長期不同培肥措施下玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性及棕壤氮素累積分布特征

劉玉穎，戴 健，楊勁峰，羅培宇，李 娜，任彬彬，安 寧，韓曉日

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北玉米營養(yǎng)與施肥科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站/土肥高效利用國家工程研究中心，遼寧沈陽 110866）

隨著我國人口的不斷增長，作物生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性顯得尤為重要。施肥措施是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的最佳田間管理措施之一。大量研究表明，配施有機(jī)肥對作物的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要作用[1-2]。153個(gè)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不增施氮肥的條件下，配施有機(jī)肥作物產(chǎn)量可提高8.5～14.2 t/hm2[3]，化肥配施有機(jī)肥的增產(chǎn)效果最好，這與很多研究[4-5]結(jié)果一致。然而，20個(gè)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單施化肥作物產(chǎn)量提高2 t/hm2，添加有機(jī)肥產(chǎn)量增加不顯著[6]。可見，作物產(chǎn)量對不同施肥措施的響應(yīng)隨土壤類型、施肥措施和氣候條件等的不同而不同，其穩(wěn)定性和可持續(xù)性也存在差異[7-8]。研究長期培肥下作物產(chǎn)量的演變規(guī)律及其穩(wěn)定性對維持糧食作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

作物產(chǎn)量的演變特征反映了土壤、氣候等因素的變化趨勢，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。我國華北平原22年的定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氮磷鉀化肥配施有機(jī)肥(22.5 t/hm2)玉米產(chǎn)量為130 t/hm2，有機(jī)肥增加到33.75 t/hm2，玉米產(chǎn)量為131 t/hm2，處理間差異不顯著[9]。Wei等[10]發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥配施化肥條件下，小麥、玉米和水稻產(chǎn)量平均較單施有機(jī)肥增加29%，較單施化肥增加8%。長期有機(jī)無機(jī)肥配施對作物產(chǎn)量可持續(xù)性的提高具有重要意義[11]。在大豆-小麥輪作體系中，氮磷鉀平衡施肥或其與有機(jī)肥配施可有效提高作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性[12]。在淮北沙姜黑土區(qū)對小麥的研究表明，與不施肥處理相比，長期有機(jī)肥配施化肥處理小麥產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性顯著增加[13]。東北黑土區(qū)的長期試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥配施化肥玉米產(chǎn)量呈上升趨勢，且有機(jī)肥替代部分氮肥的有機(jī)無機(jī)肥配施處理增產(chǎn)效果也比較明顯，玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性指數(shù)(SYI)較高，達(dá)0.71～0.80，可持續(xù)性較好[2]，這主要與有機(jī)肥可為土壤持續(xù)補(bǔ)充養(yǎng)分有關(guān)。有機(jī)肥配施氮磷鉀化肥22年，土壤全氮含量由2000 kg/hm2增加到3700～4100 kg/hm2，增加了83%～98%，較單施氮磷鉀化肥提高了26.2～40.4%[9]。施用有機(jī)肥可以增加土壤微生物生物量，為作物生長提供良好條件[14]。此外，F(xiàn)ernández等[15]研究發(fā)現(xiàn)配施有機(jī)肥可以降低土壤硝態(tài)氮淋溶損失。然而，也有研究表明配施高量有機(jī)肥氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)增加，導(dǎo)致環(huán)境的氮污染[16]。可見，合理配施有機(jī)肥對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)綠色發(fā)展意義重大。

東北地區(qū)是我國最大的玉米主產(chǎn)區(qū)，其種植面積占全國玉米種植面積的31%，2019年玉米產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的34%[17]，對保障我國糧食安全具有重要意義。但長期以來，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不平衡施肥現(xiàn)象普遍，有機(jī)肥用量降低，而化肥用量增加，氮肥的年施用量已超過313萬t[18]，導(dǎo)致土壤肥力不斷下降，肥料利用率降低，并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。棕壤是東北地區(qū)主要的土壤類型之一，主要分布在遼寧省，其面積占全省土壤面積的36.3%，是重要的耕地土壤。然而，在集約化生產(chǎn)條件下，由于土壤質(zhì)量下降，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化肥的依存率越來越高，糧食生產(chǎn)還面臨很大挑戰(zhàn)[19]。開展長期培肥棕壤上玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性和土壤氮素累積分布的研究對該地區(qū)指導(dǎo)合理施肥，促進(jìn)氮肥吸收利用，減少環(huán)境污染具有重要意義。因此，本研究基于東北棕壤長期定位試驗(yàn)，明確長期不同施肥模式下玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，闡明施肥40年玉米植株氮素吸收特征和0—100 cm土層土壤礦質(zhì)氮、0—40 cm土層土壤微生物量氮的累積分布，以明確不同培肥措施的增產(chǎn)效果及其對土壤氮素的影響，為保持玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，合理培肥土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

定位試驗(yàn)始于1979年，位于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤肥料長期定位試驗(yàn)基地 (東經(jīng) 123°33′，北緯 40°48′)。該試驗(yàn)地處于松遼平原南部中心地帶，春季少雨，降雨多集中在7—8月份，正處作物生長的旺季。多年平均降雨量為547 mm，年均蒸發(fā)量為1436 mm，無霜期140～180天，屬于溫帶濕潤-半濕潤季風(fēng)氣候。1979—2018年年降水量與平均氣溫如圖1所示，40年平均氣溫為8.5℃，5—9月平均氣溫21.2℃，平均降水量535.2 mm，年最高氣溫38.4℃，最低氣溫-32.9℃。該試驗(yàn)區(qū)地勢平坦，供試土壤為棕壤，為發(fā)育在第四紀(jì)黃土性母質(zhì)上的簡育濕潤淋溶土。試驗(yàn)采用玉米-玉米-大豆輪作體系，一年一熟制。試驗(yàn)開始前耕層0—20 cm土壤基本理化性質(zhì)為：容重1.18 g/cm3、有機(jī)質(zhì)15.9 g/kg、全氮0.8 g/kg、全磷0.38 g/kg、全鉀21.1 g/kg、堿解氮105.5 mg/kg、有效磷6.5 mg/kg、速效鉀97.9 mg/kg、pH為6.5。本研究涉及1979—2018年玉米季籽粒產(chǎn)量，2018年玉米收獲期0—100 cm土壤樣品及礦質(zhì)氮、微生物量氮等指標(biāo)的測定結(jié)果。

圖1 1979—2018年玉米季年降水量與年平均溫度Fig. 1 Annual precipitation and mean temperature in maize season during 1979-2018

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選取田間小區(qū)試驗(yàn)的12個(gè)處理，具體為：CK (不施肥)，N (單施氮肥)，NP (氮磷肥配施)，NPK (氮磷鉀肥配施)，M1 (單施低量有機(jī)肥)，M1N、M1NP、M1NPK (低量有機(jī)肥與化肥配施)，M2 (單施高量有機(jī)肥)，M2N、M2NP、M2NPK (高量有機(jī)肥與化肥配施)。各處理氮、磷和鉀肥用量相同，玉米季氮肥用量為120 kg/hm2(N)，磷肥用量為60 kg/hm2(P2O5)，鉀肥用量為60 kg/hm2(K2O)，低量有機(jī)肥施用量為13.5 t/hm2，高量有機(jī)肥施用量為27 t/hm2。其中，氮肥為尿素(含N 46%)、磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)、鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%)。有機(jī)肥為豬廄肥[有機(jī)質(zhì)平均含量為144.0 g/kg、全氮(N)為7.2 g/kg、全磷(P2O5)為8.7 g/kg、全鉀(K2O)為10.0 g/kg]。氮磷鉀化肥和豬廄肥均作為基肥，在玉米播種前一次性撒施，并與0—20 cm耕層土壤混勻。試驗(yàn)小區(qū)面積為160 m2(長16 m、寬10 m)，供試玉米品種為當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N，2018年為‘東單6531’，壟寬60 cm，株距27 cm，播種量60000 plant/hm2。玉米于每年4月末施肥，起壟并播種，玉米整個(gè)生育期無灌溉，并按常規(guī)進(jìn)行田間管理；9月末進(jìn)行小區(qū)測產(chǎn)、采樣和收割，收獲后移走秸稈進(jìn)行休閑。

1.3 樣品采集與測定

田間取樣時(shí)每個(gè)小區(qū)分設(shè)3個(gè)次級小區(qū)，面積為30 m2，作為每個(gè)處理的重復(fù)。玉米產(chǎn)量采用樣方計(jì)產(chǎn)法確定，每個(gè)次級小區(qū)隨機(jī)選取一個(gè)計(jì)產(chǎn)區(qū)，每個(gè)計(jì)產(chǎn)區(qū)選取3條壟玉米，分別長2 m，并實(shí)測3條壟總壟距，共3個(gè)計(jì)產(chǎn)區(qū)。調(diào)查株數(shù)、穗數(shù)、雙穗率等指標(biāo)，按籽粒14%含水量折算產(chǎn)量。此外，在計(jì)產(chǎn)區(qū)以外采集分析植物樣品，每個(gè)次級小區(qū)隨機(jī)選取5株長勢均勻的玉米植株，于根莖結(jié)合處收割，并按器官進(jìn)行分離并脫粒，同一器官、同一次級小區(qū)的5株樣品混合，作為該次級小區(qū)的玉米植株分析樣品。取部分樣品在90℃烘箱中殺青30 min，65℃烘干，稱量干重。烘干的樣品粉碎后，用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮儀測定消煮液中全氮含量。

于2018年玉米收獲期采集0—100 cm土層土壤樣品，以每20 cm為一個(gè)土層采集。田間取樣時(shí)每個(gè)次級小區(qū)隨機(jī)采集2個(gè)點(diǎn)，同一土層土壤樣品去除作物根系，充分混勻作為一個(gè)分析樣品，迅速裝入標(biāo)記好的塑封袋，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室4℃保存。土壤含水量采用烘干法(105℃，烘干24 h)測定，土壤礦質(zhì)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)的測定采用鮮土，1 mol/L的KCl溶液浸提(液土質(zhì)量比為10∶1)，震蕩1 h，過濾，用連續(xù)流動(dòng)分析儀測定濾液中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。微生物量氮含量采用氯仿熏蒸浸提法[20]：稱取10 g (烘干土重計(jì))新鮮土樣放入培養(yǎng)皿，連同盛有20 mL提純氯仿的小燒杯和一小燒杯NaOH溶液一起放入真空干燥器，密封、抽真空，使氯仿沸騰2 min，將干燥器放入25℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h后取出，用40 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液浸提振蕩30 min，過濾后用有機(jī)碳氮分析儀(Elementar TOC+N，德國)測定有機(jī)氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)是評價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性的定量指標(biāo)，該指數(shù)值越大，系統(tǒng)的可持續(xù)性越好[2,21-22]，計(jì)算公式為：

產(chǎn)量穩(wěn)定性以統(tǒng)計(jì)學(xué)上變異系數(shù)(coefficient of variation, CV)來表示，變異系數(shù)越大，產(chǎn)量穩(wěn)定性越低[23]，計(jì)算公式為：

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010軟件，利用SAS Version 8.1 for Windows軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(P<0.05)，用SigmaPlot 12.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期培肥玉米產(chǎn)量變化

在東北棕壤旱地上，長期不同培肥條件下玉米產(chǎn)量均呈動(dòng)態(tài)波動(dòng)趨勢，且化肥試區(qū)、低量有機(jī)肥試區(qū)和高量有機(jī)肥試區(qū)各處理玉米產(chǎn)量年際間變化規(guī)律類似(圖2)。化肥試區(qū)中，CK處理玉米產(chǎn)量最低，NPK處理最高，且不同年份表現(xiàn)為1979—1997年內(nèi)變化較平穩(wěn)，1997—2018年內(nèi)變幅較大；2015年玉米產(chǎn)量降低較明顯，且施用化肥玉米產(chǎn)量增加的效果逐年降低。長期單施氮肥或氮磷肥配施將逐漸降低土壤生產(chǎn)力，連續(xù)施肥32年后(2010年后)，玉米產(chǎn)量有降低趨勢。與化肥試區(qū)類似，低量有機(jī)肥試區(qū)和高量有機(jī)肥試區(qū)玉米產(chǎn)量在1979—1997年內(nèi)變化趨勢較平穩(wěn)，1997—2018年內(nèi)變幅較大。在試驗(yàn)前35年(2013年前)，M1、M2處理玉米產(chǎn)量最低，低于有機(jī)肥配施化肥處理；施肥35年后，由于有機(jī)肥培肥土壤，M1和M2處理玉米產(chǎn)量增加，與有機(jī)無機(jī)肥配施處理接近。可見，氮磷鉀平衡施肥或有機(jī)肥與化肥配施對玉米的增產(chǎn)效果較好，且有機(jī)無機(jī)肥配施效果好于氮磷鉀化肥單施。

圖2 長期施用化肥(a)、低量有機(jī)肥與化肥配施(b)和高量有機(jī)肥與化肥配施(c)棕壤上玉米季籽粒產(chǎn)量變化Fig. 2 Grain yield of maize under treatments with chemical fertilizer(a), chemical fertilizer combined with manure at low rate(b), and chemical fertilizer combined with manure at high rate(c) in maize season

2.2 長期培肥玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性與可持續(xù)性

與CK處理相比，單施化肥或配施有機(jī)肥均可顯著提高玉米產(chǎn)量(表1)，化肥試區(qū)以NPK處理玉米平均產(chǎn)量最高，在試驗(yàn)前20年和后20年分別為6509和10501 kg/hm2；低量、高量有機(jī)肥區(qū)分別以M1NPK、M2NPK處理最高，試驗(yàn)前20年玉米平均產(chǎn)量分別較NPK處理提高了10.3%、11.7%；后20年分別提高了17.1%、19.4%，但處理間差異不顯著。

表1 長期不同施肥下玉米平均產(chǎn)量、產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)、變異系數(shù)及肥料對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率Table 1 Average yield, SYI, and CV of maize and contribution of fertilization in the long-term experiment

不同施肥措施對玉米的產(chǎn)量穩(wěn)定性有很大影響(表1)，CK處理玉米產(chǎn)量變異系數(shù)最大，試驗(yàn)前20年和后20年分別為34.3%和50.0%。施肥不同程度地降低了玉米產(chǎn)量年際間的變異系數(shù)，產(chǎn)量穩(wěn)定性增加，低量有機(jī)肥配施下玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性高于高量有機(jī)肥配施處理，且試驗(yàn)后20年玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性高于前20年。此外，各施肥處理玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性指數(shù)(SYI)均高于CK處理，施肥有利于玉米產(chǎn)量可持續(xù)性的提高。各施肥處理間比較，氮磷肥配施、氮磷鉀肥配施、施用有機(jī)肥及其與化肥配施各處理玉米產(chǎn)量SYI值相對較高，試驗(yàn)前20年和后20年分別介于0.43～0.58和0.50～0.67，玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性較高。隨著試驗(yàn)?zāi)晗拊黾樱皇┓屎蛦问┑侍幚恚魈幚碛衩桩a(chǎn)量的可持續(xù)性增加，且低量有機(jī)肥配施處理高于高量有機(jī)肥配施處理。

肥料貢獻(xiàn)率反映了年投入肥料的生產(chǎn)能力。長期單施氮肥處理(N)氮肥貢獻(xiàn)率較低，顯著低于化肥配施和化肥有機(jī)肥配施各處理，且隨試驗(yàn)?zāi)晗拊黾佑薪档挖厔荩汕?0年的35%降低到后20年的27% (表1)。化肥與有機(jī)肥配施處理肥料貢獻(xiàn)率隨試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾幼兓淮螅琈1NPK處理的肥料貢獻(xiàn)率最高，達(dá)54%，但化肥區(qū)各處理肥料貢獻(xiàn)率隨試驗(yàn)?zāi)晗薏粩嘟档汀?/p>

2.3 長期培肥玉米地上部吸氮量

2018年配施有機(jī)肥各處理玉米吸氮量高于單施化肥處理(圖3)。施肥40年后，化肥區(qū)各處理玉米地上部吸氮量均高于不施肥CK處理，以NPK處理最高，為257 kg/hm2，長期不施肥CK處理較單施化肥各處理玉米吸氮量顯著降低為67 kg/hm2。配施有機(jī)肥玉米吸氮量增加，且M1NPK和M2NPK處理最高，分別為302和289 kg/hm2，較NPK處理分別增加了17.8%和12.5%。可見，長期化肥與有機(jī)肥配施可以不斷培肥土壤，促進(jìn)玉米氮素吸收，增加其地上部吸氮量，且以低量有機(jī)肥與氮磷鉀化肥配施效果較好。

圖3 2018年不同施肥處理玉米地上部吸氮量Fig. 3 Aboveground N uptake of maize under different fertilization treatments in 2018

2.4 長期培肥玉米收獲期0—100 cm土層土壤礦質(zhì)氮分布

長期不同施肥下棕壤0—100 cm土層土壤礦質(zhì)氮貯量不同(圖4)。配施有機(jī)肥各處理土壤礦質(zhì)氮貯量較單施化肥處理增加。施用化肥40年，單施氮肥(N)處理玉米收獲期0—100 cm土壤礦質(zhì)氮貯量最高，達(dá)184 kg/hm2，氮磷鉀配施處理，較N處理顯著降低了55.3%。低量有機(jī)肥配施化肥各處理0—100 cm土壤礦質(zhì)氮貯量與化肥區(qū)各處理類似，以M1N處理最高，2018年玉米收獲期M1NPK處理土壤0—100 cm礦質(zhì)氮貯量為127 kg/hm2，較M1N處理顯著降低了42.4%。對于高量有機(jī)肥試區(qū)，各處理0—100 cm土壤礦質(zhì)氮貯量均較高，較化肥試區(qū)和低量有機(jī)肥試區(qū)平均分別增加了324.5%和172.9%。

圖4 2018年玉米收獲期0—100 cm土層土壤礦質(zhì)氮貯量Fig. 4 Mineral N accumulation in 0-100 cm soil layer under different treatments at maize harvest in 2018

長期施肥造成了棕壤0—100 cm土層土壤礦質(zhì)氮分布的差異(圖5)。施用化肥40年，玉米收獲期土壤礦質(zhì)氮主要分布在0—40和80—100 cm土層，N處理土壤深層礦質(zhì)氮含量高于其他處理，在80—100 cm土層達(dá)20.0 mg/kg，NPK處理各土層礦質(zhì)氮含量低于N和NP處理。低量有機(jī)肥配施化肥各處理土壤礦質(zhì)氮主要分布在0—80 cm土層，80—100 cm土層礦質(zhì)氮含量降低。對于高量有機(jī)肥試區(qū)，各處理0—100 cm土層礦質(zhì)氮含量高于化肥試區(qū)和低量有機(jī)肥試區(qū)，且主要分布在0—80 cm土層，80—100 cm土層較上層有降低的趨勢，有機(jī)肥配施化肥處理高于單施有機(jī)肥處理。

圖5 2018年玉米收獲期0—100 cm土層土壤礦質(zhì)氮分布Fig. 5 Mineral N distribution in 0-100 cm soil layer under different treatments at maize harvest in 2018

2.5 長期培肥玉米收獲期0—40 cm土層土壤微生物量氮分布

長期不同施肥下棕壤0—40 cm土層土壤微生物量氮含量不同(圖6)。且配施有機(jī)肥各處理0—20、20—40 cm土層微生物量氮含量高于單施化肥處理。施用化肥40年，玉米收獲期0—20 cm土層土壤微生物量氮含量高于20—40 cm土層，其中，NPK處理0—20 cm土層微生物量氮含量最高，為11.5 mg/kg，20—40 cm土層降低到2.2 mg/kg。低量有機(jī)肥試區(qū)各處理土壤微生物量氮含量較化肥試區(qū)各處理增加，且M1NPK處理顯著高于其他處理，0—20和20—40 cm土層分別為16.0和7.0 mg/kg。對于高量有機(jī)肥試區(qū)，各處理0—40 cm土層土壤微生物量氮含量較化肥區(qū)和低量有機(jī)肥區(qū)有所增加，且與低量有機(jī)肥試區(qū)類似，M2NPK處理土壤微生物量氮含量最高，0—20和20—40 cm土層分別為14.9和 8.1 mg/kg。

圖6 2018年玉米收獲期土壤0—40 cm土層土壤微生物量氮含量Fig. 6 Microbial biomass N content in 0-40 cm soil layer under different treatments at maize harvest in 2018

3 討論

3.1 長期施肥下玉米產(chǎn)量、吸氮量變化

長期化肥配施有機(jī)肥玉米產(chǎn)量顯著增加，且M1NPK和M2NPK處理較NPK處理增加了10.3%～19.4%，這與前人的研究[10,24-25]結(jié)果一致。王婷等[8]發(fā)現(xiàn)在降水充足的年份，氮磷肥與有機(jī)肥或作物秸稈配施，冬小麥和春玉米產(chǎn)量分別較單施氮肥處理提高了52.1%～102%和105%～127%。在我國華北平原22年的定位試驗(yàn)研究表明，長期低量有機(jī)肥配施氮磷鉀化肥，玉米產(chǎn)量顯著高于單施化肥處理，且和高量有機(jī)肥配施處理間差異不顯著，低量和高量有機(jī)肥配施處理產(chǎn)量分別較氮磷鉀肥單施處理增加了37.1%和36.1%[9]。本研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)前35年，M1和M2處理玉米產(chǎn)量最低；施肥35年后，M1、M2處理玉米產(chǎn)量增加，且與有機(jī)無機(jī)肥配施處理接近，表明有機(jī)肥肥效的緩效性。配施有機(jī)肥玉米產(chǎn)量增加，一方面可能是由于有機(jī)肥可補(bǔ)充土壤重要的微量元素[26]；同時(shí)有機(jī)肥可改善土壤物理狀況和養(yǎng)分結(jié)構(gòu)[27]。土壤物理狀況改善，促進(jìn)了微生物的繁殖與分解活動(dòng)，從而能夠更好地為作物提供持續(xù)的養(yǎng)分供給[28-29]。因此，與單施化肥相比，有機(jī)無機(jī)肥配施可增加玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性。隨著試驗(yàn)?zāi)晗拊黾樱薈K和N處理，化肥配施及其與有機(jī)肥配施下玉米產(chǎn)量的SYI值增加，且低量有機(jī)肥配施處理高于高量有機(jī)肥配施處理，各處理間差異不顯著，其原因是本研究中最高產(chǎn)量選用的是同一處理歷年產(chǎn)量的最大值，因此縮小了各個(gè)處理玉米產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)的差異。然而，在印度小麥-大豆輪作體系中，長期施用化肥作物產(chǎn)量降低，SYI值降低，主要和土壤酸化有關(guān)[22]。也有研究表明，作物產(chǎn)量的SYI值均在0.50以上[22,30]，高于本試驗(yàn)結(jié)果，這主要和研究時(shí)間有關(guān)，本試驗(yàn)研究長達(dá)40年，年際間氣候(溫度、降水等)變化較大，導(dǎo)致玉米產(chǎn)量變化較大(圖1和圖2)，造成玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性指數(shù)降低。其中，2015年玉米生育期降水量較多年平均減少了29.3%，當(dāng)年玉米病蟲害頻發(fā)，導(dǎo)致玉米產(chǎn)量大幅度降低，玉米產(chǎn)量除了受施肥措施的影響還主要受生育期降水的影響[8]。

玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性不僅受品種的穩(wěn)定性、生物非生物環(huán)境脅迫的耐受性和抵抗力的影響，同時(shí)也依賴于施肥管理措施的優(yōu)化[31]。化肥配施或其與有機(jī)肥配施，玉米產(chǎn)量年際間變異系數(shù)降低(表1)，穩(wěn)定性較強(qiáng)，且試驗(yàn)后20年高于前20年，表明玉米對外界環(huán)境和栽培措施的耐受能力增強(qiáng)。同時(shí)，40年試驗(yàn)中，玉米品種的更換也是導(dǎo)致其產(chǎn)量穩(wěn)定性提高的原因之一。作物品種類型、環(huán)境等對其產(chǎn)量穩(wěn)定性的影響主要來自于基因型與環(huán)境互作，互作效應(yīng)越大，對作物產(chǎn)量穩(wěn)定性影響越大，該品種產(chǎn)量的穩(wěn)定性越低[32]。在隴東旱塬上38年的長期試驗(yàn)表明，氮磷肥配施或其配施有機(jī)肥與單施氮肥相比，均可顯著提高春玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性[8]。高洪軍等[2]的研究也發(fā)現(xiàn)東北黑土區(qū)玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性較高，變異系數(shù)較低，有機(jī)無機(jī)肥配施介于10.8%～13.0%，低于本研究結(jié)果，這主要和黑土土壤有機(jī)質(zhì)含量高，基礎(chǔ)肥力高有關(guān)。可見，平衡施用化肥或化肥與有機(jī)肥配施可保持玉米產(chǎn)量較好的穩(wěn)定性。但各處理間無顯著差異，主要是由于作物產(chǎn)量穩(wěn)定性反映的是同一施肥處理產(chǎn)量數(shù)據(jù)在各年份的波動(dòng)情況，即演變趨勢，與各處理產(chǎn)量的高低沒有直接關(guān)系[33]。此外，在試驗(yàn)前20年和后20年，除了N處理，氮磷鉀肥配施或其配施有機(jī)肥均可提高肥料貢獻(xiàn)率，但處理間差異不顯著，這主要是由于年際間溫度、降水的差異導(dǎo)致玉米產(chǎn)量的差異，且隨著施肥年限的增加，各處理玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性增加，縮小了處理間肥料貢獻(xiàn)率的差異。與相關(guān)研究[11,34]結(jié)果一致，本研究中有機(jī)肥配施氮磷鉀化肥增加了玉米氮素吸收量，M1NPK和M2NPK處理較NPK處理分別增加了17.8%和12.5%。可見，均衡施肥(氮磷鉀化肥配施或與有機(jī)肥配施)可顯著提高玉米產(chǎn)量年際間的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，提高地上部吸氮量，且低量有機(jī)肥與氮磷鉀化肥配施效果最優(yōu)，對維持玉米高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)有巨大作用。

3.2 長期施肥下土壤礦質(zhì)氮變化

長期施用化肥、有機(jī)肥或有機(jī)肥與化肥配施均可提高土壤各土層及0—100 cm土層礦質(zhì)氮貯量，主要因?yàn)檫B續(xù)40年施肥造成土壤氮素累積，礦質(zhì)氮源增加。施用化肥40年，土壤礦質(zhì)氮主要分布在0—40和80—100 cm土層，且N處理土壤礦質(zhì)氮含量顯著高于化肥配施處理。大量研究表明，長期施用氮肥土壤剖面礦質(zhì)氮(特別是硝態(tài)氮)累積顯著增加，且施氮量增加，累積量增加，增加了氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)[35-37]。配施有機(jī)肥可減緩礦質(zhì)氮向土壤深層遷移，降低深層土壤礦質(zhì)氮的累積，減少農(nóng)田氮素淋溶損失，這主要與長期配施有機(jī)肥導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)運(yùn)移方式產(chǎn)生差異有關(guān)。張若揚(yáng)等[38]發(fā)現(xiàn)單施化肥各處理土壤40—60 cm礦質(zhì)氮?dú)埩袅枯^配施有機(jī)肥處理提高了18%。本研究中，配施低量有機(jī)肥，土壤礦質(zhì)氮含量增加，但80—100 cm土層降低。其中，M1NPK處理土壤0—100 cm礦質(zhì)氮貯量顯著低于其他配施處理，為127 kg/hm2，可降低土壤氮素?fù)p失。在褐潮土上總氮投入量相同的條件下，化肥配施有機(jī)肥處理較單施化肥處理土壤氮素淋溶率降低了8%～20%，且以硝態(tài)氮為主[4]。馬力等[39]研究表明，長期施用化肥土壤氮素向下遷移損失，污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)高于施用有機(jī)肥的土壤，而長期施用有機(jī)肥及其配施氮肥或同時(shí)配施氮肥和秸稈對提高耕層土壤供氮能力有更明顯的效果，有利于維持農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。配施有機(jī)肥降低土壤氮素淋溶損失主要是由于有機(jī)肥礦化分解過程中微生物消耗土壤部分氮素，增加礦質(zhì)氮的微生物固持，降低土壤中礦質(zhì)氮累積[40-42]。然而，施用高量有機(jī)肥，土壤氮素盈余，增加了氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)[35]。高量有機(jī)肥配施處理土壤0—100 cm礦質(zhì)氮含量及累積量高于低量有機(jī)肥各處理，主要與長期的氮素輸入和有機(jī)肥中氮素的礦化釋放有關(guān)。因此，合理的有機(jī)肥施用量可獲得農(nóng)業(yè)和環(huán)境的長期可持續(xù)性[43]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)避免過量施用有機(jī)肥。

3.3 長期施肥下土壤微生物量氮變化

微生物是土壤養(yǎng)分循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力，調(diào)控著土壤中各個(gè)生化過程，是土壤肥力高低的評價(jià)指標(biāo)之一。微生物量氮是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的活性庫也是活性源，對土壤供氮具有重要作用。配施有機(jī)肥土壤微生物量氮含量均增加，M1NPK、M2NPK處理土壤微生物量氮含量相較NPK處理分別提高了39%、30% (0—20 cm土層)和218%、268% (20—40 cm土層)，這主要和配施有機(jī)肥改善了土壤理化性質(zhì)，并為微生物生長提供了充足的碳源和營養(yǎng)物質(zhì)，提高了微生物活性有關(guān)[44]，也是配施有機(jī)肥保持和提高土壤肥力的一個(gè)重要原因。很多研究也表明配施有機(jī)肥有利于提高土壤微生物生物量，而長期施用化肥對土壤微生物生物量影響不大[38,45]，其主要是由于有機(jī)肥可為微生物的生長繁殖提供能源物質(zhì)碳素和營養(yǎng)物質(zhì)氮素，而長期施用化肥土壤碳源有限，C/N值降低，降低了微生物活性[46-47]。在這一過程中，其他因素如土壤養(yǎng)分，施肥種類和施肥量，土壤溫度、水分，氣溫、降水等均會影響微生物量氮的變化。因此，配施有機(jī)肥可有效增加土壤微生物量氮含量，對玉米產(chǎn)量增加具有促進(jìn)作用。關(guān)于長期不同培肥下土壤微生物量氮的變化及其對土壤供氮的影響機(jī)制還有待深入研究。

4 結(jié)論

1)長期不同培肥措施下，玉米產(chǎn)量在試驗(yàn)前期平穩(wěn)，后期變化幅度較大。氮磷鉀肥配施或其與有機(jī)肥配施有利于提高棕壤農(nóng)田玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性及可持續(xù)性；M1NPK處理肥料貢獻(xiàn)率最高。

2)配施有機(jī)肥40年，玉米地上部吸氮量顯著增加，M1NPK和M2NPK處理最高，分別較NPK處理增加了17.8%和12.5%，玉米氮素吸收量的增加進(jìn)一步促進(jìn)了玉米產(chǎn)量的增加，肥料貢獻(xiàn)率提高。配施低量有機(jī)肥(13.5 t/hm2)可降低土壤特別是深層土壤(80—100 cm)礦質(zhì)氮累積，M1NPK處理0—100 cm土層土壤礦質(zhì)氮貯量為127 kg/hm2，顯著低于M1N和M1NP處理，可減少氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)。長期配施有機(jī)肥增加了0—40 cm土層土壤微生物量氮含量，較高的微生物量氮可作為有機(jī)氮庫增加土壤供氮。

3)在東北棕壤旱地上，氮磷鉀化肥配施低量有機(jī)肥(13.5 t/hm2)可實(shí)現(xiàn)玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，降低深層土壤礦質(zhì)氮累積，同時(shí)提高土壤微生物量氮含量，增加其在土壤中累積，是較好的施肥模式。