黃土高原黑壚土施肥的作物累積產(chǎn)量及土壤肥力貢獻(xiàn)*

俄勝哲 丁寧平 李利利 袁金華 車宗賢 周海燕 尚來貴

（1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

（2 平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅平?jīng)?744000）

施肥是作物增產(chǎn)最關(guān)鍵、最活躍和最能調(diào)控的因素，也是作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)最重要的措施之一。歐美國(guó)家化肥的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)率為35%～66%，而我國(guó)僅為35%～45%［1］。施肥的產(chǎn)量和肥力效應(yīng)是指導(dǎo)科學(xué)施肥的關(guān)鍵，因此研究施肥的產(chǎn)量效應(yīng)尤為重要。但肥料的增產(chǎn)效應(yīng)易受氣候、土壤肥力和栽培措施等多種因素的影響。黃欠如等［2］研究結(jié)果顯示，各施肥處理產(chǎn)量效應(yīng)受氣候的年成變化、季相變化及其交互作用的影響極顯著。馬強(qiáng)等［3］研究指出，降雨量顯著影響不同施肥處理的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)率，平水年玉米產(chǎn)量最高，肥料增產(chǎn)效果最佳，其次為豐水年，而旱、澇年份最低。同時(shí)，諸多長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究結(jié)果亦表明，與對(duì)照相比，施肥能顯著增加作物產(chǎn)量，但同一施肥處理不同年際間增產(chǎn)效應(yīng)差異較大［1,4-5］。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)施肥對(duì)作物產(chǎn)量的影響已有大量報(bào)道，但主要集中在施肥對(duì)當(dāng)季作物或者作物平均產(chǎn)量的增產(chǎn)效應(yīng)。化肥對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)主要由化肥對(duì)當(dāng)季作物的產(chǎn)量貢獻(xiàn)、化肥后效對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)和當(dāng)季作物由化肥增殖的農(nóng)產(chǎn)品中轉(zhuǎn)化的有機(jī)肥養(yǎng)分對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)3部分組成［6］，施肥的累積產(chǎn)量效應(yīng)不僅包括肥料的當(dāng)季作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)，還包括肥料后效的增產(chǎn)效應(yīng)，同時(shí)能消減環(huán)境因素等對(duì)施肥效果的影響，因此更能準(zhǔn)確反映施肥的作物產(chǎn)量效應(yīng)。

黃土高原地區(qū)包括陜西、甘肅、寧夏、青海、內(nèi)蒙、山西、河南等7?。▍^(qū)）285個(gè)縣（區(qū)、旗），土地總面積62.37萬km2。長(zhǎng)期以來，該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植糧食作物為主，由于干旱少雨、水土流失及風(fēng)沙危害，糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后，農(nóng)民生活困難［7］。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，黃土高原農(nóng)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)了兩方面的問題。一是部分區(qū)域農(nóng)田水利等基礎(chǔ)設(shè)施完善，農(nóng)戶大量施肥，作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，但由于重視化肥投入，而忽視有機(jī)肥，土壤質(zhì)量面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［8］，同時(shí)，由化肥所帶來的農(nóng)田環(huán)境問題也日益增大［9］；二是部分區(qū)域水資源短缺以及土壤貧瘠依然是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素。長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐證明，科學(xué)施肥是培肥土壤、提高糧食單產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵措施［10］，施肥對(duì)糧食產(chǎn)量及土壤肥力質(zhì)量的影響已成為政府和學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。雖然有關(guān)施肥對(duì)作物產(chǎn)量與土壤肥力的影響在黃土高原的研究報(bào)道較多［11-12］，但多集中在降雨量較豐富的陜西關(guān)中平原，而涉及作物累積產(chǎn)量及在相對(duì)干旱黑壚土區(qū)域的研究報(bào)道較少。本研究以1978年布置在黃土高原黑壚土上的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究施肥對(duì)作物累積產(chǎn)量和土壤肥力演變的影響與貢獻(xiàn)，以期為黃土高原黑壚土區(qū)的科學(xué)施肥、化肥減施、土壤培肥及土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)等方面提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省平?jīng)鍪袥艽h高平鎮(zhèn)（107°30′ E，35°16′ N），海拔1 150 m，年均氣溫8℃，大于等于10℃積溫2 800℃，持續(xù)期180 d，年均降水量540 mm，其中60% 集中在7—9月，年蒸發(fā)量1 380 mm，無霜期約170 d，干燥度0.39，光熱資源豐富，水熱同季，屬黃土高原半濕潤(rùn)偏旱區(qū)。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，土壤類型為旱地覆蓋黑壚土（CumulicHaplustoll，USDA 分類），土壤顆粒組成為砂粒（2～0.02 mm）231.4 g·kg-1、細(xì)砂粒（0.02～0.002 mm）432.1 g·kg-1、黏粒（小于0.002 mm）336.5 g·kg-1。試驗(yàn)始于1978年，開始時(shí)耕層（0～20 cm）土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)10.75 g·kg-1，pH 8.20，全氮（TN）0.95 g·kg-1，全磷（TP）0.57 g·kg-1，堿解氮（AN）65.9 mg·kg-1，有效磷（AP）6.77 mg·kg-1，速效鉀（AK）163.2 mg·kg-1。

1. 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6處理：（1）不施肥（CK）；（2）單施氮肥（N 90 kg·hm-2，N）；（3）氮磷配施（N 90 kg·hm-2+ P2O575 kg·hm-2，NP）；（4）秸稈加氮磷肥（S 3 750 kg·hm-2+ N 90 kg·hm-2+ 每2年施P2O575 kg·hm-2，SNP）；（5）農(nóng)家肥（75 t·hm-2，M）；（6）農(nóng)家肥加氮磷肥（M 75 t·hm-2+ N 90 kg·hm-2+ P2O575 kg·hm-2，MNP）。小區(qū)面積666.7 m2，隨機(jī)排列。氮肥用尿素，磷肥用過磷酸鈣或磷酸二氫銨。秸稈為前茬作物小麥或玉米的秸稈。農(nóng)家肥為牛、馬廄肥。1979年農(nóng)家肥有機(jī)質(zhì)含量15 g·kg-1，氮磷鉀全量分別為N 1.7 g·kg-1、P 6.8 g·kg-1、K 28 g·kg-1。由于未連續(xù)測(cè)定農(nóng)家肥養(yǎng)分含量，2012年對(duì)試驗(yàn)地附近農(nóng)戶的農(nóng)家肥取樣分析（附近農(nóng)戶的農(nóng)家肥是試驗(yàn)用肥的主要來源），其平均養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)19 g·kg-1、N 1.6 g·kg-1、P 1.6 g·kg-1、K 15 g·kg-1。

1.3 栽培管理措施

磷肥、農(nóng)家肥及秸稈播前全部基施，小麥的氮肥全作基肥播前施入，而玉米氮肥的60%做基肥，40%做追肥。1979—1993年試驗(yàn)按2年春玉米～4年冬小麥輪作模式進(jìn)行。1993—1998年冬小麥連作，1999年種植高粱，2000年種植大豆，2001—2015年試驗(yàn)再次按2年春玉米～4年冬小麥輪作模式進(jìn)行。玉米不覆膜穴播，密度每公頃5.25萬株，小麥機(jī)械條播，播量187.5 kg·hm-2。

1.4 樣品采集與測(cè)定

每年作物成熟期，按“S”型采樣路線，每小區(qū)5個(gè)樣點(diǎn)，每樣點(diǎn)采集40 m2的玉米植株（小麥采集20 m2），混合后進(jìn)行考種和測(cè)產(chǎn)，同時(shí)每樣點(diǎn)采集0～20 cm 耕層土壤樣品，然后混合。2015年采集土壤樣品時(shí)，先將每小區(qū)劃分為3部分，視為3次重復(fù)，每部分按“S”型采樣路線，每部分5個(gè)樣點(diǎn)，采集0～20 cm 耕層土壤樣品，5樣點(diǎn)樣品混合成一個(gè)混合樣。混合樣風(fēng)干、過篩后，用于土壤質(zhì)地、全氮、全磷、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)的分析測(cè)定。土壤質(zhì)地用吸管法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤pH用蒸餾水浸提（1∶2.5），pH計(jì)測(cè)定；土壤全氮用凱氏定氮法測(cè)定；堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；全磷和全鉀采用NaHCO3熔融后，分別用鉬銻抗比色法和火焰光度法測(cè)定；土壤有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用1 mol·L-1的醋酸氨浸提，火焰光度法測(cè)定［1,5,10］。

1.5 數(shù)據(jù)分析

為消除年際間降水量、溫度等因素差異而引起的產(chǎn)量波動(dòng)，采用累積產(chǎn)量法研究不同施肥處理在具體時(shí)間段內(nèi)對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。累積產(chǎn)量是指采用某種施肥處理后，在某一具體年限的作物產(chǎn)量總和。氮（N）、磷（P）、氮磷配施（NP）及秸稈還田（S）的累積產(chǎn)量貢獻(xiàn)量按以下公式計(jì)算：

圖表繪制采用Excel2007進(jìn)行。應(yīng)用SPSS 11.0軟件進(jìn)行方差、多重比較（最小顯著差異（LSD）法）和皮爾森相關(guān)性分析（Pearson correlation coefficients），作物產(chǎn)量進(jìn)行方差分析時(shí)，年份和不同施肥被看作試驗(yàn)因素，選用兩因素模型進(jìn)行方差分析［4］。

2 結(jié) 果

2.1 施肥對(duì)作物累積產(chǎn)量及穩(wěn)定性的影響

在長(zhǎng)達(dá)38 a的試驗(yàn)期內(nèi)，1999年種植高粱，2000年種植大豆，這兩種作物種植年份較少，且不是該區(qū)域主栽作物，因此，這2種作物的產(chǎn)量在文中未分析討論。由圖1可以看出，無論小麥還是玉米，不同施肥處理作物累積產(chǎn)量均存在明顯差異，而且種植年限越長(zhǎng)，累積產(chǎn)量差異越大。小麥和玉米累積產(chǎn)量與其種植年限均呈顯著正相關(guān)，且決定系數(shù)R2≥0.95，因此，線性方程的斜率可較為準(zhǔn)確地表征不同施肥處理作物的年均產(chǎn)量。由斜率可知CK、N、NP、SNP、M、MNP 6處理玉米的年均籽粒產(chǎn)量分別為3 491、4 359、6 899、7 329、7 024、8 392 kg·hm-2，小麥的分別為1 443、1 869、3 634、3 842、3 338、4 378 kg·hm-2。CK和N處理小麥的累積產(chǎn)量與種植年限間的關(guān)系雖可用線性模型高度擬合，但從圖1中不難發(fā)現(xiàn)，CK和N處理小麥籽粒累積產(chǎn)量的增速隨種植年限的增加而略有下降，表明CK和N處理隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)，土壤養(yǎng)分逐漸消耗，小麥籽粒產(chǎn)量有逐漸降低趨勢(shì)。NP、SNP、M、MNP 4處理玉米和小麥的累積產(chǎn)量隨種植年限的增加而直線增加，表明這4種施肥處理并未引起土壤肥力水平降低，能維持穩(wěn)定的土壤生產(chǎn)力水平。

以施肥處理和年份為自變量，作物產(chǎn)量為因變量，進(jìn)行兩因素方差分析，結(jié)果表明，施肥和年份對(duì)作物產(chǎn)量有極顯著影響，CK、N、NP、SNP、M、MNP 6處理玉米和小麥的多年平均籽粒產(chǎn)量（表1）與由擬合方程所得的相應(yīng)處理年均產(chǎn)量相近。NP、SNP、M和MNP處理多年平均玉米籽粒產(chǎn)量較對(duì)照（CK）均顯著增加，其增幅分別為92%、97%、93%和141%，而單施氮肥（N）增產(chǎn)效果不顯著。NP、SNP、M和MNP處理間玉米產(chǎn)量差異也未達(dá)到顯著水平。與玉米不同的是，所有施肥處理小麥籽粒產(chǎn)量較對(duì)照均顯著增加，N、NP、SNP、M和MNP 處理的平均小麥籽粒產(chǎn)量分別較對(duì)照（CK）增加36%、147%、164%、139%和214%，其增幅明顯大于玉米。不同處理間，MNP處理小麥籽粒產(chǎn)量最高，顯著高于其他處理，但NP、SNP、M處理間的差異不顯著（表1）。由此表明，僅施有機(jī)肥（M）及稈還田結(jié)合隔年施磷（SNP）可以獲得與NP處理相當(dāng)?shù)淖魑锂a(chǎn)量。施肥對(duì)年際間小麥產(chǎn)量的穩(wěn)定性也有較大影響（表1），NP、SNP、M和MNP處理小麥產(chǎn)量的變異系數(shù)較對(duì)照明顯降低，但不同處理間玉米籽粒產(chǎn)量的變異系數(shù)差異不明顯，在23%～32%之間。

2.2 施肥對(duì)累積產(chǎn)量的貢獻(xiàn)

圖1 施肥對(duì)小麥和玉米累積產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of fertilization on accumulative yields of wheat and maize

表1 施肥對(duì)作物產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of fertilization on crops yields

圖2 不同施肥處理小麥和玉米累積增產(chǎn)量Fig. 2 Contribution of fertilization to accumulative yield of wheat and maize relative to treatments

氮磷配施、秸稈還田和有機(jī)肥的玉米和小麥累積產(chǎn)量貢獻(xiàn)量均隨著種植年限的增加而增加，而且與種植年限間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。由擬合方程得知，氮磷配施、秸稈還田玉米年均產(chǎn)量貢獻(xiàn)量分別為3 408、2 191 kg·hm-2，小麥的分別為429、206 kg·hm-2（圖2）。由M=∑1n(M-CK)計(jì)算所得有機(jī)肥處理的玉米、小麥年均產(chǎn)量貢獻(xiàn)量分別為3 533、1 896 kg·hm-2，而由M=(MNP-NP)計(jì)算所得有機(jī)肥的玉米、小麥年均產(chǎn)量貢獻(xiàn)量分別為1 492、744 kg·hm-2。M=(M-CK)所得的有機(jī)肥累積產(chǎn)量貢獻(xiàn)量明顯大于M=(MNP-NP)所得，由此表明，土壤肥力對(duì)有機(jī)肥的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)量有較大影響，低肥力土壤（CK處理）有機(jī)肥的增產(chǎn)效果明顯高于高肥力土壤（NP處理）。

單施氮肥的小麥和玉米累積產(chǎn)量貢獻(xiàn)量隨種植年限的增加先增加后降低，可用開口向下的二次曲線擬合，表明單施氮肥一定的年限后，玉米和小麥產(chǎn)量將會(huì)低于不施肥處理（CK），二次曲線的斜率也顯示，氮肥的年產(chǎn)量貢獻(xiàn)量隨種植年限的延長(zhǎng)而逐漸降低，一定年限后將出現(xiàn)較對(duì)照減產(chǎn)。這可能是由于土壤磷素逐漸耗竭，土壤氮磷養(yǎng)分不平衡，嚴(yán)重限制了氮肥的作物產(chǎn)量效應(yīng)所致（圖2）。與氮肥不同，磷肥的小麥和玉米累積產(chǎn)量貢獻(xiàn)量隨種植年份的增加而增加，可用開口向上的二次曲線擬合。二次曲線的斜率顯示，磷肥的年產(chǎn)量貢獻(xiàn)量隨種植年限增加而逐漸增加，這可能是由于長(zhǎng)期施磷，土壤中的磷素累積而進(jìn)一步增加作物產(chǎn)量所致，也可能是以P=(NP-N)計(jì)算P累積產(chǎn)量貢獻(xiàn)量，未能分離NP的交互作用及N處理產(chǎn)量逐漸降低所致。

2.3 施肥對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)

2.3.1 施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的貢獻(xiàn) 由圖3可以看出，隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)，施有機(jī)肥及秸稈還田土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，不施肥（CK）和僅施用化肥（N，NP）處理土壤有機(jī)質(zhì)含量也有所增加。除CK和N處理，其余處理土壤有機(jī)質(zhì)含量與試驗(yàn)?zāi)晗揎@著正相關(guān)（yNP= 0.18x + 9.69，R2 = 0.71**；ySNP= 0.32x + 10.09，R2 = 0.92**；yM= 0.39x + 8.95，R2 = 0.84**；yMNP= 0.44x +8.86，R2 = 0.87**）。2015年CK、N、NP、SNP、M和MNP 土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為13.2、13.6、16.6、18.9、23.4和24.2 g·kg-1，分別較1978年增加22.8%、26.5%、54.4%、75.8%、114.0%和123.3%，年均增速分別為0.064、0.075、0.154、0.214、0.322和0.348 g·kg-1。2015年NP、SNP、M和MNP處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于對(duì)照（CK）和僅施氮肥（N）處理，其分別較對(duì)照增加25.7%、43.2%、74.2%和81.8%。M和MNP處理顯著高于NP和SNP處理，但CK與N、NP與SNP及M與MNP處理間差異不顯著（表2）。

圖3 施肥對(duì)土壤碳氮的貢獻(xiàn)Fig. 3 Contribution of fertilization to soil organic matter and N contents

土壤全氮含量變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢(shì)略有差異，隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)，施有機(jī)肥和秸稈還田土壤全氮含量也明顯增加，但化肥無論單施還是配施，土壤全氮含量均無明顯變化（圖3）。CK、N、NP、SNP、M和MNP 6處理中僅有M和MNP處理土壤全氮含量與試驗(yàn)?zāi)晗揎@著正相關(guān)（yM= 0.009x + 0.968，R2 = 0.62**；yMNP= 0.010x+ 0.983，R2 = 0.72**）。2015年CK、N、NP、SNP、M和MNP 處理土壤全氮含量分別為0.87、0.87、0.89、1.04、1.32、1.27 g·kg-1，僅SNP、M和MNP處理土壤全氮含量較對(duì)照（CK）顯著增加，分別較對(duì)照增加9.5%、36.8%和33.7%，而且M和MNP處理顯著高于SNP， N和NP處理與對(duì)照（CK）差異不顯著，M和MNP處理間差異也不顯著（表2），這進(jìn)一步說明，長(zhǎng)期施用化學(xué)氮肥對(duì)土壤全氮含量影響不顯著。

表2 施肥對(duì)0～20 cm耕作層土壤養(yǎng)分含量的影響Table 2 Effect of fertilization on soil nutrient contents in the 0～20 cm tillage layer in 2015

2.3.2 施肥對(duì)土壤有效磷和速效鉀的貢獻(xiàn) CK和N處理長(zhǎng)期不施磷，土壤有效磷（Olsen-P）含量隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而逐漸降低，而NP、SNP、M和MNP處理每年均有磷輸入，土壤有效磷含量均隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)而逐漸增加（圖4），且與試驗(yàn)?zāi)晗揎@著正相關(guān)（yN= -0.13x+6.78, R2 = 0.53**;yNP= 0.57x+4.70, R2 = 0.82**; ySNP= 0.28x+6.38,R2 = 0.69**; yM= 0.278x + 6.27, R2 = 0.88**; yMNP= 1.33x + 2.36, R2 = 0.94**）。2015年CK、N、NP、SNP、M和MNP的有效磷含量分別為3.2、5.0、26.7、13.6、12.4和39.2 mg·kg-1，與1978年初始值相比，CK和N處理降低了52.7%和26.1%，年均減少0.094 mg·kg-1和0.047 mg·kg-1，而NP、SNP、M和MNP處理較對(duì)照分別增加了394.4%、100.9%、83.2%和479.0%，年均增加0.52、0.18、0.15和0.85 mg·kg-1。2015年NP、SNP、M和MNP土壤有效磷含量顯著高于對(duì)照，分別較對(duì)照增加638%、325%、288%和1125%。MNP既施有機(jī)肥又施磷肥，年均土壤磷素投入量最大（153 kg·hm-2），土壤有效磷含量也顯著高于其他處理；其次為NP處理，NP處理（30 kg·hm-2）雖年均土壤磷素輸入量低于M處理（120 kg·hm-2），但有效磷含量高，因而，NP處理土壤有效磷含量也顯著高于M處理；SNP處理磷素輸入量低于NP處理，但因施用化學(xué)磷肥，土壤有效磷含量雖顯著低于NP處理，但與M處理差異不顯著（表2）。

與有效磷含量變化趨勢(shì)相似，隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)，長(zhǎng)期無鉀輸入處理（CK、N、NP）土壤速效鉀含量逐漸降低，但僅CK處理與試驗(yàn)?zāi)晗揎@著負(fù)相關(guān)（yCK= -1.20x + 162.44, R2 = 0.49**），秸稈還田（SNP）雖可緩解土壤速效鉀含量降低的趨勢(shì)，但不能完全消除（圖4）。施用有機(jī)肥（M和MNP）土壤速效鉀含量逐漸增加，而且與試驗(yàn)?zāi)晗揎@著正相關(guān)（yM= 5.67x + 123.91, R2= 0.78**; yMNP= 5.61x + 124.43, R2 = 0.84**）。2015年CK、N、NP、SNP、M和MNP 6 處理土壤速效鉀含量分別為129、154、119、139、288和299 mg·kg-1，CK、N、NP和SNP處理土壤速效鉀含量分別較1978年試驗(yàn)初始值降低21.0%、5.6%、27.1%和14.8%，年均減少0.90、0.24、1.16和0.64 mg·kg-1，而M和MNP處理較初始值增加76.6%和83.2%，年均增加3.28和3.57 mg·kg-1。MNP和M處理長(zhǎng)期施用有機(jī)肥，土壤速效鉀含量最高，顯著高于其他處理，其次為SNP和N處理，而CK和NP處理土壤速效鉀含量最低（表2）。

圖4 施肥對(duì)土壤有效磷和速效鉀貢獻(xiàn)Fig. 4 Contribution of fertilization to contents of soil available P and K

3 討 論

3.1 作物累積產(chǎn)量及肥料的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)

作物產(chǎn)量的施肥響應(yīng)是評(píng)價(jià)施肥措施是否科學(xué)的主要依據(jù)，但由于受氣候和品種等因素的影響，年際間作物產(chǎn)量通常有較大波動(dòng)。為消除氣候、品種等所引起的產(chǎn)量波動(dòng)，多采用滑動(dòng)平均、相對(duì)產(chǎn)量等方法處理［13］。本研究發(fā)現(xiàn)，CK和N處理小麥累積產(chǎn)量隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)增速逐減，而其他處理則直線增加；N肥的小麥和玉米累積產(chǎn)量貢獻(xiàn)量隨種植年限的增加先增加后降低，而NP、秸稈和有機(jī)肥的累積產(chǎn)量貢獻(xiàn)量隨試驗(yàn)?zāi)晗蘧€性增加，與累積產(chǎn)量變化趨勢(shì)相互印證；CK、N、NP、SNP、M、MNP 6處理玉米和小麥的多年平均籽粒產(chǎn)量與由擬合方程所得的相應(yīng)處理年均產(chǎn)量相近，以上結(jié)果均表明采用累積產(chǎn)量法可在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上消除年際間作物產(chǎn)量的波動(dòng)，通過建立不同施肥處理種植年限與累積產(chǎn)量的數(shù)學(xué)關(guān)系，可準(zhǔn)確確定不同施肥及肥料作物產(chǎn)量演變趨勢(shì)特征和貢獻(xiàn)量等參數(shù)。

NP肥的小麥和玉米年產(chǎn)量貢獻(xiàn)量分別為3 408和2 191 kg·hm-2，秸稈還田年均玉米和小麥產(chǎn)量貢獻(xiàn)分別為429和206 kg·hm-2，而氮肥、磷肥的玉米產(chǎn)量貢獻(xiàn)量與種植年限分別呈二次凹曲線和凸曲線關(guān)系，M和MNP處理有機(jī)肥的玉米年均產(chǎn)量貢獻(xiàn)為3 533、1 896 kg hm-2，小麥為1 492、744 kg·hm-2，表明肥料種類、土壤養(yǎng)分平衡狀況及肥力水平均影響著肥料的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)量。N處理土壤有效磷含量逐漸降低，逐漸限制氮肥的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)，直至氮肥的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)為負(fù)；長(zhǎng)期施磷，土壤有效磷累積，磷肥的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)增加，同時(shí)，以NP-N計(jì)算磷肥的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)會(huì)因N處理作物產(chǎn)量遞減引起磷肥的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)量遞增；M處理與CK處理土壤肥力指標(biāo)（有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀）差異明顯大于MNP與NP處理，致使M處理有機(jī)肥作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)明顯大于MNP處理，因此，在評(píng)價(jià)肥料的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)量時(shí)應(yīng)充分考慮土壤養(yǎng)分平衡狀況及肥力水平。

由累積產(chǎn)量與試驗(yàn)?zāi)晗揲g的擬合方程得知，CK、N、NP、SNP、M和MNP 6處理玉米的年均籽粒產(chǎn)量分別為3 491、4 359、6 899、7 329、7 024、8 392 kg·hm-2，小麥的分別為1 443、1 869、3 634、3 842、3 338、4 378 kg·hm-2，這與布置在陜西長(zhǎng)武長(zhǎng)期定位試驗(yàn)CK、N、NP、M和MNP處理的小麥平均產(chǎn)量基本一致［12］，雖然陜西武長(zhǎng)期定位試驗(yàn)施氮量高于本試驗(yàn)。王位泰等［14］在黃土高原56個(gè)站點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)，多雨年小麥和玉米的平均產(chǎn)量分別為3 555和6 690 kg·hm-2，少雨年小麥和玉米的平均產(chǎn)量為2 955和2 580 kg·hm-2，多雨年小麥和玉米產(chǎn)量與本研究NP處理小麥和玉米產(chǎn)量相近，由此表明，本試驗(yàn)NP處理的施肥量與區(qū)域常規(guī)施肥量（N 225、P2O5150 kg·hm-2）相比雖較低，但能滿足作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的需要。作物累積產(chǎn)量貢獻(xiàn)量與種植年限顯著正相關(guān)，同時(shí)NP處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷含量較試驗(yàn)起始時(shí)其含量明顯增加，進(jìn)一步證實(shí)NP處理的施肥量未引起土壤肥力水平下降。SNP、M和MNP處理小麥和玉米產(chǎn)量與NP處理相近或顯著高于NP處理，其原因是這3處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀含量較NP處理明顯增加，雖SNP和M處理有效磷含量低于NP處理，但仍高于12 mg·kg-1，與土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)［15］相比，含量水平中等，而且與試驗(yàn)起始時(shí)相比明顯增加，能夠滿足作物需求。這些結(jié)果也表明，秸稈還田配合隔年施磷、施用有機(jī)肥及化肥與有機(jī)肥配施均是黃土高原黑壚土區(qū)比較適宜的土壤培肥技術(shù)，特別是秸稈還田配合隔年施磷，不但可降低磷肥施用量50%，還可解決作物秸稈的出路問題。

3.2 施肥對(duì)土壤肥力質(zhì)量的貢獻(xiàn)

有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的基礎(chǔ)和土壤培肥的核心問題，一直受到廣泛關(guān)注。本研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥和秸稈還田顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，不施肥和僅施用化肥處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量也有所增加，其原因應(yīng)是根茬還田所致，徐娜等［10］在陜西長(zhǎng)武監(jiān)測(cè)的結(jié)果與此相同。不同處理間土壤有機(jī)質(zhì)增幅不同，可能與外源有機(jī)質(zhì)輸入的數(shù)量、質(zhì)量及根茬還田量不同有關(guān)，SNP處理累積有機(jī)質(zhì)輸入量最大（149 200 kg·hm-2），而M和MNP處理累積有機(jī)碳輸入量分別為93 027 kg·hm-2和102 841 kg·hm-2，但因其較農(nóng)家肥中的有機(jī)質(zhì)更易礦化腐解，土壤固存率低，致使土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著低于M和MNP處理。陳磊等［11］在黃土高原中南部的旱塬上研究也發(fā)現(xiàn)，單施氮肥（N）、氮磷（NP）配施可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)肥與化肥配施土壤中的作物殘茬明顯增加，有機(jī)質(zhì)含量增幅較化肥單施和配施效果顯著。李科江等［16］在河北省輕壤質(zhì)底黏潮土上的研究同樣證實(shí)，長(zhǎng)期不施肥，土壤有機(jī)質(zhì)含量略有增加；而許詠梅等［17］在新疆烏魯木齊灰漠土上研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期不施肥、施用化肥土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯下降。不同區(qū)域長(zhǎng)期施肥土壤有機(jī)質(zhì)響應(yīng)不一致可能與土壤類型、氣候條件及種植作物不同有關(guān)。

施用有機(jī)肥和秸稈還田增加了土壤全氮含量，但施用化肥對(duì)土壤全氮含量影響不明顯，這與楊旸等［18］研究結(jié)果一致。其主要原因可能是農(nóng)田土壤中的化學(xué)氮素除部分在降雨和灌溉水的作用下直接流失外，主要是以可溶性和形式淋失至土壤下層或通過氨揮發(fā)途徑進(jìn)入大氣［19］，而有機(jī)肥氮可區(qū)分為易分解和較難分解的兩大部分，前者在施用的當(dāng)季即可分解釋出礦質(zhì)氮，而后者的礦化較慢、持效時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)期連續(xù)施用可產(chǎn)生累積效應(yīng)［20］。王亞薩等［21］研究也證實(shí)，施用有機(jī)肥能顯著提高土壤全氮含量，并且有機(jī)肥施用量與土壤全氮提高幅度呈正相關(guān)。由此表明，氮肥與有機(jī)肥配施是增加土壤全氮含量、提升土壤供氮能力和氮肥利用效率的有效途徑。

4 結(jié) 論

采用累積產(chǎn)量可在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上消除年際間作物產(chǎn)量的波動(dòng)，通過建立種植年限與累積產(chǎn)量間的關(guān)系，可準(zhǔn)確確定不同施肥處理作物平均產(chǎn)量、產(chǎn)量演變趨勢(shì)及肥料的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)量等參數(shù)。土壤肥力水平影響肥料的作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)量，氮肥和磷肥的玉米產(chǎn)量貢獻(xiàn)量與種植年限分別呈二次凹函數(shù)和凸函數(shù)關(guān)系，M和MNP處理有機(jī)肥的玉米年均產(chǎn)量貢獻(xiàn)為3 533、1 896 kg·hm-2，小麥為1 492、744 kg·hm-2。秸稈還田年均玉米和小麥產(chǎn)量貢獻(xiàn)分別為429和206 kg·hm-2。黃土高原黑壚土區(qū)小麥/玉米輪作體系中，長(zhǎng)期秸稈還田、施用有機(jī)肥及有機(jī)肥與化肥配施作物產(chǎn)量較常規(guī)施肥增加，同時(shí)也可提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，提升土壤肥力質(zhì)量；適宜施肥量為N 90 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2，若秸稈還田，可隔年施磷。