張玉銘　孫宏勇　李紅軍　劉小京　胡春勝**　劉克桐　崔玉璽　張滿意

（1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心　石家莊　050022；2.河北省農(nóng)業(yè)廳土壤肥料總站　石家莊　050021；3.河北省南皮縣農(nóng)業(yè)局　南皮　061500）

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環(huán)渤海低平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡研究*

張玉銘1孫宏勇1李紅軍1劉小京1胡春勝1**劉克桐2崔玉璽3張滿意3

（1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心石家莊050022；2.河北省農(nóng)業(yè)廳土壤肥料總站石家莊050021；3.河北省南皮縣農(nóng)業(yè)局南皮061500）

了解農(nóng)田養(yǎng)分輸入、輸出和平衡狀況，以及土壤肥力現(xiàn)狀與變化特征，對實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分資源優(yōu)化管理、地力的持續(xù)提升、肥料利用率提高和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?；?985年、2000年和2014年河北省南皮縣國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料，分析了從1985年到2014年縣域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡狀況；利用1981年第2次土壤普查和2015年實(shí)測南皮縣域土壤耕層養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)，探討了耕層土壤養(yǎng)分變化及空間分布格局特征。結(jié)果表明，1985—2014年南皮縣農(nóng)田養(yǎng)分輸入輸出均呈持續(xù)上升趨勢，NPK養(yǎng)分輸入由10 701 t增加至23 386 t，年遞增率2.33％；NPK養(yǎng)分來源結(jié)構(gòu)略有不同，NP來源以化肥為主，其次是人畜糞尿和作物秸稈有機(jī)肥源；而K素來源主要是有機(jī)肥源。農(nóng)田養(yǎng)分輸出以作物吸收為主，占養(yǎng)分總輸出的80％以上，NPK總輸出由1985年的9 093 t增加到2014年的18 846 t，年均增速2.17％。從養(yǎng)分表觀平衡的角度看，從1985年到2014年NP始終有大量盈余，P素盈余大于N素，N和P表觀平衡率分別為16.8％～34.2％和26.9％～65.5％；若考慮有機(jī)氮的有效性問題，1985—2000—2014年3個(gè)時(shí)段有效氮盈虧率依次為18.1％、6.5％和-7.8％，有效氮平衡由盈余轉(zhuǎn)向虧缺；而K素經(jīng)歷了由赤字逐漸向盈余的轉(zhuǎn)變過程，由1985年的-33.5％赤字發(fā)展至2014年的33.6％盈余。受農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況的影響，南皮縣土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷發(fā)生了顯著變化，1981—2015年有機(jī)質(zhì)由8.62g·kg-1增至14.0g·kg-1，增幅62.4％；全氮由0.542g·kg-1增至0.908g·kg-1，增幅67.5％；有效磷由2.0mg·kg-1增加到20.8mg·kg-1，增加了9.4倍。而堿解氮和有效鉀變化不明顯，分別由70.5mg·kg-1和141mg·kg-1增加到71.8mg·kg-1和147mg·kg-1，相對增幅僅為1.8％和4.2％。建議今后南皮縣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大力推廣科學(xué)施肥技術(shù)，重視有機(jī)肥和化肥配施，推廣秸稈還田，通過改進(jìn)施肥方法提高肥料利用效率；養(yǎng)分管理中應(yīng)提倡“穩(wěn)氮、控磷、補(bǔ)鉀”的施肥對策，避免過多的盈余養(yǎng)分進(jìn)入環(huán)境。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 土壤肥力 養(yǎng)分循環(huán) 養(yǎng)分平衡 施肥技術(shù)

養(yǎng)分循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)最基本的功能之一［1］，也是實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的基礎(chǔ)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡狀況是農(nóng)田養(yǎng)分管理合理與否的重要表現(xiàn)，也是影響土壤質(zhì)量、生產(chǎn)力和環(huán)境質(zhì)量的重要過程，是農(nóng)業(yè)、生態(tài)和環(huán)境科學(xué)研究的核心問題［2-4］。研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)與平衡，加強(qiáng)對養(yǎng)分循環(huán)的調(diào)控，使養(yǎng)分循環(huán)向有利于人類需要的方向發(fā)展［5-6］，對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高效、保障國家糧食安全、提升耕地土壤質(zhì)量與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的輸入與輸出之間的平衡狀態(tài)是評價(jià)農(nóng)田養(yǎng)分管理可持續(xù)性的重要指標(biāo)［4，7］，農(nóng)田土壤養(yǎng)分的收支決定了土壤養(yǎng)分庫的盈虧和土壤肥力的發(fā)展方向，同時(shí)也對環(huán)境產(chǎn)生潛在的影響。20世紀(jì)80年代以來，我國農(nóng)田養(yǎng)分平衡總體上N、P盈余不斷增加，K的虧缺不斷減少［8-11］。在現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤養(yǎng)分、肥料等資源利用方面仍存在諸多不合理現(xiàn)象，在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)化肥特別是氮肥投入過量現(xiàn)象普遍存在，導(dǎo)致農(nóng)田氮素大量盈余，大量活性氮通過各種損失途徑進(jìn)入水體和大氣環(huán)境，導(dǎo)致地下水硝酸鹽污染和湖泊富營養(yǎng)化、溫室氣體效應(yīng)等不利影響；而在一些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)田養(yǎng)分的虧缺導(dǎo)致土壤肥力退化和作物產(chǎn)量下降。鑒于此，楊林章等［12］基于NPK在土壤-作物-水體系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化、損失過程，論述了不同類型區(qū)養(yǎng)分循環(huán)與平衡對產(chǎn)量、土壤肥力和環(huán)境的影響，評價(jià)了中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPK養(yǎng)分使用和平衡的時(shí)空分布特征及其影響因素。眾所周知，通過合理施肥調(diào)節(jié)農(nóng)田養(yǎng)分的循環(huán)和平衡是提高農(nóng)田土壤肥力的主要手段，因此，全面了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)特點(diǎn)和平衡狀況，并對其盈虧進(jìn)行正確評價(jià)，可以為制定合理的肥料管理對策提供依據(jù)。

環(huán)渤海低平原作為我國重要的糧倉，如何通過調(diào)控該區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡以提高土壤肥力是一個(gè)重要課題。2013年科技部、中國科學(xué)院聯(lián)合河北、山東、遼寧、天津等省市共同啟動了“渤海糧倉”科技示范工程項(xiàng)目，旨在提升中低產(chǎn)田糧食生產(chǎn)能力，保障國家糧食安全。河北省南皮縣作為“渤海糧倉”項(xiàng)目的發(fā)源地和實(shí)施的核心區(qū)，已在農(nóng)田地力提升技術(shù)等方面取得顯著進(jìn)展。盡管近30多年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)投入產(chǎn)出狀況發(fā)生了較大變化，但仍存在農(nóng)業(yè)養(yǎng)分循環(huán)再利用水平不高等問題。本文以南皮縣為例，基于1985年、2000年和2014年國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料，及1981年第2次土壤普查資料和2015年以1.5 km為步長網(wǎng)格式采樣的土壤耕層養(yǎng)分實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了不同時(shí)段農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)與平衡的基本特點(diǎn)以及土壤養(yǎng)分變化趨勢，并按照魯如坤等［10-11］提出的農(nóng)田養(yǎng)分平衡的評價(jià)方法和原則對南皮縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡狀況進(jìn)行了評價(jià)，以期為預(yù)測土壤肥力的發(fā)展方向和可能產(chǎn)生的環(huán)境影響提供依據(jù)，并提出本區(qū)域理想的養(yǎng)分綜合管理模式。本研究對于環(huán)渤海低平原區(qū)協(xié)調(diào)合理施肥與維護(hù)土壤環(huán)境的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、地力的持續(xù)提升、資源的高效利用和生態(tài)環(huán)境友好的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

1　材料與方法

1.1研究地區(qū)概況

河北省南皮縣位于華北近濱海低平原，地表形態(tài)平緩，由西南向東北傾斜，坡降為1/800～1/2 000，海拔7～12m，總土地面積800 km2。該縣屬暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫12.3℃，冬季寒冷少雪，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，多年平均降水量為550mm，年蒸發(fā)量1 900mm 左右，≥10℃積溫4 232℃，年總輻射量5 592.3 MJ·m-2，無霜期180d左右。淡水資源匱乏，水資源量僅相當(dāng)于全國人均水平的 15％，微咸水分布較廣。土壤屬潮土、鹽土兩類，普通潮土（亞類）占總面積的76％。歷史上土壤鹽漬化較為嚴(yán)重，自 20世紀(jì) 90年代以后區(qū)域水鹽條件發(fā)生極大改善。其農(nóng)業(yè)耕作制度以一年兩熟為主，種植冬小麥（Triticum aestivum）、夏玉米（Zea mays）、棉花（Gossypium spp.）和油料［花生（Arachis hypogaea）、大豆（Glycine max）、油葵（Helianthus annuus）］、蔬菜、瓜果等多種作物，以糧、棉種植為主。耕地面積約 44 000hm2，棉花約占耕地面積的1/3，糧作播種面積50 000hm2左右。小棗（Ziziphus sp.）、鴨梨（Pyrus bretschneideri）、蘋果（Malus domestica）等水果栽培有較久歷史。

1.2研究方法

為評價(jià)南皮縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡狀況，基于1985年、2000年和2014年河北省南皮縣國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料，分析 1985—2014年縣域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡狀況；利用 1981年第2次土壤普查資料和2015年實(shí)測縣域土壤耕層養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)，探討了耕層土壤養(yǎng)分變化及空間分布格局特征。

1.2.1農(nóng)田養(yǎng)分輸入?yún)?shù)與輸入量計(jì)算

農(nóng)田養(yǎng)分輸入包括化肥、有機(jī)肥、生物固氮、非共生固氮、灌溉和干濕沉降所帶入農(nóng)田的養(yǎng)分?；释度腽B(yǎng)分量來自歷年南皮縣國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中復(fù)合肥的 N︰P2O5︰K2O養(yǎng)分折算比例不同年份有所不同，1985年按20％︰75％︰5％折算，2000年和2014年按32％︰52.8％︰15.2％折算［13］。

有機(jī)肥資源主要包括人畜禽糞尿（糞肥）、秸稈還田所帶入農(nóng)田的養(yǎng)分。糞肥是重要農(nóng)田有機(jī)肥源，根據(jù)各類畜禽飼養(yǎng)量、人口數(shù)、排泄量及糞尿養(yǎng)分含量比例計(jì)算糞肥養(yǎng)分輸入量，計(jì)算方法參照文獻(xiàn)［14］。人糞尿按成人數(shù)量計(jì)算排泄量，人口數(shù)× 0.85=成人數(shù)。牛、羊、驢、母豬等牲畜養(yǎng)殖周期較長，按存欄數(shù)計(jì)算；肉豬養(yǎng)殖周期 8個(gè)月，家禽（肉蛋混合型）養(yǎng)殖周期半年，均按出欄數(shù)計(jì)算；按不同系數(shù)綜合折算畜禽年排泄量；糞肥收集利用率以50％計(jì)［14-15］。秸稈還田所帶入養(yǎng)分量為秸稈養(yǎng)分含量［14，16-17］與還田量之積，秸稈產(chǎn)量根據(jù)作物產(chǎn)量與草籽比估算。南皮縣自20世紀(jì)90年代中后期開始推行秸稈還田措施，研究時(shí)段內(nèi)秸稈還田率依次為：1985年不還田，2000年小麥秸稈80％還田，玉米秸稈30％還田，2014年小麥全部還田、玉米秸稈90％還田。根茬所攜帶養(yǎng)分量未參與總量計(jì)算［10-11］。

豆科作物生物固氮是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中N素獨(dú)有的一項(xiàng)重要收入項(xiàng)。南皮縣豆科作物以大豆、花生為主，共生固氮量根據(jù)大豆、雜豆、花生實(shí)際種植面積與單位面積固氮量計(jì)算，固氮系數(shù)以95.63kg·hm-2·a-1計(jì)［18］；非共生固氮作用包括異養(yǎng)固氮、根際聯(lián)合固氮及光合固氮，北方旱地非共生固氮量按15kg·hm-2·a-1計(jì)［10，18］。

干濕沉降、灌溉、作物種子等也是農(nóng)田養(yǎng)分的重要來源，所帶入土壤中的養(yǎng)分量根據(jù)耕地面積、有效灌溉面積及其相應(yīng)養(yǎng)分含量估算；濕沉降帶入養(yǎng)分量按N 11.9kg·hm-2·a-1、P 0.26kg·hm-2·a-1、K 6.6kg·hm-2·a-1計(jì)算［10］。養(yǎng)分干濕沉降所帶入養(yǎng)分量按化肥和糞肥氨揮發(fā)量的15％計(jì)［15，17，19］。

1.2.2農(nóng)田養(yǎng)分輸出參數(shù)與輸出量計(jì)算

農(nóng)田養(yǎng)分輸出主要包括地上部分作物收獲養(yǎng)分量和養(yǎng)分損失量。作物收獲養(yǎng)分量根據(jù)各種作物的總收獲量和作物NPK養(yǎng)分含量計(jì)算。小麥、玉米草籽比分別為1.1和1.2，花生和薯藤分別取值0.8和0.5，谷子草籽比為1.6。結(jié)合實(shí)際調(diào)查和文獻(xiàn)［10］，棉秸總產(chǎn)量按秸稈皮棉比為3.25計(jì)。小麥、玉米養(yǎng)分含量參考文獻(xiàn)［17］，其他作物養(yǎng)分含量參考文獻(xiàn)［14，16］，各種作物養(yǎng)分含量見表1。

北方平原地區(qū)農(nóng)田養(yǎng)分損失主要為氮素?fù)p失，包括化肥和糞肥的氨揮發(fā)損失、硝化-反硝化損失以及深層土壤氮素淋溶損失。在此以全縣化肥和糞肥輸入量與肥料損失率估算養(yǎng)分損失量，氨揮發(fā)、反硝化和氮素滲漏淋失的肥料損失率參照文獻(xiàn)［15-16］。

表1　作物籽實(shí)和秸稈養(yǎng)分含量Table 1 Contents of N，P and K in seeds and straws of crops

1.2.3土壤養(yǎng)分調(diào)查與測試方法

南皮縣20世紀(jì)80年代初開展第2次（全國）土壤普查，1981—1982兩年內(nèi)完成土壤調(diào)查取樣和測試工作，有齊全的歷史數(shù)據(jù)。按變更后鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元計(jì)算1981—1982年土壤養(yǎng)分含量均值。2015年玉米收獲后小麥播種前，在全縣大約以1.5 km為步長布點(diǎn)，共采集273個(gè)耕層（0～20cm）土壤樣品，采樣點(diǎn)位如圖1所示。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干研磨后進(jìn)行養(yǎng)分分析［17］，有機(jī)質(zhì)測定采用硫酸-重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量凱氏法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，有效鉀采用醋酸銨浸提原子吸收法。依據(jù)國家和省地土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)，進(jìn)行土壤養(yǎng)分分級。

圖1　研究區(qū)河北省南皮縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)及土壤采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1 Distribution map of township and soil sampling points of Nanpi County of the study area

1.2.4數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)描述和分布檢驗(yàn)均在Microsoft Excel 2010和SPSS 13.0軟件環(huán)境下進(jìn)行。結(jié)合全國土壤普查土壤養(yǎng)分分級指標(biāo)，基于ArcGIS 9.2地理信息系統(tǒng)軟件用反距離權(quán)重法內(nèi)插獲得土壤養(yǎng)分空間分布圖。1981年第2次土壤普查和2015年2個(gè)時(shí)期土壤養(yǎng)分變化設(shè)置3個(gè)變化等級［7］：土壤養(yǎng)分含量增加5％以上時(shí)為增加，土壤養(yǎng)分含量變化在-5％～5％時(shí)為不變，土壤養(yǎng)分含量減少5％以上時(shí)為減少。

2　結(jié)果與分析

2.1農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分輸入、輸出與平衡

2.1.l 農(nóng)田養(yǎng)分輸入

南皮縣農(nóng)田養(yǎng)分來源主要包括化肥、人畜糞尿、秸稈、生物固氮、灌溉及干濕沉降和種子，化肥、人畜糞尿和還田秸稈是農(nóng)田養(yǎng)分的主要來源，通過生物固氮、灌溉、干濕沉降以及播種等途徑進(jìn)入農(nóng)田的養(yǎng)分在總養(yǎng)分輸入中所占比例相對較少（表2）。NPK養(yǎng)分輸入量從1985年的10 701 t提高到2014年的23 386 t。N、P、K養(yǎng)分來源結(jié)構(gòu)略有不同，N、P來源以化肥為主，其次是人畜糞尿和作物秸稈有機(jī)肥源；而K素來源主要是有機(jī)肥源。通過施用化肥輸入農(nóng)田的 N、P分別占其總輸入量的 46.7％～53.9％和67.5％～78.6％，來自有機(jī)肥源的N、P僅為17.1％～35.6％和19.1％～31.2％，即1985年以來化肥始終是N、P的主要來源。K素來源結(jié)構(gòu)略有不同，20世紀(jì)80年代，由于受到北方土壤不缺K觀念的影響，農(nóng)民普遍不重視對K肥的施用，K素來源以糞肥為主，由畜禽糞尿輸入農(nóng)田的K為58.0％，來自化肥的K僅為10.9％；2000年以后隨著秸稈還田技術(shù)的推廣應(yīng)用以及多元素復(fù)合肥的發(fā)展和農(nóng)民補(bǔ)鉀意識的增強(qiáng)，K素來源發(fā)生了較大改變，來自化肥和還田秸稈的鉀素在總輸入中所占比例不斷增加，2014年來自化肥、人畜糞尿、秸稈的K素依次為2 086 t、1 218 t和2 083 t，在總輸入K中的占比依次為35.3％、20.6％和35.2％。

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高，化肥投入呈不斷增加態(tài)勢，從1985年至2014年N、P、K化學(xué)養(yǎng)分投入總量由5 318 t增加至12 063 t，增長了1.3倍；從增長速度來看，1985—2000年間增長速度高于2000—2014年，1985—2000年化肥NPK投入量增加81.0％，年遞增率為4.1％；2000年以后，化肥使用量增速放緩，2014年較2000年增長了25.3％?；蔔PK投入占總養(yǎng)分輸入量的41.5％～51.6％。

人畜糞尿和作物秸稈是南皮縣主要的有機(jī)肥源，有機(jī)養(yǎng)分的投入主要受畜牧養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模和秸稈還田率的影響。20世紀(jì)80年代，南皮還未推行秸稈還田策略，有機(jī)養(yǎng)分主要來自人畜糞尿，1985年通過人畜糞尿投入農(nóng)田有機(jī)養(yǎng)分量為2 432 t，占總養(yǎng)分量的 22.7％；據(jù)南皮縣國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料，1994年至2005年南皮縣畜牧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展強(qiáng)勢，2000年前后大牲畜達(dá)10萬余頭，肉豬9萬余頭，家禽超過200萬余只，畜禽糞尿提供的有機(jī)養(yǎng)分成數(shù)倍增加，2000年通過人畜糞尿帶入農(nóng)田的N、P、K分別為4 491 t、573 t和3 397 t，與1985年相比，分別增加2.2倍、2.0倍和3.1倍。20世紀(jì)90年代中后期南皮開始實(shí)施秸稈還田技術(shù)，至2000年小麥秸稈還田率為80％，玉米秸稈為30％，通過秸稈還田輸入農(nóng)田的有機(jī)NPK量1 896 t，占有機(jī)養(yǎng)分量的18.3％，占養(yǎng)分總輸入量的8.1％。2000年通過人畜糞尿和還田秸稈等有機(jī)肥源輸入農(nóng)田的總有機(jī)養(yǎng)分為10 357 t，占總養(yǎng)分輸入量的 44.6％，高于化肥養(yǎng)分輸入量，是農(nóng)田養(yǎng)分的主要來源。受市場價(jià)格調(diào)節(jié)，2006年后畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展放緩，畜禽存欄量逐漸減少，至 2014年通過人畜糞尿輸入農(nóng)田的養(yǎng)分量降低至3 593 t，較2000年減少了57.5％。隨著機(jī)械化程度的提高，秸稈還田技術(shù)得到廣泛推廣應(yīng)用，至2014年小麥秸稈已全部實(shí)現(xiàn)還田，玉米秸稈還田率也達(dá)到了90％，通過秸稈還田途徑輸入農(nóng)田的養(yǎng)分量增至4 811 t，較2000年增加1.5倍。秸稈直接還田提高了養(yǎng)分循環(huán)利用率，秸稈還田帶入的鉀素占總量的35.2％，對土壤K庫的補(bǔ)給和平衡具有重要作用。2014年通過人畜糞尿和秸稈投入農(nóng)田的有機(jī)養(yǎng)分總量為8 404 t，占總養(yǎng)分投入量35.5％。與2011年李書田等［20］對華北地區(qū)有機(jī)肥養(yǎng)分投入占總養(yǎng)分投入比例（35.0％）研究結(jié)果一致，略高于河北省有機(jī)肥養(yǎng)分投入比例（25.6％）［21］。

除化肥和有機(jī)肥外，大氣沉降、灌溉、生物固氮等也是農(nóng)田養(yǎng)分的重要來源，1985—2014年3個(gè)時(shí)段通過這些途徑進(jìn)入農(nóng)田的養(yǎng)分總量依次為2 951 t、3 216 t和2 919 t，分別占總輸入養(yǎng)分量的27.6％、13.9％和12.5％。在農(nóng)田養(yǎng)分綜合管理中，這部分養(yǎng)分不容忽視，亦應(yīng)充分利用，對化肥用量有一定的替代作用。隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，生物固氮對農(nóng)田氮素的輸入貢獻(xiàn)發(fā)生了較大變化。20世紀(jì)80年代，由于南皮縣種植業(yè)結(jié)構(gòu)中豆科作物如大豆、花生、綠豆、小豆等播種面積較大，占總播面的 14.7％，通過共生固氮輸入農(nóng)田的氮素為701 t，占總輸入氮量的8.5％；進(jìn)入21世紀(jì)后，豆科作物種植面積逐漸減少，通過共生固氮輸入農(nóng)田的氮素亦隨之減少，至2014年，共生固氮僅為88 t，較1985年減少了87.4％。

表2　1985年、2000年和2014年南皮縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分輸入Table 2 Nutrients input of farmland ecosystem in Nanpi County in 1985，2000 and 2014 t

營養(yǎng)物質(zhì)的輸入，對促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)、維持土壤肥力、提高農(nóng)田生產(chǎn)力水平具有重要作用。合理的養(yǎng)分結(jié)構(gòu)是農(nóng)業(yè)獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、保持和提高土壤肥力的基礎(chǔ)。1985年、2000年和2014年3個(gè)時(shí)段養(yǎng)分投入N︰P2O5︰K2O比例依次為1︰0.27︰0.20、1︰0.33︰0.46和1︰0.41︰0.48，PK所占比例有逐年增加的趨勢。據(jù)李書田等［20］報(bào)道，糧食作物合理氮磷鉀比例為1︰0.3～0.4︰0.4～0.5。由此可見，南皮NPK養(yǎng)分投入比例日趨合理。隨著生態(tài)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)田養(yǎng)分來源結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，有機(jī)肥特別是還田秸稈所占比例有逐漸增加的趨勢，由1985年的22.7％擴(kuò)大到2014年的35.9％，其中秸稈所占比由無擴(kuò)大到 20.6％，逐漸向有機(jī)無機(jī)相結(jié)合的方向發(fā)展。人畜糞尿和作物秸稈是重要有機(jī)肥源，充分利用這部分有機(jī)肥資源，可起到培肥地力、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤碳庫儲量的作用，對節(jié)約化肥和能源、實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的循環(huán)利用和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。

2.1.2農(nóng)田養(yǎng)分輸出

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的輸出由作物吸收的養(yǎng)分和各種途徑損失的養(yǎng)分構(gòu)成。作物吸收的養(yǎng)分是指作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量部分和秸稈部分吸收的養(yǎng)分，由作物總產(chǎn)量與作物養(yǎng)分濃度相乘獲得。在南皮農(nóng)田養(yǎng)分輸出中以作物吸收為主（表3），作物吸收輸出農(nóng)田養(yǎng)分占總輸出量的 80％以上，受種植業(yè)結(jié)構(gòu)的影響，其中以小麥、玉米輸出占作物（小麥-玉米、其他糧油作物和棉花）總輸出的主要份額（51.3％～72.6％），占總輸出養(yǎng)分的 42.7％～59.5％；其次為棉花，棉花吸收養(yǎng)分占作物總吸收養(yǎng)分的 14.7％～26.8％，占總輸出養(yǎng)分的 11.8％～22.3％。隨著作物產(chǎn)量的不斷提升，作物吸收養(yǎng)分的數(shù)量不斷增加，1985年至2014年作物輸出養(yǎng)分量由7 569 t上升到16 225 t，相對增加114.4％。1985年農(nóng)作物吸收N、P、K養(yǎng)分的數(shù)量分別為4 649 t、785 t和2 135 t，N、P分別占其總輸入量的56.1％和78.8％，即養(yǎng)分投入足以滿足作物生長的需求；而K素的作物吸收占投入的150.4％，表明投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足作物生長對養(yǎng)分的需求，只可滿足作物需求鉀素的 50％，仍有一半需要從土壤中汲取。進(jìn)入 21世紀(jì)后，農(nóng)作物對N、P、K養(yǎng)分的吸收量分別為7 540～10 040 t、1 352～1 758 t和3 579～4 427 t，分別占其總輸入量的49.8％～67.9％、60.4％～65.5％和61.3％～74.9％，這表明除了N、P投入能滿足作物吸收外，K的投入也能達(dá)到作物吸收的需求。

除作物吸收攜出養(yǎng)分外，還有一定數(shù)量的養(yǎng)分通過各種途徑損失。農(nóng)田養(yǎng)分損失以肥料損失率和肥料施用量為基礎(chǔ)獲得，在北方平原區(qū)只考慮 N素?fù)p失，PK損失忽略不計(jì)。表3表明，N素?fù)p失是一重要養(yǎng)分輸出項(xiàng)，占養(yǎng)分總輸出的 20.7％～29.3％，其中化肥N素?fù)p失占N素總損失量的15.8％～17.8％，糞肥N素?fù)p失占4.9％～12.6％。N素?fù)p失占養(yǎng)分輸入的 17.7％～20.6％，這說明每年輸入農(nóng)田的氮素有17.7％～20.6％通過氨揮發(fā)、硝化-反硝化和硝態(tài)氮淋失等途徑輸出農(nóng)田系統(tǒng)而不能再被作物吸收利用。

表3　1985年、2000年和2014年南皮縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分輸出Table 3 Nutrients output of farmland ecosystem in Nanpi County in 1985，2000 and 2014 t

隨著養(yǎng)分投入的逐年增加，作物產(chǎn)量不斷提升，農(nóng)田養(yǎng)分消耗也隨之增加。2014年養(yǎng)分輸出比1985年增加107.3％，比2000年增加20.9％；N、P、K各項(xiàng)養(yǎng)分輸出比1985年分別增加105.1％、123.9％、107.4％，比2000年增加18.8％、30.0％、23.7％。與1985年相比，2014年農(nóng)田養(yǎng)分輸出的大幅度提升主要源于作物產(chǎn)量的飛躍式提高引起的養(yǎng)分吸收的大量增加。從N、P、K各養(yǎng)分輸出比較來看，以N的輸出最大，3個(gè)時(shí)段平均占總輸出的 67.2％～68.4％，其次是K，占23.0％～23.5％，P僅占8.6％～9.3％。這一結(jié)果與華北地區(qū)不同尺度上的研究結(jié)果均很接近，如河北欒城縣縣域氮磷鉀輸出比為［16］N 67％、K 22％、P 11％，河北省省域［21］N 69.0％、K 22.8％、P 8.2％，華北地區(qū)［20］N 62.6％、K 29.1％、P 8.3％。

2.1.3農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)與平衡特征

保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)再利用對保持地力有一定的作用，但不能從根本上消除土壤養(yǎng)分的收支赤字。從表4可知，1985年養(yǎng)分輸入輸出量比較小，系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)量小，養(yǎng)分循環(huán)率比較低，農(nóng)田養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)靠外部投入維持。2000年以后，由于南皮縣畜牧養(yǎng)殖業(yè)的飛速發(fā)展，畜禽糞尿生產(chǎn)量顯著提高，此外，秸稈還田措施不斷普及，有機(jī)養(yǎng)分歸還量不斷增加（表2），輸出外部的NPK 養(yǎng)分總量逐漸減少，內(nèi)循環(huán)量和內(nèi)循環(huán)率呈上升趨勢（表4）。與1985年相比，2014年N素的內(nèi)循環(huán)率由1.7％增長為14.9％，NPK養(yǎng)分總循環(huán)率由2.4％增長到22.8％，分別增長了7.8倍和8.7倍。但是，與其他以小麥-玉米輪作為主的種植體系相比其內(nèi)循環(huán)率顯著偏低［16］，其系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)屬開放式，究其原因，主要由于南皮縣種植業(yè)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，棉花、小雜糧等秸稈不還田作物所占比例較大，通過秸稈歸還農(nóng)田的養(yǎng)分較少。

表4　1985年、2000年和2014年南皮縣農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)變化Table 4 Nutrient cycling of farmland ecosystem in Nanpi County in 1985，2000 and 2014

表5顯示了南皮縣1985—2014年農(nóng)田養(yǎng)分表觀平衡狀況。結(jié)果表明，除1985年K素平衡存在赤字外，其他時(shí)段 N、P、K均為盈余，平衡率分別為16.8％～41.9％、26.9％～65.5％、-33.5％～63.1％。PK在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的遷移循環(huán)過程十分簡單，遠(yuǎn)不如N素那么活躍和難以控制，在北方平原區(qū)PK不易產(chǎn)生任何非生產(chǎn)性損失，維持其合理的盈余有利于擴(kuò)大土壤磷鉀有效庫，提高土壤供應(yīng)能力。因此，在不存在水土流失的北方平原區(qū)旱作或水澆地農(nóng)田，允許PK存在較大盈余，鼓勵儲備性施用。而N素則不同，倘若管理不當(dāng)，極易引起損失，通常認(rèn)為，N素盈余率超過 20％即可引起 N素對環(huán)境的潛在威脅［20，22］。由表5的表觀平衡率不難看出，自1985年以來，農(nóng)田養(yǎng)分中N素始終有盈余，3個(gè)時(shí)段N素盈余率依次為34.2％、41.9％和16.8％，盡管到2014年N素盈余有所下降，但仍與臨界值很接近，存在較大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

在對N素盈余狀況進(jìn)行評價(jià)時(shí)，不應(yīng)只簡單考慮N素的總投入，應(yīng)考慮有機(jī)肥料 N 的有效性問題［20］，以正確評價(jià)N素的盈虧狀況并防止夸大N素投入的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。一般有機(jī)肥N的當(dāng)季有效性只有化肥N 的 30％左右［23］，若按此計(jì)算農(nóng)田有效氮的平衡，1985—2014年N素盈余呈逐漸減少趨勢，3個(gè)時(shí)段有效N素盈虧率依次為18.1％、6.5％和-7.8％，至2014年出現(xiàn)了輕度虧缺，與李書田等［20］對華北地區(qū)農(nóng)田N素平衡估算結(jié)果基本接近。

與氮肥不同，磷肥后效很高，累積率可達(dá)80％以上［24］，盈余的累積 P在土壤中能提高P的供應(yīng)潛力。2014年南皮縣P素盈余35.7％，盈余P量為21.0kg·hm-2，相當(dāng)于表層土壤全磷（P）增加9.3mg·kg-1。按照6％進(jìn)入有效磷［25］，則相當(dāng)于增加土壤有效磷（P）0.56mg·kg-1，倘若按照這一盈余量，再過20年，南皮土壤有效磷含量將增加11.2mg·kg-1，增長速度較為緩慢，短期內(nèi)不會對環(huán)境構(gòu)成威脅。磷肥投入過量在某種程度上對培育地力、提高土壤P庫供肥能力是有益的。

表5　1985年、2000年和2014年南皮縣農(nóng)田養(yǎng)分平衡Table 5 Balance of nutrients of farmland ecosystem in Nanpi County in 1985，2000 and 2014

2.2農(nóng)田養(yǎng)分平衡評價(jià)

農(nóng)田養(yǎng)分平衡出現(xiàn)赤字或盈余并不一定不合理，達(dá)到 100％平衡（平衡率為0）也不一定就是理想目標(biāo)。通過對實(shí)際養(yǎng)分平衡率與允許養(yǎng)分平衡盈虧率進(jìn)行比較，可了解農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況，對其做出正確評價(jià)，為農(nóng)田管理措施調(diào)整提供依據(jù)。參照魯如坤等［10-11］農(nóng)田養(yǎng)分平衡的評價(jià)方法，對南皮縣域、渤海糧倉科技示范工程項(xiàng)目位于南皮縣的示范區(qū)及周邊農(nóng)戶農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀況進(jìn)行分析。

所謂養(yǎng)分允許平衡盈虧率是指在當(dāng)?shù)貤l件下養(yǎng)分平衡的計(jì)算結(jié)果，雖有虧缺或盈余也是允許的，這意味著養(yǎng)分虧缺時(shí)并不會影響作物產(chǎn)量，盈余時(shí)也不會造成養(yǎng)分浪費(fèi)。其計(jì)算公式為：

式中：B％為某養(yǎng)分允許平衡盈虧率；E為某養(yǎng)分肥料利用率，用相對值表示；S為土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率，相當(dāng)于某養(yǎng)分增產(chǎn)率的倒數(shù)。

基于多點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果，南皮縣氮、磷、鉀肥平均增產(chǎn)率分別為38.6％、38.3％和11.0％，氮、磷、鉀肥利用率根據(jù)文獻(xiàn)［8，16］分別按30％、15％和55％計(jì)，據(jù)此計(jì)算出農(nóng)田養(yǎng)分的允許平衡盈虧率（表6）。從養(yǎng)分平衡允許盈虧率來看，南皮縣N、K收支中允許有一定量虧缺發(fā)生，K允許赤字達(dá)82.0％，即在K素有82％的赤字情況下并不影響作物產(chǎn)量；N 僅允許8.2％的虧缺，這表明，盡管 N素收支中允許有赤字發(fā)生，但其肥料養(yǎng)分仍存在一定的增產(chǎn)趨勢，部分N素供應(yīng)來源于土壤，但土壤已無能力承受較大的平衡赤字，建議在施肥時(shí)應(yīng)保持 N素的基本平衡，即無赤字平衡，以防土壤肥力下降；這一區(qū)域 P素增產(chǎn)效果明顯，其允許平衡盈虧率為82.0％，這表明P素平衡中有82％的盈余是允許的，也是必要的，即在P素平衡中須有大量盈余方可滿足作物生長需求而不至于過多耗竭土壤P庫。

為了從不同尺度層面研究南皮縣農(nóng)田養(yǎng)分平衡，在示范區(qū)及其周邊多個(gè)村中選擇有代表性的農(nóng)戶，了解其投入產(chǎn)出情況，計(jì)算其養(yǎng)分平衡率后發(fā)現(xiàn)，示范區(qū)NPK平衡狀況與允許平衡盈虧率最為接近，養(yǎng)分管理較為合理。周邊農(nóng)戶養(yǎng)分平衡狀況參差不齊，表現(xiàn)為施 N過量，部分農(nóng)戶磷肥施用不足?？h域尺度上，N、P、K均表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，與允許平衡盈虧率比較，磷肥投入尚存在不足的問題。按農(nóng)田N素平衡率超過20％就會對環(huán)境造成潛在威脅的說法［20］，南皮縣 N素盈余率均在 16.8％以上，接近平衡率安全閾值，說明 N素施肥量已有可能對該縣生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅，因此，在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需適度控制氮肥用量，通過改進(jìn)施肥技術(shù)實(shí)現(xiàn)減量增效。全縣平均和多數(shù)調(diào)查農(nóng)戶P素平衡率低于允許 P素平衡盈虧率，說明在P素管理中需增加磷肥用量，以確保作物生長需求與維持和提高土壤供 P能力；比較K素允許平衡盈虧率和實(shí)際平衡率可知，南皮縣 K素不虧缺，在秸稈還田情況下可根據(jù)作物攜出量進(jìn)行平衡補(bǔ)K。

表6　2014年南皮縣農(nóng)田養(yǎng)分平衡和允許盈虧率Table 6 Nutrient balance rates and allowable balance rates of farmland ecosystem in Nanpi County in 2014 ％

2.3農(nóng)田養(yǎng)分平衡對耕層土壤養(yǎng)分變化趨勢的影響

農(nóng)田NPK的盈虧量決定了土壤養(yǎng)分的變化方向及變化程度，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)養(yǎng)分管理中不應(yīng)僅以作物增產(chǎn)和盈利為目標(biāo)，應(yīng)在充分滿足作物對養(yǎng)分的需求和有利于土壤養(yǎng)分庫維護(hù)的同時(shí)，避免土壤中過剩養(yǎng)分進(jìn)入環(huán)境而導(dǎo)致環(huán)境污染。了解土壤肥力的變化規(guī)律可為合理利用土壤養(yǎng)分資源和科學(xué)施肥提供依據(jù)。

2.3.1有機(jī)質(zhì)、全氮變化

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的儲藏庫，其含量是估算土壤C儲量、評價(jià)土壤肥力和質(zhì)量的重要參數(shù)；全氮含量高低是土壤庫潛在供 N能力的表征，也是評價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)；有機(jī)質(zhì)和全氮動態(tài)變化直接影響土壤肥力特性。從表7可見，與第2次土壤普查時(shí)相比，全縣土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量普遍增加，有機(jī)質(zhì)平均由1981年的8.62g·kg-1上升到2015年的 14.0g·kg-1，相對上升了62.4％，年均遞增率為1.44％；土壤全氮全縣平均增加了0.366g·kg-1，相對增幅67.5％，年遞增率為1.53％。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮變化等級屬增加明顯范疇（土壤養(yǎng)分含量增加5％以上）。自20世紀(jì)80年代以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)不斷壯大，為農(nóng)業(yè)種植提供了大量糞肥，是有機(jī)質(zhì)和全氮增加的重要原因之一；此外，20世紀(jì)90年代后期開始推行秸稈還田措施，是土壤有機(jī)質(zhì)提升的另一重要原因。

全縣9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量差異較大，存在明顯的空間變異性。因各鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)狀況和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的不同，農(nóng)田養(yǎng)分輸入存在較大差異，導(dǎo)致三十多年間不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分變化程度有所不同。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮上升幅度均以南皮鎮(zhèn)最大，分別為7.34g·kg-1和0.51g·kg-1；增幅最低的為鮑官屯鎮(zhèn)，僅分別為3.92g·kg-1和0.16g·kg-1。南皮鎮(zhèn)作為縣政府所在地，經(jīng)濟(jì)狀況在全縣相對較為發(fā)達(dá)，據(jù)南皮縣國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料顯示，其化肥純養(yǎng)分投入量（平均每年429kg·hm-2）和單位耕地面積上容納畜禽量（表征糞肥養(yǎng)分投入能力）均居全縣之首，是導(dǎo)致該鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮增幅最大的主要原因；在種植結(jié)構(gòu)上，南皮鎮(zhèn)以小麥、玉米一年兩熟為主，小麥-玉米播種面積占該鎮(zhèn)總播種面積的 82％，大量還田秸稈亦是土壤有機(jī)質(zhì)和全氮提升的另一重要原因。而鮑官屯鎮(zhèn)位于南皮縣的最東部，歷史上土壤鹽堿較為嚴(yán)重，屬于鹽堿低產(chǎn)區(qū)，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差，養(yǎng)分投入相對較低，其化肥純養(yǎng)分投入每年僅為325kg·hm-2，是導(dǎo)致該鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分增幅偏低的主要原因之一；在種植結(jié)構(gòu)上，該鎮(zhèn)棉花和谷子等小雜糧種植面積所占比例較高，小麥-玉米種植面積相對較少，只占總播種面積的 52％，在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況下，可實(shí)行秸稈還田的作物只有小麥和玉米，其他作物秸稈全部移出農(nóng)田，因此，該鎮(zhèn)可還田秸稈資源遠(yuǎn)低于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是該鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮增幅較低的另一原因。

表7　南皮縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕層土壤養(yǎng)分含量及變化（1981—2015年）Table 7 Changes of soil nutrients in cultivated horizon of different townships in Nanpi County from 1981 to 2015

2.3.2有效養(yǎng)分變化

土壤有效養(yǎng)分可反映近期內(nèi)養(yǎng)分供應(yīng)情況，是土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平的重要指標(biāo)，可作為指導(dǎo)合理施肥的依據(jù)［11］。由表7可知，土壤堿解氮、有效磷和有效鉀全縣均值均呈上升趨勢，但各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間變化趨勢不盡相同。34年間土壤堿解氮全縣平均增加1.3mg·kg-1，相對增幅為1.8％，變化等級屬不變范疇（土壤養(yǎng)分含量變化在-5％～5％）。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間土壤堿解氮變化方向和程度不同，其中處于東部和北部的鮑官屯鎮(zhèn)、大浪淀鄉(xiāng)和馮家口鎮(zhèn)屬減少范疇，下降幅度為-9.4％～-19.8％；劉八里鄉(xiāng)、王寺鎮(zhèn)和寨子鎮(zhèn)略有增加，屬不變范疇，變化幅度為2.4％～3.9％；南皮鎮(zhèn)、烏馬營鎮(zhèn)和潞灌鄉(xiāng)屬增加范疇，增加幅度為15.1％～21.0％。有效磷變化最為顯著，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均呈增加趨勢，全縣平均增加18.8mg·kg-1，2015年土壤有效磷含量較1981年增加9.4倍，年遞增率為7.1％。有效鉀全縣平均增加6.0mg·kg-1，增幅僅為4.3％，變化等級屬不變范疇；各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間變化方向和程度存在較大差異，9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中變化等級有4個(gè)屬增加范疇、3個(gè)屬不變范疇、2個(gè)屬減少范疇。

土壤NPK養(yǎng)分的變化方向和程度決定于農(nóng)田養(yǎng)分平衡及其消長。20世紀(jì)80年代以來，南皮縣N、P均處于盈余狀態(tài)（表4），是土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷增加顯著的主要原因。20世紀(jì)80年代，由于受到北方土壤不缺K觀念的影響，農(nóng)民普遍不重視鉀肥施用，南皮縣土壤K素平衡處于虧缺狀態(tài)，進(jìn)入21世紀(jì)后，K素逐漸轉(zhuǎn)為盈余。

農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)與收支平衡直接影響著土壤養(yǎng)分庫的消長［11］。自 1985年以來，由于農(nóng)事活動全縣NPK的總投入大于總支出，土壤庫N素、P素和K素處于盈余狀態(tài)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量明顯上升，尤其是P的增加的幅度極大（超9倍），提示近年來含磷化肥和糞肥施入量存在大量盈余。隨著糧食產(chǎn)量逐年提高，養(yǎng)分消耗水平不斷增加，農(nóng)田土壤堿解氮和有效鉀全縣平均處于略增狀態(tài)，各鄉(xiāng)增減態(tài)勢不一，有增有減。土壤堿解氮變化范圍為-15.7～14.3mg·kg-1，主要與近年來農(nóng)田養(yǎng)分投入中有效N素盈余不足有關(guān)（2000年和2014年有效N素平衡率分別為9.4％和-5.3％）。土壤有效鉀含量從1981—2015年相對增加不足 5％。盡管允許平衡盈虧率中允許K素有82％的虧缺，但土壤有效鉀含量的變化趨勢表明，如果 K素投入過少，勢必依靠耗竭土壤K庫來維持相應(yīng)的生產(chǎn)力，土壤K素將出現(xiàn)虧缺，土壤自身調(diào)節(jié)功能將減弱，在一定程度上會限制農(nóng)田生產(chǎn)力的繼續(xù)提高，所以在實(shí)施秸稈還田措施的同時(shí)，還應(yīng)重視適量化學(xué)鉀肥的施用。

總體看來，與1981年相比，全縣農(nóng)田土壤均有不同程度的上升，按照全國第2次土壤普查辦公室（1979年）擬訂的豐缺指標(biāo)，南皮縣農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量等級由極低或低提升到中等，有效磷由中等提升到了高或極高，堿解氮、有效鉀等級變化不明顯。

2.4耕層土壤養(yǎng)分空間分布格局與管理對策

培育農(nóng)田土壤肥力是保證糧食安全的基礎(chǔ)。了解土壤肥力現(xiàn)狀、變化規(guī)律及空間分布格局，對充分利用土壤潛力、制定合理養(yǎng)分管理方案、進(jìn)一步培肥地力并實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、資源高效和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2.4.1耕層土壤養(yǎng)分空間分布格局

將2015年樣點(diǎn)數(shù)據(jù)依據(jù)國家及省地級土壤普查分級標(biāo)準(zhǔn)，用反距離權(quán)重法（IDW）插值獲得縣域5種養(yǎng)分屬性含量分布圖，以便直觀展示耕層土壤養(yǎng)分空間格局狀況（圖2和表8）。

目前全縣主要土壤養(yǎng)分總體含量不太高，土壤肥力水平在中等水平，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、有效鉀變幅依次為4.89～24.60g·kg-1、0.42～1.48g·kg-1、25.2～121.0mg·kg-1、1.2～65.6mg·kg-1、73～533mg·kg-1。從其變異性來看，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮變異系數(shù)分別為24.1％、23.0％和25.4％，屬于中等變異程度；有效鉀和有效磷變異系數(shù)分別為40.8％和66.8％，接近強(qiáng)變異性（表8）。除堿解氮外，土壤速效性養(yǎng)分較全量養(yǎng)分含量的變化幅度大。導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變異的原因主要與土壤養(yǎng)分元素在土壤中的化學(xué)行為及肥料施用狀況、耕作等田間管理措施有關(guān)。可以推斷，多年來小規(guī)模分散經(jīng)營體制下，各農(nóng)戶的N素投入量差異不十分明顯。從各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的養(yǎng)分變異程度來看，以劉八里鄉(xiāng)和寨子鎮(zhèn)各養(yǎng)分的變異程度較小，表明這兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤養(yǎng)分含量相對比較均勻。

表8　2015年南皮縣耕層土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)Table 8 Descriptive statistics of nutrients contents in cultivated horizon of different townships in Nanpi County in 2015

從南皮縣耕層土壤養(yǎng)分含量空間分布（圖2）不難看出，南皮縣土壤養(yǎng)分含量分布呈連片分布狀態(tài)，對于實(shí)施養(yǎng)分的分區(qū)管理較為有利。以南皮鎮(zhèn)和劉八里鄉(xiāng)為中心，與其接壤的馮家口鎮(zhèn)和大浪淀鄉(xiāng)的南部、烏馬營鎮(zhèn)的北部土壤養(yǎng)分含量較高，按照第2次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮均處于中等偏上水平（4-1級），有效磷和有效鉀屬于極高或高等級（1～2級），屬于地力水平較高區(qū)域；馮家口鎮(zhèn)和大浪淀鄉(xiāng)的北部、烏馬營南部、王寺鎮(zhèn)、鮑官屯鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分含量相對較低，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮均處于中等偏下水平（4-2級），有效磷和有效鉀屬于極高或高等級（1～2級），屬于地力水平較低區(qū)域；位于南皮縣東南部的寨子鎮(zhèn)和潞灌鄉(xiāng)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮均處于中等偏下水平（4-2級），土壤有效磷含量水平極高，90％以上的田塊土壤有效磷含量處于高和極高水平，與其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)相比，這一區(qū)域土壤有效鉀則略顯不足，處于中等偏下水平。歷史上這一區(qū)域在南皮縣屬于脫鹽高產(chǎn)區(qū)，農(nóng)民在生產(chǎn)中只注重氮磷肥的施用，鉀肥投入偏少，致使這一區(qū)域土壤K庫存不斷下降。

圖2　2015年南皮縣耕層土壤主要養(yǎng)分含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil nutrients contents of cultivated horizon in Nanpi County in 2015

2.4.2南皮縣養(yǎng)分管理對策

1）充分挖掘利用畜牧養(yǎng)殖業(yè)有機(jī)肥源，大力推廣秸稈直接還田技術(shù)，發(fā)揮有機(jī)肥替代作用，實(shí)行有機(jī)無機(jī)相結(jié)合的培肥措施。

南皮縣畜牧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，應(yīng)充分利用畜牧業(yè)生產(chǎn)的畜禽糞尿，將其肥料資源化，發(fā)揮有機(jī)養(yǎng)分增產(chǎn)培肥潛力并降低畜牧業(yè)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。在農(nóng)村經(jīng)營模式逐漸由一家一戶小規(guī)模種植向農(nóng)村合作或家庭農(nóng)場大規(guī)模種植模式轉(zhuǎn)變的今天，應(yīng)大力推廣秸稈機(jī)械化直接還田技術(shù)，科學(xué)合理地充分利用當(dāng)?shù)亟斩捹Y源，以補(bǔ)充、更新和提高土壤有機(jī)質(zhì)，較好地實(shí)現(xiàn)生物肥源的循環(huán)再利用，發(fā)揮有機(jī)肥替代作用，實(shí)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥料的配合施用。根據(jù)本區(qū)耕種習(xí)慣，夏收時(shí)，小麥秸稈實(shí)施表層覆蓋，以達(dá)到保墑節(jié)水作用；秋收時(shí)，玉米秸稈粉碎還田。實(shí)施秸稈還田時(shí)需配套少免耕、深耕-深松相結(jié)合的耕作措施，以擴(kuò)增耕層深度、改善耕層土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)土壤團(tuán)聚化、實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分?jǐn)U蓄增容、培肥全耕層特別是亞耕層土壤、提升土壤水分養(yǎng)分對作物的有效性，實(shí)現(xiàn)水肥在耕作層的有效時(shí)空耦合。

在實(shí)施秸稈直接還田技術(shù)時(shí)要注意做好土壤管理和合理施肥，在原配方施肥基礎(chǔ)上要適當(dāng)增加氮肥，以調(diào)節(jié)碳氮比，使之達(dá)到土壤微生物活動及繁殖適宜范圍 25︰1左右，以免出現(xiàn)微生物與作物爭N 現(xiàn)象。我國一些研究結(jié)果認(rèn)為［14］，麥秸直接還田時(shí)需補(bǔ)加N素0.6％～2.0％，玉米秸稈還田需補(bǔ)加N 素1.7％～2.0％。但應(yīng)注意，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可過量施N，以免造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)和由于氮肥損失而造成的環(huán)境污染。

2）合理施用化肥，氮肥管理推行實(shí)時(shí)診斷與推薦施肥技術(shù)，磷鉀肥實(shí)施恒量監(jiān)控儲備施用技術(shù)；施肥技術(shù)上推行肥料分層深施全耕層培肥技術(shù)，提高肥料利用率。

基于南皮縣土壤養(yǎng)分含量現(xiàn)狀及其分布格局，農(nóng)田養(yǎng)分管理應(yīng)實(shí)施分區(qū)管理，以南皮鎮(zhèn)為中心的高肥區(qū)建議在施肥時(shí)應(yīng)保持養(yǎng)分的基本平衡，即無赤字平衡，以防止土壤肥力下降，同時(shí)減控 N素流向環(huán)境、穩(wěn)定土壤P庫與K庫。以王寺鎮(zhèn)、鮑官屯鎮(zhèn)和烏馬營鎮(zhèn)南部為主的低肥區(qū)以快速培肥為目標(biāo)，實(shí)施盈余施肥技術(shù)，即養(yǎng)分投入大于支出，N盈余控制在20％以內(nèi)，以防對環(huán)境造成危害，P素盈余可擴(kuò)大到80％，K盈余控制在20％左右。處于寨子鎮(zhèn)和潞灌鄉(xiāng)的高P低K區(qū)以培育K庫、穩(wěn)定N庫、控制P庫為目標(biāo)，實(shí)施穩(wěn)N控P增K施肥策略。

在NPK養(yǎng)分資源管理上，根據(jù)其在土壤中的生物化學(xué)特性，實(shí)施不同管理策略。由于N素資源具有來源多源性、轉(zhuǎn)化復(fù)雜性、去向多向性及其環(huán)境危害性，且作物產(chǎn)量和品質(zhì)對N素反應(yīng)敏感的特征，農(nóng)田 N素是養(yǎng)分資源管理的核心，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中推行 N素實(shí)時(shí)實(shí)地精確監(jiān)控，建議該區(qū)域小麥-玉米輪作體系中，小麥底肥采用根層養(yǎng)分調(diào)控技術(shù)［26］進(jìn)行推薦施肥，小麥追肥和玉米追肥采用基于作物冠層數(shù)字圖像技術(shù)的N素快速診斷［27-28］或植株硝酸鹽快速測定的N素營養(yǎng)診斷［26］與推薦施肥技術(shù)。

土壤PK移動性較小，易于在土壤中累積，不斷為作物吸收利用，表現(xiàn)出長期的疊加效應(yīng)。在農(nóng)田PK養(yǎng)分管理中，以保障耕地地力持續(xù)提升、作物持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，又不造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)或資源浪費(fèi)為目標(biāo)?？蓪?～5年作為一個(gè)周期進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，采取“提高”、“維持”或“控制”的方法調(diào)控管理策略及相應(yīng)施肥推薦［29-30］?？刹捎脙湫允┝准夹g(shù)［5］，將3～5年用量集中一次施用，每隔3～5年施用一次，充分發(fā)揮磷肥后效特點(diǎn)，盡可能減少農(nóng)事活動帶來的人力、物力投入。

在肥料結(jié)構(gòu)上，要改變化肥品種單一的狀況，重視多元復(fù)合肥及微肥的施用，協(xié)調(diào)NPK投人比例，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的均衡、協(xié)調(diào)發(fā)展。在施肥方法上，根據(jù)作物、土壤條件合理施用化肥，改變目前氮肥表施的施肥方法，推行分層深施全耕層培肥技術(shù)，以減少養(yǎng)分損失。此外應(yīng)推廣測土施肥或配方施肥技術(shù)，努力實(shí)現(xiàn)農(nóng)田施肥精準(zhǔn)管理，變盲目施肥為科學(xué)施肥，提高化肥利用效率。建議在施肥時(shí)應(yīng)保持養(yǎng)分的基本平衡，即無赤字平衡，以防止土壤肥力下降。

南皮縣大浪淀、烏馬營、王寺、鮑官屯等鄉(xiāng)鎮(zhèn)依然存在次生鹽堿化潛在危害，制約作物產(chǎn)量的提升和耕地質(zhì)量改善，建議使用石膏和鹽堿土壤調(diào)理劑等鹽堿土改良產(chǎn)品，改良鹽堿，降低鹽害，同時(shí)配合土壤耕作培肥技術(shù)，提升土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤對鹽害的緩沖能力。

3　結(jié)論與討論

化學(xué)氮磷肥是養(yǎng)分輸入中的重要內(nèi)容，人畜糞尿和還田秸稈是K素的重要補(bǔ)給源。NPK養(yǎng)分投入呈持續(xù)上升趨勢，化肥投入增長速度高于養(yǎng)分其他來源增速。河北省南皮縣1985—2000年養(yǎng)分投入由10 701 t增加至23 202 t，至2014年增至23 386 t，1985—2000年養(yǎng)分投入增速高于2000—2014年，年遞增率分別為5.29％和0.06％。輸入農(nóng)田養(yǎng)分的增加主要來源于化肥用量的大幅度提升和畜牧養(yǎng)殖業(yè)的飛速發(fā)展。1985年至 2014年3個(gè)時(shí)段養(yǎng)分投入N︰P2O5︰K2O比例依次為1︰0.27︰0.20、1︰0.33︰0.46和1︰0.41︰0.48，PK所占比例有逐年增加的趨勢，養(yǎng)分的投入比逐漸合理。南皮縣農(nóng)田養(yǎng)分的輸出以作物吸收為主，占養(yǎng)分總輸出量的 80％以上，隨著作物產(chǎn)量的不斷提升，作物吸收養(yǎng)分的數(shù)量不斷增加，1985年至2014年作物吸收養(yǎng)分量由7 569 t上升到16 225 t，相對增加114.4％。從養(yǎng)分平衡的角度看，從1985年到2014年NP始終有大量盈余，盈余率分別為16.8％～34.2％和26.9％～65.5％，而K素經(jīng)歷了由赤字逐漸向盈余的轉(zhuǎn)變過程，由 1985年-33.5％赤字發(fā)展至2014年的33.6％盈余。

隨著農(nóng)業(yè)管理措施的不斷改善，農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)模式不斷發(fā)生改變。20世紀(jì)80年代，農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)率較低，系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)主要靠外部投入來維持；進(jìn)入 90年代后期，由于秸稈還田措施的不斷實(shí)施，內(nèi)循環(huán)量逐漸加大，養(yǎng)分循環(huán)率不斷上升，1985—2014年NPK的循環(huán)率由2.4％增至22.8％。但總體上，南皮縣養(yǎng)分循環(huán)率不高，應(yīng)加大有機(jī)養(yǎng)分投入，通過進(jìn)一步推行秸稈還田措施和有機(jī)肥替代技術(shù)來提高養(yǎng)分循環(huán)效率。

南皮縣2015年土壤肥力狀況較1981年發(fā)生了較大變化，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷含量均有顯著增加，堿解氮和有效鉀增長緩慢，甚至有些田塊出現(xiàn)下降趨勢。在今后的養(yǎng)分管理中需重視 NK的平衡施用。34年間，盡管N素投入有顯著性增加，但土壤有效 N庫并未得到顯著改善，表明當(dāng)前氮肥施用技術(shù)和培肥措施有待進(jìn)一步改善。由于N素在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化的活躍性和對環(huán)境的危害性，農(nóng)田 N素的精準(zhǔn)管理仍然是養(yǎng)分管理的核心，應(yīng)以實(shí)現(xiàn)作物持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)為目標(biāo)，以農(nóng)田 N素實(shí)時(shí)實(shí)地精確監(jiān)控為手段，推行精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)，最大限度地發(fā)揮氮肥的增產(chǎn)效果，提高N素利用效率，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效應(yīng)雙贏。此外，在農(nóng)田養(yǎng)分管理中，應(yīng)根據(jù)不同養(yǎng)分資源特性進(jìn)行區(qū)別對待，對于PK，可實(shí)行恒量監(jiān)控、儲備施用。

土壤有機(jī)質(zhì)含量水平是土壤肥力高低的一個(gè)重要指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)含量高，土壤理化性狀好，保墑保肥能力強(qiáng)。由于受到成土母質(zhì)和氣候條件的限制，盡管在過去的 34年間南皮縣土壤有機(jī)質(zhì)有了顯著性提高，但目前其含量水平仍處于較低水平（4-2級）。提高土壤有機(jī)質(zhì)含量要經(jīng)歷一個(gè)長期過程，對耕作土壤來說，培肥的中心環(huán)節(jié)就是增施各類有機(jī)肥。南皮縣各類秸稈年產(chǎn)326 382 t，秸稈資源豐富，秸稈還田措施已為廣大農(nóng)民所接受，是土壤有機(jī)質(zhì)含量增加的主要原因。長期實(shí)施秸稈還田能有效改良土壤，培肥地力，提高土壤有機(jī)質(zhì)和NPK等養(yǎng)分含量，是實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量持續(xù)提升的重要途徑之一［31］。秸稈還田可以有效保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)、能量良性循環(huán)，維持作物持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，減少作物對外部物質(zhì)、能量的依賴，形成一個(gè)穩(wěn)定的、自循環(huán)程度較高的生產(chǎn)系統(tǒng)，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［32］。

致謝 感謝所有參加2015年南皮縣土壤采樣和分析工作的同事們！

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Nutrient cycling and balance in farmland ecosystem in Bohai Lowland Plain*

ZHANG Yuming1，SUN Hongyong1，LI Hongjun1，LIU Xiaojing1，HU Chunsheng1**，LIU Ketong2，CUI Yuxi3，ZHANG Manyi3
（1.Centre for Agricultural Resources Research，Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy of Sciences，Shijiazhuang 050022，China；2.Central Station for Soil and Fertilizer，Agricultural Department of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China；3.Nanpi County Agriculture Bureau，Nanpi 061500，China）

It is important to optimize nutrient management and improve soil fertility and fertilizer use efficiency forsustainable development of agriculture.This can help to understand nutrient input/output and balance in farmland and the state of soil fertility and its change.Based on national economic statistics for Nanpi County for 1985，2000 and 2014，the state of nutrient cycle and balance in agro-ecosystems was analyzed for the period 1985-2014.The study also explored the state and change characteristics of soil nutrients by comparing data on nutrients in the topsoil in 1981（when the second national soil survey was conducted） with that in 2015.The results indicated a significant change in nutrient input/output and balance for 1985 through 2014.There was a significant increase in NPK input.Total inputs of N，P and K increased from 10 701 t in 1985 to 23 386 t in 2014，which represented an annual increase of 2.33％.The sources of N，P and K were different，with N and P mainly coming from chemical fertilizers，followed by organic fertilizers such as manure and crop straw.However，K was mainly from organic fertilizers.Nutrient absorption by crops was the main component of nutrient output，accounting for 80％ of total nutrient output.NPK output increased from 18 846 t in 1985 to 90 093 t in 2014，with an annual increase of 2.17％.Taking into account apparent nutrient balance，there were huge N and P budget surpluses since 1985.For the period 1985-2014，P surplus（26.9％-65.5％） exceeded N surplus（16.8％-34.2％）.Based on the availability of organic N，available N budgets were respectively 18.1％，6.5％ and -7.8％ in 1985，2000 and 2014，which shifted from surplus to deficit conditions.K balance changed from deficit to surplus condition，improving from a deficit of -33.5％ in 1985 to a surplus of 33.6％ in 2014.Due to the effect of nutrient balance，the contents of soil organic matter，total N and available P significantly changed，respectively increasing from 8.62g·kg-1，0.542g·kg-1and 2.0mg·kg-1in 1981 to 14.0g·kg-1，0.908g·kg-1and 20.8mg·kg-1in 2015.The total increases in 2015 over those in 1981 were 62.4％，67.5％ and 9.4 times，respectively.The changes of available N and available K were not very noticeable，increasing from 70.5mg·kg-1and 141mg·kg-1in 1985 to 71.8mg·kg-1and 147mg·kg-1in 2015，representing total increases of1.8％ and 4.2％，respectively.The measures of increasing soil fertility and fertilizer use efficiency included scientific and rational fertilization，combined application of organic fertilizer and inorganic fertilizer，straw return to soils and improved fertilization methods.Under the current soil fertility and crop planting structure，nutrient management countermeasures was to optimize N dose，to control application of P and to increase application rate of K to limit nutrient surplus in the environment.

Jun.2，2016；accepted Jun.27，2016

Farmland ecosystem；Soil fertility；Nutrient cycle；Nutrient balance；Fertilization technology

S158.5

A

1671-3990（2016）08-1035-14

10.13930/j.cnki.cjea.160570

*國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD05B00）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)（2016YFD0300800，2016YFD0200307）和2016年河北省渤海糧倉科技示范工程項(xiàng)目資助

**通訊作者：胡春勝，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、水循環(huán)及土壤生態(tài)過程。E-mail：cshu@ms.sjziam.ac.cn

張玉銘，研究方向?yàn)橥寥婪柿εc生態(tài)環(huán)境。E-mail：ymzhang@sjziam.ac.cn：2016-06-02接受日期：2016-06-27

*This study was supported by the National Key Technology R＆D Program of China（2013BAD05B00），the National Key Research and Development Project of China（2016YFD0300800，2016YFD0200307），and the Special Program of Bohai Granary Science and Technology Demonstration in Hebei Province.

**Corresponding author，E-mail：cshu@ms.sjziam.ac.cn