長期施肥下紅壤稻田與旱地物理質量綜合評價及演化

包耀賢，黃慶海

(1.中化工程集團環保有限公司，北京 101111；2. 江西省紅壤研究所，江西 進賢 331700)

土壤物理性質直接或間接影響著土壤的蓄水、保肥以及養分的吸收和利用，土壤物理質量深刻影響著土壤的化學質量和生物質量[1-2]。顆粒組成反映土壤砂粘程度，是造成土壤養分差異最主要原因，不合理土地利用方式會導致土壤肥力下降，生物多樣性降低[3-4]。微團聚體是形成土壤團粒結構和土壤自動調節能力的物質基礎，它可以保持土壤肥力和調節養分供應，如黑土肥力高與微團聚體作為主要載體有關[5-6]。土壤團聚體是土壤養分交換的場所[7]，其數量和質量(大小)直接體現土壤的通氣、透水、蓄水，養分的保存和釋放以及土壤的抗蝕能力[8]。紅壤承載著我國糧食生產的重擔，長期定位施肥(高量施肥或平衡施肥或偏施肥)改變了紅壤的結構性質[9]，但難以綜合體現土壤物理質量惡化或改善的結果。為此，本研究以江西進賢紅壤性水稻土和旱地化肥長期定位試驗為載體，進行土壤物理質量綜合評價及其演化趨勢研究，以期為紅壤合理施肥、土壤質量提升、促進農業生產提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

稻田紅壤和旱地紅壤長期定位試驗均設在江西省紅壤研究所(116°20′24″ N，28°15′30″ E)，為典型低丘紅壤區，海拔25～30 m；屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.6 ℃，≥10 ℃積溫5528 ℃·d；年降雨1785 mm，3～6月降雨量占全年的60%以上，年蒸發量1800 mm，干濕季明顯；無霜期282 d，日照時數1950 h。在試驗之初，<0.001 mm粘粒含量分別為稻田(1981年) 24.1%、旱地(1986年)32.2%。

1.2 試驗設計

稻田紅壤試驗始于1981年，為第四紀紅粘土發育的紅壤性水稻土。小區面積46.67 m2，設CK、N、P、K、NP、NK、NPK、2NPK(2倍氮磷鉀)和NPKM(氮磷鉀+有機肥)9個處理，每個處理3個重復。每季每公頃施肥量：N(尿素)90 kg，P2O5(鈣鎂磷肥)45 kg，K2O(氯化鉀)75 kg；有機肥22500 kg(早稻紫云英+晚稻豬糞)。1981～1986年采用一年稻-稻-油、二年稻-稻-紫云英輪作制，1986年后稻-稻-冬閑制。

旱地紅壤試驗始于1986年，為第四紀紅色粘土發育的紅壤。小區面積22.22 m2，設CK、N、P、K、NP、NPK、2NPK、M和NPKM共9個處理，每個處理3次重復。每季每公頃施肥量：N(尿素)60 kg，P2O5(鈣鎂磷肥)30 kg，K2O(氯化鉀)60 kg，有機肥(豬糞)15000 kg。早玉米-晚玉米-冬閑輪作制。

1.3 土樣測定與計算

11月晚稻收獲后采集0～20 cm耕層土樣，經處理后測定物理指標，因物理性質相對比較穩定，沒必要連年采樣測定，本研究所用數據稻田紅壤試驗歷經18年、旱地紅壤試驗歷經4年，能很好地(18年)或較好地反映(4年)綜合土壤物理質量變化。

顆粒組成和微團聚體采用比重計法測定，團聚體采用干濕機械篩分法測定；部分指標計算如下：

質地粗化度=(>0.01 mm物理性粘粒)/(<0.01 mm物理性粘粒)；

結構系數(%)=[1-(<0.001mm微團聚體)/(<0.001 mm粘粒)]×100%；

團聚度(%)=[1-(>0.05 mm顆粒)/(>0.05 mm微團聚體)]×100%；

團聚體穩定率(%)=(>0.25 mm濕篩團聚體)/(>0.25 mm干篩團聚體)×100%；

平均重量直徑MWD=∑DiWi，式中，Di=(ri-1+ri)/2，為各粒級(包括<0.25 mm)團聚體平均直徑(mm)，ri是第i個篩子孔徑(mm)，r0=r1，rn=rn+1；Wi為第i個土篩的團聚體重量百分比。

使用Excel和DPS統計軟件進行數據處理、繪圖、統計和多重比較分析(LSD法)。

2 結果與分析

2.1 評價指標的篩選

在土壤物理性質相對比較穩定、基礎資料累積和系統研究缺乏的情況下，僅憑某個或幾個物理性質的變化難以全面體現土壤物理質量的整體變化，但長期定位試驗能較好地綜合體現土壤物理質量特征及其演化。為盡量保證土壤物理質量綜合評價的全面性，利用DPS軟件對24個參評指標(表1)從顆粒組成(8個)、微團聚體(8個)和團聚體(8個)實測值和計算值進行因子分析，以篩選評價指標。

因子分析通過正交旋轉讓載荷矩陣相對集中，以便提取主成分和合理解釋各主因子的物理意義。按特征值大于1篩選被保留主成分8個，能解釋83%的總信息量，具有代表性；根據載荷矩陣值較大且接近為原則從24個初始指標中篩選出土壤物理質量綜合評價指標13個：0.25～0.05 mm、0.05～0.01 mm、物理性粘粒、0.01～0.005 mm、0.25～0.05 mm微團聚體、0.05～0.01 mm微團聚體、<0.001 mm微團聚體、團聚度、>5 mm團聚體、1～0.5 mm團聚體、總團聚體、MWD和團聚體穩定率。

2.2 評價指標隸屬度和權重的計算

具有模糊性和連續性的隸屬函數被廣泛用于各評價指標原始數據的標準化處理，即隸屬度計算，由此將量綱不同、取值各異的實測值轉化為0-1間的無量綱值。借鑒前人的成果[10-11]，隸屬度計算采用以下公式：

降型隸屬函數D(X)=0.9×(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)+0.1。適用于0.25～0.05 mm、0.05～0.01 mm、0.25～0.05 mm微團聚體、0.05～0.01 mm微團聚體和物理性粘粒。

升型隸屬函數R(X)=0.9×(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)+0.1。適用于0.01～0.005 mm、<0.001 mm微團聚體、團聚度、>5 mm團聚體、1～0.5 mm團聚體、總團聚體、MWD和團聚體穩定率。

在上述隸屬函數中，X為某指標的實測值，Xmin和Xmax分別為某指標所測的最小值和最大值，計算過程略。

權重是評價指標對評價對象的影響程度或貢獻率。利用DPS軟件對13個指標的原始數據進行因子分析，得到共同度；各指標的共同度占共同度總和之比即為該指標的權重值，將其轉換為0～1間數值(表1)。

表1 因子分析方差極大旋轉矩陣

2.3 土壤物理質量的綜合評價

土壤物理質量是眾多物理評價指標綜合作用的結果。本研究選擇常用加權和法指數評價模型進行土壤物理質量指數(Soil Physical Index，SPI)計算(0～1)[11-13]，SPI值越高表示土壤物理質量越好。其計算公式為：

式中，Ci和Ki分別是各評價指標的隸屬度及權重，n為評價指標個數。

經計算，所有24個指標的SPI值與篩選的13個指標的SPI值間呈極顯著線性相關：SPI13=1.0648SPI24+0.0158 (R2=0.837**)，說明用篩選指標評價綜合土壤物理質量具有高度代表性和可靠性。

圖1各年份SPI均值直觀顯示：稻田各施肥處理間顯著性差異為兩級(A、B)，旱地各施肥處理間顯著性差異為三級(a、b、c)，各施肥處理SPI均值稻田(0.533)整體高于旱地(0.519)。稻田施肥量整體高于旱地，高施肥量可能導致SPI趨近，但對綜合土壤物理質量的貢獻較大。無論稻田還是旱地，各施肥處理SPI值整體在0.5～0.6，土壤物理質量整體水平不高。

圖1 稻田和旱地紅壤不同施肥處理SPI分布

稻田各處理的SPI分別高出CK的情況：NPKM(7.2%)=K(7.2%)>NK(5.8%)>NPK(3.3%)>P(2.7%)>NP(1.6%)>N(1.0%)>2NPK(0.2%)；旱地各處理的SPI分別高出CK的情況：NPKM(23.1%)>M(21.7%)>K(14.3%)>P(6.8%)>NPK(3.1%)>2NPK(-2.9%)>N(-3.3%)>NP(-7.0%)。可見，NPKM和M對提高SPI效果最明顯。研究表明，長期施用有機肥或有機無機肥配施對土壤有機質提幅最大，有機質不但可增強土壤養分的供、貯，而且可改善土壤的物理性質，有機肥的疊加效應最終提高土壤肥力，故應在適當施用化肥的同時增施有機肥，以便保持農業系統養分的循環利用、土壤物理質量的保持和提高[14-15]。單施K、P對SPI有一定的正效應，旱地紅壤較稻田紅壤更為明顯。單施N使SPI惡化，長期單施N因銨態氮的硝化和硝酸根的淋洗促使土壤酸化加重，土壤微生物活性嚴重受限，土壤結構變差，使P、K加速耗竭[16-17]。這也體現在SPI值上，NK、NP處理的SPI值低于K、P處理，即在K或P肥的基礎上加施N容易使SPI趨降。需注意，NPK的SPI值在稻田和旱地中均高于2NPK，且2NPK的SPI值較CK增幅很小(0.2%)或呈負效應(-2.9%)，可見，倍量平衡施肥(2NPK)既對保持和改善綜合土壤物理質量不利，又因施肥量盈余而致污、費財，在生產中應禁行。

2.4 土壤物理質量的演化

用歷經18年的稻田紅壤定位試驗進行土壤物理質量的時間演化分析更趨合理。圖2顯示SPI值隨時間延續變化：除CK、N處理略降外，其它處理均呈不同程度增勢。CK多年無外源養分補給，作物連年消耗導致土壤養分缺失和微生物系統受阻，SPI逐年下降。N處理因長期偏施N加重土壤酸化和P、K耗竭，微生物活性受阻，土壤結構破壞[15-17]，SPI時序顯著降低趨勢更甚于CK。P、K處理的SPI隨時間呈顯著增勢，但年均增幅(斜率)很小。NP、NK、NPK、2NPK和NPKM處理的SPI值隨時間呈顯著或極顯著增長趨勢，并且增幅均高于P、K處理，說明化肥配施較單施更有利于改善土壤物理質量。

圖2 稻田紅壤各施肥處理SPI隨時間的演化

圖3是除N、CK處理外SPI的演化趨勢：稻田和旱地年均SPI值均呈增加趨勢，這也符合相關研究結果，即除N、CK處理外，長期施有機肥或無機肥均可以一定程度上提高有機質含量，而有機質對土壤物理質量有較好的改善作用[14-15]。SPI值增幅(斜率)旱地高于稻田，在研究區降雨量較大的情況下，旱地干濕交替較稻田更有利于養分的轉化和釋放[18]，從而提升SPI。

圖3 稻田和旱地SPI隨時間的演化

3 討論

長期施用化肥對土壤物理性質的影響基于惡化和改善兩種作用：一是作物選擇吸收肥料中的離子、土壤對離子的吸附性差異、肥料中雜質離子的作用等使土壤的物理性質惡化；二是施肥促進作物生長，增加有機物歸還量，改善土壤的物理性質[19]。當肥力偏低時，有機質循環量低，施用化肥可大大改善作物的生長狀況，增加有機質含量和循環，進而改善土壤物理性質[20-21]；當肥力偏高時，施用化肥增加有機質歸還量就可能不足以維持原有機質的循環量，導致有機質含量下降與物理性質變差[22]，2NPK處理的SPI整體偏低(接近CK)可能就是此原因。可見，單施化肥是提升還是降低SPI不可一概而論，應根據土壤的基礎條件、施肥與作物生長狀況等具體分析，不同地區的不同研究結果正因此所致。

有機質是土壤供、貯養分和改善物理性質的核心。洛桑Hoosfield經典試驗證實了有機質供應養分的強穩定性，不施肥100年后仍高于空白處理的有機質含量。長期施用有機肥或化肥均可以在一定程度上提高有機質含量，特別是施有機肥或有機無機肥配施對有機質含量的提升幅度最大，而且更能維持團聚體的穩定性和抗蝕性[6-7,23]。在本研究中，團聚體對SPI的貢獻最大(表1第一主因子4個指標)。有機肥或有機無機肥配施處理的SPI隨時間呈顯著增加也說明有機質含量的提升可明顯改善綜合土壤物理質量。

無論稻田還是旱地，單施K處理的SPI值明顯較高(僅次于NPKM處理)，也體現出南方在缺K情況下施K更能增產和改善土壤結構[24]。在稻田試驗中，NPK和2NPK的SPI值隨時間同步(擬合斜率相近)增加，但SPI值后者低于前者，在旱地試驗中也是如此。即長期均衡施肥(NPK)下，SPI隨施肥量的增加(2NPK)并未改善，與肥力偏高時增施化肥導致有機質含量下降與物理性質變差一致[22]，這與聶軍等的研究結果相反[9]，需深入研究。可見，在肥料投入時，必須注意肥料種類搭配的合理性和量的科學性，切忌持續過量施肥導致有機質含量下降、土壤物理質量惡化，甚至造成肥料浪費和生境破壞。生產實踐施肥建議：有機無機配施(NPKM)優先，有機肥(M)次之，均衡化肥(NPK)最后，適量增施K。

4 結論

篩選出SPI綜合評價指標13個：0.25～0.05 mm、0.05～0.01 mm、0.01～0.005 mm、物理性粘粒、0.25～0.05 mm微團聚體、0.05～0.01 mm微團聚體、<0.001 mm微團聚體、團聚度、>5 mm團聚體、1～0.5 mm團聚體、總團聚體、MWD和團聚體穩定率。

SPI各施肥處理間顯著差異性旱地為三級，稻田為二級；稻田的SPI(0.533)整體高于旱地(0.519)，但兩者總體水平較低(0.5～0.6)。平衡適量施肥可明顯提高SPI，優推NPKM、M和NPK，增施K；倍量平衡施肥(2NPK)不利于改善土壤的物理質量，應禁用。除CK、N外的其它施肥處理SPI值均隨時間呈增加趨勢；整體看，長期試驗使SPI呈略增趨勢，旱地的SPI年均增幅略高于稻田。