李彥，孫翠平，井永蘋，羅加法，5，張英鵬，仲子文，孫明，薄錄吉，劉兆輝

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,濟(jì)南 250100；2.農(nóng)業(yè)部黃淮海重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250100；3.山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250100；4.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,濟(jì)南 250100；5.新西蘭農(nóng)業(yè)科學(xué)院魯亞庫(kù)拉研究中心,新西蘭哈密爾頓 3240）

長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)潮土土壤肥力及硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律的影響

李彥1，2，3，孫翠平1，井永蘋1，2，3，羅加法1，5，張英鵬1，2，3，仲子文1，2，3，孫明1，2，3，薄錄吉1，2，3，劉兆輝2，3，4*

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,濟(jì)南 250100；2.農(nóng)業(yè)部黃淮海重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250100；3.山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250100；4.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,濟(jì)南 250100；5.新西蘭農(nóng)業(yè)科學(xué)院魯亞庫(kù)拉研究中心,新西蘭哈密爾頓 3240）

以連續(xù)不同年限定位施用有機(jī)肥的小麥-玉米輪作農(nóng)田為研究對(duì)象,設(shè)置4個(gè)處理.連續(xù)施用化肥(長(zhǎng)期施用化肥,未施用有機(jī)肥）；3年連續(xù)施用有機(jī)肥(不施化肥）；5年連續(xù)施用有機(jī)肥(不施化肥）；20年連續(xù)施用有機(jī)肥(不施化肥）,探索不同年限連續(xù)有機(jī)施肥下土壤肥力、小麥產(chǎn)量和土體硝態(tài)氮累積量分布的變化。結(jié)果表明,連續(xù)施用有機(jī)肥可顯著降低土壤容重、增加土壤中速效養(yǎng)分含量,且年限越長(zhǎng),效果越明顯?；侍幚淼男←湲a(chǎn)量顯著高于有機(jī)肥處理,有機(jī)肥處理中小麥產(chǎn)量隨施肥年限的增加而降低,但無顯著性差異。不同土壤深度硝態(tài)氮累積量表現(xiàn)為有機(jī)肥處理大于無機(jī)肥處理,小麥季大于玉米季；隨著土壤深度增加土壤硝態(tài)氮累積量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì),且各土層硝態(tài)氮累積量隨施用有機(jī)肥年限增加而增加；通過分析80～100 cm土層硝態(tài)氮累積量發(fā)現(xiàn),20年連續(xù)施用有機(jī)肥處理在此層的累積量最大達(dá)240 kg·hm-2。由此可見,連續(xù)施用有機(jī)肥可降低小麥產(chǎn)量,連續(xù)20年施用有機(jī)肥土壤硝態(tài)氮總累積量和土體下層累積量均達(dá)到最大,具有一定的硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)。因此,需采取一定的措施來增加作物產(chǎn)量,減少硝態(tài)氮累積,防止地下水硝態(tài)氮污染。

有機(jī)肥；小麥-玉米輪作；有機(jī)質(zhì)；速效養(yǎng)分；硝態(tài)氮淋失

土壤肥力是影響作物產(chǎn)量至關(guān)重要的因素,尤其以氮肥的增產(chǎn)效果最為顯著,因此,為提高作物產(chǎn)量農(nóng)民向農(nóng)田投入大量氮肥,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡及硝態(tài)氮累積,硝酸鹽的淋失風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng),這不僅會(huì)造成土體中氮素的損失,影響其有效性,還會(huì)惡化環(huán)境［1］。由于各地重化肥、輕有機(jī)肥,有機(jī)肥用量逐年減少,導(dǎo)致肥料經(jīng)濟(jì)效益總體下降,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本升高。另外,隨著養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化發(fā)展,畜禽糞便的隨意堆放成為面源污染加劇的另一重要因素,其對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境構(gòu)成的威脅不容忽視,而有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有改土培肥、凈化廢物、提高作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)的功效,但也有研究表明有機(jī)肥的不合理使用會(huì)給農(nóng)業(yè)環(huán)境帶來污染［2-3］。關(guān)于長(zhǎng)期定位施用有機(jī)肥對(duì)土壤肥力、作物產(chǎn)量和環(huán)境的影響研究較少,還需要進(jìn)一步研究。因此,為合理使用畜禽糞便有機(jī)肥、保證作物產(chǎn)量和防控農(nóng)業(yè)面源污染,探索長(zhǎng)期單獨(dú)施用有機(jī)肥對(duì)土壤肥力及硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律的影響具有重要意義。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,種養(yǎng)結(jié)合模式,是符合物質(zhì)守恒定律的有機(jī)肥最佳消納途徑,有機(jī)肥的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為有機(jī)肥的合理施用提供了必要的理論依據(jù)。

長(zhǎng)達(dá)26年的定位試驗(yàn)結(jié)果顯示,與單施化肥相比,單施有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)肥配施能調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分平衡,從土壤物理、化學(xué)、生物方面綜合提升土壤肥力水平,提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力［4］。有機(jī)廢物和殘余物管理可以通過提高有機(jī)碳穩(wěn)定性來增加土壤有機(jī)質(zhì),土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存在改善土壤性質(zhì)、保持作物生產(chǎn)力和環(huán)境質(zhì)量方面具有重要作用［5-6］。有機(jī)肥在提升土壤肥力的同時(shí),過量和長(zhǎng)期的施用也會(huì)造成一定的氮磷污染。硝態(tài)氮不易被土壤膠體所吸附,遷移性強(qiáng),容易引起地下水的污染［2］。楊林章等［7］提到施肥和降雨是影響農(nóng)田養(yǎng)分流失的關(guān)鍵因素,施肥后降雨將會(huì)使徑流水中養(yǎng)分濃度迅速增大。地下淋溶是華北地區(qū)農(nóng)田土壤氮素的主要損失途徑,過量施用有機(jī)肥會(huì)導(dǎo)致設(shè)施土壤中硝態(tài)氮的累積［3,8］。而有研究表明,施用有機(jī)肥可增加土壤粒徑及團(tuán)聚體含量,提高CEC代換量,增加對(duì)硝態(tài)氮的固持,減緩硝態(tài)氮向下遷移［9］。施用有機(jī)肥對(duì)土壤硝態(tài)氮累積影響的結(jié)論存在矛盾,這從一個(gè)側(cè)面說明該領(lǐng)域研究相對(duì)薄弱。

目前,大多研究主要集中在有機(jī)無機(jī)肥配施以及減少化肥施用量對(duì)土壤肥力、作物產(chǎn)量、氮素吸收的影響方面［10］,對(duì)于長(zhǎng)期單獨(dú)施用有機(jī)肥條件下土壤肥力和氮素淋失的研究鮮有報(bào)道。本文對(duì)不同年限下連續(xù)施用有機(jī)肥對(duì)土壤理化性狀、土壤硝態(tài)氮累積和作物產(chǎn)量的影響進(jìn)行了研究,以期了解土壤肥力變化及硝態(tài)氮運(yùn)移的規(guī)律,揭示有機(jī)肥施用與土壤培肥和氮素流失環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)之間的相關(guān)性,為有機(jī)肥的合理利用提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、減少環(huán)境污染的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地位于山東省菏澤市曹縣曹城鎮(zhèn)五里墩村銀香偉業(yè)集團(tuán)的科技示范園內(nèi)(115°34′55″E,34°50′38″N）。該試驗(yàn)地位于典型的華北平原地區(qū),地勢(shì)平坦,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū),年均氣溫13～14℃,年均日照2147 h,年均降雨量610～710 mm,無霜期205～230 d。供試土壤類型為潮土,為黃河沉積物。供試前0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)13.25 g·kg-1,全氮1.33 g·kg-1,堿解氮93.54 mg·kg-1,有效磷17.76 mg· kg-1,速效鉀129.17 mg·kg-1,pH 8.56。供試作物冬小麥、夏玉米輪作,一年兩熟。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理,分別為①CF(連續(xù)施用化肥, 1995—2015年）；②CM3(3年連續(xù)施用有機(jī)肥,2012—2015年）；③CM5(5年連續(xù)施用有機(jī)肥,2010—2015年）；④CM20(20年連續(xù)施用有機(jī)肥,1995—2015年）,各個(gè)處理試驗(yàn)前均按農(nóng)民習(xí)慣施肥與管理,每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)排列,試驗(yàn)小區(qū)面積64 m2,每年的施肥量保持不變。

供試有機(jī)肥為牛糞。氮、磷、鉀化肥分別選用尿素、重過磷酸鈣、硫酸鉀,化肥年施用量.N 420 kg· hm-2,P2O575 kg·hm-2,K2O 105 kg·hm-2。牛糞養(yǎng)分含量見表1,每年牛糞施用量根據(jù)養(yǎng)分含量以等氮量為依據(jù)計(jì)算。小麥季和玉米季各施一半,且均為播種前基施,后期不再追肥。氮、磷、鉀肥總用量分別在小麥、玉米季各施一半。磷、鉀肥和一半量的氮肥在小麥、玉米播種前基施,剩余的氮肥分別在小麥拔節(jié)期和玉米大喇叭口期追施。

表1 牛糞有機(jī)肥養(yǎng)分含量Table 1 Nutrients content in the cow manure

供試小麥品種為濟(jì)麥22,采用機(jī)械25 cm等行距播種,每公頃播種量為187.5 kg；玉米品種為鄭丹958,播種方式為點(diǎn)種,60 cm等行距播種,株距25 cm,品種均為當(dāng)?shù)刂饕耘嗥贩N?；屎团＜S有機(jī)肥于10月播種小麥前和6月播種玉米前撒施,機(jī)械旋耕,水、管理等措施參考當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植習(xí)慣,采用常規(guī)栽培模式。冬小麥和玉米分別于6月和9月收獲。試驗(yàn)期作物不同生育階段的平均降水量見圖1。玉米茬口內(nèi)總降水468.1 mm.播種～拔節(jié)期85.3 mm,拔節(jié)～喇叭口期144.4 mm,喇叭口～開花期67.5 mm,開花～乳熟期107.2 mm,乳熟～完熟期63.7 mm。小麥茬口內(nèi)總降水178.7 mm.播種～入冬期32.6 mm,入冬期～返青期35.4 mm,返青～拔節(jié)期16.2 mm,拔節(jié)～揚(yáng)花期35.8 mm,揚(yáng)花～成熟期58.7 mm。

1.3 樣品采集

圖1 降雨量隨發(fā)育期變化Figure 1 Rainfall during crop growth period

土樣于小麥季的入冬期、返青期、拔節(jié)期、成熟期,玉米季的幼苗期、拔節(jié)期、開花期和收獲期進(jìn)行采集,測(cè)量土壤硝態(tài)氮含量。土樣分5層采集(0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm）,相同土層每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)混合作為1個(gè)重復(fù),置于冰柜中冷凍保存或立時(shí)測(cè)定。小麥季成熟期和玉米季收獲期0～20 cm土樣經(jīng)晾干、磨碎,分別過20目和100目篩,用于測(cè)量土壤速效養(yǎng)分含量和有機(jī)質(zhì)含量。

1.4 土壤分析

土壤樣品分析均采用常規(guī)方法［11］。有機(jī)質(zhì)采用丘林法,堿解氮采用堿解擴(kuò)散法,有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法(Olsen法）,速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法。土壤硝態(tài)氮測(cè)定.鮮土用2 mol·L-1KCl浸提,濾液通過流動(dòng)注射分析儀測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量。植株全氮、全磷和全鉀含量測(cè)定.均采用濃硫酸-雙氧水消煮,全氮利用半微量凱氏定氮法測(cè)定,全磷采用釩鉬黃比色法測(cè)定,全鉀測(cè)定采用火焰光度法。

1.5 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)方法

根據(jù)所測(cè)定的各土層硝態(tài)氮含量和土壤容重計(jì)算每一土層(20 cm）的硝態(tài)氮累積量,土壤剖面各個(gè)土層的硝態(tài)氮累積量相加,即為一定深度土壤剖面硝態(tài)氮累積總量［12］。

土壤剖面硝態(tài)氮累積量的計(jì)算.

式中：Ri為每一土層的硝態(tài)氮累積量,kg·hm-2；C為該土層土壤硝態(tài)氮含量,mg·kg-1；D為土層土壤容重,g· cm-3；H為土層厚度,m；A為每公頃土地的面積,100 m×100 m。

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定,計(jì)算公式.

土壤容重(g·cm-3）=干土質(zhì)量/容積。

應(yīng)用SPSS 16.0分析數(shù)據(jù),利用單因素分析進(jìn)行差異性分析(P＜0.05）,文中所列數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重變化趨勢(shì)

土壤容重是土壤最基本的物理性狀之一,能夠影響植物賴以生存的土壤環(huán)境中水、肥、氣、熱的狀況,進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)［13］。

試驗(yàn)對(duì)4個(gè)處理的0～20、20～40、40～60 cm的土層進(jìn)行了土壤容重分析(圖2）。從圖中可以看出,隨著年限的增加,土壤容重呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；對(duì)于耕作層和犁底層,化肥處理和3年有機(jī)肥處理明顯高于20年有機(jī)肥處理,而5年有機(jī)肥處理與其他3個(gè)處理差異不顯著；對(duì)于40～60 cm土層,20年有機(jī)肥處理土壤容重明顯低于其他3個(gè)處理。對(duì)于不同土層,耕作層以下土壤容重大于耕作層,原因可能是耕作層含有大量植物根系,能增加土壤空隙；而20～40 cm土層的土壤容重大于40～60 cm土層的,明顯是由于20～40 cm存在犁底層。

2.2 耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢(shì)

土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力的重要表征之一,而施用肥料時(shí)間的長(zhǎng)短和肥料的種類會(huì)對(duì)有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生明顯影響。

從圖3可以看出,4個(gè)處理中土壤有機(jī)質(zhì)含量在小麥?zhǔn)斋@期和玉米收獲期的變化趨勢(shì)相同且含量相差不大,有機(jī)肥處理比化肥處理更能增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量,且隨有機(jī)肥施用年限的增加而增大。與供試前土壤相比,化肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量略有下降,可能是作物對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸收量大于施用量。而經(jīng)過3、 5、20年連續(xù)有機(jī)肥施用后,土壤有機(jī)質(zhì)含量年遞增率平均分別為0.775、2.442、1.130 g·kg-1·a-1,可見隨著年限的增加土壤有機(jī)質(zhì)含量增加速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

圖2 化肥及不同年限有機(jī)肥處理對(duì)土壤容重的影響Figure 2 Effect of fertilizer and different durations of organic manure application on soil bulk density

圖3 收獲期化肥及不同年限有機(jī)肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量變化Figure 3 Change in soil organic matter for fertilizer and different durations of organic manure application at harvest stages

2.3 耕層土壤速效養(yǎng)分含量變化趨勢(shì)

對(duì)于土壤堿解氮含量的變化,與供試前土壤相比,化肥處理土壤堿解氮含量明顯降低(表2）,在相同施氮量下有機(jī)肥處理堿解氮含量顯著增加,連續(xù)施用3、5、20年有機(jī)肥后堿解氮含量分別增加了32%、36.81%、18.04%,原因可能是化肥氮的徑流損失量較多,而施用有機(jī)肥可增加土壤中有機(jī)氮的來源。

對(duì)于土壤有效磷含量的變化,與供試前土壤相比,施用化肥和有機(jī)肥均明顯增加了土壤有效磷含量(表2）。與供試前土壤相比,3、5、20年有機(jī)肥處理有效磷年遞增量分別為12.84、12.16、12.09 mg·kg-1,由此可見,土壤中有效磷含量與施入有機(jī)肥的年限有較高相關(guān)性。

與供試前土壤相比,化肥處理和連續(xù)3、5年有機(jī)肥處理的土壤速效鉀含量變化不大,連續(xù)施用20年有機(jī)肥能明顯增加土壤中速效鉀含量(表2）。3、5、20年有機(jī)肥處理的年遞增量分別為17.28、17.83、33.88 mg·kg-1,可見施用有機(jī)肥的年限越長(zhǎng),土壤速效鉀含量增加速度越快。

表2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響Table 2 Effect of long-term fertilization on available nutrients

2.4 小麥產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的變化

不同處理對(duì)小麥產(chǎn)量的影響見圖4。4個(gè)處理中化肥處理小麥產(chǎn)量最高,為5 889.95 kg·hm-2,明顯高于其他3個(gè)處理(P＜0.05）；有機(jī)肥處理中,小麥產(chǎn)量隨施用有機(jī)肥年限的增加而降低,但差異不顯著(P＞0.05）。

不同處理對(duì)小麥(籽粒和秸稈）養(yǎng)分累積的影響見圖5。對(duì)于氮素養(yǎng)分累積,由于化肥處理小麥產(chǎn)量較高,氮累積量最高；隨著有機(jī)肥施用年限增加,氮元素累積量逐漸增加,3年有機(jī)肥連續(xù)處理小麥氮累積量最少,顯著低于20年有機(jī)肥處理,化肥和20年有機(jī)肥處理兩者無顯著性差異。對(duì)于磷素養(yǎng)分累積,4個(gè)處理差異不顯著。對(duì)于鉀素養(yǎng)分累積,隨施用有機(jī)肥年限的增加,鉀累積量增大,20年有機(jī)肥處理顯著高于化肥和3年有機(jī)肥處理,與5年有機(jī)肥處理無顯著性差異。

2.5 土體硝態(tài)氮累積運(yùn)移規(guī)律

2.5.1 土體硝態(tài)氮累積隨時(shí)間和土壤深度變化

圖4 不同處理對(duì)小麥產(chǎn)量的影響Figure 4 Effect of different treatments on wheat yield

圖5 不同處理對(duì)小麥養(yǎng)分累積量的影響Figure 5 Effect of different treatments on nutrient accumulation in wheat

不同深度土壤硝態(tài)氮累積現(xiàn)狀是土壤各層硝態(tài)氮的本底累積量、作物吸收和灌溉降水引起的施入肥料運(yùn)移等共同作用的結(jié)果［14］。

從圖6中可以看出,隨土層深度的增加,土體剖面中硝態(tài)氮累積量及其空間分布明顯不同,對(duì)于化肥處理,土壤硝態(tài)氮累積量隨土壤深度增加變化不大；對(duì)于3年和5年連續(xù)有機(jī)肥處理,土壤硝態(tài)氮隨土壤深度呈先下降后緩慢上升趨勢(shì)；而20年連續(xù)有機(jī)肥處理,不同土壤深度硝態(tài)氮累積量均較高,平均為151.39 kg·hm-2。由此可以看出,隨著施用有機(jī)肥年限的增加,土壤硝態(tài)氮已逐漸淋溶至下層。

隨著發(fā)育期的變化,降水、溫度、植物生長(zhǎng)情況等因素不斷發(fā)生變化,導(dǎo)致不同處理在不同深度土壤中硝態(tài)氮累積量隨發(fā)育期呈先升高后降低的趨勢(shì)。化肥處理在各層土體中硝態(tài)氮累積量均小于連續(xù)有機(jī)肥處理,且化肥處理硝態(tài)氮累積量在小麥苗期時(shí)最大,有機(jī)肥處理硝態(tài)氮累積量于小麥?zhǔn)斋@期和玉米苗期時(shí)達(dá)到最大,這可能與有機(jī)肥分解相對(duì)較慢、氮素釋放滯后等因素有關(guān)。對(duì)于連續(xù)施用有機(jī)肥處理,從圖6A和圖6B兩圖可看出,在0～40 cm土體中,小麥季時(shí),土壤硝態(tài)氮累積量隨年限增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；玉米季時(shí),呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；這種區(qū)別與溫度、濕度和兩種作物的吸收利用不同有關(guān)。在40～100 cm土體,隨施用有機(jī)肥年限增加土層中硝態(tài)氮累積量均呈升高趨勢(shì),連續(xù)20年有機(jī)肥處理的土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于3年和5年有機(jī)肥處理,在雨熱同期的小麥?zhǔn)斋@期和玉米幼苗期,連續(xù)20年有機(jī)肥處理土壤硝態(tài)氮累積量存在較大的淋失風(fēng)險(xiǎn)。

2.5.2 土體硝態(tài)氮累積淋溶風(fēng)險(xiǎn)分析

土體剖面硝態(tài)氮累積量及其空間分布特征是硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)［15］。土層80～100 cm位于作物根區(qū)以下,其氮素很難被作物根系吸收,具有淋失的風(fēng)險(xiǎn)。分析此層土壤硝態(tài)氮累積量對(duì)評(píng)估硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

農(nóng)田土壤中一般將80～100 cm的土層稱為淋溶層,從圖7中可以看出,隨著發(fā)育期的變化,此淋溶層中化肥處理和3、5年連續(xù)有機(jī)肥處理的土壤硝態(tài)氮累積量呈現(xiàn)總體下降的趨勢(shì),而20年有機(jī)肥處理呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),這可能與作物的吸收利用和硝態(tài)氮的累積有關(guān)?；侍幚砹苋軐酉鯌B(tài)氮累積量最低,在100 kg·hm-2以下；隨著有機(jī)肥施用年限的增加,淋溶層硝態(tài)氮的累積量增大,20年有機(jī)肥處理在雨熱同期時(shí)淋溶層硝態(tài)氮累積量最大達(dá)到240 kg· hm-2。可見,20年連續(xù)有機(jī)肥處理中淋溶層土壤硝態(tài)氮累積量大,且空間分布也呈現(xiàn)下層比例較大的特征,存在較強(qiáng)的淋失風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 不同深度土壤硝態(tài)氮累積量隨發(fā)育期變化Figure 6 Change in soil NO-3-N accumulation with change in crop maturity at different depths

圖7 80～100 cm土層硝態(tài)氮累積量隨發(fā)育期的變化Figure 7 Change in soil nitrate nitrogen accumulation in soil at 80～100 cm depth over the crop growth period

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤容重和有機(jī)質(zhì)的影響

與化肥處理相比,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可降低土壤容重,且施用有機(jī)肥的年限越長(zhǎng),土壤容重降低幅度越大,這種差別是由不同施肥處理對(duì)作物生長(zhǎng)和土壤根系的影響造成的［16］。高慧等［17］研究表明,設(shè)施菜地土壤耕作層中不同深度土壤容重隨著種植年限的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),與本研究結(jié)果一致。

與供試前土壤相比,長(zhǎng)期使用有機(jī)肥能夠顯著提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量,而長(zhǎng)期使用化肥降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量,此研究結(jié)果與其他研究結(jié)論一致。王磊等［18］通過定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能明顯提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量,烏魯木齊連續(xù)12年施用有機(jī)肥于灰漠土后,土壤有機(jī)質(zhì)增加了38.3%,且有機(jī)質(zhì)的增加量和年限之間具有良好的正相關(guān)性。每年以60 t·hm-2的量連續(xù)20年施用農(nóng)家肥(平均碳含量為0.31 g·g-1）能顯著增加有機(jī)質(zhì)的含量［19］。在華北潮土中經(jīng)過20年化肥處理,土壤有機(jī)質(zhì)含量平均每10年下降0.855～1.195 g·kg-1,同樣在連續(xù)30年單施化肥后,東北黑土有機(jī)質(zhì)每10年下降1 g·kg-1左右［20］。可見土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化及變化量的大小與肥料類型、施用量和土壤性質(zhì)有關(guān)。

3.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層速效養(yǎng)分的影響

對(duì)于堿解氮的變化,有機(jī)肥處理中土壤堿解氮含量增加,而相同施氮量下化肥處理反而略微降低。有研究表明,施入有機(jī)肥后土壤中堿解氮占全氮的比例增大［18］。隨施肥年限的增加,堿解氮含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),原因可能是20年有機(jī)肥處理土壤硝態(tài)氮遷移至下層的含量明顯增加(通過硝態(tài)氮淋溶數(shù)據(jù)可以看出）。對(duì)于土壤中有效磷含量的變化,長(zhǎng)期連續(xù)施用有機(jī)肥能明顯增加有效磷含量且與施入有機(jī)肥的年限呈正相關(guān),一方面與有機(jī)肥的施入累積量有關(guān),另一方面,有機(jī)質(zhì)和有機(jī)肥中胡敏酸和富里酸及其他有機(jī)小分子占據(jù)了土壤磷吸附位點(diǎn),進(jìn)而減少無機(jī)磷的固定,增加有效磷的溶解［21］。連續(xù)施用有機(jī)肥可增加土壤中速效鉀含量,年限越長(zhǎng)增加量越多。當(dāng)前農(nóng)田常規(guī)施肥方式下的鉀虧缺正在逐步加大,通過補(bǔ)充鉀肥或配合施用有機(jī)肥來增加土壤中鉀含量的方式應(yīng)當(dāng)被重視。有研究表明,配施有機(jī)肥或秸稈均可顯著提高灰漠土鉀肥利用率［22］。

3.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

長(zhǎng)期施用有機(jī)肥雖增加土壤養(yǎng)分含量,但降低了小麥產(chǎn)量,且施用有機(jī)肥年限越長(zhǎng),小麥產(chǎn)量降低越多,其原因與大量使用化肥對(duì)作物帶來的危害一樣。過量施用有機(jī)肥造成土壤中缺水、供養(yǎng)不平衡,使土壤中硝酸離子成份聚積,硝酸鹽含量超標(biāo),從而使作物發(fā)生肥害,表現(xiàn)為根部吸水困難,易發(fā)生燒根黃葉、僵苗不長(zhǎng)、葉片畸形等病狀,嚴(yán)重可導(dǎo)致作物逐漸萎縮而枯死,因此小麥產(chǎn)量隨施用有機(jī)肥年限增加而降低。

為避免長(zhǎng)期施用有機(jī)肥帶來的肥害,需要根據(jù)土壤狀況、栽種作物與有機(jī)肥的肥性狀況合理施用,對(duì)土壤進(jìn)行適時(shí)深耕；對(duì)腐熟程度高的有機(jī)肥,通過改變施肥方式,如可在定植穴內(nèi)施用或挖溝施用,將其集中施在作物根系部位,充分發(fā)揮肥效,從而減小肥害,增加作物產(chǎn)量。

3.4 土壤硝態(tài)氮累積及淋溶風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

掌握長(zhǎng)期施用有機(jī)肥處理下土壤硝態(tài)氮累積量的運(yùn)移規(guī)律對(duì)有機(jī)肥的科學(xué)合理利用及有效控制氮素淋失等具有重要意義。從不同年限連續(xù)施用有機(jī)肥的研究結(jié)果來看,隨著施有機(jī)肥年限的增加,不同深度、不同發(fā)育期土壤硝態(tài)氮累積量均增加。通過分析不同深度土層硝態(tài)氮累積量隨發(fā)育期的變化發(fā)現(xiàn),硝態(tài)氮的累積與降水和溫度等外界環(huán)境及作物的吸收利用有很大關(guān)系。在華北地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作種植制度下,小麥季土壤硝態(tài)氮累積量大于玉米季。小麥生長(zhǎng)后期,土體硝態(tài)氮累積量達(dá)到最大、遷移速度加快,這與作物利用氮素下降以及在較高溫度下其他形式氮的轉(zhuǎn)化有關(guān)。而喬俊等［23］提到根圈土壤溶液礦質(zhì)態(tài)氮含量于苗期達(dá)到最高值,這與化肥溶解較快有關(guān)。隨著土層深度的增加,土壤硝態(tài)氮累積量呈現(xiàn)增加趨勢(shì),可能是硝態(tài)氮淋失及原始積累不同造成的［14］?？傮w來看,對(duì)于化肥處理,土壤硝態(tài)氮累積量隨土壤深度的增加變化不大,而有機(jī)肥處理變化明顯,可見土壤硝態(tài)氮累積量運(yùn)移規(guī)律與肥料種類和施肥年限有關(guān)。

近年來,地下水硝態(tài)氮污染已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥會(huì)提高土壤氮素水平,容易造成硝態(tài)氮在土壤中的累積,引發(fā)氮素向深層土壤遷移從而增加淋溶風(fēng)險(xiǎn)［24］。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)是評(píng)價(jià)施肥環(huán)境效應(yīng)的重要手段［15］。綜合分析得出,5年之內(nèi)連續(xù)有機(jī)肥處理淋溶層土壤硝態(tài)氮累積量相對(duì)較小,而20年連續(xù)施用有機(jī)肥淋溶層土體硝態(tài)氮累積量較大,具有一定的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。因此,應(yīng)控制有機(jī)肥用量、合理灌溉,對(duì)土壤進(jìn)行適時(shí)深耕,必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧袒?以降低土壤中硝態(tài)氮累積量。

4 結(jié)論

(1）隨施肥年限的增加,土壤容重逐漸降低；由于犁底層存在于20～40 cm,所以該層土壤容重大于40～60 cm層的土壤容重。

(2）與供試前土壤相比,化肥處理能顯著增加土壤中有效磷含量,而有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量基本保持平衡；連續(xù)施用有機(jī)肥處理均能提高土壤中有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分含量,且隨施肥年限增加而增多。

(3）對(duì)于小麥產(chǎn)量的影響,化肥處理明顯高于有機(jī)肥處理,但3個(gè)不同年限有機(jī)肥處理中小麥產(chǎn)量無顯著性差異。建議在定植穴內(nèi)或挖溝施用有機(jī)肥,將其集中施在作物根系部位,充分發(fā)揮肥效,改善土壤結(jié)構(gòu),提高作物產(chǎn)量。

(4）對(duì)于硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律,土壤硝態(tài)氮累積量隨著土壤深度增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì),有機(jī)肥處理大于無機(jī)肥處理,且硝態(tài)氮累積量隨施用有機(jī)肥年限增加而增加,尤其在雨熱同期時(shí)土壤硝態(tài)氮下移現(xiàn)象顯著。

(5）通過具體分析80～100 cm土層硝態(tài)氮累積量發(fā)現(xiàn),20年連續(xù)有機(jī)肥處理硝態(tài)氮累積量最大達(dá)240 kg·hm-2,具有較強(qiáng)的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

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Effectsof long-term application of organic manure on soil fertility and nitrate-N transport in fluvo-aquic soil

LI Yan1,2,3,SUN Cui-ping1,JING Yong-ping1,2,3,LUO Jia-fa1,5,ZHANG Ying-peng1,2,3,ZHONG Zi-wen1,2,3,SUN Ming1,2,3,BO Lu-ji1,2,3,LIU Zhao-hui2,3,4*
(1.Institute of Agricultural Resources and Environment,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Ji′nan 250100,China;2.Key Laboratory of Agro-Environment in Huang-Huai-Hai Plain,Ministry of Agriculture,Ji′nan 250100,China;3.Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Non-Point Source Pollution Control,Ji′nan 250100,China;4.Shandong Academy of Agricultural Sciences,Ji′nan 250100,China;5.AgResearch,Ruakura Research Centre,Hamilton 3240,New Zealand）

organic manure;wheat-maize rotation;organic matter;available nutrients;nitrate leaching

increasing attention.A long-term field experiment was established in an intensively cultivated alluvial soil in the North China Plain,where a wheat-maize rotation was practiced.Treatments included continuous application of mineral fertilizer(no organic manure application）and three durations of organic manure application with no mineral fertilizer(3,5,and 20 years）.Changes in soil fertility,crop yield,and soil nitrate accumulation were explored.The results showed that the longer the period of continuous organic manure application,the more significantly the soil bulk density decreased and the soil nutrient content increased.The crop yield from the mineral fertilizer treatment was significantly higher than that from the organic manure treatments.The yield decreased as the number of organic manure application years increased,but there was no significant difference among the three organic manure treatments.In the soil profiles,it was shown that the NO-3-N accumulation in the organic manure treatment was greater than that in the mineral fertilizer treatment.The NO-3-N accumulation firstly decreased and then increased with increasing soil depth,and there was a positive relationship between NO-3-N content and the number of organic manure application years.The amount of accumulated NO-3-N in the 80～100 cm soil layer was up to 240 kg·hm-2after 20 years of continuous organic manure application.Therefore,continuous application of organic manure could reduce crop yield and there is a definite risk of nitrate leaching after 20 years of organic manure application.More research is required to develop measures to increase crop yield,alleviate the accumulation ofNO-3-N,and preventnitrate pollution of groundwater when continuously applying organic manure.

李彥,孫翠平,井永蘋,等.長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)潮土土壤肥力及硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(7）.1386-1394.

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2017-03-09

李彥(1970—）,女,黑龍江肇源縣人,研究員,主要從事農(nóng)業(yè)面源污染防控研究。E-mail:nkyliyan@126.com

*通信作者：劉兆輝E-mail:liuzhaohuinky@163.com

公益性農(nóng)業(yè)行業(yè)科研專項(xiàng)(201503106）；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(CXGC2016B09）；“海外泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2016DB28）；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目(2016YQN40）

Project supported：Special Scientific Research Fund of Agricultural Public Welfare Profession of China(201503106）；Agricultural Science and Technology Innovation Project of Shandong Academy of Agricultural Sciences(CXGC2016B09）；Special Construction Project of“Overseas Taishan Scholar”；The Natural Science Foundation of Shandong Province,China(ZR2016DB28）；The Young Scientists Fund Project of Shandong Academy of Agricultural Sciences(2016YQN40）

X592

A

1672-2043(2017）07-1386-09

10.11654/jaes.2017-0316

Abstract：The environmental problems caused by long-term fertilization,especially groundwater pollution resulting from leaching of nitrate nitrogen(NO-3-N）,have