長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤旱地有機(jī)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(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部 長(zhǎng)江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330200;2.江西省紅壤研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 進(jìn)賢 331717)

長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤旱地有機(jī)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(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部 長(zhǎng)江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330200;2.江西省紅壤研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 進(jìn)賢 331717)

通過(guò)長(zhǎng)期田間定位實(shí)驗(yàn)研究了不同施肥處理對(duì)紅壤旱地土壤養(yǎng)分庫(kù)累積和養(yǎng)分供給的影響。研究結(jié)果表明:長(zhǎng)期單施氮肥易造成土壤酸化和土壤磷庫(kù)消耗；不施氮肥土壤的氮庫(kù)會(huì)發(fā)生明顯耗竭,導(dǎo)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(jī)肥(豬糞)可以顯著增加土壤氮庫(kù)、磷庫(kù)和碳庫(kù),并緩解土壤酸化；有機(jī)肥施用使土壤速效磷含量大幅度增加,可能會(huì)導(dǎo)致磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。

紅壤;旱地；長(zhǎng)期施肥;有機(jī)碳；有機(jī)氮；有機(jī)磷

紅壤是我國(guó)主要的土壤類型之一,我國(guó)紅壤面積大約5690萬(wàn)hm2,約占全國(guó)土壤面積的6.5%[1]。紅壤區(qū)由于受降雨集中、高溫高濕等自然條件和多熟集約種植、過(guò)度開(kāi)發(fā)、施肥不合理、水土保持措施不到位等人為因素的影響,生態(tài)平衡遭受破壞、酸化加劇、土壤養(yǎng)分貧瘠失調(diào)、土壤肥力下降[2]。土壤養(yǎng)分是限制作物生長(zhǎng)的重要因素之一,其中土壤有機(jī)質(zhì)、氮和磷是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤養(yǎng)分狀況的重要指標(biāo)[3-5]。大量長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果表明,土壤有機(jī)質(zhì)含量和磷素庫(kù)源平衡在我國(guó)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)估中起著決定性的作用[4]；而紅壤旱地的有機(jī)碳庫(kù)處于虧缺狀態(tài),退化紅壤的有機(jī)碳含量通常小于8.7 g/kg[6]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,江西省旱地紅壤有機(jī)碳的平均含量不到10.0 g/kg,由此引起土壤養(yǎng)分的嚴(yán)重貧瘠化,制約了紅壤生產(chǎn)力的正常發(fā)揮[7]。水溶性有機(jī)質(zhì)(WSOC)是活性有機(jī)質(zhì)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(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接作用的那部分有機(jī)質(zhì),是土壤圈中十分活躍的重要化學(xué)組分,能敏感地反映土壤有機(jī)碳的變化[8-11];WSOC占土壤總有機(jī)碳(TOC)百分比的范圍為0.15%～ 0.19%,與土壤有機(jī)碳、微生物生物量碳(SMBC)的含量都呈顯著性正相關(guān)[12]。施用有機(jī)肥是提升紅壤質(zhì)量的重要措施,研究表明土壤有機(jī)質(zhì)含量增加與有機(jī)物料投入量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[4]。有機(jī)肥施用可更快地重建退化紅壤磷庫(kù),其提高土壤全氮水平的速度也大于單施化肥的[13]。長(zhǎng)期不同施肥方式紅壤的pH值會(huì)有不同的變化,長(zhǎng)期施用化肥土壤的pH值會(huì)降低,而施用有機(jī)肥土壤的pH值會(huì)保持穩(wěn)定或升高[14]；pH值降低會(huì)影響作物的產(chǎn)量和對(duì)氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收,而施用有機(jī)肥能改善紅壤的酸度,尤其是配施化學(xué)肥料和有機(jī)肥能獲得持續(xù)高產(chǎn),是紅壤區(qū)的最佳施肥模式。然而,關(guān)于長(zhǎng)期施肥條件下紅壤旱地土壤水溶性有機(jī)碳、氮和磷的研究較少,特別是有關(guān)江西省雙季玉米種植條件下紅壤養(yǎng)分庫(kù)特征的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。我們通過(guò)持續(xù)30年的紅壤旱地長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了長(zhǎng)期施肥條件下旱地紅壤有機(jī)碳、氮和磷等養(yǎng)分的變化,研究了長(zhǎng)期不同施肥方式對(duì)紅壤養(yǎng)分的影響,旨在為指導(dǎo)紅壤合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1試驗(yàn)概況

紅壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地位于江西省進(jìn)賢縣(28°37′N,116°26′W)。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫17.7 ℃,年均降雨1727 mm。土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土,質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土。試驗(yàn)始于1986年。實(shí)驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)為: pH值為6.0,容重1.20 g/cm3，有機(jī)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(yáng)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(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置10個(gè)處理，分別為:不施肥(對(duì)照CK)、施有機(jī)肥(處理代號(hào)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(jī)肥(MNPK)。每個(gè)處理3次重復(fù),小區(qū)面積22.2 m2,隨機(jī)區(qū)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?；史N類分別為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀。有機(jī)肥為新鮮豬糞,含水量為80%,干物質(zhì)含碳量為40%,含N、P2O5、K2O量分別為0.40%、0.35%和0.50%；有機(jī)肥施用量為15 t/hm2。磷、鉀肥和有機(jī)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(gè)小區(qū)按S型采集土樣并混勻；土樣經(jīng)自然風(fēng)干,過(guò)2 mm篩，備用。

土壤基本理化性質(zhì)如pH值、陽(yáng)離子交換量(CEC)、土壤氮、磷、鉀等含量采用常規(guī)分析方法測(cè)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(jìn)行測(cè)定。分別用蒸餾水、常溫水(25 ℃)和熱水(70 ℃)浸提土壤水溶性有機(jī)碳[15-16],采用碳氮分析儀(multi C/N 2100)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分的影響

從表1可以看出：與試驗(yàn)前相比,試驗(yàn)后紅壤發(fā)生了較嚴(yán)重的酸化,土壤pH值下降0.93～2.36；試驗(yàn)后不同處理之間比較，N、NP和NK處理的土壤pH值分別比對(duì)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(shuō)明化學(xué)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?fù)寥浪峄淖饔?；氮磷配施無(wú)法完全阻控施氮引起的土壤酸化效應(yīng)；而施用有機(jī)肥(豬糞)具有較顯著的延緩?fù)寥浪峄男Ч?/p>

長(zhǎng)期施肥可以增加土壤的陽(yáng)離子交換量(CEC),與對(duì)照相比CEC增加了0.1～3.2。具體來(lái)說(shuō)：施用化肥處理的CEC比對(duì)照10.8僅增加了0.1～1.6；長(zhǎng)期施用有機(jī)肥土壤的CEC則達(dá)到14.0，比對(duì)照增加了3.2。施肥處理土壤的有機(jī)碳總量和活性有機(jī)碳含量均有所增加,特別是施用有機(jī)肥處理土壤的有機(jī)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(kù)累積。

長(zhǎng)期不施氮肥(P、K處理)土壤的速效氮含量無(wú)明顯下降,但土壤全氮含量與對(duì)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(duì)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(wú)明顯下降,而速效氮含量分別比對(duì)照增加了18.8%和29.1%;施用有機(jī)肥(OM)以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(MNPK)土壤的全氮含量分別比對(duì)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?jiàn)氮磷鉀肥配合施用有利于土壤氮庫(kù)穩(wěn)定和提高土壤速效氮的供給；有機(jī)肥以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用有助于土壤氮庫(kù)累積,并提供較多的速效養(yǎng)分氮；而不施氮肥土壤的氮庫(kù)呈現(xiàn)一定程度的耗竭。

與對(duì)照相比,除長(zhǎng)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(duì)照有所增加。但總體上,不同無(wú)機(jī)肥處理土壤磷庫(kù)和速效磷含量的變化較小,高量施肥(NPK2)處理土壤磷庫(kù)和速效磷存在一定的累積;而有機(jī)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(duì)照的10倍左右(OM處理)或12倍左右(MNPK處理),土壤磷庫(kù)過(guò)度累積和流失風(fēng)險(xiǎn)加劇。

表1 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)紅壤旱地土壤養(yǎng)分的影響

2.2長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤水溶性有機(jī)碳的影響

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

圖1 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)紅壤水溶性有機(jī)碳含量的影響

2.3長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤水溶性氮的影響

土壤水溶性氮是土壤氮庫(kù)中比較活躍的組分,與總氮庫(kù)相比更能體現(xiàn)土壤氮素的供給水平。本試驗(yàn)土壤水溶性氮(WSON)含量的范圍為9.93～73.14 mg/kg,熱水提取態(tài)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(shì)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(guī)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(jī)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(jī)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(zhǎng)期不同施肥對(duì)紅壤水溶性氮含量的影響

在長(zhǎng)期施肥條件下土壤水溶性氮含量發(fā)生了顯著變化,與對(duì)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(tài)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(jī)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(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤無(wú)機(jī)磷的影響

土壤速效磷通常用Olsen-P(O-P)表示,但也有研究認(rèn)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(qiáng)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(guī)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(jī)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(zhǎng)期施肥條件下，土壤速效磷含量發(fā)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(jī)肥(豬糞)的土壤速效磷含量大幅度增加,可能會(huì)導(dǎo)致磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。H-P比O-P能更敏感地反映土壤速效磷的變化。

圖3 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)紅壤速效磷含量的影響

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明：長(zhǎng)期單施氮肥易造成土壤酸化和土壤磷庫(kù)消耗,而不施氮肥土壤氮庫(kù)會(huì)發(fā)生明顯耗竭;增施磷肥(鈣鎂磷肥)有助于土壤磷庫(kù)累積和土壤速效磷供應(yīng),并且對(duì)緩解土壤酸化有一定作用;有機(jī)肥施用可以顯著增加土壤碳庫(kù)、氮庫(kù)和磷庫(kù),同時(shí)能顯著增加土壤陽(yáng)離子交換量并緩解土壤酸化,但同時(shí)也會(huì)造成土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。顏雄等[17]的研究也有類似的結(jié)論。本研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施基本上能保證土壤碳庫(kù)、磷庫(kù)平衡,并滿足速效氮磷鉀養(yǎng)分供給和土壤碳庫(kù)累積。關(guān)焱等[18](2004)總結(jié)了長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤養(yǎng)分庫(kù)的影響,指出有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施對(duì)提高土壤氮素含量具有重要意義,并可以增加土壤有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷含量。這與本文的研究結(jié)果一致。另有研究顯示長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可有效改善南方丘陵紅壤的土壤結(jié)構(gòu),提升土壤有機(jī)質(zhì)含量,提高紅壤旱地生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[20]。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)期施肥土壤的WSOC和HWSOC含量均有所增加,施用無(wú)機(jī)肥土壤的水溶性有機(jī)碳含量增加較少；長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能顯著增加土壤水溶性有機(jī)碳含量；不施氮肥土壤的氮會(huì)發(fā)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(jī)肥能夠提供一定量的水溶性氮,但效果不如施氮明顯。

在長(zhǎng)期不同施肥條件下土壤磷庫(kù)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(jī)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(huì)導(dǎo)致磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。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(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31560582)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD41B01)；江西省農(nóng)科院博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2011CBS005)。

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