长期施肥下我国灌淤土粮食产量和土壤养分的变化

段英华，卢昌艾，杨洪波，马常宝，刘亚男,3，徐明岗,3*

（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 农业部耕地质量监测保护中心，北京 100125；3 中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，广东湛江 524091）

灌淤土是我国内陆灌溉农业区的一种重要灌溉耕作土壤类型。该类土壤主要是经人类长期灌溉淤积和冲积、淋溶淡化、耕种培肥、生物累积而成。由于灌淤土分布地势平坦、灌溉便利、土壤肥沃、生产性能良好，是优质多宜的耕种土壤，在农业生产中具有重要地位。全国灌淤土的面积为152.7万公顷[1]，主要分布于新疆昆仑山北麓和天山南北，甘肃的河西走廊，宁夏和内蒙古的河套地区，其他省(区) 也有零星分布。

灌淤土具有质地适中、土壤结构和通气状况良好、有机质和养分含量丰富的特点，是我国西北区域非常重要的土壤类型之一。如在宁夏自治区，主要土类为灌淤土的引黄灌区以34%的耕地生产了该区70%的粮食[2]。在大多数情况下，我国灌淤土都是种植旱作的粮食作物和经济作物。但在地下水位较高的地区，为了防止土壤的次生盐渍化，有部分农田种植水稻或实行稻旱轮作。一方面，灌溉水和泥沙中的有机物质和养分元素对灌淤土肥力的提升产生了积极作用；另一方面，受淹水和排水的影响，尤其是水稻田，耕作层氧化还原作用交替，具有铁、锰的离析聚集作用，因此易形成锈纹锈斑。可见，灌淤土既是一种重要的耕作土壤，其理化性状又明显区别于其他土壤类型。

由于灌淤土形成过程的特殊性，近年来围绕灌淤土逐渐形成了研究热点。曲潇琳等[3]阐述了灌淤土的成土特点及系统分类，吕粉桃等[4]发现长期耕作施肥20年后，灌淤土有机质含量年均增加了0.32 g/kg，全氮含量年均增加了0.004 g/kg；惠锦卓等[5]采用淋溶试验研究了添加生物炭后灌淤土土壤养分含量和氮素淋失的变化，灌淤土全氮、速效磷和速效钾含量均随着生物炭添加量的增大而显著增加，且2%生物炭添加可减少49%的硝态氮淋溶损失。然而，对于长期施肥条件涵盖不同作物类型和区域的产量和养分利用率演变特征，尚鲜见报道。本研究对国家级耕地土壤监测数据中具有代表性的7个灌淤土监测点连续12～28年粮食作物产量及施肥量数据进行统计分析，探讨了氮肥利用率与土壤养分的关系，以期为西北部灌淤土区域的施肥管理及提高作物产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

)g/kg 水植(m ailable K 172.4 173.4 0.0种7.0 12 8.0 13 4.0 17 0.0 12钾年tent 效Av 26 2016 d con 速 和roun g/kg).3.3015 ackg (m 2429.0 22.0 15.0 21.0 22NA 、2 utrient b 效磷Olsen-P 2013有009、Soil n(g/kg)、2 1.34 tal N 0.89 1.26 0.79 0.46 0.44 0.34 2005值 氮To景 全背999、量g)—1含(g/k 8.07.26.4 g sites 分养质OM 26.1 13.4 20.4 14.2 data.壤 机有No itorin 土 失缺8.2 pH 8.1 NA NA 8.18.38.4d rice after 2008; b据on an 数点ation silting soil in m稻2007A—/水ears; N况米 米 米 米 米004—情物玉玉玉玉玉g 2er y th本作夏heat,夏heat,夏heat,夏heat,夏heat,基植Crop稻种/水Rice 、 、小Wheat/rice 、 、 、麦er corn麦er corn/rice麦er corn麦er corn麦er corn eat durin测麦 稻 小mm 小mm 小mm 小mm 小mm监水 冬Winter w su 冬Winter w su 冬Winter w su 冬Winter w su 冬Winter w su Wh mer corn in o土田淤ear ear ear ear ear 水为1 灌of the irrig度stem改heat-sum制sy植 熟p year asic information 熟p year熟Crop 熟一One cro 熟 熟 熟一一二二二二二后表种年 年一One cro年一Tw o crop y年一Tw o crop y年一Tw o crop y年一Tw o crop y年一Tw o crop y年ter w式，2008in, and w方a b地Land use 麦田田小2016 Table 1 B 用利/水/水 植地地种土旱Irrigated land/paddy field水田Paddy field旱地Irrigated land旱Irrigated/paddy field地Irrigated land旱 地Irrigated land旱 地Irrigated land旱 年07 20 013, 2015 and 9, 2土Soil sub 类type亚土土土土土壤淤土土淤淤淤淤灌淤淤灌灌灌灌型典Typical S灌uic S潮Aq 灌uic S潮Aq 表Surface rusted S锈 典Typical S型 典Typical S型 典Typical S型g soil; a—2004—999, 2005, 200年siltin止016 016 016 016 016 016 016起ring year—2—2—2—2—2—2—2测Rice in 1监Monito 2004 2004 1998 1998 1988 1988 1988 Irrigation米土玉淤夏an市City 市银Yinchu银Yinchu 市an石Shizuishan山g市 市 市 市 灌——麦地川 川 嘴 忠zhon吴Wu 和Hetian田 和Hetian田 和Hetian田 ：S小ote）为冬区mous（N年夏Ningxia疆Xinjiang 份治注其Autono 他自宁新，稻

我国先后在灌淤土分布区域建立了7个国家级长期定位监测点，分别位于甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区和内蒙古自治区(表1)，各监测点均设有不施肥和常规施肥 (化肥或化肥配施有机肥) 2个处理，种植制度分为一年一熟和一年两熟两种，一年一熟作物为小麦、玉米、水稻、大麦、向日葵、蔬菜和棉花，一年两熟作物为小麦、玉米、水稻和棉花，土地利用类型为水田、旱地及水浇地。其中，1988年在新疆和田市建立了3个旱地监测点；1998年在宁夏石嘴山和吴忠市建立了1个旱地和1个旱地水田交替管理监测点；2004年在宁夏银川市建立了2个水田监测点，其中一个点2004—2007年为旱地，2008—2016为水田。

1.2 田间试验设计

试验设两个处理: 1) 不施肥处理 (空白区)，小区面积60 m2, 用设置保护行、垒区间小埂等方法隔离；2) 施肥处理，施肥方式为常规施肥, 可代表当地大多数农田的施肥水平, 肥料种类分别为尿素、磷酸二铵、氯化钾 (或硫酸钾) 以及有机肥, 面积不小于300 m2。种植作物为小麦、玉米和水稻。

银川市的2个监测点不施用有机肥，每年都施用氮、磷、钾化肥，其中氮肥年均施用量为310 kg/hm2，磷肥年均施用量98.6 kg/hm2，钾肥年均施用量33.4 kg/hm2。石嘴山市监测点1998—2005年间施用有机肥和化肥，之后仅施用氮、磷、钾化肥，其每季平均施用量分别为300、144和34.5 kg/hm2。吴忠市监测点仅施用氮、磷、钾化肥，其每季平均施用量分别为260、118和20.4 kg/hm2。新疆和田市3 个监测点几乎每年施用有机肥,每季平均折合施氮量N 272.1 kg/hm2、P2O5166.8 kg/hm2、K2O 249.1 kg /hm2；化肥年均施用量为氮肥293.7 kg/hm2、P2O5298.1 kg/hm2，未施用化学钾肥。

1.3 样品的采集与分析

在每年秋收后，采取0—20 cm耕层土样，风干，研磨过筛。pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾等指标均采用国家标准方法测定：pH采用酸度计(水土比5∶1)；有机质测定采用重铬酸钾滴定法；全氮采用半微量凯氏定氮法；碱解氮采用扩散法；有效磷采用该碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度计法[6]。

1.4 计算与统计方法

1.4.1 增产率 增产率 = (施肥区产量−无肥区产量)/无肥区产量 × 100%

1.4.2 产量可持续性指数 产量的可持续性程度可用产量可持续性指数 (sustainable yield index, SYI) 来表示，它是测定系统是否能持续生产的一个可靠参数[7]，计算方法：

1.4.3 氮肥农学效率 采用氮肥农学效率来表征单位施氮量所增加的作物籽粒产量[8–9]:

氮肥农学效率 (AEN，kg/kg) = (施肥区产量−无肥区产量)/氮肥施用量

1.4.4 数据统计分析 试验数据用Excel 2016进行整理，运用Sigmaplot12.5和SAS 8.0软件进行相关性分析及显著性检验，多重检验采用Duncan法 (P ＜ 0.05)。

2 结果与分析

2.1 作物产量演变特征

图1为小麦、玉米和水稻为7个监测点的平均产量。由该图可见，在施肥处理下，小麦的产量随时间呈现递增的趋势，在2004年达到最高，为7.58 t/hm2，之后产量趋于稳定；玉米产量也随施肥年份呈现递增的趋势，而水稻产量在整个监测期无显著变化。2016年，小麦产量是初始年的3倍，玉米产量是初始年的2倍，施肥对小麦和玉米产量的作用显著，对水稻没有直接作用。

图1 灌淤土长期监测点小麦、玉米和水稻的产量演变Fig. 1 Crop yield dynamics at long-term observation sites of irrigation silting soil

产量变异系数是衡量产量是否稳定的一个指标。由表2可知，不施肥下的玉米、水稻的变异系数较高，常规施肥下玉米和水稻的产变异系数小，产量分别比不施肥的提高了167%～334%和106%～112%，说明施肥不仅有促产也有稳产作用。施肥后小麦的平均产量为不施肥田块的2～3倍，但其变异系数在施肥后的变化在各试验点表现不一。

2.2 不同施肥下的作物产量可持续性

施肥明显提高了小麦、玉米和水稻的产量可持续性指数 (SYI, 图2)。总体来说，水稻的SYI明显高于小麦和玉米。与不施肥相比，施肥后小麦、玉米和水稻的SYI分布增加了18.8%、148%和13.9%。可见，玉米产量的可持续性对肥料的依赖性最强，而水稻相对较弱。

2.3 施肥增产率的演变特征

与不施肥相比，常规施肥下小麦、玉米和水稻的平均增产率分别为343%、320%和121%，由图3可以得出，小麦、玉米的增产率随着年限的增加呈现先增高后降低的趋势，其中小麦增产率在1998—2005年达到最大，玉米增产率在2000、2001和2007年最高，水稻的增产率随施肥年限变化不大，在80%～180%范围内波动。

从图4的频率分布图中可以看出，小麦和玉米的增产1～3倍所占的比例最大，分别为52%和48%，其次是增产大于5倍，分别为24%和29%；水稻增产倍数小于3倍，其中50%监测点增产了1倍，50%监测点增产了1～3倍。

表2 灌淤土长期监测点小麦、玉米和水稻产量变化 (1989—2016年)Table 2 Changes of crop yields in monitoring sites of irrigation silting soils under long-term conventional fertilization

图2 不同施肥管理措施下作物的产量可持续性指数Fig. 2 Sustainable yield index of wheat, maize and rice under no fertilization and conventional fertilization

2.4 地力贡献指数的演变特征

土壤地力贡献指数是指不施肥区的作物产量与常规施肥区的作物产量之比，反映了土壤的肥沃程度。对灌淤土的定位监测数据结果分析可知 (图5)，小麦、玉米和水稻的地力贡献指数分别为0.08～1.34、0.02～0.83和0.34～0.57。小麦和玉米的地力贡献指数大多集中于0.10～0.36，年度间差异不显著。水田监测始于2004年，其地力贡献系数随着年限的增加而增加，年增加量为0.0125。

2.5 土壤全氮、有效磷和速效钾演变趋势

图3 灌淤土长期监测点常规施肥下作物增产率的演变Fig. 3 Dynamics of crop yield increment under conventional fertilization at long-term observation sites of irrigation silting soil

不论在旱地还是水田，随着年份的增加，7个监测点的土壤全氮含量呈增加趋势，旱地增加较为平稳，从0.4 g/kg上升到了1.1 g/kg；水田土壤全氮从0.8 g/kg上升到1.4 g/kg，波动性较大 (图6)。截止到2016年，旱地土壤全氮含量高出初始年0.7 g/kg，水田全氮含量高出初始年0.4 g/kg。

由图6可知，1995、2001和2005年份的旱地有效磷含量约为其他年份的2～3倍，原因是当年施入的磷肥量较大，其他年份较为稳定并有上升趋势，含量保持在17.5～40.1 mg/kg。2016年，旱地土壤有效磷含量与初始年相比增加了57%，水田与旱地变化趋势相似，平均来说较初始年增加了76%。可见，随着磷肥的长期施用，磷素在土壤中得到累积。

在西北灌淤土区域，钾元素含量比较丰富，所以，宁夏的监测点仅在个别年份施用了少量钾肥(16～20 kg/hm2)，而新疆监测点仅在起始年份施用了一次钾肥 (37.5～52.5 kg/hm2)，其他年份只施用有机肥和氮、磷肥。从图6中可以看出，由于施钾量原因，旱地速效钾含量在1998年和2004年明显较高，其他年份则一直保持在130～170 mg/kg之间，趋于稳定。水田与旱地速效钾含量趋于一致，随着年限的变化，速效钾含量保持稳定。

2.6 增产率与土壤养分的关系

分析土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量及其相应年份小麦、玉米和水稻增产率发现，全氮含量与增产率有密切的关系。小麦、玉米增产率随着土壤全氮含量的增加而显著增加；水稻由于监测点较少，只能反映出增加的趋势。有机质、有效磷和有效钾含量与增产率相关不显著 (图7)。

图4 长期监测点常规施肥下作物增产率的频率分布Fig. 4 Frequency distribution of the increase proportion of crop yield under conventional fertilization at long-term observation sites

由图7还可以看出，在土壤全氮含量0.4～1 g/kg范围内，全氮每增加0.1 g/kg，小麦、玉米增产率分别提高41.3%、48.5%；在全氮含量1.1～1.5 g/kg范围内，全氮每增加0.1 g/kg，水稻增产率可提高34.2%。说明在肥力较高的土壤上，肥料的增产率更高。

2.7 氮肥农学效率的变化特征

氮肥农学效率 (AEN) 是指特定施肥条件下，单位施氮量所增加的作物经济产量，是施肥增产能力的反映。这一指标考虑了不施肥下作物的空白产量，消除了地力初始背景值的不同。长期监测结果显示(图8)，小麦、玉米和水稻的平均氮肥农学效率分别为9.8、16.8和27.4 kg/kg。小麦的农学效率为3.6～18 kg/kg，随着年限的增加农学效率增加，然后趋于稳定，2016年比初始值增加6.9 kg/kg；玉米农学效率随施肥年限增加而增加，2016年比初始值增加了8.3 kg/kg；水稻的农学效率为14～33 kg/kg，随年限增加呈小幅度波动趋势，2016年较初始监测值增加了1 kg/kg。

图5 灌淤土的地力贡献系数随时间演变Fig. 5 Contribution coefficient of soil fertility to crop yield under long-term conventional fertilization at the observation sites of irrigation silting soil

图6 长期监测点常规施肥下灌淤土全氮、有效磷和速效钾含量变化趋势Fig. 6 Dynamics of soil total nitrogen, available phosphorus and potassium content in irrigation silting soil under conventional fertilization

图7 灌淤土土壤全氮和与增产率的关系Fig. 7 The linear relationship between Increment of crop yield and the total N content in irrigation silting soil at long-term observation sites

图8 灌淤土长期监测点常规施肥下氮肥农学效率演变趋势Fig. 8 Dynamics of the agronomy efficiency of nitrogen fertilizer under conventional fertilization at long-term observation sites of irrigation silting soil

3 讨论

与不施肥相比，常规施肥下小麦、玉米和水稻的籽粒产量均有显著增加，说明尽管灌淤土本身养分资源丰富，但是施肥仍然能够明显的增加作物产量，是该区域重要的增产措施[10–11]。灌淤土上小麦和玉米产量自1989年到2004年显著增加 (图1)，而无肥区籽粒产量没有显著变化，我们推测主要是由于两个原因：一是八十年代初我国施肥量还较低，土壤养分库匮缺[12–13]，而大量施肥后大大增加了土壤肥力，进而使作物产量显著提高；另一方面，作物品种选育工作进展迅速，对于作物增产起到了至关重要的作用[14]。值得注意的是，无肥区作物产量并没有显著增加，这说明土壤肥力对于高产品种生产潜力的发挥起到了至关重要的作用，在初始土壤养分条件下，灌淤土区域的粮食生产受到了极大限制。

由于无肥区作物产量变化不大，而施肥区产量呈增加趋势，因此小麦和玉米的作物地力贡献指数随时间略呈下降趋势 (图5)。土壤地力一方面影响了不同环境条件下蓄纳供应养分的能力，另一方面影响微生物和作物根系对化肥养分的转化、吸收和传输，指示了土壤的生产能力[15–16]。提升地力是提高化肥利用效率、实现作物高产的核心途径。本文中灌淤土上长期施用化肥后 (少量施用有机肥) 后，虽然作物产量在增加，但地力贡献指数在下降，说明需要采取培肥措施来提高地力。王吉智等[17]认为，施用有机肥料是灌淤土培肥的主要措施，土壤肥力愈高，灌淤土生产力也愈高。吕粉桃等[4]指出，灌淤土小麦长期以来未达到最高产量，主要与其有机肥的施用量不足有关系。其分析结果表明，灌淤土区小麦种植制度下有机肥的施用量占总施肥量的比例随时间呈极显著的下降趋势，且其投入量于1995 年左右开始出现大幅度降低。而小麦作物农学利用率与小麦增产率在有机无机配施条件下均表现为上升趋势，说明增加有机肥施用量，可大幅度提高灌淤土小麦作物产量及其肥料利用率，可使作物达到最高产量水平。可见，在灌淤土区域应推广有机肥施用，以培肥地力和高产稳产。

从土壤养分与作物增产率的相关关系可知，在一定范围内，小麦、玉米增产率与灌淤土全氮含量呈直线正相关关系 (图8)。说明了在一定范围内，土壤全氮含量越高，肥料的增产效应越显著。因此，在灌淤土上，通过提高土壤肥力，保证作物高产稳产，以达到减肥增效。另外，其相关关系也说明土壤全氮是影响作物增产的关键因子之一。安婷婷等[18]和李娟等[19]分别在黄淮海砂姜黑土和兰州灌淤土进行的试验，也都说明了氮是作物增产的主要限制因子。氮肥农学效率和土壤全氮含量均随施肥年份呈增加趋势，同样证明了氮肥是保证作物高产的基础之一，因此在灌淤土上应保证氮肥的施用。土壤磷、钾含量在本文的监测点中含量均较高，且与作物产量等无显著相关关系，因此应在灌淤土上避免施用大量磷、钾肥，以降低生产成本及其环境损失。

4 结论

灌淤土上常规施肥可有效提高了玉米和小麦的产量，降低玉米和水稻产量的变异性，提高作物产量的可持续性。

土壤全氮含量与作物增产效果呈正相关，随着时间的变化，全氮含量上升，作物产量上升。但作物地力贡献指数随施肥年限的增加呈下降趋势，说明化肥的施用对灌淤土地力的提升效应在降低，需进一步制定灌淤土的培肥措施，并进行相关技术推广。

长期施肥灌淤土旱地土壤全氮含量高出初始年0.7 g/kg，水田全氮含量高出初始年0.4 g/kg。由于不施钾肥，土壤有效钾含量变化不显著；由于土壤固定严重，有效磷含量也没有显著增加。