段英華，盧昌艾，楊洪波，馬常寶，劉亞男,3，徐明崗,3*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2 農(nóng)業(yè)部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心，北京 100125；3 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所，廣東湛江 524091）

灌淤土是我國內(nèi)陸灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)的一種重要灌溉耕作土壤類型。該類土壤主要是經(jīng)人類長期灌溉淤積和沖積、淋溶淡化、耕種培肥、生物累積而成。由于灌淤土分布地勢平坦、灌溉便利、土壤肥沃、生產(chǎn)性能良好，是優(yōu)質(zhì)多宜的耕種土壤，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位。全國灌淤土的面積為152.7萬公頃[1]，主要分布于新疆昆侖山北麓和天山南北，甘肅的河西走廊，寧夏和內(nèi)蒙古的河套地區(qū)，其他省(區(qū)) 也有零星分布。

灌淤土具有質(zhì)地適中、土壤結構和通氣狀況良好、有機質(zhì)和養(yǎng)分含量豐富的特點，是我國西北區(qū)域非常重要的土壤類型之一。如在寧夏自治區(qū)，主要土類為灌淤土的引黃灌區(qū)以34%的耕地生產(chǎn)了該區(qū)70%的糧食[2]。在大多數(shù)情況下，我國灌淤土都是種植旱作的糧食作物和經(jīng)濟作物。但在地下水位較高的地區(qū)，為了防止土壤的次生鹽漬化，有部分農(nóng)田種植水稻或?qū)嵭械竞递喿鳌Ｒ环矫?，灌溉水和泥沙中的有機物質(zhì)和養(yǎng)分元素對灌淤土肥力的提升產(chǎn)生了積極作用；另一方面，受淹水和排水的影響，尤其是水稻田，耕作層氧化還原作用交替，具有鐵、錳的離析聚集作用，因此易形成銹紋銹斑?？梢姡嘤偻良仁且环N重要的耕作土壤，其理化性狀又明顯區(qū)別于其他土壤類型。

由于灌淤土形成過程的特殊性，近年來圍繞灌淤土逐漸形成了研究熱點。曲瀟琳等[3]闡述了灌淤土的成土特點及系統(tǒng)分類，呂粉桃等[4]發(fā)現(xiàn)長期耕作施肥20年后，灌淤土有機質(zhì)含量年均增加了0.32 g/kg，全氮含量年均增加了0.004 g/kg；惠錦卓等[5]采用淋溶試驗研究了添加生物炭后灌淤土土壤養(yǎng)分含量和氮素淋失的變化，灌淤土全氮、速效磷和速效鉀含量均隨著生物炭添加量的增大而顯著增加，且2%生物炭添加可減少49%的硝態(tài)氮淋溶損失。然而，對于長期施肥條件涵蓋不同作物類型和區(qū)域的產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率演變特征，尚鮮見報道。本研究對國家級耕地土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)中具有代表性的7個灌淤土監(jiān)測點連續(xù)12～28年糧食作物產(chǎn)量及施肥量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，探討了氮肥利用率與土壤養(yǎng)分的關系，以期為西北部灌淤土區(qū)域的施肥管理及提高作物產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

)g/kg 水植(m ailable K 172.4 173.4 0.0種7.0 12 8.0 13 4.0 17 0.0 12鉀年tent 效Av 26 2016 d con 速 和roun g/kg).3.3015 ackg (m 2429.0 22.0 15.0 21.0 22NA 、2 utrient b 效磷Olsen-P 2013有009、Soil n(g/kg)、2 1.34 tal N 0.89 1.26 0.79 0.46 0.44 0.34 2005值 氮To景 全背999、量g)—1含(g/k 8.07.26.4 g sites 分養(yǎng)質(zhì)OM 26.1 13.4 20.4 14.2 data.壤 機有No itorin 土 失缺8.2 pH 8.1 NA NA 8.18.38.4d rice after 2008; b據(jù)on an 數(shù)點ation silting soil in m稻2007A—/水ears; N況米 米 米 米 米004—情物玉玉玉玉玉g 2er y th本作夏heat,夏heat,夏heat,夏heat,夏heat,基植Crop稻種/水Rice 、 、小Wheat/rice 、 、 、麥er corn麥er corn/rice麥er corn麥er corn麥er corn eat durin測麥 稻 小mm 小mm 小mm 小mm 小mm監(jiān)水 冬Winter w su 冬Winter w su 冬Winter w su 冬Winter w su 冬Winter w su Wh mer corn in o土田淤ear ear ear ear ear 水為1 灌of the irrig度stem改heat-sum制sy植 熟p year asic information 熟p year熟Crop 熟一One cro 熟 熟 熟一一二二二二二后表種年 年一One cro年一Tw o crop y年一Tw o crop y年一Tw o crop y年一Tw o crop y年一Tw o crop y年ter w式，2008in, and w方a b地Land use 麥田田小2016 Table 1 B 用利/水/水 植地地種土旱Irrigated land/paddy field水田Paddy field旱地Irrigated land旱Irrigated/paddy field地Irrigated land旱 地Irrigated land旱 地Irrigated land旱 年07 20 013, 2015 and 9, 2土Soil sub 類type亞土土土土土壤淤土土淤淤淤淤灌淤淤灌灌灌灌型典Typical S灌uic S潮Aq 灌uic S潮Aq 表Surface rusted S銹 典Typical S型 典Typical S型 典Typical S型g soil; a—2004—999, 2005, 200年siltin止016 016 016 016 016 016 016起ring year—2—2—2—2—2—2—2測Rice in 1監(jiān)Monito 2004 2004 1998 1998 1988 1988 1988 Irrigation米土玉淤夏an市City 市銀Yinchu銀Yinchu 市an石Shizuishan山g市 市 市 市 灌——麥地川 川 嘴 忠zhon吳Wu 和Hetian田 和Hetian田 和Hetian田 ：S小ote）為冬區(qū)mous（N年夏Ningxia疆Xinjiang 份治注其Autono 他自寧新，稻

我國先后在灌淤土分布區(qū)域建立了7個國家級長期定位監(jiān)測點，分別位于甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)(表1)，各監(jiān)測點均設有不施肥和常規(guī)施肥 (化肥或化肥配施有機肥) 2個處理，種植制度分為一年一熟和一年兩熟兩種，一年一熟作物為小麥、玉米、水稻、大麥、向日葵、蔬菜和棉花，一年兩熟作物為小麥、玉米、水稻和棉花，土地利用類型為水田、旱地及水澆地。其中，1988年在新疆和田市建立了3個旱地監(jiān)測點；1998年在寧夏石嘴山和吳忠市建立了1個旱地和1個旱地水田交替管理監(jiān)測點；2004年在寧夏銀川市建立了2個水田監(jiān)測點，其中一個點2004—2007年為旱地，2008—2016為水田。

1.2 田間試驗設計

試驗設兩個處理: 1) 不施肥處理 (空白區(qū))，小區(qū)面積60 m2, 用設置保護行、壘區(qū)間小埂等方法隔離；2) 施肥處理，施肥方式為常規(guī)施肥, 可代表當?shù)卮蠖鄶?shù)農(nóng)田的施肥水平, 肥料種類分別為尿素、磷酸二銨、氯化鉀 (或硫酸鉀) 以及有機肥, 面積不小于300 m2。種植作物為小麥、玉米和水稻。

銀川市的2個監(jiān)測點不施用有機肥，每年都施用氮、磷、鉀化肥，其中氮肥年均施用量為310 kg/hm2，磷肥年均施用量98.6 kg/hm2，鉀肥年均施用量33.4 kg/hm2。石嘴山市監(jiān)測點1998—2005年間施用有機肥和化肥，之后僅施用氮、磷、鉀化肥，其每季平均施用量分別為300、144和34.5 kg/hm2。吳忠市監(jiān)測點僅施用氮、磷、鉀化肥，其每季平均施用量分別為260、118和20.4 kg/hm2。新疆和田市3 個監(jiān)測點幾乎每年施用有機肥,每季平均折合施氮量N 272.1 kg/hm2、P2O5166.8 kg/hm2、K2O 249.1 kg /hm2；化肥年均施用量為氮肥293.7 kg/hm2、P2O5298.1 kg/hm2，未施用化學鉀肥。

1.3 樣品的采集與分析

在每年秋收后，采取0—20 cm耕層土樣，風干，研磨過篩。pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀等指標均采用國家標準方法測定：pH采用酸度計(水土比5∶1)；有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀滴定法；全氮采用半微量凱氏定氮法；堿解氮采用擴散法；有效磷采用該碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計法[6]。

1.4 計算與統(tǒng)計方法

1.4.1 增產(chǎn)率 增產(chǎn)率 = (施肥區(qū)產(chǎn)量?無肥區(qū)產(chǎn)量)/無肥區(qū)產(chǎn)量 × 100%

1.4.2 產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù) 產(chǎn)量的可持續(xù)性程度可用產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù) (sustainable yield index, SYI) 來表示，它是測定系統(tǒng)是否能持續(xù)生產(chǎn)的一個可靠參數(shù)[7]，計算方法：

1.4.3 氮肥農(nóng)學效率 采用氮肥農(nóng)學效率來表征單位施氮量所增加的作物籽粒產(chǎn)量[8–9]:

氮肥農(nóng)學效率 (AEN，kg/kg) = (施肥區(qū)產(chǎn)量?無肥區(qū)產(chǎn)量)/氮肥施用量

1.4.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)用Excel 2016進行整理，運用Sigmaplot12.5和SAS 8.0軟件進行相關性分析及顯著性檢驗，多重檢驗采用Duncan法 (P ＜ 0.05)。

2 結果與分析

2.1 作物產(chǎn)量演變特征

圖1為小麥、玉米和水稻為7個監(jiān)測點的平均產(chǎn)量。由該圖可見，在施肥處理下，小麥的產(chǎn)量隨時間呈現(xiàn)遞增的趨勢，在2004年達到最高，為7.58 t/hm2，之后產(chǎn)量趨于穩(wěn)定；玉米產(chǎn)量也隨施肥年份呈現(xiàn)遞增的趨勢，而水稻產(chǎn)量在整個監(jiān)測期無顯著變化。2016年，小麥產(chǎn)量是初始年的3倍，玉米產(chǎn)量是初始年的2倍，施肥對小麥和玉米產(chǎn)量的作用顯著，對水稻沒有直接作用。

圖1 灌淤土長期監(jiān)測點小麥、玉米和水稻的產(chǎn)量演變Fig. 1 Crop yield dynamics at long-term observation sites of irrigation silting soil

產(chǎn)量變異系數(shù)是衡量產(chǎn)量是否穩(wěn)定的一個指標。由表2可知，不施肥下的玉米、水稻的變異系數(shù)較高，常規(guī)施肥下玉米和水稻的產(chǎn)變異系數(shù)小，產(chǎn)量分別比不施肥的提高了167%～334%和106%～112%，說明施肥不僅有促產(chǎn)也有穩(wěn)產(chǎn)作用。施肥后小麥的平均產(chǎn)量為不施肥田塊的2～3倍，但其變異系數(shù)在施肥后的變化在各試驗點表現(xiàn)不一。

2.2 不同施肥下的作物產(chǎn)量可持續(xù)性

施肥明顯提高了小麥、玉米和水稻的產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù) (SYI, 圖2)。總體來說，水稻的SYI明顯高于小麥和玉米。與不施肥相比，施肥后小麥、玉米和水稻的SYI分布增加了18.8%、148%和13.9%。可見，玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性對肥料的依賴性最強，而水稻相對較弱。

2.3 施肥增產(chǎn)率的演變特征

與不施肥相比，常規(guī)施肥下小麥、玉米和水稻的平均增產(chǎn)率分別為343%、320%和121%，由圖3可以得出，小麥、玉米的增產(chǎn)率隨著年限的增加呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，其中小麥增產(chǎn)率在1998—2005年達到最大，玉米增產(chǎn)率在2000、2001和2007年最高，水稻的增產(chǎn)率隨施肥年限變化不大，在80%～180%范圍內(nèi)波動。

從圖4的頻率分布圖中可以看出，小麥和玉米的增產(chǎn)1～3倍所占的比例最大，分別為52%和48%，其次是增產(chǎn)大于5倍，分別為24%和29%；水稻增產(chǎn)倍數(shù)小于3倍，其中50%監(jiān)測點增產(chǎn)了1倍，50%監(jiān)測點增產(chǎn)了1～3倍。

表2 灌淤土長期監(jiān)測點小麥、玉米和水稻產(chǎn)量變化 (1989—2016年)Table 2 Changes of crop yields in monitoring sites of irrigation silting soils under long-term conventional fertilization

圖2 不同施肥管理措施下作物的產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)Fig. 2 Sustainable yield index of wheat, maize and rice under no fertilization and conventional fertilization

2.4 地力貢獻指數(shù)的演變特征

土壤地力貢獻指數(shù)是指不施肥區(qū)的作物產(chǎn)量與常規(guī)施肥區(qū)的作物產(chǎn)量之比，反映了土壤的肥沃程度。對灌淤土的定位監(jiān)測數(shù)據(jù)結果分析可知 (圖5)，小麥、玉米和水稻的地力貢獻指數(shù)分別為0.08～1.34、0.02～0.83和0.34～0.57。小麥和玉米的地力貢獻指數(shù)大多集中于0.10～0.36，年度間差異不顯著。水田監(jiān)測始于2004年，其地力貢獻系數(shù)隨著年限的增加而增加，年增加量為0.0125。

2.5 土壤全氮、有效磷和速效鉀演變趨勢

圖3 灌淤土長期監(jiān)測點常規(guī)施肥下作物增產(chǎn)率的演變Fig. 3 Dynamics of crop yield increment under conventional fertilization at long-term observation sites of irrigation silting soil

不論在旱地還是水田，隨著年份的增加，7個監(jiān)測點的土壤全氮含量呈增加趨勢，旱地增加較為平穩(wěn)，從0.4 g/kg上升到了1.1 g/kg；水田土壤全氮從0.8 g/kg上升到1.4 g/kg，波動性較大 (圖6)。截止到2016年，旱地土壤全氮含量高出初始年0.7 g/kg，水田全氮含量高出初始年0.4 g/kg。

由圖6可知，1995、2001和2005年份的旱地有效磷含量約為其他年份的2～3倍，原因是當年施入的磷肥量較大，其他年份較為穩(wěn)定并有上升趨勢，含量保持在17.5～40.1 mg/kg。2016年，旱地土壤有效磷含量與初始年相比增加了57%，水田與旱地變化趨勢相似，平均來說較初始年增加了76%。可見，隨著磷肥的長期施用，磷素在土壤中得到累積。

在西北灌淤土區(qū)域，鉀元素含量比較豐富，所以，寧夏的監(jiān)測點僅在個別年份施用了少量鉀肥(16～20 kg/hm2)，而新疆監(jiān)測點僅在起始年份施用了一次鉀肥 (37.5～52.5 kg/hm2)，其他年份只施用有機肥和氮、磷肥。從圖6中可以看出，由于施鉀量原因，旱地速效鉀含量在1998年和2004年明顯較高，其他年份則一直保持在130～170 mg/kg之間，趨于穩(wěn)定。水田與旱地速效鉀含量趨于一致，隨著年限的變化，速效鉀含量保持穩(wěn)定。

2.6 增產(chǎn)率與土壤養(yǎng)分的關系

分析土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量及其相應年份小麥、玉米和水稻增產(chǎn)率發(fā)現(xiàn)，全氮含量與增產(chǎn)率有密切的關系。小麥、玉米增產(chǎn)率隨著土壤全氮含量的增加而顯著增加；水稻由于監(jiān)測點較少，只能反映出增加的趨勢。有機質(zhì)、有效磷和有效鉀含量與增產(chǎn)率相關不顯著 (圖7)。

圖4 長期監(jiān)測點常規(guī)施肥下作物增產(chǎn)率的頻率分布Fig. 4 Frequency distribution of the increase proportion of crop yield under conventional fertilization at long-term observation sites

由圖7還可以看出，在土壤全氮含量0.4～1 g/kg范圍內(nèi)，全氮每增加0.1 g/kg，小麥、玉米增產(chǎn)率分別提高41.3%、48.5%；在全氮含量1.1～1.5 g/kg范圍內(nèi)，全氮每增加0.1 g/kg，水稻增產(chǎn)率可提高34.2%。說明在肥力較高的土壤上，肥料的增產(chǎn)率更高。

2.7 氮肥農(nóng)學效率的變化特征

氮肥農(nóng)學效率 (AEN) 是指特定施肥條件下，單位施氮量所增加的作物經(jīng)濟產(chǎn)量，是施肥增產(chǎn)能力的反映。這一指標考慮了不施肥下作物的空白產(chǎn)量，消除了地力初始背景值的不同。長期監(jiān)測結果顯示(圖8)，小麥、玉米和水稻的平均氮肥農(nóng)學效率分別為9.8、16.8和27.4 kg/kg。小麥的農(nóng)學效率為3.6～18 kg/kg，隨著年限的增加農(nóng)學效率增加，然后趨于穩(wěn)定，2016年比初始值增加6.9 kg/kg；玉米農(nóng)學效率隨施肥年限增加而增加，2016年比初始值增加了8.3 kg/kg；水稻的農(nóng)學效率為14～33 kg/kg，隨年限增加呈小幅度波動趨勢，2016年較初始監(jiān)測值增加了1 kg/kg。

圖5 灌淤土的地力貢獻系數(shù)隨時間演變Fig. 5 Contribution coefficient of soil fertility to crop yield under long-term conventional fertilization at the observation sites of irrigation silting soil

圖6 長期監(jiān)測點常規(guī)施肥下灌淤土全氮、有效磷和速效鉀含量變化趨勢Fig. 6 Dynamics of soil total nitrogen, available phosphorus and potassium content in irrigation silting soil under conventional fertilization

圖7 灌淤土土壤全氮和與增產(chǎn)率的關系Fig. 7 The linear relationship between Increment of crop yield and the total N content in irrigation silting soil at long-term observation sites

圖8 灌淤土長期監(jiān)測點常規(guī)施肥下氮肥農(nóng)學效率演變趨勢Fig. 8 Dynamics of the agronomy efficiency of nitrogen fertilizer under conventional fertilization at long-term observation sites of irrigation silting soil

3 討論

與不施肥相比，常規(guī)施肥下小麥、玉米和水稻的籽粒產(chǎn)量均有顯著增加，說明盡管灌淤土本身養(yǎng)分資源豐富，但是施肥仍然能夠明顯的增加作物產(chǎn)量，是該區(qū)域重要的增產(chǎn)措施[10–11]。灌淤土上小麥和玉米產(chǎn)量自1989年到2004年顯著增加 (圖1)，而無肥區(qū)籽粒產(chǎn)量沒有顯著變化，我們推測主要是由于兩個原因：一是八十年代初我國施肥量還較低，土壤養(yǎng)分庫匱缺[12–13]，而大量施肥后大大增加了土壤肥力，進而使作物產(chǎn)量顯著提高；另一方面，作物品種選育工作進展迅速，對于作物增產(chǎn)起到了至關重要的作用[14]。值得注意的是，無肥區(qū)作物產(chǎn)量并沒有顯著增加，這說明土壤肥力對于高產(chǎn)品種生產(chǎn)潛力的發(fā)揮起到了至關重要的作用，在初始土壤養(yǎng)分條件下，灌淤土區(qū)域的糧食生產(chǎn)受到了極大限制。

由于無肥區(qū)作物產(chǎn)量變化不大，而施肥區(qū)產(chǎn)量呈增加趨勢，因此小麥和玉米的作物地力貢獻指數(shù)隨時間略呈下降趨勢 (圖5)。土壤地力一方面影響了不同環(huán)境條件下蓄納供應養(yǎng)分的能力，另一方面影響微生物和作物根系對化肥養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、吸收和傳輸，指示了土壤的生產(chǎn)能力[15–16]。提升地力是提高化肥利用效率、實現(xiàn)作物高產(chǎn)的核心途徑。本文中灌淤土上長期施用化肥后 (少量施用有機肥) 后，雖然作物產(chǎn)量在增加，但地力貢獻指數(shù)在下降，說明需要采取培肥措施來提高地力。王吉智等[17]認為，施用有機肥料是灌淤土培肥的主要措施，土壤肥力愈高，灌淤土生產(chǎn)力也愈高。呂粉桃等[4]指出，灌淤土小麥長期以來未達到最高產(chǎn)量，主要與其有機肥的施用量不足有關系。其分析結果表明，灌淤土區(qū)小麥種植制度下有機肥的施用量占總施肥量的比例隨時間呈極顯著的下降趨勢，且其投入量于1995 年左右開始出現(xiàn)大幅度降低。而小麥作物農(nóng)學利用率與小麥增產(chǎn)率在有機無機配施條件下均表現(xiàn)為上升趨勢，說明增加有機肥施用量，可大幅度提高灌淤土小麥作物產(chǎn)量及其肥料利用率，可使作物達到最高產(chǎn)量水平?？梢姡诠嘤偻羺^(qū)域應推廣有機肥施用，以培肥地力和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

從土壤養(yǎng)分與作物增產(chǎn)率的相關關系可知，在一定范圍內(nèi)，小麥、玉米增產(chǎn)率與灌淤土全氮含量呈直線正相關關系 (圖8)。說明了在一定范圍內(nèi)，土壤全氮含量越高，肥料的增產(chǎn)效應越顯著。因此，在灌淤土上，通過提高土壤肥力，保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，以達到減肥增效。另外，其相關關系也說明土壤全氮是影響作物增產(chǎn)的關鍵因子之一。安婷婷等[18]和李娟等[19]分別在黃淮海砂姜黑土和蘭州灌淤土進行的試驗，也都說明了氮是作物增產(chǎn)的主要限制因子。氮肥農(nóng)學效率和土壤全氮含量均隨施肥年份呈增加趨勢，同樣證明了氮肥是保證作物高產(chǎn)的基礎之一，因此在灌淤土上應保證氮肥的施用。土壤磷、鉀含量在本文的監(jiān)測點中含量均較高，且與作物產(chǎn)量等無顯著相關關系，因此應在灌淤土上避免施用大量磷、鉀肥，以降低生產(chǎn)成本及其環(huán)境損失。

4 結論

灌淤土上常規(guī)施肥可有效提高了玉米和小麥的產(chǎn)量，降低玉米和水稻產(chǎn)量的變異性，提高作物產(chǎn)量的可持續(xù)性。

土壤全氮含量與作物增產(chǎn)效果呈正相關，隨著時間的變化，全氮含量上升，作物產(chǎn)量上升。但作物地力貢獻指數(shù)隨施肥年限的增加呈下降趨勢，說明化肥的施用對灌淤土地力的提升效應在降低，需進一步制定灌淤土的培肥措施，并進行相關技術推廣。

長期施肥灌淤土旱地土壤全氮含量高出初始年0.7 g/kg，水田全氮含量高出初始年0.4 g/kg。由于不施鉀肥，土壤有效鉀含量變化不顯著；由于土壤固定嚴重，有效磷含量也沒有顯著增加。