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近30年来典型黑土肥力和生产力演变特征

花匠小妙招
2024-11-04 20:26

黑土是草原草甸植被下深厚的、富含腐殖质的疏松土层，其特征是自然肥力高，物理性质和结构良好。东北黑土耕地总面积3200万hm2，绝大部分分布在黑龙江和吉林两省，辽宁、内蒙古有少量分布[1]。黑土区粮食产量占全国1/4，商品量占全国1/4，调出量占全国1/3，是我国最重要的粮食主产区和商品粮供应基地[2]。长期农业实践证明，土壤肥力是维持粮食生产和安全的关键前提，因此，掌握黑土区耕地有机质和养分水平现状及演变趋势，以及人为管理对黑土耕地肥力的调控和影响，对提升黑土耕地质量以及保障黑土生产力稳定输出有重要的指导意义。

关于黑土肥力状况，尤其是典型黑土肥力水平及演变趋势是多数研究关注的重点。马强等[3]基于黑土南北样带115个土样发现黑土肥力水平分布规律在东西向为东高西低，南北向为中部最高，北部次之，南部最低；中等肥力土壤占比73.6%。汪景宽等[4]研究发现不同地区黑土中的有机质、全氮、全磷和全硫含量存在明显差异，公主岭地区各项指标均低于北安地区，海伦地区居中，土壤肥力随纬度增加而提高；另外，1980—2000年间观测点土壤pH、有机质和速效钾含量有降低趋势。20世纪80年代黑土区土壤肥力综合指数以一、二级为主 (80%以上)，到21世纪初土壤肥力质量由二、三级耕地主导 (98%以上)[5]。而有研究也表明黑土有机质、全氮和有效磷含量呈上升趋势，有效磷含量升幅较大[5–6]，这可能与长期化学氮磷肥尤其是磷肥的大量施用有关。长期施用单一化肥对培肥黑土作用不明显，通常引起土壤环境养分失衡，且存在环境风险。国内外研究均表明平衡施肥 (多种元素肥料配施，有机无机肥料配施) 可维持和提升土壤肥力，是土壤培肥的重要途径[7, 8]。韩晓增等[9]分析认为黑土由低纬度向高纬度逐步开垦，时间和空间差异导致黑土肥力状况分布不匀，且开垦前期误认为肥沃的黑土地可以在没有任何投入的情况下持续利用，进而以掠夺性生产方式贯穿整个黑土地开垦过程，导致黑土肥力快速下降，后期生产必须依赖投入大量化肥才能获得高产。

长期重用轻养且不平衡的培肥措施导致黑土区出现土壤退化、肥力下降等问题，同时受风蚀、水蚀作用影响，水土流失面积逐渐扩增，黑土层越来越薄，耕地质量恶化趋势明显，甚至有人指出黑土50年之后将不复存在[10]。因此，如何在保护黑土基础上提高黑土耕地质量，同时满足国家粮食安全和生态安全的可持续发展需求，是亟待解决的重大问题。针对黑土区土壤肥力指标及变化特征的研究较多，但相关研究年份较早，往往基于短期试验或田间调查结果，且涉及观测或调查点位相对单一，覆盖面较窄；土壤肥力指标在特定时间或点位的增减变化并不能科学解释土壤肥力的演变规律，不能全面揭示黑土耕地质量整体状况以及长期施肥管理下黑土肥力水平的演变特征。综上，本研究拟依托国家级黑土长期定位监测点近30年的监测数据，深入分析黑土耕地肥力和生产力水平的演变特征和趋势，为合理利用和管理黑土地以及黑土区农业的可持续发展提供科学依据和指导。

1. 材料和方法

1.1 监测点概况

国家级黑土长期监测点主要分布在黑龙江和吉林两省，共13个。其中黑龙江省11个，3个于1997年建点，8个于2003年建点；吉林省2个监测点均建于1987年。这些监测点囊括平地中层黄土质黑土、厚层黄土质黑土、平地中层黏底黑土、平地岗地薄层黏质黑土、坡地薄层黄土质黑土、漫坡岗地薄层黏底黑土、漫川厚层黏底黑土和沟谷厚层草甸黑土等主要黑土土种类型。截止2016年秋收，各监测点监测年限均在13年以上，主要监测点最长监测年限已有29年，为黑土区土壤养分和生产力状况以及耕地质量建设提供了宝贵的资料。

黑土监测区主要种植制度为一年一熟，轮作或连作，复种指数高，主要作物类型为玉米和大豆，小麦和马铃薯也有少量种植。监测点耕作和栽培技术按照农民常规习惯操作，以机械化操作为主，基本无农田灌溉。监测点概况如表1。

表 1 监测点概况

Table 1. General situation of monitoring points

地点
Site 年限
Year 降水量
Rainfall
(mm/a) 有效积温 (℃)
Effective cumulative
temperature 质地
Texture 地力水平
Soil fertility 作物
Crop 吉林榆树市Yushu, Jilin 1988—2016 586 2841 壤土Loam 高High 玉米Maize 吉林榆树市Yushu, Jilin 1988—2016 586 2841 砂壤土Sandy-loam 高High 玉米Maize 黑龙江呼兰Hulan 1998—2016 540 2700 壤土Loam 高High 玉米Maize 黑龙江双城Shuangcheng 1998—2016 400 2700 壤土Loam 中Middle 玉米Maize 黑龙江明水Mingshui 1998—2016 477 2500 壤土Loam 中Middle 玉米/小麦
Maize/Wheat 黑龙江呼兰Hulan 2004—2016 540 2700 壤土Loam 中Middle 玉米Maize 黑龙江双城Shuangcheng 2004—2016 400 2750 壤土Loam 中Middle 玉米Maize 黑龙江明水Mingshui 2004—2016 476 2500 壤土Loam 中Middle 玉米Maize 黑龙江富锦Fujin 2004—2016 512 2724 壤土Loam 高High 玉米Maize 黑龙江勃利Boli 2004—2016 400 2450 壤土Loam 高High 玉米Maize 黑龙江讷河Nehe 2004—2016 450 2350 砂壤土Sandy-loam 中Middle 玉米大豆
Maize/Soybean 黑龙江依兰Yilan 2004—2016 562 2536 砂壤土Sandy-loam 中Middle 玉米大豆
Maize/Soybean 黑龙江克山Keshan 2004—2016 515 2400 壤土Loam 中Middle 玉米/马铃薯Maize/Potato 注（Note）：除吉林外，其他地点均位于黑龙江省 Except two sites in Jilin，other sites all in Heilongjiang Province. 1.2 样品采集与分析

各监测点设对照 (不施肥) 和常规施肥 (农民习惯施肥) 两个处理，并定位记录施肥种类和数量、作物产量以及管理措施等信息。各监测点每季作物秋季收获后分别采集对照区和常规施肥区耕层土壤 (0—20 cm) 样品，三次重复，土壤样品置阴凉通风处自然风干，人工除去肉眼可见根茬及秸秆碎屑，过2 mm筛，混匀后备用。

监测点年度监测指标包括土壤有机碳含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、pH值及作物产量；各指标检测方法依据《土壤分析技术规范》[11]和NY/T1121.1-18土壤检测方法[12]。

1.3 数据处理

监测数据统一用Excel 2010整理及制表，运用SigmaPlot12.5作图，借助SPSS (19.0) 进行差异显著性检验[LSD，Duncan (D)，P < 0.05]。

2. 结果分析

土壤肥力、pH值和作物产量变化见图1。

图 1 常规施肥下土壤肥力、pH和作物产量变化

[注（Note）：实心圆圈‘●’为异常值；箱式图的横线从下至上依次为除异常值外的最小值、下四分位数、中位数、上四分位数和最大值，虚线为各项的平均值；箱式图上的不同小写字母表示不同时间段的平均值在0.05水平差异显著，n表示样本数；*表示方程在0.05水平显著，**表示方程在0.01水平显著。The solid points represented the vertical outliers. The lines of the boxplot are the minimum, lower quartile, median, upper quartile and maximum values except the vertical outliers from bottom to top and the dash lines represented the average values. Different lowercase letters above the boxplot indicate that the mean value of different time periods was significant at 0.05 level; n represents the number of samples; * means that the equation was significant at 0.05 level; ** indicates that the equation is significant at 0.01 level.]

Figure 1. Trends of soil fertility, pH and crop yields under conventional fertilization

2.1 土壤有机质含量

1988—2016年各监测点长期定位监测数据显示，我国黑土区土壤有机质含量稳中有升，变化范围在18.7～41.2 g/kg之间，平均值为29.3 g/kg。1988—2001年土壤有机质含量基本保持稳定，平均水平为25.6 g/kg；2002—2006年土壤有机质含量显著上升，平均水平达到28.8 g/kg，较之前提高12.5%；2007—2016年土壤有机质含量无显著变化，平均水平维持在30.7 g/kg。

2.2 土壤全氮含量

长期监测结果表明，土壤全氮含量与有机质含量变化趋势类似，整体呈上升趋势。黑土区13个监测点土壤全氮含量范围在1.02～3.15 g/kg之间，平均值为1.95 g/kg。1988—2001年土壤全氮含量基本保持稳定，平均水平为1.60 g/kg；2002—2006年土壤全氮含量呈快速上升趋势，提升到2.07 g/kg；2007—2016年土壤全氮含量无显著升降，平均值维持在2.03 g/kg，较监测前期的土壤全氮含量提高30.1%。

2.3 土壤有效磷含量

近30年来，黑土区土壤有效磷含量明显提高，从建点初期的13.5 mg/kg提高到目前的39.4 mg/kg，提高了191.9%。1988—2011年，土壤有效磷含量随时间呈显著线性增长 (y = 14.6244 + 4.5667x，R2 = 0.8910*)；2012—2016年土壤有效磷含量趋于稳定。

2.4 土壤速效钾含量

1988—2016年，黑土区土壤速效钾含量总体呈上升趋势。1988—2011年土壤速效钾含量 (y) 逐年增长 (y = 140.0376 + 15.0496x，R2 = 0.9897*)；2012—2016年速效钾含量平均为224.3 mg/kg，较1988—1991年的速效钾含量 (171.5 mg/kg) 显著提高30.8%。

2.5 土壤pH值

黑土区土壤pH值总体变化呈先降低后稳定的趋势。1988—1991年土壤pH值平均水平保持在7.08，2002—2006年土壤pH平均值为6.58，1988—2006年土壤pH值显著下降 (y = 7.2099 – 0.1643x，R2 = 0.9034*)，每5年降低约0.16个单位；2007—2016年pH值无显著变化。2012—2016年，土壤pH值平均水平为6.49，相比监测初期显著降低0.59个单位，土壤有酸化趋势。

2.6 黑土区玉米产量

黑土区常规施肥处理下玉米产量总体呈增长趋势，2016年黑土监测点玉米产量平均水平稳定在10000 kg/hm2。1988—1991年常规施肥区玉米年均产量为6997 kg/hm2，2012—2016年常规施肥区玉米年均产量为9930 kg/hm2，显著增长37.63%。1997—2001年玉米产量大幅增长，最高产量达到11000 ～13000 kg/hm2，这可能与有机肥的增量施用有关。

2.7 黑土区生产力演化 2.7.1 黑土地力贡献系数

本文定义无肥区作物产量与常规施肥区作物产量之比为土壤地力贡献系数，该比值可反映农田土壤养分供应和生产力输出的基础能力。地力贡献系数与土壤肥力水平呈正相关，即地力贡献系数越大，土壤基础肥力水平越高，外源养分对作物产量提升效果相对较弱；地力贡献系数越小，土壤基础肥力水平越低，作物生产对外源养分依赖性强。黑土地力贡献系数总体稳定，平均水平为0.62 (图2)。可见，黑土基础肥力为作物生产提供主要的养分来源，但是长期施肥并没有显著提升黑土肥力水平，仅仅满足作物需求。

图 2 常规施肥下玉米产量地力贡献系数变化趋势

Figure 2. Trends of contribution coefficient of soil fertility to corn yields under conventional fertilization

2.7.2 土壤肥力演变的主控因子分析

由图3可以看出，PC1轴和PC2轴对总方差的贡献率分别为89.85%和9.55%，两者对总方差的贡献率达到了99.4%，因此，利用主成分分析黑土肥力属性的变异情况是可靠的。由分析结果可以看出，近30年来，黑土速效钾和有效磷含量增幅较显著，是黑土土壤肥力演变的两个决定因子，而土壤全氮和有机质含量在一定施肥年限后基本稳定，没有对土壤肥力演变产生主要影响作用，甚至可以说土壤全氮和有机质含量是土壤培肥的主要限制因素。

图 3 黑土肥力演变主成分分析

Figure 3. Principal component analysis of fertility in black soil

2.7.3 土壤肥力与作物产量关系

玉米产量与土壤有机质和全氮含量显著相关 (图4)。玉米产量 (y) 与土壤有机质含量 (x) 显著正相关，回归曲线为y = 7124.1 + 70.7x，R2 = 0.7422*，即有机质中的碳含量每提升一个单位，可以增产70.7个单位；土壤全氮含量 (x) 与玉米产量 (y) 的关系呈抛物线型曲线，显著相关，回归曲线为y = 2972.5 + 7106.1x – 1417.9x2，R2 = 0.7532*，玉米产量与全氮含量正相关，土壤全氮含量超过一定阈值是否会对作物产量产生负面影响有待进一步研究。而监测结果发现土壤有效磷和速效钾含量与玉米产量无显著关系，土壤肥力对玉米产量的贡献主要是通过土壤有机质和全氮含量主导。

图 4 作物产量与土壤肥力响应关系

Figure 4. The response relationship between crop yield and soil fertility

3. 讨论

3.1 土壤有机质和养分演变

土壤有机质含量变化主要取决于有机物料输出和输入相对速率。在农民习惯施肥 (化肥与有机肥) 管理下，黑土监测点近30年的监测结果表明，黑土有机质含量稳中有升，从监测前期 (1988—1991年) 的25.2 g/kg，提高到监测后期 (2012—2016年) 的30.7 g/kg，提高21.8%。这与前人研究发现长期施肥管理可提高土壤有机质含量的结果一致[1]；长期施用化肥，尤其是氮磷钾肥配施，可以维持或提高土壤有机质含量[13]，而施用有机肥或有机无机肥配施对提高土壤有机碳含量的作用更持久[14–15]。监测前期 (1998—2001年)，黑土有机质含量无显著升降，施肥措施对土壤无明显培肥作用，外源养分仅仅满足作物生产的需求；2002—2006年土壤有机质含量由25.6 g/kg快速提升到28.8 g/kg，这可能与该阶段化肥增量施用以及前期投入有机肥有关；而已有研究表明施用有机肥或有机无机肥配施可以明显提高土壤活性有机质组分的含量及比例，促进土壤有机质积累[16]。监测后期土壤有机质含量在30.7 g/kg附近波动，该时期施肥结构相对单一，作物生产主要依赖大量化肥的施用，土壤有机质含量仅仅得以维持。黑土区土壤全氮含量在1.02～3.15 g/kg之间，平均值为1.95 g/kg。黑土全氮的变化趋势与有机质类似，总体呈上升趋势，后期趋于稳定。1988—2001年土壤全氮含量基本保持在1.60 g/kg，2002—2006年土壤全氮含量显著增加，提升到2.07 g/kg。2004年后土壤全氮含量没有显著变化。可见监测中期 (2002—2006年) 是土壤的快速培肥期，该阶段化肥施用量增加，土壤环境中养分通量增加，从而提高系统养分可利用性，在前期有机肥料投入基础上有利于外源有机碳向土壤有机碳库的转化[17]。土壤有机质和全氮含量在相同施肥管理下表现出一致的变化趋势，这与Kirkby等[18]研究得出土壤碳与氮等养分循环存在耦合关系的结论类似。

近30年来，黑土区土壤速效养分含量总体呈上升趋势。土壤有效磷含量上升趋势明显，从监测初期的13.5 mg/kg增加到39.4 mg/kg，提高了191.9%，土壤有效磷含量的升高与磷肥的增量施用有关。1988—2011年间，土壤有效磷含量随时间显著线性增长，该时期磷肥施用量逐年增加，而磷素移动性差，在土壤中不断积累，提高了磷的容量和强度，土壤有效磷含量也随之增加[19]；2012—2016年土壤有效磷含量基本稳定，该阶段磷肥施用量下调。土壤有效磷含量增长较快，是否会出现营养元素富集，超过土壤磷素淋溶临界点，致使磷素淋洗进入地下水，需要引起注意[20]。土壤速效钾含量总体呈降低、升高再稳定的趋势。监测初期 (1988—1991年) 土壤速效钾含量平均水平为171.5 mg/kg，该时期对钾肥及其贡献重视不足，施用量普遍较低，土壤速效钾含量只能维持在初始水平，作物收获和径流造成钾素进一步损失[21]，从而引起土壤速效钾含量有降低趋势；监测中期钾肥的施用和效益得到人们的关注和认可，钾肥施用量提高，且随着秸秆还田的大力推广，土壤速效钾含量迅速提高；2012—2016年各监测点速效钾含量平均为224.3 mg/kg，较监测初期显著提高30.8%。添加外源钾素或秸秆还田可以提高耕层土壤速效钾和全钾的含量，同时提高速效钾占全钾的比例；且长期连续供应钾肥和秸秆还田可以显著降低土壤对外源钾素的固定量，有利于土壤速效钾的积累和提升[22]。

土壤肥力演变的主成分分析表明，农民习惯施肥下黑土肥力演变的主控因子是土壤速效钾和有效磷，而土壤有机质和全氮后期对黑土肥力合理演变贡献不足。长期农民习惯施肥下，土壤速效钾和有效磷含量显著提高，在满足作物生长需要的同时可以维持和培肥地力，是土壤肥力的核心来源；而黑土有机质和全氮含量在施肥后期基本保持稳定，可能限制了黑土整体肥力改善和生产力持续提升。较多研究已表明，施用有机肥或有机肥和无机肥配施可以显著提高土壤有机质含量，其培肥效果优于单施化肥[18]，因此，黑土培肥应注重化肥、有机肥和秸秆的平衡施用，同时调整合适的养分比例。

3.2 土壤pH变化

近30年来，黑土区土壤pH值总体呈先降低后平稳的趋势，前17年土壤pH值迅速降低，pH由7.15降为6.64，降低0.51个单位，后期土壤pH值相对稳定。这与前人研究结果一致[23]。自上世纪80年代起，化肥的广泛施用导致我国农田土壤面临明显的酸化趋势。Guo等[24]对我国154份农田土壤20年间的pH值变化进行分析发现，农田耕层土壤显著下降0.13 ～0.76个单位；高洪军等[25]研究发现连续19年施用化肥 (NP、NK和NPK) 处理黑土pH值下降1.4个单位左右；张喜林等[26]研究同样发现连续27年施氮肥后黑土耕层土壤pH值下降1.5个单位。长期连续的化肥投入会导致土壤pH值和土壤酸缓冲能力下降，而在施用化肥的基础上配合施用有机肥，土壤pH值会高于单施化肥处理，有机肥或秸秆还田处理有改善和抑制土壤酸化的趋势[27]。针对黑土区土壤pH值变化及可能的酸化趋势，应优化施肥结构和方法，积极施用有机肥 (秸秆、农家肥和商品有机肥)，避免长期施用单一养分化肥，注重氮肥与磷钾肥平衡配施。

3.3 作物产量变化

黑土监测点近30年监测结果表明，常规施肥措施下玉米产量总体呈增长趋势。2012—2016年常规施肥区玉米年均产量 (9930 kg/hm2) 较监测前期玉米产量 (6997 kg/hm2) 显著提高37.6%。长期不施肥和偏施肥作物产量较低，稳定性减弱，土壤生产力贡献率下降；施肥可以显著提高作物产量，并且平衡施用化肥可有效提高作物产量稳定性和可持续性，有机肥与化肥配施具有更加明显的增产和稳产效果[28]。大量的研究结果均证明有机肥与氮、磷、钾化肥配施对土地生产力贡献居首, 能有效增加土壤养分含量, 是提高生产力水平和培肥地力的最佳施肥结构[29–30]。

具体来说，黑土施肥区玉米产量前期增长迅速，后期逐渐趋于稳定，一方面可能是因为前期施用肥料包括无机肥和有机肥两类，且施肥总量逐年增长，满足作物高产的养分需求，后期施肥量保持在一定水平，作物生产和土壤培肥主要依赖于化肥，有机肥施用比例急剧降低甚至不再施用；另一方面可能是因为长期耕作种植下黑土肥力仅仅依靠化肥维持，持续高效输出生产力的能力降低。通过分析玉米产量与土壤养分的响应关系发现，黑土有机质和全氮含量可显著影响玉米产量，且均表现为较高的有机质和全氮含量水平对作物高产有积极作用，但也应该警惕人为施肥管理中肥料尤其是氮磷肥的过量施用。

4. 结论

近30年来，农民习惯施肥黑土区土壤肥力水平总体得到改善。黑土有机质、全氮、有效磷和速效钾含量均有所提高，其中土壤速效养分 (有效磷和速效钾) 含量上升趋势明显；土壤全氮和有机质持续提升能力有限，可能是黑土肥力演变的主要限制因子。但长期习惯施肥管理，黑土pH值呈下降趋势，应避免氮肥的过量施用，并且注重平衡施肥 (无机氮磷钾肥配施，无机肥有机肥配施等)。黑土区作物产量连年增长，主要取决于黑土基础生产力稳定输出和外源肥料的增产效应，但是目前培肥措施基于满足作物生长需要，持续提升土壤肥力的后效不足，因此需要改善目前的施肥结构，提高有机肥或秸秆的投入量。