農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)和環(huán)境研究中的作用

張莎娜，譚長(zhǎng)銀，萬大娟，楊 燕，彭 渤，夏偉霞

(湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，中國(guó)長(zhǎng)沙 410081)

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)(Long-term agroecosystem experiments，LTAEs)一般定義為20年以上、有一定規(guī)模，用于研究農(nóng)業(yè)過程的農(nóng)作物產(chǎn)量、養(yǎng)分循環(huán)和環(huán)境效應(yīng)的田間試驗(yàn)［1］.也有人把一季作物或2～3年的試驗(yàn)稱為短期試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間5～10年的試驗(yàn)稱為中期試驗(yàn)，超過10年至幾十年的試驗(yàn)歸入長(zhǎng)期試驗(yàn)，百年以上的試驗(yàn)定位為超長(zhǎng)期試驗(yàn)［2］.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)可以為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生物學(xué)、生物地球化學(xué)和農(nóng)業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)提供有價(jià)值的信息，并可以用于全球變化的預(yù)測(cè)和相關(guān)預(yù)測(cè)模型的建立和驗(yàn)證.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)是一種“長(zhǎng)期”、“定位”的研究方法，具有時(shí)間的長(zhǎng)期性、氣候的可重復(fù)性，信息量豐富、準(zhǔn)確可靠、解釋能力強(qiáng)，因此它具有常規(guī)短期試驗(yàn)不可比擬的優(yōu)點(diǎn).長(zhǎng)期延續(xù)下來的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)看起來很平凡，但從時(shí)間序列上看，只要能堅(jiān)持對(duì)基本試驗(yàn)要素的長(zhǎng)期觀測(cè)，延續(xù)的時(shí)間愈長(zhǎng)，其科學(xué)價(jià)值愈重大.隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域也逐步得到拓展(如物種適應(yīng)性及其他未知領(lǐng)域)(圖1［1］).

對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)的研究成果進(jìn)行總結(jié)，可以加深對(duì)土壤肥力與肥效的變化規(guī)律的理解，也可以揭示常規(guī)農(nóng)業(yè)管理?xiàng)l件下長(zhǎng)期施肥可能產(chǎn)生的生態(tài)過程及其環(huán)境效應(yīng)，并為解決農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)問題積累資料.

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)的發(fā)展概況

國(guó)外的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)起步較早、歷時(shí)長(zhǎng)、連續(xù)性較好，已成為一種比較成熟、綜合性較強(qiáng)的科學(xué)研究方法.1843年Lawes 和Gilbert 在英國(guó)洛桑試驗(yàn)站(Rothamsted Experimental Station)開始的田間試驗(yàn)被公認(rèn)為持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，經(jīng)過幾代科學(xué)家170年的持續(xù)努力，洛桑試驗(yàn)站為農(nóng)業(yè)和環(huán)境重要研究項(xiàng)目提供了許多寶貴信息.此外，持續(xù)50年以上比較有影響的試驗(yàn)還有美國(guó)的Morrow(1876)和Sanborn(1888);丹麥的Askov(1894);德國(guó)的Eternal Rye(1878)和Static Fertilizer(1902);澳大利亞的Rutherglen(1913)、Longerenong(1917)和Waite(1925);波蘭的Skiemiewice(1923);加拿大的Lethbridge(1911)和Breton(1930)等設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期試驗(yàn).可以看出，這些經(jīng)典的長(zhǎng)期試驗(yàn)主要分布在比較穩(wěn)定的發(fā)達(dá)國(guó)家，發(fā)展中國(guó)家相對(duì)較少［1］.

圖1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)的作用隨時(shí)間的變化Fig.1 Changes in the role of LTAEs over time

我國(guó)長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)起步較晚，且很多試驗(yàn)站沒有維持下來.1987年國(guó)家計(jì)委和農(nóng)業(yè)部在全國(guó)重點(diǎn)農(nóng)區(qū)不同類型的土壤上建立了9 個(gè)土壤肥力和肥料效益長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)基地，組成了國(guó)家級(jí)大型土壤肥力和肥料效應(yīng)長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)站網(wǎng)絡(luò).這9 個(gè)監(jiān)測(cè)基地橫跨我國(guó)4 個(gè)氣候帶，9 種土壤類型，采用統(tǒng)一的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及觀察研究方法，具有空間上的多點(diǎn)性和時(shí)間上的連續(xù)性，代表性強(qiáng)，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)較為系統(tǒng)和全面的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基地［2］.20世紀(jì)80年代末，中國(guó)科學(xué)院在全國(guó)建立了主要由36 個(gè)生態(tài)系統(tǒng)定位實(shí)驗(yàn)站組成的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN).其中與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)密切相關(guān)的有海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站、沈陽生態(tài)實(shí)驗(yàn)站、禹城農(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)站等12 個(gè)試驗(yàn)站.肥料效應(yīng)長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)站網(wǎng)絡(luò)和中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)形成了覆蓋我國(guó)幾乎所有農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，有明確的科學(xué)目標(biāo)、廣泛的研究?jī)?nèi)容:土壤肥力動(dòng)態(tài)、施肥制度，有機(jī)質(zhì)分解、積累與平衡，不同污染物在土壤-植物系統(tǒng)的遷移、運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，生物多樣性和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，農(nóng)業(yè)環(huán)境演變及其與全球變化的關(guān)系等.該網(wǎng)絡(luò)的形成為開展我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及其功能演變的研究、探索農(nóng)業(yè)生態(tài)過程的地理分異規(guī)律、加強(qiáng)新理論和新技術(shù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ).

2 長(zhǎng)期試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)生態(tài)過程研究中的作用

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤肥力及農(nóng)作物產(chǎn)量的影響

長(zhǎng)期施肥條件下土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量變化規(guī)律是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，很多長(zhǎng)期試驗(yàn)得出的結(jié)論認(rèn)為，有機(jī)肥和化肥對(duì)作物有極好的增產(chǎn)效果和持續(xù)的增產(chǎn)作用.Cooke 分別統(tǒng)計(jì)了洛桑試驗(yàn)站各試驗(yàn)地18～61年6 種農(nóng)作物長(zhǎng)期施用化肥與廄肥的效果，總的趨勢(shì)是化肥的肥效略高于廄肥;化肥和廄肥配合無論是近期或者長(zhǎng)期都可取得較高的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益［3-4］.淋溶土上的研究表明，長(zhǎng)期小麥/大豆輪作條件下，不施肥及僅施NP 肥處理的大豆和不施肥以及僅施N 肥處理的小麥產(chǎn)量下降;NPK 配施糞肥或石灰的處理小麥產(chǎn)量增加［5］.在法國(guó)西南部的石灰性土上，長(zhǎng)期不施鉀肥嚴(yán)重影響谷子—油菜—蠶豆輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量，鉀的投入有助于農(nóng)作物產(chǎn)量的提高;長(zhǎng)期不施肥土壤中的可交換鉀含量輕微下降，但沒有達(dá)到營(yíng)養(yǎng)平衡水平［6］.Bhandari 等［7］在印度的研究表明，無機(jī)肥配施有機(jī)肥能顯著提高水稻、小麥籽粒的產(chǎn)量;美國(guó)德克薩斯州進(jìn)行的玉米/棉花輪作施肥實(shí)驗(yàn)中，長(zhǎng)期施用高量N 肥比施用低量N 肥使作物殘差覆蓋度增加了8%;平衡施用NPK 肥可以提高塊根和地上部生物量［8］.德國(guó)50年的長(zhǎng)期試驗(yàn)研究表明，小麥/玉米輪作過程中施用廄肥或秸稈還田配施NPK 化肥可以獲得較高的產(chǎn)量;對(duì)小麥而言，輪作的增產(chǎn)效應(yīng)不受施肥的影響，對(duì)玉米而言，施肥降低了幾乎一半的輪作效應(yīng)［9］.Rebafka 等［8］在非洲的研究表明，秸稈還田配施磷肥可以顯著地提高稻谷的產(chǎn)量;尼日爾的酸性沙土中，無論長(zhǎng)期還是短期的殘差還田可使稻谷增產(chǎn)高達(dá)60%，不還田的則迅速減產(chǎn);而殘差還田配施磷肥，可以獲得更高的產(chǎn)量和干物質(zhì)生物量［10］.Dybzinski［11］分析認(rèn)為，長(zhǎng)期施肥使得農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性增加，從而增加土壤肥力，提高作物產(chǎn)量.

在我國(guó)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)研究中，化肥和有機(jī)肥對(duì)土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量的持續(xù)影響一直是研究的重點(diǎn).王飛等［12］的研究表明:長(zhǎng)期化肥配施牛糞或秸稈還田有利于提高水稻子粒Zn、B、Cu 等微量元素含量和產(chǎn)量，改善子粒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì).在第四紀(jì)紅土紅壤發(fā)育的水稻土上的實(shí)驗(yàn)研究表明，長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥可以使土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、可礦化N 量均增加，化肥和稻草長(zhǎng)期配合施用可以維持和提高紅壤水稻土的生產(chǎn)力和土壤肥力，使水稻獲得持續(xù)高產(chǎn);而不施肥、施用單一化肥的處理，土壤養(yǎng)分含量和稻田的生產(chǎn)力顯著降低［13］.曹志洪［14］在常熟生態(tài)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行的稻麥兩熟制下土壤養(yǎng)分平衡與培肥長(zhǎng)期試驗(yàn)研究表明，化肥加秸稈粉碎還田可以有效地促進(jìn)土壤養(yǎng)分的積累，維持土壤有機(jī)質(zhì)的平衡，增加作物的產(chǎn)量;有機(jī)、無機(jī)肥的配合施用是合理利用資源，保持和提高土壤肥力的重要施肥制度.欽繩武等［15］長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究的結(jié)果表明:N、P 肥配合施用使潮土生產(chǎn)能力顯著提高，一旦停止施肥，農(nóng)作物產(chǎn)量迅速下降到很低水平;在試驗(yàn)施肥模式和產(chǎn)量水平下，大多數(shù)潮土中的N、P 養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)都略有盈余，而K 養(yǎng)分則普遍虧缺.

長(zhǎng)期施肥不僅影響土壤的養(yǎng)分狀況，也同樣影響土壤的重要性質(zhì).唐旭等［16］研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用無機(jī)肥可破壞土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并導(dǎo)致土壤酸化，使大麥產(chǎn)量逐年降低.在湖南祁陽典型紅壤上進(jìn)行不同施肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)18年的研究結(jié)果表明:施用化學(xué)氮肥所引起的pH 降低是作物產(chǎn)量和NPK 養(yǎng)分降低的主要原因之一;而施用有機(jī)肥能改善紅壤酸度，尤其是化學(xué)肥料配施有機(jī)肥能獲得持續(xù)高產(chǎn)，是紅壤區(qū)的最佳施肥模式［17］.另有研究表明:長(zhǎng)期施用NPK 肥和秸稈覆蓋能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮和全磷含量，施肥、秸稈覆蓋和灌水對(duì)土壤全鉀含量總體上影響不顯著［18］;施用有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)配施能夠增加松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)、緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的總量，提高松/緊比值，而這也是有機(jī)肥能夠培肥土壤的重要原因之一［19］.劉小粉等［20］利用分形維數(shù)評(píng)價(jià)不同施肥處理對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn):長(zhǎng)期進(jìn)行有機(jī)肥—化肥配施的土壤其大團(tuán)聚體含量較多，團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好，有機(jī)質(zhì)含量較多，土壤容重較小，孔隙搭配合理，水肥能得到有效利用.對(duì)東北黑土長(zhǎng)期施肥及養(yǎng)分再循環(huán)的研究發(fā)現(xiàn)，無肥、單施N 肥、單施P 肥和原始有機(jī)農(nóng)業(yè)循環(huán)方式條件下黑土總有機(jī)碳(TOC)呈下降趨勢(shì)，合理施用化肥和化肥加有機(jī)肥模式能保持黑土TOC 穩(wěn)定或略有增加［21-22］.有機(jī)肥與化肥配合施用較長(zhǎng)期無肥處理可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)水平，增加土壤全N 含量［23］，施用有機(jī)肥比無機(jī)肥更能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量［24］.王伯仁等［25］對(duì)旱地紅壤連續(xù)13年定位監(jiān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期進(jìn)行有機(jī)-無機(jī)肥料配合施用，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐步提高;長(zhǎng)期單施化肥，土壤交換性H+、Al3+顯著增加，旱地紅壤酸化明顯，作物生長(zhǎng)受阻，產(chǎn)量降低.鄒長(zhǎng)明等［26］的研究表明，施用含S 化肥15年后導(dǎo)致水稻土表層土壤pH 明顯下降、SO2－4明顯累積.施用含S 化肥24年后，土壤有效Cu、B、Mn 及全Ca 含量有增加趨勢(shì)，對(duì)有效Mo、Zn 及總Mg 似乎沒有影響;長(zhǎng)期施用含硫化肥已顯著減少水稻(尤其是晚稻)對(duì)Fe、Mo、B、Mg、Cl 的吸收，并導(dǎo)致水稻減產(chǎn).洛桑試驗(yàn)站的經(jīng)典試驗(yàn)還表明，長(zhǎng)期施用氨態(tài)N 肥可導(dǎo)致土壤Al3+的溶出，土壤酸化［27］.張永春等［28］研究太湖地區(qū)典型土壤黃泥土上26年的長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理對(duì)土壤pH 和土壤酸堿緩沖容量有顯著影響，長(zhǎng)期施用尿素、有機(jī)肥及水稻秸稈均導(dǎo)致土壤的酸化，增施尿素可顯著促進(jìn)土壤酸化，尿素和水稻秸稈或有機(jī)肥配施所引起的土壤酸化速率均大于單施尿素處理.

各國(guó)的研究均表明，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)?zāi)軌蛟谧畲髸r(shí)間尺度上提供傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過程的可靠信息，根據(jù)這些歷史信息可以更好地預(yù)測(cè)未來土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量的變化趨勢(shì)，并為建立和檢驗(yàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)提供有效途徑.

2.2 長(zhǎng)期試驗(yàn)對(duì)土壤微生物活性及微生物多樣性的影響

不同肥料的施用改變了土壤微生物的能源結(jié)構(gòu)及微生物的生存環(huán)境，從而對(duì)土壤微生物的活性及其多樣性產(chǎn)生重要影響.李娟等［29］在國(guó)家褐潮土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地，應(yīng)用氯仿熏蒸—K2SO4提取法和化學(xué)分析法分析了15年不同施肥處理的農(nóng)田土壤，認(rèn)為長(zhǎng)期有機(jī)無機(jī)肥料配施可提高土壤微生物量、脲酶活性;土壤微生物學(xué)特性可以反映土壤質(zhì)量的變化，可用作評(píng)價(jià)土壤健康的生物指標(biāo).侯曉杰等［30］應(yīng)用BIOLOG 技術(shù)，發(fā)現(xiàn)裸地條件下，肥料合理配施可以增強(qiáng)微生物的碳源利用效率，顯著增加微生物功能多樣性;地膜覆蓋和施肥的交互作用降低了微生物對(duì)碳源的利用率，降低微生物的豐富度，改變其均勻度;土壤微生物碳源利用的差異顯著受到土壤pH、速效鉀含量的影響;有機(jī)碳、速效氮含量及土壤碳氮比對(duì)土壤微生物群落功能多樣性有決定性影響.

進(jìn)一步的研究表明，長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性和微生物功能多樣性有重要影響.在棕壤分布區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施肥與地膜覆蓋對(duì)土壤肥力指標(biāo)和微生物學(xué)性質(zhì)有重要影響［31］.白震［32］在黑土肥料定位站以未施肥(CK)和休閑(Fallow)處理為對(duì)照，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期有機(jī)肥施用有效提高了土壤有機(jī)質(zhì)、總氮及速效氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，顯著增加了SMBC(SMBN)和真菌、細(xì)菌的PLFA 含量以及磷酸酶活力，極大地提高了土壤真菌/細(xì)菌比值;而長(zhǎng)期NP 或NPK 處理不但未明顯改善土壤養(yǎng)分狀況，甚至抑制了磷酸酶活性及大多數(shù)菌群生長(zhǎng).周斌［33］在灰漠土農(nóng)田土壤研究中發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施肥后灰漠土土壤的生物活性(蛋白酶、腮酶、磷酸酶、蔗糖酶活性)比試驗(yàn)前均有所提高;不同施肥處理下土壤酶活性和土壤理化性質(zhì)存在明顯差異，N 和有機(jī)質(zhì)含量是制約灰漠土土壤酶活性的關(guān)鍵因子.

3 長(zhǎng)期試驗(yàn)在環(huán)境問題研究中的作用

3.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤溫室氣體排放和固定的影響

與自然土壤相比，農(nóng)田土壤在全球碳庫中是最為活躍的土壤類型之一，是受到強(qiáng)烈人為擾動(dòng)且短時(shí)間內(nèi)可調(diào)節(jié)的碳庫，因而農(nóng)業(yè)土壤碳庫儲(chǔ)量及其固碳能力是評(píng)估溫室氣體減排潛力的重要依據(jù).據(jù)估計(jì)，全球農(nóng)業(yè)土壤固碳潛力為20 Pg，歐美諸國(guó)由于實(shí)行保護(hù)性耕作使得近期農(nóng)業(yè)土壤碳庫呈穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)［34］.農(nóng)業(yè)是當(dāng)前具有很大緩解能力和潛力的一個(gè)重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，全球農(nóng)業(yè)減排的自然總潛力高達(dá)5.5～6 Gt·a－1CO2當(dāng)量，其中93%來自減少土壤CO2釋放(即固定土壤碳)，而東南亞是全球最大的農(nóng)業(yè)(土壤)固碳與溫室氣體減排的潛力所在［35］.另有報(bào)道，土壤有機(jī)碳庫中的C 是大氣中C 總量的兩倍，土壤有機(jī)碳庫可能是大氣中多余CO2的一個(gè)匯，這可能是緩解全球氣候變化的一條重要途徑［36］.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)在長(zhǎng)期施肥對(duì)溫室氣體排放和吸收的影響研究中可發(fā)揮重要作用.長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥以及不同的施肥方式均影響CO2、N2O、CH4等土壤溫室氣體排放.美國(guó)Missouri 的長(zhǎng)期試驗(yàn)研究表明，施用化肥和有機(jī)肥在增加作物產(chǎn)量的同時(shí)也增加了有機(jī)物料的數(shù)量，有機(jī)物料循環(huán)可以顯著增加土壤有機(jī)碳含量［1］.陳杰華等［37］采用DNDC 模型來探討長(zhǎng)期不同耕作措施下紫色水稻土壤有機(jī)碳變化趨勢(shì)，結(jié)果表明:經(jīng)過15年的耕種，4 種耕作制度的土壤有機(jī)碳含量都較原始有機(jī)碳含量有所上升.模擬結(jié)果證明，長(zhǎng)期實(shí)施秸稈還田可提高土壤有機(jī)碳含量，秸稈還田配合壟作免耕對(duì)土壤有機(jī)碳的增長(zhǎng)效果更好.在黑土、灰漠土和紅壤的長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)研究中同樣發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無機(jī)肥料配施能維持和提高土壤有機(jī)碳含量［38］.進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn):秸稈還田有利于促進(jìn)表土有機(jī)碳的固定，水田在保持較高固碳速率的同時(shí)，還延長(zhǎng)了有效固碳年限［39］.董玉紅等［40］采用靜態(tài)箱/氣象色譜法，研究長(zhǎng)期不同養(yǎng)分配施(CK，NK，NP，PK 和NPK)后的農(nóng)田土壤溫室氣體排放差異.結(jié)果表明，不同處理?xiàng)l件下，土壤CO2排放呈相似的變化趨勢(shì)，受土壤溫度和水分的共同影響，土壤CH4和N2O 的時(shí)間變化在不同處理間存在差異，和溫度水分的關(guān)系不明顯.土壤CO2平均排放通量從小到大依次為CK、NK、PK、NP、NPK，CH4的平均排放通量在各處理中沒有差異，不施肥對(duì)照和PK 處理的平均N2O 排放通量最低，而NP、NK 和NPK 處理明顯高于不含氮肥的處理.此外，另有研究表明:施用有機(jī)肥，尤其是未腐熟的有機(jī)物料如作物秸稈、新鮮綠肥、未腐熟廄肥等，可促進(jìn)農(nóng)田土壤CH4、N2O等微量溫室氣體的排放［41］.這些研究結(jié)果的差異，可能與不同試驗(yàn)的研究目標(biāo)有關(guān)，也與試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，要得到比較準(zhǔn)確可靠的結(jié)論，長(zhǎng)期試驗(yàn)是一個(gè)有效的途徑.

模型模擬是對(duì)環(huán)境演變趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)的有效方法，但模型的建立要以長(zhǎng)期試驗(yàn)提供的可靠數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，也需要長(zhǎng)期試驗(yàn)提供比較系統(tǒng)和完整的信息.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)的大量可靠信息在土壤C 吸收和全球氣候變化的模型模擬中發(fā)揮了重要作用.

3.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤重金屬積累及其有效性的影響

環(huán)境變遷的歷史過程都會(huì)在土壤中留下相應(yīng)信息，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)很好地記錄了這些信息，從而為環(huán)境演變過程研究提供了一條有效途徑.為了解土壤重金屬積累隨時(shí)間的變化規(guī)律及重金屬的來源，Jones 等人分析了洛桑試驗(yàn)站100 多年以來的土壤、肥料以及大氣沉降物樣品中Cd 的含量，結(jié)果表明，自1846年以來，耕層土壤中Cd 含量有顯著增加，而且20世紀(jì)初期以后土壤Cd 含量增加的速度明顯加快.增加的Cd 中有27%～55%來源于大氣沉降，大氣沉降使土壤中Cd 每年增加1.9～5.4 g·hm－2;施用P 肥的處理，土壤Cd 的平均負(fù)荷為每年2 g·hm－2;在土壤Cd 積累方面，土壤有機(jī)質(zhì)含量較土壤pH 值起著更重要的作用;長(zhǎng)期施用有機(jī)肥(廄肥)可以使土壤Cd 含量顯著增加，其積累效應(yīng)較大氣沉降和P 肥施用的總和更顯著［1，42］.陳芳等［43］測(cè)定封丘農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)站長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)土壤中As、Hg、Cd、Pb 含量時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨耕作年限增加，土壤中4 種重金屬含量呈上升趨勢(shì)，土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加從大到小順序?yàn)?Hg、Cd、Pb、As;到2001年為止研究區(qū)土壤重金屬含量尚未超過土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn).譚長(zhǎng)銀等［44］在中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站研究了長(zhǎng)期定量施用NP 化肥和豬糞對(duì)黑土Cd 積累的影響.結(jié)果表明，完全不施肥的自然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程黑土Cd 含量略有增加;長(zhǎng)期定量施用NP 化肥使黑土Cd 含量顯著增加，但不同化肥用量對(duì)黑土Cd 積累的影響無顯著差異;長(zhǎng)期施用豬糞可顯著增加黑土Cd 的積累，并有加速積累的趨勢(shì)，含Cd 飼料添加劑可能是豬糞中Cd 的重要來源，但農(nóng)田土壤中有機(jī)肥的來源不同對(duì)土壤重金屬積累的影響也不同.在中國(guó)科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站的長(zhǎng)期試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn):單施化肥可以明顯降低土壤Cd 含量，水稻收獲時(shí)的移出效應(yīng)可能是Cd 含量減少的主要原因;而施用有機(jī)肥的處理，有機(jī)物料的循環(huán)在歸還養(yǎng)分的同時(shí)，也歸還了Cd;施用化肥和有機(jī)物料循環(huán)可以使紅壤稻田Pb 含量增加，對(duì)Cu 和Zn 的積累作用不顯著［45］.

長(zhǎng)期施肥不僅可以影響土壤中重金屬的積累，不同肥料的施用對(duì)土壤重金屬的有效性也有重要影響.對(duì)封丘實(shí)驗(yàn)站不同施肥條件下潮土Cu、Zn、Fe、Mn 含量的研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理之間Cu、Zn、Fe、Mn 的全量無顯著差異，但施用有機(jī)肥的處理DTPA 提取態(tài)Cu、Zn、Fe、Mn 含量顯著高于對(duì)照［46］.王開峰等［47］以中國(guó)科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為依托，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)和活性有機(jī)質(zhì)可以顯著提高土壤有效態(tài)Zn、Cu、Cd 含量，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬有明顯的“活化作用”，并建議在重金屬本底值較高的稻田中慎用有機(jī)肥.對(duì)中國(guó)南方紅壤和北方黑土長(zhǎng)期試驗(yàn)研究表明，長(zhǎng)期施用豬糞不僅增加土壤Cd 積累，也增加交換態(tài)Cd 在全量Cd 中所占的比例［48-49］.孫花等［50］也認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)的含量和組成可以影響重金屬在土壤中的積累、遷移轉(zhuǎn)化過程及其生物有效性.

3.3 其他農(nóng)業(yè)環(huán)境問題研究

化肥和有機(jī)肥的不合理施用有可能導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失及水體富營(yíng)養(yǎng)化等問題.在日本琦玉農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的長(zhǎng)期試驗(yàn)(1904年布置試驗(yàn))發(fā)現(xiàn)，連續(xù)80年完全不施肥的處理，水稻產(chǎn)量經(jīng)歷了一個(gè)下降—穩(wěn)定—上升—穩(wěn)定的過程:前30年(至1934)下降，隨后的20年(至1954)產(chǎn)量維持穩(wěn)定，從1955年開始產(chǎn)量又大幅增加，此后一直維持在較高的水平.后來研究表明，其主要原因是灌溉水中N 濃度增加了.灌溉水中N 濃度的增加雖然可以導(dǎo)致農(nóng)作物的增產(chǎn)，但也可能帶來水體的富營(yíng)養(yǎng)化［51］.也有試驗(yàn)證實(shí)，歐洲一些地區(qū)地下水的污染并非主要來源于農(nóng)業(yè)中含N 化肥的應(yīng)用，而主要來自土壤中有機(jī)N 的礦化［52］.

水土流失是我國(guó)西部地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題之一，尤其是黃土高原地區(qū)，水土流失對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，極大地增加了下游河道治理與水資源利用的難度.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)在水土保持和農(nóng)業(yè)資源利用方面發(fā)揮了積極作用.宋孝玉等［53］根據(jù)長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)站徑流小區(qū)的觀測(cè)資料對(duì)陜西長(zhǎng)武不同下墊面條件農(nóng)田產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及影響因素進(jìn)行了分析，指出降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的影響起主要作用，在此前提下，降雨歷時(shí)也影響著產(chǎn)流、產(chǎn)沙量;坡度和覆蓋條件也是影響黃土溝壑區(qū)農(nóng)田產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素.

4 研究展望

用數(shù)十年乃至上百年的試驗(yàn)結(jié)果反復(fù)證明某種養(yǎng)分對(duì)作物的增產(chǎn)作用必定有其更廣泛的科學(xué)價(jià)值;事實(shí)上，超過百年歷史的長(zhǎng)期肥力試驗(yàn)記錄著人類活動(dòng)和環(huán)境變遷的豐富信息，是有巨大科學(xué)價(jià)值的寶貴財(cái)富.一百多年來，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)在土壤肥力、養(yǎng)分循環(huán)、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)等方面的研究已經(jīng)取得了許多重要的研究成果，隨著對(duì)相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)問題認(rèn)識(shí)的不斷深入和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以下幾個(gè)方面可能是長(zhǎng)期定位試驗(yàn)重要的研究方向:(1)長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥在不同環(huán)境條件下(如土壤類型、氣候類型、農(nóng)作物類型等)對(duì)養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化及土壤性質(zhì)的影響;(2)長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤重金屬積累過程的影響，特別是近年來畜禽糞便類有機(jī)肥的長(zhǎng)期施用所引起的土壤重金屬積累情況值得進(jìn)一步研究;(3)長(zhǎng)期施用有機(jī)肥所引起的土壤有機(jī)質(zhì)組成和性質(zhì)變化對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)和重金屬遷移轉(zhuǎn)化過程的影響;(4)長(zhǎng)期施用有機(jī)肥和化肥可能帶來的持久性有機(jī)污染物、激素類污染物等對(duì)環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品等構(gòu)成的潛在威脅［54］;(5)長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥及其所引起的土壤養(yǎng)分和土壤性質(zhì)變化對(duì)土壤生物多樣性的影響過程及其機(jī)制研究有待進(jìn)一步深入;(6)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán)對(duì)維持全球碳、氮平衡具有重要意義，可以預(yù)期，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)將為碳、氮循環(huán)的影響因素及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究提供可靠的重要信息.

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