長期施肥對紅壤旱地有機碳、氮和磷的影響

夏文建,王 萍,劉秀梅*,余喜初,冀建華,李大明,劉光榮,李祖章,劉增兵,張麗芳,楊成春,李 瑤

(1.江西省農業科學院 土壤肥料與資源環境研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心/農業部 長江中下游作物生理生態與耕作重點實驗室,江西 南昌 330200;2.江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心,江西 進賢 331717)

長期施肥對紅壤旱地有機碳、氮和磷的影響

夏文建1,王 萍1,劉秀梅1*,余喜初2,冀建華1,李大明2,劉光榮1,李祖章1,劉增兵1,張麗芳1,楊成春1,李 瑤1

(1.江西省農業科學院 土壤肥料與資源環境研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心/農業部 長江中下游作物生理生態與耕作重點實驗室,江西 南昌 330200;2.江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心,江西 進賢 331717)

通過長期田間定位實驗研究了不同施肥處理對紅壤旱地土壤養分庫累積和養分供給的影響。研究結果表明:長期單施氮肥易造成土壤酸化和土壤磷庫消耗；不施氮肥土壤的氮庫會發生明顯耗竭,導致土壤水溶性氮含量下降；施用磷肥土壤的速效磷含量有所增加；施用有機肥(豬糞)可以顯著增加土壤氮庫、磷庫和碳庫,并緩解土壤酸化；有機肥施用使土壤速效磷含量大幅度增加,可能會導致磷素流失風險。

紅壤;旱地；長期施肥;有機碳；有機氮；有機磷

紅壤是我國主要的土壤類型之一,我國紅壤面積大約5690萬hm2,約占全國土壤面積的6.5%[1]。紅壤區由于受降雨集中、高溫高濕等自然條件和多熟集約種植、過度開發、施肥不合理、水土保持措施不到位等人為因素的影響,生態平衡遭受破壞、酸化加劇、土壤養分貧瘠失調、土壤肥力下降[2]。土壤養分是限制作物生長的重要因素之一,其中土壤有機質、氮和磷是評價土壤質量和土壤養分狀況的重要指標[3-5]。大量長期試驗結果表明,土壤有機質含量和磷素庫源平衡在我國農田土壤質量評估中起著決定性的作用[4]；而紅壤旱地的有機碳庫處于虧缺狀態,退化紅壤的有機碳含量通常小于8.7 g/kg[6]。統計數據顯示,江西省旱地紅壤有機碳的平均含量不到10.0 g/kg,由此引起土壤養分的嚴重貧瘠化,制約了紅壤生產力的正常發揮[7]。水溶性有機質(WSOC)是活性有機質分類中的一種,是土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解利用、對植物養分供應有最直接作用的那部分有機質,是土壤圈中十分活躍的重要化學組分,能敏感地反映土壤有機碳的變化[8-11];WSOC占土壤總有機碳(TOC)百分比的范圍為0.15%～ 0.19%,與土壤有機碳、微生物生物量碳(SMBC)的含量都呈顯著性正相關[12]。施用有機肥是提升紅壤質量的重要措施,研究表明土壤有機質含量增加與有機物料投入量呈極顯著正相關關系[4]。有機肥施用可更快地重建退化紅壤磷庫,其提高土壤全氮水平的速度也大于單施化肥的[13]。長期不同施肥方式紅壤的pH值會有不同的變化,長期施用化肥土壤的pH值會降低,而施用有機肥土壤的pH值會保持穩定或升高[14]；pH值降低會影響作物的產量和對氮、磷、鉀養分的吸收,而施用有機肥能改善紅壤的酸度,尤其是配施化學肥料和有機肥能獲得持續高產,是紅壤區的最佳施肥模式。然而,關于長期施肥條件下紅壤旱地土壤水溶性有機碳、氮和磷的研究較少,特別是有關江西省雙季玉米種植條件下紅壤養分庫特征的研究尚未見報道。我們通過持續30年的紅壤旱地長期定位施肥試驗監測了長期施肥條件下旱地紅壤有機碳、氮和磷等養分的變化,研究了長期不同施肥方式對紅壤養分的影響,旨在為指導紅壤合理施肥提供科學依據。

1 試驗設計與方法

1.1試驗概況

紅壤長期定位試驗地位于江西省進賢縣(28°37′N,116°26′W)。該地區屬于亞熱帶季風氣候,年均氣溫17.7 ℃,年均降雨1727 mm。土壤母質為第四紀紅黏土,質地為粉砂質黏壤土。試驗始于1986年。實驗前土壤基本理化性質為: pH值為6.0,容重1.20 g/cm3，有機碳含量8.93 g/kg,全氮(N)、全磷(P2O5)、全鉀(K2O)含量分別為0.98、1.42、8.93 g/kg,堿解氮60.3 mg/kg,有效磷(NaHCO3-P)12.9 mg/kg,速效鉀(NH4OAc-K) 含量72 mg/kg,陽離子交換量(CEC) 10.7 cmol(+)/kg,粘粒(粒徑lt;0.002 mm)含量41.0%。

1.2試驗設計

本實驗共設置10個處理，分別為:不施肥(對照CK)、施有機肥(處理代號OM)、施氮肥(N)、施磷肥(P)、施鉀肥(K)、施氮磷肥(NP)、施氮鉀肥(NK)、施氮磷鉀肥(NPK1)、施2倍量氮磷鉀肥(NPK2)、氮磷鉀配施有機肥(MNPK)。每個處理3次重復,小區面積22.2 m2,隨機區組排列。種植制度采用春玉米(4～7月)-夏玉米(7～10月)-冬閑制。每年肥料分兩季施用,每季施用純N 60 kg/hm2、P2O530 kg/hm2和K2O 60 kg/hm2。化肥種類分別為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀。有機肥為新鮮豬糞,含水量為80%,干物質含碳量為40%,含N、P2O5、K2O量分別為0.40%、0.35%和0.50%；有機肥施用量為15 t/hm2。磷、鉀肥和有機肥均基施,氮肥2/3作基肥,1/3作追肥。

1.3土壤樣品采集及分析

于2011年11月,每個小區按S型采集土樣并混勻；土樣經自然風干,過2 mm篩，備用。

土壤基本理化性質如pH值、陽離子交換量(CEC)、土壤氮、磷、鉀等含量采用常規分析方法測定。土壤有效磷含量采用NaHCO3(O-P)法和酸(0.05 mol/L HCl+0.0125 mol/L H2SO4)提取(H-P)法進行測定。分別用蒸餾水、常溫水(25 ℃)和熱水(70 ℃)浸提土壤水溶性有機碳[15-16],采用碳氮分析儀(multi C/N 2100)進行測定。

2 結果與分析

2.1長期不同施肥對土壤基礎養分的影響

從表1可以看出：與試驗前相比,試驗后紅壤發生了較嚴重的酸化,土壤pH值下降0.93～2.36；試驗后不同處理之間比較，N、NP和NK處理的土壤pH值分別比對照、P和K處理低0.34、0.32和0.36，P、NP和NPK1處理的土壤pH值分別比CK、N和NK處理高0.22、0.25和0.22,而OM和MNPK處理的土壤pH值分別比CK和NPK1處理高1.09和0.87。說明化學氮肥的施用加劇了土壤的酸化；施用磷肥(鈣鎂磷肥)具有一定的延緩土壤酸化的作用；氮磷配施無法完全阻控施氮引起的土壤酸化效應；而施用有機肥(豬糞)具有較顯著的延緩土壤酸化的效果。

長期施肥可以增加土壤的陽離子交換量(CEC),與對照相比CEC增加了0.1～3.2。具體來說：施用化肥處理的CEC比對照10.8僅增加了0.1～1.6；長期施用有機肥土壤的CEC則達到14.0，比對照增加了3.2。施肥處理土壤的有機碳總量和活性有機碳含量均有所增加,特別是施用有機肥處理土壤的有機碳總量增加顯著,氮磷鉀肥配合施用(NPK1和NPK2處理)有助于土壤碳庫累積。

長期不施氮肥(P、K處理)土壤的速效氮含量無明顯下降,但土壤全氮含量與對照相比分別下降了17.5%和14.6%;氮磷(NP)和氮鉀(NK)配施處理的土壤全氮含量分別比對照下降了11.6%和7.8%；氮磷鉀配合施用(NPK1和NPK2處理)土壤的全氮含量則無明顯下降,而速效氮含量分別比對照增加了18.8%和29.1%;施用有機肥(OM)以及有機無機肥配施(MNPK)土壤的全氮含量分別比對照增加了10.7%和13.6%,速效氮含量分別增加了47.8%和62.5%?？梢姷租浄逝浜鲜┯糜欣谕寥赖獛旆€定和提高土壤速效氮的供給；有機肥以及有機無機肥配合施用有助于土壤氮庫累積,并提供較多的速效養分氮；而不施氮肥土壤的氮庫呈現一定程度的耗竭。

與對照相比,除長期單施氮肥(N)土壤的全磷和速效磷含量下降外,其他施肥處理土壤的全磷含量為0.64～1.59 g/kg,速效磷含量為13.6～127.2 mg/kg,均較對照有所增加。但總體上,不同無機肥處理土壤磷庫和速效磷含量的變化較小,高量施肥(NPK2)處理土壤磷庫和速效磷存在一定的累積;而有機肥(豬糞)的施用造成了土壤全磷的大量累積,而速效磷含量則為對照的10倍左右(OM處理)或12倍左右(MNPK處理),土壤磷庫過度累積和流失風險加劇。

表1 長期不同施肥處理對紅壤旱地土壤養分的影響

2.2長期不同施肥對土壤水溶性有機碳的影響

土壤水溶性有機碳(WSOC)是土壤碳庫中最活躍的組分。由圖1可見，不同處理土壤的水溶性有機碳(WSOC)含量為47.33～164.21 mg/kg,熱水提取的有機碳(HWSOC)含量為109.03～307.29 mg/kg。與對照相比,長期施肥土壤的WSOC和HWSOC含量均有所增加,其中無機肥處理土壤的WSOC含量增加幅度較小,比對照增加了2.8%～35.6%；有機肥處理OM和MNPK土壤的WSOC含量分別比對照增加了246.9%和160.8%。熱水提取的有機碳(HWSOC)含量相較于土壤水溶性有機碳(WSOC)含量增加幅度更大,但兩者的變化規律相似；不同施肥處理土壤的HWSOC/WSOC值為1.87～2.58。

圖1 長期不同施肥對紅壤水溶性有機碳含量的影響

2.3長期不同施肥對土壤水溶性氮的影響

土壤水溶性氮是土壤氮庫中比較活躍的組分,與總氮庫相比更能體現土壤氮素的供給水平。本試驗土壤水溶性氮(WSON)含量的范圍為9.93～73.14 mg/kg,熱水提取態氮(HWSON)含量的范圍為17.14～82.63 mg/kg。不同施肥處理的土壤HWSON和WSON含量的變化趨勢一致,不同處理間HWSON/WSON的變化范圍為1.13～1.73,變化較小。

不施氮肥處理(CK、P、K)的土壤水溶性氮含量為9.93～13.56 mg/kg,施用常規量化肥氮處理(N、NP、NK、NPK)的土壤水溶性氮含量為37.66～61.90 mg/kg,施用2倍氮量處理(NPK2)的土壤水溶性氮含量為73.14 mg/kg,施用有機肥處理OM和MNPK的土壤水溶性氮含量分別為27.99 mg/kg和51.57 mg/kg。施氮處理的土壤水溶性氮含量大約是不施氮處理的3倍,NPK2處理的土壤水溶性氮含量是NPK處理的1.6倍。施用有機肥(OM)增加了土壤水溶性氮含量,但其增加幅度低于施氮處理的(圖2)。

圖2 長期不同施肥對紅壤水溶性氮含量的影響

在長期施肥條件下土壤水溶性氮含量發生了顯著變化,與對照相比，不施氮肥(P、K)處理的土壤水溶性氮(WSON)和熱水提取態氮(HWSON)含量均有所下降,而施用氮肥土壤的水溶性氮(WSON)含量顯著增加,并且隨著氮肥用量的增加而增加;施用有機肥能夠提供一定量的水溶性氮,但效果不如施氮明顯。

2.4長期不同施肥對土壤無機磷的影響

土壤速效磷通常用Olsen-P(O-P)表示,但也有研究認為用0.05 mol/L HCl+0.0125 mol/L H2SO4提取的磷(H-P)更適于反映固磷較強的酸性土壤中的速效磷。在本研究中，O-P含量范圍為12.77～99.91 mg/kg,H-P含量范圍為19.23～232.50 mg/kg,不同處理的H-P和O-P含量的變化規律基本相似,但H-P含量是O-P含量的1.16～2.33倍。不施磷(CK、N、K和NK)處理土壤的O-P含量為12.77～28.04 mg/kg,H-P含量為18.68～36.86 mg/kg；施磷(P、NP和NPK1)處理土壤的O-P含量為23.71～32.21 mg/kg,H-P含量為35.51～46.34 mg/kg；2倍施磷(NPK2)處理土壤的O-P含量為36.26 mg/kg,H-P含量為50.62 mg/kg；施用有機肥OM和MNPK處理土壤的O-P含量分別為99.91 mg/kg和95.61 mg/kg,H-P含量分別為232.50 mg/kg和192.53 mg/kg(圖3)。

在長期施肥條件下，土壤速效磷含量發生了顯著變化,不施磷肥處理的土壤速效磷(O-P和H-P)含量均有所下降；施用磷肥土壤的速效磷含量有所增加,但總體上變化幅度較??；施用有機肥(豬糞)的土壤速效磷含量大幅度增加,可能會導致磷素流失風險。H-P比O-P能更敏感地反映土壤速效磷的變化。

圖3 長期不同施肥對紅壤速效磷含量的影響

3 結論與討論

本試驗結果表明：長期單施氮肥易造成土壤酸化和土壤磷庫消耗,而不施氮肥土壤氮庫會發生明顯耗竭;增施磷肥(鈣鎂磷肥)有助于土壤磷庫累積和土壤速效磷供應,并且對緩解土壤酸化有一定作用;有機肥施用可以顯著增加土壤碳庫、氮庫和磷庫,同時能顯著增加土壤陽離子交換量并緩解土壤酸化,但同時也會造成土壤磷素流失風險。顏雄等[17]的研究也有類似的結論。本研究發現，有機肥與無機肥配施基本上能保證土壤碳庫、磷庫平衡,并滿足速效氮磷鉀養分供給和土壤碳庫累積。關焱等[18](2004)總結了長期施肥對土壤養分庫的影響,指出有機肥與無機肥配施對提高土壤氮素含量具有重要意義,并可以增加土壤有機磷和無機磷含量。這與本文的研究結果一致。另有研究顯示長期施用有機肥可有效改善南方丘陵紅壤的土壤結構,提升土壤有機質含量,提高紅壤旱地生產的穩定性和可持續性[20]。

本試驗發現：長期施肥土壤的WSOC和HWSOC含量均有所增加,施用無機肥土壤的水溶性有機碳含量增加較少；長期施用有機肥能顯著增加土壤水溶性有機碳含量；不施氮肥土壤的氮會發生明顯耗竭,土壤水溶性氮含量下降；而施用氮肥土壤的水溶性氮含量顯著增加,并且隨著氮肥用量的增加而增加；施用有機肥能夠提供一定量的水溶性氮,但效果不如施氮明顯。

在長期不同施肥條件下土壤磷庫狀況和磷素供給有了較大變化。不施磷肥土壤的速效磷含量有所下降,施用磷肥土壤的速效磷含量有所增加;有機肥(豬糞)的施用使土壤速效磷含量大幅度增加,吸附磷也更容易解吸,可能會導致磷素流失風險。在紅壤酸性土壤中H-P比O-P能更敏感地反映速效磷的變化。

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(責任編輯:黃榮華)

EffectsofLong-termFertilizationonOrganicCarbon,NitrogenandPhosphorusinUplandRedSoil

XIA Wen-jian1, WANG Ping1, LIU Xiu-mei1*, YU Xi-chu2, JI Jian-hua1, LI Da-ming2,LIU Guang-rong1, LI Zu-zhang1, LIU Zeng-bing1, ZHANG Li-fang1, YANG Cheng-chun1, LI Yao1

(1. Institute of Soil and Fertilizer amp; Resource and Environment, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences / National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement / Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Farming System for Middle and Lower Reaches of Yangtze River, Ministry of Agriculture, Nanchang 330200, China; 2. Jiangxi Institute of Red Soil, Jinxian 331717, China)

The effects of different fertilization treatments on the accumulation and supply of organic carbon, nitrogen and phosphorus in upland red soil were studied through long-term field location tests. The results showed that: the long-term and single application of nitrogen fertilizer (urea) caused soil acidification and soil phosphorus pool depletion; the nitrogen pool and water-soluble nitrogen content in the soil without nitrogen application decreased obviously; the available phosphorus content in the soil with phosphorus fertilizer application increased to some extent; applying organic fertilizer (pig manure) could significantly increase soil nitrogen pool, phosphorus pool and carbon pool, and could mitigate soil acidification; but the application of organic fertilizer led to the substantial increase in soil available phosphorus content, which probably could cause the risk of phosphorus loss.

Red soil; Upland; Long-term fertilization; Organ carbon; Organic nitrogen; Organic phosphorus

S153.62

A

1001-8581(2017)12-0027-05

2017-08-10

國家自然科學基金項目(31560582)；國家科技支撐計劃項目(2011BAD41B01)；江西省農科院博士啟動基金項目(2011CBS005)。

夏文建(1982─ ),男,湖北咸寧人,助理研究員,博士,主要從事農田養分循環等方面的研究工作。*通訊作者:劉秀梅。