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《中国农业科学院》 2005年
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施肥制度与土壤可持续利用

李絮花  
【摘要】: 本文以“国家土壤肥力与肥料效益长期监测基地网”(CNSFFEMN)(简称“基地网”)的长期定位肥料试验为平台,系统研究了土壤有机质含量的演变规律及不同施肥制度对土壤腐质性质和品质的影响。结果表明,(1)长期不施肥土壤有机质含量均是最低的;与试验前比较,长期不施肥土壤有机质含量提高的有北京褐潮土、陕西黄土、湖南红壤,土壤有机质含量降低的有吉林黑土、新疆灰漠土、重庆紫色土和浙江水稻土,基本保持试验前水平略有降低的是河南潮土。(2)长期施用化肥土壤有机质含量提高有北京褐潮土、陕西黄土、湖南红壤、重庆紫色土,土壤有机质含量稍有降低或提高的是河南潮土,稳中有升的是浙江水稻土,土壤有机质含量降低的有吉林黑土、新疆灰漠土。长期化肥与有机肥配合施用或化肥配合秸秆还田是加快土壤有机质累积、培肥地力的有效措施。(3)长期不施肥腐殖质和重组腐殖质的含量均较低;长期施用化肥土壤有机质、腐殖质和重组腐殖质含量均较高;长期NPK配施有机肥会显著提高土壤有机质、腐殖质、重组腐殖质的含量。(4)长期不施肥土壤胡敏酸和松结态腐殖质的含量及胡敏酸/富里酸的比值和松结态/紧结态腐殖质的比值均降低,土壤腐殖质品质变劣。长期施肥、特别是NPK配施有机肥能显著提高土壤胡敏酸、富里酸和松结态腐殖质的含量,使胡敏酸/富里酸的比值和松结态/紧结态腐殖质的比值提高,土壤腐殖质品质得到改善,从而促进了土壤有机质的活化与更新。 本文以“国家土壤肥力与肥料效益长期监测基地网”(CNSFFEMN)(简称“基地网”)的长期定位肥料试验为研究平台,分析不同土壤类型上不同施肥制度土壤磷素肥力的演变规律,研究不同施肥制度对土壤无机磷磷和有机磷形态、有效性及转化的影响,(1)长期不施用磷肥大多数监测基地的土壤全磷含量变化较小,仅在土壤磷素供应水平较低的湖南红壤上土壤全磷含量降低较多;但是。长期不施用磷肥土壤速效磷含量均大幅度降低,处于严重缺磷的状态,成为作物生长的限制因子。(2)长期施用磷肥土壤全磷含量、特别是速效磷含量提高,化学磷肥与有机肥配合施用会加速土壤全磷和速效磷的积累,致使土壤速效磷含量在某些土壤上达到很高的水平,在这些土壤上可连续施用3~5年磷肥后停止施用磷肥,利用磷肥的后效。(3)在浙江水稻土上,由于土壤处于淹水状态使磷素得以活化,而农业灌溉又带入大量的磷素,致使无论是否施用磷肥土壤全磷和速效磷含量均有不同程度的增加。(4)土壤磷素均以无机磷为主,占全磷总量的70~80%,长期不施用磷肥土壤无机磷均明显降低,而北京褐潮土、重庆紫色土和湖南红壤的有机磷含量降低,而新疆灰漠土的有机磷含量反而提高,这可能是新疆特殊的种植制度所致。长期施用化学磷肥土壤无机磷和有机磷均有所提高。(5)北京褐潮土、重庆紫色土和新疆灰漠土无机磷以Ca-P为主,其次是O-P;其中以新疆灰漠土的Ca-P所占比例最大、其次为北京褐潮土,重庆紫色土Ca-P占无机磷的比例最小;O-P则相反。湖南红壤无机磷则以O-P为主,其次为Fe-P。(6)长期不施用磷肥,北京褐潮土、重庆紫色土、湖南红壤的Ca2-P、CaS-P、Al-P和Fe-P均降低,难以被作物利用的O-P和Ca10-P也有所降低,新疆灰漠土的Ca2-P、Al-P、Fe-P和Ca10-P均降低,而Ca8-P和O-P增加。长期施用磷肥北京褐潮土、重庆紫色土、湖南红壤无机磷总量和各形态无机磷含量基本呈增加的趋势。(7)长期不施用磷肥,土壤磷素严重耗竭;北京褐潮土对作物的贡献主要来自Ca8-P、Ca2-P、O-P,其次Al-P、Fe-P,而作物难以利用Ca10-P也可以逐渐转化为有效磷源:重庆紫色土上Ca2-P和Ca8-P稻麦磷素营养的贡献远不如Al-P、Fe-P和O-P;随着有效磷源的降低,O-P容易转化为作物能吸收的磷;湖南红壤Al-P、特别是Fe-P对作物的贡献远远高于Ca8-P、Ca2-P,随着磷素的耗竭,难以被作物利用Ca10-P也能逐渐被作物吸收利用。新疆灰漠土Ca2-P、Al-P、Fe-P及少量的Ca10-P为是作物的有效磷源。(8)北京褐潮土上,长期单施化学磷肥促进了磷素的有效性转化,化学磷肥配施有机肥能更好地促进无机磷的有效性转化;而化学磷肥配施秸秆促进无机磷向难以被作物吸收利用的Ca10-P的转化。重庆紫色土上,长期单施化学磷肥促进了磷的有效性转化,化学磷肥配施秸秆能进一步促进重庆紫色土上磷素的有效性转化;化学磷肥配施厩肥能促进无机磷向O-P的转化。湖南红壤上,土壤无机磷以难以被作物吸收利用的O-P、Fe-P为主,当连续不断地施用化学磷肥和有机肥料时,会出现Ca2-P、Ca8-P、特别是Al-P、Fe-P大量积累。(9)土壤有机磷以中等活性有机磷形态为主,中稳性有机磷形态次之,活性有机磷和高稳性有机磷含量较低。长期不施用磷肥0-20cm土壤有机磷总量以及活性、中等活性和中稳性有机磷含量均降低,20-40cm土壤活性、中等活性和中稳性有机磷均降低,高稳性有机磷却明显增加。长期施用化学磷肥和NPK配施秸秆0-20cm土壤有机磷总量、活性有机磷、中等活性有机磷和高稳性有机磷基本均有增加,而中稳性有机磷含量降低;20-40cm土壤有机磷总量、高稳性有机磷、中等活性有机磷均增加,而活性有机磷和中稳性有机磷降低。长期NPK配施厩肥土壤有机磷总量和各形态有机磷含量均明显增加,其中活性有机磷含量的增幅最大,高稳性有机磷次之,中等活性有机磷的增幅较低,中稳性有机磷的增幅最低。(10)长期不施磷肥,随着土壤磷素的耗竭北京褐潮土0~20cm中稳性有机磷的潜在有效性较大,20~40cm土壤有机磷以活性有机磷的有效性最高。长期不施用磷肥,中等活性有机磷对作物的贡献最大,其次为中稳性有机磷,土壤活性有机磷的贡献较小,高稳性有机磷反而向其它形态有机磷转化:长期施用化学磷肥和NPK配施秸秆不仅使土壤中累积的有机磷主要向中等活性有机磷转化,而且还使中稳性有机磷向其它形态有机磷转化:长期NPK配施厩肥土壤中累积的有机磷主要向中等活性和活性有机磷转化。 本文以国家褐潮土肥力与肥料效益监测基地的长期肥料试验为平台,在作物生长期内,通过周年监测,系统研究了长期不同施肥制度对土壤主要养分因子、酶活性、微生物种群和生理群落的影响。主要结果:(1)长期施用化肥土壤有机质和速效氮含量均有不同程度的提高。长期不施用磷肥(0、CK、N、NK)土壤全磷、特别是速效磷含量明显偏低,低于5rag·kg~(-1)的临界水平,出现严重的缺磷现象:长期施用磷肥土壤全磷含量和速效磷含量显著提高。化肥与厩肥和秸秆长期配合施用则能进一步提高土壤养分含量。(2)长期NPK均衡施肥、特别是NPK配施厩肥或秸秆可显著提高土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性;长期偏施N、NK、PK、NP均不同程度的降低土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶的活性;但长期施肥可降低土壤中过氧化氢酶的活性。(3)长期单施化肥,土壤微生物数量较长期撂荒土壤有不同程度的下降;长期单施化肥,与长期不施肥比较,土壤的微生物数量有一定程度的增加。与非均衡施肥比较,长期NPK化肥均衡施用,土壤细菌、真菌和放线菌三大菌群的数量没有明显增加,某些微生物生理菌落如氨化细菌、硝化细菌、纤维分解菌数量有一定程度的增加。化肥与厩肥或作物秸秆长期配合施用,可显著增加土壤微生物的数量,土壤中微生物数量不仅高于单施化肥的农田,而且也高于长期撂荒的土壤。(4)通过相关分析、逐步回归和通径分析结果表明,褐潮土主要养分因子与土壤过氧化氢酶活性呈负相关,而与土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性呈正相关。土壤全磷和速效磷含量对土壤过氧化氢酶和脲酶活性的直接影响力较大,并且土壤有机质、全氮、速效氮和速效钾含量主要表现为通过土壤全磷、速效磷对过氧化氢酶和脲酶活性的间接影响;土壤有机质、全氮、速效氮、速效钾含量对土壤蔗糖酶活性直接影响力较大,而土壤全磷、速效磷对土壤蔗糖酶活性直接影响较小,其主要表现为通过土壤有机质、速效氮、速效钾对土壤蔗糖酶活性的间接影响力;土壤养分因子对土壤磷酸酶活性的影响较小。这充分表明褐潮土土壤酶活性可以作为土壤肥力水平的评价指标。土壤中大多数微生物种类的数量与养分含量、作物产量具有正相关关系。 本文以“国家土壤肥力与肥料效益长期监测基地网”的长期肥料试验为平台,研究长期不同施肥制度对小麦、玉米和水稻营养和加工品质的影响,初步得到以下结果: 在小麦上,(1)长期施用氮肥能提高小麦籽粒的蛋白质、氨基酸和必需氨基酸含量,长期不施氮肥小麦籽粒蛋白质、氨基酸和必需氨基酸含量均较低,化肥与有机肥配合施用(NPK+M)能显著提高籽粒蛋白质含量、却不能提高籽粒氨基酸和必需氨基酸含量。(2)长期施用氮肥对小麦面粉湿面筋含量没有显著的影响,长期不施氮肥面粉的湿面筋含量降低。化肥与有机肥配合施用(NPK+M)或化肥配合秸秆还田(NPK+S)小麦面粉的湿面筋含量均较低。(3)不同土壤类型小麦籽粒蛋白质、氨基酸、必需氨基酸含量和面粉湿面筋的差异较大,以湖南红壤较高。(4)长期不施用氮肥(PK)面团稳定性和抗延伸性较差,长期单施氮肥能提高面团的稳定性和抗延伸性提高;长期施用NP或NK肥、NPK与有机肥配合施用、特别是NPK均衡施用面团稳定性和抗延伸性会进一步提高。(5)北京褐潮土小麦面团的稳定性和面粉加工品质较好,重庆紫色土小麦面团稳定性和抗延伸性较差,在重庆紫色土上发展小麦不利于面团和稳定性延伸性的改善。(6)长期施用氮肥均能不同程度改善小麦淀粉的粘弹性和降落值,小麦面粉的峰值粘度、谷值粘度、最终粘度、反弹值均有一定提高,峰值时间有所推迟,淀粉的降落值提高。(8)南方(湖南红壤和重庆紫色土)小麦的淀粉粘度和淀粉降落值普遍偏低,直链淀粉含量较低,籽粒和面粉的耐储性较差,不适于食品加工。(9)从小麦品质指标分析,化肥在改善小麦籽粒加工品质的效果好于化肥与有机肥配合、尤其是在改善面团稳定性和延伸性方面,且以NPK均衡施用和施用NP肥的综合效果最好。 在玉米上,(1)南方玉米的营养品质好于北方玉米,但南方玉米产量远低于北方。(2)施用氮肥,玉米籽粒蛋白质、氨基酸总量、必需氨基酸含量和蛋白质产量均不同程度的提高。长期不施用氮肥(PK)玉米籽粒的氨基酸含量降低,但对玉米籽粒蛋白质含量的影响在不同土壤上表现不同。(3)不施用磷肥玉米籽粒的粗脂肪含量较低,多数土壤(河南潮土除外)上长期施用磷肥玉米的粗脂肪含量均较高。(4)不施用磷肥玉米的灰分含量降低,施用磷肥会提高玉米的灰分含量;施用钾肥并不能提高玉米的灰分含量。(5)不施用磷肥肥淀粉粘度指标变差,施用磷肥淀粉粘度指标变好,单施N或NK肥不利于淀粉粘度品质的改善,化肥与有机肥或秸秆配合施用(NPK+M、NPK+S)玉米淀粉粘度指标会得到进一步改善。(6)综合分析不同施肥制度玉米籽粒营养品质和加工品质的影响结果,NPK均衡施用改善玉米品质的效果最好。 在水稻上,(1)长期施肥均不同程度的增加浙江水稻土上稻米的蛋白质含量;长期施肥均能提高稻米总氨基酸和必需氨基酸及其组分含量。(2)在紫色土上,NPK均衡施用、化肥与配施有机肥(NPK+M)均利于稻米出糙率和精米率、特别是整精米率的提高,改善碾米品质。浙江水稻土上,长期单施化肥、单施有机肥(M)或化肥与有机肥(NPK+M)配施能降低稻米出糙率、整精米率和精米率,稻米的碾米品质变劣。(3)不同施肥制度对稻米碱消值、糊化温度、胶稠度、直链淀粉含量的影响较小。(4)长期施用磷肥稻米的灰分含量提高,长期施用钾肥没有提高稻米的灰分含量,这与其它肥料试验的研究结果不同。(5)长期施用氮肥淀粉粘度品质变差,长期施用氮磷肥淀粉的粘度品质略有改善,长期施用氮钾肥淀粉的粘度品质进一步改善;长期NPK均衡施用最有利于淀粉粘度品质的改善;长期化肥与有机肥配施和单施有机肥也能不同程度的改善淀粉粘度品质。(6)浙江水稻土上,长期施肥均导致粘度品质下降。重庆紫色土长期不平衡施肥(N、NP、NK)淀粉粘度品质变差,长期NPK均衡施用、化肥配施有机肥(NPK+M)或单施有机肥(M),淀粉粘度品质得到较大的改善。 本研究“国家土壤肥力与肥料效益长期效益监测基地网”(CNSFFELTMN)(简称“基地网”)的长期肥料定位试验为研究平台,采用盆栽试验与室内分析相结合的方法,研究不同施肥制度养分非均衡化土壤功能衰退与修复机制。主要结果如下:(1)长期不施肥,土壤养分含量降低,土壤速效磷降低更多,氮磷钾养分不均衡、速效磷含量低是导致的生产力大幅度下降主要原因;在长期不施肥的土壤上单施氮肥,不能恢复土壤地力,提高产量;只有施用NP肥、NPK肥或化肥与有机肥配合施用进行土壤功能的修复,才能改善土壤养分的不均衡,对玉米和小麦的产量可以达到极显著修复效果。其中NPK均衡施用和化肥与有机肥配合施用的修复效果较好,肥效持久。(2)长期单施氮肥和NK肥,土壤磷素供应水平很低,相对的氮钾多磷少,导致土壤养分严重不均衡、土壤生产力下降;在长期单施氮肥(N)或氮钾肥(NK)的土壤上,继续单施氮肥或氮钾,土壤养分非均衡化进一步加剧,生产力降低;施用NPK肥进行土壤功能的修复,磷素缺乏得到改善,土壤速效N/P和K/P比值降低,作物的产量均大幅度提高,获得了极显著的修复效果。(3)长期施用磷钾肥而不施氮肥,土壤速效磷含量较高,氮钾、特别是氮素严重缺乏,土壤生产力严重降低。长期施用磷钾肥的土壤上,继续施PK肥,土壤养分不均衡加剧,磷多氮少,在多数土壤上作物的产量最低;停止施肥,土壤磷素供应水平降低,缓解了土壤养分的不均衡状况,作物产量有所提高:施用氮肥和NPK肥进行土壤功能的修复,土壤养分平衡改善,作物产量提高,获得显著的土壤功能修复效果,但单施氮肥的修复效果第一季好于NPK处理,第二季的修复效果以NPK处理较高。(4)长期NPK均衡施用,土壤养分含量均较高、且相对均衡;但土壤和作物对肥料的依赖性更强,停止施肥,土壤养分含量降低较多,第一季作物的产量降低50%以上。只有继续施用NPK肥才能维持和提高土壤肥力和生产力水平。然而,NPK与有机肥配合施用进行土壤功能的修复,土壤养分含量有较大幅度的提高,但作物产量上没有达到预期的修复效果,多数土壤上的作物产量低于NPK处理。(5)长期施用氮肥、氮钾肥、氮磷钾肥会引起南方土壤—湖南红壤的严重酸化,土壤pH值由长期定位试验前的5.7下降到修复试验前的4.6,成为作物生长的限制因子:在这3个长期试验处理的土壤上,如果仅施用氮磷钾肥,不能获得较好的修复效果,产量较低;只有NPK配合石灰施用进行土壤功能的修复才能达到较好的效果,产量才会提高。 本文以“国家土壤肥力与肥料效益长期监测基地网”的长期定位肥料试验为研究平台,综合分析了不同施肥制度对土壤硝态氮含量和分布的影响,具体结果如下:(1)长期不氮肥(CK、PK)土壤硝态氮含量很低或极低。长期施用氮肥或氮钾肥能增加土体内、特别是深层土体内硝态氮的含量,增加了氮素淋失和地下水污染的可能性。长期NP肥、特别是氮磷钾肥均衡施用能降低土体内硝态氮的含量。(2)长期氮磷钾与有机物料配合施用在不同监测基地对硝态氮含量和分布的影响不同,在陕西黄土、新疆灰漠土和湖南红壤上化肥与有机肥或秸秆配合施用能降低土体内硝态氮的含量,减少氮素的淋失损失;在北京褐潮土、河南潮土和吉林黑土上,长期氮磷钾配合有机肥或秸秆还田施用,不能降低土体内硝态氮的含量,并且过量施用有机肥会大幅度提高土体内硝态氮的含量,增加氮素淋失损失和地下水污染的可能性。
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