陳延華，王樂，張淑香，郭寧，馬常寶，李春花，徐明崗，鄒國元

我國褐土耕地質(zhì)量的演變及對生產(chǎn)力的影響

陳延華1,2，王樂1，張淑香1，郭寧3，馬常寶4，李春花1，徐明崗1，鄒國元2

（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，北京 100081；2北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；3北京市土肥工作站，北京 100029；4農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心，北京 100125）

【目的】耕地質(zhì)量是影響土壤生產(chǎn)力的關鍵因素，也是科學施肥的重要依據(jù)。褐土區(qū)為我國小麥和玉米的主產(chǎn)區(qū)，研究該區(qū)域31年間（1988—2018）耕地質(zhì)量的演變，并分析它們對生產(chǎn)力的影響，為褐土區(qū)的科學施肥提供依據(jù)?！痉椒ā炕?1年全國103個褐土長期定位試驗點的數(shù)據(jù)，分析褐土耕地質(zhì)量的演變；并通過冗余分析，比較影響生產(chǎn)力的因素；在此基礎上對褐土區(qū)的科學施肥提出了合理建議?！窘Y(jié)果】（1）褐土區(qū)土壤理化性質(zhì)的演變及現(xiàn)狀：有機質(zhì)、有效磷和速效鉀2018年均值分別為17.9 g·kg-1、29.2 mg·kg-1和164 mg·kg-1，監(jiān)測期間分別提高了21.2%、200.9%和55.0%；全氮和緩效鉀2018年均值分別為1.1 g·kg-1和945 mg·kg-1，監(jiān)測期間趨于平穩(wěn)；中微量元素和重金屬含量數(shù)值分布在合理范圍；pH下降0.3個單位；耕層厚度為21.9 cm，容重為1.33 g·cm-3，均屬于中等水平。（2）褐土區(qū)施肥量，2018年總量為730.2 kg·hm-2，肥料氮（N）磷（P2O5）鉀（K2O）的比例約為2﹕1﹕1，化肥與有機肥的比例約為3.45﹕1；氮肥用量378.9 kg·hm-2，監(jiān)測期間趨于平穩(wěn)，磷肥和鉀肥用量監(jiān)測期內(nèi)呈下降趨勢，分別降低24.1%和50.8%。（3）31年間褐土區(qū)小麥產(chǎn)量呈上升趨勢，監(jiān)測末期達到6 651 kg·hm-2，比初期提高27.6%；玉米產(chǎn)量較為平穩(wěn)，監(jiān)測末期達到8 851 kg·hm-2，監(jiān)測中期和末期均與初期無顯著性差異。小麥季和玉米季的地力貢獻率分別為49.0%和59.6%；對產(chǎn)量的影響，物理指標中耕層厚度（對小麥產(chǎn)量的解釋率，2.7%）和容重（對小麥和玉米產(chǎn)量的解釋率分別為1.2%和1.5%）的作用較大；化學指標中有機質(zhì)對小麥、玉米產(chǎn)量的解釋率均較高，分別為2%和1.7%，有效磷對玉米產(chǎn)量的解釋率也較高（3.6%）；肥料用量指標中，鉀肥對小麥、玉米產(chǎn)量的解釋率均最高，分別為5.6%和6%，其次，磷肥對小麥產(chǎn)量（1.3%）、氮肥對玉米產(chǎn)量（1.3%）的解釋率也較高?！窘Y(jié)論】31年間褐土的耕地質(zhì)量得到提升，但是總體肥力偏低，物理指標處于中等水平?？紤]耕地質(zhì)量對生產(chǎn)力影響的基礎上，對于小麥和玉米，需要制定不同的施肥方案，均需提高鉀肥的投入，且重點保障小麥的磷肥和玉米的氮肥供應；對于物理指標需要引起高度關注，耕層和容重處于中等水平，但不需要繼續(xù)優(yōu)化，維持現(xiàn)狀更利于獲得高產(chǎn)。

褐土；耕地質(zhì)量；物理指標；化學指標；作物產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】耕地是糧食生產(chǎn)的載體，耕地質(zhì)量是保障國家糧食安全及社會可持續(xù)發(fā)展的關鍵[1-2]。褐土為我國重要的土壤類型之一，面積2 516萬hm2，在山西、河北、河南、甘肅、山東、陜西、四川、遼寧、北京等省市區(qū)均有分布，其中山西省分布面積最大。褐土區(qū)是我國糧食作物小麥和玉米的主產(chǎn)區(qū)，因此褐土的耕地質(zhì)量是影響我國的糧食安全和科學施肥的重要因素[3-4]?！厩叭搜芯窟M展】20世紀90年代以來，我國的化肥用量大幅提高，作物產(chǎn)量得以穩(wěn)步提升[5-7]，對我國的糧食安全起到保障作用，然而肥料的長期過量施用，不僅造成產(chǎn)量的穩(wěn)定性降低[8]和肥料利用率下降[9]，也引發(fā)了一系列的環(huán)境問題[10]。有預測表明，到2030年，中國實現(xiàn)糧食自給，糧食產(chǎn)量至少要比2011年增長35.8%[7]。一方面是糧食產(chǎn)量的需求，另一方面是“化肥零增長”的要求，因此摸清耕地質(zhì)量的演變及現(xiàn)狀迫在眉睫，這是科學施肥的基礎，同時科學施肥又能促進耕地質(zhì)量的提升。土壤耕地質(zhì)量的研究多采用長期定位試驗的方式，有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和pH是受關注最多的幾個指標[3-4,11-16]，作物高產(chǎn)不僅需要土壤養(yǎng)分的供給，還需要水、氣、熱相協(xié)調(diào)的物理環(huán)境，因此土壤的物理性質(zhì)也是耕地質(zhì)量的一個重要組成部分[2,17]，但長期試驗中物理指標與化學指標相結(jié)合的研究較少。土壤容重是土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性及保水能力的綜合反映[18-19]，容重增大會增加根系生長的阻力，降低根系生長速率，降低產(chǎn)量[20-21]；合理的耕層厚度可以通過改善土壤結(jié)構(gòu)、提高作物水分利用效率、提高根系活力、葉面積指數(shù)，提高產(chǎn)量[22-23]。但是物理性質(zhì)受土壤類型、氣候、耕作方式、施肥等多個因素的影響，沒有公認的標準[17]。【本研究切入點】以往耕地質(zhì)量的長期定位試驗研究多集中在對化學性質(zhì)的分析，對物理性質(zhì)的研究不多，且物理性質(zhì)的研究多為短期內(nèi)對作物產(chǎn)量的影響；理化性質(zhì)對產(chǎn)量的綜合影響缺乏長期定位試驗的數(shù)據(jù)支持。本文在褐土長期定位試驗的基礎上，采用理化性質(zhì)相結(jié)合的方式——化學指標在常規(guī)指標基礎上增加了中微量元素和重金屬含量，物理指標選擇了容重和耕層厚度，對褐土的耕地質(zhì)量做一個更為全面的評估?！緮M解決的關鍵問題】在對褐土耕地質(zhì)量較為全面評估的基礎上，結(jié)合多年來農(nóng)民習慣施肥，對褐土區(qū)影響產(chǎn)量的因素進行綜合比較，從而為褐土區(qū)科學施肥工作提供更有力的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點概況

褐土國家級耕地質(zhì)量長期定位監(jiān)測點按照褐土的主要分布區(qū)域進行布局，主要分布在華北區(qū)域，東北、西南等地區(qū)也有少量分布。前三批集中建點時間分別在1988年、1997年和1998年，建點44個，各站點的基本信息如表1所示。之后監(jiān)測點增加，2018年達到290個，從監(jiān)測點監(jiān)測指標的完整性角度進行篩選，篩選出103個點。有的監(jiān)測點屬于一年一熟制，只有小麥的產(chǎn)量，多數(shù)為小麥和玉米一年兩熟制，也有少數(shù)監(jiān)測點種植有其他作物。

表1 各站點的基本信息

1.2 試驗處理

設空白區(qū)和常規(guī)施肥區(qū)，無重復。空白區(qū)處理除不施肥外，其他管理同常規(guī)施肥區(qū)，常規(guī)施肥區(qū)的施肥量同文獻[4]，即小麥季施化肥氮（N）180—250 kg·hm-2，化肥磷（P2O5）120 —150 kg·hm-2，化肥鉀（K2O）27—50 kg·hm-2；有機肥氮（N）0—455 kg·hm-2（均值72 kg·hm-2）、有機肥磷（P2O5）0—556 kg·hm-2（均值54 kg·hm-2）、有機肥鉀（K2O）0—1 335 kg·hm-2（均值130 kg·hm-2）；玉米季施化肥氮（N）95—270 kg·hm-2、化肥磷（P2O5）40—120 kg·hm-2、化肥鉀（K2O）19—38 kg·hm-2；有機肥氮（N）0—239 kg·hm-2（均值27 kg·hm-2）、有機肥磷（P2O5）0—309 kg·hm-2（均值15 kg·hm-2）、有機肥鉀（K2O）0—476 kg·hm-2（均值47 kg·hm-2）每個監(jiān)測點的小區(qū)面積不小于334 m2。所有監(jiān)測點均詳細記錄作物種類、肥料種類、施肥量、肥料養(yǎng)分含量、田間管理情況等信息，收獲期分別測定各小區(qū)的產(chǎn)量。小麥季秸稈還田。收獲期分別測定各小區(qū)的產(chǎn)量，采用實打?qū)嵤蘸碗S機取樣脫粒測產(chǎn)。各處理于每年秋季采取耕層（0—20 cm）土壤，采樣后送相應省級土壤測試中心進行測定。土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀含量和pH的監(jiān)測始于1988年，土壤容重和耕層厚度的監(jiān)測始于2015年，土壤的中微量元素（鈣、鐵、硫、銅、鋅、鎂、硅、錳、硼、鉬）和重金屬元素（鎘、鉻、鉛、汞、砷）僅在2016年進行了測定。

土壤樣品取自施肥區(qū)，肥力指標的測定采用常規(guī)方法[24]：有機質(zhì)用重鉻酸鉀滴定法，全氮用硫酸-硫酸鉀-硫酸銅消煮-蒸餾滴定法，堿解氮用擴散法，有效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀用醋酸銨浸提-火焰光度計法，緩效鉀用硝酸浸提-火焰光度計法，pH用電位法（水土比2.5﹕1）。土壤容重用環(huán)刀法，耕層厚度為旋耕深度。有效鐵、錳、銅、鋅用DTPA浸提-原子吸收分光光度法，有效硫采用硫酸鋇比蝕法，鈣和鎂離子用EDTA滴定法，有效硅用硅鉬藍比色法，有效硼用分光光度法測定，有效鉬用極譜儀測定法。重金屬元素鎘、鉻、鉛用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定，汞和砷用原子熒光儀測定。

1.3 統(tǒng)計分析方法

基礎地力貢獻率=不施肥處理作物產(chǎn)量/常規(guī)施肥處理作物產(chǎn)量×100%[4]。

運用SPSS 22進行相關性分析及單因素ANOVA分析（Duncan），運用 Origin8.5作柱狀圖和箱式圖，運用R語言進行冗余分析。

2 結(jié)果

2.1 褐土耕地質(zhì)量的演變及現(xiàn)狀

2.1.1 土壤化學指標 2018年褐土監(jiān)測點的有機質(zhì)均值為17.9 g·kg-1，其中分布在10.0—20.0 g·kg-1區(qū)間的監(jiān)測點最多，占62.9%，其次是20.0—30.0 g·kg-1區(qū)間，占29.5%（圖1-A）。監(jiān)測的31年間（1988—2018），褐土區(qū)土壤有機質(zhì)含量呈上升趨勢（圖1-B）。1994—1998年為第一個顯著的上升階段，較監(jiān)測初期（1988—1993年）提高15.9%，之后趨于平穩(wěn)；2009年后又顯著提高，2014—2018年達到17.8 g·kg-1，比監(jiān)測初期（1988—1993年）提高21.2%。

2018年褐土監(jiān)測點的全氮均值為1.1 g·kg-1，1.0—1.5 g·kg-1區(qū)間的監(jiān)測點62個，占監(jiān)測點總數(shù)的52.1%；其次是0.75—1 g·kg-1區(qū)間，35個，占29.4%。這兩個區(qū)間的數(shù)量達到總監(jiān)測點數(shù)的81.5%（圖1-A）。31年間，褐土監(jiān)測點土壤全氮含量變化不大，基本穩(wěn)定在1.0 g·kg-1左右（圖1-B）。

2018年褐土監(jiān)測點的有效磷均值為29.2 mg·kg-1，10.0—20.0 mg·kg-1區(qū)間監(jiān)測點最多，占監(jiān)測點總數(shù)的35.6%；其次是低于10.0 mg·kg-1的區(qū)間，占20.2%；其余幾個區(qū)間數(shù)量接近，占11.5%—17.3%（圖1-A）。監(jiān)測31年間，褐土監(jiān)測點土壤有效磷含量處于緩慢上升趨勢（圖1-B），1999年之后顯著高于監(jiān)測初期（1988—1993年），提高了133.1%，但是1999之后的4個階段無顯著性差異，2014—2018年褐土監(jiān)測點有效磷含量較監(jiān)測初期（1988—1993年）提高200.9%。

2018年褐土監(jiān)測點的速效鉀均值為164 mg·kg-1，100—150 mg·kg-1區(qū)間的監(jiān)測點數(shù)最多，占監(jiān)測點總數(shù)的32.4%；<50 mg·kg-1的監(jiān)測點數(shù)為0；其余幾個區(qū)間監(jiān)測點數(shù)量接近，比例分布在19.0%—27.6%（圖1-A）。監(jiān)測的31年間，褐土速效鉀含量呈上升趨勢（圖1-B），從監(jiān)測初期102.9 mg·kg-1上升至159. 4 mg·kg-1，提高了55.0%。

2018年褐土監(jiān)測點土壤緩效鉀平均含量945 mg·kg-1，40.0%的監(jiān)測點分布在>1 000 mg·kg-1的區(qū)間，其次是800—1 000 mg·kg-1區(qū)間，占28.6%（圖1-A）。監(jiān)測26年間（1988—1993年無數(shù)據(jù)），褐土監(jiān)測點土壤緩效鉀含量變化幅度不大（圖1-B），主要分布在818—923 mg·kg-1。

2018年，褐土監(jiān)測點土壤pH在5.3—8.9之間，其中7.5—8.5區(qū)間的監(jiān)測點最多，占監(jiān)測點總數(shù)的73.3%（圖1-A）。監(jiān)測31年間，褐土的pH呈現(xiàn)小幅波動，總體下降的趨勢。1999—2003和2009—2013年兩個階段出現(xiàn)顯著下降，監(jiān)測末期（2014—2018年）比監(jiān)測初期（1988—1993年）下降了0.3個單位（圖1-B）。

2.1.2 土壤物理指標 耕層厚度和容重（表2）由于監(jiān)測時間短，變化趨勢不明顯。2015—2018年耕層厚度的均值為21.9 cm，屬于3級（中）分類級別；容重的均值為1.33 g·cm-3，屬于3級（中）分類級別[25]。

2.1.3 土壤的中微量元素和重金屬元素含量 由表3可見，褐土區(qū)2016年土壤的鈣、鐵、硫、銅、鋅含量豐富，鎂、硅、錳、硼、鉬含量適中[26]；重金屬含量均值在限量范圍內(nèi)，但是點位之間的數(shù)值差異較大，鎘的最大值超標28.3%，砷的最大值超標28.8%[27]，需要對超標的監(jiān)測點進行重點關注。

2.2 褐土區(qū)施肥量的演變及現(xiàn)狀

2018年褐土區(qū)化肥氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）與有機氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的投入量（kg·hm-2）如圖2所示。肥料的總投入量為730.2 kg·hm-2，氮（N）磷（P2O5）鉀（K2O）比例約為2﹕1﹕1，化肥與有機肥的比例約為3.45﹕1。

箱式圖內(nèi)，中間實線代表中位數(shù)，空心圓圈代表平均值，箱子下邊緣線和上邊緣線分別代表下四分位數(shù)和上四分位數(shù)，星號代表異常值。不同小寫字母表示不同監(jiān)測時期差異顯著（<0.05）。下同。A列為各肥力指標2018年的現(xiàn)狀，即各區(qū)間監(jiān)測點的比例，B列為各肥力指標的演變

Solid line in box represents the median, the hollow circle represents the average value, the bottom edge line and the upper edge line represent the lower quartile and the upper quartile respectively, and the asterisk represents the abnormal value. Lowercase indicates the difference significance among different monitoring periods at the 0.05 level. The following is the same as this. A is listed as the present situation of each fertility index in 2018, which is the proportion of monitoring points in each interval, and B is listed as the evolution of each fertility index

圖1 常規(guī)肥力指標的現(xiàn)狀及演變

Fig. 1 Content and evolution of conventional fertility indexes

表2 褐土物理性質(zhì)（2015—2018）

表3 褐土的中微量元素及重金屬含量（2016）

C-N：化肥氮，C-P：化肥磷，C-K：化肥鉀，O-N：有機肥氮，O-P：有機肥磷，O-K：有機肥鉀

監(jiān)測期間氮、磷、鉀肥料的施用量，如圖3所示。氮肥總量基本穩(wěn)定，各階段無顯著性差異，均值為378.9 kg·hm-2；磷肥總量，前期較為平穩(wěn)，2009年開始顯著下降，監(jiān)測末期（2014—2018年）比初期（1988—1993年）降低24.1%；鉀肥總量也呈下降趨勢，從1994年開始顯著下降，之后趨于穩(wěn)定，1994—2018年的均值為183.7 kg·hm-2，僅為監(jiān)測初期（1988—1993年）的50.8%。在施肥總量中，氮肥所占比例最高，顯著高于磷肥和鉀肥，磷肥和鉀肥所占的比例相近。監(jiān)測期內(nèi)，氮肥占的比例在初期最低（圖3），為42.9%，之后顯著提高，最高的階段2009—2013年比初期提高29.8%。磷肥占的比例，1988—2008年間各階段無顯著性差異，2009年后有降低趨勢，且比1999—2003年數(shù)值顯著降低21.5%。鉀肥占的比例，初期1988—1993年最高，達到29.2%，之后顯著降低，1994—2018年數(shù)值較為穩(wěn)定，均值為20.3%。

圖3 褐土區(qū)氮、磷、鉀肥料的用量及占比

2.3 褐土區(qū)生產(chǎn)力的演變及影響因素

2.3.1 生產(chǎn)力演變 小麥的產(chǎn)量在監(jiān)測期內(nèi)逐漸升高（圖4），2014—2018年產(chǎn)量為6 651 kg·hm-2。1999年后的4個階段顯著高于監(jiān)測初期（1988—1993年），分別比監(jiān)測初期高18.7%、20.1%、26.0%和27.6%，但是4個階段之間差異不顯著（<0.05）。

玉米的產(chǎn)量在監(jiān)測期內(nèi)較為平穩(wěn)（圖4）。監(jiān)測末期（2014—2018年）產(chǎn)量達到8 851 kg·hm-2，顯著高于監(jiān)測中期的3個階段（1994—1998、1999—2003、2004—2008年），分別提高26.2%、23.2%和14.0%，但是監(jiān)測中期和監(jiān)測末期均與初期無顯著性差異（<0.05）。玉米產(chǎn)量較為平穩(wěn)的原因可能是玉米季施肥量低，從前文[4]可知，玉米季肥料的投入以低量的化肥為主，有機肥氮、磷、鉀肥的投入為0的點位分別占61.8%、62.5%和62.8%，而且玉米季高溫、多雨，肥料的轉(zhuǎn)化和淋溶快。

圖4 褐土區(qū)長期施肥下小麥、玉米的產(chǎn)量變化

2.3.2 褐土的基礎地力貢獻率 由圖5可見，監(jiān)測31年間，褐土基礎地力對小麥和玉米產(chǎn)量的貢獻率分別為49.0%（n=334，<0.01）和59.6%（n= 505，<0.01），表明褐土基礎地力對玉米產(chǎn)量的貢獻率高于小麥，即外源肥料投入下小麥增產(chǎn)效應優(yōu)于玉米。

圖5 土壤地力對產(chǎn)量的影響

2.3.3 生產(chǎn)力的影響因素分析 土壤理化性質(zhì)、施肥量與生產(chǎn)力的關系如圖6所示，前三軸的貢獻率達到78.4%（n=150）。與小麥產(chǎn)量正相關的指標依次是氮肥用量、鉀肥用量、土壤有機質(zhì)含量、磷肥用量、容重；耕層厚度與小麥產(chǎn)量負相關；解釋率由大到小依次是鉀肥用量（5.6%）、耕層厚度（2.7%）、有機質(zhì)（2.0%）、磷肥用量（1.3%）、容重（1.2%）。與玉米產(chǎn)量正相關指標依次是磷肥用量、緩效鉀、氮肥用量、鉀肥用量；容重和耕層厚度與玉米產(chǎn)量負相關；解釋率由大到小依次是鉀肥用量（6.0%）、有效磷（3.6%）、有機質(zhì)（1.7%）、容重（1.5%）、氮肥用量（1.3%）。由此可見，褐土區(qū)，耕層厚度和容重對產(chǎn)量的解釋率均較高；有機質(zhì)對兩種作物的產(chǎn)量解釋率均較高，有效磷對玉米產(chǎn)量的解釋率也較高，超過了有機質(zhì)的解釋率；鉀肥用量對兩種作物的解釋率均最高，此外，磷肥用量對小麥產(chǎn)量、氮肥用量對玉米產(chǎn)量的解釋率也較高。

NF：氮肥用量，PF：磷肥用量，KF：鉀肥用量，TST：土壤耕層厚度，BD：土壤容重，pH：土壤酸堿度，SOM：土壤有機質(zhì)，Olsen-P：土壤有效磷，AK：土壤速效鉀，SAK ：土壤緩效鉀。數(shù)字1代表小麥產(chǎn)量的影響因素，數(shù)字2代表玉米產(chǎn)量的影響因素

3 討論

3.1 褐土區(qū)耕地質(zhì)量的演變及現(xiàn)狀

施肥是提高土壤質(zhì)量的重要措施。例如長期施肥提升了紅壤的有機碳，有效磷，交換性鈣、鎂，有效銅、鋅含量[28]；提升了黃壤的綜合肥力（pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀）[29]；提高了潮褐土0—20 cm土層的有機質(zhì)含量[30]和全氮含量[31]。

本文分析了31年間農(nóng)民習慣施肥對褐土耕地質(zhì)量的影響，常規(guī)肥力指標得到了提升，與田有國[3]、趙秀娟等[11]的結(jié)論相同，與其他類型土壤上的結(jié)論相似[28-31]。褐土耕地質(zhì)量的提升與20世紀80年代氮肥用量增加、90年代以來化肥用量進一步增加密不可分，并且秸稈還田也是一個重要因素。有研究發(fā)現(xiàn)，增加秸稈還田可以提高0—40 cm土層有機碳（SOC）的含量[32]。盡管監(jiān)測期間褐土耕地質(zhì)量得到了提升，但是整體肥力依然偏低（圖1-A），這可能與多年來褐土區(qū)有機肥的投入量下降有關[4]，需要高度關注。pH值在監(jiān)測期（1988—2018年）內(nèi)降低了0.3個單位，與趙秀娟[11]的結(jié)論相近。pH的降低可能是因為肥料投入中，氮肥的比例有所升高，磷、鉀肥的比例有所降低（圖3）。土壤pH的變化是一個緩慢的過程，監(jiān)測時間越長，趨勢越明顯，因此該項監(jiān)測需要持續(xù)開展。但是褐土區(qū)土壤pH的降低能夠提高磷和多種微量元素的有效性，因此，如何評價pH降低的影響，有待深入研究。褐土區(qū)的中微量元素尚未出現(xiàn)缺乏現(xiàn)象，可能與褐土區(qū)的土質(zhì)及pH的降低有關；5種重金屬均值未超出農(nóng)田重金屬含量標準，但是超標的點位仍需要跟蹤和關注。褐土的物理性質(zhì)屬于3級（中）水平，即耕層厚度偏低、容重偏高，這對作物的生長不利。

地力貢獻率又稱為地力貢獻系數(shù)，是土壤自身生產(chǎn)力和養(yǎng)分供給能力的重要體現(xiàn)，也是耕地質(zhì)量的體現(xiàn)，受地域[33]、土壤基礎性質(zhì)[34]及施肥[35]的影響。地力貢獻率與產(chǎn)量的穩(wěn)定性有關，地力貢獻率越高，產(chǎn)量穩(wěn)定性越好，地力貢獻率與產(chǎn)量變異系數(shù)呈顯著負相關[13]。地力貢獻率因作物而異，小麥季和玉米季的地力貢獻率分別為49.0%和59.6%，與陳延華等[4]的結(jié)果相近。與徐明崗等[36]提出的中國長期施肥基礎地力貢獻率逐年下降的結(jié)論不同，可能是由于褐土區(qū)氮沉降量大[37]、灌溉水中養(yǎng)分含量升高[38]等，也可能是由于本文的不施肥處理為每年不施肥，所以計算數(shù)值高于實際數(shù)值，即地力貢獻率被高估了，有待進一步驗證。褐土區(qū)玉米季的地力貢獻率高于小麥季，與黃壤區(qū)的59%接近，可能褐土與黃壤的綜合肥力相近，且玉米產(chǎn)量對土壤基礎地力的依賴程度較大[39]。即使對于同一種作物，地力貢獻率也因作物類型而異，例如，水稻多年（＞20年）種植下，早稻、晚稻和單季稻的地力貢獻率分別為 55.1% 、67.1% 和 54.9%[13]。

耕地質(zhì)量是土壤理化性質(zhì)、生物性質(zhì)等多方面的綜合體現(xiàn)[2]?；瘜W指標在監(jiān)測之初便進行了設定；物理指標的設置始于2015年，物理性質(zhì)短期內(nèi)趨勢不明顯，因此需要開展長期監(jiān)測，而且需要繼續(xù)完善，例如有效含水量、黏粒含量等[40]；生物指標也需要進一步補充。

3.2 褐土區(qū)產(chǎn)量的影響因素分析

本文分析了理化性質(zhì)和施肥量等10個影響因素與產(chǎn)量的關系。土壤物理指標中容重和耕層厚度的解釋率均較高。兩種作物的產(chǎn)量與容重的關系不同：小麥產(chǎn)量與容重正相關，可能盡管容重的增加會通過限制根系的生長影響產(chǎn)量[20-21]，但小麥生長季（10月至次年6月）內(nèi)提高土壤的保水、保肥、保溫作用[17-18]對于高產(chǎn)更為關鍵；玉米產(chǎn)量與容重負相關，可能因為玉米季（6—9月）與雨季（7—9月）重合，降雨充足（年降雨500—700 mm），溫度高，因此對保水、保肥和保溫的需求弱，容重的增加對根系生長的抑制作用更加明顯，從而降低產(chǎn)量，與韓成衛(wèi)等[21]和鄭存德[17]的結(jié)論相同。耕層厚度增加，意味著疏松土壤的厚度增加，對于小麥季土壤的保水、保肥和保溫不利，對玉米季影響不大，所以耕層厚度對小麥產(chǎn)量負相關，對玉米產(chǎn)量影響不大，與高建勝等[22]和王育紅等[23]的結(jié)論吻合?；瘜W指標中有機質(zhì)對兩種作物的產(chǎn)量解釋率均較高，與康日峰等[41]、陳延華等[4]的結(jié)論相同。土壤有效磷對玉米產(chǎn)量的解釋率高于有機質(zhì)，可能因為玉米對于有效磷的供應更為敏感，有待進一步驗證。鉀肥用量對兩種作物的解釋率均最高，可能與褐土區(qū)速效鉀含量偏低有關，盡管均值達到中等含量級別，但是分布在低含量（100—150 mg·kg-1）區(qū)間的比例最高（圖1-A）。此外，磷肥用量對小麥產(chǎn)量、氮肥用量對玉米產(chǎn)量的解釋率也較高，可能因為磷肥對小麥、玉米產(chǎn)量影響最關鍵的時期是苗期，苗期磷肥供應充足，是作物獲得高產(chǎn)的一個必要條件，小麥的苗期處于冬季，氣溫偏低，加上褐土區(qū)磷肥利用率不高，所以底肥中磷肥用量對于小麥產(chǎn)量的保障更加重要；玉米季溫度高，玉米對肥料的吸收利用率高，氮肥的增產(chǎn)作用更為突出。

3.3 褐土的科學施肥建議

（1）對于褐土區(qū)兩種主要作物小麥和玉米，分別制定不同的施肥方案，即對于小麥，提高鉀肥投入，保障磷肥供應；對于玉米，提高鉀肥投入，保障氮肥供應。鉀肥對于兩種作物產(chǎn)量的保障都是首要因素，因此鉀肥的充足供應需要引起重視。鉀肥的施用和/或秸稈還田能夠減輕土壤鉀的消耗，提高土壤鉀的供應能力[32]。李昊昱等[42]研究發(fā)現(xiàn)，雙季秸稈還田處理對提高小麥-玉米周年產(chǎn)量效果最好，兩個周年平均增產(chǎn)達 14.3%。除了秸稈還田，各地應因地制宜廣辟肥源，在提高鉀供應的同時，做到用地與養(yǎng)地相結(jié)合，提高農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用。對于玉米，除了鉀肥，氮肥的用量需要重點保障。對于小麥，除了鉀肥，磷肥的供應十分關鍵，但是磷肥的應用，并非單純地增加用量。近年來，隨著磷肥用量的增加，全球農(nóng)田土壤磷含量普遍上升2—19倍[43-44]，我國農(nóng)田土壤有效磷以11%的速度累積，累積速度高于世界均值[45]。設施菜田、露地和大田的土壤有效磷均值分別為179、100和34 mg·kg-1[46]，當表層土壤有效磷超過環(huán)境閾值（60—80 mg·kg-1）時，會增加水體富營養(yǎng)化的風險，當土壤有效磷超過農(nóng)學閾值時，作物產(chǎn)量不再增加[47-48]，且閾值受作物類型、土壤類型、pH和有機質(zhì)含量的影響顯著[48]。WU等[47]指出褐土區(qū)玉米和小麥Olsen-P的農(nóng)學閾值分別為14.2 mg·kg-1和14.4 mg·kg-1；給出未來5年磷肥用量（P）應控制在0—87.5 kg·hm-2的施肥建議。本文2018年褐土監(jiān)測點的有效磷含量均值為29.2 mg·kg-1，超過了農(nóng)學閾值；但是分布在10—20 mg·kg-1區(qū)間監(jiān)測點最多，占35.6%；其次是<10 mg·kg-1的區(qū)間，占20.2%，由此可見，褐土區(qū)監(jiān)測點之間有效磷含量的差異需要引起重視，不能一概而論，對于超過農(nóng)學閾值的監(jiān)測點進行控磷，對于未達到農(nóng)學閾值的監(jiān)測點科學施用磷肥。

（2）重視物理指標的指示作用。肥效的發(fā)揮，不僅取決于投入肥料的合理配比、合理用量，還受土壤物理性質(zhì)的影響，例如耕層厚度、容重等。褐土區(qū)耕層厚度均值21.9 cm，與鄭存德[17]提出的適宜的玉米耕層厚度為20—30 cm相吻合；與高建勝等[22]提出的耕層厚度25 cm（與15 cm、20 cm和40 cm進行比較）更有利于小麥產(chǎn)量的提高的結(jié)論相似，即并非耕層厚度越高，產(chǎn)量越高。褐土區(qū)容重的均值為1.33g·cm-3，容重與玉米產(chǎn)量的負相關性與鄭存德[17]的結(jié)論相同，研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量>11 250 kg·hm-2的玉米田，容重為1.30— 1.33 g·cm-3；產(chǎn)量6 750—11 250 kg·hm-2的玉米田，容重為1.33—1.38 g·cm-3。物理性質(zhì)是土農(nóng)田管理措施的綜合體現(xiàn)，受多因素影響，例如氣候、耕作方式、灌溉、施肥等。對于褐土區(qū)，容重并非越小越高產(chǎn)，耕層厚度并非越深越高產(chǎn)，保持現(xiàn)狀對于獲得高產(chǎn)更有利，相關研究有待進一步開展。

4 結(jié)論

4.1 長期施肥下，我國褐土耕地質(zhì)量得到提升，但是總體肥力偏低。化學性質(zhì)中有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量呈升高趨勢，全氮和緩效鉀含量趨于穩(wěn)定，pH有降低趨勢；中微量元素未出現(xiàn)缺乏，重金屬未出現(xiàn)超標；土壤容重和耕層厚度均屬于中等水平。

4.2 影響我國褐土區(qū)生產(chǎn)力的物理因素中，耕層厚度和容重的解釋率均較高；化學因素中有機質(zhì)的解釋率均較高，有效磷對玉米產(chǎn)量的解釋率較高；肥料用量因素中，鉀肥用量解釋率最高。此外，磷肥用量對小麥產(chǎn)量、氮肥用量對玉米產(chǎn)量的解釋率也較高。

4.3 在科學施肥方面，對于褐土區(qū)兩種主要作物小麥和玉米，均需提高鉀肥投入，此外還要保障小麥的磷肥供應和玉米的氮肥供應；重視土壤的物理性質(zhì)，容重和耕層厚度保持現(xiàn)狀更利于獲得高產(chǎn)。

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Quality Change of Cinnamon Soil Cultivated Land and Its Effect on Soil Productivity

CHEN YanHua1,2, WANG Le1, ZHANG ShuXiang1, GUO Ning3, MA ChangBao4, LI ChunHua1, XU MingGang1, ZOU GuoYuan2

(1Institute of Agricultural Resource and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2Institute of Plant Nutrition and Resources, Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Beijing 100097;3Beijing Soil Fertilizer Extension Service Station, Beijing 100029;4Center of Arable Land Quality Monitoring and Protection, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125)

【Objective】The quality of cultivated land is a key factor affecting soil productivity, which serves also as scientific basis for rational fertilization. Cinnamon soil is the main soil type at the production area of wheat and corn in China. This study examined the current status of cultivated land quality and the evolution characteristics of cinnamon soil during the past 31 years (1988-2018). Though considering the evolution of fertilizer application rate, their influence on productivity was studied, and the guidance for reducing fertilizer input and increasing efficiency in cinnamon soil area was proposed.【Method】Using the data of 103 long-term (31 years) location test points in China, the evolution of cinnamon soil cultivated land quality was analyzed by combining physical and chemical indexes. The factors influencing the yield were compared through the redundancy analysis (RDA). Based on these results, reasonable suggestions were put forward to reduce fertilizer input and increase efficiency in cinnamon soil area.【Result】(1) The present situation and evolution of soil physical and chemical properties in cinnamon soil area were shown in the study. Specifically, the average values of organic matter content, available phosphorus and available potassium in 2018 were 17.9 g·kg-1, 29.2 mg·kg-1-and 164 mg·kg-1, respectively, which represented an increase of 21.2%, 200.9% and 52.0% during 31years, respectively. The average values of total nitrogen and slow available potassium in 2018 were 1.1 g·kg-1and 945 mg·kg-1, respectively, which remained relatively stable during the monitoring period. The contents of soil secondary elements and micronutrient elements and heavy metals were in an acceptable range. The pH was reduced by 0.3 unit. Topsoil thickness was 21.9 cm and bulk density was 1.33 g·cm-3, which belonged to the middle level. (2) The fertilizer application rate in cinnamon soil area was 730.2 kg·hm-2in 2018. The proportion of N (N):P (P2O5):K (K2O) was about 2:1:1, and the proportion of chemical fertilizer to organic fertilizer was about 3.45:1. The nitrogen fertilizer application rate was 378.9 kg·hm-2, which was stable during the past 31 years. The application rate of phosphate and potassium fertilizer decreased by 24.1% and 50.8%, respectively. (3) The wheat yield showed an upward trend during 31 years, and the maximum reached 6 651 kg·hm-2at the end of monitoring, which was 27.6% higher than the value at the initial stage. The corn yield was stable, reaching 8 851 kg·hm-2at the end of monitoring. The contribution rate of soil fertility in wheat season and corn season was 49.0% and 59.6%, respectively. The yield was influenced by soil physical factors, including the thickness of plough layer (which could explain the wheat production for 2.7%, denoted as explanation rate), bulk density (explanation rates of wheat and corn productions for 1.2% and 1.5%, respectively) and chemical index, such as organic matter explanation rates of wheat and corn productions for 2% and 1.7%, respectively, and available phosphorus (explanation rate of corn for 3.6%). Theexplanation rates of potassium fertilizer were the highest for wheat and corn productions, which reached 5.6% and 6%, respectively. The explanation rates of phosphorus fertilizer for wheat yield (1.3%) and of nitrogen fertilizer for corn yield (1.3%) were also relatively high.【Conclusion】The cultivated land quality in cinnamon soil area has been improved in 31 years, but the overall fertility was low and the physical properties were in middle level. Considering the impact of land quality on productivity, different fertilization schemes needed to be formulated for wheat and corn. Both of which needed to increase the input of potassium fertilizers, and focused on ensuring the supply of phosphorus fertilizers for wheat and nitrogen fertilizers for corn. Physical indicators needed to be highly concerned. The topsoil thickness and bulk density were at a medium level, but there was no need to continue to optimize, and maintaining the status quo was more conductive to obtaining high yield.

cinnamon soil; cultivated land quality; soil physical properties; soil chemical properties; crop yield

2019-07-20；

2019-11-06

國家重點研發(fā)計劃（2017YFC0503805）、國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503120）、北京市農(nóng)林科學院創(chuàng)新能力建設項目（KJCX20170416）

陳延華，E-mail：yhchen55@126.com。通信作者張淑香，E-mail：zhangshuxiang@caas.cn；通信作者李春花，E-mail：lichunhua@caas.cn

（責任編輯 李云霞）