长期施肥对土壤有机质积累的影响
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中子管 20cm
60c m 图 1 养分池示意图 Fig.1 Sketch map of nutrient plot
自1990年10月6日开始播种冬小麦（Triticusp aestvum L.） ，以后作物均为冬小麦-夏玉米（Zea Mays L.）轮作。作物品种：玉米为农大108；冬 2007—2008年为衡 小麦1990—2006年为兰考906； 529；2009至今为济麦22。其中，冬小麦每季浇3 次水（冬水，拔节，孕穗） 。所有处理秸秆不还田， 其他常规耕作与大田相同。 1.3 田间取样、测定方法及计算方法 长期试验开始后，每年取土样2次，分别为6 月份冬小麦收获后、10月份玉米收获后小麦播种 前。取样深度为0~20、20~40、40~60 cm，每一深 度采3点混合样品。在每一季小麦收割后，采集籽 粒、茎叶，每一季玉米收割后，采集籽粒、茎叶、 穗轴、根。所有土壤样品和植物样品经风干、过 筛后按常规分析[15]和计算方法[16]分别进行土壤有 机质以及作物产量的测定。SOM测定时，先将土 样风干，过0.25 mm筛孔，然后采用重铬酸钾氧化 -外加热法测定。 本研究中总SOM的计算方法： 为了避免各处理间土壤容重的差异，每个 30 m2 试验小区 0~60 cm 土壤总的 SOM 储量采用等 其计算公式[1] 质量土壤 SOM 储量方法来估算[17]， 如下：
生态环境学报 2012, 21(5): 840-847 Ecology and Environmental Sciences
http://www.jeesci.com E-mail: editor@jeesci.com
长期施肥对土壤有机质积累的影响
赵广帅 ，李发东 *，李运生 ，张妍 ，欧阳竹 ，田振荣
的碳收支认证及相关问题”（XDA05050502）
河北省的大部以及山东、河南两省的黄河以北部 分，是中国粮食主产区，也是商品粮的重要生产 基地，每年粮食生产量占全国总量的 26.4%[12]。 长期施肥定位试验能系统地研究土壤肥力演变和 肥效变化规律，克服气候年变化对肥效的影响， 是农业生产和农业科学的一项重要的基础研究工 作[13]。研究区位于华北平原粮食主产区，地处黄 河中下游引黄灌溉区，具有几十年的引黄历史， 并且供试土壤为中国科学院禹城综合试验站内的 盐化潮土，在黄淮海平原同类地区有代表性[14]。 因此，通过开展不同施肥处理对有机质影响的长 期试验能够恒定不同施肥对作物生长的影响、长 期养分缺乏对产量的影响和不同施肥对土壤 SOM 的长期影响，对华北地区粮食安全、施肥管 理以及增加农田系统碳储量、减少温室气体排放 具有重要意义。
土壤有机质(SOM)一直都是农学和土壤学研 究的重点[1-2]，目前也成为应对全球气候变化研究 的热点。 SOM 是所有陆地生态系统关键组成部 分，其含量和组分的变化都会深刻影响系统中各 种过程[1]。SOM 主要部分—土壤有机碳（SOC） 是地球陆地生态系统最重要和活跃的碳库，同时 又是土壤肥力和基础地力最重要的物质基础，它 影响着耕地生产力及其稳定性。全球 SOC 库为 1 200～2 000 Gt， 大约是大气 C 库的 2 倍， 植物 C [2-3] 库的 2～4 倍 ，与大气交换的 SOC 大约占陆地 因此， 即便是 SOC 表层生态系统碳储量的 2/3[4-5]。 库的微小变化，对全球的碳平衡都会产生重大影 响。农田土壤是最具潜力的碳汇，它通过吸收空 气 中 CO2 以 及 减 少 全 球 排 放 来 增 加 土 壤 中 SOC[6]，土壤中 SOC 含量增加有利于保持肥力和 提高作物产量[7]。 长期施用化肥可以增加土壤有机质含量[8]， 特别在土壤肥力水平较低的情况下施用氮、磷、 钾化肥能够显著提高粮食产量，并较大幅度提高 土壤有机质含量[9]。但有研究认为施化肥可基本 维持土壤有机质水平，而长期不施肥土壤有机质 下降[10]，更有研究表明单施化肥和不施肥只会促 进土壤有机质的消耗[11]。长期施肥对 SOM 积累 的影响，特别是对于不同地区、不同土壤类型的 影响有待进一步研究。 华北平原包括京津的全部、
1 材料与方法
1.1 研究区概况 长期试验在中国科学院禹城综合试验站开 展 。 试 验 站 位 于 山 东 省 禹 城 市 （ 116°36ˊE ， 36°57ˊN） ，平均海拔高度 20 m，属暖温带半湿润 季风气候，多年平均气温 13.1 ℃，年降雨量 582 mm，雨季主要集中于 7—9 月，地下水资源丰富， 地下水位一般在 1.5～4.0 m，农田土壤以潮土为 日照时数 2 640 h， 主， 太阳辐射总量 5 225 MJ·m-2，
试验设4个施肥处理，即NK（只施用氮、钾 肥） ，NP（只施用氮、磷肥） ，PK（只施用磷、钾 肥） ，NPK（氮、磷、钾均衡施肥） ，1个对照处理 CK（不施肥） ，每个处理重复4次，所施肥料全部 为化肥，不同试验处理的同一养分元素用量均保 持一致。实施设计如图2，具体施肥量和施肥种类 见表1。
4: PK 5: NPK 南 1: CK 3: NP 2: NK 1: CK 2: NK 5: NPK 4: PK 3: NP 公路 图 2 禹城站养分平衡场试验设计平面图 Fig.2 Design of nutrient balance site in Yucheng station 表 1 施用化肥情况 Table 1 品种 冬小麦 施肥方式 底肥 追肥 Chemical fertilizer m(过磷酸 钙)/kg 3.45 m(尿素)/ kg 0.5 0.2 0.7 0.25 0.976 1.643 1.788 1.25 m(硫酸 钾)/kg 3: NP 5: NPK 1: CK 4: PK 2: NK 5: NPK 3: NP 2: NK 1: CK 4: PK 北
m(秸秆量)/g 596.5 747.4 3931.0 1048.2 5843.1 2287.5 1468.8 2362.5 2256.3 4825.0
式中，1< j < i< n。
2 结果与讨论
2.1 不同施肥处理 SOM 总量的长期变化 从每个 30 m2 小区 0~60 cm 土层总 SOM 储量 来看，长期不同施肥处理之间存在显著差异（见 。1990—2009 年间，CK 处理 SOM 储量基 图 3） 本保持稳定，波动范围 150~230 kg，多年平均为 193 kg； NK 处理 SOM 储量略微下降并趋于稳定， 而 PK 处理 SOM 储量略微上升；NP、NPK 处理
β = Median
Xi − Xj , ∀j < i i− j
多年来 SOM 储量呈明显增加趋势，且未达到上 限，波动范围 156~251、152~246 kg，多年均值 205、211 kg，较 CK 处理分别增加 6%、9%。同 时，从长期观测的作物生长状况来看，不同施肥 NPK 处理作物生长状况良好 （见表 2） ， 处理中 NP、 其中 NPK 处理要略好于 NP 处理，二者远好于其 他处理；PK 处理作物生长状况较差，但略好于
Td =
ρ P D S / 1000
i i i i =1
k
式中，Td为总SOM量(kg)，k为采样层数， ρi 为土 壤容重(g·cm-3)，Pi为SOM含量(g·g-1)， Di 为土壤 深度(cm)，S为小区面积(cm2)。 Mann-Kendall(MK)非参数检验： MK 检验主要用于时间序列数据变化趋势的 检验 [18-19] ，本文主要用于检验不同处理各土层 SOM变化趋势。检验提出两个假设，假设H0表示 数据集数据样本独立同分布，没有趋势存在，假 设H1则表示数据集中存在一个单调的趋势，具体 检验公式如下： S −1 Var(S) S > 0 Z = 0 S =0 S +1 S <0 Var(S) 其中， S =
基金项目：中国科学院“百人计划”项目“华北农田生态系统水、物质迁移机制及环境效应”；中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化 作者简介：赵广帅（1987 年生），男，硕士，主要从事农业生态、水文研究。E-mail: zhaogsh@126.com 通信作者：李发东（1972 年生），男，研究员，博士，主要从事生态水文与水环境研究。E-mail: lifadong@igsnrr.ac.cn 收稿日期：2012-04-16
尿素含 N 46%，过磷酸钙含 P2O5 18%，硫酸钾含 K2O 50%
n
t i i ( i − 1)( 2 i + 5 )
i =1
18
842
生态环境学报
第 21 卷第 5 期 （2012 年 5 月）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
式中：Xi和Xj为样本数据值，n为数据集合长 度，ti为结长等于i的结的个数。如果|Z|≤Z1−α/2， 假设H0即被接受，反之，假设H1被接受，其中， Z1−α/2是标准正态偏差，α为检验的置信水平。Z 值为正反映上升趋势，为负则反映下降趋势。同 时，用Kendall倾斜度β，即单位时间内的变化量， 以此来量化单调趋势。β可以表示为：
表2 Table 2 品种 小麦 处理 CK NK NP PK NPK 玉米 CK NK NP PK NPK 2010 年作物产量统计 Statistics of crop yield in 2010 取样 6m2 6m
2
小区面积/m2 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
m(亩产)/kg 27.5 33.0 387.6 73.1 441.8 2.0 0 129.2 96.6 394.0
赵广帅等：长期施肥对土壤有机质积累的影响
841
≥0 ℃积温为 4 951 ℃， ≥10 ℃积温为 4 441 ℃， 无霜期 200 d，光热资源丰富，雨热同期，利于农 业生产。 1.2 试验设计与研究内容 供试土壤为中国科学院禹城综合试验站养分 平衡试验场，试验场建于1990年初，共修建20个 水泥养分池(池底不封闭)，每池面积为6 m×5 m， 池壁深60 cm，并设有保护行。池内的土壤为原状 土，未经扰动。在每个池中放置中子水分测管， 生长季内每隔 5 d 用中子水分仪测定土壤水分含 量， 养分池具体如图1。 供试土壤为轻度盐化潮土， 发育于冲积黄土母质上，在禹城和黄淮海平原地 区有一定的代表性。在正式开展试验以前，种植 红麻进行匀地约6个月。
1,2 1 1 1,2 1 1
1. 中国科学院地理科学与资源研究所 生态系统网络观测与模拟重点实验室 禹城综合试验站，北京 100101； 2. 中国科学院研究生院，北京 100049
摘要：20 年的 NPK 施肥定位试验，有利于深刻揭示土壤肥力特征与营养平衡规律。以位于黄淮海平原的中国科学院禹城综 合试验站为例， 探讨和估算了长期定量施肥对冬小麦 （Triticusp aestvum L.） 、 夏玉米 （Zea Mays L.） 生长和土壤有机质 （SOM） 的影响。结果表明，长期的 N、P 肥配施或 N、P、K 均衡施肥，可显著增加 SOM 储量，并且后者要优于前者；SOM 增加 主要集中在 0~20 cm 深度的土层，40~60 cm 基本不变；生物量对 SOM 储量变化影响明显，NPK，NP 处理作物生长良好， 作物残体输入明显优于其他处理； 0~40 cm 可以代表该区用以计算土壤固碳潜力， 并且在 N、 P、 K 均衡施肥条件下， 0~40 cm 土层中 SOM 储量长期以来持续增加，并未达到上限，每年的平均固碳速率（以 C 计）达 182.8 kg·hm-2，约是全球平均水平 的 1.5 倍，全国平均水平的 1.1 倍。华北平原若按 N、P、K 均衡施肥，农田土壤每年固碳潜力将达到 1.6～2.4 Tg·a-1。 关键词：长期试验；施肥处理；华北平原；土壤有机质(SOM)；固碳潜力 中图分类号：S153.6+21 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2012）05-0840-08
施肥时间 播种期 返青期 拔节期 孕穗期
n −1
n
S gn ( X j − X i ) ；
Xj > Xi ； Xj = Xi Xj < Xi
i =1 j = i + 1
夏玉米
一次性施入
喇叭口期
1 Sgn( X j − X i ) = 0 −1
n ( n − 1)( 2 n + 5 ) − V ar(S ) =
60c m 图 1 养分池示意图 Fig.1 Sketch map of nutrient plot
自1990年10月6日开始播种冬小麦（Triticusp aestvum L.） ，以后作物均为冬小麦-夏玉米（Zea Mays L.）轮作。作物品种：玉米为农大108；冬 2007—2008年为衡 小麦1990—2006年为兰考906； 529；2009至今为济麦22。其中，冬小麦每季浇3 次水（冬水，拔节，孕穗） 。所有处理秸秆不还田， 其他常规耕作与大田相同。 1.3 田间取样、测定方法及计算方法 长期试验开始后，每年取土样2次，分别为6 月份冬小麦收获后、10月份玉米收获后小麦播种 前。取样深度为0~20、20~40、40~60 cm，每一深 度采3点混合样品。在每一季小麦收割后，采集籽 粒、茎叶，每一季玉米收割后，采集籽粒、茎叶、 穗轴、根。所有土壤样品和植物样品经风干、过 筛后按常规分析[15]和计算方法[16]分别进行土壤有 机质以及作物产量的测定。SOM测定时，先将土 样风干，过0.25 mm筛孔，然后采用重铬酸钾氧化 -外加热法测定。 本研究中总SOM的计算方法： 为了避免各处理间土壤容重的差异，每个 30 m2 试验小区 0~60 cm 土壤总的 SOM 储量采用等 其计算公式[1] 质量土壤 SOM 储量方法来估算[17]， 如下：
生态环境学报 2012, 21(5): 840-847 Ecology and Environmental Sciences
http://www.jeesci.com E-mail: editor@jeesci.com
长期施肥对土壤有机质积累的影响
赵广帅 ，李发东 *，李运生 ，张妍 ，欧阳竹 ，田振荣
的碳收支认证及相关问题”（XDA05050502）
河北省的大部以及山东、河南两省的黄河以北部 分，是中国粮食主产区，也是商品粮的重要生产 基地，每年粮食生产量占全国总量的 26.4%[12]。 长期施肥定位试验能系统地研究土壤肥力演变和 肥效变化规律，克服气候年变化对肥效的影响， 是农业生产和农业科学的一项重要的基础研究工 作[13]。研究区位于华北平原粮食主产区，地处黄 河中下游引黄灌溉区，具有几十年的引黄历史， 并且供试土壤为中国科学院禹城综合试验站内的 盐化潮土，在黄淮海平原同类地区有代表性[14]。 因此，通过开展不同施肥处理对有机质影响的长 期试验能够恒定不同施肥对作物生长的影响、长 期养分缺乏对产量的影响和不同施肥对土壤 SOM 的长期影响，对华北地区粮食安全、施肥管 理以及增加农田系统碳储量、减少温室气体排放 具有重要意义。
土壤有机质(SOM)一直都是农学和土壤学研 究的重点[1-2]，目前也成为应对全球气候变化研究 的热点。 SOM 是所有陆地生态系统关键组成部 分，其含量和组分的变化都会深刻影响系统中各 种过程[1]。SOM 主要部分—土壤有机碳（SOC） 是地球陆地生态系统最重要和活跃的碳库，同时 又是土壤肥力和基础地力最重要的物质基础，它 影响着耕地生产力及其稳定性。全球 SOC 库为 1 200～2 000 Gt， 大约是大气 C 库的 2 倍， 植物 C [2-3] 库的 2～4 倍 ，与大气交换的 SOC 大约占陆地 因此， 即便是 SOC 表层生态系统碳储量的 2/3[4-5]。 库的微小变化，对全球的碳平衡都会产生重大影 响。农田土壤是最具潜力的碳汇，它通过吸收空 气 中 CO2 以 及 减 少 全 球 排 放 来 增 加 土 壤 中 SOC[6]，土壤中 SOC 含量增加有利于保持肥力和 提高作物产量[7]。 长期施用化肥可以增加土壤有机质含量[8]， 特别在土壤肥力水平较低的情况下施用氮、磷、 钾化肥能够显著提高粮食产量，并较大幅度提高 土壤有机质含量[9]。但有研究认为施化肥可基本 维持土壤有机质水平，而长期不施肥土壤有机质 下降[10]，更有研究表明单施化肥和不施肥只会促 进土壤有机质的消耗[11]。长期施肥对 SOM 积累 的影响，特别是对于不同地区、不同土壤类型的 影响有待进一步研究。 华北平原包括京津的全部、
1 材料与方法
1.1 研究区概况 长期试验在中国科学院禹城综合试验站开 展 。 试 验 站 位 于 山 东 省 禹 城 市 （ 116°36ˊE ， 36°57ˊN） ，平均海拔高度 20 m，属暖温带半湿润 季风气候，多年平均气温 13.1 ℃，年降雨量 582 mm，雨季主要集中于 7—9 月，地下水资源丰富， 地下水位一般在 1.5～4.0 m，农田土壤以潮土为 日照时数 2 640 h， 主， 太阳辐射总量 5 225 MJ·m-2，
试验设4个施肥处理，即NK（只施用氮、钾 肥） ，NP（只施用氮、磷肥） ，PK（只施用磷、钾 肥） ，NPK（氮、磷、钾均衡施肥） ，1个对照处理 CK（不施肥） ，每个处理重复4次，所施肥料全部 为化肥，不同试验处理的同一养分元素用量均保 持一致。实施设计如图2，具体施肥量和施肥种类 见表1。
4: PK 5: NPK 南 1: CK 3: NP 2: NK 1: CK 2: NK 5: NPK 4: PK 3: NP 公路 图 2 禹城站养分平衡场试验设计平面图 Fig.2 Design of nutrient balance site in Yucheng station 表 1 施用化肥情况 Table 1 品种 冬小麦 施肥方式 底肥 追肥 Chemical fertilizer m(过磷酸 钙)/kg 3.45 m(尿素)/ kg 0.5 0.2 0.7 0.25 0.976 1.643 1.788 1.25 m(硫酸 钾)/kg 3: NP 5: NPK 1: CK 4: PK 2: NK 5: NPK 3: NP 2: NK 1: CK 4: PK 北
m(秸秆量)/g 596.5 747.4 3931.0 1048.2 5843.1 2287.5 1468.8 2362.5 2256.3 4825.0
式中，1< j < i< n。
2 结果与讨论
2.1 不同施肥处理 SOM 总量的长期变化 从每个 30 m2 小区 0~60 cm 土层总 SOM 储量 来看，长期不同施肥处理之间存在显著差异（见 。1990—2009 年间，CK 处理 SOM 储量基 图 3） 本保持稳定，波动范围 150~230 kg，多年平均为 193 kg； NK 处理 SOM 储量略微下降并趋于稳定， 而 PK 处理 SOM 储量略微上升；NP、NPK 处理
β = Median
Xi − Xj , ∀j < i i− j
多年来 SOM 储量呈明显增加趋势，且未达到上 限，波动范围 156~251、152~246 kg，多年均值 205、211 kg，较 CK 处理分别增加 6%、9%。同 时，从长期观测的作物生长状况来看，不同施肥 NPK 处理作物生长状况良好 （见表 2） ， 处理中 NP、 其中 NPK 处理要略好于 NP 处理，二者远好于其 他处理；PK 处理作物生长状况较差，但略好于
Td =
ρ P D S / 1000
i i i i =1
k
式中，Td为总SOM量(kg)，k为采样层数， ρi 为土 壤容重(g·cm-3)，Pi为SOM含量(g·g-1)， Di 为土壤 深度(cm)，S为小区面积(cm2)。 Mann-Kendall(MK)非参数检验： MK 检验主要用于时间序列数据变化趋势的 检验 [18-19] ，本文主要用于检验不同处理各土层 SOM变化趋势。检验提出两个假设，假设H0表示 数据集数据样本独立同分布，没有趋势存在，假 设H1则表示数据集中存在一个单调的趋势，具体 检验公式如下： S −1 Var(S) S > 0 Z = 0 S =0 S +1 S <0 Var(S) 其中， S =
基金项目：中国科学院“百人计划”项目“华北农田生态系统水、物质迁移机制及环境效应”；中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化 作者简介：赵广帅（1987 年生），男，硕士，主要从事农业生态、水文研究。E-mail: zhaogsh@126.com 通信作者：李发东（1972 年生），男，研究员，博士，主要从事生态水文与水环境研究。E-mail: lifadong@igsnrr.ac.cn 收稿日期：2012-04-16
尿素含 N 46%，过磷酸钙含 P2O5 18%，硫酸钾含 K2O 50%
n
t i i ( i − 1)( 2 i + 5 )
i =1
18
842
生态环境学报
第 21 卷第 5 期 （2012 年 5 月）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
式中：Xi和Xj为样本数据值，n为数据集合长 度，ti为结长等于i的结的个数。如果|Z|≤Z1−α/2， 假设H0即被接受，反之，假设H1被接受，其中， Z1−α/2是标准正态偏差，α为检验的置信水平。Z 值为正反映上升趋势，为负则反映下降趋势。同 时，用Kendall倾斜度β，即单位时间内的变化量， 以此来量化单调趋势。β可以表示为：
表2 Table 2 品种 小麦 处理 CK NK NP PK NPK 玉米 CK NK NP PK NPK 2010 年作物产量统计 Statistics of crop yield in 2010 取样 6m2 6m
2
小区面积/m2 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
m(亩产)/kg 27.5 33.0 387.6 73.1 441.8 2.0 0 129.2 96.6 394.0
赵广帅等：长期施肥对土壤有机质积累的影响
841
≥0 ℃积温为 4 951 ℃， ≥10 ℃积温为 4 441 ℃， 无霜期 200 d，光热资源丰富，雨热同期，利于农 业生产。 1.2 试验设计与研究内容 供试土壤为中国科学院禹城综合试验站养分 平衡试验场，试验场建于1990年初，共修建20个 水泥养分池(池底不封闭)，每池面积为6 m×5 m， 池壁深60 cm，并设有保护行。池内的土壤为原状 土，未经扰动。在每个池中放置中子水分测管， 生长季内每隔 5 d 用中子水分仪测定土壤水分含 量， 养分池具体如图1。 供试土壤为轻度盐化潮土， 发育于冲积黄土母质上，在禹城和黄淮海平原地 区有一定的代表性。在正式开展试验以前，种植 红麻进行匀地约6个月。
1,2 1 1 1,2 1 1
1. 中国科学院地理科学与资源研究所 生态系统网络观测与模拟重点实验室 禹城综合试验站，北京 100101； 2. 中国科学院研究生院，北京 100049
摘要：20 年的 NPK 施肥定位试验，有利于深刻揭示土壤肥力特征与营养平衡规律。以位于黄淮海平原的中国科学院禹城综 合试验站为例， 探讨和估算了长期定量施肥对冬小麦 （Triticusp aestvum L.） 、 夏玉米 （Zea Mays L.） 生长和土壤有机质 （SOM） 的影响。结果表明，长期的 N、P 肥配施或 N、P、K 均衡施肥，可显著增加 SOM 储量，并且后者要优于前者；SOM 增加 主要集中在 0~20 cm 深度的土层，40~60 cm 基本不变；生物量对 SOM 储量变化影响明显，NPK，NP 处理作物生长良好， 作物残体输入明显优于其他处理； 0~40 cm 可以代表该区用以计算土壤固碳潜力， 并且在 N、 P、 K 均衡施肥条件下， 0~40 cm 土层中 SOM 储量长期以来持续增加，并未达到上限，每年的平均固碳速率（以 C 计）达 182.8 kg·hm-2，约是全球平均水平 的 1.5 倍，全国平均水平的 1.1 倍。华北平原若按 N、P、K 均衡施肥，农田土壤每年固碳潜力将达到 1.6～2.4 Tg·a-1。 关键词：长期试验；施肥处理；华北平原；土壤有机质(SOM)；固碳潜力 中图分类号：S153.6+21 文献标识码：A 文章编号：1674-5906（2012）05-0840-08
施肥时间 播种期 返青期 拔节期 孕穗期
n −1
n
S gn ( X j − X i ) ；
Xj > Xi ； Xj = Xi Xj < Xi
i =1 j = i + 1
夏玉米
一次性施入
喇叭口期
1 Sgn( X j − X i ) = 0 −1
n ( n − 1)( 2 n + 5 ) − V ar(S ) =