壤有效磷含量表现有所不同。在试验开始前两年各处理的土壤有效磷均基本维持在试验初始水平，而随着种植年限的延长，尤其是种植到第10年时不施磷肥处理（CK、NK）的土壤有效磷含量明显下降，由试验前的68.38 mg·kg-1分别下降到14.96 mg·kg-1和15.02 mg·kg-1，降幅分别为78.12%和78.03%，且与施用磷肥各处理差异显著。长期施用磷肥处理（PK、NP、NPK），土壤有效磷含量维持在一个较高水平，至2018年，分别为58.20、63.40 mg·kg-1和64.95 mg·kg-1，其中PK处理与NP、NPK处理差异显著，而NP与NPK处理间差异不显著。

表6 长期定位施肥条件下不同处理土壤碱解氮含量的变化 （mg·kg-1）

表7 长期定位施肥条件下不同处理土壤有效磷含量的变化 （mg·kg-1）

2.6 长期定位施肥对土壤速效钾的影响

从表8可以看出，试验第1年（2009年）施用钾肥与不施钾肥处理间土壤速效钾含量表现为：PK＞CK＞NP＞NK＞NPK，其中PK处理与其它处理间差异显著，CK与NP处理、NK与NPK处理之间差异均不显著。随着种植年限的延长，NK和NPK处理的土壤速效钾含量总体呈上升趋势，2018年与2009年相比分别增加42.73%和35.55%，而PK处理下降21.46%，但始终维持在试验初始水平左右。10年定位施肥各处理土壤速效钾平均值表现为，CK和NP处理呈明显下降趋势，平均含量为80.28 mg·kg-1和79.84 mg·kg-1，与NK处理相比分别降低36.01%和36.36%。

表8 长期定位施肥条件下不同处理土壤速效钾含量的变化 （mg·kg-1）

3 讨论

长期单施化肥特别是氮肥土壤pH值下降，导致土壤有酸化的趋势［12-14］。在生产中农民为了高产增加化肥用量，而长期单施氮肥是加速土壤酸化的一个重要原因。氮素在植物生长发育中起着至关重要的作用，一般认为施用铵态氮时，由于总吸收量中阳离子量大于阴离子量，植物为维持体内的电荷平衡和细胞生长所需的pH值，根系分泌出质子，使根土界面pH值下降［15］。本研究结果表明，10年定位试验不施肥处理（CK）土壤pH值高于施用化肥处理，其中施氮肥处理的pH值低于不施用氮肥（PK）处理，这表明长期施用化肥特别是氮肥会使土壤呈酸化趋势［16］。

有机质对土壤肥力有重要意义［17］，它既是植物矿质营养和有机营养的供给源，也是形成土壤结构的重要因素［18］。因此，土壤有机质直接影响着土壤的保肥性、保水性、缓冲性、耕性和通气状况等。在不同地区由于气候条件、土壤状况、耕作制度及施肥量的差异，长期单施化肥对土壤有机质的影响结果不一。有研究指出，单施化肥可以提高土壤有机质含量［19］；而本研究发现无论是长期单施化肥还是不施肥处理土壤有机质含量均比试验初期大幅度降低，这与前人的研究结论有所相同［20-23］，其原因有可能是在试验开始前该试验田落荒了3年，在此期间翻地加速了土壤有机质的流失，同时土壤中又缺乏有机质的投入，为了保证作物良好的生长需求需加快分解有机质，从而使土壤有机质比试验前水平有所下降［24］。而施用氮肥处理的土壤有机质含量高于PK和CK处理，这可能是因为施用氮肥处理的作物产量较高，相对增加了土壤中根茬、残茬和根系分泌物的量等，从而使其土壤有机质含量提高。

氮素是土壤中最为活跃的大量营养元素之一，也是植物生长发育需求量比较大的元素之一。土壤全氮含量代表土壤中氮的总储备量［5］。虽然NK、NP、NPK处理的土壤全氮、碱解氮含量高于CK和PK，但5个处理的土壤全氮、碱解氮含量均比试验初始值低，这与前人的结果一致［25］。分析产生这种结果的原因：可能是作物在生长过程中对氮素的需求量比较大，收获时从土壤中带走的比较多；还可能是因为氮素淋失，造成土壤氮素淋失的原因有很多，如作物种类、灌溉、降雨以及施肥量等［26，27］，具体原因还需进一步研究。同时本研究发现施氮肥处理的土壤全氮含量与无氮肥处理的土壤全氮含量之间差别不大，这与杨旸等［28］的研究结果一致，说明施用化学氮肥虽然可以提高作物产量，但无法增加表层土壤氮养分含量，使得土壤供氮能力不足［29］。

磷在作物生长中起着不可或缺的作用，而土壤有效磷是土壤磷素养分的重要指标，最能反映土壤的供磷水平［30］。长期不施磷肥土壤有效磷含量呈明显下降趋势，这与李东初等［31］的研究结果大体一致，在第8年左右达到了土壤严重缺磷的程度，原因可能是作物为维持生长发育而从土壤中带走大量的磷素，导致随着种植年限的延长土壤有效磷含量呈现明显下降的趋势。而10年施用化学磷肥的处理（PK、NP、NPK）土壤有效磷维持在较高水平且基本保持不变，这与刘彦伶等［32］的结果不太一致，其原因有可能是施肥方式、气候条件、灌溉方式、种植制度以及土壤类型不同等条件导致的。

本研究发现随着施肥年限的延长，10年不施钾肥的处理（CK、NP）土壤速效钾含量水平呈现下降趋势，这是因为土壤在没有钾肥投入的基础上作物每年会从土壤中吸收一部分钾素来维持生长需求，从而导致长期以来土壤速效钾含量呈现下降的趋势［33，34］，而10年进行化学钾肥处理（NK、PK、NPK）的土壤速效钾含量维持较高水平，其中NK、NPK处理有上升趋势。

4 结论

4.1 10年施用化学氮肥（NK、NP及NPK），土壤pH值呈下降趋势，土壤有机质变化很小，全氮含量有增加的趋势；10年不施氮肥（CK和PK）土壤pH值没有显著变化，但与施用氮肥处理比较土壤有机质、全氮、碱解氮呈下降趋势。

4.2 10年施用化学磷肥（PK、NP和NPK）土壤有效磷含量维持在较高水平；10年不施磷肥（CK和NK）有效磷含量大幅度降低，降幅达78%。

4.3 10年施用化学钾肥（NK、PK和NPK）土壤速效钾含量维持在120 mg·kg-1左右，其中NK、NPK处理有上升趋势，而PK处理呈下降趋势；而不施用钾肥（CK和NP）处理的土壤速效钾含量大幅下降至80 mg·kg-1左右。