小麦是我国重要的粮食作物，其产量高低无论对粮食安全，还是对社会稳定及经济发展都具有重要意义。河南省是我国重要的小麦生产地，其小麦产量达到了 3573 万 t，超过全国小麦总产量的四分之一。而氮肥是实现作物高产关键因素之一。根据国家统计局统计数据显示，1949—2021 年我国氮肥用量由 825.9 万 t 增加到 1.833×10⁷ t，这导致大量氮肥在土壤中残留，不仅浪费了资源还带来了环境问题^[1-2]。为改善长期投入化肥氮带来的危害，有机肥和秸秆作为重要有机氮源与化肥氮配施投入土壤，成为重要的外源氮素。有研究表明，秸秆或有机肥为外源氮配施化肥可增加玉米产量，提高作物氮素吸收量^[3]，提升土壤养分含量^[4]，减少环境污染风险。赵凯男等^[5]研究显示，秸秆和有机肥配合替代三分之一化肥没降低冬小麦产量，但提高了干旱年份的夏玉米产量。吕凤莲等^[6]在山西关中平原嵝土上通过研究有机无机配施对小麦-玉米轮作体系产量及氮效率的影响，结果表明，有机肥替代 75% 化肥氮可以提高作物产量和氮效率。由此可见，长期投入外源氮肥可以提升土壤肥力、增加作物对养分吸收，进而提高作物产量。因此，科学的施肥措施对提高作物产量、降低农业污染及生产应用有着重要的价值。

土壤投入有机肥或秸秆是保持土壤生产力和减肥增效的重要措施，可改善土壤供氮特性，减少氮素损失，提高氮肥利用率^[7-11]。不同外源氮素在土壤-作物生产系统中转化直接影响作物对氮素的吸收。杨宪龙等^[12]研究长期施氮和秸秆还田对作物产量和氮肥利用率的影响的结果表明，秸秆还田随着试验年限增加其增产效果逐渐明显，并显著提高氮肥利用效率。秸秆和有机肥配合代替部分化肥对优化旱地土壤养分有较强能力，利于作物对养分的吸收提高养分利用率^[5]。申长卫等^[13]研究发现投入有机肥能改善土壤特性，促进根系生长，有利于作物对氮素的吸收和利用，提高氮肥利用效率。任思洋等^[14]通过 2005—2014 年华北地区农户调研数据分析得出，10 年间华北区氮素利用率农户间差异较大，为 19%～130%。闫鸿媛等^[15]对典型农田褐潮土、土等长期定位试验进行研究发现，平衡施肥作物氮肥利用率表现增加的趋势，而单施氮肥处理氮肥利用率呈现亏缺或者持平趋势。这些研究普遍关注肥料当季利用率，但是施肥后肥料利用率不仅存在当季利用率，还存在后季利用率的问题，而氮肥累积利用率可弱化各种因素对氮肥利用率的影响，其能更科学地说明氮肥的有效利用程度。而有关长期不同施肥的累积效应和后效、当季利用率与累积利用率的关系研究较少。本研究进一步探讨化肥氮素、有机肥氮素和秸秆氮素作为主要外源氮素长期协同使用氮肥利用率、氮肥后效、当季利用率与累积利用率的差异、土壤氮素累积等问题。因此，本研究依托 28 年潮土区长期肥料定位试验，分析小麦-玉米轮作体系下化肥氮素、有机肥氮素和秸秆氮素作为主要外源氮素长期协同施用对小麦、玉米产量及氮肥利用率的影响，以期为合理减少氮肥施用、提高氮肥利用率和科学管理土壤氮素资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

国家潮土肥力与肥料效益长期定位试验基地 （113°40′42″E、34°47′55″N）位于河南省原阳县祝楼乡，该试验区属于暖温带季风气候，年均降水量约 675 mm，主要集中于 7—9 月。试验地土壤类型为潮土。1991 年开始定位试验。试验区基础土壤理化性质如下，有机质含量 10.6 g/kg、全氮 0.64 g/kg、全磷 0.65 g/kg、全钾 16.9 g/kg、碱解氮 76.6 mg/kg、有效磷 9 mg/kg、速效钾 71.7 mg/kg、 pH 8.1。

1.2 试验设计

本研究基于长期定位试验选取 1991—2018 年间小麦-玉米轮作体系下长期定位试验的4个处理，分别为不施肥处理（CK）、单施化肥处理 （CF）、化肥氮素与有机肥氮素配施处理（CFM）、化肥氮素与秸秆氮素配施处理（CFS）。所有试验区每年施用氮肥为尿素，2002 年前钾肥为硫酸钾，之后为氯化钾，磷肥为普过磷酸钙；1990— 1999 年施用的有机肥为马粪，2000—2010 年为牛粪，2011—2018 年为商品有机肥。 CF 处理小麦季施氮肥（以 N 计）165 kg/hm²，磷肥（以 P₂O₅ 计） 和钾肥（以 K₂O 计）各 82.5 kg/hm²，玉米季施氮肥 （以 N 计）187.5 kg/hm²，磷肥（以 P₂O₅ 计）和钾肥（以 K₂O 计）各 93.75 kg/hm²。每年施肥前测定有机肥及玉米秸秆的氮、磷、钾含量。小麦季 CFM 处理与 CF 处理等氮量，有机肥代替 70%CF 处理氮量，另 30% 的氮量由尿素补充。磷、钾肥在 CF 处理基础上增施有机肥带入量；玉米季施肥量同 CF 处理；CFS 处理与 CF 处理等氮量，将前茬玉米秸秆粉碎还田，在 1991—2001 年秸秆还田替代 70%CF 处理氮量（不足部分由同期其他试验区秸秆补充），另 30% 的氮量由尿素补充，2002—2018 年为前茬全部秸秆量，不足 CF 处理氮量由尿素补充，磷、钾肥在 CF 处理基础上增加秸秆带入量。玉米季施肥量同 CF 处理。每季磷、钾肥和有机肥作为底肥一次性施入，氮肥按基追比 6∶4 施入。

1.3 测定方法

植株样品采集与测定方法：1991—2018 年冬小麦收获时采收 5 m² 测产（玉米收获时采收中间两行）；在小区选取长势均匀一致 20 株小麦，3 株玉米样品，分为籽粒、茎秆两部分，采集混合样，烘干至恒重后，粉碎用于测各部分氮素含量，采用 H₂SO₄-H₂O₂ 消化，凯氏定氮法测定其全氮含量。土壤样品：于 2018 年小麦收获后，分别从各小区取 0～100 cm 土层土样，每 20 cm 为一层，风干土壤样品过 0.85 mm 筛用于测定碱解氮含量，过 0.15 mm 筛用于测定全氮含量。全氮含量采用凯氏定氮法，碱解氮采用扩散法测定^[16]。

1.4 计算及统计方法

$\text{产量变异系数 CV}（\mathrm{\%}）=\sigma /\overline{\mathrm{Y}}\times 100$

式中，σ 为标准差（kg/hm²），$\overline{\mathrm{Y}}$为平均产量（kg/hm²）。

$\text{产量可持续指数}\mathrm{S}\mathrm{Y}\mathrm{I}=（\overline{\mathrm{Y}}-\sigma ）/{\mathrm{Y}}_{\text{max}}$

式中，σ为标准差（kg/hm²），$\overline{\mathrm{Y}}$为平均产量（kg/hm²）， Y_max 为产量的最大值（kg/hm²）^[17]。

$\mathrm{作}\mathrm{物}\mathrm{吸}\mathrm{氮}\mathrm{量}（\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{h}\mathrm{m}}^2）=\mathrm{}\mathrm{作}\mathrm{物}\mathrm{秸}\mathrm{秆}\mathrm{产}\mathrm{量}\mathrm{}\times \mathrm{}\mathrm{秸}\mathrm{秆}\mathrm{氮}\mathrm{浓}\mathrm{度}\mathrm{}+\mathrm{}\mathrm{作}\mathrm{物}\mathrm{籽}\mathrm{粒}\mathrm{产}\mathrm{量}\mathrm{}\times \mathrm{}\mathrm{籽}\mathrm{粒}\mathrm{氮}\mathrm{浓}\mathrm{度}\mathrm{}$

氮肥当季利用率（%）=[施肥处理作物当季吸收 N 量（$\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{h}\mathrm{m}}^2$）-不施肥处理作物当季吸收 N 量（$\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{h}\mathrm{m}}^2$）]×100/ 当季施用 N 量（$\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{h}\mathrm{m}}^2$）

累积利用率：一段时期内作物累积从土壤中吸收来自肥料的氮量与累积投入土壤中的肥料氮量的比值。

氮肥累积利用效率（%）=（一段时间内施氮处理作物累积吸氮量-一段时间内不施氮处理作物累积吸氮量）×100/ 这段时间累积施氮量

本研究使用 Excel 2010 对数据进行统计分析，使用 Origin 8 作图。

2 结果与分析

2.1 长期有机无机外源氮素配施对作物产量的影响

小麦-玉米轮作体系下不同外源氮素处理对作物产量的影响见图1。长期投入外源氮素（CF、 CFM、CFS）均能提高小麦和玉米产量。与 CK 处理相比，CF、CFM、CFS 处理小麦平均产量分别增加 280.49%、276.02%、286.73%，玉米平均产量分别增加 160.15%、170.86%、178.45%。CFS 处理小麦平均产量达到 6525.81 kg/hm²，比 CF 处理提高 1.64%。 CFM、CFS 处理玉米平均产量较 CF 处理分别增加 4.12%、7.04%。表2 表明，CF、CFM、CFS 处理小麦季、玉米季产量变异系数均高于 CK 处理，小麦季增幅更大。小麦季 CFS 处理产量可持续指数最高，为 66.32%，玉米季 CFM、CFS 处理产量可持续指数基本一致，高于 CF 处理。说明小麦-玉米轮作体系下，投入外源氮素均提高作物产量，提升产量稳定性和可持续指数，且 CFS 处理在小麦-玉米轮作体系下对可持续生产有积极的意义。

注：中间实线代表中值，□代表均值，方框上下边缘表示数据的上下 25% 数值，上下水平短线表示数据集的 5% 和 95% 区间，箱外 * 表示数据集的最大值和最小值。

2.2 长期有机无机外源氮素配施对作物氮素吸收的影响

由图2 可知，投入外源氮素能提升作物氮素吸收量，且随着试验年限的增加，不同处理氮素吸收量变化规律不同。CK 处理作物吸氮量年际变化成波浪形，变化较平缓，吸氮量最低，周年氮素吸收量为 55.90～123.06 kg/hm²。CFM、CFS 处理的氮素吸收量呈上升趋势，28 年平均氮素吸收量分别较 CF 处理提高 2.11%、4.29%。随着施肥年限的延长，CF、CFM、CFS 处理对作物氮素吸收量增速 2.36、5.00、3.75 kg/（hm² ·年）。综上，CFM 处理作物氮素吸收量提升效果最佳，增速 5.00 kg/ （hm² ·年），其次为 CFS 处理，投入有机肥和秸秆还田具有长期的养分累积效应，对小麦-玉米体系下培肥土壤具有重要意义。

2.3 长期有机无机外源氮素配施对氮肥利用率的影响

氮肥当季利用率指作物吸收来自肥料的氮量占施氮量的百分比，也是衡量施肥经济效应的重要参数。由图3 可知，随着试验年限的增加氮肥当季利用率呈现不同变化趋势。CFM、CFS 处理氮肥利用率均随施肥年限增加呈现增加趋势。前 20 年 （1990—2010 年）CF 处理氮肥利用率高于 CFM，后 8 年 CF 处理氮肥利用率低于 CFM 处理。CFS 处理氮肥利用率最高，平均为 64.78%。不同外源氮素处理氮肥当季利用率均随施肥年限增加呈上升趋势。因此，随着施肥年限的增加，CFM、CFS 处理对小麦-玉米轮作体系下氮肥利用率的提升效果最佳。

氮肥累积利用率以多年使用的氮肥被作物吸收的比例对外源氮素的利用情况进行评价，此方法包括了施肥后当季作物对氮肥的利用，也包含了长期氮肥的后效作用。由图4 可知，作物对外源氮肥累积利用率随试验年限的增加而增加，CF、CFM、CFS 处理累积利用率快速增加，28 年后累积利用率分别为 61.12%、 62.91%、64.78%，比试验初期提高 28.8、16.47、15.83 百分点。氮肥累积利用率与试验年限有显著的线性关系，试验年限每增加 1 年氮肥累积利用率的增加作为后效，CF、CFM、CFS 处理平均后效分别为 0.72%、 0.90%、0.60%。CF、CFM 处理，随试验年限的增加，氮肥累积利用率增加较快，氮肥后效较大。

2.4 作物产量与氮肥当季利用率和累积利用率的关系

氮肥当季利用率和累积利用率均是投入氮肥量与作物总携出量的函数，而作物携出量主要为籽粒和茎秆，籽粒产量、茎秆产量及其氮含量与作物氮携出量关系密切。通过 28 年 CF、CFM、CFS 处理的作物籽粒产量与氮肥当季利用率和累积利用率的相关分析 （图5）表明，氮肥当季利用率和累积利用率与作物产量呈正相关，作物产量每增加 1 kg/hm²，氮肥当季利用率和累积利用率分别增加 0.004%、0.001%。

2.5 长期有机无机外源氮素配施对土壤全氮和碱解氮的影响

由图6a 可以看出，连续施肥 28 年后，全氮含量随土层深度的增加逐渐降低。不同施肥处理 0～20 cm 土层土壤全氮含量均表现明显增加，其中 CFM、CFS 处理全氮含量分别达到 1.00、0.93 g/ kg，较 CF 处理增加了 46.56%、37.19%；20～40 cm 土层中，CFM、CFS 处理全氮含量也明显增加，较 CF 处理提高 12.47%、10.55%。与 CK 处理相比，40～60、60～80 cm 土层施肥处理（CF、 CFM、CFS）全氮含量分别增加了 7.35%～14.20%、 13.40%～19.17%，且 CFM、CFS 处理均高于 CF 处理，但差异不显著。80～100 cm 土层施肥处理全氮含量与对照没有差异。因此，有机肥和秸秆还田能增加全氮含量，且有机肥对全氮的提升效果强于秸秆还田。

土壤碱解氮是土壤氮库中作物易吸收的部分，能直接供作物吸收，是评价土壤供氮能力的重要指标，与土壤全氮相比，土壤碱解氮易受耕种和肥料等因素的影响。图6b 表明连续施肥 28 年后土壤碱解氮在土壤剖面中的分布。从图6b 中可以看出，投入不同外源氮后土壤剖面中碱解氮含量的分布规律与全氮相似，随土层深度的增加碱解氮含量明显降低。与 CF 处理相比， 0～20 cm 土层 CFM、CFS 处理分别提高 38.17%、 18.32%；20～40 cm 土层，提高分别 12.05%、 8.43%。与 CK 处理相比，40～60、60～80 cm 土层施肥处理（CF、CFM、CFS）碱解氮含量分别增加了 7.71%～16.97%、11.00%～14.33%，且 CFM、CFS 处理均高于 CF 处理，但差异不显著。 80～100 cm 土层施肥处理碱解氮含量与 CK 没有差异。因此，配施有机肥或秸秆还田能增加土壤碱解氮含量，且配施有机肥对碱解氮含量的提升效果最佳。

3 讨论

3.1 有机无机外源氮素配施对作物产量的影响

关于长期定位肥料试验的增产作用已有研究表明，有机肥料或化肥均使作物增产，增产幅度因有机肥的种类及其投入量而有差异。有研究表明，等养分条件下牛粪配施化肥处理玉米产量增产效果优于秸秆配施化肥处理^[18]。本研究结果表明，与 CF 处理相比，CFM、CFS 处理玉米平均产量分别提高 4.12%、7.04%。这与盖霞普等^[19] 的研究结果一致。一方面是施用有机肥或秸秆还田外源有机肥物料，提供了丰富的碳源，提升了土壤碳氮库容，使土壤肥力增加^[20-21]。另一方面，外源有机物料的投入增加了有机碳，促进了微生物的活性增加，提升养分的有效性，更多养分被作物吸收，从而提高作物产量^[22]。但有机肥或秸秆提供的外源氮素在养分含量方面存在差异，导致了作物生长发育存在差异。本研究中，在小麦季，CF、CFM、 CFS 处理秸秆还田增产幅度较大，分别为 280.49%、 276.02%、286.73%。表明秸秆代替部分氮素处理对作物产量及作物吸氮量的提升优于有机肥代替部分化肥处理，其原因可能是秸秆还田能增强土壤蓄水保墒能力和调节土壤温度，较好的水热条件，使微生物数量和活性增加，进而提升养分有效性和土壤肥力，促进作物生长发育，从而产生较大的增产效应^[23-24]。而杨铁钢^[25]和汪吉东等^[26]则认为，等氮条件下化肥氮与有机肥氮配施处理因有机肥中有机质矿化缓慢，养分释放较慢，导致有机肥矿化的氮素不能满足作物对有效氮的需求，进而影响作物的产量，导致其产量低于单施化肥处理。另外，侯慧芝等^[27]和黄婷苗等^[28]研究表明，秸秆半量全量还田能提高水分利用率，促进氮、磷、钾吸收，充分发挥其生产潜力使作物增产。本研究进一步表明，小麦季 CFS 处理产量稳定性最高及可持续性指数最大，玉米季的 CFS、CFM 处理产量稳定性和可持续性指数基本一致，且高于 CF 处理。说明小麦-玉米轮作体系下，投入外源氮素可提升产量稳定性和产量可持续性指数，而 CFS 处理在小麦-玉米轮作体系下可保持最高的可持续生产能力。

3.2 有机无机外源氮素配施对氮肥利用率的影响

氮肥的高效利用是目前农业生产中重点关注的问题。投入的外源氮素不仅会被当季作物吸收利用，还会在土壤中累积，对作物生长产生影响^[12-13]。氮肥当季利用率是作物吸收肥料氮量占投入氮肥量的百分比^[29-30]，而氮肥利用率易受氮肥投入量、产量、气候、土壤条件等因素影响。本试验中，前 20 年（1991—2010 年）CF 处理氮肥利用率高于 CFM，后 8 年 CF 处理氮肥利用率低于 CFM 处理。这是因为虽然两个处理总氮投入量相等，但 CF 处理中提供的氮为矿质养分，易于被作物快速吸收利用，而 CFM 处理中有机态氮占 70%，这部分养分需要随有机肥的矿化过程缓慢释放，短时间内难以被作物吸收利用，导致氮肥当季利用率低，随着试验年限的增加，有机肥后效较大，氮肥当季利用率较快增加^[30]。这与蔡祖聪等^[31]研究结果一致，投入氮、磷、钾化肥小麦氮肥利用率高于 1/2 有机肥处理，主要因为有机肥中较多的氮累积在土壤中。

氮肥累积利用率指一段时间内作物累积吸收养分量减去该时期不施氮肥处理作物累积吸氮量的差值占该时期累积氮投入量比值，由于各种因素的影响，仅用肥料当季利用率难以客观反映氮肥利用情况，累积利用率可弱化土壤肥力、品种、作物类型等因素对肥料利用率的影响^[32]。长期定位试验经历不同气候、不同品种和时间上的长期性，可减少试验误差，更科学表明氮肥有效利用程度。本研究表明，小麦-玉米轮作体系下，氮肥累积利用率随种植年限的增加而缓慢增加，28 年后长期定位试验氮肥累积利用率为 61.12%～64.78%，说明氮肥存在后效，这与杨宪龙等^[12]的研究结果一致。不同外源氮素长期投入土壤，其氮肥后效趋于稳定，本研究中 CF、PFM、PFS 处理氮肥平均后效分别为 0.72%、0.90%、0.60%。

3.3 有机无机外源氮素配施对剖面氮素的影响

土壤全氮含量表征土壤供氮的潜力，而碱解氮是评价土壤供氮能力的重要指标，氮素的盈缺影响着作物生长和产量^[33]。刘春柱等^[34]和 Yang 等^[35]研究表明，与化肥处理相比，有机肥与化肥配施处理能显著提高土壤中全氮含量，提升土壤供氮能力。本研究结果显示连续施肥 28 年后，土壤全氮、碱解氮含量随土壤深度增加呈现递减趋势，这与温延臣等^[36]研究结果一致。本研究进一步表明，与 CF 处理相比，0～40 cm 土层 CFM、 CFS 处理全氮含量分别提高 22.08%～35.94%、 10.55%～37.19%，土壤碱解氮含量分别提高 12.05%～38.17%、8.43%～18.32%，说明有机肥或秸秆配施化肥有利于提高土壤氮素含量，这主要是因为有机肥或秸秆中有大量有机态氮，其矿化较慢，导致在土壤中累积，土壤全氮含量增加，而化肥氮损失途径较多且损失量大。王伯仁等^[37]对红壤旱地的长期定位试验研究发现，长期施用有机肥土壤全氮和碱解氮含量均在 60 cm 土层趋于稳定，这些结果与本研究的结果基本一致。40～80 cm 土层施肥处理土壤全氮、碱解氮含量均高于 CK 处理，CFM、CFS 处理高于 CF 处理，但差异不显著。 80～100 cm 土层土壤全氮、碱解氮含量均降至最低，分别在 0.31 g/kg、22.08 mg/kg 以下。

4 结论

单施化肥或化肥氮与有机肥氮配施或化肥氮与秸秆氮配施均可提高作物产量，提升产量稳定性和产量可持续性指数，氮肥与秸秆配施最有利于维持小麦-玉米轮作体系的可持续生产能力，实现高产稳产。单施化肥氮或化肥氮与有机肥氮配施或化肥氮与秸秆氮配施平均后效分别为 0.72%、0.90%、 0.60%。化肥氮素与有机肥氮素配施对土壤全氮和碱解氮的提升效果较好。

参考文献