长期施肥对河西绿洲灌漠土作物产量及土壤养分自然供给能力的影响

长期施肥对河西绿洲灌漠土作物产量及土壤养分自然供给能力的影响

俄胜哲^1，2　杨生茂¹　郭永杰¹　索东让³　杨思存¹　崔云玲¹　王成宝¹

（1甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所　甘肃兰州　730070；2兰州大学生命科学学院，干旱与草地农业生态教育部重点实验室　甘肃兰州　730000；3张掖市农业科学研究院　张掖　734000）

摘要：科学施肥可增加作物产量，促进土壤—作物系统营养元素循环，而土壤养分自然供给能力则是实施测土配方施肥、平衡施肥等科学施肥技术基础。为提高甘肃河西绿洲粮食高产、稳产、高效生产能力及土壤养分资源管理水平，通过设置于甘肃河西绿洲长达25年（1982～2006）的长期肥料定位试验，研究长期施肥对作物产量及土壤养分供给能力的影响。研究结果表明，土壤养分平衡是作物高产、稳产的基础，连续25年不施用任何肥料或单施氮肥，导致农田土壤生产能力严重衰退。氮磷或氮磷钾肥配合施用作物持续高产、稳产。随试验年限延续磷肥、有机肥增产效应逐渐积累，并表现出良好的渐进性和持续性；钾肥在试验开始后最初6年（1982～1987年）无显著增产效应，中期具有一定的增产作用（1988～1992年），后期15年（1993～2006年）显著增产。土壤磷素自然供给能力随试验延续逐渐减小，而钾素的自然供给能力相对稳定。

关键词：长期施肥；河西绿洲；作物产量；土壤养分自然供给能力

甘肃河西绿洲光热资源丰富，昼夜温差大，特别适宜农作物的生长发育，是甘肃乃至全国的优质农产品生产基地^[1]。20世纪80年代以来，当地群众通过大量施用化肥来提高粮食产量，甘肃河西绿洲农田养分供给由传统的单施农家肥转变为大量的施用化肥供应为主。在农业生产实践中，土壤养分、肥料等资源利用方面存在诸多不合理现象，如偏施氮、磷肥，而钾肥施用不足，有机肥施用减少等，不仅造成养分资源的浪费、化肥利用率降低，增产效益和产量稳定性下降，甚至对生态环境带来潜在危害^[2～3]。土壤养分自然供给能力是评价土壤肥力的重要指标，是实施测土配方施肥、平衡施肥等科学施肥技术基础^[4]。因此，研究长期施肥对河西绿洲灌漠土作物产量及土壤养分自然供给能力的影响对调控土壤—作物系统养分循环、提高土壤养分资源管理水平等方面有重要意义。

注：本文发表于《植物营养与肥料学报》，2010，16（4）：786～793.

施肥是保持作物高产及土壤肥力增加的关键，我国和世界上的一些相关统计资料表明，化肥对作物增产所起的作用是40%～60%^[5]。诸多长期定位试验研究已表明，长期配合施用氮、磷、钾肥可显著提高土壤中有效氮、磷、钾含量和作物产量^[6～7]，氮、磷、钾肥与有机肥配合施用的土壤培肥及作物增产效果更佳^[8～10]，但有关长期施肥对作物产量的影响及氮、磷、钾肥和有机肥的产量效应演变的系统报道较少。土壤养分自然供给能力的概念前人多采用在其他养分充分供应时、不施某一养分，土壤供给的养分能够使作物产量达到全肥时产量的百分比^[11～12]。通过这一概念，能建立土壤养分水平与作物产量之间相对关系，而不能确定土壤养分自然供给的具体数量特性。因此，我们以1982年开始实施的河西绿洲灌漠土长期定位试验基础，研究长期定位施肥对作物产量的影响及氮、磷、钾肥和有机肥的产量效应演变；同时在其他养分充分供应、不施某一养分时，作物从土壤中所能吸收的这一元素具体数量来表征土壤养分自然供给能力，建立土壤肥力水平与土壤养分自然供给能力之间的数量关系，以期能为该区域农业的可持续发展、科学施肥及土壤持续利用等方面提供参考依据。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

试验于（1982～2006）年在甘肃省张掖市张掖农业科学研究院试验田进行（38.6°N，100.3°E）。海拔1560m，年均气温7℃左右，≥10℃活动积温1837～2870℃，无霜期165d，年均降雨量127mm，主要集中在7月到10月，年均蒸发量2345 mm。供试土壤为沙质石灰性灌漠土，试验前（1982年）0～20 cm耕层土壤基本理化性状为：有机质20.80 g/kg，全氮0.76 g/kg，全磷（P）0.82 g/kg，碱解氮28.10 mg/kg，速效磷（P）21.70 mg/kg，速效钾（K）99.10 mg/kg。土壤肥力中上。

1.2　试验设计

试验为裂区设计，主处理为施用有机肥（M）和不施用有机肥（M）。副处理为：不施肥（CK）、单施氮肥（N）、施氮磷肥（NP）和施氮磷钾肥（NPK）。试验中化肥施用量按N∶P₂O₅∶K₂O=1∶0.5∶0.5的比例实施。供试氮肥为尿素或硝酸铵，磷肥用普通过磷酸钙、重过磷酸钙或磷酸二铵，钾肥采用氯化钾或硫酸钾。1982～1990年小麦施氮（N）量为120kg/hm²，1991～2006年为150kg/hm²。玉米施肥量是小麦的2倍。有机肥为厩肥（主要为大牲畜圈粪和猪圈粪），其平均养分含量为：有机质29.10g/kg，全氮1.50g/ kg，全磷（P）0.88g/kg，速效磷（P）60.30mg/ kg，速效钾（K）1293mg/kg。1982～1990年有机肥施用量为6t/hm²，1991～2006年为7.5 t/hm²。小区间筑造永久性堤埂和灌溉渠道，小区面积33.3m²，重复3次。

1.3　主要栽培管理措施

试验主要轮作方式为小麦—小麦—玉米（其中1994～1997年为小麦—小麦—小麦—玉米）。小麦于每年3月中旬播种，播量为300kg/hm²，玉米于每年4月中旬或下旬播种，密度为75 000株/hm²。春小麦有机肥、氮肥、磷肥及钾肥均作基肥于播种前混匀一次性施入，玉米有机肥、磷肥做基肥，氮肥、钾肥一半作基肥，另一半追施。小麦全生育期灌水3～4次，玉米5～6次，处理间灌水时期及灌水量相等，水分具体管理措施按照当地习惯大田生产进行。

1.4　样品采集与分析测定计算方法

成熟期收获各小区作物进行测产，同时采集有代表性的植株20株（每小区3次重复），籽粒与秸秆分开，根系直接还田。秸秆样品于105℃杀青30 min，然后在65℃烘干，籽粒样品自然风干，称重后粉碎。采用H₂SO₄-H₂O₂消煮后，N用开氏蒸溜法测定，钒钼黄比色法测定磷，火焰光度计法测定钾。

根据N=N－CK，P=NP－N，K=NPK－NP分别计算施用氮、磷、钾等化肥的增产效应（每kg养分增产小麦、玉米的kg数）^[10]。土壤养分自然供给能力是指长期未施某种元素处理，作物可以从土壤和环境中吸收的养分量，其数值=作物秸秆产量×某元素浓度+作物籽粒产量×某元素浓度^[13]。在本试验中土壤磷素自然供给能力以单施氮肥（N）处理计算，土壤钾素自然供给能力以氮磷配施（NP）处理计算。

1.5　数据分析

采用SAS统计软件进行统计，多重比较采用LSD法，绘图软件采用Sigmaplot 9.0。

2　结果与分析

2.1　长期施肥对作物产量的影响及稳定性分析

方差分析结果表明（表1），除个别特殊年份外，长期施用化肥、有机肥对小麦和玉米产量有显著或极显著影响。综合25年的产量资料不难发现，随试验年限延长不施肥处理（CK），单施氮肥处理（N）小麦和玉米的产量均逐渐降低，在试验初期10年不施肥处理的降幅显著大于单施氮肥处理。氮磷肥配合施用（NP）处理或氮磷钾肥配合施用（NPK）处理小麦、玉米产量均较对照（CK）显著增加。施用有机肥可显著增加小麦、玉米产量。25年不同施肥处理小麦、玉米籽粒平均产量由高到低的顺序依次为MNPK＞MNP＞NPK＞MN＞NP＞M＞N＞CK。

不同施肥处理作物产量的稳定性明显不同（表1），不施肥处理（CK）和单施氮肥处理（N）作物产量年际变化较大，其小麦产量变异系数为57.4%和48.6%，玉米产量变异系数为56.9%和40.5%。与小麦相比，施用氮肥增加了玉米产量的稳定性。氮磷肥配合施用或氮磷钾肥配合施用配合使小麦、玉米两种作物产量稳定性大幅增加，同时施用有机肥处理较未施用有机肥处理小麦、玉米的稳定性亦有明显提高。小麦、玉米产量变异系数分别为16.5%～57.4%和8.0%～56.9%，玉米产量的稳定性明显高于小麦产量的稳定性。

由图1、2可以看出，氮、磷肥在不同年份或轮作周期中均具有显著的增产效应，在不施用有机肥处理氮肥小麦、玉米的增产效应呈现先增加后降低的趋势，而磷肥随试验年限延续增产效应逐渐增加，说明磷肥具有明显的残效叠加效应。在施用有机肥处理，氮磷肥增产效应变化趋势不明显。氮、磷肥增产效应因作物不同而异，小麦氮肥、磷肥产量效应显著高于玉米。不施有机肥处理小麦氮肥平均增产效应为6.2kg/kg，施有机肥后氮肥平均增产效应增加到13.5kg/kg，增产效应增加116.8%；玉米氮肥的增产效应为4.9kg/kg，施有机肥后氮肥增产效应增加到6.2 kg/kg，增产效应增加25.3%。但是施用有机肥后小麦磷肥（P）平均产量效应由76.5kg/kg降至64.9kg/kg，降幅15.2%，玉米磷肥平均产量效应由20.4kg/kg降低至16.1kg/kg，降幅21.4%。

表1　1982～2006年不同施肥处理小麦玉米产量

Table 1　Yields of wheat and corn under different fertilizations in 1982—2006

玉米产量Corn yield　（kg/hm²）

续表1

* ， * * 和ns分别表示差异显著水平达5%、1%和无显著性差异。括号中的数字表示0.05水平上的最小显著差数。（ * ， * * and ns refer to difference at significant level of P＜0.05，P＜0.01 and not significant，respectively. The numbers in parentheses stand for values of least significance differences at 0.05 level.）

2.2　氮、磷、钾肥及有机肥的产量效应及演变

小麦氮肥产量效应

小麦磷肥产量效应

小麦钾肥产量效应

小麦有机肥肥产量效应

图1　氮、磷、钾肥及有机肥的小麦产量效应及演变

Fig1 The increased yield of nitrogen，phosphorus，potassium and farmyard manure

玉米氮肥产量效应

玉米磷肥产量效应

玉米钾肥产量效应

玉米有机肥产量效应

图2　氮、磷、钾肥及有机肥的玉米产量效应及演变

Fig2　The increased yield of nitrogen，phosphorus，potassium and farmyard manure

钾肥在试验最初的6年（1982～1987年）小麦、玉米都未表现显著增产作用。未施用有机肥处理1987年起，施用有机肥处理1991年起小麦、玉米钾肥增产效应开始显现。钾肥的增产效应主要表现在不施用有机肥处理，不施有机肥处理钾肥（K）平均小麦和玉米产量效应为6.3 kg/kg和7.2 kg/kg，施用有机肥显著降低了小麦和玉米钾肥的产量效应，钾肥（K）小麦和玉米平均产量效应分别为3.6 kg/kg和2.2 kg/kg。

随试验年限延续有机肥的小麦、玉米增产效应也逐渐增加，说明有机肥亦具有明显的残效叠加效应（图1、2）。有机肥在小麦和玉米两种作物上平均增产率为34.3%。在不施肥（CK）和单施氮肥（N）条件下，有机肥分别增产77.7%（CK）和78.4%（N）；在化肥配合施用情况下，有机肥的增产作用急剧减小，NP和NPK处理有机肥增产效果显著降低，其分别为15.6%（NP）和10.6%（NPK）。

有机肥的增产效应因作物不同而异，所有处理施有机肥小麦增产幅度明显大于玉米。

2.3　土壤养分自然供给能力演变

土壤养分自然供给能力是指长期不供给某种养分的情况下，作物从土壤和大气中吸收固定的养分量。其氮素来源主要有降水、生物固氮、土壤中含氮物质分解矿化等。磷钾素主要来源于土壤中含磷钾矿物风化及有机质分解^[13]。本试验未设单施磷处理，因此不计算土壤氮素自然供给能力。由图3可以看出，随着试验年限的延长，土壤磷素和钾素的自然供给能力都逐渐减小，土壤磷素自然供给能力降幅明显大于钾素。土壤磷素和钾素自然供给能力变化过程可用线性方程较好的拟合，拟合程度达到极显著水平。作物不同土壤磷钾素的自然供给能力也略有差别，种植小麦土壤磷素的自然供给能力略小于种植玉米土壤磷素自然供给能力，而钾素则恰好相反。

自然磷素小麦自然供给能力

自然磷素玉米自然供给能力

自然钾素小麦自然供给能力

自然钾素玉米自然供给能力

图3　土壤磷、钾素自然供给能力变化

Fig 3　Soil phosphorus and potassium natural supp lying capacity

3　讨论

3.1　长期施肥作物产量及稳定性效应

ZHANG Hui-M in等^[14]在湖南祁阳红壤上的研究结果表明，只施氮肥处理在试验开始的前几年比不施肥处理产量稍高，随后逐渐下降并趋于稳定，与不施肥处理相当或低于不施肥处理。J.Shen、门明新等^[15-16]在河北潮土上的研究亦表明，长期偏施氮肥而缺磷、钾不仅难以增产，甚至减产。本研究结果同样显示，在甘肃河西绿洲灌区，试验前10年不施肥处理和单施氮肥处理作物产量均逐渐降低，不施肥处理的降幅显著大于单施氮肥处理。但随试验年限延长，单施氮肥处理土壤磷素等营养元素消耗增大，产量急剧下降，逐渐接近长期不施肥处理。氮磷肥配合施用或氮磷钾肥配合施用使作物产量稳定性大幅增加，同时施用有机肥作物产量及稳定性亦有明显提高。表明甘肃河西绿洲灌区有机肥与氮磷配合，特别是与氮磷钾配合，不论小麦还是玉米，均能保持高产、稳产。

3.2　氮、磷、钾肥及有机肥的增产效应

无论在施用有机肥处理还是不施用有机肥处理，氮、磷肥在不同年份或轮作周期中均具有显著的增产效应。不施用有机肥处理长期施用氮肥小麦、玉米的增产效应都呈现先增加后降低的趋势，这可能是由于随试验年限延长，单施氮肥处理土壤磷素等其他营养元素大量消耗，致使单施氮肥处理产量显著降低而接近不施肥处理（CK）所致，同时以单施氮肥处理与对照（CK）处理作物产量的差值来计算氮肥增产效应，但是单施氮肥处理可能受磷素等其他营养因子限制，产量降低，因此可能导致氮肥增产效应数值偏小。而在不施用有机肥处理长期施用磷肥小麦、玉米的增产效应随试验年限延续逐渐增加，表明该试验磷素投入大于支出，土壤磷素积累，具有明显的残效叠加效应。施用有机肥后氮肥平均增产效应明显增加，而磷肥增产效应明显下降，这可能是由于有机肥中含有丰富的磷钾（速效磷60mg/kg，速效钾1293 mg/kg）等作物生长发育所需其他的营养元素，在单施氮处理中增施有机肥使得土壤磷钾等营养元素得到补充，从而使土壤生产潜力得到大幅提升所致。

钾肥在试验初期两种作物均未起显著增产作用，未施用有机肥处理1987年起，施用有机肥处理1991年起两种作物钾肥增产效应开始显现。钾肥的增产效应主要表现在不施用有机肥处理。表明在试验初期（1987年以前）土壤速效钾含量超过满足作物生长发育需要，同时有机肥中含有丰富的钾素，因此出现钾肥增产效果不明显，甚至负效应的现象。但随作物籽粒及秸秆携带累积量增加，土壤钾素逐渐降低，施钾增产效应逐渐显现^[17]。随试验年限延续有机肥肥效逐渐积累，并表现出良好的渐进性和持续性。有机肥氮磷素残效连续叠加，使土壤具有强大而持久的供氮磷能力，这是施用有机肥产生后效的物质基础和根本原因。不施肥（CK）和单施氮肥（N）有机肥增产效应显著大于氮磷肥配合施用或氮磷钾肥配合施用增产效应。有机肥小麦增产幅度明显大于玉米。

3.3　土壤养分自然供给能力演变

党廷辉^[18]等在陕西长武黄土旱塬研究表明，不施肥处理（NoPo），不施肥10后土壤磷素自然供给能力就可达到相对稳定的水平，即为3kg/hm²。国外一些研究表明，英国洛桑试验站重黏壤质酸性土壤的自然供磷能力约为每年10kg/hm²，丹麦Askov试验站壤土及砂壤土自然供磷能力为18kg/ hm²和27kg/hm^2[19]。本研究结果与前人研究结果略有差异，随着试验年限的延长，土壤磷素自然供给能力都逐渐减小，但仍未达到相对稳定的水平，25年后小麦玉米平均土壤磷素自然供给能力为5kg/hm²。这可能与土壤类型、种植制度不同有关。土壤钾素自然供给能力随试验年限延长则相对比较稳定。土壤磷素和钾素的自然供给能力变化趋势可用线性方程较好的拟合，拟合程度均达到极显著水平。作物不同土壤磷钾素的自然供给能力也略有差别，种植小麦土壤磷素的自然供给能力略小于种植玉米土壤磷素自然供给能力，而钾素则恰好相反。

4　结论

在甘肃河西绿洲灌漠土区长期有机肥与氮磷配合，特别是与氮磷钾配合，能使作物保持高产、稳产。氮、磷肥及有机肥在不同年份或轮作周期中均具有显著的增产效应，而且随试验年限延续磷肥、有机肥肥效逐渐积累，并表现出良好的渐进性和持续性。施钾肥在试验初期未表现出显著增产作用，1987年后钾肥增产效应开始显现。表明多年农事生产活动已使河西绿洲灌漠土从钾素盈余转变为钾素亏缺，因此在进行农作物生产时应适量增施钾肥。连续25年不施磷土壤磷素自然供给能力逐渐减小，持续25年后仍未达到相对稳定的水平，土壤钾素自然供给能力则相对比较稳定，种植作物不同土壤磷钾素的自然供给能力也略有差别。