不同施肥方式對甘肅隴中黃土丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分及春小麥產(chǎn)量的影響

常海剛 李 廣 袁建鈺 謝明君 祁小平

（甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，730070，甘肅蘭州）

土壤養(yǎng)分是土壤理化性質(zhì)和生物活性的綜合表現(xiàn)，是作物豐產(chǎn)的基礎(chǔ)。碳（C）、氮（N）和磷（P）元素是構(gòu)成土壤養(yǎng)分的基本元素，也是植物生長過程中必需的營養(yǎng)元素，其含量是植物生長養(yǎng)分供應(yīng)的重要指標[1-2]。而施肥是影響農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量和產(chǎn)量的主要因素之一，不同的施肥方式對農(nóng)田土壤營養(yǎng)元素遷移和轉(zhuǎn)化有著重要影響[3-7]。因此，明確土壤C、N和P養(yǎng)分相對累積效應(yīng)與平衡交互作用對不同施肥方式的響應(yīng)，對于認知生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡過程與機理具有重要意義。

近年來，人們?yōu)楂@得作物高生產(chǎn)效益，長期大量不合理地施用化肥，造成黃土高原丘陵區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分失衡、水資源污染、植物生長不良和生態(tài)環(huán)境破壞等一系列問題，嚴重威脅到當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8-9]。與此同時，施肥方式的不同也可能引起農(nóng)田土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。一些對農(nóng)田施肥方式的研究[10]指出，適量減少氮肥并配施有機肥，既能保證作物產(chǎn)量，同時還能降低對環(huán)境的污染。而有機肥配施氮肥對玉米土壤性狀的研究[10]發(fā)現(xiàn)，土壤堿解氮、速效鉀、速效磷和有機質(zhì)含量均明顯隨有機肥施用量的增加而增加。此外王艷麗等[11]針對寧夏揚黃灌區(qū)有機肥配施氮肥下滴灌春玉米產(chǎn)量及土壤肥力狀況的研究表明，有機肥配施氮肥能有效增加土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀和速效磷含量，促進春玉米干物質(zhì)累積并提高產(chǎn)量。這些研究在一定程度上揭示了土壤養(yǎng)分對有機肥和氮肥配施下的響應(yīng)規(guī)律，但目前關(guān)于隴中黃土高原丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分及春小麥產(chǎn)量在有機肥和氮肥配施下的響應(yīng)尚不清楚，這嚴重阻礙了對隴中黃土高原丘陵區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量在有機肥和氮肥配施下響應(yīng)機制的深入研究，因此，研究有機肥和氮肥配施下隴中黃土高原丘陵區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量響應(yīng)機制對其農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

為深入了解不同施肥方式對隴中黃土高原丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分及春小麥產(chǎn)量的影響，本研究以位于甘肅省定西市黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站為平臺，通過研究土壤養(yǎng)分及春小麥產(chǎn)量在有機肥和氮肥配施及單施氮肥和有機肥下的變化特征，分析不同施肥方式與土壤養(yǎng)分及春小麥產(chǎn)量之間的聯(lián)系，為隴中黃土高原丘陵區(qū)農(nóng)田選用合適的施肥方式和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅省定西市安定區(qū)安家坡村試驗站（104°64′E，35°64′N），該地屬溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2000m，年均降雨量444.5mm，年均氣溫6.4℃，≥10℃的積溫2239.1℃，無霜期140d，年日照時數(shù)2476.6h，年均蒸發(fā)量1531.0mm。試驗區(qū)為典型的黃綿土，土層深厚，質(zhì)地均勻，儲水性能良好；試驗地耕層（0～20cm）土壤養(yǎng)分含量為全氮0.61g/kg、有機碳6.21g/kg、有機質(zhì)12.01g/kg、全磷0.32g/kg、速效鉀1.89g/kg、速效磷10.48mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020年3月開始，選擇當?shù)爻Ｓ么盒←湼蚀?7號為供試品種，以尿素（含N 46.2%）、過磷酸鈣（P2O516%）和有機肥（為農(nóng)家肥，主要為豬糞，養(yǎng)分含量為N 0.56%、P2O50.40%和K2O 0.46%）為供試肥料。2020年3月14日播種，8月15日收獲。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)置4種不同施肥處理，分別為不施肥（T）、化學氮肥（N，施氮量105kg/hm2）、有機肥（M，折合施N量105kg/hm2）、有機肥和氮肥配施（NM，尿素施氮量52.5kg/hm2，有機肥折合施氮量52.5kg/hm2）。每個處理重復(fù)3次，共計12個小區(qū)，各小區(qū)面積24m2（6m×4m），每小區(qū)播種量150kg/hm2，播種行距25cm，各處理播種前統(tǒng)一施過磷酸鈣105kg/hm2作基肥。試驗參考當?shù)爻Ｒ?guī)化肥施用量，具體肥料用量為氮肥105kg/hm2（以N計）。以常規(guī)化肥施用量為對照，以有機肥中氮含量為基準進行等養(yǎng)分量計算，具體施肥量見表1。為避免小區(qū)間產(chǎn)生邊際效應(yīng)，各小區(qū)之間設(shè)計約0.5m寬的隔離帶，其他田間管理措施與當?shù)爻Ｒ?guī)田一致。

表1 不同施肥處理的施肥量Table 1 Fertilization amount of different fertilization treatments kg/hm2

1.3 樣品采集及指標測定

1.3.1 土樣采集 春小麥成熟期進行土壤樣品采集，采用“X”形5點采樣法采集各小區(qū)0～10、10～20、20～40、40～60 和 60～100cm 土層的樣品并分為2份，其中一份風干（不少于1.0kg）處理，另一份冷凍保存（不少于1.0kg），根據(jù)不同測定指標要求制作土壤樣品。

1.3.2 測定指標及方法 按照“農(nóng)作物品種（小麥）區(qū)域試驗技術(shù)規(guī)程（NY/T-2007）”測定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。試驗小區(qū)全區(qū)收獲測產(chǎn)，折算出單位面積產(chǎn)量。采用半微量凱氏法[12]測定土壤全氮（total nitrogen，TN）含量；用H2SO4-H2O2溶液消解，采用釩鉬黃比色法[12]測定全磷（total phosphorus，TP）含量。采用H2SO4-KCr2O7氧化-外加熱法[12]測定土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用Origin 2018繪圖。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和多重比較（LSD）分析差異顯著性（P=0.05）。用Pearson相關(guān)分析法描述各因子之間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤C、N、P化學計量特征的影響

2.1.1 對土壤C、N、P含量的影響 4種不同施肥處理和土層顯著影響土壤SOC和TN含量，但對土壤TP含量沒有顯著影響（圖1）。4種不同施肥處理下土壤的SOC含量表現(xiàn)為NM＞M＞N＞T，且NM處理下的土壤SOC含量平均值為7.70g/kg，顯著高于其他施肥處理（P＜0.05）。4種不同施肥處理下的土壤TN含量表現(xiàn)為NM＞M＞N＞T，其中NM處理下的TN含量平均值為1.67g/kg，顯著高于M、N和T處理（P＜0.05）。各施肥處理間土壤TP含量無顯著性差異。在土壤垂直剖面上，表層SOC和TN含量顯著高于中層和下層，表現(xiàn)出明顯的表層富集效應(yīng)，TP含量在各土層間無顯著差異。其中NM處理下SOC和TN含量較T處理分別增加了48.08%和73.96%。綜上，施肥能夠增加土壤養(yǎng)分含量，且有機肥和氮肥配施處理較單施化肥和單施有機肥對土壤有機碳和全氮含量有明顯增加作用。

圖1 不同施肥土壤C、N、P含量變化特征Fig.1 Variation characteristics of C,N,P contents in different fertilized soils

2.1.2 對土壤C、N、P化學計量比分布特征的影響 由圖2可知，4種不同施肥處理下土壤的C:N、C:P和N:P的化學計量比值存在一定的差異。C:N表現(xiàn)為T＞M＞N＞NM，T處理下土壤的C:N平均值為6.79，顯著高于其他施肥處理（P＜0.05）。4種不同施肥處理下的土壤C:P表現(xiàn)出NM＞M＞N＞T的趨勢，NM處理下的土壤C:P平均值為20.92，顯著高于其他施肥處理（P＜0.05）。4種不同施肥處理下的土壤N:P表現(xiàn)為NM＞M＞N＞T，且NM處理下的N:P平均值為4.53，顯著高于其他處理（P＜0.05）。綜上，土壤質(zhì)地也可以通過調(diào)整施肥方式，對C、N和P化學計量特征產(chǎn)生影響，有機肥和氮肥配施對土壤質(zhì)地提高優(yōu)于單施氮肥和單施有機肥。

圖2 土壤C、N、P化學計量比分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil C,N and P stoichiometric ratios

2.2 不同施肥處理對春小麥產(chǎn)量的影響

4種不同施肥處理下春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素存在一定差異（表2）。與T（對照）處理相比，N、M和NM處理均一定程度上提高了春小麥的穗粒數(shù)、千粒重、有效穗數(shù)及產(chǎn)量。有效穗數(shù)方面，N、M和NM處理均比T處理高20.00%、23.33%和36.67%，各處理與T處理均達到顯著性差異（P＜0.05）。N、M和NM處理與T處理相比增加了穗粒數(shù)，其中以N處理效果最為顯著，增加了25.00%。與T處理相比，N、M和NM處理的千粒重均有增加，其中NM處理增加22.50%，達到最大，且區(qū)組間差異顯著。4種不同施肥處理下產(chǎn)量表現(xiàn)為NM＞N＞M＞T，且NM處理下的春小麥產(chǎn)量平均值為1916.00kg/hm2，顯著高于其他施肥處理（P＜0.05），說明3種不同施肥處理間肥效存在較大差異，有機肥和氮肥配施處理對提高春小麥產(chǎn)量效果更佳。

表2 不同施肥處理春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 2 Yield and its components of spring wheat under different fertilization treatments

2.3 春小麥產(chǎn)量與土壤化學計量特征的相關(guān)性

為探究該研究區(qū)春小麥產(chǎn)量與土壤化學計量特征的相關(guān)性，對SOC、TN、TP含量及化學計量比與產(chǎn)量進行相關(guān)性分析。如表3所示，SOC、TN和TP營養(yǎng)元素與春小麥產(chǎn)量有著密切的關(guān)系。SOC、TN、C:P、N:P與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.895、0.920、0.837和0.734。土壤C:N與春小麥產(chǎn)量則呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.664。由此可以看出，在礦質(zhì)營養(yǎng)元素當中，土壤氮素對春小麥產(chǎn)量有促進作用，使其具有較高的增產(chǎn)潛力。

表3 SOC、TN、TP含量與春小麥產(chǎn)量相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of SOC,TN,TP contents and spring wheat yield

3 討論

3.1 不同施肥處理下土壤C、N、P的化學計量特征

碳、氮和磷是植物生長過程中從土壤獲取的最基本營養(yǎng)元素，其含量高低是表征土壤肥力的重要指標[13-14]。施肥是影響農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量的主要因素之一，不同的施肥方式也會影響農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量[15-18]。本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和氮肥配施下SOC和TN含量顯著高于其他施肥處理，垂直分布呈現(xiàn)隨土層深度增加而逐漸降低的趨勢，這與司政邦等[19]的研究結(jié)果一致。呈現(xiàn)這種規(guī)律是因為SOC和TN含量易受有機質(zhì)影響，SOC和TN累積主要來自于有機質(zhì)分解，有機肥含有豐富的有機物，但分解緩慢不易轉(zhuǎn)換利用，氮肥的施用可提高土壤有機質(zhì)的分解速率，二者配施有效提高了SOC和TN元素的轉(zhuǎn)換速率和含量[20]。此外，隨著土層深度增加，土壤中有機質(zhì)逐漸減少，而SOC和TN主要來自于土壤有機質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)換，因此，SOC和TN含量隨著土層深度加深逐漸降低[21]。全磷反映土壤提供氮和磷營養(yǎng)元素的一種潛在能力。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤全磷在各施肥處理及土層間差異均不顯著，因為磷是一種沉積性礦物，主要受成土母質(zhì)的影響，空間變異性較小，所以在各施肥處理及土層間分布較為均勻[22-25]。

化學計量比是表征土壤碳、氮和磷平衡的重要指標之一[26]，其中C:N是指示土壤礦化速率及元素有效性的重要指標，C:N較低說明土壤有機質(zhì)含量較高且分解較快，在一定程度可以增加土壤全氮含量[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和氮肥配施下土壤C:N低于其他施肥處理，可能是因為有機肥含有大量有機質(zhì)，增加了土壤中有機質(zhì)含量，氮肥有利于有機質(zhì)分解且見效快，可以快速補充氮素，二者配施有效提高了土壤中氮元素含量[28]，因此，有機肥和氮肥配施可有效提高土壤有機質(zhì)含量和元素有效性，有利于作物生長。土壤C:P對研究土壤養(yǎng)分平衡具有重要意義，是反映土壤微生物對土壤有效磷吸收能力的重要指標[29]，C:P越高說明土壤微生物對土壤有效磷的吸收和儲存能力越強，不利于植物生長[30]，土壤C:P較低時，微生物減弱對土壤有效磷的吸收和儲存，可以增加土壤中有效磷含量，有利于植物的生長[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和氮肥配施下土壤C:P含量顯著高于其他施肥處理，這可能是因為有機肥和氮肥配施提高了土壤有機質(zhì)的有效性，增加了土壤中碳元素含量，而磷元素主要來源于成土母質(zhì)，相對穩(wěn)定，因此，使得C:P由土壤C含量主導。氮素是植物生長過程中必需的營養(yǎng)元素，在生態(tài)系統(tǒng)中P是限制性元素，土壤N:P可作為預(yù)測土壤限制類型的重要指標，也可作為反映N飽和的診斷指標[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和氮肥配施下土壤N:P顯著高于其他處理。呈現(xiàn)這種規(guī)律一方面可能是有機肥和氮肥配施促進了土壤對氮素的吸收，提高了土壤中氮元素的含量[33]，另一方面可能是土壤中P元素受成土母質(zhì)影響，相對穩(wěn)定[34]，當土壤中P元素較穩(wěn)定時，土壤中N含量越高，土壤N:P就越大。

3.2 不同施肥處理對春小麥產(chǎn)量的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要目的是實現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)[35]，氮素含量是影響小麥產(chǎn)量和群體結(jié)構(gòu)的主要因素[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和氮肥配施較其他施肥處理顯著提高了有效穗數(shù)和千粒重，這與蔣紀蕓等[37]的研究結(jié)果一致。呈現(xiàn)這種規(guī)律，一方面可能說明有機肥和氮肥配施調(diào)整了氮素含量對小麥群體結(jié)構(gòu)的影響，提高了有效穗數(shù)的比例[38]，另一方面可能是由于有機肥肥效的發(fā)揮延緩了小麥灌漿速率和最大灌漿持續(xù)期，顯著提高了籽粒質(zhì)量[39]。施肥作為提高作物產(chǎn)量的主要方式，不同的施肥方式也會影響作物產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和氮肥配施處理增產(chǎn)幅度最大，因為有機肥有效肥力持久緩和，但施肥前期見效緩慢，無法滿足小麥生長發(fā)育的營養(yǎng)需求，化學氮肥見效快，但易流失，而二者配施可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，肥效高且穩(wěn)定持久，可有效增加小麥產(chǎn)量[40]。

3.3 春小麥產(chǎn)量與SOC、TN、TP的相關(guān)性

礦質(zhì)營養(yǎng)元素是春小麥體內(nèi)重要組分，在參與新陳代謝活動和器官組成等起到重要作用，而必需礦質(zhì)營養(yǎng)元素的豐缺將對春小麥產(chǎn)量產(chǎn)生很大影響[41]。本研究中，SOC、TN含量與春小麥產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），這與謝迎新等[42]關(guān)于土壤養(yǎng)分與小麥產(chǎn)量關(guān)系的研究結(jié)果一致。因為SOC能夠提高土壤團粒結(jié)構(gòu)，使土壤溶液中有效養(yǎng)分不易流失，促進根系對養(yǎng)分吸收[43]；另外，氮素是植物體內(nèi)許多重要有機化合物的成分，在多方面影響著植物的代謝過程和生長發(fā)育[44]，因此SOC和TN含量是影響產(chǎn)量的重要因素。C:N可以反映土壤有機碳分解速率和氮元素含量[45]。本研究中，C:N、N:P與產(chǎn)量之間顯著或極顯著相關(guān)。這說明施肥有利于小麥產(chǎn)量形成，因為該地區(qū)農(nóng)田土壤貧瘠，作物所需養(yǎng)分主要來自于土壤，施肥增加了土壤中N素含量，為植物生長提供了良好的N條件，使作物生長良好，更容易實現(xiàn)高產(chǎn)[46]。

4 結(jié)論

與對照處理（T）相比，不同施肥處理均能顯著增加耕層有機碳和全氮含量，有機肥和氮肥配施下增幅最大。不同施肥處理對春小麥產(chǎn)量影響顯著，單施有機肥產(chǎn)量低于單施氮肥，有機肥和氮肥配施下產(chǎn)量最高。相關(guān)分析表明，土壤有機碳、全氮含量與作物產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，表明有機碳和全氮含量是影響小麥生長的主要因素。全磷與春小麥產(chǎn)量無顯著相關(guān)性，表明全磷對春小麥產(chǎn)量的限制較小。綜上，有機肥和氮肥配施可以改善土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)，使土地肥力高效持久，可有效增加黃土高原丘陵區(qū)春小麥產(chǎn)量。