不同施肥模式下西藏農田土壤質量的變化

李 猛，何永濤，孫 維，李少偉，鐘志明，余成群，張揚建，張憲洲

(1.中國科學院地理科學與資源研究所/生態網絡觀測與模擬重點實驗室 拉薩高原生態試驗站 北京 100101；2.中國科學院大學 北京 100049；3.中國科學院大學資源與環境學院 北京 100190)

土壤質量是土壤在生態系統范圍內，維持生物的生產力、保護環境質量以及促進植物健康的能力[1]，綜合反映了土壤的物理、化學和生物學性質，以及形成這些性質的一些重要過程[2]。土壤質量的變化不僅可以反映土壤管理模式的變化[1]，同時也能反映土壤環境的變化趨勢以及人類活動的影響[3]。土壤質量評價通常采用可定量計算的物理、化學和生物學指標，其中土壤容重及機械組成是重要的物理指標，其變化決定著土壤緊實度，不僅影響水分和氧氣的供應，同時還會影響其它土壤性質和過程[4]；pH和有機質是評價土壤質量的重要化學指標，影響著多種土壤生物學與化學性質及其之間的關系[4-5]；土壤微生物量碳是指土壤中微生物的總碳量，盡管在土壤總碳中占據很小的比例，但卻是土壤有機質中最活躍的部分[6]，其周轉速率快，可以及時反映農田生態系統中培肥措施、種植體系以及土地利用方式的變化，被廣泛應用在土壤質量評價中[7-8]。

一江兩河流域(雅魯藏布江、拉薩河、年楚河)是西藏高原農業生產的核心區域，水熱條件較好，河谷多墾殖為耕地，種植以小麥、青稞、油菜為主的喜涼作物，同時也是西藏人口集中分布的區域，其農業生產對于西藏地區社會經濟的發展具有重要的意義。但由于西藏高原河谷農田多為河谷沖、洪積物發育而來的砂質土壤，土層淺薄、質量較差，加之大部分農田一直處于連年耕作的狀態，近年來出現了全面的退化。首先是土壤物理結構的變化，如1990～2001年10年期間，西藏中部地區的農田土壤容重增加了7.1%～14.3%、孔隙度則降低了5.9%～17.3%，土壤硬化、養分貧瘠化趨勢明顯[9]。其次是有機質的下降，自20世紀60年代至今已有超過一半耕地的土壤有機質降至2.0%，其中僅1990～2001年間，西藏主要農田土壤有機質含量平均下降了26.7%～52.0%[10-11]。農田土壤退化已經成了限制當地農業發展的一個重要因素，如何有效改善土壤質量是西藏農田生態系統面臨的突出問題。

中國科學院拉薩農業生態試驗站(以下簡稱拉薩站)是中國生態系統研究網絡(CERN)和國家生態系統研究網絡(CNERN)臺站之一，位于拉薩河下游寬谷地段，是西藏河谷農區的典型代表，同時也是世界海拔最高的農業生態試驗站。2008年開始，拉薩站設置了長期施肥試驗，目的是監測不同施肥模式下高原農田土壤質量的長期演變趨勢，為該地區農田生態系統的優化管理提供理論依據。本文對2015年獲取的土壤監測數據進行了統計分析，以探討經過8a施肥試驗后，不同施肥模式對高原農田土壤質量的影響。

1 試驗設計與研究方法

1.1 樣地概況與試驗設計

試驗樣地位于拉薩農業生態試驗站農田試驗區內，距西藏自治區首府拉薩市25 km，東經91°20′37″，北緯29°40′40″，海拔3688 m，原為拉薩河谷的河漫灘地，1993 年建站后改造為農田，土壤質地為砂壤。該區域屬高原溫帶半干旱季風氣候，年均氣溫 7.9 ℃，≥10℃積溫2200℃，年均降水量 497.7 mm，年蒸發量2190. 4 mm，年太陽總輻射達7700 MJ·m-2。

試驗設計為長期等氮施肥試驗，開始于2008年，共有4個處理，每個處理3個重復，小區面積為10 m × 10 m。試驗處理包括空白對照、羊糞、化肥以及羊糞+化肥(以下簡稱羊+化)，施肥量為當地平均水平純氮150 kg·hm-2，各處理的具體施肥情況見表 1。通過分別施用有機肥料、無機肥料、有機無機肥混施以及空白對照處理，對比觀測長期不同施肥模式對高原農田土壤質量的影響。種植當地主要作物冬小麥和春青稞，2015年種植作物為春青稞。播種前施羊糞或化肥為基肥，化肥處理和羊+化處理在青稞抽穗期施用1次尿素作為追肥。引拉薩河水采用畦灌方式灌溉，2015年分播種、出苗期、分蘗期、拔節期、蠟熟期5次灌溉。

2015年春青稞生長季，按照中國生態系統研究網絡(CERN)的規范，對土壤微生物量碳進行了動態取樣和分析；并在作物收獲后，測定了該長期試驗樣地的土壤pH、有機質、容重、機械組成等理化指標。

1.2 樣品采集與測定方法

1.2.1 樣品采集 土壤微生物量碳樣品采集分別在 2015 年青稞種植前(3月8日)、拔節期(4月23日)、抽穗期(7月23日)、收獲后(10月18日)進行。每個試驗小區內分別用直徑3.5 cm的土鉆隨機取5個表層(0～20cm)土壤混合為一個樣品，每個處理取 3個混合樣品。樣品帶回實驗室后去除植物殘體與礫石等，一部分用于測定土壤含水量，一部分土樣冷凍保存在冰柜中用于測定土壤微生物量碳。

2015年9月15日青稞收獲后，在每個試驗小區內按對角線隨機布點(3點)挖取土壤剖面，并按 0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和 40～60 cm土層采用環刀法分別測定土壤容重，并在各層分別取土樣、混勻，帶回室內用于分析土壤機械組成。同時在每個試驗小區內用土鉆隨機取5個表層(0～20 cm)土壤混合為一個樣品，每個處理取 3個混合樣品，用于測定土壤有機質、pH。

1.2.2 室內分析 土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法測定。測定時，稱取相當于10.0 g 烘干土重的濕潤土壤，在25℃的黑暗條件下熏蒸24 h。用反復抽真空方法除去殘存氯仿后，加入 40 mL 0.5 mol L-1K2SO4溶液(土液比1∶4)，振蕩浸提 30 min。振蕩結束后立即用濾膜過濾浸提液，濾出的浸提液用TOC自動分析儀(Liqui TOC Ⅱ)測定，通過計算氯仿熏蒸和未熏蒸樣品中的有機碳之差確定微生物量碳。土壤 pH用水浸法以pH計測定(水土比2.5∶1)；有機質用重鉻酸鉀容量法測定；土壤機械組成采用MASTERSIZER 2000激光粒度儀測定。

1.2.3 數據處理 采用SPSS 21進行數據統計分析，以 LSD 和Duncan法進行多重比較檢驗不同取樣時間、不同施肥模式下土壤理化指標差異的顯著性(α=0.05)。繪圖采用Orgin 9.1軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式對土壤物理指標的影響

2.1.1 機械組成 根據我國土粒分級標準將試驗區土壤的機械組成進行分級(表2)。結果表明，試驗區農田的土壤機械組成以砂粒(2～0.05mm)為主，比例達到了2/3左右；而粘粒含量普遍較小，不足3%。盡管差異未達到顯著的檢驗水平，但與空白對照和化肥處理相比，羊糞和羊+化處理明顯增加了0～20 cm土層中的砂粒含量，降低了粉砂粒和粘粒含量，從而使土壤更為疏松。

表2 不同施肥模式農田土壤各級土粒含量

2.1.2 容重 不同施肥模式對表層土壤容重有著顯著的影響(圖1)。0～10 cm土層容重為空白>化肥>羊+化>羊糞，其中空白處理容重最大，為1.37 g·cm-3，羊糞處理容重最小為1.18 g·cm-3，與單純施用化肥的樣地相比，施加了有機肥的羊糞和羊+化樣地的0～10cm表層土壤容重分別降低10.1%和10.0%，羊糞、羊+化與空白對照之間的差異顯著(P<0.05)，而化肥與空白對照之間的差異并未達到顯著水平(P>0.05)。10～20 cm土層的容重也表現出相同的趨勢，即空白>化肥>羊+化>羊糞，分別為1.46 g·cm-3、1.40 g·cm-3、1.38 g·cm-3、1.27 g·cm-3，羊糞處理對降低該層容重的作用最為顯著(P<0.05)。而隨著土壤深度的增加，不同施肥模式對土壤容重的影響未表現出明顯的差異(P>0.05)。

2.2 不同施肥模式對土壤有機質和pH的影響

由圖 2可以看出，不同施肥模式之間土壤有機質差異明顯，其中羊糞處理最高，為31.1 g·kg-1，空白對照最小，僅為16.2 g·kg-1。與單純施用化肥樣地相比，羊糞和羊+化處理均顯著提高了土壤的有機質含量，提高幅度分別為92.0%和83.9%(P<0.05)；而單純施用化肥則對土壤有機質的影響較小，相對于空白僅提高了11.1%(P>0.05)。不同施肥處理之間土壤pH的大小為羊糞>空白>化肥>羊化，分別為7.05、6.97、6.73和6.63，羊糞有提高土壤pH、而化肥則有降低土壤pH的趨勢。

圖1 不同施肥模式對土壤容重的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil bulk density

圖2 不同施肥模式對土壤有機質及pH值的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil organic matter and pH value

2.3 不同施肥模式對土壤微生物量碳的影響

不同施肥模式對土壤微生物量碳有明顯的影響(圖4)。除3月初青稞尚未種植，不同施肥處理之間的土壤微生物量碳無明顯差異外，在青稞的生長期間以及收獲后，土壤微生物量碳均表現為羊糞>羊+化>空白>化肥。4月份青稞處于出苗期，羊糞和羊+化處理的微生物量碳顯著大于空白對照和化肥處理，羊糞最高可達到218.2 mg·kg-1，而化肥最低僅為68.4 mg·kg-1。羊糞和羊+化處理較空白對照分別提高了156.3%和132.1%，而化肥處理較空白對照則降低了19.7%。7月份青稞處于抽穗期，羊糞處理微生物量碳最高，達到了132.0 mg·kg-1，羊糞和羊化處理微生物量碳較空白對照分別提高了98.5%和48.8%，化肥處理較空白對照則降低了18.5%；10月份青稞收獲之后，農田的土壤微生物量碳同樣表現為羊糞和羊+化處理顯著大于空白與化肥處理。以上結果表明，與空白對照相比，施加有機肥會顯著增加土壤微生物量碳(P<0.05)，而單純的施加化肥并未改變土壤微生物量碳。

圖3 不同施肥模式對土壤微生物量碳的影響Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soilmicrobial biomass Carbon

3 討 論

土壤容重、機械組成等物理性質直接影響農田農作物的生長發育，而長期的不同施肥模式會對其產生顯著的影響。國內許多研究表明：施用有機肥會顯著降低表層土壤容重，增大土壤孔隙度和通透性，有利于農作物的生長發育及土壤養分的吸收[12-13]。長期施用化肥則會破壞土壤的結構穩定性和土壤水穩性結構，降低孔隙度，增大土壤微團聚體分散系數，從而使耕作層土壤變硬，不利于農作物根系的生長[14]。本試驗結果很好地驗證了這一點，與化肥樣地相比，施加羊糞顯著降低了高原農田表層土壤容重，增加了砂粒組成，從而使土壤顆粒較粗、孔隙較大，因此土壤通氣性、透水性好，有利于作物的生長。

土壤有機質是土壤質量的核心，既是氮素的供給源，也影響著土壤的結構，而長期的不同施肥模式會對農田土壤有機質產生顯著的影響。在本研究中羊糞和羊+化處理的土壤有機質含量遠遠大于空白對照和化肥處理。其它研究也表明，長期不同施肥處理會使土壤有機質含量產生較大差異，單施化肥對土壤有機質含量無明顯影響[15-16]，施加有機肥則可以提高土壤的有機質含量[17-18]。究其原因主要是由于長期施加化肥可保持土壤養分，增加作物產量，根茬殘留增加，維持土壤有機質基本保持不變[16]，而農田施加未經腐解的有機肥有利于活化和更新土壤有機質，增加農田土壤有機質[19]。農業耕作對土壤pH 的影響也很大[20]，本研究中長期施用化肥樣地的土壤pH低于羊糞處理，其它研究也發現長期使用化肥會降低農田土壤pH，施加有機肥則會保持土壤pH穩定[21]。因此，施加有機肥不僅可以增加西藏農田土壤中的有機質含量，同時還可以維持土壤的酸堿度從而有利于作物的生長。

土壤微生物是土壤中物質轉化和養分循環的驅動者，調節著陸地生態系統營養物質循環，參與土壤中有機質的分解、腐殖質的形成、土壤養分轉化和循環等過程，對土壤中的養分供應起著重要作用[22]。施肥是調節土壤微生物數量及多樣性的重要措施[23]。本試驗結果表明，與空白對照相比，單純施用化肥并未改變土壤微生物量碳，而施加羊糞對于高原農田土壤微生物量的增加起到了促進作用。其它研究也表明，長期只施用化肥與不施肥相比，并未增加土壤微生物數量[24-25]，效果遠不及化肥和有機肥的配合使用[26]，而且隨著有機肥用量的增加，土壤微生物量碳也隨之提高[27]。長期單純施用化肥還會導致土壤pH下降和團聚體破壞，土壤微生物生命活動減弱[28]；而施加有機肥一方面不但可以增加土壤養分，為微生物提供了充足的碳源[29]，另一方面還有利于團聚體的形成，改善微生物的生存小環境。

4 結 論

綜合以上分析，與單獨施用化肥和不施肥相比，施加有機肥可以顯著提高西藏高原農田土壤的質量，不僅能降低農田表層土壤容重，疏松土壤，還可以提高有機質的含量，穩定土壤pH，并增加土壤中的微生物量碳。因此，在農田耕作過程中，加大有機肥料的投入，對于西藏地區農業的可持續發展意義重大。但目前由于能源缺乏，西藏大部分農村需要大量的作物秸稈和糞便作為燃料，從而導致在農田施肥中大量使用化肥，有機肥補充嚴重不足。因此，未來的西藏農村發展中，應加大沼氣、太陽能等替代能源的發展力度，加強作物秸稈和牲畜廄糞的還田，改善西藏農田的土壤質量，穩定高原農業生產。

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