长期化学氮肥和有机肥施用对棕壤肥力指标的影响

刘雨薇，裴久渤，李艾蒙，汪景宽

（沈阳农业大学 土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室/农业部东北耕地保育重点实验室，沈阳 110161）

氮是植物生长的必需元素，也是初级生产力的限制性养分，在农业实践中施用氮肥能够提高土壤的净初级生产能力，提高作物产量和品质[1]。中国耕地面积占世界的7%，而中国的氮肥施用量占世界的25%[2]，故氮肥利用率总体不高[3]。肥料的施用会对土壤性质造成很大的影响[4]，合理的氮肥施用，能够创造丰富的养分，调节土壤酸碱性，改善土壤结构和理化性质，提高土壤肥力[5]。不合理的施用不仅导致氮肥利用率下降，还会造成土壤板结、酸化、肥力下降等一系列不利的影响[6-7]。大部分农田土壤在自然条件下不能够为作物提供充足的养分[8]，又由于有机肥发酵腐解过程缓慢复杂，因此越来越多无机肥料代替有机肥料被用于满足人民对高产的追求[9]。但与化肥相比，有机肥养分含量丰富，能够为作物生长提供全面稳定的养分，并能培肥地力[10]。因此，探究长期化学氮肥和有机肥对土壤肥力指标的影响成为作物增产和土壤培肥的关键。为此沈阳农业大学于1987年设立了棕壤长期定位施肥试验，揭示长期化学氮肥和有机肥施用对土壤肥力演变的影响。本研究采用主成分分析等方法，研究了化学氮肥和有机肥施用31年后对棕壤肥力指标的影响，以期明确化学氮肥和有机肥处理与肥力指标的关系，从而为合理调控氮肥施用和有机肥替代化肥提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

沈阳农业大学棕壤长期定位试验站始建于1987年，位于41°49′N，123°34′E。地处温带大陆季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，年均温7.6℃，年降水量705mm，海拔75m。土壤为发育在黄土性母质上的壤质棕壤，通体无盐酸反应。作物为连作玉米（当地常用品种）。每年4月25日播种，9月25日收获。试验地1987年土壤基本理化性状为：有机质含量 15.6g·kg-1，全氮含量 1.0g·kg-1，全磷含量 0.5g·kg-1，全钾含量 21.56g·kg-1，碱解氮含量67.4mg·kg-1，速效磷含量 8.4mg·kg-1，速效钾含量 99.7mg·kg-1，pH 值 6.39，容重 1.22g·cm-3。试验小区长 9.6m，宽7.2m，面积 69m2。 施用的有机肥(M)为腐熟猪厩肥，有机质含量 150g·kg-1，全氮 10g·kg-1[11]。

1.2 方法

2018年7月30日供试土壤采自沈阳农业大学棕壤长期定位试验5个不同氮肥施用处理样地 （表1），采集各处理0～20cm土层的土壤样品，其中CK0为试验地布置初始值。每个处理3次重复，每个重复按“S”形五点取样后混合处理。在室内挑出土壤中大的砾石、作物残留根系和其他废弃物，自然风干后，分别过20目和100目筛，用于各肥力指标的测定。用环刀采集每个重复处的土壤样品，进行容重测定。

1.3 测定项目与方法

土壤pH值采用电位计法（水土比为2.5∶1）测定，用Phs-3B型pH计测定。土壤容重测定采用环刀法。碱解氮测定采用NaOH扩散皿法。速效磷测定采用0.5mol·L-1NaHCO3浸提钼锑抗比色法。速效钾测定采用NH4OAc火焰光度计法。全磷测定采用NaOH熔融钼锑抗比色法。全钾测定采用NaOH熔融火焰光度计法。土壤有机质测定采用元素分析仪（ElementarVario ELⅢ，德国）测得的土壤有机碳乘以系数1.724计算得到[12]。

1.4 数据分析方法

试验所得数据结果采用Microsoft Excel 2016、IBM SPSSStatistics 19和Canoco4.5软件进行数据统计分析（LSD显著性分析和主成分分析）和制图。

表1 不同氮肥施肥量处理对产量的影响Table 1 Effects of different amount nitrogen application amount for yield

2 结果与分析

2.1 不同氮肥施用对土壤pH值的影响

由图1可知，经过31年不同氮肥的施用，各处理的pH值均呈不同程度下降趋势，下降幅度为3．44%～33．33%。单施化学氮肥降低的最大，且随着化学氮肥施用量的增加，土壤pH值下降的幅度增大。有机肥的施 用能够缓解化学氮肥引发的pH值下降的趋势，在等氮条件下，土壤的 pH 值呈现出 M4＞M2N2＞N4。

2.2 不同氮肥施用对土壤容重的影响

不同氮肥处理土壤容重在 1．16～1．29g·cm-3之间（图 2）。 与 CK0 相比，N2处理容重提升 0．03g·cm-3，N4处理提升0．08g·cm-3。有机肥与化学氮肥配施和单施有机肥处理土壤容重分别降低 0．04g·cm-3和 0．07g·cm-3。等氮条件下，N4处理土壤的容重最高，M2N2次之，M4处理土壤容重最低。

2.3 不同氮肥处理对土壤有机质含量的影响

由图3可知，与CK0相比，不同氮肥处理土壤有机质含量均呈现不同水平的升高，有机质含量升高范围为 2．63%～84．35%。等氮条件下，M4处理的有机质含量最高，有机肥的施入对于提高有机质含量有促进作用，并具有显著差异（p＜0．05）。

图1 不同氮肥处理对土壤pH的影响Figure 1 Effects of different nitrogen fertilizer treatments on soil p H

图2 不同氮肥处理对土壤容重的影响Figure 2 Effects of different nitrogen fertilizer treatments on soil bulk density

图3 不同氮肥处理对土壤有机质含量的影响Figure 3 Effects of different nitrogen fertilizer treatments on soil organic matter

2.4 不同氮肥处理对土壤养分的影响

由表2可知，与CK0相比，土壤全量养分除全钾和N2处理全磷呈现降低趋势外，其余均呈现升高趋势。CK、N2、N4分别使土壤全氮含量提升25%、23%和28%，而有机肥与化学氮肥配施（M2N2）提高了57%，单施有机肥提高 97%。等氮条件下，N4、M2N2、M4处理间全氮含量有显著差异（p＜0．05），且单施有机肥土壤全氮含量最高。与CK0相比，各处理土壤全钾含量均呈下降趋势，下降范围在7．08%～17．27%之间。各处理全磷含量变化范围在-4%～332%之间，有机肥施用显著提高了全磷的含量，而化学氮肥对全磷的含量变化影响不明显。对于土壤速效养分，与CK0相比，各处理碱解氮含量均有所提升，N4、M2N2、M4处理与CK0相比有显著提升，且N4处理碱解氮含量最高。各处理土壤速效钾含量变化范围在-65．31%～28．92%之间，与CK0相比，单施有机肥施用增加了土壤速效钾含量，不施肥、单施氮肥及有机肥氮肥配施处理土壤速效钾含量均呈降低趋势。等氮条件下，M4处理的速效钾含量最高，N4处理的速效钾含量最低，呈现出显著差异（p＜0．05）。各处理土壤速效磷含量与CK0相比呈现显著升高的趋势，其中有机肥处理（M2N2、M4）较化学氮肥处理提升较多，且各处理间差异显著（p＜0．05）。

表2 不同氮肥处理土壤养分含量Table 2 Soil nutrients contents in different nitrogen fertilizer treatments

2.5 不同氮肥处理各肥力指标的主成分分析

根据统计学的原理，当各主成分的累计贡献率＞85%时，即可反映系统的变异信息，同时特征值在某种意义上也可看出各主成分影响度大小[13-14]。由表3可知，本试验第1主成分（PC1）的贡献率为85．8%，第二主成分的贡献率达到11．2%，前两个主成分累计贡献率达到了97%，且整体没有变量丢失，可以用来反映土壤内养分的变异情况，能够解释绝大部分变异。由图4可知，PC1用于解释施肥与不施肥处理的差异，PC2用于解释有机肥与化学氮肥处理的差异。其中，CK处理对各肥力指标影响均较弱，M2N2处理与产量相关性最强，M4处理与有机质、全磷相关性最强。此外，M2N2与有机质、全磷、总氮、速效钾、产量、速效磷、碱解氮成正相关，与容重、pH值、全钾呈负相关关系。速效磷在PC1上的贡献最大，全钾在PC1上的载荷贡献值最小。M4处理位于PC2的正半轴，而M2N2和N4处理位于PC2的负半轴。速效钾在PC2上的载荷贡献值最大，速效磷在PC2上的贡献最小。

表3 主成分分析的特征根和方差贡献率Table 3 Effects of different amount nitrogen application eigen value and contribution of variance by PCA analysis

3 讨论与结论

图4 土壤肥力指标在第1和第2主成分的负荷分布Figure 4 Redundancy analysis of soil fertility indices in the first and second principal components

氮肥作为植物生长必须的重要元素已被广泛使用，长期不同量、不同形式氮肥（不施肥、化学氮肥、有机肥）施用虽提高了玉米产量，但提高程度存在差异，且对土壤肥力指标产生了不同程度的影响。单施化学氮肥（N2、N4）降低了土壤pH，主要由于尿素经水解、硝化后生成NO3-，与土壤中H+结合，导致土壤pH下降[15]。同时，也增加了土壤容重，这与单施化学氮肥使得土壤板结，造成容重增加有关[16]。董泽鹏等[17]研究表明单施化肥会一定程度提升速效养分，但对全量养分的促进作用不明显。本研究结果显示化学氮肥的施入增加了土壤全氮、碱解氮、速效磷等速效养分的含量[18]，一定程度上促进了作物产量的增加，使得归还土壤的作物残留物（如根茬、秸秆）增加，从而提高了土壤有机质含量[19]。然而，单施化学氮肥和不施肥处理，由于没有外源钾素供给，并且根茬归还土壤部分少于作物生长需要部分，因此土壤全钾、速效钾含量显著下降。土壤全钾含量主要与母质和黏土矿物有关，而速效钾含量受全钾和施肥的影响[20]。有机肥的施用总体上对全量和速效养分的提升效果优于化学氮肥的施用，可以改善养分容库，提高土壤的供肥容量，对提升玉米产量更明显[21]。其中，有机肥与化学氮肥配施是各处理中增产效果最高的。与CK0相比，有机肥施入也降低了土壤pH值（有机肥和化学氮肥配施较单施有机肥下降较多），但下降幅度低于单施化学氮肥，说明有机肥的施用可以减缓单施化学氮肥对土壤造成的酸化。此外，其补充了土壤有机质的损失，维持了较好的土壤容重[22]。然而，与CK0相比，有机肥的施入虽显著增加了土壤速效钾的供应，但一定程度降低了土壤全钾含量，增加了土壤钾素损失的风险[23]，但单施有机肥能够缓解化学氮肥引起的土壤全钾的下降[24]。总体看，M2N2处理增加了全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量，使土壤的肥力水平得到提升，且土壤的供肥能力稳定，最有利于作物的生长和培肥土壤。大量研究也表明有机肥与化肥配施效果好于单施其中一种，可以提高土壤质量及作物品质[8,25]。

有机肥和化学氮肥配施能够正向影响更多的指标，且指标间正向相关关系紧密。有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾之间均呈正相关关系，即土壤养分维持在一种相对平衡状态，某一种养分的失衡将会引起其他的养分丰缺平衡。等氮条件下，M2N2处理与除pH外的其余养分指标相关性较强，并直接影响作物产量，说明有机肥与化肥配施有利于平衡养分和土壤培肥。土壤容重与除全钾外的其余肥力指标呈负相关关系，即容重越大土壤的肥力指标越低，土壤的养分供应能力越弱。此外，各处理对全钾的调控均较弱，因此在一定程度上也反映了这些处理存在土壤钾素的潜在损失。

31年化学氮肥和有机肥的施用对棕壤肥力指标产生了不同程度的影响：与不施肥相比，化学氮肥和有机肥施用均提高了玉米的产量，单施高量化学氮肥处理增产效果最差，有机肥与化学氮肥配施增产效果最好；等氮条件下，有机肥和化学氮肥配施更有利于培肥土壤，缓解化学氮肥造成的不良影响，使各肥力指标向利于产量方向发展；有机肥与化学氮肥配施对土壤速效磷、总氮、碱解氮、有机质、全磷、速效钾具有正相关调控作用，对容重和pH负相关调控作用较强，而化学氮肥对容重的正相关调控和pH值、全钾的负相关调控较强。因此，有机肥与化学氮肥配施最有利于作物增产和培肥土壤，但需要注意土壤中钾素的潜在损失。