黃學(xué)芳, 王娟玲, 黃明鏡, 趙 聰, 劉化濤

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長(zhǎng)期施肥對(duì)栗褐土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)可持續(xù)性的影響*

黃學(xué)芳, 王娟玲, 黃明鏡, 趙 聰, 劉化濤

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心 太原 030031)

利用長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)開(kāi)展土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià), 可為農(nóng)田合理施肥和管理提供理論支撐。在黃土丘陵區(qū)栗褐土農(nóng)田進(jìn)行了26年長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn), 設(shè)置8個(gè)處理, 分別是不施肥(CK)、單施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2, N]、氮[120.0 kg(N)·hm–2]和磷[75 kg(P2O5)·hm–2]肥配施(NP)、單施低量有機(jī)肥(22 500 kg·hm–2, M1)、低量有機(jī)肥與氮肥配合施用(M1N)、低量有機(jī)肥與氮磷肥配合施用(M1NP)、高量有機(jī)肥(45 000 kg·hm–2)與氮肥配合施用(M2N)和高量有機(jī)肥與氮磷肥配合施用(M2NP)。測(cè)定了19項(xiàng)指標(biāo), 根據(jù)三角性面積法計(jì)算了土壤養(yǎng)分指數(shù)、土壤微生物指數(shù)、作物指數(shù)和可持續(xù)性指數(shù), 分析討論了長(zhǎng)期施肥對(duì)栗褐土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)可持續(xù)性的影響。結(jié)果表明: 1)N、M1處理的可持續(xù)性指數(shù)較CK分別提高27.1%、141.7%, 但較臨界值(1.30)低53.1%和10.8%; NP處理的可持續(xù)性指數(shù)雖然較N處理提高62.3%, 但仍比臨界值(1.30)低23.8%。說(shuō)明長(zhǎng)期單施氮肥、低量有機(jī)肥和氮磷配施下土壤-作物系統(tǒng)均不可持續(xù)。2)施用無(wú)機(jī)肥處理(N和NP)的土壤養(yǎng)分指數(shù)、土壤微生物指數(shù)和作物指數(shù)較CK提高7.1%和46.4%、-6.0%和25.4%、40.0%和60.0%; 單施低量有機(jī)肥(M1)的土壤養(yǎng)分指數(shù)、土壤微生物指數(shù)和作物指數(shù)較CK提高98.2%、41.8%和31.7%。說(shuō)明施用無(wú)機(jī)肥有利于作物指數(shù)的提升, 而施用有機(jī)肥有利于土壤養(yǎng)分指數(shù)和土壤微生物指數(shù)的提升。3)M1N處理的土壤養(yǎng)分指數(shù)(1.06)、土壤微生物指數(shù)(1.04)、作物指數(shù)(1.00)和可持續(xù)性指數(shù)(1.38)均超過(guò)或等于臨界值, 使土壤-作物系統(tǒng)具有較好的可持續(xù)性。4)M1NP、M2N、M2NP處理的土壤養(yǎng)分指數(shù)較M1N處理分別提高21.7%、37.7%和72.6%, 土壤微生物指數(shù)較M1N處理分別提高15.4%、7.7%和18.3%, 作物指數(shù)與M1N處理相比差異很小, 可持續(xù)性指數(shù)較M1N處理分別提高28.3%、32.6%和68.1%。說(shuō)明在M1N基礎(chǔ)上再增施磷肥或有機(jī)肥, 可持續(xù)性指數(shù)可進(jìn)一步提升是由于土壤養(yǎng)分指數(shù)和土壤微生物指數(shù)提高的緣故, 同時(shí)也增加了潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。適量有機(jī)肥與無(wú)機(jī)氮配合施用(M1N)是實(shí)現(xiàn)栗褐土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)的較佳施肥模式。

土壤-作物系統(tǒng); 長(zhǎng)期施肥; 栗褐土; 可持續(xù)性指數(shù); 土壤養(yǎng)分指數(shù); 土壤微生物指數(shù); 作物指數(shù)

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一種人為控制的生態(tài)系統(tǒng), 人為管理和氣候環(huán)境因素共同影響了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)組成及其功能和過(guò)程的變化, 這些變化過(guò)程和相互作用存在時(shí)間和空間的效應(yīng)[1]。施肥是人為管理的主要組成部分。合理施肥既能培肥土壤、提升土壤質(zhì)量, 又能大幅度提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境, 是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[2-5]。由于施肥對(duì)土壤性質(zhì)和生產(chǎn)力的影響是一個(gè)緩慢的過(guò)程, 因此施肥效應(yīng)的研究只有在長(zhǎng)期定位試驗(yàn)條件下才能獲得較為正確的結(jié)論。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)具有時(shí)間的長(zhǎng)期性和氣候的代表性等特點(diǎn), 可以克服氣候的年變化對(duì)施肥效果的影響, 信息量豐富, 準(zhǔn)確可靠, 在研究土壤質(zhì)量演變、肥料效應(yīng)、農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)、施肥與環(huán)境關(guān)系、預(yù)測(cè)土壤承載能力以及為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)等方面具有重要的科學(xué)價(jià)值[6-7]。

栗褐土是黃土丘陵區(qū)的主要土壤類型, 大部分土壤貧瘠且產(chǎn)量低而不穩(wěn), 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性差。前人利用磚窯溝流域的長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)開(kāi)展了土壤理化性質(zhì)、土壤肥力演變、土壤生產(chǎn)力、土壤微生物以及硝態(tài)氮?dú)埩舻确矫娴难芯縖8-11], 但單項(xiàng)指標(biāo)很難評(píng)價(jià)施肥的合理性和科學(xué)性。如許多研究認(rèn)為長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥與土壤質(zhì)量以及農(nóng)田生產(chǎn)力的關(guān)系表現(xiàn)為正效應(yīng)[12-14], 而且無(wú)機(jī)肥對(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)在50%左右[15]; 也有研究指出長(zhǎng)期偏施無(wú)機(jī)肥后土壤容重增加、孔隙度降低、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差[8,16], 加速土壤缺施養(yǎng)分的耗竭[17], 影響作物根系的生長(zhǎng), 導(dǎo)致作物產(chǎn)量及其穩(wěn)定性下降[18-21]。為合理評(píng)價(jià)施肥對(duì)土壤-作物農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的影響, 需采用科學(xué)可行的方法。土壤是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ), 也是作物生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ), 對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行合理評(píng)價(jià), 才能為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù), 因此也常用土壤質(zhì)量指數(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)[22],但該方法只考慮了土壤本身, 且評(píng)價(jià)方法需要考慮各項(xiàng)土壤功能的權(quán)重, 另外土壤質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)還沒(méi)有嚴(yán)格的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[23]。沈宏等[24]研究認(rèn)為土壤養(yǎng)分可持續(xù)性指數(shù)可以用來(lái)表征土壤肥力高低及其可持續(xù)性。作物產(chǎn)量是土壤、氣候、耕作栽培等因素的綜合反應(yīng)的結(jié)果, 雖然作物產(chǎn)量不是土壤屬性中的指標(biāo), 但與土壤生產(chǎn)力密切相關(guān), 一般也可用作物產(chǎn)量的高低來(lái)評(píng)價(jià)土壤肥力。許多研究者用產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性, SYI值越大, 系統(tǒng)的可持續(xù)性越好[25-27], 但該評(píng)價(jià)方法并沒(méi)有土壤屬性指標(biāo)參與計(jì)算。李強(qiáng)等[28]、孫本華等[29]應(yīng)用三角形面積法計(jì)算的可持續(xù)性指數(shù)探索性研究了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性, 并且認(rèn)為三角形面積法充分結(jié)合了土壤和作物指標(biāo)屬性, 能夠較好地評(píng)價(jià)長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性。目前關(guān)于長(zhǎng)期不同施肥條件下栗褐土區(qū)農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性研究尚少有開(kāi)展。鑒于此, 本研究借助1988年在黃土丘陵區(qū)晉西北栗褐土農(nóng)田的長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn), 測(cè)定了土壤-作物系統(tǒng)的19項(xiàng)指標(biāo), 并分類轉(zhuǎn)化為土壤養(yǎng)分指數(shù)、土壤微生物指數(shù)和作物指數(shù), 根據(jù)三角形面積法[28,30]計(jì)算可持續(xù)性指數(shù)。旨在綜合評(píng)價(jià)長(zhǎng)期不同施肥對(duì)農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)可持續(xù)性的影響, 為該區(qū)域栗褐土農(nóng)田可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和建議。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)始于1988年, 地點(diǎn)位于山西省河曲縣磚窯溝流域的沙坪村(39°12′18″N, 111°15′41″E), 海拔1 089 m, 年平均氣溫8.8 ℃, ≥10 ℃有效積溫3 000~ 3 360 ℃, 無(wú)霜期140 d左右; 1988—2013年平均降雨量389.4 mm, 61%以上的降雨集中在6—8月。供試土壤為輕壤黃土質(zhì)淡栗褐土, 試驗(yàn)前耕層0~20 cm主要理化性狀: 土壤有機(jī)質(zhì)5.64 g·kg–1, 全氮0.45 g·kg–1, 全磷1.23 g·kg–1, 堿解氮34.90 mg·kg–1, 速效磷2.69 mg·kg–1, CEC 6.97 cmol·kg–1, pH 8.2。

試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理: 1)不施肥(CK); 2)單施氮肥(N); 3)氮磷配合施用(NP); 4)單施低量有機(jī)肥(M1); 5)低量有機(jī)肥與氮肥配合施用(M1N); 6)低量有機(jī)肥與氮磷肥配合施用(M1NP); 7)高量有機(jī)肥與氮肥配合施用(M2N); 8)高量有機(jī)肥與氮磷肥配合施用(M2NP)。其中氮肥用量為120.0 kg(N)·hm–2, 磷肥為75 kg(P2O5)·hm–2, 低量有機(jī)肥為 22 500 kg·hm–2, 高量有機(jī)肥為 45 000 kg·hm–2。試驗(yàn)小區(qū)面積 24 m2(4 m×6 m), 隨機(jī)區(qū)組排列, 重復(fù)3次。氮肥為尿素(含N 460 g·kg–1), 磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O5140 g·kg–1), 有機(jī)肥為當(dāng)?shù)厝Ψ?N含量多年平均為 3.64 g·kg–1, P2O5含量多年平均為 2.46 g·kg–1)。所有肥料均作基肥在播前整地時(shí)一次性施用。1988—2008年, 采取糜子()-馬鈴薯()輪作方式耕種, 2009—2013年采取玉米()連作方式耕種, 每年秸稈不還田, 耕作管理措施與大田相同。

1.2 樣品采集與測(cè)定方法

建議究利用究2013年10月玉米收獲后, 用五點(diǎn)采樣法采集各處理每個(gè)小區(qū)0~20 cm表層土樣, 樣品裝入事先滅菌的聚乙烯塑料袋中并置于冰塊上運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。將采集的土壤樣品分為兩部分: 一部分土壤樣品經(jīng)風(fēng)干處理后用于土壤養(yǎng)分的測(cè)定, 另一部分新鮮土壤用于可培養(yǎng)微生物的測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀等指標(biāo)按照常規(guī)方法測(cè)定[30]。土壤可培養(yǎng)微生物采用稀釋平板法測(cè)定[31], 細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基, 放線菌采用改良高氏Ⅰ號(hào)培養(yǎng)基, 真菌采用馬丁氏孟加拉紅培養(yǎng)基, 有機(jī)磷細(xì)菌采用蒙金娜有機(jī)磷培養(yǎng)基, 無(wú)機(jī)磷細(xì)菌采用磷酸三鈣無(wú)機(jī)磷培養(yǎng)基[32]。微生物數(shù)量以每克干土中的菌落數(shù)表示。2009—2013年期間玉米收獲時(shí), 在每個(gè)小區(qū)取15株玉米, 用于測(cè)定收獲指數(shù)、籽粒養(yǎng)分含量及籽粒蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪含量; 每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收獲進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。玉米籽粒全氮、全磷、全鉀指標(biāo)按照常規(guī)方法測(cè)定[30]; 玉米蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪含量采用FOSS近紅外谷物品質(zhì)分析儀測(cè)定。

1.3 可持續(xù)指數(shù)的計(jì)算方法

本研究測(cè)定了土壤-作物系統(tǒng)的6項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)(土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀), 5項(xiàng)土壤微生物指標(biāo)(細(xì)菌、放線菌、真菌、無(wú)機(jī)磷細(xì)菌和有機(jī)磷細(xì)菌)和8項(xiàng)作物指標(biāo)(籽粒產(chǎn)量、籽粒全氮、籽粒全磷、籽粒全鉀、收獲指數(shù)以及籽粒的蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪含量), 并確定每項(xiàng)指標(biāo)的臨界值, 將每項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值與臨界值相比獲得指標(biāo)的無(wú)量綱化評(píng)價(jià)數(shù)值后, 再分別計(jì)算土壤養(yǎng)分指數(shù)(N)、土壤微生物指數(shù)(M)、作物指數(shù)(C)以及土壤-作物系統(tǒng)可持續(xù)性指數(shù)(sustainability index,S)[28,33]:

I=A/T(1)

式中: I為第個(gè)處理第個(gè)指標(biāo)的無(wú)量綱化數(shù)值,A指第個(gè)處理第個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值,T是第個(gè)指標(biāo)的臨界值。各指標(biāo)臨界值的確定: 根據(jù)該研究區(qū)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究結(jié)果, NP和M1N處理的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷養(yǎng)分指標(biāo)隨施肥時(shí)間而顯著增加[9], 說(shuō)明在氮磷配施或有機(jī)肥與氮肥配施條件下, 這3項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)持續(xù)性較好, 可以采用NP和M1N處理的平均值作為臨界值。土壤堿解氮、速效磷和速效鉀以全國(guó)土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)的第Ⅲ等級(jí)(較豐富)的中間值為臨界值[34]。土壤微生物各指標(biāo)采用不同施肥處理數(shù)值的算術(shù)平均值作為臨界值。長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果表明, 氮磷平衡施肥或有機(jī)無(wú)機(jī)配合施肥處理的作物產(chǎn)量相對(duì)較高, 作物生產(chǎn)的可持續(xù)性較高[3-4,9,26], 作物產(chǎn)量、籽粒全氮等作物指標(biāo)以NP、M1N、M1NP、M2N、M2NP等處理的算術(shù)平均值作為臨界值。

式中:Ni是第個(gè)處理的土壤養(yǎng)分指數(shù)值,是養(yǎng)分指標(biāo)數(shù)量。

式中:Mi是第個(gè)處理的土壤微生物指數(shù)值,是土壤微生物指標(biāo)數(shù)量。

式中:Ci是第個(gè)處理的作物指數(shù)值,是作物指標(biāo)數(shù)量。

式中:S是土壤-作物系統(tǒng)可持續(xù)性指數(shù), 其數(shù)值大小用△ABC面積(圖1)表示, 圖1中的、和是從點(diǎn)O出發(fā)的3條不同長(zhǎng)度的線段, 每?jī)蓷l線段之間的夾角為120°,代表土壤養(yǎng)分指數(shù),代表土壤微生物指數(shù),代表作物指數(shù), 連接3條線段的外端點(diǎn)即可組成△ABC, 再根據(jù)公式(5)計(jì)算出三角形面積(△ABC)就可得到每個(gè)處理下土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性指數(shù)S。為了達(dá)到系統(tǒng)的可持續(xù)性, 所選指標(biāo)應(yīng)該與系統(tǒng)可持續(xù)性呈正相關(guān)關(guān)系[35], 同時(shí)每個(gè)指標(biāo)的數(shù)值應(yīng)該等于或者大于指標(biāo)臨界值?？沙掷m(xù)性指數(shù)越大表示系統(tǒng)的可持續(xù)性越強(qiáng)[28,33]。一般來(lái)說(shuō)可持續(xù)性指數(shù)應(yīng)該大于或等于1.3(當(dāng)、和均為1時(shí)), 否則視為系統(tǒng)不可持續(xù)。

圖1 三角形方法計(jì)算土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性指數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2003進(jìn)行處理, 方差分析和多重比較數(shù)據(jù)使用DPS 7.05軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

連續(xù)26年施肥, 不同施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了顯著變化。由表1可見(jiàn), 長(zhǎng)期施有機(jī)肥處理(M1、M1N、M1NP、M2N和M2NP)的有機(jī)質(zhì)較CK增加100.5%~169.6%, 與CK間差異均達(dá)顯著水平; 有機(jī)肥施用越多, 有機(jī)質(zhì)含量提升幅度越高, 高量有機(jī)肥處理與低量有機(jī)肥處理之間差異也達(dá)顯著水平。長(zhǎng)期施用N和NP處理的有機(jī)質(zhì)含量較CK分別增加13.3%、19.4%, 提升幅度較低，但NP處理與CK間差異顯著, 而N處理與CK間差異不顯著。

表1 不同長(zhǎng)期施肥處理下土壤養(yǎng)分指標(biāo)及臨界值

CK: 不施肥; N: 單施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]; NP: 氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]和磷肥[75 kg(P2O5)·hm–2]配施; M1: 單施低量有機(jī)肥(22 500 kg·hm–2); M1N: 低量有機(jī)肥與氮肥配施; M1NP: 低量有機(jī)肥與氮磷肥配施; M2N: 高量有機(jī)肥(45 000 kg·hm–2)與氮肥配施; M2NP: 高量有機(jī)肥與氮磷肥配施。不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。CK: non fertilization; N: application of 120.0 kg(N)·hm–2urea; NP: combined application of 120.0 kg(N)·hm–2urea and 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate; M1: application of 22 500 kg·hm–2organic fertilizer; M1N: combination of M1and N treatments; M1NP: combination of M1and NP treatments; M2N: combined application of 45 000 kg·hm–2organic fertilizer and 120.0 kg(N)·hm–2urea; M2NP: combination of M2and NP treatments. Different small letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

長(zhǎng)期施肥下土壤氮素養(yǎng)分也發(fā)生了顯著變化。7個(gè)施肥處理都含有氮素, 長(zhǎng)期施肥后, 施肥處理的土壤全氮和堿解氮含量均高于CK(表1), 全氮含量增加幅度為21.4%~145.2%, 堿解氮含量增加幅度為8.0%~ 154.8%。其中有機(jī)無(wú)機(jī)配施更有利于土壤全氮和堿解氮含量的提高, 特別是高量有機(jī)肥處理(M2N、M2NP), 增加幅度最大。所有施肥處理的土壤全氮含量與CK間差異顯著, 有機(jī)肥處理(M1、M1N、M1NP、M2N和M2NP)與施化肥處理(N、NP)間土壤全氮含量差異顯著; 施有機(jī)肥處理的土壤堿解氮含量與CK相比差異顯著, 而施N或施NP處理與CK相比差異不顯著。單施有機(jī)肥(M1)提升土壤堿解氮含量的作用高于N處理, 而低于有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理。說(shuō)明長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能有效提高土壤氮素含量, 與氮肥或氮磷肥配合施用效果更明顯。

表1可以看出, N與CK處理間土壤全磷和速效磷含量無(wú)顯著差異, 其他施用磷肥和有機(jī)肥處理的土壤全磷和速效磷含量均顯著高于CK, 其中有機(jī)肥和磷肥配施的效果更明顯; M1NP和M2NP處理的全磷含量較CK增加幅度分別為55.7%和64.3%, 速效磷含量較CK分別增加585.0%和1 044.6%; M1、M1N和M2N處理的全磷含量較CK增加幅度為8.6%~22.9%, 速效磷含量較CK增加幅度為240.6%~515.4%; NP處理的全磷、速效磷含量較CK增加幅度為27.1%、304.4%。從全磷和速效磷含量的增加幅度看, 無(wú)論是施用化學(xué)磷肥還是施用有機(jī)肥或者有機(jī)肥配施磷肥, 土壤速效磷含量增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全磷含量的增加幅度, 說(shuō)明栗褐土長(zhǎng)期施用過(guò)磷酸鈣或者有機(jī)肥不僅可以增加土壤全磷含量, 而且能大幅提高土壤速效磷含量, 增強(qiáng)土壤的供磷能力。

連續(xù)26年長(zhǎng)期施肥后, N和NP處理在沒(méi)有配施化學(xué)鉀肥情況下, 土壤速效鉀含量與CK無(wú)差異, 并未加快土壤速效鉀的耗竭, 這可能與栗褐土土壤全鉀、緩效鉀含量高有關(guān), 可以在作物消耗土壤速效鉀的過(guò)程中, 由土壤礦物鉀和緩效鉀不斷補(bǔ)充和維持土壤速效鉀的含量。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)土壤速效鉀含量產(chǎn)生了十分明顯的影響, 所有施有機(jī)肥處理的速效鉀含量排序由高到低依次為M2NP≈M2N>M1>M1N> M1NP, 分別較CK增加196.4%、196.4%、126.1%、98.6%和2.38%, 表現(xiàn)出有機(jī)肥施用量越多, 土壤速效鉀含量越高的現(xiàn)象; 高量有機(jī)肥處理(M2NP、M2N)土壤速效鉀含量與施低量有機(jī)肥處理(M1、M1N、M1NP)之間差異達(dá)顯著水平, 低量有機(jī)肥處理與未施有機(jī)肥處理(CK、N、NP)之間速效鉀含量差異也達(dá)顯著水平。顯而易見(jiàn), 施用有機(jī)肥是維持和提高栗褐土供鉀能力的一種重要措施, 這與有機(jī)肥本身含有比較豐富的鉀元素有關(guān)。

2.2 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

由表2可知, 長(zhǎng)期施肥后土壤微生物數(shù)量發(fā)生了明顯的變化。所有施有機(jī)肥處理(M1、M1N、M1NP、M2N、M2NP)的土壤可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌、真菌、無(wú)機(jī)磷細(xì)菌和有機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量較CK增加幅度分別為129.5%~149.7%、31.4%~60.8%、22.1%~167.6%、38.2%~63.6%和20.0%~53.2%, 與CK的差異均達(dá)顯著水平; 有機(jī)肥配施化學(xué)氮、磷肥(M1NP、M2NP)提高土壤真菌數(shù)量的效果最為明顯, 顯著高于單施有機(jī)肥(M1)和有機(jī)肥配施氮肥的處理(M1N、M2N); NP處理的土壤可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌、真菌、無(wú)機(jī)磷細(xì)菌和有機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量較CK增加幅度分別為75.8%、23.9%、3.5%、18.0%和23.0%, 但只有細(xì)菌數(shù)量與CK之間的差異達(dá)顯著水平; N處理的土壤微生物數(shù)量與CK無(wú)顯著差異, 甚至無(wú)機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量顯著下降?？梢?jiàn), 長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能有效提高土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量, 而長(zhǎng)期單施氮肥或氮磷配施對(duì)土壤微生物數(shù)量的提升無(wú)顯著作用。

表2 不同長(zhǎng)期施肥處理下土壤微生物指標(biāo)及臨界值

CK: 不施肥; N: 單施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]; NP: 氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]和磷肥[75 kg(P2O5)·hm–2]配施; M1: 單施低量有機(jī)肥(22 500 kg·hm–2); M1N: 低量有機(jī)肥與氮肥配施; M1NP: 低量有機(jī)肥與氮磷肥配施; M2N: 高量有機(jī)肥(45 000 kg·hm–2)與氮肥配施; M2NP: 高量有機(jī)肥與氮磷肥配施。不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。CK: non fertilization; N: application of 120.0 kg(N)·hm–2urea; NP: combined application of 120.0 kg(N)·hm–2urea and 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate; M1: application of 22 500 kg·hm–2organic fertilizer; M1N: combination of M1and N treatments; M1NP: combination of M1and NP treatments; M2N: combined application of 45 000 kg·hm–2organic fertilizer and 120.0 kg(N)·hm–2urea; M2NP: combination of M2and NP treatments. Different small letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.3 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)作物產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量及品質(zhì)的影響

表3中的籽粒產(chǎn)量為5年(2009—2013年)的玉米平均產(chǎn)量。長(zhǎng)期不施肥(CK)情況下, 5年玉米平均產(chǎn)量為3 200.8 kg·hm–2, 而以往種植馬鈴薯多年平均產(chǎn)量[9]為1 103.3 kg·hm–2(按5∶1折算的產(chǎn)量), 糜子的多年平均產(chǎn)量[9]為1 069.1 kg·hm–2。相比之下, 玉米的產(chǎn)量明顯高于馬鈴薯和糜子。這可能和玉米能較充分利用當(dāng)?shù)氐墓鉄豳Y源有關(guān), 試驗(yàn)期間播種玉米的時(shí)間一般在每年的5月1日左右, 而種植馬鈴薯和糜子的時(shí)間一般都在6月1日左右。與CK相比, 所有施肥處理都顯著提高了玉米產(chǎn)量, 增產(chǎn)幅度為80.4%~164.3%, 其中M1NP處理增產(chǎn)幅度最高, M1處理增產(chǎn)幅度最低; 有機(jī)無(wú)機(jī)配施的處理產(chǎn)量之間無(wú)顯著差異, 但與N、M1處理之間差異顯著; 氮磷配施(NP)產(chǎn)量顯著高于單施氮肥(N)和單施有機(jī)肥(M1), 較N、M1增產(chǎn)幅度分別達(dá)22.8%和36.3%, NP處理的產(chǎn)量雖顯著低于M1NP處理, 但與其他有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理(M1N、M2N、M2NP)間無(wú)顯著差異。這與相同試驗(yàn)不同施肥處理下馬鈴薯和糜子產(chǎn)量的變化趨勢(shì)結(jié)果一致[9]。說(shuō)明在黃土丘陵區(qū)栗褐土農(nóng)田, 有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施或氮磷配施是提高作物產(chǎn)量的有效措施, 但在M1N基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥或化學(xué)磷肥不會(huì)再顯著提高作物產(chǎn)量。

表3 不同長(zhǎng)期施肥處理下作物(玉米)指標(biāo)及臨界值

CK: 不施肥; N: 單施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]; NP: 氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]和磷肥[75 kg(P2O5)·hm–2]配施; M1: 單施低量有機(jī)肥(22 500 kg·hm–2); M1N: 低量有機(jī)肥與氮肥配施; M1NP: 低量有機(jī)肥與氮磷肥配施; M2N: 高量有機(jī)肥(45 000 kg·hm–2)與氮肥配施; M2NP: 高量有機(jī)肥與氮磷肥配施。不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。CK: non fertilization; N: application of 120.0 kg(N)·hm–2urea; NP: combined application of 120.0 kg(N)·hm–2urea and 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate; M1: application of 22 500 kg·hm–2organic fertilizer; M1N: combination of M1and N treatments; M1NP: combination of M1and NP treatments; M2N: combined application of 45 000 kg·hm–2organic fertilizer and 120.0 kg(N)·hm–2urea; M2NP: combination of M2and NP treatments. Different small letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

玉米籽粒全氮、全磷、全鉀總量和籽粒蛋白質(zhì)含量指標(biāo), 各處理之間的變化趨勢(shì)與玉米籽粒產(chǎn)量相似。玉米收獲指數(shù)以CK最低, 顯著低于各施肥處理; 收獲指數(shù)NP最高, 顯著高于M1處理, 但與其他施肥處理差異不顯著。

由表3可以看出, 長(zhǎng)期施肥后, 玉米籽粒產(chǎn)量、籽粒氮磷鉀總量、籽粒蛋白質(zhì)含量等作物指標(biāo)的變異系數(shù)高于10%, 而收獲指數(shù)、籽粒淀粉含量和籽粒脂肪含量等作物指標(biāo)的變異系數(shù)只有3.4%、0.5%和2.2%, 說(shuō)明長(zhǎng)期施肥對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量、籽粒氮磷鉀總量、籽粒蛋白質(zhì)含量影響較大, 而對(duì)玉米收獲指數(shù)、籽粒淀粉和脂肪含量影響較小。

2.4 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)可持續(xù)性指數(shù)的影響

由表4可以看出, 長(zhǎng)期施肥處理的土壤養(yǎng)分指數(shù)、土壤微生物指數(shù)、作物指數(shù)及可持續(xù)性指數(shù)均高于CK, 表現(xiàn)為正效應(yīng), 各指數(shù)較CK平均增加108.9%、49.3%、58.3%和200.0%, 表明長(zhǎng)期施肥可以提高栗褐土農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性。

表4 長(zhǎng)期不同施肥處理的土壤養(yǎng)分、微生物、作物和土壤-作物系統(tǒng)可持續(xù)性指數(shù)

CK: 不施肥; N: 單施氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]; NP: 氮肥[120.0 kg(N)·hm–2]和磷肥[75 kg(P2O5)·hm–2]配施; M1: 單施低量有機(jī)肥(22 500 kg·hm–2); M1N: 低量有機(jī)肥與氮肥配施; M1NP: 低量有機(jī)肥與氮磷肥配施; M2N: 高量有機(jī)肥(45 000 kg·hm–2)與氮肥配施; M2NP: 高量有機(jī)肥與氮磷肥配施。CK: non fertilization; N: application of 120.0 kg(N)·hm–2urea; NP: combined application of 120.0 kg(N)·hm–2urea and 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate; M1: application of 22 500 kg·hm–2organic fertilizer; M1N: combination of M1and N treatments; M1NP: combination of M1and NP treatments; M2N: combined application of 45 000 kg·hm–2organic fertilizer and 120.0 kg(N)·hm–2urea; M2NP: combination of M2and NP treatments.

與CK的可持續(xù)性指數(shù)(0.48)相比, N和M1處理的可持續(xù)性指數(shù)分別提高27.1%和141.7%, 但是與可持續(xù)性指數(shù)臨界值(1.30)相比分別低53.1%和10.8%, 表明長(zhǎng)期單施氮肥(N)、單施有機(jī)肥(M1)下栗褐土農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)不可持續(xù)。NP處理的可持續(xù)性指數(shù)較N處理提高62.3%, 但是與可持續(xù)性指數(shù)臨界值相比仍然低23.8%, 表明長(zhǎng)期氮磷配施下栗褐土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)也不可持續(xù)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 施用無(wú)機(jī)肥(N、NP)更有利于作物指數(shù)的提升, 而施用有機(jī)肥(M1)更有利于土壤養(yǎng)分指數(shù)和土壤微生物指數(shù)的提升; 施用無(wú)機(jī)肥處理(N和NP)的土壤養(yǎng)分指數(shù)、土壤微生物指數(shù)、作物指數(shù)較CK提高7.1%和46.4%、-6.0%和25.4%、40.0%和60.0%, 且氮磷配施后(NP)的作物指數(shù)(0.96)接近臨界值(1.00); 單施有機(jī)肥(M1)的土壤養(yǎng)分指數(shù)、土壤微生物指數(shù)和作物指數(shù)較CK提高98.2%、41.8%和31.7%, 且土壤養(yǎng)分指數(shù)(1.11)高于臨界值(1.00), 土壤微生物指數(shù)(0.95)只略低于臨界值(1.00)。因此在氮磷配施(NP)情況下也需要通過(guò)增加其他措施來(lái)提高土壤養(yǎng)分指數(shù)和土壤微生物指數(shù), 才可能實(shí)現(xiàn)栗褐土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性, 而單施有機(jī)肥(M1)需要改善作物指數(shù)才能實(shí)現(xiàn)土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性。

有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理(M1N、M1NP、M2N、M2NP)的可持續(xù)性指數(shù)較N、NP、M1處理平均增加199.2%、84.3%、57.3%, 并高出臨界值(1.30)40.4%, 表明有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理不僅使土壤-作物系統(tǒng)具有更好的可持續(xù)性, 而且還彌補(bǔ)了單施無(wú)機(jī)肥(N、NP)或單施有機(jī)肥(M1)持續(xù)性差的缺陷。

不同有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理之間可持續(xù)性指數(shù)差異明顯, 大小順序依次是M2NP(2.32)>M2N(1.83)> M1NP(1.77)>M1N(1.38)。低量有機(jī)肥配施氮肥處理(M1N)的可持續(xù)性指數(shù)已超過(guò)臨界值(1.30), 并且其土壤養(yǎng)分指數(shù)、土壤微生物指數(shù)和作物指數(shù)也都超過(guò)了臨界值(1.00), 說(shuō)明M1N處理可以使栗褐土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)具有良好的可持續(xù)性。在M1N基礎(chǔ)上再增施磷肥或有機(jī)肥后, M1NP、M2N、M2NP處理的土壤養(yǎng)分指數(shù)較M1N處理分別提高21.7%、37.7%和72.6%, 土壤微生物指數(shù)較M1N處理分別提高15.4%、7.7%和18.3%, 作物指數(shù)與M1N處理相比差異很小, 可持續(xù)性指數(shù)較M1N處理分別提高28.3%、32.6%和68.1%。增施磷肥后土壤養(yǎng)分指數(shù)增加的原因主要是磷肥有顯著提高土壤全磷和速效磷含量的作用(表1), 而增施有機(jī)肥土壤養(yǎng)分指數(shù)增加是由于有機(jī)肥能顯著提升土壤各項(xiàng)養(yǎng)分含量的緣故。說(shuō)明在M1N處理基礎(chǔ)上增施磷肥或增施有機(jī)肥主要是通過(guò)提升土壤養(yǎng)分指數(shù)和土壤微生物指數(shù), 而使可持續(xù)性指數(shù)進(jìn)一步提高, 但并不會(huì)再顯著提高土壤-作物系統(tǒng)的產(chǎn)出。

土壤養(yǎng)分指數(shù)的變異系數(shù)為39.8%, 土壤微生物指數(shù)的變異系數(shù)為24.1%, 作物指數(shù)的變異系數(shù)為16.6%, 而可持續(xù)性指數(shù)的變異系數(shù)為48.2%。說(shuō)明用可持續(xù)性指數(shù)能更好地反映栗褐土區(qū)不同施肥處理的差異, 這與李強(qiáng)等[28]認(rèn)為作物指數(shù)的變異性最大的結(jié)果并不一致。

3 討論

本研究利用長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn), 借助三角形面積法計(jì)算了長(zhǎng)期不同施肥下栗褐土農(nóng)田土壤-作物生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性指數(shù)。

栗褐土農(nóng)田長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)表明, 長(zhǎng)期單施低量有機(jī)肥(M1)的土壤養(yǎng)分指數(shù)高于臨界值1.00, 在提升土壤養(yǎng)分指數(shù)方面表現(xiàn)為可持續(xù), 而且M1處理的土壤微生物指數(shù)接近臨界值, 表現(xiàn)為基本可持續(xù)。這是因?yàn)橛袡C(jī)肥含有豐富的有機(jī)碳源和各種元素, 即能補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)以及作物帶走的各種土壤養(yǎng)分, 又有利于土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖, 故其土壤養(yǎng)分指數(shù)和微生物指數(shù)較高。王慎強(qiáng)等[12]的研究認(rèn)為有機(jī)肥在創(chuàng)造有利于微生物生長(zhǎng)發(fā)育的土壤環(huán)境方面明顯優(yōu)于化學(xué)肥料。但從作物指數(shù)來(lái)看M1處理, 其數(shù)值明顯低于臨界值, 表現(xiàn)為不可持續(xù)。因此單獨(dú)用土壤養(yǎng)分指標(biāo)或土壤微生物指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)M1處理下土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性則可能以偏概全。氮磷配施(NP)處理則相反, 其作物指數(shù)(0.96)接近臨界值1.00, 較N處理有了明顯提高, 表現(xiàn)為基本可持續(xù), 主要是因?yàn)榈着涫┖笞魑锂a(chǎn)量、籽粒的吸氮量和吸磷量較N處理有了顯著的提升; 李強(qiáng)等[28]對(duì)中國(guó)科學(xué)院安塞試驗(yàn)站17年連續(xù)施肥試驗(yàn)的研究同樣發(fā)現(xiàn), 氮磷配施較單施氮處理具有較強(qiáng)的增產(chǎn)優(yōu)勢(shì), 顯著促進(jìn)了對(duì)氮磷元素的吸收量, 作物指數(shù)也大幅提高; 孫本華等[29]也得出了類似結(jié)果; 俄勝哲等[18]的研究發(fā)現(xiàn), 隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng), 單施氮肥處理的土壤磷素等營(yíng)養(yǎng)元素消耗過(guò)大, 導(dǎo)致產(chǎn)量急劇下降, 而氮磷配施后作物產(chǎn)量穩(wěn)定性大幅增加。然而氮磷配施(NP)處理的土壤養(yǎng)分指數(shù)和土壤微生物指數(shù)均明顯低于臨界值1.00, 雖然其土壤全磷和速效磷含量較N處理有了顯著提升, 使土壤養(yǎng)分指數(shù)有了一定的提高, 但并沒(méi)有改善或明顯提高其他土壤養(yǎng)分指標(biāo), 使得NP處理的土壤養(yǎng)分指數(shù)表現(xiàn)為不可持續(xù), 這與李強(qiáng)等[28]的研究結(jié)果不同。這可能和本長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)不進(jìn)行秸稈還田有關(guān), 但按照養(yǎng)分歸還學(xué)說(shuō)原理, 只補(bǔ)施氮磷元素, 長(zhǎng)期下去勢(shì)必會(huì)造成土壤中其他元素含量的下降和虧缺。李彥等[36]的研究表明, 潮土上長(zhǎng)期不施鉀的NP處理其土壤速效鉀下降幅度最大, 甚至低于35 mg·kg–1, 土壤處于缺鉀狀態(tài); 因此不考慮土壤養(yǎng)分因素而單獨(dú)用作物指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)NP配施條件下的土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性也不合理。

綜合考慮3項(xiàng)指數(shù)指標(biāo)后, CK、N、NP和M1處理的可持續(xù)性指數(shù)均小于可持續(xù)性指數(shù)臨界值, 表現(xiàn)為不可持續(xù), 避免了用單個(gè)指數(shù)評(píng)價(jià)農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)性時(shí)而高估一些施肥處理的合理性。而有機(jī)無(wú)機(jī)配合的所有處理(M1N、M1NP、M2N、M2NP)可持續(xù)性指數(shù)均高于臨界值, 表現(xiàn)出很好的可持續(xù)性(表4), 這與Kang等[33]、孫本華等[29]的研究結(jié)果一致。事實(shí)上, 從表4可以看出, 施用無(wú)機(jī)肥有利于作物指數(shù)的提升, 而施用有機(jī)肥有利于土壤養(yǎng)分指數(shù)和土壤微生物指數(shù)的提升, 有機(jī)無(wú)機(jī)結(jié)合可以利用各自的優(yōu)點(diǎn), 使得有機(jī)無(wú)機(jī)配施后的各項(xiàng)指數(shù)都得到了改善和提升, 保證了農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性生產(chǎn)。

三角形面積法要求所選指標(biāo)應(yīng)與系統(tǒng)可持續(xù)性指數(shù)成正相關(guān)關(guān)系, 因此就會(huì)存在施肥增多, 土壤養(yǎng)分指數(shù)和系統(tǒng)的可持續(xù)性指數(shù)增高的情況。如果按照可持續(xù)指數(shù)越大、系統(tǒng)的可持續(xù)性越強(qiáng)評(píng)價(jià)施肥的合理性和科學(xué)性, 就可能將過(guò)量施肥處理評(píng)價(jià)為最好的施肥措施, 而忽略了過(guò)量施肥形成的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)槿切蚊娣e法的可持續(xù)性指數(shù)無(wú)法兼顧生態(tài)環(huán)境指標(biāo)有關(guān)。為避免這種情況, 筆者認(rèn)為應(yīng)用三角形面積法評(píng)價(jià)施肥下農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性時(shí), 較佳的施肥模式可能不是可持續(xù)性指數(shù)最大的施肥處理, 而是3項(xiàng)指數(shù)數(shù)值既超過(guò)臨界值但又與臨界值差值最小的施肥處理, 當(dāng)然如果能結(jié)合與環(huán)境有關(guān)的指標(biāo)去評(píng)價(jià)農(nóng)田系統(tǒng)的可持續(xù)性會(huì)更科學(xué)。如在本試驗(yàn)中, M1N處理較CK的各項(xiàng)指數(shù)都有明顯提高, 超過(guò)了臨界值, 各指數(shù)數(shù)值與臨界值差值又最小, 且各指數(shù)之間數(shù)值大小較均衡, 已使栗褐土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)具有良好的可持續(xù)性。M1N處理中包括了有機(jī)肥(M1), 經(jīng)過(guò)26年的連續(xù)施用, M1N處理下土壤的各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)與CK相比有了顯著的提升, 其中速效磷含量達(dá)到16.35 mg·kg–1, 與試驗(yàn)前土壤速效磷含量2.69 mg·kg–1相比, 提高了6.1倍, 其含量已達(dá)到了較豐富的水平, 可滿足栗褐土農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)的較高生產(chǎn)力需求。在M1N基礎(chǔ)上增施磷肥后(M1NP), 作物指數(shù)沒(méi)有明顯增加, 但土壤速效磷(Olsen-P)含量卻翻倍增加到32.88 mg·kg–1, 使土壤養(yǎng)分指數(shù)增加, 同時(shí)還提高了農(nóng)田潛在的磷流失環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[37]。龔娟等[38]認(rèn)為目標(biāo)水體為湖庫(kù)和河流的土壤Olsen-P環(huán)境閾值分別為25.0 mg·kg–1和75.0 mg·kg–1。而在M1N基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥后, 土壤的各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)均顯著提升, 導(dǎo)致土壤養(yǎng)分指數(shù)和可持續(xù)性指數(shù)明顯提高, 但與增施磷肥一樣作物指數(shù)也沒(méi)有明顯變化; 由于有機(jī)肥和化學(xué)氮肥都含有氮素, 增加有機(jī)肥意味著增加了施入土壤的總氮量, 在作物指數(shù)不再增加的情況下, 必然造成土壤氮素大量累積。該長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的第19年測(cè)定了農(nóng)田硝態(tài)氮累積量[11], 結(jié)果表明M2N處理0~200 cm的硝態(tài)氮累積量高達(dá)373.98kg·hm–2, 較M1N處理增加幅度為64.3%。說(shuō)明M1N基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥大大增加了氮素淋失的風(fēng)險(xiǎn), 降低了氮素的利用率, 也造成養(yǎng)分資源的浪費(fèi)。

上述分析表明, 三角形面積法計(jì)算得出的可持續(xù)性指數(shù)雖能較好結(jié)合土壤和作物屬性, 可以較好地反映栗褐土農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)的可持續(xù)性, 但具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意3項(xiàng)指數(shù)均達(dá)到臨界值后, 可持續(xù)性指數(shù)不是越大越好, 如能結(jié)合生態(tài)環(huán)境指標(biāo)去評(píng)價(jià)會(huì)更科學(xué)合理。

4 結(jié)論

黃土丘陵區(qū)栗褐土農(nóng)田經(jīng)過(guò)26年的長(zhǎng)期定位施肥后, 施肥處理的土壤養(yǎng)分指數(shù)、土壤微生物指數(shù)、作物指數(shù)及可持續(xù)性指數(shù)較CK平均增加108.9%、49.3%、58.3%和200.0%, 施肥具有提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性作用。單施氮肥(N)和單施有機(jī)肥(M1)的可持續(xù)性指數(shù)分別為0.61和1.16, 均低于可持續(xù)性臨界值(1.30), 是不可持續(xù)的施肥模式。氮磷配施(NP)的可持續(xù)性指數(shù)雖然較單施氮肥(N)提高62.3%, 但仍沒(méi)有達(dá)到可持續(xù)水平, 也是不可持續(xù)的施肥模式, 需要通過(guò)增加其他措施來(lái)提高土壤養(yǎng)分指數(shù)和土壤微生物指數(shù)才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可持續(xù)性。有機(jī)無(wú)機(jī)配施(M1N、M1NP、M2N、M2NP)的可持續(xù)性指數(shù)(1.38、1.77、1.83和2.32)均高于臨界值, 土壤-作物系統(tǒng)具有較好的可持續(xù)性。結(jié)合過(guò)量施肥可能造成的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 低量有機(jī)肥與無(wú)機(jī)氮配施(M1N)是該研究區(qū)農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)的較佳施肥模式。

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Sustainability of soil-crop systems under different long-term fertilizations in Chestnut Cinnamon soil areas*

HUANG Xuefang, WANG Juanling, HUANG Mingjing, ZHAO Cong, LIU Huatao

(Center for Arid Farming Research, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China)

The sustainability of soil-crop systems was evaluated based on a long-term fertilization experiment to provide theoretical support for farmland fertilization and management. The long-term fertilizer experiment consisting of 8 treatments and a CK was carried out in the Chestnut Cinnamon soil of loess hilly-gully region for 26 years. The treatments included: non-fertilization (CK), 120.0 kg(N)·hm–2urea (N), 120.0 kg(N)·hm–2urea + 75 kg(P2O5)·hm–2calcium superphosphate (NP), 22 500 kg·hm–2organic fertilizer (M1), M1+ N (M1N), M1+ NP (M1NP), 45 000 kg·hm–2organic fertilizer + 120.0 kg(N)·hm–2urea (M2N) and M2+ NP (M2NP). A total of 19 indicators of the soil-crop system were measured, and soil nutrient index, soil microbial index, crop index and sustainability index were calculated by the triangle area method. The effects of long-term fertilization on the sustainability of soil-crop systems in the Chestnut Cinnamon soil region were discussed. The results indicated that: 1) the sustainability indexes of N and M1treatments increased respectively by 27.1% and 141.7% compared with CK, but were 53.1% and 10.8% lower than the critical value (1.30). Although the sustainability index of NP treatment was 62.3% higher than N treatment, it was 23.8% lower than the critical value (1.30). This indicated that soil-crop systems under long-term application of single nitrogen, or low organic fertilizer or nitrogen and phosphorus were all unsustainable. 2) Nutrient index, microbial index and crop index of inorganic fertilizer (N, NP) treatments increased respectively by 7.1% and 46.4%,-6.0% and 25.4%, 40.0% and 60.0% compared with CK. Nutrient index, microbial index and crop index of single application of organic fertilizer (M1) were respectively 98.2%, 41.8% and 31.7% higher than those of CK, showing inorganic fertilizer application improved crop index, organic fertilizer application improved nutrient index and microbial index. 3) Soil nutrient index (1.06), soil microbial index (1.04), crop index (1.00) and sustainability index (1.38) of M1N all exceeded or equaled the critical value, which was good for the sustainability of soil-crop systems. 4) Soil nutrient indexes of M1NP, M2N and M2NP increased respectively by 21.7%, 37.7% and 72.6% compared with M1N, and the corresponding soil microbial index increased by 15.4%, 7.7% and 18.3% over M1N. There were small differences in crop indexes of the above treatments, compared with M1N. Sustainability indexes of the above treatments increased respectively by 28.3%, 32.6% and 68.1% compared with M1N. The results indicated that increasing application of phosphorus or organic fertilizer over M1N further enhanced sustainability index because of enhanced soil nutrient index and microbial index, but also increased potential environmental risk. A combination of moderate amounts of organic and inorganic N application (M1N) was a comparatively better fertilization model, which ensured sustainable production of soil-crop systems in Chestnut Cinnamon soil region.

Soil-crop system; Long-term fertilization;Chestnut Cinnamon soil; Sustainability index; Soil nutrient index; Soil microbial index; Crop index

, HUANG Xuefang, E-mail: hxfwmf@163.com

May 15, 2018;

May 23, 2018

S154.4; S158.3; S127

A

1671-3990(2018)08-1107-10

10.13930/j.cnki.cjea.180468

2018-05-15

2018-05-23

* This work was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503124) and the Science and Technology Key Program of Shanxi Province, China (201703D211002).

黃學(xué)芳, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田水肥資源高效利用與生態(tài)環(huán)境。E-mail: hxfwmf@163.com

* 國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503124)和山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201703D211002)資助

黃學(xué)芳, 王娟玲, 黃明鏡, 趙聰, 劉化濤. 長(zhǎng)期施肥對(duì)栗褐土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)可持續(xù)性的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(8): 1107-1116

HUANG X F, WANG J L, HUANG M J, ZHAO C, LIU H T. Sustainability of soil-crop systems under different long-term fertilizations in Chestnut Cinnamon soil areas[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(8): 1107-1116