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Effects of a long-term located fertilization on soil quality of grey desert soil

长期定位施肥对灰漠土农田土壤质量的影响



全 文 :    倡 国家自然科学基金项目 (30470329)和伊犁生态科技示范项目资助
收稿日期 :2005唱08唱28   改回日期 :2005唱10唱14
长期定位施肥对灰漠土农田土壤质量的影响 倡
周  斌  乔  木  王周琼
(中国科学院新疆生态与地理研究所   乌鲁木齐   830011)
摘   要   试验研究不同施肥方式下长期定位施肥对灰漠土农田土壤酶活性和土壤理化特性的影响结果表明 :经过
长期定位施肥试验 ,灰漠土土壤的生物活性(蛋白酶 、脲酶 、磷酸酶 、蔗糖酶活性)与土壤基本肥力水平比试验前有
所提高 ;不同施肥处理下土壤酶活性与土壤理化性质存在明显差异 ,N 素和有机质含量是制约灰漠土土壤酶活性
和影响作物产量的关键因子 。
关键词   定位施肥   灰漠土   土壤质量
Effects of a long唱term located fertilization on soil quality of grey desert soil .ZHOU Bin ,QIAO Mu ,WANG Zhou唱Qiong
(Xinjiang Institute of Ecology and Geography , Chinese Academy of Sciences ,U rumqi 830011 ,China) ,CJEA ,2007 ,15
(2) :33 ~ 36
Abstract   The grey desert soil w as selected as the objective to study the dynamical changes of soil enzyme ,soil chemical
and physical properties through comparing the soil changes under different fertilizers in a long唱term located experiment .
The result shows that the main nutrient contents and soil enzyme activities are increased with the fertilizer added .Soil en唱
zyme ,soil chemical and physical proper ties are evidently different among different fertilizer treatments .Nitrogen and soil
organic mat ter are the key cont rol factors of soil enzyme and the yield of wheat in grey desert soil .Soil organic ,soil total ni唱
t rogen and available nitrogen have obvious effects on soil proteinase act ivity ,phosphatase activity ,urease activity ,and in唱
vertase activit y .There is a significan t correlation among soil enzyme ,soil chemical and physical proper ties .
Key words   Long唱term located fertilization ,Grey deser t soil ,Soil qualit y
(Received Aug .28 ,2005 ;revised Oct .14 ,2005)
新疆灰漠土面积约 178 .95 万 hm2 ,主要分布在新疆重要的粮 、棉 、油生产基地 ——— 天山北麓的山前平原
洪积冲积扇的中部和中下部 。 由于处于干旱 、半干旱荒漠气候带 ,土壤有机质缺乏 、板结 、有效肥力低 ,是农
业生产进一步发展的主要限制因子 。 生产实践证明灰漠土虽属低产土壤 ,但增产潜力很大[1] ,加速灰漠土
改良和培肥对促进新疆农业生产的发展具有重要意义 。 土壤质量是指土壤提供作物养分和生产生物物质
的土壤肥力质量 ,容纳 、吸收 、净化污染物的土壤环境质量以及维护保障人类和动植物健康的土壤健康质量
的总和 。 土壤质量的监测是一种指示土壤条件动态变化的最敏感的方法 ,它既能反映土壤管理的变化 ,也
能反映土壤恢复退化的能力[2 ,5] 。 本试验研究了长期定位施肥对灰漠土生物特性 、化学特性 、物理特性变化
的影响 ,阐述了灰漠土土壤质量的演变规律 ,为提高灰漠土肥力和持续利用提供依据 。
1   试验材料与方法
长期定位试验始于 1991 年 ,在位于新疆阜康市境内的中国科学院阜康荒漠生态站进行 ,该地属温带荒
漠气候 ,夏季炎热 ,冬季寒冷 ,年均气温 5 ~ 7 ℃ ,最高气温 42 .6 ℃ ,最低气温 - 41 .6 ℃ ,年降水量多为 100 ~
200mm ,年蒸发量为 1500 ~ 2000mm ,干燥度为 4 ~ 8 ,年无霜期 174d ,代表性土壤是灰漠土 。
施肥处理设 N150kg/hm2 + P2O575kg/hm2 ( Ⅰ ) 、N150kg/hm2 + K2O60kg/hm2 ( Ⅱ ) 、P2 O575kg/hm2 +
K2 O60kg/hm2 ( Ⅲ ) 、N150kg/hm2 + P2O575kg/hm2 + K2 O60kg/hm2 ( Ⅳ ) 、N150kg/hm2 + P2O575kg/hm2 +
K2 O60kg/hm2 + 秸秆 2250kg/hm2 ( Ⅴ ) 、N150kg/hm2 + P2O575kg/hm2 + K2O60kg/hm2 + 猪粪 2250kg/hm2
( Ⅵ ) 、N300kg/hm2 + P2O5150kg/hm2 ( Ⅶ ) 、N300kg/hm2 + P2O5150kg/hm2 + K2O60kg/hm2 ( Ⅷ )和不施用肥
料(CK)9 个处理 。 P和 K 均一次性作为冬小麦的基肥施用 ,N 肥基施 45 % ,返青时施 30 % ,拔节时施 25 % 。
第 15卷第 2 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .15   No .2
2 0 0 7 年 3 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture March ,  2007
采集土壤样品时每区“S”形多点采土混合 ,耕层取土深度 0 ~ 25cm 。 土壤分析的物理指标主要测定容
重 、土壤团聚体 ,所采用的测定方法依次为环刀法 、人工筛分法 。 化学指标主要测定土壤阳离子交换量
(CEC) ,用乙酸钠唱火焰光度法测定 ;土壤有机质用重铬酸钾氧化法测定 ;全 N 用凯氏定氮仪测定 ;全 P 、速效
磷用钼锑抗比色法 ,UV唱紫外可见分光光度计测定 ;水解氮用碱解蒸馏法测定 ;全 K 用 HClO4唱HNO3唱HF 消
化 ,火焰光度计测定 ;速效钾用中性醋酸氨浸提 ,火焰光度计测定 ;缓效钾用硝酸提取 ,火焰光度计测定[3] 。
生物活性指标以土壤酶为代表 ,土壤磷酸酶活性用磷酸苯二钠法 ,以酚 mg/g·24h·37 ℃ 为单位 ;蔗糖酶用 3 ,
5唱二硝基水杨酸比色法 ,以葡萄糖 mg/g·24h·37 ℃ 为单位 ;脲酶活性用苯酚钠比色法 ,以 NH +4 唱N mg/g·24h·
37 ℃ 为单位 ;蛋白酶用茚三酮比色法 ,以苷氨酸 mg/g·24h·30 ℃ 为单位 。
表 1   长期施肥对土壤酶活性的影响 倡
Tab .1   Effects of long唱term fertilization on enzyme activities in soil
处   理
T reatments
 
蛋白酶活
性 /μg·g - 1(苷氨
酸 )P ro teinase
磷酸酶活
性/mg·g - 1
(酚)Phosphatase
脲酶活性 /
mg·g - 1( NH +4 唱
N)U rease
蔗糖酶活
性/mg·g - 1(葡
萄糖) Invertase
CK 1 .05a 0 .81a 0 .18a 0 .16a
Ⅰ 1 .32b 1 .14bd 0 .33bc 0 .28b
Ⅱ 1 .46c 1 .09b 0 .34b 0 .25b
Ⅲ 1 .01a 0 .93c 0 .21a 0 .17a
Ⅳ 1 .81d 1 .01e 0 .34bcd 0 .28b
Ⅴ 1 .83df 1 .23 f g 0 .34bcde f 0 .42d
Ⅵ 1 .90e 1 .25 f 0 .31bcde 0 .34c
Ⅶ 1 .59g 1 .22dfgh 0 .40g 0 .32bc
Ⅷ 1 .63gh 1 .13bdi 0 .39bcdfgh 0 .33c
    倡 表中数据为 4 个样本的平均值 ,同列中不同字母表示差异达显著水平 ( P <
0 .05) 。
2   结果与分析
2畅1   长期施肥对土壤酶活性的影响
由表 1 可知 ,各施肥处理的蛋白酶活
性除处理 Ⅲ 外均比对照高 ,施肥处理的蛋
白酶的活性差异达到显著性水平 。 影响
蛋白酶活性的肥料效应为 N 肥 > K 肥 > P
肥 ,N 、P 、K 配施效果较好 。 处理 Ⅲ 蛋白酶
活性均值低于对照 ,但差异显著性检验结
果表明其差异不显著 ,与处理 Ⅳ 蛋白酶活
性相比 ,N 肥的施入对土壤蛋白酶活性影
响显著 。 处理 Ⅷ 蛋白酶活性较处理 Ⅳ 水
平有所降低 ,因此施用适量 N 、P 、K 肥会
对酶有一定的激活效应 ,增强土壤酶活
性 ,但各肥料间的交互作用在施肥量达到
一定水平时会对一定的土壤酶产生抑制
作用 。 土壤中积累的磷酸酶对土壤 P素的
有效性具有重要作用 ,各施肥处理的磷酸酶活性都有提高 ,处理 Ⅵ 磷酸酶活性最高 。 磷酸酶活性处理 Ⅲ <
处理 Ⅱ ,显著性水平 P < 0 .05 ,在灰漠土上 ,P肥对磷酸酶的影响效果小于 N 肥 ,施用 N 肥使土壤磷酸酶活
性增强 ,表明无机氮肥对磷酸酶有激活效应 。 肥料对土壤酶活性的影响与不同的土壤有关 。 灰漠土中 P 素
组成以无机磷为主 ,而无机磷的主要成分是钙磷 ,钙磷占无机磷总量的 80 % 以上 ,主要以 Ca10唱P 和 Ca8唱P
为主 ,其中 Ca2唱P含量低 ,但是 Ca2唱P的含量与土壤速效磷含量密切相关[4] 。 脲酶是一种比较专性的酶 ,它
能催化尿素水解生成氨 、CO2 和水 。 施用 N 肥各处理脲酶活性高于处理 Ⅲ 和对照 ,但在施 N150kg/hm2 水
平下 ,配施 P 、K 肥及有机肥对脲酶活性的影响差异不显著 ;施 N300 kg/hm2水平下 ,脲酶活性较施 N150
kg/hm2水平有所提高 。 这主要是由于在酶促反应中 ,随尿素浓度增加 ,酶活性中心饱和度增大 ,酶活性增
加 。土壤蔗糖酶(包括多糖酶和土壤低聚糖)决定了土壤碳水化合物的转化 。 加大施肥量有利于蔗糖酶活
性的提高 ,这可能是施肥使蔗糖酶作用底物增加了 ,提高了蔗糖酶的活性 。 配施有机肥有利于土壤蔗糖酶
活性的提高 。 加秸秆的处理 Ⅴ 比加猪粪的处理 Ⅵ 及处理 Ⅳ 蔗糖酶活性分别高 23 .5 % 和 50 % ,施用有机肥能
够增强土壤蔗糖酶的活性 ,加速土壤有机碳的周转速率 ,秸秆的分解与转化加速了土壤有机碳的累积与分
解转化 ,从而使蔗糖酶活性显著增强 。
2畅2   长期施肥对土壤化学性质的影响
由表 2 可知 ,长期施肥使土壤养分含量发生了明显变化 ,同试验前相比 ,土壤有机质含量和全 N 含量都
有所提高 ,化肥与有机肥配施对提高土壤有机质含量效果明显 。 但不施肥处理的 CK 区土壤有机质和全 N
含量也有所提高 ,这可能是留在土壤中根茬的腐解作用和长期耕作使土壤耕性改善的结果 。 土壤水解氮呈
下降趋势 ,但全无机肥(NPK)和配施有机肥处理下降幅度要少些 ,随作物产量的增加 ,作物带走的土壤有机
氮和速效氮素也在增加 ,碱解氮处于消耗状态 。 处理 Ⅱ 和对照全 P 含量有所下降 ,其余处理全 P较试验前
有所增加 。 速效磷含量除处理 Ⅱ 外都有所上升 ,土壤有机磷来源于土壤有机物体 ,N 与 P配施能促进作物 P
的吸收 。 在化肥施肥量相同的情况下 ,配施猪粪处理速效磷含量高达 88 .7mg/kg ,这可能是由于猪粪本身
34  中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷
pH值较低 ,所含的腐殖酸对土壤有解 P作用 。
表 2   不同施肥处理对土壤养分含量的影响
Tab .2   effects of differen t fertilizer t reatments on the nutrition contents of soil
处   理
T reatments
有机质
/g· kg - 1
Organic
mat te r
全 N/g·kg - 1
To tal N
全 P/g·kg - 1
T otal P
全 K/g·kg - 1
To tal K
水解氮 /
mg·kg - 1
Available N
速效磷/
mg·kg - 1
Available P
速效钾 /
mg·kg - 1
Availab le K
缓效钾/
mg·kg - 1
Potent ial K
阳离子代换
量 /cmol·kg - 1
Cat ion exchange
capacity
试验前 7 .7 0 .31 2 .21 24 .3 51 .33 23 .8 546 .6 2441 10 .0
CK 8 .3 0 .45 2 .00 24 .0 10 .40 25 .1 212 .8 1917 12 .3
Ⅰ 9 .9 0 .52 2 .26 25 .0 28 .88 38 .2 292 .8 1869 11 .1
Ⅱ 9 .2 0 .52 1 .90 25 .0 29 .64 22 .2 333 .5 1889 13 .6
Ⅲ 8 .2 0 .47 2 .27 25 .0 12 .71 40 .5 289 .7 2061 13 .6
Ⅳ 10 .0 0 .54 2 .23 25 .1 31 .65 43 .8 303 .4 1808 14 .8
Ⅴ 10 .6 0 .61 2 .22 24 .6 30 .03 41 .9 305 .6 1932 17 .2
Ⅵ 10 .6 0 .62 2 .65 24 .4 30 .03 88 .7 340 .5 1909 18 .0
Ⅶ 9 .7 0 .55 2 .35 26 .1 27 .95 63 .5 277 .4 1704 14 .3
Ⅷ 10 .4 0 .58 2 .47 25 .9 36 .96 61 .9 299 .7 1832 14 .3
土壤阳离子交换性能是由土壤胶体表面性质所决定 ,与土壤的保肥供肥能力 、土壤理化性状有密切关
系 ,是土壤缓冲性能的主要来源 ,是改良土壤和合理施肥的重要依据 。 经过 13 年的耕作 ,土壤阳离子代换量
较试验前都有不同程度的提高 。 在对不同施肥处理下的阳离子代换量进行方差分析和 LSD 检验后发现 ,除
对照和处理 Ⅰ 外 ,其他施肥处理都较试验前有显著提高 。 K 肥定量时 ,增施有机肥可提高土壤阳离子代换
量 ,而不施 N 肥 、偏施 P 、K ,长期以来已经使土壤肥力状况恶化 。
2 .3   长期施肥对土壤物理性质的影响
    农业生产过程中 ,土
壤的结构状况是不断变
化的 ,很大程度上决定于
人类的生产活动 。 合理
地施肥 、耕作有助于团粒
结构体的恢复和形成 ,据
测定 > 5mm 的团粒丰产
田比一般田高 10 % 以上 。
由表 3 可知 ,配施秸秆和
猪粪处理土壤中 > 5mm
的团粒百分含量比纯施
化肥处理平均高 8 个百
分点以上 ,比对照和试验
前增加 12 百分点以上 。
从各粒级团聚体合计的
结果看 ,加有机物料的处理
表 3   长期施肥对土壤团聚体组成的影响
Tab .3   effects of long唱term fer tilization on the composition of soil aggregates
处   理
T reatments
团聚体组成 / % Composition of agg regates
> 5mm 5 ~ 3mm 3 ~ 2mm 2 ~ 1mm 1 ~ 0 .5mm 0 .5 ~ 0 .25mm 合计 Tot al
试验前 2 .56 12 .42 2 .55 12 .31 18 .69 1 .75 50 .28
CK 2 .54 11 .96 4 .62 13 .55 17 .14 1 .72 51 .53
Ⅰ 5 .99 11 .67 1 .88 15 .08 23 .59 0 .75 58 .96
Ⅱ 8 .24 15 .71 3 .96 18 .05 17 .49 0 .88 64 .33
Ⅲ 5 .98 18 .14 3 .92 15 .21 18 .89 2 .43 64 .57
Ⅳ 6 .65 17 .67 3 .76 16 .2 18 .88 1 .45 64 .61
Ⅴ 14 .79 17 .07 3 .26 14 .93 26 .64 0 .98 77 .67
Ⅵ 14 .94 17 .13 3 .51 13 .14 19 .34 1 .36 69 .42
Ⅶ 6 .49 15 .11 3 .07 17 .57 16 .97 5 .55 64 .76
Ⅷ 5 .78 11 .47 4 .03 14 .6 19 .89 1 .74 57 .57
值最高 ,这是由于有机肥是形成土壤团粒结构胶结剂的主要来源 ,施有机肥对土壤团聚体的形成具有重要
意义 。 土壤团聚体的数量及构成在协调土壤环境 、调节土壤肥力等方面具有重要作用 。 相关分析表明 :土
壤有机质含量 、全 N 含量 、速效钾含量与 > 5mm 土壤团聚体的相关系数分别为 0 .668 、0 .820 和 0 .699 ,且 P
< 0 .05 。 与试验前和对照相比 ,长期施肥对土壤团粒构成起到了一定的积极作用 。 土壤容重综合反映了土
壤颗粒的性质和土壤孔隙的状况 ,经过多年施肥后 ,对照土壤容重为 1 .50g/cm3 ,而其他施肥处理土壤容重
都有所下降 ,配施秸秆处理下降幅度较大 ,其容重为 1 .24g/cm3 ,处理 Ⅲ 下降幅度较小 ,其容重为1 .44g/cm3 。
第 2期 周   斌等 :长期定位施肥对灰漠土农田土壤质量的影响 35 
N 、P 、K 肥配施对土壤容重的改善好于偏施的效果 。
2 .4   影响灰漠土农田土壤质量的主要因子分析
由表 4 可知 ,不同土壤指标间相关性差异较大 ,这主要是长期施肥决定的 。 土壤有机质是土壤 N 、P 的
重要来源 ,也是土壤微生物必不可少的碳源和能源 ,和土壤酶的相关性都比较高 。 由于它具有胶体特性 ,能
吸附较多的阳离子 ,因而使土壤具有保肥力和缓冲性 ,它和阳离子代换量的相关系数为 0 .607 ,且显著性水
平 < 0 .05 。 它还能使土壤疏松和形成结构 ,从而改善土壤的物理性状 ,土壤容重越大表示土壤结构越差 ,因
此有机质和容重呈负相关 ,相关系数为 - 0 .853 。 土壤全量养分和速效养分关系密切 ,土壤全 N 和水解氮的
相关系数为 0 .796 ,全 P和速效磷的相关系数是 0 .952 。 土壤容重和大部分土壤养分指标都呈负相关 。
表 4   影响农田土壤质量主要因子间的相关矩阵
Tab .4   The correlation matrix of different soil factors
项  目
Items
有机质
Organic
matter
全 N
Total
N
全 P
Total
P
全 K
Total
K
水解氮
Available
N
速效磷
Available
P
速效钾
Available
K
缓效钾
Pot .
K
蛋白酶
Pro唱
teinase
磷酸酶
Phosphatase
脲酶
Urease
蔗糖酶
Invertase
阳离子
代换量
Cation
exchange
capacit y
容重
Bulk
density
有机质 1 .000 0 .945 倡 倡 0 .598 0 .239 0 .885倡 倡 0 .613倡 0 .593 倡 - 0 .437 0 .913 倡 倡 0 .843倡 倡 0 .764 倡 倡 0 .934倡 倡 0 .607倡 - 0 .853倡 倡
全 N 1 .000 0 .650 0 .198 0 .796倡 倡 0 .708倡 0 .670 倡 - 0 .302 0 .922 倡 倡 0 .885倡 倡 0 .694 倡 0 .944倡 倡 0 .583倡 - 0 .901倡 倡
全 P 1 .000 0 .273 0 .397 0 .952倡 倡 0 .361 - 0 .146 0 .499 0 .563 0 .335 0 .490 0 .351 - 0 .346
全 K 1 .000 0 .510 0 .271 0 .185 - 0 .613倡 0 .185 0 .378 0 .736 倡 0 .265 0 .732 倡 - 0 .325
水解氮 1 .000 0 .430 0 .681 倡 - 0 .568 0 .820 倡 倡 0 .768倡 倡 0 .919 倡 倡 0 .793倡 倡 0 .753倡 - 0 .845倡 倡
速效磷 1 .000 0 .406 - 0 .280 0 .601 倡 0 .633倡 0 .402 0 .527 0 .452 - 0 .403
速效钾 1 .000 0 .018 0 .637 倡 0 .679倡 0 .533 0 .535 0 .255 - 0 .720倡
缓效钾 1 .000 - 0 .464 - 0 .405 - 0 .743 倡 - 0 .388 - 0 .755倡 倡 0 .290
蛋白酶 1 .000 0 .761倡 倡 0 .715 倡 0 .870倡 倡 0 .543 - 0 .871倡 倡
磷酸酶 1 .000 0 .793 倡 倡 0 .892倡 倡 0 .628倡 - 0 .813倡 倡
脲酶 1 .000 0 .760倡 倡 0 .865倡 倡 - 0 .779倡 倡
蔗糖酶 1 .000 0 .612倡 - 0 .917倡 倡
阳离子代换量 1 .000 - 0 .604倡
容量 1 .000
    倡 相关显著 ( P < 0 .05) ,倡倡 相关极显著( P < 0 .01) 。
3   小结与讨论
经过 13 年的耕作 ,灰漠土土壤的有机质含量和全 N 含量都有所提高 。 化肥与有机肥配施对提高土壤
有机质含量效果明显 ,有机质和全 N 含量直接影响蛋白酶 、磷酸酶 、蔗糖酶活性 。 土壤中全 P 的增加与施肥
量密切相关 ,土壤速效钾含量和缓效钾的含量都在下降 。 灰漠土有可能存在固 K 现象 。 耕层速效钾的损失
除作物吸收外有可能和灌溉淋洗有关 。 土壤阳离子代换量较试验前都有不同程度的提高 。 长期施肥对土
壤的团粒构成起到一定积极作用 ,尤其是施有机肥对土壤团聚体的形成具有重要意义 。 不同施肥处理的土
壤容重都有所下降 。 总之 ,N 肥施用是影响灰漠土土壤质量的关键因子 ,同时 ,应注重配施有机肥 。
参   考   文   献
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