二、研究进展
（一）长期施肥作物产量演变规律
与对照相比各施肥处理均能提高产量。对1979—2018年的玉米产量取平均值，得到不同施肥处理条件下有机肥与氮磷配施玉米产量最高（8856千克/公顷），秸秆配施氮磷肥次之（7226千克/公顷），不施肥产量最低（3679千克/公顷）；1979—2019年的小麦产量与对照相比，有机肥与氮磷配施提高幅度最大（214%），单施氮肥最低（36%），其增幅明显大于玉米。
图3-2 不同施肥处理小麦考种对比照
（二）长期施肥对土壤水分的影响
1.水分的演变规律
据1950—2018年68年气象资料统计，试验区年均降水量645.2毫米，年蒸发量1437.3毫米，黑垆土土壤水分动态主要受降水、蒸发和蒸腾因素的影响，根据自然降水规律和土壤水分随时间变化的分布特点，结合土壤水分常数，将黑垆土周年变化趋势划分为冬季相对稳定期、春季返潮消耗期、夏季干湿交替期和秋季恢复期四个水分时期。
2.作物生长对土壤水分含量、耗水量和水分利用效率的影响
休闲期土壤水分含量明显高于生长期，休闲期8月份水分含量较低，10月份土壤各层含水量达到全年最高值；生长期从10月到翌年2月份，土壤水分处于相对稳定阶段，2月份以后至作物收获期各层土壤水分含量持续降低，6月份达到一年中最低值。其中，在种植小麦期，有机肥配施氮磷肥水分利用率最高，农作物秸秆还田耗水量最大。小麦水分利用效率与小麦肥料增产贡献率表现出正相关性。
图3-3 田间测定土壤水分
（三）长期施肥条件下土壤肥力的演变规律
1.土壤有机质的演变规律
土壤有机质是评价土壤肥力的主要因素之一。自1978年开始试验土壤有机质含量为9.7克/千克，经过20年的土壤培肥过程（1978—1997年），有机质开始出现较为明显的增加趋势，说明黑垆土有机质含量的提升是较为缓慢的过程，施用有机肥或农作物秸秆还田是提高土壤有机质较为有效的方法。其中，秸秆还田和有机肥配施氮磷肥处理土壤有机质含量年增加量分别为0.27克/千克和0.35克/千克。
2.土壤氮素的演变规律
长期不同施肥对土壤全氮含量影响。长期施用有机肥和秸秆还田显著增加了土壤全氮含量，但施用化肥（N、NP）对土壤全氮含量影响不明显。1978—2015年各年份土壤全氮含量取平均值，得出不同施肥处理土壤全氮含量水平的高低顺序为MNP（1.1克/千克）＞SNP（1.0克/千克）＞M（1.0克/千克）＞NP（0.95克/千克）＞N（0.91克/千克）＞CK（0.89克/千克）。
长期施肥对土壤碱解氮含量的影响。长期施肥条件下黑垆土碱解氮含量没有明显的变化。1978—2010年各年份土壤碱解氮含量取平均值，得到不同施肥处理下土壤碱解氮含量的大小顺序为MNP（73.9毫克/千克）＞SNP（71.0毫克/千克）＞M（69.7毫克/千克）＞N（59.8毫克/千克）＞NP（59.3毫克/千克）＞CK（54.8毫克/千克）。但总体较初始年份（114毫克/千克）呈下降趋势。
土壤氮素在剖面中的分布。研究结果表明：有机肥对硝态氮、铵态氮的影响也十分明显，小麦孕穗期和夏闲期施用有机肥处理的土壤表层及亚表层NO3-N显著高于其他土层，且夏闲期0～40厘米土层的NO3-N含量较孕穗期大幅上升。主要来源于有机肥及秸秆分解、有机质含量较高、经过夏闲期的有机质矿化所释放的氮素。
全氮、碱解氮、硝态氮、铵态氮含量均显著增加，其中0～20厘米土壤全氮较36年前平均提高了26.2%；SNP处理土壤全氮及碱解氮显著高于对照，全氮与试验前持平或略有提升；N、NP处理的耕层土壤全氮较试验前分别降低了13.1%和6.4%。N处理深层土壤硝态氮明显较高，NO3-N有继续向100厘米以下下降的可能。而其他各施肥处理均能减少硝态氮向深层下移，避免造成下层土壤水体的污染。
3.土壤磷素的演变规律
长期施肥对黑垆土全磷含量的影响。土壤全磷研究发现，1978—2010年与对照相比土壤全磷含量提高的幅度为MNP（25.4%）＞SNP（23.8%）＞NP（13.3%）＞M（13.3%）＞N（2.91%）。
长期施肥对土壤速效磷含量的影响。对各处理1978—2010年土壤速效磷含量取平均值，MNP、NP、SNP和M处理均提高了土壤速效磷含量，与CK相比提高幅度分别为267%、136%、125%和96.5%。N处理则降低了土壤速效磷含量，降低幅度为4.01%。说明外源磷肥的施入是提高土壤速效磷含量的主要因素，不平衡施肥降低了土壤速效磷含量。
有磷肥施入的NP、SNP、M和MNP处理土壤速效磷含量均随施肥年限的增加呈极显著线性增加的趋势，说明外来磷肥输入是提高黑垆土速效磷含量的主要措施。氮处理土壤速效磷含量随施肥年限的增加呈降低趋势，但表现不显著。
4.土壤钾素的演变规律
土壤速效钾含量的影响。与CK相比MNP、M和SNP对土壤速效钾含量提高的幅度均比较大，这可能是有机肥和秸秆施入提高了土壤钾含量。与初始土壤速效钾相比，N、NP和CK处理均降低了土壤速效钾含量，主要是因为这些处理没有外源钾肥的输入，随着作物生长从土壤吸收钾素造成的。
（四）长期施肥条件下农田生态系统养分循环与平衡
1.土壤有机碳循环、平衡及与全氮的关系
土壤有机碳平衡。采用差减法研究各年份土壤有机碳平衡值取平均值得到不同处理土壤有机碳平衡值的大小顺序为SNP（1980千克/公顷）＞M（-412千克/公顷）＞CK（-843千克/公顷）＞N（-1032千克/公顷）＞MNP（-1547千克/公顷）＞NP（-2346千克/公顷）。
土壤有机碳平衡与有机碳投入量的关系。SNP处理由于每年有较大量的农作物秸秆施入，土壤有机碳平衡与有机碳投入量之间呈极显著正相关性（P＜0.01），其他处理土壤有机碳平衡与有机碳投入量之间线性正相关性表现不显著（P＜0.05）。
土壤有机碳及有机碳与全氮的关系。综合所有处理年份发现，土壤有机碳与全氮含量呈正相关关系，土壤有机碳含量每增加1克/千克，土壤全氮含量将增加0.048克/千克。
2.长期施肥对土壤氮素表观平衡和氮肥利用率的影响
CK由于没有外源氮肥的施入，土壤氮素表观平衡表现为亏缺（1355千克/公顷）；N处理土壤氮素盈余值为595克·千克，氮肥利用率为27.8%，NP和SNP处理土壤氮素略有亏缺，氮肥利用率分别为60.6%和68.8%；M和MNP处理土壤氮素盈余值较大，由于氮肥总投入量较大，导致氮肥利用率较低。
3.长期施肥对土壤磷素表观平衡和磷肥利用率的影响
CK和N处理由于没有外源磷肥的施入，土壤磷素表观平衡均表现为亏缺，亏缺值分别为197千克/公顷和184千克/公顷；有磷素输入的NP、SNP、M和MNP处理土壤磷素均表现为盈余，M和MNP处理由于磷素输入量较大，土壤磷素盈余值也较多。
4.长期施肥对土壤钾素表观平衡和钾肥利用率的影响
CK、N和NP均没有外源钾肥的施入，土壤钾素均表现为亏缺；SNP、M和MNP处理由于有机肥中钾素含量较高，土壤钾素出现盈余。
（五）基于土壤肥力演变的主要培肥技术模式
从黑垆土40年的长期定位试验结果可以看出，有机肥与氮磷肥配合施用或秸秆与氮磷肥配合施用均可以大幅度提高土壤有机质含量，提高幅度分别为37.3%和35.3%，土壤有机质含量年增加量分别为0.343克/千克和0.266克/千克。同时对黑垆土全氮含量、碱解氮含量、全磷含量、速效磷含量、速效钾含量提高的幅度均较大，增强了土壤养分的供应容量，作物产量提高的幅度也是最大的。
肥料长期定位试验结果表明，秸秆还田配合隔年施磷、施用有机肥及化肥与有机肥配施是黄土高原黑垆土区比较适宜的土壤培肥技术，特别是秸秆还田配合隔年施磷，不但可降低磷肥施用量50%，还可解决作物秸秆的出路问题。适宜施肥量为N 90千克/公顷、P2O575千克/公顷，与常规施肥量（N 225千克/公顷、P2O5150千克/公顷）相比用量低，在保持作物产量稳定的同时可以达到减施化肥。
图3-4 黑垆土定位试验小麦拔节——抽穗全景图
（六）主要结论与成果
主要结论 ①各施肥处理均能提高玉米和小麦的产量。②土壤有机质含量随施肥年限的增加呈增加的趋势。施用有机肥、秸秆与氮磷肥配合和单施有机肥均能提高土壤有机质含量。③MNP处理能显著增加提高土壤全氮含量；N、NP和MNP处理能显著增加土壤碱解氮含量，M和SNP处理土壤碱解氮含量变化不显著。④有磷肥施入的MNP、SNP和NP处理土壤全磷含量较高，单施N和CK则降低了土壤全磷含量。与CK相比，MNP、NP、SNP和M处理均提高了土壤速效磷含量，N处理则降低了土壤速效磷含量。⑤与CK相比，各施肥处理均能提高土壤速效钾含量，MNP、M和SNP处理对土壤速效钾含量提高的幅度均比较大。N、NP和CK处理均降低了土壤速效钾的含量。
主要成果41年来，通过对作物产量累积效应、土壤水分周期变化规律、土壤有机质、氮、磷、钾循环积累状况的分析研究，积累的大量资料为指导当地农业生产起到了积极的作用。试验先后被列为国家基础性长期性土壤质量、农业环境监测点，兰州大学国家生态重点实验室博士生实习点，中科院西北水保所“九五”科技攻关项目“黄土高原农业生态系统抗逆减灾模式研究”、“十一五”国家科技支撑重点课题“西北退化耕地地力恢复技术模式研究示范”、甘肃省土壤肥料协作网等项目的中心试验点。先后培养中、高级专业技术人才10多名，在国家学术期刊上发表论文29篇，其中SCI文章3篇。通过独立或与中国农科院、甘肃省农科院、兰州大学等单位合作取得获奖成果6项，其中获国家科技进步二等奖1项（协作，二级证书）、甘肃省科技进步三等奖3项、甘肃省农业技术推广二等奖1项、甘肃省高校科技进步三等奖1项。