长期不同施肥措施下灌漠土养分特征变化分析

杨金钰，许咏梅，孙九胜

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】土壤养分是限制作物生长的重要因素之一，其中土壤有机质、氮和磷是评价土壤质量和土壤养分状况的重要指标。施肥是影响农田作物产量及土壤养分库变化的主要因素[1]，化肥施用量不断上升及有机肥用量减少导致土壤养分失衡，特别是土壤有机质含量及土壤结构的变化，给作物产量和土壤质量带来持续的不良影响。研究科学合理的施肥方式，维持农业高效和可持续发展是亟需解决的问题。长期定位施肥试验具有时间的长期性、气候的重复性等特点，可系统揭示土壤肥力演变规律，为施肥制度合理性评判提供理论依据[2]。研究长期不同施肥措施下土壤养分特征变化，对灌漠土区施肥方式的选择重要意义。【前人研究进展】有关有机肥和化肥对土壤养分的影响已有大量研究，如长期施用有机肥可显著增加土壤有机质、速效养分含量，效果优于化肥[3]。长期单施化肥会降低有机质含量[4]，与单施化肥相比，施用有机肥处理土壤有机质、全氮、有效磷均显著增加[5]。有机肥和化肥都是农田维持土壤肥力和作物增产的重要措施，但有机肥和化肥养分的有效性和形态不同，对土壤养分库的容量和强度影响也明显不同，通过长期定位施肥，可正确认识有机肥、化肥对土壤肥力演变和培肥效果的影响。【本研究切入点】灌漠土是分布于我国漠境地区的内陆河流域和黄河流域的一类重要地带性土壤，主要涉及新疆、甘肃、宁夏、青海等西北干旱区，占国土面积20%以上。吐鲁番盆地属极端干旱区，与甘肃等省份相比，该区日照、辐射量、积温和无霜期等气候肥力优势突出，自然与人为成土条件独特，微生物区系差异有别于其他地区。葡萄是该区域的特色林果树种，大量的化肥投入严重影响葡萄产量和品质，针对灌漠土种植葡萄化肥和有机肥合理施用的结果较为缺乏，长期不同施肥下养分特征的变化尚未见报道。研究长期不同施肥对新疆东部灌漠土养分特征的影响。【拟解决的关键问题】以新疆东部吐鲁番肥力长期监测点的黄土状灌漠土为研究对象，分析长期不同施肥条件下灌漠土有机碳、氮、磷等养分变化，为指导灌漠土区合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验区位于新疆吐鲁番市鄯善县连木沁镇、鲁克沁镇“国家土壤肥力网监测点”，属温带大陆性气候类型，是我国极端干旱的代表性区域，年均降雨25 mm，蒸发量3 200 mm，干燥度128。年均气温11.3℃，极端高温48℃。热量丰富，≥10℃积温5 035℃，日照时数3 100 min，无霜期224 d。试验区基础土壤理化性质：pH 8.1，有机质13.6 g/kg，碱解氮78.3 mg/kg，Olsen-P 12.7 mg/kg，速效钾178 mg/kg，容重1.15 g/cm3。供试土壤为黄土状灌漠土。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

选择长期施有机肥(M)、化肥配施有机肥(NP+1/2M，1/4NP+1/3M)、化肥(NP)、撂荒(CK0)5个典型处理。表1

表1 长期定位试验施肥量Table 1 The design of fixed position experiment (kg/hm2 )

于2017年7月采用多点混合法取农田耕作层0～20、20～40 cm土壤，用布袋封装带回实验室，去除土壤中可见的动植物残体等杂物，风干备用于分析土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾等土壤养分指标。

1.2.2 土壤养分测定

风干后的土壤样品按照常规方法进行土壤养分的测定。有机质测定采用重铬酸钾氧化法，全氮采用凯氏定氮法，速效氮测定采用碱解扩散法，速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法[6]。

1.3 数据处理

利用DPS统计软件进行方差分析，新复极差法进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥对土壤有机质的影响

研究表明，与不耕作的撂荒土壤CK0相比，除纯施用化肥的NP处理外，其他各处理0～20 cm土壤有机质含量均提高，其中纯施用有机肥的M处理和化肥与有机肥配施的1/4NP+1/3M处理有机质显著高于CK0，分别增加了282.3%和150.7%。20～40 cm土壤有机质变化规律与0～20 cm一致，含量最高的是纯施用有机肥的M处理和化肥与有机肥减量配施的1/4NP+1/3M处理，显著高于未耕作土壤CK0，分别增加了88.7%和85.1%。含量最低的是纯施用化肥的处理NP，比未耕作土壤CK0处理低了2.7%。各处理0～20 cm和20～40 cm土壤相比，表层0～20 cm土壤的有机质含量均高于20～40 cm土壤，且施用有机肥的处理表层有机质含量较亚表层20～40 cm增幅较大，在73.7%～178.9%，纯施用化肥处理NP表层有机质含量较亚表层20～40 cm增加5.5%，未耕作土壤CK0表层有机质含量较亚表层20～40 cm增加37.7%。总体看，纯有机肥处理对土壤有机质提升的效果最明显，有机肥与化肥配施处理次之，且化肥与有机肥减量配施的1/4NP+1/3M处理的提升效果高于化肥常量、有机肥减施的NP+1/2M处理。纯施用化肥的处理在长期耕作下，有机质含量最低。图1

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05),下同

2.2 长期不同施肥对土壤全氮的影响

研究表明，与不耕作的CK0处理相比，0～20 cm土壤中，长期施用有机肥的M处理、有机肥与化肥配施的NP+1/2M、1/4NP+1/3M处理的全氮含量显著增加，增加的幅度在47.3%～57.2%，但这3个处理之间无显著差异。纯施用化肥的NP处理全氮含量最低，比不耕作的土壤减少了77.2%，显著低于其他处理。20～40 cm中，各处理间全氮含量差异不显著，含量最高的是纯施用有机肥的M处理，比不耕作的CK0对照处理增加了33.2%，含量最低的是纯施用化肥的处理NP，比不耕作的CK0对照处理减少了7.1%。各处理0～20 cm和20～40 cm土壤相比，除纯施用化肥的NP处理，各处理0～20 cm土壤的全氮含量均高于20～40 cm土壤，增加幅度在31.7%～77.5%，纯施用化肥的NP处理20～40 cm土壤的全氮较0～20 cm土壤增加了208.9%，长期有机肥、有机肥配施化肥均可使土壤全氮含量增加，而纯化肥施用不利于表层土壤氮素的累积。图2

图2 不同施肥处理下土壤全氮含量变化Fig.2 Total N contents in different treatments

2.3 长期不同施肥对土壤速效氮的影响

研究表明，0～20 cm土壤中，速效氮含量最高的依次是化肥与有机肥配施的1/4NP+1/3M处理和纯施用有机肥的M处理，显著高于不耕作的CK0处理和纯化肥施用的NP处理，与CK0相比，化肥与有机肥配施的NP+1/2M处理的速效氮含量增加了89.8%，但与各处理相比差异不显著。20～40 cm土壤中，速效氮含量最高的是化肥与有机肥配施的1/4NP+1/3M处理和NP+1/2M处理，显著高于不耕作的CK0处理。与CK0相比，纯有机肥处理M和纯化肥施用处理NP的速效氮含量分别增加了94.6%、45.3%，但与各处理相比差异不显著。0～20 cm和20～40 cm土壤相比，0～20 cm土壤的速效氮含量均大于20～40 cm土壤，增加的幅度在3.05%～46.4%。化肥和有机肥配施有利于增加土壤速效氮含量，纯有机肥处理对表层土壤速效氮增加明显，纯化肥施用不利于土壤速效氮的增加。图3

图3 不同施肥处理下土壤速效氮含量变化Fig.3 Alkali-hydrolysis N contents in different treatments

2.4 长期不同施肥对土壤速效磷的影响

研究表明，0～20 cm土壤中，速效磷含量最高的是化肥和有机肥配施的1/4NP+1/3M处理，为106.5 mg/kg，显著高于其他各处理，且其他各处理间含量差异不显著。速效磷含量最低的是纯施用化肥的NP处理，为14.6 mg/kg，比对照CK0低67.5%，比含量最高的化肥和有机肥配施的1/4NP+1/3M处理低86.3%。20～40 cm土壤中，各处理间的速效磷含量差异不显著，含量最高的是化肥和有机肥配施的1/4NP+1/3M处理，为35.6 mg/kg，最低的是纯施用有机肥M处理，为17.7 mg/kg。0～20 cm土壤与20～40 cm土壤相比，基本上呈表层比亚表层高的规律，相差幅度最大的是化肥和有机肥配施的1/4NP+1/3M处理，表层0～20 cm比20～40 cm高198.6%，其他处理相差幅度在1.0%～70.1%。纯施用化肥的NP处理表层0～20 cm土壤速效磷比亚表层20～40 cm土壤含量低。化肥与有机肥减量配施有利于提高表层土壤的速效磷含量。图4

图4 不同施肥处理下土壤速效磷含量变化Fig.4 Available P contents in different treatments

2.5 长期不同施肥对土壤速效钾的影响

研究表明，0～20 cm土壤中，纯化肥施用处理NP的速效钾含量最高，为448.0 mg/kg，显著高于其他各处理。不耕作的对照CK0处理的土壤速效钾含量最低，为158.0 mg/kg，与纯有机肥处理M、化肥和有机肥配施的NP+1/2M、1/4NP+1/3M处理相比差异不显著。各处理20～40 cm土壤速效钾的含量与0～20 cm土壤规律基本一致，纯化肥施用处理NP的速效钾含量最高，显著高于其他各处理，而含量最低的是化肥和有机肥配施的NP+1/2M处理，比不耕作的CK0处理低13.7%，且与纯有机肥处理M、化肥和有机肥配施的1/4NP+1/3M处理、不耕作的CK0处理相比差异不显著。0～20 cm土壤与20～40 cm土壤相比，纯有机肥处理M、化肥和有机肥配施的NP+1/2M处理、纯化肥施用的NP处理速效钾含量满足表层比亚表层高的规律，表层比亚表层增加的幅度为22.3%～37.2%，而化肥和有机肥配施的1/4NP+1/3M处理、不耕作的CK0处理土壤速效钾含量表现为亚表层高于表层，亚表层比表层增加了3.2%～10.9%。纯化肥施用显著增加了土壤中速效钾含量，纯有机肥、化肥与有机肥配施等其他施肥方式对速效钾的增加作用不明显，化肥与有机肥减量的情况下，表层土壤的速效钾累积相比亚表层要少。图5

图5 不同施肥处理下土壤速效钾含量变化Fig.5 Available K contents in different treatments

3 讨 论

3.1 不同施肥措施对土壤养分变化的影响

研究表明，长期施用有机肥，0～20 cm、20～40 cm土壤有机质含量显著高于其他施肥处理，表层0～20 cm土壤的全氮、速效氮含量显著高于其他处理。这主要是因为长期施用有机肥可有效改善土壤结构，提升土壤有机质含量。有机物料的大量投入，可补充有机碳源，提高养分有效性，改善土壤结构，极大促进微生物量活性[7]；有机肥提供了氮源供给，激发微生物对碳源的利用，也会利于提高微生物量碳；土壤可溶性有机碳与有机肥使用量呈显著正相关关系[8]，研究有机肥处理M施用了大量羊粪，有机质含量丰富，能被微生物快速分解利用；有机肥羊粪中的有机氮含量较高，有机氮在矿化过程中产生了大量的小分子含氮化合物，如氨基糖、蛋白质、氨基酸等，增加了土壤中速效氮含量[9]。

长期单施化肥，有机质在表层与亚表层的含量均显著低于其他各处理。全氮、速效N、速效磷在表层0～20 cm土壤的含量显著低于其他处理，在亚表层20～40 cm的含量无差异。这可能是因为长期施用化肥虽然可以提升作物产量、生物量，增加根系分泌物、凋落物等，但是与有机肥直接输入提供的碳源相比还十分有限[10]，所以土壤有机质含量较低；施用化肥的NP处理表层的全氮、速效N、速效P含量低，这主要是因为施用氮肥后，硝化作用使氮肥转化为有效态氮后，氨挥发、氧化亚氮排放、淋失引起氮素损失。长期施用磷肥，土壤速效磷含量增加显著，大量施用磷肥会导致表层磷素淋失[11]，研究长期施用磷肥，除满足植物生长需要的磷素外，土壤表层将出现磷素的淋溶损失。

研究中，化肥与有机肥配施的2个处理养分变化特征相似，表层0～20 cm土壤的全氮、有机质含量显著高于纯化肥NP和对照CK0处理。亚表层20～40 cm土壤中，全氮含量与其他各处理相比无差异，速效钾显著低于其他施肥处理。已有研究表明，与不施肥和单施化肥相比，化肥与有机肥配施可显著提高土壤有机质、全氮含量[12]，这与研究结果相似。氮肥淋溶往往发生在土壤深层，土壤碳氮的变化是一个动态平衡的过程，作物与微生物竞争利用土壤氮素，在土壤矿质氮素充足时，各处理以植物根系残茬等归还到土壤的有机物料量不同，这时如果土壤有效氮充足，而有效碳缺乏，微生物就会分解利用土壤中的可溶性有机碳来满足对碳的需求。所以，在研究中的2个化肥配施有机肥处理中，可能出现了有效碳释放不平衡或氮肥抑制微生物活性的情况，使得亚表层土壤全氮与其他处理无显著差异。化肥NP配施有机肥，由于长期不添加钾肥，主要依靠土壤本底钾维持生产，必然导致土壤钾消耗，越来越多的矿物钾释放并被吸收，使得土壤钾维持在一个负平衡局面。配施有机肥后，土壤结构得到改善，更多的土壤溶液累积在表层，而非交换性钾、水溶性钾和交换性钾在亚表层含量少，故亚表层速效钾含量较低，这与王西和[13]的研究结果一致。

化肥与有机肥均减量配施的处理(1/4NP+1/3M)，表层土壤的全氮、速效氮、速效P含量显著高于纯施化肥NP和对照处理CK0。已有研究表明，长期过量的施氮磷肥并不能提高土壤养分含量，反而会出现淋溶至土壤深层现象[11]。通过合适的有机无机肥料配比，减少化肥使用量，配施有机肥对平衡土壤养分、培肥土壤具有重要意义[14，15]。研究中的处理1/4NP+1/3M，化肥与有机肥均减量配施，一方面有机肥和化肥也为微生物生长提供了碳源和氮源，促进了微生物的生长繁殖，化肥减量施用避免了氮素过量抑制微生物活性[16]的可能，提高了微生物群落的活性。另一方面，有机肥改善了土壤的理化性质，适量的有机肥为微生物生长繁殖提供了良好的生活环境，有益微生物能够矿化释放土壤中被固持的矿质态氮与难溶性磷素[17，18]，所以表层土壤的全氮、速效氮、磷含量高于纯施用化肥和CK0处理。而深层的土壤可能受土壤有机质、水分、通气状况、微生物活性等多方面因素影响，养分含量低。减量施用化肥配施有机肥的情况下，土壤养分仍然能够保持较高水平且有助于维持土壤微生态系统的平衡。

研究中，对照处理(CK0)土壤取自鄯善县鲁克沁镇长期撂荒地，土壤水分含量低且表层无植被覆盖。速效氮含量最低，且显著低于其他处理。表层土壤全氮显著低于施肥耕作的土壤，亚表层土壤速效氮、速效钾含量显著低于其他施肥处理。在我国干旱半干旱地区，农田、林地、草地等土壤中的秸秆、根茬、植株残渣等有机碳源的输入刺激了微生物的分解作用，促进了土壤氮、碳的累积。而撂荒地地面植被较少、生物化学风化作用弱，且易受环境扰动，土壤微生态环境脆弱，土壤养分含量及微生物活性较低。这与张旭博等[19,20]的研究结果一致。

3.2 长期施肥措施下土壤养分在不同土层的变化

各处理的养分含量呈现层化现象，表层土壤有机质、速效N含量均大于亚表层。说明不同施肥均对土壤浅层环境具有较强影响，已有研究表明，随着土壤深度增加，土壤有机质、速效氮含量呈减小趋势；微生物活性随深度增加而下降，施肥对土壤碳氮的提升效应逐渐降低，这与何倩、江晶等[21，22]的研究结果一致。因为表层土壤有作物残茬及凋落物的累积，有机质含量较高、灌溉水补给表层土水分、通气状况良好，所以适宜微生物生长繁殖；表层土壤微生物活性强，土壤微生物生物量碳氮丰富，有利于残茬及有机肥中碳氮转化，使得土壤养分含量较高。

4 结 论

4.1长期施用有机肥，灌漠土有机质含量显著高于其他施肥方式。长期施用化肥，灌漠土有机质含量明显降低，全氮、速效氮、速效磷在表层0～20 cm的含量显著低于其他处理。化肥配施有机肥可显著提高表层0～20 cm土壤全氮、有机质含量，尤其是通过合适的配比减施化肥和有机肥，表层0～20 cm土壤的全氮、有机质及速效氮、速效P含量均大于纯施化肥NP和对照处理CK0。减量施用化肥配施有机肥的情况下，土壤养分仍然能够保持较高水平，是灌漠土区可以推荐的施肥方式。长期撂荒模式下，速效氮含量显著低于其他施肥方式，不利于土壤养分的保持。

4.2各处理的养分含量因土壤深度变化，一般情况下，表层土壤有机质、速效N含量均大于亚表层，不同施肥均对土壤浅层具有较强影响。长期纯化肥施用情况下，大量的无机氮、磷向土壤深层累积，亚表层的全氮、速效P含量大于表层。