陳 鴿, 湯春純, 李祖勝, 黃運(yùn)湘, 曾希柏, 文 炯, 高 雪, 張 騫

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不同施肥措施對洞庭湖區(qū)旱地肥力及作物產(chǎn)量的影響*

陳 鴿1,2, 湯春純1, 李祖勝1, 黃運(yùn)湘2, 曾希柏3**, 文 炯1, 高 雪4, 張 騫3

(1. 湖南省岳陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部岳陽農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站 岳陽 414000; 2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院長沙 410000; 3. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081; 4. 西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院 拉薩 850002)

應(yīng)用長期定位試驗(yàn)方法, 研究了洞庭湖區(qū)非糧食作物棉花-油菜輪作下, 農(nóng)民習(xí)慣施肥(TF)、配方施肥(NPK)及有機(jī)肥和化肥不同配比模式[有機(jī)肥來源氮占配方肥總氮量的50%(50%OM)、30%(30%OM)和10%(10%OM)]的作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的變化, 以期為相應(yīng)作物種植制度下的合理施肥提供參考。研究結(jié)果表明: 在本試驗(yàn)施肥量及有機(jī)無機(jī)肥配比下, 有機(jī)肥和化肥配施顯著提高了棉花和油菜的產(chǎn)量, 且以50%OM處理產(chǎn)量最高, 各處理產(chǎn)量的順序?yàn)?0%OM>30%OM>10%OM>NPK>TF>CK(不施肥對照); 當(dāng)有機(jī)氮施用量占總氮量的50%時(shí)(50%OM處理), 棉花和油菜產(chǎn)量分別比NPK處理高24.52%、29.57%, 比習(xí)慣施肥(TF)處理分別高46.03%和49.07%。同時(shí), 施用有機(jī)肥各處理作物產(chǎn)量的年際變化均不到20%, 明顯小于NPK、TF和CK處理, 即施用有機(jī)肥不僅能促進(jìn)旱地作物高產(chǎn), 同時(shí)也能保證其穩(wěn)產(chǎn)。有機(jī)肥與化肥配施能增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量, 且以50%OM處理效果最好, 與試驗(yàn)前比較的增加幅度分別達(dá)57.5%、38.2%、65.1%和48.1%; 土壤有效磷含量有隨施入磷素量的增加而增加趨勢; 而CK處理土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量則均呈逐年下降的趨勢。各處理土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量()隨試驗(yàn)?zāi)晗?)的變化均可用方程式=a+b來表示。在洞庭湖區(qū)肥力較高的旱地土壤中, 合理的有機(jī)肥和化肥施用比例對保障非糧作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和耕地地力提升尤為重要, 且本試驗(yàn)條件下當(dāng)有機(jī)肥來源氮占總施氮量的50%時(shí)能獲得最佳效果。

棉花-油菜輪作; 長期定位試驗(yàn); 有機(jī)肥和化肥配比; 作物產(chǎn)量; 土壤肥力

科學(xué)施肥是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和培肥土壤的重要保障, 也是提高養(yǎng)分資源利用效率、促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的重要前提[1-6]。長期定位試驗(yàn)因具有時(shí)間的長期性和氣候的代表性, 且其信息量較豐富等, 能較系統(tǒng)揭示土壤肥力的演變、預(yù)測土壤的承載能力等, 因而是土壤學(xué)相關(guān)研究中最經(jīng)典的方法之一[1-3]。近年來, 許多研究者報(bào)道了長期施用有機(jī)肥、化肥、有機(jī)無機(jī)肥配施等對土壤的培肥作用[7-10], 并認(rèn)為長期施用化肥將可能導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降[11-12], 單施有機(jī)肥盡管能提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量、但因養(yǎng)分供應(yīng)緩慢等諸多原因致使作物產(chǎn)量較低, 有機(jī)無機(jī)肥配合施用則既能培肥土壤又能使作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[13-16],這些研究結(jié)果為作物合理施肥和耕地質(zhì)量培育等提供了有效支撐。但是, 由于不同地區(qū)土壤氣候條件及耕作栽培水平各異, 因而在總施肥量、有機(jī)無機(jī)肥施用比例等方面也存在較大差異。

盡管棉花(spp.)和油菜()是我國南方地區(qū)最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一, 且棉花-油菜輪作也是洞庭湖平原等亞熱帶地區(qū)較典型的種植制度, 但受諸多原因的影響, 已有研究大多為水稻()-油菜、水稻-小麥()、水稻-水稻或小麥-玉米()等以糧食作物生產(chǎn)為前提[17-18], 對以經(jīng)濟(jì)作物如棉花、油菜等為前提種植制度下的研究較少?；诖? 筆者從2008年開始, 在湖南省農(nóng)業(yè)廳等的支持下, 依托農(nóng)業(yè)部岳陽農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站開展了棉花-油菜輪作模式下長期不同施肥配比下土壤肥力與作物產(chǎn)量變化的定位試驗(yàn), 探討洞庭湖平原區(qū)種植面積最大、種植歷史最長的2種典型旱地經(jīng)濟(jì)作物棉花和油菜輪作條件下, 土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀等的變化及其對作物產(chǎn)量的影響, 旨在為洞庭湖區(qū)旱地肥力提升、作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供相應(yīng)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)自然條件

定位監(jiān)測試驗(yàn)點(diǎn)位于湖南省岳陽市的農(nóng)業(yè)部岳陽農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站, 為湖南省耕地質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn), 地理坐標(biāo)為: 113°5′15″E, 29°16′0″N, 海拔高度約為40 m。監(jiān)測點(diǎn)地處長江中游亞熱帶地區(qū), 年平均溫度17.0 ℃, 年平均降雨量1 400 mm, 全年日照時(shí)數(shù)1 722~1 816 h, 氣候溫暖溫潤, 光照充足, 雨量適宜。該地區(qū)旱地農(nóng)作物主要類型為油菜、棉花和玉米, 近年來棉花種植面積盡管有所減少, 但仍占有較大比例。監(jiān)測點(diǎn)土壤為洞庭湖沉積物發(fā)育的潮泥土, 土壤質(zhì)地為黏壤, pH 5.7, 有機(jī)質(zhì)19.3 g·kg-1, 全氮1.36 g·kg-1, 堿解氮119.6 mg·kg-1, 有效磷18.6 mg·kg-1, 速效鉀58.39 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)洞庭湖平原區(qū)旱地主要種植制度等情況, 長期定位試驗(yàn)種植作物確定為所在地區(qū)種植歷史悠久、且種植面積最大的兩種旱地作物棉花和油菜, 并采用一年兩熟的方式, 即春季種植棉花、秋季種植油菜。試驗(yàn)所用作物品種: 油菜為‘湘油16號’, 棉花為‘湘雜棉3號’, 種子由岳陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。

按照湖南省農(nóng)業(yè)廳要求并參考當(dāng)?shù)睾档氐氖┓柿?xí)慣等, 本試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理: ①CK(不施肥); ②10%OM (10%有機(jī)肥+化肥); ③30%OM(30%有機(jī)肥+化肥); ④50%OM(50%有機(jī)肥+化肥); ⑤習(xí)慣施肥(TF); ⑥配方施肥(NPK)。試驗(yàn)各小區(qū)面積均為8 m×5 m, 不設(shè)重復(fù), 小區(qū)間用水泥埂分隔。各處理施肥為: 習(xí)慣施肥按照所在地區(qū)農(nóng)民的習(xí)慣施肥用量, 配方施肥、有機(jī)肥與化肥不同配施比例各處理均按照配方施肥方法確定氮磷鉀養(yǎng)分施用量, 且除習(xí)慣施肥和CK處理外各處理施用的養(yǎng)分量相等。有機(jī)肥與化肥不同施用比例處理系根據(jù)配方施肥處理的氮肥施用量, 按照相應(yīng)的比例折算成有機(jī)肥的施用量, 并扣除有機(jī)肥中磷鉀的量。各處理的養(yǎng)分施用量如表1。

表1 試驗(yàn)各處理的養(yǎng)分施用量

各處理所用肥料的種類為: 有機(jī)肥用菜餅, 氮肥為尿素、磷肥為過磷酸鈣、鉀肥為氯化鉀。不同作物養(yǎng)分的基、追肥施用比例參照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行, 油菜中有機(jī)肥和磷肥的全部、氮素的25%和鉀素的50%作為基肥施用, 并在整地時(shí)一同施入土壤中, 其余部分則作為追肥兌水施用到作物根部附近; 棉花同樣按照有機(jī)肥和磷肥的全部、氮素的25%和鉀素的50%作為基肥施用, 并在整地時(shí)一同施入土壤中, 其余部分則作為花鈴肥兌水施用到作物根部附近。作物生長期間的田間管理與當(dāng)?shù)仄胀ù筇镆恢隆煞N作物的育苗與移栽時(shí)間分別為: 棉花于每年4月中旬育苗, 5月中旬移栽, 10月下旬收獲; 油菜于每年9月下旬育苗, 11月初移栽, 翌年5月初收獲。

1.3 取樣和分析方法

每年每季作物成熟后各處理單收, 取樣考種, 測定相應(yīng)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。于每年棉花收獲后, 在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)取樣點(diǎn), 采集0~20 cm耕層土樣, 風(fēng)干, 分別過1 mm和0.25 mm篩, 用于測定土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量等理化性質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法, 全氮用凱氏法, 堿解氮用擴(kuò)散法, 速效磷用Olsen法, 速效鉀用1 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法[19]分別測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與方法

采用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)和作圖, 用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理作物產(chǎn)量變化

表2為不同施肥處理下油菜和棉花產(chǎn)量變化。由表中可知, 10%OM、30%OM、50%OM處理的棉花多年平均產(chǎn)量分別是NPK處理的114.1%、112.9%、124.5%, 分別是TF處理的133.9%、132.4%、146.0%, 分別是CK處理的475.9%、470.6%、519.2%, NPK處理是TF處理的117.3%, NPK和TF處理分別是CK處理的416.9%和355.5%。不施肥處理棉花產(chǎn)量明顯低于其他施肥處理, 雖年際間有波動(dòng), 但總體呈下降趨勢, 從2008年到2012年降幅達(dá)48.3%。所有施肥處理棉花產(chǎn)量都呈增加趨勢, 其中NPK處理棉花產(chǎn)量前兩年增長較快, 隨著試驗(yàn)的延長, 其產(chǎn)量增長停滯并呈下降趨勢。施用有機(jī)肥處理中, 50%OM處理2012年較2008年增加了73.2%, 30%OM處理則增加了60.7%, 10%OM處理增加了56.2%, 增加均快于TF的45.6%。施用有機(jī)肥處理不僅保持了較高的棉花產(chǎn)量, 而且棉花產(chǎn)量年際間的變異系數(shù)也較低, 說明有機(jī)肥與化肥配施能使棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn), 其中以50%OM處理為最佳施肥模式。TF處理產(chǎn)量僅高于CK處理而低于其他施肥處理, 說明當(dāng)?shù)豑F模式肥料結(jié)構(gòu)和施肥量有待改善, 經(jīng)濟(jì)效益不高。

表2 不同施肥處理油菜和棉花產(chǎn)量年際間的變化

從表2可知, 試驗(yàn)期間各處理油菜產(chǎn)量高低順序依次為: 50%OM>10%OM>30%OM>NPK>TF> CK。10%OM、30%OM、50%OM處理的油菜產(chǎn)量分別是NPK處理的128.3%、124.3%、129.6%, TF的147.6%、143.0%、149.0%, CK處理的335.7%、325.2%、338.9%, NPK處理是TF處理的115.0%, 而NPK和TF處理分別是CK處理的261.6%和227.4%。無肥區(qū)的油菜產(chǎn)量呈逐年下降趨勢, 施肥處理在2008—2010年間呈下降趨勢, 2010—2012年間呈上升趨勢, 年際間差異變化較大。

表2的結(jié)果還顯示, 歷年無肥區(qū)產(chǎn)量均明顯低于施肥處理, 說明施肥對作物增產(chǎn)的重要作用。NPK肥與TF處理棉花和油菜產(chǎn)量差異均較小, 且都高于無肥區(qū)低于有機(jī)肥與化肥配施處理, 在有機(jī)肥與化肥配施模式中, 本試驗(yàn)條件下以50%OM處理為產(chǎn)量最高。

2.2 不同施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量變化

圖1為土壤有機(jī)質(zhì)含量變化。由圖中可知, 有機(jī)肥與化肥配施處理及TF處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢, NPK處理總體呈先升后降趨勢, CK處理總體呈下降趨勢; 土壤有機(jī)質(zhì)含量隨有機(jī)肥施入量的增加而增高, 各施肥處理的有機(jī)質(zhì)含量均值高低依次為: 50%OM>30%OM>TF>10%OM>NPK, 表明施肥模式不同對土壤有機(jī)質(zhì)含量有很大影響。2012年土壤有機(jī)質(zhì)含量與2008年比較, 無肥區(qū)降低了0.4 g·kg-1, 下降2.1%, 呈緩慢下降。分析認(rèn)為, 油菜-棉花輪作及作物根茬殘留在一定程度上能改善土壤結(jié)構(gòu)、培肥土壤, 使土壤有機(jī)質(zhì)保持在一定水平。NPK處理盡管未施有機(jī)肥, 但由于有一定量根莖葉等有機(jī)物回歸土壤, 土壤有機(jī)質(zhì)含量略有上升, 2012年較2008年增加2.2 g·kg-1, 增加了11.4%。有機(jī)肥與化肥配施處理有機(jī)質(zhì)增加明顯, 到2012年, 50%OM、30%OM、TF和10%OM處理有機(jī)質(zhì)分別增加了11.1 g·kg-1、9.8 g·kg-1、6.6 g·kg-1、6.4 g·kg-1, 增幅分別為57.5%、50.8%、34.2%、33.2%。根據(jù)圖中相關(guān)數(shù)據(jù), 可以求出不同處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量()隨施肥年限()變化的關(guān)系分別為: 10%OM處理=1.50+18.58 (2=0.851 4), 30%OM處理=2.14+ 18.74 (2=0.864 9), 50%OM處理=2.42+18.96 (2= 0.840 1), 表明土壤有機(jī)質(zhì)增幅大小與有機(jī)肥施用量高低呈正比。TF處理=1.46+18.82 (2=0.855 4), NPK處理和CK則沒有顯著相關(guān)性。根據(jù)前述相互關(guān)系, 可以求出各處理土壤有機(jī)質(zhì)年均增加量分別為10%OM處理1.50 g·kg-1、30%OM處理2.14 g·kg-1、50%OM處理2.42 g·kg-1、TF處理1.46 g·kg-1, 即各處理土壤有機(jī)質(zhì)年均增加量隨有機(jī)肥施用比例的提高呈增加的趨勢。

圖2為不同處理下土壤全氮含量變化。2008— 2012年各處理全氮含量均值大小依次為: 50%OM> 30%OM>TF>10%OM>NPK>CK, 50%OM處理的全氮含量均值分別高出10%OM、NPK和CK處理14.29%、22.22%和25.71%, 30%OM處理分別高出NPK和CK處理18.06%和21.43%。到2012年, 無肥區(qū)全氮含量降低0.09 g·kg-1, 下降6.6%, 這可能與無肥區(qū)生物產(chǎn)量低, 收獲量少和自然補(bǔ)給氮素不足有關(guān)。NPK處理的全氮含量5年后僅增加0.05 g·kg-1,呈穩(wěn)定狀態(tài)。50%OM、30%OM、10%OM處理5年內(nèi)分別增加0.52 g·kg-1、0.48 g·kg-1和0.18 g·kg-1, 增幅分別為38.2%、35.3%、13.2%, 表明有機(jī)肥施用量增多, 土壤全氮含量相應(yīng)提高。對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)30%OM處理下土壤全氮含量()與試驗(yàn)?zāi)晗?)變化可用方程式表示為:=0.11+1.37 (2=0.660 7), 通過該方程式計(jì)算, 該處理下土壤全氮含量年均每年增加量為0.11 g·kg-1。

由圖1和圖2可知, 有機(jī)質(zhì)的含量與全氮呈現(xiàn)高度的一致性。連續(xù)5年來, 不同處理之間土壤有機(jī)質(zhì)的變化與全氮表現(xiàn)出相同的趨勢, 土壤全氮含量隨著有機(jī)肥施用量的增加而上升, 等量施肥條件下, 施用有機(jī)肥處理的土壤全氮含量明顯高于NPK和不施肥處理。不施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮基本保持在較低的水平, 呈緩慢下降趨勢。本試驗(yàn)原土壤C/N值為8.2 試驗(yàn)5年后TF處理的土壤C/N值為10.2, 有機(jī)肥與化肥配施處理(50%OM、30%OM、10%OM均值)的土壤C/N值為9.4, NPK處理土壤C/N值為8.8, 不施肥處理土壤C/N值為8.6。結(jié)合各處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的變化, 盡管不同處理土壤C/N值略有提高, 但相互之間差異較小, 但也說明, 有機(jī)肥與化肥配施比NPK能更明顯補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì), 提高土壤對作物的供肥能力, 同時(shí)又可通過調(diào)節(jié)土壤與肥料養(yǎng)分的釋放強(qiáng)度與速率, 使作物在整個(gè)生育階段得到均衡的礦質(zhì)營養(yǎng)。

2.3 不同施肥處理土壤速效養(yǎng)分含量變化

氮是土壤中最活躍的營養(yǎng)元素之一, 堿解氮含量的高低在一定程度上可以反映出土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度的大小[5]。從圖3可以看出, CK處理的土壤堿解氮含量呈下降趨勢, 5年內(nèi)降低了8.0%, 施肥處理均有不同程度的上升。2008—2010年NPK處理土壤堿解氮含量上升最快, 增幅為39.2%, 有機(jī)肥與化肥配施處理則增長較為緩慢; 2011年后, NPK處理的土壤堿解氮含量增長減緩, 有機(jī)肥與化肥配施處理則快速上升; 到2012年, 有機(jī)肥與化肥配施(10% OM、30%OM、50%OM)處理土壤堿解氮含量增加61.2~77.9 mg·kg-1, 增幅為51.2%~65.1%; NPK處理提高了59.7 mg·kg-1, 增幅為49.9%; TF處理量增加了44.4 mg·kg-1, 增幅為37.1%。試驗(yàn)5年后有機(jī)肥與化肥配施處理土壤堿解氮含量增幅最大, NPK其次, TF增幅在施肥處理中增幅最小, 無肥區(qū)處理呈逐漸降低的變化趨勢。

對圖中的不同施肥年限()與土壤堿解氮含量()做回歸分析可知, 10%OM處理為:=16.28+99.62 (2=0.976 5), 表明10%OM處理堿解氮年均增加量為16.28 mg·kg-1; 30%OM處理為=18.78+97.94 (2=0.979 9), 年均增加量為18.78 mg·kg-1; 50%OM處理為:=21.31+97.93 (2=0.963 3), 年均增加量為21.31 mg·kg-1; TF處理為:=12.08+104.48 (2=0.971 8), 年均增加量為12.08 mg·kg-1; NPK處理為:=15.65+109.63 (2=0.914 0), 年均增加量為15.65 mg·kg-1。無肥區(qū)處理回歸方程的相關(guān)系數(shù)2值低于方程可信度值0.658 0。這表明, 有機(jī)肥與化肥配施處理土壤堿解氮年均增加量大于NPK處理大于TF處理。

磷素在土壤中遷移能力較弱, 在土壤中容易富集。由圖4可知, CK處理的土壤有效磷含量呈逐年下降趨勢, 從2008年的18.65 mg·kg-1下降到2012年的6.3 mg·kg-1, 降幅達(dá)66.2%。施肥處理的土壤有效磷含量呈平緩上升。試驗(yàn)前4年, NPK處理有效磷含量是施肥處理的最大值, 第5年低于50%OM處理。施用化肥在短時(shí)期內(nèi)能較快速地增加土壤有效磷含量, 但隨著試驗(yàn)的持續(xù), 其和有機(jī)肥與化肥配施之間的差距逐漸縮小并被超趕。土壤有效磷含量因施入磷肥量的增加而增加, 10%OM、30%OM、50%OM和TF處理土壤有效磷增長趨勢基本相似, 相互之間差異微小。對圖中的施肥年限()與土壤有效磷含量()做回歸分析可知, 10%OM處理為:=0.94+ 18.07 (2=0.847 6), 其年均增加量為0.94 mg·kg-1; 30%OM處理為:=1.10+17.54 (2=0.880 7), 年均增加量為1.10 mg·kg-1; 50%OM處理:=1.53+16.78 (2=0.879 1), 年均增加量為1.53 mg·kg-1; TF處理為:=10.70+17.20 (2=0.635 0), 相關(guān)系數(shù)不高; NPK處理為:=1.23+18.21 (2=0.733 5), 年均增加量為1.23 mg·kg-1; CK處理為:=-2.99+20.98 (2=0.987 2), 年均減少量為2.99 mg·kg-1。通過以上分析可知, 土壤有效磷年際間每年的增加量50%OM處理>NPK處理>30%OM處理>10%OM處理, 而無肥區(qū)逐年下降。

圖5表示不同處理下土壤速效鉀含量變化。從圖中可知, CK處理的土壤速效鉀含量降低, 5年內(nèi)下降了15.9%, 施肥處理的土壤速效鉀含量均呈不同程度的上升。5年內(nèi)50%OM、30%OM、10%OM和TF處理土壤速效鉀平均分別提高了17.8 mg·kg-1、15.7 mg·kg-1、15.4 mg·kg-1和11.6 mg·kg-1, NPK處理提高了15.3 mg·kg-1, 各施肥處理間增幅差異不大, 以50%OM處理最高、增幅為48.1%。對圖中各處理土壤速效鉀含量()隨試驗(yàn)?zāi)晗?)的變化進(jìn)行回歸分析, 10%OM處理為:=7.02+52.72 (2=0.880 7), 速效鉀年均增加量為7.02 mg·kg-1; 30%OM處理為:=6.95+53.22 (2=0.918 2), 求得速效鉀年均增加量為6.95 mg·kg-1; 50%OM處理為:=7.46+53.83 (2=0.9105), 速效鉀年均增加量為7.46 mg·kg-1; TF處理為:=4.66+56.01 (2=0.980 2), 速效鉀年均增加量為4.66 mg·kg-1; NPK處理為:=5.96+55.80 (2=0.818 7), 可求得速效鉀的年均增加量為5.96 mg·kg-1。通過以上回歸方程分析可知, 土壤速效鉀年均增加量50%OM處理>10%OM處理>30%OM處理>NPK處理, 無肥區(qū)逐年下降。

3 討論

3.1 施肥對旱地非糧食作物產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是土壤肥力、氣候條件及人為管理措施等因素的綜合表現(xiàn)[20], 而施肥則是保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。已有長期定位試驗(yàn)結(jié)果表明, 不論有機(jī)物料或化學(xué)肥料, 對作物都具有良好的增產(chǎn)效果, 且兩者的增產(chǎn)效果不相上下; 長期施用化肥能使禾谷類作物持續(xù)高產(chǎn)[21], 而有機(jī)肥和化肥長期配合施用更是作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的可持續(xù)施肥模式[22]。本試驗(yàn)表明, 盡管施肥均能在一定程度上提高棉花和油菜的產(chǎn)量, 但不同施肥處理間差異較大, 且在本試驗(yàn)條件下均以50%有機(jī)肥處理最高, 10%OM處理又高于30%OM處理, 這說明油菜和棉花產(chǎn)量并非隨有機(jī)肥比例增加而增加。同時(shí), TF由于沒有考慮土壤本身的養(yǎng)分供應(yīng)狀況和作物對養(yǎng)分的需要, 因而在所有施肥處理中產(chǎn)量最低。顯然, 這種結(jié)果與以稻田種植制度為主的研究中[20-23]作物產(chǎn)量隨有機(jī)肥施用比例增加而增加的趨勢并非完全一致, 且各施肥處理間平均產(chǎn)量的差異, 特別是TF和NPK間的差異達(dá)到15%以上, 同樣大于以稻田為主的種植制度。這種結(jié)果說明, 在洞庭湖區(qū)以棉花、油菜為主的種植制度下, 農(nóng)民對作物施肥的重視程度和合理性遠(yuǎn)低于稻田為主的種植制度, 作物對施肥的響應(yīng)較大, 合理施肥對作物產(chǎn)量的增產(chǎn)量也較大。

從本試驗(yàn)中不同處理作物產(chǎn)量的年際變化看, CK處理棉花產(chǎn)量到第5年時(shí)較初始年降低了48.3%, 50%OM、30%OM、10%OM和TF處理則分別增加73.2%、60.7%、56.2%和45.6%, 且施用有機(jī)肥的各處理棉花產(chǎn)量年際間的變異系數(shù)較小; NPK處理棉花產(chǎn)量前兩年增長較快, 但隨著試驗(yàn)的延長, 其產(chǎn)量增長停滯并呈下降趨勢。CK處理油菜產(chǎn)量到第5年時(shí)降幅為52.8%; 2008—2010年有機(jī)肥與化肥配施3個(gè)處理油菜產(chǎn)量降幅為30.0%~38.5%, NPK和TF處理降幅分別為48.3%和49.2%; 2010—2012年有機(jī)肥與化肥配施3個(gè)處理油菜產(chǎn)量增幅為41.9%~ 68.5%, NPK處理增幅為40.0%, TF則為20.1%。油菜和棉花產(chǎn)量的這種年際變化, 在一定程度上是受天氣的影響所致, 如2010年試驗(yàn)點(diǎn)在油菜生長中后期遇低溫陰雨天氣, 使油菜莢不能正常發(fā)育, 導(dǎo)致單產(chǎn)降低; 2011年試驗(yàn)點(diǎn)較往年降水提前、降水強(qiáng)度大, 導(dǎo)致棉花8月中旬開始發(fā)生爛鈴和蕾鈴脫落, 平均剝爛鈴在350 kg?hm-2以上, 是5年來單株成鈴數(shù)最低的年份。上述棉花和油菜產(chǎn)量的年際變化呈現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn): 1)在同等氣候影響下, 無論是每年單產(chǎn)、還是作物增產(chǎn)幅度比較, 均為有機(jī)肥與化肥配施高于NPK、又高于TF, 以CK處理最低; 2)在TF或NPK處理下, 不同年際間棉花油菜產(chǎn)量的變化幅度遠(yuǎn)大于以稻田為主耕作制下的作物產(chǎn)量變化。這種結(jié)果說明, 有機(jī)肥和化肥配合施用在對棉花、油菜具有良好增產(chǎn)效果前提下, 也使作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性有了更大的提高。

3.2 施肥對旱地土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響

長期施用有機(jī)肥和化肥對土壤有機(jī)質(zhì)的影響, 因土壤類型、肥料種類和作物輪作方式等而異, 有研究表明[24-25], 長期不施肥導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降。施用化肥在促進(jìn)作物生長和提高產(chǎn)量的同時(shí), 也增加了存留在土壤中的根茬量, 因而也可一定程度上提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。施用有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量或使其保持在較高水平。對南方亞熱帶地區(qū)而言, 根據(jù)相關(guān)長期定位試驗(yàn)結(jié)果[15,21,24], 常規(guī)施肥量下雙季稻田的有機(jī)質(zhì)含量維持在30~36 g·kg-1, 水旱輪作下則維持在25 g·kg-1。而根據(jù)本試驗(yàn)的結(jié)果, TF時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)保持在23.2 g·kg-1、NPK處理保持在21.7 g·kg-1、有機(jī)肥與化肥配施處理亦僅24.9 g·kg-1左右, 總體看低于雙季稻和水旱輪作, 說明耕地的水分狀況對有機(jī)質(zhì)含量具有較重要的影響。不同有機(jī)無機(jī)肥施用比例比較, 很顯然以有機(jī)肥施用比例較高, 即用量較大時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)的增加速度較快, 說明有機(jī)肥的投入能在一定程度上促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的提升, 且其提升速度與有機(jī)肥投入量密切相關(guān)。

根據(jù)本研究的結(jié)果, 連續(xù)5年不施肥處理土壤全氮含量下降, 說明在試驗(yàn)所處農(nóng)田生態(tài)條件下, 依靠自然途徑輸入的氮素很難補(bǔ)充作物所吸收帶走的氮量[26-28]。NPK處理土壤全氮含量比試驗(yàn)前增加了3.7%, TF處理土壤全氮含量比試驗(yàn)前增加了8.1%, 有機(jī)肥與化肥配施處理土壤全氮(50%OM、30%OM、10%OM均值)比試驗(yàn)前增加了28.9%, 盡管不同處理間差異較大, 但至少說明本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的氮素投入是基本合理的, 且這種結(jié)果與相關(guān)研究是一致的[26-28]。與單施化肥相比, 施用有機(jī)肥提高土壤氮素的效果更加明顯,再次證明有機(jī)肥與化肥配施能促進(jìn)土壤氮素的積累, 對提高土壤肥力具有積極的作用。本研究中, CK處理土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量均不同程度下降, 而各施肥處理的相應(yīng)含量均有不同程度的上升, 進(jìn)一步說明了施肥對提高土壤養(yǎng)分含量的重要性。由于化肥氮在土壤中很快轉(zhuǎn)化為NH4+和NO3-, 并可能導(dǎo)致氨揮發(fā)和硝酸鹽淋失[26,29], 因此, 化肥氮在土壤中的存留較少, 而有機(jī)氮因礦化緩慢等原因, 在土壤中更易存留[28-29]。此外, 本試驗(yàn)中不同施肥處理下土壤速效氮磷鉀含量的變化, 其增加幅度均遠(yuǎn)小于在同等條件下以稻田為主耕作制度下的增加量, 可能與旱作條件下土壤養(yǎng)分有效性較低、旱作對養(yǎng)分的需要量更大等有關(guān), 但相關(guān)趨勢及機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1)施肥能顯著提高油菜和棉花產(chǎn)量, 其中有機(jī)肥與化肥配施下的棉花和油菜的產(chǎn)量高于NPK和TF處理, 且以50%OM處理的產(chǎn)量最高, 不施肥處理的油菜和棉花產(chǎn)量逐年下降。

2)有機(jī)肥與化肥配施能提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀和堿解氮的含量, 且亦以50%OM處理的效果最好, 土壤有效磷含量與磷素的投入量呈正相關(guān), 而不施肥處理則土壤養(yǎng)分含量均呈下降趨勢。

3)根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果, 洞庭湖區(qū)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下棉花和油菜輪作時(shí), 采用有機(jī)肥與化肥配合施用能獲得較好的效果, 建議有機(jī)肥的施用量為總養(yǎng)分量的50%左右。

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Influence of different fertilization modes on soil fertility and crop yield in Dongting Lake upland areas*

CHEN Ge1,2, TANG Chunchun1, LI Zusheng1, HUANG Yunxiang2, ZENG Xibai3**, WEN Jiong1, GAO Xue4, ZHANG Qian3

(1. Institute of Yueyang Agricultural Sciences / Experimental Station of Yueyang Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Yueyang 414000, China; 2. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410000, China; 3. Institute of Environment and Sustainable Agricultural Development, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 4. Tibet Academy of Agricultural and Animal Husbandry, Lhasa 850002, China)

An experiment was conducted under cotton-rapeseed crop rotation system in upland areas of Dongting Lake to determine the effect of different fertilization modes on soil fertility and crop yield. The treatments in the experiment included none fertilization (control), conventional fertilization (TF), formula fertilization (NPK) and different combinations of chemical and organic fertilizers (10%OM, 30%OM and 50%OM, in which 10%, 30% and 50% of total N was from organic fertilizer). The results indicated that combined inorganic and organic fertilizer application greatly improved yields of cotton and rapeseed, with the highest yield under 50%OM treatment. The order of yields from high to low was: 50%OM, 30%OM, 10%OM, NPK, TP and CK. The yields of cotton and rapeseed under 50%OM were respectively 24.52% and 29.57% higher than those under TP and also 46.03% and 49.07% higher than those under NPK. The inter-annual variation in crop yields under organic fertilizer treatments was less than 20%, which was obviously lower than those under TP, NPK and control. Organic fertilizer application not only improved crop yield, but also supported stable production. 50%OM treatment increased soil organic matter, total N, alkali-hydrolyzable N and quick-acting K respectively by 57.5%, 38.2%, 65.1% and 48.1% over those before the experiment. Soil available P increased with increasing application of P fertilizer. However, soil organic matter and nutrient content decreased in control treatment. The linear equation (= a+ b) well fitted the changes in soil organic matter and nutrient () with time (). Reasonable application of organic plus inorganic fertilizers had significant potential to improve crop yield and soil fertility in upland soils in Dongting Lake area. The 50%OM treatment showed the best effects under the experimental conditions.

Cotton-rapeseed rotation; Long-term static experiment; Organic plus inorganic fertilization; Crop yield; Soil fertility

S147.2; S153.6

A

1671-3990(2017)05-0689-09

10.13930/j.cnki.cjea.160824

* 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD05B06)和湖南省耕地質(zhì)量監(jiān)測項(xiàng)目(hn-43270)資助

**通訊作者:曾希柏, 主要研究方向?yàn)橥嘶拔廴巨r(nóng)田修復(fù)。E-mail: zengxibai@caas.cn

陳鴿, 主要從事農(nóng)業(yè)資源利用研究。E-mail: chengo15@163.com

2016-09-14

2016-12-06

* Funded by the National Key Technologies R&D Program of China (2012BAD05B06), and the Quality Monitoring of Cultivated Land in Hunan Province (hn-43270)

** Corresponding author, E-mail: zengxibai@caas.cn

Sep. 14, 2016; accepted Dec. 6, 2016

陳鴿, 湯春純, 李祖勝, 黃運(yùn)湘, 曾希柏, 文炯, 高雪, 張騫. 不同施肥措施對洞庭湖區(qū)旱地肥力及作物產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(5): 689-697

Chen G, Tang C C, Li Z S, Huang Y X, Zeng X B, Wen J, Gao X, Zhang Q. Influence of different fertilization modes on soil fertility and crop yield in Dongting Lake upland areas[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(5): 689-697