康日峰，任　意，吳會軍，張淑香

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081；2全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京100026）

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26年來東北黑土區(qū)土壤養(yǎng)分演變特征

康日峰1，任意2，吳會軍1，張淑香1

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081；2全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京100026）

摘要：【目的】東北黑土區(qū)土壤肥沃，是中國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一。對東北黑土區(qū)20世紀(jì)80年代以來國家級耕地質(zhì)量長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，以明確中國東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中土壤養(yǎng)分狀況和肥力水平，為農(nóng)田土壤培肥提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)?！痉椒ā坷脮r間趨勢分析法探討17個國家級黑土耕地質(zhì)量長期監(jiān)測點26年來土壤養(yǎng)分隨時間的變化趨勢，分別總結(jié)土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）含量在監(jiān)測初期（1988—1997年）、監(jiān)測中期（1998—2003年）和監(jiān)測后期（2004—2013年）的變化規(guī)律及其總體變化趨勢；在分析土壤全氮和有機(jī)碳含量變化特征以及碳氮比（C/N）演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析碳和氮之間的養(yǎng)分平衡關(guān)系；運用主成分分析方法分析不同監(jiān)測時期上述5大肥力指標(biāo)對黑土區(qū)土壤綜合肥力的影響，得出該區(qū)綜合肥力主要貢獻(xiàn)因子，并分別計算3個不同監(jiān)測時期黑土區(qū)土壤綜合肥力屬性得分?！窘Y(jié)果】黑土區(qū)農(nóng)田土壤經(jīng)過10—26年的演變，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量整體呈上升趨勢。與監(jiān)測初期相比，監(jiān)測后期土壤養(yǎng)分含量均顯著提高（P＜0.05），土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀分別提高了33.9％、43.9％、27.6％、90.3％和11.8％，有效磷提升效果最為顯著。進(jìn)一步分析土壤有效磷含量發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測后期71.4％的監(jiān)測點土壤有效磷含量維持在15.0—50.0 mg·kg-1，既能滿足作物生長需求，又不至于引發(fā)地下水環(huán)境污染，而28.6％的監(jiān)測點土壤有效磷含量已超過50.0 mg·kg-1的環(huán)境閾值，應(yīng)及時控制磷素的輸入。分析主要肥力因素有機(jī)碳和全氮之間的關(guān)系表明，黑土區(qū)土壤C/N略有下降趨勢，從1988年的10.3降至2013年的9.6，下降了6.8％。黑土區(qū)5個肥力指標(biāo)得分系數(shù)由大到小的順序為：SOM＞TN＞AN＞AP＞AK，說明黑土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是影響土壤綜合肥力的關(guān)鍵因素；監(jiān)測初期和監(jiān)測中期土壤綜合肥力屬性得分平均值分別為-1.099和-0.541，而監(jiān)測后期土壤綜合肥力屬性的得分增加到了 0.5888，監(jiān)測后期土壤綜合肥力得到顯著提升?！窘Y(jié)論】在農(nóng)民常規(guī)施肥條件下，經(jīng)過10—26年的長期耕作，黑土區(qū)土壤肥力在監(jiān)測后期得到顯著改善，但28.6％的監(jiān)測點應(yīng)注意控制磷肥用量，以免引起水體污染；而監(jiān)測區(qū)黑土C/N呈逐年下降趨勢，應(yīng)該加大有機(jī)物料的投入，以維持土壤碳氮的養(yǎng)分平衡。

關(guān)鍵詞：黑土；常規(guī)施肥；長期監(jiān)測；有效磷；碳氮比

聯(lián)系方式：康日峰，E-mail：jamesrfk@sina.com。通信作者張淑香，Tel：010-82106202；E-mail：zhangshuxiang@caas.cn

0 引言

【研究意義】東北黑土區(qū)耕地面積約3 200萬hm2，土壤養(yǎng)分含量豐富，物理性質(zhì)良好，適宜農(nóng)業(yè)耕作，是中國最重要的糧食生產(chǎn)優(yōu)勢區(qū)和最大的商品糧供給基地。2013年，東北黑土區(qū)糧食產(chǎn)量高達(dá)1 302.50 億kg［1］。農(nóng)業(yè)發(fā)展實踐證明，土壤肥力水平的高低以及肥料的合理使用是糧食持續(xù)增產(chǎn)的關(guān)鍵因素［2］。因此，掌握黑土肥力現(xiàn)狀、分析養(yǎng)分演變規(guī)律，對有效地維持和保護(hù)東北黑土區(qū)耕地質(zhì)量、保障糧食生產(chǎn)和安全具有重要的現(xiàn)實意義。【前人研究進(jìn)展】目前，關(guān)于東北黑土區(qū)土壤養(yǎng)分含量和演變特征已有不少報道。如汪景寬等［3］在黑龍江省多個典型黑土區(qū)域進(jìn)行了大量采樣調(diào)查和數(shù)據(jù)收集工作，分析該地區(qū)土壤肥力質(zhì)量狀況，結(jié)果顯示20世紀(jì)80年代該區(qū)域80％以上的土壤肥力綜合指數(shù)以一、二級為主，而到21世紀(jì)初98％以上的土壤肥力質(zhì)量下降到二、三級，認(rèn)為土壤肥力的明顯降低可能與該地區(qū)長期以來“重種輕養(yǎng)”有關(guān)。韓秉進(jìn)等［4］在黑龍江和吉林兩省47個市（縣）廣泛采樣并結(jié)合第二次土壤普查數(shù)據(jù)分析黑土養(yǎng)分演變規(guī)律發(fā)現(xiàn)，1979—2002年期間有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量下降，但全氮、堿解氮、速效磷含量均上升，其中有效磷含量上升幅度較大，平均每年上升 0.55—0.64 mg·kg-1，20多年來長期大量磷肥的施用使得有效磷含量大幅度上升。國家黑土長期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，39％的黑土監(jiān)測點土壤有效磷含量顯著升高并引起土壤較高的磷盈余，而監(jiān)測點較高的磷肥用量是導(dǎo)致土壤有效磷升高的直接原因［5］。由此可見，施肥量和施肥措施是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分盈虧的主要原因。國內(nèi)外長期施肥試驗研究表明，長期平衡施用化肥、有機(jī)無機(jī)肥配施以及秸稈還田等措施可維持或提高土壤肥力水平［6-10］，是土壤培肥的重要途徑。此外，土壤養(yǎng)分的盈虧以及各養(yǎng)分之間的平衡關(guān)系不僅反映了土壤肥力水平，還是評價土壤質(zhì)量和土壤環(huán)境的重要指標(biāo)［11］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，長期過量施肥導(dǎo)致養(yǎng)分在土壤中大量積累，不但增加了環(huán)境污染的風(fēng)險［12］，還嚴(yán)重影響土壤養(yǎng)分平衡，制約黑土農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展［13］。前人關(guān)于黑土養(yǎng)分含量及其演變已有大量研究，但相關(guān)的研究多是年份較早或是短期的田間調(diào)查，土壤各養(yǎng)分指標(biāo)的增減只能說明較短試驗期間內(nèi)的變化，在整個黑土區(qū)，缺乏切合農(nóng)民實際水肥管理措施下長期動態(tài)變化過程的分析和研究。而且，隨著農(nóng)業(yè)管理措施的不斷進(jìn)步，養(yǎng)分含量均有所提高，籠統(tǒng)地比較土壤養(yǎng)分增減并不科學(xué)。只有長期監(jiān)測試驗最能科學(xué)的研究土壤養(yǎng)分演變規(guī)律，所以在探明近26年來黑土養(yǎng)分現(xiàn)狀和演變特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析土壤肥力演變過程中主要的貢獻(xiàn)因子以及該過程對土壤環(huán)境的影響，是合理調(diào)控土壤肥力和科學(xué)培肥的基礎(chǔ)?！颈狙芯壳腥朦c】針對不同時間尺度內(nèi)分析黑土區(qū)土壤養(yǎng)分的長期動態(tài)演變特征，并采用統(tǒng)計分析方法確定黑土區(qū)主要的肥力貢獻(xiàn)因子，進(jìn)而分析主要肥力指標(biāo)對土壤環(huán)境的影響以及各養(yǎng)分指標(biāo)間平衡關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為能更加切實地反映中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中養(yǎng)分狀況和肥力水平，整理17個國家級黑土耕地質(zhì)量長期監(jiān)測點土壤養(yǎng)分以及相關(guān)生產(chǎn)狀況的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，以實際生產(chǎn)中農(nóng)民習(xí)慣水肥管理為基礎(chǔ)，探討26年來黑土區(qū)土壤養(yǎng)分長期演變特征，分析比較土壤肥力狀況以及主要肥力指標(biāo)間的關(guān)系，以期為合理調(diào)控土壤肥力、提升黑土區(qū)耕地質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

國家級黑土長期監(jiān)測點主要分布在黑龍江（13個）和吉林（4個）兩?。▓D1）。監(jiān)測點中大部分于1988年建點，后期新增加了一些監(jiān)測點位，監(jiān)測年數(shù)均在10年以上（包括10年），包含了溝谷厚層草甸黑土、平地中層平地黏底黑土、榆樹中層黃土質(zhì)黑土、公主嶺中層黃土質(zhì)黑土、厚層黃土質(zhì)黑土、平原厚層黃土質(zhì)黑土、坡地薄層黃土質(zhì)黑土、漫坡崗地薄層黏底黑土、平地崗地薄層黏質(zhì)黑土、漫川厚層黏底黑土、平地中層黏底黑土、平地中層黑土等12個土種的黑土類型。至2013年，監(jiān)測時間最長的監(jiān)測點已經(jīng)有26年歷史，為黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐研究提供了珍貴的資料。

黑土監(jiān)測區(qū)種植的作物主要為玉米，其次為小麥和大豆，以及還有少量的馬鈴薯、山藥等作物，種植制度為一年一熟制，主要以玉米-大豆-春小麥、玉米-大豆-玉米等輪作方式為主。監(jiān)測區(qū)基本沒有農(nóng)田灌溉，耕作采用機(jī)械化耕種為主。監(jiān)測點基本概況以及耕層（0—20 cm）土壤基本性質(zhì)見表1［14］。

圖1　國家黑土長期監(jiān)測點位置Fig. 1 Map of the national long-term monitoring sites of black soil in the Northeast China

1.2 土壤樣品采集與分析

每個監(jiān)測點設(shè)置對照（不施肥）和常規(guī)施肥（農(nóng)民習(xí)慣施肥）兩個處理，依照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行水肥管理等農(nóng)事活動，并定位記載施肥量、肥料種類、作物產(chǎn)量以及管理措施等信息。每季作物收獲后，采集耕層（0—20 cm）土壤樣品，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀等土壤肥力指標(biāo)參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤檢測》（NY/T 1121.1—18）［14］測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010整理，運用Sigmaplot 12.5和SPSS 17.0進(jìn)行相關(guān)性分析及顯著性檢驗。為避免個別年份點位差異對土壤養(yǎng)分的演變規(guī)律造成影響，因此，總體按照建點時間將17個監(jiān)測點劃分為監(jiān)測初期（1988—1997年）、監(jiān)測中期（1998—2003年）和監(jiān)測后期（2004—2013年）3個階段。鑒于一組數(shù)據(jù)中的極大值或極小值對算術(shù)平均值影響較大，代表性差，所以本研究中所涉及的土壤養(yǎng)分演變趨勢的數(shù)據(jù)（盒形圖）均以每組數(shù)據(jù)的中值表示［15］，采用Kruskal-Wallis H進(jìn)行單向顯著性檢驗（P＜0.05）；采用SPSS17.0結(jié)合陳歡等［16］的方法進(jìn)行主成分分析。

表1　監(jiān)測點基本概況以及耕層（0—20 cm）土壤基本性質(zhì)Table 1 General information of monitoring sites and basic properties of black soil

2 結(jié)果

2.1 土壤養(yǎng)分演變特征

圖2　監(jiān)測點黑土有機(jī)質(zhì)含量演變趨勢Fig. 2 Change tendency of soil organic matter content in black soil

2.1.1 土壤有機(jī)質(zhì) 長期監(jiān)測結(jié)果表明，監(jiān)測區(qū)黑土有機(jī)質(zhì)含量總體呈上升趨勢（圖 2），各監(jiān)測點的土壤有機(jī)質(zhì)水平維持在18.00—41.20 g·kg-1。1988—1997年的監(jiān)測初期土壤有機(jī)質(zhì)含量略有下降，1998—2003年的監(jiān)測中期、2004—2013年的監(jiān)測后期（r=0.19，P＜0.05）有機(jī)質(zhì)含量均呈上升趨勢。監(jiān)測后期土壤有機(jī)質(zhì)含量為30.99 g·kg-1，與監(jiān)測初期（23.15 g·kg-1）和監(jiān)測中期（27.20 g·kg-1）相比顯著提升（P＜0.05），分別提升了33.9％和13.9％。 2.1.2 土壤全氮 從整個變化過程來看，黑土區(qū)土壤全氮含量變化與有機(jī)質(zhì)變化相似，整體呈現(xiàn)上升趨勢（圖3），各個監(jiān)測點土壤全氮含量范圍為1.02—3.15 g·kg-1。從1988—1997年土壤全氮含量趨于穩(wěn)定，1998 —2003年期間土壤全氮含量上升顯著（r=0.49，P＜0.05），年均提高6.1％，而2004—2013年期間全氮含量略有下降，但下降未達(dá)到顯著水平。每個監(jiān)測階段的全氮含量差異性顯著（P＜0.05），經(jīng)過多年時間的演變，土壤全氮含量從監(jiān)測初期的1.39 g·kg-1增加到了監(jiān)測后期的2.00 g·kg-1。

圖3　監(jiān)測點黑土全氮含量演變趨勢Fig. 3 Change tendency of total nitrogen content in black soil

2.1.3 土壤堿解氮 黑土區(qū)土壤堿解氮含量水平在91.50—237.00 mg·kg-1，1988—1997年、1998—2003年期間均有下降的趨勢，2004—2013年期間略有上升。監(jiān)測后期（176.62 mg·kg-1）堿解氮含量較初期（138.47 mg·kg-1）和中期（145.52 mg·kg-1）顯著提高（P＜0.05），分別提高了27.6％和23.4％（圖4）。

圖4　監(jiān)測點黑土堿解氮含量演變趨勢Fig. 4 Change tendency of alkaline-hydrolyzable nitrogen content in black soil

2.1.4 土壤有效磷 監(jiān)測區(qū)土壤有效磷含量整體水平為7.00—75.20 mg·kg-1。3個監(jiān)測階段土壤速效磷含量均呈上升趨勢，監(jiān)測初期土壤有效磷含量為 19.54 mg·kg-1，監(jiān)測中期略有升高，到監(jiān)測后期顯著增加到37.19 mg·kg-1（P＜0.05），其中1998—2003年期間上升顯著（r=0.48，P＜0.05）（圖5）。

2.1.5 土壤速效鉀 黑土區(qū)土壤速效鉀含量水平在97.80—465.00 mg·kg-1范圍內(nèi)。在1988—1997年期間呈下降趨勢，1998—2003年、2004—2013年（r=0.18，P＜0.05）期間均呈上升趨勢。監(jiān)測中期（166.67 mg·kg-1）和監(jiān)測后期（216.62 mg·kg-1）的土壤速效鉀含量較監(jiān)測初期（149.03 mg·kg-1）相比有均顯著提高（P＜0.05），分別提高了11.8％和45.4％（圖6）。

2.1.6 土壤碳氮比（C/N）演變規(guī)律 通過對土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析（圖7），結(jié)果表明，監(jiān)測區(qū)黑土有機(jī)碳和全氮含量之間呈極顯著正相關(guān)，線性方程為 y=4.2292x+8.9816，相關(guān)系數(shù)r=0.76**（n=211，P＜0.01）。

進(jìn)一步分析監(jiān)測區(qū)黑土碳氮比（C/N）演變特征（圖8），結(jié)果表明，1988—2013年期間黑土C/N呈現(xiàn)下降趨勢，從1988年的10.3降至2013年的9.6，下降了6.8％。線性方程為y=-0.0294x+68.331，相關(guān)系數(shù)r=0.13，未達(dá)到顯著水平。綜合監(jiān)測區(qū)黑土C和N含量隨年份變化的規(guī)律，表明C和N含量均逐年顯著增加，而C/N卻有下降趨勢，可能是碳氮養(yǎng)分供應(yīng)不平衡所致。

圖5　監(jiān)測點黑土有效磷含量演變趨勢Fig. 5 Change tendency of available phosphorus content in black soil

圖6　監(jiān)測點黑土速效鉀含量演變趨勢Fig. 6 Change tendency of available potassium content in black soil

圖7　黑土全氮和有機(jī)碳含量的相關(guān)性分析Fig. 7 Relationship between total nitrogen and organic carbon contents in black soil

圖8　黑土碳氮比值演變趨勢Fig. 8 Black soil C/N ratio at different intervals

2.2 作物產(chǎn)量演變特征

監(jiān)測區(qū)黑土常規(guī)施肥條件下玉米產(chǎn)量呈顯著增加趨勢（圖 9），26年后玉米產(chǎn)量平均值穩(wěn)定在10 204.05 kg·hm-2左右，較無肥區(qū)相比增產(chǎn)47.2％。無肥區(qū)玉米產(chǎn)量在監(jiān)測期間也略有提升，26年后玉米產(chǎn)量平均為6 930.9 kg·hm-2。結(jié)果表明，黑土區(qū)施肥措施具有顯著的增產(chǎn)作用。

圖9　監(jiān)測點黑土不施肥和常規(guī)施肥處理玉米產(chǎn)量變化趨勢Fig. 9 Change tendency of maize yield under unfertilized and normal fertilized in black soil

2.3 土壤肥力指標(biāo)的主成分分析

2.3.1 主成分貢獻(xiàn)率以及各指標(biāo)得分 綜上所述，1988—2013年期間土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量整體均呈上升趨勢，但不同監(jiān)測階段變化趨勢和變化幅度存在較大差異，故單個肥力指標(biāo)不能有效地反映土壤綜合肥力隨監(jiān)測時間變化的規(guī)律。因此，運用主成分分析法對土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）5個指標(biāo)進(jìn)行分析，并分析各項指標(biāo)對土壤綜合肥力屬性所產(chǎn)生的影響。

為保證結(jié)果的客觀性和科學(xué)性，在運算前參照夏建國等［17］方法對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，參照葉回春等［18］方法計算指標(biāo)得分系數(shù)與權(quán)重，各指標(biāo)主成分分析結(jié)果與指標(biāo)權(quán)重見表2。結(jié)果表明，第1、2、3主成分的特征值分別為3.183、0.604、0.520，方差貢獻(xiàn)率分別為63.65％、12.09％、10.39％，累積貢獻(xiàn)率達(dá) 86.13％＞85％，即前 3個主成分能夠反映原始信息總量的86.13％，因此將這3個主成分作為綜合變量來評價土壤綜合肥力屬性狀況是可行的。

表2　主成分分析結(jié)果與指標(biāo)權(quán)重Table 2 Results of principal component analysis and factors weights of soil fertility factors

5個肥力指標(biāo)得分系數(shù)由大到小的順序為：SOM ＞TN＞AN＞AP＞AK，指標(biāo)權(quán)重也以有機(jī)質(zhì)最大，速效鉀最小，說明黑土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是影響土壤綜合肥力屬性的關(guān)鍵因素。

2.3.2 綜合肥力屬性得分 主成分是 5個肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的線性組合，通過主成分矩陣計算出特征向量即為各指標(biāo)相對應(yīng)的系數(shù)，因此，可得第 1、2、3主成分的函數(shù)表達(dá)式為：

綜合肥力屬性得分是將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)分別代入式（1）、（2）、（3）中計算出每個主成分得分，然后與其對應(yīng)貢獻(xiàn)率相乘加合，即F=F1×63.652％+F2× 12.086％+F3×10.392％。各監(jiān)測階段土壤綜合肥力屬性得分結(jié)果見圖10。由計算結(jié)果分析可以看出，1988 —1997年的監(jiān)測初期和1998—2003年的監(jiān)測中期土壤綜合肥力屬性得分平均值分別為-1.099和-0.541，而2004—2013年的監(jiān)測后期土壤綜合肥力屬性的得分增加到了0.5888，說明土壤肥力在監(jiān)測后期得到了顯著改善。

圖10　不同監(jiān)測階段土壤綜合肥力得分Fig. 10 General scores of soil fertility at different monitoring periods

3 討論

3.1 黑土區(qū)土壤養(yǎng)分演變分析

耕地土壤肥力培育是保障糧食生產(chǎn)和安全的基礎(chǔ)，而作為土壤肥力核心要素的有機(jī)質(zhì)和大量養(yǎng)分元素（氮、磷、鉀）的盈虧則是耕地土壤肥力時空變化的主要驅(qū)動因素［19］。因此，在不同時間尺度內(nèi)分析土壤養(yǎng)分演變，是土壤養(yǎng)分科學(xué)管理和施肥合理調(diào)控的基礎(chǔ)［20-21］。

綜合26年來土壤養(yǎng)分變化趨勢來看，在農(nóng)民習(xí)慣施肥管理下，土壤肥力水平總體得到改善，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷以及速效鉀含量基本呈上升趨勢，有機(jī)質(zhì)和全氮是影響土壤肥力綜合屬性的關(guān)鍵因素，與查燕［22］分析結(jié)果一致。黑土長期監(jiān)測點數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)測初期（1988—1997年）土壤養(yǎng)分除有效磷含量升高、全氮含量趨于穩(wěn)定外，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量均有下降趨勢；監(jiān)測中期（1998年—2003年）、監(jiān)測后期（2004—2013年）養(yǎng)分含量普遍呈上升趨勢。這可能與東北地區(qū)黑土農(nóng)田管理措施有關(guān)，監(jiān)測初期之前的20世紀(jì)70年代作物生長僅依靠土壤的原始肥力，養(yǎng)分基本處于不斷消耗狀態(tài)；80年代后氮肥施用量增加，90年代以來化肥用量進(jìn)一步提高，除氮肥外，磷肥和鉀肥用量也逐漸提升，同時作物殘茬逐漸還田［23］。值得注意的是，黑土鉀素含量相對豐富，但土壤速效鉀在 1988—1997年期間下降較為明顯，而鉀肥施用量的下降是導(dǎo)致速效鉀含量逐年下降的主要原因。研究表明［14］，黑土監(jiān)測區(qū)鉀肥施用量平均每年下降4.4 kg·hm-2，從2002年開始，鉀肥的施用才受到足夠重視，其施用量也有所提高。不同監(jiān)測時期土壤綜合肥力與各時期養(yǎng)分的盈虧和演變有關(guān)，監(jiān)測初期有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀等養(yǎng)分含量不斷降低，導(dǎo)致該時期土壤綜合肥力屬性得分較低，隨著中、后期化肥的平衡施用以及有機(jī)物料的不斷輸入，土壤養(yǎng)分含量不斷提高，監(jiān)測區(qū)黑土肥力水平得到顯著改善。此外，由于土壤肥力水平的提高，作物產(chǎn)量隨之也在顯著提高，勢必會導(dǎo)致根系生物量和分泌物的增加，而這些都對黑土肥力的變化起到正面影響。研究表明，玉米根茬干物質(zhì)中養(yǎng)料豐富，有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)75％—85％，含氮0.75％，磷0.60％，鉀0.9％［24］，26年來玉米產(chǎn)量顯著增加，殘留在土壤里的根茬量也逐年增加，這部分對土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)也不容忽視。

土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)，各監(jiān)測點土壤有機(jī)質(zhì)水平維持在18.0—41.2 g·kg-1，在監(jiān)測后期得到顯著提升。但是與黑土開墾前的有機(jī)質(zhì)平均水平（150.57 g·kg-1）和開墾 100年后有機(jī)質(zhì)水平（50.23 g·kg-1）相比［25］，均大幅下降。大量長期試驗分析［26-27］，土壤有機(jī)質(zhì)含量的動態(tài)變化主要取決于有機(jī)物料的輸入和土壤有機(jī)質(zhì)礦化之間的平衡，較高碳氮比的作物殘茬還田能夠維持甚至提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。不同的施肥管理、耕作制度等對土壤有機(jī)質(zhì)也有顯著影響，單施化肥亦可維持黑土有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定，如果化肥配施廄肥土壤有機(jī)質(zhì)含量則明顯增加［28］。而高緯度黑土區(qū)即使在不施肥的情況下，合理的輪作仍有益于土壤有機(jī)質(zhì)的積累［29］。土壤有機(jī)質(zhì)的提升對土壤磷素有效性的提高也有重要的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐證明，農(nóng)民常規(guī)施肥（化肥與有機(jī)肥配施），不僅提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時還增加了磷的有效利用率。這可能是有機(jī)酸、有機(jī)陰離子等占據(jù)部分磷的吸附點位，降低黏土礦物對磷的吸附固定作用；此外，有機(jī)質(zhì)的礦化過程還會釋放部分無機(jī)磷［30］。張麗等［5］研究表明，農(nóng)民常規(guī)施肥條件下，經(jīng)過8—25年的長期耕作，黑土89％的監(jiān)測點有效磷含量保持持平狀態(tài)或顯著上升趨勢，且土壤有效磷的變化與磷的盈虧呈正相關(guān)關(guān)系。較高水平的有效磷是獲得糧食高產(chǎn)的關(guān)鍵，但過量的磷盈余可能引發(fā)磷素淋溶從而導(dǎo)致地表水體的富營養(yǎng)化［12］。與黑土有效磷農(nóng)學(xué)閾值（15.0 mg·kg-1）［5，31］以及易發(fā)生顯著淋溶的環(huán)境閾值（50.0 mg·kg-1）［12］相比，本研究監(jiān)測后期 71.4％的監(jiān)測點土壤有效磷維持在15.0—50.0 mg·kg-1，說明這部分監(jiān)測點土壤有效磷既能滿足作物生長需求，又不至于引發(fā)水環(huán)境污染，應(yīng)維持其合理的有效磷水平；而 28.6％的監(jiān)測點土壤有效磷含量已超過50.0 mg·kg-1的環(huán)境閾值，應(yīng)及時控制磷素的輸入，以免造成資源的浪費和環(huán)境的污染。

為避免由于17個監(jiān)測點位設(shè)置存在延續(xù)性不足、監(jiān)測年限不一致以及農(nóng)戶施肥變異較大等而導(dǎo)致結(jié)論存在不確定因素，查燕［22］利用構(gòu)建的基礎(chǔ)地力指數(shù)模型（BSPI），通過模型指標(biāo)的選擇以及指標(biāo)權(quán)重的確定，以黑土區(qū)長期監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，研究農(nóng)田基礎(chǔ)地力長期演變的結(jié)果表明 BSPI隨時間的變化呈顯著上升趨勢，且在農(nóng)民實際水肥管理措施下，土壤全氮、堿解氮、速效磷等養(yǎng)分含量有所增加，這與本文研究結(jié)果一致。但汪景寬等［3］研究表明，從1980 —2000年由于人們長期以來“重種輕養(yǎng)”，導(dǎo)致東北典型黑土地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀等養(yǎng)分含量均有不同程度的降低，而造成這種結(jié)果的差異與施肥管理密切相關(guān)。

3.2 黑土區(qū)土壤主要肥力指標(biāo)碳氮的關(guān)系

不同土壤類型由于成土母質(zhì)、作物種類、氣候條件以及施肥量等因素影響，土壤肥力的主要貢獻(xiàn)因子也有一定差異。李建軍等［15］研究 25年來長江中下游水稻土壤養(yǎng)分演變特征發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測后期土壤綜合肥力屬性的主要貢獻(xiàn)因子是全氮、堿解氮和速效鉀。黑土區(qū)有機(jī)質(zhì)和全氮是影響土壤綜合肥力屬性的關(guān)鍵因素，查燕［22］通過分析國家黑土監(jiān)測點春玉米農(nóng)田基礎(chǔ)地力指數(shù)與有機(jī)質(zhì)、全氮含量之間的相關(guān)性表明，有機(jī)質(zhì)和全氮是影響東北黑土區(qū)農(nóng)田基礎(chǔ)地力的最主要因素，并且可以作為主要指標(biāo)來評價黑土區(qū)的農(nóng)田基礎(chǔ)地力，這說明黑土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)與發(fā)展的重要影響因素。通過對監(jiān)測區(qū)黑土有機(jī)碳和全氮含量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析（圖 7）發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測區(qū)黑土有機(jī)碳和全氮含量之間呈極顯著正相關(guān)（r=0.76，n=211，P＜0.01），這是因為土壤中有機(jī)態(tài)氮占全氮含量的95％以上［30］，因此，二者之間存在顯著相關(guān)性。

土壤的碳氮比（C/N）反映了碳和氮之間的平衡關(guān)系［32］，也是衡量二者平衡狀況的重要指標(biāo)，其演變趨勢對土壤肥力以及碳、氮循環(huán)有著重要的影響。SPRINGOB等［33］研究表明，低C/N會加快土壤氮的礦化速率，而高C/N微生物同化量則會超過礦化作用所提供有效氮的量，造成植物缺氮。一般耕作土壤表層C/N在8∶1—15∶1，平均在10∶1—12∶1［30］。在分析監(jiān)測區(qū)黑土C/N的演變趨勢發(fā)現(xiàn)（圖8），雖然土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量整體呈逐年上升趨勢（圖 2、圖3），而C/N卻呈現(xiàn)下降趨勢，從1988年的10.3下降到2013年的9.6，但下降不顯著，土壤C/N值在土壤適宜的比值范圍內(nèi)，這與李忠佩等［34］的研究結(jié)果一致。綜合監(jiān)測區(qū)土壤C和N含量隨年份變化的規(guī)律，結(jié)果顯示C和N含量均逐年顯著增加，C隨年份變化的擬合方程為y=0.2495x-482.96（r=0.55**，n=211，P ＜0.01），監(jiān)測后期土壤 C含量較監(jiān)測初期增加了33.9％，N隨年份變化的擬合方程為y=0.0348x-67.881 （r=0.57**，n=207，P＜0.01），監(jiān)測后期土壤N含量較監(jiān)測初期相比增加了43.9％。相比較而言，26年來監(jiān)測區(qū)黑土全氮含量的增加幅度高于土壤有機(jī)碳含量的增幅，再加上黑土區(qū)較高氮肥的施用量，最終導(dǎo)致了土壤C/N的降低。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，不能只提高土壤氮素的輸入，在不影響目前施氮水平氮素供應(yīng)的條件下，應(yīng)該重視有機(jī)物料的投入，如大力推廣秸稈還田和增施有機(jī)肥等，以保持土壤碳氮的平衡。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的基礎(chǔ)，與糧食生產(chǎn)密切相關(guān)，但并不完全等同于土壤肥力，還應(yīng)該結(jié)合土壤物理、生物等指標(biāo)，選擇對土壤肥力有較大影響的因子，進(jìn)一步深入分析土壤綜合肥力；此外，由于17個黑土監(jiān)測點建點時間不一樣，個別監(jiān)測點數(shù)據(jù)缺失較嚴(yán)重，今后還需加強數(shù)據(jù)的收集，以便更加全面、科學(xué)地掌握黑土肥力的演變特征。

4 結(jié)論

4.1 通過分析不同時間尺度內(nèi)土壤養(yǎng)分的演變，結(jié)果表明，經(jīng)過10—26年農(nóng)民常規(guī)施肥管理的耕作，黑土監(jiān)測區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量呈逐年上升趨勢，監(jiān)測后期土壤肥力得到顯著改善。28.6％的監(jiān)測點應(yīng)及時控制磷肥用量，以免引起地表水污染。

4.2 將5個肥力指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，反映了原始信息總量的 86.1％，黑土監(jiān)測區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是土壤肥力的主要貢獻(xiàn)因子；分析土壤碳氮平衡關(guān)系發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測區(qū)黑土C/N呈逐年下降趨勢，應(yīng)該加大有機(jī)物料的投入，以維持土壤碳氮的養(yǎng)分平衡。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩，岳梅）

Changes in the Nutrients and Fertility of Black Soil over 26 Years in Northeast China

KANG Ri-feng1， REN Yi2， WU Hui-jun1， ZHANG Shu-xiang1
（1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land， Beijing 100081；2The Center of Extending and Service of Agricultural Technique in China， Beijing 100026）

Abstract：【Objective】Relying on fertile black soil resources， northeastern China has developed the biggest grain bases. Clarifying the characteristic of black soil fertility nutrients is essential for soil fertility improvement and maintenance in NortheastChina. A long-term cultivated land quality monitoring experiment established in the 1980s was used to investigate the changes in soil nutrients and fertility in the black soil region.【Method】A temporal variation descriptive statistics analysis was conducted to explore the changes in soil organic matter （SOM）， total nitrogen （TN）， alkaline-hydrolyzable nitrogen （AN）， available phosphorus （AP） and available potassium （AK）， for three time intervals， including the first （1988-1997）， middle （1998-2003） and final （2004-2013）monitoring period， during the study. The changes in soil carbon， nitrogen and carbon-nitrogen ratio （C/N） were analyzed so as to investigate relationship between the carbon and nitrogen budgets. Finally， principal component analysis was used to determine factors contributing to soil fertility， and the general scores of soil fertility at three monitoring periods were calculated. 【Result】 All soil nutrient concentrations showed increased with time and overall soil fertility improved after 10 to 26 years. The SOM， TN， AN，AP and AK significantly increased between the first （1988-1997） and final （2004-2013） monitoring period by 33.9％， 43.9％， 27.6％，90.3％ and 11.8％， respectively. Further analysis indicated that the AP concentrations of 71.4％ monitoring sites maintained at a level of 15.0 to 50.0 mg·kg-1， which meets crop nutrients requirement and would not be expected cause the ground or surface water pollution. However， the concentrations of AP at 28.6％ of the monitoring sites exceeded the environmental threshold and some measures should be taken to reduce P fertilizer inputs in these sites. The ratio of C/N decreased with time from 10.3 in 1988 to 9.6 in 2013， decreased by 6.8％. Principal component analysis indicated that SOM and TN were the main factors contributing to soil fertility of the monitoring sites and the 5 fertility factors displayed an order of SOM＞TN＞AN＞AP＞AK. The average general scores of soil fertility at the first and middle monitoring periods were -1.099 and -0.541， respectively， while the black soil fertility has improved significantly and the score increased to 0.5888 at the final monitoring period.【Conclusion】Current farm fertilizer management improved black soil fertility， however a small proportion （28.6％） required better P fertilizer management so as to decrease the risk of ground or surface water pollution. More organic materials should be applied to the black soil to maintain the balance of soil C/N ratio and improve soil fertility.

Key words：black soil； conventional fertilization； long-term monitoring； available phosphorus； soil C/N ratio

收稿日期：2016-01-27；接受日期：2016-04-05

基金項目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503120）、國家自然科學(xué)基金（41471249）