長(zhǎng)期施肥對(duì)根系及土壤微生態(tài)環(huán)境、養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)的影響綜述

楊文飛,杜小鳳,顧大路,吳傳萬(wàn),王偉中

(江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇 淮安 223001)

土壤微生物和酶一起作用于土壤的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動(dòng),并參與許多重要的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,反映著土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度[1-2]。土壤養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)受土壤母質(zhì)、施肥模式、生物及各種農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的影響,并與耕地基礎(chǔ)肥力和生產(chǎn)力密切相關(guān)。根系不僅是吸收土壤水分和養(yǎng)分的主要器官,也是合成某些氨基酸、激素等生理活性物質(zhì)的重要場(chǎng)所,受土壤養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)的影響[3-5]。如何通過(guò)合理長(zhǎng)期施肥維持和提高土壤的基礎(chǔ)肥力、優(yōu)化土壤微生態(tài)環(huán)境和作物根系生長(zhǎng)環(huán)境,為大面積地力提升、作物穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和理論幫助,已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需闡明的問(wèn)題之一。

長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)具有信息量豐富、試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、解釋力強(qiáng)及易克服氣候年變化對(duì)肥效的影響等常規(guī)試驗(yàn)不可比擬的優(yōu)點(diǎn),能更加系統(tǒng)準(zhǔn)確地揭示不同施肥模式對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境、養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)及根系性狀等的影響,并作出科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。為此,本文對(duì)國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤根系、微生態(tài)環(huán)境、養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了總結(jié)歸納,以期為我國(guó)肥料的長(zhǎng)期合理施用及耕地養(yǎng)分平衡、質(zhì)量提升和可持續(xù)利用提供決策依據(jù)。

1 長(zhǎng)期施肥對(duì)作物根系的影響

根系是作物吸收養(yǎng)分和水分、參與體內(nèi)物質(zhì)合成和轉(zhuǎn)化過(guò)程的重要功能性器官,其數(shù)量、分布和構(gòu)型等特征對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成具有重要的影響[6-7]。施肥是影響土壤養(yǎng)分分布的直接因素,勢(shì)必會(huì)影響根系參數(shù)的變化。喬云發(fā)等[8]在長(zhǎng)期施肥研究中發(fā)現(xiàn)：有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用(NPKM)時(shí)根系生物量最大,表現(xiàn)出單峰曲線變化規(guī)律；NPK和NP處理的根長(zhǎng)和根表面積比其它施肥處理大,但平均根直徑小于NPK配施有機(jī)肥處理。Qu等[9]通過(guò)研究證實(shí),作物根系性狀、生物量及養(yǎng)分吸收能力受長(zhǎng)期不同施肥模式的顯著影響,并以有機(jī)肥與化肥配施處理的根系性狀表現(xiàn)最優(yōu)。李京濤等[10]通過(guò)連續(xù)28年長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),施用有機(jī)肥特別是有機(jī)肥與一定量的氮肥配合施用能顯著抑制小麥根系的膜脂過(guò)氧化作用,進(jìn)而明顯改善小麥根系的生理活性和生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài),延緩根系的衰老。趙廣才等[11]在長(zhǎng)期不同肥料運(yùn)籌對(duì)超高產(chǎn)小麥根系影響的研究中指出：增施肥料可明顯提高小麥根長(zhǎng)密度和根總表面積,并以氮磷(1∶1)配施處理的效果最好；而增施肥料對(duì)根系平均直徑基本上沒(méi)有影響。國(guó)外學(xué)者Svoboda等[12]和Jeon等[13]在研究中同樣指出,作物根系總表面積、平均直徑、體積及根系形態(tài)分布受不同施肥種類和施肥模式的明顯影響,其中有機(jī)肥與化肥配施、氮磷鉀合理配施處理的根系性狀和形態(tài)分布明顯優(yōu)于長(zhǎng)期單施化肥和不施肥的。

2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境的影響

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力,它參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過(guò)程,是土壤生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分及土壤養(yǎng)分的重要儲(chǔ)備庫(kù)和周轉(zhuǎn)庫(kù)[14-16]。林斯等[17]的研究結(jié)果表明：不同土壤培肥模式對(duì)細(xì)菌豐富度和多樣性都有明顯的影響,其中單施無(wú)機(jī)肥降低了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性,不利于保持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而“無(wú)機(jī)肥+有機(jī)肥+豆科綠肥”的綜合培肥模式可以顯著提高土壤微生物的豐富度和基因的多樣性。Neumann等[18]在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究中指出，在長(zhǎng)期不同施肥模式下土壤微生物的基因多樣性、群落結(jié)構(gòu)及數(shù)量均存在明顯的差異。魏巍等[19]通過(guò)定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)豬糞肥相對(duì)于不施肥和單施化肥可以顯著降低黑土農(nóng)田土壤真菌與細(xì)菌的比率,明顯改變土壤細(xì)菌和真菌群落的結(jié)構(gòu)。丁偉等[20]通過(guò)定位施肥試驗(yàn)研究了不施肥、單施化肥、有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)土壤微生物的影響，發(fā)現(xiàn)在有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的土壤中自生固氮菌、磷細(xì)菌和鉀細(xì)菌的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均較高,微生物種群豐富,且優(yōu)勢(shì)種群突出。卜洪震等[21]研究發(fā)現(xiàn)：與不施肥對(duì)照相比,施用化肥、秸稈還田及有機(jī)肥與化肥配合施用可以顯著提高土壤微生物量碳及總磷脂脂肪酸含量；在不同施肥處理間土壤微生物量碳和微生物多樣性有明顯差異。眾多研究[22-23]表明,施肥模式對(duì)土壤微生物的影響比較復(fù)雜,因肥料種類、用量或不同肥料之間的配合方式而異,因此明確土壤各微生物類群對(duì)長(zhǎng)期不同施肥模式響應(yīng)的潛在機(jī)理很有必要。

2.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶對(duì)土壤中幾乎所有的生化反應(yīng)和物質(zhì)循環(huán)起著重要的催化作用,其活性的高低直接影響著整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的好壞,是土壤質(zhì)量的重要構(gòu)成因素[24]。馬曉霞等[25]通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究得出,不同施肥管理對(duì)土壤酶活性的影響總體以有機(jī)肥+NPK配施處理最高,其次為秸稈+NPK處理,NPK和NP處理次之,N處理和CK(對(duì)照)最低。蘭宇等[26]通過(guò)31年長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)研究了玉米生育期內(nèi)3種主要土壤酶活性的時(shí)空變化,得出在同一化肥水平上增施有機(jī)肥能增加土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性,而降低土壤酸性磷酸酶活性,且長(zhǎng)期施肥對(duì)深層土壤酶活性亦有影響。Islam等[27]在長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，土壤脫氫酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和磷酸酶的活性明顯受到長(zhǎng)期施肥方式的影響,且其活性隨有機(jī)肥料的增加而提高。李晨華等[28]在長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)问┗侍幚淼耐寥来蠖鄶?shù)酶的活性與對(duì)照不施肥相比無(wú)顯著差異,且過(guò)氧化氫酶活性降低；化肥+秸稈還田處理顯著增加了土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶、蛋白酶、中性與堿性磷酸酶的活性。Jiao等[29]在研究中同樣證實(shí)，在長(zhǎng)期不同施肥處理間土壤磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶的活性均存在明顯的差異。土壤酶活性可以反映土壤的綜合肥力特征及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和能量運(yùn)動(dòng)進(jìn)程,因此明確長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)土壤酶活性影響的機(jī)理具有重要意義。

3 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是土壤提供給農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,受土壤母質(zhì)、生物、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施等的影響,其形態(tài)和形成過(guò)程十分復(fù)雜,具有高度的空間變異性。了解長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的影響對(duì)于合理利用土地資源、改善恢復(fù)生態(tài)環(huán)境及提高土壤質(zhì)量和農(nóng)作物產(chǎn)量品質(zhì)具有極其重要的作用[30]。

3.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤氮的影響

氮素養(yǎng)分是土壤肥力的主要指標(biāo),土壤氮含量的高低及其存在的形態(tài)與土壤環(huán)境生態(tài)及肥力密切相關(guān)，并受到施肥模式的明顯影響。王婷等[31]研究了長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)隴東旱塬土壤氮素的影響，發(fā)現(xiàn)在不施肥、施用氮肥、施用有機(jī)肥、施用氮磷肥、氮磷配施秸稈、氮磷配施有機(jī)肥這6個(gè)長(zhǎng)期施肥處理中，以施用有機(jī)肥、氮磷配施有機(jī)肥改善土壤氮素肥力的效果最好,0～40 cm土層無(wú)機(jī)氮、全氮和堿解氮含量較試驗(yàn)開(kāi)始前均顯著提高,其中0～20 cm土層全氮含量比36年前平均增加了26.2%。趙偉等[32]通過(guò)研究證實(shí),與NPK處理和不施肥相比,化肥與有機(jī)肥配施明顯提高了0～20和20～40 cm土層土壤的全氮含量、氮素礦化累積量和氮素礦化勢(shì)。Sun等[33]研究指出,長(zhǎng)期有機(jī)肥與化肥配施處理相比于長(zhǎng)期單施化肥和未施肥處理,協(xié)調(diào)了土壤碳、氮間的平衡關(guān)系,明顯提高了土壤對(duì)氮肥的緩沖能力,顯著提高了土壤氮效率,并降低了氮在土壤剖面的淋溶。王淑英等[34]通過(guò)36年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能顯著提高旱塬區(qū)農(nóng)田土壤總氮貯量；單施農(nóng)家肥和農(nóng)家肥加氮磷處理的土壤全氮含量較試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)分別增加了34.0%和42.7%；長(zhǎng)期施用有機(jī)肥亦能提高土壤的供氮能力；秸稈還田加氮磷肥、單施農(nóng)家肥和農(nóng)家肥加氮磷處理的土壤堿解氮含量比不施肥分別增加了27.1%、34.2%和65.0%,比單施氮肥分別增加了28.5%、35.7%和66.8%。Divito等[35]研究指出,有機(jī)無(wú)機(jī)肥長(zhǎng)期配施相比于單施化肥可增強(qiáng)土壤對(duì)氮肥的緩沖能力,提高土壤氮素養(yǎng)分的有效性和供應(yīng)能力，擴(kuò)大土壤有效氮的活性庫(kù),同時(shí)減少硝態(tài)氮向土壤深層的淋移和累積,提高耕層土壤礦質(zhì)氮的蓄保能力。

3.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤磷的影響

不合理持續(xù)集約化施肥會(huì)引起土壤中磷的累積,增加土壤磷流失的風(fēng)險(xiǎn)。磷在土壤中累積程度因肥料施用種類而異,因此研究明確長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)土壤磷含量和狀態(tài)的影響具有重要意義。呂真真等[36]通過(guò)8個(gè)處理的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：NK處理的土壤全磷含量每年以4.6 mg/kg的速度下降；而化肥(含磷)處理的土壤全磷含量升高速率為3.30～19.40 mg/(kg·a)；單施化學(xué)磷肥和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施相比于不施肥均明顯提高了土壤全磷含量及磷活化系數(shù),且在相同磷量投入下,有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施相比于單施化肥效果更優(yōu)。翟龍波等[37]研究了長(zhǎng)期施肥對(duì)坡地土壤磷素賦存形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施肥相比于不施肥可提高各粒徑土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳、全磷、速效磷及各形態(tài)無(wú)機(jī)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù),且無(wú)機(jī)肥配施糞肥處理提升全磷和速效磷的效果不如無(wú)機(jī)肥配施秸稈處理。Lee等[38]通過(guò)31年長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)韓國(guó)南部水稻土磷含量和狀態(tài)的影響試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期單施化肥(NPK)土壤中無(wú)機(jī)磷含量隨時(shí)間變化不大,而有機(jī)磷含量顯著增加,長(zhǎng)期化肥和堆肥配施提高了耕層微生物活性，加速了土壤有機(jī)磷含量的下降,提高了無(wú)機(jī)磷含量。夏文建等[39]通過(guò)研究長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤磷素吸附固持的影響指出：長(zhǎng)期施用化學(xué)磷肥有利于補(bǔ)充土壤全磷,并增加土壤Olesn-P和Mehlich1-P,而對(duì)CaCl2-P和磷飽和度影響不明顯；長(zhǎng)期施用有機(jī)肥(豬糞)有利于提高土壤全磷含量和磷飽和度,而磷吸持指數(shù)顯著降低。B?rling等[40]指出：磷素在土壤中的賦存形態(tài)和化學(xué)行為受長(zhǎng)期不同施肥模式的明顯影響,有機(jī)肥的添加處理在提高土壤有機(jī)碳和有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同時(shí),也對(duì)提高土壤磷素保持和供應(yīng)能力及磷素轉(zhuǎn)化、磷素有效性具有重要影響。

3.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是主要由碳、氮元素組成的一種有機(jī)混合化合物,是土壤肥力的主要組成部分和全球碳循環(huán)過(guò)程中重要的碳庫(kù),是評(píng)價(jià)土壤肥力和質(zhì)量的重要指標(biāo),并受長(zhǎng)期不同施肥模式的影響。張玉軍等[41]通過(guò)研究長(zhǎng)期不施肥、單施氮磷鉀肥、氮磷鉀配施有機(jī)肥和氮磷鉀配施秸稈還田4個(gè)處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn),施肥處理相對(duì)于不施肥均明顯增加了不同土層的有機(jī)質(zhì)含量,并以氮磷鉀配施有機(jī)肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高,達(dá)到13.91～33.55 g/kg；但各處理間有機(jī)質(zhì)含量差異隨土層深度增加而縮小。謝軍等[42]研究指出：化肥配施秸稈和化肥配施有機(jī)肥均顯著提高了耕層土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的含量,在0～20 cm耕層溶解性有機(jī)質(zhì)含量比單施化肥NPK分別增加了39.1和12.1 mg/kg；與不施肥和單施化肥NPK相比，長(zhǎng)期化肥配施秸稈或配施有機(jī)肥亦能提高0～20 cm土壤溶解性有機(jī)質(zhì)共軛結(jié)構(gòu)、腐殖化程度、芳香度、疏水部分比例和平均分子量；而40～60 cm土層溶解性有機(jī)質(zhì)含量和結(jié)構(gòu)在各處理間差異不顯著。Gregorich等[43]通過(guò)長(zhǎng)期施肥對(duì)玉米根際土壤有機(jī)質(zhì)的影響研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期不施肥或單施化肥處理土壤總有機(jī)質(zhì)含量稍有增加,活性有機(jī)質(zhì)含量明顯降低,而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)率沒(méi)有顯著影響。王傳杰等[44]研究發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)期撂荒處理的土壤有機(jī)質(zhì)N/P比顯著高于長(zhǎng)期不施肥和單施化肥處理的(在不施肥或施用化肥條件下作物種植加劇了土壤有機(jī)質(zhì)中氮素的消耗)；長(zhǎng)期低量氮磷鉀+秸稈還田處理的土壤有機(jī)質(zhì)N/P比與撂荒處理相當(dāng)；中量氮磷鉀配施有機(jī)肥可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)的N/P比。Kaiser等[45]通過(guò)研究長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)沙質(zhì)和粘性土壤有機(jī)質(zhì)含量和組分的影響指出,化肥長(zhǎng)期配施有機(jī)肥后土壤有機(jī)質(zhì)含量和溶解性有機(jī)質(zhì)含量較單施化肥和不施肥均有明顯增加,有機(jī)肥與化肥配施在改善土壤有機(jī)質(zhì)組分上的效果明顯優(yōu)于單施化肥和不施肥的。

4 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

4.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤容重的影響

土壤容重是指一定體積內(nèi)的土壤質(zhì)量,其與土壤透氣性、入滲性能、持水能力和溶質(zhì)遷移潛力等密切相關(guān),對(duì)作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育和土壤肥力的變化會(huì)產(chǎn)生直接或間接的影響。馬俊永等[46]在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了化肥和作物秸稈對(duì)土壤容重的影響，發(fā)現(xiàn)：與不施肥對(duì)照相比，秸稈還田和施用化肥會(huì)使耕層以下的土壤容重降低和有機(jī)碳增加；秸稈對(duì)10 cm以下土壤容重影響不明顯；施用化肥相比于秸稈還田對(duì)深層土壤容重的影響更為明顯。李猛等[47]通過(guò)分析拉薩高原生態(tài)試驗(yàn)站農(nóng)田長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)的數(shù)據(jù)指出,與單施化肥的樣地相比,施加了8年有機(jī)肥羊糞和羊糞+化肥處理的試驗(yàn)農(nóng)田土壤質(zhì)量表現(xiàn)出了顯著的變化,其中0～10 cm表層土壤容重分別降低了10.10%和10.00%。劉哲等[48]通過(guò)研究長(zhǎng)期施肥對(duì)溫室和農(nóng)田土壤容重的影響發(fā)現(xiàn)：與單施化肥、有機(jī)肥與化肥配施處理相比，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥處理顯著降低了溫室土壤和農(nóng)田土壤的容重,其中單施有機(jī)肥處理的溫室0～10 cm土層的土壤容重為1.17 g/cm3,較施用化肥和有機(jī)肥加少量化肥處理分別降低了12.00%和8.60%。呂真真等[49]通過(guò)28年連續(xù)不同施肥處理試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：化肥配施有機(jī)肥處理的土壤容重較單施化肥降低了12.70%～20.60%；施肥處理的土壤容重比不施肥處理降低了4.00%～23.80%；而在單施不同化肥(PK、NP、NK和NPK)處理間土壤容重差異不顯著。Celik等[50]通過(guò)田間試驗(yàn)(1996～2008年)研究證實(shí),菌根與有機(jī)肥一起施用可使土壤容重和滲透阻力降低,土壤結(jié)構(gòu)得到改善,其中施用堆肥處理的0～15 cm和15～30 cm土壤層的容重最低,而施用礦質(zhì)肥料處理的土壤容重最高。蘭志龍等[51]通過(guò)25年長(zhǎng)期定位不同施肥措施對(duì)關(guān)中塿土容重的影響研究發(fā)現(xiàn),與不施肥、單施氮肥和施用氮磷鉀肥相比,有機(jī)肥與氮肥配施顯著降低了土壤容重和緊實(shí)度,土壤容重以撂荒田最大(1.40 g/cm3),以有機(jī)肥與化肥配施處理最小(1.11 g/cm3)。

4.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤孔隙度的影響

土壤孔隙是土壤固相的土粒或土團(tuán)之間的空隙,其形狀、大小及連續(xù)性和穩(wěn)定性等特征對(duì)土壤水分和養(yǎng)分運(yùn)移、土壤生物呼吸和植物根系生長(zhǎng)發(fā)育等都有著非常重要的影響。蔡太義等[52]基于砂姜黑土改良長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：施有機(jī)肥處理不同土層孔隙數(shù)量最多,空間變異也最大，秸稈還田次之,常規(guī)施用化肥處理的孔隙數(shù)量最少；施用有機(jī)肥和秸稈還田處理的分形維數(shù)和土壤孔隙結(jié)構(gòu)較施用化肥處理更加復(fù)雜且穩(wěn)定。Naveed等[53]通過(guò)長(zhǎng)期施用不同數(shù)量的動(dòng)物糞肥和氮磷鉀肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與未施或僅施少量肥料的地塊相比,施用動(dòng)物糞肥和氮磷鉀肥的地塊大孔隙率和生物(蚯蚓)活性更高,且隨著動(dòng)物糞肥施用量的增加,孔隙分布變寬,孔隙連通性得到明顯改善。付威等[54]研究指出：與不施肥相比,長(zhǎng)期施用氮磷肥顯著降低了耕層土壤的緊實(shí)度；與施用氮磷肥處理相比,增施鉀肥可增加土壤總孔隙度；增施生物炭處理的耕層土壤總孔隙度明顯高于施用氮磷鉀肥處理的。鄧超等[55]通過(guò)研究長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤稻田土壤孔隙度的影響發(fā)現(xiàn)：與不施肥對(duì)照相比，施用有機(jī)肥有利于增加土壤的通氣孔隙，而施用化肥則減少了土壤的通氣孔隙,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥處理的土壤中大孔隙度和中孔隙度分別是施用化肥和不施肥處理的1.45～1.68倍和1.22～1.43倍。Rasool等[56]通過(guò)研究指出,施用糞肥和單施氮磷鉀肥處理相比于不施肥有利于增加土壤的總孔隙度,其中施用糞肥處理的0～15 cm和15～30 cm土層土壤的總孔隙度比不施肥對(duì)照分別增加了25.0%和13.0%。

4.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,與土壤的孔隙狀況、肥力、通氣性、保水性以及抗侵蝕性等密切相關(guān),明確施肥對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量,促進(jìn)作物生長(zhǎng)，以及防止土壤退化具有重要意義。Yan等[57]通過(guò)長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)研究證實(shí),江西紅壤水稻土有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施相比于單施化肥和不施肥可有效促進(jìn)團(tuán)聚體膠結(jié)進(jìn)而形成大團(tuán)聚體,增加大團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性。林清美等[58]研究指出：長(zhǎng)期施肥處理的土壤0.25～2.00 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為有機(jī)肥與化肥配施>常量有機(jī)肥與化肥配施>單施化肥；微團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為有機(jī)肥與化肥配施<常量有機(jī)肥與化肥配施<單施化肥；有機(jī)肥處理的土壤團(tuán)聚狀況和團(tuán)聚度均高于單施化肥處理的；而有機(jī)肥處理的土壤分散系數(shù)、分散率、微團(tuán)聚體比值和微團(tuán)聚體分形維數(shù)均低于單施化肥處理的。Ghosh等[59]通過(guò)長(zhǎng)期的肥料試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在單施農(nóng)家肥處理和單施氮磷鉀肥處理間0～15 cm土層中大團(tuán)聚體數(shù)量差異不顯著,但氮磷鉀與農(nóng)家肥配施處理的土壤微團(tuán)聚體比單施氮磷鉀肥處理高27.0%,且土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性也較高。呂欣欣等[60]通過(guò)29年長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在不覆膜條件下,與不施肥相比，長(zhǎng)期施肥顯著增加了>2 mm團(tuán)聚體的含量,而顯著降低了0.25～2.00 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量；有機(jī)肥的施入均顯著提高了不覆膜土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量；單施有機(jī)肥及有機(jī)肥化肥配施相比于單施化肥有利于增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的固持。Chen等[61]通過(guò)長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)研究證實(shí)：經(jīng)有機(jī)肥處理后土壤小團(tuán)聚體比例下降,大團(tuán)聚體比例明顯上升；而礦質(zhì)肥料的施用會(huì)明顯增加微團(tuán)聚體比例。

5 未來(lái)長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)研究的領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì)

長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)量、養(yǎng)分狀況、根際土壤微生物數(shù)量、酶活性及作物根系生長(zhǎng)均具有明顯的影響。作物的持續(xù)生產(chǎn)和土壤肥力的維持需要長(zhǎng)期進(jìn)行肥料的投入。在兼顧生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的前提下，通過(guò)合理施肥來(lái)有效改善土壤微生態(tài)環(huán)境、土壤結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力及作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育是土壤培肥和農(nóng)業(yè)綠色豐產(chǎn)增產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。目前,多數(shù)研究認(rèn)為有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用是在改善土壤物理結(jié)構(gòu)、微生態(tài)環(huán)境、養(yǎng)分狀況及根系生長(zhǎng)發(fā)育方面較為合理的可以長(zhǎng)期采用的施肥模式,但在長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)土壤影響的研究領(lǐng)域未來(lái)仍有以下幾個(gè)方面需要加強(qiáng)。

(1)長(zhǎng)期有機(jī)肥和化學(xué)氮肥的投入均顯著刺激硝化過(guò)程,導(dǎo)致土壤中大量的硝態(tài)氮累積。土壤氮素礦化-同化循環(huán)是自然界氮循環(huán)過(guò)程中兩個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，并受土壤微生物數(shù)量和關(guān)鍵酶活性的影響,因此需要加強(qiáng)研究長(zhǎng)期施肥下土壤微生物種類和數(shù)量以及關(guān)鍵酶活性與氮素礦化-同化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制，以提高硝態(tài)氮同化能力，降低反硝化損失。

(2)肥料的不合理施用不僅會(huì)對(duì)地表水、地下水等造成污染,而且對(duì)大氣質(zhì)量也有一定的影響,例如有機(jī)肥的不恰當(dāng)施用會(huì)增加土壤中的重金屬含量及病原菌數(shù)量,因此未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)研究不同長(zhǎng)期施肥模式間的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)差異以及主要污染物累積的變化規(guī)律。

(3)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是農(nóng)業(yè)肥料投入較為合理的方式,但過(guò)量的施入有機(jī)肥會(huì)造成大量的氮損失和養(yǎng)分利用率的明顯下降。此外我國(guó)幅員遼闊,各個(gè)長(zhǎng)期定位施肥研究地點(diǎn)之間的氣候類型、土壤類型差異較大,因此亟待明確各典型生態(tài)區(qū)和不同土壤類型區(qū)有機(jī)肥投入的閾值以及合理的有機(jī)無(wú)機(jī)肥料投入比例。

(4)以往有關(guān)長(zhǎng)期施肥下土壤肥力演變的研究多數(shù)基于較小空間或較短時(shí)間尺度,而在大區(qū)域尺度上對(duì)土壤養(yǎng)分、物理結(jié)構(gòu)、微生態(tài)環(huán)境及碳氮循環(huán)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的研究和分析還比較缺乏,致使土壤肥力指標(biāo)在特定時(shí)間或點(diǎn)位的增減變化并不能系統(tǒng)、科學(xué)地解釋土壤肥力的演變規(guī)律和趨勢(shì),因此未來(lái)應(yīng)重視在大區(qū)域尺度上的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)研究。