劉玉穎，沈豐，楊勁峰，蔡芳芳，付時(shí)豐，羅培宇，李娜，戴健，韓曉日

長(zhǎng)期施肥棕壤大豆產(chǎn)量的演變及土壤氮素分布特征

劉玉穎，沈豐，楊勁峰，蔡芳芳，付時(shí)豐，羅培宇，李娜，戴健，韓曉日

沈陽(yáng)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(yíng)養(yǎng)與施肥科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/土肥高效利用國(guó)家工程研究中心，沈陽(yáng) 110866

【目的】探究長(zhǎng)期不同施肥模式下，東北棕壤大豆產(chǎn)量的演變、穩(wěn)定性和可持續(xù)性及土壤氮素累積分布特征，為該地區(qū)制定合理的施肥措施，實(shí)現(xiàn)大豆的可持續(xù)綠色生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。【方法】基于始于1979年的棕壤肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，輪作體系為玉米-玉米-大豆，選取其中的12個(gè)處理，分為化肥區(qū)：不施肥（CK）、單施氮肥（N）、氮磷肥配施（NP）、氮磷鉀肥配施（NPK）；低量有機(jī)肥區(qū)：?jiǎn)问┑土坑袡C(jī)肥（M1）、低量有機(jī)肥與化肥配施（M1N、M1NP、M1NPK）；高量有機(jī)肥區(qū)：?jiǎn)问└吡坑袡C(jī)肥（M2）、高量有機(jī)肥與化肥配施（M2N、M2NP、M2NPK）。分析長(zhǎng)期不同施肥下大豆產(chǎn)量的演變規(guī)律以及39年輪作施肥對(duì)大豆氮素吸收與收獲期土壤氮素累積分布的影響?！窘Y(jié)果】與不施肥處理（CK）相比，各施肥處理大豆平均產(chǎn)量均顯著提高，且低量有機(jī)肥區(qū)和高量有機(jī)肥區(qū)大豆平均產(chǎn)量高于化肥處理，M1NPK和M2NPK處理平均產(chǎn)量最高，分別為3 147和3 238 kg·hm-2，較NPK處理提高了9.5%和12.7%。灰色-線性回歸模型結(jié)果表明，施用有機(jī)肥或有機(jī)肥與化肥配施處理年際可得趨勢(shì)產(chǎn)量顯著高于單施化肥處理。低量有機(jī)肥區(qū)各處理大豆產(chǎn)量的變異系數(shù)最低，穩(wěn)定性好，產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)（YSI）較高，介于0.41—0.51，均高于高量有機(jī)肥區(qū)各處理。配施有機(jī)肥大豆季肥料貢獻(xiàn)率提高，但低量與高量有機(jī)肥區(qū)差異不顯著。配施有機(jī)肥39年，大豆植株吸氮量較單施化肥處理增加，以低量有機(jī)肥區(qū)的M1NPK處理最高，為314.2 kg·hm-2。低量有機(jī)肥區(qū)，土壤礦質(zhì)氮主要累積在0—60 cm土層，60—100 cm土層礦質(zhì)氮累積量較低；有機(jī)肥與化肥配施各處理0—80 cm土層礦質(zhì)氮累積高于M1處理，可為作物吸收提供有效氮源，但80—100 cm土層礦質(zhì)氮較上層土壤降低，減少了氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)；其中，M1NPK處理0—60 cm土層礦質(zhì)氮累積最高，60—100 cm隨土層深度增加礦質(zhì)氮累積呈持續(xù)降低趨勢(shì)，而高量有機(jī)肥區(qū)M2NPK處理則呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施39年增加了0—20 cm土層全氮及微生物量氮含量，且高于20—40 cm土層。M1NPK和M2NPK處理0—20 cm土層全氮含量較NPK處理分別增加了13.9%和5.5%，微生物量氮含量分別增加了32.6%和92.1%。【結(jié)論】長(zhǎng)期不同施肥影響作物產(chǎn)量、氮素吸收與土壤氮素分布。在東北棕壤地區(qū)玉米-玉米-大豆輪作體系中，玉米季氮磷鉀化肥配施低量有機(jī)肥（13.5 t·hm-2），大豆季僅施用氮磷鉀化肥改變土壤氮素分布與累積，進(jìn)而影響大豆地上部氮素吸收，可增加大豆產(chǎn)量，提高產(chǎn)量的穩(wěn)定性與可持續(xù)性。長(zhǎng)期配施低量有機(jī)肥大豆收獲期土壤全氮及微生物量氮含量增加，增加了土壤供氮量；同時(shí)深層土壤礦質(zhì)氮累積降低，減少了氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)，有利于大豆的可持續(xù)綠色生產(chǎn)，是該輪作體系較為合理的施肥方式。

棕壤；大豆；產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性；灰色-線性回歸模型；礦質(zhì)氮；微生物量氮

0 引言

【研究意義】大豆富含蛋白質(zhì)和多種營(yíng)養(yǎng)元素，是我國(guó)主要的糧油兼用型作物。作為一種高固氮作物，大豆在輪作體系中具有提高土壤肥力、維持農(nóng)田土壤氮素平衡的作用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位。我國(guó)東北地區(qū)是保障國(guó)家糧食安全的重要“糧倉(cāng)”[1]，2020年我國(guó)大豆播種面積較2019年增長(zhǎng)了4.7%，東北地區(qū)大豆種植面積與產(chǎn)量分別占全國(guó)的46.9%和45.0%[2]。為了滿足人口日益增長(zhǎng)的需求，到2050年，世界大豆產(chǎn)量需要提高80%[3]。施肥作為田間管理措施之一，對(duì)實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)具有重要作用。但有研究發(fā)現(xiàn)，小麥-玉米、小麥-水稻與雙季稻輪作體系中，長(zhǎng)期施肥作物產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)[4-6]。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性越來(lái)越受到關(guān)注。氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，氮素循環(huán)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。探究大豆產(chǎn)量的演變規(guī)律及土壤氮素累積分布特征有利于維持農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)綠色發(fā)展。【前人研究進(jìn)展】施肥是增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)措施之一。張?chǎng)蝃7]研究表明，長(zhǎng)期有機(jī)物料與氮磷鉀化肥配施的增產(chǎn)效果最好，且大豆產(chǎn)量的可持續(xù)性優(yōu)于單施有機(jī)肥或化肥。其在安徽省蕭縣的定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與不施肥處理相比，長(zhǎng)期施肥大豆多年平均產(chǎn)量增加，氮磷鉀化肥與糞肥配施平均增產(chǎn)率達(dá)188.0%；長(zhǎng)期施肥大豆產(chǎn)量變異系數(shù)（CV）降低、可持續(xù)性指數(shù)（YSI）提高，氮磷鉀肥配施YSI值為0.62，施用有機(jī)肥為0.63。同樣，在安徽省蒙城縣的研究也表明，與氮磷鉀化肥配施相比，氮磷鉀化肥配施秸稈或糞肥大豆產(chǎn)量的CV值較低、YSI值較高，氮磷鉀化肥與糞肥、餅肥配施的CV值最低（12.2%）、YSI值最高（0.72）。60多年的長(zhǎng)期試驗(yàn)也表明，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施降低了甜菜-冬小麥-春大麥輪作體系的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，作物產(chǎn)量穩(wěn)定性提高[8]。高洪軍等[9]在東北黑土區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，不施肥、磷鉀肥配施和氮鉀肥配施玉米產(chǎn)量變異系數(shù)介于18.5%—34.7%；化肥配施有機(jī)肥介于10.8%— 13.0%，玉米產(chǎn)量的年際波動(dòng)降低，穩(wěn)定性較好。土壤中的氮素90%以上以有機(jī)態(tài)氮形式存在，這部分有機(jī)氮礦化釋放后可為作物提供氮源，供作物吸收[10]；還有少部分以礦質(zhì)氮形態(tài)存在，礦質(zhì)氮主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，可直接被作物吸收利用[11]。長(zhǎng)期施用氮肥，土壤礦質(zhì)氮含量增加，且隨施氮量增加，土壤深層礦質(zhì)氮含量與累積量顯著增加，氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)增加[12-13]。施用有機(jī)肥較單施化肥能調(diào)控硝態(tài)氮累積峰下移，但有機(jī)肥的不合理施用會(huì)導(dǎo)致硝態(tài)氮發(fā)生淋失[14]。在我國(guó)華北平原，氮磷鉀化肥配施顯著增加了40—100 cm土層礦質(zhì)氮儲(chǔ)量，較有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理提高了60%，配施有機(jī)肥可降低60—100 cm土層礦質(zhì)氮累積，降低氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)，有利于保護(hù)地下水源，提高氮肥利用率[15]。長(zhǎng)期配施有機(jī)肥土壤全氮、有機(jī)氮及活性氮庫(kù)（微生物量氮）含量的增加[16]，可進(jìn)一步促進(jìn)土壤供氮并固持易損失的礦質(zhì)氮和肥料氮，進(jìn)而減少無(wú)機(jī)氮的淋溶損失[17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】東北地區(qū)是我國(guó)最大的大豆主產(chǎn)區(qū)，玉米-玉米-大豆輪作是該地區(qū)重要的輪作方式。恰當(dāng)?shù)脑耘啻胧┡c合理施肥是大豆高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、提升品質(zhì)的重要因素[18]。然而，近年來(lái)該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥用量增加，有機(jī)肥用量降低，造成土壤肥力下降，肥料利用率降低，并帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨很大的挑戰(zhàn)[19]。開(kāi)展長(zhǎng)期施肥條件下大豆產(chǎn)量的演變規(guī)律、土壤氮素累積分布特征及其對(duì)環(huán)境的影響研究對(duì)于指導(dǎo)東北棕壤地區(qū)合理施肥，實(shí)現(xiàn)大豆綠色可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究基于東北棕壤肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，明確長(zhǎng)期不同施肥模式下大豆產(chǎn)量的演變規(guī)律、穩(wěn)定性和可持續(xù)性，闡明39年輪作施肥土壤剖面氮素累積分布特征，為制定合理的施肥措施，培肥土壤，維持大豆的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究在棕壤肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)始于1979年，位于遼寧省沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基地（北緯40°48′，東經(jīng)123°33′）。試驗(yàn)地處于松遼平原南部中心地帶，屬于溫帶濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。該地區(qū)春季少雨，降雨多集中在作物生長(zhǎng)旺季（7—8月），多年平均降雨量為547 mm，蒸發(fā)量為1 436 mm，無(wú)霜期140—180 d。年平均氣溫8.5 ℃，5—9月平均氣溫21.2 ℃。試驗(yàn)供試土壤為棕壤，是發(fā)育在第四紀(jì)黃土性母質(zhì)上的簡(jiǎn)育濕潤(rùn)淋溶土，是遼寧省主要耕作土壤之一。1979年試驗(yàn)開(kāi)始前0—20 cm土層基本理化性質(zhì)：全氮0.80 g·kg-1、堿解氮105.5 mg·kg-1、全磷0.38 g·kg-1、速效磷6.50 mg·kg-1、全鉀21.1 g·kg-1、速效鉀97.9 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)15.9 g·kg-1、pH 6.50。試驗(yàn)采用玉米-玉米-大豆輪作體系，一年一熟制，大豆全生育期130—150 d。本研究涉及的試驗(yàn)內(nèi)容為1979—2017年大豆籽粒產(chǎn)量、2017年大豆收獲期地上部吸氮量、0—100 cm土層土壤樣品采集與全氮、礦質(zhì)氮、微生物量氮等指標(biāo)測(cè)定結(jié)果。圖1為1979—2017年大豆季年降水量、生育期降水量與年平均溫度。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為化肥、低量有機(jī)肥、高量有機(jī)肥，副處理為5個(gè)處理，共15個(gè)組合處理。本研究選取其中的12個(gè)處理，分為化肥區(qū)：不施肥（CK）、單施氮肥（N）、氮磷肥配施（NP）、氮磷鉀肥配施（NPK）；低量有機(jī)肥區(qū)：?jiǎn)问┑土坑袡C(jī)肥（M1）、低量有機(jī)肥與化肥配施（M1N、M1NP、M1NPK）；高量有機(jī)肥區(qū)：?jiǎn)问└吡坑袡C(jī)肥（M2）、高量有機(jī)肥與化肥配施（M2N、M2NP、M2NPK）。試驗(yàn)采用玉米-玉米-大豆輪作體系，每3年種植一季大豆。小區(qū)面積為160 m2（16 m×10 m），各處理氮、磷和鉀肥用量相同。有機(jī)肥為豬廄肥，近40年平均養(yǎng)分含量為有機(jī)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。氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。所有肥料均作為基肥，在播種前一次性撒施，翻耕后，與0—20 cm耕層土壤混勻。大豆季施肥量為氮肥（N）30 kg·hm-2、磷肥（P2O5）90 kg·hm-2、鉀肥（K2O）90 kg·hm-2、低量有機(jī)肥（M1）為13.5 t·hm-2（干重）、高量有機(jī)肥（M2）為27 t·hm-2（干重）。由于長(zhǎng)期施用有機(jī)肥大豆產(chǎn)量有下降趨勢(shì)，因此，從1992年起，各有機(jī)肥處理中，玉米季正常施用有機(jī)肥，大豆季不再施用，化肥正常施用。供試大豆為當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N，2017年為遼豆15，大豆壟寬為60 cm，株距為11 cm，播種量為150 000 株/hm2。大豆于每年4月底施肥、播種，10月初收獲，整個(gè)生育期無(wú)灌溉，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致，收獲后清理出秸稈，根茬還田。

圖1 1979—2017年大豆季年降水量、生育期降水量及年平均溫度

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集 大豆收獲期采集植株樣品，在每個(gè)小區(qū)中分設(shè)3個(gè)次級(jí)小區(qū)，作為每個(gè)處理的重復(fù)，面積為6 m×5 m。在每個(gè)次級(jí)小區(qū)中隨機(jī)選取2條壟，長(zhǎng)2 m，作為計(jì)產(chǎn)區(qū)，共3個(gè)計(jì)產(chǎn)區(qū)。將計(jì)產(chǎn)區(qū)的大豆植株全部收獲，裝入網(wǎng)兜，風(fēng)干后考種，分為籽粒、豆莢和莖葉三部分。取部分樣品于65℃烘箱烘干至恒重，稱量干重并計(jì)算大豆產(chǎn)量（折算成14%含水量：大豆產(chǎn)量=大豆烘干產(chǎn)量/（1-14%））。此外，在計(jì)產(chǎn)區(qū)以外，每個(gè)次級(jí)小區(qū)采用5點(diǎn)取樣法（即在小區(qū)的中間和四角各自隨機(jī)采集一個(gè)樣品）采集大豆植株，混合作為該小區(qū)的植物分析樣品，并于90 ℃烘箱中烘30 min，65 ℃烘干并粉碎，用于植株樣品氮含量測(cè)定。

于大豆播種前和收獲期，分別采集0—20、20— 40、40—60、60—80、80—100 cm土層的土壤樣品，每個(gè)次級(jí)小區(qū)隨機(jī)采集2點(diǎn)，同層樣品去除礫石、植物根系等雜物后充分混勻作為一個(gè)分析樣品，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室，4 ℃保存，測(cè)定土壤含水量、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及微生物量氮含量。

1.3.2 樣品測(cè)定 植株樣品全氮含量用濃H2SO4- H2O2消煮，凱氏定氮法測(cè)定。土壤全氮含量采用元素分析儀測(cè)定。土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的測(cè)定用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提（土液比為1﹕10），連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3）測(cè)定（各土層土壤礦質(zhì)氮儲(chǔ)量（kg·hm-2）=土層厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤礦質(zhì)氮含量（mg·kg-1）/10）。土壤微生物量氮含量用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測(cè)定[20]：熏蒸與未熏蒸土樣用0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提，總有機(jī)碳氮分析儀（Elementar TOC+N，德國(guó)）測(cè)定浸提液中有機(jī)氮含量，熏蒸與未熏蒸土樣的有機(jī)氮差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)（0.54）即為土壤微生物量氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

（1）產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)（yield sustainable index，YSI）是衡量系統(tǒng)能否持續(xù)生產(chǎn)的一個(gè)重要參數(shù)，YSI值越大，系統(tǒng)的可持續(xù)性越好，計(jì)算公式如下：

（2）變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）能夠衡量同一作物不同年份平均產(chǎn)量間的變異程度，表示作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性，CV值越大，產(chǎn)量穩(wěn)定性越低，由下式計(jì)算：

（3）地上部吸氮量（kg·hm-2）=[籽粒氮含量（g·kg-1）×籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）+莖葉氮含量（g·kg-1）×莖葉生物量（kg·hm-2）+豆莢氮含量（g·kg-1）×豆莢生物量（kg·hm-2）]/1000。

（4）肥料貢獻(xiàn)率（contribution of fertilization to yield，COF）（%）=[施肥處理產(chǎn)量（kg·hm-2）-不施肥處理產(chǎn)量（kg·hm-2）]/施肥處理產(chǎn)量（kg·hm-2）×100。

（5）土壤硝態(tài)氮累積量（kg·hm-2）=土層厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤礦質(zhì)氮含量（mg·kg-1）/10。

（6）產(chǎn)量趨勢(shì)指數(shù)相關(guān)研究大多根據(jù)相同處理的歷年實(shí)際產(chǎn)量水平與對(duì)應(yīng)試驗(yàn)?zāi)晗迾?gòu)建一元線性趨勢(shì)線，依據(jù)斜率（年變化值，kg·hm-2·a-1）評(píng)價(jià)年際產(chǎn)量的遞增或遞減[21-22]。但由于田間試驗(yàn)受到不可控因子影響，導(dǎo)致年際間實(shí)際產(chǎn)量波動(dòng)較大，上述常規(guī)方法得到的一元線性回歸模型幾乎沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[23]。因此，應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論的一次累加生成原理[24]，將年際作物產(chǎn)量看成是灰色量，利用灰色理論和線性回歸理論，建立灰色—線性回歸模型。設(shè)Y(0)是某個(gè)施肥模式的年際產(chǎn)量序列，k表示試驗(yàn)?zāi)晗蓿琸 = 1，2，3，…，n，Y(1)是年際產(chǎn)量序列的一次累加生成序列，計(jì)量單位為kg·hm-2。

原始序列為：

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

經(jīng)過(guò)一次累加生成的新序列為：

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：

該回歸模型表達(dá)式為：

Y = y0+ ak

根據(jù)微積分原理，a即為年際可得趨勢(shì)產(chǎn)量均值，a值的置信區(qū)間可定量評(píng)價(jià)不同施肥模式的作物趨勢(shì)產(chǎn)量[25]。

運(yùn)用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用SigmaPlot 12.5軟件建立灰色—線性回歸模型和繪圖。

2 結(jié)果

2.1 長(zhǎng)期施肥下大豆產(chǎn)量的演變

不同施肥下大豆產(chǎn)量年際間變化呈動(dòng)態(tài)波動(dòng)趨勢(shì)（圖2）。1989年前各處理大豆產(chǎn)量變化較為平穩(wěn)，1989年后變幅較大，在2005年達(dá)到最高值?；蕝^(qū)，與不施肥處理（CK）相比，各施肥處理大豆產(chǎn)量均明顯增加，其中，氮磷鉀肥配施處理（NPK）大豆產(chǎn)量最高，在2011年達(dá)到最高值，為4 359 kg·hm-2。長(zhǎng)期不施肥處理大豆產(chǎn)量較低，年際間變化較為平穩(wěn)，2017年最低，為807 kg·hm-2。低量有機(jī)肥區(qū)，各處理大豆產(chǎn)量變化趨勢(shì)相同，M1NP和M1NPK處理產(chǎn)量較高，2011年最高，且M1NPK處理大豆產(chǎn)量為4 901 kg·hm-2。類(lèi)似地，高量有機(jī)肥區(qū)各處理大豆產(chǎn)量變化趨勢(shì)類(lèi)似，且M2NPK處理產(chǎn)量較高，在2005年最高為5 788 kg·hm-2。低量有機(jī)肥區(qū)和高量有機(jī)肥區(qū)各處理大豆產(chǎn)量較化肥區(qū)有所增加，有機(jī)肥和化肥配施增加大豆產(chǎn)量的效果較好。

2.2 長(zhǎng)期施肥下大豆產(chǎn)量的演變趨勢(shì)

各施肥處理下，大豆產(chǎn)量與試驗(yàn)?zāi)晗揲g存在典型的線性關(guān)系（灰色-線性回歸模型）（圖3）?；蕝^(qū)，各施肥處理大豆產(chǎn)量高于CK處理，由高到低依次為NPK>NP>N>CK處理；低量有機(jī)肥區(qū)和高量有機(jī)肥區(qū)各處理間差異不大。一元線性回歸模型發(fā)現(xiàn)（表1），配施有機(jī)肥，大豆年際可得趨勢(shì)產(chǎn)量均值（a值）顯著高于單施化肥?；蕝^(qū)，NPK處理趨勢(shì)產(chǎn)量最高；低量有機(jī)肥區(qū)，M1處理大豆趨勢(shì)產(chǎn)量較低，M1NP、M1NPK處理較高；高量有機(jī)肥區(qū)各處理大豆趨勢(shì)產(chǎn)量均較高，且由高到低依次為M2NPK（806 kg·hm-2）> M2N（789 kg·hm-2）> M2（788 kg·hm-2）> M2NP（769 kg·hm-2）。CK處理趨勢(shì)產(chǎn)量的95%置信區(qū)間為328—454 kg·hm-2，與其他施肥處理不重疊；而配施有機(jī)肥各處理在95%置信區(qū)間出現(xiàn)較大重疊，但與化肥區(qū)各處理重疊較少，配施有機(jī)肥處理大豆趨勢(shì)產(chǎn)量顯著高于單施化肥處理。各處理回歸模型值均達(dá)到極顯著水平，描述產(chǎn)量變異方差解釋能力的擬合優(yōu)度2值達(dá)到95%以上。

圖2 長(zhǎng)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）條件下大豆產(chǎn)量年際變化

圖3 長(zhǎng)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）條件下大豆累加產(chǎn)量隨試驗(yàn)?zāi)晗薜淖兓?/p>

表1 長(zhǎng)期不同施肥模式下大豆累加產(chǎn)量趨勢(shì)灰色線性模型

一元回歸方程中，Y表示產(chǎn)量，k表示試驗(yàn)?zāi)晗?，a表示斜率（年際趨勢(shì)產(chǎn)量），***：＜0.001。配對(duì)樣本T檢驗(yàn)結(jié)果：低量有機(jī)肥區(qū)大豆年際可得趨勢(shì)產(chǎn)量顯著高于化肥區(qū)（＜0.05）；高量有機(jī)肥區(qū)顯著高于化肥區(qū)（＜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 長(zhǎng)期施肥下大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定性與可持續(xù)性

與不施肥CK相比，施肥可顯著提高大豆平均產(chǎn)量（表2）。在化肥區(qū)，化肥配施大豆平均產(chǎn)量高于單施氮肥處理，其中，NPK處理產(chǎn)量最高，為2 873 kg·hm-2；低量和高量有機(jī)肥區(qū)各處理大豆平均產(chǎn)量顯著高于化肥區(qū)各處理，分別以M1NPK和M2NPK處理最高，為3 147和3 238 kg·hm-2，較NPK處理分別提高了9.5%和12.7%。不同施肥措施下大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性不同?；蕝^(qū)，單施氮肥（N）大豆產(chǎn)量的變異系數(shù)最高（44.6%），可持續(xù)性指數(shù)值（YSI）最低（0.33），大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定性與可持續(xù)性較低；配施低量有機(jī)肥，大豆產(chǎn)量的變異系數(shù)有所降低，介于27.3%—36.3%，YSI增加，介于0.41— 0.51，產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性增加；配施高量有機(jī)肥大豆產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性均降低。肥料貢獻(xiàn)率反映了投入各肥料的生產(chǎn)能力，施肥39年，長(zhǎng)期單施氮肥處理氮肥貢獻(xiàn)率最低（16.9%），顯著低于化肥配施和化肥有機(jī)肥配施各處理?；逝涫┯袡C(jī)肥肥料的貢獻(xiàn)率高于單施化肥處理，低量和高量有機(jī)肥區(qū)平均肥料貢獻(xiàn)率較化肥區(qū)分別提高了46.8%和44.3%，配施低量有機(jī)肥提升肥料貢獻(xiàn)率的效果好于高量有機(jī)肥?？梢?jiàn)，化肥與低量有機(jī)肥配施能夠保證大豆高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

2.4 長(zhǎng)期施肥下大豆地上部吸氮量

長(zhǎng)期不同施肥影響大豆地上部氮素吸收（圖4）。施肥39年，大豆地上部吸氮量以CK處理最低，為68.4 kg·hm-2；M1NPK處理最高，達(dá)314.2 kg·hm-2，顯著高于其他處理?；蕝^(qū)，與CK處理相比，施用化肥大豆吸氮量顯著增加，以NPK處理最高，與其他單施化肥處理差異顯著。配施有機(jī)肥大豆地上部吸氮量增加，低量和高量有機(jī)肥區(qū)以M1NPK和M2NPK最高，其中，M1NPK處理較NPK和M2NPK處理顯著提高了46.8%和26.8%。

2.5 長(zhǎng)期施肥下大豆收獲期土壤氮素累積分布

2.5.1 土壤全氮 長(zhǎng)期不同施肥造成棕壤0—40 cm土層全氮含量不同（圖5），且配施有機(jī)肥處理土壤0—20和20—40 cm土層全氮含量較單施化肥處理有所增加。施肥39年后，大豆收獲期0—20 cm土層全氮含量高于20—40 cm土層?；蕝^(qū)，0—20 cm土層全氮含量以NPK處理最高，達(dá)1.44 g·kg-1，顯著高于CK、N和NP處理；20—40 cm土層也以NPK處理最高，為0.84 g·kg-1。低量有機(jī)肥區(qū)，化肥配施有機(jī)肥各處理0—20 cm土層全氮含量顯著高于M1處理，但處理間差異不顯著，其中，M1NPK處理土壤全氮含量為1.64 g·kg-1，較NPK處理提高13.9%，其20—40 cm為0.99 g·kg-1，顯著高于其他處理。高量有機(jī)肥區(qū)各處理0—20與20—40 cm土層全氮含量高于低量有機(jī)肥區(qū)和化肥區(qū)，M2NPK處理0-20 cm土壤全氮含量較NPK處理提高了5.5%，但各處理間差異不顯著。

表2 長(zhǎng)期不同施肥下大豆平均產(chǎn)量、產(chǎn)量變異系數(shù)、可持續(xù)性指數(shù)及肥料貢獻(xiàn)率

不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著（＜0.05），不同大寫(xiě)字母表示化肥區(qū)、低量有機(jī)肥區(qū)和高量有機(jī)肥區(qū)間差異顯著（＜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)

柱上不同小寫(xiě)字母表示處理間在0.05水平差異顯著

2.5.2 土壤礦質(zhì)氮 長(zhǎng)期不同施肥造成了土壤0— 100 cm土層礦質(zhì)氮分布的差異（圖6-A，6-C，6-E）。施肥39年后，化肥區(qū)除了N處理外，大豆收獲期土壤礦質(zhì)氮主要累積在0—40 cm土層。0—100 cm土層N處理礦質(zhì)氮累積量較高，40—100 cm土層，在60 cm處出現(xiàn)累積峰，為50.82 kg·hm-2，80和100 cm土層的礦質(zhì)氮高于NP和NPK處理，分別為36.35和35.78 kg·hm-2?；逝涫┯袡C(jī)肥土壤剖面礦質(zhì)氮增加。低量有機(jī)肥區(qū)各處理土壤礦質(zhì)氮主要累積在0—60 cm土層，在80—100 cm土層有下降趨勢(shì)。有機(jī)肥配施化肥土壤礦質(zhì)氮高于M1處理；M1NPK處理0—100 cm土層礦質(zhì)氮最高，且在40 cm處出現(xiàn)累積峰，為82.74 kg·hm-2，在40—100 cm土層礦質(zhì)氮隨著土層的加深降低。類(lèi)似地，高量有機(jī)肥區(qū)各處理土壤礦質(zhì)氮主要累積在0—60 cm土層，80—100 cm土層有下降趨勢(shì)，M2NPK處理在60 cm處出現(xiàn)累積峰，為51.48 kg·hm-2。

柱上不同小寫(xiě)字母表示處理間在0.05水平差異顯著。圖6、7同

圖6 長(zhǎng)期施用化肥（A和B）、低量有機(jī)肥與化肥配施（C和D）和高量有機(jī)肥與化肥配施（E和F）條件下大豆收獲期0—100 cm土層礦質(zhì)氮分布與儲(chǔ)量（2017年）

長(zhǎng)期不同施肥下棕壤0—100 cm土層礦質(zhì)氮儲(chǔ)量不同（圖6-B，6-D，6-F），配施有機(jī)肥土壤礦質(zhì)氮儲(chǔ)量增加。長(zhǎng)期施用化肥39年，N處理大豆收獲期0—100 cm土層礦質(zhì)氮儲(chǔ)量最高，為196.9 kg·hm-2，與化肥區(qū)其他處理間差異顯著；與N處理相比，NPK處理0—100 cm土層礦質(zhì)氮儲(chǔ)量顯著降低了162.5%。低量有機(jī)肥區(qū)，M1NPK處理0—100 cm土層礦質(zhì)氮儲(chǔ)量最高，為283.8 kg·hm-2，顯著高于其他處理。高量有機(jī)肥區(qū)，M2NPK處理0—100 cm土層礦質(zhì)氮儲(chǔ)量最高，與其他處理差異顯著。

2.5.3 土壤微生物量氮 長(zhǎng)期不同施肥下棕壤0—40 cm土層微生物量氮分布存在差異（圖7）。各施肥處理0—20 cm土層土壤微生物量氮含量高于20—40 cm土層；有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理高于單施化肥處理。施用化肥39年，N處理大豆收獲期0—20 cm土層微生物量氮含量顯著高于CK、NP和NPK處理。配施低量有機(jī)肥，0—20 cm土層土壤微生物量氮含量較單施化肥增加，M1、M1N、M1NP和M1NPK處理較CK、N、NP和NPK處理分別提高了41.0%、44.8%、74.0%和32.6%；0—20和20—40 cm土層M1N處理土壤微生物量氮含量最高，較M1處理分別提高了74.7%和83.5%。配施高量有機(jī)肥，土壤微生物量氮含量較低量有機(jī)肥區(qū)增加，0—20和20—40 cm土層高量有機(jī)肥區(qū)各處理較低量有機(jī)肥區(qū)各處理微生物量氮含量平均分別增加了11.9%和10.0%。

圖7 長(zhǎng)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）條件下大豆收獲期0—40 cm土壤微生物量氮含量（2017年）

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施肥下大豆產(chǎn)量變化

作物產(chǎn)量是評(píng)價(jià)施肥是否合理的重要指標(biāo)[26-27]。許多研究表明，土壤地力顯著影響作物產(chǎn)量。配施有機(jī)肥土壤容重和緊實(shí)度降低，土壤總孔隙度和飽和導(dǎo)水率提高，土壤疏松多孔，增加了降水的入滲能力，有利于養(yǎng)分運(yùn)輸和吸收。同時(shí)，施用有機(jī)肥可提高土壤保水保肥能力，減少養(yǎng)分損失，進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)[28-29]。施肥39年，化肥區(qū)、低量有機(jī)肥區(qū)和高量有機(jī)肥區(qū)各處理大豆產(chǎn)量隨試驗(yàn)?zāi)攴莸淖兓厔?shì)類(lèi)似，前期變化較為平穩(wěn)，后期變化幅度較大。各施肥處理平均產(chǎn)量均顯著高于不施肥CK處理，氮磷鉀肥配施或有機(jī)肥化肥配施的增產(chǎn)效果較好，其中，有機(jī)肥與化肥配施對(duì)大豆產(chǎn)量提高效果最為顯著，這與前人的研究結(jié)果一致[7,30-31]。主要是由于化肥配施有機(jī)肥模式下，土壤物理與生化環(huán)境優(yōu)良[32]，化肥的施入能夠充分供應(yīng)作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，彌補(bǔ)了單施有機(jī)肥養(yǎng)分供應(yīng)不足的缺陷；有機(jī)肥的施入增加了土壤肥力，避免了單施化肥土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低的問(wèn)題。2005年大豆產(chǎn)量較高，主要與2005年降水較充足，溫度較適宜有關(guān)（圖1）。因此，在東北棕壤旱地上，玉米—玉米—大豆輪作系統(tǒng)中，應(yīng)提倡在保證氮磷鉀肥施用的基礎(chǔ)上，玉米季配施有機(jī)肥，大豆季單施化肥的施肥模式。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，還應(yīng)考慮氣候等因素，適當(dāng)調(diào)整施肥措施，以提高大豆產(chǎn)量。

作物趨勢(shì)產(chǎn)量是評(píng)價(jià)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及輪作施肥模式優(yōu)劣的重要指標(biāo)。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中，產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)和變異系數(shù)反映了作物產(chǎn)量歷年的波動(dòng)狀況，但作物的產(chǎn)量水平及其長(zhǎng)期趨勢(shì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更受關(guān)注[25]。本研究應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論的一次累加生成原理[24]，擬合歷年大豆產(chǎn)量的一次累加生成數(shù)據(jù)，建立灰色-線性回歸模型，以評(píng)價(jià)長(zhǎng)期趨勢(shì)產(chǎn)量狀況?！盎摇贝聿糠中畔⒌牟淮_定性，灰色系統(tǒng)在有限的時(shí)域內(nèi)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能夠及時(shí)補(bǔ)償由模型造成的時(shí)變、失配、隨機(jī)干擾等不確定性因素，具有良好的穩(wěn)健性，另外，灰色系統(tǒng)理論對(duì)統(tǒng)計(jì)樣本的數(shù)據(jù)要求不高、排序顯著、計(jì)算量較小，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[33]。由于大豆產(chǎn)量受隨機(jī)因素的影響，將灰色-線性回歸模型運(yùn)用到本研究中能夠較好地解決趨勢(shì)產(chǎn)量的定量評(píng)價(jià)問(wèn)題。研究表明大豆年際累加產(chǎn)量與試驗(yàn)?zāi)晗揲g存在典型的線性關(guān)系（圖3），可以依據(jù)斜率來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)量隨時(shí)間的變化情況；同時(shí)，各處理的值均達(dá)到極顯著水平，描述產(chǎn)量變異方差解釋能力的擬合優(yōu)度2值也均達(dá)到95%以上（表1），表明該一元線性回歸模型具有極佳的擬合效果，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。CK處理大豆趨勢(shì)產(chǎn)量的置信區(qū)間與其他施肥處理在95%置信區(qū)間內(nèi)不重疊，揭示了各施肥處理大豆趨勢(shì)產(chǎn)量顯著高于CK處理。對(duì)低量有機(jī)肥區(qū)、高量有機(jī)肥區(qū)與化肥區(qū)進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低量（=0.033）、高量（=0.027）有機(jī)肥區(qū)各處理年際可得趨勢(shì)產(chǎn)量均值（a值）顯著高于單施化肥處理，長(zhǎng)期配施有機(jī)肥大豆的年際可得趨勢(shì)產(chǎn)量增加。

由于豆科作物的產(chǎn)量穩(wěn)定性不如其他作物，種植制度多樣化通常被認(rèn)為能夠增加其產(chǎn)量穩(wěn)定性[34-35]。長(zhǎng)期不同施肥措施下大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性不同，配施低量有機(jī)肥，大豆產(chǎn)量的變異系數(shù)降低，為27.3%—36.3%，產(chǎn)量穩(wěn)定性增加，但變異系數(shù)高于東北黑土區(qū)玉米產(chǎn)量的變異系數(shù)（10.8%— 13.0%），這主要和作物種類(lèi)不同及黑土基礎(chǔ)肥力高有關(guān)[9]；此外，配施低量有機(jī)肥大豆產(chǎn)量的可持續(xù)性指數(shù)（YSI）為0.41—0.51，較單施化肥增加。但配施高量有機(jī)肥大豆產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性均降低，這主要與有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理在1992年之前不管是玉米還是大豆季均施用有機(jī)肥，施用有機(jī)肥使大豆植株生長(zhǎng)過(guò)旺，后期倒伏嚴(yán)重，影響了產(chǎn)量，造成高量有機(jī)肥區(qū)大豆產(chǎn)量波動(dòng)較大有關(guān)。前人研究表明，氮磷鉀肥平衡施用或其與有機(jī)肥配施作物產(chǎn)量年際間變化幅度較小，產(chǎn)量穩(wěn)定性增加，可持續(xù)性提高，主要與其增加了土壤養(yǎng)分供應(yīng)和協(xié)調(diào)能力有關(guān)[7,30,36]。也有研究發(fā)現(xiàn)，大豆—小麥輪作體系中，作物產(chǎn)量的YSI值均在0.5以上[37]，高于筆者的結(jié)果，這主要由于本試驗(yàn)長(zhǎng)達(dá)39年，年際間氣候如溫度、降水的變化造成大豆產(chǎn)量的變化，YSI值降低。此外，長(zhǎng)期單施氮肥下氮肥貢獻(xiàn)率（16.9%）顯著低于化肥配施或其與有機(jī)肥配施，低量和高量有機(jī)肥區(qū)平均肥料貢獻(xiàn)率較化肥區(qū)分別提高了46.8%和44.3%?？梢?jiàn)，平衡施肥，特別是低量有機(jī)肥與氮磷鉀肥配施更有利于提高肥料貢獻(xiàn)率，保證大豆高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

3.2 長(zhǎng)期施肥下土壤氮素分布特征

氮素是作物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，作物吸收的氮素50%以上來(lái)自土壤，其余來(lái)源于當(dāng)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?dú)埩粼谕寥乐衃12,39]。殘留在土壤中的肥料氮在有機(jī)態(tài)氮、微生物同化、土壤晶格固定和游離的礦質(zhì)氮之間保持動(dòng)態(tài)平衡。長(zhǎng)期不施肥39年，CK處理土壤全氮含量趨于穩(wěn)定，較試驗(yàn)初始土壤略有增加（圖5），這主要與大豆的生物固氮、根茬歸還及大氣沉降等有關(guān)；長(zhǎng)期施肥處理0—20 cm土層全氮含量提高，且隨土層深度增加而降低，配施有機(jī)肥（低量和高量）土壤全氮含量較單施化肥增加，這與前人的研究一致，長(zhǎng)期施肥和秸稈還田顯著提高了表層（0—20 cm）土壤全氮含量，但在深層土壤中效果較弱[40]。土壤有機(jī)氮是土壤氮庫(kù)的主要成分，是土壤健康的適宜指標(biāo)之一，可支持作物生產(chǎn)并提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，施用有機(jī)肥土壤有機(jī)氮庫(kù)增加[40]，筆者的研究結(jié)果類(lèi)似。配施有機(jī)肥土壤礦質(zhì)氮分布改變，80—100 cm土層礦質(zhì)氮含量降低；0—100 cm土層礦質(zhì)氮儲(chǔ)量增加，其中，M1NPK處理最高，達(dá)283.8 kg·hm-2，且主要累積在0—60 cm土層，可為下季作物生長(zhǎng)提供氮源，促進(jìn)作物氮素吸收。CK處理與NP、NPK處理土壤礦質(zhì)氮儲(chǔ)量差異不顯著，主要是由于長(zhǎng)期種植大豆，生物固氮和作物根茬歸還，CK處理土壤氮素維持在穩(wěn)定水平，且大豆產(chǎn)量和地上部吸氮量均顯著低于NP和NPK處理，土壤氮素降低較少。N處理土壤耕層礦質(zhì)氮含量高于NP和NPK處理，主要原因是長(zhǎng)期單施氮肥導(dǎo)致大豆產(chǎn)量和地上部吸氮量降低，氮肥利用率下降，大量肥料氮?dú)埩粼谕寥乐?，施?9年后，出現(xiàn)土壤氮素累積；而NP和NPK處理養(yǎng)分均衡，大豆產(chǎn)量和地上部吸氮量較高，氮肥利用率高于單施氮肥處理，殘留在土壤中的氮素降低。高量有機(jī)肥區(qū)各處理土壤礦質(zhì)氮儲(chǔ)量低于低量有機(jī)肥區(qū)，這主要和有機(jī)肥用量增加，土壤碳源充足，有機(jī)碳增加，C/N大，有利于礦質(zhì)氮的微生物固持，轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮有關(guān)[41]，這與高量有機(jī)肥區(qū)土壤全氮含量較高相一致。此外，M1N和M2N處理與N處理比較，60—100 cm土層礦質(zhì)氮含量降低，M1N處理80—100 cm土層礦質(zhì)氮含量降低更為明顯，表明配施低量有機(jī)肥深層土壤礦質(zhì)氮累積降低，可減少硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)。但有研究表明，不合理施用有機(jī)肥可造成硝態(tài)氮大量累積，在強(qiáng)降雨或灌水條件下被淋溶至土壤深層[42]。

土壤微生物量氮含量能夠反映土壤肥力狀況和土壤供氮水平[43]。長(zhǎng)期施用有機(jī)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，長(zhǎng)期配施有機(jī)肥，0—20 cm土層微生物量氮含量增加，且高于20—40 cm土層，這與之前的研究結(jié)果一致。施用有機(jī)肥增加土壤微生物量氮含量主要是由于有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施為土壤微生物生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境條件，充足的碳源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可促進(jìn)微生物繁殖，進(jìn)而提高土壤微生物生物量水平，也是配施有機(jī)肥保持和提高土壤肥力的重要原因[45]。然而，畢明麗等[46]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期單施有機(jī)肥（M）土壤微生物量氮含量低于氮磷鉀化肥配施（NPK），且M處理土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)期不施肥CK處理相似；有機(jī)肥配施化肥可顯著提高土壤微生物量氮含量。與其他研究類(lèi)似[47-48]，配施高量有機(jī)肥土壤微生物量氮含量高于低量有機(jī)肥和單施化肥，較高的微生物量氮可作為土壤有機(jī)氮庫(kù)增加土壤供氮，對(duì)大豆產(chǎn)量的增加具有促進(jìn)作用。

綜上，氮磷鉀肥配施低量有機(jī)肥（玉米季施用有機(jī)肥與化肥，大豆季僅施用化肥）可保持大豆高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高其產(chǎn)量可持續(xù)性，同時(shí)增加土壤氮素累積，降低80—100 cm土層礦質(zhì)氮含量，降低氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)，是東北棕壤旱地較為適宜的施肥措施。

4 結(jié)論

4.1 長(zhǎng)期有機(jī)肥配施化肥顯著增加大豆產(chǎn)量，低量、高量有機(jī)肥配施氮磷鉀化肥（M1NPK、M2NPK）大豆平均產(chǎn)量最高，分別為3 147和3 238 kg·hm-2，較氮磷鉀化肥配施（NPK）處理分別提高了9.5%和12.7%；低量有機(jī)肥配施化肥大豆產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性較高，肥料貢獻(xiàn)率增加。

4.2 有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施下，大豆吸氮量增加，且低量有機(jī)肥配施化肥處理高于高量有機(jī)肥配施化肥處理，以M1NPK處理最高，達(dá)314.2 kg·hm-2，分別較NPK和M2NPK處理提高了46.8%和26.8%，大豆氮素吸收量的增加進(jìn)一步促進(jìn)了肥料貢獻(xiàn)率的提高。長(zhǎng)期配施有機(jī)肥0—100 cm土層礦質(zhì)氮儲(chǔ)量增加，但80—100 cm土層礦質(zhì)氮含量較上層降低明顯，減少了氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)；土壤全氮及微生物量氮含量增加，土壤供氮能力增強(qiáng)。

4.3 在東北棕壤玉米-玉米-大豆輪作體系中，玉米季低量有機(jī)肥（13.5 t·hm-2）配施氮磷鉀化肥，大豆季僅施用氮磷鉀化肥可增加大豆產(chǎn)量，促進(jìn)其氮素吸收，增加土壤全氮及微生物量氮含量，降低深層礦質(zhì)氮累積，有利于培肥土壤和實(shí)現(xiàn)大豆高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及綠色可持續(xù)生產(chǎn)，是較為合理的輪作施肥模式。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金（31972511、31471940）

劉玉穎，E-mail：liuyuying0325@126.com。通信作者戴健，E-mail：pzhdchx@126.com。通信作者韓曉日，E-mail：hanxiaori@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）