黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡分析與評價

楚天舒，王德睿，韓魯佳，楊增玲

黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡分析與評價

楚天舒1，王德睿2，韓魯佳1，楊增玲1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，煙臺 264670）

養(yǎng)分資源高效利用是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。黑龍江墾區(qū)是中國糧食主產(chǎn)區(qū)之一，對其進(jìn)行農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡評價至關(guān)重要。該研究以黑龍江墾區(qū)為研究對象，采用農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡方法，分析與評價其2000－2018年農(nóng)田土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分輸入與輸出情況。結(jié)果表明：1）2000－2018年黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤氮、磷、鉀輸入與輸出整體呈現(xiàn)“平穩(wěn)-增長-下降后平穩(wěn)”的趨勢，養(yǎng)分輸入以化肥為主，養(yǎng)分輸出以籽粒和秸稈為主。2）黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤單位面積養(yǎng)分輸入量較為穩(wěn)定，并且所帶來的經(jīng)濟(jì)效益在增加。3）2017年以來黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤氮和鉀處于養(yǎng)分平衡狀態(tài)，而磷處于養(yǎng)分盈余狀態(tài)。2018年黑龍江墾區(qū)氮、磷、鉀利用效率分別為51.03%、27.98%、10.04%。建議黑龍江墾區(qū)大力推廣有機(jī)無機(jī)肥配施，開展農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡長期調(diào)查與監(jiān)測，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

農(nóng)田；土壤；養(yǎng)分平衡；黑龍江墾區(qū)

0 引 言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮、磷、鉀等肥料投入不但對農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用[1]，而且與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境有著密切的關(guān)系。如肥料過量施用會造成活性氮損失[2]、溫室氣體排放增加[3]、水體污染[4]等環(huán)境問題。因此，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，農(nóng)田土壤養(yǎng)分資源收支平衡的評價與分析成為當(dāng)下研究重點。

Bouwman等[5]在全球尺度上，通過分析作物-畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)的氮、磷平衡發(fā)現(xiàn)，1950－2000年間全球養(yǎng)分盈余量持續(xù)增加，氮盈余1 380億kg/a，磷盈余110億kg/a。未來需要科學(xué)協(xié)調(diào)作物種植與畜禽養(yǎng)殖關(guān)系，增大糞肥的施用量。MacDonald等[6]針對123種作物的磷養(yǎng)分平衡分析也得到類似結(jié)論。在國家尺度上，He等[7]評估了1984－2014年中國農(nóng)田土壤氮平衡的時空變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤氮整體處于盈余狀態(tài)。其中，長江中下游地區(qū)的氮盈余量最大，東北地區(qū)氮盈余量最小。因此，建議減少氮肥的施用量，降低因肥料損失帶來的環(huán)境污染。Li等[8]研究發(fā)現(xiàn)1950－2010年中國施用氮肥增加了谷物的產(chǎn)量，但氮肥生產(chǎn)力呈現(xiàn)下降趨勢。Pathak等[9]對印度農(nóng)田土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分平衡進(jìn)行計算分析，發(fā)現(xiàn)化肥提供的氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為64%、78%、26%。Spiess[10]對瑞士農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡評價發(fā)現(xiàn)減少了化肥的施用，氮、磷、鉀養(yǎng)分盈余均存在一定的減少，建議未來以糞肥代替更多化肥。Mishima等[11]對日本主要農(nóng)作物農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡進(jìn)行評估，比較分析不同作物養(yǎng)分利用情況。綜上所述可知，運用農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡方法對某一地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的氮、磷、鉀養(yǎng)分輸入與輸出進(jìn)行分析與評價，可從宏觀層面上掌握區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物養(yǎng)分利用情況，有助于提出優(yōu)化養(yǎng)分管理措施與方案，提高系統(tǒng)養(yǎng)分利用效率。

黑龍江墾區(qū)作為中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化與現(xiàn)代化生產(chǎn)的典型代表、中國糧食主產(chǎn)區(qū)之一。自1949年起累計生產(chǎn)糧食達(dá)到4.1億t。其中，2018年糧食產(chǎn)量為2 279.64萬t，占全國總產(chǎn)量的3.47%。養(yǎng)分高效利用與管理是糧食安全的重要基礎(chǔ)。但通過中外文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，尚未有針對黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡的研究。因此，本文以黑龍江墾區(qū)為研究對象，分析并評價其2000－2018年農(nóng)田土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的輸入與輸出變化情況，提出相關(guān)養(yǎng)分管理建議，促進(jìn)養(yǎng)分的高效率利用，保障糧食安全與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江墾區(qū)位于中國東北部小興安嶺南麓、松嫩平原和三江平原地區(qū)（123°32'～134°33'E，43°56'～50°21'N）。轄區(qū)土地總面積554萬hm2，下轄9個管理局，113個農(nóng)牧場，分布在黑龍江省12個市。黑龍江墾區(qū)地處世界三大黑土帶之一，土壤肥沃，耕層厚，腐殖質(zhì)含量高，土壤類型以黑土、黑鈣土、暗棕壤、草甸土、水稻土等為主。2018年，黑龍江墾區(qū)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值691.85億元，糧食總產(chǎn)量為2 279.64萬t，種植面積289.30萬hm2，其中，水稻、玉米、大豆為主要農(nóng)作物，種植面積分別為155.79、70.86和54.59萬hm2，分別占總種植面積的53.85%、24.49%和18.87%。此外，黑龍江墾區(qū)種植的農(nóng)作物還有小麥、高粱、谷子、大麥、馬鈴薯、油菜、麻類、甜菜、煙葉、蔬菜、瓜類等。

1.2　研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究中，肥料（氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥、有機(jī)肥）施用量、農(nóng)作物總產(chǎn)量、農(nóng)作物種植面積、農(nóng)作物單產(chǎn)、種植業(yè)總產(chǎn)值等主要基礎(chǔ)計算數(shù)據(jù)均來自《黑龍江墾區(qū)統(tǒng)計年鑒2001－2019》。此外，肥料養(yǎng)分[12]、灌溉水養(yǎng)分[13-16]、大氣干濕沉降[17]、生物固氮[18-19]、籽粒干物質(zhì)比例[20]、籽粒養(yǎng)分[21]、秸稈利用比例[22]、草谷比[20]、秸稈養(yǎng)分[20,23]、養(yǎng)分損失系數(shù)[24-26]等的數(shù)據(jù)主要來自文獻(xiàn)整理。

1.2.2 農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡計算方法

農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡法是對農(nóng)田土壤養(yǎng)分（氮、磷、鉀等）輸入量與輸出量進(jìn)行計算與分析，用于評價表觀養(yǎng)分利用與盈余情況[27]。根據(jù)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡方法定義，確定農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡研究內(nèi)容。其中，養(yǎng)分輸入途徑主要包括化學(xué)肥料、有機(jī)肥、種子、灌溉水、秸稈還田、大氣干濕沉降、生物固氮（只針對氮平衡）；養(yǎng)分輸出途徑主要包括農(nóng)作物籽粒、農(nóng)作物秸稈和養(yǎng)分損失。

1）養(yǎng)分輸入

在養(yǎng)分輸入部分，農(nóng)田土壤氮輸入途徑包括化學(xué)氮肥、有機(jī)肥、種子、灌溉水、秸稈還田、大氣干濕沉降、生物固氮[28]，計算式如下：

in=cfer+ofer+seed+irr+str+dep+bnf（1）

式中in為農(nóng)田土壤的氮輸入總量，kg；cfer、ofer、seed、irr、str、dep、bnf分別為化學(xué)氮肥、有機(jī)肥、種子、灌溉水、秸稈還田、大氣干濕沉降、生物固氮所帶來的氮輸入量，kg，計算式如下：

式中nfer為氮肥施用量（折純量），kg；ADcf分別為復(fù)合肥施用量（折純量），kg；TNcf為復(fù)合肥的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ADon為有機(jī)肥施用量，kg；TNon為有機(jī)肥的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，1.78%；S為第種農(nóng)作物的種植面積，hm2；U為第種農(nóng)作物的播種量，kg/hm2；DRY為第種農(nóng)作物籽粒的干物質(zhì)比例；TN為第種農(nóng)作物籽粒的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；rice、soy、corn分別為水稻、大豆和玉米種植面積，hm2；rice、soy、corn為水稻、大豆和玉米灌溉水量，m3/hm2，采用FAO推薦的CropWat模型計算而得；為灌溉水密度；TNirr為灌溉水的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，1.82 mg/kg；g,i為第種農(nóng)作物籽粒產(chǎn)量，kg；S/G,i第種農(nóng)作物的草谷比；r為秸稈還田率；total為農(nóng)作物總種植面積，hm2；ndep為單位面積大氣氮干濕沉降量，27.6 kg/hm2；soy為大豆的共生固氮量，126.83 kg/hm2；rice為水稻的非共生固氮量，30 kg/hm2；corn為玉米的非共生固氮量，15 kg/hm2；wheat為小麥種植面積，hm2；wheat為小麥的非共生固氮量，15 kg/hm2。

農(nóng)田土壤磷輸入途徑包括化學(xué)磷肥、有機(jī)肥、種子、灌溉水、秸稈還田、大氣干濕沉降[28]，計算式如下：

in=cfer+ofer+seed+irr+str+dep（3）

式中in為農(nóng)田土壤的磷輸入總量，kg；cfer、ofer、seed、irr、str、dep分別為化學(xué)磷肥、有機(jī)肥、種子、灌溉水、秸稈還田、大氣干濕沉降所帶來的磷輸入量，kg，計算公式如下：

式中0.44為五氧化二磷（P2O5）中磷（P）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；pfer為磷肥施用量（折純量），kg；TPcf為復(fù)合肥的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；TPon為有機(jī)肥的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0.77%；TP和TP,i分別為第種農(nóng)作物籽粒和秸稈的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；TPirr為灌溉水的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，1.497 mg/kg；pdep為單位面積大氣磷干濕沉降量，1.52 kg/hm2。

農(nóng)田土壤鉀輸入途徑包括化學(xué)鉀肥、有機(jī)肥、種子、灌溉水、秸稈還田、大氣干濕沉降[29]，計算式如下：

in=cfer+ofer+seed+irr+str+dep（5）

式中in為農(nóng)田土壤的鉀輸入總量，kg；cfer、ofer、seed、irr、str、dep分別為化學(xué)鉀肥、有機(jī)肥、種子、灌溉水、秸稈還田、大氣干濕沉降所帶來的鉀輸入量，kg，計算公式如下：

式中0.83為氧化鉀（K2O）中鉀（K）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；kfer為鉀肥施用量（折純量），kg；TKcf為復(fù)合肥的鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)；TKon為有機(jī)肥的鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0.78%。TK和TKs,i分別為第種農(nóng)作物籽粒和秸稈的鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)；TKirr為灌溉水的鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，2.245 mg/kg；f為秸稈焚燒率；kdep為單位面積大氣鉀干濕沉降，8.3 kg/hm2。

2）養(yǎng)分輸出

在養(yǎng)分輸出部分，農(nóng)田土壤氮輸出途徑包括農(nóng)作物籽粒的氮輸出、農(nóng)作物秸稈的氮輸出、氨揮發(fā)帶來的氮損失、地表徑流帶來的氮損失、地下淋溶帶來的氮損失、硝化反硝化帶來的氮損失[28]，計算式如下：

out=out-grain+out-straw+NH3+sur+sub+den（7）

式中out為農(nóng)田土壤的氮輸出總量，kg；out-grain、out-straw、NH3、sur、sub、den分別為農(nóng)作物籽粒的氮輸出量、農(nóng)作物秸稈的氮輸出量、氨揮發(fā)帶來的氮損失、地表徑流帶來的氮損失、地下淋溶帶來的氮損失和硝化反硝化帶來的氮損失，kg，計算式如下：

式中NH3-cfer為化學(xué)氮肥的氨揮發(fā)損失系數(shù)，21.3%；NH3-ofer為有機(jī)肥的氨揮發(fā)損失系數(shù)，23.0%；nfsur為肥料氮地表徑流損失系數(shù)，0.343%；npsur為水田土壤氮地表徑流損失系數(shù)，3.225 kg/hm2；ndsur為旱地土壤氮地表徑流損失系數(shù)，2.345 kg/hm2。nfsub為肥料氮地下淋溶損失系數(shù)，0.5276%；nsub為土壤氮地下淋溶損失系數(shù)，3.1605 kg/hm2。den-cfer為化學(xué)氮肥的硝化反硝化導(dǎo)致氮損失系數(shù)，1.1%；den-ofer為有機(jī)肥的硝化反硝化導(dǎo)致氮損失系數(shù)，1.0%。

農(nóng)田土壤磷輸出途徑包括農(nóng)作物籽粒的磷輸出、農(nóng)作物秸稈的磷輸出、地表徑流帶來的磷損失[28]，計算式如下：

out=out-grain+out-straw+sur（9）

式中out為農(nóng)田土壤的磷輸出總量，kg；out-grain、out-straw、sur分別為農(nóng)作物籽粒的磷輸出量、農(nóng)作物秸稈的磷輸出量和地表徑流帶來的磷損失量，kg，計算式如下：

式中pfsur為肥料磷地表徑流系數(shù)，0.1618%；ppsur為水田磷地表徑流損失系數(shù)，0.135 kg/hm2；pdsur為旱地磷地表徑流損失系數(shù)，0.12 kg/hm2。

農(nóng)田土壤鉀輸出途徑包括農(nóng)作物籽粒的鉀輸出、農(nóng)作物秸稈的鉀輸出、地表徑流帶來的鉀損失[29]，計算式如下：

out=out-grain+out-straw+sur（11）

式中out為農(nóng)田土壤的鉀輸出總量，kg；out-grain、out-straw、sur分別為農(nóng)作物籽粒的鉀輸出量、農(nóng)作物秸稈的鉀輸出量、地表徑流帶來的鉀損失量，kg，計算公式如下：

式中sur為地表徑流所帶來的鉀損失系數(shù)，5.1 kg/hm2。

1.2.3 農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡評價指標(biāo)

根據(jù)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡計算結(jié)果，本文設(shè)定單位面積養(yǎng)分輸入、單位產(chǎn)值養(yǎng)分輸入、養(yǎng)分利用效率、養(yǎng)分盈虧量、養(yǎng)分盈虧率5個評價指標(biāo)，對區(qū)域農(nóng)田土壤養(yǎng)分的輸入、輸出和平衡情況進(jìn)行評價與分析。其中，養(yǎng)分利用效率由籽粒養(yǎng)分輸出量除以養(yǎng)分輸入總量計算獲得，反映農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸入最終轉(zhuǎn)化為作物籽粒的比例。養(yǎng)分盈虧量由養(yǎng)分輸入與輸出的差值除以總面積計算獲得，反映農(nóng)田土壤單位面積的養(yǎng)分盈虧量。養(yǎng)分盈虧率是由養(yǎng)分輸入與輸出的差值除以養(yǎng)分輸入總量計算獲得，當(dāng)?10%≤養(yǎng)分盈虧率≤10%，為養(yǎng)分平衡；養(yǎng)分盈虧率＜?10%，為養(yǎng)分虧缺；養(yǎng)分盈虧率＞10%，為養(yǎng)分盈余[30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸入

2000—2018年黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤氮、磷、鉀輸入呈現(xiàn)“平穩(wěn)-增長-下降后平穩(wěn)”的趨勢（圖1）。在氮輸入部分（圖1a），2000年農(nóng)田土壤氮輸入僅為4.41×108kg，2003—2014年農(nóng)田土壤氮輸入快速增長，平均年增長率達(dá)到6.43%，2014年農(nóng)田土壤氮輸入達(dá)到最高值8.43×108kg。由于畜禽養(yǎng)殖量快速下降，有機(jī)肥還田量也快速下降，2015年僅為1.02×108kg，較2014年減少63.20%。2015—2018年農(nóng)田土壤氮輸入量保持平穩(wěn)，2018年為6.55×108kg。從組成結(jié)構(gòu)上來看，化學(xué)氮肥、有機(jī)肥和生物固氮為農(nóng)田土壤氮輸入的主要途徑，歷年平均占農(nóng)田土壤氮輸入總量的30.17%、21.67%和21.08%。在磷輸入部分（圖1b），2018年農(nóng)田土壤磷輸入為1.27×108kg。從組成結(jié)構(gòu)上來看，化學(xué)磷肥為農(nóng)田土壤磷輸入的主要途徑，歷年平均占農(nóng)田土壤磷輸入總量的70.86%。在鉀輸入部分（圖1c），2018年農(nóng)田土壤鉀輸入為5.29×108kg。從組成結(jié)構(gòu)上來看，秸稈還田為農(nóng)田土壤鉀輸入的主要途徑，歷年平均占農(nóng)田土壤鉀輸入總量的71.81%。

從數(shù)量來看，農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸入量從大到小依次為氮、鉀、磷。從結(jié)構(gòu)來看，氮輸入途徑較為分散，主要途徑為化學(xué)肥料、有機(jī)肥和生物固氮；磷輸入和鉀輸入途徑較為集中，主要途徑分別為化學(xué)肥料和秸稈還田。

圖1 黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸入

2.2 農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸出

2000－2018年黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤氮、磷、鉀輸出呈現(xiàn)“平穩(wěn)-增長-下降后平穩(wěn)”的趨勢（圖2）。在氮輸出部分（圖2a），2000年農(nóng)田土壤氮輸出為3.16×108kg，2003－2012年農(nóng)田土壤氮輸出快速增長，平均年增長率達(dá)到8.66%，2012年農(nóng)田土壤氮輸出達(dá)到最高值6.64×108kg，2018為6.12×108kg。從組成結(jié)構(gòu)上來看，籽粒和秸稈為農(nóng)田土壤氮輸出的主要途徑，歷年平均占農(nóng)田土壤氮輸出總量的52.96%和29.53%。在磷輸出部分（圖2b），2018年農(nóng)田土壤磷輸出為7.34×107kg。從組成結(jié)構(gòu)上來看，籽粒和秸稈為農(nóng)田土壤磷輸出的主要途徑，歷年平均分別占農(nóng)田土壤磷輸出總量的48.34%和50.86%。在鉀輸出部分（圖2c），2018年農(nóng)田土壤鉀輸出為4.88×108kg。從組成結(jié)構(gòu)上來看，秸稈為農(nóng)田土壤鉀輸出的主要途徑，歷年平均占農(nóng)田土壤鉀輸出總量的85.55%。此外，2013年和2016年農(nóng)田土壤氮、磷和鉀輸出均下降，主要是由于玉米產(chǎn)量下降，導(dǎo)致以籽粒和秸稈形式的養(yǎng)分輸出量下降。

圖2 黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸出

從數(shù)量來看，農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸出量從大到小依次為氮、鉀、磷。從結(jié)構(gòu)來看，氮輸出、磷輸出和鉀輸出途徑較為集中，氮輸出和磷輸出的主要途徑為籽粒和秸稈；鉀輸出的主要途徑為秸稈。此外，以氨揮發(fā)途徑帶來的氮輸出應(yīng)引起重視。

2.3 農(nóng)田養(yǎng)分平衡評價

2.3.1 單位面積養(yǎng)分輸入

黑龍江墾區(qū)單位面積養(yǎng)分輸入量從大到小依次為單位面積氮輸入、單位面積鉀輸入、單位面積磷輸入（圖3a）。單位面積氮輸入和鉀輸入的變化趨勢相近。自2000年起逐漸增大，并分別于2014年和2013年達(dá)到最大值，分別為296.61、197.83 kg/hm2，隨后下降，2018年分別為228.08、183.98 kg/hm2。而單位面積磷輸入變化較小，2018年為44.32 kg/hm2。綜合來看，2000－2018年黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤單位面積養(yǎng)分輸入量較為穩(wěn)定。

2.3.2 單位產(chǎn)值養(yǎng)分輸入

黑龍江墾區(qū)單位產(chǎn)值養(yǎng)分輸入量從大到小依次為單位產(chǎn)值氮輸入、單位產(chǎn)值鉀輸入、單位產(chǎn)值磷輸入（圖3b）。2000－2018年單位產(chǎn)值氮、磷和鉀輸入整體呈下降趨勢。其中單位產(chǎn)值磷輸入變化范圍較小，2018年為18.43 kg/萬元。而單位產(chǎn)值氮和鉀輸入變化趨勢基本一致，均呈先劇烈波動后平穩(wěn)下降的趨勢，但二者變化范圍差別較大，2000年，單位產(chǎn)值氮輸入約為單位產(chǎn)值鉀輸入的2倍，2018年二者相差不大，分別為94.86和76.52 kg/萬元。整體而言，2000－2018年黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸入所帶來的經(jīng)濟(jì)效益顯著增加。

2.3.3 養(yǎng)分利用效率

黑龍江墾區(qū)養(yǎng)分利用效率從大到小依次為氮、磷、鉀，不同養(yǎng)分利用效率的變化趨勢表現(xiàn)不同（圖4）。其中磷利用效率在22.69%～30.11%間呈波動變化，至2018年為27.98%。氮利用效率先下降后上升，變化范圍為34.02%～51.03%，至2018年為51.03%。鉀利用效率緩慢波動下降，變化范圍為7.36%～18.42%，至2018年為10.04%。相比而言，鉀的利用效率偏低，這與鉀主要以秸稈途徑輸出有關(guān)。

圖4 黑龍江墾區(qū)養(yǎng)分利用效率

2.3.4 養(yǎng)分盈虧量與養(yǎng)分盈虧率

對于養(yǎng)分盈虧量，黑龍江墾區(qū)養(yǎng)分盈虧量從大到小依次為氮盈虧量、磷盈虧量、鉀盈虧量（圖5a）。氮盈虧量和鉀盈虧量的變化趨勢相近。自2000年起波動變化，并分別于2018年和2004年達(dá)到最小值，分別為15.08、-12.05 kg/hm2。而磷盈虧量變化較小，變化范圍為15.09～23.91 kg/hm2。對于養(yǎng)分盈虧率，黑龍江墾區(qū)氮、磷和鉀盈虧率的變化趨勢相近，均呈波動變化，但養(yǎng)分盈虧率大小顯著不同，其中氮和鉀變化范圍分別為7.08%～39.68%和-10.40%～27.09%，2017年以來處于養(yǎng)分平衡狀態(tài)，而磷盈虧率變化62.70%～110.67%之間，處于養(yǎng)分盈余狀態(tài)。（圖5b），這與農(nóng)田輸入的磷素易被土壤固定有關(guān)[31]。

2.3.5 中外對比分析

1）氮肥施用

氮肥投入作為農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸入的重中之重，與糧食產(chǎn)量密切相關(guān)?；实陀袡C(jī)肥氮作為氮肥兩大組成部分，協(xié)調(diào)好兩者的關(guān)系，顯得極其重要。英國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度高，并對農(nóng)業(yè)面源污染防控高度重視，長期開展土壤養(yǎng)分調(diào)查與管理工作，其農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡調(diào)查數(shù)據(jù)可追溯到1990年。根據(jù)英國環(huán)境、糧食和農(nóng)村事務(wù)部官網(wǎng)數(shù)據(jù)，整理計算獲得英國2000－2018年單位面積化肥氮輸入和單位面積有機(jī)肥氮輸入，并與黑龍江墾區(qū)的數(shù)據(jù)比較分析。在化肥施用方面（圖6a），2000－2011年，黑龍江墾區(qū)單位面積化肥氮輸入低于英國；2012－2018年，黑龍江墾區(qū)與英國單位面積化肥氮輸入基本相當(dāng)，輸入量變化也趨于穩(wěn)定。這說明近年來黑龍江墾區(qū)在化學(xué)氮肥施用與管理趨于成熟。在有機(jī)肥施用方面（圖6b），英國單位面積有機(jī)氮輸入量相對穩(wěn)定，而黑龍江墾區(qū)單位面積有機(jī)氮輸入量先增長后下降，尤其2017－2018年黑龍江墾區(qū)單位面積有機(jī)氮輸入是英國的三分之一。這說明黑龍江墾區(qū)有機(jī)肥施用量不穩(wěn)定且相對較低。

注：HLRA 為黑龍江墾區(qū). 下同。英國的數(shù)據(jù)來源于英國環(huán)境、糧食和農(nóng)村事務(wù)部官網(wǎng)（https://www.gov.uk/government/statistics/uk-and-england-soil-nutrient-balances-2018）。

Note: HLRA is Heilongjiang Land Reclamation Area. Same as below. Date of UK was collected from the Department for Environment, Food & Rural Affairs website (https://www.gov.uk/government/statistics/uk-and-england-soil-nutrient-balances-2018).

圖6 黑龍江墾區(qū)與英國的化肥氮和有機(jī)肥氮輸入

Fig.6 Chemical fertilizer and organic fertilizer nitrogen inputs of Heilongjiang Land Reclamation Areaand UK

進(jìn)而，結(jié)合實地調(diào)研成果，本文對黑龍江墾區(qū)有機(jī)肥施用現(xiàn)狀與成因進(jìn)行分析可知：其一，有機(jī)肥施用量不穩(wěn)定，主要受到畜禽養(yǎng)殖的影響。2013年起黑龍江墾區(qū)畜禽養(yǎng)殖量快速下降，導(dǎo)至可施用的有機(jī)肥量也快速下降。其二，有機(jī)肥施用量較低。由于作業(yè)成本、作業(yè)時間和機(jī)械配備的影響，大田糧食作物尚未大面積推廣有機(jī)肥施用，有機(jī)肥施用總量相對較低。在作業(yè)成本方面，有機(jī)肥的施用需要在秋整地之前增加一道工序，即拖拉機(jī)帶專用的撒肥機(jī)作業(yè)施肥。導(dǎo)致機(jī)械作業(yè)成本、人工成本等提高。在作業(yè)時間方面，秋收時節(jié)，由于氣候原因，墾區(qū)收獲與耕整地時間相當(dāng)緊迫。若增加施用有機(jī)肥的工序，而延后秋整地作業(yè)時間，可能會影響到秋整地作業(yè)質(zhì)量與完成量，這對農(nóng)場農(nóng)機(jī)管理部門也是個不小的挑戰(zhàn)，并且尚未有大面積機(jī)械作業(yè)試驗驗證。在機(jī)械配套方面，有機(jī)肥施用需要依靠專用的撒肥機(jī)，現(xiàn)階段農(nóng)場并未配備專用的撒肥機(jī)。并且，農(nóng)戶新購置農(nóng)機(jī)意愿不強(qiáng)。

因此，建議黑龍江墾區(qū)農(nóng)場與科研院所相結(jié)合，直面當(dāng)下存在的問題，合理規(guī)劃種養(yǎng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，穩(wěn)定可施用的有機(jī)肥量；開展有機(jī)肥機(jī)械施用可行性方案的研究與驗證；未來采用補(bǔ)貼等多種途徑逐步在大田生產(chǎn)中推廣有機(jī)無機(jī)肥配施[32]，促進(jìn)有機(jī)肥合理穩(wěn)定使用。

2）養(yǎng)分盈虧量

養(yǎng)分盈虧量作為判斷農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡狀況的重要評價指標(biāo)，將評價結(jié)果與其他農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?，有利于更加清楚了解黑龍江墾區(qū)養(yǎng)分利用現(xiàn)狀。根據(jù)經(jīng)合組織官網(wǎng)數(shù)據(jù)，整理得到澳大利亞、加拿大、法國、德國、日本、英國和美國的農(nóng)田土壤氮、磷盈虧量，并與黑龍江墾區(qū)數(shù)據(jù)比較分析。對于氮盈虧量（圖7a），除日本外，澳大利亞等6國的氮盈虧量變化相對穩(wěn)定，黑龍江墾區(qū)的氮盈虧量波動減小。并且，近年來黑龍江墾區(qū)的氮盈虧量相對較低。對于磷盈虧量（圖7b），除日本外，黑龍江墾區(qū)與澳大利亞等6國磷盈虧量變化相對穩(wěn)定，但黑龍江墾區(qū)磷盈虧量相比處于較高水平。由此可見，黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤氮管理與利用的整體發(fā)展態(tài)勢良好，未來還需要加大對磷的管理與利用，促進(jìn)養(yǎng)分盈虧量穩(wěn)定。

注：澳大利亞、加拿大、法國、德國、日本、英國和美國的數(shù)據(jù)來源于經(jīng)合組織官網(wǎng)（https://data.oecd.org/agrland/nutrient-balance.htm）。

因此，在管理層面上，建議黑龍江墾區(qū)參考德國[33]、美國[34]的農(nóng)田養(yǎng)分管理體系發(fā)展經(jīng)驗，逐步完善農(nóng)田養(yǎng)分管理體系的構(gòu)建，規(guī)范各項養(yǎng)分投入的管理措施。在技術(shù)層面，各類養(yǎng)分管理技術(shù)已經(jīng)在黑龍江墾區(qū)農(nóng)場推廣與應(yīng)用[35-36]，提高作物養(yǎng)分利用效率，助力墾區(qū)早日實現(xiàn)化肥零增長。其中，氮、磷調(diào)控是未來黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡的重點研究內(nèi)容。此外，從長期發(fā)展的角度來看，缺乏農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡系統(tǒng)性觀測數(shù)據(jù)。因此，建議黑龍江墾區(qū)在各個管理局建立農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站，對于水稻、玉米和大豆等主要農(nóng)作物，開展農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡長期調(diào)查與監(jiān)測，為未來養(yǎng)分管理措施的調(diào)整與優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在推廣層面，通過實地走訪調(diào)研，各個農(nóng)場均建有農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)，開展了測土配方施肥、水稻側(cè)深施肥等養(yǎng)分管理技術(shù)示范與推廣。而種植戶對化肥減施，心中仍存在一定的疑慮。因此，建議農(nóng)場采用新穎的技術(shù)推廣模式，調(diào)動種植戶的積極性，引導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)種植與高效養(yǎng)分管理。此外，建議黑龍江墾區(qū)開展長期農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡情況調(diào)查與監(jiān)測，有利于科學(xué)調(diào)整與優(yōu)化短期養(yǎng)分管理措施，制定中長期養(yǎng)分管理方案與策略，提高養(yǎng)分利用效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

4 結(jié) 論

本文通過對2000－2018年農(nóng)田土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的輸入與輸出進(jìn)行分析與評價，得到以下結(jié)論：

1）2000－2018年，黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤氮、磷、鉀輸入與輸出整體呈現(xiàn)“平穩(wěn)-增長-下降后平穩(wěn)”的趨勢，2018年農(nóng)田土壤氮、磷、鉀輸入分別為6.55×108、1.27×108、5.29×108kg。從農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸入的結(jié)構(gòu)來看，氮輸入途徑較為分散，主要途徑為化學(xué)肥料、有機(jī)肥和生物固氮；磷輸入和鉀輸入途徑較為集中，分別為化學(xué)肥料和秸稈還田。2018年農(nóng)田土壤氮、磷、鉀輸出分別為6.12×108、7.34×107、4.88×108kg。從農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸出的結(jié)構(gòu)來看，氮輸出、磷輸出和鉀輸出途徑較為集中，氮輸出和磷輸出的主要途徑為籽粒和秸稈；鉀輸出的主要途徑為秸稈。

2）黑龍江墾區(qū)單位面積養(yǎng)分輸入從大到小依次為單位面積氮輸入、單位面積鉀輸入、單位面積磷輸入。2018年單位面積氮、磷、鉀輸入為228.08、44.32、183.98 kg/hm2。近年來，黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤單位面積養(yǎng)分輸入量較為穩(wěn)定。而黑龍江墾區(qū)單位產(chǎn)值養(yǎng)分輸入從大到小依次為單位產(chǎn)值氮輸入、單位產(chǎn)值鉀輸入、單位產(chǎn)值磷輸入。2018年單位產(chǎn)值氮、磷、鉀輸入為94.86、18.43、76.52 kg/萬元。整體而言，黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分輸入所帶來的經(jīng)濟(jì)效益在增加。

3）2017年以來黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤氮和鉀處于養(yǎng)分平衡狀態(tài)，而磷處于養(yǎng)分盈余狀態(tài)，這與農(nóng)田輸入的磷素易被土壤固定有關(guān)。2018年黑龍江墾區(qū)氮、磷、鉀利用效率分別為51.03%、27.98%、10.04%。

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Analysis and evaluation of farmland soil nutrient balance in Heilongjiang Land Reclamation Areas, China

Chu Tianshu1, Wang Derui2, Han Lujia1, Yang Zengling1※

(1.100083; 2.264670)

Efficient nutrient utilization has become an essential part of green development in modern agriculture. Evaluation on the nutrient balance of farmland soil is therefore critical to the Heilongjiang Land Reclamation Area (HLRA), one of the major grain-producing regions in China. HLRA has produced 410 million tons of grain since 1949, currently serving as a typical representative of agricultural mechanization and modern production. In HLRA, the total grain output was 2 279.64× 104t in 2018, accounting for 3.47% of the national total. Taking the HLRA as the research subject, this study aims to develop a nutrient balance method for the evaluation on the input and output of N, P, and K from farmland soil during the period from 2000 to 2018. The results showed that: 1) From 2000 to 2018, the N, P, and K inputs of farmland soil in HLRA showed a steady-increase-decline trend. In 2018, the N, P and K input decreased to 6.55×108, 1.27×108and 5.29×108kg. The N input mainly came from chemical fertilizer, organic fertilizer, and biological nitrogen fixation, whereas, the P and K inputs were mostly from chemical fertilizer and straw returning to field. 2) The N, P, and K outputs of farmland soil in HLRA also showed a steady-increase-decline trend from 2000 to 2018. In 2018, the N, P and K outputs decreased to 6.12×108, 7.34×107and 4.88×108kg. The main ways of N and P outputs were for grain and straw, with special emphasis on the N output from ammonia volatilization, whereas the way of K output was mainly for straw. 3) The N, P, and K inputs per area of farmland soil in HLRA also showed a steady-increase-steady trend from 2000 to 2018. The N, P and K inputs per area in 2018 were 228.08, 44.32 and 183.98 kg/hm2. The N, P, and K inputs per value of farmland soil in HLRA showed a decline trend from 2000 to 2018. Specifically, the N, P, and K inputs per value in 2000 were 94.86, 18.43, 76.52 kg/104yuan. There was an increase in the N and P utilization efficiency of farmland soil in HLRA, but a decrease in that of K, indicating 51.03% for N, 27.98% for P, and 10.04% for K in 2018. There was an increase trend in the N profit and loss of farmland soil in HLRA, and a steady trend for that of P, while a decline trend for that of K. The N profit and at an excellent level, compared with that from Australia, Canada, France, Germany, Japan, UK, and the USA. But a relatively low level occurred for the profit and loss. It infers that the N and K were in a nutrient balance state since 2017, whereas P was in a nutrient surplus condition. The reason can be that the P input into the farmland was easily fixed by soil. At the current stage, the fertilizer input in HLRA was mainly relying on chemical fertilizer, whereas, the amount of organic fertilizer was relatively low. This arrangement can be not conducive to fertilizing soil and slowing down the degradation of black soil. Therefore, a sound recommendation for HLRA can be made to develop various methods, such as subsidies and demonstration, further to gradually promote the application of organic fertilizers. Besides, a long-term monitoring of nutrient balance in the farmland soil was required in the near future, in order to scientifically adjust and optimize management strategies of soil nutrients, and thereby to improve nutrient utilization efficiency and food security in green development of modern agriculture.

farmland; soil;nutrient balance; Heilongjiang Land Reclamation Area

楚天舒，王德睿，韓魯佳，等. 黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡分析與評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(15)：19-27.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.003 http://www.tcsae.org

Chu Tianshu, Wang Derui, Han Lujia, et al. Analysis and evaluation of farmland soil nutrient balance in Heilongjiang Land Reclamation Areas, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 19-27. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.003 http://www.tcsae.org

2020-03-13

2020-06-17

國家重點研發(fā)計劃（2016YFE0204600）；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃項目（IRT-17R105）

楚天舒，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)工程研究。Email：chuts@cau.edu.cn

楊增玲，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)工程研究。Email：yangzengling@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.003

S158.3

A

1002-6819(2020)-15-0019-09