长期施肥与地膜覆盖对棕壤交换性钙、 镁的影响

王 亮， 李双异， 汪景宽， 顾 鑫， 孟凡奎

(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866)

长期施肥与地膜覆盖对棕壤交换性钙、 镁的影响

王 亮， 李双异， 汪景宽*， 顾 鑫， 孟凡奎

(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866)

棕壤； 交换性钙； 交换性镁； 长期定位施肥； 覆膜

钙作为植物生长所必需的中量营养元素，对提高植物的抗逆性发挥着很大的作用，并且能够和土壤中的有机质结合形成土壤粘粒组分的胶结剂，可以促进土壤颗粒的团聚，对土壤团粒结构的形成有很大作用[1]。土壤如果缺钙，则植物生长发育受到限制，会使一些作物的品质下降，甚至会发生一些生理病害，严重的导致死亡。镁作为植物生长所必需的另一中量营养元素，不仅作为叶绿素的组成成分参与光合作用，也是植物体内多种酶的活化剂。当作物缺镁时，叶绿素不能合成，光合作用受到抑制，作物不能正常生长发育，严重影响作物产量和品质[2]。近些年来，随着氮、磷、钾大量元素和锌等微量元素的大量和广泛施用，作物产量不断提高，植物从土壤中携走的镁数量不断增加，又因土壤镁得不到有效补充，植物缺镁现象在各地陆续出现[3]。

地膜覆盖栽培技术能够改善作物生长环境、明显提高作物产量和经济效益，因此在我国东北地区广泛应用，但此技术的增产效益是以大量消耗地力为代价的[4]。有关地膜覆盖增温保墒、促进土壤有机质矿化、改善土壤肥力、促进玉米生长发育和提高产量等综合效应方面已经有了较系统和深入的研究报道[5]。目前，长期施肥与覆膜条件下对棕壤碳、氮、磷、硫及微量元素的研究较多[6-10]，但有关钙和镁的研究相对较少。本文旨在探索长期施肥及覆膜条件下棕壤交换性钙和镁含量的变化特征，从而为合理施肥和培肥土壤提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

供试土壤采自沈阳农业大学长期定位试验站，地处北纬41°49′，东经123°34′，海拔75 m。该地区属于大陆季风区，年均温8.0℃，年均降水量705 mm。土壤属中厚层棕壤(简育淋溶土)。试验开始时(1987年)耕层土壤基本理化性状为有机质含量15.6 g/kg、 全氮1.00 g/kg、 全磷0.52 g/kg、 全钾21.56 g/kg、 碱解氮67 mg/kg、 速效磷8.4 mg/kg、 速效钾98.3 mg/kg、 pH (H2O)6.39。该试验从1987年开始进行，小区面积69 m2，分地膜覆盖和不覆膜栽培两组，每施肥处理3次重复，随机排列。连作作物为玉米，每年4月25日左右播种、施肥和覆膜，并按常规进行田间管理；9月25日前后进行小区测产、采样和收割，并对玉米茎秆及残留地膜进行清除，然后进行翻地(根系都保留在土壤中)。本试验选择其中7个处理：对照(CK)；高量有机肥与氮、 磷配施(M4N2P1)，即有机肥配施氮、 磷化肥，年施有机肥中含N 270 kg/hm2、 施化肥N 135 kg/hm2、 P2O567.5 kg/hm2；高量有机肥(M4)，年施有机肥中含N 270 kg/hm2；低量有机肥(M2)，年施有机肥中含N 135 kg/hm2；高量氮、 磷肥(N4P2)，年施化肥N 270 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2；高量氮肥(N4)，年施化肥N 270 kg/hm2； 低量氮肥(N2)，年施化肥N 135 kg/hm2。施用的有机肥为猪厩肥，其有机质含量为150 g/kg左右，全氮为10 g/kg； 施用的化肥为尿素(含N 46%)和磷酸二铵(含P2O545%，含N 21%)。

1.2 土壤样品采集

本研究采样时间为2011年9月，在每个重复小区， 采用五点法，用土钻取0—20 cm、 20—40 cm 土层土样。土样经过自然风干后研磨，过2.0 mm筛。各处理土壤基本特性见表1。

为进一步研究不同年份交换性钙、镁的动态变化，本文对1987年(试验开始时)、2002年、2005年、 2008年采集的样品(0—20 cm)也同时进行分析。这些不同年份采集的土壤样品经过自然风干后，装在瓶中密封，避光保存，尽可能减少土样中微生物活动(样品保存在沈阳农业大学土壤肥力研究室样品室)。

1.3 土壤样品分析

土壤钙、镁组分的测定：交换性钙、镁采用1 mol/L NH4OAc浸提，原子吸收分光光度计法测定[19]。其它指标的测定均采用实验室常规方法。

1.4 数据处理

采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析，用Microsoft office Excel 2003软件制表。

2 结果与分析

2.1长期施肥与地膜覆盖对棕壤交换性钙含量的影响

表1 各处理土壤基本理化性质(2011年)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil samples in different treatments

表2 不同施肥处理土壤交换性钙含量(g/kg)Table 2 Soil exchangeable Ca contents in different treatments

注(Note): 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著，同行不同大写字母表示同行数据差异显著 (n=3，P<0.05) Velues followed by different lowercase letters mean significant differences in the same column and different capital letters mean significant differences in the same row(n=3，P<0.05).

其中单施化肥(N4P2、 N4、N2)处理表层土壤中的交换性钙含量显著低于对照，施用有机肥(M4N2P1、M4、M2)处理可使土壤交换性钙含量增加。一方面原因是，大量施入化肥使得玉米产量较高，从土壤中带走大量的钙素，而钙素又没有得到补充，另一方面交换性钙会随降雨向下迁移，使得土壤表层含量减少；而施用有机肥的土壤，尽管玉米产量较高，会带走大量钙素，但有机肥中含有大量钙素，使土壤交换性钙得到及时的补充。因此，施用有机肥是提高土壤交换性钙含量的重要措施。

由表2还可以看出，覆膜后土壤表层交换性钙含量增加，而底层含量降低，这可能是由于覆膜使土壤表层温度升高，使底层的交换性钙随水的蒸发而在表层积累；不覆膜土壤受降水影响，交换性钙随着降水向下淋溶导致土体下层含量升高[13]。单施化肥土壤中交换性钙含量有明显随深度增加而增加的趋势，反映了棕壤中交换性钙在土壤剖面中的淋溶特点。

由此可见，尽管该地区交换性钙没有降低到使作物缺钙的水平，但施用化肥后交换性钙含量减少，可能破坏土壤中团聚体，使土壤结构变差、土壤板结，进而影响土壤肥力水平及作物产量，因此在东北高强度利用的非石灰性耕地土壤中适当补充钙素也十分必要。

2.2长期施肥与地膜覆盖对棕壤交换性镁含量的影响

施用有机肥的土壤交换性镁含量显著高于不施有机肥的土壤，并且表层含量大于底层，说明施肥增加了土壤中有机质的含量，腐殖质可吸附大量的交换性镁，而且有机质本身也是镁的来源，因此交换性镁含量升高。该结论与侯玲利[17]的研究结果一致。地膜覆盖后，施用化肥土壤表层交换性镁含量相应有些增加而底层相对减少，这可能也是覆膜后水分向表层移动而使水溶性镁表聚的结果。

表3 不同施肥处理土壤交换性镁含量(g/kg)Table 3 Soil exchangeable Mg contents in different treatments

注(Note): 同列数据后不同小写字母表示差异显著，同行不同大写字母表示同行数据差异显著 (n=3，P<0.05) Velues followed by different lowercase letters mean significant differences in the same column and different capital letters mean significant differences in the same row(n=3，P<0.05).

2.3 不同年份土壤交换性钙含量的变化

在东北棕壤地区现行耕作制度下，土壤肥力变化的研究已有许多报道[18]，但有关土壤交换性钙含量的动态变化方面报道较少。因此本文利用长期定位试验的有利条件，对1987、2002、2005、2008和2011 5个不同年份土壤表层交换性钙含量进行了测定(表4)。从表4中可以看出，不覆膜长期不同有机肥处理0—20 cm土壤中交换性钙含量呈现出增长趋势，其中以低量有机肥(M2)增长最为明显，经过24年积累比试验前基础土壤(1987年)增加了0.52 g/kg，相对提高27.09%；其次是高量有机肥(M4)和高量有机肥与氮磷配施(M4N2P1)处理，分别提高18.82%和8.85%，说明有机肥能显著提高土壤表层交换性钙含量。而长期不同化肥处理表层(0—20 cm)土壤中交换性钙含量呈现出递减趋势，其中以高量氮磷化肥(N4P2)处理减少最为明显，经过24年消耗比试验前基础土壤(1987年)降低0.57 g/kg，相对减少30.02%；其次是高量氮肥(N4)和低量氮肥(N2)处理，分别减少26.50%和2.95%，说明单施化肥加速交换性钙的消耗。对照(CK)处理土壤表层交换性钙含量增加了0.26 g/kg，相对提高13.39%，这可能是一方面由于土壤矿物风化释放钙素，另一方面对照处理的玉米产量一直较低，因此从土壤中带走的钙素较少。无论是化肥还是有机肥的施入都可以提高试验地玉米产量，并且玉米产量会随着肥料施入量的增加而增加[19]，随之会带走较多的交换性钙，因而土壤中交换性钙表现出低肥(M2、N2)处理分别大于高肥(M4、N4)处理，相应的高量有机肥配施化肥(M4N2P1)处理和高量氮磷配施(N4P2)处理的土壤交换性钙含量最低。另外，长期增施氮肥土壤酸化程度增加，加剧了土壤胶体铵离子、氢离子与钙离子的交换过程，促使土壤脱钙[20]，这也导致了低肥(N2)处理的土壤交换性钙大于高肥(N4)处理。

2.4 不同年份土壤交换性镁含量的变化

由表5可知，不覆膜长期不同有机肥处理0—20 cm土壤中交换性镁含量虽有波动，但呈现出增长趋势，其中以高量有机肥(M4)处理增长最为明显，经过24年积累比试验前基础土壤(1987年)增加了0.21 g/kg，相对提高44.08%； 其次是低量有机肥(M2)和高量有机肥与氮磷配施(M4N2P1)处理，分别提高22.36%和21.72%，说明有机肥能显著提高土壤表层交换性镁含量。而长期不同化肥处理0—20 cm土壤中交换性镁含量呈现出递减趋势，其中以高量氮肥(N4)处理减少最为明显，经过24年消耗比试验前基础土壤(1987年)降低了0.15 g/kg，相对减少33.33%；其次是高量氮磷配施(N4P2)处理和低量氮肥(N2)处理， 分别减少27.51%和16.68%，说明单施化肥加速交换性镁的消耗。CK土壤表层交换性镁含量几乎没变化，可能是由于沈阳地区镁含量比较丰富，自然状态下，作物生长所利用的水溶态镁完全可以由其他形态转换而来。

表4 不同年份不覆膜土壤表层交换态钙含量(g/kg)Table 4 Exchangeable Ca Contents in uncovered topsoil in different years

注(Note): 同列数据后不同小写字母表示同列差异显著，同行不同大写字母表示同行数据差异显著 (n=3，P<0.05) Velues followed by different lowercase letters mean significant differences in the same column and different capital letters mean significant differences in the same row (n=3，P<0.05).

表5 不同年份不覆膜土壤表层交换态镁含量 (g/kg)Table 5 Exchangeable Mg Contents in uncovered topsoil in different years

注(Note): 同列数据后不同小写字母表示差异显著，同行不同大写字母表示同行数据差异显著 (n=3，P<0.05) Velues followed by different lowercase letters mean significant differences in the same column and different capital letters mean significant differences in the same row (n=3，P<0.05).

无论是化肥还是有机肥的施入都可以提高试验地玉米产量，并且玉米产量会随着肥料施入量的增加而增加[19]，因而会带走较多的交换性镁。施化肥土壤交换性镁表现出低肥(N2)大于高肥(N4)，高量氮磷配施(N4P2)略低于高肥(N4)；施有机肥(M2、 M4)处理土壤表现的规律与化肥相反，可能是由于施入的有机肥中镁含量较高，经过长期积累所致。

2.5 耕层土壤交换性钙、镁和pH的相关性

为了进一步分析影响土壤交换性钙、镁含量的因素，我们测定了不同年份不同处理耕层土壤的pH值，并对交换性钙、镁与pH之间的相关性进行分析。经相关分析可以看出：无论不覆膜还是覆膜，土壤表层交换性钙含量与pH值、交换性镁含量与pH值之间都符合Y=AX+B的线性关系，且都呈现出显著的正相关关系(图1)，其中交换性钙和pH值的正相关关系与张大庚[21]的研究结果一致，交换性镁和pH值的正相关关系与侯玲利等[22]的研究结果一致。由此说明pH的降低可能是导致交换性钙、镁含量减少的一个原因。土壤中H+的代换能力大于Ca2+，因此土壤胶体上的钙易被H+交换下来进入土壤溶液中，随着土壤pH值的降低，土壤溶液中部分Ca2+会随水分流失，导致土壤中交换性钙含量下降[23]。从图1还可以发现，覆膜条件下交换性钙、镁随pH变化的幅度小于不覆膜(对应的A值较小)，说明覆膜对交换性钙和镁含量的变化有缓冲作用。

图1 土壤交换性钙和镁与土壤pH的相关性Fig.1 Correlationships of soil exchangeable Ca and Mg with soil pH

3 结论

2) 从土壤的层次上看，单施化肥的不覆膜土壤交换性钙、镁表现出底层含量大于表层，这体现了交换性钙、镁在土壤剖面中的淋溶特点；单施化肥的覆膜土壤虽然没有改变交换性钙、镁在土体剖面上的分布特点，但却改变了不同层次的含量，具体表现为表层含量增加，底层含量降低。施有机肥的土壤，无论覆膜还是不覆膜，交换性镁均表现出表层含量大于底层，说明有机肥可以显著的提高土壤交换性镁的含量，特别是表层。而此种规律对于交换性钙来说不是很明显。

3) 在过去24年里，对于不覆膜土壤(0—20 cm)来说，对照(CK)土壤交换性钙、 镁含量几乎没变化，而施用有机肥的土壤的交换性钙、 镁含量呈现出增长趋势，施用化肥土壤的交换性钙、 镁含量呈现出递减趋势。

4) 表层土壤(0—20 cm)交换性钙和镁含量与土壤pH值之间存在极显著的正相关关系；覆膜对交换性钙和镁含量的变化有缓冲作用。

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Effectoflong-termplasticfilmmulchingandfertilizationonexchangeablecalciumandmagnesiumcontentsinbrownearth

WANG Liang, LI Shuang-yi, WANG Jing-kuan*, GU Xin, MENG Fan-kui

(CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity,ShenyangLiaoning110866,China)

Soil exchangeable Ca and Mg contents were determined in continuous maize cropping system under different fertilization and plastic film mulching in the long-term brown earth experimental station (started in 1987) in Shenyang Agricultural University, Laoning Province, China. The results show that the contents of soil exchangeable Ca (0-40 cm) are from 1.34 g/kg to 2.52 g/kg, soil exchangeable Mg from 0.30 g/kg to 0.66 g/kg. Soils in this area are very rich in Ca and Mg, the deficiency of Ca and Mg in maize is rarely happened. Besed on the 24 years’ experiment, the exchangeable soil Ca and Mg in the topsoil (0-20 cm) keep increasing in plots applied with manure, decreasing in plots applied with inorganic fertilizers. The exchangeable Ca and exchangeable Mg contents in topsoil applied with inorganic fertilizers are lower than in subsoil (20-40 cm). The exchangeable Ca and Mg in topsoil are enhanced in the treatments of plastic film mulching and chemical-fertilizer addition. There are significant positive correlations between exchangeable Ca and Mg with pH in these treatments, which means the exchangeable Ca and Mg contents are influenced by soil pH.

brown earth; exchangeable Ca; exchangeable Mg; long-term fertilization; plastic film mulching

2012-11-26接受日期2013-06-04

王亮(1987—)， 男， 辽宁铁岭人，硕士， 主要从事土壤肥力、土壤质量等方面的研究。 E-mail： lin_tianshi@126.com * 通信作者 E-mail： j-kwang@163.com

S153.6+1

A

1008-505X(2013)05-1200-07