不同覆盖方式对旱作农田土壤碳氮含量及玉米产量的影响

2022-01-28王钰皓庞津雯杨佳霖刘子涵杨宝平贾志宽

干旱地区农业研究 2022年1期

王钰皓，庞津雯，杨佳霖，刘畅，刘子涵，杨宝平，贾志宽，张鹏

(西北农林科技大学农学院/农业农村部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室/西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100)

大量研究得出，覆盖技术对作物产量的影响并不是孤立的，而是通过改变土壤特性及养分含量来影响的。然而目前的研究多关注于农田覆盖对水分高效利用和产量提升方面，而对于旱作农田土壤碳氮变化与作物产量间的关系的研究较少。因此，本研究以春玉米为研究对象，设置垄膜沟播、平作全覆膜、平作秸秆覆盖3种覆盖措施，系统研究不同覆盖模式对旱作农田土壤碳氮变化及玉米产量的影响，探究不同覆盖模式对旱作农田土壤质量及作物产量的影响机制，以期为完善和筛选旱地玉米高产可持续发展覆盖模式提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

在陕西杨凌西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院试验田(34°20′N，108°04′E)进行试验，该区海拔490 m，年均降水量630 mm，年均气温13.0℃，年均日照时数为2 196 h，年蒸发量933 mm，干燥指数为1.38～1.59，无霜期220 d，土壤类型为塿土。试验开始时(2015年)表层(0～20 cm)土壤全氮含量1.21 g·kg-1，有机质13.81 g·kg-1，速效氮53.35 mg·kg-1，速效磷21.35 mg·kg-1和速效钾142.97 mg·kg-1。

试验年间玉米生育期年际间气温波动较小(图1)，生育期日平均气温为11.3℃～33.6℃。2015、2016年和2017年玉米生育期降水量分别为185.1、269.8 mm和243.7 mm，2015年降水频率和降水量分布较为均匀；2016年播后20 d内几乎无降水，延迟了裸地平作玉米的出苗时间，且生育后期降水频率大于生育前期；2017年玉米生育期的降水频率较前两年明显减少，且主要集中在生育前期。与该点近40年玉米生育期平均降水量(245.2 mm)相比，依据标准化降水指数(SPI值)，2015年是干旱年，2016、2017年是平水年。

图1 2015—2017年玉米生育期降水量和日平均气温Fig.1 Precipitation and daily average temperature during maize growth period of 2015-2017

1.2 试验设计

试验采取完全随机设计，设置4个处理，分别是：垄膜沟播(R)、平作全覆膜(P)、平作秸秆覆盖(S)和传统平作(CK)，每个处理均重复3次。小区种植面积为52.8 m2(11 m × 4.8 m)。作物为玉米，品种为大丰30(当地大面积种植品种)，2015、2016年和2017年的播种日期分别为4月19日、4月19日和4月20日；收获日期分别为8月15日、8月20日和8月6日。播种密度为 67 000 株·hm-2(60 cm × 25 cm)，用鹰嘴播种(施肥)器人工播种，播种深度为4～5 cm。播种时各处理用人工鹰嘴播种(施肥)器施基肥(N 140 kg·hm-2和 P2O5150 kg·hm-2)，玉米播种69～75 d后在玉米棵间进行追肥(N 140 kg·hm-2)，施肥深度为4～5 cm，全生育期不灌水。试验期间所有处理没有发生病虫害，并根据情况进行人工除草。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤样品采用五点混合采样法采集0～20、20～40 cm和40～60 cm各土层土壤，将5个点的土样充分混匀作为该小区代表性土样。将土样放于室内风干，剔除样品中植物根系、砾石等杂物，将样品过2 mm筛，储藏于4℃冰箱中用于各项指标的测定。

土壤有机碳含量(DOC)采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法[18]测定，根据公式(1)计算出土壤有机碳储量；土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定[18]，土壤全氮储量用公式(2)计算，根据公式(3)计算出土壤碳氮比。土壤硝态氮和铵态氮使用连续流动分析仪测定。可溶性有机碳含量采用总有机碳分析仪测定；总可溶性氮含量使用连续注射流动分析仪测定[19]，根据公式(4)计算出土壤可溶性有机氮含量。

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TSOC=S×d×SD×SOC×10-5

(1)

TTN=S×d×SD×TN×10-5

(2)

式中，TSOC为土壤有机碳储量(mg·hm-2)，TTN为土壤全氮储量(mg·hm-2)，S为土地面积(hm-2)，d为土层深度(cm)，SD为土壤容重(g·cm-3)，SOC为土壤有机碳含量(g·kg-1),TN为全氮含量。

C/N=SOC/TN

(3)

(4)

1.3.2 玉米生物量及产量玉米播种后，每隔20 d，各小区选取3株长势一致有代表性的植株进行破坏性取样，105℃杀青30 min，然后放入80℃烘箱烘干至恒重，测定各生育时期地上部生物积累量。收获时，每个小区选取4行有代表性的玉米，每行连续随机收获10株玉米进行产量测定。

1.4 数据分析

采用单因素方差分析法(IBM SPSS Statistics)分析处理之间的差异(显著差异在95%的置信水平下确定)，当检测到差异显著时(P<0.05)，使用最小显著差异法(LSD)进行多重比较。Origin 2021b软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对土壤有机碳、全氮和碳氮比的影响

2.1.1 土壤有机碳及全氮含量连年覆盖(除S处理外)导致土壤有机碳含量呈逐年下降趋势，连续覆盖3 a后，R、P和CK处理0～40 cm土层土壤有机碳含量比试验前分别降低了2.7%、2.9%和6.0%，其中CK处理降幅最大，R和P处理降幅差异不明显，而S处理平均增长了3.5%，且每年的增幅逐渐增大。

连续覆盖R、P和CK处理0～40 cm土层土壤全氮含量较试验前分别降低了18.2%、19.2%和9.1%，R和P处理的土壤全氮含量降幅大于CK，S处理的全氮含量整体呈缓慢上升趋势(表1)。

表1 不同覆盖方式下土壤有机碳和全氮含量的变化Table 1 Changes of soil organic carbon and total nitrogen content under different mulching conditions

2.1.2 土壤有机碳及全氮储量不同覆盖模式下各处理0～20 cm土层土壤有机碳储量均高于20～40 cm土层(图2)。0～20 cm和20～40 cm土层土壤有机碳储量变化范围分别为20.1～21.4 mg·hm-2和16.1～18.5 mg·hm-2。覆盖3 a后，除S处理外，其余各处理各土层土壤有机碳储量均呈下降趋势，R、P和CK处理0～40 cm土层的有机碳储量分别下降了2.1%、2.2%和3.4%，而秸秆覆盖(S)增加了3.4%。与试验前相比，两个土层表现一致，除了S处理外，其他处理土壤有机碳年消长速率均为负。R、P和CK处理0～20 cm土层土壤有机碳储量的降幅分别为0.6%、0.5%和1.8%，均明显小于20～40 cm土层(3.8%、4.0%和5.1%)。

各处理0～20 cm和20～40 cm土层土壤全氮储量的变化范围分别为2.4～3.1 mg·hm-2和1.7～2.3 mg·hm-2，0～20 cm土层土壤全氮储量明显高于20～40 cm土层，各处理土壤全氮储量均表现为S>CK>R>P。各处理(除S外)两个土层的土壤全氮储量均随着覆盖年限增长呈下降趋势，连续覆盖3 a后R、P和CK处理0～40 cm土层全氮储量分别下降了15.6%、17.4%和7.5%，而秸秆覆盖(S)处理增加了7.5%。地膜覆盖(R和P)处理0～20 cm土层土壤全氮储量的降幅(13.4%和14.6%)均小于20～40 cm土层(18.4%和21.0%)。

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同.Note:Different letters indicate significant differences at P<0.05,the same below.图2 不同覆盖方式下土壤有机碳和土壤全氮储量的变化Fig.2 Spatial variation of soil organic carbon and total nitrogen storages under different mulching patterns

2.1.3 土壤碳氮比(C/N) 连续覆盖3 a后各处理0～20 cm和20～40 cm土层土壤碳氮比变化范围分别为6.79～8.45和7.77～10.06。与CK相比，R和P处理0～20 cm土层土壤碳氮比平均增加了7.9%和9.6%，S处理降低了9.9%(P<0.05)；在20～40 cm土层，R和P处理碳氮比较CK增加了15.5%和19.1%(P<0.05)，而S处理较CK降低了3.0%，差异不显著(表2)。

表2 不同覆盖方式下土壤的碳氮比Table 2 Soil carbon to nitrogen ratio under different mulching patterns

2.2 不同覆盖方式对土壤可溶性碳、氮组分的影响

2.2.1 可溶性有机碳(DOC) 连续覆盖3 a后，各处理DOC含量在0～60 cm土层均随着土层加深而逐渐降低(图3)。在2016、2017年，各土层各处理DOC含量变化均为S>CK>P>R，其中各土层DOC含量均表现为覆膜处理(R和P)显著低于CK，0～60 cm土层平均降低9.5%和6.3%(P<0.05)，而秸秆覆盖(S)处理DOC含量高于CK，平均增加了6.2%。

图3 2016年和2017年不同覆盖模式下玉米收获期的土壤可溶性有机碳(DOC)含量Fig.3 Soil dissolved organic carbon (DOC)content at harvest under different mulching patterns in 2016 and 2017

2.2.2 可溶性有机氮(DON) 在各试验年份，各处理土壤可溶性氮(DON)的分布均随土层的加深逐渐降低(图4)。连续覆盖3 a后，不同覆盖模式对0～40 cm土层DON含量的影响不同。2016年和2017年各土层DON含量均表现为覆膜处理(R和P)显著(P<0.05)低于CK，而秸秆覆盖(S)处理的DON含量高于CK。其中0～60 cm覆膜处理(R和P)两年的DON含量分别较CK平均降低了7.2%和4.7%(P<0.05)，而秸秆覆盖处理(S)平均增加了6.2%。在40～60 cm土层，各覆盖处理与CK间均无显著差异。

图4 2016年和2017年不同覆盖模式下玉米收获期土壤可溶性有机氮(DON)含量Fig.4 Soil dissolved organic nitrogen (DON)content at harvest under different mulching patterns in 2016 and 2017

2.3 不同覆盖方式对土壤硝态氮和铵态氮的影响

图5 不同覆盖方式下玉米收获期0～100 cm土层土壤硝态氮、铵态氮含量Fig.5 Soil and content in the 0～100 cm soil layer at harvest under different mulching patterns

2.4 不同覆盖方式对玉米各生育时期单株干物质积累量的影响

在各年份，各覆盖处理下玉米干物质积累变化一致，均表现出逐渐增加的趋势，且处理间的差异随着生育进程的推进逐渐增大，但在不同降雨年份存在一定的差异(图6)。与CK相比，各覆膜处理在3个试验年间均显著提高了玉米收获期的干物质量，R和P处理分别平均提高19.2%(P<0.05)和20.7%(P<0.05)。秸秆覆盖(S)处理玉米干物质积累量的变化受降水量的显著影响，2015年(干旱年)，S处理下各个生育期的干物质量较CK有不同程度的降低，且在收获期达到最大，其收获期的干物质量较CK降低10.0%(P<0.05)，而在2016年，S处理各个生育时期的干物质量均高于CK，平均提高了29.5%(P<0.05)，在2017年S处理干物质积累量变化与CK基本一致，差异不明显，收获期降低了9.0%(P>0.05)。

图6 不同覆盖方式下玉米单株干物质积累动态Fig.6 Accumulation dynamics of dry matter per plant of maize under different mulching patterns

2.5 不同覆盖条件对玉米籽粒产量的影响

3个试验年间均以覆膜处理下的产量最高，R和P处理分别较CK平均提高了17.4%和17.9%(P<0.05)，两个覆膜处理间无显著差异(图7)。秸秆覆盖(S)处理的产量在年际间表现出一定的差异，在2016年较CK提高了15.4%(P<0.05)，而在2015、2017年均略低于CK，差异不显著；3个试验年间，S处理的玉米产量较CK平均提高了3.2%。各处理的玉米产量在年际间R和P处理的变幅要小于S和CK处理，S处理的变幅最大。

图7 不同覆盖方式下玉米产量 Fig.7 Maize yield under different mulching patterns

2.6 玉米产量与土壤碳氮含量的相关性分析

玉米产量与土壤有机碳、全氮、可溶性有机碳、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮均呈正相关，其中土壤有机碳、可溶性有机碳、可溶性有机氮、铵态氮与玉米产量的正相关达到显著水平，其相关性系数分别为0.36、0.59、0.66和0.40。土壤硝态氮与玉米产量的相关性系数为0.50，呈极显著正相关。

3 讨论

3.1 不同覆盖方式对土壤碳的影响

大量研究发现土壤碳周转受覆盖方式的影响[8,10,13]。本试验结果表明，秸秆覆盖下土壤的碳库含量显著提高，各组分碳含量均有所提升。Zhang等[20]的研究也表明，不同覆盖方式能够影响土壤有机碳及其组分含量。原因可能是覆盖的秸秆腐殖化后可有效补充土壤碳源[21]。卜玉山等[22]研究得出相比较地膜覆盖，秸秆覆盖能增加土壤有机质、速效氮、钾、磷等营养元素的积累，但地膜覆盖不仅不能起到此作用，甚至还使土壤表层的有机质含量降低，这与本试验中除了秸秆覆盖外其他处理的土壤SOC年消长速率均为负的结果一致，R和P处理SOC消长率在20～40 cm土层平均下降超过15.0%。原因是秸秆覆盖改善了土壤的光热资源，使土壤微生物活性提高，促进了土壤SOC的积累。本研究结果还发现，秸秆覆盖处理较其他处理可显著提高土壤DOC含量，平均提高6.2%～14.1%，这可能是因为秸秆覆盖能促进土壤微生物活性，使土壤不稳定碳得到稳固，进而补充土壤可溶性碳组分[23]；另一方面，覆膜处理能阻止土壤水热散失，改善土壤水温环境，加速微生物对土壤可溶性有机碳组分的利用，进而降低土壤DOC含量[24]。本试验中，各处理土壤有机碳及可溶性有机碳含量均随土层加深呈下降趋势，其中秸秆覆盖处理表层(0～20 cm)土壤SOC与DOC含量较深层(20～40 cm)分别平均提高15.8%和44.3%。原因是土壤接受外界影响是由表层到深层，土层越深土壤接收秸秆等有机物质的输入越少，导致出现外界影响随着土层加深不断减弱的现象[25-26]。

3.2 不同覆盖方式对土壤氮的影响

大量研究表明秸秆覆盖可提高土壤氮素的积累[14]。本试验中各覆盖处理中除秸秆覆盖处理(S)外均降低了土壤氮素的积累。因为秸秆覆盖可通过降低微生物对土壤氮素的分解而增加土壤氮素含量及其有效性[27]，另外由于地膜覆盖缺少秸秆等有机物质的输入，加速了氮素的矿化损失，进而降低了土壤氮素的积累[28]。在本研究中秸秆覆盖处理较其他处理可显著降低土壤C/N(降幅达6.8%～22.3%)。可能因为土壤有机碳含量的提高促进了微生物的活性与分解作用，从而提高了土壤氮素的积累与利用效率[29]。本研究也发现连续多年秸秆覆盖后，表层(0～20 cm)土壤全氮及可溶性有机氮含量比深层(20～40 cm)分别高32.6%和27.7%(P<0.05),冀雅珍等[30]研究得出了类似结果。因为表层土壤良好的水热及通气状况有利于微生物的生长与活动，同时表层土壤含有大量的凋落物等碳源，从而显著提高了表层土壤氮组分。本试验中土壤硝态氮的含量受到当年降水量的影响，以收获期为例，降雨量增加时下层(80～100 cm)土壤的硝态氮含量较高，降雨量减少时上层土壤(0～40 cm)含量较高。这与李世清等[31]的研究结果类似，硝态氮是土壤中矿质的主要残存形式，且易受到土壤淋溶影响，所以与土壤中的水分分布密不可分。各处理土壤铵态氮含量差异不大，可能是由于覆盖处理增加了土壤温度及水分含量，促进了硝化细菌的生长，导致土壤铵态氮转化为硝态氮，使土壤N2O排放通量增加并挥发到大气中[32]。

3.3 不同覆盖方式对玉米干物质积累及产量的影响

干物质积累是作物形态建成和产量形成的基础，覆盖处理能够通过改善土壤的水热环境来调节作物的生长，从而影响产量[12,14,28]。李尚中等[33]研究发现，随着旱地地膜栽培模式的演替，玉米抗旱增产能力逐步增强，玉米干物质积累量、产量、水分利用效率和籽粒容重均得到了显著提高。本研究中，3个试验年间均以覆膜处理下的产量最高，R和P处理的产量分别较CK平均提高了17.4%和17.9%(P<0.05)。这是由于地膜覆盖可显著改善土壤的水热环境，促进玉米根部的生长，增加了玉米的干物质积累，提高了玉米植株的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等光合性能，从而促进了玉米产量的增加[34-35]。S处理下仅2016年的玉米产量显著高于CK。可能因为2016年播后20 d内几乎无降水，延迟了裸地平作玉米的出苗时间；而秸秆覆盖能降低土壤表面的风速，减少了土壤的水热散失，进而缓解了干旱对出苗的影响，提高了玉米产量[23]。