杨文飞,杜小凤,顾大路,吴传万,王伟中
(江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所,江苏 淮安 223001)
土壤微生物和酶一起作用于土壤的物质转化和能量流动,并参与许多重要的生物化学反应过程,反映着土壤中物质代谢的旺盛程度[1-2]。土壤养分和结构受土壤母质、施肥模式、生物及各种农业技术措施的影响,并与耕地基础肥力和生产力密切相关。根系不仅是吸收土壤水分和养分的主要器官,也是合成某些氨基酸、激素等生理活性物质的重要场所,受土壤养分和结构的影响[3-5]。如何通过合理长期施肥维持和提高土壤的基础肥力、优化土壤微生态环境和作物根系生长环境,为大面积地力提升、作物稳产丰产提供科学依据和理论帮助,已成为当前农业生产中急需阐明的问题之一。
长期定位施肥试验具有信息量丰富、试验数据准确可靠、解释力强及易克服气候年变化对肥效的影响等常规试验不可比拟的优点,能更加系统准确地揭示不同施肥模式对土壤微生态环境、养分和结构及根系性状等的影响,并作出科学准确的评价。为此,本文对国内外长期定位施肥对土壤根系、微生态环境、养分和结构的影响进行了总结归纳,以期为我国肥料的长期合理施用及耕地养分平衡、质量提升和可持续利用提供决策依据。
根系是作物吸收养分和水分、参与体内物质合成和转化过程的重要功能性器官,其数量、分布和构型等特征对作物的生长发育及产量形成具有重要的影响[6-7]。施肥是影响土壤养分分布的直接因素,势必会影响根系参数的变化。乔云发等[8]在长期施肥研究中发现:有机无机肥配合施用(NPKM)时根系生物量最大,表现出单峰曲线变化规律;NPK和NP处理的根长和根表面积比其它施肥处理大,但平均根直径小于NPK配施有机肥处理。Qu等[9]通过研究证实,作物根系性状、生物量及养分吸收能力受长期不同施肥模式的显著影响,并以有机肥与化肥配施处理的根系性状表现最优。李京涛等[10]通过连续28年长期定位施肥试验发现,施用有机肥特别是有机肥与一定量的氮肥配合施用能显著抑制小麦根系的膜脂过氧化作用,进而明显改善小麦根系的生理活性和生长发育状态,延缓根系的衰老。赵广才等[11]在长期不同肥料运筹对超高产小麦根系影响的研究中指出:增施肥料可明显提高小麦根长密度和根总表面积,并以氮磷(1∶1)配施处理的效果最好;而增施肥料对根系平均直径基本上没有影响。国外学者Svoboda等[12]和Jeon等[13]在研究中同样指出,作物根系总表面积、平均直径、体积及根系形态分布受不同施肥种类和施肥模式的明显影响,其中有机肥与化肥配施、氮磷钾合理配施处理的根系性状和形态分布明显优于长期单施化肥和不施肥的。
土壤微生物是土壤有机质和土壤养分转化和循环的动力,它参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成、土壤养分转化和循环等过程,是土壤生态系统的主要组成部分及土壤养分的重要储备库和周转库[14-16]。林斯等[17]的研究结果表明:不同土壤培肥模式对细菌丰富度和多样性都有明显的影响,其中单施无机肥降低了土壤细菌群落结构的多样性,不利于保持土壤生态系统的稳定性;而“无机肥+有机肥+豆科绿肥”的综合培肥模式可以显著提高土壤微生物的丰富度和基因的多样性。Neumann等[18]在长期定位试验研究中指出,在长期不同施肥模式下土壤微生物的基因多样性、群落结构及数量均存在明显的差异。魏巍等[19]通过定位试验研究发现,长期施用有机猪粪肥相对于不施肥和单施化肥可以显著降低黑土农田土壤真菌与细菌的比率,明显改变土壤细菌和真菌群落的结构。丁伟等[20]通过定位施肥试验研究了不施肥、单施化肥、有机无机肥配施对土壤微生物的影响,发现在有机无机肥配施的土壤中自生固氮菌、磷细菌和钾细菌的多样性指数、均匀度指数和优势度指数均较高,微生物种群丰富,且优势种群突出。卜洪震等[21]研究发现:与不施肥对照相比,施用化肥、秸秆还田及有机肥与化肥配合施用可以显著提高土壤微生物量碳及总磷脂脂肪酸含量;在不同施肥处理间土壤微生物量碳和微生物多样性有明显差异。众多研究[22-23]表明,施肥模式对土壤微生物的影响比较复杂,因肥料种类、用量或不同肥料之间的配合方式而异,因此明确土壤各微生物类群对长期不同施肥模式响应的潜在机理很有必要。
土壤酶对土壤中几乎所有的生化反应和物质循环起着重要的催化作用,其活性的高低直接影响着整个土壤生态系统功能的好坏,是土壤质量的重要构成因素[24]。马晓霞等[25]通过长期定位试验研究得出,不同施肥管理对土壤酶活性的影响总体以有机肥+NPK配施处理最高,其次为秸秆+NPK处理,NPK和NP处理次之,N处理和CK(对照)最低。兰宇等[26]通过31年长期肥料定位试验研究了玉米生育期内3种主要土壤酶活性的时空变化,得出在同一化肥水平上增施有机肥能增加土壤脲酶、转化酶活性,而降低土壤酸性磷酸酶活性,且长期施肥对深层土壤酶活性亦有影响。Islam等[27]在长期肥料试验中发现,土壤脱氢酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和磷酸酶的活性明显受到长期施肥方式的影响,且其活性随有机肥料的增加而提高。李晨华等[28]在长期肥料试验中发现:单施化肥处理的土壤大多数酶的活性与对照不施肥相比无显著差异,且过氧化氢酶活性降低;化肥+秸秆还田处理显著增加了土壤转化酶、脲酶、蛋白酶、中性与碱性磷酸酶的活性。Jiao等[29]在研究中同样证实,在长期不同施肥处理间土壤磷酸酶、转化酶、脱氢酶和过氧化氢酶的活性均存在明显的差异。土壤酶活性可以反映土壤的综合肥力特征及土壤养分转化和能量运动进程,因此明确长期不同施肥模式对土壤酶活性影响的机理具有重要意义。
土壤养分是土壤提供给农作物生长发育和产量形成所必需的营养元素,受土壤母质、生物、农业技术措施等的影响,其形态和形成过程十分复杂,具有高度的空间变异性。了解长期施肥对土壤养分状况的影响对于合理利用土地资源、改善恢复生态环境及提高土壤质量和农作物产量品质具有极其重要的作用[30]。
氮素养分是土壤肥力的主要指标,土壤氮含量的高低及其存在的形态与土壤环境生态及肥力密切相关,并受到施肥模式的明显影响。王婷等[31]研究了长期不同施肥模式对陇东旱塬土壤氮素的影响,发现在不施肥、施用氮肥、施用有机肥、施用氮磷肥、氮磷配施秸秆、氮磷配施有机肥这6个长期施肥处理中,以施用有机肥、氮磷配施有机肥改善土壤氮素肥力的效果最好,0~40 cm土层无机氮、全氮和碱解氮含量较试验开始前均显著提高,其中0~20 cm土层全氮含量比36年前平均增加了26.2%。赵伟等[32]通过研究证实,与NPK处理和不施肥相比,化肥与有机肥配施明显提高了0~20和20~40 cm土层土壤的全氮含量、氮素矿化累积量和氮素矿化势。Sun等[33]研究指出,长期有机肥与化肥配施处理相比于长期单施化肥和未施肥处理,协调了土壤碳、氮间的平衡关系,明显提高了土壤对氮肥的缓冲能力,显著提高了土壤氮效率,并降低了氮在土壤剖面的淋溶。王淑英等[34]通过36年长期定位试验发现:长期施用有机肥能显著提高旱塬区农田土壤总氮贮量;单施农家肥和农家肥加氮磷处理的土壤全氮含量较试验开始时分别增加了34.0%和42.7%;长期施用有机肥亦能提高土壤的供氮能力;秸秆还田加氮磷肥、单施农家肥和农家肥加氮磷处理的土壤碱解氮含量比不施肥分别增加了27.1%、34.2%和65.0%,比单施氮肥分别增加了28.5%、35.7%和66.8%。Divito等[35]研究指出,有机无机肥长期配施相比于单施化肥可增强土壤对氮肥的缓冲能力,提高土壤氮素养分的有效性和供应能力,扩大土壤有效氮的活性库,同时减少硝态氮向土壤深层的淋移和累积,提高耕层土壤矿质氮的蓄保能力。
不合理持续集约化施肥会引起土壤中磷的累积,增加土壤磷流失的风险。磷在土壤中累积程度因肥料施用种类而异,因此研究明确长期不同施肥模式对土壤磷含量和状态的影响具有重要意义。吕真真等[36]通过8个处理的长期定位施肥试验研究发现:NK处理的土壤全磷含量每年以4.6 mg/kg的速度下降;而化肥(含磷)处理的土壤全磷含量升高速率为3.30~19.40 mg/(kg·a);单施化学磷肥和有机无机肥配施相比于不施肥均明显提高了土壤全磷含量及磷活化系数,且在相同磷量投入下,有机无机肥配施相比于单施化肥效果更优。翟龙波等[37]研究了长期施肥对坡地土壤磷素赋存形态的影响,发现长期施肥相比于不施肥可提高各粒径土壤团聚体中有机碳、全磷、速效磷及各形态无机磷的质量分数,且无机肥配施粪肥处理提升全磷和速效磷的效果不如无机肥配施秸秆处理。Lee等[38]通过31年长期不同施肥模式对韩国南部水稻土磷含量和状态的影响试验发现,长期单施化肥(NPK)土壤中无机磷含量随时间变化不大,而有机磷含量显著增加,长期化肥和堆肥配施提高了耕层微生物活性,加速了土壤有机磷含量的下降,提高了无机磷含量。夏文建等[39]通过研究长期施肥对红壤磷素吸附固持的影响指出:长期施用化学磷肥有利于补充土壤全磷,并增加土壤Olesn-P和Mehlich1-P,而对CaCl2-P和磷饱和度影响不明显;长期施用有机肥(猪粪)有利于提高土壤全磷含量和磷饱和度,而磷吸持指数显著降低。Börling等[40]指出:磷素在土壤中的赋存形态和化学行为受长期不同施肥模式的明显影响,有机肥的添加处理在提高土壤有机碳和有机磷质量分数的同时,也对提高土壤磷素保持和供应能力及磷素转化、磷素有效性具有重要影响。
土壤有机质是主要由碳、氮元素组成的一种有机混合化合物,是土壤肥力的主要组成部分和全球碳循环过程中重要的碳库,是评价土壤肥力和质量的重要指标,并受长期不同施肥模式的影响。张玉军等[41]通过研究长期不施肥、单施氮磷钾肥、氮磷钾配施有机肥和氮磷钾配施秸秆还田4个处理对土壤有机质的影响发现,施肥处理相对于不施肥均明显增加了不同土层的有机质含量,并以氮磷钾配施有机肥处理的土壤有机质含量最高,达到13.91~33.55 g/kg;但各处理间有机质含量差异随土层深度增加而缩小。谢军等[42]研究指出:化肥配施秸秆和化肥配施有机肥均显著提高了耕层土壤溶解性有机质的含量,在0~20 cm耕层溶解性有机质含量比单施化肥NPK分别增加了39.1和12.1 mg/kg;与不施肥和单施化肥NPK相比,长期化肥配施秸秆或配施有机肥亦能提高0~20 cm土壤溶解性有机质共轭结构、腐殖化程度、芳香度、疏水部分比例和平均分子量;而40~60 cm土层溶解性有机质含量和结构在各处理间差异不显著。Gregorich等[43]通过长期施肥对玉米根际土壤有机质的影响研究发现,长期不施肥或单施化肥处理土壤总有机质含量稍有增加,活性有机质含量明显降低,而对土壤有机质的周转率没有显著影响。王传杰等[44]研究发现:长期撂荒处理的土壤有机质N/P比显著高于长期不施肥和单施化肥处理的(在不施肥或施用化肥条件下作物种植加剧了土壤有机质中氮素的消耗);长期低量氮磷钾+秸秆还田处理的土壤有机质N/P比与撂荒处理相当;中量氮磷钾配施有机肥可显著提高土壤有机质的N/P比。Kaiser等[45]通过研究长期不同施肥模式对沙质和粘性土壤有机质含量和组分的影响指出,化肥长期配施有机肥后土壤有机质含量和溶解性有机质含量较单施化肥和不施肥均有明显增加,有机肥与化肥配施在改善土壤有机质组分上的效果明显优于单施化肥和不施肥的。
土壤容重是指一定体积内的土壤质量,其与土壤透气性、入渗性能、持水能力和溶质迁移潜力等密切相关,对作物根系的生长发育和土壤肥力的变化会产生直接或间接的影响。马俊永等[46]在长期定位试验的基础上研究了化肥和作物秸秆对土壤容重的影响,发现:与不施肥对照相比,秸秆还田和施用化肥会使耕层以下的土壤容重降低和有机碳增加;秸秆对10 cm以下土壤容重影响不明显;施用化肥相比于秸秆还田对深层土壤容重的影响更为明显。李猛等[47]通过分析拉萨高原生态试验站农田长期施肥试验的数据指出,与单施化肥的样地相比,施加了8年有机肥羊粪和羊粪+化肥处理的试验农田土壤质量表现出了显著的变化,其中0~10 cm表层土壤容重分别降低了10.10%和10.00%。刘哲等[48]通过研究长期施肥对温室和农田土壤容重的影响发现:与单施化肥、有机肥与化肥配施处理相比,长期施用有机肥处理显著降低了温室土壤和农田土壤的容重,其中单施有机肥处理的温室0~10 cm土层的土壤容重为1.17 g/cm3,较施用化肥和有机肥加少量化肥处理分别降低了12.00%和8.60%。吕真真等[49]通过28年连续不同施肥处理试验研究发现:化肥配施有机肥处理的土壤容重较单施化肥降低了12.70%~20.60%;施肥处理的土壤容重比不施肥处理降低了4.00%~23.80%;而在单施不同化肥(PK、NP、NK和NPK)处理间土壤容重差异不显著。Celik等[50]通过田间试验(1996~2008年)研究证实,菌根与有机肥一起施用可使土壤容重和渗透阻力降低,土壤结构得到改善,其中施用堆肥处理的0~15 cm和15~30 cm土壤层的容重最低,而施用矿质肥料处理的土壤容重最高。兰志龙等[51]通过25年长期定位不同施肥措施对关中塿土容重的影响研究发现,与不施肥、单施氮肥和施用氮磷钾肥相比,有机肥与氮肥配施显著降低了土壤容重和紧实度,土壤容重以撂荒田最大(1.40 g/cm3),以有机肥与化肥配施处理最小(1.11 g/cm3)。
土壤孔隙是土壤固相的土粒或土团之间的空隙,其形状、大小及连续性和稳定性等特征对土壤水分和养分运移、土壤生物呼吸和植物根系生长发育等都有着非常重要的影响。蔡太义等[52]基于砂姜黑土改良长期施肥定位试验研究发现:施有机肥处理不同土层孔隙数量最多,空间变异也最大,秸秆还田次之,常规施用化肥处理的孔隙数量最少;施用有机肥和秸秆还田处理的分形维数和土壤孔隙结构较施用化肥处理更加复杂且稳定。Naveed等[53]通过长期施用不同数量的动物粪肥和氮磷钾肥试验发现,与未施或仅施少量肥料的地块相比,施用动物粪肥和氮磷钾肥的地块大孔隙率和生物(蚯蚓)活性更高,且随着动物粪肥施用量的增加,孔隙分布变宽,孔隙连通性得到明显改善。付威等[54]研究指出:与不施肥相比,长期施用氮磷肥显著降低了耕层土壤的紧实度;与施用氮磷肥处理相比,增施钾肥可增加土壤总孔隙度;增施生物炭处理的耕层土壤总孔隙度明显高于施用氮磷钾肥处理的。邓超等[55]通过研究长期施肥对红壤稻田土壤孔隙度的影响发现:与不施肥对照相比,施用有机肥有利于增加土壤的通气孔隙,而施用化肥则减少了土壤的通气孔隙,长期施用有机肥处理的土壤中大孔隙度和中孔隙度分别是施用化肥和不施肥处理的1.45~1.68倍和1.22~1.43倍。Rasool等[56]通过研究指出,施用粪肥和单施氮磷钾肥处理相比于不施肥有利于增加土壤的总孔隙度,其中施用粪肥处理的0~15 cm和15~30 cm土层土壤的总孔隙度比不施肥对照分别增加了25.0%和13.0%。
土壤团聚体作为土壤结构的基本单元,与土壤的孔隙状况、肥力、通气性、保水性以及抗侵蚀性等密切相关,明确施肥对土壤团聚体的影响对改善土壤结构和质量,促进作物生长,以及防止土壤退化具有重要意义。Yan等[57]通过长期施肥试验研究证实,江西红壤水稻土有机无机肥配施相比于单施化肥和不施肥可有效促进团聚体胶结进而形成大团聚体,增加大团聚体的数量和稳定性。林清美等[58]研究指出:长期施肥处理的土壤0.25~2.00 mm团聚体含量表现为有机肥与化肥配施>常量有机肥与化肥配施>单施化肥;微团聚体含量表现为有机肥与化肥配施<常量有机肥与化肥配施<单施化肥;有机肥处理的土壤团聚状况和团聚度均高于单施化肥处理的;而有机肥处理的土壤分散系数、分散率、微团聚体比值和微团聚体分形维数均低于单施化肥处理的。Ghosh等[59]通过长期的肥料试验研究发现:在单施农家肥处理和单施氮磷钾肥处理间0~15 cm土层中大团聚体数量差异不显著,但氮磷钾与农家肥配施处理的土壤微团聚体比单施氮磷钾肥处理高27.0%,且土壤团聚体的稳定性也较高。吕欣欣等[60]通过29年长期定位施肥试验研究发现:在不覆膜条件下,与不施肥相比,长期施肥显著增加了>2 mm团聚体的含量,而显著降低了0.25~2.00 mm粒级团聚体的含量;有机肥的施入均显著提高了不覆膜土壤各粒级团聚体的有机碳含量;单施有机肥及有机肥化肥配施相比于单施化肥有利于增加土壤团聚体的稳定性及有机碳在团聚体中的固持。Chen等[61]通过长期施肥试验研究证实:经有机肥处理后土壤小团聚体比例下降,大团聚体比例明显上升;而矿质肥料的施用会明显增加微团聚体比例。
长期不同施肥模式对土壤结构、土壤质量、养分状况、根际土壤微生物数量、酶活性及作物根系生长均具有明显的影响。作物的持续生产和土壤肥力的维持需要长期进行肥料的投入。在兼顾生态环境效应的前提下,通过合理施肥来有效改善土壤微生态环境、土壤结构、土壤养分供应能力及作物根系的生长发育是土壤培肥和农业绿色丰产增产可持续发展的必由之路。目前,多数研究认为有机无机肥配合施用是在改善土壤物理结构、微生态环境、养分状况及根系生长发育方面较为合理的可以长期采用的施肥模式,但在长期不同施肥模式对土壤影响的研究领域未来仍有以下几个方面需要加强。
(1)长期有机肥和化学氮肥的投入均显著刺激硝化过程,导致土壤中大量的硝态氮累积。土壤氮素矿化-同化循环是自然界氮循环过程中两个至关重要的环节,并受土壤微生物数量和关键酶活性的影响,因此需要加强研究长期施肥下土壤微生物种类和数量以及关键酶活性与氮素矿化-同化的内在关联机制,以提高硝态氮同化能力,降低反硝化损失。
(2)肥料的不合理施用不仅会对地表水、地下水等造成污染,而且对大气质量也有一定的影响,例如有机肥的不恰当施用会增加土壤中的重金属含量及病原菌数量,因此未来应加强研究不同长期施肥模式间的生态环境效应差异以及主要污染物累积的变化规律。
(3)有机无机肥配施是农业肥料投入较为合理的方式,但过量的施入有机肥会造成大量的氮损失和养分利用率的明显下降。此外我国幅员辽阔,各个长期定位施肥研究地点之间的气候类型、土壤类型差异较大,因此亟待明确各典型生态区和不同土壤类型区有机肥投入的阈值以及合理的有机无机肥料投入比例。
(4)以往有关长期施肥下土壤肥力演变的研究多数基于较小空间或较短时间尺度,而在大区域尺度上对土壤养分、物理结构、微生态环境及碳氮循环长期动态变化过程的研究和分析还比较缺乏,致使土壤肥力指标在特定时间或点位的增减变化并不能系统、科学地解释土壤肥力的演变规律和趋势,因此未来应重视在大区域尺度上的长期定位施肥试验研究。