全 文 ：下辽河平原农业生态系统不同施肥制度的
土壤养分收支*
宇万太* * 张 璐 殷秀岩 马 强 沈善敏
(中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016)
摘要 本试验是在潮棕壤上进行了 10 年的定位试验.研究了在养分循环再利用的基础上采取不同施肥
制度下作物养分移出量, 并结合施肥量计算出土壤中 N、P、K 养分收支.结果表明, 在保持农业系统养分循
环再利用的基础上, 根据养分供给力设计化肥施用量, 不仅可实现作物高产,而且可平衡土壤养分收支 ,避
免土壤中肥料养分过剩(主要是 N)进入环境. 并揭示了我国在 20 世纪 70 年代以前大面积农田土壤缺 P
和 80 年代农田土壤大面积缺 K 的原因.
关键词 养分循环利用 长期田间试验 土壤养分收支
文章编号 1001- 9332( 2002) 12- 1571- 04 中图分类号 S158. 3 文献标识码 A
Effect of diff erent fertilization system on soil nutrient budget. YU Wantai, ZHANG Lu, Y IN Xiuyan, MA
Qiang, SHEN Shanmin ( I nstitute of App lied Ecology , Chinese A cademy of Sciences , Shenyang 110016) .
Chin. J . A pp l . Ecol . , 2002, 13( 12) : 1571~ 1574.
A longterm exper iment was carried out on a damp palm soil about ten years under the condition of nutrient recy
cling and reutilization. The quantity of crop nutr ients transferr ed from the system, and the nutrient budget of N ,
P and K in soil were studied. The r esults of a tenyear field exper iment indicated that the use of nutrients recy
cled in t he farming systems w ith appropriate amount of fertilizers applied according to the so il nutrient supplying
ability could not only produce high crop yield, but also balance the soil nutrient budget, so that, there were no
significant surplus of nutrients ( mainly inorg anic nitrogen) which might emit or leach out of soil into env iron
ment.
Key words Nutr ient recycling and reutilization, Longterm field experiment, Soil nutrient budget.
* 中国科学院知识创新工程重大项目 ( KZCX24134 )和中国科学院
! 九∀五#科技攻关重点资助项目( KZ952JI214) .
* * 通讯联系人.
2002- 08- 20收稿, 2002- 10- 12接受.
1 引 言
农田土壤养分的收入与支出决定了土壤养分库
的盈亏和土壤肥力的发展方向, 同时对环境也产生
潜在的影响.由于无机氮在土壤中的存留时间很短,
最终将以各种形态进入环境. 氮肥施用不当必将导
致环境污染.因此,控制氮肥施用量成为合理施用氮
肥的关键[ 1] . 而持续的土壤 P 收支赤字可影响土壤
的供 P 力,进而影响作物的产量, 略有盈余的磷肥
施用制度则有助于贫 P 土壤扩大其有效磷库, 提高
土壤的供 P 力; 对于丰 P 土壤则提倡磷肥施用量大
体与作物移出 P 量相当以保持土壤有效磷库稳定
在一定水平[ 2] . 由此可见, 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有十分重要的意义. 本
文着重研究了在养分循环再利用的基础上, 设计不
同施肥模式时土壤养分收支情况,探求较理想的施
肥模式,为合理施肥提供参考.
2 研究地区与研究方法
2 1 研究地区概况
本试验在中国科学院沈阳生态试验站进行. 该站位于我
国辽宁省沈阳市以南 35km 处, 为下辽河平原,年平均温度 7
~ 8∃ , %10 ∃ 活动积温为 3300~ 3400 ∃ , 太阳总辐射量为
5409. 9~ 5599. 8kJ∀cm- 2, 年降雨量为 700mm, 干燥度 0. 9,
无霜期为 147~ 164天.
2 2 研究方法
2 2 1 田间试验设计 供试土壤为潮棕壤, 1990 年试验开
始时耕层土壤的主要农化性状为: pH 6. 7,土壤有机质含量
22. 1g∀kg- 1 ,全氮 0. 8g∀kg- 1 ,有效磷 10. 6mg∀kg - 1, 速效钾
88. 0mg∀ kg - 1. 试验设 12 个处理, 其中本研究涉及 8 个处
理: & .不施肥( CK ) ; ∋ .循环猪圈肥. 不施化肥,每年 80% 收
获产品经由喂饲堆腐后以猪圈肥形式返回本处理; ( .化肥
N.氮肥用量 150kg∀hm- 2(尿素) ; ). 化肥 N+ 循环猪圈肥.
氮肥用量同( , 循环操作同∋ ; ∗ . 化肥 NP. 氮肥用量同( ,
应 用 生 态 学 报 2002年 12 月 第 13 卷 第 12 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 2002, 13( 12)+1571~ 1574
磷肥用量(重过磷酸钙) 25. 0kg∀hm- 2 ; , .化肥 NP+ 循环猪
圈肥. NP 用量同∗ , 循环操作同 ∋ ; − . 化肥 NPK, NP 用量
同∗ , K 肥用量(硫酸钾) 60. 0kg∀hm- 2. . .化肥 NPK+ 循环
猪圈肥. NPK 用量同 − ,循环操作同∋ . 试验重复 3 次, 轮作
方式为大豆玉米玉米,小区面积 162m2. 大豆不施氮肥, 作
物品种: 1) 玉米: 丹玉 13( 1990 ~ 1995) , 铁丹 10( 1996~
1997) , 沈试 27 ( 1998 ~ 1999) ; 2) 大豆: 铁丰 24 ( 1990 ~
1994) ,铁丰 27( 1995~ 1996) , 辽豆( 1997~ 1999) .有关该试
验设计,样品采集与分析方法等在前文[ 3]已有详述, 这里不
再另作报道.
222 喂饲堆腐试验 实验中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、垫圈并掺土堆腐成猪圈肥于下一年度返回原处理[ 4, 5] .
化肥养分平均年施用量为 10 年平均单位面积( hm2 )农田获
得的化肥养分量. 如设计中玉米的氮肥用量为 150. 0kg∀
hm- 2 ,大豆不施氮肥; 当氮肥处理 3 个重复小区的供试作物
在某年分别为大豆, 玉米, 玉米时, 该处理某年的施 N 量为
( 150. 0+ 150. 0+ 0) / 3= 100. 0kg∀hm- 2. 堆肥养分平均年施
用量是根据每年实测堆肥中养分量扣除掺混土中养分量后,
逐年累加除以 10,得出平均堆肥养分年施用量. 大豆共生固
氮量约占大豆收获量的 2/ 3, 仅 1/ 3 吸收自土壤[ 1] , 故计算
收获带走的土壤 N 量时仅取大豆收获 N 量的 1/ 3.
3 结果与分析
31 作物收获养分移出量
作物收获时植株体内养分随收获物一起被移出
农田, 视为作物收获土壤养分移出量. 但 N、P、K 在
不同作物上的表现也略有不同,对于P 和 K, 作物收
获的 P 和 K 量等同于土壤 P 和 K 的移出量, 对于
N,玉米等作物的收获 N 量等于土壤 N 移出量, 大
豆收获时植株体内含 N 量的 2/ 3来自共生固氮, 因
此收获时大豆移出 N 量约为大豆收获 N 量的 1/ 3
(表 1) .
由表 1可见,施肥提高了作物产量和产品中养
分的浓度, 可显著提高农田土壤因作物收获而带走
的养分量.在本试验中,不施肥处理年平均籽实产量
(混合,干重)为 3. 6t∀hm- 2[ 6] ,年均养分移出量为 N
57. 2kg∀hm- 2, P 11. 4kg∀hm - 2, K 28. 1kg∀hm- 2,在
最佳施肥条件下(在本试验为 NPK + 循环堆肥处
理) ,年均籽实产量(混合, 干重)为 5. 7t ∀hm- 2[ 6] ,
年均养分移出量为 N 107. 8kg∀hm- 2, P 19. 6kg∀
hm- 2, K 45. 1kg∀hm- 2,接近前者的两倍.
表 1 1990~ 1999年不同施肥处理土壤年均养分移出量
Table 1 Average output of nutrients from soil with different fertil izer
treatments in 1990~ 1999( kg∀hm- 2∀yr- 1)
养 分
Nutrient
施肥处理
Treatm ent
大 豆
S oybean
玉 米
Maize
平 均
Average
N & 39. 1( 55. 6) 74. 4( 28. 8) 57. 2
∋ 50. 5( 45. 0) 101. 3( 30. 3) 75. 9
( 43. 1( 47. 5) 118. 9( 41. 8) 81. 0) 50. 4( 45. 0) 137. 9( 35. 5) 94. 2
∗ 48. 2( 42. 4) 130. 2( 31. 9) 89. 2
, 56. 4( 36. 2) 147. 5( 29. 1) 102. 0
− 53. 6( 44. 5) 142. 2( 29. 5) 97. 9
. 59. 1( 36. 8) 156. 2( 30. 4) 107. 7
P & 8. 8( 4. 3) 13. 9( 5. 7) 11. 4
∋ 11. 8( 4. 0) 18. 1( 5. 1) 15. 0
( 9. 6( 3. 7) 15. 9( 6. 4) 12. 7
) 11. 7( 3. 8) 18. 3( 5. 6) 15. 0
∗ 11. 7( 3. 2) 19. 2( 6. 0) 15. 5, 14. 8( 3. 5) 22. 3( 5. 8) 18. 4
− 13. 8( 4. 1) 21. 0( 5. 4) 17. 4
. 15. 7( 3. 5) 23. 5( 6. 3) 19. 6
K & 24. 1( 11. 4) 32. 0( 13. 1) 28. 1
∋ 31. 7( 9. 6) 38. 1( 10. 0) 34. 9
( 27. 1( 10. 1) 38. 4( 13. 0) 32. 7
) 32. 2( 8. 2) 42. 2( 10. 2) 37. 2
∗ 29. 7( 8. 4) 38. 6( 10. 9) 34. 1
, 37. 7( 8. 2) 42. 0( 10. 3) 39. 9− 35. 9( 8. 6) 44. 2( 10. 6) 40. 1
. 42. 0( 8. 7) 48. 7( 11. 9) 45. 3
* 括号内数据为标准差Data in parenthesis w ere standard deviat ion.
32 施肥输入养分量
施肥输入农田土壤养分包括化肥和堆肥中养分
两部分.根据试验期间化肥的使用量,可计算出各相
关处理的年均化肥养分施入量为: N 100. 0kg ∀
hm- 2、P 20. 0kg∀hm- 2、K 60. 0kg∀hm- 2.根据 10年
中 9次施用堆肥所含养分的实测资料[ 5] , 计算出各
相关处理平均堆肥养分量(表 2) ;不同处理下农田
养分收支情况见表 3.
表 2 1990~ 1999年不同施肥处理养分年均输入量
Table 2 Average input of nutrients with different treatments in 1990~ 1999( kg∀hm- 2∀yr- 1)
养 分
Nutrient
施 肥
Fert ilizat ion
实验处理 Treatment
& ∋ ( ) ∗ , − .
N 化 肥 Fert ilizer 0 0 100. 0 100. 0 100. 0 100. 0 100. 0 100. 0
猪圈肥 Recyled manure 0 45. 7 0 52. 3 0 54. 2 0 59. 3
合 计 Total 0 45. 7 100. 0 152. 3 100. 0 154. 2 100. 0 159. 3
P 化 肥 Fert ilizer 0 0 0 0 20. 0 20. 0 20. 0 20. 0
猪圈肥 Recyled manure 0 7. 6 0 8. 4 0 10. 7 0 12. 0
合 计 Total 0 7. 6 0 8. 4 20. 0 30. 7 20. 0 32. 0
K 化 肥 Fert ilizer 0 0 0 0 0 0 60. 0 60. 0
猪圈肥 Recyled manure 0 25. 8 0 27. 3 0 31. 8 0 37. 8
合 计 Total 0 25. 8 0 27. 3 0 31. 8 60. 0 97. 8
1572 应 用 生 态 学 报 13卷
表 3 1990~ 1999年不同施肥处理年均养分收支
Table 3 Annual input and output of nutrients with different treatments in 1990~ 1999( kg∀hm- 2)
养 分
Nutrient
养分年收支
budget of nutrient
实验处理 Treatment
& ∋ ( ) ∗ , − .
N 施肥 Fert ilizer - 45. 7 100. 0 152. 3 100. 0 154. 2 100. 0 159. 3
作物移出 Output f rom soil 57. 2 75. 9 81. 0 94. 2 89. 2 102. 0 97. 9 107. 7
年收支 Annual budget - 57. 2 - 30. 2 19. 0 58. 1 10. 8 52. 2 2. 1 51. 6
P 施肥 Fert ilizer - 7. 6 - 8. 4 20. 0 30. 7 20. 0 32. 0
作物移出 Output f rom soil 11. 4 15. 0 12. 7 15. 0 15. 5 18. 4 17. 4 19. 6
年收支 Annual budget - 11. 4 - 7. 4 - 12. 7 - 6. 6 4. 5 12. 3 2. 6 12. 4
K 施肥 Fert ilizer - 25. 8 - 27. 3 - 31. 8 60. 0 97. 8
作物移出 Output f rom soil 28. 1 34. 9 32. 7 37. 2 34. 1 39. 9 40. 1 45. 3
年收支 Annual Budget - 28. 1 - 9. 1 - 32. 7 - 9. 9 - 34. 1 - 8. 1 19. 9 52. 5
堆肥是以相关处理各自收获产品的 80% 经过
喂饲堆腐而成, 在此过程中养分有一定损失, 尤以
N 的损失最大, 因此堆肥中养分含量均达不到作物
收获养分的 80% . 由表 2 可见, 堆肥中返回农田的
N 约为 50. 0 ~ 60. 0kg∀ hm- 2, P 约为 8 ~ 12kg∀
hm- 2,相当于每年施入 N 的 33% ~ 38%、P 的 40%
~ 60%,可见有机肥是一种不可忽视的肥料来源.
4 讨 论
我国农业化肥的施用大抵是按 20世纪 50~ 60
年代施氮肥、70~ 80年代施氮肥和磷肥、80~ 90 年
代施氮肥、磷肥和钾肥这一时间序列发展的. 当农业
中只施用化肥而不施用有机农肥时,则本实验中的
处理(、∗、− 可代表上述三个阶段的施肥模式. 由
表 2可见,处理 (与处理 ∋或处理 &相比,单独施用
氮肥加剧了土壤 P 和 K 的收支赤字,而同时施用氮
肥和磷肥则进一步加剧了土壤 K 收支赤字.保持系
统养分循环再利用可在一定程度上缓解, 但不能从
根本上消除土壤养分的收支赤字.而我国农业中的
大多数情况是施用化肥的同时保持农业系统中养分
的循环再利用, 处理)、,、.可分别代表上述发展
三阶段的有机和无机相结合的施肥模式. 与处理 ∋
(代表化肥引入我国农业以前的传统施肥模型)相
比,氮肥的引入(处理))可提高堆肥形式回田的 P、
K量, 但由于其提高的幅度不及作物移出 P、K 量的
增长幅度, 因此在这一施肥模型下土壤 P 收支呈赤
字, K 收支赤字有微小增长;而在保持养分循环再利
用上,同时施用 N、P 肥(处理 , )土壤K 收支仍呈赤
字.这一结论与张璐在半干旱地区得到的结论基本
一致[ 7] . 1949年以后, 我国在相当长的一段时间内
只注意氮肥的使用而忽视 P、K 肥, 曾导致我国大面
积农田土壤缺 P.进入 20世纪 70年代以后,农业生
产中除了氮肥的使用外, 增施了磷肥,使作物产量有
很大的提高, 但同时也引发了大面积农田土壤缺
K [ 2] .本项研究用模拟模型的田间实验成功重现了
这一现象.同时也为建立平衡施肥、合理施肥制度提
供了依据.
在不施肥情况下, 作物养分供给的主要来源为
土壤中养分的释放、大气干湿沉降、土壤自生固氮等
输入农田的养分量.根据多年的观测资料得知, 每年
随降雨输入农田的 N 量为 8~ 10kg∀hm- 2, 随干沉
降进入农田的 N量目前尚无观测资料, 估计为 16~
20kg∀hm- 2,土壤自生固氮量为 10~ 12kg∀hm- 2,三
者之和为 36~ 40kg∀hm- 2, 相当于作物收获 N 量的
60%~ 70%. 因此, 对于常年不施肥的农田土壤来
说,来自土壤有机氮矿化分解释出的养分仅占作物
移出养分的 30%~ 40% ,估计其中绝大部分来自当
年归还土壤根茬及根系分泌、脱落物中有机氮的分
解释放.
现今关于肥料合理施用和土壤肥力管理的认识
已不再停留在仅以作物增产和盈利为目标,而代之
以实现多重目标[ 1] , 即施肥应充分满足作物对养分
的需要和有利土壤养分库的维护, 同时也应避免土
壤中过剩养分进入环境而导致环境污染, 尤其对氮
肥更是如此.因此,在农业生产中, 要尽可能恰倒好
处地控制氮肥用量,既避免不足影响作物产量, 也要
防止过剩影响环境; 对于 P、K, 应根据作物产量、土
壤有效磷、钾库水平和肥料品种来确定施用量.贫 P
土壤磷肥施用量应超过作物收获 P 量以扩大土壤
有效磷库,丰 P 土壤磷肥用量可与作物收获 P 量相
当,以保持土壤有效磷库;对于 K而言,应利用平衡
施肥的办法保持土壤钾库的平衡,避免土壤 K赤字
的进一步增加,但每年有少额 K 收支赤字估计也不
至危及土壤的 K 供给力. 按上述原则, 本试验的施
肥模式设计经运行 10 年后, 其中可视为理想的、有
机无机相结合的施肥模式(处理 ,处理. )基本达到
了上述标准: 但 N略有盈余, 应适当减少氮肥用量;
P 收支基本平衡;处理 .K 盈余也较多,可以适当减
157312 期 宇万太等: 下辽河平原农业生态系统不同施肥制度的土壤养分收支
少钾肥用量. 由作物产量报道[ 6]中可知, 处理 , 和
处理 .的作物产量均达到了高产.
5 结 论
51 保持农业生态系统养分循环再利用这一施肥
制度,合理制定化肥施用量,使其满足了作物丰产需
要,扩大和平衡土壤速效养分库,同时避免土壤中肥
料 N过剩进入环境,是农业持续发展的基本要求.
52 处理 ,和处理 .( NP+ 循环堆肥; NPK+ 循环
堆肥)经过 10年的运行, 达到了作物高产、土壤养分
基本平衡的目的.
53 以模拟我国施肥制度进步过程中的各基本施
肥模型进行田间试验, 可重现不同施肥制度对土壤
养分收支的不同影响, 由此可预见土壤肥力的发展
变化方向.
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作者简介 宇万太, 男, 1964 年 5 月出生 ,硕士, 研究员, 长
期从事土壤肥力和农业生态系统物质循环方面的研究,发表
论文 30 余篇.
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1574 应 用 生 态 学 报 13卷