黃興成，李 渝，白怡婧，張雅蓉，劉彥伶，張文安，蔣太明

（1 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴陽 550006；2 農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，貴陽 550006；3 貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽 550025；4 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，貴陽 550006）

土壤肥力是土壤的本質(zhì)屬性，表現(xiàn)為植物生長供應(yīng)、協(xié)調(diào)營養(yǎng)條件和環(huán)境條件的能力[1]。土壤肥力的高低關(guān)系著作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)生產(chǎn)[2–4]。土壤肥力并非固定不變，土壤的物質(zhì)組成、自然環(huán)境條件和人為耕作管理影響土壤肥力的高低，不合理的土壤管理造成土壤肥力的退化。報告顯示，由于人類不合理的土壤管理，造成土壤侵蝕、沙化、次生鹽漬化、酸化、污染等問題，引起全球近23.5%的土地不同程度退化，15億人口受到影響；占中國國土面積22.9%的土地不同程度地發(fā)生退化，影響約4.6億人，土壤退化正成為影響人類生存的重要因素[5–6]。因此，只有通過良好可持續(xù)的土壤管理，減少土壤退化，提升土壤肥力才能滿足人類社會可持續(xù)發(fā)展的需求[3,7–8]。20世紀(jì)90年代以來，中國持續(xù)高量的肥料養(yǎng)分投入，促進(jìn)了作物產(chǎn)量穩(wěn)步提升，保障了中國持續(xù)穩(wěn)定的糧食供應(yīng)[9]；同時，化肥的持續(xù)施用促進(jìn)了土壤養(yǎng)分積累[10]，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分肥力均有所提升[11–13]。另一方面，研究表明，施肥不合理導(dǎo)致土壤肥力和作物產(chǎn)量降低[14]，產(chǎn)量不穩(wěn)定性和不可持續(xù)性增加[15]，肥料利用率降低[15–16]，并造成了資源浪費[17]和生態(tài)環(huán)境問題[18]。因此，如何通過施肥管理維持和提高土壤肥力，保障區(qū)域糧食安全，成為農(nóng)田耕作管理技術(shù)的核心。研究指出，長期定位試驗?zāi)軌驕?zhǔn)確地揭示不同施肥管理對土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響[15,19]。林治安等[15]、林葆等[19]、張國榮等[20]均證明長期平衡施肥和施用有機(jī)肥能夠維持土壤養(yǎng)分肥力，提高作物產(chǎn)量；但是這些研究局限于從土壤的單一養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行評價，由于不同區(qū)域、氣候、種植制度等的肥效和肥力響應(yīng)差異較大，不能全面反映土壤肥力狀況。采用數(shù)學(xué)方法從多因素角度進(jìn)行土壤綜合肥力評價，能夠減少人為主觀性，增加評價結(jié)果的正確性和客觀性；這些數(shù)學(xué)方法較多，如主成分分析法、因子分析法、聚類分析法等在土壤綜合肥力評價中均有應(yīng)用[21]。然而，由于分析目標(biāo)的不同，選取的指標(biāo)及選擇的評價方法也不同，因此目前尚無統(tǒng)一的評價方法。包耀賢等[22]證實了內(nèi)梅羅指數(shù)法對于評價長期施肥土壤的綜合肥力演變具有較高的靈敏度；陳軒敬等[23]應(yīng)用內(nèi)梅羅指數(shù)法評價長期不同施肥管理土壤的綜合肥力指數(shù)與作物產(chǎn)量響應(yīng)，表明土壤綜合肥力指數(shù)與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性較好，能夠客觀反映作物生產(chǎn)力高低。因此，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法評價長期不同施肥管理措施土壤肥力的演變特征，尋求提升土壤綜合肥力和維持作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)生產(chǎn)的科學(xué)施肥模式具有科學(xué)意義。黃壤是中國中亞熱帶濕潤區(qū)的地帶性土壤，黃壤肥力的可持續(xù)管理對區(qū)域糧食安全與經(jīng)濟(jì)民生至關(guān)重要。然而，當(dāng)前評價不同施肥管理對黃壤綜合肥力演變趨勢的影響未見報道，對作物產(chǎn)量影響如何尚不清楚，不利于黃壤農(nóng)區(qū)科學(xué)的施肥管理。本研究利用國家黃壤肥力與肥效長期定位試驗積累的土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法評價不同施肥處理土壤綜合肥力的演變特征，分析土壤養(yǎng)分與綜合肥力指數(shù)之間的關(guān)系，以及土壤綜合肥力指數(shù)與作物產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)。以期客觀評價長期不同施肥下黃壤肥力的演變特征，為提高黃壤肥力和科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點位于貴州省貴陽市花溪區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi) (106°39′52″E、26°29′49″N)，地處黔中黃壤丘陵區(qū)，平均海拔1071 m，年平均氣溫15.3℃，年降雨量1100～1200 mm。試驗地土壤為黃壤土類黃泥土土種，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁巖殘積物。黃壤長期定位試驗始于1995年，試驗開始前耕層 (0—20 cm) 土壤性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)43.6 g/kg、全氮2.05 g/kg、全磷0.99 g/kg、全鉀10.7 g/kg、堿解氮167 mg/kg、有效磷17.0 mg/kg、速效鉀109 mg/kg、pH值6.70。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)有12 個處理，本研究選擇其中10 個不同施肥處理：不施肥 (CK)、施氮肥 (N)、施氮磷肥 (NP)、施氮鉀肥 (NK)、施磷鉀肥 (PK)、氮磷鉀肥(NPK)、3/4化肥 + 1/4有機(jī)肥 (3/4NP + 1/4M)、1/2化肥 + 1/2有機(jī)肥 (1/2NP + 1/2M)、有機(jī)肥 (M)、氮磷鉀肥 + 有機(jī)肥 (NPK + M)。除CK、PK處理不施用氮肥和NPK + M處理氮素施用量翻倍，其余各處理氮素施用量相同，年施純N 165 kg/hm2；施用有機(jī)肥的處理按照有機(jī)肥氮含量來調(diào)節(jié)每年有機(jī)肥用量，不同施肥處理施肥量見表1。試驗采用大區(qū)對比試驗，小區(qū)面積340 m2，不設(shè)重復(fù)，無灌溉設(shè)施。供試作物為玉米，2011～2012年品種為黔單16，2013～2014年品種為金玉818，2015年品種為中農(nóng)大239，2016年品種為魯三2號。試驗用化肥為尿素 (N 46%)、過磷酸鈣 (P2O516%) 和氯化鉀 (K2O 60%)，有機(jī)肥料為新鮮牛廄肥 (多年測定平均含N 0.27 %、P2O50.13 %、K2O 0.6 %)。化學(xué)氮肥分2次施入 (苗期40%，大喇叭口期60%)。磷鉀肥和有機(jī)肥在玉米播種前作為基肥一次性施入。

1.3 樣品采集及測試方法

本研究選取2011—2016年的作物產(chǎn)量和土壤測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。耕層土壤 (0—20 cm) 樣品于試驗前一年作物收獲后采用“S”形采樣法，在每個小區(qū)采集15個樣點，混合均勻，去除根系帶回室內(nèi)風(fēng)干保存。土壤樣品測定pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀8項指標(biāo)，測試方法均參照《土壤農(nóng)化分析》[24]。玉米成熟期小區(qū)全部收獲計產(chǎn)，收獲后的玉米籽粒進(jìn)行考種，在70℃條件下烘干48 h后稱量，折算籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究基于改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法[22]進(jìn)行土壤綜合肥力評估。在進(jìn)行土壤肥力綜合指數(shù)計算時，為了客觀、綜合地反映土壤肥力，參考陳軒敬等[23]選取pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀8項土壤指標(biāo)來計算土壤綜合肥力。

表1 試驗處理與施肥量 [kg/(hm2·a)]Table 1 Treatments and rates of fertilizers

參考全國第二次土壤普查分級標(biāo)準(zhǔn)[1](表2)，對土壤各養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行分級標(biāo)準(zhǔn)化。該標(biāo)準(zhǔn)化方法可使各養(yǎng)分分肥力系數(shù) (IFIi) 比較接近，可比性高；并且養(yǎng)分含量達(dá)到豐富級以后，分肥力系數(shù)不再提高，代表土壤基礎(chǔ)地力養(yǎng)分較高時，通過提高土壤養(yǎng)分含量已不能使作物繼續(xù)增產(chǎn)。

表2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standards of soil properties

養(yǎng)分分肥力系數(shù) (IFIi) 的計算公式為：

式中：IFIi是土壤單一指標(biāo)養(yǎng)分分肥力系數(shù)；x為土壤養(yǎng)分指標(biāo)值；xa、xb和xc為指標(biāo)等級閾值。

通過得到的養(yǎng)分分肥力系數(shù)計算養(yǎng)分綜合肥力指數(shù) (IFI)：

式中：IFI為土壤綜合肥力指數(shù)；Ave(IFIi)和Min(IFIi)分別表示所有養(yǎng)分指標(biāo)分肥力系數(shù)的平均值和最小值；n表示參與計算的養(yǎng)分指標(biāo)個數(shù)，本研究中n = 8。

作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性是反映糧食安全的重要指標(biāo)。作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性高低用穩(wěn)定性指數(shù)SI衡量，SI值越低表明產(chǎn)量越穩(wěn)定[25]；可持續(xù)性指數(shù)SYI是衡量系統(tǒng)是否能持續(xù)生產(chǎn)的一個參數(shù)，SYI值越大，產(chǎn)量的可持續(xù)性越高[26]。計算方法如下：

式中：Std (Yield)、Ave (Yield) 和 Max (Yield) 分別為不同處理2011—2016年產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)差、平均值和最大值。

采用Excel2016、Sigmaplot12.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥管理土壤綜合肥力指數(shù)演變特征

長期不同施肥處理土壤綜合肥力指數(shù)差異顯著(圖1)。不同施肥處理土壤綜合肥力指數(shù)由大到小依次為氮磷鉀肥 + 有機(jī)肥、有機(jī)肥、1/2化肥 + 1/2有機(jī)肥、3/4化肥 + 1/4有機(jī)肥、施磷鉀肥、施氮肥、氮磷鉀肥、施氮磷肥、不施肥和施氮鉀肥，施用有機(jī)肥的各處理 (3/4NP + 1/4M、1/2NP + 1/2M、M、NPK + M) 土壤綜合肥力指數(shù)顯著高于偏施化肥 (N、NP、NK、PK) 和不施肥 (CK) 處理，與試驗開始前的綜合肥力指數(shù) (1.775) 比較，施用有機(jī)肥的處理IFI均有提高，而偏施化肥或不施肥處理IFI均有降低，表明偏施化肥導(dǎo)致黃壤綜合肥力降低，而施用有機(jī)肥有利于土壤綜合肥力的維持和提高。

2.2 黃壤綜合肥力指數(shù)與土壤性質(zhì)的關(guān)聯(lián)

圖1 不同施肥處理土壤綜合肥力指數(shù)差異 (2011—2016)Fig. 1 Integrated fertility index (IFI) under long-term fertilization treatments (2011?2016)

表3 土壤綜合肥力指數(shù)與土壤性質(zhì)的相關(guān)分析和通徑分析Table 3 Correlation and path analysis between integrated soil fertility index and soil properties

表3表明，土壤綜合肥力指數(shù)與pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀均呈極顯著正相關(guān)性。通徑分析表明，pH值、堿解氮、全磷和全鉀與土壤綜合肥力指數(shù)具有極顯著的直接正相關(guān)。通徑系數(shù)的大小反映了土壤指標(biāo)與IFI的直接相關(guān)程度，通徑系數(shù)越大表明對IFI的影響越大，本研究條件下，對于黃壤綜合肥力影響最大的是pH值，其次為堿解氮、全磷和全鉀。

2.3 作物產(chǎn)量對長期施肥土壤綜合肥力指數(shù)的響應(yīng)

作物產(chǎn)量直接反映了土壤供應(yīng)和協(xié)調(diào)作物生長的肥力水平。玉米產(chǎn)量與綜合肥力指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.704**，通徑系數(shù)達(dá)0.716*。內(nèi)梅羅指數(shù)法對土壤綜合肥力評價結(jié)果與土壤的實際生產(chǎn)力基本相一致，較高的土壤肥力能夠表征作物的高產(chǎn)。

采用各處理作物產(chǎn)量和土壤綜合肥力指數(shù)的平均值劃分四個象限 (M1、M2、M3、M4)，分別代表低綜合肥力指數(shù)和高產(chǎn)、高綜合肥力指數(shù)和高產(chǎn)、低綜合肥力指數(shù)和低產(chǎn)、高綜合肥力指數(shù)和低產(chǎn) (圖2)。結(jié)果表明，施用有機(jī)肥各處理 (3/4NP + 1/4M、1/2NP +1/2M、M、NPK + M) 具有較高的肥力，同時作物可獲得高產(chǎn)；不施肥 (CK) 或偏施化肥 (N、NP、NK、PK) 各處理土壤綜合肥力較低，并且作物產(chǎn)量較低。

圖2 各施肥處理作物產(chǎn)量與土壤綜合肥力指數(shù)響應(yīng)關(guān)系Fig. 2 Response relationship between crop yield and integrated soil fertility index in each fertilization treatment

分析不同施肥處理作物協(xié)調(diào)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)性的關(guān)系，采用各處理作物產(chǎn)量、穩(wěn)定性指數(shù)和可持續(xù)性指數(shù)的平均值劃分四個象限 (圖3)。結(jié)果表明，NPK和NPK + M處理作物在獲得高產(chǎn)的同時，能夠維持產(chǎn)量的高穩(wěn)定性和高可持續(xù)性；CK和PK處理作物低產(chǎn)，并且產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性低；1/2NP + 1/2M和M處理作物產(chǎn)量較高，但是產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性較低；N、NP、NK處理作物產(chǎn)量較低，但其產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性較高。與不施肥和偏施化肥比較，平衡施用化肥處理 (NPK) 能夠提高玉米的產(chǎn)量，同時保障產(chǎn)量具有較高的可持續(xù)性和穩(wěn)定性。

3 討論

3.1 不同施肥管理黃壤綜合肥力演變

土壤肥力評價對于耕地保育和科學(xué)施肥均具有重要的實踐意義。國內(nèi)外對于土壤肥力評價已經(jīng)由過去單一的土壤性質(zhì)演變?yōu)橥寥婪柿Φ木C合評價，能夠克服人為主觀性的不足，增加評價結(jié)果的正確性和客觀性[22]。目前應(yīng)用的綜合評價方法主要有相關(guān)系數(shù)法、聚類分析法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、因子分析法、主成分分析法、判別分析法、灰色關(guān)聯(lián)法等。包耀賢等[22]證實了內(nèi)梅羅指數(shù)法對于評價長期施肥土壤綜合肥力演變具有較高的靈敏度。本研究參考陳軒敬等[23]的方法，選取8項常規(guī)土壤基本指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)化后，利用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法，對土壤綜合肥力進(jìn)行評價。并且用作物產(chǎn)量進(jìn)行驗證，土壤綜合肥力指數(shù)與作物產(chǎn)量呈現(xiàn)高度的直接正相關(guān)，說明基于改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法能夠較好地對黃壤綜合肥力進(jìn)行評價。

圖3 各施肥處理作物產(chǎn)量與穩(wěn)定性指數(shù)和可持續(xù)性指數(shù)響應(yīng)關(guān)系Fig. 3 Response relationship between crop yield and stability index (SI) and sustainable yield index (SYI)

土壤性質(zhì)與綜合肥力指數(shù)呈極顯著相關(guān)性。陳軒敬等[23]對長期施肥下紫色土綜合肥力演變分析表明，紫色土有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量相對缺乏，而供鉀能力較強(qiáng)，因此有機(jī)質(zhì)、全磷、全氮和有效磷是紫色土綜合肥力的主要影響指標(biāo)。本研究條件下，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量與土壤綜合肥力指數(shù)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，但其通徑系數(shù)未達(dá)顯著，這可能與本研究試驗地土壤基礎(chǔ)性質(zhì)中有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量較高相關(guān)。土壤基礎(chǔ)肥力較高時，施肥對其指標(biāo)的變異程度影響較小，肥力指標(biāo)對施肥的敏感性較低。蔣太明等[27]研究表明，在不施用有機(jī)肥條件下，土壤有機(jī)質(zhì)含量高低與作物產(chǎn)量并無顯著的直接相關(guān)性；李渝等[28]研究亦表明，黃壤有效磷含量主要受到施磷水平影響，當(dāng)施磷量達(dá)到較高水平時，作物產(chǎn)量與施磷和土壤有效磷含量并無直接響應(yīng)關(guān)系。通徑分析表明，本研究條件下土壤pH值、堿解氮、全磷、全鉀對土壤綜合肥力指數(shù)具有較強(qiáng)的直接正相關(guān)性，能較好地應(yīng)用于評價黃壤綜合肥力。

本研究結(jié)果表明，長期施肥改變了黃壤綜合肥力特征，施用有機(jī)肥促進(jìn)了土壤綜合肥力指數(shù)提升，而不施肥或偏施化肥造成土壤綜合肥力退化，且表現(xiàn)為施用有機(jī)肥各處理土壤綜合肥力指數(shù)高于不施肥或偏施化肥各處理。研究結(jié)果與包耀賢等[22]、陳軒敬等[23]、溫延臣等[29]的結(jié)果一致。

3.2 作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)生產(chǎn)的施肥管理模式

作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求的目標(biāo)。不同學(xué)者研究作物高產(chǎn)施肥模式結(jié)果基本一致，表現(xiàn)為對比不施肥或偏施化肥，平衡施用化肥或施用有機(jī)肥可以促進(jìn)作物增產(chǎn)[23,30]。本研究結(jié)果亦表明，平衡施用化肥或施用有機(jī)肥各處理作物可獲得較高產(chǎn)量，這種作用表現(xiàn)為平衡施肥或施用有機(jī)肥可以維持和提高土壤綜合肥力 (圖1)，土壤綜合肥力高低與作物產(chǎn)量直接正相關(guān) (圖2)。因此，必須進(jìn)行平衡施肥和施用有機(jī)肥，才能維持土壤較高的綜合肥力，并保證作物高產(chǎn)。然而，不同學(xué)者分析協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)性的施肥模式存在較大爭議。馬力等[31]研究指出，施用氮肥可能造成作物產(chǎn)量穩(wěn)定性降低；冀建華等[32]研究卻指出，均衡施化肥可以有效提高作物產(chǎn)量和產(chǎn)量穩(wěn)定性，在等量養(yǎng)分條件下配施有機(jī)肥進(jìn)一步提高了其產(chǎn)量和產(chǎn)量穩(wěn)定性；魏猛等[33]研究指出，單施有機(jī)肥處理作物產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性指數(shù)均低于平衡施用化肥處理；謝軍等[34]研究卻指出，有機(jī)肥替代處理較平衡施用化肥處理具有較高的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。本研究結(jié)果表明，與不施肥 (CK) 和不施氮肥 (PK) 處理比較，施用化學(xué)氮肥 (N、NP、NK) 作物產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性均較好，這與劉艷等連續(xù)施用氮肥下作物可穩(wěn)定和持續(xù)高產(chǎn)的結(jié)果一致[35]；等量氮投入條件下，長期有機(jī)肥部分替代或全部替代化肥處理維持了作物的高產(chǎn)，尤其是3/4M + 1/4NP處理產(chǎn)量穩(wěn)定性亦較高。本研究條件下，NPK + M處理作物產(chǎn)量較高，產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性較好，是實現(xiàn)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)生產(chǎn)較好的施肥模式。但是，由于NPK + M處理總養(yǎng)分投入量較大，結(jié)合當(dāng)前“化肥零增長”要求，施肥模式不易推廣。綜上，在本研究條件下較優(yōu)的施肥模式為平衡施用化肥模式和有機(jī)肥替代化肥模式。

4 結(jié)論

長期施用有機(jī)肥促進(jìn)了土壤綜合肥力提升，不施肥或偏施化肥導(dǎo)致土壤綜合肥力的降低。土壤綜合肥力指數(shù)能夠客觀反映土壤生產(chǎn)力的高低，長期施用有機(jī)肥可維持黃壤高肥力和作物高產(chǎn)，合理平衡施用化肥或與有機(jī)肥配合施用可以維持較高的作物產(chǎn)量和產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

致謝：本研究是依托國家黃壤肥力與肥料效益監(jiān)測站的長期定位監(jiān)測的結(jié)果。黃壤長期定位試驗站建于1993年，是全國唯一長期開展黃壤肥力與肥效定位監(jiān)測的試驗站。試驗站建立至今，貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所的一大批科研工作者對試驗站進(jìn)行管理和維護(hù)。在此，對這些長期為黃壤長期監(jiān)測站的建設(shè)和發(fā)展付出心血的科研工作者們表示感謝。