半干旱區(qū)增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥土壤碳氮比及產(chǎn)量的影響

尹嘉德，侯慧芝，張緒成，*，繆平貴，于顯楓，方彥杰，王紅麗，馬一凡

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070）

小麥是西北黃土高原主要糧食作物之一，受降水等自然條件限制，該區(qū)旱作小麥長期產(chǎn)量低而不穩(wěn)［1-2］。全膜覆土穴播是黃土高原小麥主要種植方式，不僅能夠抑制蒸發(fā)，提高土壤含水量［3-4］，活化土壤養(yǎng)分，提高氮素利用效率和糧食單產(chǎn)［5-6］，而且能緩解小麥在灌漿期高溫脅迫傷害，增產(chǎn)效果明顯［7-8］。但地膜覆蓋下化肥一次性基施，造成生長后期脫肥和土壤氮素供應(yīng)與作物需氮錯位的問題［9-10］，影響作物水分生產(chǎn)潛力發(fā)揮。已有研究表明，覆膜提高了耕層土壤溫度和水分［3-4］，土壤酶和微生物活性相應(yīng)增高，對土壤碳素和氮素含量有直接影響［5-6］，這必然改變土壤碳氮比，并影響作物對氮素的利用效率和產(chǎn)量［11-13］。土壤微生物活動需要一定比例有機碳和無機氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮為主）做底物，因此，土壤碳氮比值變化將通過影響微生物活動來調(diào)節(jié)有機質(zhì)的礦化速率［14］；這也表明土壤與作物對土壤無機氮存在競爭作用，土壤碳氮比提高將增加土壤與作物對無機氮的競爭，限制作物對氮素吸收，不利于作物產(chǎn)量形成［15］。研究表明，有機肥與化肥配施，使土壤有機碳含量提高，將增加氮素的固持，協(xié)調(diào)土壤碳氮關(guān)系，增強保水保肥效果［16-17］，緩解土壤氮素過快消耗的困境［14，17-18］。

黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)糧食產(chǎn)量低，單施有機肥提高的有機碳含量，易造成土壤微生物與作物爭氮現(xiàn)象，見效慢，限制產(chǎn)量提高；單施化肥易造成土壤碳氮關(guān)系失調(diào)和土壤酸化等農(nóng)田生態(tài)問題，同樣限制作物產(chǎn)量潛力發(fā)揮［19-21］。在施用化肥的基礎(chǔ)上增施有機肥，是調(diào)節(jié)土壤C/N的有效措施，可在緩解氮素競爭的基礎(chǔ)上保育土壤生態(tài)。目前，對全膜覆土穴播水分效應(yīng)的研究取得了重要進展，但從碳氮計量關(guān)系，對全膜覆土穴播小麥產(chǎn)量和水肥效率效應(yīng)的研究較少。本研究以增施有機肥為處理方法，測定全膜覆土穴播春小麥生育期土壤堿解氮含量、堿解氮動態(tài)變化、有機碳含量、旗葉氮素含量、產(chǎn)量等，計算土壤碳氮比、堿解氮盈余、化肥偏生產(chǎn)力、水分利用效率等指標，這一工作對探索隴中旱作區(qū)春小麥生產(chǎn)資源高效利用、生態(tài)安全及養(yǎng)分調(diào)控的技術(shù)途徑有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016～2017年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗站（甘肅省定西市安定區(qū)團結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村，104°36′E，35°35′N）進行。該區(qū)海拔1 970 m，年平均氣溫6.2℃，年輻射總量5 898 MJ·m-2，年日照時數(shù)2 500 h，≥10℃積溫2 075.1℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。該地區(qū)為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。2017年春小麥全生育期內(nèi)降水142.6 mm，降水集中在5月底至6月中旬，灌漿期至成熟期降水較少。試驗區(qū)土壤為黃綿土，0～30 cm土層平均容重1.25 g·cm-3，田間持水量為21.18%，凋萎系數(shù)為7.2%，基本理化性質(zhì)如表1。

表1 供試農(nóng)田土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

以春小麥品種“隴春27”為試驗材料，采用單因素完全隨機法，覆膜處理采用全膜覆土穴播方式（技術(shù)核心為：在農(nóng)田種植區(qū)域，地膜全部覆蓋并且膜上完全平鋪1～2 cm細土。其不僅具有地膜覆蓋技術(shù)的優(yōu)點，并且有效地解決春小麥苗穴錯位問題，使出苗率和公頃穗數(shù)提高；有效地抑制雜草，降低無效耗水；顯著調(diào)節(jié)土壤溫度，降低春小麥生長后期受到的高溫脅迫傷害［7-8］），設(shè)全膜覆土平作穴播（PMS）、全膜覆土平作穴播+有機肥（PMO）、裸地平作穴播（CK）3個處理，每處理3次重復(fù)。小區(qū)面積6 m×10 m，行距20 cm，穴距12.5 cm，每穴8～10株，密度450萬株/hm2。試驗肥料養(yǎng)分含量及施肥水平：尿素（N 46%）150 kg·hm-2、過磷酸鈣（P2O512%～16%）75 kg·hm-2、氯化鉀（K2O 60%）45 kg·hm-2，有機肥為風(fēng)干發(fā)酵腐熟完全的羊糞30 000 kg·hm-2（N 0.5%、P2O50.35%、K2O 0.4%）。施肥及整地方式：肥料全部作為底肥施入，人工將有機肥和化肥均勻地灑在地表，用旋耕機翻入，翻耕深度約5～10 cm，之后不再追肥；覆膜處理均為秋覆膜，地膜平鋪于整個地面，在膜上覆土1～2 cm。連續(xù)兩年定位試驗，在第二年（2017年）采樣與測定數(shù)據(jù)。各處理土壤采樣具體時間：3月24日播種，分別于播前（3月23日）、挑旗期（5月16日）、抽穗期（5月29日），揚花期（6月22日）、成熟期（收后）（7月25日）采樣。除人工除草外不采取其他田間管理措施。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集

土壤水分取樣：分別于播前和收獲時，測定0～300 cm土壤含水量，每20 cm為1個步長。

養(yǎng)分樣品采集：每個處理取3個重復(fù)，每個處理小區(qū)隨機3個點取土樣，分別取0～10、10～20、20～30、30～50 cm土層土壤，將同一小區(qū)同一土層土壤樣品均勻混合，在室內(nèi)自然晾干。

春小麥旗葉樣品采集：每個處理取3個重復(fù)，每個處理小區(qū)隨機取20片春小麥旗葉，置于室內(nèi)，風(fēng)干粉碎，分裝編號送至試驗室測定。

1.3.2 樣品測定土壤含水量：用烘干稱重法測定土壤含水量。土壤堿解氮測定：土樣過0.149 mm篩后，利用堿解擴散法測定。

土壤有機碳測定：土樣過0.149 mm篩后，0.5 mol·L-1稀鹽酸除無機碳后，利用碳氮聯(lián)合分析儀測定。

旗葉全氮含量測定：旗葉粉碎后，加入濃硫酸消解植物葉片樣品，用全自動凱氏定氮儀測定。

1.3.3 計算方法

土壤堿解氮含量剖面動態(tài)變化：同處理同一土層相鄰生育期堿解氮含量差值（后一生育期減去前一生育期堿解氮含量的值）（mg·kg-1）。

土壤堿解氮累積量：土壤堿解氮累積量（kg·hm-2）=土壤面積（hm2）×土層厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤堿解氮含量（g·kg-1）/10。

土壤堿解氮盈虧：播前土壤堿解氮累積量與收獲期土壤堿解氮累積量差值（kg·hm-2）。

土壤碳氮比：土壤碳氮比計算公式：C/N=SOC/SAN，式中：C/N為土壤碳氮比值，SOC為土壤有機碳含量（mg·kg-1），SAN為土壤堿解氮含量（mg·kg-1）。

肥料偏生產(chǎn)力：計算公式：PFP=Y/F，式中：PFP是指肥料偏生產(chǎn)力（kg·kg-1），Y是施肥后作物的產(chǎn)量，單位為kg·hm-2，F(xiàn)是化肥純養(yǎng)分（N、P2O5和 K2O）的投入量（kg·hm-2）。

生育期貯水量：計算公式：SWS=Ws×b×d/10，式中，SWS為土壤貯水量（mm），Ws為土壤含水量（%），b為土壤容重（g·cm-3），d為土壤深度（cm）。

水分利用效率：計算公式：WUE=Y/ET，其中ET=SWSBF-SWSHA+P，式中，WUE為水分利用效率（kg·mm-1·hm-2），Y為小麥單位面積產(chǎn)量（kg·hm-2）；ET為生育期耗水量（mm），SWSBF為播前土壤貯水量（mm），SWSHA為收獲時土壤貯水量（mm），P為生育期降水量（mm）。

收獲指數(shù)：計算公式：HI =Yd/DW，式中，HI為收獲指數(shù)，Yd為作物單位面積籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2），DW為單位面積地上干物質(zhì)總量（kg·hm-2）。

產(chǎn)量：各小區(qū)單打單收，待曬干后統(tǒng)計產(chǎn)量，并換算成每公頃產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19.0和Excel 2016軟件分析處理數(shù)據(jù)并制圖，顯著性檢驗為LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤堿解氮的影響

2.1.1 不同處理小麥主要生育期0～50 cm土壤堿解氮含量

在連續(xù)兩年定位試驗基礎(chǔ)上，第二年不同處理對春小麥0～50 cm土層土壤堿解氮含量有顯著影響（表2）。在0～10 cm土層，PMO土壤堿解氮含量在播前、挑旗期、抽穗期、揚花期、成熟期較PMS分別提高84.82%、107.62%、197.72%、257.22%、262.75%，較CK分別提高117.04%、245.12%、181.47%、109.52%、236.94%；在10～20 cm土層，較PMS分別提高56.27%、130.18%、292.84%、256.25%、211.29%，較CK分別提高70.44%、31.03%、43.34%、34.13%、116.87%；在20～30 cm土層，較PMS分別提高38.01%、62.15%、102.80%、118.91%、78.29%，PMO 在播前和成熟期較CK分別提高24.87%和28.77%，差異顯著（P＜0.05）。在30～50 cm土層，PMO在挑旗期、抽穗期、揚花期和成熟期較PMS分別提高94.64%、84.56%、74.01%和86.02%，在成熟期較CK提高67.32%，差異顯著（P＜0.05）。

表2 不同處理小麥主要生育期0～50 cm土層土壤堿解氮含量 （mg·kg-1）

2.1.2 不同處理主要生育階段0～50 cm土層土壤堿解氮剖面動態(tài)變化

連續(xù)兩年定位試驗，第二年不同處理的主要生育階段0～50 cm土層土壤堿解氮含量剖面動態(tài)平衡變化差異顯著（表3）。播前-挑旗階段，CK土壤堿解氮含量在0～10 cm土層較PMO和PMS顯著下降，但在10～50 cm土層顯著上升；PMS土壤堿解氮含量在0～50 cm土層均下降；PMO土壤堿解氮含量在0～10 cm土層有所下降，在10～30 cm土層無明顯變化，在30～50 cm土層顯著上升。挑旗-抽穗和抽穗-揚花階段，各處理土壤堿解氮含量基本呈下降趨勢，土壤堿解氮含量變化幅度在0～30 cm土層最顯著，此階段PMO在0～30 cm土層土壤堿解氮含量下降幅度較PMS提升67.80%，PMS較CK提升 80.55%，差異顯著（P＜0.05）；PMO土壤堿解氮含量在30～50 cm土層有所下降，PMS和CK處理無顯著變化。揚花-成熟階段，PMO和PMS土壤堿解氮含量在0～50 cm土層呈不同程度上升，且在0～30 cm土層土壤堿解氮含量上升幅度較為明顯，而CK土壤堿解氮含量在0～30 cm有所下降和30～50 cm土層有所增加；PMO在0～30 cm土層土壤堿解氮含量上升幅度較PMS提高180.42%。總體上，各處理在播前至挑旗階段堿解氮含量呈下降趨勢；在挑旗至揚花階段，PMO在0～30 cm土層土壤堿解氮含量下降幅度最顯著；CK在播前至挑旗階段土壤堿解氮顯著下移，整個生育期PMO和PMS土壤堿解氮無明顯下移趨勢。

表3 不同生育階段0～50 cm土層土壤堿解氮含量剖面動態(tài)變化 （mg·kg-1）

2.1.3 不同處理收獲后0～50 cm土層土壤堿解氮累積量盈虧

連續(xù)兩年定位試驗，第二年不同處理春小麥0～50 cm土層土壤堿解氮累積量盈虧差異顯著（圖1）。第二年收獲后，0～10 cm土層土壤堿解氮累積量均減少，減少程度：PMS＞PMO＞CK，PMO和PMS較CK差 異 顯 著（P＜0.05）；10～ 20 cm土層土壤堿解氮累積量均減少，減少程度：PMS＞CK＞PMO，處理間差異顯著（P＜0.05）；20～ 30 cm土層土壤堿解氮累積量，PMS顯著減少，PMO和CK無顯著變化（P＞0.05）；30～50 cm土層土壤堿解氮累積量，PMS顯著減少，PMO和CK顯著增加（P＜0.05）。因此，PMO處理顯著降低了0～10 cm土壤堿解氮積累量，PMS處理顯著降低了0～50 cm土壤堿解氮累積量，CK處理顯著降低了0～20 cm土壤堿解氮累積量；PMO和CK處理30～50 cm土壤堿解氮累積量顯著盈余。

2.2 不同處理對土壤有機碳含量的影響

連續(xù)兩年定位試驗，增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥0～50 cm土層土壤有機碳含量影響顯著（表4）。第二年，0～10 cm土層，PMO播前、挑旗期、抽穗期、揚花期和成熟期土壤有機碳含量平均較PMS和CK分別提高91.89%和86.43%，差異顯著（P＜0.05）；10～20 cm土層，平均較PMS和CK分別提高42.59%和36.56%，差異顯著（P＜0.05）；20～30 cm土層，平均較PMS和CK分別提高15.67%和9.69%，播前和挑旗期表現(xiàn)出顯著性差異（P＜0.05）；30～50 cm土層，平均較PMS和CK分別提高13.26%和7.64%，但無顯著差異（P＞0.05）。整體上，PMO較PMS和CK可以提高0～50 cm土層土壤有機碳含量，0～30 cm土層平均土壤有機碳含量提升顯著，而PMS土壤有機碳含量相比CK有所下降，但差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同處理收獲后0～50 cm土層土壤堿解氮累積量盈虧

表4 不同處理小麥主要生育期0～50 cm土層土壤有機碳含量 （g·kg-1）

2.3 不同處理對土壤C/N（SOC/SAN）影響

連續(xù)兩年定位試驗，第二年不同處理土壤C/N變化差異顯著（圖2）。隨生育期推進，各處理0～50 cm土層土壤C/N整體呈遞增趨勢，0～30 cm土層土壤C/N變化較大，30～50 cm土層土壤C/N無明顯變化。在挑旗期、抽穗期、揚花期、成熟期，PMS 處理0～30 cm土層土壤C/N較PMO和CK分別平均提高6.32%、28.55%、27.28%、26.85%和8.51%、21.97%、28.40%、5.23%；CK處理0～10 cm土層土壤C/N較PMO分別提高71.69%、58.69%、15.33%、94.38%，差異顯著（P＜0.05）。

2.4 不同處理對春小麥旗葉氮素分配的影響

連續(xù)兩年定位試驗，不同處理對春小麥旗葉氮素分配有顯著影響（圖3）。第二年，抽穗期，PMO旗葉全氮含量較PMS和CK分別提高了6.79%和19.44%，PMS較CK提高了11.85%，差異顯著（P＜0.05）；揚花期，PMO旗葉全氮含量較PMS和CK分別提高了6.52%和15.19%，PMS較CK提高了8.14%，差異顯著（P＜0.05）；灌漿期，PMO和PMS旗葉全氮含量較CK分別提高了26.01%和29.51%，差異顯著（P＜0.05）。綜合來看，PMO較PMS處理進一步促進了氮素向春小麥旗葉分配，利于光合進行。

圖2 不同處理對春小麥0～50 cm 土層土壤C/N的影響

圖3 不同處理方式對春小麥旗葉全氮含量的影響

2.5 不同處理小麥化肥偏生產(chǎn)力及水分利用效率和產(chǎn)量

如表5，連續(xù)兩年全膜覆土穴播條件下增施有機肥能夠顯著提高化肥偏生產(chǎn)力、水分利用效率和產(chǎn)量。第二年，PMO氮、磷、鉀化肥偏生產(chǎn)力平均較PMS和CK分別提高5.13%和58.96%，差異顯著（P＜0.05）；水分利用效率較PMS和CK分別提高26.49%和59.18%，差異顯著（P＜0.05）；產(chǎn)量較PMS和CK分別增加5.12%和59.00%，差異顯著（P＜0.05）；收獲指數(shù)，CK最高，PMO較PMS提高，但差異不顯著，這可能是由于生育前期裸地CK處理土壤水分狀況差和氮素流失嚴重，營養(yǎng)生長時期的植株生長狀況差，植株干物質(zhì)量低于PMS和PMO，而PMO和PMS底墑較好且氮素沒有明顯下移，使前期營養(yǎng)生長較旺盛，籽粒灌漿時受到夏季高溫干旱季節(jié)影響，導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量與植株生物量不匹配，造成收獲指數(shù)差異。

3 討論

有機肥和化肥配施能夠顯著提高土壤有機碳、速效氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）含量［21-22］，而長期覆膜和單施化肥可能會降低有機碳含量［23-24］。地膜覆蓋條件下，由于土壤水熱生境改善，氮素礦化速率加快，促進氮素釋放，隨著生育期推進會導(dǎo)致土壤氮素有效性降低［5-6］，但也有研究表明，地膜覆蓋促進氮素礦化反應(yīng)，增加了硝態(tài)氮殘留［25］。本試驗研究表明，PMO全生育期在0～30 cm土層土壤有機碳和堿解氮含量均顯著高于PMS和CK，而單純?nèi)じ餐撂幚鞵MS土壤堿解氮含量在播期以后不同程度地低于裸地CK處理，可能由于全膜覆土處理極大地改善土壤溫度，促進土壤礦化和作物生長對速效氮吸收，使PMS對土壤氮素含量消耗速度高于裸地CK處理［5-6］。

表5 不同處理小麥化肥偏生產(chǎn)力及水分利用效率和產(chǎn)量

覆膜能夠顯著降低0～100 cm土壤硝態(tài)氮積累量和淋溶下移趨勢，減少土壤氮素表觀損失和土壤殘留量［5-6］。長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，有機肥與化肥配施相比單施化肥，小麥拔節(jié)期到收獲期土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量充裕且穩(wěn)定，高的供氮能力顯著提高了小麥拔節(jié)期至收獲期吸收氮素的效率，有利于提高產(chǎn)量［22］。Sugihara等［18］通過合理的有機肥與化肥配施，促進作物氮素吸收的同時增加了作物生長前期土壤對氮素的固持，可以使前期固持的氮素在作物生長中后期發(fā)生釋放，供作物吸收利用，進而使土壤供氮與作物需氮時機相一致。但也會促使土壤氮盈余，氮素淋失風(fēng)險增加［21］。本試驗中，從土壤堿解氮剖面平衡變化來看，全膜覆土處理的PMO和PMS較裸地CK處理有效地降低了土壤堿解氮下移趨勢，降低耕層土壤氮素淋溶下滲［5-6］，尤其播前-挑旗期階段表現(xiàn)最為顯著，CK處理0～10 cm土壤堿解氮大幅度下降，而10～50 cm土壤堿解氮含量大幅增加，PMO和PMS處理相比CK處理降低了變化幅度，這有利于作物生長初期較淺的根系對土壤氮素的吸收；挑旗-揚花階段，各處理0～30 cm土層土壤堿解氮含量均顯著下降，處理間下降程度表現(xiàn)為：PMO＞PMS＞CK，主要由于此階段作物生長旺盛，吸氮量高于土壤氮礦化量，說明此階段PMO較PMS和CK為小麥生長發(fā)育提供充足氮素。揚花-收獲階段，PMO和PMS處理0～50 cm土壤堿解氮含量呈上升趨勢，PMO堿解氮含量增加幅度顯著高于PMS，但30～50 cm土壤堿解氮累積量顯著盈余，土壤氮素淋失風(fēng)險將增加［21］，應(yīng)降低有機肥和化肥施入量或用有機肥替代部分化肥，達到最佳配施比例。

耕作措施對土壤碳氮計量關(guān)系影響顯著［26-27］。侯慧芝［27］通過研究旱地春小麥旗葉C、N、P計量關(guān)系發(fā)現(xiàn)，旱地小麥生長受氮素限制，覆膜較裸地減輕了氮素限制。葛順峰等［12］研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳氮化學(xué)計量關(guān)系顯著影響甜茶樹幼苗葉片氮的分配。Tian等［28］在對土壤C、N、P化學(xué)計量特征的研究證實，水熱條件和成土作用對我國土壤生態(tài)化學(xué)特征有顯著影響。施高量有機肥可以顯著提高油-稻輪作田塊土壤碳氮含量，并促進增產(chǎn)［29］。本試驗研究結(jié)果表明，PMS處理較PMO和CK處理顯著提高了0～30 cm土層土壤C/N，CK較PMO顯著提高了0～10 cm土壤C/N，并且隨春小麥生育期的推進差異增大，這將會加劇旱地春小麥在生長過程中與土壤對速效氮的競爭，降低作物對氮素的吸收，影響氮素在小麥主要光合器官旗葉的分配，進而影響光合效率。PMO和PMS由于改善了土壤水分和溫度［3，27］，這對土壤碳氮計量關(guān)系有一定影響，但PMO處理較PMS和CK降低春小麥生育期耕層土壤C/N值，減小作物與土壤對氮素的競爭，降低旱地春小麥氮素限制作用和后期脫肥風(fēng)險，提高旗葉氮素含量，使化肥偏生產(chǎn)力、水分利用效率和產(chǎn)量明顯提高。

4 結(jié)論

全膜覆土條件下增施有機肥能夠顯著提高穴播小麥耕層土壤有機碳和堿解氮含量，較PMS降低耕層土壤C/N，減少土壤與作物對無機氮的競爭和旱地春小麥氮素限制，促進春小麥對氮素吸收，提高旗葉氮素含量，利于光合作用，進而提高化肥偏生產(chǎn)力和水分利用效率，實現(xiàn)增產(chǎn)，但也促使土壤堿解氮累積量盈余。因此，應(yīng)進一步探討全膜覆土條件下有機肥與化肥最佳配施比例及與作物養(yǎng)分循環(huán)利用機理，降低氮素損失的風(fēng)險，達到農(nóng)田土壤碳氮生態(tài)平衡、提質(zhì)增效和增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。