唐繼偉，徐久凱，溫延臣，田昌玉，林治安，趙秉強(qiáng)

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

施肥是影響農(nóng)田土壤養(yǎng)分庫和作物產(chǎn)量的主要因素之一[1-3]。長期以來，化肥和有機(jī)肥在作物增產(chǎn)及土壤培肥方面的效果一直是土壤學(xué)工作者關(guān)注和爭論的熱點(diǎn)問題[4-5]。長期定位施肥試驗(yàn)具有時(shí)間的長期性、氣候的重復(fù)性等特點(diǎn)，它能夠系統(tǒng)地揭示土壤肥力的演變規(guī)律及作物產(chǎn)量的變化，為施肥制度合理性的評判提供理論依據(jù)[6]。關(guān)于有機(jī)肥和化肥對作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響已經(jīng)做了大量研究，李彥等[7]通過長期定位試驗(yàn)研究表明，長期施用有機(jī)肥能夠顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分含量，效果優(yōu)于化肥。長期單施化肥會降低有機(jī)質(zhì)含量[8-9]。溫延臣等[10]研究表明，與單施化肥相比，施用有機(jī)肥處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷均顯著增加。在增產(chǎn)方面，許多研究結(jié)果表明在等量養(yǎng)分條件下，有機(jī)肥的當(dāng)季增產(chǎn)效果不如化肥，但從長期增產(chǎn)效應(yīng)來看，有機(jī)肥料的增產(chǎn)效果不遜于化肥，甚至超過了化肥[11-12]。有機(jī)肥和化肥都是農(nóng)田維持土壤肥力、提高產(chǎn)量的重要措施，有機(jī)肥和化肥養(yǎng)分的有效性和形態(tài)不同，對土壤養(yǎng)分庫的容量和強(qiáng)度影響也明顯不同，通過長期定位施肥試驗(yàn)，可正確認(rèn)識有機(jī)肥、化肥對土壤肥力演變和作物增產(chǎn)效果的影響。通過對中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院陵縣試驗(yàn)基地近十年長期定位施肥試驗(yàn)資料整理，研究等養(yǎng)分量施用有機(jī)肥和化肥對作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響，總結(jié)肥料類型在土壤培肥和產(chǎn)量效應(yīng)方面的差異性。探索實(shí)現(xiàn)黃淮海平原耕地質(zhì)量穩(wěn)步提升、作物增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效途徑，為中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)基本情況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

有機(jī)肥、化肥用量長期定位試驗(yàn)始于2006 年10 月，種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟。試驗(yàn)開始前，所在地一直用于種植糧食作物 (小麥、玉米)，地力條件均勻。地點(diǎn)設(shè)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院陵縣試驗(yàn)基地 (北緯37°20′、東經(jīng)116°38′)，海拔21.36 m，屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。土壤類型為鹽化潮土，土壤質(zhì)地為輕壤土。試驗(yàn)地初始耕層 (0—20 cm) 土壤化學(xué)性質(zhì)如下:有機(jī)質(zhì)8.50 g/kg，全氮 (N) 0.6 g/kg，有效磷 (P2O5) 9.90 mg/kg，速效鉀 (K2O) 100 mg/kg，pH 為8.00。

試驗(yàn)共設(shè)9 個(gè)處理，冬小麥、夏玉米每季作物分別設(shè)置5 個(gè)施氮量:0、120、240、360、600 kg/hm2，有機(jī)肥處理和化肥處理分別按照此施氮量進(jìn)行，化肥處理以CN120、CN240、CN360、CN600表示，有機(jī)肥處理以O(shè)N120、ON240、ON360、ON600表示，不施肥處理以CK 表示，重復(fù)3 次，小區(qū)面積為25 m2。

施用有機(jī)肥的各處理在冬小麥、夏玉米每季作物種植前將有機(jī)肥做基肥一次性施入，不再施用磷、鉀肥；具體有機(jī)肥用量由施肥前測定的有機(jī)肥的含水量及養(yǎng)分含量計(jì)算得出，以全氮含量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折算，有機(jī)肥選用當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖場的腐熟廄糞，主要養(yǎng)分含量氮 (N)1.0%～2.31%、磷 (P2O5)1.04%～2.01%、鉀 (K2O)0.67%～3.00%，氮、磷、鉀三種養(yǎng)分含量均為全氮、全磷、全鉀。2006 年10 月到2009 年6 月施用的有機(jī)肥為豬糞，2009 年10 月到2014 年6 月施用的有機(jī)肥為牛糞。施用化肥的各處理冬小麥、夏玉米每季作物播種前將60%的氮肥和全部磷、鉀肥做基肥，冬小麥在拔節(jié)期追施40%氮肥，夏玉米在大喇叭口期追施40%氮肥；化肥處理的磷、鉀肥用量與同一氮素水平有機(jī)肥處理帶入的磷、鉀量相同，磷、鉀養(yǎng)分施用量按有機(jī)肥帶入的全磷、全鉀量計(jì)算。氮肥用尿素 (N 46.4%)，磷肥為磷酸二銨 (N18%、P2O546%)，鉀肥用硫酸鉀 (K2O 50%)。試驗(yàn)日常管理按當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植習(xí)慣。冬小麥、夏玉米每季作物收獲后，作物秸稈均不還田。

1.2 樣品采集、分析方法與數(shù)據(jù)處理

小麥?zhǔn)斋@時(shí)，各小區(qū)單打單收，測定小麥產(chǎn)量。小麥?zhǔn)斋@后，每小區(qū)隨機(jī)選取10 個(gè)取樣點(diǎn)，采集0—20 cm 土層的混合土樣，風(fēng)干、混勻后，分別過1 mm 和0.25 mm 篩，用于土壤養(yǎng)分分析。

有機(jī)質(zhì)采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用凱氏定氮法，有效磷采用Olsen 法，速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法測定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2007 和SAS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施用有機(jī)肥和化肥對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 長期施用有機(jī)肥和化肥對土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量影響 從圖1 中可以看出，各施肥處理有機(jī)質(zhì)含量均高于無肥對照處理。其中，有機(jī)肥各處理年際間變化較大，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨施肥年限的延長而逐年增加，同時(shí)，隨施肥量的增加而升高。從平均含量來看 (表1)，有機(jī)肥各處理間差異顯著?；侍幚硗寥烙袡C(jī)質(zhì)含量年際間差異不明顯，CN120、CN240、CN360、CN600處理歷年平均值分別為12.15 g/kg、12.43 g/kg、12.59 g/kg、13.24 g/kg，各處理之間差異不顯著。同一施氮水平下，除120 kg/hm2處理，其他處理有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為有機(jī)肥處理顯著高于化肥處理。

與不施肥處理相比，無論是施用有機(jī)肥還是化肥，均有助于土壤全氮含量的提高。其中，有機(jī)肥各處理ON120、ON240、ON360、ON600歷年全氮平均值分別為0.96、1.20、1.37、1.80 g/kg，土壤全氮含量隨施肥量的增加而提升，各處理間差異顯著?；矢魈幚鞢N120、CN240、CN360、CN600歷年全氮平均值為0.84、0.85、0.85、0.90 g/kg，土壤全氮含量基本處于同一水平，各處理間差異不顯著。在相同施氮量條件下，有機(jī)肥處理土壤全氮含量均顯著高于化肥，主要原因是化肥氮損失途徑多，損失量較大，而施用有機(jī)肥可增加有機(jī)氮的來源。無肥對照處理土壤全氮含量基本保持在較低水平而略有下降的趨勢。

圖 1 不同施肥處理土壤養(yǎng)分含量的變化Fig. 1 Contents of soil nutrients under different fertilization treatments

表 1 不同施肥處理土壤養(yǎng)分平均含量Table 1 Soil chemical properties under different fertilization treatments

2.1.2 長期施用有機(jī)肥和化肥對土壤有效磷和速效鉀含量影響 長期不同施肥后，各處理土壤有效磷變化幅度隨施肥種類和施肥量不同有較大差異。從圖1 可以看出，對于有機(jī)肥處理，除ON120處理的有效磷含量低于CN600處理，其他處理均高于化肥處理，并且有機(jī)肥各處理隨著施肥量的增加，土壤有效磷含量增加顯著，ON120、ON240、ON360、ON600處理歷年有效磷平均含量為65.03、129.73、199.12、321.60 mg/kg，各處理間差異顯著?；矢魇┓侍幚砟觌H變化較小，一直處于緩慢上升的狀態(tài)，不同施肥量各處理間差異不顯著。CN120、CN240、CN360、CN600歷年有效磷平均含量為30.43、45.24、45.36、62.91 mg/kg，除CN600處理，其他各處理差異不顯著。同一施氮水平下，有機(jī)肥各處理有效磷含量均高于化肥處理。

對于土壤速效鉀含量，開始5 年內(nèi)各處理基本處于一個(gè)相對穩(wěn)定的水平，之后開始緩慢增長，呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的規(guī)律，這主要是由于2011 年有機(jī)肥的鉀含量較高，導(dǎo)致有機(jī)肥和化肥鉀素施用量增加，土壤中鉀素積累量隨之升高。有機(jī)肥和化肥均能提高土壤速效鉀的積累，其中，有機(jī)肥各處理ON120、ON240、ON360、ON600歷年速效鉀平均值分別為92.76、136.98、202.16、333.63 mg/kg，各處理間差異顯著?；矢魈幚鞢N120、CN240、CN360、CN600歷年速效鉀平均值分別為81.6、122.93、156.36、305.42 mg/kg，各處理間差異顯著。在同一施氮水平下，從平均含量來看，有機(jī)肥相對于化肥各處理速效鉀增幅為13.7%、11.4%、29.3%、9.23%，有機(jī)肥各處理速效鉀含量均顯著高于化肥，說明有機(jī)肥對土壤速效鉀的積累優(yōu)于化肥。

2.2 小麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響因子分析

由表2 和表3 可知，肥料類型、肥料用量、采樣年限顯著影響小麥產(chǎn)量以及土壤養(yǎng)分含量，肥料類型、肥料用量、年際之間的交互作用對小麥產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、土壤有效磷和速效鉀存在極顯著的影響 (P ＜ 0.01)。

2.3 長期施用有機(jī)肥和化肥對小麥產(chǎn)量的影響

從表4 可以看出，不施肥處理在開始的3 年內(nèi)，作物產(chǎn)量迅速下降，之后維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的水平。其他施肥處理小麥產(chǎn)量均明顯高于不施肥處理，差異顯著。這表明，肥料是影響小麥產(chǎn)量的重要因素，施肥能顯著提高產(chǎn)量。對于有機(jī)肥處理，除2007 年外，其他年份ON240、ON360、ON600處理小麥產(chǎn)量均顯著高于ON120處理，但ON240、ON360、ON600三個(gè)處理之間差異不顯著。這主要是由于單獨(dú)施用有機(jī)肥條件下，低量有機(jī)肥在作物關(guān)鍵需肥期養(yǎng)分釋放不能滿足作物需要。ON120、ON240、ON360、ON600處理歷年平均產(chǎn)量為5.42 t/hm2、6.85t/hm2、7.27 t/hm2、6.90 t/hm2。對于化肥處理，各年份處理間差異均不顯著，CN120、CN240、CN360、CN600處理歷年平均產(chǎn)量為6.30 t/hm2、6.72 t/hm2、6.62 t/hm2、6.65 t/hm2?；首鳛橐环N速效養(yǎng)分，能夠及時(shí)、迅速地提供作物所需要的營養(yǎng)元素，當(dāng)化肥用量能夠滿足作物需要時(shí)，繼續(xù)提高化肥用量不能持續(xù)提高作物產(chǎn)量。

表 2 小麥產(chǎn)量和有機(jī)質(zhì)含量的影響因子方差分析Table 2 Three-way ANOVA analysis for wheat yield and organic matter in fluvo-aquic soil

表 3 全氮、有效磷、速效鉀的影響因子方差分析Table 3 Three-way ANOVA analysis for total N, available P and available K in fluvo-aquic soil

表 4 不同施肥處理的小麥產(chǎn)量 (t/hm2)Table 4 Wheat yields under different fertilization treatments

從總體來看，在120 kg/hm2施氮水平下，2007年到2009 年，有機(jī)肥處理與化肥處理小麥產(chǎn)量差異不顯著。之后，化肥處理小麥產(chǎn)量均顯著高于有機(jī)肥，說明在此施肥水平下，化肥對小麥增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于有機(jī)肥。在240 kg/hm2施氮水平下，除2009 年小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為有機(jī)肥處理顯著高于化肥處理，其他年份差異均不顯著；在360 kg/hm2施氮水平下，除2008 年和2014 年有機(jī)肥處理的小麥產(chǎn)量顯著高于化肥處理外，其他年份差異不顯著；在600 kg/hm2施氮水平下，除2013 年有機(jī)肥處理小麥產(chǎn)量顯著高于化肥外，其他年份兩個(gè)處理間差異不顯著。這說明由于有機(jī)肥和化肥的養(yǎng)分形態(tài)的差異，相對于化肥，有機(jī)肥的養(yǎng)分利用效率存在一定滯后性。當(dāng)有機(jī)肥所釋放養(yǎng)分能夠滿足作物需要時(shí)，有機(jī)肥與化肥對作物的增產(chǎn)效果一致。

3 討論

3.1 長期施用有機(jī)肥和化肥對土壤肥力的影響

與供試前土壤相比，施用有機(jī)肥能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，并且隨施肥量的提高而持續(xù)增加，而長期施用化肥則不能提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，無論施肥量多少，有機(jī)質(zhì)含量始終處于一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此研究結(jié)果與其他研究結(jié)論一致。李彥等[7]通過定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長期施用有機(jī)肥能明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且隨有機(jī)肥施用年限的增加而增大，增加速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。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)的增加和年限之間具有良好的正相關(guān)[13]。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，同樣在連續(xù)30 年單施化肥的東北黑土上，有機(jī)質(zhì)每年下降1 g/kg[14]。施用化肥處理基本沒有外源有機(jī)物的輸入，土壤有機(jī)碳主要來源于少量根茬、土壤中小動物及土壤微生物活動，所以土壤有機(jī)質(zhì)含量并未隨施肥量的增加而增加，甚至有下降的風(fēng)險(xiǎn)。土壤有機(jī)碳庫的平衡狀況由土壤有機(jī)質(zhì)的形成量和礦化量的相對大小決定[15]，與化肥處理相比，施用有機(jī)肥處理土壤固碳水平高、固碳速率大。從本試驗(yàn)來看，在有機(jī)物質(zhì)繼續(xù)增加的情況下，土壤碳庫還能夠繼續(xù)大幅度增長，遠(yuǎn)未達(dá)到飽和水平。但土壤碳庫不會無限期增長下去，會達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)并保持相對穩(wěn)定[16]。

土壤中氮的形態(tài)分為無機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)兩大類，無機(jī)態(tài)氮主要為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，一般只占全氮的1%～2%左右，土壤中的氮主要以有機(jī)態(tài)存在。長期施用化肥氮能顯著增加土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，但對土壤有機(jī)氮影響較小[17-18]，施用有機(jī)肥可直接增加土壤有機(jī)氮含量，其中富里酸氮、氨基糖態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮增加較多[19]。本試驗(yàn)中有機(jī)肥處理土壤全氮含量隨施肥量的增加而增加，隨種植年限的增長而顯著提高。而化肥處理無論是施肥量的變化還是種植年限的變化，全氮含量均變化不明顯。說明有機(jī)肥的施用對氮的固定具有重要作用，能夠減緩?fù)寥乐械氐膿p失，而化肥處理中的氮多為無機(jī)態(tài)，易發(fā)生揮發(fā)和硝酸鹽淋失[15]，除了被作物吸收利用以外，大多損失在環(huán)境中。不施肥處理土壤全氮含量隨種植年限的增長有緩慢下降的趨勢，說明土壤氮庫中的氮在不斷礦化、消耗以滿足作物生長的需要。

華北平原土壤作為典型的石灰性土壤，土壤中含有大量CaCO3，有效磷施入土壤后易被Ca2+固定而轉(zhuǎn)化為緩效態(tài)磷[16]，在本研究中，自試驗(yàn)開始時(shí)，有機(jī)肥處理土壤有效磷含量明顯高于化肥處理，主要是因?yàn)閹时旧砗幸欢〝?shù)量易于分解釋放的磷，廄肥施入土壤后，增加了有機(jī)質(zhì)的含量，有機(jī)質(zhì)在轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生有機(jī)酸等物質(zhì)，可減少Ca2+對有效磷酸鹽的固定，促進(jìn)無機(jī)磷的溶解[20-21]。有機(jī)肥處理增加土壤速效鉀含量的效果同樣優(yōu)于化肥處理，且隨有機(jī)肥用量的增加而增加[22]，主要是由于有機(jī)肥中鉀素有效轉(zhuǎn)化效率高于化學(xué)鉀肥，與水溶性鉀肥相比，有機(jī)肥速效鉀被土壤固定程度明顯降低，故其有效性較高[23]。

3.2 長期施用有機(jī)肥和化肥對小麥產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是衡量肥料效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本長期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，在施肥量較低的情況下，化肥的增產(chǎn)效果優(yōu)于有機(jī)肥。在施肥量提高之后，有機(jī)肥與化肥對小麥產(chǎn)量影響無明顯差異，說明在養(yǎng)分供應(yīng)充足的情況下，有機(jī)肥的增產(chǎn)效果與化肥相當(dāng)。這一結(jié)果與林治安等[16]、陳歡等[24]的研究結(jié)果一致，林治安等的研究表明，在較長的一段時(shí)間內(nèi)，常量化肥處理小麥產(chǎn)量高于常量有機(jī)肥處理，之后兩個(gè)處理產(chǎn)量趨于一致；陳歡等對32 年的長期定位試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在有機(jī)肥和化肥等氮量 (525 kg/hm2) 投入下，前22 年化肥增產(chǎn)效果優(yōu)于有機(jī)肥，之后有機(jī)肥處理小麥產(chǎn)量超過化肥。分析其原因，主要是前期有機(jī)肥所提供的養(yǎng)分不能滿足作物的需要，然而隨施肥年限的增長，施用有機(jī)肥的土壤養(yǎng)分含量逐漸提升，能夠滿足作物的生長需求，有機(jī)肥處理小麥產(chǎn)量與化肥相當(dāng)甚至超過化肥。另外，無論是有機(jī)肥還是化肥，過量施用并不能帶來小麥產(chǎn)量的持續(xù)增加，楊軍等[25]的試驗(yàn)表明，高量氮肥未能帶來相應(yīng)高的凈能量產(chǎn)出，而適量氮獲得了高的凈能量產(chǎn)出。

4 結(jié)論

1) 與不施肥處理相比，長期施用化肥能夠顯著提高土壤速效鉀、有效磷含量，而有機(jī)質(zhì)、全氮含量基本保持穩(wěn)定；連續(xù)施用有機(jī)肥處理均能提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀養(yǎng)分含量，且隨施肥量的增加而增加，隨種植年限的延長積累量明顯增加，能夠持續(xù)提高土壤的養(yǎng)分含量。在培肥地力方面，有機(jī)肥效果明顯優(yōu)于化肥。

2) 有機(jī)肥與化肥均對提高冬小麥產(chǎn)量具有顯著作用，在低于N 120 kg/hm2施肥條件下，化肥增產(chǎn)效果優(yōu)于有機(jī)肥。而在高于N 240 kg/hm2時(shí)，即養(yǎng)分供應(yīng)充足的情況下，有機(jī)肥和化肥對小麥增產(chǎn)效果無明顯差異，且提高施肥量，有機(jī)肥和化肥均不能使小麥產(chǎn)量持續(xù)增加。