农业生态系统长期试验在农业和环境研究中的作用

张莎娜，谭长银，万大娟，杨 燕，彭 渤，夏伟霞

(湖南师范大学资源与环境科学学院，中国长沙 410081)

农业生态系统的长期试验(Long-term agroecosystem experiments，LTAEs)一般定义为20年以上、有一定规模，用于研究农业过程的农作物产量、养分循环和环境效应的田间试验［1］.也有人把一季作物或2～3年的试验称为短期试验，持续时间5～10年的试验称为中期试验，超过10年至几十年的试验归入长期试验，百年以上的试验定位为超长期试验［2］.农业生态系统的长期试验可以为农业可持续发展的生物学、生物地球化学和农业环境评价提供有价值的信息，并可以用于全球变化的预测和相关预测模型的建立和验证.

农业生态系统长期试验是一种“长期”、“定位”的研究方法，具有时间的长期性、气候的可重复性，信息量丰富、准确可靠、解释能力强，因此它具有常规短期试验不可比拟的优点.长期延续下来的农业试验看起来很平凡，但从时间序列上看，只要能坚持对基本试验要素的长期观测，延续的时间愈长，其科学价值愈重大.随着科学和技术的发展，农业生态系统的长期试验的应用领域也逐步得到拓展(如物种适应性及其他未知领域)(图1［1］).

对农业生态系统长期试验的研究成果进行总结，可以加深对土壤肥力与肥效的变化规律的理解，也可以揭示常规农业管理条件下长期施肥可能产生的生态过程及其环境效应，并为解决农业生态系统长期试验相关领域的科学问题积累资料.

1 农业生态系统长期试验的发展概况

国外的农业生态系统长期试验起步较早、历时长、连续性较好，已成为一种比较成熟、综合性较强的科学研究方法.1843年Lawes 和Gilbert 在英国洛桑试验站(Rothamsted Experimental Station)开始的田间试验被公认为持续时间最长的农业生态系统长期定位试验，经过几代科学家170年的持续努力，洛桑试验站为农业和环境重要研究项目提供了许多宝贵信息.此外，持续50年以上比较有影响的试验还有美国的Morrow(1876)和Sanborn(1888);丹麦的Askov(1894);德国的Eternal Rye(1878)和Static Fertilizer(1902);澳大利亚的Rutherglen(1913)、Longerenong(1917)和Waite(1925);波兰的Skiemiewice(1923);加拿大的Lethbridge(1911)和Breton(1930)等设计的长期试验.可以看出，这些经典的长期试验主要分布在比较稳定的发达国家，发展中国家相对较少［1］.

图1 农业生态系统长期试验的作用随时间的变化Fig.1 Changes in the role of LTAEs over time

我国长期肥料试验起步较晚，且很多试验站没有维持下来.1987年国家计委和农业部在全国重点农区不同类型的土壤上建立了9 个土壤肥力和肥料效益长期定位监测基地，组成了国家级大型土壤肥力和肥料效应长期定位监测试验站网络.这9 个监测基地横跨我国4 个气候带，9 种土壤类型，采用统一的试验设计及观察研究方法，具有空间上的多点性和时间上的连续性，代表性强，是当时国内较为系统和全面的长期定位试验基地［2］.20世纪80年代末，中国科学院在全国建立了主要由36 个生态系统定位实验站组成的中国生态系统研究网络(CERN).其中与农业生态系统的长期试验密切相关的有海伦农业生态实验站、沈阳生态实验站、禹城农业综合实验站等12 个试验站.肥料效应长期定位监测试验站网络和中国生态系统研究网络形成了覆盖我国几乎所有农业生态系统的农业长期定位试验网络，有明确的科学目标、广泛的研究内容:土壤肥力动态、施肥制度，有机质分解、积累与平衡，不同污染物在土壤-植物系统的迁移、运转规律，生物多样性和农业生态系统的可持续性，农业环境演变及其与全球变化的关系等.该网络的形成为开展我国农业生态系统动态及其功能演变的研究、探索农业生态过程的地理分异规律、加强新理论和新技术的应用奠定了良好的基础.

2 长期试验在农业生态过程研究中的作用

2.1 长期施肥对土壤肥力及农作物产量的影响

长期施肥条件下土壤肥力和农作物产量变化规律是农业生态系统长期试验的一个重要研究内容，很多长期试验得出的结论认为，有机肥和化肥对作物有极好的增产效果和持续的增产作用.Cooke 分别统计了洛桑试验站各试验地18～61年6 种农作物长期施用化肥与厩肥的效果，总的趋势是化肥的肥效略高于厩肥;化肥和厩肥配合无论是近期或者长期都可取得较高的产量和经济效益［3-4］.淋溶土上的研究表明，长期小麦/大豆轮作条件下，不施肥及仅施NP 肥处理的大豆和不施肥以及仅施N 肥处理的小麦产量下降;NPK 配施粪肥或石灰的处理小麦产量增加［5］.在法国西南部的石灰性土上，长期不施钾肥严重影响谷子—油菜—蚕豆轮作系统的产量，钾的投入有助于农作物产量的提高;长期不施肥土壤中的可交换钾含量轻微下降，但没有达到营养平衡水平［6］.Bhandari 等［7］在印度的研究表明，无机肥配施有机肥能显著提高水稻、小麦籽粒的产量;美国德克萨斯州进行的玉米/棉花轮作施肥实验中，长期施用高量N 肥比施用低量N 肥使作物残差覆盖度增加了8%;平衡施用NPK 肥可以提高块根和地上部生物量［8］.德国50年的长期试验研究表明，小麦/玉米轮作过程中施用厩肥或秸秆还田配施NPK 化肥可以获得较高的产量;对小麦而言，轮作的增产效应不受施肥的影响，对玉米而言，施肥降低了几乎一半的轮作效应［9］.Rebafka 等［8］在非洲的研究表明，秸秆还田配施磷肥可以显著地提高稻谷的产量;尼日尔的酸性沙土中，无论长期还是短期的残差还田可使稻谷增产高达60%，不还田的则迅速减产;而残差还田配施磷肥，可以获得更高的产量和干物质生物量［10］.Dybzinski［11］分析认为，长期施肥使得农田生态系统的生物多样性增加，从而增加土壤肥力，提高作物产量.

在我国的农业生态系统长期试验研究中，化肥和有机肥对土壤肥力和农作物产量的持续影响一直是研究的重点.王飞等［12］的研究表明:长期化肥配施牛粪或秸秆还田有利于提高水稻子粒Zn、B、Cu 等微量元素含量和产量，改善子粒营养品质.在第四纪红土红壤发育的水稻土上的实验研究表明，长期施用化肥和有机肥可以使土壤有机质、全N、全P、可矿化N 量均增加，化肥和稻草长期配合施用可以维持和提高红壤水稻土的生产力和土壤肥力，使水稻获得持续高产;而不施肥、施用单一化肥的处理，土壤养分含量和稻田的生产力显著降低［13］.曹志洪［14］在常熟生态农业实验站进行的稻麦两熟制下土壤养分平衡与培肥长期试验研究表明，化肥加秸秆粉碎还田可以有效地促进土壤养分的积累，维持土壤有机质的平衡，增加作物的产量;有机、无机肥的配合施用是合理利用资源，保持和提高土壤肥力的重要施肥制度.钦绳武等［15］长期定位试验研究的结果表明:N、P 肥配合施用使潮土生产能力显著提高，一旦停止施肥，农作物产量迅速下降到很低水平;在试验施肥模式和产量水平下，大多数潮土中的N、P 养分和有机质都略有盈余，而K 养分则普遍亏缺.

长期施肥不仅影响土壤的养分状况，也同样影响土壤的重要性质.唐旭等［16］研究发现，长期施用无机肥可破坏土壤结构稳定性并导致土壤酸化，使大麦产量逐年降低.在湖南祁阳典型红壤上进行不同施肥长期定位试验18年的研究结果表明:施用化学氮肥所引起的pH 降低是作物产量和NPK 养分降低的主要原因之一;而施用有机肥能改善红壤酸度，尤其是化学肥料配施有机肥能获得持续高产，是红壤区的最佳施肥模式［17］.另有研究表明:长期施用NPK 肥和秸秆覆盖能显著提高土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮和全磷含量，施肥、秸秆覆盖和灌水对土壤全钾含量总体上影响不显著［18］;施用有机肥和有机无机配施能够增加松结态、稳结态、紧结态腐殖质的总量，提高松/紧比值，而这也是有机肥能够培肥土壤的重要原因之一［19］.刘小粉等［20］利用分形维数评价不同施肥处理对土壤团聚体稳定性的影响时发现:长期进行有机肥—化肥配施的土壤其大团聚体含量较多，团聚体稳定性较好，有机质含量较多，土壤容重较小，孔隙搭配合理，水肥能得到有效利用.对东北黑土长期施肥及养分再循环的研究发现，无肥、单施N 肥、单施P 肥和原始有机农业循环方式条件下黑土总有机碳(TOC)呈下降趋势，合理施用化肥和化肥加有机肥模式能保持黑土TOC 稳定或略有增加［21-22］.有机肥与化肥配合施用较长期无肥处理可显著提高土壤有机质水平，增加土壤全N 含量［23］，施用有机肥比无机肥更能提高土壤有机质含量［24］.王伯仁等［25］对旱地红壤连续13年定位监测研究发现，长期进行有机-无机肥料配合施用，土壤有机质含量逐步提高;长期单施化肥，土壤交换性H+、Al3+显著增加，旱地红壤酸化明显，作物生长受阻，产量降低.邹长明等［26］的研究表明，施用含S 化肥15年后导致水稻土表层土壤pH 明显下降、SO2－4明显累积.施用含S 化肥24年后，土壤有效Cu、B、Mn 及全Ca 含量有增加趋势，对有效Mo、Zn 及总Mg 似乎没有影响;长期施用含硫化肥已显著减少水稻(尤其是晚稻)对Fe、Mo、B、Mg、Cl 的吸收，并导致水稻减产.洛桑试验站的经典试验还表明，长期施用氨态N 肥可导致土壤Al3+的溶出，土壤酸化［27］.张永春等［28］研究太湖地区典型土壤黄泥土上26年的长期施肥试验时发现，不同施肥处理对土壤pH 和土壤酸碱缓冲容量有显著影响，长期施用尿素、有机肥及水稻秸秆均导致土壤的酸化，增施尿素可显著促进土壤酸化，尿素和水稻秸秆或有机肥配施所引起的土壤酸化速率均大于单施尿素处理.

各国的研究均表明，农业生态系统的长期试验能够在最大时间尺度上提供传统农业和现代农业过程的可靠信息，根据这些历史信息可以更好地预测未来土壤肥力和农作物产量的变化趋势，并为建立和检验可持续农业管理系统提供有效途径.

2.2 长期试验对土壤微生物活性及微生物多样性的影响

不同肥料的施用改变了土壤微生物的能源结构及微生物的生存环境，从而对土壤微生物的活性及其多样性产生重要影响.李娟等［29］在国家褐潮土肥力与肥料效益监测基地，应用氯仿熏蒸—K2SO4提取法和化学分析法分析了15年不同施肥处理的农田土壤，认为长期有机无机肥料配施可提高土壤微生物量、脲酶活性;土壤微生物学特性可以反映土壤质量的变化，可用作评价土壤健康的生物指标.侯晓杰等［30］应用BIOLOG 技术，发现裸地条件下，肥料合理配施可以增强微生物的碳源利用效率，显著增加微生物功能多样性;地膜覆盖和施肥的交互作用降低了微生物对碳源的利用率，降低微生物的丰富度，改变其均匀度;土壤微生物碳源利用的差异显著受到土壤pH、速效钾含量的影响;有机碳、速效氮含量及土壤碳氮比对土壤微生物群落功能多样性有决定性影响.

进一步的研究表明，长期施用化肥和有机肥对土壤酶活性和微生物功能多样性有重要影响.在棕壤分布区的研究发现，长期施肥与地膜覆盖对土壤肥力指标和微生物学性质有重要影响［31］.白震［32］在黑土肥料定位站以未施肥(CK)和休闲(Fallow)处理为对照，发现长期有机肥施用有效提高了土壤有机质、总氮及速效氮、磷、钾等养分含量，显著增加了SMBC(SMBN)和真菌、细菌的PLFA 含量以及磷酸酶活力，极大地提高了土壤真菌/细菌比值;而长期NP 或NPK 处理不但未明显改善土壤养分状况，甚至抑制了磷酸酶活性及大多数菌群生长.周斌［33］在灰漠土农田土壤研究中发现，长期施肥后灰漠土土壤的生物活性(蛋白酶、腮酶、磷酸酶、蔗糖酶活性)比试验前均有所提高;不同施肥处理下土壤酶活性和土壤理化性质存在明显差异，N 和有机质含量是制约灰漠土土壤酶活性的关键因子.

3 长期试验在环境问题研究中的作用

3.1 长期施肥对土壤温室气体排放和固定的影响

与自然土壤相比，农田土壤在全球碳库中是最为活跃的土壤类型之一，是受到强烈人为扰动且短时间内可调节的碳库，因而农业土壤碳库储量及其固碳能力是评估温室气体减排潜力的重要依据.据估计，全球农业土壤固碳潜力为20 Pg，欧美诸国由于实行保护性耕作使得近期农业土壤碳库呈稳定增长的趋势［34］.农业是当前具有很大缓解能力和潜力的一个重要的陆地生态系统，全球农业减排的自然总潜力高达5.5～6 Gt·a－1CO2当量，其中93%来自减少土壤CO2释放(即固定土壤碳)，而东南亚是全球最大的农业(土壤)固碳与温室气体减排的潜力所在［35］.另有报道，土壤有机碳库中的C 是大气中C 总量的两倍，土壤有机碳库可能是大气中多余CO2的一个汇，这可能是缓解全球气候变化的一条重要途径［36］.

农业生态系统长期试验在长期施肥对温室气体排放和吸收的影响研究中可发挥重要作用.长期施用化肥和有机肥以及不同的施肥方式均影响CO2、N2O、CH4等土壤温室气体排放.美国Missouri 的长期试验研究表明，施用化肥和有机肥在增加作物产量的同时也增加了有机物料的数量，有机物料循环可以显著增加土壤有机碳含量［1］.陈杰华等［37］采用DNDC 模型来探讨长期不同耕作措施下紫色水稻土壤有机碳变化趋势，结果表明:经过15年的耕种，4 种耕作制度的土壤有机碳含量都较原始有机碳含量有所上升.模拟结果证明，长期实施秸秆还田可提高土壤有机碳含量，秸秆还田配合垄作免耕对土壤有机碳的增长效果更好.在黑土、灰漠土和红壤的长期施肥试验研究中同样发现，有机无机肥料配施能维持和提高土壤有机碳含量［38］.进一步研究还发现:秸秆还田有利于促进表土有机碳的固定，水田在保持较高固碳速率的同时，还延长了有效固碳年限［39］.董玉红等［40］采用静态箱/气象色谱法，研究长期不同养分配施(CK，NK，NP，PK 和NPK)后的农田土壤温室气体排放差异.结果表明，不同处理条件下，土壤CO2排放呈相似的变化趋势，受土壤温度和水分的共同影响，土壤CH4和N2O 的时间变化在不同处理间存在差异，和温度水分的关系不明显.土壤CO2平均排放通量从小到大依次为CK、NK、PK、NP、NPK，CH4的平均排放通量在各处理中没有差异，不施肥对照和PK 处理的平均N2O 排放通量最低，而NP、NK 和NPK 处理明显高于不含氮肥的处理.此外，另有研究表明:施用有机肥，尤其是未腐熟的有机物料如作物秸秆、新鲜绿肥、未腐熟厩肥等，可促进农田土壤CH4、N2O等微量温室气体的排放［41］.这些研究结果的差异，可能与不同试验的研究目标有关，也与试验时间的长短有关，要得到比较准确可靠的结论，长期试验是一个有效的途径.

模型模拟是对环境演变趋势进行预测的有效方法，但模型的建立要以长期试验提供的可靠数据为基础，也需要长期试验提供比较系统和完整的信息.农业生态系统长期试验的大量可靠信息在土壤C 吸收和全球气候变化的模型模拟中发挥了重要作用.

3.2 长期施肥对土壤重金属积累及其有效性的影响

环境变迁的历史过程都会在土壤中留下相应信息，农业生态系统的长期试验很好地记录了这些信息，从而为环境演变过程研究提供了一条有效途径.为了解土壤重金属积累随时间的变化规律及重金属的来源，Jones 等人分析了洛桑试验站100 多年以来的土壤、肥料以及大气沉降物样品中Cd 的含量，结果表明，自1846年以来，耕层土壤中Cd 含量有显著增加，而且20世纪初期以后土壤Cd 含量增加的速度明显加快.增加的Cd 中有27%～55%来源于大气沉降，大气沉降使土壤中Cd 每年增加1.9～5.4 g·hm－2;施用P 肥的处理，土壤Cd 的平均负荷为每年2 g·hm－2;在土壤Cd 积累方面，土壤有机质含量较土壤pH 值起着更重要的作用;长期施用有机肥(厩肥)可以使土壤Cd 含量显著增加，其积累效应较大气沉降和P 肥施用的总和更显著［1，42］.陈芳等［43］测定封丘农业实验站长期肥料试验土壤中As、Hg、Cd、Pb 含量时发现，随耕作年限增加，土壤中4 种重金属含量呈上升趋势，土壤重金属质量分数增加从大到小顺序为:Hg、Cd、Pb、As;到2001年为止研究区土壤重金属含量尚未超过土壤环境质量一级标准.谭长银等［44］在中国科学院海伦农业生态实验站研究了长期定量施用NP 化肥和猪粪对黑土Cd 积累的影响.结果表明，完全不施肥的自然农业生产过程黑土Cd 含量略有增加;长期定量施用NP 化肥使黑土Cd 含量显著增加，但不同化肥用量对黑土Cd 积累的影响无显著差异;长期施用猪粪可显著增加黑土Cd 的积累，并有加速积累的趋势，含Cd 饲料添加剂可能是猪粪中Cd 的重要来源，但农田土壤中有机肥的来源不同对土壤重金属积累的影响也不同.在中国科学院桃源农业生态实验站的长期试验研究中发现:单施化肥可以明显降低土壤Cd 含量，水稻收获时的移出效应可能是Cd 含量减少的主要原因;而施用有机肥的处理，有机物料的循环在归还养分的同时，也归还了Cd;施用化肥和有机物料循环可以使红壤稻田Pb 含量增加，对Cu 和Zn 的积累作用不显著［45］.

长期施肥不仅可以影响土壤中重金属的积累，不同肥料的施用对土壤重金属的有效性也有重要影响.对封丘实验站不同施肥条件下潮土Cu、Zn、Fe、Mn 含量的研究发现，不同施肥处理之间Cu、Zn、Fe、Mn 的全量无显著差异，但施用有机肥的处理DTPA 提取态Cu、Zn、Fe、Mn 含量显著高于对照［46］.王开峰等［47］以中国科学院桃源农业生态试验站的长期定位试验为依托，发现有机质和活性有机质可以显著提高土壤有效态Zn、Cu、Cd 含量，土壤有机质对重金属有明显的“活化作用”，并建议在重金属本底值较高的稻田中慎用有机肥.对中国南方红壤和北方黑土长期试验研究表明，长期施用猪粪不仅增加土壤Cd 积累，也增加交换态Cd 在全量Cd 中所占的比例［48-49］.孙花等［50］也认为土壤有机质的含量和组成可以影响重金属在土壤中的积累、迁移转化过程及其生物有效性.

3.3 其他农业环境问题研究

化肥和有机肥的不合理施用有可能导致土壤养分的流失及水体富营养化等问题.在日本琦玉农业试验站的长期试验(1904年布置试验)发现，连续80年完全不施肥的处理，水稻产量经历了一个下降—稳定—上升—稳定的过程:前30年(至1934)下降，随后的20年(至1954)产量维持稳定，从1955年开始产量又大幅增加，此后一直维持在较高的水平.后来研究表明，其主要原因是灌溉水中N 浓度增加了.灌溉水中N 浓度的增加虽然可以导致农作物的增产，但也可能带来水体的富营养化［51］.也有试验证实，欧洲一些地区地下水的污染并非主要来源于农业中含N 化肥的应用，而主要来自土壤中有机N 的矿化［52］.

水土流失是我国西部地区主要的农业环境问题之一，尤其是黄土高原地区，水土流失对当地农业生产和生态环境造成了严重影响，极大地增加了下游河道治理与水资源利用的难度.农业生态系统的长期试验在水土保持和农业资源利用方面发挥了积极作用.宋孝玉等［53］根据长武农业生态站径流小区的观测资料对陕西长武不同下垫面条件农田产流产沙规律及影响因素进行了分析，指出降雨强度对产流量和产沙量的影响起主要作用，在此前提下，降雨历时也影响着产流、产沙量;坡度和覆盖条件也是影响黄土沟壑区农田产流产沙的重要因素.

4 研究展望

用数十年乃至上百年的试验结果反复证明某种养分对作物的增产作用必定有其更广泛的科学价值;事实上，超过百年历史的长期肥力试验记录着人类活动和环境变迁的丰富信息，是有巨大科学价值的宝贵财富.一百多年来，农业生态系统的长期试验在土壤肥力、养分循环、农作物产量和品质等方面的研究已经取得了许多重要的研究成果，随着对相关领域科学问题认识的不断深入和现代科学技术的发展，以下几个方面可能是长期定位试验重要的研究方向:(1)长期施用化肥和有机肥在不同环境条件下(如土壤类型、气候类型、农作物类型等)对养分的迁移转化及土壤性质的影响;(2)长期施肥对土壤重金属积累过程的影响，特别是近年来畜禽粪便类有机肥的长期施用所引起的土壤重金属积累情况值得进一步研究;(3)长期施用有机肥所引起的土壤有机质组成和性质变化对土壤养分循环和重金属迁移转化过程的影响;(4)长期施用有机肥和化肥可能带来的持久性有机污染物、激素类污染物等对环境、农产品等构成的潜在威胁［54］;(5)长期施用化肥和有机肥及其所引起的土壤养分和土壤性质变化对土壤生物多样性的影响过程及其机制研究有待进一步深入;(6)农业生态系统的碳、氮循环对维持全球碳、氮平衡具有重要意义，可以预期，长期定位试验将为碳、氮循环的影响因素及其驱动机制研究提供可靠的重要信息.

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