华北太行山前平原农田生态系统中氮,磷,钾循环与平衡研.pdf
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1、华北太行山前平原农田生态系统中氮、磷、钾循环与平衡研究!张玉铭!胡春胜毛任钊董文旭(中国科学院石家庄农业现代化研究所,石家庄!#$)【摘要】以栾城县为例,分析了华北太行山前平原农田生态系统%、&、三要素养分循环与平衡特征及其变化趋势,评价了农田养分平衡状况,提出了合理施肥对策(结果表明,$)*!#!年栾城县农田养分平衡中,%素经历了由轻微赤字向盈余的转变过程,由$)*年的$(+,赤字转变到#!年盈余+*(-,;由极度亏缺(*#,赤字),逐渐向平衡发展,到#!年已有+(-,的轻微盈余,但仍有大量田块是赤字平衡;&则始终有大量盈余(目前农田养分收支存在一定程度的%、&投入过量,投入不足的问题(以土
2、壤肥力状况和作物种植结构而论,栾城县应采取“稳氮、控磷、增钾”的施肥对策,避免过多的盈余化肥氮进入环境,同时应继续推广秸秆还田技术,提高养分循环再利用效率(关键词农田生态系统土壤养分平衡循环再利用文章编号$!$.)/#(#!/)$.$*-/.!中图分类号0$*文献标识码1!#$%&(,)*%+)*%$,+-(.)%#-+,/0 1 0 2 (&-(.3-2-(0 (4-$/2-(.0%+1+#/-#*)./%(#%45-*-(&62 3 1%45 6 7 8 9:,3;=?9:,1 AB?9 C=D E,F A%4 G?9 H 6(!#$#%&%()*(+,#,-./0)1#2 3,1%34.
3、5-1(#&%,#.(,6#(-+-0 2%5-7 8./!2#-(2-+,!#$#%&%()!#$,6#(%)9:6#(9;90 P L?7E K S 6 D 9 O=?9:L D L 6 E K 9 6 L M 8?9 L R D Q D 9 O?U D D T T M D 8?N,D 9 N L=?M D L 8 E 9 D QU D P L ED T T Q P K?M L 8 Q 8 C?MU D T 6 L K E M U D M N(J=?M?6 Q L 8 9 N 8 O D L?N L=D L%R D Q D 9 O?U?9 L L=M E 6:=D T M E O?K M
4、E 7 Q 8:=L N?K 8 O 8 L L E 6 M T Q 6 N 6 M 8 9:$)*!#!,O=D 9:8 9:K M E 7N?K 8 O 8 L E K$(+,8 9$)*L E 6 M T Q 6 E K+*(-,8 9#!(&E L D 8 6 7R D Q D 9 O?O=D 9:?N:M D N 6 D Q Q P K M E 7?M 8 E 6 N?K 8 O 8 L E K*#,L E Q 8:=L 6 M T Q 6 E K+(-,,R 6 LU D L 8 Q Q N?K 8 O 8 L 8 97 D 9 PK 8?Q N (&R 6 N:?LU D 6 M
5、 T Q 6?V?M 8 9 O?$)*(,L=?8 9 T 6 L E K%D 9 N&U?M?H O?8 V?,R 6 L L=?8 9 T 6 LU D =E M L(;9 N?M L=?O 6 M M?9 L E 8 Q K?M L 8 Q 8 L P D 9 N O M E T T Q D 9 L 8 9:L M 6 O L 6 M?,L=?O E 6 9 WL?M 7?D 6 M?L E O E 9 L M E Q L=?D T T Q 8 O D L 8 E 9D 7 E 6 9 L E K%D 9 N&D 9 N L E 8 9 O M?D?L=?D T T Q 8 O D L
6、 8 E 9 M D L?E K=E 6 Q NR?O D M WM 8?NE 6 L,E L=D L,L=?M?U E 6 Q NR?9 E 8:9 8 K 8 O D 9 L 6 M T Q 6%?7 8 L L 8 9:E M Q?D O=8 9:K M E 7 E 8 Q 8 9 L E?9 V 8 M E 9 7?9 L(J=?L?O=9 8 X 6?L E M?L 6 M 9O M E T L M D U8 9 L E K D M 7 Q D 9 N =E 6 Q NR?H L?9 N?N L E 8 9 O M?D?L=?9 6 L M 8?9 L M?O P O Q 8 9:M
7、 D L?(9 1:%$.+Y D M 7 Q D 9 N?O E P L?7,0 E 8 Q 9 6 L M 8?9 L R D Q D 9 O?,P O Q 8 9:D 9 N M?6 L 8 Q 8 C D L 8 E 9(!中国科学院知识创新工程资助项目(2 Z#W+$/W+,2 Z#W+!+,2 Z#W+!)(!通讯联系人#!/.!$.#/收稿,#!/.!+.$-接受(7引言养分循环是农田生态系统最基本的功能之一(农田三大养分要素%、&、的循环与平衡是区域农田生产力状况的反映(自#!世纪*!年代以来我国逐渐重视了解农田养分循环与平衡状况和土壤养分肥力变化的趋势和特点,加强人为调控养分
8、循环与平衡方面的研究,使循环向有利于人类需要的方向发展,*!$!(目前,国内外的有关文献中,大多只注意对养分平衡的收支计算,却较少注意对这些平衡盈亏的评价(由于养分平衡出现赤字或盈余并不一定不合理,达到$!,平衡(平衡为!)也不一定就是理想目标,所以,对某一区域农田生态系统养分循环和平衡做出正确评价尤为重要-(华北太行山前平原是我国化肥施用量大的粮食高产区之一,但施肥中存在着养分投入过量及结构不合理等问题(当前施氮水平已超过每年/!:=7.#,磷肥用量也高达$#:=7.#,而钾肥投入严重不足(本文旨在以栾城县为例,通过分析农田养分循环与平衡的基本特点(参数),按照鲁如坤等-提出的农田养分平衡的
9、评价方法和原则对华北太行山前平原农田生态系统养分循环与平衡状况进行评价,以期为农田养分循环提供比较理想的施肥模式(本研究对于同类型区处理好合理施肥与维护土壤环境的关系,建立高产稳产的农田生态系统,发展持续农业具有重要的现实意义(应 用 生 态 学 报#!/年$月第$+卷第$期 3%0 _ A;B%1 SA Y1&S F A S A 4 5,%E V(#!/,7 8($)$*-/!$*-I万方数据!研究地区与研究方法!#研究地区概况栾城县位于华北太行山山前平原,属暖温带半湿润半干旱季风气候区,年平均气温!#$%,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨,多年平均降水量为$&$#(,年蒸发量!)&(左右,!*%
10、积温$+%,无霜期*,左右#!研究方法!#农田养分收入参数与收入量计算农田养分收入主要包括化肥、有机肥、生物固氮、降水和灌溉所带入农田的养分#化肥投入量参照栾城县国民经济统计资料,以化肥投入总量折算成纯养分量计入#有机肥主要计算秸秆还田、畜禽粪尿所带入农田的养分量#秸秆产量根据作物产量与草籽比估算;秸秆还田量:!-.年不还田,!*年小麦秸秆*/还田,玉米$*/还田,*年小麦秸秆全部还田,玉米*/还田;秸秆还田所带入农田养分量根据秸秆养分浓度(表!)与还田量计算而得#畜禽粪尿带入农田的养分根据栾城县国民经济统计资料畜禽饲养量、每只(头)畜禽粪尿年排放量和粪尿养分含量估算,计算方法参照文献&,-#
11、栾城县豆科作物以大豆、花生为主,共生固氮量根据大豆、花生实际种植面积与单位面积固氮量计算,按固氮!.0 12(3 计.#降水、灌溉所带入土壤中的养分量根据降水量、灌溉量及其相应养分含量计算#!农田养分支出参数与支出量计算农田养分支出主要包括地上部分作物收获养分量和养分损失量#作物收获养分量根据各种作物的实际总收获量和氮磷钾养分含量计算,小麦、玉米氮磷钾含量采用多年来多点采样所测结果平均值(表!),其它作物养分含量参照文献表#小麦、玉米氮磷钾含量$%&(#)*+,(+-.%-/*+*01,2%+34/+5 6(%-%+37%/8(作物4 5 6 78(/)9(/):(/)小麦籽粒;2 1 5
12、=?#*$*#$.*#+小麦秸秆;2 A 5=B*#).*#*-*#&.玉米籽粒C=?D 1 5=?!#*#+&*#+玉米秸秆C=?D 5=B*#*#!.*#)田间养分损失量主要包括氨挥发、反硝化以及深层土壤氮素淋溶所损失的养分#通过在当地常规农业管理措施下多年来对养分损失通量的测定,推算单位农田面积年损失量及肥料损失率(表),据此,以全县肥料施用量估算养分损失量#通量测定方法分别为:反硝化E乙炔抑制原状土柱培育法!,+;氨挥发E微气象学大面积法;氮素渗漏E基于水量平衡的多孔杯法#氮素损失通量及肥料损失率与在相邻地区所测结果极为接近,$#!9土壤养分调查与测试方法!&年养分含量采用第二次土壤普
13、查结果#*年玉米收获后小麦播种前,结合第二次土壤普查原采样点位,在全县以!0(为步长布点,共采集&-个耕层(*F()土壤样品,分析有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量#有机质测定采用重铬酸钾容量法,全氮采用半微量凯氏法,碱解氮采用碱解扩散法,速效磷采用表!栾城县农田生态系统氮素损失$%&(!1*:(:0.*7%;.*?%+,6(+;)*?+-=项目G?K?D=?6 表观反硝化L 5?M?F=?6 表观淋失量NO =F 2?1 K 6 A A肥料损失率9 5 F =1 6!.#!#*&=-#=7 7 K?,M?K?D,与!-.年相比,8肥增施了&)#)/,9增加#-/,:增加-#.倍(表+)
14、#化学氮磷肥使用在养分输入中占有举足轻重的地位,分别相当于各项总输入量的)$/!/和&-#+/!#)/#但应看到,栾城县氮、磷、钾养分输入结构严重失调,化学钾肥仅占钾素总输入量的*#./!*#./#虽然钾肥的施用总量已数倍增加,但钾肥仍未受到普遍重视,处于较低水平#在人增地减的情况下,化肥在粮食生产中的作用越来越重要,目前粮食产量的+*/是依靠当季化肥投入形成的,今后化肥的作用有可能增加到$*/!.*/#表9#A B!C C C年栾城县农田生态系统养分收入$%&(91?-./(+-/+D?-*0 0%.7%+3(,*:=:-(7/+?%+,6(+;)*?+-=/+#C!C C C(-)
15、养分收入8 P 5?7 P!-.89:!*89:*89:化肥Q?K?D 5.-*+.!&$&-$+$.!*&-+-)+.粪肥C=P 5$)&+&$.&+.-!$*-&+.!&-秸秆还田R P 5 5=B*&!*!*-.&)+.!-)灌溉水G 5 5?1=?6.&.&*.)*雨水9 5 =?6&.共生固氮S T(N?6?F+-!+$)$!?5 6 1?6 合计V 6 =K&!$+&.$&!*!$&.!*!.-$+$+畜禽排泄物和作物秸秆是有机肥主要来源#近年来,栾城县养殖业迅速发展,为农业生产提供了大量粪肥资源,*年投入农田量仅以总量的四分之一计(多数粪肥用于菜地和果园),仍比!-.和!*年有明
16、显提高,8、9、:养分投入总量增长!倍#秸秆直接还田提高了养分循环利用效率#*年通过秸秆还田返还农田养分总量为$&,比$)-!应用生态学报!$卷万方数据!#年增加$%&作物(#&!)#&的钾集中在茎、叶中,所以由秸秆还田途径返还土壤的钾占总输入量的*!&!*&,对土壤钾库的补给和平衡具有重要作用营养物质的大量输入,对促进农田生态系统内部的物质循环、维持土壤肥力以及提高农田生产力水平具有重要作用$#年养分总输入比!)*年增加!倍以上,在养分输入中化肥所占的比例最大,!)*年为)$&,!#年为()&,$#年为%!&;其次是粪肥和秸秆还田,按照年代顺序,粪肥所占的比例依次为:!#&、&、!+&;秸秆
17、还田所占的比例依次为:#&、!&随着生态经济的发展,农田养分来源结构不断发生变化,有机肥(粪肥、秸秆)所占比例越来越大,由!)*年的!#&扩大到$#年的,&,逐渐向有机无机相结合的方向发展!#$栾城县农田养分支出依据田间试验所获得的养分循环参数(包括肥料损失参数、作物产量及其养分含量等),估算全县养分总支出见表+作物养分支出量以作物总产量与作物养分浓度相乘获得,养分损失以肥料损失率与肥料施用量为基础获得栾城县粮食作物(主要是小麦、玉米)养分移出量最大,占养分总支出量的)#&!),&,其中粮食作物移出氮量占氮素总支出的(!&!(%&氮肥损失也是一重要支出项,占氮素总支出量的$#&!$+&从-、.
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- 华北 太行 山前 平原 农田 生态系统 循环 平衡
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