長期施肥對紅壤性水稻土理化性質的影響及土壤肥力質量評價

顏 雄，彭新華，張楊珠，陳江濤，李文昭，趙 君，陳 龍

（1. 遵義師范學院資源與環境學院，貴州遵義563002；2. 中國科學院南京土壤研究所，土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，江蘇南京210008；3. 湖南農業大學資源環境學院，湖南長沙410128；4. 湖南省農業科學院，湖南長沙410125；5. 遵義師范學院農業科技學院，貴州遵義563002）

南方低丘紅壤稻田生態系統的水稻生產在我國糧食生產中占有重要地位[1]，水稻土的土壤肥力質量影響著水稻的生產和發展[2]。長期定位試驗是建立有效施肥系統的重要方法[3]，是研究提高土壤肥力質量的有效途徑。本研究基于江西省進賢縣長期定位施肥試驗，研究南方典型紅壤性水稻土的基本理化性質變化，對不同施肥措施的土壤肥力進行定量評價，為選擇科學施肥措施和水稻可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗地為長期定位試驗田，設在江西省紅壤研究所內(116°20'24″E、28°15'30″N)，屬中亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.7～18.5℃，年均降雨量1 537 mm，年蒸發量1 100～1 200 mm。海拔高度25～30 m，為典型的低丘紅壤地區，土壤類型為第四紀紅粘土發育的潴育型水稻土，剖面構型為：A－P－W 1－W 2－G，耕作制為“稻－稻－冬閑”制，試驗開始時耕層土壤pH 值6.9，粘粒（<0.001 mm）24.1%，有機碳16.3 g/kg，全氮1.49 g/kg，全磷0.48 g/kg，全鉀10.39 g/kg，速效磷4.15 mg/kg，速效鉀80.52 mg/kg。

1.2 試驗設計

長期定位試驗于1981年開始，種植制度為早稻－晚稻－冬閑。共設置9個施肥處理：（1）不施肥處理（CK）；（2）單施氮肥處理（N）；（3）單施磷肥處理（P）；（4）單施鉀肥處理（K）；（5）施用氮肥、磷肥處理（NP）；（6）施用氮肥、鉀肥處理（NK）；（7）平衡施用氮肥、磷肥和鉀肥處理（NPK）；（8）平衡施用2 倍的氮肥、磷肥和鉀肥處理（2NPK）；（9）施用氮肥、磷肥和鉀肥同時加施新鮮豬糞處理（NPKOM）。具體詳見表1。小區面積46.67 m2，隨機區組排列，重復3 次。

表1 紅壤性水稻土長期定位試驗雙季稻每季不同施肥處理設計

1.3 樣品的采集及測試方法

從9個施肥處理的每個小區中隨機取5 點，采集土壤耕層0～20 cm 的樣品，混勻，帶回實驗室挑出根系、石塊、蚯蚓等動植物殘體，風干后過2 mm 篩備用。土壤基本理化性質測定采用常規測定方法，在室內測定分析[4]。

1.4 數據分析與處理

采用M icrosoft Excel 2003 記錄統計測定所得數據；采用SPSS 13.0 處理分析數據；采用最小顯著差異法（Fisher’s LSD）進行差異顯著性測驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 長期施肥下紅壤性水稻土基本理化性質的變化

長期施肥對紅壤性水稻土耕層土壤理化性狀的影響如表2 所示。本次分析結果與定位試驗開始前（pH 值5.4）相比，除單施鉀肥（K）外，其他施肥處理的土壤pH 值均有不同程度的下降，說明長期施肥導致土壤酸化，而施用含N 肥的無機化肥處理的pH 值降低較為明顯（0.04～0.11），這是因為當施入銨態氮肥過量時，NH4+-N 硝化及NO3-的淋洗會進一步導致土壤酸化[5]。Guo[7]的研究結果也表明，化學氮肥的施用將導致紅壤酸化。但有機無機肥配施（NPKOM）土壤pH值與施肥前基本一致，證明有機肥的施用能有效緩解土壤酸化[6]。NPK、2NPK 和NPKOM 處理的有機碳含量與試驗開始前（16.3 g/kg） 相比提高了22.9%～57.4%，由于平衡施用化肥措施和有機無機肥配施措能提高作物的產量，從而增加了作物根茬的返田量[8]，同時加上有機肥的施入（NPKOM），使土壤有機質得到了有效的補充。

表2 不同施肥處理耕層土壤養分含量變化

有機無機肥配施處理（NPKOM）使土壤的全氮提高了68.5%，明顯高于其他處理（29.5%～35.6%）。同時，有機肥也明顯提高了土壤全磷的含量，其他處理的土壤全磷含量提高幅度較小，單施氮肥處理的全磷含量甚至略微下降。所有處理的全鉀含量均有提高，且CK 處理和單一施肥處理（N、P、K）的增長幅度略微高于其他處理。

土壤的速效養分也呈現了不同程度的變化。各處理堿解氮的含量均提高15.8%以上，有機無機肥配施提高到54.7%。而速效磷的含量則有增有減，其中施磷肥的處理增長，其他處理減少。速效鉀的含量除有機無機肥配施（NPKOM）提高外，其他處理均有不同程度的減少。

總體看來，施用有機肥處理（NPKOM）中除全鉀外，土壤有機碳和各項養分含量都顯著高于其他處理，顯著促進了作物對化肥中養分的吸收。有機肥的施入既能提高土壤肥力質量，有效緩解土壤酸化，又能滿足作物對養分吸收的需求。在采用長期不同施肥措施的條件下，導致了肥力質量出現不同的變化，其中有機無機肥配施（NPKOM）處理最有利于滿足水稻對養分的需求和紅壤性水稻土的可持續發展。

2.2 長期不同施肥對土壤肥力質量的影響

近年來，許多學者采用不同的統計方法，如：模糊數學、因子分析、聚類分析，進行土壤肥力質量的數值化評價。但由于土壤肥力指標的選擇和劃分、權重系數的計算等在不同地方和不同土壤條件下存在差異，目前尚無統一的標準。筆者綜合多位學者的研究結果，采用Fuzzy 綜合評判法即運用模糊數學建立模型和相關系數法權重分析的原理，對土壤肥力質量進行數值化評價。

2.2.1 土壤肥力質量評價指標的選擇和處理首先，本研究選用土壤pH 值和有機質，全氮、全磷和全鉀3種全量養分，堿解氮、速效磷和速效鉀3種速效養分作為土壤肥力質量評價的指標。其次，由于各種養分的量綱不一致，且對肥力質量影響的作用不同，按照不同指標的屬性建立與之對應的隸屬函數[9-11]，并計算每個指標的隸屬度值。其中，土壤pH 值屬于梯型（拋物線型）隸屬度函數，而其他7種肥力指標屬于S 型（正相關型）隸屬度函數[9-11]，根據本研究實際，確定土壤pH 值在梯型隸屬度函數曲線中轉折點的取值分別為：X1=4.5，X2=5.5，X3=6.0，X4=7.0。其他7種肥力指標在正相關型隸屬度函數曲線中轉折點X1和X2的取值見表3。

表3 正相關型（S 型）函數曲線轉折點的取值

將各項肥力質量指標值分別代入隸屬度函數可得其隸屬度值Ni，如表4 所示。隸屬度值的大小（0.1～1.0）反映了各指標隸屬的程度，0.1 是最小值，表示土壤肥力質量屬于嚴重缺乏狀態，而最大值1.0則表示土壤肥力質量完全有助于作物的生長，處于最良好的狀態。

表4 各單項肥力質量指標對應的隸屬度值Ni

2.2.2 各單項土壤肥力指標權重的確定 各單項土壤肥力指標權重的高低代表其在土壤肥力質量中貢獻率的大小。計算步驟為：（1）先計算出水稻土各單項土壤肥力質量指標之間的相關系數，如表5 所示，從而建立相關系數矩陣R；（2）計算各單項土壤肥力質量指標與其他指標相關系數的平均值；（3）求得該各單項土壤肥力質量指標平均值占全部肥力質量指標相關系數平均值之和的百分率，即可計算出各單項肥力質量指標的權重(W i)(見表6)。

2.2.3 土壤肥力質量綜合性指標值的計算 由以上兩步分別求得Ni（第i種養分指標的隸屬度值）和Wi（第i種養分指標的權重系數）后，根據加乘法則，計算出長期不同施肥處理的土壤肥力質量的綜合指標值IFI。計算公式為：IFI=∑Wi×Ni。

2.2.4 不同施肥處理土壤肥力質量等級的劃分 本研究擬定義IFI 共分為5個級別：IFI ≥0.8 屬于高級別，0.8>IFI≥0.6 屬于較高級別，0.6>IFI≥0.4 屬于中等級別，0.4>IFI≥0.2 屬于較低級別，IFI<0.2 屬于低級別。如表7 所示，紅壤性水稻土的9個施肥處理中，有機無機肥配施（NPKOM）處理的土壤肥力質量屬于二級（Ⅱ），為較高級別，其他施肥處理的均屬于三級（Ⅲ），為中等級別，其中CK、N 肥處理土壤肥力水平中等偏下，說明N 肥處理的土壤肥力質量有明顯退化的趨勢。

表5 各單項肥力質量指標的相關系數矩陣R

表6 各單項肥力質量指標的權重Wi

表7 不同施肥處理土壤的肥力質量等級

因此，與CK 處理相比，長期不合理施肥并未能提高土壤肥力質量，而有機無機肥配施能有效提高土壤肥力質量。

3 結論

長期施肥導致土壤酸化，不合理施肥使土壤養分含量有不同程度的下降，而有機無機肥配施處理是最合理的施肥模式，有效補充了土壤養分庫，緩解了土壤pH 值的下降。不同施肥處理導致土壤肥力質量有所差異，有機無機肥配施處理的質量等級最高，為二級，而其他處理均為三級，尤其以對照和單施氮肥處理質量等級指標值最低，其肥力水平中等偏下。因此，有機無機肥配施最有利于土壤肥力質量的提高和土壤的可持續利用。

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