全 文 ：第 15 卷 第 4 期
Vol. 15 No. 4
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2007 年 7 月
Jul. 2007
文章编号: 1007-0435( 2007) 04-0371-05
黄土高原旱地施肥对小麦与苜蓿土壤水分
养分含量的影响
陈 磊1, 郝明德1* , 张少民1 , 高长青2
( 1.中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.长武县农技中心 , 陕西 长武 713600)
摘要: 研究黄土高原旱地小麦( Wheat)和苜蓿( A lfalfa)连作 20 年后的产量、土壤水分及养分的变化。结果表明 :磷
肥对小麦增产不显著,而对苜蓿则增产显著(增产 183. 5% ) ; 施肥可以延缓苜蓿的衰老,提高产草量; 苜蓿地土壤
干燥化明显,施用氮磷有机肥后小麦地也出现干燥化趋势 ;长期施磷肥有利于改善土壤磷素有效性, 其中苜蓿地全
磷和有效磷含量,增加了 13. 6%和 83. 8% , 小麦土壤增加了 22. 9%和 367. 9% ;苜蓿土壤全氮和速效氮均呈增加,
而小麦地则减少;平衡施用氮磷有机肥能培肥土壤, 使产量大幅度提高; 在该区采取合理的轮作方式和培肥措施能
有效地改善农田生态系统的生产力。
关键词: 小麦; 苜蓿; 定位施肥; 产量; 土壤养分
中图分类号: S812 文献标识码: A
Effect of Long- term Fertilization on the Soil Water and Nutrient Contents
of Rainfed Wheat and Alfalfa lands in Loess Plateau
CHEN Lei
1
, HAO M ing-de
1*
, ZHANG Shao-m in
1
, GAO Chang-qing
2
( 1. Inst itute of Soil and Water C on ser vat ion, C hinese Academy of S cien ces and Minist ry of Water Resour ces , Yangling,
Shaan xi Province 712100, Ch ina;
2. Changw u Agricultu ral T echnology C enter, Changw u County, Shaanx i Province 713600, China)
Abstract: T he ef fects o f Long- term fert ilizat ion on soil w ater and nutrient contents o f cont inuous w heat o r
cont inuous alfalfa lands under rainfed condit ions w ere studied based on the data o f 20-year exper iment since
1984. T he results show that P applicat ion alone didnt result in the signif icant increase of w heat yield, but
significant ly increased the alfalfa yield by 183. 5%. The soil w ater content o f alfalfa lands w as low and the
w heat lands w er e also found the same trend o f get t ing drier . Long- term P applicat ion significant ly in-
creased P availability of the soils; soil to tal P and so il available P o f alfalfa lands increased by 13. 6% and
83. 8% and those o f w heat lands increased by 22. 9% and 367. 9% , respect iv ely . Alfalfa plant ing had a sig-
nificant ef fect on so il fert ility, the total N and available N of alfalfa lands increased, but decreased fo r
w heat lands. The applicat ion o f balanced N-P fer tilizer and manure supplied the demanded nutrients to
plants and great ly incr eased the crop yield and soil fert ility.
Key wards: Wheat ; Alfalfa; Direct ional fert ilizat ion; Yield; So il nut rient
黄土高原水土流失严重, 生态环境退化, 抗御自
然灾害能力差, 水分和养分是限制该区农业发展的
主要因素。随着畜牧业的发展对饲料的需求与日俱
增,为了满足畜牧业发展的需求,苜蓿等豆科饲料作
物得以大面积的种植, 但同时也带来许多新的问题:
豆科作物能显著提高土壤肥力, 改善土壤理化性状,
但长年种植将在土壤深层形成干层, 导致土壤水分
亏缺[ 1~ 6] ; 但研究多基于野外调查结果, 且传统观点
收稿日期: 2006-05-19; 修回日期: 2007-05-30
基金项目: 国家科技支撑计划 ( 2006BAD05B07)、中科院农业项目( kscx1-yw-N-15-04)资助
作者简介: 陈磊( 1982- ) ,男,硕士研究生,研究方向为土壤-植物养分循环及其环境效应, E-mail: chen1061@ 163. com; * 通讯作者: Au-
thor for corresponden ce, T el: 029-87012322
草 地 学 报 第 15卷
苜蓿固氮作用强, 不需施肥; 而在长期试验的基础
上,对长期施肥条件下土壤的水分、养分变化研究较
少;长期试验是全面了解农田生态系统的重要场所,
能系统的了解各因素的相互作用,为评估施肥对土
壤肥力和环境质量的影响提供了重要的研究基础。
本文在 1984年开始的长期定位试验基础上
研究长期施肥对土壤水分、养分变化影响, 以期为
半干旱地区合理利用人工草地和农业可持续发展
提供依据。
1 材料与方法
1. 1 试验区自然概况
试验区位于黄土高原中南部的陕西省长武县十
里铺村旱塬。1984年建立长期轮作与施肥定位试
验。土壤为黄盖粘黑垆土。海拔 1200 m, 年均降水
578. 5 mm, > 10 e 积温 3029 e ,年均气温 9. 1 e , 无
霜期 171 d,属暖温带半湿润大陆性季风气候, 是典
型的雨养农业区。1984年耕层土壤有机质含量 10.
5 g / kg,全氮 0. 57 g/ kg ,碱解氮 37. 0 mg / kg, 全磷
0. 659 g / kg,有效磷 3. 0 mg/ kg, 速效钾 129. 3 mg/
kg , pH 8. 3。小麦( T ri ti cum aesti vum L. )为当地
主要粮食作物, 种植面积占粮食作物的 50%以上,
苜蓿(Medicago sativa L. )是主要的饲料作物。
1. 2 试验设计
在长期定位施肥的基础上,小麦连作施肥设 3个
处理: ( 1)不施肥( CK) ; ( 2)单施磷肥( P) ; ( 3)氮、磷、
有机肥配施( NPM)。苜蓿连作施肥设 3个处理: ( 1)
不施肥( CK) ; ( 2)单施磷肥( P ) ; ( 3)氮、磷、有机肥配
施( NPM)。均 3次重复。小区面积 6. 5 m @ 10. 3 m
= 67 m2 ,随机区组设计。氮肥(尿素)为纯 N 120 kg/
hm2 ,磷肥(过磷酸钙)为纯 P 26. 4 kg/ hm2 , 有机肥为
厩肥 75 t/ hm2 (有机质含量 106 g/ kg,全氮 2. 65 g/
kg,碱解氮 3. 65 mg/ kg,有效磷 0. 11 g/ kg)。
1. 3 供试小麦品种为长武 134, 2003年 9月 12日播
种, 2004年 6月 21日收获, 6- 9月为休闲期;播种量
225 kg/ hm2 ,肥料于播种前撒施后,翻入土中。
苜蓿于 1984年与小麦同期播种刈割后施肥不
翻耕。每年刈割两次,第 1次在 6月20日,第 2次 8
月 22日, 田间管理同大田。
1. 4 分析方法
2004年在成熟期采集小麦和苜蓿植株样品; 样
品经风干、粗粉碎、混匀后取样装瓶保存, 分析前再
细粉碎( 60 e ~ 70 e 烘至恒重)。土样于小麦播种前
采集, 3个重复耕层混合土样( 0~ 20 cm) , 自然风
干,分别过 1 mm 和 0. 25 mm 的筛。
1. 5 测试项目
小麦收获时测小区籽粒重, 苜蓿测两茬干草重
量。土壤有机质(重铬酸钾外加热法) ;全 N(开氏定
氮法) ; 全磷(酸溶-钼锑抗比色法) ; 速效氮(碱解扩
散法) ; 速效磷( 0. 5 M 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色
法) ;速效钾(火焰光度法) , 测定结果以风干基表示。
土壤水分 105 e 烘干法。储水量公式 W= h @ a@ @ 10/ 100计算,式中: W ) 土壤储水量( mm) ; h ) 土
层深度( cm ) ; a ) 容重( g/ cm3 ) ; 1. 6 数据处理
采用 SPASS 数据处理软件
2 结果与分析
2. 1 施肥对小麦产量的影响
长期施肥对小麦产量的影响较大, 2004 年施磷
肥与对照间差异显著( P< 0. 05) , 与施氮磷肥间差
异显著( P< 0. 05)。小麦连作 20年对照区产量为
1260. 1 kg/ hm2 , 单施磷肥为 1412. 1 kg/ hm2 , 增产
12. 1%,氮磷和有机肥配施增产显著,增产 320. 3%。
苜蓿连作 20年后, 仍有一定的生产力,施肥区
与对照间产草量差异显著 ( P < 0. 01) : 对照区为
2154. 7 kg/ hm
2
,施用磷肥增产 183. 5%, 氮磷和有
机肥配施增产 202. 1%, 施肥有提高产草量、延长生
长年限的作用[ 8 9]。小麦连作施磷增产效果不如苜
蓿连作,其原因是豆科作物根瘤菌固氮,增施磷肥促
进其生长发育,增加产草量。
2. 2 施肥对养分吸收的影响
2. 2. 1 2004年样品分析结果表明(表 2) ,处理间差
异显著( P< 0. 05) : 对照区(不施肥)小麦氮、磷、钾
吸收量较低,与产量结果一致, 表明养分供应不足。
小麦施磷区秸杆中的氮肥向籽粒转移; 籽粒和秸杆
吸磷量显著增加, 分别增加了 58. 8和 32. 1% ;籽粒
吸钾量减少了 3. 7% ,秸杆增加 35. 2%。施用氮磷
和有机肥能平衡小麦所需的养分,籽粒和秸杆的 N、
P、K吸收量均显著增加, 籽粒增加 397. 5、272. 0和
282. 0% ,秸杆增加 281. 4、267. 6和 331. 3%。
372
第 4期 陈磊等:黄土高原旱地施肥对小麦与苜蓿土壤水分养分含量的影响
2. 2. 2 施肥对苜蓿 N、P、K 吸收量的影响 对照
区 N、P、K 吸收量较低。苜蓿施磷效果显著, 与对
照区相比,吸 N量比 CK增加 201. 2%, 吸 P 量增加
246. 5%, 吸 K量增加 147. 2%; 与 NPM 区相比, 单
施磷肥由于钾素供应不足, 植株的 N、P 吸收量相差
不大,但吸 K量减少了 7. 4%。施 NPM 植株 N、P、K
吸收量有显著增加,比对照区增产 200. 8%、256. 3%
和 165. 6%。
表 1 施肥对苜蓿和小麦连作区产量的影响( kg / hm2 )
T able 1 Effect of long- term fertilization on alfalfa and wheat y ield
处理
Tr eatm ent
苜蓿连作区 ( Cont inu ou s alfal fa )
产草量
Yield
标准差
S
显著水平 Sign ificant level
5% 1%
小麦连作区( Cont inu ou s wh eat )
产草量
Yield
标准差
S
显著水平 Signif icant level
5% 1%
CK 2154. 7 76. 3 B b 1260. 1 194. 0 A a
P 6109. 9 81. 8 B b 1412. 1 19. 0 B b
NPK 6508. 2 166. 1 A a 5296. 3 12. 9 C c
表 2 施肥对苜蓿和小麦连作区养分吸收量的影响( kg/ hm2 )
Table 2 Effect o f long- term fer tilization on nut rient uptake by w heat o r alfalfa
处理
Treatment
吸 N 量 N uptak e
籽粒 S eed 秸杆 St raw
吸 P量 P uptak e
籽粒 Seed 秸杆 St raw
吸 K 量 K uptake
籽粒 Seed 秸杆 St raw
小麦连作区 CK 36. 9 27. 2 3. 4 4. 2 138. 7 3. 8
Cont inuou s w h eat P 37. 9 24. 5 5. 4 5. 6 130. 8 5. 2
NPM 183. 7 103. 9 12. 8 15. 5 529. 8 16. 6
苜蓿连作 CK 92. 8 7. 1 83. 4
Cont inuous alfalfa P 279. 5 24. 6 206. 2
NPM 279. 1 25. 3 221. 5
2. 3 施肥对土壤水分的影响
2. 3. 1 施肥对土壤剖面含水量的影响 水分是限
制黄土高原农业发展的重要因子,播前土壤储水量
对小麦生长发育有较大的影响。2004年 0~ 300 cm
土壤含水量测定结果, 小麦的土壤水分明显好于苜
蓿,施肥后提高小麦水分利用率, 加大了水分消耗,
而当年降雨不能补充土壤水分, 土壤水库得不到很
好的恢复。土壤剖面含水量在各施肥区间差异显著
(图 1) : 以小麦施用氮磷有机肥,耕层土壤含水量最
高,耕层以下急速减少 (约 10% )与苜蓿相近, 280
cm 以下有所恢复;对照区 0~ 60 cm 土层含水量在
17% ;而施磷区维持在 15% 左右; 施肥后 60~ 150
cm 的含水量减少, 在250 cm 以下,对照区和施磷区
的含水量接近, 土壤水分恢复。
苜蓿各施肥区的土壤含水量均小于小麦对照区
和施磷区。苜蓿对照区的土壤含水量维持在 10%左
右;施肥后加速水分的消耗,其中施磷肥区和氮磷有
机肥区 0~ 60 cm 土层水分含量在 10%以下, 60~
300 cm 含水量有所增加。而施磷区的耕层土壤含
水量小于氮磷有机肥区, 60 cm 以下有所增加, 说明
有机肥能保持耕层土壤水分, 但随着养分供应强度
的增大,深层土壤水分消耗增加。
图 1 长期施肥对土壤剖面含水量的影响
F ig. 1 Effect of long- t erm fertilization on water
contents in so il layer s
2. 3. 2 施肥对土壤储水量的影响 小麦对照区耕
层土壤储水 42. 53 m3 / hm2 , 施磷区减少了 8. 0%,
而氮磷有机区则增加了 2. 9%; 60 cm 以下储水量,
磷肥区减少了 26. 78 mm, 氮磷有机肥区减少了
157. 47 mm ;施肥加剧土壤深层( 0~ 300 cm)水分消
耗(表 3)。
373
草 地 学 报 第 15卷
苜蓿施肥区的耕层土壤储水量均小于对照区和
小麦区;施磷区与氮磷有机肥区差异不显著, 土壤储
水量仅为 21. 0 m3 / hm2。0~ 60 cm 土层,氮磷有机
肥区储水量高于施磷区, 其原因可能是有机肥的保
水作用和磷肥促进苜蓿生长的共同结果。苜蓿土壤
干燥化趋势明显( 300 cm 土层) ,施肥为小麦提供养
分,促进根系发育, 使可利用水分的深度和广度增
加。而施用氮磷有机肥的高产小麦土壤储水量比对
照区减少了 26. 2% ,加剧了土壤干燥化程度。
表 3 长期施肥对土壤储水量的影响(m3 / hm2 )
T able 3 Effect of long- term fertilization on so il water contents
土层深度
Soil depthcm
小麦 Wheat 苜蓿 Alfalfa
CK P NPM CK P NPM
0~ 20 42. 53 39. 13 43. 76 29. 48 21. 24 22. 69
0~ 60 126. 16 118. 54 113. 92 89. 42 66. 96 73. 36
80~ 300 521. 03 494. 25 363. 56 389. 41 349. 88 345. 77
0~ 300 647. 19 612. 79 477. 48 478. 83 416. 84 419. 12
2. 4 施肥对土壤养分含量的影响
2. 4. 1 施肥对土壤有机质含量的影响 黄土高原
区土壤有机质投入主要依靠根系残体、根系脱落组
织、分泌物等,施肥除了直接增加土壤养分全量和速
效养分含量外, 小麦通过光和作用从外界环境吸收
养分,其根茬残留在土壤中亦能增加土壤有机物质
的累积量,同时根系分泌物等的作用减少土壤对养
分的固定,提高养分有效性 [ 7~ 9]。20年后各处理土
壤养分变化明显(表 2. ) :小麦施磷区土壤有机质增
加 5. 5%; 平衡施用氮磷有机肥能补充土壤养分,培
肥作用明显,有机质增加了 69. 0%。苜蓿对培肥作
用显著, 土壤有机质含量较高。对照区有机质含量
18. 04 g. kg- 1, 苜蓿施磷区有机质增加了 24. 7%,
氮磷有机肥配施增加了 36. 9%。对照区苜蓿比小
麦连作土壤有机质增加 54. 5% , 施磷区增加了 82.
5% ,氮肥、磷肥和有机肥区增加了 25. 1%。
表 4 长期施肥对土壤肥力的影响
Table 4 Effect o f long- term fer tilization on soil fert ility
处理
Treatm ent
有机质
O. M . ( g/ kg)
全 N
T otal N( g/ kg)
全 P
Total P( g/ kg)
有效 N
Available N( mg/ kg)
速效 P
Avai lab le P( mg/ kg)
速效 K
Available K( mg/ k g)
苜蓿连作区 CK 18. 04 0. 908 0. 602 67. 18 4. 453 138. 0
Cont inuous alfalfa P 22. 49 1. 365 0. 684 94. 98 8. 185 134. 8
NPM 24. 69 1. 479 0. 798 104. 5 28. 71 216. 7
小麦连作区 C k 11. 68 0. 732 0. 621 43. 07 6. 734 126. 9
Cont inu ou s w h eat P 12. 32 0. 724 0. 763 40. 13 31. 51 128. 5
NPM 19. 74 1. 154 0. 959 74. 55 62. 62 278. 1
2. 4. 2 施肥对土壤全氮、速效氮含量的影响 长期
施肥对土壤氮素影响显著:小麦连作区长期施磷, 氮
素得不到补给, 土壤全氮减少不显著,仅减少1. 1% ,
速效氮减少了 6. 8%; 施用氮、磷和有机肥能补充土
壤养分, 培肥作用明显, 全氮、速效氮分别增加了
57. 7%、73. 1%。因豆科作物能固定氮素,在苜蓿连
作区施磷后土壤全氮、速效氮增加了 50. 3%和 41.
4%; 氮磷和有机肥配施土壤增加了 62. 9%、55.
6%。在不施肥情况下,长期种植苜蓿比小麦连作土
壤全氮和速效氮增加 24. 0%和 55. 9% ,施用磷肥增
加了 88. 5%和 133. 7%, 配施氮肥、磷肥和有机肥增
加了 28. 2%和 40. 2%。
2. 4. 3 施肥对土壤全磷、速效磷含量的影响 经过
20年施肥, 连作苜蓿地耕层磷含量发生了明显变
化,施磷肥可提高土壤的氮、磷含量;小麦连作区单施
磷肥土壤全磷、速效磷增加显著,全磷增加22. 9%,速
效磷增加了 367. 9%。施用氮磷有机肥后, 全磷和
速效磷分别增加了 57. 7%和 73. 1%。苜蓿连作区
施用磷肥,土壤全磷、速效磷增加了 13. 6%、83. 8%,
氮磷有机肥配施促进土壤磷素向有效态转化,全磷、
速效磷分别增加了 62. 9%、55. 6%。豆科作物喜
磷,长期种植苜蓿在不施肥的情况下加速了土壤磷
的消耗,比小麦连作区土壤全磷减少了 3. 1% ;施用
磷肥土壤全磷和速效磷减少了 10. 4%和 74. 0% ;氮
磷有机肥配施减少了 16. 8%和 54. 2%。
2. 4. 4 施肥对土壤速效钾含量的影响 长期不施
钾肥,土壤钾得不到补给,处于亏缺状况。小麦连作
区长期施用磷肥土壤速效钾变化不显著, 仅增加
1. 3%,施氮磷有机肥增加了 119. 1%。苜蓿连作区
施用磷肥土壤速效钾减少 2. 3%, 氮磷有机肥配施
374
第 4期 陈磊等:黄土高原旱地施肥对小麦与苜蓿土壤水分养分含量的影响
速效钾增加了 57. 0%。对照区苜蓿比小麦速效钾
增加了 8. 7% ,单施磷肥速效钾增加了 4. 9%, 施用
氮肥、磷肥和有机肥速效钾减少了 22. 1%。
综上所述, 苜蓿根瘤固定氮素、但消耗磷钾, 施
用磷肥能补充其对磷素的需求,但钾得不到补充; 而
有机肥、配施氮磷肥能促进当季作物的生长和增产,
使有机物还田部分增多, 增加土壤粗有机质含量, 另
一方面增加土壤养分的累积, 促进养分向有效态转
化,保证充分的养分供应,形成养分的良性循环。
3 讨 论
3. 1 苜蓿种植 1次可利用多年,郝明德 [ 6]在苜蓿连
作试验研究发现,连作苜蓿产草量受生长年限的影
响变化较大,随着生育年限的延长而出现下降的趋
势;李玉山等研究表明[ 8] , 苜蓿种植 7 年后开始衰
退;张春霞等调查发现[ 2, 5] ,三十年的连作苜蓿仍有一
定的生产力;施肥可以延缓苜蓿的衰老,提高产草量。
3. 2 该区降水较少, 无灌溉条件,属典型的雨养农
业区,干旱发生机率大, 地下水位较深, 作物很难吸
收利用,长期试验研究表明, 苜蓿地土壤干燥化明
显;而施用氮磷有机肥的高产农田,土壤含水量将在
一个较低的平衡点上波动,也出现干燥化趋势。
3. 3 豆科作物固氮喜磷, 施磷后土壤氮磷同步增
加,能满足作物的需求。连作小麦施磷后土壤磷素
增加,而氮素减少,不利于养分平衡。施用氮磷有机
肥能供给小麦所需养分, 使产量大幅度提高, 同时培
肥土壤。为此在该区采取合理的轮作方式和土壤培
肥措施能有效地改善农田生态系统的生产力。
4 结 论
4. 1 该区土壤既缺氮又缺磷,但长期施用磷肥苜蓿
不受氮素供应不足的限制,而小麦则受限制, 小麦单
施磷肥仅增产 148. 0 kg/ hm2 , 苜蓿则显著增产, 增
加 183. 5%。有机肥与氮、磷肥配施产量大幅度提
高,但加剧了干燥化程度。苜蓿地土壤含水量小于
10%。小麦施用磷肥对土壤水分影响不明显, 施用
氮磷有机肥的高产农田也有干燥化趋势。
4. 2 20年后耕层土壤养分差异显著, 种植苜蓿后
土壤全氮、速效氮均有新增加,而小麦地则减少; 长
期施磷肥有利于改善土壤磷素有效性, 苜蓿地全磷
和有效磷含量,增加了 13. 6%和 83. 8% , 小麦土壤
增加了 22. 9%和 367. 9%; 苜蓿施肥后提高了土壤
有效磷含量,改善耕层磷的有效性; 有机肥与氮、磷
肥配施可以提高土壤磷的含量, 促进氮、磷向有效态
转化,对改善土壤养分状况有明显的作用,土壤有机
质、全氮、速效氮、全磷、速效磷和速效钾分别增加了
69. 0%、57. 7%、73. 1%、54. 4%、82. 9% 和 119.
1% ;小麦土壤分别增加了 36. 9%、62. 9%、55. 6%、
32. 6%、544. 7%和 57. 0%。
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(责任编辑 孟昭仪)
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