長期定位施肥對作物-土壤系統(tǒng)養(yǎng)分收支的影響

長期定位施肥對作物-土壤系統(tǒng)養(yǎng)分收支的影響

作物生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分收支是評(píng)價(jià)施肥方式是否合理，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是否可持續(xù)的重要指標(biāo)。方玉東等對我國農(nóng)田氮、磷、鉀收支調(diào)查結(jié)果顯示,氮、磷總體投入大于支出,但地域分布不均,東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)養(yǎng)分過量較嚴(yán)重,西部、北部地區(qū)養(yǎng)分投入較低或不足;而鉀在全國77.4%地區(qū)處于匱缺狀態(tài),尤其在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū),更加忽視鉀肥使用。施肥能夠直接影響土壤養(yǎng)分庫發(fā)展趨勢與程度,過度墾殖且不注重養(yǎng)分管理將導(dǎo)致土壤肥力退化、收支赤字、養(yǎng)分耗竭、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可持續(xù)。我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中仍存在氮肥施用不當(dāng)、忽視鉀肥和有機(jī)肥及種植作物品種單一、長期連作等不合理的施肥與生產(chǎn)模式,不利于現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。本研究以布置于遼寧中部的1組不同施肥模式長期(20年)定位試驗(yàn)為基礎(chǔ),針對該地區(qū)旱田主栽作物、典型施肥模式,模擬了長期不同施肥條件對作物產(chǎn)量的影響,分析了不同施肥模式下作物-土壤系統(tǒng)養(yǎng)分收支平衡狀況。與中短期試驗(yàn)相比長期試驗(yàn)更能體現(xiàn)當(dāng)?shù)氐湫蜕a(chǎn)與氣候條件下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展變化特征,對于制定適合該地區(qū)的合理施肥制度有重要意義。1材料和方法1.1土壤有機(jī)質(zhì)及全氮含量試驗(yàn)在中國科學(xué)院沈陽生態(tài)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)站位于下遼河平原北部,沈陽市南約35km。土壤為潮棕壤,土壤有機(jī)質(zhì)22.1g·kg-1,全氮0.8g·kg-1,有效磷10.6mg·kg-1,速效鉀88mg·kg-1,pH6.7。站區(qū)多年平均年降水量為650~700mm,年均氣溫7~8℃,≥10℃活動(dòng)積溫為3300~3500℃,無霜期為147~164d。1.2施肥與循環(huán)有機(jī)肥試驗(yàn)始于1990年,共設(shè)12個(gè)處理,本研究選用其中8個(gè)處理,分別為:Ⅰ.對照(CK),不施肥;Ⅱ.循環(huán)有機(jī)肥(M),收獲籽實(shí)的80%喂豬,全部大豆秸稈和一半玉米秸稈經(jīng)粉碎后墊圈,翌年春豬圈肥循環(huán)返回本處理田間;Ⅲ.施氮(N),玉米施純氮150kg·hm-2(肥料為尿素),1990~2002年大豆不施氮肥,2003年后大豆播種時(shí)施純氮25kg·hm-2;Ⅳ.氮+循環(huán)有機(jī)肥(N+M),氮肥用量同Ⅲ,循環(huán)有機(jī)肥同Ⅱ;Ⅴ.施氮磷(NP),氮肥用量同Ⅲ,每年施用純磷17.9kg·hm-2(1990~1996),1997年后調(diào)整為25kg·hm-2(肥料為重過磷酸鈣);Ⅵ.氮磷+循環(huán)有機(jī)肥(NP+M),氮、磷同Ⅴ,循環(huán)有機(jī)肥同Ⅱ;Ⅶ.施氮磷鉀(NPK),NP同Ⅴ,每年施用純鉀60kg·hm-2(肥料為硫酸鉀);Ⅷ.氮磷鉀+循環(huán)有機(jī)肥(NPK+M),NPK同Ⅶ,循環(huán)有機(jī)肥同Ⅱ。各處理均設(shè)3次重復(fù),小區(qū)(重復(fù))面積162m2,分別種植大豆-玉米-玉米,并依次輪作,這樣設(shè)計(jì)可保證不同作物在不同氣象年景均有出現(xiàn),使主栽作物在時(shí)間上有連續(xù)性,有助于將作物反應(yīng)與每年的氣候條件進(jìn)行比較分析。1.3實(shí)際施氮量測定試驗(yàn)中循環(huán)有機(jī)肥、化肥養(yǎng)分及作物地上部養(yǎng)分移出量均為實(shí)測結(jié)果,植物與有機(jī)肥中氮含量用元素分析儀ElementerⅢ(德國產(chǎn))測定;植物全磷用硫酸聯(lián)合消解,鉬蘭比色法測定;有機(jī)肥中磷含量采用Na2CO3熔融,鉬蘭比色法測定;植物全鉀用三酸消解,火焰光度法測定;有機(jī)肥中鉀含量用NaOH熔融,火焰光度計(jì)法測定。3次重復(fù)分別種植大豆-玉米-玉米,其氮肥用量不同,因此3個(gè)小區(qū)年均施氮量(Z)為:Z=(2X+Y)/3,其中X為玉米氮肥用量,Y為大豆氮肥用量,如在2003年以前,某施氮處理3個(gè)重復(fù)分別種植玉米、玉米、大豆,則該處理施氮量應(yīng)為(150+150+0)/3=100kg·hm-2;同理,在計(jì)算養(yǎng)分移出量時(shí)也利用上述算法,如CK處理氮養(yǎng)分移出量為(68.3+68.3+36.8)/3=57.8kg·hm-2;據(jù)估計(jì),大豆共生固氮量約占大豆收獲氮量2/3,僅1/3來自土壤與肥料貢獻(xiàn),故計(jì)算大豆收獲移出農(nóng)田氮時(shí)僅取大豆收獲氮量的1/3,如CK處理大豆,年均實(shí)際移出氮量為110.5kg·hm-2,但認(rèn)為其2/3來自大豆共生固氮因此其實(shí)際從土壤中移出氮量為110.5/3=36.8kg·hm-2。1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析本試驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均應(yīng)用Excel2003軟件進(jìn)行處理,統(tǒng)計(jì)分析采用One-wayANOVA方差分析和LSD最小顯著差異法,計(jì)算過程均由SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件完成。2結(jié)果與分析2.1有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生物產(chǎn)量中的濃度變化不同施肥模式下大豆和玉米產(chǎn)量如表1所示施肥對大豆和玉米產(chǎn)量有顯著影響。NPK+M處理的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物學(xué)產(chǎn)量均處于最高水平。隨化肥的均衡施用,玉米和大豆產(chǎn)量均有提升,NPK處理中玉米籽實(shí)產(chǎn)量與生物學(xué)產(chǎn)量(籽實(shí)+秸稈)較對照處理分別提高85.2%和60.7%,遠(yuǎn)高于大豆的47.1%和56.3%,且氮肥對玉米的增產(chǎn)作用優(yōu)于大豆。有機(jī)肥對于兩種作物的產(chǎn)量也有明顯促進(jìn)作用,4個(gè)有機(jī)肥處理與相應(yīng)無有機(jī)肥處理相比,大豆和玉米籽實(shí)分別平均增產(chǎn)22.9%和16.4%;同時(shí),有機(jī)肥對于大豆和玉米具有穩(wěn)產(chǎn)作用。由表1還可看出,隨養(yǎng)分的均衡輸入或有機(jī)肥與無機(jī)肥配施,大豆秸稈在生物學(xué)產(chǎn)量中所占比例出現(xiàn)升高趨勢,大豆對照處理(CK)秸稈產(chǎn)量在生物學(xué)產(chǎn)量中所占比重為47.6%而在NPK+M處理中提高到51.2%,其中最高值出現(xiàn)在NP處理,為52.7%;而玉米與之相反。2.2對作物養(yǎng)分移出量的影響不同施肥模式下作物移出養(yǎng)分量列于表2。據(jù)沈善敏估計(jì),大豆收獲氮的1/3來自土壤氮貢獻(xiàn),因此其年均土壤氮素移出量低于玉米,但總收獲氮量遠(yuǎn)高于玉米;而大豆磷、鉀移出量明顯低于玉米。施肥不僅提高了作物產(chǎn)量(表1),亦提高了隨作物收獲移出的養(yǎng)分量(表2),最佳產(chǎn)量條件下(NPK+M處理)年均養(yǎng)分移出量為對照處理1.5~2.5倍。施用循環(huán)有機(jī)肥對作物氮、磷、鉀移出量有明顯影響,除NPK與NPK+M處理外,所有循環(huán)有機(jī)肥處理的土壤氮、磷、鉀移出量均顯著高于相應(yīng)未施有機(jī)肥處理。2.3年度養(yǎng)分輸入量輸入農(nóng)田土壤的養(yǎng)分來自化肥和循環(huán)有機(jī)肥,依據(jù)化肥用量與實(shí)測有機(jī)肥中養(yǎng)分含量可得年均養(yǎng)分輸入量(表3)。每年來自循環(huán)有機(jī)肥的氮、磷、鉀養(yǎng)分已接近或超過化學(xué)養(yǎng)分的50%,是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要的養(yǎng)分供給源。2.4施肥對土壤養(yǎng)分的影響根據(jù)表2與表3得試驗(yàn)20年間年均養(yǎng)分收支(表4),其中養(yǎng)分輸入項(xiàng)為施肥輸入的養(yǎng)分量,支出項(xiàng)為土壤養(yǎng)分移出量。對于氮,無肥條件下年均赤字最高,單獨(dú)的養(yǎng)分循環(huán)再利用雖可一定程度緩解氮素赤字,但無法改變土壤氮素肥力降低的趨勢;單施氮肥可滿足作物生長對氮的需求,而當(dāng)?shù)c磷或磷鉀肥配施時(shí),因作物產(chǎn)量的提高,無機(jī)氮肥的施用已無法維持土壤氮的收支平衡,長此以往必定導(dǎo)致土壤氮素肥力下降;而在無機(jī)氮和循環(huán)有機(jī)肥的施肥模式下,土壤氮素基本可保持收支平衡且略有盈余,尤其是NPK+M處理,更可保證高產(chǎn),是適合該地區(qū)的施肥模式。對于磷、鉀養(yǎng)分,循環(huán)有機(jī)肥的施用僅能緩解其收支赤字,而無機(jī)磷、鉀肥的施用可維持土壤磷、鉀養(yǎng)分收支平衡并略有盈余,伴隨有機(jī)肥施用亦可使盈余量有所增加,起到存磷、鉀于土的作用?？傮w上,氮肥的施用加速了土壤磷消耗,氮肥與磷肥配施更加快了土壤鉀素耗竭。3有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用對于作物產(chǎn)量而言,與對照相比,循環(huán)有機(jī)肥顯著提高玉米和大豆籽實(shí)產(chǎn)量,表明我國傳統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)再利用在無化肥輸入條件下對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。尤其對大豆,即使從2003年起播種時(shí)施用25kg·hm-2無機(jī)氮肥,N處理產(chǎn)量(1367kg·hm-2)仍顯著低于M處理(2036kg·hm-2),但單施循環(huán)有機(jī)肥尚無法達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的,不符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求。隨氮肥引入我國,玉米等作物產(chǎn)量有了明顯提高,且氮肥對玉米的肥效明顯優(yōu)于大豆,一方面原因是大豆固氮作用降低了其對氮肥的依賴,另一方面當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣是對大豆不施或少施氮肥,不足以明顯提高大豆產(chǎn)量。隨無機(jī)磷肥和鉀肥配合氮肥的施用,玉米產(chǎn)量均顯著提高,而大豆僅在NPK配施條件下產(chǎn)量才顯著提高,表現(xiàn)出對肥料響應(yīng)的不同。系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)再利用在養(yǎng)分施用不均衡條件下可顯著提高作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,表現(xiàn)出對無機(jī)養(yǎng)分的補(bǔ)充作用,有機(jī)肥與無機(jī)肥配施更利于作物產(chǎn)量的穩(wěn)定。同時(shí),隨養(yǎng)分均衡與充分供給,玉米秸稈/籽實(shí)比例呈降低趨勢,循環(huán)有機(jī)肥的施用也在一定程度上降低了該比值,說明養(yǎng)分條件的改善有利于玉米生殖生長,優(yōu)化光合產(chǎn)物在作物體內(nèi)的分配;而大豆卻并未表現(xiàn)出這種變化。對于土壤養(yǎng)分收支,在無相應(yīng)無機(jī)養(yǎng)分供應(yīng)時(shí),僅靠保持系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)再利用不能根本改變土壤養(yǎng)分赤字,但不均衡的化學(xué)養(yǎng)分輸入模式也無法達(dá)到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo),形成“短板”效應(yīng),限制農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)一步提高。本試驗(yàn)8種施肥模式基本涵蓋了這一地區(qū)從建國至今典型施肥模式,在化肥模式中,單施氮肥顯然無法保持作物的高產(chǎn),氮磷配施雖可提高作物產(chǎn)量,而鉀素的缺失明顯降低了大豆和玉米的籽實(shí)產(chǎn)量,長此以往勢必影響土壤功能的進(jìn)一步發(fā)揮。Regmi等也發(fā)現(xiàn)在不施磷肥條件下,稻田僅可維持短期產(chǎn)量,對鉀肥的忽視也可造成作物減產(chǎn)40%~45%。NPK處理可得到較高作物產(chǎn)量,但對于玉米和大豆分別施用150kg·hm-2和25kg·hm-2無機(jī)氮肥不足以維持農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡,而進(jìn)一步提高無機(jī)氮肥將導(dǎo)致氮肥利用率的降低;同時(shí)許多研究也發(fā)現(xiàn),隨氮肥用量的增加,更多的氮素將進(jìn)入環(huán)境?？梢姳M管均衡的化學(xué)養(yǎng)分輸入,仍可能導(dǎo)致土壤養(yǎng)分收支失衡,亦或造成對生態(tài)環(huán)境的影響。隨無機(jī)養(yǎng)分的引入與大量施用,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期忽視有機(jī)肥的施用。從本試驗(yàn)結(jié)果可見,在施用化肥基礎(chǔ)上配以循環(huán)有機(jī)肥,以有機(jī)肥形式補(bǔ)充農(nóng)田NPK及微量養(yǎng)分,減少農(nóng)村污染物排放,提高農(nóng)業(yè)廢棄物利用效率的同時(shí),對于維持土壤養(yǎng)分收支平衡、穩(wěn)定作物產(chǎn)量、提高肥料利用效率均具有明顯作用。Bu?ien?等也提倡合理的使用有機(jī)肥,減少因過量無機(jī)氮肥施用而帶來的環(huán)境問題并補(bǔ)充土壤中的鉀;Shisanya等研究結(jié)果表明有機(jī)肥和無機(jī)肥配施比單獨(dú)施用有機(jī)肥更有利于作物產(chǎn)量的形成,但此研究僅持續(xù)了4個(gè)生長季;而從多個(gè)長期試驗(yàn)結(jié)果來看,在養(yǎng)分含量相當(dāng)?shù)那闆r下有機(jī)肥應(yīng)該有著與化肥相當(dāng)?shù)脑霎a(chǎn)作用。有機(jī)肥在補(bǔ)充農(nóng)田土壤磷、鉀方面具有明顯作用,但Palm等也指出,以現(xiàn)有有機(jī)肥資源量無法平衡農(nóng)田磷的收支,應(yīng)配合無機(jī)磷肥的施用,而適量施用鉀肥對于維持土壤供鉀能力也是必需的。本研究中供試潮棕壤試驗(yàn)初始速效磷和速效鉀分別為10.6mg·kg-1和88.0mg·kg-1,不缺磷且相對富鉀。因此磷、鉀用量應(yīng)以滿足作物需求為標(biāo)準(zhǔn),在配合循環(huán)有機(jī)肥條件下有利于建立起一定規(guī)模的土壤磷、鉀庫,實(shí)現(xiàn)收支平衡并略有盈余的施肥模式?？梢?實(shí)行養(yǎng)分循環(huán)再利用配合均衡、合理施用化肥對于提高作物產(chǎn)量、平衡土壤養(yǎng)分收支和減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響具有重要意義。4施肥對作物產(chǎn)量的影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)