長期有機培肥黑土有機碳、全氮及玉米產量穩定性的變化特征

張秀芝，高洪軍，彭 暢，李 強，朱 平*，高 強

（1 吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118；2 吉林省農業科學院農業資源與環境研究所，長春 130033）

我國東北黑土是世界上最肥沃的土壤之一，隨著農業生產的發展及農民對產量的需求，黑土肥力逐步下降，有機質含量銳減，顯著影響了土壤的供肥和保肥能力[1]；同時，長期的以小型動力為主的機械耕作方式也破壞了土壤的物理屬性，造成了耕層的“淺、實、薄”[2]。近年來，國家對東北黑土地退化問題非常重視，2017年以來，中央一號文件中均提出要加大東北黑土地的保護力度。

土壤有機碳和全氮是土壤肥力最核心的指標，其中土壤有機碳是土壤養分轉化的核心，其儲量反映了土壤截留碳的能力，其含量的高低直接影響著土壤肥力的保持與提高。有機碳又是作物產量可持續發展的重要因素，有機碳庫的減少是作物獲得高產的主要限制因子[3-5]。土壤氮素是土壤肥力中最活躍的因素，土壤全氮包括所有形式的有機無機氮，能綜合反映土壤氮素狀況[6]。土壤碳氮比可用于衡量土壤C、N營養平衡的狀況，它的演變趨勢對土壤碳氮循環有重要影響[7]。為系統掌握土壤肥力演變特征，并建立土壤肥力定向培育技術，農業部在全國主要農區的9個土壤類型上建立了多個長期定位試驗基地，基于長期定位試驗具有時間上的長期性和氣候上的代表性，在評價肥料效益及農田生態系統的可持續方面具有顯著的代表性，國內外學者多以此為基礎開展研究。對黑土[8-9]、紅壤[10-11]、棕壤[12-13]、灰漠土[14]、褐土[15-16]等的研究表明有機無機配施可顯著提高土壤有機質、全量養分及速效養分含量，增加土壤碳、氮儲量，提升土壤基礎地力，增加作物產量。本研究以吉林公主嶺國家黑土肥力與肥效長期定位試驗為研究平臺，探討長期有機無機培肥方式對土壤有機碳、全氮的影響，并系統評價不同培肥模式下玉米產量的穩定性和可持續性，為黑土肥力保育提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

國家黑土肥力與肥料效益長期監測基地位于吉林省公主嶺市吉林省農業科學院試驗地(E124°48′33.9″，N43°30′23″)。海拔 220 m，屬于溫帶大陸性季風氣候區，年平均氣溫5.5℃，無霜期125～140 d，有效積溫2600～3000℃，年降水量450～650 mm，年蒸發量1200～1600 mm，年日照時數2500～2700 h。每年12月至翌年3月份為土壤凍結期，凍土層厚可達1.5 m左右，地下水埋深14 m。試驗始于1980年，土壤類型為發育于黃土母質上的中層黑土，成土母質為第四紀黃土狀沉積物，地勢平坦，地形呈漫岡波狀起伏。耕層土壤有機質含量28.1 g/kg，全氮1.9 g/kg，堿解氮114 mg/kg，全磷0.61 g/kg，速效磷11.8 mg/kg，全鉀18.4 g/kg，速效鉀158.3 mg/kg，pH值7.8。

1.2 試驗設計

試驗設置6個處理，分別為：CK(不施肥)、NPK(常量化肥)、M2(常量有機肥)、M2NPK(常量有機肥 + 常量化肥)、M4(高量有機肥)、M4NPK(高量有機肥+常量化肥)。大區試驗，不設重復，每個試驗區面積100 m2。種植的主要作物是玉米，一年一熟制。玉米在整個生育期內不灌水，主要依靠自然降水。常量施肥區化肥處理為N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。化肥N、P、K分別由尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 18%，P2O546%)、硫酸鉀(K2O 50%)提供。有機肥施用量根據每年所用肥料的養分分析結果，以全氮含量為標準折算。有機肥為堆肥，有機質含量13.0%～15.0%，全氮0.45%～0.55%，全磷(P2O5)0.40%～0.50%，全鉀(K2O)0.1%～0.2%。M2每年施用有機肥30 t/hm2，折純N 150 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2。M4為2倍量的M2。有機肥在秋季收獲后施入土壤，化肥氮1/3基施，2/3于拔節期追施。磷鉀肥作為底肥一次性施入。供試作物為玉米，品種為雜交玉米‘吉單101’(1980—1988年)、‘丹玉13’(1989—1993年)、‘吉單304’(1994—1996年)，‘吉單209’(1997—2003 年)、‘鄭單 958’(2004—2017 年)。玉米株行距為23.8 cm × 70 cm，播種密度為60000株/hm2，人工播種。播種時間為4月下旬，9月下旬收獲。玉米收獲后將地上部秸稈移出，實施根茬還田，其他管理措施與當地農田一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品的采集與測定 秋季收獲時采用樣方測產，每小區劃分三個樣方，曬干后人工脫粒，稱重計產。文中每年各處理的產量數據均為三個樣方的平均產量。玉米收獲后采集0—20 cm土層土壤，每小區選5點。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定。

1.3.2 計算方法 以對照產量即不施肥處理產量作為基礎地力產量，增產率=(施肥處理產量 - 對照產量)/對照產量 × 100%[17]；肥料貢獻率=(施肥處理產量 - 對照產量)/施肥處理產量 × 100%；產量變異系數CV(%)=σ/× 100%，σ為標準差(kg/hm2)，為平均產量(kg/hm2)；產量可持續指數=(-σ)/Ymax，σ為標準差(kg/hm2)，為平均產量(kg/hm2)，Ymax為產量的最大值(kg/hm2)[18]。

1.4 數據分析

數據統計與分析采用Excel 2016和SAS 9.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 長期不同施肥處理玉米產量的變化特征

2.1.1 玉米產量年際間波動 圖1表明，長期施肥情況下玉米產量年際間變化較大，總體呈上升趨勢。玉米平均產量以CK處理最低，為3551 kg/hm2，NPK、M2、M4處理依次為 8862、8443、8896 kg/hm2，M2NPK、M4NPK處理依次為9422、9637 kg/hm2。與初始年份玉米產量相比，CK產量平均下降31.8%，而施肥處理產量平均增加37.5%～48.3%。在試驗開始的前10年，單施有機肥處理玉米產量明顯低于NPK處理和有機無機配施處理。隨著試驗年份的增加，有機肥、化肥、有機無機配施處理間玉米產量的差距逐漸縮小，但有機無機配施處理始終穩定在高產水平。與NPK相比，M2、M4處理1980年至1990年10年間平均減產19.3%、12.6%。隨后兩處理產量提高，1990—2017年，M2、M4處理平均產量比NPK分別提高1.7%和5.9%。M2NPK、M4NPK處理穩定在高產水平，1980—2017年，較NPK處理年均增產8.5%和10.2%。

圖1 1980—2017年玉米產量Fig.1 Annual fluctuation of maize yields during 1980-2017

2.1.2 長期施肥玉米產量的穩定性、可持續性分析

1980—2017年不同處理玉米平均產量結果(表1)表明，多年連續施用有機肥或氮磷鉀肥，或有機無機配施，均有顯著的增產效果。單施有機肥與單施化肥處理玉米平均產量差異不顯著，有機無機配施處理則顯著高于單施化肥或單施有機肥處理。M4NPK和M2NPK處理的產量差異不顯著。

表1 長期不同施肥處理對玉米的平均產量、變異系數及可持續指數的影響Table1 Effects of long-term fertilization on maize average yield, coefficient of variation and sustainable index

玉米產量標準差值(σ)、產量變異系數(CV)及可持續產量指數(SYI)可以用來表征產量的穩定性。玉米產量標準差σ值和變異系數越高，說明產量的變異越大，即產量越不穩定。各處理σ值及其順序為：M4(2259)＞M2(2210)＞M2NPK(2010)＞NPK(1868)＞M4NPK(1655)，單施有機肥處理的產量標準差高于NPK及有機無機配施處理。有機無機配施及氮磷鉀處理CV相對較小，單施有機肥處理產量變異較大。與σ、CV值相反，SYI指數越高，產量越可持續。各處理玉米產量可持續性指數值的大小順序為 M4NPK＞M2NPK＞NPK＞M4＞CK＞M2，有機無機配施處理的SYI值高于單施化肥、單施有機肥處理。綜合產量變異系數、可持續產量指數，說明有機無機配施更有利于提高玉米產量穩定性和生產可持續性，氮磷鉀配施的玉米產量穩定性和生產可持續性優于單施有機肥。

2.2 長期不同施肥的肥料貢獻率變化

肥料對于產量的貢獻率在不同年份間存在波動性，但整體上隨著施肥年限的增加呈現先上升后下降的趨勢(圖2)。通過一元二次方程擬合發現，各處理方程拐點均出現在2009年前后，即玉米籽粒產量對肥料的依賴性隨年限逐漸增加，但培肥至30年左右，肥料貢獻率開始下降，籽粒產量對肥料的依賴性開始下降。

2.3 土壤基礎供肥能力與肥料貢獻率的關系

不施肥處理作物的產量反映了農田的基礎地力。圖3表明，所有施肥處理肥料貢獻率隨不施肥處理產量的增加呈現明顯的下降趨勢，可用線性方程進行擬合，均達到顯著水平。有機無機配施處理與不施肥處理產量的相關程度最高(R2=0.5585**)。不施肥處理產量每增加1000 kg/hm2，氮磷鉀配施、有機無機配施、單施有機肥的肥料貢獻率分別降低9.2%、9.5%和12.2%。這表明提高土壤基礎地力可減少玉米產量對外源肥料的依賴，從而降低肥料施用量。

圖2 肥料貢獻率隨試驗年限的變化趨勢Fig.2 Variations of the contribution rate of fertilizers with experimental years

圖3 土壤基礎產量與肥料貢獻率的關系Fig.3 Relationship between soil inherent yield and fertilizer contribution rate

2.4 長期施肥土壤有機碳及全氮含量變化

2.4.1 長期施肥土壤有機碳含量變化 連續耕種施肥38年后，各處理土壤有機碳發生了明顯的變化(圖4)。CK與NPK處理有機碳含量呈下降趨勢。施有機肥處理土壤有機碳含量較試驗初始值均有所提升，試驗起始的前12年內，處理間有機碳含量的差異較小，1992年土壤有機碳含量在16.3～19.9 g/kg之間，平均最大增幅為4.6%(M4NPK)。12年后，隨著種植年份的增加，土壤有機碳含量增加，處理間差異逐漸增大，單施有機肥處理及有機無機配施處理有機碳含量顯著高于單施化肥處理和對照，有機肥施用量大，土壤有機碳的含量相對較高。從1992年到2017年，M2、M2NPK、M4、M4NPK處理土壤有機碳分別增加了39.6%、29.7%、54.6%、72.4%，增加幅度顯著高于前12年，且處理間差異達顯著水平。

從土壤有機碳含量平均值(圖5)來看，與初始土壤有機碳含量相比，施用有機肥和有機無機配施顯著提高土壤有機碳含量，而不施肥、單施化肥土壤有機碳含量下降。與初始有機碳含量相比，M2、M2NPK、M4、M4NPK處理土壤有機碳含量分別增加15.4%、14.4%、18.9%、31.1%，差異顯著，CK與NPK處理有機碳含量分別減少9.8%和6.0%，未達顯著水平。2017年土壤有機碳含量增加量以M4NPK處理最高，其次是M4處理。M4NPK、M4、M2、M2NPK處理有機碳年均增加量分別為0.47、0.35、0.26、0.19 g/kg。這說明施用有機肥或有機無機配施可顯著提高土壤有機碳含量，且有機碳含量隨有機肥施用量的增加而增加，單施化肥對有機碳含量影響不大。

圖4 長期不同施肥處理下土壤有機碳含量變化Fig.4 Variation of soil organic carbon contents in different treatments with experimental years

圖5 長期施肥下土壤有機碳含量平均值Fig.5 Effect of long-term fertilizer application on soilaverage organic carbon content

2.4.2 長期施肥土壤全氮含量變化 土壤全氮含量的變化趨勢與土壤有機碳含量的變化趨勢大致相同。CK與NPK處理全氮含量呈緩慢下降趨勢。施有機肥處理，隨著種植年限的延長土壤全氮含量呈現增加趨勢。與初始全氮含量相比，到2012年，CK、NPK處理全氮含量分別下降7.4%、3.7%，而M2、M2NPK、M4、M4NPK處理土壤全氮含量分別增加了21.6%、28.9%、46.3%、84.2%，且處理間差異達顯著水平(P＜0.05)(圖6)。

2.4.3 土壤有機碳與全氮含量的相關性分析及碳氮比

土壤全氮含量與有機碳含量之間呈極顯著線性正相關關系(n=120，P＜0.01)，相關系數為0.826**(圖7)。土壤有機碳每升高1 g/kg，土壤全氮含量增加0.086 g/kg。土壤有機碳含量高，土壤全氮含量也高，從而使碳氮比趨于穩定，碳氮比的穩定程度對土壤性狀及作物生長具有重要意義。從多年碳氮比平均值來看，與不施肥相比，施肥沒有顯著改變土壤碳氮比，土壤碳氮比的范圍是9.34～9.79。與初始碳氮比相比，各處理碳氮比呈增加趨勢，增幅在10.0%～24.5%(圖8)。總體來看，無論是常規施肥，單施有機肥還是有機無機配施，對土壤碳氮比的影響都不大。

圖7 土壤有機碳與全氮含量的相關性Fig.7 Correlation between soil organic carbon and total N content

圖8 38年后長期不同施肥處理土壤碳氮比Fig.8 Soil C/N in different treatments after 38 years' fertilization

3 討論

3.1 長期有機培肥對黑土基礎地力及玉米產量的影響

化肥肥效較快，可以增加土壤速效養分含量，提高土壤供肥強度，有機肥肥效慢，具有長效性，可以改善土壤養分庫容，提高土壤供肥容量[19-21]。本研究中，在試驗開始的前10年，單施有機肥處理玉米產量顯著低于NPK處理，隨著試驗年限的增加，處理間玉米產量的差距逐漸縮小，從1990年之后，單施有機肥處理即表現出與NPK處理相同的產量，且略高于NPK處理，這表明提高基礎地力產量后，可有效減少作物產量對外源肥料的依賴，從而降低肥料施用量[22-23]。在化肥基礎上增施有機肥后，增產效應顯著提升，處理間比較，M4NPK處理下的產量可持續指數最高，且產量年際間變幅較小；這說明有機無機配施更有利于維持玉米產量的穩定性及生產可持續性[24-26]。此外，作物產量與施肥土壤有機碳、全氮含量存在極顯著正相關關系[26-28]。本研究中，在增施有機肥的條件下，產量與有機碳、全氮呈現極顯著正相關。單施有機肥，產量與土壤有機碳、全氮的相關系數分別為0.694**、0.650**，有機無機配施條件下，產量與土壤有機碳、全氮的相關系數分別為0.474**、0.447**，而不施肥和單施化肥處理，有機碳、全氮與產量的相關性較差。邱建軍等[29]利用農田生態系統生物地球化學模型DNDC對我國6個典型農業區域典型種植模式下改變土壤有機碳本底值對作物產量的響應進行模擬，結果表明，有機碳含量增加1 g/kg，東北、西北地區春玉米產量分別提高176 kg/hm2、328 kg/hm2。這表明可以通過提升耕地有機碳、全氮來增加作物產量的潛力。

3.2 有機無機配施對土壤有機碳和全氮含量的影響

土壤有機碳的動態變化主要取決于系統碳的輸入與輸出水平[30]，根系分泌物、根茬、秸稈和有機肥等是農田土壤有機碳的輸入主要來源等[31]。施用有機肥不僅向土壤直接輸入有機碳，而且能夠改善土壤營養環境狀況，增強土壤酶的活力和提升土壤生物多樣性，進而極大地提升土壤有機碳含量，有機無機配施提升效果更為顯著[26,32-33]。本研究中，長期施用有機肥顯著提高土壤有機碳含量，其中M4NPK有機碳提升效果最為顯著。這說明有機肥的投入有利于土壤有機碳的積累，且有機肥投入量越高，積累量越高，高量的有機肥配施較無機肥單施效果更佳。土壤全氮變化規律與有機碳相似，施用有機肥全氮含量呈現增加趨勢，與初始土壤全氮相比，有機肥處理全氮含量的增幅在21.6%～84.2%，有機肥施用量越高，全氮含量增幅越大。土壤全氮含量與有機碳含量之間呈極顯著線性正相關關系(r=0.826**，n=120)。但本研究中，不同處理下土壤碳氮比無顯著差異，這可能是由于黑土碳氮具有較好的耦合特性[34]。

4 結論

在東北中部黑土區，連續10年有機培肥后可顯著提升土壤有機碳、全氮含量，降低化肥貢獻率，實現玉米產量與單施化肥處理無顯著差異；通過化肥配施有機肥可穩步提升玉米產量可持續性指數，保障玉米高產穩產；且增施有機肥后，玉米產量與土壤有機碳、全氮含量間呈顯著正相關，表明在東北黑土區，有機無機配施是提升地力、保障玉米高產穩產的有效途徑。