全 文 ：1 r一}叶
第19卷第3期
1 999年5月
生 态 学 报
ACTA ECOI OG1CA SINICA
V0I．1 9．No．3
M ay+l 999
红壤旱坡地农田生态系统养分循环和平衡
张桃林 张 斌
(中国科学院南京十壤研究所 南京 210008)
f
， 厂．．厂
摘要 通过田问定位试验从生态系统的角度比较研究了中亚热带虹壤低丘商地 几种主要旱坡地农 田生志系
统的水土流失、养分循环和平街特征、土壤养分消长动卷厦空间分异 ．结果表明：水土流戋是红壤旱坡地生态
系统养分损失的重要途径之 一，固体径流具有养分富集现象，速 效养分损失 地表径流为主，水土流失养分
损失量大 小顺序为 有机碳>皇钾>逮散钾>垒氮>全碡>承解氮>速技磷 免耕覆盖祁垄怍能显著减少水
土流戋及养分损失量；红 壤旱地淋溶也是养丹 ．尤其是氨索损 失的重要途径 ；在养分平衡有盈余状况 F，土壤
养分水平是可 逐步提高的 ，韩中，土壤速效磷、速效钾提高的速度较 ，土壤垒氮、有机 质和全磷也有所提
高+但仍处于较低术平 l复台农林系统中．土壤养舒存在明显的空间分异 农作物 区域由于养舒投凡较高 土
壤养分水平明显高于林丰区域
关键词 红壤 旱城地生态系统 ，水土流失，养分循环，土壤养分变化
NUTRIENT CYCLING AND BALANCE oF SLoPING
UPLAND ECoSYSTEMS oN RED SoIL
W ANG Xing—Xiang ZHANG Tao-Lin ZHA NG Bin
(j m IⅡ Soil Sdence，Chine~ Academy Sciences，H a ing，210008，China)
Abstract Soil and water loss is an important way of nutrients loss．No tillage with
mulching and ridge tillage can strongly decrease the loss of nutrients caused by surface
runoff and soil erosion，The potential of nutrient loss through erosion is as follows：organic
matter 7>total K> available K~ total N> total P> hydrolysahle N~ availahle P．Strong
leaching in upland of red soil is also an important way of nutrients loss，especially for N．
The system with notillage and mulching has the largest surplus in comparison with other
upland ecosystems So lI nutrient level can he increased gradually when the nutrient balance
is in surplus．Available P and K in soil would increase rapidly to a high ltevel while total K
decrease slightly．Total N ，P and organic matter in soil increase，but they still have low
content．There is a spatial variability of soil nutrients in agroforest ecosystems，soil nutri—
ents in districts of agricultura1 crops have higher 1eve1 than that in district of trees．
Key words red soil，sloping upland ecosystems，soil and water loss，nutrient cycling and
balance，changes of soil nutrients content．
* 国家 九五 攻关(96—004—03 12)专题部分成果
收穑 日期 r1997 01-07，修改稿收到 日期 ：1997 10-07
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336 蓉 学 报 1 9卷
我国东南红壤丘陵 区，由于长期 对资源的 ：合理 _阡发利用 ．巨大的优势 与潜力非但未能充分发挥 ，各
种资源 环境的退化 ．严重制约率 区农业持续 发展和生态环境建设 ．旱坡地水 t流 失及土壤养分 嚣瘠化
荨土壤退化问题已经达到十分严重的程度 。改革耕作制度 ，特 别是旱地 生态系统结掏 ，控制水 上流失及
土壤肥力下降等土壤和环境退化过程．恢 复和提高退化生态 末统的生产力．是当前本区粮食生产和农业及
生态系统持续发展所面临的一十重大 课题。
1 试验材料和方法
1．1 土壤及降雨分布 试验布置 ：江西省余江 县中国科学院红壤生态实验站水 上保持 区，其降雨分 布如
表1 开垦前植被为稀疏 马尾松，坡度5。，土壤 匈第四纪红粘土筻育的普通红壤 (普通简育湿润富铁士 、，袁层
质地为粘土 ，基本农化性 状如表2。
表 1 1992 1996年的降雨分布(ram
Table 1 Monthly precipitation distribution of sampling site
· z 8 0 10 】】
有机质
(g／kg)
Organic
( mg／kg)
Total P Toga K Av ailable P A v
嚣
ail ableK
鬟 (P )【K g)Hyd mg，kg(【)mp )c[ l ‘ 。
7．2 0．58 0．18 11．6 l8 0 1 9 3j 7 4 7 8 84
1．2 处理 农作 系统试验区域于1992·04开 垦，就地舒耕30cm，施用绪粪67500kg／hm (折 N 31 7．3、P2O
202．5、K O 337．5kg／hm )，石灰2250kg，bm ，试验 设5种 农作 处理 ，即5种农田生态系统 ，其 中免耕覆 盖处
理在移栽油菜、玉米时，需适当挖穴 便穆栽；1994—03开垦开始复合农林种植试验，在种植树木处开沟旋
肥 ，分别麓 用猪粪1275kg／hm ，尿素1 20kg／hm ，磷肥375kg／hm ，以后 只在农作 区域施肥 =各 处理不 设重
复，每年利用方式相同，小区均为标准径 流小区．面积20×5m ．周围用30cm高水泥板封闭 ．建有径流池 ，收
集地表径流水及固体径流 1996年开始在 田闻埋直径40cm，深度40cmPVC桶 以测定土壤养分渗漏状况 其
具体试验处理见表3、表4。
田间管理按常规栽培技术要求进行，除播种 、移栽时 ．一般不灌溉 处理 A的萝 h菜一半压青还田，处
理 D的覆盖物分别是本田玉米秸秆的上部和养麦及油菜秸秆全部，处理 I和 Ⅱ中的萝 菜全部 压青还 田。
1．3 观测项 目及分析方法 作物产量及养分含量 ，土壤农化性状 (每年4月、11月采0～20cm土壤样品)，
测定径流量、流失泥沙量、渗漏}1芰体积 、降雨量及其养分含量，肥料养分古量
除水佯全氮测定用氧化 比色法 外 ，其它项 目分析方法均参照土壤理化分析进行 。
2 结果与讨论
红壤旱坡地困水土流失及淋溶所造成的养分损失是』、们 卜分关注的问题 ，本试 验通过 田问试验对其
进 行 重点观测分析
2．1 不同农田生态系统水 土流失养分损失
2．1．1 阿间试验结果(表5)表明，农田生态系统 水上流失量在不同年份 有所不同 ，不同农田生态系统间有
较大差异 红壤开垦利用届，由 f破坏 了表层保护 上壤的草皮 ， 壤侵蚀增加，总的看来 ．免耕覆盖和垄作叫
一
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3期 王 祥荨：红壤旱坡地农田生态系统养分循环和平衡 337
显减少水上流失 ，尤以垄作为佳。免耕 覆盖
处理的水土流失高于垄作处理 ，町能与玉米
移栽时少量挖穴搅动土壤有关 。
2．1．2 固体径流具有 养分富集现象 不同
处理的固体径流的养分富集率有所差别+但
总的来看+养分 富集率顺 序 为：速 效钾> 有
机质>全氟>全磷>水解氮>速效磷> 垒
钾 (表6) 扬艳生争 一研究表明 ，速效钾富集
毫 大 ，但其有机质富集率最 小，这 可能与
其研究的 土壤本身有机质含量授低(约5g／
kg)、睦少施有机吧有关
2．1．3 速效养分 的流失以地表径 流为主。
随地表径流损 失的水解氯、速效磷 、速效钾
分 别是泥沙 的7．5、】0．8和10．6倍 (表7)+这
可能是地 表径流量远远大 f上壤侵蚀量 的
结果；地表径流流失的氨素以硝态氨 为主，5
种农作制度积对 照处理的地 表径流斑失的
N() —N 分 别 为 NH N 的3．2、7 8、4．4、
3．3、5．9和 1．9倍 ，平均 为4．4倍 (表8)+这是
由于 NH+一N 易被土壤吸附 ，而径 流中的浓
度较低所致 。
2．1．4 不同养分及不同处理中养分的损 失
量有明显差异 表9结果 表明，随水土流失
损失最 多的为有机 质，最少的 为速效磷 ，其
损失量大 小顺序 为有 机质> 全钾> 速效钾
>全氨>全磷>水解氯>速效磷+这主要 由
于流失的泥沙 中有机质和全钾含量远大于
其它养分；从不同处理养分损失量来看，处
理 A、B之间没有 明显差异 ，而垄作 和免耕
覆盖能明显减少水土流失及其养分损失+尤
其以垄作为佳 。但从随地表径流损失的速效
钾 的数量看，虬免耕 覆盖处理为最大，这 可
能与秸秆覆盖物释放的钾有关 (表7)。
2．2 红壤早坡地 的养分淋失
1996年开始补充测定养分 淋溶 的结果
(表10)初步表明 ：红壤早地渗漏量较 大，约
占总降雨量的26．4 ～33．oH，N素有较高
的养分淋 失+P素几乎不发生淋失 ，而 K索
处于其中问 ；氯素的淋失量占施入化肥量的
比例高于钾索，这可能与施入红壤中的尿素
很 转化 为 NO 一N的缘故0 i与 C、E处理
相比+处理 B、D有较高的养分淋失量 ，可能
与 其旌肥量 高于其它处理有 关 ，处理A的
表3 试验设计
Table 3 Field treatm ents designed
h
* “
一 接 茬 m 噼 followed by，“+ 问 作 1D㈣ intercropped
with．
表4 化肥麓用量 (kg／hm )
Table 4 AI~ uBt Of fertIltzers applied for
diffevent trealntents
* 氯肥、钾肥7o％为基肥，3oN为追肥，磷肥全部怍基肥，基肥
条蓖l莽麦一只在1992年藏肥一敖 ④Peanut(A、I andI)；②(Corn
+Soybean)；@ (Sweet potato+Soybean)；④ (Rape)；@(Buckwheat)
i
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338 生 态 学 报 19卷
1992 04 12与1996 01~04数据 Data in 1993 is data f⋯ Apt．to Dec．And data in 1996 data from J⋯ *tO Apr
表6 流失泥沙的养分富集宰 。
Table 6 Enrichm ents rate of nutrients in sedim eres
A B C D E 年均 Average
有 机质 2 04 2-16 2 51 2 33 8 36 2-32
Orgaaic ma~er (25．5／12．5) (97 9／12 3) (36 7／14．6) (35 3／19．2) (33．3／13-0) (31-7／1 3·6)
垒嚣 1．73 1．67 1-81 1．80 1 82 1 77
Total N (1．42／0．81) (1．40／0．341 (i．54／0 85) (1 60／0 89) (1 49／0 82) (i 49／0 84)
垒磷 i．48 i．56 1．85 1．42 i-48 i 59
Teta]P (1 93／O 83) (1．33／0．85) (1 65／0．89) (1．32,／0．93) (1．38／0．93) (1．38／0 89)
全钾 1 32 1．07 1 38 1-37 1-17 1-33
Tota[K (13．40,／10．20) (14 79／11．90) (12．60／18 00／ (14-74／12 9) (14-00／11l 30) (13-90．／11-68)
水解氨 1．22 1 07 1 32 1-37 1-l7 i-23
Hydrolysahle N (213-3／174-81(176．8,／165．7) (134-8／102 01 (164-8,／120·O) (157-3／134·5) (169 4／139·4)
速效磷 1 81 1-31 1 39 1 10 1·09 1-21
Avaliable P (11 63，9 60) (11 10／8．45) (12 92／9．30) (ii 47／10．40) (12．40／11-75) (11-90．／9-90)
速效钾 3-93 3-62 6 72 3 43 5—83 4 45
Availahle K (839．1，181．9)(864 0／333．2)(1023．4／152 3)(927．1,／270 1)(875．1／157．7)(825．O,／199．0)
*富集率 EnJ：ichments e一侵蚀泥沙养分含量／土壤养分含量 nut~ems c0ment Ln sediments,／nutrients co~lent in
soil．* 表中括号内数据分别表示泥沙及土壤养分含量的平均结果Data in brackets is average nutrients Ccltent Ln sedi-
meats and in soil respectively
高氮素淋失可能与其施肥后经历较长的雨季有关 。关于红壤旱地养分淋失的一些研究结果相差甚大。 ，
可能是土壤养分状况、投入水平 、利用方式及施肥措施的不同缘故 。
由于本试验中对红壤旱坡地养分 淋溶研究时间较短，可能会对研究结果有一定影响 t但可以根据1996
年全年补充测定的结果 ，初步估算1992年4月至l996年4 J9间的各处理的养分 淋失量。处理 A、B、C、D、E的
N 淋失量分别约为176．8、153．2、84．8、188．0、76．0kg／hm 。K zO 淋失量分 别约为17．6、154-0、44．0、310．0、
73．6kg／hm
2．3 土壤养分收支平衡特征
通过测定土壤水土流失量及其养分 含量计算出水土流失养分损失量，根据1996年 的观测结果估算总
的养分淋失量，根据降雨量及测定的养分含量计算出其养分输入量，根据肥料旌入量及测定的养分含量计
算输入量 。以豆科植物总氮的60 作为生物固氮量u ，根据 Cai等 在红壤旱地试验，以8 作为尿素气态
损失．有机肥的氮素气态损失 以l5 计算 ，秸秆的氨素损失则忽略 不计 。测定作物产量及其养分含量计
算植物养分输入及输出．计算出其养分平衡状况(表11)。
不同农田生态系统 由于其养分输入、输出参数的不同，养分平衡有所差异 ，但总的看来，除处理 A的钾
素外(如果以水土流失损失的速效养分进行养分平衡计算 ，处理 A的钾 素也有盈余)t几种旱地生态系统的
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3期 王兴祥等 ：红壤早坡地农田生志系统养分循环和平衡 339
表7 木土流失损失的遗效养分
(kg／hm ，1992—044 1996—04)
Table 7 Losses of avai|ahie nutrients
caused by runoff and soil er~eion
处理
Treatmeltt
球解氰 速鼓磷 建鼓钾
Hydro]ysa一 (P s) (K舯 )
hie N Available P Avai Lab[e K
* @Sedimem(S)孕Runof(R)③R／S
表8 地表径流中不同形态的氮素
损失(kg／hm ，1992—04～1996 04)
"fable 8 Losses of different forms of nitrogen
caused bY surface runoff
土壤各种养分均有 一定盈余 ，尤其以免耕覆盖养分盈
余埽太 ‘几种 旱地农田生态系统中养分的相对盈余 比
倒均以磷 为埽大 ，这可能是磷素输 出量少的结果 。
2．4 不同农田生态 系统土壤养分消长规律
2．4．1 不同农作系统土壤养分消长规律 试验结果
(表12)表 明，红壤 开垦利用后，在所有农作 系统的土
壤 养分 含量变化方面 ，除全钾稍有下降外 ，其它养分
表9 不 同农田生态系统水土流失养分损失总量(kg／hm ，1 992—04～1996—04)
Table 9 Loss of nutrients caused by roll and water loss In five crop ecosystems
表lO 不同农田生态系统养分淋失状况(1 996年)
Tal~e 10 Leaching los s in various crop systems in 1996
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340 生 态 学 报 19卷
昔舟辅 ^
3l 7 0
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3l 7，3 202 j 337．5 31 0
】492 7 54 0 252。 0 782．0
9d l 0 2 3 j 9d l
1 8 2 3 9 19 9 j5 8
95 2 0 0 l 71．4
l 6 5 9 3 11 5 7 4．2
T 7 7 56 8 667．2 7 2
202 5
940 0
0
3．9
0
2 7
4．9
33 7 5 917 3 202．5 937 5 3l7 0 202．5
950 014 a2 7 540 0 2520 0 782 0 540．0
∞ 5 94 1 0 23．S 94 】 9
1 2 6 l9 3 4 0 儿 1 l 9 3 5．L
9 l09．9 0 0 1 54 9 0
{0 6 151．8 74．3 653．5 3 7 2 5
74 4 20 5 10 7 174 8 l】5 5．0
357 5
550 9
23 5
】8 0
0
36 5
94 9
养分}宣出 (23．1)(3 0)(82．0／(28．21 (3．41(95．1) (4 11 <0 4)<4 9．51(1O 3) (1 4)(7 5．2)(6．7】 (D 6)(5 9．21
Outpul 8 1 7 6．8 0 17 6 1 53 2 0 1 54 1 g4 8 0 44．0 188 0 9 310-0 76 0 0 73．6
9 69 7 5 9 l 67 0 0 0 儿0 2 0 0 l67 5 0 0 110 2 0 5
1 0鹊 7．6 287 6 781 8 57 4 4 290 4 l ol8—2 691 5 483 9 1121 6 624 1 308 9 1107 3 644 2 4 56．3 1479 5
盈亏 l5 1 31 2 2—406 71061 7 408 5 11 68 2 492 1 255 8 274 2 1135．5 55]? 1953 5 529 9 288 8 25 7．5
Profitand loss (64 5)(3fi2 2)(】15 7X11l1 2 461 9I1 740 3I495 2}(259 4 {2 99．6I1145 7Y515．5~2052 1 534 Z)(293 2)(309 91
平衡f ) 1．3 9l 7 29．0 159．2 11 7 7 63 5 55l 5l 9 I 6 7 11 3 6 156 B 122．7 63．0 62 6 l 6 2
Balance (5．6)(1 24． )(13．】】(120．4／(1 5 7 3)(137 3)(55 6)(53．0】(1 8．5)(115．8】(164 6)(】37．4)(63 8)(64．21(1 9 3)
* 括号内的散据是 以水土流失速技养分损失计算的结果}养分输凡项包括 ：1有机肥 、2化肥、3雨水 、4种子 、5生
物固氯、6怍物归还 ；养分输出项包括：7水土流失、8淋失、9化肥氯气态损失及有机肥氮索损失、l0一作物收获穆出 Da—
ta in brackets is results of losses of available nutrients caused by soil and water loss．；Input include；1 Organic ma~ure，2
fertUizers，3 rain，4 seeds，5 biologicalfixed nitrogen，6 return alTtOUllt of crop residuces；Outputinclude；7 runoff and soil
erosion．8 leaching，9 other~orms loss 0{N ，10 crop remova1．
表l2 红壤开垦后土壤主要农化性状的变化(1992—04～1 996—04)
Table 12 Agrochemlstry properties changes after reclaim ation of red soil
含量水平及土壤养分保蓄能力 (CEC)均有明显的提高，尤 土壤速效养分提高速度和幅度最大(虽然土壤
速效养分水平波动较 大)，土壤全磷也有明显提高 ，而土壤有机质和全氮虽有所提 高+但仍 处于较低水平 ，
土壤交换性酸则明显下降 上结果进 一步说明．尽管红壤养分 自然供给水平低，但一旦辟为农地并合理
利用，在养分平衡有盈余的情况下．土壤养分水平是可 逐步提高的。
2．4．2 复台农林系统土壤养分空间分异 在农林问作的处理 I和处理 Ⅱ中，农怍区土壤 由于施肥 ，其速
效磷和速效钾含量比开垦前有较大的提高，而树木区由于相对投入较少，其土壤养分水平仍然很低，且与
单一种植树木的处理 1及w养分含量问没有 明显变化。与开 垦前相 比，所有 处理 (包括纯林木的处理 1和
Ⅳ，农林间作的处理 I和 1I)的土壤水解氮含量均有显著提 高．但 其在农作 区域和树木区域问并没有明显
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3期 王兴祥等 ：红壤旱坡地农 田生态系统养分循环和平衡 311
的规律性 差异(表1 3)。复合农林业虽然能够明 硅减少水土流失，但 由于其养分投入水平较低 ，特别是在其
植树区域养分投入更少 ，因而上壤养分提高速度明显低f农作最统 。
表13 复合农林业土壤养分空间变异
Table 13 Spatial variability of soil nutrients in agrof orest
①Original soilI②Distric~of tl~S；③District o crops；④District of t3~eesI@District of crops
农 田生态系统养分平衡状况基本上可反映其土壤 养分水平变化状况 ，当系统养分平衡出现盈余时，土
壤养分 水平一般会不断提高 。由于所研究农作 系统 土壤 中氨磷钾均 出现盈余 ，且 磷钾养分盈余更多，因
而土壤速效养分 ，特别是速效钾提高较快 。值得注意的是 r处理 A虽然钾素循环处于赤字状态 ，土壤速效钾
含量仍然有所提高，主要是 由于土壤侵蚀严重 ，土壤全钾 损失较多．造成 了钾素的赤字循 ，如果考虑其速
效钾的平衡，则其钾素仍有少量的盈余，但如果长期这样下去 ，也可能弓『起土壤速效钾含量 的降低
3 结论
水土流失是红壤旱坡地生态系统养分损失的重要 途径之一，固体径 流具有养分富集现象 ，养分富集率
顺序为：速效钾>有机质>全氮>全磷>水解 氮>速效磷>全钾 ，速效养分损 失 地表径漉为主 ，水土流
失养分损失量大小顺序为：有机碳>全钾 >速效钾>全氮 >全磷>水解氮>速效磷 ；免耕覆盖和垄作能显
著减少水土流失及养分 损失量 ；红壤旱坡地淋溶也是养分损失 ，尤其是氨素损失 的重要途径 ；在养分平衡
有盈余状况下，土壤养分水平是可 以逐步提高的 ，其中，土壤速效磷 、速效钾提高 的速度较快 ，土壤全氨、有
机质和垒磷也有所提高．但仍处于较低水平；复合农林系统中 ，土壤养分 存在明显的空间分异 ，农作物 区域
由于养分投入较高，土壤 养分水平明显高于林木区域。
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