典型黑土春玉米化学肥料养分利用效率变化研究

仇少君，李宁，何萍，魏丹，金梁，赵士诚，徐新朋，周卫

典型黑土春玉米化学肥料养分利用效率变化研究

仇少君1，李宁1，何萍1，魏丹2，3，金梁2，赵士诚1，徐新朋1，周卫1

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；2黑龙江农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，哈尔滨 150086；3北京市农林科学院植物营养与环境资源研究所，北京 100097）

【】减少化学肥料投入和提高肥料养分利用效率是我国当前重要的农业举措。鉴于化学肥料不合理施用引起的黑土肥力下降和酸化，开展黑土化学肥料减少投入和肥料养分利用效率变化研究，有利于实现黑土化学肥料的科学施用。【】于2013—2016年在典型黑土区开展连续4年肥料投入试验，设置了不施肥（CK）、缺氮（PK）、缺磷（NK）、缺钾（NP）、氮磷钾配施处理（NPK）。测定了作物产量、养分吸收、土壤无机氮、速效磷、速效钾。【】黑龙江春玉米年产量10 t·hm-2左右，除2013年外，2014—2016年各年份NPK处理春玉米产量、地上部氮磷钾养分吸收显著（＜0.05）高于CK或PK处理产量。除2016年磷素农学效率外，NPK处理肥料氮磷钾养分回收率、农学效率和偏生产力逐年升高。2013—2016年期间，肥料平均氮磷钾回收率分别为45.8%、6.1%和3.5%，农学效率分别为23.2、7.2和5.0 kg·kg-1，偏生产力分别为58.3、133.2和97.7 kg·kg-1。土壤矿质氮测试显示春玉米收获后到次年播种前冻融交替促进土壤有机氮素矿化。4年养分平衡计算的平均值显示NPK处理氮磷施用量基本与春玉米养分吸收量一致，土壤氮磷总体处于平衡状态，作物地上部钾素奢侈吸收导致土壤钾素处于亏缺状态。【】典型黑土区连续4年试验显示，在产量保持稳定的条件下，磷、钾肥能大幅减少，提高磷钾肥利用效率，而不施化学氮肥仅能维持第一年产量，随后的年份里氮肥利用效率提高和产量降低同时发生。

化学肥料；肥料养分利用效率；春玉米产量；养分吸收；土壤速效养分；养分平衡；黑土

0 引言

【研究意义】化肥是粮食的“粮食”，研究表明，不施化肥和施用化肥的作物单产相差可达55%— 65%[1]，可见，化肥对保障我国14亿人口的粮食安全至关重要[2]。但是，我国肥料的不合理施用不仅导致养分利用效率较低[3]，而且其对环境产生的负面影响日益受到关注[4-6]。提高作物化学肥料养分利用效率不仅能降低化肥的负面影响，降低粮食生产成本，而且能保护土壤质量，促进农业可持续发展。【前人研究进展】当前，对我国肥料养分利用效率的研究主要有当季肥料养分利用效率和累积肥料养分利用效率两种学术观点[3,7-8]，表征肥料养分利用效率通常有养分回收率、农学效率和偏生产力。研究当季肥料养分利用效率的学者认为我国当季肥料利用效率较低，氮肥养分回收率不足30%[3]。研究累积肥料利用效率的学者认为当季肥料利用效率低估了我国实际肥料利用效率，如果包括能被下季作物利用的残留在土壤中有效养分，我国实际氮肥养分回收率达到50%以上[8]。总的来说，当季肥料养分利用效率和累积肥料养分利用效率两种观点的目的都是为了提高化学肥料养分对作物的贡献，减少化学肥料养分的损失和无效化。已有研究表明，充分考虑土壤剖面中无机氮养分供给[9-10]的根层养分调控理论可将玉米当季氮素偏生产力提高到59 kg·kg-1[11]；将土壤养分供给作为黑箱的基于产量反应和农学效率的推荐施肥方法与农民习惯施肥相比，东北春玉米氮肥养分当季回收率、农学效率和偏生产力分别提高了12个百分点、6 kg·kg-1和14 kg·kg-1[12]，但这些研究集中在当季肥料养分利用效率上，而连续的减少施肥用量下肥料养分利用效率变化的研究报道较少。土壤是作物生长和养分吸收的主要载体，也是化学肥料施用后的主要接收者。在连续减少化肥投入的条件下，作物吸收的养分更多的来自土壤，因此，在研究化学肥料养分利用效率的同时，研究土壤养分的变化状况能进一步指导科学施肥，促进农田土壤可持续利用。【本研究切入点】在我国越来越注重生态环境保护的新形势下，农业部提出“到2020年化肥使用量零增长行动方案”，旨在实现主要农作物化肥使用量零增长的同时，提高化学肥料养分利用效率[13]。那么，我国化肥减施的潜力有多大，化肥减施能持续多长时间？相应的，作物产量、肥料养分利用效率、以及土壤养分供应如何变化？这些问题仍有待进一步深入探讨。黑土是我国重要的土壤资源，黑土区是我国重要的商品粮基地，黑土面临的主要问题是长期化肥施用引起的酸化严重，耕层变薄等问题[14]。【拟解决的关键问题】因此，针对以上问题，开展我国典型黑土化学肥料减施下肥料养分利用效率的变化、不同类型肥料对产量的影响、以及土壤养分变化状况等能为进一步科学施肥、提高养分利用效率和保护我国黑土资源提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于哈尔滨市道外区民主乡黑龙江省农科院现代农业科技示范园区（E126°48′55″—126°51′26″，N45°49′44″—45°51′01″）。哈尔滨市道外区民主乡坐落在松花江南岸的冲击平原上，海拔130—150 m，属于寒温带大陆季风气候，年平均气温3.6 ℃，年降水量486.4—543.6 mm；≥10℃年积温为2 600—2 800℃，全年无霜期在135 d；年平均风速4.1 m·s-1，最大风速18.9 m·s-1。土壤类型为黑土，黑土层厚度25—40 cm。哈尔滨气象数据见图1，2013—2016年各年的平均气温分别为4.3、5.1、5.6和5.0℃，总降雨量分别为633.5、415.8、420.1和610.8 mm。试验开始前0—20 cm土层基本理化性质如下：有机质33.4 g·kg-1，全氮1.8 g·kg-1，硝态氮43.1 mg·kg-1，铵态氮15.8 mg·kg-1，速效磷40.2 mg·kg-1，速效钾252.7 mg·kg-1，pH 6.9。

图1 哈尔滨2013—2016年月平均温度和月总降水量

1.2 试验设计

试验设置5个处理，每个处理重复4次，随机区组排列。试验处理包括（1）不施肥（CK）；（2）缺氮处理（PK）；（3）缺磷处理（NK）；（4）缺钾处理（NP）；（5）氮磷钾配施处理（NPK）。处理（2）—（5）相应化肥用量分别为：N用量176 kg·hm-2，P2O5用量为77 kg·hm-2，钾肥K2O 105 kg·hm-2，该肥料用量是根据XU等[12]构建的养分专家系统推荐施肥方法推荐的多年不同化学肥料用量的平均值而得。肥料品种分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾。氮肥按基肥﹕拔节肥﹕大喇叭口肥=1﹕1﹕1施用，磷、钾肥料全部基施。小区面积58.5 m2，垄作，每个小区6垄，株距30 cm，行距65 cm。试验其他管理按照农民习惯管理开展。试验开始前苜蓿养地一年，秋天苜蓿直接翻入地里。玉米品种2013—2014年为龙单42，2015—2016年为龙高L2。

1.3 样品采集与测定

春玉米于每年5月初播种，10月9日收获。每个小区采集2垄玉米穗风干后测定玉米产量，同时另取5株玉米，用于测定玉米收获指数，植株、籽粒水分系数和养分浓度。植株氮磷钾养分含量测定采用H2SO4-H2O2消化，半微量凯式定氮法测定植株氮，钼锑抗比色法测定植株磷，原子吸收仪测定植株钾。土壤无机氮测定分别于玉米基肥施用前和收获后采集0—90 cm土层土样，每30 cm为一层，每个小区采集3钻，新鲜土壤过5 mm筛后，按1﹕10土水比0.01 mol·L-1CaCl2浸提，流动分析仪测定（FIAstar5000，FOSS，丹麦）。采集的土壤风干后，过2 mm筛后测定土壤速效磷和速效钾。速效磷采用Olsen-P测定方法，紫外分光光度计测定；速效钾采用1 mol·L-1NH4OAc浸提，原子吸收仪测定。2013年春玉米生育期前后土壤无机氮没有测定，由于土壤中磷素、钾素具有强烈的固定能力，本研究速效磷、速效钾只测定了表层土壤。为减少测定引起的系统误差，每年收获后统一测定土壤无机氮、速效磷和速效钾。

1.4 试验数据处理

产量反应[15]=NPK配施处理产量-对应缺素处理产量；

养分吸收反应=NPK配施处理地上部养分吸收量-对应缺素处理地上部养分吸收量；

农学效率（AE）=（NPK处理产量-对应缺素处理产量）/施肥量；

养分回收率（RE）=（NPK处理地上部养分吸收量-对应缺素处理地上部养分吸收量）/施肥量；

养分偏生产力（PFP）=NPK施肥处理产量/施肥量；

养分平衡[16]=地上部养分吸收量-施肥量。

文中数据为烘干基。玉米植株籽粒样60℃烘干，风干玉米籽粒水分含量用水分测定仪测定；土壤水分测定为105℃烘干。不同年份间肥料养分利用效率可看作当季肥料养分利用效率，4年平均肥料养分利用效率可看作累积肥料养分利用效率。数据方差分析采用SPSS分析，不同处理间显著性为0.05水平LSD检验，用Excel 2016软件进行图表制作。

2 结果

2.1 不同处理春玉米产量和收获指数

4年不同化肥施用处理平均产量显示（表1），黑龙江春玉米产量大概10 t·hm-2左右，其中最大产量出现在2016年NPK处理，为11.9 t·hm-2。NPK处理春玉米产量均大于同年其他施肥处理。除2013年外，2014—2016年各年份氮肥施用处理（NPK、NK、NP）春玉米产量显著（＜0.05）高于不施肥或PK处理产量。4年试验结果显示，CK、PK处理产量降幅最大，2014—2016年CK、PK处理3年平均产量，为5.0、5.3 t·hm-2，较2013年分别下降40.5%、39.8%。HI有与产量相似的研究结果，4年平均结果显示，CK、PK处理的收获指数（HI）与氮肥施用处理相比显著降低（＜0.05），氮肥施用处理的HI无显著变化，为0.52左右。

2.2 不同处理春玉米地上部氮磷钾养分吸收量

4年试验平均结果显示（表2），NPK处理地上部氮、磷吸收量显著高于PK、NK和CK处理（＜0.05），且不施氮处理养分吸收量下降幅度高于不施磷素，而地上部钾吸收量只有在缺氮处理或不施肥处理显著下降（＜0.05）。除2013年外，其余3年NK、NP和NPK处理地上部氮吸收量总体显著高于CK、PK处理（＜0.05）。地上部氮吸收量最大值出现在2015年NPK处理，为193.9 kg N·hm-2。相应的，磷吸收量的最大值出现在2015年NPK处理，为42.4 kg P·hm-2，钾吸收量的最大值出现在2013年NP处理，为152.3 kg K·hm-2。经过4年施肥试验，CK、PK处理养分吸收减幅最大。

表1 2013—2016年不同处理春玉米产量和收获指数

CK：不施肥，PK：缺氮，NK：缺磷，NP：缺钾，NPK：氮磷钾配施处理。每一列不同字母表示处理间差异达5%显著水平。下同

CK: Control, PK: No N application, NK: No P application, NP: No K application, NPK: N,P,K combination. Different letters in each column denote significant difference among treatments at the 5% level. The same as below

表2 2013—2016年不同处理地上部氮磷钾养分吸收量

NPK处理氮磷钾4年平均产量反应（图2-a）依次为：4.1、0.5、0.4 t·hm-2。2013年NPK处理氮磷钾产量反应为负值，表明土壤有较高的养分供给能力。除2016年磷素产量反应外，2014—2016年NPK处理产量反应逐年增加，由于NPK处理重复间较大的变异导致2014—2016年产量反应差异不显著。2014—2016年NPK处理氮素产量反应分别是磷素的6.3、4.9、12.8倍，是钾素的16.7、7.7、7.1倍。

NPK处理地上部氮磷钾4年平均养分吸收反应（图2-b）依次为80.6、4.7、4.7 kg·hm-2。2013年地上部磷钾养分吸收反应为负值，2015—2016年地上部氮养分吸收反应高于2014年，由于重复间较大的变异导致2014—2016年NPK处理地上部磷钾养分吸收反应差异不显著。2014—2016年地上部氮素养分吸收反应分别是磷素的25.2、13.4、16.2倍，是钾素的10.7、24.5、13.2倍。

不同字母表示年际间差异达5%显著水平。图3同

2.3 NPK处理养分利用效率

2013—2016年连续4年定位试验显示（图3），除2016年磷素农学效率外，NPK处理氮磷钾养分回收率、农学效率和偏生产力逐年升高。4年平均氮磷钾回收率分别为45.8%、6.1%和3.5%，农学效率分别为23.2、7.2和5.0 kg·kg-1，偏生产力分别为58.3、133.2和97.7 kg·kg-1。氮素养分回收率在定位第2年达52.9%，但同时PK处理地上部养分吸收量下降到66.1 kg N·hm-2（表2），PK处理氮素养分吸收主要是由于地上部产量和HI的下降导致的（表2）。

图3 2013—2016年间NPK处理氮磷钾养分利用效率

2.4 不同处理春玉米播前和收获后土壤养分含量

春玉米播前和收获后土壤剖面无机氮显示（图4），除2015年秋外，Nmin（硝态氮和铵态氮之和）与NO3--N浓度大体上随土壤剖面深度增加而降低。2014年秋到2015年春，2015年秋到2016年春，0—30 cm土层NO3--N和Nmin浓度均有不同程度增加，2014年秋到2015年春0—30 cm土层NH4+-N浓度也有所增加。不同处理重复间的较大变异导致不同土层NO3--N，NH4+-N和Nmin差异不显著，仅2015年春NPK处理0—30 cm土层的NO3--N和Nmin显著高于CK、PK和NP处理（＜0.05）。

0—90 cm（表3）土壤剖面Nmin含量总体上每年播前大于收获后。除2015年播前NP处理外，2015年播前和收获后施氮处理（NPK、NP、NP）0—90 cm NO3--N含量、Nmin含量显著高于CK和PK处理（＜0.05），2014年NPK处理、NK处理NH4+-N含量显著高于CK处理。此外，由于重复间的较大变异，其它年份播前或收获后处理间的Nmin、NO3--N、NH4+-N分别没有显著性差异，但2014年秋到2015年春NH4+-N含量和Nmin含量有明显提高。试验期间0—90 cm土壤剖面Nmin最大储存量出现在2015年春NPK处理，达245.4 kg·hm-2。

2014—2016年速效磷和速效钾总体趋势是播前大于收获后（表4）。CK处理4年不施肥，土壤速效磷和有效钾总体上低于其他处理，尽管2016年播前和收获后CK处理速效磷、速效钾与其它处理差异不显著。2014—2015年土壤速效磷播前、收获后施用磷肥处理分别（NPK、NP、PK）显著高于不施磷肥处理（CK、NK）（＜0.05），2015年收获后施钾处理（NPK、NK、PK）显著高于NP处理（＜0.05）。

表3 2014—2016年不同处理播前和收获后0—90 cm土壤剖面NO3--N、NH4+-N和Nmin储量（kgN·hm-2）

表4 2014—2016年不同处理播前和收获后0—30 cm土壤剖面速效磷钾储量（kg·hm-2）

短横线表示每层土壤不同处理LSD0.05显著水平

2.5 不同处理氮磷钾平衡

经过4年的连续种植（表5），CK处理的3种养分均表现为亏缺；PK处理氮素表现为亏缺。NPK、NP和NK处理总体表现为氮素积累，4年平均NPK处理氮积累最小，不超过10 kg N·hm-2，可认为处于氮平衡状态。4年平均值PK和NP处理表现为磷积累，NPK处理总体表现为磷平衡。所有处理表现为钾损失。NPK、NP处理氮积累（数值的绝对值）显著低于NK处理（＜0.05）；NK处理的磷损失量显著高于CK处理（＜0.05）；不同处理间钾损失显著变化顺序为NP＞CK＞NPK、NK＞PK（＜0.05）。

表5 2013—1016年不同处理氮磷钾平衡

表中负数土壤剖面中氮累积Negative values in the table are shown nitrogen accumulation of soil profile

3 讨论

3.1 肥料养分利用效率

养分利用效率由产量和施肥量共同决定[17]。本研究中NPK施肥处理4年平均产量为10.2 t·hm-2（表1），与QIU等[18]在吉林开展的适宜氮肥用量试验所获得玉米产量基本一致，这体现了当前管理条件下东北黑土春玉米产量水平。农田作物产量反应能够反映该种养分对作物产量的贡献，也能反映该种养分在农田中有效性或丰缺程度，同时，产量反应也是衡量农学效率的重要参数[19-20]。施肥量和土壤肥力是影响产量、产量反应和养分吸收的重要因素。在2013—2016年连续4年定位试验中，NP、NK处理产量并没有下降，而PK处理产量在2014年开始发生明显下降，相应的，而磷钾产量反应变化幅度远低于氮素产量反应（图2），地上部养分吸收反应也有与产量反应相类似的变化（图2），这表明氮素仍是限制农田产量主要因素；而黑土磷钾储量较高，连续4年不施用磷钾肥土壤磷钾储量基本能满足春玉米的需求。2013年产量反应为负，主要与土壤较高的有效养分供给有关，例如本研究试验开始的前一年采用苜蓿养地，而苜蓿是豆科作物，能够生物固氮。此外，气候变化和作物品种也是影响作物产量和养分吸收的重要因素[21]。本研究中，2015—2016年作物品种发生变化，这也可能是氮肥施用处理2015—2016年作物产量较2013—2014年略有增加的原因（表1），而同样品种氮磷养分吸收2016年明显低于2015年（表2），这可能与降雨有关，2016年5、6月份降雨量明显高于2015年（图1），而5月份春玉米还没有进入快速生长期，过量的降雨将增加氮素淋洗的风险[22]。

施肥量也是影响养分利用效率的重要参数[23]。在产量总体稳定的条件下，施肥量越高，养分利用效率越低。本研究中养分施肥用量主要依据玉米养分专家系统推荐多年的平均肥料用量，氮肥用量与ZHAO等[10]推荐的氮肥用量180 kg N·hm-2基本一致，磷钾推荐施肥量与陈新平等[24]倡导的磷钾肥恒量监控理念相符合。从养分吸收和养分平衡来看（表2，5），NPK处理春玉米4年平均养分吸收量与氮磷推荐施肥量总体平衡，而钾肥由于存在地上部钾素奢侈吸收现象，钾肥推荐量低于春玉米钾素吸收量，而且本研究中的钾素推荐量低于QIU等[25]推荐量。

通常情况下，肥料养分利用效率（农学效率、回收率和偏生产力）是指当季作物的肥料养分利用效率。张福锁等[3]指出我国玉米氮素养分回收率为26.1%、农学效率为9.8 kg·kg-1、偏生产力为51.6 kg·kg-1，相应的磷素为11.0%、7.5 kg·kg-1和72.4 kg·kg-1，钾素为31.9%、5.7 kg·kg-1和64.7 kg·kg-1。本研究中2013年氮磷钾农学效率和磷钾肥料回收率为负数（图3），这一方面与本研究黑土肥力较高有关，另一方面也可能与试验开始前种植苜蓿有关。自2014年后，氮素养分农学效率、回收率大幅提高，2015年春玉米品种变更后，作物产量和氮素养分利用效率都有进一步提高，而氮素养分利用效率的提高与PK产量大幅下降以及NPK处理与PK处理产量反应大幅提高密切相关。其次，产量潜力的不充分发挥势必降低养分利用效率，ZHANG等[26]总结发现品种和施肥量是导致玉米产量潜力不能充分的发挥的主要因子，而且品种的影响远大于施肥量。作物不仅吸收肥料养分，也吸收土壤养分，没有被作物吸收的肥料养分一部分转化为土壤有效养分，能被下季作物继续吸收利用，尤其是磷钾这些难移动、不易转化为其他形态损失到环境中的养分类型。近年来，一些学者[8,23]认为当季肥料利用低估了肥料的真实利用效率，并提出肥料养分补充的土壤耗竭养分也应包括到养分利用效率计算中。本研究中4年平均肥料养分利用效率包括了耗竭的土壤养分，相应的氮磷钾素肥料利用效率分别为45.8%、6.1%和3.5%。这与我国提出到2020年主要作物化肥养分利用效率提高到40%以上相符合，但这是不施氮土壤养分耗竭、进而降低玉米产量的条件下实现的。氮肥养分利用效率要在不降低作物产量的前提下提高到40%以上，需要大幅度提高畜禽有机肥施用和秸秆还田，促进有机养分对化学肥料养分的替代[11]。同时，进一步提高作物的种植技术和肥料施用技术，促进农机农艺的结合[26]。例如，本研究中在连续地力耗竭的条件下，氮素偏生产力4年平均值为58.3 kg·kg-1，而CHEN等[11]通过农机农艺等综合技术使用，在不降低作物产量的前提下，玉米PFPN达56—59 kg·kg-1。而4年平均产量中NK、NP处理与NPK处理的不显著差异表明典型黑土有效磷钾含量较为丰富，可以在一段时间内不施用磷钾肥，保持春玉米产量。

3.2 土壤养分供给

土壤不仅对作物生长起支撑作物，而且是肥料养分供给的主要媒介和作物养分的主要供给者。本研究中0—90 cm土壤剖面中最大Nmin含量是245.4 kg·hm-2，出现在2015年春播前，其中NO3--N含量为114.6 kg·hm-2、NH4+-N含量为130.8 kg·hm-2（表3）。从当年作物收获后到次年春播前，尤其是2014年收获后到2015年春播前，土壤无机氮较大变化主要是因为：（1）土壤中较高的无机氮含量表明试验点黑土肥力较高，该时间段内东北黑土经历了频繁的冻融交替，使土壤结构发生破碎，释放出的有效态氮经过一系列生物化学作用转化为NO3-N[27-31]；（2）黑土土壤矿物类型以2﹕1型为主[32]，土壤晶格中含有大量的固定态铵，频繁的冻融交替使土壤晶格经过膨胀而破裂，释放出固定态铵[33]；（3）本试验开始前，种植一季苜蓿养地，而苜蓿是一种豆科作物，其生物固定的氮有效性较高，可以发生矿化转化为无机氮。通常情况下，土壤有机氮素和无机氮之间存在一定的平衡关系，在施肥时如果基肥春季施用改为秋季玉米收获后施用，可能抑制黑土有机质的矿化，减少土壤自身的氮素矿化量，起到保护黑土肥力的作用。宋振伟等[34]也发现秋整地能够改善土壤质量，保持春玉米高产稳产。此外，NO3--N在水的作用下极易发生淋洗，这也可能是不同时间段NO3--N含量变化的一个重要原因（图4，表3）。

磷钾肥在土壤中极易固定，较少淋洗，且土壤本身是一个不均匀体，不同年份播前和收获后磷钾的变化可能土壤自身特性、施肥量和作物吸收有关，因此，本研究较短的4年定位试验不足以引起土壤磷钾的变化（表2，4）。另外，在没有施氮条件下，作物产量降低（表1），进一步降低地上部对土壤养分的吸收（表2），因此，本研究中2014—2016年期间各处理土壤速效磷、钾变化无明显规律。

4 结论

本研究中黑土春玉米产量约为10.2 t·hm-2，较高的土壤有效养分导致2013年黑土肥料养分回收率为负值，4年黑土氮、磷、钾肥平均肥料养分回收率分别为45.8%、6.1%和3.5%。不施用氮肥在第2年导致玉米产量下降，而不施用磷、钾肥处理产量能维持4年不下降。因此，要想提高化肥氮素养分回收率，实现到2020年主要作物化肥氮素养分回收率提高到40%以上，连续多年化学氮肥减施难以维持作物较高的产量，而土壤中有效磷钾养分含量较为丰富，能够维持一段时间内土壤磷、钾养分的供应。此外，提高化肥氮素养分回收率需注重该地区的施肥时间和方式，降低或抑制由于气候变化引起的土壤矿化和养分的无效化。

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Nutrients Use Efficiency Change of Chemical Fertilizers for Spring Maize in a Typical Black Soil

LI Ning1, HE Ping1, ZHOU Wei1, WEI Dan2,3, JIN Liang2, ZHAO ShiCheng1, XU XinPeng1, QIU ShaoJun1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2Institute of Soil Fertilizer and Environment Resource, Heilongjiang Academy of Agriculture and Science, Harbin 150086;3Institute of Plant Nutrient and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097)

【】Reducing chemical fertilizer input and improving nutrients use efficiency are important agricultural strategies in China. In view of the declining soil fertility and acidification of black soil as the result of chemical fertilizers unbalanced application, the aim of this study was to explore reducing chemical fertilizers input and improving nutrients use efficiency in black soil, so as to promote the balanced utilization of chemical fertilizers in black soil in China.【】These treatments included no-fertilizer (CK), no N application (PK), no P application (NK), no K application (NP) and the combination of nitrogen, phosphorus and potassium treatment (NPK). Crop yield, nutrients uptake, soil inorganic nitrogen, Olsen-P and NH4OAc-K were determined in typical black soils from 2013 to 2016. 【】The yield of spring maize in Heilongjiang was about 10 t·hm-2per year. The yields and nutrients uptake by aboveground per year under NPK treatment were significantly higher than those under CK or PK treatments except for the year of 2013. The recovery efficiency, agronomic efficiency and partial productivity of N, P and K in NPK treatment increased year by year except for the P agronomic efficiency in 2016. During the period of 2013-2016 under NPK treatment, the averaged recovery efficiency of N, P and K was 45.8%, 6.1% and 3.5%, respectively; the averaged agronomic efficiency of N, P and K were 23.2 kg·kg-1, 7.2 kg·kg-1and 5.0 kg·kg-1, respectively; and the averaged partial productivity of N, P and K are 58.3 kg·kg-1, 133.2 kg·kg-1and 97.7 kg·kg-1, respectively. Soil mineral nitrogen test showed the alternative frozen and thawed promoted soil organic nitrogen mineralization from post-harvested to pre-sown in the following year. The averaged nutrients balances in the experimental four years showed that the rate of N or P in NPK treatment could meet the demand of P, K for spring maize, soil N or P was in the balanced status on the whole, and the luxury uptake of K by aboveground resulted in the loss status of soil potassium.【】The continuous four years experiment in the typical black soil region showed that P and K rate greatly reduced and the use efficient of P and K increased with stable spring maize yield kept, while no chemical N fertilizer application only maintained maize yield in the first year, the decrease of maize yield and the increase of N use efficient occurred in the following years.

chemical fertilizer; nutrients use efficiency; yield of spring maize; nutrients uptake; soil available nutrients; nutrients balance; black soil

2019-02-10；

2019-05-06

国家重点研发专项（2016YFD0200101）、国家“973”计划（2013CB127405）、农业资源与农业区划研究所应急性项目（868-5）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（931-14）、黑龙江省自然科学基金（ZD2017008）

仇少君，E-mail：shjunqiu@163.com

（责任编辑 李云霞）