全 文 :收稿日期:!""#$%"$"& 接受日期:!""&$"%$"&
基金项目:中国科学院知识创新项目(’()*!$+,$-".、’()*!$+,$-"/);国家支撑计划项目(!""0123"/1"/)资助。
作者简介:宇万太(%&0-—),男,辽宁沈阳人,研究员,主要从事农业生态系统物质循环研究。456789::;<=> 87?@ 7A@ AB
施用有机肥对土壤肥力的影响
宇万太,姜子绍,马 强,周 桦
(中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁沈阳 %%""%0)
摘要:在潮棕壤上进行了 /年的定位试验,研究不同有机肥用量对作物产量和土壤肥力的影响。结果表明,施用有
机肥处理与对照处理相比,施用有机肥有明显的增产和稳产作用。不施肥处理,除土壤全钾以外,土壤其他各项养
分指标()、C、D)均有所下降;施用有机肥能显著提高速效 D、’养分含量和有机碳及全磷含量。/年时间,低量有机
肥处理土壤碱解氮含量下降了 &E%& 6F G HF,说明低量有机肥并不能保证土壤氮的供给;中量有机肥处理土壤碱解
氮含量略有上升,土壤全氮收支基本平衡;高量有机肥处理土壤碱解氮含量有明显增加,土壤全氮也有较大程度的
盈余。
关键词:有机肥;潮棕壤;土壤肥力;作物产量
中图分类号:I%/# 文献标识码:2 文章编号:%""#$/"/*(!""&)"/$%"/.$"#
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+J ,7B5;78,KL2CM (85NO7P,Q2 R87BF,(STJ S=7
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3#0 4’/5&:67B=V?;7[=8A \VP:B NP89;NP89 U?V;898;<;AVPW <8?9X
关于各种有机肥料的增产效果,国内已进行过
大量的中短期田间试验,但不少结果均表明有机肥
的当季增产效果时常不及等量养分的化肥增产作
用[%$!]。不过从长期的增产效应来看,有机肥料的
增产效果绝不逊于化肥,甚至超过化肥。英国洛桑
试验站 1VP7X\79H小麦肥料试验表明,化肥区的小麦
产量和厩肥区的小麦产量几乎是相同的;但在试验
后期,厩肥区的小麦产量在多数年份超过了化肥
区[_]。这与厩肥中养分持续矿化释放及残效叠加有
关,也与厩肥区土壤肥力性状的全面改善有关。有
机肥料对作物的增产作用主要还在于有机肥料对作
物持续的养分供给。从长期和实用的角度来看,有
机肥对改善土壤磷素、钾素以及其它大多数植物营
养元素状况的作用与化肥几乎是相同的。莫淑勋
等[-]的试验结果表明,猪粪中的磷主要为水溶性较
高的无机磷,因而对作物的有效性高,其磷的利用率
与化肥相当。殷秀岩等[/]在辽西的 0年田间试验结
果看出,猪圈肥中磷的利用率可达 "E_%!"E-&。有
机肥料中的钾呈可溶态,和化肥钾的作用不会有明
显的区别。
在改善土壤氮素供应方面有机肥与化肥有较大
区别。无机肥料可以迅速提高土壤碱解氮含量,并
植物营养与肥料学报 !""&,%/(/):%"/.$%"0-
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
D97B; C=;V8;8PB 7BX ‘?V;898^?V IA8?BA?
在一定水平上保持相对稳定;而有机肥对土壤碱解
氮的增长贡献相对缓慢,但呈逐年增长之趋势,!年
后有机肥处理土壤碱解氮含量水平超过无机肥处
理["]。持续施用化肥固然略可提高土壤的供氮力,
但真正能扩大土壤有机氮库、显著提高土壤供氮力
并使土壤在供氮的方式方面具有渐进性和持续性者
便唯有施用有机肥[#]。$%%&’[(]认为,在高产条件
下,厩肥优于化肥的原因之一便是前者的供氮方式
较之化肥更适合作物根系对氮的吸收,而并非是由
于有机肥的施用改变了土壤物理状态的缘故。但是
有机肥料的施用量不断增加,会导致肥料利用率降
低和增加农田磷的地表径流流失量,加速了地表水
体的富营养化[)*++],对环境造成污染。为此,采用长
期定位试验,研究了不同有机肥用量对作物产量、土
壤肥力以及土壤养分收支的影响,以期为合理施用
有机肥提供理论依据和技术支撑。
! 材料与方法
!"! 试验设计
试验于 ,--,!,--" 年在中国科学院沈阳生态
实验站进行。该实验站位于沈阳市以南 .! &/(0+1
.,23,+,,1,.24),地处下辽河平原,属于暖温带半湿
润大陆性季风气候,雨热同季,夏天炎热,冬天寒冷,
年平均温度 #!(5,夏季平均气温 ,0 5,最高温度
.)6.5,最低温度 * ..6+5。! +-5活动积温为
..--! .0--5,太阳总辐射量为 !0-)6)! !!))6(
&7 8 9/,,年降雨量为 "!-!#-- //,年蒸发量 +0(-
! +#!" //,干燥度为 -6),无霜期为 +0#!+"0 :,平
均早霜期出现在 ) 月下旬,+- 月中旬后常有严霜。
供试土壤为潮棕壤,试验开始时土壤的本底农化性
状为:;< "60,有机质含量 +)6)+ = 8 &=,全氮 +6-
= 8 &=,有效磷 ++6. /= 8 &=,速效钾 +-.6- /= 8 &=。试验
设 0个有机肥用量,即:不施肥(>-)、低量有机肥
(>+)、中量有机肥(>,)、高量有机肥(>.)。有机肥
种类为猪圈肥,每年施用前取样,并测其干率和氮、
磷、钾含量,具体施用量如表 +所示。田间试验重复
.次,轮作方式为大豆—玉米—玉米,小区面积为
+-( /,。
!"# 样品采集和测定项目与方法
每年作物收获季节采用 ?形布点随机采取 !点
玉米样品,每 (株作为一个样点。子实和秸秆(除子
实以外的所有地上收获部分混合)经烘干粉碎混匀
后取样分析。植物全氮用凯氏定氮法;全磷用硫酸
联合消解—钼锑抗比色法;全钾用三酸消解—火焰
表 ! #$$#!#$$%年各处理的有机肥施用量
&’()* ! +’,-.* ’//)01’203, .’2*4 0, 5066*.*,2 2.*’27*,24
6.37 #$$# 23 #$$%
年份
@’AB
处理
CB’AD E
有机肥用量
>AFGB’ BAD’
(&= 8 H/,)
养分含量(&= 8 H/,)
3GDBI’FD 9%FD’FD
3 J K
,--, >+ (#"! "- !. (-
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总计 >+ 0,,(0 .-- ,0! 0--
C%DAL >, +-!"#) #!- "+, )))
>. ,++.!( +!-- +,,! +)))
光度计法测定。
每年作物收获季节取耕层(-—+! 9/)土样,每
小区采 .个样品,每个样品均为多点混合。土壤全
碳、全氮用元素分析仪测定;土壤全磷用碳酸钠熔
融—钼锑抗比色法测定;土壤全钾用氢氧化钠碱融
—火焰光度计法测定;土壤碱解氮用碱解扩散法测
定;土壤有效磷用 -6! /%L 8 M 3A<$N.浸提—钼锑抗
比色法测定;土壤速效钾用乙酸铵提取—火焰光度
计法测定;土壤缓效钾的测定采用 +/%L 8 M 的硝酸
提取—火焰光度计法测定。
试验数据应用 >I9B%O%PD 4Q9’L ,---和 ?J??++6-
统计软件进行统计分析。
# 结果与分析
#"! 作物产量
表 ,看出,不同有机肥用量对玉米产量影响很
大。施低量、中量和高量有机肥显著提高玉米子实
产量,分别比对照("+-" &= 8 H/,)处理增长 .,6-#R、
0)6+-R和 !!6,"R。高量和中量有机肥处理的玉米
子实产量无显著性差异,但显著高于低量处理的玉
米产量,说明中量有机肥已能满足玉米对养分的需
求(表 ,)。秸秆产量与子实类似,施有机肥处理的
(!-+ 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 +!卷
玉米秸秆产量均显著高于对照处理,而中量处理与
低量和高量之间并无明显的差异,但高量处理明显
高于低量处理。
表 !还看出,无论玉米子实还是秸秆,施有机肥
处理玉米产量的变异系数均小于对照处理,且随着
有机肥用量的增加,玉米子实变异系数随之降低,说
明施有机肥不仅有明显的增产作用,还有显著的稳
产作用,可以适应不同的气候年景。另外,在下辽河
平原气候条件下,无论施肥与否,玉米子实产量与秸
秆产量之比变化不大,基本维持在 "#"左右(变异系
数仅为 !#$!%),利用此数值可以通过玉米子实产
量来估测玉米秸秆产量。
表 ! !""!!!""#年不同有机肥用量处理玉米子实和秸秆的平均产量($% & ’(!)
)*+,- ! ./-0*%- 12-,34 56 7058 %0*29 *93 4:*,$ *: 3266-0-9: (*9;0- *88,27*:259 0*:-4 605( !""! :5 !""#
处 理
&’()* +
子实产量
,’)-. /-(012
变异系数
!"(%)
秸秆产量
3*)04 /-(012
变异系数
!"(%)
子实产量 5秸秆产量
,’)-. 5 3*)04 ’)*-6
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!不施有机肥情况下,8—"; AE土层土壤有机碳
呈缓慢下降趋势,;年下降幅度为 "#8; F 5 4F,且达到
显著水平。平均每年耕层土壤有机碳下降 8#!"
F 5 4F,相当于土壤有机碳起始浓度的 "#>;%。施用
低量有机肥,土壤有机碳并未明显增加,而中量和高
量处理土壤有机碳含量却有显著的增加(表 $)。通
过 ;年施用有机肥,耕层土壤有机碳浓度提高幅度
为 8#;!!;#88 F 5 4F,平均为 !#$9 F 5 4F,年上升幅度
为 8#=< F 5 4F。考虑到不施有机肥处理区土壤有机
碳在 ;年间下降了 "#8; F 5 4F,则 ;年中有机肥处理
区耕层土壤有机碳积累浓度应为 $#=" F 5 4F。以低
量有机肥处理为例,; 年输入的总有机碳量为
=;><#9= 4F 5 HE!,土壤有机碳总量增加了 "!8=#;8
4F 5 HE!,则 ; 年间土壤有机碳残留率为 !9#!9%,同
理,可以算出中量和高量有机肥处理有机碳残留率
分别为 !;#=9%和 $<#=<%。表明有机肥对土壤有
机碳的积累和增长有着明显的作用,即使高量有机
肥处理,土壤有机碳库仍在不断增长之中,尚未达到
平衡。
土壤有机碳含量与作物产量的相关分析表明,
作物产量和土壤有机碳含量呈正相关性( ’ I
8#<"@@),即土壤有机碳含量高,作物的产量也高。
但土壤有机碳含量并非越高越好,至于不同土壤的
有机碳含量的适宜值目前尚无明确标准[<]。需要指
出的是,在本试验中,土壤有机碳含量最高为 "<#"<
F 5 4F,超出此范围时以上结论是否正确尚需进一步
研究。
表 = 不同有机肥用量对土壤全量养分的影响(% & $%)
)*+,- = >66-7:4 56 3266-0-9: (*9;0- *88,27*:259 0*:-4 59 :5:*, 9;:02-9:4 29 452,
处理
&’()* +
年份
J()’
有机碳
K’F).-A L
全 B
&6*)0 B
全 M
&6*)0 M
全 N
&6*)0 N
78 本底 K’-F-.)0 ""#$> : 8#8< ) "#88 : 8#8" ) 8#=> : 8#8" ) ";#=< : 8#!9 )
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@;8";期 宇万太,等:施用有机肥对土壤肥力的影响
!"# 土壤氮素
在不施有机肥的情况下,耕层土壤全氮浓度亦
呈显著缓慢下降趋势,!年下降幅度为 "#"$ % & ’%,平
均每年约下降 "#"( % & ’%,相当于土壤全氮起始浓度
的 (#"")(表 *)。低量有机肥处理,!年间耕层土壤
全氮浓度略有下降,但并未达到显著水平;中量有
机肥处理全氮浓度有明显的提高;高量有机肥处理
的土壤全氮浓度大幅增加,! 年间耕层共增加了
"#*$ % & ’%,平均每年约增加 "#"$ % & ’%。可见,耕层
土壤全氮的积累和增长与有机肥的施用量有着密切
的关系。
试验起始时各处理土壤碱解氮含量均在 +""
,% & ’%以上,不同处理之间的变异系数仅为 +#(+),
说明起始土壤肥力水平是比较均匀的。在不施肥情
况下,农田土壤的氮素肥力主要是靠生物固氮作用
和干湿沉降而得以维持,氮素肥力只能保持在较低
的水平。图 +看出,对照处理的土壤碱解氮含量逐
年下降趋势,! 年间共下降了 +-#"( ,% & ’%,降幅为
+.#/$),且有继续下降的趋势;施低量有机肥处理
!年间下降了 /#+/ ,% & ’%,降幅为 $#--),说明施用
低量有机肥虽可缓解土壤碱解氮的下降,但仍呈下
降趋势;中量有机肥处理的土壤碱解氮含量变化不
大,基本上能维持试验起始时水平;高量有机肥处
理的土壤碱解氮含量呈上升趋势,! 年间上升了
+-#*+ ,% & ’%,提高了 +!#.0),平均每年增加 *#(-
,% & ’%。可以看出,土壤碱解氮含量随着有机肥用量
的增加而增加。
图 $ 不同有机肥用量对土壤碱解氮含量的影响
%&’($ )**+,-. /* 0&**+1+2- 34251+ 4667&,4-&/2 14-+. /2
./&7 47847&9:;01/7;<+0 =
!"> 土壤磷素
土壤全磷含量变化趋势与土壤有机碳含量的变
化趋势相似(表 *)。图 ( 看出,对照处理的土壤有
效磷本底值仅在 ++ ,% & ’%左右,经过 (年作物消耗
后呈下降趋势,以后逐渐稳定在 0 ,% & ’% 左右。可
见,当土壤速效磷降到一定水平时,土壤有效磷收支
的亏值与土壤有效磷的下降幅度之间不存在等比例
关系,持续而少量的土壤磷收支赤字并不能引起土
壤有效磷水平的不断下降,相反,可以在一个水平上
趋于稳定。
图 ! 不同有机肥施用量对土壤有效磷含量的影响
%&’(! )**+,-. /* 0&**+1+2- 34251+ 4667&,4-&/2 14-+.
/2 ./&7 4?4&74@7+ A
当土壤因持续施肥而使全磷量不断增长时,土
壤有效磷含量亦随之增长,并且在很大范围内两者
的增长几乎呈直线相关(图 *)。按平均计算,土壤
全磷增量(收支盈余量)的 ++#.()进入了土壤有效
磷库。理论上推测,当土壤中磷的吸附点因土壤中
残留磷的增加而逐渐趋于饱和时,残留磷转入有效
磷库的比例应不断增长,但从试验结果看,这一类土
壤的有效磷即使达到 +(*#!" ,% & ’%,土壤全磷增长
图 # 土壤全磷增量与土壤有效磷的相关性
%&’(# B/11+74-&/2 @+-C++2 ./&7 4?4&74@7+ A 420
-:+ &2,1+4.+ /* -/-47 A
"-"+ 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 +!卷
量达到 !"#$%&’ () * +,&似乎也尚未达到土壤磷吸附
的饱和点,否则土壤全磷盈余值的进一步增长势必
导致土壤有效磷的大幅度上升。
!"# 土壤钾素
在不施钾肥情况下,连续种植作物,土壤钾素被
作物不断吸收,因此在初始阶段,土壤速效钾含量下
降较快,经过 &茬作物后,土壤速效钾含量由 -$%.-
,) * ()下降到 /&%!! ,) * (),后 .年下降速度有所减
缓,仅下降了 0%’" ,) * ()。由于土壤速效钾、缓效钾
之间存在动态平衡,作物吸收部分钾素后土壤中剩
下部分的速效钾就会被更强烈的吸持着,进入土壤
溶液的钾减少,作物吸收量也就减少,土壤速效钾不
再继续下降而趋于平缓,维持在“最低水平值”。这
同其他相关研究结果一致[!&1!.]。
图 ’表明,施有机肥处理的土壤速效钾含量均
呈逐年上升趋势。低量有机肥处理,土壤速效钾含
量由本底的 -/%!0 ,) * ()提高到 !"-%!. ,) * (),增幅
达 !!%!-2,差异显著;高量有机肥处理的土壤速效
钾含量增幅达 &’%.!2。说明施有机肥能显著提高
土壤速效钾含量,且随着有机肥用量的增加而增加。
速效钾含量是一个容易变动的数值,而要评定一定
时期内土壤的供钾能力,一般都根据含量相对的稳
定缓效钾储量及其转化速率。图 ’还看出,在不施
肥情况下,土壤的缓效钾含量在前 &年尚能维持在
初始水平,但随种植年限延长,土壤缓效钾含量则逐
年下降。0 年间耕层土壤缓效钾含量降低了 &-%0/
,) * (),平均每年下降 0%-& ,) * ()。而施入有机肥的
处理,土壤缓效钾含量有明显的上升,0年间共提高
!".%$-! !$"%.# ,) * (),. 个处理平均为 !&$%#0
,) * (),且随着有机肥施用量的增加其提高幅度也在
逐渐加大,但处理间差异不显著。
图 $ 不同有机肥用量对土壤速效钾和缓效钾含量的影响
%&’($ )**+,-. /* 0&**+1+2- 34251+ 4667&,4-&/2 14-+. /2 ./&7 484&7497+ : 420 .7/;< 1+7+4.+ :
!"= 土壤养分收入与支出
各施肥处理 0年的累计养分收支,其中收入项
为施肥输入养分,支出项为作物收获移出养分,不包
括其他的养分收支项,如大气沉降、生物固氮等的养
分输入和氨挥发、反硝化、淋失等的养分支出,因此
这里仅就养分的施肥输入和作物收获移出两项进行
比较。
表 ’看出,不施肥和施低量有机肥处理,由于氮
输入量较少,无法维持土壤氮的收支平衡,0年间土
壤氮赤字数量分别为 0!0%-0和 ./’%’" () * +,&,这与
土壤全氮和土壤碱解氮含量的变化趋势一致;中量
有机肥处理,土壤氮收支基本保持不变;高量有机
肥处理,土壤氮有大量的盈余。同样,0年间不施肥
处理土壤磷、钾赤字分别为 $$%./ () * +,& 和 !/’%&$
() * +,&,施有机肥处理均能使土壤磷、钾保证盈余,
且随着输入量的增加而增加。
施高量有机肥作物移出的氮量为 /!#%$!
() * +,&,对照 处 理 作 物 移 出 的 氮 量 为 0!0%-0
() * +,&,即作物移出的氮量有 ."!%$$ () * +,& 来自于
输入的有机肥。根据土壤全氮 0 年增加了 "%./
) * ()(表 .)计算,0年耕层土壤全氮增加量为 $%""
() * +,&;而输入的氮总量为 !0"" () * +,&,氮共损失
了 0#!%.’ () * +,&,损失率高达 ./%"-2。高量有机
肥处理磷的损失率为 !.%$&2。理论上磷肥几乎无
损失,而本试验所得结果可能是由于磷肥用量较大,
且耕层仅为 "—!0 3,,可能有部分的磷迁移到耕层
以下或全磷测定误差所致(在熔融过程中可能会因
升温过快,导致溶液迸溅出来,造成测定结果偏低)。
由于土壤钾库极大,即使连续 0年大量施入钾肥(有
机肥),亦不能使土壤全钾含量增加,但钾肥的施用
!$"!0期 宇万太,等:施用有机肥对土壤肥力的影响
表 ! "##"!"##$年期间土壤养分收支(%& ’ ()")
*+,-. ! /01&.2 34 50267.528 75 837- 463) "##" 23 "##$
处理
!"#$%’%
收入
(’)*%+
支出
,*%)*%+
收支
-*./#%
0
12 2 343563 7 343563
14 822 9:;5;2 7 8:;5;2
1< =32 =;259; 6589
18 4322 :4=594 9:<586
>
12 2 9958: 7 9958:
14 <;3 44;566 482524
1< 94<53 4<6528 ;:85;=
18 4<<3 43<5;9 42=<53;
?
12 2 4:;5<9 7 4:;5<9
14 ;22 <98524 489566
1< 4222 <:45;4 =4:536
18 <222 88=583 499<593
显然提高了土壤速效钾和缓效钾的含量。
9 讨论
本试验结果表明,不施有机肥处理,土壤有机
碳、全氮和全磷含量均有所下降,这与许多研究结
果[4;749]一致;但也有研究者得出相反的结论[4=],可
能是由于土壤质地不同造成的。低量有机肥处理,
土壤有机碳、全氮和全磷含量基本稳定;中量和高
量有机肥处理,土壤有机碳、全氮和全磷含量则有显
著升高。这与汪芝寿等的研究结果一致[4:]。蒋仁
成等[46]的研究也表明,施用有机肥能显著提高土壤
中全氮和全碳含量;周建斌等[<2]研究认为,土壤有
机质含量与有机肥施用年限具有极显著的正相关关
系,且土壤有机质的增加量与有机肥的施用量有密
切关系。而土壤钾含量与其他元素有所不同,施用
有机肥对全钾含量并无明显影响[<4]。
土壤中碱解氮含量随着有机肥用量的增加而增
加,呈极好的相关性。这与前人的结果基本一
致[<<7<8]。已有的研究表明,在不施磷肥情况下,土
壤有效磷浓度下降速率明显受土壤有效磷水平制
约,当土壤起始有效磷水平很高时,一旦停止施用磷
肥,土壤有效磷浓度便迅速的、几乎呈直线的下降;
起始土壤的速效磷含量越高,其下降幅度越大,若干
年后其下降速率才逐渐减缓。对于有效磷基础水平
低的土壤,不施肥并连续种植作物也只能使土壤有
效磷浓度缓慢下降,而且稳定在一个较低的水平
下[<;]。本研究表明,不施肥处理土壤有效磷浓度先
呈迅速下降趋势,而后渐缓,这与上述的研究结论一
致。
本试验表明,施用有机肥处理,能显著提高土壤
有效磷浓度,且随有机肥用量的增加而增加。刘树
堂等[<3]的研究表明,施用有机肥能显著提高土壤有
效磷含量,且高量有机肥的效果远高于低量有机肥;
史吉平等[<9]的结果看出,长期施用有机肥,尤其是
厩肥,能显著提高土壤有效磷含量,这首先是有机肥
本身含有一定数量的磷且以有机磷为主,这部分磷
易于分解、释放;其次有机肥施入土壤后可增加土
壤的有机质含量,进而减少无机磷的固定,并促进无
机磷的溶解。有机肥与无机肥配合施用比单施有机
肥更能提高土壤有效磷含量。这可能是由于施用有
机肥主要增加了有机磷含量的缘故[<=]。本试验同
样表明,施用有机肥处理,能显著提高土壤有效磷浓
度,且随有机肥用量的增加而增加。在本试验中,对
照处理的土壤速效钾和缓效钾浓度一直呈下降趋
势,不过后期下降幅度有所减缓。施用有机肥的处
理,土壤速效钾和缓效钾浓度都有所升高,特别是
中、高量处理,当钾肥量超过了植物所需,过多的部
分就被土壤固定。已有长期定位试验证明,施入土
壤中的全部肥料钾最终都将被植物吸收[<:]。因此,
只要土壤对钾有足够多的束缚位,且肥料的施用是
经济的,就不必担心推荐的钾肥施用量大于作物生
长直接的需钾量[<6]。
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<924 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 43卷
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