全 文 ：中国生态农业学报 2011年 5月 第 19卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2011, 19(3): 520−524


* 国家科技支撑计划课题(2007BAD89B02, 2008BADA7B08)和国家自然科学基金项目(31070547, 31000206)资助
** 通讯作者: 宇万太(1964~), 男, 硕士, 研究员, 主要从事农田生态系统养分循环与土壤肥力管理研究。E-mail: wtyu@iae.ac.cn
马强(1978~), 男, 硕士, 助理研究员, 主要从事农田生态系统水分、养分循环研究。E-mail: qma@iae.ac.cn
收稿日期: 2010-06-22 接受日期: 2010-12-14
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00520
不同施肥模式对作物−土壤系统养分收支的影响*
马 强 刘中良 周 桦 徐永刚 宇万太**
(中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016)
摘 要 以 1 组 20 年长期定位试验为基础, 针对不同施肥模式下作物−土壤系统养分收支状况进行研究。本
试验共 8 个处理, 分别由化肥氮(N)、磷(P)、钾(K)和循环有机肥(M)组合而成。结果表明, 养分循环再利用有
利于作物产量的提高, 对大豆和玉米籽实平均增产率分别为 22.9%和 16.4%; 但随化肥的均衡施用, 有机肥增
产作用明显降低。仅施用循环有机肥可缓解土壤养分收支赤字, 但无法实现作物高产和土壤养分收支平衡; 施
用氮肥加剧土壤磷收支赤字, 同时施用氮、磷肥加剧土壤钾赤字。本研究中同时施用氮、磷、钾肥和循环肥
模式可满足作物高产的养分需求, 同时能够平衡土壤养分收支, 是较为理想的施肥模式。
关键词 施肥模式 长期定位试验 作物−土壤系统 养分收支 循环有机肥 氮 磷 钾
中图分类号: S158.3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)03-0520-05
Effect of different fertilization modes on nutrients budget of crop-soil system
MA Qiang, LIU Zhong-Liang, ZHOU Hua, XU Yong-Gang, YU Wan-Tai
(Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)
Abstract The nutrient budget of crop-soil system was analyzed based on the data from a consecutive 20-year field trial. The trial
was consisted of eight fertilization treatments with different combinations of nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) and
recycled manure (M). Compared with treatments without M, M treatments averagely increased yields of soybean and maize by
22.9% and 16.4%, respectively. However, the yield increase due to M treatment was moderated by the application of chemical
nutrients, especially that of N fertilizer. Although M application alone alleviated soil nutrient deficit, it did not facilitate high crop
yield and well balance nutrient budget. P deficit was aggravated under the treatments with only N fertilizer. Application of N and P
without K fertilizer resulted in high K deficiency. NPK+M treatment was the most appropriate fertilization mode for high crop yield
and well balanced soil nutrient budget.
Key words Fertilization mode, Consecutive field trail, Crop-soil system, Nutrient budget, Recycled manure, Nitrogen,
Phosphorus, Potassium
(Received Jun. 22, 2010; accepted Dec. 14, 2010)
农田生态系统养分收支状况是评价施肥模式是
否合理、农业生产是否可持续的一项重要指标[1−2]。
方玉东等[3−5]对我国农田氮、磷、钾收支调查结果显
示, 氮、磷总体投入大于支出, 但地域分布不均, 东
部经济发达区养分过量较严重, 西部、北部地区养
分投入较低或不足 ; 而钾在全国77.4%地区处于匮
缺状态, 尤其在经济欠发达地区, 更加忽视钾肥使
用。施肥能够直接影响土壤养分库发展趋势与程度[6],
过度垦殖且不注重养分管理将导致土壤肥力退化、
收支赤字、养分耗竭、农业生产不可持续[7−8]。我国
北方地区农业生产中仍存在氮肥施用不当[9]、忽视钾
肥[10]和有机肥[11]及种植作物品种单一、长期连作[12]
等不合理的施肥与生产模式, 不利于现代可持续农
业发展。本研究以布置于辽宁中部的1组不同施肥模
式长期(20 年)定位试验为基础, 针对该地区旱田主
栽作物、典型施肥模式, 模拟了长期不同施肥条件
对作物产量的影响 , 分析了不同施肥模式下作物−
土壤系统养分收支平衡状况。与中短期试验相比 ,
长期试验更能体现当地典型生产与气候条件下农田
生态系统发展变化特征, 对于制定适合该地区的合
第 3期 马 强等: 不同施肥模式对作物−土壤系统养分收支的影响 521


理施肥制度有重要意义。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验在中国科学院沈阳生态实验站进行, 实验
站位于下辽河平原北部, 沈阳市南约 35 km。土壤为
潮棕壤, 土壤有机质 22.1 g·kg−1, 全氮 0.8 g·kg−1,
有效磷 10.6 mg·kg−1, 速效钾 88 mg·kg−1, pH 6.7。
站区多年平均年降水量为 650~700 mm, 年均气温
7~8 , ℃ ≥10 ℃活动积温为 3 300~3 500 , ℃ 无霜期
为 147~164 d。
1.2 试验设计
试验始于1990年, 共设12个处理, 本研究选用
其中8个处理 , 分别为 :Ⅰ . 对照(CK), 不施肥 ; Ⅱ .
循环有机肥(M), 收获籽实的80%喂猪, 全部大豆秸
秆和一半玉米秸秆经粉碎后垫圈, 翌年春猪圈肥循
环返回本处理田间; Ⅲ. 施氮(N), 玉米施纯氮 150
kg·hm−2(肥料为尿素), 1990~2002年大豆不施氮肥 ,
2003年后大豆播种时施纯氮 25 kg·hm−2; Ⅳ. 氮+循
环有机肥(N+M), 氮肥用量同Ⅲ, 循环有机肥同Ⅱ;
Ⅴ . 施氮磷 (NP), 氮肥用量同Ⅲ , 每年施用纯磷
17.9 kg·hm−2(1990~1996), 1997 年 后 调 整 为 25
kg·hm−2(肥料为重过磷酸钙); Ⅵ. 氮磷+循环有机肥
(NP+M), 氮、磷同Ⅴ, 循环有机肥同Ⅱ; Ⅶ. 施氮磷
钾(NPK), NP同Ⅴ, 每年施用纯钾 60 kg·hm−2(肥料
为硫酸钾); Ⅷ. 氮磷钾+循环有机肥(NPK+M), NPK
同Ⅶ, 循环有机肥同Ⅱ。各处理均设3次重复, 小区
(重复)面积162 m2, 分别种植大豆−玉米−玉米, 并依
次轮作, 这样设计可保证不同作物在不同气象年景
均有出现, 使主栽作物在时间上有连续性, 有助于
将作物反应与每年的气候条件进行比较分析[13−14]。
1.3 研究方法
试验中循环有机肥、化肥养分及作物地上部养
分移出量均为实测结果, 植物与有机肥中氮含量用
元素分析仪Elementer Ⅲ(德国产)测定; 植物全磷用
硫酸联合消解, 钼兰比色法测定; 有机肥中磷含量
采用Na2CO3熔融, 钼兰比色法测定; 植物全钾用三
酸消解, 火焰光度法测定; 有机肥中钾含量用NaOH
熔融, 火焰光度计法测定[15]。3次重复分别种植大豆
−玉米−玉米, 其氮肥用量不同, 因此3个小区年均施
氮量(Z)为: Z=(2X+Y)/3, 其中X为玉米氮肥用量, Y为
大豆氮肥用量, 如在2003年以前, 某施氮处理3个重
复分别种植玉米、玉米、大豆, 则该处理施氮量应
为(150+150+0)/3=100 kg·hm−2; 同理, 在计算养分移
出量时也利用上述算法, 如CK处理氮养分移出量为
(68.3+68.3+36.8)/3=57.8 kg·hm−2; 据估计 , 大豆共
生固氮量约占大豆收获氮量2/3, 仅1/3来自土壤与
肥料贡献[16], 故计算大豆收获移出农田氮时仅取大
豆收获氮量的1/3, 如CK处理大豆, 年均实际移出氮
量为110.5 kg·hm−2, 但认为其2/3来自大豆共生固氮,
因此其实际从土壤中移出氮量为 110.5/3=36.8
kg·hm−2。
1.4 数据处理
本试验中所有数据均应用 Excel 2003软件进行
处理, 统计分析采用 One-way ANOVA 方差分析和
LSD 最小显著差异法, 计算过程均由 SPSS 13.0 统
计软件完成。
2 结果与分析
2.1 不同施肥模式对作物产量的影响
不同施肥模式下大豆和玉米产量如表 1 所示,
施肥对大豆和玉米产量有显著影响。NPK+M处理的
经济产量和生物学产量均处于最高水平。随化肥的
均衡施用, 玉米和大豆产量均有提升, NPK 处理中
玉米籽实产量与生物学产量(籽实+秸秆)较对照处理
分别提高 85.2%和 60.7%, 远高于大豆的 47.1%和
56.3%, 且氮肥对玉米的增产作用优于大豆。有机肥
对于两种作物的产量也有明显促进作用, 4个有机肥
处理与相应无有机肥处理相比, 大豆和玉米籽实分
别平均增产 22.9%和 16.4%; 同时, 有机肥对于大豆
和玉米具有稳产作用。由表 1 还可看出, 随养分的
均衡输入或有机肥与无机肥配施, 大豆秸秆在生物
学产量中所占比例出现升高趋势 , 大豆对照处理
(CK)秸秆产量在生物学产量中所占比重为 47.6%,
而在NPK+M处理中提高到 51.2%, 其中最高值出现
在 NP处理, 为 52.7%; 而玉米与之相反。

表 1 1990～2009年不同施肥处理的平均作物产量
Table 1 Average crop yields under different fertilization
treatments in 1990~2009 kg·hm−2
大豆 Soybean 玉米Maize 施肥处理
Fertilization
treatment 籽实 Grain 秸秆 Straw 籽实 Grain 秸秆 Straw
CK 1 516±682a 1 379±543a 4 097±1 625a 4 541±993a
M 2 009±552bc 1 887±516b 5 575±1 533b 5 476±1 098bc
N 1 532±624a 1 458±557a 5 985±1 748b 5 054±1 151ab
N+M 2 037±489bc 1 990±479bc 7 265±1 650cd 5 953±1 240cd
NP 1 786±557ab 1 986±487bc 6 774±1 441c 5 840±1 462cd
NP+M 2 218±449cd 2 420±437d 7 611±1 587d 6 403±1 594d
NPK 2 230±549cd 2 295±590cd 7 589±1 581d 6 296±1 506d
NPK+M 2 418±502d 2 532±518d 7 997±1 549d 6 994±1 553e
M: 循环有机肥 Organic manure; N, P, K: 氮、磷、钾肥
Nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers. 不同处理中各种肥料用量
相同 Application rates of different fertilizers were same in different
treatments. 下同 The same below. 同列不同字母表示各处理间差异
显著 Different letters in the same column indicate significant difference
at 0.05 level.
522 中国生态农业学报 2011 第 19卷


2.2 不同施肥模式下土壤养分移出量
不同施肥模式下作物移出养分量列于表 2。据
沈善敏估计[16], 大豆收获氮的 1/3 来自土壤氮贡献,
因此其年均土壤氮素移出量低于玉米, 但总收获氮量
远高于玉米; 而大豆磷、钾移出量明显低于玉米[12]。
施肥不仅提高了作物产量(表 1), 亦提高了随作物
收获移出的养分量(表 2), 最佳产量条件下(NPK+
M处理)年均养分移出量为对照处理 1.5~2.5倍。施
用循环有机肥对作物氮、磷、钾移出量有明显影响,
除 NPK与 NPK+M处理外, 所有循环有机肥处理的
土壤氮、磷、钾移出量均显著高于相应未施有机肥
处理。
2.3 不同施肥模式下养分输入量
输入农田土壤的养分来自化肥和循环有机肥 ,
依据化肥用量与实测有机肥中养分含量可得年均养
分输入量(表 3)。每年来自循环有机肥的氮、磷、钾
养分已接近或超过化学养分的 50%, 是农田生态系
统重要的养分供给源。
2.4 不同施肥模式下土壤养分收支
根据表 2与表 3得试验 20年间年均养分收支(表
4), 其中养分输入项为施肥输入的养分量 , 支出项
为土壤养分移出量。对于氮, 无肥条件下年均赤字
最高, 单独的养分循环再利用虽可一定程度缓解氮
素赤字, 但无法改变土壤氮素肥力降低的趋势; 单
施氮肥可满足作物生长对氮的需求, 而当氮与磷或
磷钾肥配施时, 因作物产量的提高, 无机氮肥的施
用已无法维持土壤氮的收支平衡, 长此以往必定导
致土壤氮素肥力下降; 而在无机氮和循环有机肥的
施肥模式下, 土壤氮素基本可保持收支平衡且略有
盈余, 尤其是 NPK+M处理, 更可保证高产, 是适合
该地区的施肥模式。对于磷、钾养分, 循环有机肥
的施用仅能缓解其收支赤字, 而无机磷、钾肥的施
用可维持土壤磷、钾养分收支平衡并略有盈余, 伴
随有机肥施用亦可使盈余量有所增加, 起到存磷、
钾于土的作用。总体上, 氮肥的施用加速了土壤磷
消耗, 氮肥与磷肥配施更加快了土壤钾素耗竭。

表 2 1990~2009年不同施肥处理年均土壤养分移出量
Table 2 Annual average removal of nutrients from soil under different fertilization treatments in 1990~2009
kg·hm−2·a−1
施肥处理 Fertilization treatment 养分
Nutrient
作物
Crop CK M N N+M NP NP+M NPK NPK+M
大豆 Soybean 36.8±15.1a 48.7±12.3cd 37.4±14.2ab 49.9±11.6cde 45.4±12.8bc 54.9±10.3de 53.6±12.8cde 58.1±11.8e
玉米Maize 68.3±22.7a 95.1±25.4b 117.9±31.8c 145.6±32.1de 136.9±28.5d 156.4±29.5ef 154.6±30.0e 168.7±30.2f
N
平均 Average 57.8 79.6 91.1 113.7 106.4 122.6 120.9 131.8
大豆 Soybean 7.9±3.5a 11.0±3.2b 7.9±3.4a 10.9±3.0b 10.7±3.1b 13.9±3.2c 13.5±3.6c 15.1±3.5c
玉米Maize 12.4±4.1a 17.2±3.9bc 15.6±4.7b 19.2±4.2cd 20.1±4.9d 23.8±4.7ef 22.6±4.7e 25.8±5.3f
P
平均 Average 10.9 15.1 13.0 16.4 17.0 20.5 19.6 22.2
大豆 Soybean 20.0±9.1a 28.3±7.7c 21.3±9.4ab 29.6±6.7cd 25.4±7.9bc 33.6±7.3d 34.3±7.4d 39.4±7.7e
玉米Maize 29.6±9.5a 37.5±7.3b 37.1±10.4b 44.5±8.7c 39.2±10.2b 45.0±9.2c 48.9±11.0c 58.1±15.0d
K
平均 Average 26.4 34.4 31.8 39.5 34.6 41.2 44 51.9
同行不同字母表示各处理间差异显著 Different letters in the same row indicate significant difference at 0.05 level.

表 3 1990~2009年不同施肥处理养分年均输入量
Table 3 Annual average nutrient inputs under different fertilization treatments in 1990~2009 kg·hm−2·a−1
施肥处理 Fertilization treatment 养分
Nutrient
肥料
Fertilizer CK M N N+M NP NP+M NPK NPK+M
化肥 Chemical fertilizer 0 0 102.9 102.9 102.9 102.9 102.9 102.9
循环有机肥 Recycled manure 0 41.4 0 48.6 0 51.5 0 55.0
N
合计 Total 0 41.4 102.9 151.5 102.9 154.4 102.9 157.9
化肥 Chemical fertilizer 0 0 0 0 22.5 22.5 22.5 22.5
循环有机肥 Recycled manure 0 8.4 0 9.3 0 11.7 0 13.1
P
合计 Total 0 8.4 0 9.3 22.5 34.2 22.5 35.6
化肥 Chemical fertilizer 0 0 0 0 0 0 60.0 60.0
循环有机肥 Recycled manure 0 22.4 0 25.1 0 28.7 0 34.0
K
合计 Total 0 22.4 0 25.1 0 28.7 60.0 94.0

第 3期 马 强等: 不同施肥模式对作物−土壤系统养分收支的影响 523


表 4 1990~2009年不同施肥处理年均养分收支平衡
Table 4 Annual nutrients budget under different fertilization treatments in 1990~2009 kg·hm−2·a−1
施肥处理 Fertilization treatment 养分
Nutrient
项目
Item CK M N N+M NP NP+M NPK NPK+M
施肥输入 Input through fertilization 0 41.4 102.9 151.5 102.9 154.4 102.9 157.9
作物移出 Output from soil by crop 57.8 79.6 91.1 113.7 106.4 122.6 120.9 131.8
N
年收支 Annual budget −57.8 −38.2 11.8 37.8 −3.5 31.8 −18.0 26.1
施肥输入 Input through fertilization 0 8.4 0 9.3 22.5 34.2 22.5 35.6
作物移出 Output from soil 10.9 15.1 13.0 16.4 17.0 20.5 19.6 22.2
P
年收支 Annual budget −10.9 −6.7 −13.0 −7.1 5.5 13.7 2.9 13.4
施肥输入 Input through fertilization 0 22.4 0 25.1 0 28.7 60.0 94.0
作物移出 Output from soil by crop 26.4 34.4 31.8 39.5 34.6 41.2 44.0 51.9
K
年收支 Annual budget −26.4 −12.0 −31.8 −14.4 −34.6 −12.5 16.0 42.1

3 讨论
对于作物产量而言, 与对照相比, 循环有机肥
显著提高玉米和大豆籽实产量, 表明我国传统的养
分循环再利用在无化肥输入条件下对农业生产意义
重大[17]。尤其对大豆, 即使从 2003年起播种时施用
25 kg·hm−2 无机氮肥, N处理产量(1 367 kg·hm−2)仍
显著低于 M 处理(2 036 kg·hm−2), 但单施循环有机
肥尚无法达到高产稳产的目的, 不符合现代农业要
求。随氮肥引入我国, 玉米等作物产量有了明显提
高, 且氮肥对玉米的肥效明显优于大豆, 一方面原
因是大豆固氮作用降低了其对氮肥的依赖, 另一方
面当地施肥习惯是对大豆不施或少施氮肥, 不足以
明显提高大豆产量。随无机磷肥和钾肥配合氮肥的
施用, 玉米产量均显著提高, 而大豆仅在 NPK 配施
条件下产量才显著提高 , 表现出对肥料响应的不
同。系统内养分循环再利用在养分施用不均衡条件
下可显著提高作物经济产量, 表现出对无机养分的
补充作用, 有机肥与无机肥配施更利于作物产量的
稳定。同时, 随养分均衡与充分供给, 玉米秸秆/籽
实比例呈降低趋势, 循环有机肥的施用也在一定程
度上降低了该比值, 说明养分条件的改善有利于玉
米生殖生长, 优化光合产物在作物体内的分配; 而
大豆却并未表现出这种变化。
对于土壤养分收支, 在无相应无机养分供应时,
仅靠保持系统养分循环再利用不能根本改变土壤养
分赤字, 但不均衡的化学养分输入模式也无法达到
高产、稳产目标, 形成“短板”效应, 限制农作物产量
进一步提高。本试验 8 种施肥模式基本涵盖了这一
地区从建国至今典型施肥模式, 在化肥模式中, 单
施氮肥显然无法保持作物的高产, 氮磷配施虽可提
高作物产量, 而钾素的缺失明显降低了大豆和玉米
的籽实产量, 长此以往势必影响土壤功能的进一步
发挥。Regmi 等[18]也发现在不施磷肥条件下, 稻田
仅可维持短期产量, 对钾肥的忽视也可造成作物减
产 40%~45%。NPK处理可得到较高作物产量, 但对
于玉米和大豆分别施用 150 kg·hm−2和 25 kg·hm−2无
机氮肥不足以维持农田土壤养分平衡, 而进一步提
高无机氮肥将导致氮肥利用率的降低[19]; 同时许多
研究也发现, 随氮肥用量的增加, 更多的氮素将进
入环境[20−21]。可见尽管均衡的化学养分输入, 仍可
能导致土壤养分收支失衡, 亦或造成对生态环境的
影响。随无机养分的引入与大量施用, 农业生产长
期忽视有机肥的施用。从本试验结果可见, 在施用
化肥基础上配以循环有机肥, 以有机肥形式补充农
田 NPK 及微量养分[22], 减少农村污染物排放, 提高
农业废弃物利用效率的同时, 对于维持土壤养分收
支平衡、稳定作物产量、提高肥料利用效率均具有
明显作用[23]。Bučienė 等[24]也提倡合理的使用有机
肥 , 减少因过量无机氮肥施用而带来的环境问题 ,
并补充土壤中的钾; Shisanya 等[25]研究结果表明有
机肥和无机肥配施比单独施用有机肥更有利于作物
产量的形成, 但此研究仅持续了 4 个生长季; 而从
多个长期试验结果来看, 在养分含量相当的情况下
有机肥应该有着与化肥相当的增产作用[26]。有机肥
在补充农田土壤磷、钾方面具有明显作用, 但 Palm
等[27]也指出, 以现有有机肥资源量无法平衡农田磷
的收支, 应配合无机磷肥的施用, 而适量施用钾肥
对于维持土壤供钾能力也是必需的[18,28]。本研究中
供试潮棕壤试验初始速效磷和速效钾分别为 10.6
mg·kg−1 和 88.0 mg·kg−1, 不缺磷且相对富钾。因此
磷、钾用量应以满足作物需求为标准, 在配合循环
有机肥条件下有利于建立起一定规模的土壤磷、钾
库, 实现收支平衡并略有盈余的施肥模式。可见, 实
行养分循环再利用配合均衡、合理施用化肥对于提
高作物产量、平衡土壤养分收支和减少农业生产对
环境的影响具有重要意义。
524 中国生态农业学报 2011 第 19卷


4 结论
农业生态系统养分循环再利用对于玉米和大豆
产量均有明显提高作用, 而随无机养分的均衡施用,
有机肥增产作用明显减弱。现行施肥模式下氮肥对
玉米增产作用优于大豆, 而大豆产量对于有机肥具
有更好的响应。NPK 处理作物产量已达较高水平,
但该施肥水平不足以保持土壤氮素养分收支平衡 ;
而不均衡的养分供给模式将导致土壤中其他养分的
加速消耗, 进一步影响作物增产。
养分循环再利用可缓解因作物移出导致的土壤
养分收支赤字, 但不能根本改变土壤养分匮缺状况,
均衡施用化肥配以循环有机肥可实现作物稳产、高
产, 实现土壤养分收支平衡。
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