不同施肥模式下西藏农田土壤质量的变化

李 猛，何永涛，孙 维，李少伟，钟志明，余成群，张扬建，张宪洲

(1.中国科学院地理科学与资源研究所/生态网络观测与模拟重点实验室 拉萨高原生态试验站 北京 100101；2.中国科学院大学 北京 100049；3.中国科学院大学资源与环境学院 北京 100190)

土壤质量是土壤在生态系统范围内，维持生物的生产力、保护环境质量以及促进植物健康的能力[1]，综合反映了土壤的物理、化学和生物学性质，以及形成这些性质的一些重要过程[2]。土壤质量的变化不仅可以反映土壤管理模式的变化[1]，同时也能反映土壤环境的变化趋势以及人类活动的影响[3]。土壤质量评价通常采用可定量计算的物理、化学和生物学指标，其中土壤容重及机械组成是重要的物理指标，其变化决定着土壤紧实度，不仅影响水分和氧气的供应，同时还会影响其它土壤性质和过程[4]；pH和有机质是评价土壤质量的重要化学指标，影响着多种土壤生物学与化学性质及其之间的关系[4-5]；土壤微生物量碳是指土壤中微生物的总碳量，尽管在土壤总碳中占据很小的比例，但却是土壤有机质中最活跃的部分[6]，其周转速率快，可以及时反映农田生态系统中培肥措施、种植体系以及土地利用方式的变化，被广泛应用在土壤质量评价中[7-8]。

一江两河流域(雅鲁藏布江、拉萨河、年楚河)是西藏高原农业生产的核心区域，水热条件较好，河谷多垦殖为耕地，种植以小麦、青稞、油菜为主的喜凉作物，同时也是西藏人口集中分布的区域，其农业生产对于西藏地区社会经济的发展具有重要的意义。但由于西藏高原河谷农田多为河谷冲、洪积物发育而来的砂质土壤，土层浅薄、质量较差，加之大部分农田一直处于连年耕作的状态，近年来出现了全面的退化。首先是土壤物理结构的变化，如1990～2001年10年期间，西藏中部地区的农田土壤容重增加了7.1%～14.3%、孔隙度则降低了5.9%～17.3%，土壤硬化、养分贫瘠化趋势明显[9]。其次是有机质的下降，自20世纪60年代至今已有超过一半耕地的土壤有机质降至2.0%，其中仅1990～2001年间，西藏主要农田土壤有机质含量平均下降了26.7%～52.0%[10-11]。农田土壤退化已经成了限制当地农业发展的一个重要因素，如何有效改善土壤质量是西藏农田生态系统面临的突出问题。

中国科学院拉萨农业生态试验站(以下简称拉萨站)是中国生态系统研究网络(CERN)和国家生态系统研究网络(CNERN)台站之一，位于拉萨河下游宽谷地段，是西藏河谷农区的典型代表，同时也是世界海拔最高的农业生态试验站。2008年开始，拉萨站设置了长期施肥试验，目的是监测不同施肥模式下高原农田土壤质量的长期演变趋势，为该地区农田生态系统的优化管理提供理论依据。本文对2015年获取的土壤监测数据进行了统计分析，以探讨经过8a施肥试验后，不同施肥模式对高原农田土壤质量的影响。

1 试验设计与研究方法

1.1 样地概况与试验设计

试验样地位于拉萨农业生态试验站农田试验区内，距西藏自治区首府拉萨市25 km，东经91°20′37″，北纬29°40′40″，海拔3688 m，原为拉萨河谷的河漫滩地，1993 年建站后改造为农田，土壤质地为砂壤。该区域属高原温带半干旱季风气候，年均气温 7.9 ℃，≥10℃积温2200℃，年均降水量 497.7 mm，年蒸发量2190. 4 mm，年太阳总辐射达7700 MJ·m-2。

试验设计为长期等氮施肥试验，开始于2008年，共有4个处理，每个处理3个重复，小区面积为10 m × 10 m。试验处理包括空白对照、羊粪、化肥以及羊粪+化肥(以下简称羊+化)，施肥量为当地平均水平纯氮150 kg·hm-2，各处理的具体施肥情况见表 1。通过分别施用有机肥料、无机肥料、有机无机肥混施以及空白对照处理，对比观测长期不同施肥模式对高原农田土壤质量的影响。种植当地主要作物冬小麦和春青稞，2015年种植作物为春青稞。播种前施羊粪或化肥为基肥，化肥处理和羊+化处理在青稞抽穗期施用1次尿素作为追肥。引拉萨河水采用畦灌方式灌溉，2015年分播种、出苗期、分蘖期、拔节期、蜡熟期5次灌溉。

2015年春青稞生长季，按照中国生态系统研究网络(CERN)的规范，对土壤微生物量碳进行了动态取样和分析；并在作物收获后，测定了该长期试验样地的土壤pH、有机质、容重、机械组成等理化指标。

1.2 样品采集与测定方法

1.2.1 样品采集 土壤微生物量碳样品采集分别在 2015 年青稞种植前(3月8日)、拔节期(4月23日)、抽穗期(7月23日)、收获后(10月18日)进行。每个试验小区内分别用直径3.5 cm的土钻随机取5个表层(0～20cm)土壤混合为一个样品，每个处理取 3个混合样品。样品带回实验室后去除植物残体与砾石等，一部分用于测定土壤含水量，一部分土样冷冻保存在冰柜中用于测定土壤微生物量碳。

2015年9月15日青稞收获后，在每个试验小区内按对角线随机布点(3点)挖取土壤剖面，并按 0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm和 40～60 cm土层采用环刀法分别测定土壤容重，并在各层分别取土样、混匀，带回室内用于分析土壤机械组成。同时在每个试验小区内用土钻随机取5个表层(0～20 cm)土壤混合为一个样品，每个处理取 3个混合样品，用于测定土壤有机质、pH。

1.2.2 室内分析 土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法测定。测定时，称取相当于10.0 g 烘干土重的湿润土壤，在25℃的黑暗条件下熏蒸24 h。用反复抽真空方法除去残存氯仿后，加入 40 mL 0.5 mol L-1K2SO4溶液(土液比1∶4)，振荡浸提 30 min。振荡结束后立即用滤膜过滤浸提液，滤出的浸提液用TOC自动分析仪(Liqui TOC Ⅱ)测定，通过计算氯仿熏蒸和未熏蒸样品中的有机碳之差确定微生物量碳。土壤 pH用水浸法以pH计测定(水土比2.5∶1)；有机质用重铬酸钾容量法测定；土壤机械组成采用MASTERSIZER 2000激光粒度仪测定。

1.2.3 数据处理 采用SPSS 21进行数据统计分析，以 LSD 和Duncan法进行多重比较检验不同取样时间、不同施肥模式下土壤理化指标差异的显著性(α=0.05)。绘图采用Orgin 9.1软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对土壤物理指标的影响

2.1.1 机械组成 根据我国土粒分级标准将试验区土壤的机械组成进行分级(表2)。结果表明，试验区农田的土壤机械组成以砂粒(2～0.05mm)为主，比例达到了2/3左右；而粘粒含量普遍较小，不足3%。尽管差异未达到显著的检验水平，但与空白对照和化肥处理相比，羊粪和羊+化处理明显增加了0～20 cm土层中的砂粒含量，降低了粉砂粒和粘粒含量，从而使土壤更为疏松。

表2 不同施肥模式农田土壤各级土粒含量

2.1.2 容重 不同施肥模式对表层土壤容重有着显著的影响(图1)。0～10 cm土层容重为空白>化肥>羊+化>羊粪，其中空白处理容重最大，为1.37 g·cm-3，羊粪处理容重最小为1.18 g·cm-3，与单纯施用化肥的样地相比，施加了有机肥的羊粪和羊+化样地的0～10cm表层土壤容重分别降低10.1%和10.0%，羊粪、羊+化与空白对照之间的差异显著(P<0.05)，而化肥与空白对照之间的差异并未达到显著水平(P>0.05)。10～20 cm土层的容重也表现出相同的趋势，即空白>化肥>羊+化>羊粪，分别为1.46 g·cm-3、1.40 g·cm-3、1.38 g·cm-3、1.27 g·cm-3，羊粪处理对降低该层容重的作用最为显著(P<0.05)。而随着土壤深度的增加，不同施肥模式对土壤容重的影响未表现出明显的差异(P>0.05)。

2.2 不同施肥模式对土壤有机质和pH的影响

由图 2可以看出，不同施肥模式之间土壤有机质差异明显，其中羊粪处理最高，为31.1 g·kg-1，空白对照最小，仅为16.2 g·kg-1。与单纯施用化肥样地相比，羊粪和羊+化处理均显著提高了土壤的有机质含量，提高幅度分别为92.0%和83.9%(P<0.05)；而单纯施用化肥则对土壤有机质的影响较小，相对于空白仅提高了11.1%(P>0.05)。不同施肥处理之间土壤pH的大小为羊粪>空白>化肥>羊化，分别为7.05、6.97、6.73和6.63，羊粪有提高土壤pH、而化肥则有降低土壤pH的趋势。

图1 不同施肥模式对土壤容重的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil bulk density

图2 不同施肥模式对土壤有机质及pH值的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil organic matter and pH value

2.3 不同施肥模式对土壤微生物量碳的影响

不同施肥模式对土壤微生物量碳有明显的影响(图4)。除3月初青稞尚未种植，不同施肥处理之间的土壤微生物量碳无明显差异外，在青稞的生长期间以及收获后，土壤微生物量碳均表现为羊粪>羊+化>空白>化肥。4月份青稞处于出苗期，羊粪和羊+化处理的微生物量碳显著大于空白对照和化肥处理，羊粪最高可达到218.2 mg·kg-1，而化肥最低仅为68.4 mg·kg-1。羊粪和羊+化处理较空白对照分别提高了156.3%和132.1%，而化肥处理较空白对照则降低了19.7%。7月份青稞处于抽穗期，羊粪处理微生物量碳最高，达到了132.0 mg·kg-1，羊粪和羊化处理微生物量碳较空白对照分别提高了98.5%和48.8%，化肥处理较空白对照则降低了18.5%；10月份青稞收获之后，农田的土壤微生物量碳同样表现为羊粪和羊+化处理显著大于空白与化肥处理。以上结果表明，与空白对照相比，施加有机肥会显著增加土壤微生物量碳(P<0.05)，而单纯的施加化肥并未改变土壤微生物量碳。

图3 不同施肥模式对土壤微生物量碳的影响Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soilmicrobial biomass Carbon

3 讨 论

土壤容重、机械组成等物理性质直接影响农田农作物的生长发育，而长期的不同施肥模式会对其产生显著的影响。国内许多研究表明：施用有机肥会显著降低表层土壤容重，增大土壤孔隙度和通透性，有利于农作物的生长发育及土壤养分的吸收[12-13]。长期施用化肥则会破坏土壤的结构稳定性和土壤水稳性结构，降低孔隙度，增大土壤微团聚体分散系数，从而使耕作层土壤变硬，不利于农作物根系的生长[14]。本试验结果很好地验证了这一点，与化肥样地相比，施加羊粪显著降低了高原农田表层土壤容重，增加了砂粒组成，从而使土壤颗粒较粗、孔隙较大，因此土壤通气性、透水性好，有利于作物的生长。

土壤有机质是土壤质量的核心，既是氮素的供给源，也影响着土壤的结构，而长期的不同施肥模式会对农田土壤有机质产生显著的影响。在本研究中羊粪和羊+化处理的土壤有机质含量远远大于空白对照和化肥处理。其它研究也表明，长期不同施肥处理会使土壤有机质含量产生较大差异，单施化肥对土壤有机质含量无明显影响[15-16]，施加有机肥则可以提高土壤的有机质含量[17-18]。究其原因主要是由于长期施加化肥可保持土壤养分，增加作物产量，根茬残留增加，维持土壤有机质基本保持不变[16]，而农田施加未经腐解的有机肥有利于活化和更新土壤有机质，增加农田土壤有机质[19]。农业耕作对土壤pH 的影响也很大[20]，本研究中长期施用化肥样地的土壤pH低于羊粪处理，其它研究也发现长期使用化肥会降低农田土壤pH，施加有机肥则会保持土壤pH稳定[21]。因此，施加有机肥不仅可以增加西藏农田土壤中的有机质含量，同时还可以维持土壤的酸碱度从而有利于作物的生长。

土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动者，调节着陆地生态系统营养物质循环，参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成、土壤养分转化和循环等过程，对土壤中的养分供应起着重要作用[22]。施肥是调节土壤微生物数量及多样性的重要措施[23]。本试验结果表明，与空白对照相比，单纯施用化肥并未改变土壤微生物量碳，而施加羊粪对于高原农田土壤微生物量的增加起到了促进作用。其它研究也表明，长期只施用化肥与不施肥相比，并未增加土壤微生物数量[24-25]，效果远不及化肥和有机肥的配合使用[26]，而且随着有机肥用量的增加，土壤微生物量碳也随之提高[27]。长期单纯施用化肥还会导致土壤pH下降和团聚体破坏，土壤微生物生命活动减弱[28]；而施加有机肥一方面不但可以增加土壤养分，为微生物提供了充足的碳源[29]，另一方面还有利于团聚体的形成，改善微生物的生存小环境。

4 结 论

综合以上分析，与单独施用化肥和不施肥相比，施加有机肥可以显著提高西藏高原农田土壤的质量，不仅能降低农田表层土壤容重，疏松土壤，还可以提高有机质的含量，稳定土壤pH，并增加土壤中的微生物量碳。因此，在农田耕作过程中，加大有机肥料的投入，对于西藏地区农业的可持续发展意义重大。但目前由于能源缺乏，西藏大部分农村需要大量的作物秸秆和粪便作为燃料，从而导致在农田施肥中大量使用化肥，有机肥补充严重不足。因此，未来的西藏农村发展中，应加大沼气、太阳能等替代能源的发展力度，加强作物秸秆和牲畜厩粪的还田，改善西藏农田的土壤质量，稳定高原农业生产。

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