溫延臣，李海燕，袁亮，徐久凱，馬榮輝，林治安，趙秉強(qiáng)

長(zhǎng)期定位施肥對(duì)潮土剖面養(yǎng)分分布的影響

溫延臣1，李海燕1，袁亮1，徐久凱1，馬榮輝2，林治安1，趙秉強(qiáng)1

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2山東省土壤肥料總站，濟(jì)南 250100）

【】基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)平臺(tái)，研究3種施肥制度（化肥、有機(jī)肥、有機(jī)/無機(jī)配合施肥）對(duì)潮土培肥效果及養(yǎng)分空間分布特征影響，為華北平原潮土農(nóng)田進(jìn)行合理培肥和科學(xué)施肥提供依據(jù)。依托始于1986年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，選取不施肥的對(duì)照（CK），等氮量投入化肥（F）、有機(jī)肥（M）及有機(jī)/無機(jī)配合施肥（MF）共 4個(gè)處理，采集0—200 cm剖面土壤樣品（按每20 cm一層分開），測(cè)定并分析土壤pH、有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀及硝態(tài)氮空間分布特征。連續(xù)施肥31年后，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀等指標(biāo)的含量均隨土層深度增加而呈遞減趨勢(shì)，除硝態(tài)氮和有效磷外，3種施肥制度主要影響0—40 cm土體養(yǎng)分含量；等氮量（N 180—225 kg·hm-2）投入下，化肥、有機(jī)肥及有機(jī)/無機(jī)配合（50%化肥+50%有機(jī)肥）施肥，土壤剖面（0—40 cm）有機(jī)質(zhì)含量分別為14.2、25.6和18.2g·kg-1，有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施比化肥增加80.3%、28.2%；土壤剖面（0—40 cm）全氮含量分別為0.93、1.67和1.21 g·kg-1，有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施比化肥增加79.6%、30.1%；土壤剖面（0—40 cm）堿解氮含量分別為80.2、120.7和83.3 mg·kg-1，有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施比化肥增加50.5%、3.9%；土壤剖面（0—200 cm）硝態(tài)氮含量分別為21.1、6.2和11.9 mg·kg-1，化肥處理分別是有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配合施肥的3.4倍和1.8倍；土壤剖面（0—60 cm）有效磷含量分別為18.6、134.3和60.5 mg·kg-1，有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施是化肥的7.2倍和3.3倍；土壤剖面（0—40 cm）速效鉀含量分別為90、163和89 mg·kg-1，施有機(jī)肥是施化肥的1.8倍；與單施化肥處理相比，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施處理，0—200 cm土層pH未表現(xiàn)出顯著性差異。長(zhǎng)期施用化肥氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)高：長(zhǎng)期施用化肥0—200 cm土體硝態(tài)氮含量平均值為21.1 mg·kg-1，硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)增加；長(zhǎng)期施用有機(jī)肥磷素淋溶風(fēng)險(xiǎn)高：長(zhǎng)期施用牛糞有機(jī)肥以及有機(jī)/無機(jī)配施處理土壤磷素雖集中在60 cm以上土層，其20—40 cm土壤有效磷含量高達(dá)為115和70 mg·kg-1，土壤磷素累積滲漏導(dǎo)致潛在風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)予以重視；有機(jī)/無機(jī)配合施肥能夠保證作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，并且能有效降低氮、磷素環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

潮土；施肥制度；土壤剖面；土壤養(yǎng)分

0 引言

【研究意義】長(zhǎng)期以來，農(nóng)田高投入、高產(chǎn)出與施肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)并存一直是困擾我國(guó)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的重大命題[1-2]。在糧食增產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)雙重壓力下，高效利用有機(jī)肥資源，替代部分化肥，促進(jìn)化肥減量施用，是緩解上述壓力的重要途徑之一[3]。近年來，化肥過量單一使用，忽視有機(jī)肥的投入，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)嚴(yán)重缺乏，另一方面養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生畜禽糞污得不到有效利用，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等面源污染，嚴(yán)重危害環(huán)境安全[4]。因此，利用有機(jī)資源，進(jìn)行有機(jī)肥替代化肥實(shí)現(xiàn)替代減量，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)2020年化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤肥力是土壤的核心，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，施肥是改善土壤肥力的重要措施之一，不同的肥料類型培肥土壤作用各不相同。有機(jī)肥富含有機(jī)碳和礦質(zhì)養(yǎng)分，培肥土壤的效果好[5]，相對(duì)于化肥，有機(jī)肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較小[6]。但有機(jī)肥因養(yǎng)分含量低、體積大，施用不便，也因肥效慢，一般在等養(yǎng)分投入條件下，作物產(chǎn)量不及化肥[7]?；实膬?yōu)點(diǎn)是養(yǎng)分濃度高、體積小、肥效快、施用方便，但相對(duì)于有機(jī)肥料其培肥功能較弱，長(zhǎng)期大量施用化肥，對(duì)土壤和環(huán)境的負(fù)面影響較大[1]。有機(jī)肥與化肥配合施用可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，不僅可以保證作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，也能培肥土壤，實(shí)現(xiàn)土壤可持續(xù)利用，同時(shí)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響小[1,8-9]。近年來，有關(guān)土壤氮、磷素的累積、淋溶及造成水污染等問題受到國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注[10-11]。張維理等[12]對(duì)我國(guó)北方14個(gè)縣（市）進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于大量施用農(nóng)用氮肥而引起的地下水、飲用水中硝酸鹽污染問題十分嚴(yán)重，調(diào)查點(diǎn)50%以上超過飲用水硝酸鹽含量限定標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)為50 mg·L-1），最高值達(dá)到300 mg·L-1，地下水遭到嚴(yán)重污染；BOITT 等[13]研究表明經(jīng)過62年長(zhǎng)期灌溉土壤磷素已經(jīng)淋溶至100 cm土層，土壤磷素的移動(dòng)和轉(zhuǎn)化隨著灌溉頻次的增加而增加；NELSON等[10]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用豬糞20年后，在45 cm深度土壤可溶性磷含量超過18 mg·L-1，已淋出根系吸收養(yǎng)分范圍，不能被作物吸收利用；WATSON等[14]10年定位試驗(yàn)研究認(rèn)為土壤全磷在土壤剖面中的分布主要受根系獲取或蚯蚓活動(dòng)影響，土壤磷淋洗途徑為大孔隙、枯萎根系或蚯蚓洞穴孔隙[15]；楊學(xué)云[16]研究表明土磷素淋移損失達(dá)90 cm土層，可能機(jī)理是優(yōu)先流途徑進(jìn)行下移?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】不同施肥制度不僅影響著耕層（0—20 cm）土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)量的變化，由于土壤營(yíng)養(yǎng)元素的移動(dòng)性，也會(huì)影響?zhàn)B分在土壤剖面中的空間分布。土壤養(yǎng)分在土壤剖面的分布在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要有兩方面影響，一是養(yǎng)分淋出根系吸收養(yǎng)分的范圍，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分損失，引起環(huán)境污染；二是可以增加土壤耕層以下土壤養(yǎng)分含量，培育一個(gè)肥沃而深厚的耕作層[17]，如何協(xié)調(diào)好二者關(guān)系，對(duì)于減少養(yǎng)分損失、提高養(yǎng)分利用效率具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)以始于1986年不同施肥制度定位試驗(yàn)為研究平臺(tái)，研究化肥、有機(jī)肥與有機(jī)/無機(jī)配合施肥3種施肥制度0—200 cm土體剖面養(yǎng)分分布特征，分析3種施肥制度的培肥效果異質(zhì)性，以期為華北平原潮土農(nóng)田進(jìn)行合理培肥和科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)位于山東省禹城市中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院禹城試驗(yàn)基地（116°34′E，36°50′N），屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫13.4℃，≥10℃積溫441℃，年平均降雨量569.6 mm，水面蒸發(fā)量2 095 mm，無霜期約206 d，年日照時(shí)數(shù)240 h。試驗(yàn)地土壤類型為潮土，黃河沖積物發(fā)育而成，試驗(yàn)開始于1986年，初始土壤（0—20 cm）基本理化性質(zhì)同文獻(xiàn)[18-19]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在冬小麥-夏玉米一年兩熟制農(nóng)田上進(jìn)行，設(shè)6個(gè)處理：（1）對(duì)照（不施肥，CK）；（2）常量化肥（F）；（3）常量有機(jī)肥（M）；（4）常量配施（1/2M+1/2F，MF）；（5）高量化肥（HF）；（6）高量有機(jī)肥（HM）。重復(fù)4次，小區(qū)面積4 m×7 m=28 m2。常量化肥處理（F）參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的施肥量，每季作物施N187.5—225 kg·hm-2、P2O5112.5—150 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2；常量有機(jī)肥（為腐熟牛糞）處理（M）根據(jù)有機(jī)肥的養(yǎng)分含量，按與F處理等氮量原則投入有機(jī)肥，磷、鉀養(yǎng)分隨有機(jī)肥自然帶入土壤；常量配施（MF）的施肥量為1/2F+1/2M；高量施肥處理施肥量為常量施肥處理的2倍。1986—1993年每季作物氮肥用量（N）為187.5 kg·hm-2，1994年以后改為每季作物施氮量（N）225 kg·hm-2；1986—1993年每季作物磷肥施用量（P2O5）為112.5 kg·hm-2，1994—1999年用量（P2O5）為150 kg·hm-2，2000年以后用量（P2O5）為120 kg·hm-2；因試驗(yàn)土壤為潮土，富鉀，從1992年秋季種麥才開始施用鉀肥，每季作物為K2O 75 kg·hm-2。

1986—1991年磷肥在冬小麥和夏玉米上分次做基肥施用，1992年以后全年磷肥在秋季種麥前作基肥一次性施入。1986—1996年有機(jī)肥分別在冬小麥和夏玉米季作基肥施用，1997年以后兩季作物的有機(jī)肥合并在秋季種小麥前一次性施入。全年作物的鉀肥在秋季種麥前作基肥一次性施入。氮素化肥按作物分別施用，并且每季作物40%的氮肥在播種前作基肥施用，60%在冬小麥拔節(jié)期前后或夏玉米大喇叭口期作追肥施用?；手械手饕獮槟蛩兀∟ 46%）、磷肥為過磷酸鈣（P2O517%）或磷酸二銨（N 18% ，P2O546%）、鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%）。有機(jī)肥選用當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶或養(yǎng)殖場(chǎng)腐熟牛糞，主要養(yǎng)分含量氮（N）1.00%—1.84%，磷（P2O5）0.58%—1.29%，鉀（K2O）1.15%—1.98%，本論文選取對(duì)照、常量化肥、常量有機(jī)肥及常量有機(jī)/無機(jī)配施4個(gè)處理作為研究對(duì)象。

1.3 樣品采集與測(cè)試方法

1.3.1 樣品采集 2017年10月秋玉米收獲后，分層采集上述4個(gè)處理0—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120、120—140、140—160、160—180和180—200 cm土層的土壤樣品。

1.3.2 測(cè)試方法 土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀等指標(biāo)采用常規(guī)分析方法測(cè)定，具體方法詳見《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法》[20]；稱取10 g過2 mm篩的新鮮土壤樣品，用1.0 mol·L-1的氯化鉀溶液進(jìn)行浸提、過濾，然后用流動(dòng)分析儀AA3流動(dòng)分析儀（德國(guó)Seal，AA3）進(jìn)行硝態(tài)氮的測(cè)定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均采用 Excel 2013進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)分析采用 SPSS statistics 22.0 軟件進(jìn)行，圖表采用 OriginPro 2020軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 長(zhǎng)期定位施肥土壤剖面pH分布特征

長(zhǎng)期定位施肥31年后，不同施肥制度下土壤pH有所變化（圖1）。與對(duì)照相比，施肥（化肥、有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施）處理0—40 cm土層pH略有降低，平均降低0.3個(gè)單位；等氮量施肥條件下，與單施化肥相比，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施相比，0—200 cm土層pH未變現(xiàn)出顯著性差異；隨著土層深度的增加，土壤pH呈先增加后趨于穩(wěn)定（60 cm以下土層）趨勢(shì)。

圖1 長(zhǎng)期定位施肥土壤剖面pH值

2.2 長(zhǎng)期定位施肥土壤剖面有機(jī)質(zhì)分布特征

不同施肥制度主要影響0—40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量。從圖2可以看出，連續(xù)進(jìn)行施肥31年后，與對(duì)照相比，施肥（化肥、有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施）不同程度地增加了0—20和20—40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量，增加幅度為17.7%—126.1%；等氮量施肥條件下，化肥、有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施土壤（0—40 cm）有機(jī)質(zhì)含量分別為14.2、25.6和18.2g·kg-1，有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施比化肥增加80.3%、28.2%；隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈逐漸下降趨勢(shì)，60 cm以下土層趨于穩(wěn)定。

2.3 長(zhǎng)期定位施肥土壤剖面全氮、堿解氮和硝態(tài)氮分布特征

土壤堿解氮和全氮含量隨著土層深度的增加而不斷降低，80 cm以下土層呈穩(wěn)定趨勢(shì)。不同施肥制度主要影響0—20和20—40 cm土層堿解氮和全氮含量（圖3）。與對(duì)照相比，施肥（化肥、有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施）顯著增加了0—20 cm和20—40 cm土層深解氮含量，增加幅度分別為33.7%—120.3%、63.6%—130.5%；等氮量施肥條件下，化肥、有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施（0—40 cm土層）堿解氮含量分別為80.2、120.7和83.3 mg·kg-1，有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施比化肥增加50.5%、3.9%。不同施肥制度對(duì)土壤全氮影響與堿解氮表現(xiàn)一致，等氮量施肥，化肥、有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施（0—40 cm土層）全氮含量分別為0.93、1.67和1.21 g·kg-1，有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施比化肥增加79.6%、30.1%。

圖2 長(zhǎng)期定位施肥土壤剖面有機(jī)質(zhì)含量

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同施肥制度顯著影響著土壤硝態(tài)氮含量及其空間分布。從圖3可以看出，連續(xù)進(jìn)行施肥31年后，3種施肥制度硝態(tài)氮含量均隨土壤剖面的加深而降低，且不同施肥制度之間土壤硝態(tài)氮含量及峰值均存在顯著差異。長(zhǎng)期不施肥的對(duì)照0—200 cm土層硝態(tài)氮含量很低，平均值僅為1.3 mg·kg-1，與對(duì)照相比，施肥（化肥、有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施）顯著增加了0—200 cm土層硝態(tài)氮含量，平均值分別為21.1、6.2和11.9 mg·kg-1；等氮量施肥下，單施化肥硝態(tài)氮含量較高，0—200 cm土層硝態(tài)氮均在10 mg·kg-1以上，而單施有機(jī)肥大大增加了0—40 cm土層硝態(tài)氮含量，40 cm以下土層硝態(tài)氮降至5 mg·kg-1以下，有機(jī)/無機(jī)配施介于二者之間，60 cm以下土層硝態(tài)氮降至10 mg·kg-1以下；長(zhǎng)期單施化肥0—100、100—200 cm土層硝態(tài)氮含量平均值分別為26.2和16.0 mg·kg-1，而長(zhǎng)期施用有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施0—100、100—200 cm土層硝態(tài)氮含量平均值分別為9.8、2.6 mg·kg-1和16.4、7.5 mg·kg-1。

圖3 長(zhǎng)期定位施肥土壤剖面全氮、堿解氮和硝態(tài)氮含量

2.4 長(zhǎng)期定位施肥土壤剖面有效磷分布特征

土壤有效磷含量隨著土層深度的增加而逐漸降低，60 cm以下土層趨于穩(wěn)定（圖4）。從圖中可以看出，連續(xù)進(jìn)行施肥31年后，與對(duì)照相比，施肥（化肥、有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施）顯著增加了0—200 cm土層有效磷含量，0—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120、120—140、140—160、160—180和180—200 cm土層有效磷含量（平均值）分別是對(duì)照的43.5倍、40.1倍、7.8倍、3.9倍、3.6倍、4.4倍、3.6倍、3.9倍、3.5倍和3.3倍；化肥、有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施土壤剖面（0—60 cm）有效磷含量分別為18.6、134.3和60.5 mg·kg-1，有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施是化肥的7.2倍和3.3倍，60 cm以下土層有效磷含量未表現(xiàn)出顯著性差異。

2.5 長(zhǎng)期定位施肥土壤剖面速效鉀分布特征

與氮、磷在土壤剖面分布表現(xiàn)相似，土壤速效鉀含量隨著土層深度的增加而逐漸降低（圖4）。長(zhǎng)期定位施肥31年后，與對(duì)照相比，施肥（化肥、有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施）增加了0—120 cm土層速效鉀含量；與單施化肥或有機(jī)/無機(jī)配施處理相比，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥處理顯著增加了0—40 cm土層速效鉀含量，其中0—20、20—40 cm土層速效鉀含量分別是單施化肥或有機(jī)/無機(jī)配施處理的6.1倍和13.6倍。

3 討論

3.1 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤剖面養(yǎng)分含量及分布的影響

本研究結(jié)果顯示連續(xù)施肥31年后，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀等指標(biāo)均隨土層深度增加而呈遞減趨勢(shì)，這主要與耕層土壤經(jīng)多年施肥、耕作、作物殘?bào)w腐解、干濕沉降等因素形成養(yǎng)分累積相關(guān)，李大明和王伯仁在南方紅壤定位施肥試驗(yàn)亦見報(bào)道[22-23]；本研究還發(fā)現(xiàn)不同施肥制度尤其長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分向深層遷移累積，與單施化肥處理相比，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配施處理0—40 cm土層有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量顯著提高，而土壤全氮、硝態(tài)氮、有效磷的下移累積甚至達(dá)到了60 cm以下土層。

圖4 長(zhǎng)期定位施肥土壤剖面有效磷和速效鉀含量

與對(duì)照相比，長(zhǎng)期施肥0—40 cm土層pH略有降低，40 cm以下土層未表現(xiàn)出顯著性變化，這主要與土壤本身性質(zhì)密切有關(guān)，根據(jù) Ulrich土壤緩沖體系劃分標(biāo)準(zhǔn)，供試土壤的緩沖體系主要由碳酸鈣等碳酸鹽（緩沖范圍 pH 8.6—6.2）構(gòu)成，通過碳酸鹽、陽離子交換和有機(jī)質(zhì)等對(duì)外源性酸堿起緩沖作用，從而對(duì)酸的中和能力較強(qiáng)[24]。

土壤養(yǎng)分分布也會(huì)影響著作物根系的分布，良好的根系空間分布可以增加養(yǎng)分的吸收范圍及能力，深層養(yǎng)分的有效供給有益于誘導(dǎo)根系向下生長(zhǎng)。前人研究表明作物根系自上而下呈“T”型分布，0—20 cm土層為根系高密度區(qū)，約占總根系重量的50%—70%，80 cm以上土體根系鮮重占總根系的80%—90%，有機(jī)肥可以促進(jìn)根系的生長(zhǎng)和根系在深層土壤中的分布，根系生長(zhǎng)越好，越有利于地上部生產(chǎn)力的提高，其地上部的生長(zhǎng)離不開強(qiáng)大的根系的有力支撐[25-27]。深層根系的增加有利于作物吸收深層土壤的水分和養(yǎng)分，并且深層土壤根系環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，更有利于延長(zhǎng)根系活力，延緩生育后期根系的衰老[28]，進(jìn)而提高養(yǎng)分利用率和作物產(chǎn)量，本論文通過長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)對(duì)土壤養(yǎng)分剖面分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果將為實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥替代化肥提供重要的施肥策略。

3.2 有機(jī)/無機(jī)配施降低0—200 cm土體硝態(tài)氮含量

近年來，地下水硝態(tài)氮污染問題日趨嚴(yán)重，是全球關(guān)注的熱點(diǎn)，長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)是研究和評(píng)估土壤硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)的重要手段，土壤剖面中硝態(tài)氮含量及其空間分布特征是表征硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)的主要指標(biāo)[29-31]，氮素的淋溶損失主要受氮素形態(tài)、用量、施肥時(shí)間、土壤質(zhì)地、降雨等系列因素影響。有關(guān)不同施肥制度對(duì)土壤硝酸鹽淋洗差異，前人研究結(jié)果各不相同，多數(shù)研究結(jié)果認(rèn)為施用有機(jī)肥土壤硝態(tài)氮淋溶遠(yuǎn)低于化肥處理[32-34]，還有專家認(rèn)為施用有機(jī)肥土壤硝態(tài)氮淋溶稍低于或接近化肥處理[35]，相反，一部分研究表明施用有機(jī)肥硝態(tài)氮淋溶高于化肥處理[36-37]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，等氮量施肥條件下，與單施化肥相比，長(zhǎng)期單施有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施有效降低土壤剖面硝態(tài)氮含量，特別是深層土體硝態(tài)氮含量，主要與氮素形態(tài)有關(guān)。（1）化學(xué)氮肥以尿素為例，當(dāng)尿素施入土壤后，經(jīng)過脲酶作用，水解為NH4+-N，NH4+-N在硝化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為NO3--N，硝酸根是帶有負(fù)電荷的陰離子，不易被土壤膠體吸附，土體中殘留的硝態(tài)氮易隨降雨或灌溉下移；（2）本試驗(yàn)所用有機(jī)肥料為腐熟牛糞，牛糞中含纖維素和半纖維素，不易被分解，氮礦化釋放速率較慢，并且釋放養(yǎng)分很快被作物快速吸收利用，故土壤中殘留的礦質(zhì)態(tài)氮較少，因此長(zhǎng)期施用有機(jī)肥處理硝態(tài)氮不易發(fā)生淋溶損失[38]；（3）有機(jī)/無機(jī)配施可以協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，供給作物吸收利用，同時(shí)，增加土壤碳庫庫容，提高微生物活性，增強(qiáng)土壤固定銨的能力，從而減少土壤剖面硝態(tài)氮含量，降低硝態(tài)氮淋洗風(fēng)險(xiǎn)?；实岣吡擞袡C(jī)肥料氮的礦化率，提高了有機(jī)肥料氮的利用率和損失率、從而降低了殘留率；與此相反，有機(jī)肥料則提高了化肥氮的生物固持率，因此提高了化肥氮的殘留率，降低利用率和損失率[39]。世界衛(wèi)生組織（WHO）推薦飲用水硝態(tài)氮含量的限定標(biāo)準(zhǔn)為10 mg·kg-1[40]，本研究結(jié)果表明長(zhǎng)期施用化肥處理，0—200 cm土體硝態(tài)氮含量均值21.1 mg·kg-1，存在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，而有機(jī)/無機(jī)配施處理100—200 cm土體硝態(tài)氮含量均值7.5 mg·kg-1，低于地下水飲用限定標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)顯著增加

Xi等[41]研究認(rèn)為該區(qū)域磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)閾值為30 mg·kg-1，即當(dāng)耕層（0—20 cm）土壤有效磷含量超過30 mg·kg-1時(shí)，土壤徑流、排水和滲漏液中磷含量將明顯增加，進(jìn)而加大了磷進(jìn)入水體的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)水體產(chǎn)生污染，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化和磷資源的浪費(fèi)。本試驗(yàn)長(zhǎng)期單施有機(jī)肥及有機(jī)/無機(jī)配施處理，0—20 cm土層土壤有效磷含量高達(dá)270和104 mg·kg-1，分別是磷素環(huán)境閾值30 mg·kg-1的9倍和3.5倍，且20—40 cm土層有效磷含量分別為115和70 mg·kg-1（圖4），表明磷素已滲漏下移，大大增加了磷素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。主要因?yàn)椋?）養(yǎng)分的不平衡吸收，糧食作物（小麥和玉米）吸收氮、磷、鉀養(yǎng)分比例約為3﹕1﹕3，本試驗(yàn)在等氮量投入條件下，是導(dǎo)致土壤磷素的養(yǎng)分積累的重要因素；（2）近年來有機(jī)糞肥中磷素含量呈逐年增加趨勢(shì)；（3）試驗(yàn)開始階段，由于單施有機(jī)肥處理的周年產(chǎn)量低于化肥與有機(jī)/無機(jī)配施處理，作物吸收帶走養(yǎng)分較少，也是導(dǎo)致磷素養(yǎng)分積累的原因之一[18]。本研究還發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施土壤有機(jī)磷占全磷比例（平均值13.9%—14.7%）顯著高于單施化肥處理（平均值11.9%），表明高比例的有機(jī)磷是導(dǎo)致土壤磷素下移的主要原因[42]。本試驗(yàn)所用有機(jī)肥為附近養(yǎng)殖場(chǎng)的腐熟牛糞，根據(jù)養(yǎng)分測(cè)定結(jié)果，牛糞有機(jī)肥中全磷（P2O5）含量為0.58%—2.29%，呈逐年增加趨勢(shì)，鑒于有機(jī)糞肥中磷含量較高，因此在有機(jī)/無機(jī)配施過程中建議不施或少施化學(xué)磷肥，以免造成資源浪費(fèi)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 有機(jī)肥替代化肥，實(shí)現(xiàn)替代減量，是化肥減施增效的重要途徑

研究以開始于1986年長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)為平臺(tái)，研究結(jié)果表明從試驗(yàn)開始至今有機(jī)肥替代50%化肥處理產(chǎn)量與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)糧田水平基本一致，與單施化肥處理未表現(xiàn)出顯著性差異，且品質(zhì)優(yōu)良，能夠保證高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[18,43]；等氮量（N 180—225 kg·hm-2）投入下，化肥、有機(jī)肥及有機(jī)/無機(jī)配合（50%化肥+50%有機(jī)肥）施肥，農(nóng)田氮素溫室氣體排放（NH3揮發(fā)+N2O排放）量分別為37.5 kg·hm-2（占肥料氮投入的10.0%）、1.1 kg·hm-2（占肥料氮投入的1.1%）和3.4 kg·hm-2（占肥料氮投入的7.0%），化肥分別是有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配合施肥的34倍和11倍；等氮量（N 180—225 kg·hm-2）投入下，化肥、有機(jī)肥及有機(jī)/無機(jī)配合（50%化肥+50%有機(jī)肥）施肥，土壤剖面（0—200 cm）硝態(tài)氮含量分別為21.1、6.2和11.9 mg·kg-1，化肥處理分別是有機(jī)肥和有機(jī)/無機(jī)配合施肥的3.4倍和1.8倍[42]，YANG等[44]黃淮海區(qū)域利用lysimeters也得出相同的結(jié)果。國(guó)家“雙減”項(xiàng)目背景下，本研究通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)設(shè)置有機(jī)肥替代化肥處理，實(shí)現(xiàn)替代減量，可以解決有機(jī)物料的高效利用，也是實(shí)施化肥減量的重要途徑。

4 結(jié)論

4.1 連續(xù)施肥31年后，長(zhǎng)期單施化肥處理土壤養(yǎng)分主要集中在0—20 cm土層，而長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)/無機(jī)配施處理土壤養(yǎng)分下移至60 cm土層，培肥深度顯著增加。

4.2 長(zhǎng)期施用化肥氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)大，0—200 cm土體硝態(tài)氮含量平均值為21.1 mg·kg-1，硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)增加。

4.3 長(zhǎng)期施用有機(jī)肥磷素淋溶風(fēng)險(xiǎn)大。長(zhǎng)期施用牛糞有機(jī)肥以及有機(jī)/無機(jī)配施處理土壤磷素集中在60 cm以上土層，其中20—40 cm土層有效磷含量分別高達(dá)115和70 mg·kg-1，土壤磷素累積滲漏導(dǎo)致潛在風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)予以關(guān)注。

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Effect of Long-Term Fertilization on Nutrient Distribution of Fluvo-Aquic Soil Profile

WEN YanChen1, LI HaiYan1,YUAN Liang1, XU JiuKai1, MA RongHui2, LIN ZhiAn1, ZHAO BingQiang1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2Soil and Fertilizer Station of Shandong Province, Jinan 250100)

【】Based on the long-term positioning monitoring platform of fertilization experiment, the effects of different fertilization patterns on the soil fertility and spatial distribution of nutrients were studied in fluvo-aquic soil, so as to provide a basis for rational fertilization and scientific fertilization of farmland in the North China Plain. 【】Taking no fertilization (CK) as a control, three treatments with equal nitrogen rate (N 180-225 kg·hm-2) was conducted since 1986, including chemical fertilizer (F), organic manure (M), and combination of organic manure with chemical fertilizer (MF). Soil pH, organic matter, nitrogen, phosphorus, potassium of and its spatial distribution were analyzed for every 20 cm depth of soil till 200 cm. 【】After 31 years of continuous fertilization, soil organic matter, total nitrogen, alkali-hydrolyzed nitrogen, nitrate nitrogen, available phosphorus, and available potassium all decreased with the increase of soil depth. As to the equal nitrogen application, the organic matter content under F, M and MF in 0-40 cm was 14.2, 25.6 and 18.2 g·kg-1, respectively. Compared with F, the organic matter under M and MF were increased by 80.3% and 28.2%, respectively. The total nitrogen content under F, M and MF in 0-40 cm was 0.93, 1.67, and 1.21 g·kg-1, respectively. M and MF increased total nitrogen by 79.6% and 30.1%, respectively, compared with F. The alkali hydrolysable nitrogen content under F, M and MF in 0-40 cm was 80.2, 120.7, and 83.3 mg·kg-1, respectively. And compared with F, the growth ratio of alkali hydrolysable nitrogen for M and MF was 50.5% and 3.9%, respectively. The 0-200 cm nitrate nitrogen content of F (21.1 mg·kg-1) was 3.4 times and 1.8 times as much as that of M (6.2 mg·kg-1) and MF (11.9 mg·kg-1), respectively. The available phosphorus of 0-60 cm for M (134.3 mg·kg-1) and MF (60.5 mg·kg-1) was 7.2 times and 3.3 times than that of F (18.6 mg·kg-1), respectively. The available K content under F, M and MF in 0-40 cm was 90, 163, and 89 mg·kg-1, respectively. Compared with chemical fertilizer, the pH of 0-200 cm soil of long-term application of cattle manure or combination of organic manure with chemical fertilizer showed no significant difference.【】Long-term application of chemical fertilizer had high risk of nitrate leaching, and the content of nitrate nitrogen in the 0-200 cm soil layer was 21.1 mg·kg-1under the F treatment, which increased the risk of nitrate nitrogen leaching. Long-term application of organic manure had high risk phosphorus leaching. Although the soil phosphorus concentration was mainly above 60 cm, the available phosphorus content of the 20-40 cm soil was as high as 115 mg·kg-1and 70 mg·kg-1under M and MF treatment, leading to the high potential leaching risks. Combination of organic manure with chemical fertilizer could ensure high yield, and reduce the risk of environmental pollution of nitrogen and phosphorus.

fluvo-aquic soil; fertilization regimes; soil profile; soil nutrient

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.014

2020-03-02；

2020-04-22

國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-03）、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（1610132019032）

溫延臣，E-mail：wenyanchen2002@163.com。通信作者趙秉強(qiáng)，E-mail：zhaobingqiang@caas.cn。通信作者林治安，E-mail：linzhian@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）