張莎娜，譚長銀，萬大娟，楊 燕，彭 渤，夏偉霞

(湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，中國長沙 410081)

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期試驗(Long-term agroecosystem experiments，LTAEs)一般定義為20年以上、有一定規(guī)模，用于研究農(nóng)業(yè)過程的農(nóng)作物產(chǎn)量、養(yǎng)分循環(huán)和環(huán)境效應(yīng)的田間試驗［1］.也有人把一季作物或2～3年的試驗稱為短期試驗，持續(xù)時間5～10年的試驗稱為中期試驗，超過10年至幾十年的試驗歸入長期試驗，百年以上的試驗定位為超長期試驗［2］.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期試驗可以為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生物學(xué)、生物地球化學(xué)和農(nóng)業(yè)環(huán)境評價提供有價值的信息，并可以用于全球變化的預(yù)測和相關(guān)預(yù)測模型的建立和驗證.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗是一種“長期”、“定位”的研究方法，具有時間的長期性、氣候的可重復(fù)性，信息量豐富、準確可靠、解釋能力強，因此它具有常規(guī)短期試驗不可比擬的優(yōu)點.長期延續(xù)下來的農(nóng)業(yè)試驗看起來很平凡，但從時間序列上看，只要能堅持對基本試驗要素的長期觀測，延續(xù)的時間愈長，其科學(xué)價值愈重大.隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期試驗的應(yīng)用領(lǐng)域也逐步得到拓展(如物種適應(yīng)性及其他未知領(lǐng)域)(圖1［1］).

對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗的研究成果進行總結(jié)，可以加深對土壤肥力與肥效的變化規(guī)律的理解，也可以揭示常規(guī)農(nóng)業(yè)管理條件下長期施肥可能產(chǎn)生的生態(tài)過程及其環(huán)境效應(yīng)，并為解決農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)問題積累資料.

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗的發(fā)展概況

國外的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗起步較早、歷時長、連續(xù)性較好，已成為一種比較成熟、綜合性較強的科學(xué)研究方法.1843年Lawes 和Gilbert 在英國洛桑試驗站(Rothamsted Experimental Station)開始的田間試驗被公認為持續(xù)時間最長的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期定位試驗，經(jīng)過幾代科學(xué)家170年的持續(xù)努力，洛桑試驗站為農(nóng)業(yè)和環(huán)境重要研究項目提供了許多寶貴信息.此外，持續(xù)50年以上比較有影響的試驗還有美國的Morrow(1876)和Sanborn(1888);丹麥的Askov(1894);德國的Eternal Rye(1878)和Static Fertilizer(1902);澳大利亞的Rutherglen(1913)、Longerenong(1917)和Waite(1925);波蘭的Skiemiewice(1923);加拿大的Lethbridge(1911)和Breton(1930)等設(shè)計的長期試驗.可以看出，這些經(jīng)典的長期試驗主要分布在比較穩(wěn)定的發(fā)達國家，發(fā)展中國家相對較少［1］.

圖1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗的作用隨時間的變化Fig.1 Changes in the role of LTAEs over time

我國長期肥料試驗起步較晚，且很多試驗站沒有維持下來.1987年國家計委和農(nóng)業(yè)部在全國重點農(nóng)區(qū)不同類型的土壤上建立了9 個土壤肥力和肥料效益長期定位監(jiān)測基地，組成了國家級大型土壤肥力和肥料效應(yīng)長期定位監(jiān)測試驗站網(wǎng)絡(luò).這9 個監(jiān)測基地橫跨我國4 個氣候帶，9 種土壤類型，采用統(tǒng)一的試驗設(shè)計及觀察研究方法，具有空間上的多點性和時間上的連續(xù)性，代表性強，是當(dāng)時國內(nèi)較為系統(tǒng)和全面的長期定位試驗基地［2］.20世紀80年代末，中國科學(xué)院在全國建立了主要由36 個生態(tài)系統(tǒng)定位實驗站組成的中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN).其中與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期試驗密切相關(guān)的有海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站、沈陽生態(tài)實驗站、禹城農(nóng)業(yè)綜合實驗站等12 個試驗站.肥料效應(yīng)長期定位監(jiān)測試驗站網(wǎng)絡(luò)和中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)形成了覆蓋我國幾乎所有農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)長期定位試驗網(wǎng)絡(luò)，有明確的科學(xué)目標、廣泛的研究內(nèi)容:土壤肥力動態(tài)、施肥制度，有機質(zhì)分解、積累與平衡，不同污染物在土壤-植物系統(tǒng)的遷移、運轉(zhuǎn)規(guī)律，生物多樣性和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，農(nóng)業(yè)環(huán)境演變及其與全球變化的關(guān)系等.該網(wǎng)絡(luò)的形成為開展我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)及其功能演變的研究、探索農(nóng)業(yè)生態(tài)過程的地理分異規(guī)律、加強新理論和新技術(shù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ).

2 長期試驗在農(nóng)業(yè)生態(tài)過程研究中的作用

2.1 長期施肥對土壤肥力及農(nóng)作物產(chǎn)量的影響

長期施肥條件下土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量變化規(guī)律是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗的一個重要研究內(nèi)容，很多長期試驗得出的結(jié)論認為，有機肥和化肥對作物有極好的增產(chǎn)效果和持續(xù)的增產(chǎn)作用.Cooke 分別統(tǒng)計了洛桑試驗站各試驗地18～61年6 種農(nóng)作物長期施用化肥與廄肥的效果，總的趨勢是化肥的肥效略高于廄肥;化肥和廄肥配合無論是近期或者長期都可取得較高的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益［3-4］.淋溶土上的研究表明，長期小麥/大豆輪作條件下，不施肥及僅施NP 肥處理的大豆和不施肥以及僅施N 肥處理的小麥產(chǎn)量下降;NPK 配施糞肥或石灰的處理小麥產(chǎn)量增加［5］.在法國西南部的石灰性土上，長期不施鉀肥嚴重影響谷子—油菜—蠶豆輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量，鉀的投入有助于農(nóng)作物產(chǎn)量的提高;長期不施肥土壤中的可交換鉀含量輕微下降，但沒有達到營養(yǎng)平衡水平［6］.Bhandari 等［7］在印度的研究表明，無機肥配施有機肥能顯著提高水稻、小麥籽粒的產(chǎn)量;美國德克薩斯州進行的玉米/棉花輪作施肥實驗中，長期施用高量N 肥比施用低量N 肥使作物殘差覆蓋度增加了8%;平衡施用NPK 肥可以提高塊根和地上部生物量［8］.德國50年的長期試驗研究表明，小麥/玉米輪作過程中施用廄肥或秸稈還田配施NPK 化肥可以獲得較高的產(chǎn)量;對小麥而言，輪作的增產(chǎn)效應(yīng)不受施肥的影響，對玉米而言，施肥降低了幾乎一半的輪作效應(yīng)［9］.Rebafka 等［8］在非洲的研究表明，秸稈還田配施磷肥可以顯著地提高稻谷的產(chǎn)量;尼日爾的酸性沙土中，無論長期還是短期的殘差還田可使稻谷增產(chǎn)高達60%，不還田的則迅速減產(chǎn);而殘差還田配施磷肥，可以獲得更高的產(chǎn)量和干物質(zhì)生物量［10］.Dybzinski［11］分析認為，長期施肥使得農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性增加，從而增加土壤肥力，提高作物產(chǎn)量.

在我國的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗研究中，化肥和有機肥對土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量的持續(xù)影響一直是研究的重點.王飛等［12］的研究表明:長期化肥配施牛糞或秸稈還田有利于提高水稻子粒Zn、B、Cu 等微量元素含量和產(chǎn)量，改善子粒營養(yǎng)品質(zhì).在第四紀紅土紅壤發(fā)育的水稻土上的實驗研究表明，長期施用化肥和有機肥可以使土壤有機質(zhì)、全N、全P、可礦化N 量均增加，化肥和稻草長期配合施用可以維持和提高紅壤水稻土的生產(chǎn)力和土壤肥力，使水稻獲得持續(xù)高產(chǎn);而不施肥、施用單一化肥的處理，土壤養(yǎng)分含量和稻田的生產(chǎn)力顯著降低［13］.曹志洪［14］在常熟生態(tài)農(nóng)業(yè)實驗站進行的稻麥兩熟制下土壤養(yǎng)分平衡與培肥長期試驗研究表明，化肥加秸稈粉碎還田可以有效地促進土壤養(yǎng)分的積累，維持土壤有機質(zhì)的平衡，增加作物的產(chǎn)量;有機、無機肥的配合施用是合理利用資源，保持和提高土壤肥力的重要施肥制度.欽繩武等［15］長期定位試驗研究的結(jié)果表明:N、P 肥配合施用使潮土生產(chǎn)能力顯著提高，一旦停止施肥，農(nóng)作物產(chǎn)量迅速下降到很低水平;在試驗施肥模式和產(chǎn)量水平下，大多數(shù)潮土中的N、P 養(yǎng)分和有機質(zhì)都略有盈余，而K 養(yǎng)分則普遍虧缺.

長期施肥不僅影響土壤的養(yǎng)分狀況，也同樣影響土壤的重要性質(zhì).唐旭等［16］研究發(fā)現(xiàn)，長期施用無機肥可破壞土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并導(dǎo)致土壤酸化，使大麥產(chǎn)量逐年降低.在湖南祁陽典型紅壤上進行不同施肥長期定位試驗18年的研究結(jié)果表明:施用化學(xué)氮肥所引起的pH 降低是作物產(chǎn)量和NPK 養(yǎng)分降低的主要原因之一;而施用有機肥能改善紅壤酸度，尤其是化學(xué)肥料配施有機肥能獲得持續(xù)高產(chǎn)，是紅壤區(qū)的最佳施肥模式［17］.另有研究表明:長期施用NPK 肥和秸稈覆蓋能顯著提高土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮和全磷含量，施肥、秸稈覆蓋和灌水對土壤全鉀含量總體上影響不顯著［18］;施用有機肥和有機無機配施能夠增加松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)、緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的總量，提高松/緊比值，而這也是有機肥能夠培肥土壤的重要原因之一［19］.劉小粉等［20］利用分形維數(shù)評價不同施肥處理對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響時發(fā)現(xiàn):長期進行有機肥—化肥配施的土壤其大團聚體含量較多，團聚體穩(wěn)定性較好，有機質(zhì)含量較多，土壤容重較小，孔隙搭配合理，水肥能得到有效利用.對東北黑土長期施肥及養(yǎng)分再循環(huán)的研究發(fā)現(xiàn)，無肥、單施N 肥、單施P 肥和原始有機農(nóng)業(yè)循環(huán)方式條件下黑土總有機碳(TOC)呈下降趨勢，合理施用化肥和化肥加有機肥模式能保持黑土TOC 穩(wěn)定或略有增加［21-22］.有機肥與化肥配合施用較長期無肥處理可顯著提高土壤有機質(zhì)水平，增加土壤全N 含量［23］，施用有機肥比無機肥更能提高土壤有機質(zhì)含量［24］.王伯仁等［25］對旱地紅壤連續(xù)13年定位監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，長期進行有機-無機肥料配合施用，土壤有機質(zhì)含量逐步提高;長期單施化肥，土壤交換性H+、Al3+顯著增加，旱地紅壤酸化明顯，作物生長受阻，產(chǎn)量降低.鄒長明等［26］的研究表明，施用含S 化肥15年后導(dǎo)致水稻土表層土壤pH 明顯下降、SO2－4明顯累積.施用含S 化肥24年后，土壤有效Cu、B、Mn 及全Ca 含量有增加趨勢，對有效Mo、Zn 及總Mg 似乎沒有影響;長期施用含硫化肥已顯著減少水稻(尤其是晚稻)對Fe、Mo、B、Mg、Cl 的吸收，并導(dǎo)致水稻減產(chǎn).洛桑試驗站的經(jīng)典試驗還表明，長期施用氨態(tài)N 肥可導(dǎo)致土壤Al3+的溶出，土壤酸化［27］.張永春等［28］研究太湖地區(qū)典型土壤黃泥土上26年的長期施肥試驗時發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理對土壤pH 和土壤酸堿緩沖容量有顯著影響，長期施用尿素、有機肥及水稻秸稈均導(dǎo)致土壤的酸化，增施尿素可顯著促進土壤酸化，尿素和水稻秸稈或有機肥配施所引起的土壤酸化速率均大于單施尿素處理.

各國的研究均表明，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期試驗?zāi)軌蛟谧畲髸r間尺度上提供傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過程的可靠信息，根據(jù)這些歷史信息可以更好地預(yù)測未來土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量的變化趨勢，并為建立和檢驗可持續(xù)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)提供有效途徑.

2.2 長期試驗對土壤微生物活性及微生物多樣性的影響

不同肥料的施用改變了土壤微生物的能源結(jié)構(gòu)及微生物的生存環(huán)境，從而對土壤微生物的活性及其多樣性產(chǎn)生重要影響.李娟等［29］在國家褐潮土肥力與肥料效益監(jiān)測基地，應(yīng)用氯仿熏蒸—K2SO4提取法和化學(xué)分析法分析了15年不同施肥處理的農(nóng)田土壤，認為長期有機無機肥料配施可提高土壤微生物量、脲酶活性;土壤微生物學(xué)特性可以反映土壤質(zhì)量的變化，可用作評價土壤健康的生物指標.侯曉杰等［30］應(yīng)用BIOLOG 技術(shù)，發(fā)現(xiàn)裸地條件下，肥料合理配施可以增強微生物的碳源利用效率，顯著增加微生物功能多樣性;地膜覆蓋和施肥的交互作用降低了微生物對碳源的利用率，降低微生物的豐富度，改變其均勻度;土壤微生物碳源利用的差異顯著受到土壤pH、速效鉀含量的影響;有機碳、速效氮含量及土壤碳氮比對土壤微生物群落功能多樣性有決定性影響.

進一步的研究表明，長期施用化肥和有機肥對土壤酶活性和微生物功能多樣性有重要影響.在棕壤分布區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥與地膜覆蓋對土壤肥力指標和微生物學(xué)性質(zhì)有重要影響［31］.白震［32］在黑土肥料定位站以未施肥(CK)和休閑(Fallow)處理為對照，發(fā)現(xiàn)長期有機肥施用有效提高了土壤有機質(zhì)、總氮及速效氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，顯著增加了SMBC(SMBN)和真菌、細菌的PLFA 含量以及磷酸酶活力，極大地提高了土壤真菌/細菌比值;而長期NP 或NPK 處理不但未明顯改善土壤養(yǎng)分狀況，甚至抑制了磷酸酶活性及大多數(shù)菌群生長.周斌［33］在灰漠土農(nóng)田土壤研究中發(fā)現(xiàn)，長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)比試驗前均有所提高;不同施肥處理下土壤酶活性和土壤理化性質(zhì)存在明顯差異，N 和有機質(zhì)含量是制約灰漠土土壤酶活性的關(guān)鍵因子.

3 長期試驗在環(huán)境問題研究中的作用

3.1 長期施肥對土壤溫室氣體排放和固定的影響

與自然土壤相比，農(nóng)田土壤在全球碳庫中是最為活躍的土壤類型之一，是受到強烈人為擾動且短時間內(nèi)可調(diào)節(jié)的碳庫，因而農(nóng)業(yè)土壤碳庫儲量及其固碳能力是評估溫室氣體減排潛力的重要依據(jù).據(jù)估計，全球農(nóng)業(yè)土壤固碳潛力為20 Pg，歐美諸國由于實行保護性耕作使得近期農(nóng)業(yè)土壤碳庫呈穩(wěn)定增長的趨勢［34］.農(nóng)業(yè)是當(dāng)前具有很大緩解能力和潛力的一個重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，全球農(nóng)業(yè)減排的自然總潛力高達5.5～6 Gt·a－1CO2當(dāng)量，其中93%來自減少土壤CO2釋放(即固定土壤碳)，而東南亞是全球最大的農(nóng)業(yè)(土壤)固碳與溫室氣體減排的潛力所在［35］.另有報道，土壤有機碳庫中的C 是大氣中C 總量的兩倍，土壤有機碳庫可能是大氣中多余CO2的一個匯，這可能是緩解全球氣候變化的一條重要途徑［36］.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗在長期施肥對溫室氣體排放和吸收的影響研究中可發(fā)揮重要作用.長期施用化肥和有機肥以及不同的施肥方式均影響CO2、N2O、CH4等土壤溫室氣體排放.美國Missouri 的長期試驗研究表明，施用化肥和有機肥在增加作物產(chǎn)量的同時也增加了有機物料的數(shù)量，有機物料循環(huán)可以顯著增加土壤有機碳含量［1］.陳杰華等［37］采用DNDC 模型來探討長期不同耕作措施下紫色水稻土壤有機碳變化趨勢，結(jié)果表明:經(jīng)過15年的耕種，4 種耕作制度的土壤有機碳含量都較原始有機碳含量有所上升.模擬結(jié)果證明，長期實施秸稈還田可提高土壤有機碳含量，秸稈還田配合壟作免耕對土壤有機碳的增長效果更好.在黑土、灰漠土和紅壤的長期施肥試驗研究中同樣發(fā)現(xiàn)，有機無機肥料配施能維持和提高土壤有機碳含量［38］.進一步研究還發(fā)現(xiàn):秸稈還田有利于促進表土有機碳的固定，水田在保持較高固碳速率的同時，還延長了有效固碳年限［39］.董玉紅等［40］采用靜態(tài)箱/氣象色譜法，研究長期不同養(yǎng)分配施(CK，NK，NP，PK 和NPK)后的農(nóng)田土壤溫室氣體排放差異.結(jié)果表明，不同處理條件下，土壤CO2排放呈相似的變化趨勢，受土壤溫度和水分的共同影響，土壤CH4和N2O 的時間變化在不同處理間存在差異，和溫度水分的關(guān)系不明顯.土壤CO2平均排放通量從小到大依次為CK、NK、PK、NP、NPK，CH4的平均排放通量在各處理中沒有差異，不施肥對照和PK 處理的平均N2O 排放通量最低，而NP、NK 和NPK 處理明顯高于不含氮肥的處理.此外，另有研究表明:施用有機肥，尤其是未腐熟的有機物料如作物秸稈、新鮮綠肥、未腐熟廄肥等，可促進農(nóng)田土壤CH4、N2O等微量溫室氣體的排放［41］.這些研究結(jié)果的差異，可能與不同試驗的研究目標有關(guān)，也與試驗時間的長短有關(guān)，要得到比較準確可靠的結(jié)論，長期試驗是一個有效的途徑.

模型模擬是對環(huán)境演變趨勢進行預(yù)測的有效方法，但模型的建立要以長期試驗提供的可靠數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，也需要長期試驗提供比較系統(tǒng)和完整的信息.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗的大量可靠信息在土壤C 吸收和全球氣候變化的模型模擬中發(fā)揮了重要作用.

3.2 長期施肥對土壤重金屬積累及其有效性的影響

環(huán)境變遷的歷史過程都會在土壤中留下相應(yīng)信息，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期試驗很好地記錄了這些信息，從而為環(huán)境演變過程研究提供了一條有效途徑.為了解土壤重金屬積累隨時間的變化規(guī)律及重金屬的來源，Jones 等人分析了洛桑試驗站100 多年以來的土壤、肥料以及大氣沉降物樣品中Cd 的含量，結(jié)果表明，自1846年以來，耕層土壤中Cd 含量有顯著增加，而且20世紀初期以后土壤Cd 含量增加的速度明顯加快.增加的Cd 中有27%～55%來源于大氣沉降，大氣沉降使土壤中Cd 每年增加1.9～5.4 g·hm－2;施用P 肥的處理，土壤Cd 的平均負荷為每年2 g·hm－2;在土壤Cd 積累方面，土壤有機質(zhì)含量較土壤pH 值起著更重要的作用;長期施用有機肥(廄肥)可以使土壤Cd 含量顯著增加，其積累效應(yīng)較大氣沉降和P 肥施用的總和更顯著［1，42］.陳芳等［43］測定封丘農(nóng)業(yè)實驗站長期肥料試驗土壤中As、Hg、Cd、Pb 含量時發(fā)現(xiàn)，隨耕作年限增加，土壤中4 種重金屬含量呈上升趨勢，土壤重金屬質(zhì)量分數(shù)增加從大到小順序為:Hg、Cd、Pb、As;到2001年為止研究區(qū)土壤重金屬含量尚未超過土壤環(huán)境質(zhì)量一級標準.譚長銀等［44］在中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站研究了長期定量施用NP 化肥和豬糞對黑土Cd 積累的影響.結(jié)果表明，完全不施肥的自然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程黑土Cd 含量略有增加;長期定量施用NP 化肥使黑土Cd 含量顯著增加，但不同化肥用量對黑土Cd 積累的影響無顯著差異;長期施用豬糞可顯著增加黑土Cd 的積累，并有加速積累的趨勢，含Cd 飼料添加劑可能是豬糞中Cd 的重要來源，但農(nóng)田土壤中有機肥的來源不同對土壤重金屬積累的影響也不同.在中國科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站的長期試驗研究中發(fā)現(xiàn):單施化肥可以明顯降低土壤Cd 含量，水稻收獲時的移出效應(yīng)可能是Cd 含量減少的主要原因;而施用有機肥的處理，有機物料的循環(huán)在歸還養(yǎng)分的同時，也歸還了Cd;施用化肥和有機物料循環(huán)可以使紅壤稻田Pb 含量增加，對Cu 和Zn 的積累作用不顯著［45］.

長期施肥不僅可以影響土壤中重金屬的積累，不同肥料的施用對土壤重金屬的有效性也有重要影響.對封丘實驗站不同施肥條件下潮土Cu、Zn、Fe、Mn 含量的研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理之間Cu、Zn、Fe、Mn 的全量無顯著差異，但施用有機肥的處理DTPA 提取態(tài)Cu、Zn、Fe、Mn 含量顯著高于對照［46］.王開峰等［47］以中國科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站的長期定位試驗為依托，發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)和活性有機質(zhì)可以顯著提高土壤有效態(tài)Zn、Cu、Cd 含量，土壤有機質(zhì)對重金屬有明顯的“活化作用”，并建議在重金屬本底值較高的稻田中慎用有機肥.對中國南方紅壤和北方黑土長期試驗研究表明，長期施用豬糞不僅增加土壤Cd 積累，也增加交換態(tài)Cd 在全量Cd 中所占的比例［48-49］.孫花等［50］也認為土壤有機質(zhì)的含量和組成可以影響重金屬在土壤中的積累、遷移轉(zhuǎn)化過程及其生物有效性.

3.3 其他農(nóng)業(yè)環(huán)境問題研究

化肥和有機肥的不合理施用有可能導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失及水體富營養(yǎng)化等問題.在日本琦玉農(nóng)業(yè)試驗站的長期試驗(1904年布置試驗)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)80年完全不施肥的處理，水稻產(chǎn)量經(jīng)歷了一個下降—穩(wěn)定—上升—穩(wěn)定的過程:前30年(至1934)下降，隨后的20年(至1954)產(chǎn)量維持穩(wěn)定，從1955年開始產(chǎn)量又大幅增加，此后一直維持在較高的水平.后來研究表明，其主要原因是灌溉水中N 濃度增加了.灌溉水中N 濃度的增加雖然可以導(dǎo)致農(nóng)作物的增產(chǎn)，但也可能帶來水體的富營養(yǎng)化［51］.也有試驗證實，歐洲一些地區(qū)地下水的污染并非主要來源于農(nóng)業(yè)中含N 化肥的應(yīng)用，而主要來自土壤中有機N 的礦化［52］.

水土流失是我國西部地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題之一，尤其是黃土高原地區(qū)，水土流失對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成了嚴重影響，極大地增加了下游河道治理與水資源利用的難度.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期試驗在水土保持和農(nóng)業(yè)資源利用方面發(fā)揮了積極作用.宋孝玉等［53］根據(jù)長武農(nóng)業(yè)生態(tài)站徑流小區(qū)的觀測資料對陜西長武不同下墊面條件農(nóng)田產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及影響因素進行了分析，指出降雨強度對產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的影響起主要作用，在此前提下，降雨歷時也影響著產(chǎn)流、產(chǎn)沙量;坡度和覆蓋條件也是影響黃土溝壑區(qū)農(nóng)田產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素.

4 研究展望

用數(shù)十年乃至上百年的試驗結(jié)果反復(fù)證明某種養(yǎng)分對作物的增產(chǎn)作用必定有其更廣泛的科學(xué)價值;事實上，超過百年歷史的長期肥力試驗記錄著人類活動和環(huán)境變遷的豐富信息，是有巨大科學(xué)價值的寶貴財富.一百多年來，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期試驗在土壤肥力、養(yǎng)分循環(huán)、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)等方面的研究已經(jīng)取得了許多重要的研究成果，隨著對相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)問題認識的不斷深入和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以下幾個方面可能是長期定位試驗重要的研究方向:(1)長期施用化肥和有機肥在不同環(huán)境條件下(如土壤類型、氣候類型、農(nóng)作物類型等)對養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化及土壤性質(zhì)的影響;(2)長期施肥對土壤重金屬積累過程的影響，特別是近年來畜禽糞便類有機肥的長期施用所引起的土壤重金屬積累情況值得進一步研究;(3)長期施用有機肥所引起的土壤有機質(zhì)組成和性質(zhì)變化對土壤養(yǎng)分循環(huán)和重金屬遷移轉(zhuǎn)化過程的影響;(4)長期施用有機肥和化肥可能帶來的持久性有機污染物、激素類污染物等對環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品等構(gòu)成的潛在威脅［54］;(5)長期施用化肥和有機肥及其所引起的土壤養(yǎng)分和土壤性質(zhì)變化對土壤生物多樣性的影響過程及其機制研究有待進一步深入;(6)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán)對維持全球碳、氮平衡具有重要意義，可以預(yù)期，長期定位試驗將為碳、氮循環(huán)的影響因素及其驅(qū)動機制研究提供可靠的重要信息.

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