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土壤养分是农田土壤理化性质的综合反映，主要包括有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾等指标，土壤养分是农田土壤肥力的基础[1]。科学施肥是提升农田土壤养分含量的重要手段，不同施肥模式对农业生产具有重要影响[2]。传统施肥模式主要是施用农家肥，特点是充分利用本地的农业资源，但是存在投入成本高，部分有机肥肥力较低等问题[3]。施用化肥对粮食产量的提升有巨大贡献，在农业生产中大量施用化肥，短期内化肥可以提升粮食产量，但是长期单施化肥会造成土壤酸化、土壤板结等问题[4]。而有机无机肥配施既可以稳定作物产量，又能有效抑制农田土壤质量下降的趋势，成为目前农业施肥管理中重要的方式[5-6]。已有研究表明，长期有机无机肥配施可以有效提高农田土壤养分。裴雪霞等[7]在黄土丘陵区农田施肥研究发现，长期化肥配施有机肥可以提高耕层的有机质含量。于昕阳等[8]在陕西渭北旱塬农田施肥研究发现，长期有机无机肥配施显著提高了土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量。Simon 等[9] 在黏壤土农田的研究也表明，长期施用有机肥显著提高了土壤的氮素含量，其中有机质较对照组提升了 1 倍以上。
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受地理环境限制，西藏农田主要分布在“一江（雅鲁藏布江）两河（拉萨河、年楚河）”的河谷地带[10]，虽然面积有限，仅占西藏自治区总面积的 5.48%，但该区域是藏民族的主要聚集区，农田粮食生产是当地社会经济发展的基本保障[11]。然而，由于长期的连年耕作和低效管理导致河谷地区农田出现了土壤养分下降[12]等问题。调查结果表明，20 世纪 80 年代中期后，西藏“一江两河”表层养分含量普遍低于下层土壤， 50%～60% 的农田土壤有机质含量降至 2.0%，全氮含量则降至 0.05%～0.10%，远不能满足农作物正常生长、发育的需要[13]。另外，西藏同时拥有巨大的畜牧业资源，“一江两河”地区牲畜总量超过 286.05 万头[14]，有机肥资源丰富，而且近年来国家倡导农业绿色发展模式，减施化肥，增加有机肥的投入，发展有机无机肥配施的施肥模式、改善土壤肥力已经成为当地农业可持续发展中的重要措施。
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初步的研究表明，施加有机肥可以降低拉萨河谷农田的土壤容重，增加土壤的微生物量碳等[15-16]，具有明显的改善当地土壤质量的作用。但由于西藏独特的自然条件，高原的低温会减缓有机质的分解，有机肥施用会对当地农田的土壤养分具体产生哪些影响，长期施用提升的效果如何？目前关于这方面的研究尚不多见，尤其是缺乏长期定位试验的结果。本研究拟在已有工作的基础上，依托中国科学院拉萨农业生态试验站（以下简称拉萨站）的长期施肥试验，以农田表层土壤养分指标为核心，分析长期不同施肥模式下拉萨河谷农田土壤养分的长期变化趋势及其差异，明确不同施肥模式对当地农田土壤养分的影响，为西藏优化河谷农田施肥模式提供科学依据。
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1 试验设计与研究方法
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1.1 试验样地
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本研究在西藏自治区拉萨站内的农田长期试验区开展。拉萨站地处拉萨市达孜区德庆镇， 29°40′N，91°20′E，海拔 3688 m，是拉萨河流域河谷农田的典型代表，土壤类型为洪冲积母质，砂壤质，肥力较低，农田耕作层土壤（0～20 cm）有机质（16.20±1.40）g·kg-1，全氮（0.97±0.15） g·kg-1，碱解氮（80.17±9.09）mg·kg-1，有效磷 （42.78±8.65）mg·kg-1，速效钾（46.17±12.94） mg·kg-1，pH 值为 6.44±0.19[17]。研究区域属高原半干旱季风气候，年均降水量 497 mm，无霜期约 100～120 d，降水多集中在 6—9 月，年均气温 7.9℃，年日照时数达 3000 h，年太阳总辐射达 7700 MJ·m-2，年 0℃以上积温约 3000℃。
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1.2 试验设计
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本研究依托拉萨站的“农田长期等氮施肥试验” 开展研究。该试验布设于 2008 年，包括 4 个处理，即空白对照（CK）、单施有机肥（MF）、单施化肥 （CF）以及有机无机肥配施（MC），每个处理 3 个重复，共 12 个试验小区，每个小区面积为 10 m×10 m。施肥量为当地平均水平纯氮 150 kg·hm-2。各试验小区在播种前施羊粪、化肥为基肥，单施化肥处理和有机无机肥配施处理在作物生长期追施 2 次尿素（表1）。该试验种植作物为当地主要的粮食和油料作物，包括冬小麦、春青稞和油菜，每年一季轮作。各试验小区在作物生长季引拉萨河水灌溉 5～6 次，并进行除草，所有试验小区田间管理一致。
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1.3 样品采集与测定方法
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1.3.1 样品采集
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本研究数据主要来源于拉萨站 2008—2022 年的农田长期监测数据。根据国家生态试验站和生态系统研究网络（CERN）的长期监测规范，农田表层（0～20 cm）土壤全量养分监测频次为 5 年 2 次，因此，本研究选取的数据年份具体为 2010、 2013、2015、2017、2020 和 2022 年。作物产量在每种作物收获期考种测定，各小区分别取 1 m×1 m 的作物，人工脱粒，风干后称重。
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土壤样品的具体采样方法：每年种植作物收获后，在每个试验小区用直径 3.5 cm 土钻随机取 5 点各处表层土壤进行混合，风干后带回实验室进行土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、pH 值的分析测定。
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1.3.2 室内分析
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拉萨站的农田长期监测土壤样品采用统一的方法进行测定，其中有机质使用重铬酸钾容量法测定，全氮使用凯氏定氮法测定，土壤碱解氮使用碱解扩散法测定，有效磷使用碳酸氢钠浸提法测定，速效钾使用醋酸铵浸提-火焰光度法测定，酸碱值使用 pH 计测定。
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1.3.3 数据处理
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采用 Origin 2023 进行数据统计分析，以 LSD 方法进行多重比较检验不同年限、不同施肥模式下土壤养分指标差异的显著性（α=0.05），使用线性回归进行土壤养分指标趋势性分析。绘图采用 Origin 2023 和 Excel 2021 完成。
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2 结果与分析
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2.1 作物产量
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试验期间，油菜、冬小麦和春青稞 3 种作物在有机无机肥配施处理中的平均产量均显著高于单施化肥处理，且单施化肥和单施有机肥之间均无显著差异；油菜和冬小麦在有机无机肥配施处理中的平均产量还显著大于单施有机肥的处理，但春青稞的平均产量在有机无机肥配施处理与单施有机肥处理之间的差异不显著（图1）。
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图1 不同施肥模式作物产量差异
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注：不同小写字母表示不同处理间差异达 5% 显著水平（P<0.05）。下同。
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2.2 有机质
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试验期间，除 2013 年外，单施有机肥处理和有机无机肥配施处理的有机质含量显著高于单施化肥处理（P<0.05），平均增加了 72.12% 和 57.17%。随着施肥年限的增长提升的效果更为显著，2020—2022 年增加比例分别达到了 115.75%～117.88% 和 79.91%～87.42% （ 图2A）。年际之间的变化表明，单施化肥处理的土壤有机质含量随时间有下降的趋势，有机无机肥配施处理的土壤有机质含量随时间则有上升的趋势，单施有机肥处理的有机质含量有显著上升的趋势（P<0.05） （图2B）。
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2.3 全氮
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与单施化肥处理相比，单施有机肥处理和有机无机肥配施处理的全氮含量显著高于前者（P<0.05），试验期间分别平均增加了 72.32% 和 41.04%。而且随着施肥时间延长差异愈显著，2020—2022 年与单施化肥处理相比，单施有机肥处理的农田全氮含量提升了 114.43%～129.86%，有机无机肥配施处理的农田全氮提升了 69.19%～78.47%（图3A）。年际变化趋势显示，单施有机肥（P<0.001）和有机无机肥配施处理 （P<0.05）的土壤全氮含量有显著上升的趋势，单施化肥的土壤全氮含量则有不显著的微弱下降趋势 （图3B）。
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图2 不同施肥模式土壤有机质含量差异及变化趋势
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注：* 表示不同年限间差异达显著水平（P<0.05），*** 表示不同年限间差异达极显著水平（P<0.001）。下同。
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图3 不同施肥模式土壤全氮含量差异及变化趋势
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2.4 碱解氮
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与土壤有机质和全氮含量类似，随着施肥年限的延长，有机肥的投入对土壤中碱解氮含量的提升作用越显著（P<0.05）。自 2020 年以来，与单施化肥处理相比，单施有机肥和有机无机肥配施处理的土壤碱解氮含量较单施化肥处理提升了 62.39%～130.77% 和 98.82%～110.38%（图4A），试验期间则分别平均提升 50.78% 和 44.18%。从年际变化来看，单施有机肥和有机无机肥配施处理的土壤碱解氮含量有显著上升的趋势（P<0.05），而单施化肥的土壤碱解氮含量上升趋势不明显 （图4B）。
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2.5 有效磷
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在 2010—2020 年，有机无机肥配施处理的有效磷含量与单施化肥处理的有效磷含量并无显著性差异（P>0.05）。仅在 2022 年，单施有机肥处理与单施化肥处理相比提升了 72.95%（P<0.05），其有效磷含量在所有处理中最高，为 37.93 mg·kg-1（图5A）。从年际变化来看，单施化肥处理的土壤有效磷含量呈显著下降趋势（P<0.05），单施有机肥和有机无机肥配施处理的土壤有效磷也呈下降趋势，但未达到显著水平（图5B）。
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图4 不同施肥模式土壤碱解氮含量差异及变化趋势
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图5 不同施肥模式土壤有效磷含量差异及变化趋势
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2.6 速效钾
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土壤速效钾的含量也表现出随着施肥年限的延长而在不同处理间差异愈显著，单施有机肥处理和有机无机肥配施处理的速效钾含量显著高于单施化肥处理（P<0.05）。2020—2022 年，与单施化肥处理相比，单施有机肥处理的农田土壤速效钾含量提升了 339.13%～341.55%，有机无机肥配施处理的农田土壤速效钾提升了 89.86%～147.18%（图6A），整个试验期间则分别平均增加 206.98% 和 60.45%。年际变化趋势表明，单施有机肥处理的土壤速效钾含量呈现显著上升趋势（P<0.05），单施化肥和有机无机肥配施处理的土壤速效钾含量保持相对稳定（图6B）。
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2.7 土壤 pH 值
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在 2010—2022 年，单施化肥处理的土壤 pH 值逐渐下降，平均值为 5.94～7.18，并显著低于其他处理（P<0.05），单施有机肥处理的 pH 值平均值为 7.06～7.65，有机无机肥配施处理的 pH 值平均值为 6.49～7.49，单施有机肥和有机无机肥配施处理的 pH 值能够保持相对稳定（图7）。
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2.8 土壤有机质与 pH 值及养分含量的相关性分析
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对 3 种不同处理下农田表层土壤有机质和养分含量进行 Pearson 相关性分析（图8）。结果表明，除土壤 pH 值外，土壤有机质均与其他养分指标有着显著的正相关性（P<0.05），其中与土壤全氮、碱解氮和速效钾有极显著的正相关性 （P<0.001）。
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图6 不同施肥模式土壤速效钾含量差异及变化趋势
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图7 不同施肥模式土壤 pH 值差异及变化趋势
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图8 土壤有机质与 pH 值及养分含量的相关性分析
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注：SOC 为土壤有机质；TN 为全氮；AN 为碱解氮；AP 为有效磷；AK 为速效钾。* 表示 P ≤ 0.05，** 表示 P ≤ 0.01，*** 表示 P ≤ 0.001。
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3 讨论
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3.1 长期不同施肥模式对作物产量的影响
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已有的研究结果表明，长期有机无机肥配施可以显著提高作物产量[18-19]。本研究结果也显示在等氮施肥条件下，与单施化肥处理相比，西藏当地的 3 种作物油菜、冬小麦和春青稞在有机无机肥配施处理中的平均产量均显著提高，且油菜和冬小麦的平均产量也显著高于单施有机肥。这是因为施用化肥可以快速补充土壤所需的无机氮，同时有机肥投入增加可以持续稳定的供应无机氮，持续为植物生长提供有效养分，并且维持了作物产量的稳定性[20]。
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3.2 土壤有机质、全氮变化
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土壤有机质是土壤养分转化的关键，土壤有机质含量与土壤养分和结构密切相关，直接影响植物的生长发育[21]。本研究中，在不同施肥处理下，农田土壤有机质含量有显著的差异，且在不同年份均表现为 MF>MC>CF，而且后期的差异愈明显，持续投入有机肥显著增加了土壤有机质含量，而长期单施化肥处理的有机质含量有下降趋势。其他研究也表明，长期有机无机肥配施可以显著提升土壤有机质和土壤全氮等土壤养分[22-25]。这是因为施用有机肥后，有机物残留在土壤中植物的根部，有机肥能够给微生物提供多余的有机碳，使得微生物残体大量增加，进而改变农田的土壤养分[26]。
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土壤氮素是植物生长发育的必需元素，全氮指标是植物生长重要的氮库，反映土壤氮素情况[27-28]。在本研究中，土壤长期施用有机肥会显著增加土壤全氮含量，有机肥投入与全氮含量成正相关，这是因为有机肥投入不仅提供了更稳定的有机氮源，而且增加了有机碳的投入，可以改善土壤的碳氮比，从而提升了土壤中微生物的数量和活性，有助于氮素的固定[29]，减少无机氮的损失，显著增加了土壤中的氮含量[30-31]。而单施化肥处理中的无机氮素更易被作物吸收，而且在土壤中稳定性差，加之拉萨河谷农田土壤为砂壤土，保水性差，太阳辐射强烈，容易造成无机氮的淋洗和气化损失[32]，因此，土壤中的全氮含量显著低于单施有机肥和有机无机肥配施处理，且随施肥年限延长呈现出微弱的下降趋势。
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3.3 土壤速效养分变化
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土壤速效养分是植物生长发育的直接来源，是土壤供应养分能力的关键指标。研究表明，长期有机无机肥配施可以提升土壤表层的速效成分含量，增强土壤缓冲能力和提高土壤 pH 值。土壤碱解氮也称为水解氮，是土壤中可被植物吸收利用的氮素形式之一[33]。本研究表明，在长期施肥的情况下，相对于单施化肥，有机无机肥配施和单施有机肥处理中土壤碱解氮的含量均会显著提高。徐一兰等[34]的研究也发现，长期有机无机肥配施可以提高土壤碱解氮含量并且效果好于化肥处理。这是因为有机肥中含有丰富的有机物，这些有机物在微生物的作用下分解产生的氮素会增加土壤中的碱解氮含量[35]，但其分解缓慢，因此，在本试验后期有机肥对土壤中碱解氮的提升效应才逐渐显现[36]。农田土壤有效磷是指作物能够吸收利用的磷素，其含量随有机质的增加而增加，但是到了一定程度后就不再变化[37-38]。在本研究中，各处理之间的土壤有效磷含量并无显著差异，但年际之间出现了下降的趋势，这可能是由于本研究中磷肥投入量不足，不能满足作物的生长需求，引起土壤中磷元素的缺乏，同时土壤中的有效磷容易损失，而西藏当地作物生长季 5～6 次的大田漫灌也会导致土壤磷素发生淋溶、淋洗等情况[39-40]，从而造成了土壤中有效磷含量的逐年下降，但具体原因还有待于进一步研究。
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土壤速效钾指土壤中能够被植物快速吸收利用的钾元素[41]。林治安等[42]研究表明，单施化肥时土壤速效钾逐年下降，而有机肥处理土壤速效钾含量逐年提升。本研究结果也表明，长期定位施肥后，有机无机肥配施的土壤速效钾含量高于单施化肥的处理，而单施化肥有造成土壤速效钾含量下降的趋势，这是由于在本试验中单施化肥处理没有钾元素的投入，植物吸收但没有及时补充土壤中的钾素，同时单施氮肥引起的土壤酸化会抑制微生物对土壤中钾的转化[43]，因此造成了土壤中速效钾的下降。而有机肥中含有钾素，从而可以提高土壤中的速效钾含量[44]。
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土壤 pH 值对于作物生长和土壤养分具有重要影响[45]。在本研究中，单施化肥处理的农田土壤 pH 值发生了酸化趋势，而有机无机肥配施的土壤 pH 值并未显著变化，表明有机肥中的有机物分解可以稳定土壤的 pH 值，这是由于有机肥在分解过程中会产生碱性物质，从而能缓解土壤酸化[46]。而长期单一施加化学氮肥，增加了土壤中铵根离子的供应，而铵根离子会因硝化作用转化成硝酸盐，这个过程中会产生氢离子，从而引起土壤 pH 值下降[47]。
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3.4 有机肥效应
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本研究中有机肥的施用年限对农田土壤养分具有显著的影响，后期效果愈加显著。其他研究也发现，有机肥的效应是随着时间的推移逐渐显现，并可以持续改善土壤的肥力，这是由于长期使用有机肥可以促进土壤微生物的多样性，微生物通过分解有机质，持续转化出对植物生长有利的营养物质，而微生物活动的增强进一步优化了土壤的肥力，实现了对土壤表层养分的持续提升[48-50]。在该试验站开展的另一项研究也表明，相对于平原地区，高原的低温环境会导致有机物质的分解速度变慢 2～3 倍[51]。本研究中，在连续施用有机肥的后期 （2015 年之后），农田土壤中的有机质、全氮以及碱解氮含量等指标增加的比例更为显著，因此，在高原地区应长期增加有机肥的投入，其效果会更为显著。
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4 结论
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通过对拉萨河谷农田 2008—2022 年长期不同施肥处理下土壤养分差异及其变化趋势的分析结果表明，单施化肥会造成该区域农田土壤发生明显的酸化趋势，各养分指标也均有下降的趋势；而有机肥的施用则会稳定土壤 pH 值，增加土壤养分，且随着有机肥施用年限愈长，增加趋势愈显著。多年的作物平均产量结果也表明，有机无机肥配施处理显著高于单施化肥。因此在西藏河谷农田区域，应充分利用当地牛羊粪多的资源优势，积极发展替代能源，改变传统的牛粪作为燃料的习惯，使更多有机肥回归农田，并减少化肥施用量，持续改善农田土壤的质量，提升肥力，保障当地农业绿色持续发展。
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摘要
为明确不同施肥模式对拉萨河谷农田土壤养分的影响，依托中国科学院拉萨农业生态试验站自 2008 年开始的长期等氮施肥试验，根据 2008—2022 年的连续监测数据，分析了农田土壤表层（0 ～ 20 cm）的主要养分指标在 4 种不同施肥模式［空白对照（CK）、单施有机肥（MF）、单施化肥（CF）以及有机无机肥配施（MC）］ 中的差异及其动态变化。结果表明，油菜、冬小麦和春青稞 3 种作物在有机无机肥配施处理中的平均产量均显著高于单施化肥处理，且有机肥对该区域农田土壤养分有着显著的提升作用。相对于单施化肥，试验期间单施有机肥和有机无机肥配施处理的农田土壤有机质分别平均增加了 72.12% 和 57.17%，全氮分别增加了 72.32% 和 41.04%，碱解氮分别增加了 50.78% 和 44.18%，速效钾分别增加了 206.98% 和 60.45%；且提升效果会随着施肥时间延长而愈加显著，2020—2022 年土壤有机质增加的比例分别为 115.75% ～ 117.88% 和 79.91% ～ 87.42%，全氮增加的比例分别为 115.75% ～ 117.88% 和 69.19% ～ 78.47%，碱解氮增加的比例分别达到了 62.39% ～ 130.77% 和 98.82% ～ 110.38%。从年际变化来看，单施有机肥、有机无机肥配施处理的土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾、pH 值均随施肥时间呈上升趋势；而单施化肥处理的农田有机质、全氮、速效钾有下降趋势，其中土壤有效磷显著下降，且土壤有酸化趋势；相关分析表明，除土壤 pH 值外，土壤有机质含量均与其他养分指标有着显著的正相关性，其中与土壤全氮、碱解氮和速效钾有极显著的正相关性，土壤有机质是当地土壤养分提升的关键。以上结果表明，有机肥的持续投入使用对西藏河谷农田土壤养分具有显著的保育作用，而且其效应会随施用时间增加而愈加显著，因此，在该区域应继续增加有机肥的投入，减少化肥使用量，为西藏农业绿色可持续发展提供基础。
Abstract
This study aimed to assess the impact of different fertilization on the nutrient status of farmland soil in the Lhasa River Valley. Based on the long-term fertilization experiment initiated in 2008 at the Lhasa Agro-ecosystemo- Research Station of the Chinese Academy of Sciences，the continued monitoring data from 2008 to 2022 were analyzed. The change of main fertility indicators in the topsoil layer（0-20 cm）under four distinct fertilization models：no fertilizer（CK），organic fertilizer（MF），chemical fertilizer（CF），and a combination of organic and inorganic fertilizers（MC）were examined. The results showed that the average yield of rapeseed，winter wheat，and spring barley in MC treatment was significantly higher than that in CF treatment，and organic fertilizer had a significant improvement effect on the soil nutrients of farmland in the region. Compared to CF，during the experiment period，the soil organic matter in the treatments of MF and MC increased on average by 72.12% and 57.17%，respectively，in addition，total nitrogen increased by 72.32% and 41.04%，alkali-hydrolyzable nitrogen by 50.78% and 44.18%，and readily available potassium by 206.98% and 60.45%，respectively. Notably，the improvement effect became more significant with the extension of fertilizer application time. Between 2020 and 2022，the soil organic matter was increased by 115.75%-117.88% and 79.91%-87.42%，total nitrogen increased by 115.75%-117.88% and 69.19%-78.47%，while alkali-hydrolyzable nitrogen increased by 62.39%-130.77% and 98.82%- 110.38%，respectively. From the perspective of annual changes，the soil organic matter，total nitrogen，alkali-hydrolyzable nitrogen，readily available potassium，and pH value all showed an upward trend with the application of organic fertilizer and combined organic and chemical fertilizer. In contrast，for the treatment of CF，soil organic matter，total nitrogen， and readily available potassium were decreasing，with significantly reduced readily available phosphorus and a trend of soil acidification. Correlation analysis showed that apart from soil pH，soil organic matter content had a significant positive correlation with other nutrient indicators. In particular，it was extremely positively correlated with total nitrogen，alkali-hydrolyzable nitrogen，and available potassium，and soil organic matter was the key to improve local soil nutrients. These results suggested that the continuous application of organic fertilizer had a significant conservation effect on the nutrients of Tibet Valley farmland soil，and its effect became more pronounced with increased application time. Therefore，in this region，we should continue to increase the input of organic fertilizer，reduce the use of chemical fertilizer，and provide a foundation for sustainable agricultural development in Tibet Plateau.
Keywords
Tibetan Plateau ； farmland ； soil nutrients ； organic fertilization