宫殿林 ，张文钊，罗尊长，高菊生，郑超，洪曦*，曾希柏，董春华，程爱武，汤春纯，李荣，何运祥0，毛卫华，涂赛军
（1. 中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；
2. 中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站，湖南 长沙 410125；
3. 湖南省农业科学院土壤肥料研究所，农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125；
4. 中国农业科学院衡阳红壤实验站，湖南 衡阳 426182；
5. 湘西土家族苗族自治州生态环境局，湖南 吉首 416099；
6. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；
7. 湖南省宁乡县农业技术推广中心，湖南 宁乡 410600；
8. 湖南省岳阳市农业科学研究所，农业部岳阳农业环境科学观测实验站，湖南 岳阳 414000；
9. 湖南省汉寿县农业农村局，湖南 汉寿 415900；
10. 湖南省澧县农业农村局，湖南 澧县 415500；
11. 芷江侗族自治县农业农村局，湖南 芷江 419100；
12. 湖南省南县农业农村局，湖南 南县 413200）
湖南省地处长江中游地区，水热光资源丰富，生产潜力巨大，是我国重要的粮棉油生产基地。据湖南省第三次国土调查主要数据公报（2021）显示，全省现有耕地面积约360万hm2，其中，稻田面积近300万hm2，占比达80%以上。湖南省稻田主要以种植双季稻为主，但随着社会经济条件及粮食安全需求的变化，该区域稻田种植制度日趋多样化，出现了一季稻种植模式和由水田转变为旱地的旱作模式[1]。土壤肥力水平和合理施用肥料是保证粮食持续增产和减少氮磷损失的关键因素。不同种植制度因作物类型、化肥施用和水分管理等田间管理措施各异，其对土壤肥力的影响存在较大差异。因此，了解湖南省各种种植制度下农田肥力现状，研究其在时间尺度上的演变规律，对有效保证湖南省耕地质量、保障我国粮食安全具有重要的现实意义。
土壤肥力在时间尺度上的演变受地形、母质、种植制度和施肥等内在和外在因素的综合影响[2-3]，其研究的经典方法是长期定位监测试验，主要由于土壤养分库容较大，短期内变化很难在总量上表现出来。因此，一般需要通过多年数据进行比较，才可能反映出其变化规律或趋势。如英国于1843—1856年在洛桑试验站开展的经典长期定位试验，我国在20世纪80年代起也开展了一批长期定位监测试验。目前，关于在长期定位试验基础上研究红壤土壤肥力演变特征的报道相对较多，尤其是长期施用有机肥、化肥和有机无机肥配施等对土壤的培肥作用[4-6]。众多研究均表明长期化肥和有机肥配施在提升作物产量与农田土壤肥力方面优于长期单施化肥。旱地长期定位试验结果表明，化肥配施有机肥能够显著提升蔬菜—玉米轮作系统的作物产量和土壤综合肥力水平[7]。湘南红壤地区连续耕作30年的双季稻—油菜轮作模式的红壤土壤肥力水平显著高于双季稻—冬闲模式，水稻土壤养分有效性和综合肥力质量得到了明显提升，改善了土壤综合肥力质量[8]。王乐等[9]对潮土区土壤经过10～29年的常规施肥试验研究发现，土壤综合肥力和作物产量均有显著提高，其变化主要是潮土区土壤的综合肥力和耕作作物的产量变化受土壤全氮和有机质含量的影响，而且长期施用有机肥也可显著提升潮土区土壤的综合肥力，保证了作物的持续高产。
就湖南省农田肥力演变而言，已有研究主要集中在单一种植制度下红壤土壤肥力的变化，无法客观全面表征农民常规施肥下不同种植制度的土壤肥力动态变化。由于红壤区种植制度多样，且各种植制度下农田肥力的演变规律尚不明确，为能真实全面反映红壤区农业生产实践中农田土壤肥力变化，本文以湖南省12个国家和省级农田长期定位试验点不同种植制度农民常规施肥条件下农田土壤养分变化为研究对象，探究农民常规施肥条件下湖南省不同种植制度农田土壤肥力的演变规律，以期为因地制宜选择合适的种植制度，合理调控土壤肥力和提升湖南省耕地质量提供理论依据。
1.1 研究区概况
湖南省（108°47′～114°15′ E，24°39′～30°08′ N）地处中亚热带季风湿润气候区，地势西高东缓、南高北低，东、南、西三面环山，中部为丘陵，北面为洞庭湖平原。全省年均温度16～18 ℃，年≥10℃有效积温5 000～5 900 ℃，年降雨量1 100～1 800 mm，无霜期260～310 d，日照时数约1 240～1 870 h。
湖南省农田土壤成土母岩母质主要为花岗岩、砂页岩、板页岩、石灰岩、紫色砂页岩、第四纪红土和河湖沉积物等，主要土壤类型（土类）为红壤、黄壤、黄棕壤、紫色土、石灰土、潮土和水稻土等，是我国重要的水稻种植区。从二十世纪六七十年代起，种植制度以双季稻模式为主，冬种作物以紫云英、油菜等为主。90年代后期，种植模式逐步多样化，经济作物种植面积逐渐增加，传统的冬季作物种植面积减少，除传统的水稻—水稻—绿肥、水稻—水稻—油菜、水稻—水稻—冬闲和油菜—棉花以外，还有水稻—水稻—大麦、水稻—水稻—大豆、烤烟—水稻、水稻—蔬菜、大豆—红薯、玉米—萝卜等种植模式，近年来部分地区水稻—绿肥和水稻—冬闲等种植模式增多。
1.2 试验设计
本研究选取分别设立于湖南省祁阳、汉寿、宁乡、武冈、南县、桂阳、芷江、澧县、汝城、岳阳、道县和邵东的12个农田长期定位试验的常规施肥处理，上述常规处理均按照当地农民习惯性施肥和管理设置。其中，水稻—水稻—黑麦草和水稻—水稻—紫云英模式中的黑麦草和紫云英均在次年开春翻压作绿肥。水稻—水稻—油菜和水稻—油菜模式中的油菜收获后秸秆全部移出农田。长期定位试验开展最长时间为35年，最短时间为11年。各长期定位试验的基本信息和土壤基本理化性质见表1。
表1 长期定位试验点基本信息和初始土壤理化性状Table 1 Basic information and initial soil physicochemical properties of different long-term experimental sites
水稻—水稻—黑麦草（RRR）：小区面积为37.5 m2。早晚稻基肥于水稻移栽前施入，追肥在移栽后6～10 d撒施。早稻移栽密度25.5 万株/hm2；
晚稻密度为20 万株/hm2。在晚稻收割前10～15 d撒播黑麦草种子，播种量为15.0 kg/hm2。黑麦草生长期间不施肥。每季水稻收获后秸秆全部移出小区。
水稻—水稻—紫云英（RRC）：小区面积为66.7 m2。早晚稻基肥于水稻移栽前施入，追肥在移栽后6～10 d撒施，早晚稻移栽密度分别为31.8万和33 万株/hm2。晚稻收割前10～15 d在小区内播撒紫云英种子，播种量为33 kg/hm2，紫云英生长期间不施肥。每季水稻收获后秸秆全部移出小区。
水稻—水稻—大麦（RRB）：小区面积 66.7 m2。早晚稻基肥于水稻移栽前施入，追肥在移栽后6～10 d撒施。早晚稻移栽密度分别为31.8万和33 万株/hm2。晚稻收获后开沟排水，翻耕后播种大麦，播种量为250 kg/hm2，大麦播种前施入基肥。
水稻—水稻—冬闲（RRW）：小区面积66.7 m2。早晚稻基肥于水稻移栽前一天撒施，追肥一般在移栽后8～15 d施用。基肥为70%的氮肥和全部磷肥，追肥为30%的氮肥和全部钾肥。
水稻—水稻—油菜（RRO）：小区面积66.7 m2。早晚稻品种分别为湘早籼45号和黄花粘，移栽密度分别为33万和30 万株/hm2。晚稻收获后开沟排水，翻耕后移栽油菜，油菜品种为希望98，移栽密度为平均8.5 万株/hm2。
烤烟—水稻（RT）：小区面积为13.4 m2。先种植烤烟，待烤烟收获后再种植水稻，试验种植烤烟品种为云烟87，水稻品种为两优6206，烤烟种植密度2 万株/hm2，水稻33 万株/hm2。
水稻—冬闲（RW）：小区面积为66.7 m2。于水稻移栽前一天撒施基肥，在移栽后8～15 d追肥。基肥为60%的氮肥和全部磷钾肥，追肥为40%的氮肥和全部钾肥，种植密度为25 万株/hm2。
水稻—油菜（RO）：小区面积为66.7 m2。水稻移栽密度25 万株/hm2。水稻收获后开沟排水，翻耕后移栽油菜，移栽密度为8.5 万株/hm2。
水稻—绿肥（RG）：小区面积为40 m2。水稻品种为超级杂交水稻Y两优7号，移栽密度为33万株/hm2。基肥在水稻移栽前施入，追肥在移栽后6～10 d撒施。在晚稻收割前10～15 d撒播紫云英种子，品种为紫云英2号，播种量为33 kg/hm2。紫云英生长期间不施肥。紫云英在次年水稻移栽前15 d全部翻压还田。
棉花—油菜（CR）：小区面积为40 m2。棉花在春季种植，品种为湘杂棉3号。每年4月中旬育苗，5月中旬移栽，移栽密度为7.5 万株/hm2，10月下旬收获。油菜品种湘油16号，于每年9月下旬育苗，棉花收获后移栽，移栽密度为7.8 万株/hm2，翌年5月初收获。
大豆—红薯（SS）：小区面积为66.7 m2。大豆在3月底至4月初种植，采用穴播方式，每穴播种3～4粒，平均密度为25 万穴/hm2，7月初收获。大豆收获后，翻耕起垄，移栽红薯，移栽密度为4.0万株/hm2。
玉米—萝卜（MR）：小区面积为66.7 m2。玉米在春季播种，播种方式为穴播，一穴一粒，播种密度为4.5 万株/hm2。玉米收获后及时翻耕整地。萝卜种植采用厢作，厢宽1.5 m，播种密度为10.5 万株/hm2，每穴播1～2粒。
1.3 土壤样品采集与理化性质测定
长期定位试验小区的土壤样品，均在每年最后一季作物收获后采集。采样前，将小区内残留的作物秸秆等全部移除，在每个小区内随机选取5个点，用不锈钢土钻采集耕层（0～20 cm）土壤样品，挑去动植物残体、根系和石块，混合均匀后装入塑料袋，带回实验室放入4 ℃箱保存备用。土样理化性质测定均参照《土壤农化分析》[10]相关方法进行。
1.4 内梅罗指数法
内梅罗指数法是国际上应用较普遍的土壤综合肥力评价方法[11-12]，它可以消除土壤各肥力指标之间量纲的差异，通过此方法计算出的土壤分肥力系数处于0～3之间，使得相同的参数之间可比性较强，且同一级别的各属性之间分肥力系数比较接近，可比性较高。
分肥力系数（IFIi）的计算公式为：
式中：IFIi为分肥力系数，x为该属性测定值，xa与xp为分级标准下、上限，xc为介于分级标准上、下限间。各属性值分级标准（xa,xc,xp）主要参考第二次全国土壤普查标准（表2），每个等级反映了其各自的土壤肥力状况。上限值（xa）是指综合肥力处于低等级土壤的上限值，小于等于xa均属综合肥力低等级土地，xp下限值指综合肥力高等级的最低值，大于等于xp均属于综合肥力高等级土地[13]。
表2 土壤各属性的分级标准值Table 2 Grading standards of soil properties
土壤综合肥力系数计算方法为：
式中：IFI为土壤综合肥力系数，IFIi·avg平均值与IFIi·min为土壤各属性分肥力均值与最小值，n为评价指标个数。
2.1 农田土壤有机质含量动态变化分析
不同种植制度处理农田土壤有机质含量呈现出不同的演变趋势。双季稻的RRR和RRC模式的土壤有机质含量均呈逐年缓慢增加趋势，分别从试验前1982年的20.10 g/kg和2004年的29.90 g/kg增加到2015年的30.34和39.80 g/kg（图1），年均增加分别为0.31和0.90 g/kg。RRB模式的土壤有机质含量在1998—2011年期间呈逐年缓慢增加趋势，2011年之后呈明显下降趋势，2015年其有机质含量与试验前有机质含量无明显差异。RRW模式的土壤有机质呈波浪型增加趋势，在2005—2014年期间年均增加1.10 g/kg。与其它双季稻模式不同，RRO模式的土壤有机质含量呈逐年下降趋势，自2007年至2015年其有机质含量由58.70 g/kg下降到了46.90 g/kg，年均下降1.31 g/kg。在4种一季稻模式中，RO和RG模式的土壤有机质含量相对较低，呈逐年缓慢增加趋势，其年均增加量分别为2.11和0.60 g/kg。RT和RW模式的土壤有机质含量呈缓慢下降趋势，年均下降0.31和1.38 g/kg。与双季稻和一季稻模式相比，旱作模式的土壤有机质含量相对偏低，其中CR模式的土壤有机质含量明显高于SS和MR模式，且其有机质呈明显增加趋势，年均增加1.20 g/kg，而SS和MR模式的土壤有机质含量年际变化相对较大且无明显增加或下降趋势。
图1 湖南省不同种植制度农田土壤有机质含量的长期变化Fig. 1 Long-term evolution of organic matter content under different cropping systems in Hunan province
2.2 农田土壤全氮和碱解氮含量动态变化分析
湖南省不同种植制度处理农田土壤全氮含量的演变趋势与有机质含量的演变趋势较为一致。在双季稻模式中， RRR、RRB和 RRC模式的土壤全氮含量相对较低，均呈较为明显的增加趋势，其全氮含量年均增加分别为0.02、0.05和0.01 g/kg（图2）。与之相反，RRW和RRO模式的土壤全氮含量相对较高，达到了2.34～4.38 g/kg，且均随试验年限延长呈下降趋势，年均下降分别为0.02和0.12 g/kg。在一季稻模式中，农田土壤全氮含量相对较高的RT和RW模式的土壤全氮含量呈下降趋势，年均下降分别为0.03和0.13 g/kg。农田土壤全氮含量相对较低的RO模式的全氮含量则呈上升趋势，年均增加0.09 g/kg。RG模式的土壤全氮含量则相对变化不明显。三种旱作模式的土壤全氮含量表现为CR＞MR＞SS，且均有不同程度的增加，其中CR模式的土壤全氮含量年均增加0.03 g/kg，MR模式为0.05 g/kg，SS模式为0.02 g/kg。
图2 湖南省不同种植制度农田土壤全氮含量长期变化Fig. 2 Long-term evolution of total N content under different cropping systems in Hunan province
不同种植制度土壤碱解氮含量随时间变化趋势存在明显差异。在双季稻模式中，RRW和RRO模式的土壤碱解氮含量约在300 mg/kg左右（图3），整体高于其它三种双季稻模式，且年际间波动较大，其中RRW模式的土壤碱解氮含量在试验期间略有增加，年均增加2.00 mg/kg，而RRO模式的碱解氮在试验后期呈明显下降趋势，年均下降8.01 mg/kg。RRR、RRC和RRB模式的土壤碱解氮则均有不同程度的增加，其中RRC模式的土壤碱解氮含量增加速率相对较快，年均增加3.17 mg/kg。四种一季稻模式农田土壤碱解氮含量年际变化相对较大，其中RW模式的土壤碱解氮含量相对较高，在试验期间年均增加7.71 mg/kg。RT和RO模式的土壤碱解氮含量在159.00～193.50 mg/kg之间波动，在试验期间略有增加。RG模式的土壤碱解氮含量相对偏低，且呈下降趋势，年均下降2.13 mg/kg。三种旱作模式的土壤碱解氮含量均有不同程度的增加，其中CR模式的碱解氮含量年均增加4.55 mg/kg，SS和MR模式的土壤碱解氮含量年均增加分别为3.88和1.38 mg/kg。
图3 湖南省不同种植制度农田土壤碱解氮含量的长期变化Fig. 3 Long-term evolution of alkaline hydrolysis N content under different cropping systems in Hunan province
2.3 农田土壤速效磷和速效钾动态变化分析
不同种植制度土壤速效磷含量的演变趋势存在较大差异。双季稻模式中的RRR和RRO模式的土壤速效磷含量明显高于其它三种双季稻模式，其中RRR模式土壤速效磷含量由1982年的18.00 mg/kg上升到了2015年的79.50 mg/kg（图4），年均增长1.81 mg/kg。RRO模式则呈下降趋势，由2006年的51.20 mg/kg下降到了2015年的32.30 mg/kg，年均下降1.89 mg/kg。RRC、RRB 和RRW模式的土壤速效磷含量则相对偏低，基本上低于20.00 mg/kg。RRC和RRW模式的土壤速效磷含量呈缓慢增加趋势，年均增加分别为0.26和0.34 mg/kg，而RRB模式的土壤速效磷含量则呈较明显的逐年降低趋势，由1986年的28.00 mg/kg下降到了2015年的9.47 mg/kg，年均下降0.62 mg/kg。RT模式的土壤速效磷含量明显高于其它三种一季稻模式，且随试验年限呈增加趋势，年均增加4.82 mg/kg。RW、RO和RG模式的土壤速效磷含量均呈缓慢增加趋势，年均增加分别为0.52、0.83和0.74 mg/kg。三种旱作模式的土壤速效磷含量的演变趋势较为一致，均在试验前期变化不明显，在试验后期呈增加趋势，CR、SS和MR的土壤速效磷含量年均增加分别为1.23、4.76和1.47 mg/kg。
图4 湖南省不同种植制度农田土壤速效磷含量的长期变化Fig. 4 Long-term evolution of available phosphorus content under different cropping systems in Hunan province
五种双季稻模式的土壤速效钾含量均呈下降趋势，其中RRW模式的土壤速效钾含量下降较为明显，自2010—2015年期间年均下降了3.73 mg/kg，RRR、RRC、RRB和RRO模式的土壤速效钾含量年均分别下降0.69、0.76、1.36和0.99 mg/kg（图5）。在一季稻模式中，RT模式的土壤速效钾含量明显高于其它三种一季稻模式，且呈增加趋势，年均增加38.00 mg/kg。RW、RO和RG模式的土壤速效钾含量基本低于100 mg/kg，且均呈逐年缓慢降低趋势，年均降低分别为3.25、3.14和2.38 mg/kg。在旱作模式中，MR模式的土壤速效钾含量变化明显，由2008年的87.00 mg/kg上升到了2015年的249.00 mg/kg，年均增加20.25 mg/kg，相比之下，CR和SS模式的土壤速效钾含量则年际间相对稳定，无明显变化。
图5 湖南省不同种植制度农田土壤速效钾含量的长期变化Fig. 5 Long-term evolution of rapidly available potassium content under different cropping systems in Hunan province
2.4 农田土壤综合肥力变化分析
采用内梅罗指数法对不同种植制度土壤肥力进行综合分析，结果显示不同种植制度土壤的综合肥力系数（IFI）变化存在较大差异。双季稻模式中的综合肥力系数均有不同程度下降，其中RRB模式的IFI下降幅度最大，为6.66%，而RRW模式的IFI年均下降幅度高于其它双季稻模式（表3）。一季稻模式的IFI均有不同程度上升，其中RO和RG模式的IFI上升幅度相对较高，增幅接近到了14%。三种旱作模式的IFI相对偏低，但均在试验年限内呈增加趋势，其中CR和MR模式的IFI增加幅度均超过了20%。
表3 不同种植制度土壤综合肥力系数变化Table 3 Changes of soil integrated fertility indexes of different cropping systems
3.1 湖南省不同种植制度农田土壤有机质长期演变
土壤有机质是衡量土壤肥力的核心指标，控制着诸多土壤理化性质和主要生物地球化学循环过程[14]。国内外研究表明不同种植制度显著影响土壤有机质含量[15-17]。本研究结果表明，湖南省不同种植制度农田土壤有机质含量变化趋势均存在较大差异。在双季稻模式中，水稻—水稻—黑麦草、水稻—水稻—紫云英和水稻—水稻—冬闲模式的土壤有机质含量均有不同程度的增加，这可能与长期绿肥翻压还田和长期大量配施有机肥有关。绿肥是有机物质，施入土壤后矿化可形成有机质，同时，绿肥富含碳氮等元素，施用可提高作物产量，增加作物生物量及其残留量，从而增加土壤有机质含量[2]。但曾希柏等[18]认为传统的水稻—水稻—紫云英土壤有机质的变化幅度不大，而本研究中水稻—水稻—绿肥土壤有机质年均增长量达到了1.00 g/kg左右，两者之间的差异可能是由于土壤成土母质不同或是种植年限不同而造成。此外，相关研究指出长期有机物料还田和有机无机肥配施有利于土壤有机质的提升[19-21]。相比之下，水稻—水稻—油菜模式虽然有大量的化学肥料投入，但其土壤有机质含量却呈逐年下降趋势，其主要原因可能是油菜种植过程中需要进行开沟排水和耕作层翻耕等农事操作，造成耕层土壤好氧环境，进而加速土壤有机碳的矿化分解速率和导致土壤有机碳的快速损失[22-23]。
同样，由于长期的周期性的淹水—落干水分管理措施和频繁翻耕，一季稻模式中的烤烟—水稻处理土壤有机质含量也呈逐年下降趋势。虽然同样为水旱轮作模式，但水稻—油菜处理的土壤有机质含量呈逐年上升趋势，这可能与其较高的有机肥投入有关。
与水田相比，旱地土壤有机碳矿化速率相对较快，土壤有机质提升难度相对较大[24]。但在本研究中，由于长期大量的有机肥投入，棉花—油菜和大豆—红薯处理的土壤有机质均有不同程度的增加，而有机肥投入量相对较低的玉米—萝卜处理土壤有机质含量变化不明显，这充分说明了有机肥在提升土壤有机质含量中的重要作用。
3.2 湖南省不同种植制度农田土壤养分长期演变
全氮、碱解氮、速效磷和速效钾是土壤综合肥力属性的主要贡献因子[9]。本研究结果表明，湖南省农田不同种植制度土壤全氮和速效养分长期演变均存在较大差异，这与国内外研究结果一致[18,25-26]，其可能原因在于不同种植制度下，不同的水分管理和耕作措施以及不同的作物类型对养分的吸收和需求各异，导致土壤养分受到的影响存在较大差异[18]。
土壤全氮反映土壤氮素的储量，也是衡量土壤肥力水平的重要指标之一。Mikha等[27]认为种植制度可显著影响土壤氮素含量。本研究中水稻—水稻—紫云英、水稻—水稻—大麦和水稻—水稻—黑麦草轮作下土壤全氮含量均随试验年限呈上升趋势，其中水稻—水稻—紫云英轮作的全氮年均增长率最高，分别是水稻—水稻—大麦和水稻—水稻—黑麦草轮作的6.15倍和2.21倍，同时水稻—水稻—紫云英轮作下土壤碱解氮的增加速率最高。这是由于紫云英属豆科固氮作物，能够吸收固定大气中的氮素，同时能吸收耕层以下的氮磷养分并累积至耕层[28]。水稻—水稻—黑麦草轮作下全氮年增加量仅次于水稻—水稻—绿肥，这可能是由于黑麦草具有强大的须根系，能减少硝态氮随水分下渗的迁移[29]。同时，由于紫云英、黑麦草翻压作绿肥能提高氮素在土壤中的残留率，减少氮的气态损失[30]。但是水稻—水稻—大麦和水稻—水稻—黑麦草的土壤碱解氮含量年均增加幅度存在较明显差异，其差异的主要原因有待进一步研究。由于土壤有机质与土壤氮含量存在一定的相关性，因此，水稻—水稻—油菜处理的土壤全氮和碱解氮含量也均呈明显的下降趋势。烤烟—水稻和水稻—冬闲土壤全氮含量随年限延长而减少，不利于土壤全氮的累积，这可能是水稻—冬闲和水稻—水稻—冬闲轮作由于冬闲减少了作物对土壤的覆盖，而冬季作物覆盖有利于减少土壤氮素的流失[31]，同时烤烟—水稻轮作中烟草对氮的需求量相对较大，这也在一定程度上降低了土壤氮素含量。玉米—萝卜处理的土壤全氮含量增加速率相对高于其它旱作模式，这可能与其较高的氮肥投入量有关，但其土壤碱解氮含量增加幅度明显低于棉花—油菜和大豆—红薯处理，其原因尚待进一步探明。
本研究大部分种植制度土壤速效磷含量均有不同程度的增加，尤其是双季稻模式中的水稻—水稻—黑麦草，一季稻模式中的烤烟—水稻和旱作模式中的大豆—红薯处理的土壤速效磷增加幅度相对较大，这可能与红壤具有强大的固磷能力有关[32]。长期施用磷肥导致磷素在土壤中持续累积，累积的全磷在土壤速效磷低于一定水平时又可以转化为速效磷。另一方面也与上述处理长期施用大量磷肥有关，如烤烟—水稻模式的磷肥投入量是其它一季稻模式的2.17～4.09倍。但水稻—水稻—大麦轮作土壤速效磷却随时间呈线性递减趋势，这可能是由于相对较低的磷肥投入量满足不了三季作物的需磷量，从而导致土壤速效磷含量的下降；
另外也可能是供试土壤的初始全磷含量相对较低所致。有研究表明，在土壤初始全磷含量相对较低情况下，全磷的累积不会提高速效磷含量[33]。但值得注意的是水稻—水稻—紫云英处理土壤初始全磷含量同样较低，速效磷含量却随年限延长呈线性增加趋势，这应该是绿肥转化为有机质过程中可活化土壤中固定的磷素所致[2]。水稻—水稻—黑麦草轮作下速效磷年增加速率较高，这可能是由于黑麦草强大的须根系能通过其根际活性促进土壤磷有效化进程[29]。三种旱作模式土壤的速效磷含量均有较大幅度提升，尤其是大豆—红薯模式。国内外均有研究表明，旱地作物轮作有利于提高土壤磷的累积，尤其是轮作中存在豆科作物时，豆科作物不但促进了氮的累积，同时能提高磷的可利用率，促进了磷的累积[26,34]。钾是植物必需的营养元素之一，土壤中速效钾是植物所需钾的主要来源。种植制度的不同，作物对施钾的反应大不相同，从而引起各种种植制度下土壤钾含量的差异[35]。本研究结果显示双季稻模式耕层土壤速效钾含量均呈下降趋势，一季稻模式除了稻烟轮作外耕层土壤速效钾含量也均呈下降趋势。双季稻和一季稻模式大多属于水旱轮作，频繁的干湿交替过程致使土壤始终处于有氧—厌氧交替的状态，导致大量速效钾被土壤中的黏土矿物固定并阻碍缓效钾的释放，进而降低土壤中速效钾含量[36-37]。另一方面，土壤速效钾含量的下降也可能与钾肥用量相对较低有关，如水稻—水稻—冬闲模式的钾肥用量远低于其它双季稻和一季稻模式，其耕层土壤速效钾含量下降速率却远高于其它模式。与其它双季稻和一季稻模式不同，烤烟—水稻模式虽然也属于水旱轮作，但其耕层土壤速效钾含量却呈明显上升趋势，其主要原因为烟草属于喜钾作物，长期高量的钾肥投入掩盖了干湿交替过程对土壤速效钾的负效应，提高了土壤速效钾含量。在旱作模式下，相较于大豆—红薯和棉花—油菜轮作，玉米—萝卜轮作模式的钾肥用量相对偏高，其土壤速效钾含量增加明显。由于旱地土壤中过量施用的钾肥不能迅速转化为土壤其他形态的钾，造成土壤速效钾含量过高，反而影响作物的正常生长[38]。因此，玉米—萝卜轮作可以适当减少钾肥施用量。
3.3 湖南省不同种植制度农田土壤综合肥力长期演变
本文采用内梅罗指数法分析了湖南省农田不同种植制度土壤综合肥力系数的变化，结果显示湖南省不同种植制度农田土壤肥力演变不同，其原因主要有几个方面：第一，不同作物残茬、根系和落叶等残留物的数量和质量存在较大差异；
第二，不同种植制度所在地区秸秆还田和施肥量不同；
第三，不同种植制度由于作物产量、收获次数的不同，养分的输出也不同。第四，不同种植制度影响了土壤温度、湿度等环境因素及土壤微生物区系，从而影响土壤肥力的演变[39-41]。
尽管双季稻模式除水稻—水稻—油菜轮作外耕层土壤有机质含量均有明显上升，但其综合肥力均有不同程度的下降，其主要原因与土壤速效磷和速效钾含量下降有关。此外，双季稻模式中多数处理的土壤全氮和碱解氮均接近或超出分级标准值的下限，因此，湖南省农田双季稻模式应根据不同轮作作物的需肥特征，适当调整施肥策略，控制氮肥用量，重视和提高磷钾肥施用量。与双季稻模式的土壤综合肥力变化趋势相反，一季稻模式的综合肥力均有不同程度的上升，这主要与长期施用磷肥增加了土壤速效磷含量有关。由于长期大量施用氮肥，一季稻模式的土壤全氮含量相对偏高（水稻—绿肥模式除外），应适当降低氮肥用量。另外，烤烟—水稻模式因长期大量施用磷钾肥，其土壤速效磷钾含量远超过了分级标准值的下限，需要适当降低磷钾肥用量。水稻—油菜、水稻—冬闲和水稻—绿肥模式的土壤速效钾含量相对较低，应重视钾肥的施用。旱作模式土壤肥力均有明显上升，除了与其初始土壤肥力相对较低有关外，还与其长期大量施用磷肥，尤其是大豆—红薯和玉米—萝卜轮作模式，导致土壤有效磷含量快速提升有关，但鉴于其土壤有机质、全氮和速效钾含量相对偏低，而速效磷含量大多接近分级标准值的下限，应在注重培肥地力的基础上重视氮钾肥施用和控制磷肥用量。
研究表明，长期农民习惯性施肥条件下，不同种植制度农田土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾的演变特征均存在较大差异。双季稻和一季稻模式有机质含量高于旱作模式，除RRO、RT和RW模式的有机质含量逐年下降外，其余均逐年上升；
双季稻和一季稻模式中全氮、碱解氮和速效磷含量呈逐年下降趋势，而旱作模式逐年递增；
双季稻模式土壤速效钾含量均呈逐年下降趋势，而一季稻和旱作模式土壤速效钾逐年下降趋势不明显或无变化。
双季稻模式由于土壤速效钾含量下降导致综合肥力呈逐年下降趋势，应在控施氮肥基础上重视钾肥施用。而一季稻和旱作模式因土壤速效磷含量增加原因，导致土壤综合肥力均有所上升，应在注重培肥地力的基础上重视氮钾肥施用和控施磷肥。本研究结果可为湖南省农田合适的种植制度选择和土壤肥力科学调控提供理论依据和数据参考。
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