长期有机培肥黑土有机碳、全氮及玉米产量稳定性的变化特征

张秀芝，高洪军，彭 畅，李 强，朱 平*，高 强

（1 吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118；2 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，长春 130033）

我国东北黑土是世界上最肥沃的土壤之一，随着农业生产的发展及农民对产量的需求，黑土肥力逐步下降，有机质含量锐减，显著影响了土壤的供肥和保肥能力[1]；同时，长期的以小型动力为主的机械耕作方式也破坏了土壤的物理属性，造成了耕层的“浅、实、薄”[2]。近年来，国家对东北黑土地退化问题非常重视，2017年以来，中央一号文件中均提出要加大东北黑土地的保护力度。

土壤有机碳和全氮是土壤肥力最核心的指标，其中土壤有机碳是土壤养分转化的核心，其储量反映了土壤截留碳的能力，其含量的高低直接影响着土壤肥力的保持与提高。有机碳又是作物产量可持续发展的重要因素，有机碳库的减少是作物获得高产的主要限制因子[3-5]。土壤氮素是土壤肥力中最活跃的因素，土壤全氮包括所有形式的有机无机氮，能综合反映土壤氮素状况[6]。土壤碳氮比可用于衡量土壤C、N营养平衡的状况，它的演变趋势对土壤碳氮循环有重要影响[7]。为系统掌握土壤肥力演变特征，并建立土壤肥力定向培育技术，农业部在全国主要农区的9个土壤类型上建立了多个长期定位试验基地，基于长期定位试验具有时间上的长期性和气候上的代表性，在评价肥料效益及农田生态系统的可持续方面具有显著的代表性，国内外学者多以此为基础开展研究。对黑土[8-9]、红壤[10-11]、棕壤[12-13]、灰漠土[14]、褐土[15-16]等的研究表明有机无机配施可显著提高土壤有机质、全量养分及速效养分含量，增加土壤碳、氮储量，提升土壤基础地力，增加作物产量。本研究以吉林公主岭国家黑土肥力与肥效长期定位试验为研究平台，探讨长期有机无机培肥方式对土壤有机碳、全氮的影响，并系统评价不同培肥模式下玉米产量的稳定性和可持续性，为黑土肥力保育提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

国家黑土肥力与肥料效益长期监测基地位于吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验地(E124°48′33.9″，N43°30′23″)。海拔 220 m，属于温带大陆性季风气候区，年平均气温5.5℃，无霜期125～140 d，有效积温2600～3000℃，年降水量450～650 mm，年蒸发量1200～1600 mm，年日照时数2500～2700 h。每年12月至翌年3月份为土壤冻结期，冻土层厚可达1.5 m左右，地下水埋深14 m。试验始于1980年，土壤类型为发育于黄土母质上的中层黑土，成土母质为第四纪黄土状沉积物，地势平坦，地形呈漫冈波状起伏。耕层土壤有机质含量28.1 g/kg，全氮1.9 g/kg，碱解氮114 mg/kg，全磷0.61 g/kg，速效磷11.8 mg/kg，全钾18.4 g/kg，速效钾158.3 mg/kg，pH值7.8。

1.2 试验设计

试验设置6个处理，分别为：CK(不施肥)、NPK(常量化肥)、M2(常量有机肥)、M2NPK(常量有机肥 + 常量化肥)、M4(高量有机肥)、M4NPK(高量有机肥+常量化肥)。大区试验，不设重复，每个试验区面积100 m2。种植的主要作物是玉米，一年一熟制。玉米在整个生育期内不灌水，主要依靠自然降水。常量施肥区化肥处理为N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。化肥N、P、K分别由尿素(N 46%)、磷酸二铵(N 18%，P2O546%)、硫酸钾(K2O 50%)提供。有机肥施用量根据每年所用肥料的养分分析结果，以全氮含量为标准折算。有机肥为堆肥，有机质含量13.0%～15.0%，全氮0.45%～0.55%，全磷(P2O5)0.40%～0.50%，全钾(K2O)0.1%～0.2%。M2每年施用有机肥30 t/hm2，折纯N 150 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2。M4为2倍量的M2。有机肥在秋季收获后施入土壤，化肥氮1/3基施，2/3于拔节期追施。磷钾肥作为底肥一次性施入。供试作物为玉米，品种为杂交玉米‘吉单101’(1980—1988年)、‘丹玉13’(1989—1993年)、‘吉单304’(1994—1996年)，‘吉单209’(1997—2003 年)、‘郑单 958’(2004—2017 年)。玉米株行距为23.8 cm × 70 cm，播种密度为60000株/hm2，人工播种。播种时间为4月下旬，9月下旬收获。玉米收获后将地上部秸秆移出，实施根茬还田，其他管理措施与当地农田一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品的采集与测定 秋季收获时采用样方测产，每小区划分三个样方，晒干后人工脱粒，称重计产。文中每年各处理的产量数据均为三个样方的平均产量。玉米收获后采集0—20 cm土层土壤，每小区选5点。土壤有机碳含量采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定。

1.3.2 计算方法 以对照产量即不施肥处理产量作为基础地力产量，增产率=(施肥处理产量 - 对照产量)/对照产量 × 100%[17]；肥料贡献率=(施肥处理产量 - 对照产量)/施肥处理产量 × 100%；产量变异系数CV(%)=σ/× 100%，σ为标准差(kg/hm2)，为平均产量(kg/hm2)；产量可持续指数=(-σ)/Ymax，σ为标准差(kg/hm2)，为平均产量(kg/hm2)，Ymax为产量的最大值(kg/hm2)[18]。

1.4 数据分析

数据统计与分析采用Excel 2016和SAS 9.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥处理玉米产量的变化特征

2.1.1 玉米产量年际间波动 图1表明，长期施肥情况下玉米产量年际间变化较大，总体呈上升趋势。玉米平均产量以CK处理最低，为3551 kg/hm2，NPK、M2、M4处理依次为 8862、8443、8896 kg/hm2，M2NPK、M4NPK处理依次为9422、9637 kg/hm2。与初始年份玉米产量相比，CK产量平均下降31.8%，而施肥处理产量平均增加37.5%～48.3%。在试验开始的前10年，单施有机肥处理玉米产量明显低于NPK处理和有机无机配施处理。随着试验年份的增加，有机肥、化肥、有机无机配施处理间玉米产量的差距逐渐缩小，但有机无机配施处理始终稳定在高产水平。与NPK相比，M2、M4处理1980年至1990年10年间平均减产19.3%、12.6%。随后两处理产量提高，1990—2017年，M2、M4处理平均产量比NPK分别提高1.7%和5.9%。M2NPK、M4NPK处理稳定在高产水平，1980—2017年，较NPK处理年均增产8.5%和10.2%。

图1 1980—2017年玉米产量Fig.1 Annual fluctuation of maize yields during 1980-2017

2.1.2 长期施肥玉米产量的稳定性、可持续性分析

1980—2017年不同处理玉米平均产量结果(表1)表明，多年连续施用有机肥或氮磷钾肥，或有机无机配施，均有显著的增产效果。单施有机肥与单施化肥处理玉米平均产量差异不显著，有机无机配施处理则显著高于单施化肥或单施有机肥处理。M4NPK和M2NPK处理的产量差异不显著。

表1 长期不同施肥处理对玉米的平均产量、变异系数及可持续指数的影响Table1 Effects of long-term fertilization on maize average yield, coefficient of variation and sustainable index

玉米产量标准差值(σ)、产量变异系数(CV)及可持续产量指数(SYI)可以用来表征产量的稳定性。玉米产量标准差σ值和变异系数越高，说明产量的变异越大，即产量越不稳定。各处理σ值及其顺序为：M4(2259)＞M2(2210)＞M2NPK(2010)＞NPK(1868)＞M4NPK(1655)，单施有机肥处理的产量标准差高于NPK及有机无机配施处理。有机无机配施及氮磷钾处理CV相对较小，单施有机肥处理产量变异较大。与σ、CV值相反，SYI指数越高，产量越可持续。各处理玉米产量可持续性指数值的大小顺序为 M4NPK＞M2NPK＞NPK＞M4＞CK＞M2，有机无机配施处理的SYI值高于单施化肥、单施有机肥处理。综合产量变异系数、可持续产量指数，说明有机无机配施更有利于提高玉米产量稳定性和生产可持续性，氮磷钾配施的玉米产量稳定性和生产可持续性优于单施有机肥。

2.2 长期不同施肥的肥料贡献率变化

肥料对于产量的贡献率在不同年份间存在波动性，但整体上随着施肥年限的增加呈现先上升后下降的趋势(图2)。通过一元二次方程拟合发现，各处理方程拐点均出现在2009年前后，即玉米籽粒产量对肥料的依赖性随年限逐渐增加，但培肥至30年左右，肥料贡献率开始下降，籽粒产量对肥料的依赖性开始下降。

2.3 土壤基础供肥能力与肥料贡献率的关系

不施肥处理作物的产量反映了农田的基础地力。图3表明，所有施肥处理肥料贡献率随不施肥处理产量的增加呈现明显的下降趋势，可用线性方程进行拟合，均达到显著水平。有机无机配施处理与不施肥处理产量的相关程度最高(R2=0.5585**)。不施肥处理产量每增加1000 kg/hm2，氮磷钾配施、有机无机配施、单施有机肥的肥料贡献率分别降低9.2%、9.5%和12.2%。这表明提高土壤基础地力可减少玉米产量对外源肥料的依赖，从而降低肥料施用量。

图2 肥料贡献率随试验年限的变化趋势Fig.2 Variations of the contribution rate of fertilizers with experimental years

图3 土壤基础产量与肥料贡献率的关系Fig.3 Relationship between soil inherent yield and fertilizer contribution rate

2.4 长期施肥土壤有机碳及全氮含量变化

2.4.1 长期施肥土壤有机碳含量变化 连续耕种施肥38年后，各处理土壤有机碳发生了明显的变化(图4)。CK与NPK处理有机碳含量呈下降趋势。施有机肥处理土壤有机碳含量较试验初始值均有所提升，试验起始的前12年内，处理间有机碳含量的差异较小，1992年土壤有机碳含量在16.3～19.9 g/kg之间，平均最大增幅为4.6%(M4NPK)。12年后，随着种植年份的增加，土壤有机碳含量增加，处理间差异逐渐增大，单施有机肥处理及有机无机配施处理有机碳含量显著高于单施化肥处理和对照，有机肥施用量大，土壤有机碳的含量相对较高。从1992年到2017年，M2、M2NPK、M4、M4NPK处理土壤有机碳分别增加了39.6%、29.7%、54.6%、72.4%，增加幅度显著高于前12年，且处理间差异达显著水平。

从土壤有机碳含量平均值(图5)来看，与初始土壤有机碳含量相比，施用有机肥和有机无机配施显著提高土壤有机碳含量，而不施肥、单施化肥土壤有机碳含量下降。与初始有机碳含量相比，M2、M2NPK、M4、M4NPK处理土壤有机碳含量分别增加15.4%、14.4%、18.9%、31.1%，差异显著，CK与NPK处理有机碳含量分别减少9.8%和6.0%，未达显著水平。2017年土壤有机碳含量增加量以M4NPK处理最高，其次是M4处理。M4NPK、M4、M2、M2NPK处理有机碳年均增加量分别为0.47、0.35、0.26、0.19 g/kg。这说明施用有机肥或有机无机配施可显著提高土壤有机碳含量，且有机碳含量随有机肥施用量的增加而增加，单施化肥对有机碳含量影响不大。

图4 长期不同施肥处理下土壤有机碳含量变化Fig.4 Variation of soil organic carbon contents in different treatments with experimental years

图5 长期施肥下土壤有机碳含量平均值Fig.5 Effect of long-term fertilizer application on soilaverage organic carbon content

2.4.2 长期施肥土壤全氮含量变化 土壤全氮含量的变化趋势与土壤有机碳含量的变化趋势大致相同。CK与NPK处理全氮含量呈缓慢下降趋势。施有机肥处理，随着种植年限的延长土壤全氮含量呈现增加趋势。与初始全氮含量相比，到2012年，CK、NPK处理全氮含量分别下降7.4%、3.7%，而M2、M2NPK、M4、M4NPK处理土壤全氮含量分别增加了21.6%、28.9%、46.3%、84.2%，且处理间差异达显著水平(P＜0.05)(图6)。

2.4.3 土壤有机碳与全氮含量的相关性分析及碳氮比

土壤全氮含量与有机碳含量之间呈极显著线性正相关关系(n=120，P＜0.01)，相关系数为0.826**(图7)。土壤有机碳每升高1 g/kg，土壤全氮含量增加0.086 g/kg。土壤有机碳含量高，土壤全氮含量也高，从而使碳氮比趋于稳定，碳氮比的稳定程度对土壤性状及作物生长具有重要意义。从多年碳氮比平均值来看，与不施肥相比，施肥没有显著改变土壤碳氮比，土壤碳氮比的范围是9.34～9.79。与初始碳氮比相比，各处理碳氮比呈增加趋势，增幅在10.0%～24.5%(图8)。总体来看，无论是常规施肥，单施有机肥还是有机无机配施，对土壤碳氮比的影响都不大。

图7 土壤有机碳与全氮含量的相关性Fig.7 Correlation between soil organic carbon and total N content

图8 38年后长期不同施肥处理土壤碳氮比Fig.8 Soil C/N in different treatments after 38 years' fertilization

3 讨论

3.1 长期有机培肥对黑土基础地力及玉米产量的影响

化肥肥效较快，可以增加土壤速效养分含量，提高土壤供肥强度，有机肥肥效慢，具有长效性，可以改善土壤养分库容，提高土壤供肥容量[19-21]。本研究中，在试验开始的前10年，单施有机肥处理玉米产量显著低于NPK处理，随着试验年限的增加，处理间玉米产量的差距逐渐缩小，从1990年之后，单施有机肥处理即表现出与NPK处理相同的产量，且略高于NPK处理，这表明提高基础地力产量后，可有效减少作物产量对外源肥料的依赖，从而降低肥料施用量[22-23]。在化肥基础上增施有机肥后，增产效应显著提升，处理间比较，M4NPK处理下的产量可持续指数最高，且产量年际间变幅较小；这说明有机无机配施更有利于维持玉米产量的稳定性及生产可持续性[24-26]。此外，作物产量与施肥土壤有机碳、全氮含量存在极显著正相关关系[26-28]。本研究中，在增施有机肥的条件下，产量与有机碳、全氮呈现极显著正相关。单施有机肥，产量与土壤有机碳、全氮的相关系数分别为0.694**、0.650**，有机无机配施条件下，产量与土壤有机碳、全氮的相关系数分别为0.474**、0.447**，而不施肥和单施化肥处理，有机碳、全氮与产量的相关性较差。邱建军等[29]利用农田生态系统生物地球化学模型DNDC对我国6个典型农业区域典型种植模式下改变土壤有机碳本底值对作物产量的响应进行模拟，结果表明，有机碳含量增加1 g/kg，东北、西北地区春玉米产量分别提高176 kg/hm2、328 kg/hm2。这表明可以通过提升耕地有机碳、全氮来增加作物产量的潜力。

3.2 有机无机配施对土壤有机碳和全氮含量的影响

土壤有机碳的动态变化主要取决于系统碳的输入与输出水平[30]，根系分泌物、根茬、秸秆和有机肥等是农田土壤有机碳的输入主要来源等[31]。施用有机肥不仅向土壤直接输入有机碳，而且能够改善土壤营养环境状况，增强土壤酶的活力和提升土壤生物多样性，进而极大地提升土壤有机碳含量，有机无机配施提升效果更为显著[26,32-33]。本研究中，长期施用有机肥显著提高土壤有机碳含量，其中M4NPK有机碳提升效果最为显著。这说明有机肥的投入有利于土壤有机碳的积累，且有机肥投入量越高，积累量越高，高量的有机肥配施较无机肥单施效果更佳。土壤全氮变化规律与有机碳相似，施用有机肥全氮含量呈现增加趋势，与初始土壤全氮相比，有机肥处理全氮含量的增幅在21.6%～84.2%，有机肥施用量越高，全氮含量增幅越大。土壤全氮含量与有机碳含量之间呈极显著线性正相关关系(r=0.826**，n=120)。但本研究中，不同处理下土壤碳氮比无显著差异，这可能是由于黑土碳氮具有较好的耦合特性[34]。

4 结论

在东北中部黑土区，连续10年有机培肥后可显著提升土壤有机碳、全氮含量，降低化肥贡献率，实现玉米产量与单施化肥处理无显著差异；通过化肥配施有机肥可稳步提升玉米产量可持续性指数，保障玉米高产稳产；且增施有机肥后，玉米产量与土壤有机碳、全氮含量间呈显著正相关，表明在东北黑土区，有机无机配施是提升地力、保障玉米高产稳产的有效途径。