宮殿林 ，張文釗，羅尊長，高菊生，鄭超，洪曦*，曾希柏，董春華，程愛武，湯春純，李榮，何運祥0，毛衛華，涂賽軍
（1. 中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，湖南 長沙 410125；
2. 中國科學院亞熱帶農業生態研究所長沙農業環境觀測研究站，湖南 長沙 410125；
3. 湖南省農業科學院土壤肥料研究所，農業部長江中游平原農業環境重點實驗室，湖南 長沙 410125；
4. 中國農業科學院衡陽紅壤實驗站，湖南 衡陽 426182；
5. 湘西土家族苗族自治州生態環境局，湖南 吉首 416099；
6. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；
7. 湖南省寧鄉縣農業技術推廣中心，湖南 寧鄉 410600；
8. 湖南省岳陽市農業科學研究所，農業部岳陽農業環境科學觀測實驗站，湖南 岳陽 414000；
9. 湖南省漢壽縣農業農村局，湖南 漢壽 415900；
10. 湖南省澧縣農業農村局，湖南 澧縣 415500；
11. 芷江侗族自治縣農業農村局，湖南 芷江 419100；
12. 湖南省南縣農業農村局，湖南 南縣 413200）
湖南省地處長江中游地區，水熱光資源豐富，生產潛力巨大，是我國重要的糧棉油生產基地。據湖南省第三次國土調查主要數據公報（2021）顯示，全省現有耕地面積約360萬hm2，其中，稻田面積近300萬hm2，占比達80%以上。湖南省稻田主要以種植雙季稻為主，但隨著社會經濟條件及糧食安全需求的變化，該區域稻田種植制度日趨多樣化，出現了一季稻種植模式和由水田轉變為旱地的旱作模式[1]。土壤肥力水平和合理施用肥料是保證糧食持續增產和減少氮磷損失的關鍵因素。不同種植制度因作物類型、化肥施用和水分管理等田間管理措施各異，其對土壤肥力的影響存在較大差異。因此，了解湖南省各種種植制度下農田肥力現狀，研究其在時間尺度上的演變規律，對有效保證湖南省耕地質量、保障我國糧食安全具有重要的現實意義。
土壤肥力在時間尺度上的演變受地形、母質、種植制度和施肥等內在和外在因素的綜合影響[2-3]，其研究的經典方法是長期定位監測試驗，主要由于土壤養分庫容較大，短期內變化很難在總量上表現出來。因此，一般需要通過多年數據進行比較，才可能反映出其變化規律或趨勢。如英國于1843—1856年在洛桑試驗站開展的經典長期定位試驗，我國在20世紀80年代起也開展了一批長期定位監測試驗。目前，關于在長期定位試驗基礎上研究紅壤土壤肥力演變特征的報道相對較多，尤其是長期施用有機肥、化肥和有機無機肥配施等對土壤的培肥作用[4-6]。眾多研究均表明長期化肥和有機肥配施在提升作物產量與農田土壤肥力方面優于長期單施化肥。旱地長期定位試驗結果表明，化肥配施有機肥能夠顯著提升蔬菜—玉米輪作系統的作物產量和土壤綜合肥力水平[7]。湘南紅壤地區連續耕作30年的雙季稻—油菜輪作模式的紅壤土壤肥力水平顯著高于雙季稻—冬閑模式，水稻土壤養分有效性和綜合肥力質量得到了明顯提升，改善了土壤綜合肥力質量[8]。王樂等[9]對潮土區土壤經過10～29年的常規施肥試驗研究發現，土壤綜合肥力和作物產量均有顯著提高，其變化主要是潮土區土壤的綜合肥力和耕作作物的產量變化受土壤全氮和有機質含量的影響，而且長期施用有機肥也可顯著提升潮土區土壤的綜合肥力，保證了作物的持續高產。
就湖南省農田肥力演變而言，已有研究主要集中在單一種植制度下紅壤土壤肥力的變化，無法客觀全面表征農民常規施肥下不同種植制度的土壤肥力動態變化。由于紅壤區種植制度多樣，且各種植制度下農田肥力的演變規律尚不明確，為能真實全面反映紅壤區農業生產實踐中農田土壤肥力變化，本文以湖南省12個國家和省級農田長期定位試驗點不同種植制度農民常規施肥條件下農田土壤養分變化為研究對象，探究農民常規施肥條件下湖南省不同種植制度農田土壤肥力的演變規律，以期為因地制宜選擇合適的種植制度，合理調控土壤肥力和提升湖南省耕地質量提供理論依據。
1.1 研究區概況
湖南省（108°47′～114°15′ E，24°39′～30°08′ N）地處中亞熱帶季風濕潤氣候區，地勢西高東緩、南高北低，東、南、西三面環山，中部為丘陵，北面為洞庭湖平原。全省年均溫度16～18 ℃，年≥10℃有效積溫5 000～5 900 ℃，年降雨量1 100～1 800 mm，無霜期260～310 d，日照時數約1 240～1 870 h。
湖南省農田土壤成土母巖母質主要為花崗巖、砂頁巖、板頁巖、石灰巖、紫色砂頁巖、第四紀紅土和河湖沉積物等，主要土壤類型（土類）為紅壤、黃壤、黃棕壤、紫色土、石灰土、潮土和水稻土等，是我國重要的水稻種植區。從二十世紀六七十年代起，種植制度以雙季稻模式為主，冬種作物以紫云英、油菜等為主。90年代后期，種植模式逐步多樣化，經濟作物種植面積逐漸增加，傳統的冬季作物種植面積減少，除傳統的水稻—水稻—綠肥、水稻—水稻—油菜、水稻—水稻—冬閑和油菜—棉花以外，還有水稻—水稻—大麥、水稻—水稻—大豆、烤煙—水稻、水稻—蔬菜、大豆—紅薯、玉米—蘿卜等種植模式，近年來部分地區水稻—綠肥和水稻—冬閑等種植模式增多。
1.2 試驗設計
本研究選取分別設立于湖南省祁陽、漢壽、寧鄉、武岡、南縣、桂陽、芷江、澧縣、汝城、岳陽、道縣和邵東的12個農田長期定位試驗的常規施肥處理，上述常規處理均按照當地農民習慣性施肥和管理設置。其中，水稻—水稻—黑麥草和水稻—水稻—紫云英模式中的黑麥草和紫云英均在次年開春翻壓作綠肥。水稻—水稻—油菜和水稻—油菜模式中的油菜收獲后秸稈全部移出農田。長期定位試驗開展最長時間為35年，最短時間為11年。各長期定位試驗的基本信息和土壤基本理化性質見表1。
表1 長期定位試驗點基本信息和初始土壤理化性狀Table 1 Basic information and initial soil physicochemical properties of different long-term experimental sites
水稻—水稻—黑麥草（RRR）：小區面積為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 萬株/hm2；
晚稻密度為20 萬株/hm2。在晚稻收割前10～15 d撒播黑麥草種子，播種量為15.0 kg/hm2。黑麥草生長期間不施肥。每季水稻收獲后秸稈全部移出小區。
水稻—水稻—紫云英（RRC）：小區面積為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，早晚稻移栽密度分別為31.8萬和33 萬株/hm2。晚稻收割前10～15 d在小區內播撒紫云英種子，播種量為33 kg/hm2，紫云英生長期間不施肥。每季水稻收獲后秸稈全部移出小區。
水稻—水稻—大麥（RRB）：小區面積 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。早晚稻移栽密度分別為31.8萬和33 萬株/hm2。晚稻收獲后開溝排水，翻耕后播種大麥，播種量為250 kg/hm2，大麥播種前施入基肥。
水稻—水稻—冬閑（RRW）：小區面積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。基肥為70%的氮肥和全部磷肥，追肥為30%的氮肥和全部鉀肥。
水稻—水稻—油菜（RRO）：小區面積66.7 m2。早晚稻品種分別為湘早秈45號和黃花粘，移栽密度分別為33萬和30 萬株/hm2。晚稻收獲后開溝排水，翻耕后移栽油菜，油菜品種為希望98，移栽密度為平均8.5 萬株/hm2。
烤煙—水稻（RT）：小區面積為13.4 m2。先種植烤煙，待烤煙收獲后再種植水稻，試驗種植烤煙品種為云煙87，水稻品種為兩優6206，烤煙種植密度2 萬株/hm2，水稻33 萬株/hm2。
水稻—冬閑（RW）：小區面積為66.7 m2。于水稻移栽前一天撒施基肥，在移栽后8～15 d追肥。基肥為60%的氮肥和全部磷鉀肥，追肥為40%的氮肥和全部鉀肥，種植密度為25 萬株/hm2。
水稻—油菜（RO）：小區面積為66.7 m2。水稻移栽密度25 萬株/hm2。水稻收獲后開溝排水，翻耕后移栽油菜，移栽密度為8.5 萬株/hm2。
水稻—綠肥（RG）：小區面積為40 m2。水稻品種為超級雜交水稻Y兩優7號，移栽密度為33萬株/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撒播紫云英種子，品種為紫云英2號，播種量為33 kg/hm2。紫云英生長期間不施肥。紫云英在次年水稻移栽前15 d全部翻壓還田。
棉花—油菜（CR）：小區面積為40 m2。棉花在春季種植，品種為湘雜棉3號。每年4月中旬育苗，5月中旬移栽，移栽密度為7.5 萬株/hm2，10月下旬收獲。油菜品種湘油16號，于每年9月下旬育苗，棉花收獲后移栽，移栽密度為7.8 萬株/hm2，翌年5月初收獲。
大豆—紅薯（SS）：小區面積為66.7 m2。大豆在3月底至4月初種植，采用穴播方式，每穴播種3～4粒，平均密度為25 萬穴/hm2，7月初收獲。大豆收獲后，翻耕起壟，移栽紅薯，移栽密度為4.0萬株/hm2。
玉米—蘿卜（MR）：小區面積為66.7 m2。玉米在春季播種，播種方式為穴播，一穴一粒，播種密度為4.5 萬株/hm2。玉米收獲后及時翻耕整地。蘿卜種植采用廂作，廂寬1.5 m，播種密度為10.5 萬株/hm2，每穴播1～2粒。
1.3 土壤樣品采集與理化性質測定
長期定位試驗小區的土壤樣品，均在每年最后一季作物收獲后采集。采樣前，將小區內殘留的作物秸稈等全部移除，在每個小區內隨機選取5個點，用不銹鋼土鉆采集耕層（0～20 cm）土壤樣品，挑去動植物殘體、根系和石塊，混合均勻后裝入塑料袋，帶回實驗室放入4 ℃箱保存備用。土樣理化性質測定均參照《土壤農化分析》[10]相關方法進行。
1.4 內梅羅指數法
內梅羅指數法是國際上應用較普遍的土壤綜合肥力評價方法[11-12]，它可以消除土壤各肥力指標之間量綱的差異，通過此方法計算出的土壤分肥力系數處于0～3之間，使得相同的參數之間可比性較強，且同一級別的各屬性之間分肥力系數比較接近，可比性較高。
分肥力系數（IFIi）的計算公式為：
式中：IFIi為分肥力系數，x為該屬性測定值，xa與xp為分級標準下、上限，xc為介于分級標準上、下限間。各屬性值分級標準（xa,xc,xp）主要參考第二次全國土壤普查標準（表2），每個等級反映了其各自的土壤肥力狀況。上限值（xa）是指綜合肥力處于低等級土壤的上限值，小于等于xa均屬綜合肥力低等級土地，xp下限值指綜合肥力高等級的最低值，大于等于xp均屬于綜合肥力高等級土地[13]。
表2 土壤各屬性的分級標準值Table 2 Grading standards of soil properties
土壤綜合肥力系數計算方法為：
式中：IFI為土壤綜合肥力系數，IFIi·avg平均值與IFIi·min為土壤各屬性分肥力均值與最小值，n為評價指標個數。
2.1 農田土壤有機質含量動態變化分析
不同種植制度處理農田土壤有機質含量呈現出不同的演變趨勢。雙季稻的RRR和RRC模式的土壤有機質含量均呈逐年緩慢增加趨勢，分別從試驗前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（圖1），年均增加分別為0.31和0.90 g/kg。RRB模式的土壤有機質含量在1998—2011年期間呈逐年緩慢增加趨勢，2011年之后呈明顯下降趨勢，2015年其有機質含量與試驗前有機質含量無明顯差異。RRW模式的土壤有機質呈波浪型增加趨勢，在2005—2014年期間年均增加1.10 g/kg。與其它雙季稻模式不同，RRO模式的土壤有機質含量呈逐年下降趨勢，自2007年至2015年其有機質含量由58.70 g/kg下降到了46.90 g/kg，年均下降1.31 g/kg。在4種一季稻模式中，RO和RG模式的土壤有機質含量相對較低，呈逐年緩慢增加趨勢，其年均增加量分別為2.11和0.60 g/kg。RT和RW模式的土壤有機質含量呈緩慢下降趨勢，年均下降0.31和1.38 g/kg。與雙季稻和一季稻模式相比，旱作模式的土壤有機質含量相對偏低，其中CR模式的土壤有機質含量明顯高于SS和MR模式，且其有機質呈明顯增加趨勢，年均增加1.20 g/kg，而SS和MR模式的土壤有機質含量年際變化相對較大且無明顯增加或下降趨勢。
圖1 湖南省不同種植制度農田土壤有機質含量的長期變化Fig. 1 Long-term evolution of organic matter content under different cropping systems in Hunan province
2.2 農田土壤全氮和堿解氮含量動態變化分析
湖南省不同種植制度處理農田土壤全氮含量的演變趨勢與有機質含量的演變趨勢較為一致。在雙季稻模式中， RRR、RRB和 RRC模式的土壤全氮含量相對較低，均呈較為明顯的增加趨勢，其全氮含量年均增加分別為0.02、0.05和0.01 g/kg（圖2）。與之相反，RRW和RRO模式的土壤全氮含量相對較高，達到了2.34～4.38 g/kg，且均隨試驗年限延長呈下降趨勢，年均下降分別為0.02和0.12 g/kg。在一季稻模式中，農田土壤全氮含量相對較高的RT和RW模式的土壤全氮含量呈下降趨勢，年均下降分別為0.03和0.13 g/kg。農田土壤全氮含量相對較低的RO模式的全氮含量則呈上升趨勢，年均增加0.09 g/kg。RG模式的土壤全氮含量則相對變化不明顯。三種旱作模式的土壤全氮含量表現為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模式為0.05 g/kg，SS模式為0.02 g/kg。
圖2 湖南省不同種植制度農田土壤全氮含量長期變化Fig. 2 Long-term evolution of total N content under different cropping systems in Hunan province
不同種植制度土壤堿解氮含量隨時間變化趨勢存在明顯差異。在雙季稻模式中，RRW和RRO模式的土壤堿解氮含量約在300 mg/kg左右（圖3），整體高于其它三種雙季稻模式，且年際間波動較大，其中RRW模式的土壤堿解氮含量在試驗期間略有增加，年均增加2.00 mg/kg，而RRO模式的堿解氮在試驗后期呈明顯下降趨勢，年均下降8.01 mg/kg。RRR、RRC和RRB模式的土壤堿解氮則均有不同程度的增加，其中RRC模式的土壤堿解氮含量增加速率相對較快，年均增加3.17 mg/kg。四種一季稻模式農田土壤堿解氮含量年際變化相對較大，其中RW模式的土壤堿解氮含量相對較高，在試驗期間年均增加7.71 mg/kg。RT和RO模式的土壤堿解氮含量在159.00～193.50 mg/kg之間波動，在試驗期間略有增加。RG模式的土壤堿解氮含量相對偏低，且呈下降趨勢，年均下降2.13 mg/kg。三種旱作模式的土壤堿解氮含量均有不同程度的增加，其中CR模式的堿解氮含量年均增加4.55 mg/kg，SS和MR模式的土壤堿解氮含量年均增加分別為3.88和1.38 mg/kg。
圖3 湖南省不同種植制度農田土壤堿解氮含量的長期變化Fig. 3 Long-term evolution of alkaline hydrolysis N content under different cropping systems in Hunan province
2.3 農田土壤速效磷和速效鉀動態變化分析
不同種植制度土壤速效磷含量的演變趨勢存在較大差異。雙季稻模式中的RRR和RRO模式的土壤速效磷含量明顯高于其它三種雙季稻模式，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（圖4），年均增長1.81 mg/kg。RRO模式則呈下降趨勢，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則相對偏低，基本上低于20.00 mg/kg。RRC和RRW模式的土壤速效磷含量呈緩慢增加趨勢，年均增加分別為0.26和0.34 mg/kg，而RRB模式的土壤速效磷含量則呈較明顯的逐年降低趨勢，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顯高于其它三種一季稻模式，且隨試驗年限呈增加趨勢，年均增加4.82 mg/kg。RW、RO和RG模式的土壤速效磷含量均呈緩慢增加趨勢，年均增加分別為0.52、0.83和0.74 mg/kg。三種旱作模式的土壤速效磷含量的演變趨勢較為一致，均在試驗前期變化不明顯，在試驗后期呈增加趨勢，CR、SS和MR的土壤速效磷含量年均增加分別為1.23、4.76和1.47 mg/kg。
圖4 湖南省不同種植制度農田土壤速效磷含量的長期變化Fig. 4 Long-term evolution of available phosphorus content under different cropping systems in Hunan province
五種雙季稻模式的土壤速效鉀含量均呈下降趨勢，其中RRW模式的土壤速效鉀含量下降較為明顯，自2010—2015年期間年均下降了3.73 mg/kg，RRR、RRC、RRB和RRO模式的土壤速效鉀含量年均分別下降0.69、0.76、1.36和0.99 mg/kg（圖5）。在一季稻模式中，RT模式的土壤速效鉀含量明顯高于其它三種一季稻模式，且呈增加趨勢，年均增加38.00 mg/kg。RW、RO和RG模式的土壤速效鉀含量基本低于100 mg/kg，且均呈逐年緩慢降低趨勢，年均降低分別為3.25、3.14和2.38 mg/kg。在旱作模式中，MR模式的土壤速效鉀含量變化明顯，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模式的土壤速效鉀含量則年際間相對穩定，無明顯變化。
圖5 湖南省不同種植制度農田土壤速效鉀含量的長期變化Fig. 5 Long-term evolution of rapidly available potassium content under different cropping systems in Hunan province
2.4 農田土壤綜合肥力變化分析
采用內梅羅指數法對不同種植制度土壤肥力進行綜合分析，結果顯示不同種植制度土壤的綜合肥力系數（IFI）變化存在較大差異。雙季稻模式中的綜合肥力系數均有不同程度下降，其中RRB模式的IFI下降幅度最大，為6.66%，而RRW模式的IFI年均下降幅度高于其它雙季稻模式（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上升幅度相對較高，增幅接近到了14%。三種旱作模式的IFI相對偏低，但均在試驗年限內呈增加趨勢，其中CR和MR模式的IFI增加幅度均超過了20%。
表3 不同種植制度土壤綜合肥力系數變化Table 3 Changes of soil integrated fertility indexes of different cropping systems
3.1 湖南省不同種植制度農田土壤有機質長期演變
土壤有機質是衡量土壤肥力的核心指標，控制著諸多土壤理化性質和主要生物地球化學循環過程[14]。國內外研究表明不同種植制度顯著影響土壤有機質含量[15-17]。本研究結果表明，湖南省不同種植制度農田土壤有機質含量變化趨勢均存在較大差異。在雙季稻模式中，水稻—水稻—黑麥草、水稻—水稻—紫云英和水稻—水稻—冬閑模式的土壤有機質含量均有不同程度的增加，這可能與長期綠肥翻壓還田和長期大量配施有機肥有關。綠肥是有機物質，施入土壤后礦化可形成有機質，同時，綠肥富含碳氮等元素，施用可提高作物產量，增加作物生物量及其殘留量，從而增加土壤有機質含量[2]。但曾希柏等[18]認為傳統的水稻—水稻—紫云英土壤有機質的變化幅度不大，而本研究中水稻—水稻—綠肥土壤有機質年均增長量達到了1.00 g/kg左右，兩者之間的差異可能是由于土壤成土母質不同或是種植年限不同而造成。此外，相關研究指出長期有機物料還田和有機無機肥配施有利于土壤有機質的提升[19-21]。相比之下，水稻—水稻—油菜模式雖然有大量的化學肥料投入，但其土壤有機質含量卻呈逐年下降趨勢，其主要原因可能是油菜種植過程中需要進行開溝排水和耕作層翻耕等農事操作，造成耕層土壤好氧環境，進而加速土壤有機碳的礦化分解速率和導致土壤有機碳的快速損失[22-23]。
同樣，由于長期的周期性的淹水—落干水分管理措施和頻繁翻耕，一季稻模式中的烤煙—水稻處理土壤有機質含量也呈逐年下降趨勢。雖然同樣為水旱輪作模式，但水稻—油菜處理的土壤有機質含量呈逐年上升趨勢，這可能與其較高的有機肥投入有關。
與水田相比，旱地土壤有機碳礦化速率相對較快，土壤有機質提升難度相對較大[24]。但在本研究中，由于長期大量的有機肥投入，棉花—油菜和大豆—紅薯處理的土壤有機質均有不同程度的增加，而有機肥投入量相對較低的玉米—蘿卜處理土壤有機質含量變化不明顯，這充分說明了有機肥在提升土壤有機質含量中的重要作用。
3.2 湖南省不同種植制度農田土壤養分長期演變
全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀是土壤綜合肥力屬性的主要貢獻因子[9]。本研究結果表明，湖南省農田不同種植制度土壤全氮和速效養分長期演變均存在較大差異，這與國內外研究結果一致[18,25-26]，其可能原因在于不同種植制度下，不同的水分管理和耕作措施以及不同的作物類型對養分的吸收和需求各異，導致土壤養分受到的影響存在較大差異[18]。
土壤全氮反映土壤氮素的儲量，也是衡量土壤肥力水平的重要指標之一。Mikha等[27]認為種植制度可顯著影響土壤氮素含量。本研究中水稻—水稻—紫云英、水稻—水稻—大麥和水稻—水稻—黑麥草輪作下土壤全氮含量均隨試驗年限呈上升趨勢，其中水稻—水稻—紫云英輪作的全氮年均增長率最高，分別是水稻—水稻—大麥和水稻—水稻—黑麥草輪作的6.15倍和2.21倍，同時水稻—水稻—紫云英輪作下土壤堿解氮的增加速率最高。這是由于紫云英屬豆科固氮作物，能夠吸收固定大氣中的氮素，同時能吸收耕層以下的氮磷養分并累積至耕層[28]。水稻—水稻—黑麥草輪作下全氮年增加量僅次于水稻—水稻—綠肥，這可能是由于黑麥草具有強大的須根系，能減少硝態氮隨水分下滲的遷移[29]。同時，由于紫云英、黑麥草翻壓作綠肥能提高氮素在土壤中的殘留率，減少氮的氣態損失[30]。但是水稻—水稻—大麥和水稻—水稻—黑麥草的土壤堿解氮含量年均增加幅度存在較明顯差異，其差異的主要原因有待進一步研究。由于土壤有機質與土壤氮含量存在一定的相關性，因此，水稻—水稻—油菜處理的土壤全氮和堿解氮含量也均呈明顯的下降趨勢。烤煙—水稻和水稻—冬閑土壤全氮含量隨年限延長而減少，不利于土壤全氮的累積，這可能是水稻—冬閑和水稻—水稻—冬閑輪作由于冬閑減少了作物對土壤的覆蓋，而冬季作物覆蓋有利于減少土壤氮素的流失[31]，同時烤煙—水稻輪作中煙草對氮的需求量相對較大，這也在一定程度上降低了土壤氮素含量。玉米—蘿卜處理的土壤全氮含量增加速率相對高于其它旱作模式，這可能與其較高的氮肥投入量有關，但其土壤堿解氮含量增加幅度明顯低于棉花—油菜和大豆—紅薯處理，其原因尚待進一步探明。
本研究大部分種植制度土壤速效磷含量均有不同程度的增加，尤其是雙季稻模式中的水稻—水稻—黑麥草，一季稻模式中的烤煙—水稻和旱作模式中的大豆—紅薯處理的土壤速效磷增加幅度相對較大，這可能與紅壤具有強大的固磷能力有關[32]。長期施用磷肥導致磷素在土壤中持續累積，累積的全磷在土壤速效磷低于一定水平時又可以轉化為速效磷。另一方面也與上述處理長期施用大量磷肥有關，如烤煙—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—大麥輪作土壤速效磷卻隨時間呈線性遞減趨勢，這可能是由于相對較低的磷肥投入量滿足不了三季作物的需磷量，從而導致土壤速效磷含量的下降；
另外也可能是供試土壤的初始全磷含量相對較低所致。有研究表明，在土壤初始全磷含量相對較低情況下，全磷的累積不會提高速效磷含量[33]。但值得注意的是水稻—水稻—紫云英處理土壤初始全磷含量同樣較低，速效磷含量卻隨年限延長呈線性增加趨勢，這應該是綠肥轉化為有機質過程中可活化土壤中固定的磷素所致[2]。水稻—水稻—黑麥草輪作下速效磷年增加速率較高，這可能是由于黑麥草強大的須根系能通過其根際活性促進土壤磷有效化進程[29]。三種旱作模式土壤的速效磷含量均有較大幅度提升，尤其是大豆—紅薯模式。國內外均有研究表明，旱地作物輪作有利于提高土壤磷的累積，尤其是輪作中存在豆科作物時，豆科作物不但促進了氮的累積，同時能提高磷的可利用率，促進了磷的累積[26,34]。鉀是植物必需的營養元素之一，土壤中速效鉀是植物所需鉀的主要來源。種植制度的不同，作物對施鉀的反應大不相同，從而引起各種種植制度下土壤鉀含量的差異[35]。本研究結果顯示雙季稻模式耕層土壤速效鉀含量均呈下降趨勢，一季稻模式除了稻煙輪作外耕層土壤速效鉀含量也均呈下降趨勢。雙季稻和一季稻模式大多屬于水旱輪作，頻繁的干濕交替過程致使土壤始終處于有氧—厭氧交替的狀態，導致大量速效鉀被土壤中的黏土礦物固定并阻礙緩效鉀的釋放，進而降低土壤中速效鉀含量[36-37]。另一方面，土壤速效鉀含量的下降也可能與鉀肥用量相對較低有關，如水稻—水稻—冬閑模式的鉀肥用量遠低于其它雙季稻和一季稻模式，其耕層土壤速效鉀含量下降速率卻遠高于其它模式。與其它雙季稻和一季稻模式不同，烤煙—水稻模式雖然也屬于水旱輪作，但其耕層土壤速效鉀含量卻呈明顯上升趨勢，其主要原因為煙草屬于喜鉀作物，長期高量的鉀肥投入掩蓋了干濕交替過程對土壤速效鉀的負效應，提高了土壤速效鉀含量。在旱作模式下，相較于大豆—紅薯和棉花—油菜輪作，玉米—蘿卜輪作模式的鉀肥用量相對偏高，其土壤速效鉀含量增加明顯。由于旱地土壤中過量施用的鉀肥不能迅速轉化為土壤其他形態的鉀，造成土壤速效鉀含量過高，反而影響作物的正常生長[38]。因此，玉米—蘿卜輪作可以適當減少鉀肥施用量。
3.3 湖南省不同種植制度農田土壤綜合肥力長期演變
本文采用內梅羅指數法分析了湖南省農田不同種植制度土壤綜合肥力系數的變化，結果顯示湖南省不同種植制度農田土壤肥力演變不同，其原因主要有幾個方面：第一，不同作物殘茬、根系和落葉等殘留物的數量和質量存在較大差異；
第二，不同種植制度所在地區秸稈還田和施肥量不同；
第三，不同種植制度由于作物產量、收獲次數的不同，養分的輸出也不同。第四，不同種植制度影響了土壤溫度、濕度等環境因素及土壤微生物區系，從而影響土壤肥力的演變[39-41]。
盡管雙季稻模式除水稻—水稻—油菜輪作外耕層土壤有機質含量均有明顯上升，但其綜合肥力均有不同程度的下降，其主要原因與土壤速效磷和速效鉀含量下降有關。此外，雙季稻模式中多數處理的土壤全氮和堿解氮均接近或超出分級標準值的下限，因此，湖南省農田雙季稻模式應根據不同輪作作物的需肥特征，適當調整施肥策略，控制氮肥用量，重視和提高磷鉀肥施用量。與雙季稻模式的土壤綜合肥力變化趨勢相反，一季稻模式的綜合肥力均有不同程度的上升，這主要與長期施用磷肥增加了土壤速效磷含量有關。由于長期大量施用氮肥，一季稻模式的土壤全氮含量相對偏高（水稻—綠肥模式除外），應適當降低氮肥用量。另外，烤煙—水稻模式因長期大量施用磷鉀肥，其土壤速效磷鉀含量遠超過了分級標準值的下限，需要適當降低磷鉀肥用量。水稻—油菜、水稻—冬閑和水稻—綠肥模式的土壤速效鉀含量相對較低，應重視鉀肥的施用。旱作模式土壤肥力均有明顯上升，除了與其初始土壤肥力相對較低有關外，還與其長期大量施用磷肥，尤其是大豆—紅薯和玉米—蘿卜輪作模式，導致土壤有效磷含量快速提升有關，但鑒于其土壤有機質、全氮和速效鉀含量相對偏低，而速效磷含量大多接近分級標準值的下限，應在注重培肥地力的基礎上重視氮鉀肥施用和控制磷肥用量。
研究表明，長期農民習慣性施肥條件下，不同種植制度農田土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀的演變特征均存在較大差異。雙季稻和一季稻模式有機質含量高于旱作模式，除RRO、RT和RW模式的有機質含量逐年下降外，其余均逐年上升；
雙季稻和一季稻模式中全氮、堿解氮和速效磷含量呈逐年下降趨勢，而旱作模式逐年遞增；
雙季稻模式土壤速效鉀含量均呈逐年下降趨勢，而一季稻和旱作模式土壤速效鉀逐年下降趨勢不明顯或無變化。
雙季稻模式由于土壤速效鉀含量下降導致綜合肥力呈逐年下降趨勢，應在控施氮肥基礎上重視鉀肥施用。而一季稻和旱作模式因土壤速效磷含量增加原因，導致土壤綜合肥力均有所上升，應在注重培肥地力的基礎上重視氮鉀肥施用和控施磷肥。本研究結果可為湖南省農田合適的種植制度選擇和土壤肥力科學調控提供理論依據和數據參考。
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