深松耕對(duì)玉米根莖葉氮磷比及地上生物量的影響

齊 鵬，王曉嬌，郭高文，蔡立群，武 均

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；3. 甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，蘭州 730070；4. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，蘭州 730070）

0 引 言

植物器官的氮磷元素含量是反映作物生長(zhǎng)狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其氮磷比能反映植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[1-2]，被廣泛地用來指示生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物個(gè)體、群落特征及分布格局[2]；葉片氮磷比臨界值被認(rèn)為植物氮、磷限制的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可反映植物能吸收氮、磷的能力，是植物體內(nèi)化學(xué)元素質(zhì)量平衡對(duì)生態(tài)影響響應(yīng)的重要反映[3-4]；以氮磷比為基礎(chǔ)的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)也是生態(tài)學(xué)研究中的主要方法和研究熱點(diǎn)[2]；氮磷比可以作為植物健康狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可揭示植物生長(zhǎng)發(fā)育過程的營(yíng)養(yǎng)平衡[1]，進(jìn)而影響植物生物量；生長(zhǎng)速度理論也認(rèn)為葉片低氮磷比是植物快速生長(zhǎng)的表現(xiàn)之一[5]，部分學(xué)者在羊草[6]、森林[7]的研究表明，植物生物量和植株氮磷比負(fù)相關(guān)，也證實(shí)植物通過調(diào)整葉片內(nèi)的氮磷比影響植物生長(zhǎng)[8]。因此，植物重要器官營(yíng)養(yǎng)組成變化的分析是了解植物生物量的重要途徑[9]，植物氮磷比的量化對(duì)分析植物生長(zhǎng)具有重要意義，且植物氮磷平衡是維持與生長(zhǎng)相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)之一[10]。現(xiàn)有研究表明，植物氮磷比受地膜覆蓋[11]、灌溉措施[12]、施肥[3]和耕作措施[4,11]等的影響。

耕作措施影響著土壤環(huán)境，土壤環(huán)境變化后植物會(huì)隨時(shí)調(diào)節(jié)自身的資源濃度以最大限度地維持其體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素含量的相對(duì)均衡進(jìn)而穩(wěn)定自身生產(chǎn)力[5]。在黃土高原地區(qū)的研究也表明，全膜雙壟溝耕作比半膜、不覆膜能降低植物葉片內(nèi)的氮磷比，使氮磷比趨于平衡[11]。常見耕作方法包括翻耕、免耕、旋耕和深松耕，其中深松耕是用松土農(nóng)具疏松土壤而不翻轉(zhuǎn)土層的一種耕作方法[13]。深松耕能打破犁底層，降低深層土壤容重，改善土壤孔隙度，增加土壤深層水分，提高水分利用效率，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)[11]，能提升葉面積指數(shù)和光合作用[8]，提高冬小麥[14]、馬鈴薯[15]、水稻[16]、玉米[17]作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益[18]。許多研究從植物光合特性、根系特征、土壤水分特征等角度來解釋深松耕提高產(chǎn)量的機(jī)制[18-19]。然而，從植物氮磷比角度探討深松耕措施對(duì)植物影響的研究較少。

在黃土高原地區(qū)，深松耕結(jié)合全膜雙壟溝的耕作方法主要用于玉米農(nóng)田[18]，旱作玉米及其秸稈是緩解黃土高原地區(qū)糧草矛盾，支撐畜牧業(yè)逐漸規(guī)?；闹匾胧20]。現(xiàn)有對(duì)旱作玉米的研究主要關(guān)注產(chǎn)量[11,13]，深松耕也通過改變水分含量[18]、光合效率[14]、根系面積[21]等影響玉米地上生物量。植物的生物量以根、莖和葉為主，地上生物量和植物器官內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素比值間存在一定的關(guān)系[5,9]，已有研究大多集中在草地[6]、苜蓿[12]等方面，缺乏從植物氮磷比角度探討玉米地上生物量的研究。

本研究通過設(shè)計(jì)田間裂區(qū)試驗(yàn)，以量化深松耕對(duì)玉米地上生物量和根、莖、葉氮磷比的影響，并通過結(jié)構(gòu)方程和線性混合效應(yīng)模型探討其氮磷比與地上生物量的關(guān)系，以期為深松耕技術(shù)的進(jìn)一步推廣提供理論支持，并對(duì)進(jìn)一步揭示耕作與施肥對(duì)玉米生產(chǎn)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮磷平衡的影響機(jī)制具有一定的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)綜合試驗(yàn)站（35°28′N，104°44′E），海拔2 000 m，該區(qū)域?qū)儆邳S土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，日照時(shí)數(shù)和年均太陽輻射分別為2476.6 h、594.7 kJ/cm2，年均氣溫、≥10 ℃積溫和年均無霜期分別為6.4 ℃、2 239.1 ℃和140 d，2016－2018年降水量分別為300.20、361.39和472.05 mm（圖1）；土壤類型為黃綿土，pH值為8.40，0～30 cm土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量分別為7.63、0.85和0.74 g/kg[17]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2016年，試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主因素為耕作方法，副因素為施肥措施。其中主因素包括深松耕（T1）、旋耕（T2）、翻耕（T3）、免耕（T4）；副因素設(shè)置2個(gè)氮水平：N0（基肥200 kg/hm2），N1（基肥200 kg/hm2+拔節(jié)期肥100 kg/hm2），共8個(gè)處理，小區(qū)面積44 m2（4.4 m×10 m），3次重復(fù)。用深松機(jī)進(jìn)行深松耕（T1）、旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕（T2）、鏵式犁進(jìn)行翻耕（T3），土壤深度分別為35、15、20 cm；全膜（白色地膜，厚度為0.008 mm）雙壟溝，溝內(nèi)間隔50 cm留滲水孔。種植作物為玉米，品種為“先玉335”，磷肥（施P量：66 kg/hm2，過磷酸鈣，含P 7%）為基肥，氮肥為尿素（含N 46%），每年4月下旬播種，溝內(nèi)穴播，密度5.25萬株/hm2，10月中旬收獲，收獲后移除秸稈、殘茬，其他田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田一致。2017年試驗(yàn)地遭受冰雹災(zāi)害（2017年7月14日下午6:30分左右），玉米受損。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

玉米收獲期（10月15日左右）在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10株玉米（剔除邊行），收獲其地上、地下部分，其中地下部分用挖坑沖洗法[22]，取樣長(zhǎng)度、寬度分別為以所取玉米植株為中心，前后1/2株距和左右1/2行距，深度為60 cm。樣品分根、莖和葉及玉米穗在烘箱內(nèi)105 ℃烘0.5 h殺青，隨后80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定其生物量，計(jì)算2016－2018年地上生物量。其中，在2018年植株分根、莖和葉烘干后用研磨機(jī)研磨成細(xì)粉，過2 mm篩，用凱氏定氮法[23]測(cè)定根、莖和葉氮含量、鉬銻抗比色法[23]測(cè)定其總磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

方差分析（含數(shù)據(jù)正態(tài)檢驗(yàn)、方差齊性檢驗(yàn)）用SPSS 24.0軟件，選擇一般線性模型單變量模塊（Duncan法檢驗(yàn)或非參數(shù)檢驗(yàn)）。結(jié)構(gòu)方程模型（Structural Equation Modeling，SEM）分析耕作方法、不同器官（根、莖和葉）N/P對(duì)地上生物量的影響，首先根據(jù)已有知識(shí)[2,5-6,11]建立概念模型（圖2），本研究假設(shè)：1）深松耕降低了玉米根、葉氮磷比；2）深松耕通過降低玉米根和葉氮磷比來提高地上生物量。因耕作方法為分類變量，先將其轉(zhuǎn)化為因子變量，為比較深松耕與其他耕作方法對(duì)地上生物量的影響，將耕作方法分為2組，其中T1為一組，其他耕作方法為另一組[24]，基于R 3.6.2軟件的lavaan包進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型分析，根據(jù)卡方統(tǒng)計(jì)量（P＞0.05表明模型擬合較好）、比較擬合指數(shù)（Comparative Fit Index，CFI，CFI＞0.95擬合較好）、漸進(jìn)誤差均方和平方根（Rooted Mean Square Error of Approximation，RMSEA，RMSEA

＜0.05擬合較好）、標(biāo)準(zhǔn)化均方根殘差（Standardized Root Mean Square Residual，SRMR，SRMR＜0.08擬合較好）評(píng)估模型[25]；用線性混合效應(yīng)模型考察各因子對(duì)生物量的影響（將耕作方法作為隨機(jī)效應(yīng)），分別建立零模型、隨機(jī)截距模型和隨機(jī)斜率模型，計(jì)算不同模型修正的小樣本赤池信息量（Akaike Information Criterion，AIC），以AIC低則優(yōu)為原則進(jìn)行模型比較后選擇最終模型，并進(jìn)行模型檢驗(yàn)和模型診斷[26]，基于R 3.6.2軟件的lme4包進(jìn)行線性混合模型分析，極大似然估計(jì)法[27]。采用Sigma Plot 12.5和R 3.6.2制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方法和施肥措施對(duì)地上生物量的影響

耕作方法顯著影響了地上生物量（P＜0.05，表1），除2017年外，T1處理地上生物量均顯著高于T3和T4處理（P＜0.05），2016和2018年T1處理地上生物量比T3、T4處理分別提高了9.56%、9.29%和4.67%、5.94%；施肥措施及耕作方法與施肥措施間的交互作用對(duì)地上生物量無顯著影響。研究結(jié)果說明了玉米地上生物量的差異效應(yīng)來自不同耕作方法，而非兩種氮肥措施。

表1 2016—2018年耕作方法和施肥措施對(duì)玉米地上生物量的影響Table 1 Effects of tillage practice and nitrogen fertilization measures on above ground biomass (AGB) from 2016 to 2018

2.2 耕作方法對(duì)根、莖和葉N/P的影響

玉米植株地上部分葉、莖和根氮、磷含量不同（圖3），氮、磷變化范圍分別是2.29～18.65、0.13～0.89 g/kg，其中葉氮、磷變化范圍分別是11.05～18.65、0.65～0.89 g/kg，莖氮、磷變化范圍分別是2.29～7.64、0.13～0.41 g/kg，根氮、磷變化范圍分別是5.32～7.35、0.21～0.34 g/kg，玉米根的N/P大于葉和莖（圖3d）。耕作方法顯著影響了葉、莖和根的N/P（P＜0.05，表2）。相比T3、T4處理，T1、T2處理均能顯著降低葉、根的N/P（P＜0.05）。施肥措施及耕作方法與施肥措施的交互作用對(duì)葉、莖和根的N/P無顯著影響。不同耕作方法間葉、莖和根N/P的變異系數(shù)表明，根N/P的變異系數(shù)高于葉和莖。研究結(jié)果說明不同耕作方法間葉、莖和根的N/P存在差異。

表2 耕作方法和施肥措施對(duì)玉米根、莖和葉氮磷比的影響Table 2 Effects of tillage practice and nitrogen fertilization measures on N/P in roots, stems and leaves

2.3 地上生物量與根、莖和葉N/P的相關(guān)性

結(jié)構(gòu)方程模型分析得出，耕作方法、根和葉N/P能共同解釋地上生物量變異的39%，總效應(yīng)值為0.24（圖4a）。耕作方法通過影響根、葉N/P，間接影響地上生物量，效應(yīng)值分別為0.10和0.14，耕作方法對(duì)地上生物量、莖無直接顯著影響。根、葉的N/P對(duì)地上生物量呈負(fù)向影響。結(jié)構(gòu)方程結(jié)果揭示了根、葉的N/P是影響地上生物量的兩個(gè)間接因素?？紤]到不同耕作方法可能影響根、莖和葉N/P，故將耕作方法作為隨機(jī)因子，建立根、莖和葉與地上生物量的線性混合效應(yīng)模型（圖4b，4c，4d，表3），經(jīng)模型比較，隨機(jī)斜率模型能較好的反映根、葉N/P與地上生物量的關(guān)系，根、葉的隨機(jī)斜率模型的解釋度分別比固定效應(yīng)提高了425%、133%。進(jìn)一步分析表明根、葉的N/P與地上生物量的關(guān)系在不同耕作方法中并不相同，總體上存在顯著的負(fù)向關(guān)系，莖N/P與地上生物量無明顯關(guān)系。相關(guān)性分析結(jié)果說明根、葉的N/P對(duì)地上生物量的變化有顯著的影響，耕作方法間存在差異。

表3 地上生物量與玉米根、莖和葉氮磷比的線性混合效應(yīng)模型結(jié)果Table 3 Results of linear mixed effects model between aboveground biomass and N/P in roots, stems and leaves

3 討 論

本研究設(shè)計(jì)了不同耕作方法的田間試驗(yàn)，分析玉米根、莖和葉N/P與地上生物量的關(guān)系，研究得出深松耕降低了玉米根、葉N/P，也推測(cè)深松耕通過降低玉米根、葉N/P促進(jìn)氮磷營(yíng)養(yǎng)平衡來提高地上生物量。本研究結(jié)果將對(duì)深入理解作物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制有一定的借鑒意義。

研究表明深松耕降低了玉米根、葉N/P，與第一個(gè)假設(shè)一致。相似的研究結(jié)果在荒漠綠洲玉米農(nóng)田[28]、全膜雙壟溝玉米[11]、羊草草甸[6]、黑果枸杞[29]中也有發(fā)現(xiàn)。分析其原因：1）深松耕改變了部分土壤環(huán)境，增加了土壤水分[14]，從而提高了根系氮、磷的吸收，但氮肥溶解性、移動(dòng)性比磷肥強(qiáng)，在水分相對(duì)充足的情況下根系對(duì)氮素的吸收速率、向其他器官的運(yùn)輸速度均高于磷素，可能使根N/P降低[28]，耕作方法間根N/P的變異系數(shù)大于莖、葉也說明了這一點(diǎn)（表2）；2）深松耕增大了土壤孔隙度，進(jìn)而根系的數(shù)量、表面積和質(zhì)量均有所增加[21]，根系分泌物增多[29]，加之較好的水分、溫度、氧氣環(huán)境從而為土壤微生物生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的條件，增加了土壤微生物多樣性，可能會(huì)出現(xiàn)土壤微生物和根系爭(zhēng)氮的現(xiàn)象[10]，會(huì)導(dǎo)致作物對(duì)土壤氮素吸收量減少，相反，土壤微生物呼吸所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)能促進(jìn)磷肥溶解后被植物吸收[21]，導(dǎo)致根N/P降低；3）氮素是植物蛋白質(zhì)含量增加和光合作用提升的必需元素[3]，深松耕通過增加水分提高了根系養(yǎng)分向葉片的運(yùn)輸[21]，從而提高了葉面積指數(shù)和光合勢(shì)，增大蒸騰效率[14,28]，促進(jìn)了土壤水分?jǐn)y帶難溶的磷元素通過木質(zhì)素向葉片轉(zhuǎn)移[9]，從而降低了葉N/P。反之，玉米葉片光合速率增加，也促進(jìn)了根系對(duì)礦質(zhì)元素的平衡吸收[13]；4）玉米成熟期，葉片中蛋白質(zhì)等含氮有機(jī)物可水解為氨基酸、酰胺轉(zhuǎn)移至種子，重新形成蛋白質(zhì)[12]。本研究中根、葉N/P范圍分別是19.68～24.98、17.05～22.82，根據(jù)氮磷限制的標(biāo)準(zhǔn)[30]，本研究玉米農(nóng)田基本均呈磷限制，在實(shí)踐中可以適當(dāng)增加磷肥的用量。不同耕作方法間莖N/P的變異系數(shù)比根、葉?。ū?），反映了莖內(nèi)養(yǎng)分對(duì)不同耕作方法的敏感性低。一方面，覆膜提高土壤溫度，深松耕、旋耕和免耕均能提高水分利用效率，可能會(huì)導(dǎo)致植株生育期縮短，使莖內(nèi)養(yǎng)分趨于穩(wěn)定[18]；另一方面，玉米成熟期，籽粒所需的養(yǎng)分大多來自主要的光合器官葉片，促使莖稈內(nèi)限制元素磷向葉片和籽粒轉(zhuǎn)移，成熟后期，莖稈轉(zhuǎn)變?yōu)樘己偷膬?chǔ)存庫[31]；另外，莖在植物生長(zhǎng)中起到養(yǎng)分傳輸?shù)淖饔茫虼损B(yǎng)分儲(chǔ)存相對(duì)少[5]；總之，植物生長(zhǎng)的適應(yīng)機(jī)制受植株體內(nèi)環(huán)境因素和自身因素共同影響[31]。

本研究表明深松耕通過降低玉米葉和根N/P來提高地上生物量，與第二個(gè)假設(shè)一致。已有研究也得出相似的結(jié)論，比如，不同灌溉模式下苜蓿地上生物量與葉、根N/P負(fù)相關(guān)[12]、樺樹幼苗N/P降低提高了生長(zhǎng)率[32]、濕地生態(tài)系統(tǒng)紅樹植物N/P與生物量負(fù)相關(guān)[33]、甘草葉片和根系N/P的降低提高了地上、地下生物量[34]、羊草的生長(zhǎng)速率與N/P存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[6]。進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)方程分析得出，耕作方式通過葉N/P影響地上生物量的總路徑系數(shù)大于根N/P的總路徑系數(shù)，表明葉N/P對(duì)植物地上生物量影響更大，根、葉和地上部分生物量的混合效應(yīng)分析也證實(shí)了這一點(diǎn)，從葉片在植物生長(zhǎng)中的重要功能也可以證實(shí)此結(jié)論[2]。分析其原因：1）氮磷元素是組成植物體的化學(xué)基礎(chǔ)，分別是植物葉綠素合成、完成生產(chǎn)周期必需的營(yíng)養(yǎng)元素，兩者對(duì)植物生長(zhǎng)存在緊密的相互作用[35]。植物N/P的穩(wěn)定會(huì)形成較高且穩(wěn)定的生物量[36]，當(dāng)葉片N/P在14～16時(shí)，植物生長(zhǎng)同時(shí)受氮、磷兩者的限制或者均不缺少[17]，本研究玉米的N/P均大于16，深松耕處理的葉N/P均值是17.74，顯著低于其他處理，深松耕N/P的降低可能有向氮磷營(yíng)養(yǎng)平衡轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)；2）深松耕結(jié)合全膜雙壟溝條件下根系縱橫伸展空間的變大加之水分的相對(duì)充足，加速了對(duì)土壤氮磷的吸收[21]，氮磷的營(yíng)養(yǎng)均衡也促進(jìn)了作物根系的伸展，進(jìn)而增加根系生物量，而作物根系生物量同冠層生物量成正相關(guān)關(guān)系[5,18,21]。本研究發(fā)現(xiàn)莖N/P與地上生物量之間無顯著相關(guān)關(guān)系，已有研究也得出苜蓿的生物量與莖N/P無顯著相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[12]，在黃土高原的研究也表明在成熟期深松耕、旋耕、免耕莖干物質(zhì)積累量低于翻耕，深松耕、旋耕增加玉米干物質(zhì)積累的途徑主要是通過增加葉面積指數(shù)提高了葉片光合勢(shì)，促進(jìn)了光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)移[18]。

本研究也得出玉米地上生物量的顯著差異來源于耕作方法，而非兩種氮肥措施。在黃土高原的已有研究也表明，深松耕比免耕、翻耕能有效改善土壤環(huán)境，比如增加土壤水分、降低容重、調(diào)控土壤溫度，促進(jìn)土壤蓄水保墑能力和增產(chǎn)效應(yīng)，增加地上生物量[18,37]，另一方面，綜述已有研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原玉米農(nóng)田的施氮量均在180～220 kg/hm2之間[18,38]，該區(qū)域不同氮肥處理的試驗(yàn)也表明[68]，地上生物產(chǎn)量在200與300 kg/hm2氮肥水平間差異不顯著。進(jìn)一步分析其原因：1）黃土高原半干旱區(qū)玉米生物量的主要限制因子除氮肥用量外，還包括水熱條件，該區(qū)域氮肥施用量的基線在200 kg/hm2左右[38]，在滿足作物對(duì)氮肥需求基線的情況下，水熱條件成為主要的限制因子，深松耕結(jié)合全膜雙壟溝能提高土壤水分和溫度[18]，起到了決定作用；2）由于地膜的保水、保溫作用，增加氮肥施用量可能會(huì)增加土壤氮素的淋溶，也可能會(huì)增加NH3的揮發(fā)[38]，導(dǎo)致兩種氮肥施用量對(duì)玉米生物量的影響無差異。另外，2017年遭受冰雹的影響、2016年降雨量少（圖1），影響作物生長(zhǎng)，均導(dǎo)致收獲期地上生物量低于2018年，已有研究[39]也探討了黃土高原區(qū)旱作農(nóng)田作物產(chǎn)量主要是由降水決定的，因此產(chǎn)量相對(duì)不穩(wěn)定。本研究明確了深松耕通過降低N/P從而均衡氮磷營(yíng)養(yǎng)吸收的生態(tài)策略來提高地上生物量。

4 結(jié) 論

深松耕結(jié)合全膜雙壟溝能提高地上生物量，2016和2018年地上生物量深松耕比翻耕、免耕分別提高了9.56%、9.29%和4.67%、5.94%；進(jìn)一步分析地上生物量的影響機(jī)制表明耕作方法通過影響根和葉N/P，間接影響地上生物量，效應(yīng)值分別為0.10和0.14，耕作方法對(duì)地上生物量無直接顯著影響。深松耕可通過降低根、葉N/P從而均衡氮磷營(yíng)養(yǎng)吸收的生態(tài)策略來提高地上生物量。研究將為深松耕技術(shù)施肥和推廣提供參考，也可對(duì)進(jìn)一步揭示耕作與施肥對(duì)玉米生產(chǎn)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮磷平衡的影響機(jī)制具有一定的借鑒意義。未來的研究將考慮將“土壤－植物－微生物”作為整體，系統(tǒng)研究其N/P，分析不同耕作方法下作物的內(nèi)穩(wěn)性和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量平衡。