張建軍，樊廷錄，趙 剛，黨 翼，王 磊，李尚中，程萬莉

(甘肅省農業(yè)科學院旱地農業(yè)研究所/甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室,甘肅 蘭州 730070)

化肥在保證西北黃土高原旱區(qū)糧食穩(wěn)產和高產方面發(fā)揮了巨大作用[1]，但由于化肥過量施用引起的肥料利用率低、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列社會問題不容忽視[2-3]。有機物料分解是農田生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的關鍵環(huán)節(jié)，對土壤有機質形成和養(yǎng)分釋放意義重大[4-5]。合理利用有機肥資源是實現中國到2020年化肥施用量零增長目標的重要途徑[6]。大量研究證明：有機物料在提供作物養(yǎng)分[7]、更新土壤有機質[8-9]，增強土壤保水保肥能力[10]，特別是在改善土壤結構和保護農田生態(tài)環(huán)境等方面具有化肥不可替代的作用[11-12]。

對于土壤瘠薄、干旱少雨的隴東黃土高原雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，有機培肥是解決當地農業(yè)生產和生態(tài)環(huán)境問題的重大關鍵技術。同時，為了減少化肥施用量，緩解化肥過量施用對農田生態(tài)環(huán)境的污染，提出了以有機物料部分替代化肥的解決措施。中國的長期定位試驗起步較晚，且大多數為耕作方式、有機無機肥配施及比例等模式，涉及有機肥的長期定位試驗，特別是有機肥與化肥在等氮條件下，作物種植方式為同一種作物連作的長期定位試驗甚少。本研究依托該區(qū)域始于2005年的不同有機物料替代部分化肥的長期定位試驗， 通過對歷年連續(xù)養(yǎng)分資料的系統(tǒng)分析，揭示不同種類有機物料部分替代化肥后的土壤養(yǎng)分演變規(guī)律，探索實現西北黃土高原雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)耕地質量穩(wěn)步提升的化肥減施措施的可行性，為確保西北黃土旱塬雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)糧食安全提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2005～2016年在甘肅省慶陽市鎮(zhèn)原縣(35°29′42″N，107°29′36″E)的農業(yè)部西北植物營養(yǎng)與施肥科學觀測試驗站進行，土壤類型為發(fā)育良好的覆蓋黑壚土。該區(qū)年均降水量540 mm，年蒸發(fā)量1 532 mm，年均氣溫8.3℃，無霜期170 d，海拔1 279 m，為暖溫帶半濕潤偏旱大陸性季風氣候，屬典型的旱作雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。試驗前(2005年)0～20 cm耕層土壤基本理化性狀見表1。

表1 2005年試驗播種前0～20 cm土壤基本理化性狀

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，為了有效控制因品種差異導致的試驗結果誤差，種植方式采用同一冬小麥品種連作，小區(qū)面積24 m2(4 m×6 m)，3次重復。連續(xù)多年設1個不施肥處理(CK)和4個等量氮、磷養(yǎng)分處理(表2)，試驗每年均施入氮、磷化肥和有機物料。氮肥為尿素(N 46%)，基肥∶追肥為7∶3，追肥于返青期施入；磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)，一次性基肥施入，不施鉀肥。根據不同有機肥的施用量及其含N、P2O5量，折算出施入有機肥料N、P2O5量，不足部分施用無機氮、磷肥補充，達到總氮、磷施用量相同。所有有機物料做基肥播前一次性施入。

供試品種為當地大面積推廣的自育冬小麥新品種“隴鑒301”，播量187.5 kg/hm2，播期為9月中下旬，收獲期為翌年6月下旬，各處理除肥料種類不同外，其它栽培管理措施相同。

表2 肥料種類及平均年用量 (kg/hm2)

1.3 觀測指標及方法

1.3.1 土樣采集

2005～2016年每年冬小麥收獲后，按照“S”形多點混合法采集試驗地0～20 cm土層土壤，風干、研磨過篩后用于土壤有機質、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量的測定。

2016年冬小麥收獲后，按照“S”形多點混合方法采集試驗地0～100 cm土樣，每20 cm為一個采樣層，風干、研磨過0.15 mm篩后用于土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機質、全量氮磷鉀及堿解N、有效P含量測定。

1.3.2 測定方法

有機質含量采用重鉻酸鉀-外加熱法，全氮采用半微量凱氏法，全磷采用HClO4-H2SO4法，全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法，堿解氮含量采用堿解擴散法，有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-比色法，速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法[13]。銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用德國生產的AA3型流動注射分析儀測定。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010軟件處理數據和繪圖，DPS 7.05軟件進行統(tǒng)計分析，最小顯著極差法(LSD)進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 長期不同有機物料處理對土壤剖面養(yǎng)分含量的影響

圖1 不同施肥處理不同土層硝態(tài)氮含量變化

各處理0～100 cm土層銨態(tài)氮含量變化不盡相同(圖2)，除秸稈還田外，其余處理均在0～20 cm土層銨態(tài)氮含量最高，且均隨土層深度增加而逐漸降低，但降低幅度不同。相同土層銨態(tài)氮含量相比，不施肥的CK處理各土層銨態(tài)氮含量均最低，施肥處理在0～20和20～40 cm土層銨態(tài)氮含量高低基本一致，為農家肥>生物肥料>秸稈還田>化肥。40～100 cm秸稈還田處理出現明顯波動，表現為40～80 cm緩慢增加，80～100 cm急劇降低，其余施肥處理趨于穩(wěn)定。

圖2 不同施肥處理不同土層銨態(tài)氮含量變化

不同處理全氮含量隨土層深度增加而減少， 0～60 cm土層劇烈降低，60～100 cm土層趨于平緩(圖3)。與不施肥的CK處理相比，各施肥處理明顯提高了0～40 cm土層全氮含量，農家肥和生物肥料處理增加幅度最為明顯，0～40 cm土層全氮平均含量較CK和化肥處理分別增加了138.6%、117.8%和133.9%、113.8%，而在100 cm土層內，農家肥和生物肥料較CK和化肥處理分別增加了27.2%、13.6%和16.5%、4.0%，即在施氮量相同的條件下，農家肥和生物肥料提高土壤全氮的效果明顯優(yōu)于化學肥料。秸稈還田、化學肥料與不施肥的CK處理在0～100 cm土層全氮含量基本一致，秸稈還田和化學肥料較CK處理分別增加了4.7%和9.3%，而秸稈還田較化學肥料降低了4.1%。

圖3 不同施肥處理不同土層全氮含量變化

不同施肥處理全磷含量變化主要集中在0～20 cm土層(圖4)，為農家肥>生物肥料>化學肥料>秸稈還田，其含量與CK相比，依次分別增加了68.0%、55.4%、38.8%、31.0%，40～100 cm土層全磷含量變化基本一致。在0～100 cm土層不施肥的CK處理全磷含量一直最低，農家肥最高，生物肥料次之，二者依次分別較CK和化肥增加24.2%、6.8%和20.5%、3.7%，秸稈還田居第三位，其含量較CK增加13.7%。

圖4 不同施肥處理不同土層全磷含量變化

各施肥處理均能提高相應土層的有機質含量，在0～100 cm土層土壤有機質含量均高于無肥CK處理(圖5)。從有機質平均含量來看，其變化順序為農家肥>生物肥料>化學肥料>秸稈還田，依次分別較CK提高了41.5%、22.4%、17.0%、11.3%，而秸稈還田較化肥處理有機質含量降低了4.9%。

圖5 不同施肥處理不同土層有機質含量變化

堿解氮含量在一定程度上可反映出土壤氮素的供應強度。在0～100 cm土層，不同施肥處理隨土層深度增加，堿解氮含量逐漸降低(圖6)。從平均含量來看，其排序為生物肥料>農家肥>化學肥料>秸稈還田，依次分別較CK增加了13.4%、11.7%、4.5%、2.0%，而秸稈還田較化學肥料降低了2.4%。

圖6 不同施肥處理不同土層堿解氮含量變化

土壤中移動性較小的磷與氮變化情況不同(圖7)。不同施肥處理對有效磷的影響主要集中在0～40 cm土層，以0～20 cm土層變化最為劇烈，為農家肥>生物肥料>化學肥料>秸稈還田，且隨土層深度的增加，各施肥處理有效磷含量均呈明顯下降趨勢，60～100 cm變化與CK趨于一致。其中0～20 cm土層，農家肥、生物肥料、化學肥料、秸稈還田與CK相比，依次分別增加了332.2%、281.9%、252.8%、164.6%，秸稈還田較化學肥料降低了25.0%；而0～40 cm土層，依次分別增加了327.9%、248.1%、214.3%、135.2%，秸稈還田較化學肥料降低了25.2%。

圖7 不同施肥處理不同土層有效磷含量變化

2.2 長期不同有機物料處理對表層土壤養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 有機質含量

從11年的土壤有機質平均含量(表3)來看，不同施肥方式有機質含量差異顯著。CK處理由于長期不施用任何肥料，11年間總體呈下降趨勢，低于試驗前4.9%，這也說明長期不施肥會導致土壤有機質含量下降。相比于CK和播前，各施肥處理有機質含量均有不同程度增加，其變化順序為生物肥料>農家肥>化學肥料>秸稈還田。生物肥料、秸稈還田、農家肥、化學肥料依次分別較播前年均增加1.60、1.12、0.28、0.25 g/kg，較CK年均增加2.22、1.74、0.90、0.87 g/kg，以生物肥料年均增量最多，其次為農家肥，秸稈還田與化學肥料處理接近。可見，施用生物肥料在提高土壤有機質含量方面作用巨大。

2.2.2 全氮和堿解氮含量

各施肥處理全氮、堿解氮平均含量與CK差異顯著，CK由于長期未施用任何肥料，全氮和堿解氮分別低于試驗前11.22%和15.53%，說明長期不施肥會導致土壤氮素嚴重缺乏。經過11年連續(xù)施肥，相比于CK，生物肥料、秸稈還田、農家肥、化學肥料全氮較CK分別增加了11.49%、10.34%、14.94%、9.20%，較播前除農家肥處理的全氮平均含量有2.04%的增加外，生物肥料、秸稈還田、化學肥料分別降低了1.02%、2.04%、3.06%。堿解氮除生物有機肥處理與CK差異顯著外，其余各處理與CK差異不顯著。與CK相比，施肥提高了堿解氮含量，生物肥料、秸稈還田、農家肥、化學肥料分別較CK增加了14.94%、9.24%、10.87%、6.14%，與播前相比，各施肥處理堿解氮含量均有不同程度降低，依次較播前分別降低了2.92%、7.73%、6.35%、10.34%。

2.2.3 全磷和有效磷含量

各施肥處理全磷和有效磷含量與CK差異顯著，且全磷和有效磷平均含量均高于播前和CK，說明長期施肥可逐步提高土壤磷含量。各施肥處理以生物肥料全磷和有效磷平均含量最高，分別較播前和CK提高了8.82%、15.62%和140.28%、143.25%， 年均增幅分別為0.005 g/kg、1.358 mg/kg和0.009 g/kg、1.37 mg/kg，原因是有機肥本身含有一定數量的磷，且易于釋放，可有效提高土壤磷含量。

2.2.4 全鉀和速效鉀含量

全鉀各施肥處理間差異不顯著，均低于播前，生物肥料、秸稈還田、農家肥、化學肥料分別減少了26.7%、27.7%、26.7%、29.4%。速效鉀含量施有機肥處理與CK和化肥配施處理差異顯著，均高于播前和CK，其中生物肥料和農家肥較CK和播前分別提高了36.33%、41.58%和37.92%、43.24%，年均增幅為4.05、4.63 mg/kg和4.18、4.64 mg/kg。

表3 不同肥料處理表層土壤平均養(yǎng)分含量變化(2005～2016年)

注：同一列中不同小寫字母表示不同處理在P<0.05水平之差異顯著。

3 討論

3.1 長期施肥對土壤剖面養(yǎng)分含量的影響

關于長期施肥對旱地土壤硝態(tài)氮含量的影響，已有研究結論存在分歧。Stumborg C等[14]和Tong Y A等[15]認為在旱地土壤上長期大量施用有機肥會導致硝酸鹽在不同層次土壤的過量累積。劉敏超等[16]認為，過多而不合理的氮肥投入會導致硝態(tài)氮在土壤剖面中的大量累積。而楊生茂等[17]認為，化肥有機肥配施能顯著降低土壤剖面的硝態(tài)氮含量。本研究結果顯示，在等氮量條件下，施用有機肥增加了硝態(tài)氮在0～60 cm土層的積累量，0～20 cm土層表現尤為突出，且在0～60 cm隨土層深度增加，硝態(tài)氮含量呈降低趨勢，60～100 cm硝態(tài)氮含量趨于穩(wěn)定。肥料類型間以農家肥最為突出，其次為生物肥料，第三是秸稈還田，三者硝態(tài)氮累積量均高于氮磷化肥配施。

本研究結果還顯示：隨土層深度增加，土壤有機質、氮磷全量及堿解N、有效P含量呈逐漸降低趨勢，0～20 cm土層為土壤有機質、全量及堿解N、有效P含量的富集區(qū)。而秸稈還田土壤有機質、氮磷全量及堿解N、有效P含量接近或低于氮磷化肥配施。

3.2 長期施肥對表層土壤養(yǎng)分含量的影響

長期施肥對土壤養(yǎng)分含量的影響因作物、肥料、土壤類型的不同而存在明顯差異[18]。已有研究表明，施用有機肥能顯著提高土壤養(yǎng)分全量及速效養(yǎng)分含量[7,19-20]。崔文華等[21]認為應通過施用有機肥來提高土壤堿解氮含量。張夫道[22]在一些長期試驗中發(fā)現，施有機肥料區(qū)土壤含氮量均高于化肥和無肥區(qū)。本研究結果顯示：經過連續(xù)11年施肥至2016年冬小麥收獲，0～20 cm土層有機質、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量均發(fā)生顯著變化。相比于播前，不施肥的CK除速效鉀外，其余養(yǎng)分含量均表現為明顯降低，而施肥處理有機質、全磷、有效磷、速效鉀含量均表現為增加，全氮除農家肥增加外，其余處理均降低。全鉀、堿解氮各施肥處理均降低，但各施肥處理間全鉀含量差異不顯著。不施肥的CK較各有機肥處理有機質、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量顯著下降。通常認為，長期單施化肥，土壤有機質基本能保持平衡[18,23]。本研究結果顯示：長期不施肥和氮磷化肥配施有機質含量出現微弱上升，沒有顯著變化，再次佐證了上述觀點。原因是在當前化肥高投入條件下，冬小麥產量持續(xù)增加，根系凋落物等大量殘留土壤所致。長期施用有機肥或化肥有機肥配施，可顯著提高有機質含量[24-25]。本研究結果顯示：有機物料配施氮磷化肥有機質含量發(fā)生顯著變化，生物肥料、秸稈還田、農家肥較CK增幅分別為18.39%、7.20%、14.42%，較試驗前增幅為12.61%、1.97%、8.83%。秸稈還田與試驗前相比，土壤有機質基本維持在同一個水平，原因是秸稈還田土壤有機質的積累與秸稈施用量、施用時間及其礦化、腐殖化過程有關，還受當地氣候、土壤條件的影響。但為了有效解決小麥秸稈焚燒引起的大氣污染問題，秸稈入土還田成為一項必不可少的手段，至于采用何種方式還田，還需進一步深入研究。

4 結論

4.1 在年降水量540 mm左右的隴東半濕潤偏旱雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，在等氮量條件下，長期施用有機肥增加了硝態(tài)氮在0～60 cm土層的累積，突出表現在0～20 cm土層，且隨土層深度增加而降低；0～20 cm土層為有機質、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K養(yǎng)分富集區(qū)，隨土層深度增加其含量降低。肥料間硝態(tài)氮累積量排序為農家肥>生物肥料>秸稈還田>化學肥料。

4.2 經過連續(xù)11年施肥，0～20 cm土層有機質、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量均發(fā)生顯著變化。平均養(yǎng)分含量無肥對照較各施肥區(qū)有機質、全量氮磷鉀及堿解N、有效P、速效K含量顯著下降，而施肥區(qū)較試驗前有機質、全磷、有效磷、速效鉀均表現為增加，全鉀、堿解氮均降低。

4.3 施用有機物料可顯著增加有機質含量。生物有機肥、秸稈還田、農家肥較試驗前分別增加了12.61%、1.97%、8.83%，顯著高于氮磷化肥配施。因此，化肥有機肥配施，兼顧鉀肥的施肥措施是隴東半濕潤偏旱區(qū)冬小麥田首選施肥技術。

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