黃土高塬溝壑區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量變化的長期監(jiān)測

徐　娜，黨廷輝，2，劉文兆，2

（1 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

黃土高塬溝壑區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量變化的長期監(jiān)測

徐娜1，黨廷輝1，2*，劉文兆1，2

（1 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

【目的】土壤養(yǎng)分含量是反映土壤肥力狀況的重要指標，對農(nóng)田肥料投入和土壤養(yǎng)分進行長期定位監(jiān)測，有利于準確反映土壤養(yǎng)分變化趨勢。利用黃土高塬溝壑區(qū)不同施肥監(jiān)測區(qū) 10年的長期監(jiān)測資料，分析對比不同監(jiān)測區(qū)土壤養(yǎng)分含量和作物產(chǎn)量的變化，分析土壤養(yǎng)分、產(chǎn)量與施肥的關(guān)系，為當?shù)剞r(nóng)田生產(chǎn)的施肥管理提供理論依據(jù)?！痉椒ā?本研究試驗監(jiān)測區(qū)的農(nóng)田管理完全參照大田管理模式，共設(shè)置四大試驗監(jiān)測區(qū)，包括無肥監(jiān)測區(qū)（CK）、化肥監(jiān)測區(qū)（HF）、化肥有機肥監(jiān)測區(qū)（HM）和農(nóng)民地塊監(jiān)測區(qū)（NM），肥料均于作物播種前作為基肥撒施。在每年冬小麥收獲期 6 月中下旬，或玉米收獲期 9 月中下旬，采集表層（0—20 cm）土壤樣品，處理后進行土壤養(yǎng)分的分析，并且在作物收獲期測算作物產(chǎn)量以及植株地上部分的氮、磷、鉀含量?！窘Y(jié)果】與試驗前相比，CK 監(jiān)測區(qū)土壤有機質(zhì)降低 1.73 g/kg，HF監(jiān)測區(qū)增加 1.97 g/kg，HM監(jiān)測區(qū)增加 2.20 g/kg，NM 監(jiān)測區(qū)增加 1.44 g/kg；CK 監(jiān)測區(qū)土壤全氮減少 0.08 g/kg，其他施肥監(jiān)測區(qū)增加 0.05～0.13 g/kg；HF 監(jiān)測區(qū)土壤堿解氮增加 7.8 mg/kg，而其他監(jiān)測區(qū)均不同程度地降低；HM 監(jiān)測區(qū)土壤有效磷增加最為顯著，增幅達到 11.86 mg/kg，HF 監(jiān)測區(qū)增加 8.42 mg/kg，NM 監(jiān)測區(qū)增加 3.06 mg/kg，CK 監(jiān)測區(qū)增加 2.44 mg/kg；CK 監(jiān)測區(qū)土壤速效鉀明顯下降，降低 38 mg/kg 左右，NM 監(jiān)測區(qū)增加最為顯著，增加量為 27.5 mg/kg。對冬小麥而言，相比于CK 不施肥區(qū)，HF、HM 和 NM 監(jiān)測區(qū)都能夠顯著提高產(chǎn)量，但各施肥監(jiān)測區(qū)之間產(chǎn)量差異不顯著。農(nóng)田養(yǎng)分平衡分析表明，化肥和有機肥配施，可使土壤中 N、P、K 素均有盈余；只施化肥時會導致土壤 K 素虧缺嚴重；當土壤長期不施用任何肥料時，土壤各養(yǎng)分元素均出現(xiàn)虧缺?！窘Y(jié)論】在黃土高塬溝壑區(qū)，作物生育期降水量及其分配、積溫條件和肥力水平對小麥產(chǎn)量影響顯著。施肥 10年后，各施肥區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量都有不同程度的提高，土壤堿解氮只有單施化肥的增加。無肥監(jiān)測區(qū)由初始含量的最高水平最終降至最低，證明了長期施肥對于土壤肥力的維持具有重要意義。另外，該地區(qū)農(nóng)民地塊存在過量施肥現(xiàn)象。

長期監(jiān)測；土壤養(yǎng)分；小麥產(chǎn)量；變化趨勢

黃土高塬屬于旱作農(nóng)業(yè)區(qū)域，水資源短缺以及土壤貧瘠曾經(jīng)是當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素［1-2］。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，大部分區(qū)域農(nóng)田施肥量不斷增多，雖然產(chǎn)量有了很大提高，但肥料利用率低下、土壤中肥料殘留問題日益突出［3-5］。因此，對農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況進行長期監(jiān)測，分析土壤養(yǎng)分變化趨勢，研究當?shù)厥┓?產(chǎn)量-土壤肥力關(guān)系，對于指導科學施肥具有重要意義［6］。

截止目前，基于長期定位施肥試驗，研究黃土高塬地區(qū)土壤養(yǎng)分變化的報道很多。由于長期定位施肥試驗都屬于控制性試驗，其施肥、耕作、栽培等農(nóng)田管理都實行嚴格控制標準，增加了因素的可比性和研究精度［7-8］，但同時與周邊農(nóng)田的實際情況存在一定的差距，研究結(jié)果在一定程度上不能很好地反映農(nóng)田養(yǎng)分的實際變化，對于農(nóng)田的適用也有一定的限制性。本研究以當?shù)剞r(nóng)田為監(jiān)測地，對農(nóng)田的施肥、作物、管理等措施沒有統(tǒng)一的設(shè)置要求，完全采取當?shù)氐牧晳T模式，通過調(diào)查記錄 10年不同監(jiān)測地的施肥、作物等信息，同時，在作物收獲期每年測定土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量，分析對比不同監(jiān)測地的土壤養(yǎng)分含量和作物產(chǎn)量的變化，進一步分析土壤養(yǎng)分、產(chǎn)量與施肥的關(guān)系，以便為當?shù)剞r(nóng)田生產(chǎn)的施肥管理提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1自然概況

監(jiān)測地位于陜西省長武縣中國科學院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)站，地處黃土高塬中南部陜甘交界處的陜西省長武縣洪家鎮(zhèn)王東村，北緯 35°12′～35°16′，東經(jīng) 107°40′～107°42′，海拔 940～1220 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。年均降水 580 mm（各年份小麥生育期年降雨量分布見圖1），年均氣溫9.1℃，無霜期 171 d，地下水埋深 50～80 m，地帶性土壤為黑壚土，母質(zhì)是深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土，土體疏松，通透性好。該區(qū)屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)域，作物所需水分均依賴于自然降水，地貌屬高塬溝壑區(qū)。

1.2試驗設(shè)計

設(shè)置四大試驗監(jiān)測區(qū)，分別為無肥區(qū)（CK）、 化肥區(qū)（HF）、化肥有機肥區(qū)（HM）和 3 塊農(nóng)民地塊范圍監(jiān)測區(qū)（NM1、NM2、NM3）。無肥監(jiān)測區(qū)不施用任何肥料，化肥監(jiān)測區(qū)大約施用 N 138 kg/hm2、P2O590 kg/hm2；化肥有機肥監(jiān)測區(qū)大約施用 N 138 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、有機肥 65000 kg/hm2。農(nóng)民地塊是在試驗站周圍農(nóng)田選擇有代表性的 3 個農(nóng)戶田塊，施肥方式和用量遵循當?shù)剞r(nóng)民的習慣，以氮、磷和有機肥為主，每年的施肥量和肥料種類不定，各監(jiān)測區(qū)肥料用量范圍見表1。試驗所用氮肥以尿素為主、磷肥以過磷酸鈣為主，有機肥料以農(nóng)家肥為主，肥料基本上在作物播種前作為基肥施用。試驗監(jiān)測區(qū)的農(nóng)田管理完全符合大田管理模式，所以，每年的肥料用量不完全一致，會有一定的波動。小麥品種為長旱 58 或長武 134，玉米品種為先玉 335 或沈丹10，以小麥-玉米輪作為主，也有小麥連作種植。監(jiān)測時段為 2004年至 2013年，共計 10年。各監(jiān)測區(qū)面積，CK 350 m2，HF 2704 m2，HM 350 m2，NM11998 m2，NM21332 m2，NM3666 m2。2004年土壤的各項指標含量為各監(jiān)測區(qū)的基礎(chǔ)肥力狀況。

圖1　2004～2013年小麥生育期年降水量Fig.1　Precipitation during the wheat growth periods from 2004 to 2013

表1　各監(jiān)測區(qū)施肥水平Table 1　Fertilization levels of the monitoring areas

1.3樣品采集與測定分析

土壤樣品采集：為了更加符合大田作物的實際生長情況，本試驗并沒有設(shè)置固定的作物輪作模式，而是根據(jù)實際情況采取小麥連作或小麥-玉米輪作的作物種植制度，所以，每年作物收獲期采集土壤樣品的時間會因此不同。2004、2007、2010 和2013年均在玉米收獲期的 9 月中下旬采集土 壤樣品，其他年份均在小麥收獲期的 6 月中下旬 進行采樣。采集土壤樣品時，根據(jù)每個采樣地的形狀、大小和類型的不同，采集表層（0—20 cm）土壤樣品。在采樣區(qū)內(nèi)，采用 “W” 型布點，每線段采 5 點混合，形成 3～6 個土壤表層樣品。混合土樣、晾干、混勻后取部分樣品分別過 1 mm 和 0.25 mm 篩，用于土壤養(yǎng)分分析。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法，全氮采用半微量凱氏法，堿解氮采用 NaOH浸提—堿解擴散法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法［9］。

小麥收獲期測產(chǎn)：在每個樣地內(nèi)選取 6 塊生長較均勻的小麥樣方（1 m×1 m），先計算每個樣方的小麥株數(shù)，再將每個樣方的小麥全部收割，裝入樣品袋，編號。在實驗室內(nèi)計數(shù)得到穗數(shù)數(shù)據(jù)，然后再將小麥穗脫粒，將籽粒在 65℃ 下烘至恒重，計算出小麥產(chǎn)量。

試驗數(shù)據(jù)處理采用 Sigmaplot 12.5 和 SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1監(jiān)測試驗10年間土壤養(yǎng)分含量變化

2.1.1土壤有機質(zhì)含量變化各監(jiān)測區(qū)土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)出不同的變化趨勢（圖2）。CK 監(jiān)測區(qū)由于長期不施用任何肥料，10年間總體呈現(xiàn)出下降趨勢，較試驗前降低了 1.73 g/kg，這也說明長期不施肥會導致土壤有機質(zhì)含量降低［10］。對于 HF 和 HM 監(jiān)測區(qū)而言，其年份變化趨勢基本一致，都呈現(xiàn)出增長趨勢，但試驗的前 5年，增長趨勢均不明顯，這說明在短期內(nèi)施肥對土壤有機質(zhì)不會產(chǎn)生太大的影響；試驗第 6年開始，二者都開始處于穩(wěn)步上升階段，與試驗前相比，HM 監(jiān)測區(qū)上升幅度較大，增長 2.2 g/kg，增幅達到 18%；HF 監(jiān)測區(qū)增長 1.97 g/kg，增幅 14.7%。NM 監(jiān)測區(qū)在試驗監(jiān)測的 10年間土壤有機質(zhì)表現(xiàn)出穩(wěn)定增長的趨勢，較試驗前增加 1.44 g/kg，增幅 10.6%，農(nóng)民地處理的土壤有機質(zhì)水平整體高于其他處理，這主要與農(nóng)民地農(nóng)家肥施用量高有密切關(guān)系。研究結(jié)果表明，長期不施肥必然會造成土壤有機質(zhì)含量降低；長期施肥可以提高土壤有機質(zhì)含量，但短期內(nèi)效果不明顯。

圖2　不同監(jiān)測區(qū)土壤有機質(zhì)含量變化Fig.2　Soil organic matter（OM）as affected by the fertilizer treatments

2.1.2土壤全氮含量變化各監(jiān)測區(qū)土壤全氮含量表現(xiàn)出不同的年份動態(tài)變化（圖3）。CK、HF、HM 和NM 監(jiān)測區(qū)變異系數(shù)分別為 6.4%、7.2%、8.3% 和5.6%。CK 監(jiān)測區(qū)總體呈現(xiàn)出下降趨勢，其試驗初始值最高，經(jīng)過 10年的不施肥處理，逐步降到最低，并且從試驗的第 6年開始，其土壤全氮含量已經(jīng)處于各監(jiān)測區(qū)中最低水平，這表明長期不施肥必然會導致土壤全氮含量降低。HF 和 HM 監(jiān)測區(qū)變化趨勢基本一致，總體上都呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，其全氮含量在試驗的第 6年均達到最高水平，隨后降低，最終趨于穩(wěn)定增長趨勢；與試驗前相比，分別增長0.13 g/kg 和 0.06 g/kg，HF 監(jiān)測區(qū)含量略高，這與其初始含量和土壤有機質(zhì)水平略高有關(guān)。NM 監(jiān)測區(qū)也呈現(xiàn)出波動增長的趨勢，2012年達到最高水平，與試驗前相比，最終增長 0.05 g/kg，由于農(nóng)民地塊的肥料用量較其他監(jiān)測區(qū)高，因此其全氮含量一直處于較高水平。經(jīng)統(tǒng)計分析，施肥監(jiān)測區(qū)的土壤全氮含量顯著高于不施肥處理，這說明，單施化肥以及化肥有機肥配施在增加土壤全氮含量方面均有很明顯的作用，這與其他研究結(jié)果一致［11］。也有研究［12］表明，有機無機配施對于提高土壤氮素含量有著重要意義，既能快速提高土壤有效氮含量，又能持續(xù)地改善土壤氮素狀況。

圖3　不同監(jiān)測區(qū)土壤全氮含量變化Fig.3　Soil total nitrogen as affected by the fertilizer treatments

2.1.3土壤堿解氮含量變化各監(jiān)測區(qū)土壤堿解氮含量呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，CK、HF、HM 和 NM 監(jiān)測區(qū)的變異系數(shù)分別為 9.8%、7.2%、8.8% 和10.8%，年際波動較大（圖4）。試驗前 3年，都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，2006年到 2009年各監(jiān)測區(qū)緩慢平穩(wěn)地上升，之后下降趨于穩(wěn)定水平，各施肥監(jiān)測區(qū)變化趨勢基本一致。與試驗前相比，CK、HM 和 NM 監(jiān)測區(qū)分別降低了 11.9 mg/kg、14 mg/kg和 0.4 mg/kg，降幅分別為 17%、19.9% 和 0.6%；HF監(jiān)測區(qū)比試驗前增加了 7.8 mg/kg，增幅為 12.6%，顯著高于其他監(jiān)測區(qū)?？傮w來看，除了化肥監(jiān)測區(qū)堿解氮含量有所增加外，其他都呈下降趨勢，HM和 NM 監(jiān)測區(qū)下降較為明顯，這可能與施用有機肥增加了表層土壤中可溶性有機態(tài)氮和微生物活性，促進了氮素的淋溶下移、硝化與反硝化損失有關(guān)。對于 CK 監(jiān)測區(qū)來說，長期不施肥會導致土壤氮素嚴重缺乏。

圖4　不同監(jiān)測區(qū)土壤堿解氮含量變化Fig.4　Soil alkali-hydrolyzable N as affected by the fertilizer treatments

2.1.4土壤有效磷含量變化各試驗監(jiān)測區(qū)土壤有效磷年際動態(tài)變化不同。試驗前7年間，CK、HF 和HM 監(jiān)測區(qū)都呈現(xiàn)出先波浪式增長后降低的趨勢（圖5）。試驗第 8年開始，各施肥監(jiān)測區(qū)土壤有效磷含量開始穩(wěn)定增長，這說明長期施肥可以逐步提高土壤有效磷含量。截止 2013年，HF、HM 監(jiān)測區(qū)有效磷水平均得到顯著提高，較試驗前分別增長了8.42 mg/kg、11.86 mg/kg，增幅分別達到 61% 和141%。NM 監(jiān)測區(qū)增加了 3.06 mg/kg，增幅為19.4%，HM 監(jiān)測區(qū)增加幅度最大，這是因為有機肥本身就含有一定數(shù)量的有機磷，而且易于釋放，可以有效地提高土壤的有效磷水平［13］，也有研究表明，施用化肥對提高土壤有效磷水平非常重要［14］。

圖5　不同監(jiān)測區(qū)土壤有效磷含量變化Fig.5　Soil available P as affected by the fertilizer treatments

2.1.5土壤速效鉀含量變化各監(jiān)測區(qū)土壤速效鉀含量變化趨勢基本一致，除了 CK 監(jiān)測區(qū)呈現(xiàn)出下降趨勢外，其他施肥監(jiān)測區(qū)都呈現(xiàn)出緩慢升高趨勢（圖6），其中 NM 監(jiān)測區(qū)增加量最大，在 27 mg/kg 左右，增幅為 17% 左右，分析原因與當?shù)剞r(nóng)民大量施用農(nóng)家肥以及秸稈還田有關(guān)；HF 和 HM 監(jiān)測區(qū)增加量較少，分別為 8.4 mg/kg 和 0.9 mg/kg，增幅在0.05%～6% 之間；CK 監(jiān)測區(qū)速效鉀含量明顯降低，降低量為 38 mg/kg 左右。大量研究表明，長期單施無機化肥，尤其是氮磷肥，土壤速效鉀含量呈下降趨勢［15-16］，而本研究中，各施肥監(jiān)測區(qū)土壤速效鉀含量均有不同程度的提高，主要是因為有機肥施用以及秸稈還田對其貢獻率大。整體來看，HF 監(jiān)測區(qū)土壤速效鉀水平最低，這是因為土壤在沒有鉀肥或有機肥投入的基礎(chǔ)上，作物每年還會從土壤中吸收一部分鉀素，加上該區(qū)作物產(chǎn)量高，長期以來也會導致土壤鉀素積累減少；CK 監(jiān)測區(qū)的土壤鉀庫長期處于消耗狀態(tài)下，土壤速效鉀含量下降很正常［17］。NM監(jiān)測區(qū)的速效鉀水平顯著高于其他處理，這與當?shù)剞r(nóng)民長期大量施用農(nóng)家肥關(guān)系密切［18］。

圖6　不同監(jiān)測區(qū)土壤速效鉀含量變化Fig.6　Soil available K as affected by the fertilizer treatments

2.2農(nóng)田養(yǎng)分平衡分析

農(nóng)田養(yǎng)分平衡本質(zhì)上就是養(yǎng)分被作物吸收消耗和施肥投入之間的平衡。養(yǎng)分平衡的計算采用表觀平衡法，即養(yǎng)分的投入量與支出量之差，正值表示盈余，負值表示虧缺。本研究區(qū)域農(nóng)田養(yǎng)分輸入主要包括降水、施肥和種子帶入的養(yǎng)分，養(yǎng)分支出以作物收獲物中的養(yǎng)分為主。在黃土高塬溝壑區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，其土層深厚，作物根系深，在塬地基本沒有養(yǎng)分的淋失［19］。由于每年的作物根茬繼續(xù)留在土壤中，因此它所吸收的養(yǎng)分既為輸入項又為輸出項，相互抵消，未計入養(yǎng)分平衡，所以，作物吸收帶走的養(yǎng)分指的是地上部分。

不同施肥處理對土壤養(yǎng)分平衡的影響不同（表2）。1）氮素：在不施肥 CK 監(jiān)測區(qū)虧損 80% 以上，HF 監(jiān)測區(qū)虧損 3%；對于 HM 和 NM 監(jiān)測區(qū)，分別盈余 11% 和 19% 左右。2）磷素：土壤磷素的變化差異較大，CK 監(jiān)測區(qū)虧損 90% 以上，而其他施肥監(jiān)測區(qū)盈余 300%～850% 之間。3）鉀素：在不施肥 CK 監(jiān)測區(qū)和只施化肥的 HF 監(jiān)測區(qū)分別都虧損90% 以上，而在化肥和有機肥配施的 HM 和 NM 監(jiān)測區(qū)分別盈余 62% 和 105% 左右?？傮w來看，在化肥和有機肥配施的條件下，氮、磷、鉀素均有盈余；在只施化肥的條件下，鉀素虧缺嚴重，磷素盈余，氮素基本處于平衡狀態(tài)；當土壤不施用任何肥料時，氮、磷、鉀素均虧缺。

2.3不同施肥監(jiān)測區(qū)對小麥產(chǎn)量的影響

由于本研究屬于長期監(jiān)測試驗，完全采用大田管理模式，在作物輪作方面每個監(jiān)測區(qū)域并不是按照特定的作物輪作方式進行耕種，這樣符合農(nóng)田的實際情況。為了增加可比性，本研究選取各監(jiān)測區(qū)都種植小麥的 3 個年份（2009、2011、2012），通過綜合對比 4 個不同施肥監(jiān)測區(qū)的冬小麥產(chǎn)量差異，了解在當前的不同施肥模式下，哪種更有利于作物獲得高產(chǎn)，為實際應用提供科學的指導。

表2　不同施肥土壤養(yǎng)分平衡（kg/hm2）Table 2　Soil nutrient balance in different fertilizer treatments

通過對 3 個不同年份的小麥平均產(chǎn)量進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，不施肥 CK 監(jiān)測區(qū)，3年的小麥平均產(chǎn)量1953.1 kg/hm2，HF 監(jiān)測區(qū)小麥平均產(chǎn)量 4708.4 kg/hm2，HM 監(jiān)測區(qū)小麥平均產(chǎn)量 3935.8 kg/hm2，NM 監(jiān)測區(qū)小麥平均產(chǎn)量 4509.1 kg/hm2，分別比 CK監(jiān)測區(qū)增產(chǎn) 141.1%、101.5% 和 130.9%。施肥監(jiān)測區(qū)小麥產(chǎn)量顯著高于 CK 無肥區(qū)，而各施肥監(jiān)測區(qū)之間小麥產(chǎn)量差異不顯著（圖7）。由此看出，化肥單施或化肥有機肥配施都能夠顯著提高當?shù)氐亩←湲a(chǎn)量。

圖7　2009、2011 和 2012年各監(jiān)測區(qū)冬小麥產(chǎn)量Fig.7　Winter wheat yields in different monitoring areas in 2009， 2011 and 2012

由于受氣象、施肥等因素的影響，試驗監(jiān)測所選取的 3 個年份小麥產(chǎn)量并不相同。由圖7可以看出，2011年各施肥監(jiān)測區(qū)的小麥產(chǎn)量顯著低于其他兩個年份，分析原因，主要與各年份內(nèi)小麥生育期降水量、＞0℃ 積溫以及施肥水平有密切關(guān)系：1）小麥生育期 降水量2009年和 2011年相比，小麥生育期間（7 月至次年6 月）降水量基本相同，分別是 475 mm 和 545 mm，而 2012年小麥生育期降水量為 667 mm，顯著高于前兩個年份。2011年小麥生長前期和成熟后期的降水量分別偏低和偏高，這樣會影響小麥的前期出苗和后期灌漿成熟情況， 造成作物減產(chǎn)［20-21］。2）＞0℃ 積溫相比于前后兩個年份，2011年小麥生長前期（苗期～越冬）積溫相對偏高（即暖冬），這樣容易造成小麥冬前旺長，遭遇凍害減產(chǎn)，即使在生長后期（抽穗～灌漿）積溫略高，利于小麥灌漿，但由于苗期凍害已造成麥苗缺損，對產(chǎn)量的提高也沒有明顯的作用［22-23］。3）施肥水平2011年和2012年所施磷肥用量（40 kg/hm2左右）大約為 2009年磷肥用量（90 kg/hm2左右）的一半，2011年又因小麥生育期降水分布嚴重不均以及冬暖現(xiàn)象，導致該年份小麥產(chǎn)量顯著低于其他兩個年份。對于 2012年而言，在小麥生長前期降水充足，積溫相對偏低，小麥生長后期灌漿成熟時期的降水量少，積溫相對偏高，有利于小麥生長。所以，雖然該年份施肥量相對減少，但是，生育期間充足的降水及其合理的分配以及有效的積溫條件使小麥產(chǎn)量維持在正常水平。整體看出，在半濕潤易旱氣候區(qū)農(nóng)田的水肥條件對作物產(chǎn)量至關(guān)重要，而且有效積溫也是維持作物高產(chǎn)的一個重要因素。

圖8　2009、2011 和 2012年小麥生育期降水及積溫Fig.8　Precipitation and accumulative temperatures during wheat growth period in 2009， 2011 and 2012

3　討論與結(jié)論

1）經(jīng)過 10年的試驗監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，施肥能夠明顯改變耕層（0—20 cm）土壤的養(yǎng)分含量，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致［24］。試驗初始時（2004年）各監(jiān)測區(qū)土壤養(yǎng)分含量不同，CK 監(jiān)測區(qū)的土壤有機質(zhì)、全氮、速效氮和速效鉀含量均高于其他施肥監(jiān)測區(qū)。然而經(jīng)過 10年的試驗監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，無肥監(jiān)測區(qū)各土壤養(yǎng)分含量在所有監(jiān)測區(qū)中最低，而 HF、HM 和 NM 監(jiān)測區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量均得到不同程度的提高，這說明長期不施肥必然會導致土壤肥力降低，也在一定程度上表明長期施用肥料對于維持和提高土壤肥力具有重要意義。在本研究中，雖然農(nóng)民地塊監(jiān)測區(qū)（NM）的各種肥料用量普遍高于試驗監(jiān)測區(qū)，但 10年后發(fā)現(xiàn)，其除了土壤速效鉀含量增加顯著外，土壤全氮、有效磷和有機質(zhì)含量增加都不明顯，這在一定程度上反映出目前當?shù)剞r(nóng)田存在過量施肥的現(xiàn)象，雖然不會導致土壤肥力下降，但若長久如此，可能會造成土壤潛在污染，建議應適當減量施肥。 農(nóng)民地塊土壤速效鉀含量明顯增加與農(nóng)家肥以及草木灰的施用有關(guān)。

大量研究表明，單施化肥以及化肥有機肥配施均能夠提高土壤堿解氮含量［25］，而本研究表層（0—20 cm）堿解氮監(jiān)測結(jié)果卻有所不同，除了 HF 監(jiān)測區(qū)的堿解氮水平有所提高外，HM 和 NM 監(jiān)測區(qū)均有所下降，經(jīng)分析原因主要包括兩方面：一是本研究區(qū)域?qū)儆诤底饔牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年降水量基本處于400～800 mm 之間，夏季（6～9 月份）降雨量占全年降雨量的 60%～80%，極容易造成土壤水溶性氮（水溶性有機氮、NO3--N 等）向下淋溶［26-28］，氮肥施用量越多，NO3--N 深層累積就越嚴重，累積深度一般在100—300 cm 之間［29-30］。HM 和 NM 監(jiān)測區(qū)的施肥量均大于 HF 監(jiān)測區(qū)，有機肥的施入增加了土壤中水溶性氮素的含量，進一步增加了氮素淋失風險。二是化肥有機肥配施增加了土壤中氮素的反硝化作用。夏季（6～9 月份）的高強度降水量容易造成表層土壤局部或暫時性的厭氧環(huán)境，為氮素的反硝化提供了條件［31］；同時，有機肥的施入增加了微生物活性，也促進了反硝化作用的進行［32］。

2）氮素在不施肥 CK 監(jiān)測區(qū)虧損 80% 以上，HF監(jiān)測區(qū)虧損 3%，在 HM 和 NM 監(jiān)測區(qū)分別盈余 11%和 19% 左右；磷素在 CK 監(jiān)測區(qū)虧損 90% 以上，其他施肥監(jiān)測區(qū)盈余 300%～850% 之間；鉀素在 CK監(jiān)測區(qū)和 HF 監(jiān)測區(qū)分別都虧損 90% 以上，在 HM和 NM 監(jiān)測區(qū)分別盈余 62% 和 105% 左右?？傮w來看，化肥和有機肥配施，對于土壤肥力的維持最有利；單施化肥會造成土壤 鉀素虧缺嚴重。值得注意的一點，在土壤養(yǎng)分變化趨勢分析中，HM 和 NM監(jiān)測區(qū)表層土壤堿解氮含量降低，而在農(nóng)田養(yǎng)分平衡分析中二者都表現(xiàn)出氮素盈余，這再次提醒我們化肥有機肥監(jiān)測區(qū)表層土壤氮素的增加，可能存在氮素向深層淋溶帶來的環(huán)境問題，因此建議當?shù)剡m當?shù)販p少肥料用量，避免土壤氮素過多地向土壤深層積累。

3）通過對比不同監(jiān)測區(qū)小麥平均產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，相比于 CK 不施肥區(qū)，化肥單施或化肥有機肥配施都能夠顯著增加小麥產(chǎn)量，單施化肥比不施肥監(jiān)測區(qū)增產(chǎn) 85%～260%，化肥有機肥配施比不施肥區(qū)增產(chǎn)60%～290%，可以看出，氮磷配施與氮磷有機肥配施對小麥增產(chǎn)差異不顯著，但都可以使土壤維持較高的生產(chǎn)力。大量研究報道，化肥和有機肥都對作物起到相同或持續(xù)的增產(chǎn)效果，連續(xù)使用化肥并沒有影響土壤的生產(chǎn)力［33-35］。 對于農(nóng)民地塊（NM）來說，其較高的肥料投入理應獲得高于其他監(jiān)測區(qū)的小麥產(chǎn)量，但研究結(jié)果表明，該監(jiān)測區(qū)的小麥產(chǎn)量與 HF 監(jiān)測區(qū)相比，沒有呈現(xiàn)出顯著差異性，說明該地區(qū)農(nóng)民地的肥料用量可能高出了小麥生長需要，繼續(xù)如此施肥或是增加肥料用量不但不能實現(xiàn)小麥產(chǎn)量的持續(xù)增長，而且還會造成肥料資源的浪費，甚至可能帶來環(huán)境風險，應適當控制當?shù)剞r(nóng)民肥料的施用。

不同監(jiān)測區(qū)之間，同一監(jiān)測區(qū)不同年際之間的小麥產(chǎn)量波動很大，經(jīng)分析這與施肥水平、作物生育期降水量以及生育期積溫有關(guān)，當小麥生長前期氣溫較低，降水量偏高，后期氣溫較高，降水量偏少時，利于作物獲得高產(chǎn)。從糧食生產(chǎn)經(jīng)濟效益方面分析，農(nóng)民地的高施肥量不能獲得小麥產(chǎn)量的顯著增加，建議當?shù)剞r(nóng)民改變目前的施肥習慣，可考慮適當減少肥料用量，降低投入成本，以便獲得更高的經(jīng)濟效益。

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Soil nutrient balance and crop yields after 10-years' fertilization in the gully area of the Loess Plateau

XU Na1，DANG Ting-hui1，2*，LIU Wen-zhao1，2
（1 Institute of Soil and Water Conservation， Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling， Shaanxi 712100， China；2 Institute of Soil and Water Conservation， Northwest A&F University， Yangling， Shaanxi 712100， China）

【Objectives】 Soil nutrient contents are important indices of soil fertility， it is useful to reflect change trends of soil nutrients via monitoring amounts of farmland fertilizers and soil nutrients regularly. Based on a 10-year long-term monitoring experiment of different fertilization in the gully area of the Loess Plateau， the changes of soil nutrients and crop yields were investigated and the relationships among them were analyzed.【Methods】All the treatments in monitoring areas were under the field management measures. There were four treatment areas， no fertilizer（CK）， chemical fertilizer（HF）， combined application of chemical fertilizer and organic fertilizer（HM）and local farmland（NM）. All the fertilizers were basal applied before sowing of crops. Soil samples（0-20 cm）were collected in the middle June or September， and the crops yield and the NPK contents of aboveground plants were calculated at the harvest.【Results】After 10 years’ experiment， the contents of soil organic matter were decreased by 1.73 g/kg in CK， increased by 1.97 g/kg in HF， 2.20 g/kg in HM and 1.44 g/kg in NM， respectively. The soil total N contents were decreased by 0.08 g/kg in CK， and increased by 0.05-0.13 g/kg in the treatments with fertilization. The soil available N contents were increased in HF， but decreased in all the other treatments. The soil available P contents were increased obviously by 11.86 mg/kg in HM. The soil available K contents were decreased by 38 mg/kg in CK but increased significantly by 27.5 mg/kg in NM. All the fertilization treatments could increase the wheat yields significantly compared to CK， and there were no significant differences among the fertilization areas. Nutrient balance analysis showed that the combined application of chemical and organic fertilizer had N， P and K surplus， the chemical fertilizer would cause the deficiency of K， and all the nutrients would be in deficit without the fertilization.【Conclusions】The precipitation， thermal condition and fertilization levels influence the wheat yield significantly. The contents of soil nutrients in the tillage layer（0-20 cm）are changed significantly after 10 years’ fertilization. The initial soil nutrient contents of CK were the highest， however， they became the lowest after 10 years， which proved the extremely importance of fertilization to keep soil fertility. The fertilization can increase the contents of soil nutrients include organic matter， total N， available P and available K， the soil available N is reduced in all the treatments except the chemical fertilization. The waste of fertilizer exists in local farmlands. It is suggested for local farmers to reduce the amount of fertilizer appropriately.

long-term monitoring； soil nutrient； wheat yield； change trend

S158.2

A

1008-505X（2016）05-1240-09

2015-05-06接受日期：2015-08-16

日期：2016-04-01

中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（CERN）長武站長期監(jiān)測項目（K318009703）資助。

徐娜（1990—），女，陜西西安人，碩士研究生，主要從事土壤化學方面的研究。E-mail：xunaxn@126.com

Tel：029-87012875，E-mail：dangth@ms.iswc.ac.cn