等氮配施有机肥对喀斯特峰丛洼地农田作物产量与养分平衡的影响*

傅 伟,刘坤平,陈洪松,陈香碧,林海飞,张 伟,王克林**

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所/中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室 长沙 410125; 2.中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站 环江 547100)

等氮配施有机肥对喀斯特峰丛洼地农田作物产量与养分平衡的影响*

傅 伟1,2,刘坤平1,2,陈洪松1,2,陈香碧1,2,林海飞1,2,张 伟1,2,王克林1,2**

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所/中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室 长沙 410125; 2.中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站 环江 547100)

基于自2006年在广西喀斯特峰丛洼地区开展的长期玉米/大豆套作定位施肥试验,选择2010—2014年监测数据,探讨等氮量投入条件下,不同比例有机肥替代无机氮肥对喀斯特峰丛洼地玉米/大豆套作系统作物产量及土壤养分的影响,为喀斯特峰丛洼地农田作物高效施肥及提高土壤肥力提供理论依据。试验选取4个处理:对照(不施肥,CK)、平衡施用化肥(NPK)、有机粪肥替代30%化肥氮(C7M3,按氮素计算,不足30%的PK用无机肥补充,肥料总量与NPK处理相同,有机粪肥为牛粪,下同)、有机粪肥替代60%化肥氮(C4M6,按氮素计算,不足60%的PK用无机肥补充),每个处理4次重复。于2010年、2012年、2014年大豆收获后采集土壤样品,测定土壤养分状况。结果表明:1)施肥处理土壤有机质、全氮、速效磷及速效钾含量均高于CK处理,其中C4M6处理有机质含量显著高于NPK处理(P<0.05),全氮、速效磷和速效钾含量随着有机粪肥施用量的增加而增加。2)长期不同施肥处理玉米和大豆产量分别是不施肥处理的4.15～4.36倍、2.47～2.58倍。不同施肥处理的增产效果为C4M6>NPK>C7M3,但施肥处理间差异不显著(P>0.05)。3)长期不施肥CK处理玉米产量随着试验年限推移呈下降趋势,降幅为5.45 g·m-2·a-1,大豆产量却表现出增加趋势,增幅为1.50 g·m-2·a-1。长期施肥处理中,玉米和大豆产量总体呈增加趋势。4)施肥处理中,玉米季表现为钾素亏缺(NPK处理除外),大豆季表现为氮素亏缺。综合两季作物,只有C4M6钾素表现亏缺,亏缺量为7.9 kg·hm-2。磷素在各施肥处理中盈余量较大,分别为81.2 kg·hm-2(NPK)、83.4 kg·hm-2(C7M3)和74.8 kg·hm-2(C4M6)。综上,在喀斯特峰丛洼地玉米/大豆套作制度下,基于作物产量及土壤养分表观平衡特征提出有机粪肥可以代替部分化肥施用,在玉米季适当“减氮、稳磷和增钾”,大豆季“稳氮、减磷和减钾”的施肥措施。

喀斯特峰丛洼地;玉米/大豆套作;有机肥代替化肥;作物产量;养分平衡

峰丛洼地是广西喀斯特地貌的主要类型,其中以桂西北地区分布最广、最为连片。峰丛洼地生态环境脆弱性突出,土壤浅薄、农业活动的扰动容易引发水土流失、漏失,导致生态系统退化的石漠化现象发生,因此这一地区农田以中低产田为主,其土壤养分亏缺或养分不平衡[1-3]。如何让农田稳产或增产的同时,又能够保持土地利用的可持续性,对于桂西北峰丛洼地区农业生产显得尤为重要。施用有机肥是通过向土壤中输入有机质,增加土壤碳氮储量,是改善土壤理化特性、提高土壤地力的重要措施[4-5]。与此同时,有机无机肥的配合施用,结合了化肥速效性与有机肥持久性的特点,对提高土地生产力和改善土壤性状起到明显作用[6-7]。林治安等[8]研究结果显示,有机肥与化肥均表现出持续提高土壤有机碳、氮含量的作用,有机肥效果明显优于化肥,并且随有机肥用量的增加而增加。高洪军等[9-10]通过对25年长期施肥条件下黑土区玉米(Zea mays)产量数据分析,发现施化肥或有机肥配施化肥玉米产量显著高于不施肥处理,且长期有机无机肥配施模式玉米产量总体上表现为上升趋势,在等氮量的化肥以及化肥配施有机肥处理下玉米平均产量差异不显著。陈志龙等[11]通过田间试验研究了黄棕壤地区等氮量条件下以有机肥不同比例替代化肥氮对小麦(Triticum aestivum)生长及氮肥利用率的影响,发现25%有机肥替代氮肥处理效果最好。调查发现,广西峰丛洼地农业生产中肥料投入以氮肥为主,有机肥施用不足,且有机肥和化肥配施更少[12];与此同时,随着当地畜牧业与桑蚕养殖业以及蔗糖、木薯淀粉、茉莉花茶等涉农加工业的发展,产生了大量禽畜粪便、蔗糖滤泥、木薯皮、木薯淀粉渣和茉莉花渣等有机废弃物。这些有机废弃物资源未得到科学合理的利用,造成农田、地下水污染等安全隐患[13-14]。本研究基于2006年开始的长期定位施肥试验,分析在喀斯特峰丛洼地玉米套作大豆(Glycine max)这一传统种植制度下,等量氮肥配施不同比例有机粪肥对作物产量及养分平衡状况的影响,探讨有机粪肥氮代替化学氮肥的效果,为设计合理的粪肥与化肥配施比例提供数据支持,以期为当地农村资源化利用有机废弃物提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站(24°43′N～24°45′N,108°18′E～108°20′E),属中亚热带季风气候区,多年平均气温19.9℃,年均≥10℃积温6 300℃,无霜期300～330 d。年均降雨量 1 400 mm,其中4—8月份为雨季,降雨量占全年的70%以上,9月份至翌年3月份为旱季。年平均日照1 400 h,平均太阳总辐射量400 kJ·cm-2,其中有效辐射量为200 kJ·cm-2。研究区为典型的峰丛洼地景观,发育基岩为白云岩,地势四周高,中间低,最高点海拔647.2 m,最低点海拔262 m。发育土壤主要为棕色石灰土,土层厚30～200 cm。试验前土壤pH 7.13、有机质(SOM)43.04 g·kg-1、全氮(TN)2.24 g·kg-1、全磷(TP)1.35 g·kg-1、全钾(TK)13.39 g·kg-1。

1.2 试验设计

长期定位试验样地建立于2006年。采用随机区组,设置6种施肥处理方式,每个处理4次重复。小区间用厚20 cm的水泥板间隔,水泥板埋深不低于50 cm,每个小区大小为4 m×7.5 m。种植作物为玉米/大豆套作,开垦前植被为草丛,优势种为臭蒿(Artemisia hedinii)、蔓生莠竹(Microstegium vagans)等。本研究选取其中4个处理,分别为:①CK,不施肥处理;②NPK:无机肥施用处理,施用的无机肥分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾,N、P2O5和K2O施用量分别为,玉米季200.0 kg·hm-2、90.0 kg·hm-2和120.0 kg·hm-2,大豆季22.5 kg·hm-2、60.0 kg·hm-2和67.5 kg·hm-2;③C7M3:70%NPK+30%农家肥(按氮素计算,不足30%的P、K用无机肥补充,肥料总量与处理②相同,农家肥为牛粪,下同);④C4M6: 40%NPK+60%农家肥(按氮素计算,不足60%的PK用无机肥补充)。

本文以2010—2014年监测数据为分析对象,春玉米品种为‘瑞单8号’,夏大豆品种为‘桂春5号’。春玉米穴播,行距100 cm,株距50 cm,每个小区播种4行,在小区中间2 m处开一排水沟;大豆通常在玉米采收前20 d左右,采用穴播方式套种在玉米行两侧。中耕、除草及病虫害防治等其他农艺措施按常规进行。

1.3 样品采集与测定

按照国家生态系统研究网络(CERN)的监测要求,作物产量于每季收获期考种而得,玉米收获期,每个小区各取植株样品10株为1个混合样;黄豆收获期,每个小区取植株样品15株为1个混合样,人工脱粒,晒干后称取风干质量。测定样品含水率,计算作物产量,秸秆烘干计算秸秆量。土壤样品于2010年、2012年、2014年大豆收获后采集,每个小区随机采集8个耕作层土样(0～20 cm),组成1个混合样品,对每个混合样品取约200 g进行风干,过20目和100目筛,待测定养分用。采用常规分析方法测定土壤有机质(重铬酸钾-外加热法)、全氮(开氏法消煮-流动注射仪测定法)、有效磷(碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法)、有效钾(乙酸铵提取-原子吸收仪测定法)和pH(电位法,土水比1∶2.5)等[15]。

1.4 计算与分析方法

土壤养分表观平衡(kg·hm-2)=有机和化学肥料投入总量-作物养分吸收量 (1)

玉米和大豆植株养分含量以2010—2014年各小区测定的平均值计算。植株养分吸收量依据作物籽粒和秸秆历年产量均值计算。本研究不考虑通过种子、作物根茬、降水、生物固氮和干湿沉降等途径进入土壤的养分量和通过氨挥发、N2O排放和淋失等途径损失的养分量。

采用Microsoft Excel 2010和DPS分别对数据进行作图和统计分析,数据主要采用单因素方差分析(LSD),显著水平设定为a=0.05。

2 结果与分析

2.1 等氮配施有机肥对土壤养分含量变化的影响

配施有机氮肥,可增加土壤有机质含量(表1)。从2010年、2012年到2014年土壤有机质均值比较来看,30%有机氮肥(C7M3)、化肥(NPK)及不施肥(CK)处理间土壤有机质含量无显著差异(P>0.05),添加60%有机氮肥(C4M6)显著提高了土壤有机质含量(P<0.05)。土壤全氮含量在4个处理中差异不显著(P>0.05),但CK处理最低,C4M6处理最高。土壤速效磷和速效钾含量随添加有机肥量增大而增加,表现为C4M6>C7M3>NPK>CK,其中施肥处理速效磷含量显著高于不施肥处理,约是不施肥处理的3.1～3.4倍,施肥处理间差异不显著;C4M6处理的速效钾含量显著大于化肥(NPK)及不施肥(CK)处理,与C7M3处理差异不显著,C7M3处理速效钾含量大于NPK处理,但差异不显著(P>0.05)。说明有机肥代替部分化学肥料可以保持土壤中速效养分含量与施用纯化肥处理相当水平,并有增加趋势。从几年数据分析来看,不施肥和施化肥处理土壤pH呈逐年降低趋势,添加有机肥处理土壤pH呈上升趋势,但各处理差异不明显。综合来看,有机氮肥代替部分化学氮肥有利于土壤养分的积累。

表1 等氮配施有机肥处理下玉米/大豆套作土壤养分变化Table1 Soil nutrients under different fertilization treatments of maize-soybean relay intercropping system

2.2 等氮配施有机肥作物平均产量

从作物平均产量来看(图1),在喀斯特峰丛洼地,长期施肥极显著提高了作物产量(P<0.01)。对5年中作物产量统计发现,化肥处理(NPK)、30%有机氮肥处理(C7M3)及60%有机氮肥处理(C4M6)玉米年均产量分别是不施肥(CK)处理的4.24倍、4.15倍和4.36倍,大豆产量分别是CK处理的2.56倍、2.47倍和2.58倍。可见,在喀斯特峰丛洼地上,施用肥料对作物产量具有极显著提高作用。施肥处理间产量略有差异,但差异不显著(P>0.05),说明在喀斯特棕色石灰土上,一定量的有机氮肥可以代替部分化肥施用。

图1 等氮配施有机肥条件下玉米/大豆套作系统的作物平均产量Fig.1 Average grain yields of maize-soybean relay intercropping system under different fertilization treatments

2.3 等氮配施有机肥作物产量变化

产量趋势线即利用产量年际波动曲线拟合的线性趋势线(y=kx+b),可以量化产量随时间变化情况,其中斜率k表示产量的变化值[16]。长期不施肥处理产量的变化实质上反映出长期不施肥条件下土壤基础地力的变化。如图2所示,长期不施肥(CK)处理玉米产量表现为下降趋势(k为负值),降幅为5.45 g·m-2·a-1,这是由于土壤养分不断被耗竭,供应能力逐渐降低。长期不施肥处理大豆产量趋于稳定(k为正值),增幅为1.50 g·m-2·a-1,主要原因可能是大豆根瘤菌能够固定空气中的氮气,为大豆的生长提供氮素营养,且大豆的残根落叶遗留在地里,能增加土壤中的养分和有机质,培肥地力[17-18]。

图2 等氮配施有机肥条件下玉米/大豆套作系统的作物产量年际变化趋势Fig.2 Variation trends of crops yields of maize-soybean relay intercropping system for the treatments of organic fertilizer combined with inorganic fertilizer under the same nitrogen rate

长期施肥处理玉米和大豆产量均呈增长趋势,其中玉米季增幅(k值)大小顺序为:NPK>C7M3>C4M6,大豆季增幅(k值)大小顺序为:C7M3>NPK>C4M6,但各施肥处理间产量变化差异不显著,说明均衡施肥及配施有机氮肥是维持喀斯特峰丛洼地玉米和大豆高产的有效途径,并且配施有机粪肥可以作为喀斯特峰丛洼地长期有效的施肥措施。

2.4 配施有机氮肥土壤养分表观平衡

玉米季长期不施肥使土壤N、P、K营养元素均表现出亏缺,年均亏缺量分别为:30.5 kg·hm-2、 13.8 kg·hm-2和21.1 kg·hm-2(表2)。长期施用无机化肥(NPK)处理,N、P、K均表现出盈余状态;有机氮代替30%无机氮(C7M3)处理中,N和P均表现为盈余,且盈余量分别比NPK处理高2.9 kg·hm-2和2.0 kg·hm-2,而K为亏缺,年均亏缺4.5 kg·hm-2;有机氮代替60%无机氮(C4M6)处理中,N和P也表现为盈余,K为亏缺,亏缺量为19.5 kg·hm-2。可见在玉米季,有机氮肥代替无机氮肥对土壤N、P有积极的补给作用,而有机粪肥代替化肥使土壤K表现为亏缺,并随有机肥量增多,亏缺量越大。

大豆季CK处理N、P、K元素均表现出亏缺状态(表2)。施肥处理中P和K均表现为盈余状态,C7M3处理与NPK盈余量几乎相当,C4M6处理略有降低(分别低1.0 kg·hm-2,4.6 kg·hm-2);而N均表现为亏缺状态, C4M6与NPK处理亏缺量相近(48.6 kg·hm-2),C7M3处理亏缺量稍低(46.6 kg·hm-2),且施肥处理N亏缺量是不施肥处理的1.58～1.65倍,而大豆产量却是不施肥处理的2倍多。这可能是因为施肥促进了大豆根瘤菌对空气中N的固定,为提高大豆产量起到积极作用。

表2 等氮配施有机肥条件下玉米/大豆套作系统土壤氮、磷、钾素表观平衡Table 2 Apparent balances of N,P2O5and K2O of maize-soybean relay intercropping system under different fertilization treatments

从作物单季来看,土壤表现出不同元素的亏缺,玉米季K亏缺,大豆季N亏缺,作物轮作对土壤营养元素亏缺情况有互补与改善作用。综合玉米与大豆轮作分析土壤年际养分收支情况,如表2所示, CK处理N、P和K均表现出亏缺,施肥处理中只有C4M6处理K表现出亏缺,亏缺量为7.9 kg·hm-2,其余均为盈余,并且P盈余量最大。

3 讨论

不施肥土壤中作物产量是土壤基础肥力和环境的综合表现,在一定环境下作物产量可以反映土壤基础肥力状况[19-20]。不施肥处理中玉米产量随种植时间延长处于下降趋势,降幅为5.45 g·m-2·a-1。与玉米产量情况不同,不施肥处理中大豆产量随时间推移呈增加趋势。有研究[21-23]显示大豆的N来源以根瘤固氮为主,其次是土壤N,这可能是不施肥处理中大豆产量仍保持上升趋势的原因,掩盖了土壤基础地力下降的表观现象;同时这也解释了本研究施肥处理中土壤N表观亏缺大于不施肥处理,而产量是不施肥处理2倍多现象的原因。

施肥有利于养分的快速供应,是农作物增产的重要措施[10],合理施肥是维持农田可持续生产力的重要手段。李秀英等[24]在褐潮土研究中发现,平衡施用化肥NPK以及化肥NPK配施有机肥均可使作物持续高产;郝小雨等[25]在黑土研究中亦发现,均衡施肥(NPK)及配施有机肥(MNPK)处理作物产量总体上呈增加趋势。张亚杰等[12]在喀斯特地区对作物产量研究中发现,施肥不仅对玉米产量有极显著提高作用,对大豆产量也具有同样的增产效果。本研究发现施肥处理玉米和大豆产量均极显著高于不施肥处理,分别是不施肥处理的 4.15～4.36倍和2.47～2.58倍,且施肥处理间没有显著差异(P>0.05);并且在短期来看,施肥处理下这2种作物产量都随时间推移处于上升变化趋势。说明均衡施用化肥(NPK)以及均衡配施有机肥是增加喀斯特峰丛洼地作物产量的有效措施,并且化肥(NPK)配施有机氮肥可与单施化肥(NPK)达到同样的增产效果,也说明从作物产量方面考虑,在喀斯特峰丛洼地部分有机氮肥可以替代部分化学氮肥。

农田养分平衡的本质是养分被作物消耗和施肥投入之间的平衡,其盈亏是农田土壤养分时空变化的主要驱动因素,是衡量农业可持续发展的重要因素之一[26-27]。本研究中,玉米季N、P在施肥处理中均表现为盈余状态,有机肥处理中,K表现为亏缺状态,且随有机肥量增加而增加,在这3种施肥处理中, K可能是限制元素[3]。粪肥替代60%化学氮肥处理中有机肥含量较多,供给土壤的K更加迟缓而长效,使土壤中速效钾含量最高,且显著高于NPK处理,这可能是C4M6处理虽然K表观平衡呈亏缺状态,仍保持最高产量的原因。因此对于玉米单季来说,可以适当降低N、P投入,短期内可以保持K现有水平[8]。大豆季,施肥处理中P、K元素均呈现盈余状态,N表观亏缺,本文中养分平衡计算法忽略了大豆根瘤菌对游离态氮的固定作用。张兴梅等[28]报道大豆所需的N源有50%甚至更高比例来源于生物固氮。本研究中不施肥处理大豆产量有增加趋势,施肥处理大豆产量显著高于不施肥处理。由此推断,大豆季,可以适当降低P、K元素投入,保持K投入量。

综合两种作物对土壤养分的表观平衡影响来看,利用不同作物对营养元素需求量不同的特点,合理进行套种、间种或轮作,利用前茬作物的肥料残效对后茬作物的影响,在一个周期中“统筹施肥”,可以适当平衡土壤元素的盈亏状态[29-32]。本研究中,施肥处理玉米季N的盈余,正好用于大豆产生根瘤菌前对N的需求,大豆季K的盈余可以弥补玉米季K的亏缺,从而提高氮肥、钾肥的利用率,降低土壤中的盈余量,进而降低N、K的流失。土壤养分平衡原则允许养分平衡有一定的赤字或盈余,C4M6处理K亏缺量仅为7.9 kg·hm-2·a-1,比鲁如坤等[31]报道的几种土壤允许赤字量小10倍左右,推测以本研究中C4M6施肥水平,可以短期保持K的平衡,具体允许量有待进一步研究。P在两季作物中均表现为盈余,且年均盈余量大于郝小雨等[25]研究中常量化肥及常量化肥配施有机肥处理盈余量(其年均P盈余量为33.4 kg·hm-2、61.2 kg·hm-2),所以在喀斯特峰丛洼地应适当降低磷肥的投入。

在土层较浅、生态环境脆弱的喀斯特峰丛洼地区域[33-34],保持农田可持续生产力尤为重要,即既要注重作物产量,亦要注重土壤环境变化。从3个时间段土壤养分统计数据来看,NPK化肥配施有机肥对土壤营养条件均有不同程度的改善作用。添加粪肥替代60%化肥氮处理中有机质含量显著高于30%粪肥和纯化肥处理,全氮、速效磷和速效钾含量随着有机肥量的增加而增加,说明有机肥添加提高了土壤基础地力。短时间来看,土壤pH在各施肥处理间差异不明显,说明粪肥替代部分化肥短期内对土壤的酸度影响不大。5年作物产量显示,60%粪肥替代率处理高于纯化肥处理,N、P盈余量低于化肥处理,说明C4M6处理保持作物高产,同时降低了N、P的流失风险。如果以平均产量的95%～105%作为有机肥替代率目标,C7M3处理作物产量是NPK处理的97.6%,与其相当。所以在喀斯特峰丛洼地,从农业可持续性来说,粪肥替代部分化肥是可行措施。

综上,基于作物套作、大豆固氮作用以及磷肥的缓效作用,在喀斯特峰丛洼地可以实行玉米季“减氮、稳磷和增钾”,大豆季“稳氮、减磷、略减钾”的施肥措施,利用有机粪肥替代部分化肥,通过增加土壤有机质、全氮等来实现培肥地力和土壤养分平衡。

4 结论

利用环江站田间定位试验,通过对不同粪肥量替代化肥氮对玉米/大豆套作的作物产量及土壤养分平衡特征研究,得出以下结论:

1)从2010—2014年的土壤养分含量来看,施肥处理土壤有机质、全氮、速效磷及速效钾含量均高于不施肥处理,其中C4M6处理有机质含量显著高于NPK处理(P<0.05),全氮、速效磷和速效钾含量随着有机粪肥用量的增加而增加。有机肥代替部分化学氮肥提高土壤养分含量,培肥地力。

2)从作物平均产量来看,长期不同施肥处理对喀斯特峰丛洼地棕色石灰土作物产量具有显著提高作用,玉米和大豆产量分别是不施肥处理的4.15～4.36倍和2.47～2.58倍。不同施肥处理的增产效果为C4M6>NPK>C7M3,但施肥处理间差异不显著。有机肥代替部分化学氮肥能显著增加作物产量,并且与化学肥料达到同样的增产效果。

3)施肥处理中不同作物季表现出不同元素的亏缺,玉米季表现为K亏缺(NPK处理除外),大豆季表现为N亏缺。综合两季作物,只有C4M6处理K表现亏缺,亏缺量为7.9 kg·hm-2·a-1。P盈余量较大,不同处理分别为81.2 kg·hm-2·a-1(NPK)、83.4 kg·hm-2·a-1(C7M3)和74.8 kg·hm-2·a-1(C4M6)。

4)在喀斯特峰丛洼地玉米/大豆套作制度下,基于作物产量及土壤养分平衡特征,提出有机粪肥可以代替部分化肥施用,在玉米季适当“减氮、稳磷和增钾”,大豆季“稳氮、减磷和减钾”的施肥措施。

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Effect of partial replacement of inorganic N with organic manure on crop yield and soil nutrient balance in arable ecosystem in karst peak-cluster depression*

FU Wei1,2,LIU Kunping1,2,CHEN Hongsong1,2,CHEN Xiangbi1,2,LIN Haifei1,2,ZHANG Wei1,2,WANG Kelin1,2**
(1.Institute of Subtropical Agriculture,Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region,Chinese Academy of Sciences,Changsha 410125,China;2.Huanjiang Observation and Research Station for Karst Ecosystems,Chinese Academy of Sciences,Huanjiang 547100,China)

Based on a long-term experiment on maize-soybean relay intercropping system in the karst peak-cluster depression in Guangxi,the effects of organic nitrogen(manure)in place of chemical nitrogen(fertilizer)on crop yield and soil nutrient balance were investigated.The experiment was started in 2006,and the data were collected in 2010-2014.Four treatments with four repetitions were designed in the study—including CK(no fertilizer),NPK(chemical fertilizer in maize at N 200 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2,K2O 120 kg·hm-2;and in soybean at N 22.5 kg·hm-2,P2O560 kg·hm–2,K2O 67.5 kg·hm-2),C7M3(the total amounts of N,P and K were same as NPK treatment,in which 70%N was from chemical fertilizer and 30%N from organic cattle manure),and then C4M6(60%N was from organic cattle manure and 40%N from chemical fertilizer,the amounts of P and K were the same as the treatment NPK).The results showed that:1)compared with CK,treatments of NPK,C7M3 and C4M6 all increased soil organic matter(SOM),total nitrogen(TN),available phosphorus(AP)and available potassium(AK).Furthermore,SOM content in C4M6 was significantly higher than that in NPK(P<0.05).The contents of TN,AP and AK increased with increasing organic manure supplement.2)The yields of maize and soybean in the fertilizer treatments were respectively 4.15-4.36 and 2.47-2.58 times higher than that in CK.Crop yield order in fertilizer treatments was C4M6>NPK>C7M3,but there was no significant difference among treatments(P>0.05).3)For CK treatment,maize yield decreased by 5.45 g·m-2·a-1,while soybean yield increased by 1.50 g·m-2·a-1during experimental period.The yields of both maize and soybean increased under long-term fertilization as the experiment went on. 4)In the experiment,K deficit was observed in organic manure treatments and CK during maize growth period,but N deficit appeared in all treatments during soybean growth period.In the maize-soybean relay intercropping system,K deficit of 7.9 kg·hm-2·a-1was observed only in C4M6.P surplus was observed for all fertilizer treatments with surplus amounts of 81.2 kg(P)·hm-2,83.4 kg(P)·hm-2and 74.8 kg(P)·hm-2in NPK,C7M3 and C4M6 treatments,respectively.In summary,based on the characteristics of nutrient balance and crop yield,that partial replacement of chemical nitrogen fertilizer by cattle manure was reasonable.We recommend that farmers should“reduce N,maintain P and increase K”during maize growth period,but should“maintain N and reduce P and K”in soybean growth period in maize-soybean agricultural ecosystem in karst peak-cluster depression areas.

Karst peak-cluster depression;Maize-soybean relay intercropping;Replacement of chemical fertilizer with organic manure;Crop yield;Nutrient balance

Nov.12,2016;accepted Dec.20,2016

S-3

A

1671-3990(2017)06-0812-09

10.13930/j.cnki.cjea.161016

傅伟,刘坤平,陈洪松,陈香碧,林海飞,张伟,王克林.等氮配施有机肥对喀斯特峰丛洼地农田作物产量与养分平衡的影响[J].中国生态农业学报,2017,25(6):812-820

Fu W,Liu K P,Chen H S,Chen X B,Lin H F,Zhang W,Wang K L.Effect of partial replacement of inorganic N with organic manure on crop yield and soil nutrient balance in arable ecosystem in karst peak-cluster depression[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2017,25(6):812-820

* 国家重点研发计划项目课题(2016YFC0502406,2016YFD0200106-5)、中国科学院科技服务网络计划(STS)项目(KFJ-EW-STS-092)、国家生态系统观测研究网络运行服务项目“环江站观测研究及数据信息系统建设Ⅱ”资助

**通讯作者:王克林,主要从事景观生态与区域生态研究。E-mail:kelin@isa.ac.cn

傅伟,主要从事喀斯特生态系统服务功能研究与数据信息管理。E-mail:weif@isa.ac.cn

2016-11-12 接受日期:2016-12-20

* This study was funded by the National Key Research and Development Project of China(2016YFC0502406,2016YFD0200106-5),the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences(KFJ-EW-STS-092)and the Service Sharing of Chinese National Ecosystem Research Network“Observation,Research and Construction of Data Information System in HuanjiangⅡ”.

**Corresponding author,E-mail:kelin@isa.ac.cn