黑龙江垦区农田土壤养分平衡分析与评价

楚天舒，王德睿，韩鲁佳，杨增玲

黑龙江垦区农田土壤养分平衡分析与评价

楚天舒1，王德睿2，韩鲁佳1，杨增玲1※

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 中国农业大学烟台研究院，烟台 264670）

养分资源高效利用是农业绿色发展的重要环节。黑龙江垦区是中国粮食主产区之一，对其进行农田土壤养分平衡评价至关重要。该研究以黑龙江垦区为研究对象，采用农田土壤养分平衡方法，分析与评价其2000－2018年农田土壤氮、磷、钾养分输入与输出情况。结果表明：1）2000－2018年黑龙江垦区农田土壤氮、磷、钾输入与输出整体呈现“平稳-增长-下降后平稳”的趋势，养分输入以化肥为主，养分输出以籽粒和秸秆为主。2）黑龙江垦区农田土壤单位面积养分输入量较为稳定，并且所带来的经济效益在增加。3）2017年以来黑龙江垦区农田土壤氮和钾处于养分平衡状态，而磷处于养分盈余状态。2018年黑龙江垦区氮、磷、钾利用效率分别为51.03%、27.98%、10.04%。建议黑龙江垦区大力推广有机无机肥配施，开展农田土壤养分平衡长期调查与监测，促进区域农业绿色发展。

农田；土壤；养分平衡；黑龙江垦区

0 引 言

在农业生产中，氮、磷、钾等肥料投入不但对农作物稳产增产起到至关重要的作用[1]，而且与农业生态环境有着密切的关系。如肥料过量施用会造成活性氮损失[2]、温室气体排放增加[3]、水体污染[4]等环境问题。因此，为促进农业绿色发展，农田土壤养分资源收支平衡的评价与分析成为当下研究重点。

Bouwman等[5]在全球尺度上，通过分析作物-畜牧生产系统的氮、磷平衡发现，1950－2000年间全球养分盈余量持续增加，氮盈余1 380亿kg/a，磷盈余110亿kg/a。未来需要科学协调作物种植与畜禽养殖关系，增大粪肥的施用量。MacDonald等[6]针对123种作物的磷养分平衡分析也得到类似结论。在国家尺度上，He等[7]评估了1984－2014年中国农田土壤氮平衡的时空变化，结果发现土壤氮整体处于盈余状态。其中，长江中下游地区的氮盈余量最大，东北地区氮盈余量最小。因此，建议减少氮肥的施用量，降低因肥料损失带来的环境污染。Li等[8]研究发现1950－2010年中国施用氮肥增加了谷物的产量，但氮肥生产力呈现下降趋势。Pathak等[9]对印度农田土壤氮、磷、钾养分平衡进行计算分析，发现化肥提供的氮、磷、钾质量分数分别为64%、78%、26%。Spiess[10]对瑞士农田土壤养分平衡评价发现减少了化肥的施用，氮、磷、钾养分盈余均存在一定的减少，建议未来以粪肥代替更多化肥。Mishima等[11]对日本主要农作物农田土壤养分平衡进行评估，比较分析不同作物养分利用情况。综上所述可知，运用农田土壤养分平衡方法对某一地区农业生产系统的氮、磷、钾养分输入与输出进行分析与评价，可从宏观层面上掌握区域内农作物养分利用情况，有助于提出优化养分管理措施与方案，提高系统养分利用效率。

黑龙江垦区作为中国农业机械化与现代化生产的典型代表、中国粮食主产区之一。自1949年起累计生产粮食达到4.1亿t。其中，2018年粮食产量为2 279.64万t，占全国总产量的3.47%。养分高效利用与管理是粮食安全的重要基础。但通过中外文献检索发现，尚未有针对黑龙江垦区农田土壤养分平衡的研究。因此，本文以黑龙江垦区为研究对象，分析并评价其2000－2018年农田土壤氮、磷、钾养分的输入与输出变化情况，提出相关养分管理建议，促进养分的高效率利用，保障粮食安全与农业绿色发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑龙江垦区位于中国东北部小兴安岭南麓、松嫩平原和三江平原地区（123°32'～134°33'E，43°56'～50°21'N）。辖区土地总面积554万hm2，下辖9个管理局，113个农牧场，分布在黑龙江省12个市。黑龙江垦区地处世界三大黑土带之一，土壤肥沃，耕层厚，腐殖质含量高，土壤类型以黑土、黑钙土、暗棕壤、草甸土、水稻土等为主。2018年，黑龙江垦区农业总产值691.85亿元，粮食总产量为2 279.64万t，种植面积289.30万hm2，其中，水稻、玉米、大豆为主要农作物，种植面积分别为155.79、70.86和54.59万hm2，分别占总种植面积的53.85%、24.49%和18.87%。此外，黑龙江垦区种植的农作物还有小麦、高粱、谷子、大麦、马铃薯、油菜、麻类、甜菜、烟叶、蔬菜、瓜类等。

1.2　研究方法

1.2.1 数据来源

本文研究中，肥料（氮肥、磷肥、钾肥、复合肥、有机肥）施用量、农作物总产量、农作物种植面积、农作物单产、种植业总产值等主要基础计算数据均来自《黑龙江垦区统计年鉴2001－2019》。此外，肥料养分[12]、灌溉水养分[13-16]、大气干湿沉降[17]、生物固氮[18-19]、籽粒干物质比例[20]、籽粒养分[21]、秸秆利用比例[22]、草谷比[20]、秸秆养分[20,23]、养分损失系数[24-26]等的数据主要来自文献整理。

1.2.2 农田土壤养分平衡计算方法

农田土壤养分平衡法是对农田土壤养分（氮、磷、钾等）输入量与输出量进行计算与分析，用于评价表观养分利用与盈余情况[27]。根据农田土壤养分平衡方法定义，确定农田土壤养分平衡研究内容。其中，养分输入途径主要包括化学肥料、有机肥、种子、灌溉水、秸秆还田、大气干湿沉降、生物固氮（只针对氮平衡）；养分输出途径主要包括农作物籽粒、农作物秸秆和养分损失。

1）养分输入

在养分输入部分，农田土壤氮输入途径包括化学氮肥、有机肥、种子、灌溉水、秸秆还田、大气干湿沉降、生物固氮[28]，计算式如下：

in=cfer+ofer+seed+irr+str+dep+bnf（1）

式中in为农田土壤的氮输入总量，kg；cfer、ofer、seed、irr、str、dep、bnf分别为化学氮肥、有机肥、种子、灌溉水、秸秆还田、大气干湿沉降、生物固氮所带来的氮输入量，kg，计算式如下：

式中nfer为氮肥施用量（折纯量），kg；ADcf分别为复合肥施用量（折纯量），kg；TNcf为复合肥的氮质量分数，%；ADon为有机肥施用量，kg；TNon为有机肥的氮质量分数，1.78%；S为第种农作物的种植面积，hm2；U为第种农作物的播种量，kg/hm2；DRY为第种农作物籽粒的干物质比例；TN为第种农作物籽粒的氮质量分数；rice、soy、corn分别为水稻、大豆和玉米种植面积，hm2；rice、soy、corn为水稻、大豆和玉米灌溉水量，m3/hm2，采用FAO推荐的CropWat模型计算而得；为灌溉水密度；TNirr为灌溉水的氮质量分数，1.82 mg/kg；g,i为第种农作物籽粒产量，kg；S/G,i第种农作物的草谷比；r为秸秆还田率；total为农作物总种植面积，hm2；ndep为单位面积大气氮干湿沉降量，27.6 kg/hm2；soy为大豆的共生固氮量，126.83 kg/hm2；rice为水稻的非共生固氮量，30 kg/hm2；corn为玉米的非共生固氮量，15 kg/hm2；wheat为小麦种植面积，hm2；wheat为小麦的非共生固氮量，15 kg/hm2。

农田土壤磷输入途径包括化学磷肥、有机肥、种子、灌溉水、秸秆还田、大气干湿沉降[28]，计算式如下：

in=cfer+ofer+seed+irr+str+dep（3）

式中in为农田土壤的磷输入总量，kg；cfer、ofer、seed、irr、str、dep分别为化学磷肥、有机肥、种子、灌溉水、秸秆还田、大气干湿沉降所带来的磷输入量，kg，计算公式如下：

式中0.44为五氧化二磷（P2O5）中磷（P）的质量分数；pfer为磷肥施用量（折纯量），kg；TPcf为复合肥的磷质量分数；TPon为有机肥的磷质量分数，0.77%；TP和TP,i分别为第种农作物籽粒和秸秆的磷质量分数；TPirr为灌溉水的磷质量分数，1.497 mg/kg；pdep为单位面积大气磷干湿沉降量，1.52 kg/hm2。

农田土壤钾输入途径包括化学钾肥、有机肥、种子、灌溉水、秸秆还田、大气干湿沉降[29]，计算式如下：

in=cfer+ofer+seed+irr+str+dep（5）

式中in为农田土壤的钾输入总量，kg；cfer、ofer、seed、irr、str、dep分别为化学钾肥、有机肥、种子、灌溉水、秸秆还田、大气干湿沉降所带来的钾输入量，kg，计算公式如下：

式中0.83为氧化钾（K2O）中钾（K）的质量分数；kfer为钾肥施用量（折纯量），kg；TKcf为复合肥的钾质量分数；TKon为有机肥的钾质量分数，0.78%。TK和TKs,i分别为第种农作物籽粒和秸秆的钾质量分数；TKirr为灌溉水的钾质量分数，2.245 mg/kg；f为秸秆焚烧率；kdep为单位面积大气钾干湿沉降，8.3 kg/hm2。

2）养分输出

在养分输出部分，农田土壤氮输出途径包括农作物籽粒的氮输出、农作物秸秆的氮输出、氨挥发带来的氮损失、地表径流带来的氮损失、地下淋溶带来的氮损失、硝化反硝化带来的氮损失[28]，计算式如下：

out=out-grain+out-straw+NH3+sur+sub+den（7）

式中out为农田土壤的氮输出总量，kg；out-grain、out-straw、NH3、sur、sub、den分别为农作物籽粒的氮输出量、农作物秸秆的氮输出量、氨挥发带来的氮损失、地表径流带来的氮损失、地下淋溶带来的氮损失和硝化反硝化带来的氮损失，kg，计算式如下：

式中NH3-cfer为化学氮肥的氨挥发损失系数，21.3%；NH3-ofer为有机肥的氨挥发损失系数，23.0%；nfsur为肥料氮地表径流损失系数，0.343%；npsur为水田土壤氮地表径流损失系数，3.225 kg/hm2；ndsur为旱地土壤氮地表径流损失系数，2.345 kg/hm2。nfsub为肥料氮地下淋溶损失系数，0.5276%；nsub为土壤氮地下淋溶损失系数，3.1605 kg/hm2。den-cfer为化学氮肥的硝化反硝化导致氮损失系数，1.1%；den-ofer为有机肥的硝化反硝化导致氮损失系数，1.0%。

农田土壤磷输出途径包括农作物籽粒的磷输出、农作物秸秆的磷输出、地表径流带来的磷损失[28]，计算式如下：

out=out-grain+out-straw+sur（9）

式中out为农田土壤的磷输出总量，kg；out-grain、out-straw、sur分别为农作物籽粒的磷输出量、农作物秸秆的磷输出量和地表径流带来的磷损失量，kg，计算式如下：

式中pfsur为肥料磷地表径流系数，0.1618%；ppsur为水田磷地表径流损失系数，0.135 kg/hm2；pdsur为旱地磷地表径流损失系数，0.12 kg/hm2。

农田土壤钾输出途径包括农作物籽粒的钾输出、农作物秸秆的钾输出、地表径流带来的钾损失[29]，计算式如下：

out=out-grain+out-straw+sur（11）

式中out为农田土壤的钾输出总量，kg；out-grain、out-straw、sur分别为农作物籽粒的钾输出量、农作物秸秆的钾输出量、地表径流带来的钾损失量，kg，计算公式如下：

式中sur为地表径流所带来的钾损失系数，5.1 kg/hm2。

1.2.3 农田土壤养分平衡评价指标

根据农田土壤养分平衡计算结果，本文设定单位面积养分输入、单位产值养分输入、养分利用效率、养分盈亏量、养分盈亏率5个评价指标，对区域农田土壤养分的输入、输出和平衡情况进行评价与分析。其中，养分利用效率由籽粒养分输出量除以养分输入总量计算获得，反映农田土壤养分输入最终转化为作物籽粒的比例。养分盈亏量由养分输入与输出的差值除以总面积计算获得，反映农田土壤单位面积的养分盈亏量。养分盈亏率是由养分输入与输出的差值除以养分输入总量计算获得，当−10%≤养分盈亏率≤10%，为养分平衡；养分盈亏率＜−10%，为养分亏缺；养分盈亏率＞10%，为养分盈余[30]。

2 结果与分析

2.1 农田土壤养分输入

2000—2018年黑龙江垦区农田土壤氮、磷、钾输入呈现“平稳-增长-下降后平稳”的趋势（图1）。在氮输入部分（图1a），2000年农田土壤氮输入仅为4.41×108kg，2003—2014年农田土壤氮输入快速增长，平均年增长率达到6.43%，2014年农田土壤氮输入达到最高值8.43×108kg。由于畜禽养殖量快速下降，有机肥还田量也快速下降，2015年仅为1.02×108kg，较2014年减少63.20%。2015—2018年农田土壤氮输入量保持平稳，2018年为6.55×108kg。从组成结构上来看，化学氮肥、有机肥和生物固氮为农田土壤氮输入的主要途径，历年平均占农田土壤氮输入总量的30.17%、21.67%和21.08%。在磷输入部分（图1b），2018年农田土壤磷输入为1.27×108kg。从组成结构上来看，化学磷肥为农田土壤磷输入的主要途径，历年平均占农田土壤磷输入总量的70.86%。在钾输入部分（图1c），2018年农田土壤钾输入为5.29×108kg。从组成结构上来看，秸秆还田为农田土壤钾输入的主要途径，历年平均占农田土壤钾输入总量的71.81%。

从数量来看，农田土壤养分输入量从大到小依次为氮、钾、磷。从结构来看，氮输入途径较为分散，主要途径为化学肥料、有机肥和生物固氮；磷输入和钾输入途径较为集中，主要途径分别为化学肥料和秸秆还田。

图1 黑龙江垦区农田土壤养分输入

2.2 农田土壤养分输出

2000－2018年黑龙江垦区农田土壤氮、磷、钾输出呈现“平稳-增长-下降后平稳”的趋势（图2）。在氮输出部分（图2a），2000年农田土壤氮输出为3.16×108kg，2003－2012年农田土壤氮输出快速增长，平均年增长率达到8.66%，2012年农田土壤氮输出达到最高值6.64×108kg，2018为6.12×108kg。从组成结构上来看，籽粒和秸秆为农田土壤氮输出的主要途径，历年平均占农田土壤氮输出总量的52.96%和29.53%。在磷输出部分（图2b），2018年农田土壤磷输出为7.34×107kg。从组成结构上来看，籽粒和秸秆为农田土壤磷输出的主要途径，历年平均分别占农田土壤磷输出总量的48.34%和50.86%。在钾输出部分（图2c），2018年农田土壤钾输出为4.88×108kg。从组成结构上来看，秸秆为农田土壤钾输出的主要途径，历年平均占农田土壤钾输出总量的85.55%。此外，2013年和2016年农田土壤氮、磷和钾输出均下降，主要是由于玉米产量下降，导致以籽粒和秸秆形式的养分输出量下降。

图2 黑龙江垦区农田土壤养分输出

从数量来看，农田土壤养分输出量从大到小依次为氮、钾、磷。从结构来看，氮输出、磷输出和钾输出途径较为集中，氮输出和磷输出的主要途径为籽粒和秸秆；钾输出的主要途径为秸秆。此外，以氨挥发途径带来的氮输出应引起重视。

2.3 农田养分平衡评价

2.3.1 单位面积养分输入

黑龙江垦区单位面积养分输入量从大到小依次为单位面积氮输入、单位面积钾输入、单位面积磷输入（图3a）。单位面积氮输入和钾输入的变化趋势相近。自2000年起逐渐增大，并分别于2014年和2013年达到最大值，分别为296.61、197.83 kg/hm2，随后下降，2018年分别为228.08、183.98 kg/hm2。而单位面积磷输入变化较小，2018年为44.32 kg/hm2。综合来看，2000－2018年黑龙江垦区农田土壤单位面积养分输入量较为稳定。

2.3.2 单位产值养分输入

黑龙江垦区单位产值养分输入量从大到小依次为单位产值氮输入、单位产值钾输入、单位产值磷输入（图3b）。2000－2018年单位产值氮、磷和钾输入整体呈下降趋势。其中单位产值磷输入变化范围较小，2018年为18.43 kg/万元。而单位产值氮和钾输入变化趋势基本一致，均呈先剧烈波动后平稳下降的趋势，但二者变化范围差别较大，2000年，单位产值氮输入约为单位产值钾输入的2倍，2018年二者相差不大，分别为94.86和76.52 kg/万元。整体而言，2000－2018年黑龙江垦区农田土壤养分输入所带来的经济效益显著增加。

2.3.3 养分利用效率

黑龙江垦区养分利用效率从大到小依次为氮、磷、钾，不同养分利用效率的变化趋势表现不同（图4）。其中磷利用效率在22.69%～30.11%间呈波动变化，至2018年为27.98%。氮利用效率先下降后上升，变化范围为34.02%～51.03%，至2018年为51.03%。钾利用效率缓慢波动下降，变化范围为7.36%～18.42%，至2018年为10.04%。相比而言，钾的利用效率偏低，这与钾主要以秸秆途径输出有关。

图4 黑龙江垦区养分利用效率

2.3.4 养分盈亏量与养分盈亏率

对于养分盈亏量，黑龙江垦区养分盈亏量从大到小依次为氮盈亏量、磷盈亏量、钾盈亏量（图5a）。氮盈亏量和钾盈亏量的变化趋势相近。自2000年起波动变化，并分别于2018年和2004年达到最小值，分别为15.08、-12.05 kg/hm2。而磷盈亏量变化较小，变化范围为15.09～23.91 kg/hm2。对于养分盈亏率，黑龙江垦区氮、磷和钾盈亏率的变化趋势相近，均呈波动变化，但养分盈亏率大小显著不同，其中氮和钾变化范围分别为7.08%～39.68%和-10.40%～27.09%，2017年以来处于养分平衡状态，而磷盈亏率变化62.70%～110.67%之间，处于养分盈余状态。（图5b），这与农田输入的磷素易被土壤固定有关[31]。

2.3.5 中外对比分析

1）氮肥施用

氮肥投入作为农田土壤养分输入的重中之重，与粮食产量密切相关。化肥氮和有机肥氮作为氮肥两大组成部分，协调好两者的关系，显得极其重要。英国农业现代化程度高，并对农业面源污染防控高度重视，长期开展土壤养分调查与管理工作，其农田土壤养分平衡调查数据可追溯到1990年。根据英国环境、粮食和农村事务部官网数据，整理计算获得英国2000－2018年单位面积化肥氮输入和单位面积有机肥氮输入，并与黑龙江垦区的数据比较分析。在化肥施用方面（图6a），2000－2011年，黑龙江垦区单位面积化肥氮输入低于英国；2012－2018年，黑龙江垦区与英国单位面积化肥氮输入基本相当，输入量变化也趋于稳定。这说明近年来黑龙江垦区在化学氮肥施用与管理趋于成熟。在有机肥施用方面（图6b），英国单位面积有机氮输入量相对稳定，而黑龙江垦区单位面积有机氮输入量先增长后下降，尤其2017－2018年黑龙江垦区单位面积有机氮输入是英国的三分之一。这说明黑龙江垦区有机肥施用量不稳定且相对较低。

注：HLRA 为黑龙江垦区. 下同。英国的数据来源于英国环境、粮食和农村事务部官网（https://www.gov.uk/government/statistics/uk-and-england-soil-nutrient-balances-2018）。

Note: HLRA is Heilongjiang Land Reclamation Area. Same as below. Date of UK was collected from the Department for Environment, Food & Rural Affairs website (https://www.gov.uk/government/statistics/uk-and-england-soil-nutrient-balances-2018).

图6 黑龙江垦区与英国的化肥氮和有机肥氮输入

Fig.6 Chemical fertilizer and organic fertilizer nitrogen inputs of Heilongjiang Land Reclamation Areaand UK

进而，结合实地调研成果，本文对黑龙江垦区有机肥施用现状与成因进行分析可知：其一，有机肥施用量不稳定，主要受到畜禽养殖的影响。2013年起黑龙江垦区畜禽养殖量快速下降，导至可施用的有机肥量也快速下降。其二，有机肥施用量较低。由于作业成本、作业时间和机械配备的影响，大田粮食作物尚未大面积推广有机肥施用，有机肥施用总量相对较低。在作业成本方面，有机肥的施用需要在秋整地之前增加一道工序，即拖拉机带专用的撒肥机作业施肥。导致机械作业成本、人工成本等提高。在作业时间方面，秋收时节，由于气候原因，垦区收获与耕整地时间相当紧迫。若增加施用有机肥的工序，而延后秋整地作业时间，可能会影响到秋整地作业质量与完成量，这对农场农机管理部门也是个不小的挑战，并且尚未有大面积机械作业试验验证。在机械配套方面，有机肥施用需要依靠专用的撒肥机，现阶段农场并未配备专用的撒肥机。并且，农户新购置农机意愿不强。

因此，建议黑龙江垦区农场与科研院所相结合，直面当下存在的问题，合理规划种养业生产规模，稳定可施用的有机肥量；开展有机肥机械施用可行性方案的研究与验证；未来采用补贴等多种途径逐步在大田生产中推广有机无机肥配施[32]，促进有机肥合理稳定使用。

2）养分盈亏量

养分盈亏量作为判断农田土壤养分平衡状况的重要评价指标，将评价结果与其他农业发达国家进行横向对比分析，有利于更加清楚了解黑龙江垦区养分利用现状。根据经合组织官网数据，整理得到澳大利亚、加拿大、法国、德国、日本、英国和美国的农田土壤氮、磷盈亏量，并与黑龙江垦区数据比较分析。对于氮盈亏量（图7a），除日本外，澳大利亚等6国的氮盈亏量变化相对稳定，黑龙江垦区的氮盈亏量波动减小。并且，近年来黑龙江垦区的氮盈亏量相对较低。对于磷盈亏量（图7b），除日本外，黑龙江垦区与澳大利亚等6国磷盈亏量变化相对稳定，但黑龙江垦区磷盈亏量相比处于较高水平。由此可见，黑龙江垦区农田土壤氮管理与利用的整体发展态势良好，未来还需要加大对磷的管理与利用，促进养分盈亏量稳定。

注：澳大利亚、加拿大、法国、德国、日本、英国和美国的数据来源于经合组织官网（https://data.oecd.org/agrland/nutrient-balance.htm）。

因此，在管理层面上，建议黑龙江垦区参考德国[33]、美国[34]的农田养分管理体系发展经验，逐步完善农田养分管理体系的构建，规范各项养分投入的管理措施。在技术层面，各类养分管理技术已经在黑龙江垦区农场推广与应用[35-36]，提高作物养分利用效率，助力垦区早日实现化肥零增长。其中，氮、磷调控是未来黑龙江垦区农田土壤养分平衡的重点研究内容。此外，从长期发展的角度来看，缺乏农田土壤养分平衡系统性观测数据。因此，建议黑龙江垦区在各个管理局建立农田生态系统定位观测站，对于水稻、玉米和大豆等主要农作物，开展农田土壤养分平衡长期调查与监测，为未来养分管理措施的调整与优化提供基础数据。在推广层面，通过实地走访调研，各个农场均建有农业科技示范园区，开展了测土配方施肥、水稻侧深施肥等养分管理技术示范与推广。而种植户对化肥减施，心中仍存在一定的疑虑。因此，建议农场采用新颖的技术推广模式，调动种植户的积极性，引导农户科学种植与高效养分管理。此外，建议黑龙江垦区开展长期农田土壤养分平衡情况调查与监测，有利于科学调整与优化短期养分管理措施，制定中长期养分管理方案与策略，提高养分利用效率，促进农业绿色发展。

4 结 论

本文通过对2000－2018年农田土壤氮、磷、钾养分的输入与输出进行分析与评价，得到以下结论：

1）2000－2018年，黑龙江垦区农田土壤氮、磷、钾输入与输出整体呈现“平稳-增长-下降后平稳”的趋势，2018年农田土壤氮、磷、钾输入分别为6.55×108、1.27×108、5.29×108kg。从农田土壤养分输入的结构来看，氮输入途径较为分散，主要途径为化学肥料、有机肥和生物固氮；磷输入和钾输入途径较为集中，分别为化学肥料和秸秆还田。2018年农田土壤氮、磷、钾输出分别为6.12×108、7.34×107、4.88×108kg。从农田土壤养分输出的结构来看，氮输出、磷输出和钾输出途径较为集中，氮输出和磷输出的主要途径为籽粒和秸秆；钾输出的主要途径为秸秆。

2）黑龙江垦区单位面积养分输入从大到小依次为单位面积氮输入、单位面积钾输入、单位面积磷输入。2018年单位面积氮、磷、钾输入为228.08、44.32、183.98 kg/hm2。近年来，黑龙江垦区农田土壤单位面积养分输入量较为稳定。而黑龙江垦区单位产值养分输入从大到小依次为单位产值氮输入、单位产值钾输入、单位产值磷输入。2018年单位产值氮、磷、钾输入为94.86、18.43、76.52 kg/万元。整体而言，黑龙江垦区农田土壤养分输入所带来的经济效益在增加。

3）2017年以来黑龙江垦区农田土壤氮和钾处于养分平衡状态，而磷处于养分盈余状态，这与农田输入的磷素易被土壤固定有关。2018年黑龙江垦区氮、磷、钾利用效率分别为51.03%、27.98%、10.04%。

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Analysis and evaluation of farmland soil nutrient balance in Heilongjiang Land Reclamation Areas, China

Chu Tianshu1, Wang Derui2, Han Lujia1, Yang Zengling1※

(1.100083; 2.264670)

Efficient nutrient utilization has become an essential part of green development in modern agriculture. Evaluation on the nutrient balance of farmland soil is therefore critical to the Heilongjiang Land Reclamation Area (HLRA), one of the major grain-producing regions in China. HLRA has produced 410 million tons of grain since 1949, currently serving as a typical representative of agricultural mechanization and modern production. In HLRA, the total grain output was 2 279.64× 104t in 2018, accounting for 3.47% of the national total. Taking the HLRA as the research subject, this study aims to develop a nutrient balance method for the evaluation on the input and output of N, P, and K from farmland soil during the period from 2000 to 2018. The results showed that: 1) From 2000 to 2018, the N, P, and K inputs of farmland soil in HLRA showed a steady-increase-decline trend. In 2018, the N, P and K input decreased to 6.55×108, 1.27×108and 5.29×108kg. The N input mainly came from chemical fertilizer, organic fertilizer, and biological nitrogen fixation, whereas, the P and K inputs were mostly from chemical fertilizer and straw returning to field. 2) The N, P, and K outputs of farmland soil in HLRA also showed a steady-increase-decline trend from 2000 to 2018. In 2018, the N, P and K outputs decreased to 6.12×108, 7.34×107and 4.88×108kg. The main ways of N and P outputs were for grain and straw, with special emphasis on the N output from ammonia volatilization, whereas the way of K output was mainly for straw. 3) The N, P, and K inputs per area of farmland soil in HLRA also showed a steady-increase-steady trend from 2000 to 2018. The N, P and K inputs per area in 2018 were 228.08, 44.32 and 183.98 kg/hm2. The N, P, and K inputs per value of farmland soil in HLRA showed a decline trend from 2000 to 2018. Specifically, the N, P, and K inputs per value in 2000 were 94.86, 18.43, 76.52 kg/104yuan. There was an increase in the N and P utilization efficiency of farmland soil in HLRA, but a decrease in that of K, indicating 51.03% for N, 27.98% for P, and 10.04% for K in 2018. There was an increase trend in the N profit and loss of farmland soil in HLRA, and a steady trend for that of P, while a decline trend for that of K. The N profit and at an excellent level, compared with that from Australia, Canada, France, Germany, Japan, UK, and the USA. But a relatively low level occurred for the profit and loss. It infers that the N and K were in a nutrient balance state since 2017, whereas P was in a nutrient surplus condition. The reason can be that the P input into the farmland was easily fixed by soil. At the current stage, the fertilizer input in HLRA was mainly relying on chemical fertilizer, whereas, the amount of organic fertilizer was relatively low. This arrangement can be not conducive to fertilizing soil and slowing down the degradation of black soil. Therefore, a sound recommendation for HLRA can be made to develop various methods, such as subsidies and demonstration, further to gradually promote the application of organic fertilizers. Besides, a long-term monitoring of nutrient balance in the farmland soil was required in the near future, in order to scientifically adjust and optimize management strategies of soil nutrients, and thereby to improve nutrient utilization efficiency and food security in green development of modern agriculture.

farmland; soil;nutrient balance; Heilongjiang Land Reclamation Area

楚天舒，王德睿，韩鲁佳，等. 黑龙江垦区农田土壤养分平衡分析与评价[J]. 农业工程学报，2020，36(15)：19-27.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.003 http://www.tcsae.org

Chu Tianshu, Wang Derui, Han Lujia, et al. Analysis and evaluation of farmland soil nutrient balance in Heilongjiang Land Reclamation Areas, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 19-27. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.003 http://www.tcsae.org

2020-03-13

2020-06-17

国家重点研发计划（2016YFE0204600）；教育部创新团队发展计划项目（IRT-17R105）

楚天舒，博士生，主要从事农业工程研究。Email：chuts@cau.edu.cn

杨增玲，博士，教授，博士生导师，主要从事农业工程研究。Email：yangzengling@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.003

S158.3

A

1002-6819(2020)-15-0019-09