长期施肥棕壤大豆产量的演变及土壤氮素分布特征

刘玉颖，沈丰，杨劲峰，蔡芳芳，付时丰，罗培宇，李娜，戴健，韩晓日

长期施肥棕壤大豆产量的演变及土壤氮素分布特征

刘玉颖，沈丰，杨劲峰，蔡芳芳，付时丰，罗培宇，李娜，戴健，韩晓日

沈阳农业大学土地与环境学院/农业农村部东北玉米营养与施肥科学观测实验站/土肥高效利用国家工程研究中心，沈阳 110866

【目的】探究长期不同施肥模式下，东北棕壤大豆产量的演变、稳定性和可持续性及土壤氮素累积分布特征，为该地区制定合理的施肥措施，实现大豆的可持续绿色生产提供科学依据。【方法】基于始于1979年的棕壤肥料长期定位试验，轮作体系为玉米-玉米-大豆，选取其中的12个处理，分为化肥区：不施肥（CK）、单施氮肥（N）、氮磷肥配施（NP）、氮磷钾肥配施（NPK）；
低量有机肥区：单施低量有机肥（M1）、低量有机肥与化肥配施（M1N、M1NP、M1NPK）；
高量有机肥区：单施高量有机肥（M2）、高量有机肥与化肥配施（M2N、M2NP、M2NPK）。分析长期不同施肥下大豆产量的演变规律以及39年轮作施肥对大豆氮素吸收与收获期土壤氮素累积分布的影响。【结果】与不施肥处理（CK）相比，各施肥处理大豆平均产量均显著提高，且低量有机肥区和高量有机肥区大豆平均产量高于化肥处理，M1NPK和M2NPK处理平均产量最高，分别为3 147和3 238 kg·hm-2，较NPK处理提高了9.5%和12.7%。灰色-线性回归模型结果表明，施用有机肥或有机肥与化肥配施处理年际可得趋势产量显著高于单施化肥处理。低量有机肥区各处理大豆产量的变异系数最低，稳定性好，产量可持续性指数（YSI）较高，介于0.41—0.51，均高于高量有机肥区各处理。配施有机肥大豆季肥料贡献率提高，但低量与高量有机肥区差异不显著。配施有机肥39年，大豆植株吸氮量较单施化肥处理增加，以低量有机肥区的M1NPK处理最高，为314.2 kg·hm-2。低量有机肥区，土壤矿质氮主要累积在0—60 cm土层，60—100 cm土层矿质氮累积量较低；
有机肥与化肥配施各处理0—80 cm土层矿质氮累积高于M1处理，可为作物吸收提供有效氮源，但80—100 cm土层矿质氮较上层土壤降低，减少了氮素淋失风险；
其中，M1NPK处理0—60 cm土层矿质氮累积最高，60—100 cm随土层深度增加矿质氮累积呈持续降低趋势，而高量有机肥区M2NPK处理则呈现先降低后增加的趋势。有机无机肥配施39年增加了0—20 cm土层全氮及微生物量氮含量，且高于20—40 cm土层。M1NPK和M2NPK处理0—20 cm土层全氮含量较NPK处理分别增加了13.9%和5.5%，微生物量氮含量分别增加了32.6%和92.1%。【结论】长期不同施肥影响作物产量、氮素吸收与土壤氮素分布。在东北棕壤地区玉米-玉米-大豆轮作体系中，玉米季氮磷钾化肥配施低量有机肥（13.5 t·hm-2），大豆季仅施用氮磷钾化肥改变土壤氮素分布与累积，进而影响大豆地上部氮素吸收，可增加大豆产量，提高产量的稳定性与可持续性。长期配施低量有机肥大豆收获期土壤全氮及微生物量氮含量增加，增加了土壤供氮量；
同时深层土壤矿质氮累积降低，减少了氮素淋溶风险，有利于大豆的可持续绿色生产，是该轮作体系较为合理的施肥方式。

棕壤；
大豆；
产量稳定性与可持续性；
灰色-线性回归模型；
矿质氮；
微生物量氮

【研究意义】大豆富含蛋白质和多种营养元素，是我国主要的粮油兼用型作物。作为一种高固氮作物，大豆在轮作体系中具有提高土壤肥力、维持农田土壤氮素平衡的作用，在农业生产中具有重要地位。我国东北地区是保障国家粮食安全的重要“粮仓”[1]，2020年我国大豆播种面积较2019年增长了4.7%，东北地区大豆种植面积与产量分别占全国的46.9%和45.0%[2]。为了满足人口日益增长的需求，到2050年，世界大豆产量需要提高80%[3]。施肥作为田间管理措施之一，对实现作物高产具有重要作用。但有研究发现，小麦-玉米、小麦-水稻与双季稻轮作体系中，长期施肥作物产量呈下降趋势[4-6]。因此，从长远考虑，作物产量的稳定性和可持续性越来越受到关注。氮素是作物生长发育所必需的大量营养元素，氮素循环在农田生态系统中发挥着重要作用。探究大豆产量的演变规律及土壤氮素累积分布特征有利于维持农田土壤生态系统的稳定性，促进农业的可持续绿色发展。【前人研究进展】施肥是增产稳产的主要农业措施之一。张鑫[7]研究表明，长期有机物料与氮磷钾化肥配施的增产效果最好，且大豆产量的可持续性优于单施有机肥或化肥。其在安徽省萧县的定位试验发现，与不施肥处理相比，长期施肥大豆多年平均产量增加，氮磷钾化肥与粪肥配施平均增产率达188.0%；
长期施肥大豆产量变异系数（CV）降低、可持续性指数（YSI）提高，氮磷钾肥配施YSI值为0.62，施用有机肥为0.63。同样，在安徽省蒙城县的研究也表明，与氮磷钾化肥配施相比，氮磷钾化肥配施秸秆或粪肥大豆产量的CV值较低、YSI值较高，氮磷钾化肥与粪肥、饼肥配施的CV值最低（12.2%）、YSI值最高（0.72）。60多年的长期试验也表明，有机无机肥配施降低了甜菜-冬小麦-春大麦轮作体系的生产风险，作物产量稳定性提高[8]。高洪军等[9]在东北黑土区的研究发现，不施肥、磷钾肥配施和氮钾肥配施玉米产量变异系数介于18.5%—34.7%；
化肥配施有机肥介于10.8%— 13.0%，玉米产量的年际波动降低，稳定性较好。土壤中的氮素90%以上以有机态氮形式存在，这部分有机氮矿化释放后可为作物提供氮源，供作物吸收[10]；
还有少部分以矿质氮形态存在，矿质氮主要包括硝态氮和铵态氮，可直接被作物吸收利用[11]。长期施用氮肥，土壤矿质氮含量增加，且随施氮量增加，土壤深层矿质氮含量与累积量显著增加，氮素淋失风险增加[12-13]。施用有机肥较单施化肥能调控硝态氮累积峰下移，但有机肥的不合理施用会导致硝态氮发生淋失[14]。在我国华北平原，氮磷钾化肥配施显著增加了40—100 cm土层矿质氮储量，较有机无机肥配施处理提高了60%，配施有机肥可降低60—100 cm土层矿质氮累积，降低氮素淋失风险，有利于保护地下水源，提高氮肥利用率[15]。长期配施有机肥土壤全氮、有机氮及活性氮库（微生物量氮）含量的增加[16]，可进一步促进土壤供氮并固持易损失的矿质氮和肥料氮，进而减少无机氮的淋溶损失[17]。【本研究切入点】东北地区是我国最大的大豆主产区，玉米-玉米-大豆轮作是该地区重要的轮作方式。恰当的栽培措施与合理施肥是大豆高产稳产、提升品质的重要因素[18]。然而，近年来该地区农业生产中化肥用量增加，有机肥用量降低，造成土壤肥力下降，肥料利用率降低，并带来严重的环境污染问题，农业生产面临很大的挑战[19]。开展长期施肥条件下大豆产量的演变规律、土壤氮素累积分布特征及其对环境的影响研究对于指导东北棕壤地区合理施肥，实现大豆绿色可持续生产具有重要意义。【拟解决的关键问题】本研究基于东北棕壤肥料长期定位试验，明确长期不同施肥模式下大豆产量的演变规律、稳定性和可持续性，阐明39年轮作施肥土壤剖面氮素累积分布特征，为制定合理的施肥措施，培肥土壤，维持大豆的高产稳产提供科学依据。

1.1 试验地概况

本研究在棕壤肥料长期定位试验站进行，该试验始于1979年，位于辽宁省沈阳农业大学棕壤肥料长期定位试验基地（北纬40°48′，东经123°33′）。试验地处于松辽平原南部中心地带，属于温带湿润-半湿润季风气候。该地区春季少雨，降雨多集中在作物生长旺季（7—8月），多年平均降雨量为547 mm，蒸发量为1 436 mm，无霜期140—180 d。年平均气温8.5 ℃，5—9月平均气温21.2 ℃。试验供试土壤为棕壤，是发育在第四纪黄土性母质上的简育湿润淋溶土，是辽宁省主要耕作土壤之一。1979年试验开始前0—20 cm土层基本理化性质：全氮0.80 g·kg-1、碱解氮105.5 mg·kg-1、全磷0.38 g·kg-1、速效磷6.50 mg·kg-1、全钾21.1 g·kg-1、速效钾97.9 mg·kg-1、有机质15.9 g·kg-1、pH 6.50。试验采用玉米-玉米-大豆轮作体系，一年一熟制，大豆全生育期130—150 d。本研究涉及的试验内容为1979—2017年大豆籽粒产量、2017年大豆收获期地上部吸氮量、0—100 cm土层土壤样品采集与全氮、矿质氮、微生物量氮等指标测定结果。图1为1979—2017年大豆季年降水量、生育期降水量与年平均温度。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主处理为化肥、低量有机肥、高量有机肥，副处理为5个处理，共15个组合处理。本研究选取其中的12个处理，分为化肥区：不施肥（CK）、单施氮肥（N）、氮磷肥配施（NP）、氮磷钾肥配施（NPK）；
低量有机肥区：单施低量有机肥（M1）、低量有机肥与化肥配施（M1N、M1NP、M1NPK）；
高量有机肥区：单施高量有机肥（M2）、高量有机肥与化肥配施（M2N、M2NP、M2NPK）。试验采用玉米-玉米-大豆轮作体系，每3年种植一季大豆。小区面积为160 m2（16 m×10 m），各处理氮、磷和钾肥用量相同。有机肥为猪厩肥，近40年平均养分含量为有机碳83.5 g·kg-1，全氮（N）7.2 g·kg-1，P2O58.7 g·kg-1，K2O 10.0 g·kg-1。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。所有肥料均作为基肥，在播种前一次性撒施，翻耕后，与0—20 cm耕层土壤混匀。大豆季施肥量为氮肥（N）30 kg·hm-2、磷肥（P2O5）90 kg·hm-2、钾肥（K2O）90 kg·hm-2、低量有机肥（M1）为13.5 t·hm-2（干重）、高量有机肥（M2）为27 t·hm-2（干重）。由于长期施用有机肥大豆产量有下降趋势，因此，从1992年起，各有机肥处理中，玉米季正常施用有机肥，大豆季不再施用，化肥正常施用。供试大豆为当地常用品种，2017年为辽豆15，大豆垄宽为60 cm，株距为11 cm，播种量为150 000 株/hm2。大豆于每年4月底施肥、播种，10月初收获，整个生育期无灌溉，田间管理与当地农户一致，收获后清理出秸秆，根茬还田。

图1 1979—2017年大豆季年降水量、生育期降水量及年平均温度

1.3 样品采集与分析

1.3.1 样品采集 大豆收获期采集植株样品，在每个小区中分设3个次级小区，作为每个处理的重复，面积为6 m×5 m。在每个次级小区中随机选取2条垄，长2 m，作为计产区，共3个计产区。将计产区的大豆植株全部收获，装入网兜，风干后考种，分为籽粒、豆荚和茎叶三部分。取部分样品于65℃烘箱烘干至恒重，称量干重并计算大豆产量（折算成14%含水量：大豆产量=大豆烘干产量/（1-14%））。此外，在计产区以外，每个次级小区采用5点取样法（即在小区的中间和四角各自随机采集一个样品）采集大豆植株，混合作为该小区的植物分析样品，并于90 ℃烘箱中烘30 min，65 ℃烘干并粉碎，用于植株样品氮含量测定。

于大豆播种前和收获期，分别采集0—20、20— 40、40—60、60—80、80—100 cm土层的土壤样品，每个次级小区随机采集2点，同层样品去除砾石、植物根系等杂物后充分混匀作为一个分析样品，密封后带回实验室，4 ℃保存，测定土壤含水量、全氮、硝态氮、铵态氮及微生物量氮含量。

1.3.2 样品测定 植株样品全氮含量用浓H2SO4- H2O2消煮，凯氏定氮法测定。土壤全氮含量采用元素分析仪测定。土壤硝态氮和铵态氮含量的测定用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提（土液比为1﹕10），连续流动分析仪（AA3）测定（各土层土壤矿质氮储量（kg·hm-2）=土层厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤矿质氮含量（mg·kg-1）/10）。土壤微生物量氮含量用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定[20]：熏蒸与未熏蒸土样用0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提，总有机碳氮分析仪（Elementar TOC+N，德国）测定浸提液中有机氮含量，熏蒸与未熏蒸土样的有机氮差值除以转换系数（0.54）即为土壤微生物量氮含量。

1.4 数据计算与统计分析

（1）产量可持续性指数（yield sustainable index，YSI）是衡量系统能否持续生产的一个重要参数，YSI值越大，系统的可持续性越好，计算公式如下：

（2）变异系数（coefficient of variation，CV）能够衡量同一作物不同年份平均产量间的变异程度，表示作物产量的稳定性，CV值越大，产量稳定性越低，由下式计算：

（3）地上部吸氮量（kg·hm-2）=[籽粒氮含量（g·kg-1）×籽粒产量（kg·hm-2）+茎叶氮含量（g·kg-1）×茎叶生物量（kg·hm-2）+豆荚氮含量（g·kg-1）×豆荚生物量（kg·hm-2）]/1000。

（4）肥料贡献率（contribution of fertilization to yield，COF）（%）=[施肥处理产量（kg·hm-2）-不施肥处理产量（kg·hm-2）]/施肥处理产量（kg·hm-2）×100。

（5）土壤硝态氮累积量（kg·hm-2）=土层厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤矿质氮含量（mg·kg-1）/10。

（6）产量趋势指数相关研究大多根据相同处理的历年实际产量水平与对应试验年限构建一元线性趋势线，依据斜率（年变化值，kg·hm-2·a-1）评价年际产量的递增或递减[21-22]。但由于田间试验受到不可控因子影响，导致年际间实际产量波动较大，上述常规方法得到的一元线性回归模型几乎没有统计学意义[23]。因此，应用灰色系统理论的一次累加生成原理[24]，将年际作物产量看成是灰色量，利用灰色理论和线性回归理论，建立灰色—线性回归模型。设Y(0)是某个施肥模式的年际产量序列，k表示试验年限，k = 1，2，3，…，n，Y(1)是年际产量序列的一次累加生成序列，计量单位为kg·hm-2。

原始序列为：

Y(0)= [Y(0)(1)，Y(0)(2)，Y(0)(3)，…，Y(0)(k)]

经过一次累加生成的新序列为：

Y(1)= [Y(1)(1)，Y(1)(2)，Y(1)(3)，…，Y(1)(k)]

其中：

Y(1)(1) = Y(0)(1)

Y(1)(2) = Y(0)(1) + Y(0)(2)

Y(1)(3) = Y(0)(1) + Y(0)(2) + Y(0)(3)

一般的有：

该回归模型表达式为：

Y = y0+ ak

根据微积分原理，a即为年际可得趋势产量均值，a值的置信区间可定量评价不同施肥模式的作物趋势产量[25]。

运用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件对试验数据进行处理和统计分析，运用SigmaPlot 12.5软件建立灰色—线性回归模型和绘图。

2.1 长期施肥下大豆产量的演变

不同施肥下大豆产量年际间变化呈动态波动趋势（图2）。1989年前各处理大豆产量变化较为平稳，1989年后变幅较大，在2005年达到最高值。化肥区，与不施肥处理（CK）相比，各施肥处理大豆产量均明显增加，其中，氮磷钾肥配施处理（NPK）大豆产量最高，在2011年达到最高值，为4 359 kg·hm-2。长期不施肥处理大豆产量较低，年际间变化较为平稳，2017年最低，为807 kg·hm-2。低量有机肥区，各处理大豆产量变化趋势相同，M1NP和M1NPK处理产量较高，2011年最高，且M1NPK处理大豆产量为4 901 kg·hm-2。类似地，高量有机肥区各处理大豆产量变化趋势类似，且M2NPK处理产量较高，在2005年最高为5 788 kg·hm-2。低量有机肥区和高量有机肥区各处理大豆产量较化肥区有所增加，有机肥和化肥配施增加大豆产量的效果较好。

2.2 长期施肥下大豆产量的演变趋势

各施肥处理下，大豆产量与试验年限间存在典型的线性关系（灰色-线性回归模型）（图3）。化肥区，各施肥处理大豆产量高于CK处理，由高到低依次为NPK>NP>N>CK处理；
低量有机肥区和高量有机肥区各处理间差异不大。一元线性回归模型发现（表1），配施有机肥，大豆年际可得趋势产量均值（a值）显著高于单施化肥。化肥区，NPK处理趋势产量最高；
低量有机肥区，M1处理大豆趋势产量较低，M1NP、M1NPK处理较高；
高量有机肥区各处理大豆趋势产量均较高，且由高到低依次为M2NPK（806 kg·hm-2）> M2N（789 kg·hm-2）> M2（788 kg·hm-2）> M2NP（769 kg·hm-2）。CK处理趋势产量的95%置信区间为328—454 kg·hm-2，与其他施肥处理不重叠；
而配施有机肥各处理在95%置信区间出现较大重叠，但与化肥区各处理重叠较少，配施有机肥处理大豆趋势产量显著高于单施化肥处理。各处理回归模型值均达到极显著水平，描述产量变异方差解释能力的拟合优度2值达到95%以上。

图2 长期施用化肥（A），低量有机肥与化肥配施（B）和高量有机肥与化肥配施（C）条件下大豆产量年际变化

图3 长期施用化肥（A）、低量有机肥与化肥配施（B）和高量有机肥与化肥配施（C）条件下大豆累加产量随试验年限的变化

表1 长期不同施肥模式下大豆累加产量趋势灰色线性模型

一元回归方程中，Y表示产量，k表示试验年限，a表示斜率（年际趋势产量），***：＜0.001。配对样本T检验结果：低量有机肥区大豆年际可得趋势产量显著高于化肥区（＜0.05）；
高量有机肥区显著高于化肥区（＜0.05）

In the univariate regression equation, Y represents the yield, k represents the experimental year, a represents the slope (interannual trend yield), ***:＜0.001. The paired sample T test showed that application with manure at a low or high rate combined with chemical fertilizer significantly increased the soybean interannual yield compared with that at treatments with chemical fertilizer alone (＜0.05)

2.3 长期施肥下大豆产量的稳定性与可持续性

与不施肥CK相比，施肥可显著提高大豆平均产量（表2）。在化肥区，化肥配施大豆平均产量高于单施氮肥处理，其中，NPK处理产量最高，为2 873 kg·hm-2；
低量和高量有机肥区各处理大豆平均产量显著高于化肥区各处理，分别以M1NPK和M2NPK处理最高，为3 147和3 238 kg·hm-2，较NPK处理分别提高了9.5%和12.7%。不同施肥措施下大豆产量的稳定性和可持续性不同。化肥区，单施氮肥（N）大豆产量的变异系数最高（44.6%），可持续性指数值（YSI）最低（0.33），大豆产量的稳定性与可持续性较低；
配施低量有机肥，大豆产量的变异系数有所降低，介于27.3%—36.3%，YSI增加，介于0.41— 0.51，产量稳定性和可持续性增加；
配施高量有机肥大豆产量稳定性与可持续性均降低。肥料贡献率反映了投入各肥料的生产能力，施肥39年，长期单施氮肥处理氮肥贡献率最低（16.9%），显著低于化肥配施和化肥有机肥配施各处理。化肥配施有机肥肥料的贡献率高于单施化肥处理，低量和高量有机肥区平均肥料贡献率较化肥区分别提高了46.8%和44.3%，配施低量有机肥提升肥料贡献率的效果好于高量有机肥。可见，化肥与低量有机肥配施能够保证大豆高产稳产。

2.4 长期施肥下大豆地上部吸氮量

长期不同施肥影响大豆地上部氮素吸收（图4）。施肥39年，大豆地上部吸氮量以CK处理最低，为68.4 kg·hm-2；
M1NPK处理最高，达314.2 kg·hm-2，显著高于其他处理。化肥区，与CK处理相比，施用化肥大豆吸氮量显著增加，以NPK处理最高，与其他单施化肥处理差异显著。配施有机肥大豆地上部吸氮量增加，低量和高量有机肥区以M1NPK和M2NPK最高，其中，M1NPK处理较NPK和M2NPK处理显著提高了46.8%和26.8%。

2.5 长期施肥下大豆收获期土壤氮素累积分布

2.5.1 土壤全氮 长期不同施肥造成棕壤0—40 cm土层全氮含量不同（图5），且配施有机肥处理土壤0—20和20—40 cm土层全氮含量较单施化肥处理有所增加。施肥39年后，大豆收获期0—20 cm土层全氮含量高于20—40 cm土层。化肥区，0—20 cm土层全氮含量以NPK处理最高，达1.44 g·kg-1，显著高于CK、N和NP处理；
20—40 cm土层也以NPK处理最高，为0.84 g·kg-1。低量有机肥区，化肥配施有机肥各处理0—20 cm土层全氮含量显著高于M1处理，但处理间差异不显著，其中，M1NPK处理土壤全氮含量为1.64 g·kg-1，较NPK处理提高13.9%，其20—40 cm为0.99 g·kg-1，显著高于其他处理。高量有机肥区各处理0—20与20—40 cm土层全氮含量高于低量有机肥区和化肥区，M2NPK处理0-20 cm土壤全氮含量较NPK处理提高了5.5%，但各处理间差异不显著。

表2 长期不同施肥下大豆平均产量、产量变异系数、可持续性指数及肥料贡献率

不同小写字母表示处理间差异显著（＜0.05），不同大写字母表示化肥区、低量有机肥区和高量有机肥区间差异显著（＜0.05）

Different lowercase letters represent significant differences among treatments (＜0.05). Different uppercase letters indicate significant differences among chemical fertilizer alone and that combined with manure at a low and high rate (＜0.05)

柱上不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著

2.5.2 土壤矿质氮 长期不同施肥造成了土壤0— 100 cm土层矿质氮分布的差异（图6-A，6-C，6-E）。施肥39年后，化肥区除了N处理外，大豆收获期土壤矿质氮主要累积在0—40 cm土层。0—100 cm土层N处理矿质氮累积量较高，40—100 cm土层，在60 cm处出现累积峰，为50.82 kg·hm-2，80和100 cm土层的矿质氮高于NP和NPK处理，分别为36.35和35.78 kg·hm-2。化肥配施有机肥土壤剖面矿质氮增加。低量有机肥区各处理土壤矿质氮主要累积在0—60 cm土层，在80—100 cm土层有下降趋势。有机肥配施化肥土壤矿质氮高于M1处理；
M1NPK处理0—100 cm土层矿质氮最高，且在40 cm处出现累积峰，为82.74 kg·hm-2，在40—100 cm土层矿质氮随着土层的加深降低。类似地，高量有机肥区各处理土壤矿质氮主要累积在0—60 cm土层，80—100 cm土层有下降趋势，M2NPK处理在60 cm处出现累积峰，为51.48 kg·hm-2。

柱上不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。图6、7同

图6 长期施用化肥（A和B）、低量有机肥与化肥配施（C和D）和高量有机肥与化肥配施（E和F）条件下大豆收获期0—100 cm土层矿质氮分布与储量（2017年）

长期不同施肥下棕壤0—100 cm土层矿质氮储量不同（图6-B，6-D，6-F），配施有机肥土壤矿质氮储量增加。长期施用化肥39年，N处理大豆收获期0—100 cm土层矿质氮储量最高，为196.9 kg·hm-2，与化肥区其他处理间差异显著；
与N处理相比，NPK处理0—100 cm土层矿质氮储量显著降低了162.5%。低量有机肥区，M1NPK处理0—100 cm土层矿质氮储量最高，为283.8 kg·hm-2，显著高于其他处理。高量有机肥区，M2NPK处理0—100 cm土层矿质氮储量最高，与其他处理差异显著。

2.5.3 土壤微生物量氮 长期不同施肥下棕壤0—40 cm土层微生物量氮分布存在差异（图7）。各施肥处理0—20 cm土层土壤微生物量氮含量高于20—40 cm土层；
有机无机肥配施处理高于单施化肥处理。施用化肥39年，N处理大豆收获期0—20 cm土层微生物量氮含量显著高于CK、NP和NPK处理。配施低量有机肥，0—20 cm土层土壤微生物量氮含量较单施化肥增加，M1、M1N、M1NP和M1NPK处理较CK、N、NP和NPK处理分别提高了41.0%、44.8%、74.0%和32.6%；
0—20和20—40 cm土层M1N处理土壤微生物量氮含量最高，较M1处理分别提高了74.7%和83.5%。配施高量有机肥，土壤微生物量氮含量较低量有机肥区增加，0—20和20—40 cm土层高量有机肥区各处理较低量有机肥区各处理微生物量氮含量平均分别增加了11.9%和10.0%。

图7 长期施用化肥（A）、低量有机肥与化肥配施（B）和高量有机肥与化肥配施（C）条件下大豆收获期0—40 cm土壤微生物量氮含量（2017年）

3.1 长期施肥下大豆产量变化

作物产量是评价施肥是否合理的重要指标[26-27]。许多研究表明，土壤地力显著影响作物产量。配施有机肥土壤容重和紧实度降低，土壤总孔隙度和饱和导水率提高，土壤疏松多孔，增加了降水的入渗能力，有利于养分运输和吸收。同时，施用有机肥可提高土壤保水保肥能力，减少养分损失，进而促进作物生长[28-29]。施肥39年，化肥区、低量有机肥区和高量有机肥区各处理大豆产量随试验年份的变化趋势类似，前期变化较为平稳，后期变化幅度较大。各施肥处理平均产量均显著高于不施肥CK处理，氮磷钾肥配施或有机肥化肥配施的增产效果较好，其中，有机肥与化肥配施对大豆产量提高效果最为显著，这与前人的研究结果一致[7,30-31]。主要是由于化肥配施有机肥模式下，土壤物理与生化环境优良[32]，化肥的施入能够充分供应作物生长所需养分，弥补了单施有机肥养分供应不足的缺陷；
有机肥的施入增加了土壤肥力，避免了单施化肥土壤有机质含量偏低的问题。2005年大豆产量较高，主要与2005年降水较充足，温度较适宜有关（图1）。因此，在东北棕壤旱地上，玉米—玉米—大豆轮作系统中，应提倡在保证氮磷钾肥施用的基础上，玉米季配施有机肥，大豆季单施化肥的施肥模式。但在生产实践中，还应考虑气候等因素，适当调整施肥措施，以提高大豆产量。

作物趋势产量是评价高产稳产及轮作施肥模式优劣的重要指标。长期定位试验中，产量可持续性指数和变异系数反映了作物产量历年的波动状况，但作物的产量水平及其长期趋势在农业生产中更受关注[25]。本研究应用灰色系统理论的一次累加生成原理[24]，拟合历年大豆产量的一次累加生成数据，建立灰色-线性回归模型，以评价长期趋势产量状况。“灰”代表部分信息的不确定性，灰色系统在有限的时域内对控制系统进行优化，能够及时补偿由模型造成的时变、失配、随机干扰等不确定性因素，具有良好的稳健性，另外，灰色系统理论对统计样本的数据要求不高、排序显著、计算量较小，具有一定的实际应用价值[33]。由于大豆产量受随机因素的影响，将灰色-线性回归模型运用到本研究中能够较好地解决趋势产量的定量评价问题。研究表明大豆年际累加产量与试验年限间存在典型的线性关系（图3），可以依据斜率来评价产量随时间的变化情况；
同时，各处理的值均达到极显著水平，描述产量变异方差解释能力的拟合优度2值也均达到95%以上（表1），表明该一元线性回归模型具有极佳的拟合效果，具有统计学意义。CK处理大豆趋势产量的置信区间与其他施肥处理在95%置信区间内不重叠，揭示了各施肥处理大豆趋势产量显著高于CK处理。对低量有机肥区、高量有机肥区与化肥区进行配对样本T检验发现，低量（=0.033）、高量（=0.027）有机肥区各处理年际可得趋势产量均值（a值）显著高于单施化肥处理，长期配施有机肥大豆的年际可得趋势产量增加。

由于豆科作物的产量稳定性不如其他作物，种植制度多样化通常被认为能够增加其产量稳定性[34-35]。长期不同施肥措施下大豆产量的稳定性和可持续性不同，配施低量有机肥，大豆产量的变异系数降低，为27.3%—36.3%，产量稳定性增加，但变异系数高于东北黑土区玉米产量的变异系数（10.8%— 13.0%），这主要和作物种类不同及黑土基础肥力高有关[9]；
此外，配施低量有机肥大豆产量的可持续性指数（YSI）为0.41—0.51，较单施化肥增加。但配施高量有机肥大豆产量稳定性与可持续性均降低，这主要与有机无机肥配施处理在1992年之前不管是玉米还是大豆季均施用有机肥，施用有机肥使大豆植株生长过旺，后期倒伏严重，影响了产量，造成高量有机肥区大豆产量波动较大有关。前人研究表明，氮磷钾肥平衡施用或其与有机肥配施作物产量年际间变化幅度较小，产量稳定性增加，可持续性提高，主要与其增加了土壤养分供应和协调能力有关[7,30,36]。也有研究发现，大豆—小麦轮作体系中，作物产量的YSI值均在0.5以上[37]，高于笔者的结果，这主要由于本试验长达39年，年际间气候如温度、降水的变化造成大豆产量的变化，YSI值降低。此外，长期单施氮肥下氮肥贡献率（16.9%）显著低于化肥配施或其与有机肥配施，低量和高量有机肥区平均肥料贡献率较化肥区分别提高了46.8%和44.3%。可见，平衡施肥，特别是低量有机肥与氮磷钾肥配施更有利于提高肥料贡献率，保证大豆高产稳产。

3.2 长期施肥下土壤氮素分布特征

氮素是作物生长的必需营养元素之一，作物吸收的氮素50%以上来自土壤，其余来源于当季施用的肥料[38]。大量研究表明，施入土壤的氮肥低于50%被作物吸收，20%—50%的肥料氮残留在土壤中[12,39]。残留在土壤中的肥料氮在有机态氮、微生物同化、土壤晶格固定和游离的矿质氮之间保持动态平衡。长期不施肥39年，CK处理土壤全氮含量趋于稳定，较试验初始土壤略有增加（图5），这主要与大豆的生物固氮、根茬归还及大气沉降等有关；
长期施肥处理0—20 cm土层全氮含量提高，且随土层深度增加而降低，配施有机肥（低量和高量）土壤全氮含量较单施化肥增加，这与前人的研究一致，长期施肥和秸秆还田显著提高了表层（0—20 cm）土壤全氮含量，但在深层土壤中效果较弱[40]。土壤有机氮是土壤氮库的主要成分，是土壤健康的适宜指标之一，可支持作物生产并提供重要的生态系统服务，施用有机肥土壤有机氮库增加[40]，笔者的研究结果类似。配施有机肥土壤矿质氮分布改变，80—100 cm土层矿质氮含量降低；
0—100 cm土层矿质氮储量增加，其中，M1NPK处理最高，达283.8 kg·hm-2，且主要累积在0—60 cm土层，可为下季作物生长提供氮源，促进作物氮素吸收。CK处理与NP、NPK处理土壤矿质氮储量差异不显著，主要是由于长期种植大豆，生物固氮和作物根茬归还，CK处理土壤氮素维持在稳定水平，且大豆产量和地上部吸氮量均显著低于NP和NPK处理，土壤氮素降低较少。N处理土壤耕层矿质氮含量高于NP和NPK处理，主要原因是长期单施氮肥导致大豆产量和地上部吸氮量降低，氮肥利用率下降，大量肥料氮残留在土壤中，施肥39年后，出现土壤氮素累积；
而NP和NPK处理养分均衡，大豆产量和地上部吸氮量较高，氮肥利用率高于单施氮肥处理，残留在土壤中的氮素降低。高量有机肥区各处理土壤矿质氮储量低于低量有机肥区，这主要和有机肥用量增加，土壤碳源充足，有机碳增加，C/N大，有利于矿质氮的微生物固持，转化为有机氮有关[41]，这与高量有机肥区土壤全氮含量较高相一致。此外，M1N和M2N处理与N处理比较，60—100 cm土层矿质氮含量降低，M1N处理80—100 cm土层矿质氮含量降低更为明显，表明配施低量有机肥深层土壤矿质氮累积降低，可减少硝态氮淋溶风险。但有研究表明，不合理施用有机肥可造成硝态氮大量累积，在强降雨或灌水条件下被淋溶至土壤深层[42]。

土壤微生物量氮含量能够反映土壤肥力状况和土壤供氮水平[43]。长期施用有机肥，土壤微生物量及微生物活性提高，微生物量氮含量增加[44]。本研究中，长期配施有机肥，0—20 cm土层微生物量氮含量增加，且高于20—40 cm土层，这与之前的研究结果一致。施用有机肥增加土壤微生物量氮含量主要是由于有机无机肥配施为土壤微生物生长提供了良好的环境条件，充足的碳源和营养物质可促进微生物繁殖，进而提高土壤微生物生物量水平，也是配施有机肥保持和提高土壤肥力的重要原因[45]。然而，毕明丽等[46]研究发现长期单施有机肥（M）土壤微生物量氮含量低于氮磷钾化肥配施（NPK），且M处理土壤微生物群落结构与长期不施肥CK处理相似；
有机肥配施化肥可显著提高土壤微生物量氮含量。与其他研究类似[47-48]，配施高量有机肥土壤微生物量氮含量高于低量有机肥和单施化肥，较高的微生物量氮可作为土壤有机氮库增加土壤供氮，对大豆产量的增加具有促进作用。

综上，氮磷钾肥配施低量有机肥（玉米季施用有机肥与化肥，大豆季仅施用化肥）可保持大豆高产稳产，提高其产量可持续性，同时增加土壤氮素累积，降低80—100 cm土层矿质氮含量，降低氮素淋溶风险，是东北棕壤旱地较为适宜的施肥措施。

4.1 长期有机肥配施化肥显著增加大豆产量，低量、高量有机肥配施氮磷钾化肥（M1NPK、M2NPK）大豆平均产量最高，分别为3 147和3 238 kg·hm-2，较氮磷钾化肥配施（NPK）处理分别提高了9.5%和12.7%；
低量有机肥配施化肥大豆产量稳定性与可持续性较高，肥料贡献率增加。

4.2 有机无机肥配施下，大豆吸氮量增加，且低量有机肥配施化肥处理高于高量有机肥配施化肥处理，以M1NPK处理最高，达314.2 kg·hm-2，分别较NPK和M2NPK处理提高了46.8%和26.8%，大豆氮素吸收量的增加进一步促进了肥料贡献率的提高。长期配施有机肥0—100 cm土层矿质氮储量增加，但80—100 cm土层矿质氮含量较上层降低明显，减少了氮素淋溶风险；
土壤全氮及微生物量氮含量增加，土壤供氮能力增强。

4.3 在东北棕壤玉米-玉米-大豆轮作体系中，玉米季低量有机肥（13.5 t·hm-2）配施氮磷钾化肥，大豆季仅施用氮磷钾化肥可增加大豆产量，促进其氮素吸收，增加土壤全氮及微生物量氮含量，降低深层矿质氮累积，有利于培肥土壤和实现大豆高产稳产及绿色可持续生产，是较为合理的轮作施肥模式。

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Variation Characteristics of Soybean Yield and Soil Nitrogen Distribution in Brown Soil Under Long-Term Fertilization

LIU YuYing, SHEN Feng, YANG JinFeng, CAI FangFang, FU ShiFeng, LUO PeiYu, LI Na, DAI Jian, HAN XiaoRi

College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University/Monitoring & Experimental Station of Corn Nutrition and Fertilization in Northeast Region, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/National Engineering Research Center for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866

【Objective】The aim of this study was to explore the evolution, stability and sustainability of soybean yield and characteristics of soil nitrogen (N) distribution in brown soil under different fertilization in a long-term experiment, so as to provide a scientific basis for making reasonable fertilization managements and realizing sustainable and green production of soybean in northeast region with brown soil.【Method】This study was based on the long-term fertilization experiment with brown soil, which began in 1979 with the crop rotation system of maize-maize-soybean, and 12 of the treatments were selected, including 4 chemical fertilization treatments (no fertilization (CK), single N fertilizer (N), N and phosphorus (P) fertilizer mixed application (NP), and N, P, and potassium (K) fertilizer compound application (NPK) ), single application of manure at a low rate (M1), manure at a low rate combined with chemical fertilizer (M1N, M1NP, M1NPK), single application of manure at a high rate (M2), and manure at a high rate combined with chemical fertilizer (M2N, M2NP, M2NPK).The evolution of soybean yield under long-term different fertilization and the effects of 39-year crop rotation fertilization on nitrogen uptake of soybeans and soil nitrogen accumulation distribution at harvest stage were analyzed.【Result】Compared with the CK treatment, the average yield of soybean under each fertilization treatment was significantly improved, and those under the treatments with manure at low and high rate were higher than those at treatments with chemical fertilizer alone, and the average yield under M1NPK and M2NPK treatments were the highest with 3 147 and 3 238 kg·hm-2, respectively, which were 9.5% and 12.7% higher than that at NPK treatment. The results of the grey-linear regression showed that application with manure simply or combined with chemical fertilizer significantly increased the interannual yield compared with that with chemical fertilizer alone.The variation coefficient of soybean yield at treatments with manure at the low rate was the lowest with a high yield stability. The yield sustainability index (YSI) was higher ranging from 0.41 to 0.51, which was higher than that under treatments with manure at the high rate. Combined application of manure increased the contribution of fertilization to soybean yield, but without significant difference between treatments with manure at the low and high rate. After application of manure for 39 years, the soybean N uptake increased compared with the treatments with single chemical fertilizer, which was the highest at M1NPK treatment being 314.2 kg·hm-2.With application of manure at the low rate, soil mineral N mainly accumulated in 0-60 cm soil layers, and its accumulation at 60-100 cm soil depths was low. The mineral N accumulation in the 0-80 cm soil layers with application of manure and chemical fertilizer were higher than those under M1treatment, which would provide available N for crop, but the mineral N in the 80-100 cm soil layer was lower than that in the upper soil, which reduced the risk of N leaching. Among them, the mineral N accumulation in the 0-60 cm soil layers was the highest at M1NPK treatment, and the 60-100 cm soil layer showed a continuous decrease trend with the increase of soil depth, while the M2NPK treatment of the block with manure at the high rate showed a trend of first decreasing and then increasing. The soil total N and microbial biomass N were increased in the top 20 cm soil layer after fertilization with manure and chemical fertilizer for 39 years, which were higher than that in the 20-40 cm soil depth. Compared with NPK treatment, the total N concentration in the 0-20 cm soil layer under M1NPK and M2NPK treatments increased by 13.9% and 5.5%, respectively, where the microbial biomass N concentration increased by 32.6% and 92.1%, respectively.【Conclusion】Long-term fertilization affected crop yield, N uptake, and soil N distribution. In the maize-maize-soybean rotation system in the brown soil area of Northeast China, the application of N, P, and K fertilizer combined with manure at a low rate (13.5 t·hm-2) in the maize season, and the lonely application of N, P, and K fertilizer in the soybean season changed the soil N distribution and accumulation, and thus influenced the soybean N uptake, increased the soybean yield, improved the yield stability and sustainability. The increase of soil total N and microbial biomass N concentration at soybean harvest under long-term application of manure at a low rate increased the soil N supply, meanwhile the reduction of mineral N accumulation in deep soil reduced the risk of N loss by leaching, which was conducive to the sustainable and green production of soybean and was a reasonable fertilization method for this rotation system.

brown soil; soybean; yield stability and sustainability; grey-linear regression model; mineral n; microbial biomass N

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.10.009

2022-04-19；

2022-06-16

国家自然科学基金（31972511、31471940）

刘玉颖，E-mail：liuyuying0325@126.com。通信作者戴健，E-mail：pzhdchx@126.com。通信作者韩晓日，E-mail：hanxiaori@163.com

（责任编辑 李云霞）

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