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长期定位试验条件下水稻田土壤有机质变化研究

潘世娟1，2，李菊梅2，王惠生1

（1西北农林科技大学农学院，陕西杨凌712100；

2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081；）

摘要：

本文依托湖北武汉、重庆北碚、湖南望城、湖南祁阳、江西南昌、浙江杭州6个水稻土壤肥力长期定位试验历史样品及数据，分析和讨论了土壤有机质变化趋势及对施化肥和有机肥响应差异。

有机肥提升土壤有机质显著高于施化肥的效果，施化肥NPK处理，六个试验点土壤有机质都呈现提升趋势；但是，有机质平均年增量、有机质累计增量与累计有机肥施用量的比值都是逐年下降的，固定施肥方法提高土壤有机质是有限的，最高达到平衡点，施化肥的有机质平衡点低于施有机肥的，土壤有机质提升不仅对施有机肥有响应，而且与累积产量也有一定的相关关系。

关键词：

土壤肥力长期试验；稻田土壤；土壤有机质；施肥

StudyonChangesofSoilOrganicMatterinPaddySoilUnderLong-termExperiments

PANShi-juan1。

2，LIJu-mei2，WANGHui-sheng1

（1CollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversityYangling,Shaanxi712100；

2InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,CAAS,Beijing100081）

AbstractFieldinvestigationandsoilsampleanalysismethodswereadoptedonthesixlong—termexperimentsinHubeiWuhanStation,ChongqingBeibeiStation,HunanWangchengStation,HunanQiyangStation,JiangxiNanchangStation,ZhejiangHangzhouStation,China．Theamountofsoilsoilorganicmatterwasincreasedhigherbyorganicfertilizerthanchemicalfertilizersignificantly,averagerateofsoilorganicincreasedwasdecreasedyearbyyear,andrateofsummationofsoilorganicmatteryearincreasedtototalamountoforganicfertilizerinputwasdecreasedyearbyyear.Amountofsoilorganicmatterincreaseislimitedbyonefertilizationmethod,andpeakvalueofsoilorganicmatterismorehigherbyorganicfertilizerthanchemicalfertilizersignificantly.Amountofsoilorganicmatterincreaseisnotonlyrelatedtoamountoforganicfertilizerbutalsocropyield.

Keywords:

long—termexperiments；paddysoil；organicmatter;fertilization

土壤有机质是土壤的基本组成物质，影响着土壤理、化以及生物学性质，在土壤肥力中发挥着重要的作用[1,2]，是高肥力土壤的重要指标，是土壤质量、土壤肥力、土壤可持续利用性的重要评价指标之一[3,4]，土壤有机质提升目前是我国沃土工程研究热点课题。

同时，农田土壤中有机碳储量和特性不仅影响土壤系统质量和功能[5]，而且是大气碳循环的重要因素之一，如何提高和管理土壤有机质不仅是土壤科学的重要研究内容，也是环境科学关注热点[6]。

许多研究资料都报道过不同气候带[7]、不同类型土壤[8]、不同耕作系统[9-11]、不同施肥管理下土壤有机质变化和趋势研究结果[12-14]，但是土壤有机质提升对培肥方式、施肥种类及施肥量的响应程度，它们之间的量化关系一直不明确。

本文通过土壤肥力长期定位试验不同施肥处理试图研究土壤有机质对平衡施肥、非平衡施肥、施化肥、施有机肥的响应，试图揭示各种培肥方式下土壤有机质提升的特征，为农田培肥提供科学依据。

1材料与方法

1.1供试土壤

本文选用六个长期定位试验，分别设在湖北武汉、重庆北碚、湖南望城、湖南祁阳、江西南昌和浙江杭州，其土壤母质类型、轮作制度、土壤有机质与气候条件等列于表l。

表1各试验点基本情况

试验地点经纬度土壤母质轮作制度有机质日照时数年积温年降雨量

（g.kg-1）（h）（℃）（mm）

湖北武汉E114°32′N30°34′湖积物麦-稻27.4208051891300

重庆北碚E106°26′N30°26′泥岩风化坡积物麦-稻22.0126054661106

湖南望城E112°36′N27°58′第四纪红色粘土稻-稻34.1170054501350

湖南祁阳E111°52′N26°45′第四纪红土稻-稻19.8161056001255

江西南昌E115°54′N28°21′河流冲积物稻-稻25.6190054001600

浙江杭州E119°39′N30°26′浅海沉积物麦-稻-稻26.6195050001550

1.2试验设计

各试验点试验处理不尽相同列于表2，江西南昌有机无机肥处理分别为：

50F+50M、30F+70M、70F+30M，在表2中未列出。

施肥量列于表3，肥料种类：

除了重庆北碚处理NPK（Cl）M的氮和钾肥分别为NH4Cl和KCl外，其他个试验点肥料种类相同，氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥是氯化钾。

表2各试验点长期试验处理

试验点CKNNPNKPKNPKMNPKM1.5NPKMNPKSNPMPKMNKMM+1.3NPK

湖北武汉√√√√√√

重庆北碚√√√√√√√√√√

湖南望城√√√√√√√

湖南祁阳√√√√√√√√

江西南昌√√√√

浙江杭州√√√√√√√√

注：

“√”表示有此处理。

表3各试验站水田土壤年施肥量

地点试验开始NP2O5K2O有机肥

（年份）（kghm-2）（kghm-2）（kghm-2）（kghm-2）

湖北武汉198115075150猪粪22500

重庆北碚1991300（285）150（120）150（120）厩肥22500和稻草7500

湖南望城1985330180（90）240猪粪7500（15000）和稻草5250

湖南祁阳1986300120120牛粪22500

江西南昌1983330120300紫云英和猪粪＊

浙江杭州1990315158158猪厩肥22500

注：

＊表示：

50F+50M、30F+70M和70F+30M处理的有机肥施用量分别是21375kg∕hm2、41869kg∕hm2和7691kg∕hm2。

括号内数字表示变更后施肥量，重庆北碚处理括号内数字表示在1996年秋后至今的施肥量；湖南望城处理括号内数字表示从1991年后至今，施磷量降低一半，猪粪增加为15000kg∕hm2，同时又增施石灰2025kg∕hm2。

1.3土样采集及统计分析

每年秋作物收获后，采集耕层土壤样品，土壤有机质测定采用外加热重铬酸钾一容量法[15]，所有数据采用MicmsoftExcel软件和DPS进行统计分析[16]。

2结果与分析

2.1水旱轮作土壤有机质变化趋势

无论是湖北武汉还是重庆北碚，无肥处理土壤有机质含量都明显低于任何施肥处理的，（图1和2），随着试验时间延长，土壤有机质稍有下降趋势。

湖北武汉试验点起始有机质比较高，为27.4g/kg,有机质下降幅度比较大;重庆北碚起始有机质相对较低，为22.0g/kg,有机质下降到20.6g/kg后就比较平稳了。

所不同的是，湖北武汉的N和NP处理的土壤有机质有下降趋势，但是比CK值高，且N处理的土壤有机质低于NP处理的；而重庆北碚的NP处理土壤有机质有提升趋势。

两个试验点的NPK处理土壤有机质含量都有上升趋势，湖北武汉的土壤有机质上升速率高于重庆北碚的，平均每年分别上升0.15g/kg和0.13g/kg。

仅施有机肥M处理土壤有机质提升速率都比施化肥的高，重庆北碚的高于湖北武汉的，平均每年分别上升0.26g/kg和0.08g/kg。

湖北武汉的有机肥（猪粪）加化肥NPKM处理土壤有机质含量上升趋势与M处理的很接近，几乎没有差别，土壤有机质明显高于NPK处理的；而重庆北碚的NPKM（厩肥）和NPK处理的土壤有机质含量上升趋势很接近，几乎没有差别，但是土壤有机质显著低于M（厩肥）处理的。

图1湖北武汉土壤有机质动态变化图2重庆北碚土壤有机质动态变化

2.2双季稻土壤有机质变化趋势

不同试验点双季稻土壤CK处理有机质变化趋势不一致，在江西南昌试验点呈现下降趋势，试验5年土壤有机质从25.6g/kg下降到20.3g/kg，接下来10年土壤有机质稳定在20.1-20.5g/kg之间（图5）；湖南望城（图4）和浙江杭州试验（图6）的CK处理土壤有机质都表现不同程度上升趋势，湖南望城和浙江杭州试验10年土壤有机质分别提升了3.5g/kg和1.3g/kg。

湖南望城、江西南昌和浙江杭州试验都表现出平衡施化肥处理土壤有机质提升比非平衡施肥处理快，即NPK处理土壤有机质高于N、NP处理的。

四个试验点施NPK处理土壤有机质都表现出有机质提升到最高点后略下降的抛物线趋势，望城、祁阳、杭州和南昌土壤有机质最高点分别为39.1g/kg、29.1g/kg、31.0g/kg和27.9g/kg。

有机肥和有机无机配合处理土壤有机质提升状况各试验点差异比较大。

祁阳试验点20年连续施用有机肥（图3），前10年土壤有机质直线提升，平均每年提升1.4g/kg，有机质最高值比NPK处理的高10g/kg,有机无机配合施肥的NPKM处理，土壤有机质变化趋势和数值与M处理的无显著差异，主要表现出有机肥提升有机质的作用，而化肥在配施中提升有机质作用不明显。

与祁阳试验所不同的是，杭州试验M处理土壤有机质提升效果低于NPK处理，而NPKM处理有机质略高于NPK处理，在此明显表现出施用化肥提升有机质的作用（图6）。

南昌试验点有机无机肥配合处理（图5），土壤有机质提升速率随有机肥比例提高而提高，30F+70M处理土壤有机质10年提升12.8g/kg,而50F+50M和70F+30M处理土壤有机质10年提升5.0g/kg，前者比后者提升速率快2.5倍，50F+50M和70F+30M处理土壤有机质含量和变化趋势无显著差异。

图3湖南祁阳土壤有机质动态变化图4湖南望城土壤有机质动态变化

图5江西南昌土壤有机质动态变化图6浙江杭州土壤有机质动态变化

2.3土壤有机质平均年增量变化

。

衡质ngqing长期试验开始前几年，土壤有机质提高较快，以后有机质提高速率逐渐减低。

为了便于研究土壤有机质变化规律，以每年秋季作物收获时土壤有机质减去起始土壤有机质即为土壤有机质增量，土壤有机质增量除以试验时间（年）即为土壤有机质平均年增量。

由于各试验点的施肥处理不太一样，为了在同等施肥处理条件下能更好的对各个试验点之间进行比较，选取了NPK、NPKM和M三个处理，从土壤有机质平均年增量变化情况可以明显的看出有机质对施肥的响应（如图7）。

每年同样培肥方式，土壤有机质年增长量却不同，土壤有机质不是直线提升的，随着试验时间延长，各试验点显示土壤有机质年增长量逐渐下降。

施有机肥处理、施稻草处理的比化肥处理土壤有机质下降幅度大；开始土壤有机质年增长量越大，其下降幅度越大，开始土壤有机质增长量少的，其下降幅度小，而且，重庆北碚、湖北武汉和湖南祁阳有些处理的土壤有机质年增量前几年提高到最高值后才开始下降；试验8年以上，土壤有机质年增长量基本上变化幅度很小，说明土壤有机质的提升对施有机肥、有机物质反应敏感，对施化肥反应迟钝；试验开始几年，土壤有机质提升对施肥相应敏感，随着试验时间延长，土壤有机质提升对施肥反应迟钝；水旱轮作比双季稻田土壤有机质年增长量变化幅度大。

随土壤有机质平均年增量的逐年下降，土壤有机质提升到最高点后保持稳定。

图7不同土壤有机质年增量变化

2.4土壤有机质提升对有机肥施用量的响应

为了更进步分析土壤有机质提升对施肥的响应，分析了土壤有机质累计增量与累计有机肥施用量的比值（图8），在此暂称比值为有机质对肥料的响应值，该值能够反映每施用一吨有机肥能够提高土壤有机质的量值。

由于施用的化肥存在比较复杂的氮磷钾比例不同问题，所以只计算了施每吨有机肥的土壤有机质增加量，即土壤有机质响应值。

很明显，有机质对有机肥响应值的变化趋势与有机质年增量的变化趋势相似，随试验时间延长都逐年下降。

除湖南祁阳外，重庆北碚和湖北武汉长期试验单施有机肥处理和有机无机肥配合处理的响应值差异不大，没有体现有机无机肥配合提高有机质效果；杭州在施肥的第15年M和NPKM处理的土壤有机质含量分别降低到19.4g/kg和25.2g/kg，比起始有机质含量分别降低了7.2g/kg和1.4g/kg，所以有负值出现。

可以看出：

浙江杭州长期试验结果基本上是有机无机肥配合的响应值比单施有机肥的高，体现了无机肥提高土壤有机质的效果。

无论是单施有机肥处理还是有机无机肥配施处理，有机质对有机肥的反应值在祁阳最高，依次为湖北武汉、重庆北碚、浙江杭州的试验。

土壤有机质累计增量与累计有机肥施用量的比值逐年降低趋势说明，这样的施肥方案对有土壤机质提升是有限度的，土壤有机质提升到最高点达到新的代谢平衡。

图8单施有机肥和有机无机配合土壤有机质对有机肥响应值

3结论与讨论

土壤有机质提升是个极为复杂的过程，是土壤有机物质和外来有机物质在复杂的条件下腐殖化和矿化作用的动态结果，与土壤水分、温度、通气性、微生物种类、数量等等条件有关，长期定位监测结果显示土壤有机质变化的主趋势。

在不施肥条件下，土壤养分供应不足，作物长势不好，产量不高，枯枝落叶等外源有机物质少[16-18]，土壤有机质维持低水平或者稍有下降趋势，湖北武汉、重庆北碚和江西南昌水旱轮作不施肥处理土壤有机质变化趋势呈现下降，许多长期定位试验结果与此基本一致。

湖南望城和浙江杭州不施肥处理土壤有机质表现小幅度上升，原因可能是灌溉水或者径流水带进养分所致，浙江杭州长期试验无肥处理的土壤全氮、全磷、全钾、速效氮、磷、钾都没有明显下降，甚至呈现增加趋势，残留在土壤中的根系、碳不但没有降低，反有增加，湖南望城长期试验无肥处理的土壤养分也没有降低[18，19]，也证明这个推测。

无论水旱轮作还是双季稻田，纯施化肥NPK处理土壤有机质都呈现提升趋势。

在长期施化肥条件下，化肥对土壤有机质没有直接贡献[20]，土壤有机质对化肥也没有直接响应，对土壤有机质有直接贡献的是作物残留物，残留物量的大小与产量有关。

分析各点NPK处理的土壤有机质与累积产量的相关关系发现，NPK处理的决定系数也比较高，说明产量与土壤有机质关系相对密切；非平衡施肥（N、NP、NK）处理的产量相对于平衡施肥（NPK）处理的低，其土壤有机质提升趋势也相对低，也是土壤有机质对施化肥间接响应的表现。

施有机肥和有机无机肥配施，土壤有机质含量和提升趋势明显高于施化肥的，并随有机肥用量提高而增高[18]，因此，也建立了土壤有机质随有机肥施用量变化的模型，计算目标有机质的有机肥需求量[10，21]。

土壤有机质有双重主要直接来源，一是有机肥中的有机物质，二是作物收获后的残留物。

统计分析结果，土壤有机质与累积产量、有机肥累积施肥量都有一定相关关系，特别是有机质与产量的相关系数基本上高于与累积有机肥的相关系数，说明虽然看起来土壤有机质对施有机肥响应灵敏，但是，土壤有机质与累积产量的关系比有机肥更密切。

有机肥对土壤有机质的贡献不是单一途径，一方面是直接贡献，另一方面是通过促进作物生长提高土壤有机质，其间存在自相关关系，为了探索有机肥与产量对土壤有机质贡献的大小，用逐步回归分析结果有机肥对土壤有机质的贡献不显著，只有产量对有机质的贡献是显著的，所以，要更确切推算有机肥施用量与土壤有机质之间的量化关系，可能还要考虑产量影响因素。

不论施化肥还是有机肥土壤有机质都有提升趋势，但是，土壤有机质平均年增量基本是逐年减少的，所以，土壤有机质提升越来越少，说明施肥、枯枝落叶每年给土壤有机质贡献越来越少，这在许多土壤有机质变化趋势图中表现[10,12,18]，土壤有机质不再提升时达到新的平衡[12,21]。

这可能是随有机肥、有机物质投入，土壤易氧化有机碳、活性有机碳、土壤微生物活性提高[1,3,21]，土壤有机质矿化速率提高[2]，土壤C/N比提高也促进有机物质代谢[21]。

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