26年来东北黑土区土壤养分演变特征

康日峰，任　意，吴会军，张淑香

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2全国农业技术推广服务中心，北京100026）



26年来东北黑土区土壤养分演变特征

康日峰1，任意2，吴会军1，张淑香1

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2全国农业技术推广服务中心，北京100026）

摘要：【目的】东北黑土区土壤肥沃，是中国重要的粮食主产区之一。对东北黑土区20世纪80年代以来国家级耕地质量长期监测数据进行整理和分析，以明确中国东北黑土区农业生产实践中土壤养分状况和肥力水平，为农田土壤培肥提供科学指导依据。【方法】利用时间趋势分析法探讨17个国家级黑土耕地质量长期监测点26年来土壤养分随时间的变化趋势，分别总结土壤有机质（SOM）、全氮（TN）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）含量在监测初期（1988—1997年）、监测中期（1998—2003年）和监测后期（2004—2013年）的变化规律及其总体变化趋势；在分析土壤全氮和有机碳含量变化特征以及碳氮比（C/N）演变规律的基础上，进一步分析碳和氮之间的养分平衡关系；运用主成分分析方法分析不同监测时期上述5大肥力指标对黑土区土壤综合肥力的影响，得出该区综合肥力主要贡献因子，并分别计算3个不同监测时期黑土区土壤综合肥力属性得分。【结果】黑土区农田土壤经过10—26年的演变，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量整体呈上升趋势。与监测初期相比，监测后期土壤养分含量均显著提高（P＜0.05），土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾分别提高了33.9％、43.9％、27.6％、90.3％和11.8％，有效磷提升效果最为显著。进一步分析土壤有效磷含量发现，监测后期71.4％的监测点土壤有效磷含量维持在15.0—50.0 mg·kg-1，既能满足作物生长需求，又不至于引发地下水环境污染，而28.6％的监测点土壤有效磷含量已超过50.0 mg·kg-1的环境阈值，应及时控制磷素的输入。分析主要肥力因素有机碳和全氮之间的关系表明，黑土区土壤C/N略有下降趋势，从1988年的10.3降至2013年的9.6，下降了6.8％。黑土区5个肥力指标得分系数由大到小的顺序为：SOM＞TN＞AN＞AP＞AK，说明黑土区土壤有机质和全氮是影响土壤综合肥力的关键因素；监测初期和监测中期土壤综合肥力属性得分平均值分别为-1.099和-0.541，而监测后期土壤综合肥力属性的得分增加到了 0.5888，监测后期土壤综合肥力得到显著提升。【结论】在农民常规施肥条件下，经过10—26年的长期耕作，黑土区土壤肥力在监测后期得到显著改善，但28.6％的监测点应注意控制磷肥用量，以免引起水体污染；而监测区黑土C/N呈逐年下降趋势，应该加大有机物料的投入，以维持土壤碳氮的养分平衡。

关键词：黑土；常规施肥；长期监测；有效磷；碳氮比

联系方式：康日峰，E-mail：jamesrfk@sina.com。通信作者张淑香，Tel：010-82106202；E-mail：zhangshuxiang@caas.cn

0 引言

【研究意义】东北黑土区耕地面积约3 200万hm2，土壤养分含量丰富，物理性质良好，适宜农业耕作，是中国最重要的粮食生产优势区和最大的商品粮供给基地。2013年，东北黑土区粮食产量高达1 302.50 亿kg［1］。农业发展实践证明，土壤肥力水平的高低以及肥料的合理使用是粮食持续增产的关键因素［2］。因此，掌握黑土肥力现状、分析养分演变规律，对有效地维持和保护东北黑土区耕地质量、保障粮食生产和安全具有重要的现实意义。【前人研究进展】目前，关于东北黑土区土壤养分含量和演变特征已有不少报道。如汪景宽等［3］在黑龙江省多个典型黑土区域进行了大量采样调查和数据收集工作，分析该地区土壤肥力质量状况，结果显示20世纪80年代该区域80％以上的土壤肥力综合指数以一、二级为主，而到21世纪初98％以上的土壤肥力质量下降到二、三级，认为土壤肥力的明显降低可能与该地区长期以来“重种轻养”有关。韩秉进等［4］在黑龙江和吉林两省47个市（县）广泛采样并结合第二次土壤普查数据分析黑土养分演变规律发现，1979—2002年期间有机质和速效钾含量下降，但全氮、碱解氮、速效磷含量均上升，其中有效磷含量上升幅度较大，平均每年上升 0.55—0.64 mg·kg-1，20多年来长期大量磷肥的施用使得有效磷含量大幅度上升。国家黑土长期监测数据显示，39％的黑土监测点土壤有效磷含量显著升高并引起土壤较高的磷盈余，而监测点较高的磷肥用量是导致土壤有效磷升高的直接原因［5］。由此可见，施肥量和施肥措施是导致土壤养分盈亏的主要原因。国内外长期施肥试验研究表明，长期平衡施用化肥、有机无机肥配施以及秸秆还田等措施可维持或提高土壤肥力水平［6-10］，是土壤培肥的重要途径。此外，土壤养分的盈亏以及各养分之间的平衡关系不仅反映了土壤肥力水平，还是评价土壤质量和土壤环境的重要指标［11］。农业生产实践中，长期过量施肥导致养分在土壤中大量积累，不但增加了环境污染的风险［12］，还严重影响土壤养分平衡，制约黑土农田的可持续发展［13］。前人关于黑土养分含量及其演变已有大量研究，但相关的研究多是年份较早或是短期的田间调查，土壤各养分指标的增减只能说明较短试验期间内的变化，在整个黑土区，缺乏切合农民实际水肥管理措施下长期动态变化过程的分析和研究。而且，随着农业管理措施的不断进步，养分含量均有所提高，笼统地比较土壤养分增减并不科学。只有长期监测试验最能科学的研究土壤养分演变规律，所以在探明近26年来黑土养分现状和演变特征的基础上，进一步分析土壤肥力演变过程中主要的贡献因子以及该过程对土壤环境的影响，是合理调控土壤肥力和科学培肥的基础。【本研究切入点】针对不同时间尺度内分析黑土区土壤养分的长期动态演变特征，并采用统计分析方法确定黑土区主要的肥力贡献因子，进而分析主要肥力指标对土壤环境的影响以及各养分指标间平衡关系。【拟解决的关键问题】为能更加切实地反映中国农业生产实践中养分状况和肥力水平，整理17个国家级黑土耕地质量长期监测点土壤养分以及相关生产状况的监测数据资料，以实际生产中农民习惯水肥管理为基础，探讨26年来黑土区土壤养分长期演变特征，分析比较土壤肥力状况以及主要肥力指标间的关系，以期为合理调控土壤肥力、提升黑土区耕地质量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

国家级黑土长期监测点主要分布在黑龙江（13个）和吉林（4个）两省（图1）。监测点中大部分于1988年建点，后期新增加了一些监测点位，监测年数均在10年以上（包括10年），包含了沟谷厚层草甸黑土、平地中层平地黏底黑土、榆树中层黄土质黑土、公主岭中层黄土质黑土、厚层黄土质黑土、平原厚层黄土质黑土、坡地薄层黄土质黑土、漫坡岗地薄层黏底黑土、平地岗地薄层黏质黑土、漫川厚层黏底黑土、平地中层黏底黑土、平地中层黑土等12个土种的黑土类型。至2013年，监测时间最长的监测点已经有26年历史，为黑土区农业生产实践研究提供了珍贵的资料。

黑土监测区种植的作物主要为玉米，其次为小麦和大豆，以及还有少量的马铃薯、山药等作物，种植制度为一年一熟制，主要以玉米-大豆-春小麦、玉米-大豆-玉米等轮作方式为主。监测区基本没有农田灌溉，耕作采用机械化耕种为主。监测点基本概况以及耕层（0—20 cm）土壤基本性质见表1［14］。

图1　国家黑土长期监测点位置Fig. 1 Map of the national long-term monitoring sites of black soil in the Northeast China

1.2 土壤样品采集与分析

每个监测点设置对照（不施肥）和常规施肥（农民习惯施肥）两个处理，依照当地农民习惯进行水肥管理等农事活动，并定位记载施肥量、肥料种类、作物产量以及管理措施等信息。每季作物收获后，采集耕层（0—20 cm）土壤样品，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾等土壤肥力指标参照农业行业标准《土壤检测》（NY/T 1121.1—18）［14］测定。

1.3 数据处理

试验数据用Excel 2010整理，运用Sigmaplot 12.5和SPSS 17.0进行相关性分析及显著性检验。为避免个别年份点位差异对土壤养分的演变规律造成影响，因此，总体按照建点时间将17个监测点划分为监测初期（1988—1997年）、监测中期（1998—2003年）和监测后期（2004—2013年）3个阶段。鉴于一组数据中的极大值或极小值对算术平均值影响较大，代表性差，所以本研究中所涉及的土壤养分演变趋势的数据（盒形图）均以每组数据的中值表示［15］，采用Kruskal-Wallis H进行单向显著性检验（P＜0.05）；采用SPSS17.0结合陈欢等［16］的方法进行主成分分析。

表1　监测点基本概况以及耕层（0—20 cm）土壤基本性质Table 1 General information of monitoring sites and basic properties of black soil

2 结果

2.1 土壤养分演变特征

图2　监测点黑土有机质含量演变趋势Fig. 2 Change tendency of soil organic matter content in black soil

2.1.1 土壤有机质 长期监测结果表明，监测区黑土有机质含量总体呈上升趋势（图 2），各监测点的土壤有机质水平维持在18.00—41.20 g·kg-1。1988—1997年的监测初期土壤有机质含量略有下降，1998—2003年的监测中期、2004—2013年的监测后期（r=0.19，P＜0.05）有机质含量均呈上升趋势。监测后期土壤有机质含量为30.99 g·kg-1，与监测初期（23.15 g·kg-1）和监测中期（27.20 g·kg-1）相比显著提升（P＜0.05），分别提升了33.9％和13.9％。 2.1.2 土壤全氮 从整个变化过程来看，黑土区土壤全氮含量变化与有机质变化相似，整体呈现上升趋势（图3），各个监测点土壤全氮含量范围为1.02—3.15 g·kg-1。从1988—1997年土壤全氮含量趋于稳定，1998 —2003年期间土壤全氮含量上升显著（r=0.49，P＜0.05），年均提高6.1％，而2004—2013年期间全氮含量略有下降，但下降未达到显著水平。每个监测阶段的全氮含量差异性显著（P＜0.05），经过多年时间的演变，土壤全氮含量从监测初期的1.39 g·kg-1增加到了监测后期的2.00 g·kg-1。

图3　监测点黑土全氮含量演变趋势Fig. 3 Change tendency of total nitrogen content in black soil

2.1.3 土壤碱解氮 黑土区土壤碱解氮含量水平在91.50—237.00 mg·kg-1，1988—1997年、1998—2003年期间均有下降的趋势，2004—2013年期间略有上升。监测后期（176.62 mg·kg-1）碱解氮含量较初期（138.47 mg·kg-1）和中期（145.52 mg·kg-1）显著提高（P＜0.05），分别提高了27.6％和23.4％（图4）。

图4　监测点黑土碱解氮含量演变趋势Fig. 4 Change tendency of alkaline-hydrolyzable nitrogen content in black soil

2.1.4 土壤有效磷 监测区土壤有效磷含量整体水平为7.00—75.20 mg·kg-1。3个监测阶段土壤速效磷含量均呈上升趋势，监测初期土壤有效磷含量为 19.54 mg·kg-1，监测中期略有升高，到监测后期显著增加到37.19 mg·kg-1（P＜0.05），其中1998—2003年期间上升显著（r=0.48，P＜0.05）（图5）。

2.1.5 土壤速效钾 黑土区土壤速效钾含量水平在97.80—465.00 mg·kg-1范围内。在1988—1997年期间呈下降趋势，1998—2003年、2004—2013年（r=0.18，P＜0.05）期间均呈上升趋势。监测中期（166.67 mg·kg-1）和监测后期（216.62 mg·kg-1）的土壤速效钾含量较监测初期（149.03 mg·kg-1）相比有均显著提高（P＜0.05），分别提高了11.8％和45.4％（图6）。

2.1.6 土壤碳氮比（C/N）演变规律 通过对土壤有机碳和土壤全氮含量之间的相关性进行分析（图7），结果表明，监测区黑土有机碳和全氮含量之间呈极显著正相关，线性方程为 y=4.2292x+8.9816，相关系数r=0.76**（n=211，P＜0.01）。

进一步分析监测区黑土碳氮比（C/N）演变特征（图8），结果表明，1988—2013年期间黑土C/N呈现下降趋势，从1988年的10.3降至2013年的9.6，下降了6.8％。线性方程为y=-0.0294x+68.331，相关系数r=0.13，未达到显著水平。综合监测区黑土C和N含量随年份变化的规律，表明C和N含量均逐年显著增加，而C/N却有下降趋势，可能是碳氮养分供应不平衡所致。

图5　监测点黑土有效磷含量演变趋势Fig. 5 Change tendency of available phosphorus content in black soil

图6　监测点黑土速效钾含量演变趋势Fig. 6 Change tendency of available potassium content in black soil

图7　黑土全氮和有机碳含量的相关性分析Fig. 7 Relationship between total nitrogen and organic carbon contents in black soil

图8　黑土碳氮比值演变趋势Fig. 8 Black soil C/N ratio at different intervals

2.2 作物产量演变特征

监测区黑土常规施肥条件下玉米产量呈显著增加趋势（图 9），26年后玉米产量平均值稳定在10 204.05 kg·hm-2左右，较无肥区相比增产47.2％。无肥区玉米产量在监测期间也略有提升，26年后玉米产量平均为6 930.9 kg·hm-2。结果表明，黑土区施肥措施具有显著的增产作用。

图9　监测点黑土不施肥和常规施肥处理玉米产量变化趋势Fig. 9 Change tendency of maize yield under unfertilized and normal fertilized in black soil

2.3 土壤肥力指标的主成分分析

2.3.1 主成分贡献率以及各指标得分 综上所述，1988—2013年期间土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量整体均呈上升趋势，但不同监测阶段变化趋势和变化幅度存在较大差异，故单个肥力指标不能有效地反映土壤综合肥力随监测时间变化的规律。因此，运用主成分分析法对土壤有机质（SOM）、全氮（TN）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）5个指标进行分析，并分析各项指标对土壤综合肥力属性所产生的影响。

为保证结果的客观性和科学性，在运算前参照夏建国等［17］方法对原始数据矩阵进行标准化处理。将标准化后的数据进行主成分分析，参照叶回春等［18］方法计算指标得分系数与权重，各指标主成分分析结果与指标权重见表2。结果表明，第1、2、3主成分的特征值分别为3.183、0.604、0.520，方差贡献率分别为63.65％、12.09％、10.39％，累积贡献率达 86.13％＞85％，即前 3个主成分能够反映原始信息总量的86.13％，因此将这3个主成分作为综合变量来评价土壤综合肥力属性状况是可行的。

表2　主成分分析结果与指标权重Table 2 Results of principal component analysis and factors weights of soil fertility factors

5个肥力指标得分系数由大到小的顺序为：SOM ＞TN＞AN＞AP＞AK，指标权重也以有机质最大，速效钾最小，说明黑土区土壤有机质和全氮是影响土壤综合肥力属性的关键因素。

2.3.2 综合肥力属性得分 主成分是 5个肥力指标标准化后的线性组合，通过主成分矩阵计算出特征向量即为各指标相对应的系数，因此，可得第 1、2、3主成分的函数表达式为：

综合肥力属性得分是将标准化后的数据分别代入式（1）、（2）、（3）中计算出每个主成分得分，然后与其对应贡献率相乘加合，即F=F1×63.652％+F2× 12.086％+F3×10.392％。各监测阶段土壤综合肥力属性得分结果见图10。由计算结果分析可以看出，1988 —1997年的监测初期和1998—2003年的监测中期土壤综合肥力属性得分平均值分别为-1.099和-0.541，而2004—2013年的监测后期土壤综合肥力属性的得分增加到了0.5888，说明土壤肥力在监测后期得到了显著改善。

图10　不同监测阶段土壤综合肥力得分Fig. 10 General scores of soil fertility at different monitoring periods

3 讨论

3.1 黑土区土壤养分演变分析

耕地土壤肥力培育是保障粮食生产和安全的基础，而作为土壤肥力核心要素的有机质和大量养分元素（氮、磷、钾）的盈亏则是耕地土壤肥力时空变化的主要驱动因素［19］。因此，在不同时间尺度内分析土壤养分演变，是土壤养分科学管理和施肥合理调控的基础［20-21］。

综合26年来土壤养分变化趋势来看，在农民习惯施肥管理下，土壤肥力水平总体得到改善，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷以及速效钾含量基本呈上升趋势，有机质和全氮是影响土壤肥力综合属性的关键因素，与查燕［22］分析结果一致。黑土长期监测点数据显示，监测初期（1988—1997年）土壤养分除有效磷含量升高、全氮含量趋于稳定外，有机质、碱解氮、速效钾含量均有下降趋势；监测中期（1998年—2003年）、监测后期（2004—2013年）养分含量普遍呈上升趋势。这可能与东北地区黑土农田管理措施有关，监测初期之前的20世纪70年代作物生长仅依靠土壤的原始肥力，养分基本处于不断消耗状态；80年代后氮肥施用量增加，90年代以来化肥用量进一步提高，除氮肥外，磷肥和钾肥用量也逐渐提升，同时作物残茬逐渐还田［23］。值得注意的是，黑土钾素含量相对丰富，但土壤速效钾在 1988—1997年期间下降较为明显，而钾肥施用量的下降是导致速效钾含量逐年下降的主要原因。研究表明［14］，黑土监测区钾肥施用量平均每年下降4.4 kg·hm-2，从2002年开始，钾肥的施用才受到足够重视，其施用量也有所提高。不同监测时期土壤综合肥力与各时期养分的盈亏和演变有关，监测初期有机质、碱解氮和速效钾等养分含量不断降低，导致该时期土壤综合肥力属性得分较低，随着中、后期化肥的平衡施用以及有机物料的不断输入，土壤养分含量不断提高，监测区黑土肥力水平得到显著改善。此外，由于土壤肥力水平的提高，作物产量随之也在显著提高，势必会导致根系生物量和分泌物的增加，而这些都对黑土肥力的变化起到正面影响。研究表明，玉米根茬干物质中养料丰富，有机质含量高达75％—85％，含氮0.75％，磷0.60％，钾0.9％［24］，26年来玉米产量显著增加，残留在土壤里的根茬量也逐年增加，这部分对土壤养分的贡献也不容忽视。

土壤有机质是衡量土壤肥力水平的重要指标，各监测点土壤有机质水平维持在18.0—41.2 g·kg-1，在监测后期得到显著提升。但是与黑土开垦前的有机质平均水平（150.57 g·kg-1）和开垦 100年后有机质水平（50.23 g·kg-1）相比［25］，均大幅下降。大量长期试验分析［26-27］，土壤有机质含量的动态变化主要取决于有机物料的输入和土壤有机质矿化之间的平衡，较高碳氮比的作物残茬还田能够维持甚至提高土壤有机质含量。不同的施肥管理、耕作制度等对土壤有机质也有显著影响，单施化肥亦可维持黑土有机质稳定，如果化肥配施厩肥土壤有机质含量则明显增加［28］。而高纬度黑土区即使在不施肥的情况下，合理的轮作仍有益于土壤有机质的积累［29］。土壤有机质的提升对土壤磷素有效性的提高也有重要的影响，农业生产实践证明，农民常规施肥（化肥与有机肥配施），不仅提高了土壤有机质含量，同时还增加了磷的有效利用率。这可能是有机酸、有机阴离子等占据部分磷的吸附点位，降低黏土矿物对磷的吸附固定作用；此外，有机质的矿化过程还会释放部分无机磷［30］。张丽等［5］研究表明，农民常规施肥条件下，经过8—25年的长期耕作，黑土89％的监测点有效磷含量保持持平状态或显著上升趋势，且土壤有效磷的变化与磷的盈亏呈正相关关系。较高水平的有效磷是获得粮食高产的关键，但过量的磷盈余可能引发磷素淋溶从而导致地表水体的富营养化［12］。与黑土有效磷农学阈值（15.0 mg·kg-1）［5，31］以及易发生显著淋溶的环境阈值（50.0 mg·kg-1）［12］相比，本研究监测后期 71.4％的监测点土壤有效磷维持在15.0—50.0 mg·kg-1，说明这部分监测点土壤有效磷既能满足作物生长需求，又不至于引发水环境污染，应维持其合理的有效磷水平；而 28.6％的监测点土壤有效磷含量已超过50.0 mg·kg-1的环境阈值，应及时控制磷素的输入，以免造成资源的浪费和环境的污染。

为避免由于17个监测点位设置存在延续性不足、监测年限不一致以及农户施肥变异较大等而导致结论存在不确定因素，查燕［22］利用构建的基础地力指数模型（BSPI），通过模型指标的选择以及指标权重的确定，以黑土区长期监测点的监测数据资料为基础，研究农田基础地力长期演变的结果表明 BSPI随时间的变化呈显著上升趋势，且在农民实际水肥管理措施下，土壤全氮、碱解氮、速效磷等养分含量有所增加，这与本文研究结果一致。但汪景宽等［3］研究表明，从1980 —2000年由于人们长期以来“重种轻养”，导致东北典型黑土地区土壤有机质、速效钾等养分含量均有不同程度的降低，而造成这种结果的差异与施肥管理密切相关。

3.2 黑土区土壤主要肥力指标碳氮的关系

不同土壤类型由于成土母质、作物种类、气候条件以及施肥量等因素影响，土壤肥力的主要贡献因子也有一定差异。李建军等［15］研究 25年来长江中下游水稻土壤养分演变特征发现，监测后期土壤综合肥力属性的主要贡献因子是全氮、碱解氮和速效钾。黑土区有机质和全氮是影响土壤综合肥力属性的关键因素，查燕［22］通过分析国家黑土监测点春玉米农田基础地力指数与有机质、全氮含量之间的相关性表明，有机质和全氮是影响东北黑土区农田基础地力的最主要因素，并且可以作为主要指标来评价黑土区的农田基础地力，这说明黑土区土壤有机质和全氮是维持农业可持续生产与发展的重要影响因素。通过对监测区黑土有机碳和全氮含量之间的相关性进行分析（图 7）发现，监测区黑土有机碳和全氮含量之间呈极显著正相关（r=0.76，n=211，P＜0.01），这是因为土壤中有机态氮占全氮含量的95％以上［30］，因此，二者之间存在显著相关性。

土壤的碳氮比（C/N）反映了碳和氮之间的平衡关系［32］，也是衡量二者平衡状况的重要指标，其演变趋势对土壤肥力以及碳、氮循环有着重要的影响。SPRINGOB等［33］研究表明，低C/N会加快土壤氮的矿化速率，而高C/N微生物同化量则会超过矿化作用所提供有效氮的量，造成植物缺氮。一般耕作土壤表层C/N在8∶1—15∶1，平均在10∶1—12∶1［30］。在分析监测区黑土C/N的演变趋势发现（图8），虽然土壤有机质和全氮含量整体呈逐年上升趋势（图 2、图3），而C/N却呈现下降趋势，从1988年的10.3下降到2013年的9.6，但下降不显著，土壤C/N值在土壤适宜的比值范围内，这与李忠佩等［34］的研究结果一致。综合监测区土壤C和N含量随年份变化的规律，结果显示C和N含量均逐年显著增加，C随年份变化的拟合方程为y=0.2495x-482.96（r=0.55**，n=211，P ＜0.01），监测后期土壤 C含量较监测初期增加了33.9％，N随年份变化的拟合方程为y=0.0348x-67.881 （r=0.57**，n=207，P＜0.01），监测后期土壤N含量较监测初期相比增加了43.9％。相比较而言，26年来监测区黑土全氮含量的增加幅度高于土壤有机碳含量的增幅，再加上黑土区较高氮肥的施用量，最终导致了土壤C/N的降低。因此，农业生产实践中，不能只提高土壤氮素的输入，在不影响目前施氮水平氮素供应的条件下，应该重视有机物料的投入，如大力推广秸秆还田和增施有机肥等，以保持土壤碳氮的平衡。

土壤养分是土壤肥力的基础，与粮食生产密切相关，但并不完全等同于土壤肥力，还应该结合土壤物理、生物等指标，选择对土壤肥力有较大影响的因子，进一步深入分析土壤综合肥力；此外，由于17个黑土监测点建点时间不一样，个别监测点数据缺失较严重，今后还需加强数据的收集，以便更加全面、科学地掌握黑土肥力的演变特征。

4 结论

4.1 通过分析不同时间尺度内土壤养分的演变，结果表明，经过10—26年农民常规施肥管理的耕作，黑土监测区土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量呈逐年上升趋势，监测后期土壤肥力得到显著改善。28.6％的监测点应及时控制磷肥用量，以免引起地表水污染。

4.2 将5个肥力指标进行主成分分析，反映了原始信息总量的 86.1％，黑土监测区土壤有机质和全氮是土壤肥力的主要贡献因子；分析土壤碳氮平衡关系发现，监测区黑土C/N呈逐年下降趋势，应该加大有机物料的投入，以维持土壤碳氮的养分平衡。

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（责任编辑 杨鑫浩，岳梅）

Changes in the Nutrients and Fertility of Black Soil over 26 Years in Northeast China

KANG Ri-feng1， REN Yi2， WU Hui-jun1， ZHANG Shu-xiang1
（1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land， Beijing 100081；2The Center of Extending and Service of Agricultural Technique in China， Beijing 100026）

Abstract：【Objective】Relying on fertile black soil resources， northeastern China has developed the biggest grain bases. Clarifying the characteristic of black soil fertility nutrients is essential for soil fertility improvement and maintenance in NortheastChina. A long-term cultivated land quality monitoring experiment established in the 1980s was used to investigate the changes in soil nutrients and fertility in the black soil region.【Method】A temporal variation descriptive statistics analysis was conducted to explore the changes in soil organic matter （SOM）， total nitrogen （TN）， alkaline-hydrolyzable nitrogen （AN）， available phosphorus （AP） and available potassium （AK）， for three time intervals， including the first （1988-1997）， middle （1998-2003） and final （2004-2013）monitoring period， during the study. The changes in soil carbon， nitrogen and carbon-nitrogen ratio （C/N） were analyzed so as to investigate relationship between the carbon and nitrogen budgets. Finally， principal component analysis was used to determine factors contributing to soil fertility， and the general scores of soil fertility at three monitoring periods were calculated. 【Result】 All soil nutrient concentrations showed increased with time and overall soil fertility improved after 10 to 26 years. The SOM， TN， AN，AP and AK significantly increased between the first （1988-1997） and final （2004-2013） monitoring period by 33.9％， 43.9％， 27.6％，90.3％ and 11.8％， respectively. Further analysis indicated that the AP concentrations of 71.4％ monitoring sites maintained at a level of 15.0 to 50.0 mg·kg-1， which meets crop nutrients requirement and would not be expected cause the ground or surface water pollution. However， the concentrations of AP at 28.6％ of the monitoring sites exceeded the environmental threshold and some measures should be taken to reduce P fertilizer inputs in these sites. The ratio of C/N decreased with time from 10.3 in 1988 to 9.6 in 2013， decreased by 6.8％. Principal component analysis indicated that SOM and TN were the main factors contributing to soil fertility of the monitoring sites and the 5 fertility factors displayed an order of SOM＞TN＞AN＞AP＞AK. The average general scores of soil fertility at the first and middle monitoring periods were -1.099 and -0.541， respectively， while the black soil fertility has improved significantly and the score increased to 0.5888 at the final monitoring period.【Conclusion】Current farm fertilizer management improved black soil fertility， however a small proportion （28.6％） required better P fertilizer management so as to decrease the risk of ground or surface water pollution. More organic materials should be applied to the black soil to maintain the balance of soil C/N ratio and improve soil fertility.

Key words：black soil； conventional fertilization； long-term monitoring； available phosphorus； soil C/N ratio

收稿日期：2016-01-27；接受日期：2016-04-05

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（201503120）、国家自然科学基金（41471249）