水氮管理对麦后复播大豆土壤固碳效应和产量的影响

李亚杰，徐文修*，苏丽丽，王　娜，张　娜，王　婷，郝维维

（1.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐830052；2.新疆伊犁伊宁县农业技术推广中心，新疆伊犁835100）



水氮管理对麦后复播大豆土壤固碳效应和产量的影响

李亚杰1，徐文修1*，苏丽丽1，王娜2，张娜1，王婷2，郝维维1

（1.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐830052；2.新疆伊犁伊宁县农业技术推广中心，新疆伊犁835100）

摘要：为探求伊犁河谷地区复播大豆高产低碳的水氮管理组合，为建立高产固碳农业技术提供一定理论依据，2012—2014年于伊宁县开展了不同水氮管理对复播大豆土壤总有机碳、碳库管理指数及产量影响的田间试验。采用水、氮二因素裂区试验设计，设置4个灌水量处理：3000（W1）、3600（W2）、4200（W3）、4800（W4）m3·hm(-2)；设置3个施氮量处理：0（N0）、150（N1）、300（N2）kg·hm(-2)。结果表明，随着施氮量或灌水量的增加，土壤有机碳、活性有机碳和非活性有机碳含量均呈现“先增后降”的趋势，且均在W3N1组合处理下达到最大，且其碳库管理指数和产量均达到最大。大豆产量与土壤有机碳、活性有机碳、碳库管理指数均存在正相关关系，且与活性有机碳的相关系数最大，达0.898，说明W3N1组合处理不仅更有利于土壤有机碳的固定，而且有利于复播大豆产量的提高。

关键词：水氮管理；复播大豆；土壤有机碳；碳库管理指数

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气候变暖已受到人们极大关注，成为全球变化研究的三大热点之一，而农田土壤有机碳（SOC）是全球碳库中最活跃的一个组成部分，受人为因素干扰最为强烈，它不仅是引起温室效应的重要因素[1-3]，也是农田土壤质量和肥力的重要指标[4-5]，直接关系到农田的可持续利用，在一定程度上决定着作物生长发育，同时也是固碳减排的重要决策依据[6-7]。然而农田SOC的变化是一个较为复杂的问题，不仅受自然因素的影响，还受耕作措施、作物残体管理方式、施肥制度、灌溉制度等农田管理措施的制约[8-11]，因此通过合理的农田管理措施可以实现农田土壤碳汇功能。

大量研究表明，施有机肥能增加SOC的含量，且化肥和有机肥配施效果更好[12-14]。陈文婷等研究了施肥对农田黑土活性有机碳含量（AOC）和土壤结构的影响，结果表明施用化肥能够提高SOC和AOC的含量[15]。但有些学者认为，单施化肥加速SOC分解矿化，不利于其在土壤中的积累[16]；少数学者认为，施用化肥对SOC含量的变化没有显著促控作用[17]；而灌水量对SOC含量变化的影响也不尽相同[18-20]。大量研究认为，秸秆还田可以增加SOC的积累，但不同的耕作措施下秸秆还田效果不一[21-22]。目前，国内有关农田管理影响SOC固定和积累的研究多集中在耕作措施、有机肥配施等农田管理措施方面，而有关灌溉影响的研究较少，对水氮管理体系下SOC积累和矿化的研究更少，俞华林等[20]研究了灌溉和施氮对免耕留茬春小麦农田SOC、全氮和籽粒产量的影响，表明随着灌水量和施氮量的增加，SOC的含量呈先增后降的趋势。

随着全球气候变暖，伊犁河谷地区已实现一年两熟[23-24]，光、热、水、土等资源得到充分利用，使北疆麦后复播大豆和玉米的种植模式有不断扩大的趋势[25]，这样不仅需要增加水和肥的投入，也会加大夏季作物之间的争水矛盾和土壤肥力的消耗，与单季作物相比势必对农田SOC造成一定的影响。寻求合理的水氮管理措施，增加土壤中碳的固定和积累、进而提高土壤肥力是目前迫切需要解决的问题。因此，本试验在前人研究的基础上，研究水氮管理措施对复播大豆农田土壤固碳效应的影响和大豆生长发育与固碳的相互关系，进而提出复播大豆高产固碳的水氮管理技术措施，为新疆应对气候变化、发展低碳农业提供一定理论依据和实践经验。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验于2012—2014年在伊犁哈萨克自治州伊宁县农业科技示范园（81°33'E，43°56'N）进行。该示范园位于天山西段，属温带大陆性半干旱气候，冬春温暖湿润，夏秋干燥高温，昼夜温差明显，年均日照可达2800～3000 h，年均降水量约257 mm，60%～70%的降雨集中在6—9月，全年无霜期169～175 d。该地区是新疆粮食作物主产区，小麦常年种植面积6.51×105hm2，主要是小麦-大豆或小麦-玉米复种连作。试验区土壤类型为灰钙土，0～30 cm土层有机质含量23.5 g· kg-1，碱解氮85.2 mg·kg-1，有效磷21.8 mg·kg-1，速效钾116 mg·kg-1，土壤容重1.36 g·cm-3。

表1　不同处理各阶段的滴灌量（m3·hm-2）Table 1 Amount of drip irrigation under different treatments during different stages（m3·hm-2）

1.2田间试验设计

前茬作物为冬小麦，滴灌冬小麦水氮管理措施为灌水量3900 m3·hm-2、施氮量（尿素）270 kg·hm-2。小麦收获后复种大豆，试验采用二因素裂区试验设计。灌水量为主因子，共设4个灌水梯度：3000（W1）、3600（W2）、4200（W3）、4800（W4）m3·hm-2；施氮量（含N 46%的尿素用量）为副因子，均以追肥形式施入，共设3个施氮水平：0（N0）、150（N1）、300（N2）kg·hm-2。结合整地各处理均深施基肥尿素75 kg·hm-2，磷酸二铵150 kg·hm-2，自花期开始追施氮肥，每次150 kg· hm-2，N1处理花期追施一次，N2处理花期和结荚期各追施一次。各处理重复三次，共计36个小区，小区面积18 m2（3.6 m×5 m）。大豆品种为黑河43，种植密度52.5万株·hm-2，30 cm等行距播种（株距6.3 cm），每小区播种12行，灌溉方式为膜下滴灌，毛管铺设采用1管2行，结合整地各处理均深施基肥尿素75 kg· hm-2，磷酸二铵150 kg·hm-2，毛管间距60 cm。每小区进水口均由水表控制进水量，各处理每次的灌水定额依次为375、450、525、600 m3·hm-2，全生育期共计灌水8次，具体灌水方案见表1。

1.3样品采集与指标分析方法

1.3.1采样方法

分别于2012年大豆播种前、2012—2014年大豆收获后第2 d取土样4次。每个小区采用“S”取样法取0～30 cm土层的混合土样，将土样充分混匀后剔除动植物残体、石块等后压碎，放置于洁净白色搪瓷托盘中，室内自然风干，按四分法取干土样研磨，过0.25 mm筛，用于SOC、AOC的测定和碳库管理指数（CPMI）的计算。

1.3.2土壤碳指标测定方法

SOC测定采用重铬酸钾氧化分光光度法[26]。AOC的测定采用333 mmol·L-1KMnO4氧化法[27]。非活性有机碳（NAOC）为SOC与AOC测定值之差[27]。

1.3.3CPMI的计算

以2012年大豆播前0～30 cm土壤为参照，其SOC平均含量为11.28 g·kg-1，AOC平均含量为1.94 g·kg-1，土壤CMPI计算方法[28]如下：

碳库指数=样品全碳含量（g·kg-1）/参考土壤全碳含量（g·kg-1）

碳库活度=活性碳含量/非活性碳含量

碳库活度指数=样品碳库活度/参照土壤碳库活度

CPMI=碳库指数×碳库活度指数×100%

1.3.4产量及产量构成因素的测定

在大豆成熟后进行实收测产，并计算出每公顷的产量；同时在每处理每重复选取具有代表性样点连续10株大豆进行室内考种，测单株荚数、单株粒数、单株粒重、百粒重。

1.4数据处理与分析方法

采用SPSS 17.0与Excel 2007软件进行方差分析和多重比较。

2　结果与分析

2.1水氮管理对复播大豆农田SOC的影响

图1　不同水氮组合条件下土壤有机碳含量Figure 1 Effects of water and nitrogen management on soil organic carbon

施肥和灌水直接或间接地调控农田土壤有机质的含量，在一定程度上影响SOC的积累和矿化[8]。由图1可知，2012—2014年各处理SOC的含量变化趋势相同，各年份在同一灌水量水平下，SOC含量均随着施氮量的增加呈“先增后降”的趋势，且均在N1处理达到最大，N0处理最小，处理间差异显著（P＜0.05），三年平均N1处理的SOC含量分别比N0、N2处理增加了8.43%、5.12%，说明滴灌条件下适量增施氮肥可以增加SOC的含量。与其他处理相比，N1处理更能增加SOC的积累，但N2处理SOC的含量不增反降，可能是由于氮肥过多会降低土壤中的碳、氮比例，导致土壤微生物的活性提高，加剧有机碳的分解和矿化，不利于SOC的积累。

在同一施氮量条件下，随着灌水量的增加，三年各处理SOC的含量均呈现抛物线型变化趋势，其中灌水量为W3时达最高，且处理间差异显著（P＜0.05），W3处理三年平均的SOC含量分别比W1、W2和W4处理增加了8.70%、4.42%、9.90%。这也说明在同一施氮水平条件下，在大豆生长期间过少量灌水或过大量灌水都会导致土壤SOC含量降低，而相对适量的灌水量能够提高SOC含量，W3N1组合处理最有利于增加大豆农田SOC的积累。

2.2水氮管理对复播大豆土壤AOC的影响

农业生产措施引起土壤碳库的最初变化主要是易分解、矿化的那部分碳，即AOC部分。因此，AOC常常作为土壤潜在生产力以及由土壤管理措施引起土壤碳库变化的早期指标[8]。由图2可知，各处理各年份AOC含量的变化趋势与SOC相同，且处理间差异显著（P＜0.05）。三年土壤AOC的含量均以W3和N1组合处理最好，比其他组合增加1.79%～27.26%，说明施氮肥会增加土壤中AOC含量。与其他处理相比，N1处理更有利于土壤中AOC含量的积累，但N2处理可能增强土壤中微生物活性，导致土壤中AOC矿化、分解，不利于AOC的积累，W3N1组合处理更有利于土壤AOC的增加，从而提高土壤肥力，为作物的生长发育奠定基础。

图2　在不同水氮组合条件下的土壤活性有机碳变化Figure 2 Effects of water and nitrogen management on soil active organic carbon

图3　水氮管理对复播大豆土壤非活性有机碳的影响Figure 3 Effects of water and nitrogen management on soil non-active organic carbon

表2　不同水氮管理土壤碳库管理指数的变化Table 2 Effects of water and nitrogen management on soil carbon management index

2.3水氮管理对复播大豆土壤NAOC的影响

土壤有机碳组分中不易分解和氧化、具有惰性的那部分为NAOC，因其决定着SOC的储备而在SOC稳定性研究中备受重视。由图3可知，各年份各处理土壤的NAOC含量变化均随着施氮量和灌水量的增加呈抛物线型变化趋势，且与SOC和AOC的变化趋势一致，均在W3N1组合处理达到最大。

2.4水氮管理对复播大豆土壤CPMI的影响

土壤碳库动态平衡与作物营养、土壤管理关系密切，直接影响作物产量和土壤肥力的高低[28]。由于三年的土壤CPMI的变化趋势相同，均以W3N1组合处理为最高，且2013年的表现最好，因此以2013年测定的CPMI分析水氮管理对其的影响。由表2可知，各处理间土壤碳库活度、碳库活度指数差异均不显著，但碳库指数和CPMI则存在极显著差异。在同一灌水量或同一施氮量水平下，碳库指数和CPMI均随着施氮量或灌水量的增加呈现先增后降的趋势，且W3N1组合处理达到最高。这说明适量的灌水量和施氮量组合改善了土壤环境，不仅有利于SOC、NAOC和AOC含量的积累，还可以增加土壤CPMI，提高土壤肥力。

2.5水氮管理对复播大豆产量的影响

灌水量和施氮量不仅影响SOC的含量变化，对复播大豆产量也有一定的影响。试验期间，2014年大豆鼓粒期突遇霜冻，造成绝收。2012年和2013年产量变化趋势相同，均为W3N1组合处理产量最高，且2013年产量表现最好，故以2013年产量进一步分析产量与CPMI的关系。由表3可知，在W3灌水量水平和N1施氮组合下，复播大豆的单株荚数、单株粒数、单株粒重、百粒重、产量均为最高，其产量分别比低水低肥（W1N0）和高水高肥（W4N2）提高54.30%和17.02%。

2.6产量与CPMI的相关分析

进一步分析土壤CPMI与产量的关系（表4）可知，农田土壤AOC、SOC、CPMI间均存在显著相关性，AOC与CPMI存在极显著相关关系，说明碳库管理指数受土壤AOC含量影响更大。大豆产量与SOC、AOC、CPMI也均达显著相关，其与土壤AOC的相关关系最为密切，充分说明土壤AOC的高低不仅影响土壤质量的高低，还直接影响作物产量的高低。

表3　不同水氮处理对复播大豆产量及产量构成因素的影响Table 3 Effects of different water and nitrogen treatments on yield and yield components of soybean

表4　产量与碳库管理指数的相关性Table 4 Correlation between yield and carbon pool management index

3　讨论

3.1施肥对SOC、AOC的影响

大量研究认为，施有机肥或有机肥与化肥配合施用，既补充输入有机碳源又改善土壤物理性状，不仅SOC总量增加，而且AOC含量也增加[29]，但施用无机肥对SOC影响的研究结果则各不相同[30]。一些学者认为长期单独施用化肥，会使SOC总量下降，而且轻组有机碳量的减少大幅超过重组碳，结果导致土壤中NAOC含量上升、土壤有机质老化[31]；但也有研究认为，施用化肥可以增加SOC的含量[32-33]。亦有学者认为，施用化肥对SOC和AOC含量的变化没有显著促控作用[17]。本研究认为，追施氮肥可以增加SOC和AOC的含量，其中大豆花期追施氮肥（N1）更能增加SOC的积累，豆荚期继续追施氮肥（N2），SOC的含量不增反降。

3.2水氮管理对土壤有机碳库的贮量及作物产量的影响

目前关于水氮管理对作物产量的影响研究很多，多数研究表明节水灌溉模式下适宜的氮肥运筹对提高作物产量的作用显著，且水氮间存在显著的互作效应[34-36]。但关于水氮管理对SOC影响的研究较少，俞华林对滴灌冬小麦的研究表明，在0～140 kg·hm-2施氮范围，增施氮肥明显增加SOC含量；适量灌溉（261 mm）可以增加SOC含量，若少量或过量灌溉则降低SOC的含量[20]，与本研究结果相似。说明无论是冬播作物，还是夏复播作物，农田作物水氮管理措施均会影响农田土壤有机碳库的贮量，而且适宜的灌水量和施氮量组合可以实现农田土壤固碳和提高作物产量的目标。

4　结论

（1）在不同的水氮管理模式下，随着灌水量和施氮量的增加，土壤0～30 cm平均SOC、AOC、NAOC含量均呈现先增加后降低的趋势，且三年均以W3N1组合处理为最大。

（2）产量及产量构成因素均为W3N1组合处理达到最好，说明适宜的水氮组合措施更有利于农田土壤固碳，而且有利于复播大豆产量的提高。

（3）大豆产量与SOC、AOC、CPMI均存在相关关系，且与AOC的相关系数最大，表明AOC的高低直接影响到产量的高低。

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Effects of water and nitrogen management on soil carbon sequestration and soybean yields in wheat-soybean cropping fields

LI Ya-jie1, XU Wen-xiu1*, SU Li-li1, WANG Na2, ZHANG Na1, WANG Ting2, HAO Wei-wei1
（1.Xinjiang Agricultural University, Agricultural College, Urumqi 830052, China; 2.Center of Spreading Agricultural Techniques of Yining County, Yili 835100, China）

Abstract：A field experiment was conducted to study the effects of different water and nitrogen management on soil organic carbon, carbon pool management index, and soybean yields in the wheat-soybean fields in Yining County from 2012 to 2014. Experimental design was water and nitrogen two factor split-plot design, with 4 irrigation levels, namely 3000（W1）, 3600（W2）, 4200（W3）, and 4800（W4）m3·hm(-2), and 3 nitrogen levels: 0（N0）, 150（N1）, and 300（N2）kg·hm(-2). Results showed that content of soil organic carbon and non-active organic carbon decreased with increasing soil depth. As nitrogen rates or irrigation water amount increased, soil organic carbon, organic carbon active and non-active organic carbon content showed "initial increase and then decrease" pattern, with the highest found at W3N1 combination treatment. Soybean yield was positively correlated with soil organic carbon, active organic carbon and carbon pool management index, with the greatest correlation coefficient found in active organic carbon. Our results suggest that the W3N1 combination would not only enhance soil organic carbon sequestration and reduce emissions, but could also improve soil fertility and increase soybean production.

Keywords：water and nitrogen management; soybean-wheat cropping; soil organic carbon; carbon pool management index

*通信作者：徐文修E-mail：xjxwx@sina.com

作者简介：李亚杰（1989—），男，汉族，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为绿洲高效农作制度。E-mail：li317592684@qq.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目（31560372）

收稿日期：2015-10-13

中图分类号：S153.6

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）03-0524-08

doi:10.11654/jaes.2016.03.016