全 文 ：黑土长期施肥及养分循环再利用的作物产量及土壤
肥力质量变化Ⅲ. 土壤养分收支 3
刘鸿翔1 　王德禄1 　王守宇1 　孟　凯1 　韩晓增1 　张　璐2 　沈善敏2 3 3
(1 中国科学院黑龙江农业现代化研究所 ,哈尔滨 150040 ;2 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
【摘要】　计算了 1985～1999 年试验期间各模拟施肥模型的作物移出养分量和施肥输入养分量. 结果表
明 ,施用 N 肥可加剧土壤 P 收支赤字 ,而施用 N、P 肥则加剧土壤 K收支赤字. 实验展示了我国在 20 世纪
70 年代大面积贫 P 土壤和 80 年代大面积缺 K土壤出现的原因. 保持养分循环再利用可缓解土壤养分收
支赤字 ,但不能满足丰产作物的养分需求. 在保持养分循环利用基础上根据土壤肥力适当施用化肥 ,可满
足丰产作物的养分需求和平衡土壤养分收支 ,不致发生大量过剩 N 进入环境.
关键词 　黑土 　长期施肥 　养分循环再利用 　土壤养分收支
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 11 - 1410 - 03 　中图分类号 　S158 　文献标识码 　A
Changes of crop yield and soil fertility under long2term application of fertilizer and recycled nutrients in ma2
nure on a black soil Ⅲ. Soil nutrient budget. L IU Hongxiang1 , WAN G Delu1 , WAN G Shouyu1 , MEN G Kai1 ,
HAN Xiaozeng1 , ZHAN G Lu2 and SHEN Shanmin2 (1 Heilongjiang Institute of A gricultural Moderniz ation ,
Chinese Academy of Sciences , Harbin 150040 ;2 Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences ,
S henyang 110016) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (11) :1410～1412.
The nutrient budget of fertilization models under different treatments was calculated using data from a field ex2
periment over the period of 1985～1999. The results indicated that application of nitrogen fertilizer accelerated a
large deficit of soil phosphorus , and the use of nitrogen and phosphorus accelerated the deficit of potassium. The
experimental data demonstrated the appearance of a large area of soil deficit of phosphorus from 1970s and of
potassium from 1980s in China. Nutrient recycled in farming system improved soil nutrient budget , but could not
meet the nutrient requirements from high2yield crops. The use of recycled nutrients with an appropriate use of
fertilizers according to the soil fertility could produce higher crop yields , balance soil nutrient budget , and not
cause surplus nutrients to emit into environment .
Key words 　Black soil , Long2term fertilization , Application of recycled nutrients , Soil nutrient budget .3 国家重点基础研究发展规划项目 ( N KBRSF、61999011840202) 和
中国科学院“九五”重点基金项目 ( KZ9522J12214) .3 3 通讯联系人.
2001 - 01 - 07 收稿 ,2002 - 01 - 08 接受.
1 　引 　　言
土壤养分的收支状况决定了土壤肥力的发展方
向 ,同时也预示可能产生的环境影响. 例如 N ,由于
无机 N 不能在土壤中长时间留存而最终以各种形
态进入环境 ,因此 ,每年土壤中盈余过量化肥 N 必
将对环境构成威胁. 持续的土壤 P 收支赤字可危及
土壤的供 P 力 ,而略有盈余的 P 肥施用 ,则有助于
扩大贫 P 土壤的有效 P 库 ,提高土壤的供 P 力 ;对
于丰 P 土壤则提倡 P 肥用量大抵与作物移出 P 量
相当 ,以保持土壤有效 P 库稳定在一定水平上. 可
见 ,土壤养分收支研究对于评判施肥制度的合理性、
预测土壤肥力的发展方向和可能产生的环境影响等
均具有十分重要的意义.
2 　研究方法
211 　田间试验
21211 试验设计 　有关试验地点的自然条件及试验设计等 可参阅前文[1 ,2 ,4 ] .21212 试验处理 　1985 年试验开始时设 9 个处理 ,与本项研究有关的前 8 个处理如下 : Ⅰ. CK; Ⅱ. 循环回田猪圈肥 ;Ⅲ. N ; Ⅳ. N + 猪圈肥 ; Ⅴ. NP1 ; Ⅵ. NP1 + 猪圈肥 ; Ⅶ. NP2 ;Ⅷ. NP2 + 猪圈肥. 其中 P1 为每年施用小剂量 P 肥 (18. 6kg Phm - 2) ,P2 为每 6 年施大剂量 P 肥 (117. 2 kg P hm - 2) . 1997年起处理 Ⅶ改为 NPK ,处理 Ⅷ改为 NPK + 猪圈肥.21213 供试化肥用量 　1985 年试验开始时供试 N 肥用量为玉米、小麦每年各 107. 2 kg N hm - 2 ,大豆不施 N 肥 ; P 肥用量如上所述. 1997 年起化肥用量改变如下 :N 肥玉米每年施127. 5 kg N hm - 2 ,小麦每年施 90 kg N hm - 2 ; P 肥每年施 20kg P hm - 2 , K肥每年施用 60 kg K hm - 2 ,大豆依然只施 P、K ,不施 N 肥.212 　土壤养分移出量估算养分移出量是指每年通过作物收获带走的养分量. 对于P 和 K ,收获 P、K量等于土壤 P、K移出量 ;对于 N ,玉米、小
应 用 生 态 学 报 　2002 年 11 月 　第 13 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Nov. 2002 ,13 (11)∶1410～1412
麦的收获 N 量等于土壤 N 移出量 ,但大豆收获时地上部分
的 N 约 2/ 3 的来自共生固 N ,并非土壤 ,因此大豆移出 N 量
按大豆收获 N 的 1/ 3 计算.
213 　土壤养分施入量估算
化肥 P、K按设计施入量计算 ;对于 N 肥 ,由于在施 N
处理的 3 个重复小区玉米、小麦和大豆 3 种作物中 ,只有玉
米、小麦施用 N 肥 ,大豆未施 N 肥. 因此施 N 处理的施 N 量
应为 3 种作物的平均施 N 量 ,如 1985～1996 年期间该处理
的年施 N 量是 (107. 2 + 107. 2 + 0) / 3 = 71. 5 kg·hm - 2 ,1997
～2000 年该处理的年施 N 量是 (127. 5 + 90 + 0) / 3 = 72. 5
kg·hm - 2 .
循环回田猪圈肥是用有关处理收获产品 (包括籽实和秸
秆)的 80 %喂猪、垫圈并掺土堆制而成 ,因此循环回田猪圈
肥中的养分量可按 80 %收获产品的养分含量与养分经喂饲2
堆腐过程的循环率相乘计算而得. 对于 P、K ,收获产品中的
P、K含量等于 P、K 移出量 (表 1) ;对于 N 是指收获产品中
的实际含 N 量 ,而并非是 N 移出量 ,后者只记入大豆收获 N
量的 1/ 3. 1987～1990 曾进行 20 次喂饲2堆腐试验 ,获得收
获产品 (籽实和秸秆) 中的 N、P 喂饲 (猪)2堆腐的循环率平
均分别为 45. 5 %和 71. 8 %[1 ] . 参考殷秀岩[5 ]在辽西用相同
实验方法获得 5 年 5 次的平均循环率 ( N 63. 6 %和 P
74. 7 %)及宇万太等[6 ]在沈阳进行的 9 年 36 次实验的平均
循环率 (N 57. 6 %和 P 84. 5 %) ,确定估算本试验收获产品中
养分经喂饲2堆腐的循环率为 :N 0. 5 ,P 0. 75. N 的循环率定
得略低是考虑到海伦试验中猪圈肥堆贮时间较辽西、沈阳两
地的试验为长 ,堆储期间 N 的损失可能较大. K的循环率在
3 地的试验中均未能测出 ,考虑动物对饲料中 K的吸收利用
有限以及在掺土堆腐情况下 K的损失不可能很大 [3 ] ,故本
项研究中将 K的循环率确定为 8 %.
3 　结果与讨论
311 　土壤养分移出量
　　收获时作物地上部分所含养分随收获物一起移
出农田 ,为土壤养分移出量 ,其中大豆收获时土壤 N
移出量约为大豆收获 N 量的 1/ 3 ,已如前述. 表 1 为
1985～1999 年期间不同施肥处理土壤平均年养分
移出量. 根据 1985～1999 年 3 种作物 15 年平均风
干产量 ,按大豆平均干率 0. 86、玉米平均干率 0. 82、
小麦平均干率 0. 89 计算出 3 种作物平均烘干产量
和上文[4 ]中表 3 不同施肥处理作物每形成 1000kg
烘干籽实平均收获养分量计算而得 (表 1) . 由表 1
可见 ,玉米产量高 ,土壤养分移出量最大 ,3 种养分
N、P、K无一例外 ;其次是小麦 ;大豆产量低且能固
N ,故移出养分量最少. 施肥提高了作物产量 ,也在
一定程度上提高了作物体内的养分含量[4、7 ] ,因此
施肥处理的土壤养分移出量远高于不施肥处理.
312 　土壤养分输入量
　　养分输入量按实验设计计算 ,已如上述. 处理
Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ自 1987 年起每年施用循环猪圈肥. 根
表 1 　1985～1999 不同施肥处理土壤平均年养分移出量
Table 1 Average quantity of plant nutrients removed by crops from soil
of different fertilization treatment in 1985～1999( kg·hm - 2·yr - 1)
养分
Nutrient
处理
Treatment
大豆
Soybean
玉米
Maize
小麦
Wheat
平均
Average
N Ⅰ不施肥 (CK) 39. 4 81. 3 56. 3 59. 0
Ⅱ循环猪圈肥 Recycled manure 40. 9 88. 8 62. 5 64. 1
ⅢN 41. 4 114. 0 78. 5 78. 0
ⅣN +循环猪圈肥 Recycled manure 42. 9 131. 7 83. 4 86. 0
ⅤNP 41. 4 125. 0 82. 7 83. 0
ⅥNP +循环猪圈肥 Recycled manure 43. 2 144. 0 92. 4 93. 2
ⅦNPK 42. 4 130. 8 88. 6 87. 3
ⅧNPK+循环猪圈肥 Recycled manure 44. 0 156. 3 99. 1 99. 8
P Ⅰ不施肥 (CK) 10. 63 14. 68 8. 04 11. 12
Ⅱ循环猪圈肥 Recycled manure 10. 99 16. 32 9. 08 12. 13
ⅢN 11. 22 19. 59 11. 25 14. 02
ⅣN +循环猪圈肥 Recycled manure 11. 95 22. 67 12. 75 15. 79
ⅤNP 11. 83 22. 77 12. 90 15. 83
ⅥNP +循环猪圈肥 Recycled manure 12. 55 24. 84 14. 01 17. 13
ⅦNPK 12. 85 25. 06 14. 42 17. 44
ⅧNPK+循环猪圈肥 Recycled manure 13. 90 28. 51 16. 04 19. 48
K Ⅰ不施肥 (CK) 33. 6 48. 8 34. 6 39. 0
Ⅱ循环猪圈肥 Recycled manure 35. 4 55. 0 38. 4 42. 9
ⅢN 35. 9 65. 0 48. 2 49. 7
ⅣN +循环猪圈肥 Recycled manure 38. 2 74. 3 52. 4 55. 0
ⅤNP 36. 3 69. 8 51. 6 52. 6
ⅥNP +循环猪圈肥 Recycled manure 39. 3 80. 7 60. 8 60. 3
ⅦNPK 37. 9 74. 2 57. 1 56. 4
ⅧNPK+循环猪圈肥 Recycled manure 41. 4 88. 8 67. 0 65. 7
据作物收获物中养分量 ( P、K与表 1 中 P、K移出量
相同 ,N 按大豆实际收获 N 量计算) 的 80 %和养分
在喂饲2堆腐过程中的循环率计算 ,得到各处理回田
猪圈肥养分量. 由于试验 15 年中仅 13 年施用循环
猪圈肥 (1985、1986 两年无循环回田猪圈肥) ,故将
计算结果再校正为 15 年的平均年循环回田养分量
(kg·hm - 2·yr - 1) ,如下 :
处理 Ⅱ Ⅳ Ⅵ Ⅷ
N 31. 9 40. 1 42. 9 45. 4
P 6. 38 8. 34 9. 06 10. 30
K 24. 1 30. 9 34. 1 37. 0
于是 1985～1999 期间各处理年均施入肥料养分量
见表 2.
表 2 　1985～1999 年不同施肥处理养分年均输入
Table 2 Average input of nutrients in different fertilization treatment
in 1985～1999( kg·hm - 2·yr - 1)
养分
Nutrient
施肥
Fertilization
处理编号 No. of treatmeut
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ
N 化肥 Fertilizer 0 0 74. 2 74. 2 74. 2 74. 2 74. 2 74. 2
猪圈肥 Recycled manure 0 31. 9 0 40. 1 0 42. 9 0 45. 4
合计 Total 0 31. 9 74. 2 114. 3 74. 2 117. 1 74. 2 119. 6
P 化肥 Fertilizer 0 0 0 0 18. 88 18. 88 19. 63 19. 63
猪圈肥 Recycled manure 0 6. 38 0 8. 34 0 9. 08 0 10. 30
合计 Total 0 6. 38 0 8. 34 18. 88 27. 96 19. 63 29. 93
K 化肥 Fertilizer 0 0 0 0 0 0 12. 0 12. 0
猪圈肥 Recycled manure 0 24. 1 0 30. 9 0 34. 1 0 37. 0
合计 Total 0 24. 1 0 30. 9 0 34. 1 12. 0 49. 0
114111 期 　　　　刘鸿翔等 :黑土长期施肥及养分循环再利用的作物产量及土壤肥力质量变化 Ⅲ. 土壤养分收支 　　　　　　　　　　　　　　　
313 　土壤养分收支
　　表 3 为 1985～1999 各施肥处理 15 年的平均年
养分收支 ,其中收入项为施肥输入养分 ,支出项为作
物收获移出养分 ,不包括其他的养分收支项 ,如大气
沉降、生物固 N 等的养分输入和氨挥发、反硝化、淋
失等的养分支出 ,因此这里仅就养分的施肥输入和
作物收获移出两项进行比较.
表 3 　1985～1999 不同施肥处理土壤养分年收支
Table 3 Annual input and output of nutrients in different fertilization
treatment in 1985～1999( kg·hm - 2·yr - 1)
养分
Nutrient
养分年收支
Annual input
and output
处理编号 No. of treatmeut
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ
N 收入 Input 0 31. 9 74. 2 114. 3 74. 2 117. 1 74. 2 119. 6
支出 Output 59. 0 64. 1 78. 0 86. 0 83. 0 93. 2 87. 3 99. 8
收支Budget - 59. 0 - 32. 2 - 3. 8 28. 3 - 8. 8 23. 9 - 13. 1 19. 8
P 收入 Input 0 6. 38 0 8. 34 18. 88 27. 96 19. 63 29. 93
支出 Output 11. 12 12. 13 14. 02 15. 79 15. 83 17. 13 17. 44 19. 48
收支Budget - 11. 12 - 5. 75 - 14. 02 - 7. 45 3. 05 10. 83 2. 19 10. 45
K 收入 Input 0 24. 1 0 30. 9 0 34. 1 12. 0 49. 0
支出 Output 39. 0 42. 9 49. 7 55. 0 52. 6 60. 3 56. 4 65. 7
收支Budget - 39. 0 - 18. 8 - 49. 7 - 24. 1 - 52. 6 - 26. 2 - 44. 4 - 16. 7
　　我国农业中化肥的施用大抵是按上世纪 50～
60 年代 N 肥、70～80 年代 N 和 P 肥、80～90 年代
N、P 和 K肥这一时间序列发展的[3 ] . 本试验中的处
理Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ可代表上述不同年代的化肥施用模型.
配合农业中养分循环再利用 ,本试验中的处理 Ⅱ、
Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ则代表了施肥不同阶段化肥和循环回田
有机肥相结合的施肥模型. 由表 3 可见 ,不同的施肥
模型对土壤养分状况可产生不同的影响 :单施 N 肥
加剧了土壤 P、K的收支赤字 ,而 N、P 并用 ,则进一
步加剧了土壤 K收支赤字 ;保持系统中养分的循环
再利用 ,可以缓解但不能从根本上消除土壤养分的
收支赤字. 可以认为 ,通过本项试验中不同施肥模型
的养分收支计算 ,阐明了 20 世纪 70 年代我国农业
中大面积贫 P 土壤和 80 年代大面积缺 K土壤出现
的原因.
　　供试黑土的肥力较高 (1985 年试验开始时土壤
有效 P 25. 8 mg·kg - 1 ,土壤代换 K 191 mg·kg - 1) ,
因此试验设计的化肥用量为低量 ,施用量大体相当
于作物收获养分量 ,期望其中的优化施肥模型 ( Ⅵ和
Ⅷ)可同时实现作物丰产和土壤养分收支平衡 ,以保
持土壤有效 P、K库稳定在一定水平上 ,避免过多的
剩余化肥 N 进入环境. 结果表明 ,8 个施肥模型中的
两个最优模型 Ⅵ(N、P 化肥 + 循环回田猪圈肥) 和
Ⅷ(N、P、K化肥 + 循环回田猪圈肥) 实现了作物丰
产 ,玉米、小麦产量达到了我国高纬度地区的丰产水
平 ,15 年平均玉米单产 6. 5～6. 9 t·hm - 2 ,小麦单产
3. 4～3. 5 t ·hm - 2 ,大豆产量略低也达到了 2 t ·
hm - 2 [2 ] . 上述两个处理 15 年平均的 P 收支均略有
盈余 (年盈余额 10. 5～10. 8 kg·hm - 2) ,有利于保持
和扩大土壤有效 P 库. 由于 1997 年以后开始设置 K
肥处理 (1997 年起处理 Ⅶ、Ⅷ年施 K 60 kg·hm - 2) ,
按 15 年平均计算 ,两处理的 K收支均为赤字 ;若以
1997 年以后 3 年计算 ,则两处理的 K收支均可达到
平衡 ,并有盈余. 化肥 N 和循环回田猪圈肥并用处
理 ( Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ) 每年 N 收支盈余超过 20 kg·hm - 2 ,
考虑到尚有外源的 N 输入 (如大气沉降、生物固 N
等) ,其余额将远远超过此数 ,其中的一部分相信可
通过各种途径进入环境. 因此 ,可以认为本试验的化
肥 N 用量略高.
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作者简介 　刘鸿翔 ,男 1939 年出生 ,研究员 ,主要从事生态
学养分与全球方面研究 ,发表论文多篇.
2141 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷