施用豬糞對稻麥產(chǎn)量和土壤磷素積累與淋失的影響

曾鵬宇，但浩，王昌全，楊娟，易云亮，徐強(qiáng)

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川 成都 611130)

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施用豬糞對稻麥產(chǎn)量和土壤磷素積累與淋失的影響

曾鵬宇，但浩，王昌全*，楊娟，易云亮，徐強(qiáng)

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川 成都 611130)

摘 要：為確定農(nóng)田畜禽糞便的安全消納量，在成都平原稻麥輪作條件下，研究施用豬糞后土壤全磷(TP)、有效磷(Olsen–P和Mehlich3–P)、水溶性磷(CaCl2–P)的累積特征，評估磷的淋失風(fēng)險。結(jié)果表明：隨豬糞施用量的增加，土壤全磷含量呈逐漸增加的趨勢，土壤Olsen–P含量 和Mehlich3–P含量在100%豬糞N處理后快速增加，增幅分別為21.87～90.58、53.25～262.82 mg/kg，CaCl2–P含量在100%豬糞N水平后急劇增加，增幅為0.18 ～ 2.40 mg/kg；在稻麥輪作體系下，土壤Olsen–P含量和Mehlich3–P含量流失的臨界值分別為50、125 mg/kg，CaCl2–P含量流失的臨界值為0.6 mg/kg；稻麥輪作周期內(nèi)腐熟豬糞用量為23 364 kg/hm2時(50%化肥N+50%豬糞N處理)，土壤的磷素積累量明顯小于磷素流失臨界值，能夠安全地最大化消納豬糞；50%化肥N+50%豬糞N處理下，水稻產(chǎn)量和小麥產(chǎn)量的和最高，達(dá)13 309.7 kg/hm2，相較于常規(guī)化肥處理的總產(chǎn)量增加了10.01%，其綜合生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

關(guān) 鍵 詞：水稻土；稻麥輪作；豬糞；磷素積累；磷素淋失；成都平原

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中國畜禽糞便的產(chǎn)生量2011年比1978年增加了1.35倍，達(dá)到了25.45億t，畜禽糞便中的磷含量增加了1.66倍，達(dá)到了247.98萬t[1]。豬糞中的全磷含量高達(dá)33.76 g/kg，其中含有較大比例的易溶性磷(平均為44%)[2]。有機(jī)肥中的易溶性磷與施用有機(jī)肥土壤的水溶性磷流失有很大的相關(guān)性[3]。有機(jī)肥過量施用，進(jìn)入農(nóng)田的磷能夠在短期內(nèi)顯著增加土壤全磷、有效磷、水溶性磷的含量[4–5]，但長期大量施用會造成農(nóng)田土壤磷素大量積累，當(dāng)超過一定的閾值時易引發(fā)土壤磷素向水體遷移，造成水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太湖流域來源于農(nóng)田的總磷占入湖總磷的20%，其貢獻(xiàn)率已超過工業(yè)和城市生活的點(diǎn)源污染[7]。滇池入湖總磷中農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷占28%[8]，在南四湖則高達(dá)68%[9]。

當(dāng)土壤中Olsen–P含量超過某一臨界值(磷淋溶量增加的拐點(diǎn))時，土體排出水中的磷含量迅速增加，這一臨界值可以用土壤Olsen–P含量與CaCl2–P含量進(jìn)行模擬，可用于對土壤磷素流失風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測和評價[10–13]。柏兆海等[14]采用Sigma–P含量lot雙線性模型進(jìn)行分析模擬，確定了北京市谷平區(qū)農(nóng)田土壤磷環(huán)境臨界值。關(guān)于不同質(zhì)地水稻土和不同土壤類型磷素環(huán)境敏感臨界值的研究已有報道[12,15]。

目前關(guān)于土壤磷素流失臨界值的研究多是針對磷素積累高的土壤，如菜田土壤[13,16]，主要是采用室內(nèi)培養(yǎng)模擬試驗(yàn)[12,17–18]進(jìn)行研究，采用田間試驗(yàn)的較少。筆者研究成都平原稻麥輪作體系大量施用豬糞后水稻土的全磷、有效磷、水溶性磷含量的積累特征，并分析它們之間的相關(guān)關(guān)系，以確定土壤磷素淋失臨界值和豬糞的合理用量，旨在為成都平原豬糞的資源化利用提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1 材料

供試豬糞為都江堰德宏農(nóng)業(yè)公司提供的經(jīng)過干濕分離的腐熟豬肥，其N、P2O5、K2O含量分別為1.75%、5.95%、1.56%(以干基計(jì)算)，含水量為56%，其他無機(jī)肥料分別為尿素(46.4% N)、過磷酸鈣(12% P2O5)、氯化鉀(60% K2O)。水稻和小麥品種分別為F優(yōu)498和內(nèi)麥838。

供試土壤為岷江流域灰色沖積物發(fā)育的滲育水稻土，其pH為6.63，有機(jī)質(zhì)含量28.40 g/kg，全氮、全磷、全鉀含量為1.40、0.88、22.25 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀含量為113、8.5、53 mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年5月至 2014年5月在四川省都江堰市天馬鎮(zhèn)進(jìn)行。

以常規(guī)農(nóng)田化肥施用中的施氮量作為豬糞用量的標(biāo)準(zhǔn)，采用豬糞中全氮含量替代化學(xué)氮肥，設(shè)計(jì)不同的豬糞用量梯度。水稻和小麥均設(shè)置6個替代水平，試驗(yàn)共有8個處理：1) 不施磷肥；2) 常規(guī)化肥；3) 75%化肥N+25%豬糞N；4) 50%化肥N +50%豬糞N；5) 100%豬糞N；6) 150%豬糞N；7) 200%豬糞N；8) 300%豬糞N。以上處理依次記為P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7。試驗(yàn)重復(fù)3次。稻季和麥季的常規(guī)化肥施用均按照當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣，N、P2O5、K2O用量分別為180 、75、90 kg/hm2，其余各處理中N、K2O的不足部分采用化肥補(bǔ)充。

小區(qū)隨機(jī)排列，其面積為4 m × 5 m。小區(qū)間田埂用0.06 mm厚的塑膠薄膜覆蓋，以防肥、水相互滲透。四周設(shè)保護(hù)行。每個小區(qū)均單設(shè)進(jìn)、排水口。水稻株距、行距分別為13.0、28.5 cm。每穴定植2株。小麥按105 kg/hm2撒施播種。氮、磷、鉀肥和豬糞均作基肥一次性施用。水稻和小麥生長過程中各小區(qū)均為獨(dú)立灌排。適時防治病蟲害。

1.3土壤樣品的采集及相關(guān)指標(biāo)的測定

水稻和小麥產(chǎn)量按小區(qū)全部收獲量計(jì)算。取0～20 cm土層土樣，風(fēng)干過篩，測定土壤全磷、有效磷、水溶性磷的含量。土壤全磷采用 NaOH 熔融–鉬銻抗顯色–分光光度法測定[19]；有效磷(Olsen–P)含量用0.5 mol/L NaHCO3(pH8.5)浸提，采用鉬銻抗比色法測定[19]；Mehlich3–P含量用Mehlich混合液(0.2 mol/L CH3COOH + 0.25 mol/L NH4NO3+ 0.015 mol/L NH4F+0.013 mol/L HNO3+ 0.001 mol/L EDTA)按土水質(zhì)量比1∶10浸提，用鉬銻抗比色法測定[16]；水溶性磷(CaCl2–P)含量用0.01 mol/L CaCl2按土水質(zhì)量比(1∶10)浸提0.5 h，用鉬銻抗比色法測定[11]。

1.4數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，CaCl2含量與Olsen–P含量和Mehlich3–P含量間的關(guān)系采用Sigma–Plot雙線性模型進(jìn)行分析(模擬磷淋失臨界值)。

2　結(jié)果與分析

2.1施用豬糞對稻麥產(chǎn)量的影響

由表1可見，水稻產(chǎn)量隨豬糞施用量的增加呈先增加后逐漸降低的趨勢，在P3處理下最高，為9 087.6 kg/hm2，顯著高于P0、P1和P2處理；P3、P4和P5處理水稻產(chǎn)量間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。小麥產(chǎn)量在P2處理下的最高，為4 491.9 kg/hm2，顯著高于P1處理和P0處理，P2處理和P3處理小麥產(chǎn)量間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；小麥產(chǎn)量隨豬糞用量的增加先增加后逐漸降低，P7處理小麥產(chǎn)量顯著低于P1處理，減產(chǎn)23.12%。P4和P3處理稻麥產(chǎn)量較高，分別比P1處理增產(chǎn)11.39% 和13.96%。綜合比較水稻和小麥的產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)本試驗(yàn)稻麥輪作體系下P3處理的作物產(chǎn)量最高，與P1處理相比增產(chǎn)10.01%，其次為P2處理和P4處理，但三者產(chǎn)量之間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P2、P3、P4處理均顯著高于P1處理和P0處理；P7處理下稻麥體系產(chǎn)量與P1處理相比減產(chǎn)5.24%。由此可知，過量施用豬糞不能持續(xù)增加稻麥產(chǎn)量，甚至降低產(chǎn)量。

表1　不同處理作物的產(chǎn)量Table 1　Crop yields under different treatments

2.2施用豬糞對稻麥輪作土壤全磷含量的影響

從圖1中可以看出，隨著豬糞施用量的增加，水稻季土壤全磷含量增加，不同豬糞用量處理下土壤全磷含量的變化范圍為897 ～ 1 429 mg/kg。豬糞施用處理(P4、P5、P6、P7)比常規(guī)化肥處理P1顯著提高了土壤的全磷含量，P2和P3處理下的土壤全磷含量分別為897、926 mg/kg，與P1處理間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；常規(guī)磷肥處理(P1)下，土壤全磷含量高于不施磷肥處理(P0)，但是2個處理土壤全磷含量間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

小麥季繼續(xù)施用豬糞，處理后土壤全磷含量的變化與水稻季各處理下土壤磷含量的變化趨勢一致，均隨豬糞施用量的增加而增加，尤其是在150%豬糞N用量下，土壤全磷含量顯著增加；小麥季施用豬糞后，土壤中的全磷含量與水稻季相比呈增加趨勢；小麥季除P2處理外，其余施用豬糞處理的土壤全磷含量都顯著高于P1處理。P0和P1處理下土壤全磷含量間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義?？傮w而言，施用豬糞后土壤全磷含量呈逐漸增加的趨勢，且隨豬糞用量的增加而增加。

圖1　各處理小麥季土壤和水稻季土壤的總磷含量Fig.1 Soil total phosphorus content under different treatments in wheat and rice

2.3豬糞施用對稻麥輪作土壤有效磷含量的影響

從水稻季看(圖2)，施用豬糞能明顯提高土壤的Olsen–P含量，且隨著豬糞用量的增加而增加。P7處理下土壤的有效磷含量高達(dá)82 mg/kg。各施用豬糞處理(除P2處理外)土壤的Olsen–P含量均顯著高于P1處理。P1處理的土壤Olsen–P含量高于P0處理，但二者的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2　各處理小麥季土壤和水稻季土壤的Olsen–P含量Fig.2 Content of Olsen–P in soil under different treatments in wheat and rice

與水稻季相比，小麥季繼續(xù)施用豬糞后，土壤的Olsen–P含量增加(圖2)。P7處理下小麥季土壤的Olsen–P含量比水稻季高9 mg/kg。

由圖3可見，不同豬糞處理下，土壤Mehlich3–P含量的變化趨勢與土壤Olsen–P含量的變化趨勢基本一致。在水稻季施用的豬糞明顯提高了土壤的Mehlich3–P含量，且隨著豬糞用量的增加而增加。水稻季P3處理下土壤的Mehlich3–P含量比P1處理顯著增加。P0處理和P1處理土壤Mehlich3–P含量間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

在小麥季繼續(xù)施用豬糞，除P7處理外，土壤的Mehlich3–P含量比水稻季土壤的高。小麥季繼續(xù)施用豬糞后，與水稻季相比，土壤的有效磷含量呈現(xiàn)出低量豬糞施用增加幅度較小、高量豬糞施用下增加幅度較大的趨勢。

圖3　各處理小麥季土壤和水稻季土壤的有效磷含量Fig.3 Content of Mehlich3–P in soil under different treatments in wheat and rice

2.4豬糞施用對稻麥輪作土壤水溶性磷含量的影響

由圖4可知，施用豬糞明顯提高土壤的CaCl2–P含量，且隨著豬糞用量的增加，CaCl2–P含量增加。從水稻季看，P5處理下土壤的CaCl2–P含量比P1處理的顯著增加；P7處理下土壤的CaCl2–P含量高達(dá)2.33 mg/kg；P0處理下沒有從土壤中檢測到CaCl2–P含量。P1處理下土壤的CaCl2–P含量僅為0.01 mg/kg。

在小麥季繼續(xù)施用豬糞，土壤的CaCl2–P含量比水稻季土壤的高(圖4)。在P4處理下，土壤的CaCl2–P含量比P1處理的顯著增加。比較水稻季、小麥季土壤的CaCl2–P含量，大量施用豬糞處理(P4、P5、P6和P7)后，稻麥輪作土壤的CaCl2–P含量急劇增加，變幅為0.18 ～ 2.40 mg/kg。

圖4　各處理小麥季土壤和水稻季土壤的水溶性磷含量Fig.4 Content of CaCl2–P in soil under different treatments in wheat and rice

2.5豬糞施用對稻麥輪作土壤磷淋失的影響

由圖5可見，水溶性磷含量隨土壤Olsen–P含量增加而增加，當(dāng)Olsen–P含量低于50 mg/kg時，水溶性磷含量提高的幅度較小(y = 0.011 1x－0.022 1，x<50)；當(dāng)Olsen–P含量超過50 mg/kg時，水溶性磷含量增加的幅度明顯加大(y=0.046 5x－1.796 4，x≥50，R2=0.93**，n=48)。在Olsen–P含量為50 mg/kg時水溶性磷含量的變化存在一個明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該點(diǎn)被認(rèn)為是土壤磷素流失的臨界點(diǎn)。當(dāng)土壤Olsen–P含量小于磷流失臨界值時，土壤磷流失風(fēng)險較低；反之，磷流失風(fēng)險較高。本試驗(yàn)中，當(dāng)在成都平原水稻季施用豬糞至土壤中的Olsen–P含量超過50 mg/kg時，磷素流失的風(fēng)險將迅速增大。

圖5　土壤CaCl2–P含量與Olsen–P含量的關(guān)系Fig.5 Relationship between CaCl2–P and Olsen–P in soil

由圖6可知，隨 Mehlich3–P含量的增加，土壤水溶性磷含量明顯增加，在Mehlich3–P含量為125 mg/kg時，CaCl2–P 含量的變化存在一個明顯的拐點(diǎn)(y= 0.005 4x－0.021 5，x<125；y=0.013 4x–1.029 7 x≥125，R2=0.95，n=48)，因此，將Mehlich3–P含量125 mg/kg作為判斷土壤磷素淋失的臨界值。

由上可知，當(dāng)土壤Olsen–P含量和Mehlich3–P含量都處于土壤磷素流失臨界值時，CaCl2–P含量分別為0.5、0.7 mg/kg，故將CaCl2–P含量的平均值0.6 mg/kg作為成都平原水稻土稻麥輪作體系下磷素淋失的臨界值。

圖6　土壤CaCl2–P含量和Mehlich3–P含量的關(guān)系Fig.6 Relationship between CaCl2–P and Mehlich3–P in soil

3　結(jié)論與討論

隨豬糞用量的增加，土壤全磷、有效磷(Olsen–P 和Mehlich3–P)和水溶性磷的含量均有明顯的增加，土壤TP含量呈緩慢增加的趨勢，土壤有效磷Olsen–P和Mehlich3–P的含量則在施用100%豬糞N(高量豬糞)后迅速增加，變幅分別為21.87～ 90.58、53.25～ 262.82 mg/kg，CaCl2–P含量則在施用100%豬糞N后急劇增加，變幅為0.18 ～ 2.40 mg/kg。有機(jī)肥中的磷可分為水溶態(tài)磷或樹脂態(tài)磷、NaHCO3提取態(tài)磷、NaOH 提取態(tài)磷、HCl提取態(tài)磷、H2SO4提取態(tài)磷和殘?jiān)鼞B(tài)磷，其中水溶態(tài)和 NaHCO3提取態(tài)磷是易溶態(tài)磷，為有機(jī)肥磷的主要形態(tài)[20–21]。豬糞中磷的結(jié)合能力比較弱[2]，在淹水條件下(水稻季)易溶性磷迅速溶解，故可以推斷，在相對封閉的試驗(yàn)小區(qū)中，施用的豬糞很容易被土壤吸附和固定。

在成都平原稻麥輪作體系下，土壤磷素淋失的Olsen–P含量和Mehlich3–P含量的臨界值分別為50、125 mg/kg，CaCl2–P含量的臨界平均值為0.6 mg/kg。鐘曉英等[17]認(rèn)為不同土壤的磷淋失臨界值差異非常大，Olsen–P含量為30 ～ 157 mg/kg，CaCl2–P含量為0.14 ～ 3.87 mg/kg。聶敏等[18]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究得出可變電荷土壤 P 淋失臨界點(diǎn)的Olsen–P含量(56～123 mg/kg)差異很大，旱地土壤臨界點(diǎn) Olsen–P含量主要集中在低值區(qū)間(＜60 mg/kg )，而水稻土臨界點(diǎn) Olsen–P含量集中在高值區(qū)間(＞80 mg/kg )。李廷亮等[16]初步確定山西省菜園土壤磷素流失的Olsen–P含量和Mehlich3–P含量的臨界值分別為82、164 mg/kg。上述研究結(jié)果表明，不同土壤類型的磷淋失臨界值存在差異。土壤磷淋失臨界點(diǎn)的Olsen–P含量與土壤pH及有機(jī)質(zhì)、活性鐵鋁、交換性鈣、氧化鐵鋁等的含量存在密切關(guān)系[18,22–23]。Broadbalk長期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)土壤Olsen–P含量低于 60 mg/kg時，于60 cm土層排出水的總磷含量低于0.15 mg/kg，但Olsen–P含量約超過60 mg/kg，排出水的總磷含量增加，最高接近3 mg/kg[10]。章明奎等[15]通過室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在好氣條件下，水稻土磷環(huán)境的敏感臨界值(轉(zhuǎn)折點(diǎn)) 為 Olsen–P含量 50 ～ 75 mg/kg。本試驗(yàn)中，稻麥輪作體系下磷素淋失的Olsen–P含量臨界值為50 mg/kg，該結(jié)果與文獻(xiàn)[15]的結(jié)果基本吻合。

土壤有效磷的產(chǎn)量臨界值是指當(dāng)土壤磷含量增加而作物產(chǎn)量不再增加時的土壤磷含量[24]。對于大多數(shù)土壤和作物而言，當(dāng)土壤有效磷( Olsen–P)含量超過20 mg/kg時，施用磷肥不能使作物顯著增產(chǎn)[25]。中國水稻的有效磷臨界值為10 ～ 20 mg/kg[26]，小麥的有效磷臨界值為11 ～ 15 mg/kg[27]。本試驗(yàn)稻麥輪作體系中，產(chǎn)量最高的處理(P3)的小麥季有效磷含量僅為17 mg/kg，遠(yuǎn)小于本試驗(yàn)下磷素流失的有效磷臨界值(50 mg/kg)，磷素流失風(fēng)險較低。P3處理的體系產(chǎn)量比P1處理增產(chǎn)10.01%，比大邑縣的稻麥體系產(chǎn)量12 934 kg/hm2[28]高3.0%。由以上分析可知：50%化肥N +50%豬糞N處理(P3)不僅能夠獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，而且土壤有效磷的積累明顯小于流失臨界值，能夠較安全地最大化消納豬糞。如果繼續(xù)增加豬糞的用量，不僅不能增加作物產(chǎn)量，反而會增加環(huán)境污染的風(fēng)險，因此，成都平原稻麥輪作系統(tǒng)下農(nóng)田腐熟豬糞的最大安全消納量為23 364 kg/hm2。萬大娟等[29]通過查閱文獻(xiàn)和工作站資料，得出每頭豬(出欄)的排便系數(shù)為1.8 kg/d，并認(rèn)為每1 hm2稻麥輪作農(nóng)田對豬(出欄)的最大承載量為每年45頭(含水量74%的豬糞29 822 kg)。根據(jù)該結(jié)果，本試驗(yàn)條件下，每1 hm2稻麥輪作農(nóng)田對豬(出欄)的最大承載量為每年60頭。有研究結(jié)果[30]表明，稻田中施入26 250 kg/hm2豬糞堆肥時水稻的產(chǎn)量相對較高。

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責(zé)任編輯：王賽群英文編輯：王 庫

Effect of swine manure application on wheat and rice yields, soil phosphorus accumulation and leaching risk

Zeng Pengyu, Dan Hao, Wang Changquan*, Yang Juan, Yi Yunliang, Xu Qiang
(College of Resources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China)

Abstract:Determining the amount of livestock manure application in farmland is a foundation for circular agriculture. A field experiment was conducted in rice-wheat rotation cropping system in Chengdu plain. Soil total phosphorus (TP) content, Olsen–P, Mehlich3–P and CaCl2–P accumulation characteristics were studied to estimate the P leaching risk. The results showed that TP content in soil increased with the swine manure application, Olsen–P and Mehlich3–P showed a fast increase when plants were exposed to 100% pig manure N treatments, with the increase of 21.87–90.58 mg/kg and 53.25–262.82 mg/kg, respectively. CaCl2–P also showed a rapid increase when the plants were exposed to the 100% pig manure N, with the increase of 0.18–2.40 mg/kg. The diagnostic value of Olsen–P, Mehlich3–P and CaCl2–P in the cropping system was 50 mg/kg, 125 mg/kg and 0.6 mg/kg, respectively. When the amount of composting manure was 23 364 kg/hm2in rice-wheat rotation (50% chemical fertilizer N+50% pig manure N), the accumulation of the phosphorus in soil was significantly less than the critical value of phosphorus loss, which indicated that pig manure could be safely consumed to its maximum. Rice and wheat yield in treatments with 50% chemical fertilizer N+50% pig manure N was the highest, which reached to 13 309.7 kg/hm2, and the yield was improved by 10.01% compared to conventional fertilizer application. It came up to the best from the incomprehensive ecological and economic benefits.

Keywords:paddy soil; rice-wheat rotation swine manure; phosphorus accumulation; phosphorus leaching; Chengdu plain

中圖分類號：S158.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007?1032(2016)02?0202?06

收稿日期：2015–08–27 修回日期：2016–03–12

基金項(xiàng)目：國家“十二·五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B18)；四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013NZ0028)

作者簡介：曾鵬宇(1991—)，男，四川成都人，碩士研究生，主要從事土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)及其調(diào)控研究，370172507@qq.com；*通信作者，王昌全，博士，教授，主要從事土壤(土地)質(zhì)量與環(huán)境可持續(xù)研究，w.changquan@163.com