長(zhǎng)期單施有機(jī)肥黑土大豆產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)演變特征

，，

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省土壤環(huán)境與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.黑龍江省肥料工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

0 引 言

黑龍江省是我國(guó)大豆的最大產(chǎn)區(qū)，播種面積占全國(guó)的50%左右，2015年大豆播種面積達(dá)到235.5萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為428.4萬(wàn)噸[1]，占全國(guó)大豆總產(chǎn)量的40%以上[2]。近年來(lái)，隨著化肥施用量的逐漸增加、利用率逐漸下降，土地質(zhì)量受到了嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)致大豆產(chǎn)量和品質(zhì)下降[3]。因此，在保證大豆產(chǎn)量的同時(shí)，尋求一種環(huán)境良好及可持續(xù)性的大豆施肥方法成為我們關(guān)注的問(wèn)題，而近年來(lái)有機(jī)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展為我們提供了新的研究思路。有機(jī)農(nóng)業(yè)定義為：在動(dòng)植物生產(chǎn)過(guò)程中不使用化學(xué)合成的物質(zhì)，如農(nóng)藥、化肥、生產(chǎn)調(diào)節(jié)劑、飼料添加劑及基因工程生物及其產(chǎn)物[4]。有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通常采用種植豆科植物、輪作、免耕或土地休閑等措施進(jìn)行土壤肥力的恢復(fù)，以及施用有機(jī)肥來(lái)維持養(yǎng)分平衡，提高土壤肥力和土壤生物活性[5]。施用有機(jī)肥不僅能提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤物理性質(zhì)，還可通過(guò)形成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體和微團(tuán)聚體進(jìn)一步提高土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量，更新和活化土壤中老的有機(jī)質(zhì)，改善土壤腐殖質(zhì)的品質(zhì)，進(jìn)而全面提高土壤肥力[6]，對(duì)作物穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)有積極作用。以往的研究者對(duì)黑土大豆施用有機(jī)肥的產(chǎn)量效應(yīng)、土壤理化性質(zhì)變化進(jìn)行了積極的探索。孫煒等[7]指出，施用生物有機(jī)肥料后，不僅可以促進(jìn)大豆生長(zhǎng)發(fā)育和早熟，還可改良土壤和增加大豆產(chǎn)量。王家軍等[8]在黑龍江省海倫市研究了不同肥料對(duì)大豆產(chǎn)量的影響，指出施用三元復(fù)混肥處理的大豆產(chǎn)量較單施有機(jī)肥(農(nóng)家肥)增產(chǎn)9.37%，但會(huì)降低土壤pH和增加土壤容重。然而，上述研究的試驗(yàn)時(shí)間較短，而有機(jī)肥具有長(zhǎng)效性，利用長(zhǎng)期定位試驗(yàn)進(jìn)行研究十分必要。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)首先具有時(shí)間的長(zhǎng)期性，其次氣候具有代表性，能克服氣候的年際變化對(duì)肥料效應(yīng)的影響，數(shù)據(jù)信息量豐富且準(zhǔn)確可靠，可系統(tǒng)地揭示土壤肥力演變特征和規(guī)律[9]。因此，本研究利用38年的黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，分析長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)黑土大豆產(chǎn)量效應(yīng)、土壤理化性質(zhì)演變特征的影響，并評(píng)價(jià)在大豆種植中有機(jī)肥替代化肥的可行性，為肥料合理施用、建立區(qū)域有機(jī)大豆種植技術(shù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)原址位于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地(126°35′E，45°40′N)，全年≥10 ℃有效積溫約2 700 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 600～2 800 h，無(wú)霜期135 d。土壤類型為黑土。長(zhǎng)期試驗(yàn)于1979年設(shè)置，1980年開(kāi)始按小麥、大豆、玉米輪作，每年一季，1986年起增加二倍量施肥試驗(yàn)。試驗(yàn)地初始耕層(0～20 cm)土壤化學(xué)性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)26.6 g·kg-1，全氮(N)1.47 g·kg-1、全磷(P2O5)1.07 g·kg-1、全鉀(K)25.16 g·kg-1，速效養(yǎng)分堿解氮151.0 mg·kg-1、有效磷51.0 mg·kg-1、速效鉀200.0 mg·kg-1，pH值7.2。2010年12月對(duì)黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)進(jìn)行了凍土搬遷(搬遷深度1.1 m)，新址為哈爾濱市民主鎮(zhèn)(126°51′E，45°50′N)，距舊址約40 km，氣候、土壤等與舊址基本一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期試驗(yàn)設(shè)24個(gè)處理，本研究選取其中的3個(gè)處理：(1)單施化肥(NPK)；(2)常規(guī)有機(jī)肥(M)；(3)二倍有機(jī)肥(M2)。搬遷前小區(qū)面積為168 m2，不設(shè)重復(fù)；搬遷后小區(qū)面積36 m2(4 m×9 m)，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)排列。小麥季和玉米季化學(xué)肥料施用量為N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2；大豆季化學(xué)肥料施用量為N 75 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2，秋季施肥。有機(jī)肥為純馬糞(養(yǎng)分含量、含水量在當(dāng)季施肥前測(cè)定)， 每3 年施一次，于玉米季收獲后秋施。大豆季和玉米季施肥后旋耕起壟，小麥季旋耕平播。作物生育期不灌水。常規(guī)有機(jī)肥(M)和二倍有機(jī)肥(M2)分別按純氮(N)量75 kg·hm-2(約馬糞18.6 t·hm-2)和150 kg·hm-2(約馬糞37.2 t·hm-2)施用。馬糞養(yǎng)分含量為歷年測(cè)定的平均值，養(yǎng)分含量N、P2O5、K2O分別為0.58%、0.65%和0.90%?；蕿槟蛩?N 46%)、重過(guò)磷酸鈣(P2O546%)、磷酸二銨(N 18%，P2O546%)和硫酸鉀(K2O 50%)。

1.3 樣品采集與測(cè)定

作物產(chǎn)量于收獲期在小區(qū)中部劃分10 m2采樣區(qū)，作物全部收獲后脫粒，風(fēng)干稱重并測(cè)定含水量，計(jì)算作物產(chǎn)量。本研究中，大豆產(chǎn)量選擇1986-2017年的進(jìn)行分析(2008年大豆大面積倒伏，產(chǎn)量結(jié)果沒(méi)有代表性，未進(jìn)行統(tǒng)計(jì))。秋季大豆收獲后采集土樣，每個(gè)小區(qū)按“S”形取5個(gè)點(diǎn)混合為一個(gè)樣品(0～20 cm)，風(fēng)干并過(guò)篩后測(cè)定土壤養(yǎng)分含量。作物地上部全部移出小區(qū)，根茬粉碎還田。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。土壤有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分和pH(水土比2.5∶1)測(cè)定采用常規(guī)分析方法[10]。土壤養(yǎng)分未連續(xù)測(cè)定，試驗(yàn)前期(1979-1988年)每年測(cè)定，之后每3年測(cè)定一次。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均產(chǎn)量

土壤總孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤密度)×100

利用Excel 2007軟件計(jì)算和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期單施有機(jī)肥大豆產(chǎn)量變化

大豆產(chǎn)量年際間波動(dòng)較大(見(jiàn)圖1)，這與氣候條件、品種更換等因素有關(guān)。單施化肥處理(NPK)、常規(guī)有機(jī)肥(M)與二倍有機(jī)肥(M2)處理大豆產(chǎn)量分別在1 140～3 453 kg·hm-2、1 290～3 222 kg·hm-2和1 335～3 409 kg·hm-2之間。NPK、M和M2處理大豆平均產(chǎn)量分別為2 496 kg·hm-2、2 412 kg·hm-2和2 545 kg·hm-2，各處理間差異不顯著(P>0.05)，說(shuō)明單施有機(jī)肥未降低大豆產(chǎn)量，見(jiàn)圖2。比較NPK、M和M2處理大豆產(chǎn)量變異系數(shù)(Coefficient of variation，CV)，大小順序?yàn)镹PK(0.284)>M(0.281)> M2(0.269)。通常，不同處理作物產(chǎn)量變異系數(shù)越低，表明作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性越高。可見(jiàn)，單施有機(jī)肥的施肥方式更有利于大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定。

圖1 不同施肥處理大豆產(chǎn)量變化Fig.1 Changes of soybean yield under different fertilization treatments

圖2 不同施肥處理大豆平均產(chǎn)量Fig.2 Average soybean yield under different fertilization treatments

2.2 長(zhǎng)期單施有機(jī)肥土壤養(yǎng)分含量變化

NPK、M和M2處理年際間土壤有機(jī)質(zhì)含量分別在23.5～31.7 g·kg-1、24.7～36.6 g·kg-1和24.2～38 g·kg-1之間(圖3)，平均值分別為27.1 g·kg-1、28.6 g·kg-1和28.3 g·kg-1(表1)，較試驗(yàn)開(kāi)始前(26.6 g·kg-1)分別增加1.9%、7.5%和6.4%。不同處理間，施用有機(jī)肥的M和M2處理，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量較單施化肥的NPK處理分別顯著增加5.5%和4.4%(P<0.05)?？梢?jiàn)，施用有機(jī)肥對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量效果顯著。

黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)土壤速效養(yǎng)分含量年際間波動(dòng)較為劇烈，見(jiàn)圖3。NPK、M和M2處理土壤堿解氮含量變化范圍分別在72.2～198 mg·kg-1、77～212 mg·kg-1和92.2～214 mg·kg-1之間，平均分別為141 mg·kg-1、135 mg·kg-1和132 mg·kg-1。盡管NPK處理輪作周期(3 a)累計(jì)氮投入量(N 375 kg·hm-2)顯著高于M(N 75 kg·hm-2)和M2(N 150 kg·hm-2)處理，但M和M2處理土壤堿解氮含量并未明顯降低，原因可能是作物根茬還田和大豆的固氮作用共同影響。

圖3 不同施肥處理土壤養(yǎng)分含量變化Fig.3 Changes of soil nutrition content under different fertilization treatments

表1 不同施肥處理土壤養(yǎng)分含量平均值Table 1 Average value of soil nutrients under different fertilization treatments

注:同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Values followed by different letters in the same column are significantly different among the treatments(P<0.05).

NPK、M和M2處理土壤有效磷含量變化范圍分別在24.9～84.0 mg·kg-1、5.0～27.9 mg·kg-1和11.8～24.9 mg·kg-1之間，平均值分別為56.5 mg·kg-1、16.0 mg·kg-1和17.0 mg·kg-1，NPK處理土壤有效磷平均含量為M和M2處理的3.5和3.3倍。各個(gè)年份NPK處理的土壤有效磷含量均要顯著高于M和M2處理(P<0.05)，長(zhǎng)期單施化肥土壤有效磷已達(dá)到豐磷狀態(tài)，土壤磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增大[11]。

NPK、M和M2處理土壤速效鉀含量分別在88.0～260 mg·kg-1、72.0～245 mg·kg-1和77.0～222 mg·kg-1之間，平均值分別為204 mg·kg-1、181 mg·kg-1和186 mg·kg-1，NPK處理的土壤速效鉀平均含量略高于M和M2處理。盡管黑土鉀素含量較高，但隨著種植年限的增加，作物攜出的鉀素量也不斷增多，長(zhǎng)此以往易導(dǎo)致土壤鉀素虧缺，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)重視鉀肥的持續(xù)投入，特別是草食家畜糞便、秸稈等有機(jī)肥類資源的綜合利用。

施用有機(jī)肥的M和M2處理土壤pH值年際間波動(dòng)較為平緩，范圍分別在6.5～7.3、6.8～7.3之間，而且不同年份M和M2處理土壤pH值均要高于NPK處理。從NPK、M和M2處理土壤pH平均值來(lái)看，NPK處理為6.3，較試驗(yàn)開(kāi)始前(pH 7.2)降低0.9個(gè) pH單位，較M和M2處理分別降低0.6和0.7個(gè)pH單位，說(shuō)明長(zhǎng)期施用化肥導(dǎo)致黑土酸化，而施用有機(jī)肥土壤pH值變化較小，維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平，從而降低黑土酸化的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 長(zhǎng)期單施有機(jī)肥土壤物理性質(zhì)變化

容重是土壤孔隙度與結(jié)構(gòu)性的評(píng)價(jià)標(biāo)志。經(jīng)過(guò)38年的連續(xù)施肥和耕作，不同處理的土壤容重發(fā)生了明顯變化，見(jiàn)圖4。單施有機(jī)肥，0～20 cm和20～40 cm土壤容重均低于單施化肥處理，特別是0～20 cm土層，M和M2處理較NPK處理分別顯著降低5.9%和7.5%(P<0.05)，反映出長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可以降低土壤容重。

土壤孔隙作為土壤水分和空氣的通道及貯存場(chǎng)所，直接影響土壤水、肥、氣、熱，進(jìn)而影響作物根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收。通常土壤孔隙狀況用土壤總孔隙度來(lái)表征。0～20 cm土層長(zhǎng)期施用化肥處理的土壤總孔隙度顯著低于單施有機(jī)肥(P<0.05)，較M和M2處理分別降低7.0%和8.9%；20～40 cm土層各處理間土壤總孔隙度無(wú)顯著差異(P>0.05)，見(jiàn)圖5。可見(jiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可改善土壤孔隙狀況，土壤通透性增強(qiáng)，而長(zhǎng)期施用化肥則會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙性變差。

圖4 不同施肥措施的土壤容重Fig.4 Soil bulk density under different fertilization treatments

圖5 不同施肥措施下的土壤總孔隙度Fig.5 Soil total porosity under different fertilization treatments

3 討論

施用有機(jī)肥培肥地力有積極作用，但與此同時(shí)作物產(chǎn)量水平處于較低水平[12]。M?der等[13]指出，在N、P、K養(yǎng)分輸入量減少34%～51%的情況下，有機(jī)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的作物產(chǎn)量較常規(guī)農(nóng)業(yè)降低20%。還有研究顯示，有機(jī)農(nóng)業(yè)條件下作物減產(chǎn)幅度與作物類型密切相關(guān)，農(nóng)作物通常減產(chǎn)20%～40%，蔬菜和果樹(shù)減產(chǎn)20%～50%[14]。Seufert等[15]研究結(jié)果顯示，有機(jī)農(nóng)業(yè)較常規(guī)農(nóng)業(yè)減產(chǎn)幅度在5%～34%，平均降低25%；減產(chǎn)幅度與作物種類、地區(qū)分布有較大關(guān)系，通常雨養(yǎng)地區(qū)的豆科作物減產(chǎn)幅度較小，而禾谷類作物及蔬菜減產(chǎn)幅度大。歐盟規(guī)定，通過(guò)豆類和綠肥類作物輪作，結(jié)合使用有機(jī)肥可以進(jìn)行有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并可培肥土壤[5]；美國(guó)也推薦通過(guò)豆科固氮、牲畜糞便和作物秸稈還田及輪作等措施進(jìn)行有機(jī)農(nóng)業(yè)種植[16]。有研究指出，施用有機(jī)肥能夠明顯促進(jìn)大豆植株的生長(zhǎng)發(fā)育，可促進(jìn)葉片生長(zhǎng)，增大葉面積指數(shù)，增加干物質(zhì)積累、莢數(shù)和株粒數(shù)等，較單施化肥最高增產(chǎn)18.3%[17]。臺(tái)蓮梅等[18]連續(xù)2年在白漿土施用有機(jī)肥結(jié)果顯示，大豆株高、干物質(zhì)積累量以及產(chǎn)量均高于對(duì)照，且根腐病得到控制。本研究中，單施有機(jī)肥的兩個(gè)處理大豆平均產(chǎn)量較單施化肥處理無(wú)顯著差異，表明有機(jī)肥提供的養(yǎng)分能夠維持大豆生長(zhǎng)所需。

有機(jī)質(zhì)作為土壤肥力的核心，其含量和組成對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、微生物種群與活性及土壤保肥能力和緩沖性等有重要影響，并且對(duì)作物產(chǎn)量具有決定性的作用[19]。有機(jī)肥提供的養(yǎng)分可提高土壤微生物活性，并且有機(jī)肥攜入的微生物在土壤中迅速繁殖，活化土壤養(yǎng)分，進(jìn)而提高了土壤肥力[20]。從作物產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系看，土壤有機(jī)質(zhì)提高0.1%，作物產(chǎn)量的穩(wěn)產(chǎn)性提高10%左右[21]。本研究中，長(zhǎng)期單施有機(jī)肥土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯提升，對(duì)于培肥黑土地力有積極作用。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期單施有機(jī)肥土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的供應(yīng)能力未明顯降低，還可維持土壤酸堿平衡，改善土壤孔隙狀況，增強(qiáng)土壤通透性?？梢?jiàn)，大豆種植中有機(jī)肥替代化肥是可行的。但是，考慮到溫度、水分及有機(jī)肥種類等對(duì)有機(jī)肥礦化的作用，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分的釋放和供應(yīng)，因此不同生態(tài)區(qū)應(yīng)考慮適宜本地區(qū)有機(jī)肥資源和施用量，這方面還需深入研究。與此同時(shí)，我們也應(yīng)清晰地認(rèn)識(shí)到，隨著全球人口的增長(zhǎng)，糧食需求量也進(jìn)一步增加，而將有機(jī)農(nóng)業(yè)與常規(guī)農(nóng)業(yè)二者有機(jī)結(jié)合，重視循環(huán)農(nóng)業(yè)，協(xié)調(diào)土壤有機(jī)、無(wú)機(jī)養(yǎng)分平衡，以較小的環(huán)境代價(jià)生產(chǎn)更多的農(nóng)產(chǎn)品是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向[12,22]。

4 結(jié)論

黑土長(zhǎng)期單施有機(jī)肥未降低大豆產(chǎn)量。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可以提高黑土有機(jī)質(zhì)含量，提供大豆生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，維持土壤酸堿平衡，降低土壤容重，改善土壤孔隙狀況?？傊?，大豆種植中有機(jī)肥替代化肥是可行的，但應(yīng)考慮黑土不同生態(tài)區(qū)的有機(jī)肥資源和施用量。

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