施肥和地膜覆盖对黄土旱塬土壤理化性质和冬小麦产量的影响

付 威，樊 军,2，胡雨彤，赵 晶，郝明德,*

（1 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100；3 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100）

施肥和地膜覆盖对黄土旱塬土壤理化性质和冬小麦产量的影响

付 威1，樊 军1,2，胡雨彤3，赵 晶3，郝明德1,3*

（1 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100；3 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100）

【目的】研究黄土高原旱作农业区施肥等措施对耕层土壤理化性质和作物农艺性状的影响，为保持土壤适度生产力，选择适合黄土塬区可持续发展的新型增产措施提供理论基础。【方法】通过设在渭北旱塬的多年田间定位试验，选取不施肥空白对照、施氮磷肥、施氮磷钾肥、氮磷肥加生物炭、氮磷肥加生育期地膜半覆盖和氮磷肥加夏闲期地膜半覆盖共6个处理，所有处理均在冬小麦收获后和播种前进行翻耕。分析了不同处理耕层土壤理化性质、冬小麦产量及农艺指标。【结果】与对照相比，施氮磷肥显著提高了耕层土壤饱和导水率，降低耕层土壤紧实度，显著增加冬小麦生育期耗水量，提高水分利用效率和降雨利用效率，显著提高了耕层土壤中有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、全磷、有效磷等养分的含量，连续三年提高冬小麦的产量均在一倍左右。与氮磷肥处理相比，增施钾肥处理增加了冬小麦拔节期耕层土壤紧实度，却显著降低了收获期土壤容重、增加了总孔隙度，并显著提高了水分利用效率，在一定程度上增加了耕层土壤全氮、有机质含量，使冬小麦的叶面积指数显著增加，连续三年冬小麦平均产量达4500 kg/hm2；增施生物炭处理耕层土壤容重降至最低为1.16 g/cm3，增加了土壤总孔隙度，导致饱和导水率最大为0.049 cm/min，提高了水分利用效率；耕层土壤中的有机质、全氮、全磷、有效磷的含量有一定增加，冬小麦的产量有所提升；施氮磷肥基础上的生育期地膜半覆盖与夏闲期地膜半覆盖，均显著降低了耕层土壤饱和导水率，增加了土壤紧实度，提高了冬小麦水分利用效率，耕层土壤中有机质、铵态氮、速效钾的含量有所增加，全磷含量降低，土壤pH下降，除去受灾年份，冬小麦平均产量在4700～4800 kg/hm2之间。【结论】与对照相比，长期施用氮磷化肥显著提高冬小麦的产量，却导致土壤pH下降。在施氮磷肥的基础上增施生物炭，可以显著改善土壤物理化学性质，增加冬小麦产量，但其经济投入过高。在施氮磷肥的基础上，增施钾肥与生育期地膜半覆盖，改善了耕层土壤养分状况，有一定的经济效益，是适宜黄土塬区的冬小麦增产措施。

黄土旱塬；产量；土壤紧实度；饱和导水率；水分利用效率

黄土旱塬是我国重要的旱作农业区，冬小麦是该区主要的粮食作物，常年种植面积53万hm2以上，占陕西省播种面积的35%左右[1]。降水量少与时空分布不均的影响，导致作物的产量低而不稳[2]，此外，土壤贫瘠也是制约该地区农业生产的关键因素[3]。因此，提高水分利用效率和培肥土壤，提升和稳定作物产量，仍然是该区农业生产的主要任务。国内外研究表明，冬小麦的生长不仅受地域等因素的影响，而且也会受到肥料的用量和种类的影响。合理的施肥会增加其产量，不合理的施肥不仅限制增产，还会对土壤造成污染、引起土壤生产力下降[4–6]。安徽省长期定位试验研究表明，长期不施肥会导致作物产量持续下降[4]；黄土塬区的长期定位试验显示，氮磷配施或与有机肥配施，能有效地减少土壤剖面中硝酸盐的累积与淋溶[7]。长期施用氮磷肥，不仅导致土壤pH下降[8]，土壤理化性状恶化，而且显著降低肥料利用率，增加温室气体排放[9]。因此，氮磷肥料管理之外的增产措施受到越来越多的关注。例如，施用钾肥可以均衡土壤养分，提高作物品质[10]；施用有机肥可以增加土壤微生物，改善土壤物理结构[11]；施加微量元素肥料可以改善作物的品质[12]；生物炭作为一种土壤改良剂和碳减排剂，能够改善土壤质量，提高土壤肥力[13]；覆盖措施具有良好的蓄水保墒效果[14]而被广泛应用。随着作物品种变更和氮磷肥料增产效果的限制，为防止环境污染及水资源的过度消耗，有研究者提出旱地适度生产力观点[15–16]，同时探索氮磷肥以外新的旱塬粮食增产措施。本文通过设置在渭北旱塬的定位试验，研究在施用氮磷肥的基础上，增施钾肥、添加生物炭及2种地膜覆盖方式的增产效果及其对土壤理化性质的影响，以期为旱地农业的可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于陕西省长武县的西北农林科技大学长武黄土高原农业生态试验站 (35°14'N、107°40'E)，是典型的渭北旱塬旱作农业区，也是陕西省的粮食主产区[1]。该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候。试验区海拔1200 m，日照时数2226 h，年均气温9.1℃，1月份平均气温–4.7℃，7月份平均气温22.1℃。塬面 ≥ 0℃活动积温3688℃，≥ 10℃活动积温3029℃，年均无霜期171 d。长武塬地处黏黑垆土地带，母质是中壤质地的马兰黄土，土层深厚，土质均匀疏松，土壤容重1.23～1.44 g/cm3，孔隙度50%左右，通透性好。多年平均降水量578.5 mm，降水年际变异较大，且降水季节性分布不均，导致干旱频繁发生。其中7～9月降水量占全年降水总量的55%以上，与冬小麦生育期的生长耗水不同步。2013～2016年冬小麦不同时期的降水量有所差异，其中冬小麦夏闲期为当年的6月底至9月底，冬小麦生育期为当年9月底至次年6月底，年降水量为1～12月的降水量的总和 (表1)。

1.2 试验设计

田间定位试验始于2002年，前期为当地连续耕种的传统农田，供试作物为一年一熟冬小麦，小麦品种为长航1号。采取宽窄行种植，宽行60 cm，窄行30 cm，本季冬小麦于2015年9月26日播种，2016年6月24日收获，供试土壤为黑垆土。试验所用地膜为60 cm宽、0.015 mm厚的聚乙烯薄膜。小区采用随机区组设计，面积为35 m2(5 m × 7 m)，本文选取其中6个处理进行研究，包括不施肥对照(CK)、施氮磷化肥 (NP)、施氮磷钾化肥 (NPK)、施氮磷化肥并添加生物炭 (NPB)、施氮磷化肥并进行生育期地膜覆盖 (NPFG)、施氮磷化肥并进行夏闲期地膜覆盖 (NPFF)。CK、NP和NPB三个处理4次重复，其他处理3次重复。所有处理在冬小麦播种前和收获后各翻耕一次，翻耕深度约为20 cm。NPFG处理冬小麦全部打孔种在地膜上，在冬小麦收获后清除地膜，NPFF在休闲期覆盖地膜，冬小麦播种前清除。试验氮肥和磷肥施用量分别为N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2，氮肥为尿素 (N 46%)，磷肥为过磷酸钙 (P2O516%)，全部基施。钾肥(K2O)施用量为30 kg/hm2，供试钾肥为硫酸钾 (K2O 50%)；生物炭添加量为14 t/hm2，试验使用的生物炭为杂木 (杨树、枣树、槐树等) 黑炭，购置于当地商业公司。该生物炭的基本理化性质如下：容重为0.58 g/cm3，颗粒组成2～0.02 mm占86.29%、0.02～0.002 mm占11.93%、＜ 0.002 mm占1.78%，pH为8.96，阳离子交换量为20.73 cmol/kg。

表1 2013～2016年冬小麦夏闲期与生育期降水量(mm)Table 1 Rainfall in summer fallow periods and growth periods of winter wheat from 2013 to 2016

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤物理性质 土壤紧实度采用澳大利亚CP40Ⅱ土壤紧实度计于冬小麦拔节期 (2016年4月10日) 测量，通过一根金属柱探针压入土壤，获取土壤穿透阻力作为土壤紧实度。由于金属探针不易扎入过深土壤，测量深度选为7.5 cm，每个小区9次重复。

土壤饱和导水率采用定水头法在冬小麦收获后(2016年7月10日) 测定，每个小区在相同对角线上中点和1/4点共3点 (每个处理共计9次重复) 取样。

土壤容重于冬小麦收获后 (2016年7月10日) 采用烘干法测定[17]。

冬小麦生育期耗水量计算公式为[18]：

式中：ET为冬小麦生育期总耗水量 (mm)；P为时间段内的降雨量 (mm)；U为地下水补给 (mm)，由于地下水埋深在80 m以下，无法补给，故U= 0；D为土壤水分渗漏量 (mm)，Lysimeter蒸渗仪 (3 m土柱) 多年监测结果无渗漏发生，故D为0；R为地表径流 (mm)，试验区位于塬面上，无地表径流产生，故R= 0；ΔW为3 m土壤剖面播种前与收获后贮水量之差 (mm)。公式简化为：ET=P+ ΔW

式中：WUE为水分利用效率 [kg/(mm·hm2)]；Y为冬小麦籽粒产量 (kg/hm2)。

式中：PUE为降水利用效率 [kg/(mm·hm2)]；RF为冬小麦播种前夏闲期内降雨量 (mm)；RG为生育期内的降水量 (mm)。

1.3.2 土壤化学性质 在冬小麦收获后用土钻 (2016年6月24日) 取0—20 cm耕层土壤，研磨过筛，用于实验室分析。土壤pH采用pH计测定 (水土比5∶1)；有机质采用重铬酸钾外加热氧化法；全氮采用凯氏定氮法，硝态氮用酚二磺酸比色法测定，铵态氮采用0.5 mol/L KCl浸提，流动分析仪双波长比色法；全磷采用HClO4–H2SO4氧化，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用原子吸收法测定[20]。

1.3.3 作物农艺性状 于冬小麦收获后测定冬小麦相关农艺指标，包括小穗数、穗粒数、穗长、株高，各小区在收获期随机选取长势均匀的冬小麦10株，进行测定。叶面积指数 (LAI) 用线状光合有效辐射探头 (MQ-306，Apooge，Logan，USA) 测量[21]。冬小麦籽粒产量，在成熟期 (2016年6月24日) 每个小区收获长势均匀的4行小麦，3次重复，脱粒、风干、称重计产。

1.3.4 数据分析 数据基础处理采用Excel 2007，不同处理之间的方差分析和多重比较使用SPSS17.0软件，绘图用Origin 9.0软件。

2 结果与分析

2.1 不同处理耕层土壤物理性状

不同处理对耕层土壤物理性质均有显著影响(表2)。对土壤容重的影响表现为：NPK和NPB处理较NP处理与CK均显著降低耕层土壤容重，增加耕层土壤总孔隙度，其中NPB处理的土壤容重最小，为1.16 g/cm3，土壤总孔隙度最大，其余处理之间土壤容重和总孔隙度无显著差异。对土壤饱和导水率的影响表现为NP、NPK和NPB处理较CK均显著提高了耕层土壤饱和导水率 (Ks)。饱和导水率各处理大小顺序为 NPB ＞ NPK、NP ＞ NPFF、NPFG、CK，其中NPB处理Ks较NP提高88.5%，达到显著水平；NPFG、NPFF处理与NP处理存在显著差异，均降低了26.9%。此外，不同处理的耕层土壤容重和饱和导水率之间呈极显著的负相关关系，与土壤总孔隙度呈极显著的正相关关系 (P＜ 0.01)。对土壤紧实度的影响表现为：NP处理较CK显著降低耕层土壤的紧实度。与NP处理相比，NPK、NPB、NPFG和NPFF处理均在一定程度上增加了土壤紧实度，但是只有NPB处理与NPFF处理达到了显著水平，分别提高了26.7%、23.4%。

2.2 不同处理耕层土壤化学性质

不同管理措施连续处理15年后，各处理间耕层土壤的化学性质差异显著 (表3)。施氮磷肥以及在其基础上增施钾肥处理、生物炭处理、生育期地膜半覆盖处理和夏闲期地膜覆盖处理较不施肥处理均显著提高了土壤有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、全磷和速效磷含量，降低了土壤pH。与氮磷肥处理相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF处理均提高了土壤有机质含量，其中NPB、NPFF、NPFG处理分别提高了39.3%、11.0%、7.6%，达到显著水平。与NP处理相比，NPB、NPFF处理土壤全氮含量分别提高了21.1%、18.9%，均达显著水平；NPK、NPB、NPFG、NPFF处理土壤硝态氮含量虽有提高，但仅NPFF处理达到了显著水平，提高3.6倍；不同处理间铵态氮差异不显著。与NP处理相比，仅NPB处理土壤全磷含量显著提高(10.3%)；NPFG则显著降低了土壤速效磷含量，其他处理之间差异不显著。与NP处理相比，NPFF、NPK、NPB、NPFG处理均显著提高土壤速效钾含量，分别提高了27.7%、25.7%、19.8%、14.9%，其中NPK和NPFF处理的速效钾含量最高，分别为141.9 mg/kg和144.2 mg/kg。与NP处理相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF处理均降低土壤pH，但仅NPFF处理的影响达到了显著水平。

表2 不同处理耕层土壤物理性质Table 2 Soil physical properties in different treatments

表3 不同处理对土壤化学性质的影响Table 3 Soil chemical properties as affected by different treatments

2.3 不同处理作物的农艺性状

不同管理措施影响土壤总孔隙度和饱和导水率，使降水入渗发生变化，进而调控土壤养分的转化，最终影响作物的农艺性状和产量。不同处理间冬小麦的株高、叶面积指数、产量三要素，产量等均存在显著差异，同时水分利用效率也有显著差异。

2.3.1 株高和叶面积指数 与不施肥对照比较，不同处理均显著增加了冬小麦的株高和叶面积指数 (LA I)。与NP处理相比，NPFG处理冬小麦株高提高了10.1%。与CK相比，不同处理均一定程度上提高了冬小麦LAI；与NP处理相比，NPK、NPFG、NPFF处理均可以提高冬小麦的LAI，分别提高了45.3%、21.3%、14.1%(图1)。

图1 不同处理小麦的株高和叶面积指数Fig. 1 Plant height and leaf area index of winter wheat in different treatments

2.3.2 产量构成因素 图2表明，不同管理措施下冬小麦的小穗数、穗粒数等产量构成要素存在差异，而冬小麦穗长在11.0～12.0 cm之间，无显著差异；NPFG、NPB、NPFF、NP和NPK处理与CK在小穗数上存在显著差异，且分别提高了24.7%、22.1%、17.2%、16.4%和15.1%。与CK处理相比，NPB、NPFG、NPK、NP处理显著增加了冬小麦的穗粒数，分别增加了43.0%、42.3%、39.7%、38.6%。冬小麦千粒重均在45.0～50.0 g之间，各处理差异不显著。

2.3.3 籽粒产量 连续三年不同管理措施对冬小麦籽粒产量有显著影响，2014～2015年度冬小麦在灌浆期受冰雹灾害的影响，产量较往年显著下降，其中NPFG处理受冰雹灾害影响最为严重。2013～2014年度，NPK与NPFF处理冬小麦产量最高，分别为 5853.0、5546.8 kg/hm2，NPK、NPFF、NPFG、NPB处理冬小麦产量比NP处理分别增加了25.2%、18.7%、14.8%、13.6%。2014～2015年，NPFG处理冬小麦产量低于NP、NPK、NPB、NPFF处理，后三个处理冬小麦产量分别比NP处理提高了16.8%、11.3%、9.8%；2015～2016年度，NPFG、NPB、NPFF、NPK处理分别比NP处理增加了14.8%、12.0%、10.8%、9.4%。与NP处理相比，除去自然灾害的影响，连续三年NPK、NPB、NPFG和NPFF处理的增产效果在10.0%左右 (图3)。

图2 不同处理冬小麦产量构成Fig. 2 Yield components of winter wheat in different treatments

图3 2013～2015年不同处理冬小麦的产量Fig. 3 Winter wheat yields in different treatments during 2013–2015

2.3.4 水分利用效率和降雨利用效率 冬小麦生育期耗水量 (ET)、水分利用效率 (WUE) 和降雨利用效率(PUE) 是衡量自然降水利用程度高低的重要指标。与CK相比，生育期耗水量NPFF、NP、NPFG、NPB、NPK处理分别增加了107.6 mm、106.0 mm、101.0 mm、44.1 mm、22.5 mm，增加均达显著水平。与NP处理相比，NPK与NPB处理冬小麦生育期耗水量分别显著降低了16.1%和12.0%，NPFG、NPFF与NP处理之间差异不显著。与CK相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF、NP处理的WUE分别提高了1.7、1.7、1.4、1.3、1.1倍，与NP处理相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF处理分别提高了30.3%、26.9%、15.8%、10.2%，其中NPK处理达到了显著水平。各处理显著提高了降雨利用效率，与CK相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF、NP处理分别提高了1.9、1.9、2.0、1.9、1.6倍；与NP处理相比，其余4个处理PUE虽呈增加趋势，但未达显著水平。

2.4 经济效益

不考虑劳动力投入，在施用氮磷肥基础上，增施钾肥、生物炭、生育期地膜半覆盖处理和夏闲期地膜半覆盖处理增加的投入分别为每季每公顷180.00元、42857.10元、450.00元、450.00元，冬小麦产出分别增加344.50元、441.10元、545.70元、397.10元，产投比分别为1.91、0.01、1.21和0.88，以增施钾肥与生育期地膜半覆盖处理产投比较高，生物炭处理产投比最小。

3 讨论

3.1 不同耕作处理对土壤物理性质的影响

连续多年不施肥情况下，冬小麦的耗水量有逐渐降低的趋势，土壤贮水量增加，最终导致2015年冬小麦播种期和冬小麦收获期3 m土壤贮水量比其他施肥处理高出很多。

生物炭施用使土壤容重降低，意味着土壤总孔隙度和大孔隙数量增加，从而增加土壤水分入渗速率[22]，其原因主要是生物炭容重远远低于矿质土壤，施入土壤具有一定的稀释作用，降低土壤容重。如Laird等[23]研究表明，同空白处理土壤相比，施加生物炭显著降低土壤容重；Eastman[24]在粉砂土壤上施用25 g/kg的生物炭，土壤容重从1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3，本研究结果与这些研究结果一致。生物炭的施用对微生物群落和土壤动物的生命活动有益处，使其活性增加[25]、团聚性增强，促进其新陈代谢，增加土壤的总孔隙度，从而使土壤结构得到改善。相关研究表明，土壤容重、土壤总孔隙度和土壤饱和导水率存在密切的关系，有研究显示，土壤总孔隙度与土壤饱和导水率存在显著的正相关关系[26]。主要是因为总孔隙中包含了导水孔隙，而导水孔隙的多少直接影响水分的入渗，也就显著影响土壤饱和导水率。生物炭加入土壤后增加了土壤的孔隙度和表面积，使得土壤水分的渗滤模式、停留时间和流动路径发生改变[27]。基于室内培养试验也表明，施用生物炭能显著提高土壤的持水特性和土壤饱和导水率[23]。此外，生物炭施入土壤后土壤持水性能比未加入生物炭处理的至少增加18%[28]，表现出生物炭添加提高土壤水分含量，减少土壤水分蒸发。土壤紧实度作为一个重要的土壤物理参数，生物炭的应用对土壤紧实度的影响存在差异，有研究认为，生物炭具有稀释作用，降低土壤容重的同时可以减小土壤紧实度[29]。本研究却出现了不一致的结果，其原因可能是本研究所采用的生物炭是树木枝干制造的，质地坚硬，且80%以上的生物炭粒径在0.02～2 mm范围内，按照土壤颗粒分级系统分类属砂质，在金属杆扎入土壤时，会产生较大阻力，最终导致土壤紧实度增大。Soane[29]研究指出，生物炭增加土壤紧实度，一种可能是，土壤团聚体内部和颗粒之间结合力作用的结果，生物炭中存在许多长链分子，对矿物颗粒有很好的约束力，通过这种作用可以增加土壤紧实度；另外一种可能是，摩擦力的作用结果，土壤颗粒与生物炭中的有机质之间有一种涂层能增加颗粒之间的摩擦，从而增加土壤紧实度。

表4 不同处理冬小麦土壤储存水和降雨水分利用效率Table 4 WUE and PUE of winter wheat under different treatments

黄土旱塬旱作农业区降雨季节性分布不均，大部分降雨集中在7～9月[18]，恰逢冬小麦的夏闲期。在这个期间使用地膜覆盖的目的是减少地表裸露，降低土壤蒸发，为冬小麦播种蓄水保墒。研究表明，长期地膜覆盖，会降低土壤饱和导水率和孔隙度，影响土壤质量，可能是地膜的主要材料以聚乙烯为主，属于不易降解的有机物质，长期覆盖地膜，会导致地膜残留在土壤中，阻塞土壤中的导水孔隙，降低土壤饱和导水率[11]。本试验也显示，生育期地膜半覆盖和夏闲期地膜半覆盖均显著降低了土壤饱和导水率。此外，耕层土壤紧实度在生育期地膜半覆盖和夏闲期地膜半覆盖处理下也有所增加，可能是地膜覆盖增加了土壤温度和水分，为冬小麦的生长创造了良好的水热条件，促使冬小麦的根系生长，根系密度的增加使金属探针在压入土壤的过程中阻力增加，紧实度增大。尽管地膜覆盖对土壤物理性状改善有限，但是地膜覆盖有增加冬小麦生长前期温度和水分的作用，保证了冬小麦顺利越冬，为返青后的快速生长创造良好的生存环境。此外，生育期地膜半覆盖和夏闲期地膜半覆盖可以显著降低表层土壤蒸发[30]，提高水分利用效率，增加冬小麦产量。

此外，土壤紧实度在冬小麦拔节期测定，处于快速生长季节，增施钾肥促进根系的生长发育，使得耕层根系密度增加，进而增加土壤紧实度的田间测量值。土壤容重和总孔隙度在冬小麦收获期测定，钾肥施用增加了耕层冬小麦的根系生物量，此时冬小麦的根已逐渐死亡，且根系含水量大、密度小，测定土壤容重时小麦根系占据一部分空间，烘干土壤水分后容重降低，进而使土壤总孔隙度增加。

3.2 不同耕作处理对土壤化学性质的影响

不同肥料种类和用量对土壤养分含量有显著影响，中国科学院草原生态系统定位站的试验研究表明，连续5年氮磷施肥显著提高土壤有机质含量，土壤速效磷、铵态氮、硝态氮含量也大幅度提高[31]，本试验结果与此研究结果一致。其原因可能是施用磷、钾肥可以显著提高土壤磷、钾营养元素含量[32]，磷、钾肥的施用增加了磷、钾元素的输入，促进不同形态磷和钾的转化，均衡土壤养分[33]，本研究结果显示在氮、磷肥的基础上增施钾肥可以显著提高耕层土壤中有机质、全氮、铵态氮、全磷、速效钾的含量。

生物炭作为一种新型的外源功能材料，化学组成有C、H、O、N等元素，其中以C元素为主[13]，生物炭施用于土壤后，会显著增加土壤中C元素含量，增加土壤中的有机碳，进而提高土壤有机质的含量。生物炭的性质稳定，但在长期的环境条件作用下，生物炭可能会发生物理迁移或者某种途径的分解或降解，并在土壤剖面上进行重新分配[33–34]，但不会发生明显的化学变化[35]。在适宜条件下，生物炭表面会形成一层保护壳，导致微生物对其的分解速度缓慢，可以认为生物炭具有很强的稳定性，在土壤中的周转过程可能长达百年或更久[36]，施入土壤后不会在短期内发生大量分解，因此有机质含量维持在一个相对较高的水平。此外，生物炭施入土壤后会显著提高土壤全磷、速效钾含量，这和生物炭本身携带一定量的磷、钾养分有关[13]；生物炭也会通过改善土壤理化性质、微生物生境等对土壤磷素有效态转化和固定态钾的释放产生一定的积极影响[37]；生物炭具有较大的比表面积和较强的吸附性[37]，也能有效减少土壤中磷、钾的淋溶损失。同时，钾肥处理和生物炭处理均可以增加冬小麦的产量，冬小麦的地下部根系残留量也会增加[38]，这也可能使土壤中有机质等营养成分的含量增加。此外，生物炭本身呈现出碱性，加入土壤以后，土壤pH值将会发生变化，这与土壤的酸碱性有很大关系。大量研究表明，在酸性土壤中施用生物炭可以显著提高土壤pH[39–41]，但是施用于碱性土壤后，对土壤pH没有显著影响[41]。本试验研究的土壤为弱碱性土壤，施加生物炭后土壤pH虽然有所降低，但是并未达到显著水平。生育期地膜覆盖有减少地表裸露、降低土壤水分蒸发、减缓土壤温度变化、抑制杂草生长等作用，还可以阻止水和风对土壤的侵蚀，改善土壤结构，增加土壤中有益微生物的数量，提高土壤酶的活性等[30]，增加了土壤微生物和动物的分解，提高了养分利用效率，降低养分消耗，最终导致生育期地膜半覆盖显著提高了土壤中的有机质、速效钾，同时也降低了土壤pH。本试验研究与Li等[42]研究结果不一致，这可能与地膜覆盖方式和覆盖时间不同有关。本试验研究还显示，夏闲期地膜半覆盖显著增加土壤中硝态氮、速效钾含量，降低了铵态氮含量，降低土壤pH。相关研究认为，地膜覆盖能够促进土壤动物和微生物的活动，加快土壤中有机质的矿化和分解，将土壤中的养分由交换态转化为速效态养分[14]，矿质氮素在土壤中的含量受覆膜进程的影响[7]，长时间地膜覆盖能够增加土壤中的硝态氮，并且阻碍硝态氮的淋溶转移[43]。

3.3 不同耕作措施对冬小麦产量的影响

长期连续不施肥处理，土壤养分逐渐被消耗且得不到补充，使土壤肥力下降，冬小麦生长受阻，导致籽粒产量处于较低水平。施氮磷肥处理向土壤中施加了氮肥和磷肥，增加了土壤中有机质含量，提高冬小麦的籽粒产量[44]，本试验在黑垆土上也得出施氮磷肥处理显著增加冬小麦籽粒产量的结果。此外，本试验研究表明，生物炭处理可以增加冬小麦的产量，原因在前文已经述及，生物炭添加改善了土壤理化性质，进而提高冬小麦的产量。地膜覆盖提高了水分利用效率和降水利用效率，并增加了土壤中的养分含量，提升了冬小麦的籽粒产量。尽管夏闲期覆盖的土壤养分含量高于生育期覆盖，但夏闲期地膜半覆盖增加了土壤的紧实度，阻碍了根系的生长，影响根系对水分和养分的吸收利用；饱和导水率降低，阻碍了水分的补给，因而并没有显著提高冬小麦籽粒产量。

结合产投比的影响，其中增施钾肥处理与生育期地膜半覆盖处理产投比最高，适合渭北旱塬冬小麦种植采用；生物炭处理产投比最小，原因是生物炭生产工艺复杂，价格昂贵，且用量大，达14 t/hm2；尽管生物炭可以显著改善土壤理化性质，提高冬小麦产量，但考虑到产投比，生物炭不宜大规模在基本农田推广施用，可以应用于 “治沟造地”等土地整治工程。此外，生物炭作为一种碳减排剂，在增加土壤碳库、减排温室气体、改善土壤质量及环境修复等方面均具有潜在功效，而且生物炭技术可以通过增加碳截留以应对全球气候变化[45]。

4 结论

长期传统耕作并施用氮磷化肥降低耕层土壤紧实度，显著提高土壤的饱和导水率，增加土壤中各养分的含量，改善土壤理化性质，显著提高冬小麦的产量。

在氮磷肥配施的基础上增施生物炭，显著降低耕层土壤容重、增加饱和导水率，改善土壤物理化学性质，提高冬小麦的产量，但其经济投入较高。

在氮磷肥配施的基础上，增施钾肥可以降低耕层土壤容重，提高水分利用效率，改善土壤化学性质，提高冬小麦产量。在氮磷肥配施的基础上，生育期地膜半覆盖，提高水分利用效率，增加耕层土壤养分，提高冬小麦产量。这两种处理产投比较高，收益增加，是适宜黄土塬区的冬小麦新型增产模式。

[ 1 ]高飞, 刘波, 何小平, 等. 陕西省小麦良种覆盖率调查与分析[J]. 中国种业, 2015, (3): 25–27.Gao F, Liu B, He X P,et al. Investigation and analysis of wheat variety coverage in Shaanxi province[J]. China Seed Industry, 2015,(3): 25–27.

[ 2 ]Hao M D, Fan J, Wang Q J,et al. Wheat grain yield and yield stability in a long-term fertilization experiment on the Loess Plateau[J]. Pedosphere, 2007, 17(2): 257–264.

[ 3 ]樊军, 郝明德, 邵明安. 黄土旱塬农业生态系统土壤深层水分消耗与水分生态环境效应[J]. 农业工程学报, 2004, 20(1): 61–64.Fan J, Hao M D, Shao M A. Water consumption and ecoenvironmental effects in deep soil layers of agro-ecosystem in Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2004, 20(1): 61–64.

[ 4 ]王道中, 花可可, 郭志彬. 长期施肥对砂姜黑土作物产量及土壤物理性质的影响[J]. 中国农业科学, 2015, 48(23): 4781–4789.Wang D Z, Hua K K, Guo Z B. Effects of long-term fertilization on crop yield and soil physical properties in lime concretion black soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23): 4781–4789.

[ 5 ]Grant C A, Brown K R, Racz G J,et al. Influence of source, timing and placement of nitrogen on grain yield and nitrogen removal of durum wheat under reduced- and conventional-tillage management[J]. Canadian Journal of Plant Science, 2001, 81(1):17–27.

[ 6 ]同延安, 赵营, 赵护兵,等. 施氮量对冬小麦氮素吸收、转运及产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(1): 64–69.Tong Y A, Zhao Y, Zhao H B,et al. Effect of N rates on N uptake,and the yield of winter wheat[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(1): 64–69.

[ 7 ]赵云英, 谢永生, 郝明德. 施肥对黄土旱塬区黑垆土土壤肥力及硝态氮累积的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(6): 1273–1279.Zhao Y Y, Xie Y S, Hao M D. Effect of fertilization on fertility and nitrate accumulation of black loessial soil of dry land in Loess Plateau[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(6):1273–1279.

[ 8 ]Wang L, Li X G, Lü J,et al. Continuous plastic-film mulching increases soil aggregation but decreases soil pH in semiarid areas of China[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 167: 46–53.

[ 9 ]Jaynes D B, Dinnes D L, Meek D W,et al. Using the late spring nitrate test to reduce nitrate loss within a watershed[J]. Journal of Environmental Quality, 2004, 33(2): 669–677.

[10]姜东, 戴廷波, 荆奇, 等. 氮磷钾肥长期配合施用对冬小麦籽粒品质的影响[J]. 中国农业科学, 2004, 37(4): 566–571.Jiang D, Dai T B, Jing Q,et al. Effects of long-term combined application of N, P and K fertilizer on grain quality in winter wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2004, 37(4): 566–571.

[11]潘雅文, 樊军, 郝明德, 陈旭. 黄土塬区长期不同耕作、覆盖措施对表层土壤理化性状和玉米产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报,2016, 22(6): 1558–1567.Pan Y W, Fan J, Hao M D, Chen X. Effects of long-term tillage and mulching methods on properties of surface soil and maize yield in tableland region of the Loess Plateau[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(6): 1558–1567.

[12]王美, 李书田. 肥料重金属含量状况及施肥对土壤和作物重金属富集的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(2): 466–480.Wang M, Li S T. Heavy metals in fertilizers and effect of the fertilization on heavy metal accumulation in soils and crops[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(2): 466–480.

[13]王月玲, 耿增超, 王强, 等. 生物炭对土土壤温室气体及土壤理化性质的影响[J]. 环境科学, 2016, (9): 3634–3641.Wang Y L, Geng Z C, Wang Q,et al. Influence of biochar on greenhouse gases emissions and physico-chemical properties of Loess soil[J]. Environmental Science, 2016, (9): 3634–3641.

[14]毛红玲, 李军, 贾志宽, 等. 旱作麦田保护性耕作蓄水保墒和增产增收效应[J]. 农业工程学报, 2010, 26(8): 44–51.Mao H L, Li J, Jia Z K,et al. Soil water conservation effect, yield and income increments of conservation tillage measures on dryland wheat field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(8): 44–51.

[15]Hao M D, Dang T H, Liu D M. Research on appropriate productivity and harmonious development of eco-environment[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2003, 1: 97–100.

[16]Maggard A, Will R, Wilson D,et al. Response of mid-rotation Loblolly Pine (Pinus taedaL.) physiology and productivity to sustained, moderate drought on the western edge of the range[J].Forests, 2016, 7(9): 203.

[17]邵明安, 王全九, 黄明斌. 土壤物理学[M]. 北京: 高等教育出版社,2006: 84–85.Shao M A, Wang Q J, Huang M B. Soil physics [M]. Beijing: Higher Education Press, 2006: 84–85.

[18]He G, Wang Z, Li F,et al. Soil water storage and winter wheat productivity affected by soil surface management and precipitation in dryland of the Loess Plateau, China[J]. Agricultural Water Management, 2016, 171: 1–9.

[19]Xie Z K, Wang Y J, Li F M. Effect of plastic mulching on soil water use and spring wheat yield in arid region of northwest China[J].Agricultural Water Management, 2005, 75(1): 71–83.

[20]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000:25–90.Bao S D. Soil and agro-chemistry analysis[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000: 25–90.

[21]Nguyen V L, Nguyen, Q N, Nguyen N D,et al. The effects of shade tree types on light variation and Robusta coffee production in Vietnam[J]. Engineering, 2015, 7: 742–753.

[22]Glaser B, Lehmann J, Zech W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal - a review[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35(4): 219–230.

[23]Laird D A, Fleming P, Davis D D,et al. Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil[J]. Geoderma, 2010, 158(3–4): 443–449.

[24]Eastman C M. Soil physical characteristics of an Aeric Ochraqualf amended with biochar[D]. MS Thesis of The Ohio State University,2011.

[25]Birk J J, Steiner C, Teixiera W C,et al. Microbial response to charcoal amendments and fertilization of a highly weathered tropical soil[A]. Woods W I, Teixeira W G, Lehmann J,et al. Amazonian dark earths: Wim sombroek's vision[M]. Springer Netherlands, 2009:309–324.

[26]刘艳丽, 李成亮, 高明秀, 等. 不同土地利用方式对黄河三角洲土壤物理特性的影响[J]. 生态学报, 2015, 35(15): 5183–5190.Liu Y L, Li C L, Gao M X,et al. Effect of different land-use patterns on physical characteristics of the soil in the Yellow River delta region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(15): 5183–5190.

[27]Major J, Steiner C, Downie A,et al. Biochar effects on nutrient leaching [A]. Lehmann J, Joseph S. Biochar for Environmental Management (Science and Technology)[M], 2009: 271-287.

[28]Brodowski S, John B, Flessa H,et al. Aggregate-occluded black carbon in soil[J]. European Journal of Soil Science, 2006, 57(4):539–546.

[29]Soane B D. The role of organic matter in soil compacibility: a review of some practical aspects[J]. Soil and Tillage Research, 1990,16(1–2): 179–201.

[30]邓妍, 高志强, 孙敏, 等. 夏闲期深翻覆盖对旱地麦田土壤水分及产量的影响[J]. 应用生态学报, 2014, 25(1): 132–138.Deng Y, Gao Z Q, Sun M,et al. Effects of deep plowing and mulch in fallow period on soil water and yield of wheat in dryland[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(1): 132–138.

[31]齐莎, 赵小蓉, 郑海霞, 等. 内蒙古典型草原连续5年施用氮磷肥土壤生物多样性的变化[J]. 生态学报, 2010, 30(20): 5518–5526.Qi S, Zhao X R, Zheng H X,et al. Changes of soil biodiversity in Inner Mongolia steppe after 5 years of N and P fertilizer applications[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(20): 5518–5526.

[32]李文西, 鲁剑巍, 陈防, 等. 苏丹草–黑麦草轮作制中氮、磷、钾肥施用效果研究[J]. 中国农业科学, 2010, 43(7): 1414–1422.Li W X, Lu J W, Chen F,et al. Effect of N, P, K application on yield,nutrient and water utilization under sudangrass and ryegrass rotation regime[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(7): 1414–1422.

[33]Bird M I, Moyo C, Veenendaal E M,et al. Stability of elemental carbon in a savanna soil[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1999,13(4): 923–932.

[34]Dai X, Boutton T W, Glaser B,et al. Black carbon in a temperate mixed-grass savanna[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005,37(10): 1879–1881.

[35]陈温福, 张伟明, 孟军. 农用生物炭研究进展与前景[J]. 中国农业科学, 2013, 46(16): 3324–3333.Chen W F, Zhang W M, Meng J. Advances and prospects in research of biochar utilization in agriculture[J]. Scientia Agricultura Sinica,2013, 46(16): 3324–3333.

[36]Sohi S, Lopez–Capel E, Krull E,et al. Biochar, climate change and soil: A review to guide future research [R]. CSIRO Land and Water Science Report, 2009, 56.

[37]Karhu K, Mattila T, Bergström I,et al. Biochar addition to agricultural soil increased CH4uptake and water holding capacity-Results from a short-term pilot field study[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2011, 140(1): 309–313.

[38]Bengough A G, Mullins C E. The resistance experienced by roots growing in a pressurised cell. A reappraisal[J]. Plant and Soil, 1990,123(1): 73–82.

[39]Novak J M, Busscher W J, Laird D L,et al. Impact of biochar amendment on fertility of a southeastern coastal plain soil[J]. Soil Science, 2009, 174(2): 105–112.

[40]Hossain M K, Strezov V, Chan K Y,et al. Agronomic properties of wastewater sludge biochar and bioavailability of metals in production of cherry tomato (Lycopersicon esculentum)[J]. Chemosphere, 2010,78(9): 1167–1171.

[41]Chintala R, Schumacher T E, Mcdonald L M,et al. Phosphorus sorption and availability from biochars and soil/biochar mixtures[J].Clean - Soil Air Water, 2014, 41(5): 626–634.

[42]Li Y S, Wu L H, Zhao L M,et al. Influence of continuous plastic film mulching on yield, water use efficiency and soil properties of rice fields under non-flooding condition[J]. Soil and Tillage Research,2007, 93(2): 370–378.

[43]薛晓辉, 郝明德. 小麦氮磷肥长期配施对土壤硝态氮淋溶的影响[J]. 中国农业科学, 2009, 42(3): 918–925.Xue X H, Hao M D. Nitrate-N leaching in 23-year winter wheat field combined with application of nitrogen and phosphorus[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(3): 918–925.

[44]王兵, 刘文兆, 党廷辉, 等. 黄土高原氮磷肥水平对旱作冬小麦产量与氮素利用的影响[J]. 农业工程学报, 2011, 27(8): 101–107.Wang B, Liu W Z, Dang T H,et al. Effect of nitrogen and phosphorus fertilization rate on yield and nitrogen utilization of winter wheat in dryland of Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(8): 101–107.

[45]Marris E. Putting the carbon back: black is the new green[J]. Nature,2006, 442: 624–626.

Effects of fertilization and film mulching on soil physical and chemical properties and winter wheat yield on the Loess Plateau

FU Wei1, FAN Jun1,2, HU Yu-tong3, ZHAO Jing3, HAO Ming-de1,3*
(1 College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China;2 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling, Shaanxi 712100, China;
3 Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China)

【Objectives】This study aimed to investigate the effects of different agricultural measures on increasing winter wheat yields and the physical and chemical properties of shallow soil, which would provide support for the selection of suitable measures for sustainable development in the Loess Plateau.【Methods】A winter wheat field experiment since 2002, located in Weibei dryland, was used to in this study. Six treatmentswere chosen, no fertilization control (CK), nitrogen and phosphate fertilization (NP), nitrogen and phosphate and potash fertilization (NPK), nitrogen and phosphate plus biochar addition (NPB), nitrogen and phosphate and half plastic-film mulching over the growth period (NPFG), nitrogen and phosphate and half plastic-film mulching over the summer fallow period (NPFF). Plough after harvest and before sowing of winter wheat was performed in all the six treatments. The physical and chemical properties and agronomic indexes of winter wheat in different treatments were investigated.【Results】Compared with CK, NP could significantly improve the saturated hydraulic conductivity(Ks) of the shallow soil layer, reduce the soil compaction in 0–7.5 cm, significantly increase the water consumption of winter wheat growth period, improve the water use efficiency and precipitation utilization efficiency; at the same time, the contents of organic matter, total nitrogen, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, total phosphorus and available phosphorus in shallow soil were significantly increased, which increased the yields of winter wheat significantly. Compared with NP, total porosity of NPK in harvest stage were increased, and water use efficiency was increased significantly. At the same time, NPK improved soil total nitrogen and organic matter contents, and increased leaf area index of winter wheat significantly. Eventually the average yield of winter wheat was about 4500 kg/hm2in recent 3 years. Compared with NP, NPB reduced soil bulk density significantly (1.16 g/cm3), while increased soil porosity which caused that theKs was 0.049 cm/min, and improved water use efficiency. The contents of soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus and available phosphorus were increased, on the contrary, soil pH was decreased,which leading to increase of winter wheat yield. Compared with NP, NPFG and NPFF reduced the saturated hydraulic conductivity of the shallow soil layer significantly, increased soil compaction and water use efficiency of wheat, increased the contents of organic matter, ammonium nitrogen and available potassium, and reduced soil total phosphorus and pH. Removing the year of hail disaster, the yields of winter wheat maintained at 4700–4800 kg/hm2.【Conclusions】Long-term conventional tillage and nitrogen and phosphorus fertilization significantly increase the yields of winter wheat, but result in decrease of soil pH. Based on the combined application of N and P, the application of biochar could significantly improve soil physical and chemical properties and increase the yields of winter wheat, however, its economic input is high. Combined application of potash, and half mulched the soil with plastic-film over the growth period would improve the soil nutrient status in the shallow layer, and increase economic benefits to a certain extent, which is thought to be suitable measure for winter wheat in the Loess Plateau.

Loess Plateau; yield; soil compactness; saturated hydraulic conductivity; water use efficiency

2016–12–30 接受日期：2017–06–03

国家科技支撑计划项目（2015BAD22B01）；西北农林科技大学科技成果推广项目（TGZX2015-24）；宁夏农业综合开发科研推广项目（NTKJ-2013-03-1）资助。

付威（1993—），男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事土壤水分与养分循环研究。E-mail：weifuu0518@163.com

* 通信作者 E-mail：mdhao@ms.iswc.ac.cn