鄒文秀，邱 琛,2，韓曉增，郝翔翔，劉曉潔，陸欣春，嚴(yán) 君，陳 旭

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.黑龍江省綠色食品科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

中國(guó)具有施用有機(jī)肥培肥土壤的傳統(tǒng)，早在1950年以前，通過(guò)有機(jī)肥投入到土壤中的養(yǎng)分占到土壤中總養(yǎng)分投入量的90%[1]。隨著人口的不斷增加，對(duì)糧食需求越來(lái)越大，化肥由于具有養(yǎng)分有效性高，且可以按照作物需求進(jìn)行施用的優(yōu)點(diǎn)而被大面積施用。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)在1978-2012年化肥的施用量增加了6倍，作物產(chǎn)量增加了93%[2]。但是，隨著化肥施用量的不斷增加，土壤酸化、鹽漬化和養(yǎng)分失衡等一系列土壤退化問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，也引起了土壤中硝酸鹽積累、地下水和地表水污染等問(wèn)題[3]。此外，我國(guó)每年畜禽糞污產(chǎn)出量約38億t，有效利用率不到40%[4-5]。未被利用的畜禽糞污若不進(jìn)行資源化利用和有效處置，不僅影響畜禽養(yǎng)殖區(qū)域生態(tài)環(huán)境，也容易造成水體等環(huán)境的污染。因此，畜禽糞污肥料化處理是畜禽糞污較為合理的利用途徑之一[6]。申貴男等在東北黑區(qū)開(kāi)展的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示，90%以上的生產(chǎn)者對(duì)畜禽糞污的資源化利用比較認(rèn)可，期待通過(guò)其資源化利用改善生活環(huán)境，減少資源浪費(fèi)，并且建議加大畜禽糞污的技術(shù)推廣[7]。

限制有機(jī)肥長(zhǎng)期施用的表觀因素是勞動(dòng)力成本和運(yùn)輸成本的不斷增加[3]，更重要的內(nèi)在原因是缺乏對(duì)有機(jī)肥是否能替代化肥滿足作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)需求的長(zhǎng)期研究及機(jī)理揭示。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)土壤地力提升的影響一直是研究熱點(diǎn)。Guo等在棕壤上研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代25%化肥處理作物產(chǎn)量與化肥處理間無(wú)顯著差異[8]。龔海青等基于一個(gè)30年的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，分析了黑土有機(jī)肥替代率與土壤有機(jī)碳的響應(yīng)關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)在土壤有機(jī)碳含量達(dá)到25 g·kg-1時(shí)，以有機(jī)氮作為衡量指標(biāo)，有機(jī)肥對(duì)化肥的替代率趨近95%[9]。東北黑土區(qū)南部公主嶺的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)上開(kāi)展的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥處理玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性優(yōu)于單施化肥處理[10]。郝小雨等研究表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)東北黑土區(qū)南部大豆產(chǎn)量的影響與等量化肥相同[11]。但是，在東北黑土區(qū)中部肥力較高的黑土上關(guān)于有機(jī)肥替代化肥對(duì)土壤肥力影響鮮有報(bào)道，特別是耕層和亞耕層的肥力變化對(duì)玉米產(chǎn)量貢獻(xiàn)的關(guān)注較少。

黑土是最肥沃的土壤之一，在我國(guó)主要分布在黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟，該區(qū)域是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地[12]。但是，近些年來(lái)由于不合理耕作和有機(jī)物料投入少導(dǎo)致黑土表層退化嚴(yán)重，威脅到國(guó)家糧食安全[13]。因此，在生產(chǎn)上急需探索出既能保護(hù)黑土層肥力又能提升土地生產(chǎn)能力的技術(shù)途徑。本文基于東北黑土北部的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，分析長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量、土壤肥力和物理指標(biāo)的影響，試圖揭示長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)化肥的替代能力以及長(zhǎng)期有機(jī)培肥后形成的土壤肥力對(duì)玉米生產(chǎn)的貢獻(xiàn)。本研究將為東北黑土地保護(hù)和畜禽糞污綜合利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)位于中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(47°27′N，126°55′E)，該試驗(yàn)站位于東北黑土區(qū)的中部，地勢(shì)平坦，溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均≥10 ℃有效積溫2 450 ℃，年均日照時(shí)數(shù)約為2 700 h，無(wú)霜期為125 d，一年一季。土壤類型屬于中厚層黑土(按照發(fā)生分類)，質(zhì)地為粘壤土，是在第四紀(jì)黃土狀母質(zhì)上發(fā)育起來(lái)的地帶性土壤，土壤物理性粘粒含>40%以上，黑土層(A)較厚，>50 cm，過(guò)渡層(AB)>60 cm，無(wú)碳酸鹽反應(yīng)，地下水埋深在20～30 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)域2000-2002年依次種植玉米、大豆和小麥，進(jìn)行勻地。勻地期間玉米、大豆和小麥均未施用肥料。2003年設(shè)置相關(guān)試驗(yàn)，包括3個(gè)處理，分別是不施肥處理(CK)、施用氮磷鉀化肥處理(NPK)、施用有機(jī)肥處理(M)。試驗(yàn)小區(qū)面積21 m2(5.0 m×4.2 m)，隨機(jī)排列，4次重復(fù)。作物種植方式為玉米連作。2003-2012年玉米品種為海玉6，2013-2019年玉米品種為德美亞3號(hào)。玉米施肥量為N 112.5 kg·hm-2，P2O545 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2。氮肥1/3作基肥，2/3追肥在玉米拔節(jié)期施用，磷鉀肥作基肥一次性施用。有機(jī)肥施用量為22 500 kg·hm-2(烘干基計(jì)重)，2003-2011年有機(jī)肥為純腐熟豬糞，有機(jī)質(zhì)含量597.6 g·kg-1，全氮含量22.1 g·kg-1，全磷含量8.58 g·kg-1，全鉀含量11.1 g·kg-1，pH 8.15。2012-2019年有機(jī)肥為秸稈、大豆粉和玉米籽粒按照5∶1∶1堆漚而成，有機(jī)質(zhì)含量456.9 g·kg-1，全氮含量20.2 g·kg-1，全磷含量3.39 g·kg-1，全鉀含量9.9 g·kg-1。有機(jī)肥于每年秋季玉米收獲后采用旋耕機(jī)混入土壤0～20 cm土層。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品采集。于2003試驗(yàn)開(kāi)始前和2020年采集土壤樣品。樣品采集方法：每個(gè)處理按照0～20 cm和20～40 cm土層深度進(jìn)行取樣，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)。采用環(huán)刀分層采集原狀土壤，然后使用環(huán)刀的蓋子蓋住兩端，再用膠帶密封后帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

1.3.2 測(cè)定方法。土壤有機(jī)碳和全氮采用元素分析儀測(cè)定(EA3000，Euro Vector，Italiy)，土壤磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH的測(cè)定參照文獻(xiàn)[11]。土壤總孔隙度、通氣孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的計(jì)算參考文獻(xiàn)[14]。

1.3.3 計(jì)算方法。把無(wú)肥區(qū)玉米產(chǎn)量作為土壤基礎(chǔ)生產(chǎn)能力，用以計(jì)算土壤化肥生產(chǎn)能力和有機(jī)肥生產(chǎn)能力：

土壤化肥生產(chǎn)能力=施用化肥玉米產(chǎn)量-土壤基礎(chǔ)生產(chǎn)能力

(1)

土壤有機(jī)肥生產(chǎn)能力=施用有機(jī)肥玉米產(chǎn)量-土壤基礎(chǔ)生產(chǎn)能力

(2)

土壤有機(jī)肥替代化肥能力=土壤有機(jī)肥生產(chǎn)能力/土壤化肥生產(chǎn)能力×100%

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2017對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。采用單因素方差分析(One Way-ANOVA)對(duì)無(wú)肥、化肥和有機(jī)肥處理間的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，采用Duncan多重比較分析不同處理間在P<0.05水平上的差異。采用SPSS 19.0對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、養(yǎng)分含量、pH和土壤物理性質(zhì)對(duì)玉米產(chǎn)量的影響進(jìn)行回歸分析，通過(guò)計(jì)算不同因子標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)絕對(duì)值與所有因子標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)絕對(duì)值之和的比值，評(píng)價(jià)不同因子對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。采用Origin 13.0繪制圖。

2 結(jié)果分析

2.1 長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

試驗(yàn)期間(2003-2019年)，CK處理玉米產(chǎn)量表現(xiàn)出了下降趨勢(shì)；NPK處理玉米產(chǎn)量雖然波動(dòng)較大，但受品種更換的影響，整體上略有增加；M處理隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)玉米產(chǎn)量增加明顯(圖1)。CK處理玉米產(chǎn)量比NPK和M處理顯著降低了25.1%～45.8%和15.8%～45.8%(P<0.05)。2003-2015年間，NPK處理玉米產(chǎn)量較M處理顯著提高了12.4%～29.4%(P<0.05)；2016、2017和2019年M處理與NPK處理玉米產(chǎn)量間無(wú)顯著差異(P>0.05)。

試驗(yàn)期間，土壤化肥生產(chǎn)能力(CFP)和有機(jī)肥生產(chǎn)能力(MP)表現(xiàn)出了與產(chǎn)量相似的變化趨勢(shì)(圖2)。但是，與2003年相比，2019年MP和CFP分別增加了343%和55.5%，說(shuō)明單獨(dú)施用有機(jī)肥比單獨(dú)施用化肥更能夠快速提高土壤的生產(chǎn)能力。通過(guò)計(jì)算有機(jī)肥替代化肥能力(MP/CFP)發(fā)現(xiàn)，隨著有機(jī)肥施用時(shí)間的增加，其替代化肥的能力逐漸顯現(xiàn)，在施用有機(jī)肥13年后，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥替代化肥，即MP/CFP接近1或者大于1。

注：*代表同一年份不同處理間在P<0.05水平上差異顯著。Note:* indicate significant differences between treatment in the same year at P<0.05 level.圖1 施用有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of organic manure application on maize yield

圖2 施用有機(jī)肥對(duì)土壤生產(chǎn)能力的影響Fig.2 Effects of organic manure application on soil productivity

2.2 長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分和pH的影響

分析0～20 cm土層土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分和pH變化表明，與2003相比，2020年CK處理耕層土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮和速效磷含量顯著減低了13.8%、20.7%、24.0%和25.2%(P<0.05)；NPK處理全氮、pH顯著減低了5.62%和0.71個(gè)單位(P<0.05)，而土壤速效磷含量顯著增加了37.0%(P<0.05)；M處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著增加了56.9%、71.7%、78.5%、315%和48.8%(圖3)。在2020年，除土壤全鉀含量和pH以外，CK、NPK和M處理對(duì)其他土壤肥力指標(biāo)的影響均差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為CK

注：不同的小寫(xiě)字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.The sameis as below.圖3 施用有機(jī)肥對(duì)0～20 cm土層土壤肥力的影響Fig.3 Effects of organic manure application on soil fertility within 0-20 cm soil layer

分析20～40 cm土層土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分和pH的變化表明，與2003年相比，2020年CK處理土壤有機(jī)碳、全氮和堿解氮含量分別顯著降低了17.0%、23.0%和27.0%；NPK處理土壤有機(jī)碳和全氮含量分別顯著下降了6.98%和8.19%，pH顯著下降了0.46個(gè)單位，速效磷含量顯著增加了42.0%；M處理土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別顯著增加了12.4%、16.0%、30.4%、19.4%、147%和28.6%，pH顯著下降了0.2個(gè)單位(圖4)。2020年，除土壤全鉀含量和pH以外，CK、NPK和M處理對(duì)其他土壤肥力指標(biāo)的影響均差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為CK

圖4 施用有機(jī)肥對(duì)20～40 cm土層土壤肥力的影響Fig.4 Effects of organic manure application on soil fertility within 20-40 cm soil layer

2.3 有機(jī)肥施用對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

與2003年相比，2020年0～20 cm和20～40 cm土層CK和NPK處理土壤容重沒(méi)有顯著的變化(P>0.05)，M處理土壤容重分別顯著下降了16.0%和4.40%(P<0.05)(圖5)。不同處理間0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重均表現(xiàn)為CK>NPK>M，其中CK處理和NPK處理間差異不顯著，M處理比CK和NPK處理在0～20 cm顯著降低了16.0%和15.3%(P<0.05)，在20～40 cm土層顯著下降了5.13%和4.43%(P<0.05)。

與2003年初始土壤相比，2020年CK和NPK處理對(duì)0～20 cm土層土壤總孔隙度沒(méi)有顯著影響，但是M處理0～20 cm土層土壤總孔隙度顯著增加了12.9%(P<0.05)(圖6)。雖然M處理有增加20～40 cm土層土壤總孔隙度的趨勢(shì)，但是不同處理對(duì)該層土壤總孔隙度沒(méi)有顯著影響(P>0.05)。不同處理對(duì)0～20 cm土層土壤毛管孔隙和非活性孔隙均沒(méi)有顯著影響，但是與初始值、CK和NPK處理相比，M處理土壤通氣孔隙顯著增加了47.8%～76.0%(P<0.05)。不同處理對(duì)20～40 cm土層土壤孔隙組成均沒(méi)有顯著影響。

圖5 施用有機(jī)肥對(duì)0～20 cm和20～40 cm土層容重的影響Fig.5 Effects of organic manure application on soil bulk density within 0-20 and 20-40 cm soil layers

2.4 土壤肥力指標(biāo)對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)

土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量及pH對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)見(jiàn)表1。在0～20 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度最大，達(dá)到了37.6%，其次是土壤全氮和全磷，分別為35.6%和11.0%，其他指標(biāo)的貢獻(xiàn)度均≤4.18%，其中全鉀的貢獻(xiàn)度最小(0.35%)。在20～40 cm土層，土壤全氮對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度最大，達(dá)到了46.0%，其次是土壤有機(jī)質(zhì)，為34.3%，其他指標(biāo)的貢獻(xiàn)度均≤6.09，全鉀的貢獻(xiàn)度最小(0.75%)。

圖6 施用有機(jī)肥對(duì)0～20 cm和20～40 cm土層孔隙組成的影響Fig.6 Effects of organic manure application on soil porosity within 0-20 and 20-40 cm soil layers

表1 土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分含量對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)Table 1 The contribution of soil organic carbon and nutrient contents to maize yield

土壤容重及孔隙分布對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)見(jiàn)表2。在0～20 cm土層，通氣孔隙和容重對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度較大，分別為41.2%和34.8%，非活性孔隙的貢獻(xiàn)度最小為0.27%。在20～40 cm土層，毛管孔隙和通氣孔隙對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度較大，分別為43.0%和27.3%，容重的貢獻(xiàn)度最小為12.0%。

表2 土壤容重及孔隙分布對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)Table 2 Contribution of soil bulk density and porosity to maize yield

3 討 論

施肥通過(guò)增加土壤中的養(yǎng)分含量，提高了玉米產(chǎn)量[15-16]。本研究也發(fā)現(xiàn)了試驗(yàn)期間化肥和有機(jī)肥處理的玉米產(chǎn)量顯著高于無(wú)肥處理。但是，玉米產(chǎn)量對(duì)化肥和有機(jī)肥施用的響應(yīng)是不一致的。2013-2016年間化肥處理玉米產(chǎn)量顯著高于有機(jī)肥處理，而2017-2019年間兩個(gè)處理間玉米產(chǎn)量差異不顯著(2018年除外)(圖2)。相關(guān)研究已經(jīng)報(bào)道了充足的養(yǎng)分供給對(duì)于玉米產(chǎn)量的形成至關(guān)重要[17-18]?；屎陀袡C(jī)肥的養(yǎng)分釋放速度是導(dǎo)致玉米產(chǎn)量對(duì)化肥和有機(jī)肥施用的響應(yīng)出現(xiàn)差異的最主要因素?；示哂叙B(yǎng)分釋放快，并能快速被作物吸收利用的特點(diǎn)[19]，而有機(jī)肥中雖然含有大量的有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分，但是其施用到土壤中需要經(jīng)過(guò)礦化作用才能釋放出可供作物吸收利用的養(yǎng)分，具有養(yǎng)分釋放緩慢的特點(diǎn)，不能及時(shí)滿足作物關(guān)鍵生育期對(duì)養(yǎng)分的需求[20]。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不同來(lái)源有機(jī)肥的礦化速度不同，培養(yǎng)120 d以后雞糞、牛糞和豬糞的礦化率分別為87.5%，71.9%和55.4%[20]。鄭福麗等研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥在室內(nèi)培養(yǎng)150 d后礦質(zhì)氮的釋放量為8.04%，有效磷釋放量為76.0%，速效鉀的釋放量為23.4%[21]。因此，有機(jī)肥養(yǎng)分釋放慢，不能協(xié)調(diào)供給作物吸收利用，是導(dǎo)致有機(jī)肥處理玉米產(chǎn)量在試驗(yàn)開(kāi)始的前13年顯著低于施用化肥處理的主要原因。有機(jī)肥連續(xù)施用13年后，能夠提高土壤中氮的有效性，增加土壤中來(lái)自有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量(圖3和4)，改善土壤的持水能力，并促進(jìn)良好土壤結(jié)構(gòu)的形成(圖5和6)，進(jìn)而滿足玉米生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分的需求[18]，提高玉米產(chǎn)量。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，有機(jī)肥替代化肥的作用逐漸明顯(圖2)。Edmeades通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)施用才能對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生正向的影響，同時(shí)有機(jī)肥對(duì)作物產(chǎn)量影響的時(shí)間效應(yīng)取決于初始土壤肥力和有機(jī)肥的礦化速率[18]，熱量是限制有機(jī)肥礦化速率的重要因素之一[22]。研究區(qū)域熱量偏低，年有效積溫為2 450 ℃，這也可能是導(dǎo)致經(jīng)過(guò)13年有機(jī)肥連施用后玉米產(chǎn)量才達(dá)到或者超過(guò)化肥施用處理水平的原因。在熱量偏高的區(qū)域，這個(gè)時(shí)間可能會(huì)縮短。研究已經(jīng)證明有機(jī)肥中養(yǎng)分的分解釋放速度隨著氣候熱量的增加而提高，即加速了有機(jī)肥養(yǎng)分的有效化[22]。雖然，溫延臣等發(fā)現(xiàn)與施用化肥處理相比，有機(jī)肥替代化肥后對(duì)作物產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異[23]，但是該研究中采用的是有機(jī)肥部分替代化肥施用，即進(jìn)行了等養(yǎng)分替代化肥。Christie的研究也認(rèn)為，在等養(yǎng)分含量投入的情況下，化肥和有機(jī)肥處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響沒(méi)有顯著差異[24]。但是，本研究中有機(jī)肥處理是進(jìn)行了化肥的全量替代，即有機(jī)肥處理并未施用化肥，證明經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間的有機(jī)肥施用，在肥力較高的黑土上有機(jī)肥全量替代化肥能夠滿足作物對(duì)養(yǎng)分的需求，供給作物生長(zhǎng)，獲得與施用化肥相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量。同時(shí)，長(zhǎng)期有機(jī)肥投入對(duì)土壤及作物生長(zhǎng)的影響具有持效性。有機(jī)肥的投入除了能夠增加土壤中養(yǎng)分積累，還能夠改善0～20 cm和20～40 cm土層土壤物理性質(zhì)，即降低了土壤容重(圖5)，增加了土壤中的通氣孔隙(圖6)，能夠進(jìn)一步促進(jìn)根系的下扎和對(duì)深層土壤水分及養(yǎng)分的利用[25]，調(diào)控了作物應(yīng)對(duì)水分和養(yǎng)分虧缺的能力[26]，對(duì)保障作物產(chǎn)量的穩(wěn)定具有重要的意義。彭暢等在公主嶺黑土的研究表明，降水顯著影響了化肥處理玉米產(chǎn)量的年際間變化，但是有機(jī)肥處理對(duì)降水響應(yīng)則不敏感[27]。

不同施肥管理是影響0～20 cm和20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量和土壤物理性質(zhì)的重要因素之一[18]。無(wú)肥處理由于沒(méi)有化肥和有機(jī)肥的投入，土壤中的養(yǎng)分含量不斷被作物吸收、移除帶走，導(dǎo)致土壤中的養(yǎng)分含量持續(xù)下降[16,18]。劉鴻翔等研究報(bào)道黑土在不施肥的情況下平均每年玉米、大豆和小麥的N、P和K養(yǎng)分移除量分別是145 kg·hm-2、83.6 kg·hm-2和99.0 kg·hm-2[28]。本研究中，經(jīng)過(guò)17年無(wú)肥處理后顯著降低了0～20 cm土層中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷的含量(圖2)。作物在養(yǎng)分缺乏的情況會(huì)通過(guò)根系的不斷下扎，吸收深層土壤的養(yǎng)分，供給其生長(zhǎng)發(fā)育的需要[29]。這是導(dǎo)致無(wú)肥處理對(duì)有機(jī)碳、全氮和堿解氮的顯著影響已經(jīng)到了20～40 cm(圖4)的主要原因。說(shuō)明長(zhǎng)期無(wú)肥料投入會(huì)導(dǎo)致土壤剖面中的養(yǎng)分被不斷消耗，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，受影響的剖面深度越深。本研究中化肥施用量能夠基本維持0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，其中顯著增加了0～20 cm土層中全氮、全磷和速效磷的含量。但是，受施肥深度和氮素淋溶的影響[30-31]，化肥處理顯著減少了20～40 cm土層全氮含量。0～20 cm土層中未被作物吸收利用的速效磷在20～40 cm土層中累積，導(dǎo)致化肥處理20～40 cm速效磷含量增加[29]。有機(jī)肥的施用不僅增加表層0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，在根系殘茬、根系沉積物和可溶性有機(jī)質(zhì)物等向下移動(dòng)的多重作用下[18,31]，顯著增加了20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量(全鉀除外)。說(shuō)明有機(jī)肥連年施用具有增加深層土壤養(yǎng)分的作用。Lu等研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期有機(jī)肥的施用能夠顯著增加0～40 cm土層全磷的含量和0～60 cm土層速效磷含量[29]。有機(jī)肥的容重較低[32]，還田后能夠有效降低0～20 cm土層土壤的容重(圖6)，增加土壤的孔隙度，特別是土壤中的通氣孔隙(圖7)，促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)[18,33]，進(jìn)而顯著降低了20～40 cm土層土壤的容重。

本研究發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm和20～40 cm土層均是有機(jī)質(zhì)和全氮含量對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率較高。眾所周知，黑土是自然肥力較高的土壤，但是開(kāi)墾之后由于不合理利用導(dǎo)致土壤肥力下降，限制了作物產(chǎn)量[12]。為了提高作物產(chǎn)量，化肥和有機(jī)肥被投入到土壤中用以供給作物吸收利用[13]。單獨(dú)化肥的施用雖然能夠基本維持作物的產(chǎn)量，但是不能夠顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[34]。在土壤物理指標(biāo)中，0～20 cm土層通氣孔隙對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最大，而在20～40 cm土層毛管孔隙對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最大。其主要原因包括以下兩個(gè)方面，(1)黑土黏粒含量在40%以上，質(zhì)地黏重，0～20 cm土層中通氣孔隙對(duì)土壤中“水”、“氣”、“熱”的調(diào)控直接影響了作物根系的生長(zhǎng)和土壤中養(yǎng)分的有效性[11,14]；(2)20～40 cm土層中的毛管孔隙是下層土壤水分向上運(yùn)動(dòng)的通道，水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程同時(shí)會(huì)攜帶土壤養(yǎng)分，供給作物吸收利用[35]。

4 結(jié) 論

基于17年的田間定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)期間無(wú)肥處理玉米產(chǎn)量顯著低于化肥和有機(jī)肥處理，有機(jī)肥處理在連續(xù)施用有機(jī)肥13年后玉米產(chǎn)量能達(dá)到施用化肥處理的水平，有機(jī)肥替代化肥的能力接近1。連續(xù)施用的有機(jī)肥在微生物的作用下形成有機(jī)質(zhì)在土壤不斷積累，釋放養(yǎng)分供給作物吸收利用，土壤物理性質(zhì)的改善是導(dǎo)致有機(jī)肥處理玉米產(chǎn)量穩(wěn)定提高的最主要因素。在黑土區(qū)通過(guò)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥的連續(xù)施用，能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)肥全量替代化肥。