?不同施肥模式對油菜—棉花輪作產量及土壤養分的影響?

湯春純 余乾 文炯 陳鴿 朱堅

摘 要：為了確保洞庭湖區油菜和棉花的經濟效益，持續改善和提高區域土壤肥力，通過2015—2019年連續5 a定位監測，研究了油菜—棉花輪作模式下不同施肥處理對油菜和棉花的產量及土壤肥力狀況的影響，旨在為區域經濟作物合理施肥和耕地土壤可持續發展提供科學依據。結果表明：有機無機肥配施有利于提高油菜和棉花的產量，50%有機肥處理的油菜和棉花經濟產量分別較純化肥處理增加23.3%和24.3%;同時，有機無機肥配施有利于提高油菜—棉花模式的土壤養分水平，50%有機肥處理的土壤有機質、全氮、有效磷和有效鉀分別較純化肥處理增加42.1%、44.5%、5.7%和24.8%。

關鍵詞：油菜—棉花輪作;施肥;產量;土壤肥力

中圖分類號：S565.4文獻標識碼：A文章編號：1006-060X（2020）07-0036-05

Abstract： In order to ensure the economic profits of rapeseed and cotton production and improve soil nutrient conditions of rapeseed-cotton rotation pattern in the Dongting Lake area， the effects of different fertilization treatments on the yield and soil fertility under the rapeseed-cotton rotation mode were studied through a 5-year positioning monitoring from 2015 to 2019， aiming to provide a scientific basis for the rational fertilization of regional cash crops and the sustainable development of arable soil. The results showed that the combined application of organic and inorganic fertilizers was beneficial to the yield increases of rapeseed and cotton. Typically， the effect of 50% organic fertilizer was the best， which increased the economic yield of rapeseed and cotton by 23.3% and 24.3%， respectively. The combined application of organic and inorganic fertilizers also improved the soil nutrients under rapeseed-cotton rotation. Compared with chemical fertilizer， 50% organic fertilizer treatment increased soil organic matter， total nitrogen， available phosphorus， and available potassium by 42.1%， 44.5%， 5.7%， and 24.8%， respectively.

Key words： rapeseed-cotton rotation; fertilization; yield; soil fertility

土壤肥力是土壤質量的本質屬性，是土壤質量核心的基礎[1]，直接影響作物產量、品質以及農業生產的可持續性。不同施肥方式對土壤肥力影響顯著，合理施肥不僅能夠保證作物的經濟產量，還能提高土壤肥力水平，確保土壤的可持續生產能力[2]。林誠等[3]研究表明，長期施肥，特別是長期采用有機無機肥配施可提高農田土壤有機質含量。而長期施用無機化肥，雖然能夠在一定程度上保障作物產量，但長期施用會導致土壤板結、酸化，甚至出現肥力水平下降的情況，容易對耕地質量環境造成不可修復的負面影響[4-5]。油菜—棉花輪作是洞庭湖區的主要種植模式之一，因當地農民長期施肥不合理，區域內油菜和棉花的經濟產量較其他區域低，耕地質量也呈現出不斷下降的趨勢。因此，筆者以洞庭湖區油菜—棉花輪作模式為對象，于2015—2019年連續5 a定位監測了不同施肥處理對油菜和棉花產量及土壤肥力狀況的影響，以期為確保洞庭湖區油菜和棉花的經濟效益，改善和提高土壤肥力，維持土壤持續生產力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗地位于農業農村部岳陽農業環境觀測試驗站（113°5′15″E，29°16′0″N）內，屬于長江中游亞熱帶地區，氣候溫暖濕潤，光照充足，雨量適宜，年平均氣溫17℃，年均降雨量1 400 mm，全年日照時數1 722～1 816 h。供試土壤為湖積物發育的水稻土，土壤基礎理化指標：pH值5.7、有機質19.6 g/kg、全氮1.37 g/kg、堿解氮115 mg/kg、有效磷15.3 mg/kg和速效鉀69 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用棉花—油菜輪作模式，油菜品種為湘油16號，棉花品種為湘雜棉3號。試驗設習慣施肥（TF）、施純化肥（NPK）、施30%有機肥（30%OM）、施50%有機肥（50%OM）和不施肥（CK）5個處理。習慣施肥處理為當地農民的習慣施肥用量，其他施肥處理均以養分總量相等施用為原則，各處理按照施純化肥的量確定氮磷鉀養分施用量，再按百分比折算成實物施用量，并保持各處理的氮素用量基本一致。各處理的養分施用量見表1。小區面積為6 m×7 m=42 m2，不設重復。試驗從2015年開始連續5 a進行定位監測。

所用肥料種類為：有機肥選用菜籽餅，化肥用尿素（N含量46%）、鈣鎂磷肥（P2O5含量12%）和氯化鉀（K2O含量60%）。施肥方法是：油菜移栽前，菜籽餅、鈣鎂磷肥、25%的尿素和50%的氯化鉀作基肥施用，在整地時一同施入土壤，其余的肥料在蕾薹期對水澆施;棉花移栽時，菜籽餅、鈣鎂磷肥、25%的尿素和35%的氯化鉀作基肥，在整地時埋施，其余部分作為花鈴肥分期埋施。

1.3 取樣和分析方法

每季作物成熟后每個處理單獨收獲，測定不同處理的經濟產量。每年在第二季作物棉花收獲后，采用多點混合取樣方法，對每個小區0～20 cm耕層土壤進行取樣，樣品風干研磨后分別過10目和60目篩，測定土壤養分含量。土壤有機質含量用重鉻酸鉀容量法、全氮用凱氏法、堿解氮用擴散法、速效磷用Olsen法、速效鉀用1 mol/L NH4OAC浸提火焰光度法測定。

1.4 數據處理方法

采用Excel 2007軟件處理數據和作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤基礎肥力及作物產量變化

2.1.1 不施肥處理（CK）的作物產量變化 連續不施肥的作物產量可反映土壤基礎肥力情況。2015—2019年連續5 a的監測結果顯示（圖1），不施肥處理（CK）油菜的產量為375.0～750.0 kg/hm2，平均544.8 kg/hm2;棉花的產量為135.0～526.5 kg/hm2，平均340.8 kg/hm2。油菜的產量表現為先增加后降低的趨勢，棉花的產量則表現為先降低后逐漸增加的趨勢。整體而言，連續不施肥處理油菜和棉花的產量均有所降低。2019年油菜和棉花產量較2015年分別下降24.9%和9.1%，說明長期不施肥會導致土壤養分逐漸消耗，使作物產量下降。但是該試驗結果并未表現出隨栽培年限延長，產量逐年下降的趨勢，可能原因是土壤接收了環境養分的補充[6]。

2.1.2 不同施肥處理的作物產量變化 不同施肥處理年際間產量見表2。各施肥處理油菜的產量為1 327.5～2 500.5 kg/hm2，其中TF、NPK、30%OM、50%OM各年的平均產量分別為1 592.9、1 644.3、1 934.4和2 027.4?kg/hm2，平均產量表現為50%OM>30%OM>NPK>TF>CK;各施肥處理棉花的產量為925.5～2 152.5 kg/hm2，其中TF、NPK、30%OM、50%OM各年的平均產量分別為1 192.5、1 190.1、1 410.9和1 479.0 kg/hm2，平均產量表現為50%OM>30%OM>NPK>TF>CK。50%OM處理無論是油菜還是棉花的產量均為最高，說明用有機肥替代50%的化肥養分對作物增產效果最好。

2.2 不同施肥處理土壤養分變化

2.2.1 土壤有機質含量變化 2015—2019年監測不同施肥處理土壤有機質含量變化結果如圖2所示。從圖2中可以看出，30% OM、50% OM和TF處理的有機質含量基本呈上升趨勢，NPK處理的有機質含量是先略有上升再呈下降趨勢，CK處理的有機質含量則是逐年下降。這表明不同施肥處理對土壤有機質含量有很大影響，其中有機無機肥配施可以顯著提高土壤有機質含量，以50%OM處理的有機質含量增加幅度最大，從2015年的19.6 g/kg增加到2019年的28.0 g/kg，增加8.4 g/kg，增幅為42.9%;30%OM和TF處理的有機質含量分別增加3.4和1.5 g/kg，增幅分別為17.3%和7.7%。

進一步分析土壤有機質含量與不同施肥處理和施用年限的關系發現，30%OM和50%OM處理土壤的有機質含量與施用年限之間的關系呈直線相關關系。30%OM和50%OM處理的土壤有機質含量（y）與施用年限（x）的關系分別為：y=0.73x+19.45（R2=0.743 0）和y=1.94x+18.46（R2=0.941 7）。通過擬合公式方程斜率可知30%OM和50%OM處理土壤有機質平均增加量分別為0.73和1.94 g/kg，土壤有機質年增長幅度表現為隨有機肥用量增加而增加。

2.2.2 土壤全氮含量變化 2015—2019年監測5 a不同施肥處理土壤全氮含量的變化結果見圖3。土壤全氮含量的變化趨勢與有機質較相似，表現為有機無機肥配施處理的土壤全氮含量逐年增加，施化肥和不施肥處理則表現為土壤全氮含量逐年下降趨勢。其中，30%OM和50%OM處理的土壤全氮含量在5 a內分別增加0.18和0.48 g/kg，增幅分別為13.1%和35.0%;TF和NPK處理在2015—2017年略有上升，然后緩慢下降;CK處理基本呈下降趨勢，從2015年的1.37 g/kg下降到2019年的1.07 g/kg。

30%OM和50%OM處理的土壤全氮含量與施用年限之間的關系也呈直線相關關系。30%OM和50%OM處理的土壤全氮含量（y）與施用年限（x）的關系分別為：y=0.038x+1.39（R2=0.522 8）和y=0.12x+1.27（R2=0.956 7）。30%OM和50%OM處理土壤全氮平均增加量分別為0.038和0.12 g/kg，土壤全氮年增長幅度也表現為隨有機肥用量增加而增加。

2.2.3 土壤堿解氮含量變化 如圖4所示，除CK外，各處理的土壤堿解氮含量均呈上升趨勢，其含量依次為：NPK>50%OM>30%OM>TF。2015—2019年，CK處理的堿解氮含量下降了32 mg/kg。NPK處理的堿解氮含量2015—2018年的增長幅度都大于其余3個施肥處理，但2019年則呈下降趨勢，而50% OM處理則緩慢上升，說明施用化肥能在短時間內增加土壤堿解氮的含量，但配施有機肥則能夠持續增加土壤堿解氮含量。

30%OM和50%OM處理的土壤堿解氮含量與施用年限之間的關系也呈直線相關關系。30%OM和50%OM處理的土壤堿解氮含量（y）與施用年限（x）的關系分別為：y= 8.1x+105.6（R2=0.888 8）和y= 11.1x+101.4（R2=0.962 0）。30%OM和50%OM處理土壤堿解氮平均增加量分別為8.1和11.1 mg/kg，土壤堿解氮年增長幅度也表現為隨有機肥用量增加而增加。

2.2.4 土壤有效磷含量變化 土壤有效磷的變化與磷素的投入量有密切關系（圖5）。CK處理因不施肥導致土壤磷素虧損嚴重，有效磷含量是逐年下降，2015—2019年下降9.6 mg/kg，降幅達62.7%。NPK處理的有效磷含量在2015—2018年是持續上升，且增長趨勢超過有機無機肥配施處理，但到2019年則快速下降。有機無機肥配施處理的土壤有效磷含量表現為逐年增加的趨勢，說明增施有機磷對提高土壤有效磷有明顯作用。

30%OM和50%OM處理的土壤有效磷含量與施用年限之間的關系也呈直線相關關系。30%OM和50%OM處理的土壤有效磷含量（y）與施用年限（x）的關系分別為：y= 4.18x+13.24（R2=0.860 3）和y= 7.05x+10.21（R2=0.865 3），土壤有效磷平均增加量分別為4.18和7.05 mg/kg，土壤有效磷年增長幅度同樣表現為隨有機肥用量增加而增加。

2.2.5 土壤速效鉀含量變化 如圖6所示，CK處理的速效鉀含量由于長期不施肥而明顯下降，2015—2019年下降了14.9 mg/kg，降幅為22.8%。施肥處理的速效鉀含量都呈上升趨勢，50%OM、30%OM、NPK和TF 4個處理的速效鉀含量2019年較2015年分別增加18.0、14.8、10.9和9.0 mg/kg，增加量表現為50%OM>30%OM>NPK>TF。

30%OM和50%OM處理的土壤速效鉀含量與施用年限之間的關系也同樣呈直線相關關系。30%OM和50%OM處理的土壤速效鉀含量（y）與施用年限（x）的關系分別為：y= 4.39x+63.99（R2=0.866 1）和y= 6.02x+61.64（R2=0.955 5），土壤速效鉀平均增加量分別為4.39和6.02 mg/kg，土壤速效鉀年增長幅度也同樣表現為隨有機肥用量增加而增加。

3 討論與結論

3.1 討 論

土壤肥力是土壤的本質屬性，表現為植物生長供應、協調營養條件和環境條件的能力[7]，土壤肥力與作物的高產、穩定和可持續生產密切相關[8-10]，施肥不合理可導致土壤肥力和作物產量降低[11]。土壤有機質水平是反映土壤肥力的一個重要指標，不同的施肥方式對土壤有機質的變化有明顯影響;施肥可明顯提高有機質含量，且施有機肥的效果更佳[12]。試驗中，2015—2019年，不同處理的土壤有機質和全氮含量變化基本一致，表現為50%OM>30%OM>TF>NPK>CK;與不施肥（CK）相比，施肥處理均能顯著提高土壤有機質和全氮含量，以50%OM和30%OM增幅最大。由此可見，有機無機肥配施處理對土壤全氮、有機質的影響明顯優于施用純化肥處理，有機肥的施入不僅提高了有機質的含量，還直接補充了土壤營養物質，有效且全面促進了作物生長[13-14]。溫廷臣等[15]的研究也表明，與單施化肥相比，施用有機肥處理的土壤有機質、全氮均有顯著增加。

在速效養分含量中，NPK處理的堿解氮和有效磷含量在2015—2018年持續上升，且增幅均超過有機無機肥配施處理，但2019年則快速下降。整體表現為有機無機肥配施能夠持續增加土壤速效養分含量，對提高土壤肥力效果較單施化肥好。陳鴿等[16]的研究表明，施化肥在短時間內能較快速地增加土壤有效磷的含量，但隨著試驗年限的增加，其效果和化肥與有機肥配施之間的差距逐漸縮小并被趕超。沈浦[17]的研究也印證了在雙季旱作下有機無機肥配施處理的有效磷增量大于單施化肥。另外，施有機肥能降低土壤對鉀的吸附，可把土壤中難溶性鉀活化為作物可利用鉀，促進作物對鉀的吸收和利用[18-19]，從而提高土壤中有效鉀的含量。試驗中以50%OM和30%OM處理的速效鉀含量最高，這也驗證了上述結果。

3.2 結 論

（1）不施肥會降低旱地經濟作物產量和土壤有機質、全氮和速效養分含量，導致土壤肥力水平逐年下降。

（2）施肥對油菜—棉花輪作模式下的作物產量影響較大。習慣施肥（TF）由于施肥方式不合理，其產量較化肥合理施用（NPK）和有機無機肥配施（50%OM和30%OM）都低，以50%OM處理的作物產量最高。

（3）與施純化肥（NPK）相比，有機無機肥配施均能在一定程度上提高土壤有機質、全氮和速效養分含量，改善旱地土壤肥力水平，其中以50%OM處理效果最好。

參考文獻：

[1] 孫 星，劉 勤，王德建，等. 長期秸稈還田對土壤肥力質量的影響[J]. 土壤，2007，39（5）：782-786.

[2] 王宜倫，張 許，譚金芳，等. 農業可持續發展中的土壤肥料問題與對策[J]. 中國農學通報，2008，24（11）：278-281.

[3] 林 誠，王 飛，何春梅，等. 長期不同施肥對南方黃泥田磷庫及其形態的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2014，20（3）：541-549.

[4] 汪芝壽，曹承富. 施肥對土壤肥力和作物產量及品質的影響[J]. 安徽農業科學，1995（3）：240-242.

[5] 趙 營，郭鑫年，冀宏杰，等. 施肥對水旱輪作作物產量、土壤無機氮殘留及氮素平衡的影響[J]. 土壤通報，2015（4）：178-185.

[6] 朱? 堅，紀雄輝，田發祥，等. 典型雙季稻田施磷流失風險及閾值研究[J]. 農業環境科學學報，2017，36（7）：1425-1433.

[7] 林治安，趙秉強，袁 亮，等. 長期定位施肥對土壤養分與作物產量的影響[J]. 中國農業科學，2009，42（8）：2809-2819.

[8] Chen X P，Cui Z L，Vitousek P M，et al. Integrated soil-crop system management for food security[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences，2011，108（16）：6399-6404.

[9] Hartemink A R. World soil resources and food security （advances in soil science） [J]. Soil Science of America Journal，2013，77（3）： 1080.

[10] 黃興成，石孝均，李 渝，等. 基礎地力對黃壤區糧油高產、穩產和可持續生產的影響[J]. 中國農業科學，2017，50（8）：1476-1485.

[11] 李學平，石孝均. 長期不均衡施肥對紫色土肥力質量的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2007，13（1）： 27-32.

[12] 宋春雨，張興義，劉曉冰，等. 土壤有機質對土壤肥力與作物生產力的影響[J]. 土壤與作物，2008，24（3）：357-362.

[13] 張麗敏，徐明崗，婁翼來，等. 長期施肥下黃壤性水稻土有機碳組分變化特征[J]. 中國農業科學，2014，47（19）：3817-3825.

[14] 王塑林，王改蘭，趙 旭，等. 長期施肥對栗褐土有機碳含量及其組分的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2015，21（1）：104-111.

[15] 溫延臣，李燕青，袁 亮，等. 長期不同施肥制度土壤肥力特征綜合評價方法[J]. 農業工程學報，2015（7）：99-107.

[16] 陳 鴿，湯春純，李祖勝，等. 不同施肥措施對洞庭湖區旱地肥力及作物產量的影響[J]. 中國生態農業學報，2017，25（5）：689-697.

[17] 沈 浦. 長期施肥下典型農田土壤有效磷的演變特征及機制[D]. 北京：中國農業科學院，2014.

[18] 史吉平，張夫道，林 葆. 長期施用氮磷鉀化肥和有機肥對土壤氮磷鉀養分的影響[J]. 中國土壤與肥料，1998（1）：7-10.

[19] 張緒成，于顯楓，王紅麗，等 . 半干旱區減氮增鉀、有機肥替代對全膜覆蓋壟溝種植馬鈴薯水肥利用和生物量積累的調控[J]. 中國農業科學，2016，49（5）：852-864.

（責任編輯：肖光輝）