劉 艷，孫文濤，邢月華，蔡廣興

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學院 植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，遼寧 沈陽 110161)

連續(xù)定位施肥是將原本相同的土壤，通過長期固定的施肥方式使土壤性質(zhì)按不同的方向不斷發(fā)生改變后而形成不同的肥力。因其信息量豐富，數(shù)據(jù)準確可靠，又具有時間上的長期性和氣候上的重復性等特點[1]，所以能夠更加準確、科學地評價施肥對土壤各方面指標的長期作用，在生產(chǎn)上可提供決策性建議，是土壤學研究的重要手段，對揭示土壤養(yǎng)分平衡、土壤質(zhì)量變化，指導合理施肥，保護生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等，均具有十分重要的理論意義和實踐價值。

在糧食生產(chǎn)中肥料至關重要。大量研究工作充分證實了肥料的增產(chǎn)作用，并予以充分肯定[2-3]。不過也有試驗結果顯示，不合理的施肥量和施肥方式不僅影響作物穩(wěn)產(chǎn)[4-5]，還會降低肥料貢獻率、增產(chǎn)效應等，造成養(yǎng)分資源的浪費，增加營養(yǎng)元素在土體中的淋溶累積，對生態(tài)環(huán)境帶來潛在危害。因此，如何通過合理施肥，提高作物產(chǎn)量及肥料利用效率，確保農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是目前我們亟待解決的一個問題。因此，本研究基于在遼北玉米主產(chǎn)區(qū)進行的長期定位施肥試驗，對春玉米耕層土壤養(yǎng)分變化和肥料貢獻率的影響進行了探討，以期為東北南部春玉米肥料高效利用、糧食持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗設在遼寧省昌圖縣老城鎮(zhèn)安家村(東經(jīng)123°32′39″，北緯42°46′33″)，該區(qū)屬中溫帶亞濕潤大陸性氣候，年均溫度在7.1 ℃，全年無霜期145 d，年均降水量500 ～ 600 mm，4-9月有效日照總數(shù)1 700 h，≥10 ℃有效積溫3 200 ℃。供試土壤為棕壤，耕層土壤(0～20 cm)基本理化性質(zhì)：pH值6，全氮1.13 g/kg，有機質(zhì)17.8 g/kg，堿解氮(N)135 mg/kg，有效磷(P2O5)17.6 mg/kg，速效鉀(K2O)129.0 mg/kg。

1.2 試驗處理

本研究起止時間為2007-2016年，設不同氮肥水平及施氮方式共9個處理，分別為N0(對照)，無氮肥；N1138.0 kg/hm2(低氮量)；N2241.5 kg/hm2(中氮量)；N3345.0 kg/hm2(高氮量)，N常168.0 kg/hm2(常規(guī))5個氮肥水平，氮肥均為30%作基肥，70%在玉米拔節(jié)中期追施。另外為了探討施肥方式對玉米產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分變化的影響，本試驗在中氮量(N 241.5 kg/hm2)條件下設置4種不同施肥方式處理，分別為N追1、N追2、N雙層、N1次，追1次肥為氮肥30%作基肥，70%在拔節(jié)中期追施；追2次肥為氮肥20%作基肥，60%拔節(jié)中期施，20%大喇叭口施；雙層施肥為30%的氮肥基施，70%氮肥深施于15 cm處；1次性深施肥采用緩控釋肥1次性深施于15 cm處。所有處理均施磷鉀肥，用量分別為(P2O5)225 kg/hm2和(K2O)225 kg/hm2，全部以基肥形式施入。氮肥為普通尿素(含N 46%)，磷肥為磷酸二銨(含P2O546%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)，緩控釋肥為金正大包膜尿素含氮35%。試驗以小區(qū)方式進行，小區(qū)面積30 m2，隨機排列，重復3次。每年4月下旬播種，9月下旬收獲。品種每2～3 a更換1次。玉米收獲后，地上部秸稈全部移出小區(qū)，根茬還田。

1.3 分析測定方法

土壤養(yǎng)分測定：隔年秋收后在壟臺上采集0～20 cm耕層土壤，每個小區(qū)多點取土(至少5點)混合成一個土樣，風干研磨后用常規(guī)方法測定土壤養(yǎng)分。采用電位法測定土壤pH值，重鉻酸鉀法測定有機質(zhì)，開氏法測全氮，堿解擴散法測堿解氮，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測有效磷，醋酸銨浸提-火焰光度法測速效鉀。

產(chǎn)量測定：收獲時分別測定空白區(qū)和施肥區(qū)產(chǎn)量，測定產(chǎn)量的方法采取實收和隨機取樣實脫測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

肥料對作物產(chǎn)量的貢獻率=(某施肥處理產(chǎn)量-不施肥處理產(chǎn)量)/某施肥處理產(chǎn)量×100%。

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2010整理后，應用 SPSS 11.5軟件進行方差統(tǒng)計分析和Duncan新復極差法多重比較。

2 結果與分析

2.1 連續(xù)施肥對土壤有機質(zhì)和全氮的影響

土壤有機質(zhì)含量是衡量農(nóng)田土壤潛在肥力的重要因子之一。10 a來，不同氮肥處理的表層土壤有機質(zhì)含量基本呈波動變化趨勢，除2012年N0顯著低于其他處理外，其他年份處理間差異均不顯著，其中N0處理10 a來有機質(zhì)含量由最初的17.8 g/kg下降到17.0 g/kg，而其他施肥處理耕層土壤有機質(zhì)含量與試驗前相比均略有提高，但并沒有隨著施肥量的增加而增加，N2處理10 a平均有機質(zhì)含量最高，比N0增加了8.8%(圖1-A)；施氮量相同時，施肥方式的改變也會導致土壤有機質(zhì)累積的變異，N追1處理有機質(zhì)含量在這幾年中都較其他處理略高，但除2008年顯著高于N雙層處理外，其他年份與其他處理之間的差異均未達顯著水平，不同施肥方式處理在2014年之前土壤有機質(zhì)含量都是波動增加的趨勢，但在2016年突然下降(圖1-B)，原因有待進一步研究。

氮素在土壤中90%以上是以有機形態(tài)存在的，一般情況下土壤全氮的年際變化動態(tài)與有機質(zhì)的變化趨勢相似，但同一年份處理間差異幅度較有機質(zhì)大(圖2)。說明不施氮肥或者化肥偏施不利于土壤全氮的累積和穩(wěn)定，這與古巧珍等[6]的研究結果相似。隨著施氮量的增加土壤全氮含量略有提高，其中高量氮肥N3和中量氮肥N2處理的土壤全氮含量基本在同一水平，無顯著差異，2010年N3處理表層土壤全氮含量顯著高于N0、N1和N常，2014年N3和N2表層土壤全氮含量顯著高于N0、N1和N常，但其他年份各氮肥處理間差異均未達顯著水平(圖2-A)。不同施肥方式的各處理連續(xù)施肥10 a后全氮含量提高了1.8%～8.8%，除2008年N追1處理顯著高于N雙層和N1次處理，2010年N追1、N追2、N雙層顯著高于N1次處理外，其他年份施肥方式處理之間沒有顯著差異(圖2-B)，說明在施氮量相同時，施肥方式對表層土壤全氮含量的長期影響不顯著。

不同小寫字母表示同一土壤不同處理間差異達顯著水平(P<0.05)。圖2-7同。

圖2 長期連續(xù)施肥后土壤全氮的變化

2.2 連續(xù)施肥對土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的影響

土壤速效NPK含量的高低，直接關系到土壤結構、供肥能力和作物產(chǎn)量。氮是土壤中最為活躍的大量營養(yǎng)元素之一，堿解氮含量在一定程度上可以反映出土壤氮素的供應強度。由圖3-A可知，長期連續(xù)施用含氮的肥料，對耕層土壤堿解氮含量具有一定的提高作用，并隨著施用量的增加，提高效果更加明顯；不施氮處理的堿解氮含量呈逐年緩慢下降的趨勢，10 a后下降了27.8%，嚴重影響了土壤氮的供應能力。在土壤中移動性較小的磷素與氮的情況不同，由圖4-A可知，10 a來不同N肥處理的表層土壤有效磷含量基本呈波動緩慢上升的總體趨勢；施肥第1年，各處理有效磷含量都較基礎值有所下降，其中N0處理最低，下降了71.0%，而在以后的試驗中N0處理的有效磷含量始終維持在一個極低的水平，與其他施氮處理均達到差異顯著水平。速效鉀含量的整體變化趨勢與有效磷相似，由圖5-A可知，不施氮處理速效鉀含量最低，與其他施氮處理差異顯著，氮肥的施用使速效鉀含量均有所增加，其中N2處理速效鉀含量較高，在2010年該處理其他施氮處理差異達顯著水平。

宇萬太等[7]研究表明，土壤速效養(yǎng)分含量主要受施肥水平和施肥方式的影響。不同施肥方式的各處理堿解氮、有效磷和速效鉀含量在連續(xù)施肥10 a后都呈平穩(wěn)緩慢上升的趨勢(圖3-B、4-B、5-B)。在施氮量相同時，施肥方式的改變對10 a后堿解氮和速效鉀含量影響差異不顯著；N追2處理的土壤有效磷含量增加的較快，在2012年以后其含量顯著高于N追1和N1次處理?？傮w來看，長期施用氮磷鉀全營養(yǎng)的肥料，在充分滿足作物對氮磷鉀營養(yǎng)需要的同時，還極大地提高了土壤的速效養(yǎng)分含量。

圖3 連續(xù)施肥后土壤堿解氮的變化

圖4 連續(xù)施肥后土壤有效磷的變化

圖5 連續(xù)施肥后土壤速效鉀的變化

2.3 連續(xù)施肥對土壤pH值的影響

土壤酸堿度受形成土壤的母質(zhì)種類的影響。從圖6中可以看出，不施氮和低氮處理，連續(xù)施肥10 a，土壤pH值升高了0.2～0.4個單位，稍稍緩解了土壤酸化，隨著施氮量的增加，土壤pH值逐漸降低，尤其高氮處理10 a下降了0.4個單位，但各處理間無顯著差異。雙層施肥和一次性施肥處理的pH值也呈逐年下降的趨勢，酸化程度越來越重，說明不合理的施用氮肥，能加速土壤的酸化，降低pH值。

圖6 連續(xù)施肥后土壤pH值的變化

2.4 連續(xù)施肥對玉米產(chǎn)量和肥料貢獻率的影響

2.4.1 連續(xù)施肥對玉米產(chǎn)量的影響 從表1可以看出，2016年不施氮肥處理N0減產(chǎn)非常嚴重，與各施肥處理相比差異達顯著水平，這與10 a的平均產(chǎn)量結果相一致。隨著施氮量的增加產(chǎn)量有逐漸增加的趨勢，但氮量增加到一定程度時，產(chǎn)量就不再增加反而下降了，因此，N2處理的產(chǎn)量最高，與其他施氮處理相比產(chǎn)量差異都達到顯著水平，比N0增產(chǎn)94.4%。從10 a的平均產(chǎn)量結果發(fā)現(xiàn)N2處理產(chǎn)量最高，產(chǎn)量變異系數(shù)最小，說明此施肥水平即可提高土壤生產(chǎn)能力，保證作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，而氮肥過高或過低都會影響玉米產(chǎn)量及其穩(wěn)定性。

在施氮量相同時，不同的施氮方式對產(chǎn)量也會有很大的影響，2016年N追1處理的產(chǎn)量最高，與其他處理產(chǎn)量差異達顯著水平，與不施氮肥處理相比增產(chǎn)率也是最高的；而其他3個不同施肥方式處理之間差異不顯著。10 a玉米平均產(chǎn)量各施肥方式間無顯著性差異。

2.4.2 連續(xù)施肥對肥料貢獻率的影響 肥料貢獻率，即肥料對作物產(chǎn)量的貢獻率，將不施肥處理的產(chǎn)量視為土壤(地力)對產(chǎn)量的貢獻，以其為基準進行計算，是反映年投入肥料的生產(chǎn)能力的指標[8]。分年度計算每年的肥料貢獻率(圖7)，取其平均值(表1)。從表1看出，2016年肥料貢獻率從高到低分別是N2>N3>N常>N1，與10 a平均結果相一致。從圖7-A肥料貢獻率的動態(tài)變化來看，前4 a肥料貢獻率波動較大，可能是由于試驗初期產(chǎn)量的不穩(wěn)定性導致的，有相關結論已發(fā)表[9]，后6 a肥料貢獻率波動較小，趨于平穩(wěn)。

不同施肥方式各處理由于產(chǎn)量的差異不顯著，因此，肥料貢獻率除2013年N追2處理顯著低于其他處理外，其余年份各處理之間無顯著差異(圖7-B)，說明在遼北地區(qū)施氮量比施肥方式對玉米產(chǎn)量和肥料貢獻率影響更大。

表1 長期連續(xù)施肥對玉米產(chǎn)量和肥料貢獻率的影響

注：不同小寫字母表示在5%水平上的差異顯著性。

Note： Different letters indicate significant differences(P<0.05)。

圖7 長期連續(xù)施肥條件下肥料貢獻率的動態(tài)變化

3 討論與結論

受土壤類型、肥料種類和作物輪作方式的影響，使長期連續(xù)施用化肥對土壤有機質(zhì)的影響也各有差異[10-12]，林治安等[13]、王慎強等[14]研究顯示，連續(xù)不施肥的對照處理土壤有機質(zhì)含量沒有逐漸下降，而是一直處在一個緩慢上升的過程；也有研究表明，長期不施肥導致土壤有機質(zhì)有所下降[15]。本研究結果與后者結果相似，長期不施氮肥處理的土壤有機質(zhì)含量和全氮含量都是在基本維持原有水平略有下降的，這可能是由于長期不施氮肥使土壤有效氮庫過度耗竭造成的。化學氮肥并不能直接促進土壤碳、氮的累積，而有機物質(zhì)的加入量和作物根茬殘留量才是影響土壤有機碳、有機氮含量高低的主要因素[16-18]。從本研究結果可以看出，不同施肥方式各處理由于施肥量相同，每年根茬、葉稈等殘留的還田量幾乎不相上下，因此，使其土壤有機質(zhì)和全氮含量的增長速度基本相同。

長期連續(xù)施肥通過提高土壤養(yǎng)分貯量和有效性而影響土壤肥力。連續(xù)定位施肥，不同處理因施肥量和施肥方式的不同，土壤養(yǎng)分結構不同，經(jīng)過10 a累積作用使土壤養(yǎng)分含量發(fā)生了不同的變化，總的來看，長期不施氮肥處理的耕層土壤堿解氮和有效磷含量較基礎值分別下降了27.8%和71.0%，且始終維持在較低的水平波動，嚴重影響了土壤有效養(yǎng)分的累積和對作物氮磷養(yǎng)分的供應能力。當適量氮肥配合磷鉀肥一起使用，無論哪種施肥方式，都能提高土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的含量，有利于培肥地力，這與孫好[19]、張水清等[20]的研究結論基本一致。因此，氮肥是影響春玉米耕層土壤的主要營養(yǎng)元素，隨著種植年限的延長，氮缺乏導致土壤養(yǎng)分儲存和供應能力下降，適量氮肥與磷鉀配施可使耕層土壤有效養(yǎng)分維持平穩(wěn)增加。

長期連續(xù)定位施肥對作物的增產(chǎn)作用，國內(nèi)外許多學者都已進行過大量的研究，這些研究表明，要想獲得持續(xù)的高產(chǎn)，需要合理的氮磷鉀配合施用[21-23]，本研究也證明了這一點，只施磷鉀不施氮肥處理10 a來減產(chǎn)嚴重，隨著氮肥施入量的增加產(chǎn)量也隨之增加，而當化學肥料用量已經(jīng)能夠滿足作物正常生長需要時，繼續(xù)提高氮肥用量不能實現(xiàn)作物產(chǎn)量的持續(xù)增加，這與楊軍等[24]試驗結果相吻合。

經(jīng)過10 a長期連續(xù)定位施肥試驗研究發(fā)現(xiàn)：氮磷鉀肥配合后，選擇適宜的施肥量和施肥方式能提高土壤肥力、保證玉米產(chǎn)量，并在大約經(jīng)過5 a左右的時間，產(chǎn)量保持在一個相對穩(wěn)定的水平后，肥料貢獻率波動范圍較小。說明經(jīng)過較長時間的施肥過程，土壤肥力和供肥性能已經(jīng)達到相對穩(wěn)定和充足階段，在適量施肥和保證灌溉情況下，肥、水條件已經(jīng)不是影響作物產(chǎn)量的限制因素，此時的作物產(chǎn)量應該是試驗所在區(qū)域特定氣候和環(huán)境條件下常規(guī)栽培糧田實際生產(chǎn)水平的具體體現(xiàn)。因此，本試驗區(qū)域內(nèi)推薦氮肥用量為241.5 kg/hm2，拔節(jié)中期追施一次的農(nóng)田操作方式即可達到維持土壤較高肥力水平和糧食增產(chǎn)的和諧關系。