长期定位施肥对潮土剖面养分分布的影响

2020-11-09温延臣李海燕袁亮徐久凯马荣辉林治安赵秉强

中国农业科学 2020年21期

温延臣，李海燕，袁亮，徐久凯，马荣辉，林治安，赵秉强

长期定位施肥对潮土剖面养分分布的影响

温延臣1，李海燕1，袁亮1，徐久凯1，马荣辉2，林治安1，赵秉强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山东省土壤肥料总站，济南 250100）

【】基于长期定位试验平台，研究3种施肥制度（化肥、有机肥、有机/无机配合施肥）对潮土培肥效果及养分空间分布特征影响，为华北平原潮土农田进行合理培肥和科学施肥提供依据。依托始于1986年长期定位试验，选取不施肥的对照（CK），等氮量投入化肥（F）、有机肥（M）及有机/无机配合施肥（MF）共 4个处理，采集0—200 cm剖面土壤样品（按每20 cm一层分开），测定并分析土壤pH、有机质、氮磷钾及硝态氮空间分布特征。连续施肥31年后，土壤有机质、全氮、碱解氮、硝态氮、有效磷、速效钾等指标的含量均随土层深度增加而呈递减趋势，除硝态氮和有效磷外，3种施肥制度主要影响0—40 cm土体养分含量；等氮量（N 180—225 kg·hm-2）投入下，化肥、有机肥及有机/无机配合（50%化肥+50%有机肥）施肥，土壤剖面（0—40 cm）有机质含量分别为14.2、25.6和18.2g·kg-1，有机肥和有机/无机配施比化肥增加80.3%、28.2%；土壤剖面（0—40 cm）全氮含量分别为0.93、1.67和1.21 g·kg-1，有机肥和有机/无机配施比化肥增加79.6%、30.1%；土壤剖面（0—40 cm）碱解氮含量分别为80.2、120.7和83.3 mg·kg-1，有机肥和有机/无机配施比化肥增加50.5%、3.9%；土壤剖面（0—200 cm）硝态氮含量分别为21.1、6.2和11.9 mg·kg-1，化肥处理分别是有机肥和有机/无机配合施肥的3.4倍和1.8倍；土壤剖面（0—60 cm）有效磷含量分别为18.6、134.3和60.5 mg·kg-1，有机肥和有机/无机配施是化肥的7.2倍和3.3倍；土壤剖面（0—40 cm）速效钾含量分别为90、163和89 mg·kg-1，施有机肥是施化肥的1.8倍；与单施化肥处理相比，长期施用有机肥或有机/无机配施处理，0—200 cm土层pH未表现出显著性差异。长期施用化肥氮素淋溶风险高：长期施用化肥0—200 cm土体硝态氮含量平均值为21.1 mg·kg-1，硝态氮淋溶风险增加；长期施用有机肥磷素淋溶风险高：长期施用牛粪有机肥以及有机/无机配施处理土壤磷素虽集中在60 cm以上土层，其20—40 cm土壤有效磷含量高达为115和70 mg·kg-1，土壤磷素累积渗漏导致潜在风险应予以重视；有机/无机配合施肥能够保证作物高产优质，并且能有效降低氮、磷素环境污染风险。

潮土；施肥制度；土壤剖面；土壤养分

0 引言

【研究意义】长期以来，农田高投入、高产出与施肥环境风险并存一直是困扰我国农业高产与环境保护协调发展的重大命题[1-2]。在粮食增产和环境保护双重压力下，高效利用有机肥资源，替代部分化肥，促进化肥减量施用，是缓解上述压力的重要途径之一[3]。近年来，化肥过量单一使用，忽视有机肥的投入，导致土壤有机质严重缺乏，另一方面养殖场产生畜禽粪污得不到有效利用，造成水体富营养化等面源污染，严重危害环境安全[4]。因此，利用有机资源，进行有机肥替代化肥实现替代减量，为实现我国2020年化肥零增长目标具有重要意义。【前人研究进展】土壤肥力是土壤的核心，是农业可持续发展的基础，施肥是改善土壤肥力的重要措施之一，不同的肥料类型培肥土壤作用各不相同。有机肥富含有机碳和矿质养分，培肥土壤的效果好[5]，相对于化肥，有机肥的环境风险较小[6]。但有机肥因养分含量低、体积大，施用不便，也因肥效慢，一般在等养分投入条件下，作物产量不及化肥[7]。化肥的优点是养分浓度高、体积小、肥效快、施用方便，但相对于有机肥料其培肥功能较弱，长期大量施用化肥，对土壤和环境的负面影响较大[1]。有机肥与化肥配合施用可以取长补短，不仅可以保证作物高产优质，也能培肥土壤，实现土壤可持续利用，同时对环境的负面影响小[1,8-9]。近年来，有关土壤氮、磷素的累积、淋溶及造成水污染等问题受到国内外普遍关注[10-11]。张维理等[12]对我国北方14个县（市）进行调查发现，由于大量施用农用氮肥而引起的地下水、饮用水中硝酸盐污染问题十分严重，调查点50%以上超过饮用水硝酸盐含量限定标准（标准为50 mg·L-1），最高值达到300 mg·L-1，地下水遭到严重污染；BOITT 等[13]研究表明经过62年长期灌溉土壤磷素已经淋溶至100 cm土层，土壤磷素的移动和转化随着灌溉频次的增加而增加；NELSON等[10]研究结果发现长期施用猪粪20年后，在45 cm深度土壤可溶性磷含量超过18 mg·L-1，已淋出根系吸收养分范围，不能被作物吸收利用；WATSON等[14]10年定位试验研究认为土壤全磷在土壤剖面中的分布主要受根系获取或蚯蚓活动影响，土壤磷淋洗途径为大孔隙、枯萎根系或蚯蚓洞穴孔隙[15]；杨学云[16]研究表明土磷素淋移损失达90 cm土层，可能机理是优先流途径进行下移。【本研究切入点】不同施肥制度不仅影响着耕层（0—20 cm）土壤养分数量的变化，由于土壤营养元素的移动性，也会影响养分在土壤剖面中的空间分布。土壤养分在土壤剖面的分布在农业生产中主要有两方面影响，一是养分淋出根系吸收养分的范围，导致土壤养分损失，引起环境污染；二是可以增加土壤耕层以下土壤养分含量，培育一个肥沃而深厚的耕作层[17]，如何协调好二者关系，对于减少养分损失、提高养分利用效率具有重要意义。【拟解决的关键问题】本试验以始于1986年不同施肥制度定位试验为研究平台，研究化肥、有机肥与有机/无机配合施肥3种施肥制度0—200 cm土体剖面养分分布特征，分析3种施肥制度的培肥效果异质性，以期为华北平原潮土农田进行合理培肥和科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验位于山东省禹城市中国农业科学院禹城试验基地（116°34′E，36°50′N），属暖温带半湿润季风气候，年均气温13.4℃，≥10℃积温441℃，年平均降雨量569.6 mm，水面蒸发量2 095 mm，无霜期约206 d，年日照时数240 h。试验地土壤类型为潮土，黄河冲积物发育而成，试验开始于1986年，初始土壤（0—20 cm）基本理化性质同文献[18-19]。

1.2 试验设计

试验在冬小麦-夏玉米一年两熟制农田上进行，设6个处理：（1）对照（不施肥，CK）；（2）常量化肥（F）；（3）常量有机肥（M）；（4）常量配施（1/2M+1/2F，MF）；（5）高量化肥（HF）；（6）高量有机肥（HM）。重复4次，小区面积4 m×7 m=28 m2。常量化肥处理（F）参考当地农民的施肥量，每季作物施N187.5—225 kg·hm-2、P2O5112.5—150 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2；常量有机肥（为腐熟牛粪）处理（M）根据有机肥的养分含量，按与F处理等氮量原则投入有机肥，磷、钾养分随有机肥自然带入土壤；常量配施（MF）的施肥量为1/2F+1/2M；高量施肥处理施肥量为常量施肥处理的2倍。1986—1993年每季作物氮肥用量（N）为187.5 kg·hm-2，1994年以后改为每季作物施氮量（N）225 kg·hm-2；1986—1993年每季作物磷肥施用量（P2O5）为112.5 kg·hm-2，1994—1999年用量（P2O5）为150 kg·hm-2，2000年以后用量（P2O5）为120 kg·hm-2；因试验土壤为潮土，富钾，从1992年秋季种麦才开始施用钾肥，每季作物为K2O 75 kg·hm-2。

1986—1991年磷肥在冬小麦和夏玉米上分次做基肥施用，1992年以后全年磷肥在秋季种麦前作基肥一次性施入。1986—1996年有机肥分别在冬小麦和夏玉米季作基肥施用，1997年以后两季作物的有机肥合并在秋季种小麦前一次性施入。全年作物的钾肥在秋季种麦前作基肥一次性施入。氮素化肥按作物分别施用，并且每季作物40%的氮肥在播种前作基肥施用，60%在冬小麦拔节期前后或夏玉米大喇叭口期作追肥施用。化肥中氮肥主要为尿素（N 46%）、磷肥为过磷酸钙（P2O517%）或磷酸二铵（N 18% ，P2O546%）、钾肥为硫酸钾（K2O 50%）。有机肥选用当地农户或养殖场腐熟牛粪，主要养分含量氮（N）1.00%—1.84%，磷（P2O5）0.58%—1.29%，钾（K2O）1.15%—1.98%，本论文选取对照、常量化肥、常量有机肥及常量有机/无机配施4个处理作为研究对象。

1.3 样品采集与测试方法

1.3.1 样品采集 2017年10月秋玉米收获后，分层采集上述4个处理0—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120、120—140、140—160、160—180和180—200 cm土层的土壤样品。

1.3.2 测试方法土壤pH、土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾等指标采用常规分析方法测定，具体方法详见《土壤农业化学常规分析方法》[20]；称取10 g过2 mm筛的新鲜土壤样品，用1.0 mol·L-1的氯化钾溶液进行浸提、过滤，然后用流动分析仪AA3流动分析仪（德国Seal，AA3）进行硝态氮的测定[21]。

1.4 数据处理

数据均采用 Excel 2013进行处理，统计分析采用 SPSS statistics 22.0 软件进行，图表采用 OriginPro 2020软件完成。

2 结果

2.1 长期定位施肥土壤剖面pH分布特征

长期定位施肥31年后，不同施肥制度下土壤pH有所变化（图1）。与对照相比，施肥（化肥、有机肥或有机/无机配施）处理0—40 cm土层pH略有降低，平均降低0.3个单位；等氮量施肥条件下，与单施化肥相比，长期施用有机肥或有机/无机配施相比，0—200 cm土层pH未变现出显著性差异；随着土层深度的增加，土壤pH呈先增加后趋于稳定（60 cm以下土层）趋势。

图1 长期定位施肥土壤剖面pH值

2.2 长期定位施肥土壤剖面有机质分布特征

不同施肥制度主要影响0—40 cm土层土壤有机质含量。从图2可以看出，连续进行施肥31年后，与对照相比，施肥（化肥、有机肥或有机/无机配施）不同程度地增加了0—20和20—40 cm土层有机质含量，增加幅度为17.7%—126.1%；等氮量施肥条件下，化肥、有机肥或有机/无机配施土壤（0—40 cm）有机质含量分别为14.2、25.6和18.2g·kg-1，有机肥和有机/无机配施比化肥增加80.3%、28.2%；随着土层深度的增加，土壤有机质含量呈逐渐下降趋势，60 cm以下土层趋于稳定。

2.3 长期定位施肥土壤剖面全氮、碱解氮和硝态氮分布特征

土壤碱解氮和全氮含量随着土层深度的增加而不断降低，80 cm以下土层呈稳定趋势。不同施肥制度主要影响0—20和20—40 cm土层碱解氮和全氮含量（图3）。与对照相比，施肥（化肥、有机肥或有机/无机配施）显著增加了0—20 cm和20—40 cm土层深解氮含量，增加幅度分别为33.7%—120.3%、63.6%—130.5%；等氮量施肥条件下，化肥、有机肥和有机/无机配施（0—40 cm土层）碱解氮含量分别为80.2、120.7和83.3 mg·kg-1，有机肥和有机/无机配施比化肥增加50.5%、3.9%。不同施肥制度对土壤全氮影响与碱解氮表现一致，等氮量施肥，化肥、有机肥和有机/无机配施（0—40 cm土层）全氮含量分别为0.93、1.67和1.21 g·kg-1，有机肥和有机/无机配施比化肥增加79.6%、30.1%。

图2 长期定位施肥土壤剖面有机质含量

试验结果表明，不同施肥制度显著影响着土壤硝态氮含量及其空间分布。从图3可以看出，连续进行施肥31年后，3种施肥制度硝态氮含量均随土壤剖面的加深而降低，且不同施肥制度之间土壤硝态氮含量及峰值均存在显著差异。长期不施肥的对照0—200 cm土层硝态氮含量很低，平均值仅为1.3 mg·kg-1，与对照相比，施肥（化肥、有机肥或有机/无机配施）显著增加了0—200 cm土层硝态氮含量，平均值分别为21.1、6.2和11.9 mg·kg-1；等氮量施肥下，单施化肥硝态氮含量较高，0—200 cm土层硝态氮均在10 mg·kg-1以上，而单施有机肥大大增加了0—40 cm土层硝态氮含量，40 cm以下土层硝态氮降至5 mg·kg-1以下，有机/无机配施介于二者之间，60 cm以下土层硝态氮降至10 mg·kg-1以下；长期单施化肥0—100、100—200 cm土层硝态氮含量平均值分别为26.2和16.0 mg·kg-1，而长期施用有机肥和有机/无机配施0—100、100—200 cm土层硝态氮含量平均值分别为9.8、2.6 mg·kg-1和16.4、7.5 mg·kg-1。

图3 长期定位施肥土壤剖面全氮、碱解氮和硝态氮含量

2.4 长期定位施肥土壤剖面有效磷分布特征

土壤有效磷含量随着土层深度的增加而逐渐降低，60 cm以下土层趋于稳定（图4）。从图中可以看出，连续进行施肥31年后，与对照相比，施肥（化肥、有机肥或有机/无机配施）显著增加了0—200 cm土层有效磷含量，0—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120、120—140、140—160、160—180和180—200 cm土层有效磷含量（平均值）分别是对照的43.5倍、40.1倍、7.8倍、3.9倍、3.6倍、4.4倍、3.6倍、3.9倍、3.5倍和3.3倍；化肥、有机肥和有机/无机配施土壤剖面（0—60 cm）有效磷含量分别为18.6、134.3和60.5 mg·kg-1，有机肥和有机/无机配施是化肥的7.2倍和3.3倍，60 cm以下土层有效磷含量未表现出显著性差异。

2.5 长期定位施肥土壤剖面速效钾分布特征

与氮、磷在土壤剖面分布表现相似，土壤速效钾含量随着土层深度的增加而逐渐降低（图4）。长期定位施肥31年后，与对照相比，施肥（化肥、有机肥或有机/无机配施）增加了0—120 cm土层速效钾含量；与单施化肥或有机/无机配施处理相比，长期施用有机肥处理显著增加了0—40 cm土层速效钾含量，其中0—20、20—40 cm土层速效钾含量分别是单施化肥或有机/无机配施处理的6.1倍和13.6倍。

3 讨论

3.1 长期定位施肥对土壤剖面养分含量及分布的影响

本研究结果显示连续施肥31年后，土壤有机质、土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾等指标均随土层深度增加而呈递减趋势，这主要与耕层土壤经多年施肥、耕作、作物残体腐解、干湿沉降等因素形成养分累积相关，李大明和王伯仁在南方红壤定位施肥试验亦见报道[22-23]；本研究还发现不同施肥制度尤其长期施用有机肥或有机/无机配施可以促进土壤养分向深层迁移累积，与单施化肥处理相比，长期施用有机肥和有机/无机配施处理0—40 cm土层有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的含量显著提高，而土壤全氮、硝态氮、有效磷的下移累积甚至达到了60 cm以下土层。

图4 长期定位施肥土壤剖面有效磷和速效钾含量

与对照相比，长期施肥0—40 cm土层pH略有降低，40 cm以下土层未表现出显著性变化，这主要与土壤本身性质密切有关，根据 Ulrich土壤缓冲体系划分标准，供试土壤的缓冲体系主要由碳酸钙等碳酸盐（缓冲范围 pH 8.6—6.2）构成，通过碳酸盐、阳离子交换和有机质等对外源性酸碱起缓冲作用，从而对酸的中和能力较强[24]。

土壤养分分布也会影响着作物根系的分布，良好的根系空间分布可以增加养分的吸收范围及能力，深层养分的有效供给有益于诱导根系向下生长。前人研究表明作物根系自上而下呈“T”型分布，0—20 cm土层为根系高密度区，约占总根系重量的50%—70%，80 cm以上土体根系鲜重占总根系的80%—90%，有机肥可以促进根系的生长和根系在深层土壤中的分布，根系生长越好，越有利于地上部生产力的提高，其地上部的生长离不开强大的根系的有力支撑[25-27]。深层根系的增加有利于作物吸收深层土壤的水分和养分，并且深层土壤根系环境相对稳定，更有利于延长根系活力，延缓生育后期根系的衰老[28]，进而提高养分利用率和作物产量，本论文通过长期定位施肥试验对土壤养分剖面分布特征进行研究，结果将为实现有机肥替代化肥提供重要的施肥策略。

3.2 有机/无机配施降低0—200 cm土体硝态氮含量

近年来，地下水硝态氮污染问题日趋严重，是全球关注的热点，长期定位施肥试验是研究和评估土壤硝态氮淋溶风险的重要手段，土壤剖面中硝态氮含量及其空间分布特征是表征硝态氮淋失风险的主要指标[29-31]，氮素的淋溶损失主要受氮素形态、用量、施肥时间、土壤质地、降雨等系列因素影响。有关不同施肥制度对土壤硝酸盐淋洗差异，前人研究结果各不相同，多数研究结果认为施用有机肥土壤硝态氮淋溶远低于化肥处理[32-34]，还有专家认为施用有机肥土壤硝态氮淋溶稍低于或接近化肥处理[35]，相反，一部分研究表明施用有机肥硝态氮淋溶高于化肥处理[36-37]。本试验结果表明，等氮量施肥条件下，与单施化肥相比，长期单施有机肥或有机/无机配施有效降低土壤剖面硝态氮含量，特别是深层土体硝态氮含量，主要与氮素形态有关。（1）化学氮肥以尿素为例，当尿素施入土壤后，经过脲酶作用，水解为NH4+-N，NH4+-N在硝化细菌作用下转化为NO3--N，硝酸根是带有负电荷的阴离子，不易被土壤胶体吸附，土体中残留的硝态氮易随降雨或灌溉下移；（2）本试验所用有机肥料为腐熟牛粪，牛粪中含纤维素和半纤维素，不易被分解，氮矿化释放速率较慢，并且释放养分很快被作物快速吸收利用，故土壤中残留的矿质态氮较少，因此长期施用有机肥处理硝态氮不易发生淋溶损失[38]；（3）有机/无机配施可以协调土壤养分供应能力，供给作物吸收利用，同时，增加土壤碳库库容，提高微生物活性，增强土壤固定铵的能力，从而减少土壤剖面硝态氮含量，降低硝态氮淋洗风险。化肥氮提高了有机肥料氮的矿化率，提高了有机肥料氮的利用率和损失率、从而降低了残留率；与此相反，有机肥料则提高了化肥氮的生物固持率，因此提高了化肥氮的残留率，降低利用率和损失率[39]。世界卫生组织（WHO）推荐饮用水硝态氮含量的限定标准为10 mg·kg-1[40]，本研究结果表明长期施用化肥处理，0—200 cm土体硝态氮含量均值21.1 mg·kg-1，存在地下水污染风险，而有机/无机配施处理100—200 cm土体硝态氮含量均值7.5 mg·kg-1，低于地下水饮用限定标准。

3.3 长期施用有机肥的磷素环境风险显著增加

Xi等[41]研究认为该区域磷素环境风险阈值为30 mg·kg-1，即当耕层（0—20 cm）土壤有效磷含量超过30 mg·kg-1时，土壤径流、排水和渗漏液中磷含量将明显增加，进而加大了磷进入水体的风险，对水体产生污染，造成水体富营养化和磷资源的浪费。本试验长期单施有机肥及有机/无机配施处理，0—20 cm土层土壤有效磷含量高达270和104 mg·kg-1，分别是磷素环境阈值30 mg·kg-1的9倍和3.5倍，且20—40 cm土层有效磷含量分别为115和70 mg·kg-1（图4），表明磷素已渗漏下移，大大增加了磷素的环境风险。主要因为（1）养分的不平衡吸收，粮食作物（小麦和玉米）吸收氮、磷、钾养分比例约为3﹕1﹕3，本试验在等氮量投入条件下，是导致土壤磷素的养分积累的重要因素；（2）近年来有机粪肥中磷素含量呈逐年增加趋势；（3）试验开始阶段，由于单施有机肥处理的周年产量低于化肥与有机/无机配施处理，作物吸收带走养分较少，也是导致磷素养分积累的原因之一[18]。本研究还发现，长期施用有机肥或有机/无机配施土壤有机磷占全磷比例（平均值13.9%—14.7%）显著高于单施化肥处理（平均值11.9%），表明高比例的有机磷是导致土壤磷素下移的主要原因[42]。本试验所用有机肥为附近养殖场的腐熟牛粪，根据养分测定结果，牛粪有机肥中全磷（P2O5）含量为0.58%—2.29%，呈逐年增加趋势，鉴于有机粪肥中磷含量较高，因此在有机/无机配施过程中建议不施或少施化学磷肥，以免造成资源浪费和环境风险。

3.4 有机肥替代化肥，实现替代减量，是化肥减施增效的重要途径

研究以开始于1986年长期定位施肥试验为平台，研究结果表明从试验开始至今有机肥替代50%化肥处理产量与当地高产粮田水平基本一致，与单施化肥处理未表现出显著性差异，且品质优良，能够保证高产优质[18,43]；等氮量（N 180—225 kg·hm-2）投入下，化肥、有机肥及有机/无机配合（50%化肥+50%有机肥）施肥，农田氮素温室气体排放（NH3挥发+N2O排放）量分别为37.5 kg·hm-2（占肥料氮投入的10.0%）、1.1 kg·hm-2（占肥料氮投入的1.1%）和3.4 kg·hm-2（占肥料氮投入的7.0%），化肥分别是有机肥和有机/无机配合施肥的34倍和11倍；等氮量（N 180—225 kg·hm-2）投入下，化肥、有机肥及有机/无机配合（50%化肥+50%有机肥）施肥，土壤剖面（0—200 cm）硝态氮含量分别为21.1、6.2和11.9 mg·kg-1，化肥处理分别是有机肥和有机/无机配合施肥的3.4倍和1.8倍[42]，YANG等[44]黄淮海区域利用lysimeters也得出相同的结果。国家“双减”项目背景下，本研究通过长期定位试验设置有机肥替代化肥处理，实现替代减量，可以解决有机物料的高效利用，也是实施化肥减量的重要途径。

4 结论

4.1 连续施肥31年后，长期单施化肥处理土壤养分主要集中在0—20 cm土层，而长期施用有机肥或有机/无机配施处理土壤养分下移至60 cm土层，培肥深度显著增加。

4.2 长期施用化肥氮素淋溶风险大，0—200 cm土体硝态氮含量平均值为21.1 mg·kg-1，硝态氮淋溶风险增加。

4.3 长期施用有机肥磷素淋溶风险大。长期施用牛粪有机肥以及有机/无机配施处理土壤磷素集中在60 cm以上土层，其中20—40 cm土层有效磷含量分别高达115和70 mg·kg-1，土壤磷素累积渗漏导致潜在风险应予以关注。

[1] 赵秉强. 施肥制度与土壤可持续利用. 北京: 科学技术出版社, 2012.

ZHAO B Q.Beijing: Science and technology of China Press, 2012. (in Chinese)

[2] 白由路. 高效施肥技术研究的现状与展望. 中国农业科学, 2018, 51(11): 2116-2125.

BAI Y L. The situation and prospect of research on efficient fertilization.2018, 51(11): 2116-2125. (in Chinese)

[3] 吕凤莲, 侯苗苗, 张弘弢, 强久次仁, 周应田, 路国艳, 赵秉强, 杨学云, 张树兰.土冬小麦-夏玉米轮作体系有机肥替代化肥比例研究. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(1): 22-32.

Lü F L, HOU M M, ZHANG H T, QIANGJIU C R, ZHOU Y T, LU G Y, ZHAO B Q, YANG X Y, ZHANG S L. Replacement ratio of chemical fertilizer nitrogen with manure under the winter wheat-summer maize rotation system in Lou soil.2018, 24(1): 22-32. (in Chinese)

[4] 牛新胜, 巨晓棠. 我国有机肥料资源及利用. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(6): 1462-1479.

NIU X S, JU X T. Organic fertilizer resources and utilization in China.2017, 23(6) :1462-1479. (in Chinese)

[5] 周伟红. 有机肥对土壤培肥和作物产量的影响[D]. 长沙: 湖南农业大学, 2007.

ZHOU W H. The effect of organic fertilizer on increasing soil fertility and the crop yield[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2007. (in Chinese)

[6] 纪元静. 有机肥施用对稻田土壤硝态氮淋失风险及土壤剖面15N 自然丰度的影响[D]. 杭州: 浙江大学, 2014.

JI Y J. Effects of manure amendment on soil nitrate leaching potential and distribution of soil15N natural abundance in paddy fields[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014. (in Chinese)

[7] 韩晓增, 王凤仙, 王凤菊, 邹文秀. 长期施用有机肥对黑土肥力及作物产量的影响. 干旱地区农业研究, 2010(1): 66-71.

HAN X Z, WANG F X, WANG F J,ZOU W X. Effects of long-term organic manure application on crop yield and fertility of black soil.2010(1): 66-71. (in Chinese)

[8] 白由路. 国内外耕地培育的差异与思考. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(6): 1381-1388.

BAI Y L. Overview of rural land nurtures in China and abroad.2015, 21(6): 1381-1388. (in Chinese)

[9] TRIBERTI L, NASTRI A, BALDONI G. Long-term effects of crop rotation, manure and mineral fertilisation on carbon sequestration and soil fertility.2016, 74: 47-55.

[10] NELSON N O, PARSONS J E, MIKKELSEN R L. Field-scale evaluation of phosphorus leaching in acid sandy soils receiving swine waste.2005(34): 2024-2035.

[11] 魏莎, 柏兆海, 吴迪梅, 夏利江, 江荣风, 马林. 都市圈“土壤-饲料-动物”系统养分流动与环境效应——以北京市为例. 中国农业科学, 2018, 51(3): 430-441.

WEI S, BAI Z H, WU D M, XIA L J, JIANG R F, MA L. Nutrient flow and environmental effects of “soil-feed-livestock” system in metropolis: A case study in Beijing.2018, 51(3): 430-441. (in Chinese)

[12] 张维理, 田哲旭, 张宁, 李晓齐. 我国北方农用氮肥造成地下水硝酸盐污染的调查. 植物营养与肥料学报, 1995,1(2): 80-87.

ZHANG W L, TIAN Z X, ZHANG N, LI X Q. Investigation of nitrate pollution in ground water due to nitrogen fertilization in agriculture in north China.1995, 1(2): 80-87. (in Chinese)

[13] BOITT G, TIAN J, BLACK A, WAKELIN S A, CONDRON L M. Effects of long-term irrigation on soil phosphorus under temperate grazed pasture.2018, 69(1): 1-8.

[14] WATSON C J, MATTHEWS D I. A 10-year study of phosphorus balances and the impact of grazed grassland on total P redistribution within the soil profile.2008, 59(6): 1171-1176.

[15] MCDOWELL R W, SHARPLEY A N, CONDRON L M, HAYGARTH P M, BROOKES P C. Processes controlling soil phosphorus release to runoff and implications for agricultural management.2001, 59: 269-284.

[16] 杨学云. 长期施肥条件下塿土磷素累积与淋失研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2004.

YANG X Y. Phosphorus accumulation and leaching in loess soil under long-term fertilization condition[D]. Yangling: Northwest A＆F University, 2004. (in Chinese)

[17] 吴建富, 王海辉, 刘经荣, 卢志红, 黄立章. 长期施用不同肥料稻田土壤养分的剖面分布特征. 江西农业大学学报, 2001, 23(1): 54-56.

WU J F, WANG H H, LIU J R, LU Z H, HUANG L Z. The characters of the profile distribution of nutrients in rice fields after long-term application of different fertilizers.2001, 23(1): 54-56. (in Chinese)

[18] 林治安, 赵秉强, 袁亮, Hwat Bing-so. 长期定位施肥对土壤养分与作物产量的影响. 中国农业科学, 2009, 42(8): 2809-2819.

LIN Z A, ZHAO B Q, YUAN L, HWAT B S. Effects of organic manure and fertilizers long-term located application on soil fertility and crop yield.2009, 42(8): 2809-2819. (in Chinese)

[19] 温延臣, 李燕青, 袁亮, 李娟, 李伟, 林治安, 赵秉强. 长期不同施肥制度土壤肥力特征综合评价方法. 农业工程学报, 2015, 31(7): 91-99.

WEN Y C, LI Y Q, YUAN L, LI J, LI W, LIN Z A, ZHAO B Q. Comprehensive assessment methodology of characteristics of soil fertility under different fertilization regimes in north China., 2015, 31(7): 91-99. (in Chinese)

[20] 李酋开. 土壤农业化学常规分析方法. 北京: 科学出版社, 1983.

LI Q K.Beijing: Science Press, 1983. (in Chinese)

[21] GU L M, LIU T N, ZHAO J, DONG S T, LIU P, ZHANG J W, ZHAO B. Nitrate leaching of winter wheat grown in lysimeters as affected by fertilizers and irrigation on the north China plain.2015, 14: 374-388.

[22] 李大明, 柳开楼, 叶会财, 胡志华, 余喜初, 徐小林, 杨旭初, 周利军, 胡秋萍, 胡惠文, 黄庆海. 长期不同施肥处理红壤旱地剖面养分分布差异. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(3): 633-640.

LI D M, LIU K L, YE H C, HU Z H,YU X C, XU X L, YANG X C, ZHOU L J, HU Q P, HU H W, HUANG Q H. Differences of soil nutrient distribution in profiles under long-term fertilization in upland red soil.2018, 24(3): 633-640. (in Chinese)

[23] 王伯仁, 蔡泽江, 李冬初. 长期不同施肥对红壤旱地肥力的影响. 水土保持学报, 2010, 24(3): 85-88.

WANG B R, CAI Z J, LI D C. Effect of different long-term fertilizationon the fertility of red upland soil.2010, 24(3): 85-88. (in Chinese)

[24] ULRICH B. Natural and anthropogenic component of soil acidification.1986, 149: 702-717.

[25] 赵秉强, 张福锁, 李增嘉, 李凤超, 史春余, 张骏, 张新春, 申加祥, 潘海军, 赵甲美. 套作夏玉米根系数量与活性的空间分布及变化规律. 植物营养与肥料学报, 2003, 9(1): 81-86.

ZHAO B Q, ZHANG F S, LI Z J, LI F C, SHI C Y, ZHANG J, ZHANG X C, SHEN J X, PAN H J, ZHAO J M. Vertical distribution and its change of root quantity and activity of inter-cropped summer maize.2003, 9(1): 81-86. (in Chinese)

[26] 赵秉强, 张福锁, 李增嘉, 李凤超, 史春余, 张骏, 张新春, 申加祥, 潘海军, 赵甲美, 尹玉波, 武传杰. 间作冬小麦根系数量与活性的空间分布及变化规律. 植物营养与肥料学报, 2003, 9(2): 214-219.

ZHAO B Q, ZHANG F S, LI Z J, LI F C, SHI C Y, ZHANG J, ZHANG X C, SHEN J X, PAN H J, ZHAO J M, YIN Y B, WU C J. The vertical distribution and its change of root quantity and activity of the inter-planted winter wheat.2003, 9(2): 214-219. (in Chinese)

[27] 苏志峰, 杨文平, 杜天庆, 郝教敏, 孙敏, 高志强, 杨珍平. 施肥深度对生土地玉米根系及根际土壤肥力垂直分布的影响. 中国生态农业学报, 2016, 24(2): 142-153.

SU Z F, YANG W P, DU T Q, HAO J M, SUN M, GAO Z Q, YANG Z P. Effect of fertilization depth on maize root and rhizosphere soil fertility vertical distribution in immature loess subsoil.2016, 24(2): 142-153. (in Chinese)

[28] 朱献玳, 陈学留, 刘益同, 王忠孝, 张建华. 玉米根系的生长及其在土壤中的分布. 莱阳农学院学报, 1991, 8(1): 15-19.

ZHU X D, CHEN X L, LIU Y T, WANG Z X, ZHANG J H. Root growth and distribution in soil of maize.1991, 8(1): 15-19. (in Chinese)

[29] 张云贵, 刘宏斌, 李志宏, 林葆, 张夫道. 长期施肥条件下华北平原农田硝态氮淋失风险研究. 植物营养与肥料学报, 2005, 11(6): 711-716.

ZHANG Y G, LIU H B, LI Z H, LIN B, ZHANG F D. Study of nitrate leaching potential from agricultural land in northern China under long-term fertilization conditions.2005, 11(6): 711-716. (in Chinese)

[30] ZHANG Y M, HU C S, ZHANG J B, CHEN D L, LI X X. Nitrate leaching in an irrigated wheat-maize rotation field in the North China Plain.2005, 5(2): 196-203.

[31] ESTELLER M V, MARTINEZ-VALDES H, GARRIDO S, URIBE Q. Nitrate and phosphate leaching in a Phaeozem soil treated with biosolids, composted biosolids and inorganic fertilizers.2009, 29: 1936-1944.

[32] ELTUN R, FUGLEBERG O. The Apelsvoll cropping system experiment. VI. Runoff and nitrogen losses.1996, 10: 229-248.

[33] HANSEN B, KRISTENSEN E S, GRANT R, HOGH-JENSEN H, SIMMELSGAARD S E, OLESEN J E. Nitrogen leaching from conventional versus organic farming systems-A systems modelling approach.2000, 13: 65-82.

[34] FLORES P, CASTELLAR I, NAVARRO J. Nitrate leaching in pepper cultivation with organic manure and supplementary additions of mineral fertilizer.2005, 36: 2889-2899.

[35] STOPES C, LORD E I, PHILIPPS L, WOODWARD L. Nitrate leaching from organic farms and conventional farms following best practice.2002,18: 256-263.

[36] THOMSEN I K, HANSEN J F, KJELLERUP V, CHRISTENSEN B T. Effects of cropping system and rates of nitrogen in animal slurry and mineral fertilizer on nitrate leaching from a sandy loam.1993, 9: 53-58.

[37] KEMPPAINEN E. Leaching and uptake of nitrogen and phosphorus from cow slurry and fox manure in a lysimeter trial.1995, 4: 363-375.

[38] 李燕青. 不同类型有机肥与化肥配施的农学和环境效应研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2016.

LI Y Q. Study on agronomic and environmental effects of combined application of different organic manures with chemical fertilizer[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2016. (in Chinese)

[39] 沈善敏. 中国土壤肥力. 北京: 中国农业出版社, 1998.

SHEN S M.Beijing: China Agriculture Press, 1998. (in Chinese)

[40] World Health Organization.. 4th ed, 2011: 306.

[41] XI B, ZHAI L, LIU J, LIU S,WANG H, LUO C, REN T, LIU H. Long-term phosphorus accumulation and agronomic and environmental critical phosphorus levels in Haplic Luvisol soil, northern China.2016, 15: 200-208.

[42] 温延臣. 不同施肥制度潮土养分库容特征及环境效应[D]. 北京: 中国农业科学院, 2016.

WEN Y C. Study on characteristics of fluvo-aquic soil nutrient pools and environmental effects of different fertilization systems[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2016. (in Chinese)

[43] LIN Z A, CHANG X H, WANG D M, ZHAO G C, ZHAO B Q. Long-term fertilization effects on processing quality of wheat grain in the North China Plain.2015, 174: 55-60.

[44] YANG Q L, LIU P, DONG S T, ZHANG J W, ZHAO B. Combined application of organic and inorganic fertilizers mitigates ammonia and nitrous oxide emissions in a maize field.2020,117: 1-15.

Effect of Long-Term Fertilization on Nutrient Distribution of Fluvo-Aquic Soil Profile

WEN YanChen1, LI HaiYan1,YUAN Liang1, XU JiuKai1, MA RongHui2, LIN ZhiAn1, ZHAO BingQiang1

(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;2Soil and Fertilizer Station of Shandong Province, Jinan 250100)

【】Based on the long-term positioning monitoring platform of fertilization experiment, the effects of different fertilization patterns on the soil fertility and spatial distribution of nutrients were studied in fluvo-aquic soil, so as to provide a basis for rational fertilization and scientific fertilization of farmland in the North China Plain. 【】Taking no fertilization (CK) as a control, three treatments with equal nitrogen rate (N 180-225 kg·hm-2) was conducted since 1986, including chemical fertilizer (F), organic manure (M), and combination of organic manure with chemical fertilizer (MF). Soil pH, organic matter, nitrogen, phosphorus, potassium of and its spatial distribution were analyzed for every 20 cm depth of soil till 200 cm. 【】After 31 years of continuous fertilization, soil organic matter, total nitrogen, alkali-hydrolyzed nitrogen, nitrate nitrogen, available phosphorus, and available potassium all decreased with the increase of soil depth. As to the equal nitrogen application, the organic matter content under F, M and MF in 0-40 cm was 14.2, 25.6 and 18.2 g·kg-1, respectively. Compared with F, the organic matter under M and MF were increased by 80.3% and 28.2%, respectively. The total nitrogen content under F, M and MF in 0-40 cm was 0.93, 1.67, and 1.21 g·kg-1, respectively. M and MF increased total nitrogen by 79.6% and 30.1%, respectively, compared with F. The alkali hydrolysable nitrogen content under F, M and MF in 0-40 cm was 80.2, 120.7, and 83.3 mg·kg-1, respectively. And compared with F, the growth ratio of alkali hydrolysable nitrogen for M and MF was 50.5% and 3.9%, respectively. The 0-200 cm nitrate nitrogen content of F (21.1 mg·kg-1) was 3.4 times and 1.8 times as much as that of M (6.2 mg·kg-1) and MF (11.9 mg·kg-1), respectively. The available phosphorus of 0-60 cm for M (134.3 mg·kg-1) and MF (60.5 mg·kg-1) was 7.2 times and 3.3 times than that of F (18.6 mg·kg-1), respectively. The available K content under F, M and MF in 0-40 cm was 90, 163, and 89 mg·kg-1, respectively. Compared with chemical fertilizer, the pH of 0-200 cm soil of long-term application of cattle manure or combination of organic manure with chemical fertilizer showed no significant difference.【】Long-term application of chemical fertilizer had high risk of nitrate leaching, and the content of nitrate nitrogen in the 0-200 cm soil layer was 21.1 mg·kg-1under the F treatment, which increased the risk of nitrate nitrogen leaching. Long-term application of organic manure had high risk phosphorus leaching. Although the soil phosphorus concentration was mainly above 60 cm, the available phosphorus content of the 20-40 cm soil was as high as 115 mg·kg-1and 70 mg·kg-1under M and MF treatment, leading to the high potential leaching risks. Combination of organic manure with chemical fertilizer could ensure high yield, and reduce the risk of environmental pollution of nitrogen and phosphorus.

fluvo-aquic soil; fertilization regimes; soil profile; soil nutrient