长期施肥下红壤稻田与旱地物理质量综合评价及演化

包耀贤，黄庆海

(1.中化工程集团环保有限公司，北京 101111；2. 江西省红壤研究所，江西 进贤 331700)

土壤物理性质直接或间接影响着土壤的蓄水、保肥以及养分的吸收和利用，土壤物理质量深刻影响着土壤的化学质量和生物质量[1-2]。颗粒组成反映土壤砂粘程度，是造成土壤养分差异最主要原因，不合理土地利用方式会导致土壤肥力下降，生物多样性降低[3-4]。微团聚体是形成土壤团粒结构和土壤自动调节能力的物质基础，它可以保持土壤肥力和调节养分供应，如黑土肥力高与微团聚体作为主要载体有关[5-6]。土壤团聚体是土壤养分交换的场所[7]，其数量和质量(大小)直接体现土壤的通气、透水、蓄水，养分的保存和释放以及土壤的抗蚀能力[8]。红壤承载着我国粮食生产的重担，长期定位施肥(高量施肥或平衡施肥或偏施肥)改变了红壤的结构性质[9]，但难以综合体现土壤物理质量恶化或改善的结果。为此，本研究以江西进贤红壤性水稻土和旱地化肥长期定位试验为载体，进行土壤物理质量综合评价及其演化趋势研究，以期为红壤合理施肥、土壤质量提升、促进农业生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

稻田红壤和旱地红壤长期定位试验均设在江西省红壤研究所(116°20′24″ N，28°15′30″ E)，为典型低丘红壤区，海拔25～30 m；属亚热带季风气候，年均气温17.6 ℃，≥10 ℃积温5528 ℃·d；年降雨1785 mm，3～6月降雨量占全年的60%以上，年蒸发量1800 mm，干湿季明显；无霜期282 d，日照时数1950 h。在试验之初，<0.001 mm粘粒含量分别为稻田(1981年) 24.1%、旱地(1986年)32.2%。

1.2 试验设计

稻田红壤试验始于1981年，为第四纪红粘土发育的红壤性水稻土。小区面积46.67 m2，设CK、N、P、K、NP、NK、NPK、2NPK(2倍氮磷钾)和NPKM(氮磷钾+有机肥)9个处理，每个处理3个重复。每季每公顷施肥量：N(尿素)90 kg，P2O5(钙镁磷肥)45 kg，K2O(氯化钾)75 kg；有机肥22500 kg(早稻紫云英+晚稻猪粪)。1981～1986年采用一年稻-稻-油、二年稻-稻-紫云英轮作制，1986年后稻-稻-冬闲制。

旱地红壤试验始于1986年，为第四纪红色粘土发育的红壤。小区面积22.22 m2，设CK、N、P、K、NP、NPK、2NPK、M和NPKM共9个处理，每个处理3次重复。每季每公顷施肥量：N(尿素)60 kg，P2O5(钙镁磷肥)30 kg，K2O(氯化钾)60 kg，有机肥(猪粪)15000 kg。早玉米-晚玉米-冬闲轮作制。

1.3 土样测定与计算

11月晚稻收获后采集0～20 cm耕层土样，经处理后测定物理指标，因物理性质相对比较稳定，没必要连年采样测定，本研究所用数据稻田红壤试验历经18年、旱地红壤试验历经4年，能很好地(18年)或较好地反映(4年)综合土壤物理质量变化。

颗粒组成和微团聚体采用比重计法测定，团聚体采用干湿机械筛分法测定；部分指标计算如下：

质地粗化度=(>0.01 mm物理性粘粒)/(<0.01 mm物理性粘粒)；

结构系数(%)=[1-(<0.001mm微团聚体)/(<0.001 mm粘粒)]×100%；

团聚度(%)=[1-(>0.05 mm颗粒)/(>0.05 mm微团聚体)]×100%；

团聚体稳定率(%)=(>0.25 mm湿筛团聚体)/(>0.25 mm干筛团聚体)×100%；

平均重量直径MWD=∑DiWi，式中，Di=(ri-1+ri)/2，为各粒级(包括<0.25 mm)团聚体平均直径(mm)，ri是第i个筛子孔径(mm)，r0=r1，rn=rn+1；Wi为第i个土筛的团聚体重量百分比。

使用Excel和DPS统计软件进行数据处理、绘图、统计和多重比较分析(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 评价指标的筛选

在土壤物理性质相对比较稳定、基础资料累积和系统研究缺乏的情况下，仅凭某个或几个物理性质的变化难以全面体现土壤物理质量的整体变化，但长期定位试验能较好地综合体现土壤物理质量特征及其演化。为尽量保证土壤物理质量综合评价的全面性，利用DPS软件对24个参评指标(表1)从颗粒组成(8个)、微团聚体(8个)和团聚体(8个)实测值和计算值进行因子分析，以筛选评价指标。

因子分析通过正交旋转让载荷矩阵相对集中，以便提取主成分和合理解释各主因子的物理意义。按特征值大于1筛选被保留主成分8个，能解释83%的总信息量，具有代表性；根据载荷矩阵值较大且接近为原则从24个初始指标中筛选出土壤物理质量综合评价指标13个：0.25～0.05 mm、0.05～0.01 mm、物理性粘粒、0.01～0.005 mm、0.25～0.05 mm微团聚体、0.05～0.01 mm微团聚体、<0.001 mm微团聚体、团聚度、>5 mm团聚体、1～0.5 mm团聚体、总团聚体、MWD和团聚体稳定率。

2.2 评价指标隶属度和权重的计算

具有模糊性和连续性的隶属函数被广泛用于各评价指标原始数据的标准化处理，即隶属度计算，由此将量纲不同、取值各异的实测值转化为0-1间的无量纲值。借鉴前人的成果[10-11]，隶属度计算采用以下公式：

降型隶属函数D(X)=0.9×(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)+0.1。适用于0.25～0.05 mm、0.05～0.01 mm、0.25～0.05 mm微团聚体、0.05～0.01 mm微团聚体和物理性粘粒。

升型隶属函数R(X)=0.9×(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)+0.1。适用于0.01～0.005 mm、<0.001 mm微团聚体、团聚度、>5 mm团聚体、1～0.5 mm团聚体、总团聚体、MWD和团聚体稳定率。

在上述隶属函数中，X为某指标的实测值，Xmin和Xmax分别为某指标所测的最小值和最大值，计算过程略。

权重是评价指标对评价对象的影响程度或贡献率。利用DPS软件对13个指标的原始数据进行因子分析，得到共同度；各指标的共同度占共同度总和之比即为该指标的权重值，将其转换为0～1间数值(表1)。

表1 因子分析方差极大旋转矩阵

2.3 土壤物理质量的综合评价

土壤物理质量是众多物理评价指标综合作用的结果。本研究选择常用加权和法指数评价模型进行土壤物理质量指数(Soil Physical Index，SPI)计算(0～1)[11-13]，SPI值越高表示土壤物理质量越好。其计算公式为：

式中，Ci和Ki分别是各评价指标的隶属度及权重，n为评价指标个数。

经计算，所有24个指标的SPI值与筛选的13个指标的SPI值间呈极显著线性相关：SPI13=1.0648SPI24+0.0158 (R2=0.837**)，说明用筛选指标评价综合土壤物理质量具有高度代表性和可靠性。

图1各年份SPI均值直观显示：稻田各施肥处理间显著性差异为两级(A、B)，旱地各施肥处理间显著性差异为三级(a、b、c)，各施肥处理SPI均值稻田(0.533)整体高于旱地(0.519)。稻田施肥量整体高于旱地，高施肥量可能导致SPI趋近，但对综合土壤物理质量的贡献较大。无论稻田还是旱地，各施肥处理SPI值整体在0.5～0.6，土壤物理质量整体水平不高。

图1 稻田和旱地红壤不同施肥处理SPI分布

稻田各处理的SPI分别高出CK的情况：NPKM(7.2%)=K(7.2%)>NK(5.8%)>NPK(3.3%)>P(2.7%)>NP(1.6%)>N(1.0%)>2NPK(0.2%)；旱地各处理的SPI分别高出CK的情况：NPKM(23.1%)>M(21.7%)>K(14.3%)>P(6.8%)>NPK(3.1%)>2NPK(-2.9%)>N(-3.3%)>NP(-7.0%)。可见，NPKM和M对提高SPI效果最明显。研究表明，长期施用有机肥或有机无机肥配施对土壤有机质提幅最大，有机质不但可增强土壤养分的供、贮，而且可改善土壤的物理性质，有机肥的叠加效应最终提高土壤肥力，故应在适当施用化肥的同时增施有机肥，以便保持农业系统养分的循环利用、土壤物理质量的保持和提高[14-15]。单施K、P对SPI有一定的正效应，旱地红壤较稻田红壤更为明显。单施N使SPI恶化，长期单施N因铵态氮的硝化和硝酸根的淋洗促使土壤酸化加重，土壤微生物活性严重受限，土壤结构变差，使P、K加速耗竭[16-17]。这也体现在SPI值上，NK、NP处理的SPI值低于K、P处理，即在K或P肥的基础上加施N容易使SPI趋降。需注意，NPK的SPI值在稻田和旱地中均高于2NPK，且2NPK的SPI值较CK增幅很小(0.2%)或呈负效应(-2.9%)，可见，倍量平衡施肥(2NPK)既对保持和改善综合土壤物理质量不利，又因施肥量盈余而致污、费财，在生产中应禁行。

2.4 土壤物理质量的演化

用历经18年的稻田红壤定位试验进行土壤物理质量的时间演化分析更趋合理。图2显示SPI值随时间延续变化：除CK、N处理略降外，其它处理均呈不同程度增势。CK多年无外源养分补给，作物连年消耗导致土壤养分缺失和微生物系统受阻，SPI逐年下降。N处理因长期偏施N加重土壤酸化和P、K耗竭，微生物活性受阻，土壤结构破坏[15-17]，SPI时序显著降低趋势更甚于CK。P、K处理的SPI随时间呈显著增势，但年均增幅(斜率)很小。NP、NK、NPK、2NPK和NPKM处理的SPI值随时间呈显著或极显著增长趋势，并且增幅均高于P、K处理，说明化肥配施较单施更有利于改善土壤物理质量。

图2 稻田红壤各施肥处理SPI随时间的演化

图3是除N、CK处理外SPI的演化趋势：稻田和旱地年均SPI值均呈增加趋势，这也符合相关研究结果，即除N、CK处理外，长期施有机肥或无机肥均可以一定程度上提高有机质含量，而有机质对土壤物理质量有较好的改善作用[14-15]。SPI值增幅(斜率)旱地高于稻田，在研究区降雨量较大的情况下，旱地干湿交替较稻田更有利于养分的转化和释放[18]，从而提升SPI。

图3 稻田和旱地SPI随时间的演化

3 讨论

长期施用化肥对土壤物理性质的影响基于恶化和改善两种作用：一是作物选择吸收肥料中的离子、土壤对离子的吸附性差异、肥料中杂质离子的作用等使土壤的物理性质恶化；二是施肥促进作物生长，增加有机物归还量，改善土壤的物理性质[19]。当肥力偏低时，有机质循环量低，施用化肥可大大改善作物的生长状况，增加有机质含量和循环，进而改善土壤物理性质[20-21]；当肥力偏高时，施用化肥增加有机质归还量就可能不足以维持原有机质的循环量，导致有机质含量下降与物理性质变差[22]，2NPK处理的SPI整体偏低(接近CK)可能就是此原因。可见，单施化肥是提升还是降低SPI不可一概而论，应根据土壤的基础条件、施肥与作物生长状况等具体分析，不同地区的不同研究结果正因此所致。

有机质是土壤供、贮养分和改善物理性质的核心。洛桑Hoosfield经典试验证实了有机质供应养分的强稳定性，不施肥100年后仍高于空白处理的有机质含量。长期施用有机肥或化肥均可以在一定程度上提高有机质含量，特别是施有机肥或有机无机肥配施对有机质含量的提升幅度最大，而且更能维持团聚体的稳定性和抗蚀性[6-7,23]。在本研究中，团聚体对SPI的贡献最大(表1第一主因子4个指标)。有机肥或有机无机肥配施处理的SPI随时间呈显著增加也说明有机质含量的提升可明显改善综合土壤物理质量。

无论稻田还是旱地，单施K处理的SPI值明显较高(仅次于NPKM处理)，也体现出南方在缺K情况下施K更能增产和改善土壤结构[24]。在稻田试验中，NPK和2NPK的SPI值随时间同步(拟合斜率相近)增加，但SPI值后者低于前者，在旱地试验中也是如此。即长期均衡施肥(NPK)下，SPI随施肥量的增加(2NPK)并未改善，与肥力偏高时增施化肥导致有机质含量下降与物理性质变差一致[22]，这与聂军等的研究结果相反[9]，需深入研究。可见，在肥料投入时，必须注意肥料种类搭配的合理性和量的科学性，切忌持续过量施肥导致有机质含量下降、土壤物理质量恶化，甚至造成肥料浪费和生境破坏。生产实践施肥建议：有机无机配施(NPKM)优先，有机肥(M)次之，均衡化肥(NPK)最后，适量增施K。

4 结论

筛选出SPI综合评价指标13个：0.25～0.05 mm、0.05～0.01 mm、0.01～0.005 mm、物理性粘粒、0.25～0.05 mm微团聚体、0.05～0.01 mm微团聚体、<0.001 mm微团聚体、团聚度、>5 mm团聚体、1～0.5 mm团聚体、总团聚体、MWD和团聚体稳定率。

SPI各施肥处理间显著差异性旱地为三级，稻田为二级；稻田的SPI(0.533)整体高于旱地(0.519)，但两者总体水平较低(0.5～0.6)。平衡适量施肥可明显提高SPI，优推NPKM、M和NPK，增施K；倍量平衡施肥(2NPK)不利于改善土壤的物理质量，应禁用。除CK、N外的其它施肥处理SPI值均随时间呈增加趋势；整体看，长期试验使SPI呈略增趋势，旱地的SPI年均增幅略高于稻田。