红壤旱地因其分布地区水、热、光资源丰富，被认为是最具增产潜力的耕地资源之一^[1]。然而，红壤旱地的原始特性及南方独特的气候特点也使红壤旱地成为最脆弱的耕地资源之一，生产潜力一直未得到充分发挥^[2]。提高红壤旱地的肥力水平则是发挥其生产潜力的前提和基础。施肥是提高作物产量和土壤肥力水平的重要措施，上世纪八十年代以来，化肥的大面积推广应用为提高红壤农田的作物产量和肥力水平做出了巨大的贡献，但也因此带来了施肥方式的重大变革，逐步形成了以施用化肥为主的施肥方式，尤其是新世纪以来，生产上出于对化肥的过度依赖，化肥的投入量逐年增加、配施有机肥的比例降到了谷底，加之重氮轻钾等不合理施肥方式，使得化肥不合理施用引起的土壤酸化、养分表聚化、耕层变浅、化肥利用效率低等问题日益凸显。随着“到2020年化肥使用量零增长行动方案”，“藏粮于土、藏粮于技”和“化肥有机替代”等国家战略的提出和实施，探索更为科学高效的替代施肥方法就显得相当紧迫，而恢复和增加有机肥的施用将可能是其中重要的途径之一。众多研究表明，与单施化肥相比，长期施用有机肥或有机无机肥配施在改善红壤肥力水平和提高作物产量上优势明显。王小兵等^[3]和蔡泽江等^[4]基于红壤旱地长期施肥定位试验研究发现，与单施化肥相比，施用有机肥具有明显的减缓酸化甚至提高土壤pH值的作用。王伯仁等^[5]和张继光等^[6]基于长期定位试验的研究发现，与单施化肥相比，施用有机肥，尤其是有机无机肥配施可以明显提高土壤养分含量，其中提高土壤全量养分的作用尤为突出。红壤旱地长期施用有机肥不仅可以提高作物产量和化肥农学效率，还可以提高作物的产量稳定性，对维持农业生产的可持续性具有重要意义^[7–9]。但目前有关长期施用有机肥及有机无机肥配施对土壤养分的影响研究多集中在耕层土壤，耕层土壤培肥固然重要，但要真正落实“藏粮于地”的国家战略，明确长期不同施肥方式下土壤养分的迁移特征，研发可培育肥沃而深厚的耕作层的养分管理技术将是必然要求^[10]。国内已有一些研究在关注不同施肥方式下剖面养分分布特征，吴建富等在水稻土的研究中发现，有机肥和化肥配施土壤全氮和碱解氮含量在整个剖面均比单施化肥高，但增加量主要集中在耕层，而有效磷的累积也主要集中在耕层，施用有机肥，尤其是配施猪粪，深层土壤的养分含量明显偏高^[11]。樊军等在黑垆土上的研究则发现，长期施化肥对土壤剖面有机质、全氮、全磷含量的影响深达100 cm以下，施肥增加了耕层 (0—20 cm) 的土壤养分含量，但造成40 cm以下土层的养分亏缺^[12]。古巧珍等研究发现，灌溉条件下长期施肥鴥土0—200 cm土层的土壤有机质含量均高于不施肥处理，土壤磷素存在下移现象，而土壤钾含量在整个土层没有明显变化^[13]。这些研究表明，不同土壤类型下长期施肥对土壤剖面养分的分布影响存在明显差异^[11–14]，而有关红壤旱地长期定位施肥条件下剖面土壤养分分布特征的研究相对较少，尤其缺少综合评价长期施用有机肥 (猪粪) 的深层培肥效果和环境风险的研究^{[5, 14–15]}。因此，本研究依托始于1986年的红壤旱地肥料定位试验，选取施用化肥、有机肥 (猪粪) 及有机无机肥配施等处理，研究长期不同施肥方式下红壤旱地剖面养分分布差异，旨在揭示长期不同施肥方式下红壤旱地养分迁移特征，明确红壤旱地不同施肥方式的培肥效果和差异，分析长期施用有机肥 (猪粪) 的环境风险，为制定红壤旱地合理的养分管理技术和提高土壤培肥深度提供理论支撑。

试验地设在江西省红壤研究所 (116°20'24″E、28°15'30″N)，该地属中亚热带季风气候，年均降雨量1537 mm，年蒸发量1100～1200 mm。年均气温17.7～18.5℃，最冷月 (1月) 平均气温为4.6℃，最热月 (7月) 平均气温为28.0～29.8℃。海拔25～30 m，坡度5°，为典型的低丘红壤地貌。土壤母质为第四纪红黏土，试验开始前耕层土壤pH为6.0，有机碳含量为9.39 g/kg，土壤全氮、全磷和全钾的含量分别为0.98 g/kg、1.42 g/kg和15.83 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾的含量分别为60.3 mg/kg、12.9 mg/kg和102 mg/kg。

本研究以江西省红壤研究所红壤旱地肥料定位试验为对象，试验开始于1986年。共设10个施肥处理：1) 不施肥 (CK)；2) 单施氮肥 (N)；3) 单施磷肥 (P)；4) 单施钾肥 (K)；5) 氮、磷肥配施 (NP)；6) 氮、钾肥配施 (NK)；7) 氮、磷、钾肥配施 (NPK)；8) 2倍的氮、磷、钾肥配施 (2NPK)；9) 氮、磷、钾肥和鲜猪粪配施 (NPKM)；10) 单施鲜猪粪 (OM)。小区面积22.2 m²，随机区组排列，3次重复，试验小区间用混凝土板块隔离，混凝土板块宽10 cm，高为50 cm (埋入地下30 cm、地上20 cm)。种植制度为春玉米–秋玉米–冬闲，玉米品种为掖单13号。本研究选取CK、NPK、2NPK、OM和NPKM等5个处理。

试验肥料为尿素、钙镁磷肥、氯化钾，有机肥为鲜猪粪，其中磷肥、钾肥和猪粪作为基肥，氮肥用量的2/3为基肥，1/3为追肥，肥料施用量见表1。其中干基鲜猪粪的有机质含量为41.38%，N、P₂O₅和K₂O的含量分别为20.87 g/kg、8.96 g/kg和11.18 g/kg，鲜猪粪的含水量为70%。

表1(Table 1)

表1 不同处理每季施肥量 (kg/hm2) Table 1 Amounts of fertilizers in different treatments for each season

表1 不同处理每季施肥量 (kg/hm2) Table 1 Amounts of fertilizers in different treatments for each season 处理 Treatment N P2O5 K2O 鲜猪粪 Fresh pig manure CK 0 0 0 0 NPK 60 30 60 0 2NPK 120 60 120 0 NPKM 60 30 60 15000 OM 0 0 0 15000

于2014年秋玉米收获后，分层采集上述处理0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm剖面土壤样品，分别测定土壤pH值、土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量等指标，土壤养分指标采用常规分析方法测定，具体方法见《土壤农化分析》^[16]，其中土壤有效磷测定采用氟化铵浸提—钼锑抗比色法，土壤速效钾测定采用醋酸铵浸提—火焰光度计法。

所有数据均采用Excel 2003进行处理，统计分析采用SPSS 11.0软件进行，图表采用Origin 8.0作图软件完成。

红壤旱地连续施肥28年后，不同施肥方式下0—60 cm土壤的pH值有明显差异 (图1)。与不施肥相比，施用有机肥 (OM和NPKM) 可以显著提高0—40 cm土壤pH值，而施用化肥 (NPK和2NPK) 则显著降低了0—20 cm土壤pH值，加剧了耕层土壤的酸化。随着土壤深度的增加，施肥处理土壤pH值均表现出先增加后下降的趋势，到60 cm深以后，不同施肥处理间土壤pH值则无显著差异，不施肥处理土壤pH值随土壤深度增加保持稳定。

施肥方式对红壤旱地土壤有机质含量的影响主要集中在0—40 cm。与不施肥处理相比，长期施用有机肥显著提高了红壤旱地0—20 cm土壤有机质含量，而长期施用化肥对土壤有机质含量没有明显影响 (图1)。随着土壤深度的增加，土壤有机质含量呈现出逐步下降的趋势，60 cm以下土壤有机质含量趋于稳定。

图1(Fig. 1)

图1 长期不同施肥处理红壤旱地剖面土壤pH值、有机质含量 Fig. 1 pH and organic matter content at different depths of upland red soil under different long-term fertilizations

红壤旱地土壤全氮和碱解氮含量均表现出随着土壤深度增加而逐渐下降的趋势，在60 cm深度以后，土壤全氮和碱解氮含量趋于稳定，施肥方式对土壤全氮和碱解氮含量的影响主要集中在0—20 cm (图2)。与施用化肥和不施肥相比，长期有机无机肥配施可以显著提高红壤旱地0—20 cm土壤全氮含量，长期单施有机肥可以显著提高红壤旱地0—10 cm土壤全氮含量。长期施用化肥对土壤全氮的累积没有明显影响。土壤碱解氮的含量与施肥密切相关，长期施肥红壤旱地0—10 cm土壤碱解氮含量显著高于不施肥处理，而长期有机无机肥配施、2倍化肥用量及单施有机肥处理0—10 cm土壤碱解氮含量又显著高于长期单倍化肥用量处理。

图2(Fig. 2)

图2 长期不同施肥处理红壤旱地剖面土壤全氮、碱解氮含量 Fig. 2 Total and alkali-hydrolysable nitrogen contents in different profiles of upland red soil under different long-term fertilizations

红壤旱地土壤全磷和有效磷含量也均表现出随着土壤深度增加而逐渐下降的趋势，在60 cm深度以后，土壤全磷和有效含量也趋于稳定，施肥方式对土壤全磷和有效磷含量的影响可达到40 cm以下土壤 (图3)。与单施化肥相比，长期施用有机肥或有机无机肥配施处理0—40 cm土壤全磷含量提高了1倍以上，而有效磷含量则提高了4倍以上，土壤磷的累积现象明显，这与本研究中有机肥是猪粪有关。与不施肥处理相比，施用化肥仅提高了0—10 cm土壤全磷和有效磷含量，对深层土壤没有明显影响。

图3(Fig. 3)

图3 长期不同施肥处理红壤旱地剖面土壤全磷、有效磷含量 Fig. 3 Total and available phosphorus contents at different profiles of upland red soil under different long-term fertilizations

与土壤氮磷养分分布不同，红壤旱地土壤全钾含量随着土壤深度增加基本保持稳定，在不同深度土壤全钾含量没有明显差异，不同施肥方式之间土壤全钾含量也没有显著差异，只是长期有机无机肥配施处理的土壤全钾含量略低 (图4)。土壤速效钾在土壤剖面的分布则与土壤氮磷养分分布一致，表现出随着土壤深度增加土壤速效钾含量逐渐下降的总体趋势，到60 cm深度以后土壤速效钾含量趋于稳定 (图4)。施肥方式显著影响红壤旱地0—40 cm土壤速效钾的分布，其中长期有机无机肥配施和2倍化肥用量处理0—40 cm土壤的速效钾含量最高，显著高于单施有机肥和1倍化肥用量处理，而单施有机肥和1倍化肥用量处理0—40 cm土壤速效钾含量又显著高于不施肥处理。

图4(Fig. 4)

图4 长期不同施肥处理红壤旱地剖面土壤全钾、速效钾含量 Fig. 4 Total and available potassium contents in different profiles of upland red soil under different long-term fertilizations

本研究中，除了土壤pH值和全钾含量两个指标以外，土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾等指标均表现出随着土壤深度增加逐步下降的规律，这与表层土壤在长期耕作过程中施肥、耕翻熟化、作物残体腐解及大气沉降带来的养分累积密切相关，这一结果与王伯仁等在湖南祁阳红壤旱地定位试验的研究结果一致。本研究中，不同施肥方式红壤旱地土壤的全钾含量随着土壤深度的增加基本维持稳定，变幅均在1 g/kg以内，没有显著差异，这与王伯仁等在红壤旱地及古巧珍等在鴥土上的研究结果一致^{[5, 12]}。

本研究中，施肥处理的土壤pH值随着土壤深度的增加均表现出先升高后下降的趋势，王伯仁等和蔡泽江在红壤旱地上的研究也发现了相同的规律，这与红壤旱地自身存在的因施氮及大气酸沉降引起的表层土壤酸化过程有关^{[5, 17]}。本研究还发现，长期施用有机肥或有机无机肥配施可以显著提高红壤旱地0—60 cm土壤的pH值，而长期施用化肥则显著降低了红壤旱地0—20 cm土壤的pH值，酸化趋势明显 (图1)。王伯仁等和蔡泽江在红壤旱地上的研究也发现，红壤旱地长期施用化肥主要引起0—20 cm耕层土壤pH明显下降，连续18年大致下降1.1个单位，而长期有机 (猪粪) 无机肥配施和单施有机肥 (猪粪) 处理则可以提高0—40 cm土壤pH值，其中耕层土壤分别上升了0.7和0.9个单位^{[5, 17]}，本研究中，与不施肥处理相比，长期施用有机肥和有机无机肥配施也明显提高了0—60 cm土壤的pH值，其中耕层土壤pH值分别提高了0.9和0.4个单位，而长期单施化肥也主要使耕层土壤pH值明显下降，降低幅度为0.75～0.90个单位，总体趋势一致，pH值变化幅度的差异可能主要由于两组试验氮肥的投入量不同引起的，湖南祁阳站红壤施肥定位试验氮肥的投入量为纯氮300 kg/hm²，而本定位试验氮肥的投入量为纯氮120 kg/hm²，氮肥年投入量偏低，而氮肥的大量投入被认为是加剧红壤旱地酸化的重要诱因^{[5, 17]}。

与众多研究结果一致，本研究中，长期施用有机肥或有机无机肥配施显著提高了红壤旱地0—40 cm土壤有机质含量 (图1)，对提升红壤旱地的肥力水平起到了重要作用^{[4, 6–7]}。

本研究发现，施肥方式尤其是施用有机肥对红壤旱地剖面土壤的养分分布影响显著，长期施用化肥使红壤旱地土壤碱解氮、全氮、有效磷和全磷在0—20 cm耕层累积 (图2、图3)，土壤速效钾的累积则达到40 cm深 (图4)；而长期施用有机肥或有机无机肥配施可以促进土壤养分向深层迁移累积，与施化肥处理相比，施用有机肥或有机无机肥配施处理0—40 cm土壤的全氮、碱解氮、速效钾、有效磷和全磷的含量显著提高，而土壤全磷和有效磷的下移累积甚至达到了60 cm以下 (图3)。本定位试验的产量数据也表明，与连续单施化肥处理相比 (NPK和2NPK)，连续24年施用有机肥或有机无机肥配施，双季玉米的年产量明显提高；与NPK相比，施用有机肥和有机无机肥配施玉米年产量分别提高4560 kg/hm²和6795 kg/hm²；与2NPK相比，施用有机肥和有机无机肥配施玉米年产量分别提高1935 kg/hm²和4185 kg/hm²；长期施用有机肥对培肥红壤旱地，提高作物产量的作用明显^[18]。樊军等对黄土高原旱地黑垆土的研究发现，连续施化肥15年后有机质、全氮、全磷、有效磷含量在耕层 (0—20 cm) 都有不同程度增加，但40 cm以下土层养分含量有所下降，这与本研究长期施用化肥处理养分主要在耕层累积的结果一致^[12]。该研究还发现，施用氮肥造成N素养分下淋累积，而施用磷肥仅使耕层土壤有效P含量显著提高^[12]，本研究中施用化学氮肥处理未发现明显的氮肥下移累积现象，这可能与本研究的氮肥施用量偏低以及红壤粘重的特性有关。王伯仁等在红壤旱地的研究发现，通过18年长期耕作施肥，所有施肥处理0—20 cm土壤有机质、全磷、全氮、有效P含量比试验开始时都有明显上升；然而施用有机肥还可以明显提高红壤旱地20—40 cm土壤养分含量，其中配施猪粪的效果要优于配施秸秆处理^[5]，这也与本研究发现的施用有机肥 (猪粪) 可以促使土壤养分向深层迁移累积的结果一致。此外，古巧珍等^[13]在鴥土及鲁如坤等^[15]在红壤旱地和水田的研究结果也发现，长期施用化肥土壤养分虽有下移，但也主要在耕层累积。

我国红壤旱地多为低丘坡耕地，而该区域降雨丰沛，使得施用有机肥及过量施用化肥的红壤旱地一直被认为是本区域重要的农业面源和地下水污染源，也是广泛关注的环境风险点。而猪粪因其富含氮磷养分，更是受到了广泛的关注。本研究发现，长期施用有机肥及有机无机肥配施显著提高红壤旱地耕层土壤全氮、全磷和有效磷的含量，其中全磷含量提高了1倍，有效磷含量提高了4倍以上 (图3)。陈磊等对黄土高原旱地的研究发现，施用有机肥 (厩肥) 及有机肥与化肥配施可以明显提高耕层土壤氮磷养分的含量，其中单施有机肥处理土壤全N和碱解氮含量分别增加了50.7%和64.6%，土壤全磷和有效磷的含量比不施肥分别提高53.1%和892.1%，而有机无机肥配施氮磷养分的提升比例则比单施有机肥更高^[19]。王伯仁等在红壤旱地的研究结果也表明，与单施化肥相比，长期施用有机肥可以明显提高耕层土壤氮磷养分含量，其中全磷含量提高50%以上，而有效磷含量提高了2～3倍^[5]，与本研究的结果一致。张玉平等对配施猪粪、猪粪堆肥或沼渣沼液春玉米－小白菜轮作系统氮磷流失的研究发现，虽然配施猪粪等有机肥提高了耕层土壤的氮磷含量，且氮磷养分的有效性和利用效率明显提高，而氮磷流失量与单施化肥处理相比明显降低^[20]。汪涛等^[21]在紫色土的研究发现，等氮量情况下，有机无机肥配施可以显著降低坡耕地氮素淋失量。习斌等^[22]的研究也发现，等氮量情况下，有机无机肥配施可以显著降低土壤全氮的淋失量。这些研究表明，长期配施猪粪等有机肥显著提高耕层养分含量，有引起氮磷流失的风险，尤其是南方红壤旱地多分布于丘陵山区、年降雨量丰沛，耕层氮磷养分易随降雨引起的地表径流流失形成面源污染，而本研究中长期施用有机肥处理耕层土壤有效磷含量达到了200 mg/kg以上，也超过了南方地区土壤有效磷含量75 mg/kg的环境阈值 (河流)，但其培肥土壤、改善土壤养分供应状况、提高养分利用效率的正面作用也很明显^{[19–20, 23]}，实际生产中应依据土壤有效磷的含量科学确定磷肥或高磷含量有机肥的投入量，并在径流水流经区域设置缓冲带或种植牧草、植物篱等措施减缓磷素迁移或增加土壤植被覆盖度减少土壤磷素流失^[24]。氮磷养分下移是造成地下水污染的重要原因，本研究发现，长期施用猪粪红壤旱地土壤氮含量在40 cm深度与不施肥处理趋于一致，而土壤磷含量则在剖面80 cm深度才趋于与不施肥处理土壤磷含量持平，并趋于稳定，这与长期施用猪粪导致土壤中磷含量超过了土壤对磷最大吸附量，水溶性磷和吸附性磷通过土壤孔隙下移^[25]以及有机肥中含有的有机酸利于活化土壤中的磷素，降低土壤对磷的吸附，使磷素更易于向土壤深层移动有关^[26]。汪涛等在紫色土的研究发现，施用有机肥不会使中下层土壤硝态氮含量明显增加^[21]；而项大力等^[27]在鴥土的研究发现，灌溉条件下，施用磷肥及磷肥与有机肥配施土壤有效磷也在剖面60 cm深度趋于稳定。张经纬等^[28]对设施蔬菜的研究发现，连续种植蔬菜3～9年及9年以上，土壤有效磷的含量也均在剖面60 cm深度趋于稳定。王伯仁等^[5]在红壤旱地的研究也发现，长期施用猪粪土壤全氮和速效氮的含量均在土壤剖面60 cm深度趋于稳定，而土壤全磷和速效磷的含量也在壤剖面60—80 cm深度趋于稳定，这些结果与本研究的结果基本一致。虽然长期施用有机肥加速了土壤磷素向深层土壤移动，但是因土壤对磷的固定能力较强，尤其是在高度风化的酸性红壤上土壤磷素的移动能力还是受到较大限制，加之红壤旱地的土壤粘性强、透水性差等原始特性，使得土壤磷含量在土壤剖面60—80 cm处趋于稳定，并与不施肥处理含量趋于一致^[29–31]。然而，进入水体的磷素在极低水平就可能会引发环境风险，因而红壤旱地长期施用有机肥 (猪粪) 还是存在一定的环境风险，还需有针对性地开展渗漏水磷含量及剖面磷素形态的分析，以明确磷素环境风险的阈值，为确定有机肥的最适用量提供参考依据。

1) 红壤旱地长期施用化肥 (28年) 仅表现出养分在表层 (0—20 cm) 富集，而长期施用有机肥则可以使养分下移至60 cm深度，且各层养分含量均高于施用化肥处理，培肥深度明显增加。

2) 长期施用猪粪等有机肥引起的氮、磷向下渗漏深度虽集中在剖面80 cm以上，但其引起的耕层土壤氮、磷过量累积及向下渗漏引起的环境风险也应引起重视。