全 文 ：中国生态农业学报 2016年 8月 第 24卷 第 8期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Aug. 2016, 24(8): 10351048


* 国家科技支撑计划项目(2013BAD05B00)、国家重点研发计划专项(2016YFD0300800, 2016YFD0200307)和 2016年河北省渤海粮仓科技示
范工程项目资助
** 通讯作者: 胡春胜, 主要研究方向为农田生态系统碳、氮、水循环及土壤生态过程。E-mail: cshu@ms.sjziam.ac.cn
张玉铭, 研究方向为土壤肥力与生态环境。E-mail: ymzhang@sjziam.ac.cn
收稿日期: 20160602 接受日期: 20160627
* This study was supported by the National Key Technology R＆D Program of China (2013BAD05B00), the National Key Research and
Development Project of China (2016YFD0300800, 2016YFD0200307), and the Special Program of Bohai Granary Science and Technology
Demonstration in Hebei Province.
** Corresponding author, E-mail: cshu@ms.sjziam.ac.cn
Received Jun. 2, 2016; accepted Jun. 27, 2016
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DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.160570
环渤海低平原农田生态系统养分循环与平衡研究*
张玉铭1 孙宏勇1 李红军1 刘小京1 胡春胜1** 刘克桐2 崔玉玺3 张满意3
(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022; 2. 河北省农业厅土壤肥料总站 石家庄
050021; 3. 河北省南皮县农业局 南皮 061500)
摘 要 了解农田养分输入、输出和平衡状况, 以及土壤肥力现状与变化特征, 对实现养分资源优化管理、地
力的持续提升、肥料利用率提高和农业可持续发展具有重要意义。基于 1985年、2000年和 2014年河北省南
皮县国民经济统计资料, 分析了从 1985 年到 2014 年县域农田生态系统养分循环与平衡状况; 利用 1981 年第
2次土壤普查和 2015年实测南皮县域土壤耕层养分含量数据, 探讨了耕层土壤养分变化及空间分布格局特征。
结果表明, 1985—2014年南皮县农田养分输入输出均呈持续上升趋势, NPK养分输入由 10 701 t增加至 23 386 t, 年
递增率 2.33%; NPK养分来源结构略有不同, NP来源以化肥为主, 其次是人畜粪尿和作物秸秆有机肥源; 而 K
素来源主要是有机肥源。农田养分输出以作物吸收为主, 占养分总输出的 80%以上, NPK总输出由 1985年的
9 093 t增加到 2014年的 18 846 t, 年均增速 2.17%。从养分表观平衡的角度看, 从 1985年到 2014年 NP始终
有大量盈余, P素盈余大于 N素, N和 P表观平衡率分别为 16.8%~34.2%和 26.9%~65.5%; 若考虑有机氮的有
效性问题, 1985—2000—2014年 3个时段有效氮盈亏率依次为 18.1%、6.5%和7.8%, 有效氮平衡由盈余转向亏
缺; 而 K素经历了由赤字逐渐向盈余的转变过程, 由 1985年的33.5%赤字发展至 2014年的 33.6%盈余。受农田
养分平衡状况的影响, 南皮县土壤有机质、全氮、有效磷发生了显著变化, 1981—2015年有机质由 8.62 g·kg1增
至 14.0 g·kg1, 增幅 62.4%; 全氮由 0.542 g·kg1增至 0.908 g·kg1, 增幅 67.5%; 有效磷由 2.0 mg·kg1增加到
20.8 mg·kg1, 增加了 9.4倍。而碱解氮和有效钾变化不明显, 分别由 70.5 mg·kg1和 141 mg·kg1增加到 71.8 mg·kg1
和 147 mg·kg1, 相对增幅仅为 1.8%和 4.2%。建议今后南皮县在农业生产中大力推广科学施肥技术, 重视有机
肥和化肥配施, 推广秸秆还田, 通过改进施肥方法提高肥料利用效率; 养分管理中应提倡“稳氮、控磷、补钾”
的施肥对策, 避免过多的盈余养分进入环境。
关键词 农田生态系统 土壤肥力 养分循环 养分平衡 施肥技术
中图分类号: S158.5 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)08-1035-14
Nutrient cycling and balance in farmland ecosystem in Bohai Lowland Plain*
ZHANG Yuming1, SUN Hongyong1, LI Hongjun1, LIU Xiaojing1, HU Chunsheng1**,
LIU Ketong2, CUI Yuxi3, ZHANG Manyi3
(1. Centre for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences,
Shijiazhuang 050022, China; 2. Central Station for Soil and Fertilizer, Agricultural Department of Hebei Province, Shijiazhuang
050021, China; 3. Nanpi County Agriculture Bureau, Nanpi 061500, China)
Abstract It is important to optimize nutrient management and improve soil fertility and fertilizer use efficiency for
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sustainable development of agriculture. This can help to understand nutrient input/output and balance in farmland and the state
of soil fertility and its change. Based on national economic statistics for Nanpi County for 1985, 2000 and 2014, the state of
nutrient cycle and balance in agro-ecosystems was analyzed for the period 1985–2014. The study also explored the state and
change characteristics of soil nutrients by comparing data on nutrients in the topsoil in 1981 (when the second national soil
survey was conducted) with that in 2015. The results indicated a significant change in nutrient input/output and balance for
1985 through 2014. There was a significant increase in NPK input. Total inputs of N, P and K increased from 10 701 t in 1985
to 23 386 t in 2014, which represented an annual increase of 2.33%. The sources of N, P and K were different, with N and P
mainly coming from chemical fertilizers, followed by organic fertilizers such as manure and crop straw. However, K was
mainly from organic fertilizers. Nutrient absorption by crops was the main component of nutrient output, accounting for 80%
of total nutrient output. NPK output increased from 18 846 t in 1985 to 90 093 t in 2014, with an annual increase of 2.17%.
Taking into account apparent nutrient balance, there were huge N and P budget surpluses since 1985. For the period 1985–2014,
P surplus (26.9%–65.5%) exceeded N surplus (16.8%–34.2%). Based on the availability of organic N, available N budgets
were respectively 18.1%, 6.5% and 7.8% in 1985, 2000 and 2014, which shifted from surplus to deficit conditions. K balance
changed from deficit to surplus condition, improving from a deficit of 33.5% in 1985 to a surplus of 33.6% in 2014. Due to
the effect of nutrient balance, the contents of soil organic matter, total N and available P significantly changed, respectively
increasing from 8.62 g·kg1, 0.542 g·kg1 and 2.0 mg·kg1 in 1981 to 14.0 g·kg1, 0.908 g·kg1 and 20.8 mg·kg1 in 2015. The
total increases in 2015 over those in 1981 were 62.4%, 67.5% and 9.4 times, respectively. The changes of available N and
available K were not very noticeable, increasing from 70.5 mg·kg1 and 141 mg·kg1 in 1985 to 71.8 mg·kg1 and 147 mg·kg1
in 2015, representing total increases of 1.8% and 4.2%, respectively. The measures of increasing soil fertility and fertilizer use
efficiency included scientific and rational fertilization, combined application of organic fertilizer and inorganic fertilizer, straw
return to soils and improved fertilization methods. Under the current soil fertility and crop planting structure, nutrient
management countermeasures was to optimize N dose, to control application of P and to increase application rate of K to limit
nutrient surplus in the environment.
Keywords Farmland ecosystem; Soil fertility; Nutrient cycle; Nutrient balance; Fertilization technology
养分循环是生态系统最基本的功能之一 [1], 也
是实现生态系统养分平衡的基础。农田生态系统养
分循环与平衡状况是农田养分管理合理与否的重要
表现, 也是影响土壤质量、生产力和环境质量的重要
过程, 是农业、生态和环境科学研究的核心问题[24]。
研究农田生态系统的养分循环与平衡, 加强对养分
循环的调控, 使养分循环向有利于人类需要的方向
发展[56], 对实现农业高产稳产高效、保障国家粮食
安全、提升耕地土壤质量与农田生态系统的可持续
发展具有重要意义。
农田生态系统中养分的输入与输出之间的平衡
状态是评价农田养分管理可持续性的重要指标 [4,7],
农田土壤养分的收支决定了土壤养分库的盈亏和土
壤肥力的发展方向 , 同时也对环境产生潜在的影
响。20世纪 80年代以来, 我国农田养分平衡总体上
N、P 盈余不断增加, K 的亏缺不断减少[811]。在现
实农业生产中, 土壤养分、肥料等资源利用方面仍
存在诸多不合理现象, 在一些经济发达地区化肥特
别是氮肥投入过量现象普遍存在, 导致农田氮素大
量盈余, 大量活性氮通过各种损失途径进入水体和
大气环境 , 导致地下水硝酸盐污染和湖泊富营养
化、温室气体效应等不利影响; 而在一些经济欠发
达地区农田养分的亏缺导致土壤肥力退化和作物产
量下降。鉴于此, 杨林章等[12]基于 NPK 在土壤作
物水体系统中的迁移、转化、损失过程, 论述了不
同类型区养分循环与平衡对产量、土壤肥力和环境
的影响, 评价了中国农田生态系统 NPK养分使用和
平衡的时空分布特征及其影响因素。众所周知, 通
过合理施肥调节农田养分的循环和平衡是提高农田
土壤肥力的主要手段, 因此, 全面了解农田生态系
统养分循环特点和平衡状况, 并对其盈亏进行正确
评价, 可以为制定合理的肥料管理对策提供依据。
环渤海低平原作为我国重要的粮仓, 如何通过
调控该区域农田生态系统养分循环与平衡以提高土
壤肥力是一个重要课题。2013年科技部、中国科学
院联合河北、山东、辽宁、天津等省市共同启动了“渤
海粮仓”科技示范工程项目, 旨在提升中低产田粮食
生产能力, 保障国家粮食安全。河北省南皮县作为
“渤海粮仓”项目的发源地和实施的核心区, 已在农
田地力提升技术等方面取得显著进展。尽管近 30多
年来农业生产方式及农田生态系统营养物质投入产
出状况发生了较大变化, 但仍存在农业养分循环再
利用水平不高等问题。本文以南皮县为例 , 基于
1985 年、2000 年和 2014 年国民经济统计资料, 及
1981年第 2次土壤普查资料和 2015年以 1.5 km为
步长网格式采样的土壤耕层养分实测数据, 分析了
第 8期 张玉铭等: 环渤海低平原农田生态系统养分循环与平衡研究 1037


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不同时段农田养分循环与平衡的基本特点以及土壤
养分变化趋势, 并按照鲁如坤等[1011]提出的农田养
分平衡的评价方法和原则对南皮县农田生态系统养
分循环与平衡状况进行了评价, 以期为预测土壤肥
力的发展方向和可能产生的环境影响提供依据, 并
提出本区域理想的养分综合管理模式。本研究对于
环渤海低平原区协调合理施肥与维护土壤环境的关
系, 实现区域农作物的稳产高产、地力的持续提升、
资源的高效利用和生态环境友好的协调发展具有重
要意义。
1 材料与方法
1.1 研究地区概况
河北省南皮县位于华北近滨海低平原, 地表形
态平缓, 由西南向东北倾斜, 坡降为 1/800~1/2 000,
海拔 7~12 m, 总土地面积 800 km2。该县属暖温带半
湿润大陆季风气候区, 年平均气温 12.3 ℃, 冬季寒
冷少雪 , 春季干燥多风 , 夏季炎热多雨 , 多年平均
降水量为550 mm, 年蒸发量1 900 mm 左右, ≥10 ℃
积温 4 232 ℃, 年总辐射量 5 592.3 MJ·m2, 无霜期
180 d左右。淡水资源匮乏, 水资源量仅相当于全国
人均水平的 15%, 微咸水分布较广。土壤属潮土、
盐土两类, 普通潮土(亚类)占总面积的 76%。历史上
土壤盐渍化较为严重, 自 20 世纪 90 年代以后区域
水盐条件发生极大改善。其农业耕作制度以一年两
熟为主, 种植冬小麦(Triticum aestivum)、夏玉米(Zea
mays)、棉花(Gossypium spp.)和油料[花生(Arachis
hypogaea)、大豆 (Glycine max)、油葵 (Helianthus
annuus)]、蔬菜、瓜果等多种作物, 以粮、棉种植为
主。耕地面积约 44 000 hm2, 棉花约占耕地面积的
1/3, 粮作播种面积 50 000 hm2左右。小枣(Ziziphus sp.)、
鸭梨(Pyrus bretschneideri)、苹果(Malus domestica)
等水果栽培有较久历史。
1.2 研究方法
为评价南皮县农田生态系统养分循环与平衡状
况, 基于 1985 年、2000 年和 2014 年河北省南皮县
国民经济统计资料, 分析 1985—2014 年县域农田
生态系统养分循环与平衡状况; 利用 1981 年第 2
次土壤普查资料和 2015 年实测县域土壤耕层养分
含量数据, 探讨了耕层土壤养分变化及空间分布格
局特征。
1.2.1 农田养分输入参数与输入量计算
农田养分输入包括化肥、有机肥、生物固氮、
非共生固氮、灌溉和干湿沉降所带入农田的养分。
化肥投入养分量来自历年南皮县国民经济统计数据,
其中复合肥的 N︰P2O5︰K2O 养分折算比例不同年
份有所不同, 1985 年按 20%︰75%︰5%折算, 2000
年和 2014年按 32%︰52.8%︰15.2%折算[13]。
有机肥资源主要包括人畜禽粪尿(粪肥)、秸秆还
田所带入农田的养分。粪肥是重要农田有机肥源 ,
根据各类畜禽饲养量、人口数、排泄量及粪尿养
分含量比例计算粪肥养分输入量, 计算方法参照文
献 [14]。人粪尿按成人数量计算排泄量 , 人口数×
0.85=成人数。牛、羊、驴、母猪等牲畜养殖周期较
长, 按存栏数计算; 肉猪养殖周期 8 个月, 家禽(肉
蛋混合型)养殖周期半年, 均按出栏数计算; 按不同
系数综合折算畜禽年排泄量 ; 粪肥收集利用率以
50%计[1415]。秸秆还田所带入养分量为秸秆养分含
量[14,1617]与还田量之积, 秸秆产量根据作物产量与
草籽比估算。南皮县自 20 世纪 90 年代中后期开始
推行秸秆还田措施, 研究时段内秸秆还田率依次为:
1985 年不还田, 2000 年小麦秸秆 80%还田, 玉米秸
秆 30%还田, 2014 年小麦全部还田、玉米秸秆 90%
还田。根茬所携带养分量未参与总量计算[1011]。
豆科作物生物固氮是农田生态系统中N素独有的
一项重要收入项。南皮县豆科作物以大豆、花生为主,
共生固氮量根据大豆、杂豆、花生实际种植面积与
单位面积固氮量计算, 固氮系数以 95.63 kg·hm2·a1
计[18]; 非共生固氮作用包括异养固氮、根际联合固氮及光
合固氮, 北方旱地非共生固氮量按 15 kg·hm2·a1计[10,18]。
干湿沉降、灌溉、作物种子等也是农田养分的
重要来源, 所带入土壤中的养分量根据耕地面积、
有效灌溉面积及其相应养分含量估算; 湿沉降带入
养分量按 N 11.9 kg·hm2·a1、P 0.26 kg·hm2·a1、K 6.6
kg·hm2·a1 计算[10]。养分干湿沉降所带入养分量按
化肥和粪肥氨挥发量的 15%计[15,17,19]。
1.2.2 农田养分输出参数与输出量计算
农田养分输出主要包括地上部分作物收获养分
量和养分损失量。作物收获养分量根据各种作物的
总收获量和作物 NPK养分含量计算。小麦、玉米草
籽比分别为 1.1 和 1.2, 花生和薯藤分别取值 0.8 和
0.5, 谷子草籽比为 1.6。结合实际调查和文献[10], 棉秸
总产量按秸秆皮棉比为 3.25计。小麦、玉米养分含量
参考文献[17], 其他作物养分含量参考文献[14,16], 各
种作物养分含量见表 1。
北方平原地区农田养分损失主要为氮素损失 ,
包括化肥和粪肥的氨挥发损失、硝化反硝化损失以
及深层土壤氮素淋溶损失。在此以全县化肥和粪肥输
入量与肥料损失率估算养分损失量, 氨挥发、反硝化
和氮素渗漏淋失的肥料损失率参照文献[1516]。
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表 1 作物籽实和秸秆养分含量
Table 1 Contents of N, P and K in seeds and straws of crops
籽粒 Grain 秸秆 Straw
作物 Crop 草籽比
Straw/grain N (g·kg1) P (g·kg1) K (g·kg1) N (g·kg1) P (g·kg1) K (g·kg1)
小麦 Wheat 1.1 20.4 4.5 3.2 6.5 0.8 7.5
玉米 Maize 1.2 12.0 3.7 3.0 9.2 1.5 6.0
棉花 Cotton 1.4 37.0 4.9 9.0 6.0 6.2 7.5
大豆 Soybean 1.6 61.6 5.9 14.8 7.2 0.7 7.4
花生 Peanut 0.8 51.0 5.2 6.8 14.0 2.2 14.1
谷子 Millet 1.6 11.6 1.7 11.7 3.7 0.1 20.7
薯类 Tuberous crops 0.5 2.6 6.7 6.0 14.5 3.0 13.3

1.2.3 土壤养分调查与测试方法
南皮县 20世纪 80年代初开展第 2次(全国)土壤
普查, 1981—1982 两年内完成土壤调查取样和测试
工作, 有齐全的历史数据。按变更后乡镇单元计算
1981—1982年土壤养分含量均值。2015年玉米收获
后小麦播种前, 在全县大约以 1.5 km 为步长布点,
共采集 273个耕层(0~20 cm)土壤样品, 采样点位如
图 1所示。土壤样品经风干研磨后进行养分分析[17],
有机质测定采用硫酸重铬酸钾容量法 , 全氮采用
半微量凯氏法, 碱解氮采用碱解扩散法, 有效磷采
用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法 , 有效钾采用醋酸
铵浸提原子吸收法。依据国家和省地土壤养分丰缺
指标, 进行土壤养分分级。

图 1 研究区河北省南皮县乡镇及土壤采样点位分布图
Fig. 1 Distribution map of township and soil sampling points
of Nanpi County of the study area
1.2.4 数据处理
所有数据统计描述和分布检验均在Microsoft
Excel 2010和SPSS 13.0软件环境下进行。结合全国
土壤普查土壤养分分级指标, 基于ArcGIS 9.2地理
信息系统软件用反距离权重法内插获得土壤养分空
间分布图。1981年第2次土壤普查和2015年2个时期
土壤养分变化设置3个变化等级[7]: 土壤养分含量增
加5%以上时为增加, 土壤养分含量变化在5%~5%
时为不变, 土壤养分含量减少5%以上时为减少。
2 结果与分析
2.1 农田生态系统养分输入、输出与平衡
2.1.l 农田养分输入
南皮县农田养分来源主要包括化肥、人畜粪尿、
秸秆、生物固氮、灌溉及干湿沉降和种子, 化肥、
人畜粪尿和还田秸秆是农田养分的主要来源, 通过
生物固氮、灌溉、干湿沉降以及播种等途径进入农
田的养分在总养分输入中所占比例相对较少(表 2)。
NPK养分输入量从 1985年的 10 701 t提高到 2014
年的 23 386 t。N、P、K养分来源结构略有不同, N、
P 来源以化肥为主, 其次是人畜粪尿和作物秸秆有
机肥源; 而 K 素来源主要是有机肥源。通过施用化
肥输入农田的 N、P 分别占其总输入量的 46.7%~
53.9%和 67.5%~78.6%, 来自有机肥源的 N、P 仅为
17.1%~35.6%和 19.1%~31.2%, 即 1985 年以来化肥
始终是 N、P的主要来源。K素来源结构略有不同, 20
世纪 80年代, 由于受到北方土壤不缺 K观念的影响,
农民普遍不重视对 K 肥的施用, K 素来源以粪肥为
主, 由畜禽粪尿输入农田的K为 58.0%, 来自化肥的
K仅为 10.9%; 2000年以后随着秸秆还田技术的推广
应用以及多元素复合肥的发展和农民补钾意识的增
强, K素来源发生了较大改变, 来自化肥和还田秸秆
的钾素在总输入中所占比例不断增加, 2014 年来自化
肥、人畜粪尿、秸秆的 K素依次为 2 086 t、1 218 t和
2 083 t, 在总输入 K中的占比依次为 35.3%、20.6%
和 35.2%。
随着农业生产水平的提高, 化肥投入呈不断增
加态势, 从 1985年至 2014年 N、P、K化学养分投
入总量由 5 318 t增加至 12 063 t, 增长了 1.3倍; 从
增长速度来看, 1985—2000年间增长速度高于 2000—
2014年, 1985—2000年化肥 NPK投入量增加 81.0%,
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年递增率为 4.1%; 2000 年以后, 化肥使用量增速放
缓, 2014年较 2000年增长了 25.3%。化肥 NPK投入
占总养分输入量的 41.5%~51.6%。
人畜粪尿和作物秸秆是南皮县主要的有机肥源,
有机养分的投入主要受畜牧养殖业规模和秸秆还田
率的影响。20世纪 80年代, 南皮还未推行秸秆还田
策略, 有机养分主要来自人畜粪尿, 1985 年通过人
畜粪尿投入农田有机养分量为 2 432 t, 占总养分量
的 22.7%; 据南皮县国民经济统计资料, 1994 年至
2005年南皮县畜牧养殖业发展强势, 2000年前后大
牲畜达 10 万余头, 肉猪 9 万余头, 家禽超过 200 万
余只, 畜禽粪尿提供的有机养分成数倍增加, 2000
年通过人畜粪尿带入农田的 N、P、K分别为 4 491 t、
573 t和 3 397 t, 与 1985年相比, 分别增加 2.2倍、
2.0 倍和 3.1 倍。20 世纪 90 年代中后期南皮开始实
施秸秆还田技术, 至 2000年小麦秸秆还田率为 80%,
玉米秸秆为 30%, 通过秸秆还田输入农田的有机
NPK量 1 896 t, 占有机养分量的 18.3%, 占养分总输
入量的 8.1%。2000 年通过人畜粪尿和还田秸秆等有
机肥源输入农田的总有机养分为 10 357 t, 占总养分
输入量的 44.6%, 高于化肥养分输入量, 是农田养分
的主要来源。受市场价格调节, 2006年后畜禽养殖业
发展放缓, 畜禽存栏量逐渐减少, 至 2014 年通过人
畜粪尿输入农田的养分量降低至 3 593 t, 较 2000年
减少了 57.5%。随着机械化程度的提高, 秸秆还田技
术得到广泛推广应用, 至 2014 年小麦秸秆已全部实
现还田, 玉米秸秆还田率也达到了 90%, 通过秸秆还
田途径输入农田的养分量增至 4 811 t, 较 2000年增
加 1.5 倍。秸秆直接还田提高了养分循环利用率, 秸
秆还田带入的钾素占总量的 35.2%, 对土壤 K库的补
给和平衡具有重要作用。2014 年通过人畜粪尿和秸
秆投入农田的有机养分总量为8 404 t, 占总养分投入
量 35.5%。与 2011 年李书田等[20]对华北地区有机肥
养分投入占总养分投入比例(35.0%)研究结果一致 ,
略高于河北省有机肥养分投入比例(25.6%)[21]。
除化肥和有机肥外, 大气沉降、灌溉、生物固
氮等也是农田养分的重要来源, 1985—2014 年 3 个
时段通过这些途径进入农田的养分总量依次为
2 951 t、3 216 t和 2 919 t, 分别占总输入养分量的
27.6%、13.9%和 12.5%。在农田养分综合管理中, 这
部分养分不容忽视, 亦应充分利用, 对化肥用量有
一定的替代作用。随着种植业结构的调整, 生物固
氮对农田氮素的输入贡献发生了较大变化。20世纪
80 年代 , 由于南皮县种植业结构中豆科作物如大
豆、花生、绿豆、小豆等播种面积较大, 占总播面
的 14.7%, 通过共生固氮输入农田的氮素为 701 t,
占总输入氮量的 8.5%; 进入 21世纪后, 豆科作物种
植面积逐渐减少, 通过共生固氮输入农田的氮素亦
随之减少, 至 2014 年, 共生固氮仅为 88 t, 较 1985
年减少了 87.4%。
表 2 1985年、2000年和 2014年南皮县农田生态系统养分输入
Table 2 Nutrients input of farmland ecosystem in Nanpi County in 1985, 2000 and 2014 t
1985 2000 2014 养分输入
Nutrient input N P K 总量
Total
N P K 总量
Total
N P K 总量
Total
化肥 Chemical fertilizer 4 380 783 155 5 318 7 065 1 511 1 052 9 628 7 972 2 005 2 086 12 063
人畜粪尿 Human and animal excretion 1 419 190 823 2 432 4 491 573 3 397 8 461 2 073 302 1 218 3 593
秸秆还田 Returned straw 0 0 0 0 898 124 874 1 896 2 382 346 2 083 4 811
灌溉水 Irrigation 379 9 126 514 650 16 217 883 704 17 235 956
湿沉降 Precipitation 566 12 314 892 533 12 296 841 524 11 290 825
干沉降 Dry deposition 229 229 468 468 393 393
共生固氮 Symbiotic nitrogen fixation 701 701 404 404 88 88
非共生固氮 Nonsymbiotic nitrogen
fixation
603 603 609 609 646 646
种子 Seed 8.7 1.7 1.7 12.1 8.5 1.8 1.6 11.9 7.7 1.7 1.5 10.9
合计 Total 8 285 996 1 420 10 701 15 127 2 237 5 837 23 201 14 789 2 683 5 914 23 386

营养物质的输入, 对促进农田生态系统内部的
物质循环、维持土壤肥力、提高农田生产力水平具
有重要作用。合理的养分结构是农业获得高产稳产、
保持和提高土壤肥力的基础。1985 年、2000 年和
2014年 3个时段养分投入 N︰P2O5︰K2O比例依次
为 1︰0.27︰0.20、1︰0.33︰0.46 和 1︰0.41︰0.48,
PK所占比例有逐年增加的趋势。据李书田等[20]报道,
粮食作物合理氮磷钾比例为 1︰0.3~0.4︰0.4~0.5。
由此可见, 南皮 NPK养分投入比例日趋合理。随着
生态经济的发展, 农田养分来源结构不断发生变化,
1040 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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有机肥特别是还田秸秆所占比例有逐渐增加的趋势,
由 1985年的 22.7%扩大到 2014年的 35.9%, 其中秸
秆所占比由无扩大到 20.6%, 逐渐向有机无机相结
合的方向发展。人畜粪尿和作物秸秆是重要有机肥
源, 充分利用这部分有机肥资源, 可起到培肥地力、
改善土壤结构、提高土壤碳库储量的作用, 对节约
化肥和能源、实现养分的循环利用和保护生态环境
具有十分重要的意义。
2.1.2 农田养分输出
农田生态系统养分的输出由作物吸收的养分和
各种途径损失的养分构成。作物吸收的养分是指作
物经济产量部分和秸秆部分吸收的养分, 由作物总
产量与作物养分浓度相乘获得。在南皮农田养分输
出中以作物吸收为主(表 3), 作物吸收输出农田养分
占总输出量的 80%以上, 受种植业结构的影响, 其
中以小麦、玉米输出占作物(小麦玉米、其他粮油
作物和棉花)总输出的主要份额(51.3%~72.6%), 占
总输出养分的 42.7%~59.5%; 其次为棉花, 棉花吸
收养分占作物总吸收养分的 14.7%~26.8%, 占总输
出养分的 11.8%~22.3%。随着作物产量的不断提升,
作物吸收养分的数量不断增加, 1985 年至 2014 年作
物输出养分量由 7 569 t上升到 16 225 t, 相对增加
114.4%。1985年农作物吸收 N、P、K养分的数量分
别为 4 649 t、785 t和 2 135 t, N、P分别占其总输入
量的 56.1%和 78.8%, 即养分投入足以满足作物生长
的需求; 而 K 素的作物吸收占投入的 150.4%, 表明
投入远远不能满足作物生长对养分的需求, 只可满
足作物需求钾素的 50%, 仍有一半需要从土壤中汲
取。进入 21 世纪后, 农作物对 N、P、K 养分的吸
收量分别为 7 540~10 040 t、1 352~1 758 t和 3 579~
4 427 t, 分别占其总输入量的 49.8%~67.9%、60.4%~
65.5%和 61.3%~74.9%, 这表明除了 N、P 投入能满
足作物吸收外, K的投入也能达到作物吸收的需求。
除作物吸收携出养分外, 还有一定数量的养分
通过各种途径损失。农田养分损失以肥料损失率和
肥料施用量为基础获得, 在北方平原区只考虑 N 素
损失, PK损失忽略不计。表 3表明, N素损失是一重
要养分输出项, 占养分总输出的 20.7%~29.3%, 其
中化肥 N素损失占 N素总损失量的 15.8%~17.8%,
粪肥 N 素损失占 4.9%~12.6%。N 素损失占养分输
入的 17.7%~20.6%, 这说明每年输入农田的氮素
有 17.7%~20.6%通过氨挥发、硝化反硝化和硝态
氮淋失等途径输出农田系统而不能再被作物吸收
利用。
表 3 1985年、2000年和 2014年南皮县农田生态系统养分输出
Table 3 Nutrients output of farmland ecosystem in Nanpi County in 1985, 2000 and 2014 t
1985 2000 2014
养分输出
Nutrient output N P K 总量
Total
N P K 总量
Total
N P K 总量
Total
小麦玉米收获
Wheat-maize harvest
2 368 505 1 011 3 884 5 308 1 101 2 642 9 051 6 648 1 415 3 147 11 210
其他粮油蔬作物收获
Other crops harvest
979 112 567 1 658 1 055 99 433 1 587 1 242 66 359 1 667
棉花收获 Cotton harvest 1 302 168 557 2 027 1 177 152 504 1 833 2 150 277 921 3 348
化肥 N损失 Fertilizer N loss 1 098 1 098 1 771 1 771 1 999 1 999
粪肥 N损失 Manure N loss 426 426 1 347 1 347 622 622
合计 Total 6 173 785 2 135 9 093 10 658 1 352 3 579 15 589 12 661 1 758 4 427 18 846

随着养分投入的逐年增加, 作物产量不断提升,
农田养分消耗也随之增加。2014年养分输出比 1985
年增加 107.3%, 比 2000年增加 20.9%; N、P、K各
项养分输出比 1985 年分别增加 105.1%、123.9%、
107.4%, 比 2000年增加 18.8%、30.0%、23.7%。与
1985年相比, 2014年农田养分输出的大幅度提升主
要源于作物产量的飞跃式提高引起的养分吸收的大
量增加。从 N、P、K各养分输出比较来看, 以 N的
输出最大, 3 个时段平均占总输出的 67.2%~68.4%,
其次是 K, 占 23.0%~23.5%, P仅占 8.6%~9.3%。这
一结果与华北地区不同尺度上的研究结果均很接近,
如河北栾城县县域氮磷钾输出比为 [16]N 67%、K
22%、P 11%, 河北省省域[21]N 69.0%、K 22.8%、P
8.2%, 华北地区[20]N 62.6%、K 29.1%、P 8.3%。
2.1.3 农田养分循环与平衡特征
保持农田生态系统养分循环再利用对保持地力
有一定的作用, 但不能从根本上消除土壤养分的收
支赤字。从表 4 可知, 1985 年养分输入输出量比较
小 , 系统内循环量小 , 养分循环率比较低 , 农田养
分内循环靠外部投入维持。2000 年以后, 由于南皮
县畜牧养殖业的飞速发展, 畜禽粪尿生产量显著提
高 , 此外 , 秸秆还田措施不断普及 , 有机养分归还
第 8期 张玉铭等: 环渤海低平原农田生态系统养分循环与平衡研究 1041


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量不断增加(表 2), 输出外部的 NPK 养分总量逐渐
减少, 内循环量和内循环率呈上升趋势(表 4)。与
1985年相比, 2014年 N素的内循环率由 1.7%增长为
14.9%, NPK养分总循环率由 2.4%增长到 22.8%, 分
别增长了 7.8 倍和 8.7 倍。但是, 与其他以小麦玉
米轮作为主的种植体系相比其内循环率显著偏低[16],
其系统养分循环属开放式, 究其原因, 主要由于南
皮县种植业结构较为复杂, 棉花、小杂粮等秸秆不
还田作物所占比例较大, 通过秸秆归还农田的养分
较少。
表 4 1985年、2000年和 2014年南皮县农田养分循环变化
Table 4 Nutrient cycling of farmland ecosystem in Nanpi
County in 1985, 2000 and 2014
1985 2000 2014 项目
Item N NPK N NPK N NPK
总输入量
Total input (kg·hm2)
174 225 338 518 336 531
外部输入量
External input (kg·hm2)
92 112 158 215 181 274
总支出量
Total output (kg·hm2)
130 191 238 348 288 428
输出外部量
Output from farmland
(kg·hm2)
128 187 209 288 245 331
参与循环量
Internal cycling (kg·hm2)
2 4 29 60 43 97
循环率 Cycling rate (%)1) 1.7 2.4 12.1 17.3 14.9 22.8
1)循环率为参与循环量占总支出量的百分比。Cycling rate is the
percentage of the amount of internal cycling to the total output.

表 5 显示了南皮县 1985—2014 年农田养分表观
平衡状况。结果表明, 除 1985 年 K 素平衡存在赤字
外, 其他时段 N、P、K 均为盈余, 平衡率分别为
16.8%~41.9%、26.9%~65.5%、33.5%~63.1%。PK
在农田生态系统的迁移循环过程十分简单, 远不如N
素那么活跃和难以控制, 在北方平原区 PK 不易产生
任何非生产性损失, 维持其合理的盈余有利于扩大
土壤磷钾有效库, 提高土壤供应能力。因此, 在不存
在水土流失的北方平原区旱作或水浇地农田, 允许
PK存在较大盈余, 鼓励储备性施用。而 N素则不同,
倘若管理不当, 极易引起损失, 通常认为, N 素盈余
率超过 20%即可引起 N 素对环境的潜在威胁[20,22]。
由表 5的表观平衡率不难看出, 自 1985年以来, 农田
养分中 N素始终有盈余, 3个时段 N素盈余率依次为
34.2%、41.9%和 16.8%, 尽管到 2014年 N素盈余有所
下降, 但仍与临界值很接近, 存在较大的环境风险。
在对 N 素盈余状况进行评价时, 不应只简单考虑
N 素的总投入, 应考虑有机肥料 N 的有效性问题[20],
以正确评价 N素的盈亏状况并防止夸大 N素投入的
环境风险。一般有机肥 N 的当季有效性只有化肥 N
的 30%左右 [23], 若按此计算农田有效氮的平衡 ,
1985—2014年N素盈余呈逐渐减少趋势, 3个时段有
效 N素盈亏率依次为 18.1%、6.5%和7.8%, 至 2014
年出现了轻度亏缺, 与李书田等[20]对华北地区农田
N素平衡估算结果基本接近。
与氮肥不同, 磷肥后效很高, 累积率可达 80%
以上 [24], 盈余的累积 P 在土壤中能提高 P 的供应
潜力。2014年南皮县 P素盈余 35.7%, 盈余 P量为
21.0 kg·hm2, 相当于表层土壤全磷(P)增加 9.3 mg·kg1。
按照 6%进入有效磷[25], 则相当于增加土壤有效磷(P)
0.56 mg·kg1, 倘若按照这一盈余量, 再过 20年, 南
皮土壤有效磷含量将增加 11.2 mg·kg1, 增长速度较
为缓慢, 短期内不会对环境构成威胁。磷肥投入过
量在某种程度上对培育地力、提高土壤 P 库供肥能
力是有益的。
表 5 1985年、2000年和 2014年南皮县农田养分平衡
Table 5 Balance of nutrients of farmland ecosystem in Nanpi County in 1985, 2000 and 2014
1985 2000 2014 项目
Item N P K NPK N P K NPK N P K NPK
总输入 Total input (t) 8 285 996 1 420 10 701 15 127 2 237 5 837 23 201 14 789 2 683 5 914 23 386
总支出 Total output (t) 6 173 785 2 135 9 093 10 658 1 352 3 579 15 589 12 661 1 758 4 427 18 846
表观平衡率 Balance (%) 34.2 26.9 33.5 17.7 41.9 65.5 63.1 48.8 16.8 52.6 33.6 24.1

2.2 农田养分平衡评价
农田养分平衡出现赤字或盈余并不一定不合理,
达到 100%平衡(平衡率为 0)也不一定就是理想目
标。通过对实际养分平衡率与允许养分平衡盈亏率
进行比较, 可了解农田养分平衡状况, 对其做出正
确评价, 为农田管理措施调整提供依据。参照鲁如
坤等[1011]农田养分平衡的评价方法, 对南皮县域、
渤海粮仓科技示范工程项目位于南皮县的示范区及
周边农户农田养分平衡状况进行分析。
所谓养分允许平衡盈亏率是指在当地条件下养
分平衡的计算结果 , 虽有亏缺或盈余也是允许的 ,
这意味着养分亏缺时并不会影响作物产量, 盈余时
也不会造成养分浪费。其计算公式为:
B%=[(1S)/E1]×100 (1)
1042 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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式中: B%为某养分允许平衡盈亏率; E为某养分肥料
利用率, 用相对值表示; S 为土壤养分贡献率, 相当
于某养分增产率的倒数。
基于多点的试验结果, 南皮县氮、磷、钾肥平
均增产率分别为 38.6%、38.3%和 11.0%, 氮、磷、
钾肥利用率根据文献[8,16]分别按 30%、15%和 55%计,
据此计算出农田养分的允许平衡盈亏率(表 6)。从养
分平衡允许盈亏率来看, 南皮县 N、K收支中允许有
一定量亏缺发生, K允许赤字达 82.0%, 即在 K素有
82%的赤字情况下并不影响作物产量 ; N 仅允许
8.2%的亏缺, 这表明, 尽管 N 素收支中允许有赤字
发生, 但其肥料养分仍存在一定的增产趋势, 部分
N 素供应来源于土壤, 但土壤已无能力承受较大的
平衡赤字, 建议在施肥时应保持 N 素的基本平衡,
即无赤字平衡, 以防土壤肥力下降; 这一区域 P 素
增产效果明显, 其允许平衡盈亏率为 82.0%, 这表
明 P 素平衡中有 82%的盈余是允许的, 也是必要的,
即在 P 素平衡中须有大量盈余方可满足作物生长需
求而不至于过多耗竭土壤 P库。
为了从不同尺度层面研究南皮县农田养分平衡,
在示范区及其周边多个村中选择有代表性的农户 ,
了解其投入产出情况 , 计算其养分平衡率后发现 ,
示范区 NPK 平衡状况与允许平衡盈亏率最为接近,
养分管理较为合理。周边农户养分平衡状况参差不
齐, 表现为施 N 过量, 部分农户磷肥施用不足。县
域尺度上, N、P、K均表现为盈余状态, 与允许平衡
盈亏率比较, 磷肥投入尚存在不足的问题。按农田
N素平衡率超过 20%就会对环境造成潜在威胁的说
法[20], 南皮县 N 素盈余率均在 16.8%以上, 接近平
衡率安全阈值, 说明 N 素施肥量已有可能对该县生
态环境构成潜在威胁, 因此, 在今后的农业生产中,
需适度控制氮肥用量, 通过改进施肥技术实现减量
增效。全县平均和多数调查农户 P 素平衡率低于允
许 P 素平衡盈亏率, 说明在 P 素管理中需增加磷肥
用量, 以确保作物生长需求与维持和提高土壤供 P
能力; 比较 K素允许平衡盈亏率和实际平衡率可知,
南皮县 K 素不亏缺, 在秸秆还田情况下可根据作物
携出量进行平衡补 K。
表 6 2014年南皮县农田养分平衡和允许盈亏率
Table 6 Nutrient balance rates and allowable balance rates of farmland ecosystem in Nanpi County in 2014 %
项目 Item N P K
农户实际平衡率
Actual balance rate in farmland of peasant household
28.8~62.3 42.0~154.6 57.3~25.2
示范区实际平衡率
Actual balance rate in farmland of the experimental area
20.7 183.0 0.7
全县实际平衡率
Actual balance rate in farmland of Nanpi County
16.8 52.6 33.6
允许平衡盈亏率
Allowable balance rate
8.2 83.6 82.0
各层次实际平衡率=(该层养分输入该层次养分输出)/该层次输出×100%。Actual balance rate =(input  output) / output × 100%.

2.3 农田养分平衡对耕层土壤养分变化趋势的影响
农田NPK的盈亏量决定了土壤养分的变化方向
及变化程度, 在现代农业养分管理中不应仅以作物
增产和盈利为目标, 应在充分满足作物对养分的需
求和有利于土壤养分库维护的同时, 避免土壤中过
剩养分进入环境而导致环境污染。了解土壤肥力的
变化规律可为合理利用土壤养分资源和科学施肥提
供依据。
2.3.1 有机质、全氮变化
土壤有机质是土壤养分的储藏库, 其含量是估
算土壤C储量、评价土壤肥力和质量的重要参数; 全
氮含量高低是土壤库潜在供 N 能力的表征, 也是评
价土壤肥力的重要指标; 有机质和全氮动态变化直
接影响土壤肥力特性。从表 7 可见, 与第 2 次土壤
普查时相比, 全县土壤有机质和全氮含量普遍增加,
有机质平均由 1981 年的 8.62 g·kg1上升到 2015 年
的 14.0 g·kg1, 相对上升了 62.4%, 年均递增率为
1.44%; 土壤全氮全县平均增加了 0.366 g·kg1, 相
对增幅 67.5%, 年递增率为 1.53%。土壤有机质和全
氮变化等级属增加明显范畴(土壤养分含量增加 5%
以上)。自 20 世纪 80 年代以来, 随着国民经济的发
展, 农村养殖业不断壮大, 为农业种植提供了大量
粪肥, 是有机质和全氮增加的重要原因之一; 此外,
20世纪 90年代后期开始推行秸秆还田措施, 是土壤
有机质提升的另一重要原因。
全县 9个乡镇土壤有机质和全氮含量差异较大,
存在明显的空间变异性。因各乡镇经济状况和农业
生产条件的不同, 农田养分输入存在较大差异, 导
致三十多年间不同乡镇土壤养分变化程度有所不
同。土壤有机质和全氮上升幅度均以南皮镇最大 ,
分别为 7.34 g·kg1和 0.51 g·kg1; 增幅最低的为鲍官
屯镇 , 仅分别为 3.92 g·kg1和 0.16 g·kg1。南皮镇
第 8期 张玉铭等: 环渤海低平原农田生态系统养分循环与平衡研究 1043


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作为县政府所在地 , 经济状况在全县相对较为发
达 , 据南皮县国民经济统计资料显示 , 其化肥纯
养分投入量(平均每年 429 kg·hm2)和单位耕地面
积上容纳畜禽量 (表征粪肥养分投入能力 )均居全
县之首 , 是导致该镇土壤有机质和全氮增幅最大
的主要原因 ; 在种植结构上 , 南皮镇以小麦、玉米
一年两熟为主 , 小麦玉米播种面积占该镇总播种
面积的 82%, 大量还田秸秆亦是土壤有机质和全
氮提升的另一重要原因。而鲍官屯镇位于南皮县
的最东部 , 历史上土壤盐碱较为严重 , 属于盐碱
低产区, 其农业生产条件较差, 养分投入相对较低,
其化肥纯养分投入每年仅为 325 kg·hm2, 是导致
该镇土壤养分增幅偏低的主要原因之一 ; 在种植
结构上 , 该镇棉花和谷子等小杂粮种植面积所占
比例较高 , 小麦玉米种植面积相对较少 , 只占总
播种面积的 52%, 在当前农业生产状况下 , 可实
行秸秆还田的作物只有小麦和玉米 , 其他作物秸
秆全部移出农田, 因此, 该镇可还田秸秆资源远低
于其他乡镇 , 是该镇土壤有机质和全氮增幅较低
的另一原因。
表 7 南皮县各乡镇耕层土壤养分含量及变化(1981—2015年)
Table 7 Changes of soil nutrients in cultivated horizon of different townships in Nanpi County from 1981 to 2015
有机质 Organic matter
(g·kg1)
全氮 Total N
(g·kg1)
碱解氮 Available N
(mg·kg1)
有效磷 Available P
[mg(P)·kg1]
有效钾 Available K
[mg(K)·kg1] 乡镇
Township
1981 2015 ± 1981 2015 ± 1981 2015 ± 1981 2015 ± 1981 2015 ±
鲍官屯镇 Baoguantun 8.28 12.2 3.92 0.620 0.780 0.160 79.4 63.7 15.7 1.4 14.6 13.2 104.8 137.9 33.1
大浪淀乡 Dalangdian 8.88 13.7 4.82 0.582 0.903 0.321 71.6 64.9 6.7 2.0 17.1 15.1 154.4 161.2 6.8
冯家口镇 Fengjiakou 9.31 14.8 5.49 0.508 0.980 0.472 82.0 73.7 8.3 1.7 18.1 16.4 185.3 176.5 8.8
刘八里乡 Liubali 9.57 15.7 6.13 0.542 0.953 0.411 74.4 77.2 2.8 2.7 18.4 15.7 119.0 150.0 31.0
南皮镇 Nanpi 8.86 16.2 7.34 0.529 1.039 0.510 68.2 82.5 14.3 2.7 20.5 17.8 140.0 153.1 13.1
王寺镇 Wangsi 8.33 13.0 4.67 0.581 0.860 0.279 64.8 67.3 2.5 1.6 16.5 14.9 197.2 145.5 51.7
乌马营镇 Wumaying 8.57 15.1 6.53 0.490 0.977 0.487 61.7 73.0 11.3 2.0 17.2 15.2 81.9 161.9 80.0
潞灌乡 Luguan 8.06 12.1 4.04 0.526 0.846 0.320 58.8 67.7 8.9 2.1 31.7 29.6 167.1 126.7 40.4
寨子镇 Zhaizi 7.87 12.9 5.03 0.485 0.867 0.382 74.3 76.1 1.8 1.7 32.9 31.2 111.5 110.3 1.2
均值 Mean 8.62 14.0 5.38 0.542 0.908 0.366 70.5 71.8 1.3 2.0 20.8 18.8 141.0 147.0 6.0

2.3.2 有效养分变化
土壤有效养分可反映近期内养分供应情况, 是
土壤养分供应水平的重要指标, 可作为指导合理施
肥的依据 [11]。由表7可知 , 土壤碱解氮、有效磷和
有效钾全县均值均呈上升趋势, 但各乡镇之间变化
趋势不尽相同。34年间土壤碱解氮全县平均增加
1.3 mg·kg1, 相对增幅为1.8%, 变化等级属不变范
畴(土壤养分含量变化在5%~5%)。各乡镇间土壤碱
解氮变化方向和程度不同, 其中处于东部和北部的
鲍官屯镇、大浪淀乡和冯家口镇属减少范畴, 下降
幅度为9.4%~19.8%; 刘八里乡、王寺镇和寨子镇
略有增加, 属不变范畴, 变化幅度为2.4%~3.9%; 南
皮镇、乌马营镇和潞灌乡属增加范畴, 增加幅度为
15.1%~21.0%。有效磷变化最为显著, 各乡镇均呈增
加趋势, 全县平均增加18.8 mg·kg1, 2015年土壤有
效磷含量较1981年增加9.4倍, 年递增率为7.1%。有
效钾全县平均增加6.0 mg·kg1, 增幅仅为4.3%, 变
化等级属不变范畴; 各乡镇间变化方向和程度存在
较大差异, 9个乡镇中变化等级有4个属增加范畴、3
个属不变范畴、2个属减少范畴。
土壤NPK养分的变化方向和程度决定于农田养
分平衡及其消长。20世纪80年代以来, 南皮县N、P
均处于盈余状态(表4), 是土壤有机质、全氮和有效
磷增加显著的主要原因。20世纪80年代, 由于受到
北方土壤不缺K观念的影响, 农民普遍不重视钾肥
施用 , 南皮县土壤K素平衡处于亏缺状态 , 进入21
世纪后, K素逐渐转为盈余。
农田养分循环与收支平衡直接影响着土壤养分
库的消长[11]。自 1985 年以来, 由于农事活动全县
NPK 的总投入大于总支出, 土壤库 N 素、P 素和 K
素处于盈余状态, 土壤有机质、全氮和全磷含量明
显上升, 尤其是 P的增加的幅度极大(超 9倍), 提示
近年来含磷化肥和粪肥施入量存在大量盈余。随着
粮食产量逐年提高, 养分消耗水平不断增加, 农田
土壤碱解氮和有效钾全县平均处于略增状态, 各乡
增减态势不一, 有增有减。土壤碱解氮变化范围为
15.7~14.3 mg·kg1, 主要与近年来农田养分投入中
有效 N素盈余不足有关(2000年和 2014年有效 N素
平衡率分别为 9.4%和5.3%)。土壤有效钾含量从
1981—2015 年相对增加不足 5%。尽管允许平衡盈
1044 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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亏率中允许 K 素有 82%的亏缺, 但土壤有效钾含量
的变化趋势表明, 如果 K 素投入过少, 势必依靠耗
竭土壤 K库来维持相应的生产力, 土壤 K素将出现
亏缺, 土壤自身调节功能将减弱, 在一定程度上会
限制农田生产力的继续提高, 所以在实施秸秆还田
措施的同时, 还应重视适量化学钾肥的施用。
总体看来, 与1981年相比, 全县农田土壤均有不
同程度的上升, 按照全国第2次土壤普查办公室(1979
年)拟订的丰缺指标, 南皮县农田土壤有机质和全氮
含量等级由极低或低提升到中等, 有效磷由中等提
升到了高或极高, 碱解氮、有效钾等级变化不明显。
2.4 耕层土壤养分空间分布格局与管理对策
培育农田土壤肥力是保证粮食安全的基础。了
解土壤肥力现状、变化规律及空间分布格局, 对充
分利用土壤潜力、制定合理养分管理方案、进一步
培肥地力并实现作物高产稳产、资源高效和生态环
境的可持续发展具有重要意义。
2.4.1 耕层土壤养分空间分布格局
将2015年样点数据依据国家及省地级土壤普查
分级标准, 用反距离权重法(IDW)插值获得县域5种
养分属性含量分布图, 以便直观展示耕层土壤养分
空间格局状况(图2和表8)。
目前全县主要土壤养分总体含量不太高, 土壤
肥力水平在中等水平, 土壤有机质、全氮、碱解氮、
有效磷、有效钾变幅依次为4.89~24.60 g·kg1、0.42~
1.48 g·kg1、25.2~121.0 mg·kg1、1.2~65.6 mg·kg1、
73~533 mg·kg1。从其变异性来看, 土壤有机质、全
氮、碱解氮变异系数分别为24.1%、23.0%和25.4%,
属于中等变异程度; 有效钾和有效磷变异系数分别
为40.8%和66.8%, 接近强变异性(表8)。除碱解氮外,
土壤速效性养分较全量养分含量的变化幅度大。导
致土壤养分含量发生变异的原因主要与土壤养分元
素在土壤中的化学行为及肥料施用状况、耕作等田
间管理措施有关。可以推断, 多年来小规模分散经
营体制下, 各农户的N素投入量差异不十分明显。从
各乡镇的养分变异程度来看, 以刘八里乡和寨子镇
各养分的变异程度较小, 表明这两个乡镇的土壤养
分含量相对比较均匀。
表 8 2015年南皮县耕层土壤养分描述性统计
Table 8 Descriptive statistics of nutrients contents in cultivated horizon of different townships in Nanpi County in 2015
有机质 Organic matter 全氮 Total N 碱解氮 Available N 有效磷 Available P 有效钾 Available K
乡镇
Township 变幅 Range
(g·kg1)
变异系数
CV (%)
变幅 Range
(g·kg1)
变异系数
CV (%)
变幅 Range
(mg·kg1)
变异系数
CV (%)
变幅 Range
[mg(P)·kg1]
变异系数
CV (%)
变幅 Range
[mg(K)·kg1]
变异系数
CV (%)
鲍官屯镇
Baoguantun
8.65~17.59 18.7 0.531~1.182 19.3 33.7~85.2 21.6 1.2~60.6 81.0 93~338 37.2
大浪淀乡
Dalangdian
4.89~19.99 27.6 0.420~1.318 24.8 25.2~98.8 29.5 3.5~49.0 63.7 73~265 33.2
冯家口镇
Fengjiakou
8.12~24.60 27.3 0.501~1.484 25.3 38.8~119.7 30.5 1.4~62.4 73.2 105~452 39.7
刘八里乡
Liubali
10.59~20.27 18.1 0.585~1.321 22.8 46.8~114.6 25.3 7.1~37.9 39.6 121~241 25.5
南皮镇
Nanpi
10.74~23.13 19.5 0.689~1.475 19.7 45.1~121.0 24.0 6.7~61.6 64.5 100~483 50.9
王寺镇
Wangsi
9.30~19.38 17.5 0.558~1.266 19.3 41.5~107.1 23.8 2.8~44.5 58.7 78~318 36.0
乌马营镇
Wumaying
10.54~21.56 19.6 0.667~1.293 19.4 42.4~107.1 21.3 2.4~46.0 58.2 93~533 44.2
潞灌乡
Luguan
6.71~18.86 28.6 0.476~1.212 26.6 35.3~100.7 26.6 4.2~65.6 64.5 83~260 29.8
寨子镇
Zhaizi
6.13~16.99 20.0 0.583~1.157 16.5 25.4~93.6 18.8 9.2~61.8 41.8 81~258 30.9
全县 Total 4.89~24.60 24.1 0.420~1.484 23.0 25.2~121.0 25.4 1.2~65.6 66.8 73~533 40.8

从南皮县耕层土壤养分含量空间分布(图 2)不
难看出, 南皮县土壤养分含量分布呈连片分布状态,
对于实施养分的分区管理较为有利。以南皮镇和刘
八里乡为中心, 与其接壤的冯家口镇和大浪淀乡的
南部、乌马营镇的北部土壤养分含量较高, 按照第 2
次土壤普查养分分级标准, 土壤有机质、全氮、碱
解氮均处于中等偏上水平(4-1 级), 有效磷和有效钾
属于极高或高等级(1~2 级), 属于地力水平较高区域;
冯家口镇和大浪淀乡的北部、乌马营南部、王寺镇、
鲍官屯镇土壤养分含量相对较低, 土壤有机质、全
氮、碱解氮均处于中等偏下水平(4-2 级), 有效磷和
有效钾属于极高或高等级(1~2级), 属于地力水平较
低区域; 位于南皮县东南部的寨子镇和潞灌乡土壤
有机质、全氮、碱解氮均处于中等偏下水平(4-2级),
第 8期 张玉铭等: 环渤海低平原农田生态系统养分循环与平衡研究 1045


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图 2 2015年南皮县耕层土壤主要养分含量空间分布
Fig. 2 Spatial distribution of soil nutrients contents of cultivated horizon in Nanpi County in 2015
a: 有机质; b: 全氮; c: 碱解氮; d: 有效磷; e: 有效钾。a: organic matter; b: total N; c: available N; d: available P; e: available K.

土壤有效磷含量水平极高, 90%以上的田块土壤有
效磷含量处于高和极高水平, 与其他乡镇相比, 这
一区域土壤有效钾则略显不足 , 处于中等偏下水
平。历史上这一区域在南皮县属于脱盐高产区, 农
民在生产中只注重氮磷肥的施用 , 钾肥投入偏少 ,
致使这一区域土壤 K库存不断下降。
2.4.2 南皮县养分管理对策
1)充分挖掘利用畜牧养殖业有机肥源, 大力推
广秸秆直接还田技术, 发挥有机肥替代作用, 实行
有机无机相结合的培肥措施。
南皮县畜牧养殖业发达, 应充分利用畜牧业生
产的畜禽粪尿, 将其肥料资源化, 发挥有机养分增
产培肥潜力并降低畜牧业环境污染风险。在农村经
营模式逐渐由一家一户小规模种植向农村合作或家
庭农场大规模种植模式转变的今天, 应大力推广秸
秆机械化直接还田技术, 科学合理地充分利用当地
秸秆资源, 以补充、更新和提高土壤有机质, 较好地
实现生物肥源的循环再利用, 发挥有机肥替代作用,
实现有机无机肥料的配合施用。根据本区耕种习惯,
夏收时, 小麦秸秆实施表层覆盖, 以达到保墒节水
1046 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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作用; 秋收时, 玉米秸秆粉碎还田。实施秸秆还田时
需配套少免耕、深耕深松相结合的耕作措施, 以扩
增耕层深度、改善耕层土壤结构、促进土壤团聚化、
实现土壤养分扩蓄增容、培肥全耕层特别是亚耕层
土壤、提升土壤水分养分对作物的有效性, 实现水
肥在耕作层的有效时空耦合。
在实施秸秆直接还田技术时要注意做好土壤管
理和合理施肥, 在原配方施肥基础上要适当增加氮
肥, 以调节碳氮比, 使之达到土壤微生物活动及繁
殖适宜范围 25︰1 左右, 以免出现微生物与作物争
N 现象。我国一些研究结果认为[14], 麦秸直接还田
时需补加 N 素 0.6%~2.0%, 玉米秸秆还田需补加 N
素 1.7%~2.0%。但应注意, 在农业生产中不可过量施
N, 以免造成经济上的浪费和由于氮肥损失而造成
的环境污染。
2)合理施用化肥, 氮肥管理推行实时诊断与推
荐施肥技术 , 磷钾肥实施恒量监控储备施用技术 ;
施肥技术上推行肥料分层深施全耕层培肥技术, 提
高肥料利用率。
基于南皮县土壤养分含量现状及其分布格局 ,
农田养分管理应实施分区管理, 以南皮镇为中心的
高肥区建议在施肥时应保持养分的基本平衡, 即无
赤字平衡, 以防止土壤肥力下降, 同时减控 N 素流
向环境、稳定土壤 P库与 K库。以王寺镇、鲍官屯
镇和乌马营镇南部为主的低肥区以快速培肥为目标,
实施盈余施肥技术, 即养分投入大于支出, N盈余控
制在 20%以内, 以防对环境造成危害, P素盈余可扩
大到 80%, K盈余控制在 20%左右。处于寨子镇和潞
灌乡的高 P低 K区以培育 K库、稳定 N库、控制 P
库为目标, 实施稳 N控 P增 K施肥策略。
在 NPK养分资源管理上, 根据其在土壤中的生
物化学特性, 实施不同管理策略。由于 N 素资源具
有来源多源性、转化复杂性、去向多向性及其环境
危害性, 且作物产量和品质对 N素反应敏感的特征,
农田 N 素是养分资源管理的核心, 农业生产实践中
推行 N 素实时实地精确监控, 建议该区域小麦玉
米轮作体系中, 小麦底肥采用根层养分调控技术[26]
进行推荐施肥, 小麦追肥和玉米追肥采用基于作物
冠层数字图像技术的 N素快速诊断[2728]或植株硝酸
盐快速测定的 N素营养诊断[26]与推荐施肥技术。
土壤 PK移动性较小, 易于在土壤中累积, 不断
为作物吸收利用, 表现出长期的叠加效应。在农田
PK养分管理中, 以保障耕地地力持续提升、作物持
续稳产高产 , 又不造成环境风险或资源浪费为目
标。可将 3~5年作为一个周期进行监测, 根据监测
结果 , 采取“提高”、“维持”或“控制”的方法调控管
理策略及相应施肥推荐[2930]。可采用储备性施磷技
术[5], 将 3~5年用量集中一次施用, 每隔 3~5年施用
一次, 充分发挥磷肥后效特点, 尽可能减少农事活
动带来的人力、物力投入。
在肥料结构上 , 要改变化肥品种单一的状况 ,
重视多元复合肥及微肥的施用, 协调 NPK投人比例,
促进土壤养分的均衡、协调发展。在施肥方法上, 根
据作物、土壤条件合理施用化肥, 改变目前氮肥表
施的施肥方法, 推行分层深施全耕层培肥技术, 以
减少养分损失。此外应推广测土施肥或配方施肥技
术, 努力实现农田施肥精准管理, 变盲目施肥为科
学施肥, 提高化肥利用效率。建议在施肥时应保持
养分的基本平衡, 即无赤字平衡, 以防止土壤肥力
下降。
南皮县大浪淀、乌马营、王寺、鲍官屯等乡镇
依然存在次生盐碱化潜在危害, 制约作物产量的提
升和耕地质量改善, 建议使用石膏和盐碱土壤调理
剂等盐碱土改良产品 , 改良盐碱 , 降低盐害 , 同时
配合土壤耕作培肥技术, 提升土壤有机质, 提高土
壤对盐害的缓冲能力。
3 结论与讨论
化学氮磷肥是养分输入中的重要内容, 人畜粪
尿和还田秸秆是 K素的重要补给源。NPK养分投入
呈持续上升趋势, 化肥投入增长速度高于养分其他
来源增速。河北省南皮县 1985—2000年养分投入由
10 701 t增加至 23 202 t, 至 2014年增至 23 386 t,
1985—2000年养分投入增速高于 2000—2014年, 年
递增率分别为 5.29%和 0.06%。输入农田养分的增加
主要来源于化肥用量的大幅度提升和畜牧养殖业的
飞速发展。1985 年至 2014 年 3 个时段养分投入
N︰P2O5︰K2O 比例依次为 1︰0.27︰0.20、1︰0.33︰
0.46和 1︰0.41︰0.48, PK所占比例有逐年增加的趋
势, 养分的投入比逐渐合理。南皮县农田养分的输
出以作物吸收为主 , 占养分总输出量的 80%以上 ,
随着作物产量的不断提升, 作物吸收养分的数量不
断增加, 1985年至 2014年作物吸收养分量由 7 569 t
上升到 16 225 t, 相对增加 114.4%。从养分平衡的角
度看, 从 1985年到 2014年 NP始终有大量盈余, 盈
余率分别为 16.8%~34.2%和 26.9%~65.5%, 而 K 素
经历了由赤字逐渐向盈余的转变过程, 由 1985 年
33.5%赤字发展至 2014年的 33.6%盈余。
第 8期 张玉铭等: 环渤海低平原农田生态系统养分循环与平衡研究 1047


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随着农业管理措施的不断改善, 农田养分循环
模式不断发生改变。20世纪 80年代, 农田养分循环
率较低 , 系统内养分循环主要靠外部投入来维持 ;
进入 90 年代后期, 由于秸秆还田措施的不断实施,
内循环量逐渐加大 , 养分循环率不断上升 , 1985—
2014 年 NPK 的循环率由 2.4%增至 22.8%。但总体
上, 南皮县养分循环率不高, 应加大有机养分投入,
通过进一步推行秸秆还田措施和有机肥替代技术来
提高养分循环效率。
南皮县 2015 年土壤肥力状况较 1981 年发生了
较大变化, 土壤有机质、全氮、有效磷含量均有显
著增加, 碱解氮和有效钾增长缓慢, 甚至有些田块
出现下降趋势。在今后的养分管理中需重视 NK 的
平衡施用。34年间, 尽管N素投入有显著性增加, 但
土壤有效 N 库并未得到显著改善, 表明当前氮肥施
用技术和培肥措施有待进一步改善。由于 N素在农
田生态系统中转化的活跃性和对环境的危害性, 农
田 N 素的精准管理仍然是养分管理的核心, 应以实
现作物持续高产稳产与环境保护相协调为目标, 以
农田 N 素实时实地精确监控为手段, 推行精准变量
施肥技术, 最大限度地发挥氮肥的增产效果, 提高
N 素利用效率, 降低环境风险, 实现经济效益和环
境效应双赢。此外, 在农田养分管理中, 应根据不同
养分资源特性进行区别对待, 对于 PK, 可实行恒量
监控、储备施用。
土壤有机质含量水平是土壤肥力高低的一个重
要指标 , 有机质含量高 , 土壤理化性状好 , 保墒保
肥能力强。由于受到成土母质和气候条件的限制 ,
尽管在过去的 34 年间南皮县土壤有机质有了显著
性提高 , 但目前其含量水平仍处于较低水平 (4-2
级)。提高土壤有机质含量要经历一个长期过程, 对
耕作土壤来说, 培肥的中心环节就是增施各类有机
肥。南皮县各类秸秆年产 326 382 t, 秸秆资源丰富,
秸秆还田措施已为广大农民所接受, 是土壤有机质
含量增加的主要原因。长期实施秸秆还田能有效改
良土壤, 培肥地力, 提高土壤有机质和 NPK 等养分
含量, 是实现耕地质量持续提升的重要途径之一[31]。
秸秆还田可以有效保持农田生态系统内部物质、能
量良性循环, 维持作物持续高产稳产, 减少作物对外
部物质、能量的依赖, 形成一个稳定的、自循环程度
较高的生产系统, 有利于农业的可持续发展[32]。

致谢 感谢所有参加 2015 年南皮县土壤采样和分
析工作的同事们！
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