长期施肥措施下潮土土壤碳氮及小麦产量稳定性的变化特征

张珂珂，宋 晓，郭斗斗，黄晨晨，岳 克，张水清，黄绍敏

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.郑州大学 农学院，河南 郑州 450006)

小麦是我国重要的粮食作物，对保障粮食安全、维护社会稳定具有重大意义，并且小麦稳产、高产是农业发展重要组成部分[1]。在维持或提升土壤肥力的前提下增加农作物产量已成为农业研究和可持续发展的一个主要目标[2]。河南是全国小麦生产的基地，潮土是该区域粮食作物种植区的主要土壤类型之一，大约是该区域耕地面积的1/2，潮土区因腐殖质积累作用较弱，总体肥力偏低。因此，合理提高潮土肥力是保障粮食高产稳产的重要措施。在农业生产中肥料起着至关重要的作用，是提高作物产量的重要措施之一。陈欢等[3]和黄少辉等[4]研究表明，长期施肥可有效提高小麦产量，并且可以提高土壤中养分；魏猛等[5]通过研究不同施肥条件下黄潮土区冬小麦产量和土壤肥力的变化，表明无机肥与有机肥配施显著降低产量变异系数，并且有效提升了有机质、全氮含量；而马力等[6]研究发现，水旱种植模式中施用化肥引起水稻产量稳定性下降。

土壤中有机碳及全氮含量是体现土壤质量的重要指标，它们的动态平衡影响着土壤肥力高低及农作物的产量[7]，碳氮比能反映碳、氮养分的平衡状况，对土壤碳氮循环有重要影响[8]。土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的有机碳库[9]，而且在农业生态系统、环境保护和土壤肥力中起着重要的作用[10-11]。土壤氮素是植物生长的必需元素，土壤全氮是植物生长的氮库，也反映了土壤氮素情况。许多研究表明，投入有机物料和氮磷钾化肥均显著提高有机碳、全氮含量，并且促进土壤地力及产量的提高[12-16]。本研究依托潮土区长期肥料定位试验，探讨冬小麦-夏玉米轮作体系下长期投入氮磷钾化肥、氮磷钾化肥配施有机肥、氮磷钾化肥配施秸秆还田对小麦产量和土壤有机碳、全氮含量的影响，旨在为潮土区提高土壤地力和小麦稳产丰产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 长期试验地点概况

试验点位于河南省原阳县祝楼乡(113°40′42″E，34°47′55″N)，试验区属于典型温带季风气候，年均降雨量650 mm，年均气温15 ℃，无霜期224 d，每年降雨量主要集中在7-9月。该试验站于1987年建立，1988，1989年匀地种植，1990年开始划分小区进行正式试验；供试土壤为沙壤质潮土，成土母质为黄河冲积物，初始土壤理化性质如下：土壤有机质含量10.6 g/kg、全氮含量 1.69 g/kg、全磷含量 0.65 g/kg、缓效钾含量 647.2 mg/kg、有效磷含量 6.9 mg/kg、土壤速效氮含量52.3 mg/kg、速效钾含量 71.7 mg/kg、pH值 8.1。

1.2 试验设计

本研究选取试验站1990-2018年代表潮土区常见的4个施肥模式：①CK (不施肥)；②NPK (施氮磷钾肥)；③MNPK (NPK化肥+有机肥)，MNPK与 NPK 处理施氮量相同，其中有机肥中的氮含量占70%，化肥中的氮含量占30%；④SNPK (NPK化肥+玉米秸秆还田)，SNPK与NPK处理施氮量相同，在1991-2001年来自秸秆中氮量占70%，化肥中氮量占30%，2002-2017年SNPK处理玉米秸秆全部还田，缺少的氮量由化肥氮进行补充。施肥量，小麦季氮肥(以N计) 165 kg/hm2、磷肥(以P2O5计)和钾肥 (以 K2O计)各82.50 kg/hm2，玉米季氮肥(以 N 计)187.50 kg/hm2、磷肥(以P2O5计)和钾肥 (以 K2O计) 各93.75 kg/hm2。有机肥在1990-1999 年施用马粪，2000-2010 年施用牛粪，2011-2017年施用商品有机肥；每年施肥前测定施用有机肥量及玉米秸秆的氮、磷、钾含量。氮肥按照基肥和追肥比6∶4投入，其他肥料作为底肥1次投入。在2009 年之前小区面积为400 m2，无重复；2009 年由郑州原状土搬迁到原阳，小区面积为45 m2，每个处理设置3次重复。

1.3 土壤样品的采集与测定

每年玉米季收获后，在CK、NPK、MNPK及SNPK等小区，采用S形采样法，采集耕作层土壤样品 (0 ～ 20 cm)，每个小区采5点，混合均匀后，采用四分法取1 kg土壤，带回室内。自然风干后，拣去土样中的根茬、石块等杂物，磨细、过筛备用。2010 年之后，改为小麦收获后取样。土壤有机碳含量采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定。土壤全氮含量用凯氏定氮法测定。

1.4 数据处理与计算

以CK产量即不施肥处理产量作为基础地力产量。

增产率=(施肥处理产量-CK产量)/CK产量×100%[17]；

肥料贡献率=(施肥处理产量-CK产量)/施肥处理产量×100%；

变异系数(CV)可以用来衡量小麦产量稳定性，表示不同试验年份小麦平均产量的变异程度。

产量可持续性指数(SYI)是用来衡量小麦产量可持续性的重要指标。

数据整理采用 Excel 2016，统计分析及作图利用 SPSS 17 、Origin 8.5软件进行。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对小麦产量、稳定性的影响

2.1.1 长期施肥对小麦产量的影响 长期施肥下小麦产量随试验年限呈锯齿状波动，且同一年份的各处理小麦产量波动一致，同时升高或降低，总体呈上升趋势(图1)。CK小麦产量年际变化呈波浪形，变化较平缓，产量最低，平均为1 686.1 kg/hm2，与试验初始时小麦产量相比，产量下降17.00%。施肥处理总体表现为2008年之前MNPK、SNPK处理小麦产量低于NPK处理，平均减产6.70%，3.15%，2008-2018年MNPK、SNPK处理小麦产量比NPK处理提高8.90%，8.93%。表明施用氮磷钾化肥配施有机肥和氮磷钾化肥配施秸秆还田处理有长期养分累积效应。

根据小麦产量随年际变化曲线进行线性拟合。各施肥处理小麦产量趋势线均呈增加趋势，由拟合方程可知，NPK、 MNPK、SNPK处理的小麦产量年均增加量分别为30.80，88.64，65.36 kg/hm2。MNPK、SNPK处理小麦产量每年增加量相对较大，且秸秆还田对小麦增产的作用不可忽视。综上所述，不同施肥年份间小麦产量表现锯齿状，氮磷钾化肥配施有机肥、氮磷钾化肥配施秸秆还田对小麦增产效果优于化肥，施有机肥和秸秆还田具有长期养分累积效应，对农业的可持续发展有重要的意义。

2.1.2 长期施肥对小麦产量稳定性、可持续性指数的影响 由于1990-2008年产量没有重复数据，所以未作方差分析。NPK、MNPK、SNPK处理小麦的平均产量比CK提高了281.28%，276.72%，287.76%(表1)。MNPK、SNPK处理小麦产量的年均增长率高于NPK处理。小麦产量CV值越低表示产量的变异越小，产量越稳定。由CV值可知，NPK、MNPK、SNPK处理比CK产量CV值均降低，SNPK处理SYI值高于MNPK、NPK。长期施肥有助于提升小麦产量，增加产量稳定性及可持续性，而SNPK处理可保持最高的可持续能力。

表1 1990-2018年长期不同施肥下小麦平均产量、变异系数及可持续性指数的变化Tab.1 Changes of wheat average yield，variation coefficient and sustainable index under the long-term different fertilization treatments from 1990 to 2018

2.2 长期施肥对肥料贡献率的影响

随试验年限延长，肥料贡献率表现为上升趋势(图2)，表明肥料的投入减少了作物对土壤基础地力的依赖。NPK、MNPK、SNPK处理肥料贡献率差别较小，并且变化幅度也小。通过拟合方程发现，NPK、MNPK、SNPK处理肥料贡献率逐渐增加，这说明随试验年份的增加，小麦产量对肥料的依赖性逐渐增加，但施肥到30 a左右时，肥料贡献率可能开始下降。

2.3 农田基础地力与肥料贡献率的关系

CK的小麦产量体现了农田基础地力。由图3可知，施肥处理肥料贡献率随CK产量的增加表现为下降趋势，并进行了线性拟合，即农田基础地力与肥料贡献率存在显著线性负相关。SNPK处理与CK产量的相关程度最大(R2=0.78)，而NPK、MNPK与CK产量的相关系数分别为0.70，0.70，CK处理产量每增加1 000 kg/hm2，肥料贡献率降低14.35～19.57百分点。与NPK处理相比，MNPK、SNPK处理肥料贡献率整体增加7.70，5.31百分点。说明农田土壤基础地力的提升可以降低小麦产量对投入肥料的依赖，进而减少外源肥料的投入。

2.4 长期施肥对土壤有机碳、全氮含量的影响

2.4.1 长期施肥对土壤有机碳含量的影响 由图4可看出，与试验初始值相比较，CK年度间有机碳含量表现波动变化，略有增加；2018年NPK、MNPK、SNPK处理有机碳含量较试验起始时均有所提高，分别增加了49.13%，76.73%，65.83%。有机碳含量与试验年限呈正相关，线性方程拟合可以看出，MNPK、SNPK、NPK处理有机碳年均增加速率分别为0.158，0.112，0.089 g/kg。2018年NPK、MNPK、SNPK处理有机碳含量较CK增加13.34%，36.68%，29.34%。MNPK处理有机碳含量高于SNPK、NPK处理。土壤有机碳增加量以MNPK处理最高，其次SNPK处理。这说明化肥配施有机肥或者化肥配施秸秆还田或施化肥均可增加有机碳含量 ，但单施化肥对有机碳的影响小于化肥配施有机肥和化肥配施秸秆还田。

2.4.2 长期施肥对土壤全氮含量的影响 由图5可知，不同施肥条件下全氮和有机碳含量变化趋势基本一致。不施肥处理土壤全氮随试验年限延长变化不明显，试验起始时土壤全氮含量为0.62 g/kg，土壤全氮含量平均值为0.64 g/kg；NPK、MNPK、SNPK处理随种植年限延长土壤全氮含量呈现增加趋势。与试验初始全氮含量相比，2018年 NPK、MNPK、SNPK处理土壤全氮含量分别增加了30.00%，83.95%，36.75%。全氮含量与施肥年限呈正相关，由拟合方程可以看出，MNPK 处理土壤全氮含量增幅最大，年均增加量为0.014 g/kg，NPK处理增幅最小，年均增加量为0.006 g/kg。2018年NPK、MNPK、SNPK处理土壤全氮含量较CK增加11.95%，38.76%，34.52%。总体上，化肥配施有机肥和化肥配施秸秆还田提高土壤全氮含量效果优于单施化肥。

2.4.3 土壤中全氮含量和有机碳含量的关系 由图6可知，土壤全氮、有机碳含量之间呈现正相关关系。土壤中有机碳每增加1 g/kg，土壤全氮含量增加0.078 g/kg。土壤全氮含量会随有机碳含量的增加而增加，从而使碳氮比趋于稳定，作物的生长和土壤性状与碳氮比稳定程度有很大的关系。与不施肥相比，长期施肥后碳氮比平均值差别较小，在9.97～10.60，施肥后碳氮比差异不显著(图7)。总体来说，单施化肥、化肥配施有机肥、化肥配施秸秆还田处理对土壤碳氮比影响都不大。

2.5 土壤有机碳、全氮含量与小麦产量的关系

通过对土壤全氮、有机碳含量及其同一年份小麦产量相关分析(表2)可得，MNPK处理小麦产量与有机碳、全氮含量的相关系数分别0.569，0.570，SNPK处理小麦产量与土壤有机碳、全氮含量相关系数分别为0.479，0.561，MNPK、SNPK处理中有机碳、全氮含量与小麦产量相关性均达到极显著水平。NPK、MNPK、SNPK处理全氮、有机碳含量与产量均表现为正相关。

表2 土壤有机碳、全氮含量与小麦产量的关系Tab.2 The relationship between wheat yield and organic carbon，total nitrogen contents

3 结论与讨论

3.1 不同施肥措施对小麦产量和农田基础地力的影响

提高作物产量是农业生产中的最终目标[19]，而施肥可以提高土壤肥力进而提高作物产量[20]，本研究表明，NPK、MNPK、SNPK处理不同年份间小麦产量变化呈现锯齿状，在同一试验年份小麦产量呈现同时上升或下降，这表明温度、降雨、病害等因素也会影响产量的波动。与CK相比，NPK、MNPK、SNPK处理均可增加小麦产量。这说明长期施肥有利于小麦产量的提高。施肥处理总体表现为2008年之前NPK处理小麦产量大体上高于MNPK、SNPK处理，2009-2018年NPK处理小麦产量大体上低于MNPK、SNPK处理，这表明施用化肥能快速增加土壤中的速效养分，满足小麦生长需求，而施用有机肥料肥效慢，但有长效性，可以使土壤肥料逐渐提高能增加土壤供肥容量，最终提高作物产量[14，16]。这一结论与查燕等[10]长期有机无机配施对农田基础地力提升的影响结果一致。而且进一步证明施用有机肥或者秸秆还田具有长期累积效应。另外，也表明了提高基础地力产量后，能减少作物产量对外源肥料的依赖。但也有研究认为，施用肥料有效成分含量相同的条件下，有机肥肥效低于或等于化肥[21]。

CV值可用来反映农田生态系统质量好坏，SYI值可用来评价农田生态系统是否能持续生产。本研究表明，NPK、SNPK、MNPK处理小麦产量的CV值均低于CK，而SYI值均高于CK。这与李忠芳等[18]和Manna等[19]研究认为长期施肥可以提高作物产量稳定性和持续性的结论一致。王婷等[22]研究认为，均衡施肥能显著增加作物产量，保持农田生产力的稳定。本研究中，SNPK处理小麦产量稳定性、SYI值高于MNPK处理，这可能因为氮磷钾化肥配施有机肥处理在试验前期因为氮磷钾化肥投入量不足，有机肥矿化的养分少，这使小麦产量受到影响，产量增加慢，随试验年限的延长，有机养分矿化增加，提高了土壤肥力，但是在矿化的有机养分没达到小麦所需养分之前，其产量受到很大影响，后期产量增加幅度较大，致使产量整体波动较大。

3.2 长期施肥对土壤有机碳和全氮含量的影响

作物根系分泌物、根茬及有机物料是土壤有机碳的主要来源。本研究表明，CK土壤有机碳含量较试验起始时也有所增加，可能因为作物根茬归还。徐娜等[23]在陕西长武监测中也发现，长期不施肥处理土壤中有机碳含量略有增加。但也存在不同试验结果，许咏梅等[24]和张秀芝等[14]在灰漠土、黑土上的研究发现，不施肥处理土壤有机碳含量呈现下降趋势。这可能与土壤类型、气候、作物种植种类有关。俄胜哲等[25]在黄土高原黑垆土上的研究表明，施用有机肥和秸秆还田能显著增加有机碳含量。本研究表明，MNPK、SNPK处理土壤有机碳的含量大体上高于NPK处理，其中MNPK对有机碳含量提升效果最明显，说明有机物料的投入较单施化肥效果更佳，且化肥配施有机肥对有机碳的积累效果最好。这可能因为有机肥为土壤提供了碳源，而且改善了土壤环境提高了微生物的活性，促进了有机碳的转化，从而提升了有机碳含量[26]。有研究还认为，秸秆还田比有机肥更易矿化腐解，且土壤固存率低，会导致有机碳含量低于施有机肥的处理[11]。

土壤全氮含量与有机碳含量变化规律相同，MNPK、SNPK处理土壤全氮含量大体上高于NPK处理，且MNPK处理土壤全氮含量最高，这可能施用有机物料之后易分解的部分当季释放出氮，难分解的部分矿化慢、持效长，长期使用可产生累积效应，而且施有机肥可以减少土壤中氮素的流失[27]。杨振兴等[28]研究也表明，有机无机配施处理土壤中全氮含量显著高于化肥处理。投入有机肥可以增加全氮含量，不仅是由于其含有机氮，还由于其能减少化学氮的损失。所以氮磷钾化肥与有机肥配施是增加土壤全氮含量、提高供氮能力的有效途径。土壤有机碳含量与全氮含量呈正相关。此外，有些研究表明，土壤中有机碳、全氮含量与作物产量存在正相关关系[14，22-23]。本研究也得到相似的结论，通过对不同年限土壤有机碳、全氮含量与对应的小麦产量进行相关分析表明，小麦产量与土壤有机碳、全氮含量呈正相关。