全 文 ：农业生态系统养分循环再利用作物
产量增益的地理分异*
沈善敏 殷秀岩 宇万太 张 璐 陈 欣
(中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
刘鸿翔 王德禄 (中国科学院黑龙江农业现代化研究所, 哈尔滨 150040)
王凯荣 周卫军 谢小立 (中国科学院长沙农业现代化研究所, 长沙 410125)
摘要 通过 4 个地点中长期田间试验联网比较获得以下结果, 农业生态系统养分循环
再利用的作物产量增益受气候的热量因素、化肥施用和养分循环再利用持续时间的长短
等因素影响.在不施化肥情况下, 保持 0. 8 循环率养分循环再利用的平均粮食增产量自北
向南分别是:温带黑龙江海伦 253kg!hm- 2( 10 年平均)、暖温带辽宁沈阳 1122kg!hm- 2 ( 6
年)和喀左 1332kg!hm- 2 ( 8 年)、亚热带湖南桃源 2884kg!hm- 2 ( 7 年) ; 在施用 NP化肥基
础上保持养分循环再利用则分别为海伦 225、沈阳 694、喀左 786、桃源 1321kg!hm- 2. 循环
回田的农家肥养分对作物增产有着明显的残效叠加作用, 在施用 NPK 化肥基础上保持养
分循环再利用的作物增产率在试验期间的前 3 年平均为 5% ,后 3年平均可上升至 14% .
关键词 农业生态系统 养分循环再利用 产量增益地理分异
Geographic dif ferentiation of yieldincrease efficiency caused by recycled nutrients in agroe
cosystems. Shen Shanmin, Yin Xiuyan, Yu Wantai , Zhang Lu and Chen Xin ( I nstitute of
App lied Ecology , A cademia Sinica, Shenyang 110015) ; Liu Hongx iang and Wang Delu
( Heilongj iang Institute of Agr icultural Modernization, A cademia S inica, H aer bin
150040) ; Wang Kairong, Zhou Weijun and Xie Xiaoli ( Changsha Ins titute of Agr icultural
Modernization , A cademia Sinica, Changsha 410125) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 1998, 9( 4) :
379~ 385.
The results of field experiments at four stat ions in differ ent parts of China indicate that the crop
yield increment caused by recycled nutrients w ithin an agr icultur al ecosystem was significantly
influenced by the thermal condition of climate, t he application of fert ilizers and the durat ion of
the exper iments lasted. In the case of no fert ilizer , the average cr op yield increment caused by
recycled nutrients with a 0. 8 recycling rate ranged from 253kg!hm- 2 ( average of ten years) at
Hailun station ( in temperate zone ) to 1122kg! hm- 2 ( six years) at Shenyang station and
1332kg!hm- 2 ( eight years) at Kezuo Xiahetao station ( in w armer- temperate zone) , and to
2884kg!hm- 2( seven years) at T aoyuan station ( in subtropical zone) , while on the base of ap
plying N and P fer tilizers, the corr esponding increments at the four stations were 225, 694,
786 and 1321kg!hm- 2 respectively . Ther e w as a marked accumulative residual effect of r ecy
cled nutrients in farmyard manure on crop y ields, based on N, P and K fertilizers, the average
increase rate of crop y ields caused by r ecycled manure w as about 5% in the first three years,
but r aised up to about 14% in the last t hree years wit hin the experimental per iod.
Key words Agroecosystem, Use of recycled nutrients, Geographic differentiation of yieldin
crease efficiency.
* 中国科学院∀ 八五#重大、∀ 九五#重点资助项目.
1998- 04- 03收稿, 1998- 04- 18接受.
应 用 生 态 学 报 1998 年 8 月 第 9 卷 第 4 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug. 1998, 9( 4)∃379~ 385
1 引 言
保持农业系统内部养分的循环再利用
是我国农业施肥的传统, 这一传统施肥的
作物增产作用是否因外界的热量或水分条
件而异? 则是迄今尚未充分研究然而不论
在理论或实践上均具有重要意义的问题之
一.以往的试验研究中,不乏以各种农家肥
为供试对象研究其作物增产作用, 可惜供
试农家肥的用量并非以系统内部养分的可
循环量为依据,因此试验结果便不足以说
明系统内部养分循环再利用的作物增产效
果,亦难以进行跨区域的增产效益比较.
1990年,根据中国科学院的一项生态
学研究计划, 一批统一设计的中长期田间
试验在我国东部农区自北向南的 5个试验
站上进行, 旨在研究、评估自本世纪 50 年
代以来我国农业中施肥进步和保持农业系
统中养分循环再利用这一施肥传统的作物
产量增益,并比较这一效益在不同区域之
间的不同表现. 最初几年的试验结果表明,
保持相同循环率( 0. 8循环率)养分循环再
利用的作物产量增益, 自北向南有着明显
增长的规律[ 5] .
十分惋惜的是, 之后上述 5 组试验中
的两组因故终止或改变试验设计, 仅留存
黑龙江海伦、辽宁沈阳、湖南桃源等 3组试
验延续至今,加上 1987年开始的一组在辽
西喀左下河套工作站进行且设计相似的试
验,共有 4组试验组成了跨区域的试验联
网,其中海伦、桃源、喀左 3 组试验的部分
结果已先后发表[ 1, 2, 8] . 本文便是以上述 4
组试验截止 1996年的试验结果,讨论系统
中养分循环再利用作物产量增益的区域分
异现象.有关农业中施肥进步对作物产量
影响的区域分异现象则另文讨论.
2 试验地自然条件与方法
2. 1 试验地自然条件
4 组试验地点的气候条件及试验开始时的土
壤肥力状况如表 1 所示.
海伦、沈阳、桃源 3 站在气候的热量上分属
温带、暖温带和中亚热带, 在气候的湿度上则均
属湿润区,因此 3 站的气候条件构成了湿度大抵
相似惟在热量上形成了一明显北低南高的梯度.
沈阳和辽西的喀左县在热量上同属暖温带, 但气
候湿度不同, 形成了热量相似而在湿度上东湿西
旱的梯度. 可见, 借助这一试验联网既可比较南
北之间不同热量的影响, 也可比较东西之间不同
湿度的影响.
上述 4 站试验地土壤的性质迥异, 但符合我
国土壤基本性质的地理分异规律, 大抵是土壤酸
碱度自北向南下降和自东向西上升; 土壤有机
质、全氮、速效钾含量北高南低, 速效钾又以西部
的褐土高于东部的潮棕壤; 桃源站供试土壤为水
稻土, 故有机质及全氮含量可较旱作土壤略高 . 4
表 1 试验地点的土壤及气候条件
Table 1 Soil and cl imate condition of four experimental sites
试验站
Ex peri
m ental
stat ion
气候 Climate
年均温
Ann. av.
t . ( % )
&10 %积温&10 %
Accumu.
t. ( % )
年降水
Ann .
precipit .
( mm)
干燥度
Dryness
index
土壤肥力 Soil fert ility
土壤
S oil type
pH 有机质
O. M.
( g!kg- 1)
全 N
T otal N
( g!kg- 1)
有效 P
Avai. P
( mg!kg- 1)
速效K
Avai. K
(mg!kg- 1)
海伦 1. 5 2400 570 0. 7~ 0. 8 黑土 6. 2 54. 0 3. 0 25. 8 191*
Hailun Phaeoz em
沈阳 7. 9 3500 700 0. 8~ 0. 9 潮棕壤 6. 7 22. 1 0. 80 10. 6 88
Shenyang Meadowbrow n soil
下河套 8. 3 3500 500 1. 2 碳酸盐褐土 8. 2 13. 1 0. 89 23. 0 150
Xiahetao Cinnamon soil
桃源 16. 5 5200 1150 0. 75 红壤性水稻土 5. 7 23. 2 1. 39 14. 7 68
T aoyuan Paddy soil
* 交换 K Exchangeable K.
380 应 用 生 态 学 报 9 卷
站供试土壤的有效磷含量均较高, 分属∀ 不缺磷#
和∀ 丰磷#范围, 这是因为这些试验地过去均曾持
续施用过磷肥的缘故,鉴于此, 各站试验的最初几
年未能显示磷肥的增产效果, 之后随着不施肥对
照区土壤的供磷力下降, 磷肥的增产效果方始明
显.
2. 2 试验设计
2. 2. 1 田间试验 养分循环再利用田间模拟试验
初始于 1983 年[ 4, 6] , 略取得经验后, 设计更为复
杂的试验便先后在黑龙江海伦和辽西喀左实施,
1990 年组织跨区域联网试验时便确定下列 8 个
处理为每组试验的基本处理: ∋ . 对照 ( CK )不施
肥; ( .循环猪圈肥, 不施化肥, 每年 80%收获产
品经喂饲堆腐后以猪圈肥形式返回本处理; ) .
化肥 N; ∗.化肥 N+ 循环猪圈肥, N 肥用量同) ,
循环操作同( ; + . 化肥 NP; , . 化肥 NP+ 循环猪
圈肥, NP 用量同 + , 循环操作同 ( ; − . 化肥
NPK ; . . 化肥 NPK + 循环猪圈肥, NPK 用量同
− ,循环操作同( .
上述 8 个处理包含了我国农业中施肥进步的
几种基本类型,同时, 以不施肥对照和 3 个化肥处
理为基础形成了 4 对∀ 无循环#和∀ 加循环#处理对
比.辽西试验的循环处理以 60% 收获产品直接堆
腐回田而未经喂饲过程, 根据以往喂饲试验可以
推知,堆肥中养分与 80%收获产品经由喂饲堆腐
后猪圈肥中养分大致相当[ 9] .
各地试验的化肥用量不同, 氮肥年施用量分
别约为海伦 100、沈阳 150、喀左 150、桃源 260kg!
hm- 2 ,大豆不施氮肥; 磷肥( P)年施用量北方一季
作地区 16 ~ 18kg!hm- 2, 桃源 39kg! hm- 2 ; 钾肥
( K)年施用量北方一季作地区 30~ 60kg!hm- 2,
桃源 137kg!hm- 2 .
供试作物各地试验亦不同, 除桃源试验各处
理重复小区每年固定采用稻稻紫云英轮作外,
其余 3 组试验采用旱作轮作, 每处理的 3 个重复
小区分别为一种作物并逐年依次轮作, 海伦为小
麦大豆玉米, 沈阳为玉米玉米大豆, 喀左为玉
米连作和玉米玉米大豆轮作[ 8] .
2. 2. 2 喂饲、堆腐试验 海伦、沈阳试验中的养分
循环再利用均采取每年循环处理小区收获籽实的
80%和相似比例的秸秆分别喂猪垫圈并掺土堆腐
制成猪圈肥于下一年度返回原处理. 桃源试验以
一定比例 ( 1990 ~ 1995 年 80% , 1996 年改为
50% )收获稻谷喂猪制成猪圈肥, 稻草及紫云英则
直接翻压回田.喀左试验的循环处理是以 60% 收
获产品直接掺土堆腐于下一年度返回原处理, 已
如前述.喂饲- 堆腐试验中的投料量、投料中养分
量以及制成猪圈肥后其中所含养分量均精确计量
和分析测定,由此可计算投料中养分经由喂饲-
堆腐后的回收率, 其中的一部分结果已先后发
表[ 2, 9] .
3 结果与讨论
3. 1 作物产量稳定性
各站试验的平均作物产量以及可标示
作物产量年际波动的变异系数( C. V. )列
于表 2.
关于施肥进步导致的作物产量增长及
其地理分异现象将另文讨论. 这里着重指
出:在本试验的几乎所有情况下,保持养分
循环再利用可明显减小作物产量的年际波
动,亦即具有较高的产量稳定性.比较 4个
地点 15对∀ 加循环#和∀无循环#的产量变
异系数,其中 13对保持养分循环再利用处
理的产量变异系数显著小于对应的∀无循
环#处理, 只有两对的产量变异系数相似.
在本试验中, 作物年际间产量的变异
系数也存在着随化肥的全面施用而下降的
趋势,例如 NPK处理的作物产量变异系数
普遍低于 NP 处理, 而后者又低于 N 肥处
理.可见, 全面地供给作物所需养分有助于
提高作物对不同气候年景的适应性, 从而
提高作物产量的稳定性. 每年以施用有机
肥的方式保持系统中养分循环再利用可显
著提高作物产量的年际稳定性, 其原因看
来主要也是由于持续施用有机肥有利于改
善土壤对作物养分供给的持续性和全面性
的缘故.
3. 2 养分循环再利用的作物增产率及地
理分异
将表2每一对∀加循环#和∀ 无循环#
3814 期 沈善敏等:农业生态系统养分循环再利用作物产量增益的地理分异
表 2 不同施肥处理作物平均产量( kg!hm- 2)及年际变异系数
Table 2 Average crop yields and variation coefficient ( C. V. ) of plots with di fferent ferti lization treatments
试验站
Ex perim ental
stat ion
产量统计
S tatist ics of
crop yields
施肥处理 Fert ilization t reatments
∋
CK
(循环
Recycled
manure
)
N
∗
N+ 循环
N+ Recycled
manure
+
NP
,
NP+ 循环
NP+ Recycled
manure
−
NPK
.
NPK+ 循环
NPK+ Recycled
manure
海伦 Ay 2781 3034 3444 3741 3745 3970 - -
Hailun S* 396 455 331 266 299 279 - -
( 1987~ 1996) C. V. 0. 14 0. 15 0. 10 0. 07 0. 08 0. 07 - -
沈阳 Ay 3534 4656 4213 5123 4826 5520 5388 5725
Shenyang S* 1227 1131 1665 1297 1139 1054 1063 961
( 1991~ 1996) C. V. 0. 35 0. 24 0. 40 0. 25 0. 24 0. 19 0. 20 0. 17
下河套 Ay 4505 5837 6466 7451 7094 7880 6938 7577
Xiahetao S* 1909 2515 1914 1700 1842 1846 1784 1763
( 1989~ 1996) C. V. 0. 42 0. 43 0. 30 0. 23 0. 26 0. 23 0. 26 0. 23
桃源 Ay 5274 8158 6516 9026 7714 9035 8536 9359
T aoyuan S* 844 679 1716 1141 1326 1225 1322 1144
( 1990~ 1996) C. V. 0. 16 0. 08 0. 26 0. 13 0. 17 0. 14 0. 15 0. 12
* 标准差 S tandard deviat ion. Ay:平均产量 Average yield( kg!hm- 2) .
表 3 不同化肥基础养分循环再利用的作物净增产量和增产率
Table 3 Net increment of crop yields and the yieldincrease rate of recycled nutrients based on different fertil izer treatments
试验站
Ex perim ental
stat ion
作物增产
Increase of
crop yields
化肥处理 Fertilizer t reatment
CK
( ( ∋ ) N( ∗) ) NP( ,+ ) NPK( . − ) 平均Average
海伦 Hailun 净增产 Net increment ( kg!hm- 2) 253 297 225 - 258
( 1987~ 1996) 增产率 Increase rate( % ) 9. 1 8. 6 6. 0 - 7. 9
沈阳 Shenyang 净增产 Net increment ( kg!hm- 2) 1122 910 694 337 766
( 1991~ 1996) 增产率 Increase rate( % ) 31. 7 21. 6 14. 4 6. 3 18. 5
下河套 Xiahetao 净增产 Net increment ( kg!hm- 2) 1332 985 786 639 936
( 1989~ 1996) 增产率 Increase rate( % ) 29. 6 15. 2 11. 1 9. 2 16. 3
桃源 T aoyuan 净增产 Net increment ( kg!hm- 2) 2884 2510 1321 823 1885
( 1990~ 1996) 增产率 Increase rate( % ) 54. 7 38. 5 17. 1 9. 6 30. 0
处理的作物产量减差、计算可获得养分循
环再利用的作物净增产量和增产率 (表
3) .
由表 3可见,在不施化肥或施用不同
化肥基础上保持系统中养分循环再利用均
可获得不同程度的作物增产, 惟其增产效
果以不施化肥处理( CK)最为显著,施用化
肥则可降低养分循环再利用的增产效果.
这一现象符合∀报酬递减#规律, 即已充分
供给作物化肥养分时, 增加来自系统内部
的循环再利用养分必定只能获得较低的增
产报酬.同理,如适当减少化肥用量便可提
高养分循环再利用的作物产量增益.
表 3的结果还揭示了另一个非常有意
义的现象: 自北向南随气候热量增长, 海
伦、沈阳、桃源 3组试验保持相似循环率养
分循环再利用的作物净增产量和相对增产
率不论在何种化肥基础上均呈现有规律增
长的势头.海伦站地处黑龙江省北部,气候
冷凉,保持 0. 8循环率养分循环再利用, 10
年试验平均仅获得 225~ 297kg!hm- 2净
增产量或 6. 0~ 9. 1%的增产率,沈阳站位
处暖温带北界,热量较海伦丰沛, 6年试验
平均分别可获得 337~ 1122kg!hm- 2净增
产量和 6. 3~ 31. 7% 增产率; 桃源站位于
高温多雨的中亚热带, 保持相似循环率的
养分循再利用, 7 年试验平均可获得高达
823~ 2884kg!hm- 2的净增产量和 9. 6~
54. 7%的增产率; 显示了农业生态系统养
分循环再利用的作物产量增益受热量因素
控制的地理分异现象.在本项研究中,气候
湿度差异在沈阳站与喀左下河套站的试验
382 应 用 生 态 学 报 9 卷
结果之间并未显示出任何有规律的影响,
事实上两站的试验结果几乎是相似的, 推
测是由于下河套站试验虽在气候上处于半
湿润易旱区, 但每年的作物生长期通常均
灌溉补水,从而消除了两地水分供给条件
的差异之故.自 1997年起下河套站试验停
止作物生长期灌溉, 相信以后的试验结果
可与沈阳站试验结果相比较以观察气候湿
度的影响.
农业系统养分循环再利用的作物产量
增益随气候热量增长而提高, 显然与热量
所驱动的系统内部养分循环通量在不同气
候区之间存在巨大差异有关[ 7] , 例如桃源
试验的作物年产量可比海伦试验的作物年
产量高出 1倍或 1倍以上, 同为 0. 8循环
率,前者随收获产品进入喂饲- 堆腐循环
的养分量大抵也可较后者高出 1倍或 1倍
以上.正是由于农业系统内部可循环再利
用的养分资源量自北向南随气候热量的提
高而增长,因此,保持相同循环率养分循环
再利用的作物产量增益随之增长便在情理
之中.除这一根本原因外,以下因素可能也
是造成此种地理分异现象所不可忽略的原
因:其一是循环回田有机农肥中养分(尤其
是N)的分解释放速率可随气候热量增长
而提高,亦即加速了有机肥养分的有效化;
其二是施用有机农肥引起的土壤微生物体
( Soil microbial biomass)消长[ 3]和土壤微生
物体的周转速率可因气候热量的增长而加
速. Joergensen等[ 10]报导, 在实验室培养条
件下,温度为 25 % 时土壤中微生物体的循
环周转速率可比 15 % 时快 1 倍以上, 35 %
时更快.土壤中微生物体每一次生死周转
必伴随微生物体分解过程中的养分释
放[ 7] ,从而使作物有机会获得更多的养分
供给.
由此可以认为, 较大的养分循环通量、
循环回田有机肥中养分较快的矿化释放以
及土壤微生物体养分较快的分解周转等,
可能是引起养分循环再利用作物产量增益
随气候热量增长而提高的种种原因.
3. 3 养分循环再利用作物产量增益的叠
加效应
将各试验循环处理历年作物增产率采
用 3年滑动平均的方法消除年际间波动,
便可观察保持系统中养分循环再利用作物
增产率的发展趋势,图 1及图 2分别展示
了在不施化肥和每年施用 NPK 化肥基础
上保持养分循环再利用作物增产率随时间
的发展变化.
由图 1、2可见, 不论是在不施用任何
化肥或在施用 NPK 化肥基础上, 随农业
中养分循环再利用持续年限的延长,循环
回田猪圈肥的作物增产率均有着明显的增
长趋势.其中的原因可能有二:其一是不施
肥对照区土壤的养分供给力随试验年限延
长而不断下降,致使循环回田猪圈肥的作
图 1 不施化肥区养分循环再利用作物增产率发展趋势
( 3年滑动平均)
Fig. 1 Developing t rend of yield increase rate by recycled
nut rients f rom the plot s w ith no fertilizer ( average rate of
every three sliding years) .
A .桃源 Taoyuan, B.沈阳 Shenyang, C. 喀左下河套 Xia
heto, D.海伦Hailun.下同 T he same below .
3834 期 沈善敏等:农业生态系统养分循环再利用作物产量增益的地理分异
图 2 施 NPK化肥区养分循环再利用作物增产率发展
趋势( 3年滑动平均)
Fig. 2 Developing t rend of yield increase rate by recycled
nut rients from the plot s w ith NPK fert ilizer ( average rate
of every th ree sl iding years) .
物增产率相对提高; 其二是循环回田猪圈
肥的残效可随猪圈肥施用次数的增多而累
加起来以及可能伴随发生的养分循环通量
的扩大,从而使当季猪圈肥的表观增产率
有所提高. 对于图 1, 第一点原因可能是主
要的; 对于图 2, 由于作参比的是 NPK 化
肥区, 可以设想在每年施用 NPK 化肥情
况下土壤的养分供给力并不下降, 于是,上
述作物增产率随试验年限延长而不断增长
的势头可认为主要来自循环回田猪圈肥的
残效叠加效应和养分循环通量的改变.
此外, 在不施化肥情况下(图 1) , 上述
作物增产率随试验年限延长而增长的趋势
在不同区域之间也有着明显的差异, 设想
主要是由于不施肥对照区土壤养分供给力
下降的速率各地不同所致. 黑土养分贮量
高,养分的分解释放速率低,不施肥对照区
养分供给力的下降速率便较缓慢; 红壤性
水稻土地处亚热带, 其情形恰好相反,不施
肥对照区养分供给力的下降速度相对较
快,于是便出现图 1 中的差别. 当以 NPK
化肥区为参照时, 参照区的养分供给力不
因试验延长而下降, 循环回田猪圈肥作物
增产率随试验延长而增长的过程在 3个实
验地点便显得十分相似(图 2) .
4 结 语
面对未来地球不可再生资源逐渐枯竭
和人类生存环境不断恶化的挑战,保持农
业中养分循环再利用无疑是抑制此种恶果
发展的重要措施之一. 然则保持我国农业
系统内部养分的循环再利用究竟能获得多
大的作物增产效益? 本项研究虽已历时多
年,可据以揭示一些现象并作出解释,但显
然尚不能作出定量评估.主要认识如下: 1)
农业系统中养分循环再利用的作物产量增
益可随气候热量增长而提高,表明这一生
态过程所产生的效应有着明显的地理分异
规律.据此可以认为, 虽然保持农业中养分
循环再利用这一我国施肥传统对于改善任
何地区农业中的养分供给和提高作物产量
都是有意义的, 但对于热量充沛的我国南
方热带、亚热地区恐尤为重要. 2)养分循环
再利用的作物产量增益可伴随化肥施用而
下降,也必然受土壤原有的养分供给力所
影响;土壤养分供给力愈强,养分循环再利
用的增产效果必定愈低; 反之则高. 因此,
本项研究所获得的试验结果仅表示现实气
候状态和供试土壤肥力水平的特定条件下
保持养分循环再利用可获得的作物产量增
益,既不宜推而广之, 更不可一概而论. 3)
鉴于农业系统养分循环再利用的作物增产
效果具有累积作用并且受土壤- 气候环境
所影响,因此,欲评估全国范围保持农业系
统养分循环再利用对于发展我国粮食生产
的贡献,恐惟有组织包括更多试验地点的
跨区域中长期田间试验网络,按试验所获
得的各项参数建模, 方有可能作出全国性
384 应 用 生 态 学 报 9 卷
的评估.
参考文献
1 王凯荣、周卫军、谢小立. 1996.红壤稻区农业施肥
制度定位研究报告 ( 1990~ 1994) . 农业现代化研
究, ( 4) : 12~ 14.
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不同养分循环结构农业经营制度比较研究.应用生
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9 殷秀岩、张 璐、宇万太等. 1992.农业系统中磷肥
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3854 期 沈善敏等:农业生态系统养分循环再利用作物产量增益的地理分异