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长期施肥条件下红壤性水稻土氮素肥力分异特征

黄欠如  
【摘要】:在江西省红壤研究所红壤性水稻土肥料长期定位试验中,采集不同施肥处理(CK, N, NP、NPK、NPKM、OM)耕层土壤,研究了不同施肥处理土壤各有机形态碳、氮含量及其关系,探讨了各施肥处理对土壤团聚体、生物活性等的影响;并通过室内恒温淹水培养实验,研究了不同施肥处理土壤氮素矿化作用对外源物的响应特点;同时,结合不同施肥处理对水稻土基础肥力及作物产量的影响,进一步分析了水稻年产量与土壤物理、化学、生物学若干测试指标的关系。研究结果如下: 土壤团聚体干筛分析结果表明,与CK相比,在连续施肥23a后,施用有机肥(NPKM、OM)可显著提高粒径3-5mm土壤团聚体含量(25.4%-24.6%)、降低粒径0.05~0.25mm、0.05mm的团聚体含量(70.6%-71.1%和113.6%-121.7%);而单施化肥处理(N, NP、NPK),各粒径土壤团聚体含量无明显差异。表明施肥对红壤性水稻土团聚体的影响主要受有机肥的控制,与化肥关系不大。红壤性水稻土团聚体的MWD、GMD和分形维数值与粒径1~2mm、0.5~1mm、0.25~0.5mm、0.05~0.25mm、0.05mm团聚体含量存在显著或极显著的线性关系,从而认为土壤团聚体的MWD、GMD和分形维数值可较客观地反映土壤肥力的状态。 红壤性水稻土在连续施肥23a后,化肥配施处理(NPK)耕层土壤有机碳和全氮与CK处理相比无显明变化。有机肥处理(NPKM、OM)耕层土壤有机碳和全氮含量较CK处理分别提高31.5%-34.3%和26.5%-33.7%(P0.01),比NPK处理分别增加19.3%-21.8%和14.3%-20.7%(P0.05)。单施有机肥处理与有机肥化肥配施处理间无显明差异,表明有机肥是提高红壤性水稻土有机质和全氮的根本途径。NPK处理耕层土壤闭蓄态颗粒有机碳的含量及其构成(占土壤有机碳的比例)较CK处理分别提高66.0%和47.8%(P0.05)。施用有机肥(NPKM、OM)耕层土壤各组分有机碳含量较CK处理、NPK处理均有显著的提高;有机肥处理(NPKM、OM)与CK相比,其游离态颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳构成分别增加82.0%-270.0%和97.3%~97.7%(p0.01),而耕层土壤矿物结合态有机碳构成却减少了18.9%~21.3%(p0.05);与化配施肥(NPK)相比,有机肥处理(NPKM、OM)可显著地提高耕层土壤有机碳中游离态和闭蓄态颗粒有机碳的构成,但对矿物结合态有机碳的构成影响不明显。NPKM处理与OM处理相比,除游离态颗粒有机碳外,均无明显差异。表明施用有机肥(NPKM、OM)可提高耕层土壤各形态碳素的含量,改变各形态碳素在有机碳中的构成,化肥配施对耕层土壤闭蓄态有机碳含量和构成也有明显的促进作用。连续施用有机肥(OM, NPKM)耕层土壤积累碳在各形态有机碳的分配率表现为闭蓄态颗粒有机碳(72.8%-76.8%)矿物结合态有机碳(13.1%-16.7%)游离态颗粒有机碳(2.6%-6.1%),且各形态有机碳间的分配率达显著性差异;积累氮在各形态氮中的分配受有机肥的影响,总体表现出氨基酸态氮(26.6%~38.0%)非酸解氮(27.6%-32.0%)未知态氮(17.1%-28.5%)氨态氮(7.0%-9.9%)氨基糖态氮(5.9%-7.4%)的趋势。NPKM处理与OM间积累碳、氮的分配无明显差异,表明红壤性水稻土积累碳、氮分别在各形态碳、氮中的分配基本保持稳定。 耕层土壤N素养分主要受有机肥的控制,施有机肥(OM、NPKM)能显著提高土壤全氮、酸解性总氮的含量。在酸解性总氮组分中,有机肥(0M)或有机无机肥配合(NPKM)施用可显著提高各形态酸解性氮的含量,化肥配施(NPK)则显著提高了氨基酸态氮含量,而氮肥单施(N)或偏施(NP)对土壤各酸解性氮影响不明显。与不施肥(CK)相比,长期施有机肥(OM、NPKM)显著增加耕层土壤各团聚体中酸解性总氮、氨态氮、氨基酸态氮含量。同时,有机肥也显著提高粒径3-5mm、5mmm团聚体对土壤全氮、酸解性总氮、氨态氮、氨基酸态氮的贡献率,这也说明长期施有机肥(OM、NPKM)可提高土壤大团聚体N素养分供应能力。 长期施有机肥(OM、NPKM),耕层土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮较纯化肥区(NPK、NP、N)和无肥区(CK)均有显著或极显著的提高。与CK相比,长期单施化肥(N、NP、NPK)微生物生物量碳、氮增加幅度较小。同时,施有机肥(OM、 NPKM)有激活和提高土壤酶活性的作用,表现在耕层土壤蔗糖酶活性、纤维素酶活性、脲酶活性、天(门)冬酰胺酶活性、谷氨酰胺酶活性、组氨酸脱氨酶活性等均明显高于纯化肥区(NPK, NP、N)和无肥区(CK)。除NPK处理明显增加耕层土壤纤维素酶活性、脲酶活性、组氨酸脱氨酶活性外,纯化肥区(NPK, NP、N)仅略高于无肥区(CK),没有明显的促进作用。相关分析结果表明,红壤性水稻土微生物生物量碳、氮及各种酶活性与土壤有机碳和全氮间均呈显著或极显著正相关。 长期施有机肥(OM、NPKM)的土壤不管是否添加外源物(碳源或磷源),室内淹水恒温(30℃)培养32d后,其氮素净矿化量均明显(p0.05)高于纯化肥区(N、 NP、NPK)和无肥区(CK);化肥区表现出NPKNPNCK的趋势(p0.05),说明红壤性水稻土长期施用有机肥可显著提高耕层土壤供氮能力。加入葡萄糖后,各施肥(CK, N、NP、NPK, NPKM、OM)土壤氮素的相对矿化量均为负值,其值大小表现出OMNPKMNPKNPNCK的趋势(p0.05),意味着其矿质氮的生物固持作用均大于有机氮的矿化作用。这种生物固持作用在低有机质的土壤(CK、N、 NP、NPK)上更强;而加入K2HPO4后,各供试土壤氮素相对矿化量均为正值,表明磷素可促进红壤性水稻土的有机氮矿化,特别在高有机质土壤(OM、NPKM)上尤为明显;当同时添加碳源、磷源时,各供试土壤氮素相对矿化量与单加葡萄糖时相似,表明即使是肥力较高的红壤性水稻土上,在添加磷的同时再添加碳源也会对土壤氮素的矿化有抑制作用。淹水培养32d后的土壤氮素净矿化量与土壤有机质、全氮、酸解性总氮、微生物量碳、微生物量氮均呈极显著正相关(p0.01),与氨态氮、氨基酸态氮、酸解未知态氮间呈显著正相关(p0.05),与氨基糖态氮、非酸解性氮无显著性相关(p0.05)。这对于深入了解红壤性水稻土有机氮状况及作物的氮需求等都有非常重要的意义。 红壤性水稻土基础地力贡献率为46.3%-72.0%。随着施肥结构完善,对基础地力的依赖性表现出NPKMNPKNK、NPN的趋势。连续施用N肥,增产效果达持续显著水平的年限为17a;K肥的为9a,而P肥不明显。N肥单施或与P肥、K肥配施,随时间的延长,增产效率均呈线性下降,至18-21a后,产量水平相当或者低于无肥区(CK)。N肥与PK肥配施,具有明显的增产优势,再配施有机肥,水稻产量及稻田生态系统生产稳定性明显提高。相关分析结果表明,水稻年产量与土壤有机碳、土壤全氮、微生物生物量碳、微生物生物量氮、脲酶、天(门)冬酰胺酶、组氨酸脱氨酶、蔗糖酶、纤维素酶、精氨酸脱氨酶、酸解性总氮、氨态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮、非酸解性氮、32天的氮净矿化量、以及粒径3-5mm团聚体、团聚体MWD(平均重量直径)、团聚体GMD(几何平均直径)之间呈显著或极显著正相关,与粒径0.05-0.25mm团聚体、团聚体D(分形维数)呈极显著或显著的负相关,均是表征土壤肥力的主要指标。


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