【研究意义】水稻是我国三大粮食作物之一，全国60% 以上的人口以稻米为主食，持续稳定地发展水稻生产对保障国家粮食安全起着重要作用^[1-2]。土壤是水稻赖以生长的物质基础，受土壤自身性质及人为不合理垦殖的影响，我国稻田土壤存在肥力差异大、肥料利用率低、水稻产量不稳等问题^[3-4]，从而严重制约水稻生产潜力的发挥，因此提升稻田土壤质量对水稻可持续发展意义重大。【前人研究进展】水稻生产中合理施肥可以在很大程度上改善土壤肥力状况和作物产量。我国东北稻区试验表明，控释氮肥侧条施用减少了氮素淋溶、延迟了氮浓度峰值出现时间，在确保水稻不减产条件下，施用控释肥比常规氮肥用量减少10%~20%，氮肥表观利用率提高5.23%，氮肥农学效率提高6.48 kg/kg^[5]。我国长江中下游稻区红壤性水稻土不施肥土壤有效磷年下降速率为0.35 mg/kg，单施化学磷肥和化学磷肥配施有机肥土壤有效磷年增加速率分别为0.83、1.48 mg/kg，且后者处理比单施化肥或单施有机肥能够显著提高土壤有效磷、全磷和磷素活化效率^[6]。红壤性稻田冬季种植绿肥能显著提高土壤抗物理退化、土壤养分供应和贮藏、抗生物化学退化和保持作物生产力的功能，且不同绿肥品种对土壤培肥效果不同^[7]。长期非均衡的PK、NP、NK施肥导致土壤质量退化，土壤缺磷和缺钾限制了水稻生产力；长期施用石灰对水稻土质量的提升效果不明显，氮磷钾化肥配施有机肥是提升南方红壤性水稻土质量的最佳措施^[8]。胡诚等^[9]研究发现，化肥配合有机肥施用能够显著提高稻谷产量，且大大提高黄棕壤性水稻土耕层有效磷含量，但对其它土层影响不明显，同时提高0~40 cm土层速效钾含量。樊红柱等^[10]基于我国西南稻区紫色水稻土长期试验研究指出，不施磷肥，土壤磷素常年处于亏缺状态，施磷则呈现盈余，且有机无机磷肥配施，磷盈余量大于单施有机肥或单施无机磷肥；单施无机磷肥、有机磷肥和有机无机磷肥配施，土壤有效磷含量年增加量分别为1.13、0.032、1.17 mg/kg；施用无机磷肥土壤磷素可迁移至60~80 cm土层，施用有机磷肥或有机无机磷肥配施，土壤磷素可迁移至100 cm以下，随着磷肥施用年限持续，土壤磷素迁移深度和迁移量将会更大^[11]。黄继川等^[12]对我国华南稻区水稻土质量进行评价，发现土壤有机质、全氮、碱解氮和速效磷均呈上升趋势，而土壤有效钾含量呈下降趋势，建议在水稻生产中重视有机肥的投入，尤其要注重钾肥的施用比例。广西赤红壤稻田连续施肥10年，土壤有机质含量年均增加0.25 g/kg，全氮含量年均增加0.035 g/kg，不施化学磷肥，土壤全磷和有效磷含量基本稳定，施用化学磷肥，土壤全磷和有效磷含量呈逐年增加趋势，不施化学钾肥，土壤全钾含量基本保持不变，而速效钾含量呈现下降趋势，在施用有机肥基础上增施氮磷钾化肥是不断培肥土壤的有效措施之一^[13]。【本研究切入点】各种类型土壤的质量提升对施肥的响应程度不同，引起土壤养分库容和活化能力也不同。紫色水稻土是我国西南稻区重要的一种土壤资源，目前对不同肥力紫色水稻土养分演变特征及其氮磷活化能力的差异研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究以紫色水稻土36年肥料定位试验为平台，研究不同肥力稻田土壤氮磷养分及其活化能力的时间演变特征，明确土壤pH、有机碳与氮磷活化度的量化关系，为该区稻田土壤培肥提供理论依据。

1　材料与方法 1.1　试验概况

长期肥料定位试验位于四川省遂宁市船山区四川省农业科学院农业资源与环境研究所野外试验站内（30°34′25.46′′N、105°37′25.63′′E），该区属于亚热带湿润季风气候，年均气温17.4℃，年降雨量930 mm，无霜期约337 d，年日照时数1 227 h。供试土壤为钙质紫色水稻土，为侏罗系遂宁组砂页岩母质发育的红棕紫泥田，土壤质地为粘土。长期试验从1982年开始，初始时耕层土壤基本性质为：pH 8.6，有机质含量15.9 g/kg，全氮（N）、全磷（P）、全钾（K）含量分别为1.09、0.60、22.32 g/kg，速效氮（N）、有效磷（P₂O₅）、速效钾（K₂O）含量分别为66、3.9、108 mg/kg，该土壤钾素丰富、磷素不足。

1.2　试验方法

试验设低肥力田块（LF，不施任何肥料）、中肥力田块（MF，氮磷钾平衡施肥）、高肥力田块（HF，氮磷钾配施有机肥）3个处理，每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积13.4 m²，各小区间用离地面20 cm高的水泥板隔开。种植方式为水稻—小麦一年两熟模式。水稻和小麦品种为当地主栽品种。MF处理肥料用量分别为N 240 kg/hm²、P₂O₅ 120 kg/hm²和K₂O 120 kg/hm²，HF处理在MF处理基础上增施新鲜猪粪（含水率约83%，干物质含C 388 g/kg、N 26.6 g/kg、P₂O₅ 21.2 g/kg、K₂O 6.6 g/kg）30 000 kg/hm²。水稻季和小麦施肥量相同，为上述施肥量的一半；所有磷肥和有机肥作基肥施用，其中水稻季60% 氮肥、50% 钾肥作基肥，剩余肥料作分蘖肥施用；小麦季30% 氮肥、50% 钾肥作基肥，其余肥料作拔节肥施用；肥料种类为尿素、磷酸二铵、氯化钾及新鲜猪粪。试验小区田间管理措施同普通大田。

1.3　样品测定与分析

水稻收获后的10~11月采集每个处理0~20 cm混合土壤样品，室内风干，磨细过筛，装瓶保存待分析。土壤样品养分含量采用常规方法测定^[14]：pH采用pH计法，有机碳含量测定采用K₂CrO₇-H₂SO₄氧化法，全氮含量测定采用半微量开氏法，全磷和全钾含量测定采用NaOH熔融法，碱解氮含量测定采用扩散法，有效磷含量测定采用NaHCO₃浸提- 钼锑抗比色法，速效钾含量测定采用NH₄OAc浸提- 火焰光度计法。受土壤保存能力和经费的限制，本研究中历年的土壤氮磷含量数据存在部分缺失，因此土壤氮磷的演变图中试验年限横坐标存在差别。土壤磷活化度用有效磷含量占全磷含量的百分数表示^{[6, 15]}，同理计算氮活化度。

采用Excel 2010和DPS统计软件进行数据整理和分析，利用线性方程拟合土壤氮磷及其活化度与施肥时间的关系以及pH、有机碳与氮磷活化度的关系。

2　结果与分析 2.1　不同肥力处理水稻和小麦产量变化

由图 1可知，不同肥力处理水稻和小麦产量差异较大。随试验年限延续，LF土壤水稻产量呈缓慢增加趋势，年水稻产量增加36.12 kg/hm²，而MF和HF土壤水稻产量则降低，年水稻产量分别下降4.58、4.33 kg/hm²；但MF和HF土壤多年水稻平均产量分别为7 100、7 461 kg/hm²，比LF土壤（水稻产量3 065 kg/hm²）分别提高131.64%、143.43%。试验年限延长对不同处理小麦产量的影响规律与水稻相似；MF和HF土壤多年小麦平均产量为3 224、3 349 kg/hm²，比LF土壤（小麦产量1 222 kg/hm²）分别增加163.83%、174.06%，可见，培肥土壤有利于作物增产。

2.2　不同肥力土壤全氮和碱解氮的时间演变

由图 2可知，不同肥力稻田土壤全氮含量对施肥时间的响应存在一定差异。连续施肥36年，低肥力（LF）稻田土壤全氮含量随施肥时间的延续呈增加趋势，但没有达到显著差异，说明不施肥没有显著改善土壤中全氮含量，所以低肥力稻田土壤全氮含量基本保持稳定；而中肥力（MF）和高肥力（HF）稻田土壤全氮含量随施肥时间的延长表现出极显著增加趋势。3种肥力稻田土壤全氮含量年增加量分别为0.0055、0.0142、0.0170 g/kg。当施肥36年时，3种肥力稻田土壤全氮含量分别为1.25、1.48、1.58 g/kg，其中MF、HF处理比LF处理增加18.4%、26.4%；比试验开始时土壤全氮（1.09 g/kg）分别提高14.68%、35.78% 和44.95%。说明MF和HF处理稻田比LF处理稻田具有更高的全氮含量。

不同肥力稻田土壤碱解氮含量对施肥时期的响应特征明显与全氮不同（图 3）。LF、MF和HF土壤中碱解氮含量均表现出随施肥年限的延续呈极显著增加的趋势。连续施肥36年，3种不同肥力水平稻田土壤碱解氮含量分别为74.66、91.08、106.15 mg/kg，分别比试验开始时土壤碱解氮（66.30 mg/kg）增加12.61%、37.38% 和60.11%，且HF土壤碱解氮含量最高，分别比LF、MF土壤提高42.18%、16.55%。3种肥力稻田土壤碱解氮含量年增加量分别为0.3983、1.0456、1.3182 mg/kg。当土壤中氮素含量足够高时，继续施用氮肥土壤中碱解氮含量几乎不再增加，年施N 240 kg/hm²时紫色水稻土连续施肥13年土壤中含有足够的氮素，此后MF和HF稻田土壤碱解氮含量平均为102.69、110.30 mg/kg。

2.3　不同肥力土壤全磷和有效磷的时间演变

由图 4可知，不同肥力稻田土壤全磷随施肥时期呈现不同的演变趋势。LF稻田土壤全磷含量随施肥时间的变化基本稳定，而MF或HF稻田土壤全磷含量随施肥年限的延续均呈极显著增加趋势。LF、MF、HF 3种肥力土壤全磷含量年变化量分别为0.0008、0.0171、0.018 g/kg，MF和HF稻田土壤全磷含量年变化量比较接近，且两者约为LF稻田的20多倍。连续施肥36年，LF、MF、HF稻田土壤全磷含量分别为0.55、1.25和1.33 g/kg，HF稻田土壤全磷含量分别比LF、MF稻田土壤增加141.82%、6.40%；与试验开始土壤全磷含量（0.59 g/kg）相比，LF稻田土壤全磷含量降低6.78%，而MF和HF稻田土壤全磷含量分别提高111.87% 和125.42%。说明MF和HF稻田比LF稻田具有更高的全磷含量。

不同肥力稻田土壤有效磷含量的时间变化趋势呈现明显差异（图 5）。LF稻田土壤有效磷含量随施肥时间呈直线下降趋势，拟合方程为y=-0.0328x+5.441，土壤有效磷含量年下降0.0328 mg/kg；MF和HF稻田土壤有效磷含量均随施肥时间呈极显著增加趋势，拟合方程为y=2.0491x-6.6182和y=1.8511x-1.4715，有效磷含量年增加量分别为2.0491、1.8511 mg/kg。连续施肥9年，MF和HF稻田土壤有效磷含量不同年份间差异较小，平均含量分别为6.50、8.47 mg/kg，9年后两个处理不同年份间土壤有效磷含量差异较小，平均值分别为48.60、49.85 mg/kg，说明连续施肥9年紫色水稻土有效磷含量已足够高，继续施肥土壤中有效磷含量增加较小。经过36年种植，LF、MF、HF 3种肥力土壤有效磷含量分别为2.85、93.38、82.13 mg/kg，MF和HF处理比LF处理增加3176.49% 和2781.75%，LF、MF、HF处理较试验开始时土壤有效磷含量（3.90 mg/kg）增加-26.92%、2294.36% 和2005.90%。表明MF和HF稻田土壤有效磷含量远远高于LF稻田，存在磷素环境风险。

2.4　不同肥力土壤氮、磷活化度的时间演变

从图 6可以看出，不同肥力紫色水稻土氮素活化度均随试验时间的延长呈升高趋势，但差异均没有达到显著水平，氮素活化度年变化速率在0.002%~0.0139%，说明不同肥力稻田施肥年限对土壤中氮素活化能力影响较小。LF、MF、HF稻田多年平均氮素活化度分别为6.46%、7.01% 和7.14%，前者明显低于后两者，但后两者差异不显著；比试验开始时的氮素活化度（6.08%）分别提高6.25%、15.30% 和17.43%，表明MF和HF处理能够明显提高土壤氮素活化度。土壤磷素活化度随时间变化规律与氮素活化度的结果不同。连续施肥36年，不施磷肥的LF土壤磷素活化度基本保持不变，但略有下降趋势。施用磷肥的MF和HF土壤磷素活化度随施肥年限延长呈现出极显著增加的趋势，磷素活化度年增加速率分别为0.1699%、0.1460%。连续施肥36年，LF、MF和HF土壤磷素活化度分别为0.73%、3.85% 和3.86%，后两者差异不大但明显高于前者，分别比试验开始时的活化度（0.66%）提高10.61%、483.33% 和484.85%。说明施用磷肥显著增加土壤磷素活化能力。

2.5　土壤氮磷活化度与pH、有机碳的量化关系

由图 7可知，紫色水稻土氮磷活化度与土壤pH、有机碳含量的相互关系存在较大差异，氮素活化度与pH、有机碳含量差异均没有达到显著水平，说明改变土壤pH和有机碳含量不能提高或降低土壤氮素活化能力。然而，土壤磷素活化度则随着pH值的增加呈极显著降低变化，而随土壤有机碳含量的增加而呈极显著增加的趋势，二者负相关关系线性拟合方程为：y=-6.64281x+56.28（R²=0.342，P < 0.01），二者正相关关系方程为：y=1.3512x-10.926（R²=0.626，P < 0.01）。表明降低土壤pH或增加有机碳含量可显著提高紫色水稻土磷素活化能力，从而有效保障土壤的磷素供给水平以及满足作物吸磷需求。

3　讨论

水旱轮作是我国长江中上游主要的耕作模式，由于土壤肥力的差异和不合理施肥管理，造成该区农田产能不稳定，本研究发现中肥力和高肥力土壤产能差异不大，水稻产量在7 100 ~7 461 kg/hm²、小麦产量在3 224~3 349 kg/hm²范围变化，依次分别比低肥力土壤水稻产量增加131.64%~143.43%、小麦产量提高163.83%~174.06%，说明培肥土壤有利于增加作物产量，这与陈轩敬等^[16]研究结果一致。长期肥料定位试验由于其结果的可靠性、延续性和检验性更科学成为目前研究施肥对土壤肥力影响常用和可靠的方法^[17-18]。本研究发现紫色水稻土连续施肥36年内，低肥力稻田土壤全氮、全磷含量相对稳定，碱解氮随施肥时间的延续呈显著增加，而有效磷含量稍有下降趋势，说明低产稻田土壤氮磷含量相对稳定。这与黄晶等^[6]和柳开楼等^[19]在红壤稻田与旱地上的研究结果一致。土壤碱解氮含量增加的原因可能是河流灌溉水带入部分养分，尤其是氮素养分。然而，无论中肥力和高肥力稻田土壤全氮、碱解氮、全磷和有效磷含量均随施肥时间的延长表现出极显著增加的趋势，低肥力、中肥力和高肥力稻田土壤全氮含量年增加量分别为0.0055、0.0142、0.0170 g/kg，碱解氮年增加量为0.3983、1.0456、1.3182 mg/kg，全磷年增加量为0.0008、0.0171、0.018 g/kg，有效磷年增加量为-0.0328、2.0491、1.8511 mg/kg，说明土壤养分增加量对不同肥力稻田的响应程度不同，表现为中肥力和高肥力稻田土壤养分年增加量高于低肥力稻田。然而，连续施肥36年中肥力和高肥力稻田土壤氮磷含量年增加量差异较小；通过阶段分析发现，在施肥1~13年间，中肥力和高肥力稻田土壤碱解氮含量不同年份间差异较小，多年平均含量非常接近分别为77.43、77.33 mg/kg，连续施肥13年后各处理不同年份间碱解氮含量变化也不大，且其碱解氮含量比连续施肥13年前急速增加，平均值分别为102.69、110.30 mg/kg；中肥力和高肥力稻田土壤有效磷含量也可分两个阶段，连续施肥1~9年间两个处理各自不同年份间有效磷含量差异较小，多年平均为6.50、8.47 mg/kg，连续施肥9年后各处理不同年份间有效磷含量变化也不大，且明显高于连续施肥9年前，平均值分别为48.60、49.85 mg/kg；说明土壤养分足够高时，过量施肥对土壤肥力提升空间是有限的，这与国内外多数研究结果一致^{[16, 20-21]}；也表明在本试验施肥水平下紫色水稻土氮磷施肥转折点的时间分别为连续施肥13年和9年，即施用氮肥13年后土壤中含有足够的氮素养分，施磷肥9年后土壤中含有足够高的磷素养分。

土壤氮磷活化度是反映土壤氮磷养分供应能力的重要指标^{[6, 19, 22]}。3种肥力稻田没有显著影响土壤氮活化度，高肥力、中肥力和低肥力稻田土壤氮活化度变化范围分别为5.53%~8.82%、5.95%~8.64% 和5.51%~7.98%，多年平均值分别为7.14%、7.01% 和6.46%，分别比试验开始时提高17.43%、15.30% 和6.25%。与氮活化度不同，低肥力稻田土壤磷活化度基本保持不变，而中肥力和高肥力稻田土壤磷活化度随施肥年限延长均呈极显著增加趋势，高肥力、中肥力和低肥力稻田土壤磷活化度值分别为3.86%、3.85% 和0.73%，比试验开始时增加484.85%、483.33% 和10.61%。说明高肥力和中肥力稻田能够明显提高土壤氮磷活化能力，保障养分充足供应。土壤环境因子pH和有机碳均没有显著影响氮活化度；磷活化度与pH值呈极显著负相关，而与有机碳含量呈极显著正相关；说明降低土壤pH或增加有机碳可显著提高土壤磷活化能力，这与柳开楼等^[19]在我国南方红壤和Zhan等^[22]在我国东北黑土上的研究结果一致。土壤中的氮素容易被作物吸收利用或者通过淋溶和地表径流等方式损失^[23-24]，被认为土壤中较活跃的营养元素，所以氮活化度与pH和有机碳含量差异不显著；而磷在土壤中移动性差、容易被固定，磷肥当季利用率较低一般为10%~25%^[25]，没有被作物吸收利用的大量磷素累积到土壤中，当施入有机肥或降低土壤pH时，增加了土壤生物群落多样性和微生物活性从而活化被土壤吸附的磷素^[26-28]，引起随pH降低或有机碳含量增加土壤磷活化度提高。土壤氮磷活化度与pH和有机碳的作用机制还需进一步试验。

4　结论

低肥力稻田土壤全氮、全磷含量对施肥时期响应不显著，碱解氮含量随施肥年限的延长呈极显著增加，而有效磷含量则有所下降。无论中肥力或高肥力稻田土壤全氮、碱解氮、全磷和有效磷含量均随施肥时间的增长而呈极显著增加趋势。土壤氮磷养分年增加速率对不同肥力水平土壤的响应程度差异较大，中肥力和高肥力稻田土壤氮磷含量增加速率高于低肥力稻田，而前两者之间差异较小。当年施N 240 kg/hm²、P₂O₅ 120 kg/hm²时，紫色水稻土氮磷含量足够高的施肥持续年限分别为13年与9年。土壤pH、有机碳对氮活化度无显著影响，土壤磷活化度与pH呈极显著负相关，而与有机碳呈极显著正相关。氮磷钾平衡施肥或有机无机肥料配施是西南丘陵区稻田土壤培肥的重要措施。