26年來東北黑土區土壤養分演變特征

康日峰，任　意，吳會軍，張淑香

（1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2全國農業技術推廣服務中心，北京100026）

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26年來東北黑土區土壤養分演變特征

康日峰1，任意2，吳會軍1，張淑香1

（1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2全國農業技術推廣服務中心，北京100026）

摘要：【目的】東北黑土區土壤肥沃，是中國重要的糧食主產區之一。對東北黑土區20世紀80年代以來國家級耕地質量長期監測數據進行整理和分析，以明確中國東北黑土區農業生產實踐中土壤養分狀況和肥力水平，為農田土壤培肥提供科學指導依據。【方法】利用時間趨勢分析法探討17個國家級黑土耕地質量長期監測點26年來土壤養分隨時間的變化趨勢，分別總結土壤有機質（SOM）、全氮（TN）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）含量在監測初期（1988—1997年）、監測中期（1998—2003年）和監測后期（2004—2013年）的變化規律及其總體變化趨勢；在分析土壤全氮和有機碳含量變化特征以及碳氮比（C/N）演變規律的基礎上，進一步分析碳和氮之間的養分平衡關系；運用主成分分析方法分析不同監測時期上述5大肥力指標對黑土區土壤綜合肥力的影響，得出該區綜合肥力主要貢獻因子，并分別計算3個不同監測時期黑土區土壤綜合肥力屬性得分。【結果】黑土區農田土壤經過10—26年的演變，土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量整體呈上升趨勢。與監測初期相比，監測后期土壤養分含量均顯著提高（P＜0.05），土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀分別提高了33.9％、43.9％、27.6％、90.3％和11.8％，有效磷提升效果最為顯著。進一步分析土壤有效磷含量發現，監測后期71.4％的監測點土壤有效磷含量維持在15.0—50.0 mg·kg-1，既能滿足作物生長需求，又不至于引發地下水環境污染，而28.6％的監測點土壤有效磷含量已超過50.0 mg·kg-1的環境閾值，應及時控制磷素的輸入。分析主要肥力因素有機碳和全氮之間的關系表明，黑土區土壤C/N略有下降趨勢，從1988年的10.3降至2013年的9.6，下降了6.8％。黑土區5個肥力指標得分系數由大到小的順序為：SOM＞TN＞AN＞AP＞AK，說明黑土區土壤有機質和全氮是影響土壤綜合肥力的關鍵因素；監測初期和監測中期土壤綜合肥力屬性得分平均值分別為-1.099和-0.541，而監測后期土壤綜合肥力屬性的得分增加到了 0.5888，監測后期土壤綜合肥力得到顯著提升。【結論】在農民常規施肥條件下，經過10—26年的長期耕作，黑土區土壤肥力在監測后期得到顯著改善，但28.6％的監測點應注意控制磷肥用量，以免引起水體污染；而監測區黑土C/N呈逐年下降趨勢，應該加大有機物料的投入，以維持土壤碳氮的養分平衡。

關鍵詞：黑土；常規施肥；長期監測；有效磷；碳氮比

聯系方式：康日峰，E-mail：jamesrfk@sina.com。通信作者張淑香，Tel：010-82106202；E-mail：zhangshuxiang@caas.cn

0 引言

【研究意義】東北黑土區耕地面積約3 200萬hm2，土壤養分含量豐富，物理性質良好，適宜農業耕作，是中國最重要的糧食生產優勢區和最大的商品糧供給基地。2013年，東北黑土區糧食產量高達1 302.50 億kg［1］。農業發展實踐證明，土壤肥力水平的高低以及肥料的合理使用是糧食持續增產的關鍵因素［2］。因此，掌握黑土肥力現狀、分析養分演變規律，對有效地維持和保護東北黑土區耕地質量、保障糧食生產和安全具有重要的現實意義。【前人研究進展】目前，關于東北黑土區土壤養分含量和演變特征已有不少報道。如汪景寬等［3］在黑龍江省多個典型黑土區域進行了大量采樣調查和數據收集工作，分析該地區土壤肥力質量狀況，結果顯示20世紀80年代該區域80％以上的土壤肥力綜合指數以一、二級為主，而到21世紀初98％以上的土壤肥力質量下降到二、三級，認為土壤肥力的明顯降低可能與該地區長期以來“重種輕養”有關。韓秉進等［4］在黑龍江和吉林兩省47個市（縣）廣泛采樣并結合第二次土壤普查數據分析黑土養分演變規律發現，1979—2002年期間有機質和速效鉀含量下降，但全氮、堿解氮、速效磷含量均上升，其中有效磷含量上升幅度較大，平均每年上升 0.55—0.64 mg·kg-1，20多年來長期大量磷肥的施用使得有效磷含量大幅度上升。國家黑土長期監測數據顯示，39％的黑土監測點土壤有效磷含量顯著升高并引起土壤較高的磷盈余，而監測點較高的磷肥用量是導致土壤有效磷升高的直接原因［5］。由此可見，施肥量和施肥措施是導致土壤養分盈虧的主要原因。國內外長期施肥試驗研究表明，長期平衡施用化肥、有機無機肥配施以及秸稈還田等措施可維持或提高土壤肥力水平［6-10］，是土壤培肥的重要途徑。此外，土壤養分的盈虧以及各養分之間的平衡關系不僅反映了土壤肥力水平，還是評價土壤質量和土壤環境的重要指標［11］。農業生產實踐中，長期過量施肥導致養分在土壤中大量積累，不但增加了環境污染的風險［12］，還嚴重影響土壤養分平衡，制約黑土農田的可持續發展［13］。前人關于黑土養分含量及其演變已有大量研究，但相關的研究多是年份較早或是短期的田間調查，土壤各養分指標的增減只能說明較短試驗期間內的變化，在整個黑土區，缺乏切合農民實際水肥管理措施下長期動態變化過程的分析和研究。而且，隨著農業管理措施的不斷進步，養分含量均有所提高，籠統地比較土壤養分增減并不科學。只有長期監測試驗最能科學的研究土壤養分演變規律，所以在探明近26年來黑土養分現狀和演變特征的基礎上，進一步分析土壤肥力演變過程中主要的貢獻因子以及該過程對土壤環境的影響，是合理調控土壤肥力和科學培肥的基礎。【本研究切入點】針對不同時間尺度內分析黑土區土壤養分的長期動態演變特征，并采用統計分析方法確定黑土區主要的肥力貢獻因子，進而分析主要肥力指標對土壤環境的影響以及各養分指標間平衡關系。【擬解決的關鍵問題】為能更加切實地反映中國農業生產實踐中養分狀況和肥力水平，整理17個國家級黑土耕地質量長期監測點土壤養分以及相關生產狀況的監測數據資料，以實際生產中農民習慣水肥管理為基礎，探討26年來黑土區土壤養分長期演變特征，分析比較土壤肥力狀況以及主要肥力指標間的關系，以期為合理調控土壤肥力、提升黑土區耕地質量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

國家級黑土長期監測點主要分布在黑龍江（13個）和吉林（4個）兩省（圖1）。監測點中大部分于1988年建點，后期新增加了一些監測點位，監測年數均在10年以上（包括10年），包含了溝谷厚層草甸黑土、平地中層平地黏底黑土、榆樹中層黃土質黑土、公主嶺中層黃土質黑土、厚層黃土質黑土、平原厚層黃土質黑土、坡地薄層黃土質黑土、漫坡崗地薄層黏底黑土、平地崗地薄層黏質黑土、漫川厚層黏底黑土、平地中層黏底黑土、平地中層黑土等12個土種的黑土類型。至2013年，監測時間最長的監測點已經有26年歷史，為黑土區農業生產實踐研究提供了珍貴的資料。

黑土監測區種植的作物主要為玉米，其次為小麥和大豆，以及還有少量的馬鈴薯、山藥等作物，種植制度為一年一熟制，主要以玉米-大豆-春小麥、玉米-大豆-玉米等輪作方式為主。監測區基本沒有農田灌溉，耕作采用機械化耕種為主。監測點基本概況以及耕層（0—20 cm）土壤基本性質見表1［14］。

圖1　國家黑土長期監測點位置Fig. 1 Map of the national long-term monitoring sites of black soil in the Northeast China

1.2 土壤樣品采集與分析

每個監測點設置對照（不施肥）和常規施肥（農民習慣施肥）兩個處理，依照當地農民習慣進行水肥管理等農事活動，并定位記載施肥量、肥料種類、作物產量以及管理措施等信息。每季作物收獲后，采集耕層（0—20 cm）土壤樣品，土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀等土壤肥力指標參照農業行業標準《土壤檢測》（NY/T 1121.1—18）［14］測定。

1.3 數據處理

試驗數據用Excel 2010整理，運用Sigmaplot 12.5和SPSS 17.0進行相關性分析及顯著性檢驗。為避免個別年份點位差異對土壤養分的演變規律造成影響，因此，總體按照建點時間將17個監測點劃分為監測初期（1988—1997年）、監測中期（1998—2003年）和監測后期（2004—2013年）3個階段。鑒于一組數據中的極大值或極小值對算術平均值影響較大，代表性差，所以本研究中所涉及的土壤養分演變趨勢的數據（盒形圖）均以每組數據的中值表示［15］，采用Kruskal-Wallis H進行單向顯著性檢驗（P＜0.05）；采用SPSS17.0結合陳歡等［16］的方法進行主成分分析。

表1　監測點基本概況以及耕層（0—20 cm）土壤基本性質Table 1 General information of monitoring sites and basic properties of black soil

2 結果

2.1 土壤養分演變特征

圖2　監測點黑土有機質含量演變趨勢Fig. 2 Change tendency of soil organic matter content in black soil

2.1.1 土壤有機質 長期監測結果表明，監測區黑土有機質含量總體呈上升趨勢（圖 2），各監測點的土壤有機質水平維持在18.00—41.20 g·kg-1。1988—1997年的監測初期土壤有機質含量略有下降，1998—2003年的監測中期、2004—2013年的監測后期（r=0.19，P＜0.05）有機質含量均呈上升趨勢。監測后期土壤有機質含量為30.99 g·kg-1，與監測初期（23.15 g·kg-1）和監測中期（27.20 g·kg-1）相比顯著提升（P＜0.05），分別提升了33.9％和13.9％。 2.1.2 土壤全氮 從整個變化過程來看，黑土區土壤全氮含量變化與有機質變化相似，整體呈現上升趨勢（圖3），各個監測點土壤全氮含量范圍為1.02—3.15 g·kg-1。從1988—1997年土壤全氮含量趨于穩定，1998 —2003年期間土壤全氮含量上升顯著（r=0.49，P＜0.05），年均提高6.1％，而2004—2013年期間全氮含量略有下降，但下降未達到顯著水平。每個監測階段的全氮含量差異性顯著（P＜0.05），經過多年時間的演變，土壤全氮含量從監測初期的1.39 g·kg-1增加到了監測后期的2.00 g·kg-1。

圖3　監測點黑土全氮含量演變趨勢Fig. 3 Change tendency of total nitrogen content in black soil

2.1.3 土壤堿解氮 黑土區土壤堿解氮含量水平在91.50—237.00 mg·kg-1，1988—1997年、1998—2003年期間均有下降的趨勢，2004—2013年期間略有上升。監測后期（176.62 mg·kg-1）堿解氮含量較初期（138.47 mg·kg-1）和中期（145.52 mg·kg-1）顯著提高（P＜0.05），分別提高了27.6％和23.4％（圖4）。

圖4　監測點黑土堿解氮含量演變趨勢Fig. 4 Change tendency of alkaline-hydrolyzable nitrogen content in black soil

2.1.4 土壤有效磷 監測區土壤有效磷含量整體水平為7.00—75.20 mg·kg-1。3個監測階段土壤速效磷含量均呈上升趨勢，監測初期土壤有效磷含量為 19.54 mg·kg-1，監測中期略有升高，到監測后期顯著增加到37.19 mg·kg-1（P＜0.05），其中1998—2003年期間上升顯著（r=0.48，P＜0.05）（圖5）。

2.1.5 土壤速效鉀 黑土區土壤速效鉀含量水平在97.80—465.00 mg·kg-1范圍內。在1988—1997年期間呈下降趨勢，1998—2003年、2004—2013年（r=0.18，P＜0.05）期間均呈上升趨勢。監測中期（166.67 mg·kg-1）和監測后期（216.62 mg·kg-1）的土壤速效鉀含量較監測初期（149.03 mg·kg-1）相比有均顯著提高（P＜0.05），分別提高了11.8％和45.4％（圖6）。

2.1.6 土壤碳氮比（C/N）演變規律 通過對土壤有機碳和土壤全氮含量之間的相關性進行分析（圖7），結果表明，監測區黑土有機碳和全氮含量之間呈極顯著正相關，線性方程為 y=4.2292x+8.9816，相關系數r=0.76**（n=211，P＜0.01）。

進一步分析監測區黑土碳氮比（C/N）演變特征（圖8），結果表明，1988—2013年期間黑土C/N呈現下降趨勢，從1988年的10.3降至2013年的9.6，下降了6.8％。線性方程為y=-0.0294x+68.331，相關系數r=0.13，未達到顯著水平。綜合監測區黑土C和N含量隨年份變化的規律，表明C和N含量均逐年顯著增加，而C/N卻有下降趨勢，可能是碳氮養分供應不平衡所致。

圖5　監測點黑土有效磷含量演變趨勢Fig. 5 Change tendency of available phosphorus content in black soil

圖6　監測點黑土速效鉀含量演變趨勢Fig. 6 Change tendency of available potassium content in black soil

圖7　黑土全氮和有機碳含量的相關性分析Fig. 7 Relationship between total nitrogen and organic carbon contents in black soil

圖8　黑土碳氮比值演變趨勢Fig. 8 Black soil C/N ratio at different intervals

2.2 作物產量演變特征

監測區黑土常規施肥條件下玉米產量呈顯著增加趨勢（圖 9），26年后玉米產量平均值穩定在10 204.05 kg·hm-2左右，較無肥區相比增產47.2％。無肥區玉米產量在監測期間也略有提升，26年后玉米產量平均為6 930.9 kg·hm-2。結果表明，黑土區施肥措施具有顯著的增產作用。

圖9　監測點黑土不施肥和常規施肥處理玉米產量變化趨勢Fig. 9 Change tendency of maize yield under unfertilized and normal fertilized in black soil

2.3 土壤肥力指標的主成分分析

2.3.1 主成分貢獻率以及各指標得分 綜上所述，1988—2013年期間土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量整體均呈上升趨勢，但不同監測階段變化趨勢和變化幅度存在較大差異，故單個肥力指標不能有效地反映土壤綜合肥力隨監測時間變化的規律。因此，運用主成分分析法對土壤有機質（SOM）、全氮（TN）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）5個指標進行分析，并分析各項指標對土壤綜合肥力屬性所產生的影響。

為保證結果的客觀性和科學性，在運算前參照夏建國等［17］方法對原始數據矩陣進行標準化處理。將標準化后的數據進行主成分分析，參照葉回春等［18］方法計算指標得分系數與權重，各指標主成分分析結果與指標權重見表2。結果表明，第1、2、3主成分的特征值分別為3.183、0.604、0.520，方差貢獻率分別為63.65％、12.09％、10.39％，累積貢獻率達 86.13％＞85％，即前 3個主成分能夠反映原始信息總量的86.13％，因此將這3個主成分作為綜合變量來評價土壤綜合肥力屬性狀況是可行的。

表2　主成分分析結果與指標權重Table 2 Results of principal component analysis and factors weights of soil fertility factors

5個肥力指標得分系數由大到小的順序為：SOM ＞TN＞AN＞AP＞AK，指標權重也以有機質最大，速效鉀最小，說明黑土區土壤有機質和全氮是影響土壤綜合肥力屬性的關鍵因素。

2.3.2 綜合肥力屬性得分 主成分是 5個肥力指標標準化后的線性組合，通過主成分矩陣計算出特征向量即為各指標相對應的系數，因此，可得第 1、2、3主成分的函數表達式為：

綜合肥力屬性得分是將標準化后的數據分別代入式（1）、（2）、（3）中計算出每個主成分得分，然后與其對應貢獻率相乘加合，即F=F1×63.652％+F2× 12.086％+F3×10.392％。各監測階段土壤綜合肥力屬性得分結果見圖10。由計算結果分析可以看出，1988 —1997年的監測初期和1998—2003年的監測中期土壤綜合肥力屬性得分平均值分別為-1.099和-0.541，而2004—2013年的監測后期土壤綜合肥力屬性的得分增加到了0.5888，說明土壤肥力在監測后期得到了顯著改善。

圖10　不同監測階段土壤綜合肥力得分Fig. 10 General scores of soil fertility at different monitoring periods

3 討論

3.1 黑土區土壤養分演變分析

耕地土壤肥力培育是保障糧食生產和安全的基礎，而作為土壤肥力核心要素的有機質和大量養分元素（氮、磷、鉀）的盈虧則是耕地土壤肥力時空變化的主要驅動因素［19］。因此，在不同時間尺度內分析土壤養分演變，是土壤養分科學管理和施肥合理調控的基礎［20-21］。

綜合26年來土壤養分變化趨勢來看，在農民習慣施肥管理下，土壤肥力水平總體得到改善，土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷以及速效鉀含量基本呈上升趨勢，有機質和全氮是影響土壤肥力綜合屬性的關鍵因素，與查燕［22］分析結果一致。黑土長期監測點數據顯示，監測初期（1988—1997年）土壤養分除有效磷含量升高、全氮含量趨于穩定外，有機質、堿解氮、速效鉀含量均有下降趨勢；監測中期（1998年—2003年）、監測后期（2004—2013年）養分含量普遍呈上升趨勢。這可能與東北地區黑土農田管理措施有關，監測初期之前的20世紀70年代作物生長僅依靠土壤的原始肥力，養分基本處于不斷消耗狀態；80年代后氮肥施用量增加，90年代以來化肥用量進一步提高，除氮肥外，磷肥和鉀肥用量也逐漸提升，同時作物殘茬逐漸還田［23］。值得注意的是，黑土鉀素含量相對豐富，但土壤速效鉀在 1988—1997年期間下降較為明顯，而鉀肥施用量的下降是導致速效鉀含量逐年下降的主要原因。研究表明［14］，黑土監測區鉀肥施用量平均每年下降4.4 kg·hm-2，從2002年開始，鉀肥的施用才受到足夠重視，其施用量也有所提高。不同監測時期土壤綜合肥力與各時期養分的盈虧和演變有關，監測初期有機質、堿解氮和速效鉀等養分含量不斷降低，導致該時期土壤綜合肥力屬性得分較低，隨著中、后期化肥的平衡施用以及有機物料的不斷輸入，土壤養分含量不斷提高，監測區黑土肥力水平得到顯著改善。此外，由于土壤肥力水平的提高，作物產量隨之也在顯著提高，勢必會導致根系生物量和分泌物的增加，而這些都對黑土肥力的變化起到正面影響。研究表明，玉米根茬干物質中養料豐富，有機質含量高達75％—85％，含氮0.75％，磷0.60％，鉀0.9％［24］，26年來玉米產量顯著增加，殘留在土壤里的根茬量也逐年增加，這部分對土壤養分的貢獻也不容忽視。

土壤有機質是衡量土壤肥力水平的重要指標，各監測點土壤有機質水平維持在18.0—41.2 g·kg-1，在監測后期得到顯著提升。但是與黑土開墾前的有機質平均水平（150.57 g·kg-1）和開墾 100年后有機質水平（50.23 g·kg-1）相比［25］，均大幅下降。大量長期試驗分析［26-27］，土壤有機質含量的動態變化主要取決于有機物料的輸入和土壤有機質礦化之間的平衡，較高碳氮比的作物殘茬還田能夠維持甚至提高土壤有機質含量。不同的施肥管理、耕作制度等對土壤有機質也有顯著影響，單施化肥亦可維持黑土有機質穩定，如果化肥配施廄肥土壤有機質含量則明顯增加［28］。而高緯度黑土區即使在不施肥的情況下，合理的輪作仍有益于土壤有機質的積累［29］。土壤有機質的提升對土壤磷素有效性的提高也有重要的影響，農業生產實踐證明，農民常規施肥（化肥與有機肥配施），不僅提高了土壤有機質含量，同時還增加了磷的有效利用率。這可能是有機酸、有機陰離子等占據部分磷的吸附點位，降低黏土礦物對磷的吸附固定作用；此外，有機質的礦化過程還會釋放部分無機磷［30］。張麗等［5］研究表明，農民常規施肥條件下，經過8—25年的長期耕作，黑土89％的監測點有效磷含量保持持平狀態或顯著上升趨勢，且土壤有效磷的變化與磷的盈虧呈正相關關系。較高水平的有效磷是獲得糧食高產的關鍵，但過量的磷盈余可能引發磷素淋溶從而導致地表水體的富營養化［12］。與黑土有效磷農學閾值（15.0 mg·kg-1）［5，31］以及易發生顯著淋溶的環境閾值（50.0 mg·kg-1）［12］相比，本研究監測后期 71.4％的監測點土壤有效磷維持在15.0—50.0 mg·kg-1，說明這部分監測點土壤有效磷既能滿足作物生長需求，又不至于引發水環境污染，應維持其合理的有效磷水平；而 28.6％的監測點土壤有效磷含量已超過50.0 mg·kg-1的環境閾值，應及時控制磷素的輸入，以免造成資源的浪費和環境的污染。

為避免由于17個監測點位設置存在延續性不足、監測年限不一致以及農戶施肥變異較大等而導致結論存在不確定因素，查燕［22］利用構建的基礎地力指數模型（BSPI），通過模型指標的選擇以及指標權重的確定，以黑土區長期監測點的監測數據資料為基礎，研究農田基礎地力長期演變的結果表明 BSPI隨時間的變化呈顯著上升趨勢，且在農民實際水肥管理措施下，土壤全氮、堿解氮、速效磷等養分含量有所增加，這與本文研究結果一致。但汪景寬等［3］研究表明，從1980 —2000年由于人們長期以來“重種輕養”，導致東北典型黑土地區土壤有機質、速效鉀等養分含量均有不同程度的降低，而造成這種結果的差異與施肥管理密切相關。

3.2 黑土區土壤主要肥力指標碳氮的關系

不同土壤類型由于成土母質、作物種類、氣候條件以及施肥量等因素影響，土壤肥力的主要貢獻因子也有一定差異。李建軍等［15］研究 25年來長江中下游水稻土壤養分演變特征發現，監測后期土壤綜合肥力屬性的主要貢獻因子是全氮、堿解氮和速效鉀。黑土區有機質和全氮是影響土壤綜合肥力屬性的關鍵因素，查燕［22］通過分析國家黑土監測點春玉米農田基礎地力指數與有機質、全氮含量之間的相關性表明，有機質和全氮是影響東北黑土區農田基礎地力的最主要因素，并且可以作為主要指標來評價黑土區的農田基礎地力，這說明黑土區土壤有機質和全氮是維持農業可持續生產與發展的重要影響因素。通過對監測區黑土有機碳和全氮含量之間的相關性進行分析（圖 7）發現，監測區黑土有機碳和全氮含量之間呈極顯著正相關（r=0.76，n=211，P＜0.01），這是因為土壤中有機態氮占全氮含量的95％以上［30］，因此，二者之間存在顯著相關性。

土壤的碳氮比（C/N）反映了碳和氮之間的平衡關系［32］，也是衡量二者平衡狀況的重要指標，其演變趨勢對土壤肥力以及碳、氮循環有著重要的影響。SPRINGOB等［33］研究表明，低C/N會加快土壤氮的礦化速率，而高C/N微生物同化量則會超過礦化作用所提供有效氮的量，造成植物缺氮。一般耕作土壤表層C/N在8∶1—15∶1，平均在10∶1—12∶1［30］。在分析監測區黑土C/N的演變趨勢發現（圖8），雖然土壤有機質和全氮含量整體呈逐年上升趨勢（圖 2、圖3），而C/N卻呈現下降趨勢，從1988年的10.3下降到2013年的9.6，但下降不顯著，土壤C/N值在土壤適宜的比值范圍內，這與李忠佩等［34］的研究結果一致。綜合監測區土壤C和N含量隨年份變化的規律，結果顯示C和N含量均逐年顯著增加，C隨年份變化的擬合方程為y=0.2495x-482.96（r=0.55**，n=211，P ＜0.01），監測后期土壤 C含量較監測初期增加了33.9％，N隨年份變化的擬合方程為y=0.0348x-67.881 （r=0.57**，n=207，P＜0.01），監測后期土壤N含量較監測初期相比增加了43.9％。相比較而言，26年來監測區黑土全氮含量的增加幅度高于土壤有機碳含量的增幅，再加上黑土區較高氮肥的施用量，最終導致了土壤C/N的降低。因此，農業生產實踐中，不能只提高土壤氮素的輸入，在不影響目前施氮水平氮素供應的條件下，應該重視有機物料的投入，如大力推廣秸稈還田和增施有機肥等，以保持土壤碳氮的平衡。

土壤養分是土壤肥力的基礎，與糧食生產密切相關，但并不完全等同于土壤肥力，還應該結合土壤物理、生物等指標，選擇對土壤肥力有較大影響的因子，進一步深入分析土壤綜合肥力；此外，由于17個黑土監測點建點時間不一樣，個別監測點數據缺失較嚴重，今后還需加強數據的收集，以便更加全面、科學地掌握黑土肥力的演變特征。

4 結論

4.1 通過分析不同時間尺度內土壤養分的演變，結果表明，經過10—26年農民常規施肥管理的耕作，黑土監測區土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量呈逐年上升趨勢，監測后期土壤肥力得到顯著改善。28.6％的監測點應及時控制磷肥用量，以免引起地表水污染。

4.2 將5個肥力指標進行主成分分析，反映了原始信息總量的 86.1％，黑土監測區土壤有機質和全氮是土壤肥力的主要貢獻因子；分析土壤碳氮平衡關系發現，監測區黑土C/N呈逐年下降趨勢，應該加大有機物料的投入，以維持土壤碳氮的養分平衡。

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（責任編輯 楊鑫浩，岳梅）

Changes in the Nutrients and Fertility of Black Soil over 26 Years in Northeast China

KANG Ri-feng1， REN Yi2， WU Hui-jun1， ZHANG Shu-xiang1
（1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land， Beijing 100081；2The Center of Extending and Service of Agricultural Technique in China， Beijing 100026）

Abstract：【Objective】Relying on fertile black soil resources， northeastern China has developed the biggest grain bases. Clarifying the characteristic of black soil fertility nutrients is essential for soil fertility improvement and maintenance in NortheastChina. A long-term cultivated land quality monitoring experiment established in the 1980s was used to investigate the changes in soil nutrients and fertility in the black soil region.【Method】A temporal variation descriptive statistics analysis was conducted to explore the changes in soil organic matter （SOM）， total nitrogen （TN）， alkaline-hydrolyzable nitrogen （AN）， available phosphorus （AP） and available potassium （AK）， for three time intervals， including the first （1988-1997）， middle （1998-2003） and final （2004-2013）monitoring period， during the study. The changes in soil carbon， nitrogen and carbon-nitrogen ratio （C/N） were analyzed so as to investigate relationship between the carbon and nitrogen budgets. Finally， principal component analysis was used to determine factors contributing to soil fertility， and the general scores of soil fertility at three monitoring periods were calculated. 【Result】 All soil nutrient concentrations showed increased with time and overall soil fertility improved after 10 to 26 years. The SOM， TN， AN，AP and AK significantly increased between the first （1988-1997） and final （2004-2013） monitoring period by 33.9％， 43.9％， 27.6％，90.3％ and 11.8％， respectively. Further analysis indicated that the AP concentrations of 71.4％ monitoring sites maintained at a level of 15.0 to 50.0 mg·kg-1， which meets crop nutrients requirement and would not be expected cause the ground or surface water pollution. However， the concentrations of AP at 28.6％ of the monitoring sites exceeded the environmental threshold and some measures should be taken to reduce P fertilizer inputs in these sites. The ratio of C/N decreased with time from 10.3 in 1988 to 9.6 in 2013， decreased by 6.8％. Principal component analysis indicated that SOM and TN were the main factors contributing to soil fertility of the monitoring sites and the 5 fertility factors displayed an order of SOM＞TN＞AN＞AP＞AK. The average general scores of soil fertility at the first and middle monitoring periods were -1.099 and -0.541， respectively， while the black soil fertility has improved significantly and the score increased to 0.5888 at the final monitoring period.【Conclusion】Current farm fertilizer management improved black soil fertility， however a small proportion （28.6％） required better P fertilizer management so as to decrease the risk of ground or surface water pollution. More organic materials should be applied to the black soil to maintain the balance of soil C/N ratio and improve soil fertility.

Key words：black soil； conventional fertilization； long-term monitoring； available phosphorus； soil C/N ratio

收稿日期：2016-01-27；接受日期：2016-04-05

基金項目：國家公益性行業（農業）科研專項（201503120）、國家自然科學基金（41471249）