半干旱区增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦土壤碳氮比及产量的影响

尹嘉德，侯慧芝，张绪成，*，缪平贵，于显枫，方彦杰，王红丽，马一凡

（1.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州 730070）

小麦是西北黄土高原主要粮食作物之一，受降水等自然条件限制，该区旱作小麦长期产量低而不稳［1-2］。全膜覆土穴播是黄土高原小麦主要种植方式，不仅能够抑制蒸发，提高土壤含水量［3-4］，活化土壤养分，提高氮素利用效率和粮食单产［5-6］，而且能缓解小麦在灌浆期高温胁迫伤害，增产效果明显［7-8］。但地膜覆盖下化肥一次性基施，造成生长后期脱肥和土壤氮素供应与作物需氮错位的问题［9-10］，影响作物水分生产潜力发挥。已有研究表明，覆膜提高了耕层土壤温度和水分［3-4］，土壤酶和微生物活性相应增高，对土壤碳素和氮素含量有直接影响［5-6］，这必然改变土壤碳氮比，并影响作物对氮素的利用效率和产量［11-13］。土壤微生物活动需要一定比例有机碳和无机氮（硝态氮和铵态氮为主）做底物，因此，土壤碳氮比值变化将通过影响微生物活动来调节有机质的矿化速率［14］；这也表明土壤与作物对土壤无机氮存在竞争作用，土壤碳氮比提高将增加土壤与作物对无机氮的竞争，限制作物对氮素吸收，不利于作物产量形成［15］。研究表明，有机肥与化肥配施，使土壤有机碳含量提高，将增加氮素的固持，协调土壤碳氮关系，增强保水保肥效果［16-17］，缓解土壤氮素过快消耗的困境［14，17-18］。

黄土高原雨养农业地区粮食产量低，单施有机肥提高的有机碳含量，易造成土壤微生物与作物争氮现象，见效慢，限制产量提高；单施化肥易造成土壤碳氮关系失调和土壤酸化等农田生态问题，同样限制作物产量潜力发挥［19-21］。在施用化肥的基础上增施有机肥，是调节土壤C/N的有效措施，可在缓解氮素竞争的基础上保育土壤生态。目前，对全膜覆土穴播水分效应的研究取得了重要进展，但从碳氮计量关系，对全膜覆土穴播小麦产量和水肥效率效应的研究较少。本研究以增施有机肥为处理方法，测定全膜覆土穴播春小麦生育期土壤碱解氮含量、碱解氮动态变化、有机碳含量、旗叶氮素含量、产量等，计算土壤碳氮比、碱解氮盈余、化肥偏生产力、水分利用效率等指标，这一工作对探索陇中旱作区春小麦生产资源高效利用、生态安全及养分调控的技术途径有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016～2017年在甘肃省农业科学院定西试验站（甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村，104°36′E，35°35′N）进行。该区海拔1 970 m，年平均气温6.2℃，年辐射总量5 898 MJ·m-2，年日照时数2 500 h，≥10℃积温2 075.1℃，无霜期140 d，属中温带半干旱气候。该地区为典型旱地雨养农业区。2017年春小麦全生育期内降水142.6 mm，降水集中在5月底至6月中旬，灌浆期至成熟期降水较少。试验区土壤为黄绵土，0～30 cm土层平均容重1.25 g·cm-3，田间持水量为21.18%，凋萎系数为7.2%，基本理化性质如表1。

表1 供试农田土壤基本理化性质

1.2 试验设计

以春小麦品种“陇春27”为试验材料，采用单因素完全随机法，覆膜处理采用全膜覆土穴播方式（技术核心为：在农田种植区域，地膜全部覆盖并且膜上完全平铺1～2 cm细土。其不仅具有地膜覆盖技术的优点，并且有效地解决春小麦苗穴错位问题，使出苗率和公顷穗数提高；有效地抑制杂草，降低无效耗水；显著调节土壤温度，降低春小麦生长后期受到的高温胁迫伤害［7-8］），设全膜覆土平作穴播（PMS）、全膜覆土平作穴播+有机肥（PMO）、裸地平作穴播（CK）3个处理，每处理3次重复。小区面积6 m×10 m，行距20 cm，穴距12.5 cm，每穴8～10株，密度450万株/hm2。试验肥料养分含量及施肥水平：尿素（N 46%）150 kg·hm-2、过磷酸钙（P2O512%～16%）75 kg·hm-2、氯化钾（K2O 60%）45 kg·hm-2，有机肥为风干发酵腐熟完全的羊粪30 000 kg·hm-2（N 0.5%、P2O50.35%、K2O 0.4%）。施肥及整地方式：肥料全部作为底肥施入，人工将有机肥和化肥均匀地洒在地表，用旋耕机翻入，翻耕深度约5～10 cm，之后不再追肥；覆膜处理均为秋覆膜，地膜平铺于整个地面，在膜上覆土1～2 cm。连续两年定位试验，在第二年（2017年）采样与测定数据。各处理土壤采样具体时间：3月24日播种，分别于播前（3月23日）、挑旗期（5月16日）、抽穗期（5月29日），扬花期（6月22日）、成熟期（收后）（7月25日）采样。除人工除草外不采取其他田间管理措施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集

土壤水分取样：分别于播前和收获时，测定0～300 cm土壤含水量，每20 cm为1个步长。

养分样品采集：每个处理取3个重复，每个处理小区随机3个点取土样，分别取0～10、10～20、20～30、30～50 cm土层土壤，将同一小区同一土层土壤样品均匀混合，在室内自然晾干。

春小麦旗叶样品采集：每个处理取3个重复，每个处理小区随机取20片春小麦旗叶，置于室内，风干粉碎，分装编号送至试验室测定。

1.3.2 样品测定土壤含水量：用烘干称重法测定土壤含水量。土壤碱解氮测定：土样过0.149 mm筛后，利用碱解扩散法测定。

土壤有机碳测定：土样过0.149 mm筛后，0.5 mol·L-1稀盐酸除无机碳后，利用碳氮联合分析仪测定。

旗叶全氮含量测定：旗叶粉碎后，加入浓硫酸消解植物叶片样品，用全自动凯氏定氮仪测定。

1.3.3 计算方法

土壤碱解氮含量剖面动态变化：同处理同一土层相邻生育期碱解氮含量差值（后一生育期减去前一生育期碱解氮含量的值）（mg·kg-1）。

土壤碱解氮累积量：土壤碱解氮累积量（kg·hm-2）=土壤面积（hm2）×土层厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤碱解氮含量（g·kg-1）/10。

土壤碱解氮盈亏：播前土壤碱解氮累积量与收获期土壤碱解氮累积量差值（kg·hm-2）。

土壤碳氮比：土壤碳氮比计算公式：C/N=SOC/SAN，式中：C/N为土壤碳氮比值，SOC为土壤有机碳含量（mg·kg-1），SAN为土壤碱解氮含量（mg·kg-1）。

肥料偏生产力：计算公式：PFP=Y/F，式中：PFP是指肥料偏生产力（kg·kg-1），Y是施肥后作物的产量，单位为kg·hm-2，F是化肥纯养分（N、P2O5和 K2O）的投入量（kg·hm-2）。

生育期贮水量：计算公式：SWS=Ws×b×d/10，式中，SWS为土壤贮水量（mm），Ws为土壤含水量（%），b为土壤容重（g·cm-3），d为土壤深度（cm）。

水分利用效率：计算公式：WUE=Y/ET，其中ET=SWSBF-SWSHA+P，式中，WUE为水分利用效率（kg·mm-1·hm-2），Y为小麦单位面积产量（kg·hm-2）；ET为生育期耗水量（mm），SWSBF为播前土壤贮水量（mm），SWSHA为收获时土壤贮水量（mm），P为生育期降水量（mm）。

收获指数：计算公式：HI =Yd/DW，式中，HI为收获指数，Yd为作物单位面积籽粒产量（kg·hm-2），DW为单位面积地上干物质总量（kg·hm-2）。

产量：各小区单打单收，待晒干后统计产量，并换算成每公顷产量（kg·hm-2）。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 19.0和Excel 2016软件分析处理数据并制图，显著性检验为LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤碱解氮的影响

2.1.1 不同处理小麦主要生育期0～50 cm土壤碱解氮含量

在连续两年定位试验基础上，第二年不同处理对春小麦0～50 cm土层土壤碱解氮含量有显著影响（表2）。在0～10 cm土层，PMO土壤碱解氮含量在播前、挑旗期、抽穗期、扬花期、成熟期较PMS分别提高84.82%、107.62%、197.72%、257.22%、262.75%，较CK分别提高117.04%、245.12%、181.47%、109.52%、236.94%；在10～20 cm土层，较PMS分别提高56.27%、130.18%、292.84%、256.25%、211.29%，较CK分别提高70.44%、31.03%、43.34%、34.13%、116.87%；在20～30 cm土层，较PMS分别提高38.01%、62.15%、102.80%、118.91%、78.29%，PMO 在播前和成熟期较CK分别提高24.87%和28.77%，差异显著（P＜0.05）。在30～50 cm土层，PMO在挑旗期、抽穗期、扬花期和成熟期较PMS分别提高94.64%、84.56%、74.01%和86.02%，在成熟期较CK提高67.32%，差异显著（P＜0.05）。

表2 不同处理小麦主要生育期0～50 cm土层土壤碱解氮含量 （mg·kg-1）

2.1.2 不同处理主要生育阶段0～50 cm土层土壤碱解氮剖面动态变化

连续两年定位试验，第二年不同处理的主要生育阶段0～50 cm土层土壤碱解氮含量剖面动态平衡变化差异显著（表3）。播前-挑旗阶段，CK土壤碱解氮含量在0～10 cm土层较PMO和PMS显著下降，但在10～50 cm土层显著上升；PMS土壤碱解氮含量在0～50 cm土层均下降；PMO土壤碱解氮含量在0～10 cm土层有所下降，在10～30 cm土层无明显变化，在30～50 cm土层显著上升。挑旗-抽穗和抽穗-扬花阶段，各处理土壤碱解氮含量基本呈下降趋势，土壤碱解氮含量变化幅度在0～30 cm土层最显著，此阶段PMO在0～30 cm土层土壤碱解氮含量下降幅度较PMS提升67.80%，PMS较CK提升 80.55%，差异显著（P＜0.05）；PMO土壤碱解氮含量在30～50 cm土层有所下降，PMS和CK处理无显著变化。扬花-成熟阶段，PMO和PMS土壤碱解氮含量在0～50 cm土层呈不同程度上升，且在0～30 cm土层土壤碱解氮含量上升幅度较为明显，而CK土壤碱解氮含量在0～30 cm有所下降和30～50 cm土层有所增加；PMO在0～30 cm土层土壤碱解氮含量上升幅度较PMS提高180.42%。总体上，各处理在播前至挑旗阶段碱解氮含量呈下降趋势；在挑旗至扬花阶段，PMO在0～30 cm土层土壤碱解氮含量下降幅度最显著；CK在播前至挑旗阶段土壤碱解氮显著下移，整个生育期PMO和PMS土壤碱解氮无明显下移趋势。

表3 不同生育阶段0～50 cm土层土壤碱解氮含量剖面动态变化 （mg·kg-1）

2.1.3 不同处理收获后0～50 cm土层土壤碱解氮累积量盈亏

连续两年定位试验，第二年不同处理春小麦0～50 cm土层土壤碱解氮累积量盈亏差异显著（图1）。第二年收获后，0～10 cm土层土壤碱解氮累积量均减少，减少程度：PMS＞PMO＞CK，PMO和PMS较CK差 异 显 著（P＜0.05）；10～ 20 cm土层土壤碱解氮累积量均减少，减少程度：PMS＞CK＞PMO，处理间差异显著（P＜0.05）；20～ 30 cm土层土壤碱解氮累积量，PMS显著减少，PMO和CK无显著变化（P＞0.05）；30～50 cm土层土壤碱解氮累积量，PMS显著减少，PMO和CK显著增加（P＜0.05）。因此，PMO处理显著降低了0～10 cm土壤碱解氮积累量，PMS处理显著降低了0～50 cm土壤碱解氮累积量，CK处理显著降低了0～20 cm土壤碱解氮累积量；PMO和CK处理30～50 cm土壤碱解氮累积量显著盈余。

2.2 不同处理对土壤有机碳含量的影响

连续两年定位试验，增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦0～50 cm土层土壤有机碳含量影响显著（表4）。第二年，0～10 cm土层，PMO播前、挑旗期、抽穗期、扬花期和成熟期土壤有机碳含量平均较PMS和CK分别提高91.89%和86.43%，差异显著（P＜0.05）；10～20 cm土层，平均较PMS和CK分别提高42.59%和36.56%，差异显著（P＜0.05）；20～30 cm土层，平均较PMS和CK分别提高15.67%和9.69%，播前和挑旗期表现出显著性差异（P＜0.05）；30～50 cm土层，平均较PMS和CK分别提高13.26%和7.64%，但无显著差异（P＞0.05）。整体上，PMO较PMS和CK可以提高0～50 cm土层土壤有机碳含量，0～30 cm土层平均土壤有机碳含量提升显著，而PMS土壤有机碳含量相比CK有所下降，但差异不显著（P＞0.05）。

图1 不同处理收获后0～50 cm土层土壤碱解氮累积量盈亏

表4 不同处理小麦主要生育期0～50 cm土层土壤有机碳含量 （g·kg-1）

2.3 不同处理对土壤C/N（SOC/SAN）影响

连续两年定位试验，第二年不同处理土壤C/N变化差异显著（图2）。随生育期推进，各处理0～50 cm土层土壤C/N整体呈递增趋势，0～30 cm土层土壤C/N变化较大，30～50 cm土层土壤C/N无明显变化。在挑旗期、抽穗期、扬花期、成熟期，PMS 处理0～30 cm土层土壤C/N较PMO和CK分别平均提高6.32%、28.55%、27.28%、26.85%和8.51%、21.97%、28.40%、5.23%；CK处理0～10 cm土层土壤C/N较PMO分别提高71.69%、58.69%、15.33%、94.38%，差异显著（P＜0.05）。

2.4 不同处理对春小麦旗叶氮素分配的影响

连续两年定位试验，不同处理对春小麦旗叶氮素分配有显著影响（图3）。第二年，抽穗期，PMO旗叶全氮含量较PMS和CK分别提高了6.79%和19.44%，PMS较CK提高了11.85%，差异显著（P＜0.05）；扬花期，PMO旗叶全氮含量较PMS和CK分别提高了6.52%和15.19%，PMS较CK提高了8.14%，差异显著（P＜0.05）；灌浆期，PMO和PMS旗叶全氮含量较CK分别提高了26.01%和29.51%，差异显著（P＜0.05）。综合来看，PMO较PMS处理进一步促进了氮素向春小麦旗叶分配，利于光合进行。

图2 不同处理对春小麦0～50 cm 土层土壤C/N的影响

图3 不同处理方式对春小麦旗叶全氮含量的影响

2.5 不同处理小麦化肥偏生产力及水分利用效率和产量

如表5，连续两年全膜覆土穴播条件下增施有机肥能够显著提高化肥偏生产力、水分利用效率和产量。第二年，PMO氮、磷、钾化肥偏生产力平均较PMS和CK分别提高5.13%和58.96%，差异显著（P＜0.05）；水分利用效率较PMS和CK分别提高26.49%和59.18%，差异显著（P＜0.05）；产量较PMS和CK分别增加5.12%和59.00%，差异显著（P＜0.05）；收获指数，CK最高，PMO较PMS提高，但差异不显著，这可能是由于生育前期裸地CK处理土壤水分状况差和氮素流失严重，营养生长时期的植株生长状况差，植株干物质量低于PMS和PMO，而PMO和PMS底墒较好且氮素没有明显下移，使前期营养生长较旺盛，籽粒灌浆时受到夏季高温干旱季节影响，导致籽粒产量与植株生物量不匹配，造成收获指数差异。

3 讨论

有机肥和化肥配施能够显著提高土壤有机碳、速效氮（硝态氮和铵态氮）含量［21-22］，而长期覆膜和单施化肥可能会降低有机碳含量［23-24］。地膜覆盖条件下，由于土壤水热生境改善，氮素矿化速率加快，促进氮素释放，随着生育期推进会导致土壤氮素有效性降低［5-6］，但也有研究表明，地膜覆盖促进氮素矿化反应，增加了硝态氮残留［25］。本试验研究表明，PMO全生育期在0～30 cm土层土壤有机碳和碱解氮含量均显著高于PMS和CK，而单纯全膜覆土处理PMS土壤碱解氮含量在播期以后不同程度地低于裸地CK处理，可能由于全膜覆土处理极大地改善土壤温度，促进土壤矿化和作物生长对速效氮吸收，使PMS对土壤氮素含量消耗速度高于裸地CK处理［5-6］。

表5 不同处理小麦化肥偏生产力及水分利用效率和产量

覆膜能够显著降低0～100 cm土壤硝态氮积累量和淋溶下移趋势，减少土壤氮素表观损失和土壤残留量［5-6］。长期定位试验研究发现，有机肥与化肥配施相比单施化肥，小麦拔节期到收获期土壤矿质态氮含量充裕且稳定，高的供氮能力显著提高了小麦拔节期至收获期吸收氮素的效率，有利于提高产量［22］。Sugihara等［18］通过合理的有机肥与化肥配施，促进作物氮素吸收的同时增加了作物生长前期土壤对氮素的固持，可以使前期固持的氮素在作物生长中后期发生释放，供作物吸收利用，进而使土壤供氮与作物需氮时机相一致。但也会促使土壤氮盈余，氮素淋失风险增加［21］。本试验中，从土壤碱解氮剖面平衡变化来看，全膜覆土处理的PMO和PMS较裸地CK处理有效地降低了土壤碱解氮下移趋势，降低耕层土壤氮素淋溶下渗［5-6］，尤其播前-挑旗期阶段表现最为显著，CK处理0～10 cm土壤碱解氮大幅度下降，而10～50 cm土壤碱解氮含量大幅增加，PMO和PMS处理相比CK处理降低了变化幅度，这有利于作物生长初期较浅的根系对土壤氮素的吸收；挑旗-扬花阶段，各处理0～30 cm土层土壤碱解氮含量均显著下降，处理间下降程度表现为：PMO＞PMS＞CK，主要由于此阶段作物生长旺盛，吸氮量高于土壤氮矿化量，说明此阶段PMO较PMS和CK为小麦生长发育提供充足氮素。扬花-收获阶段，PMO和PMS处理0～50 cm土壤碱解氮含量呈上升趋势，PMO碱解氮含量增加幅度显著高于PMS，但30～50 cm土壤碱解氮累积量显著盈余，土壤氮素淋失风险将增加［21］，应降低有机肥和化肥施入量或用有机肥替代部分化肥，达到最佳配施比例。

耕作措施对土壤碳氮计量关系影响显著［26-27］。侯慧芝［27］通过研究旱地春小麦旗叶C、N、P计量关系发现，旱地小麦生长受氮素限制，覆膜较裸地减轻了氮素限制。葛顺峰等［12］研究发现，土壤碳氮化学计量关系显著影响甜茶树幼苗叶片氮的分配。Tian等［28］在对土壤C、N、P化学计量特征的研究证实，水热条件和成土作用对我国土壤生态化学特征有显著影响。施高量有机肥可以显著提高油-稻轮作田块土壤碳氮含量，并促进增产［29］。本试验研究结果表明，PMS处理较PMO和CK处理显著提高了0～30 cm土层土壤C/N，CK较PMO显著提高了0～10 cm土壤C/N，并且随春小麦生育期的推进差异增大，这将会加剧旱地春小麦在生长过程中与土壤对速效氮的竞争，降低作物对氮素的吸收，影响氮素在小麦主要光合器官旗叶的分配，进而影响光合效率。PMO和PMS由于改善了土壤水分和温度［3，27］，这对土壤碳氮计量关系有一定影响，但PMO处理较PMS和CK降低春小麦生育期耕层土壤C/N值，减小作物与土壤对氮素的竞争，降低旱地春小麦氮素限制作用和后期脱肥风险，提高旗叶氮素含量，使化肥偏生产力、水分利用效率和产量明显提高。

4 结论

全膜覆土条件下增施有机肥能够显著提高穴播小麦耕层土壤有机碳和碱解氮含量，较PMS降低耕层土壤C/N，减少土壤与作物对无机氮的竞争和旱地春小麦氮素限制，促进春小麦对氮素吸收，提高旗叶氮素含量，利于光合作用，进而提高化肥偏生产力和水分利用效率，实现增产，但也促使土壤碱解氮累积量盈余。因此，应进一步探讨全膜覆土条件下有机肥与化肥最佳配施比例及与作物养分循环利用机理，降低氮素损失的风险，达到农田土壤碳氮生态平衡、提质增效和增产稳产的目的。