潮土小麥碳氮含量對長期不同施肥模式的響應

苗惠田， 呂家瓏， 張文菊， 徐明崗*， 黃紹敏， 張水清

(1 西北農林科技大學資源環境學院， 陜西楊凌 712100；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業部作物營養與施肥重點開放實驗室， 北京 100081； 3 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南鄭州 450002)

潮土小麥碳氮含量對長期不同施肥模式的響應

苗惠田1,2， 呂家瓏1*， 張文菊2， 徐明崗2*， 黃紹敏3， 張水清3

(1 西北農林科技大學資源環境學院， 陜西楊凌 712100；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業部作物營養與施肥重點開放實驗室， 北京 100081； 3 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南鄭州 450002)

【目的】以潮土21年長期定位試驗為基礎，分析不同施肥模式下冬小麥不同生育期的地上部生物量、碳氮含量、碳氮比及碳氮積累量，探討冬小麥碳氮含量對不同施肥模式的響應規律。【方法】試驗包括不施肥(CK)、單施氮肥(N)、施氮磷肥(NP)、施氮鉀肥(NK)、氮磷鉀配施(NPK)、氮磷鉀肥配施有機肥(NPKM)、施氮磷鉀肥及玉米秸稈還田(NPKS)7個處理。在2011_2012年冬小麥生長季，分別采集越冬、拔節、灌漿、成熟四個生育時期地上部植株樣品，利用EuroVector EA3000型元素分析儀對小麥植株樣品的全碳、全氮含量進行測定。【結果】NPK、NPKM和NPKS處理均能顯著提高各生育期小麥地上部干重，其中NPKM處理小麥地上部干重在越冬、拔節、灌漿、成熟期分別比CK提高了111%、194%、238%、206%，除越冬期外，等量氮肥條件下，NPK、NPKM和NPKS 3個處理間小麥同一生育期地上部干重無顯著差異，說明與氮磷鉀配施相比，有機無機配施與秸稈還田這兩種措施并不能顯著提高小麥地上部生物量；小麥地上部碳含量受不同施肥影響很小，不同生育期小麥地上部碳含量平均值為410 g/kg；小麥成熟期地上部氮含量以N和NK處理最高，分別達到19.4和18.1 g/kg，其中N處理小麥地上部氮含量分別比NPKM和NPKS處理高52%和66%。隨著生育期的推移，各處理小麥氮含量逐漸降低，總體表現為越冬期>拔節期>灌漿期≥成熟期；在整個生育期中各施肥處理碳含量基本保持不變而氮含量呈逐漸下降趨勢，這就使得各施肥處理地上部分C/N比隨生育期的推移呈逐漸增加趨勢；不同施肥下小麥碳積累量差異性和地上部干物質重差異性規律一致，而不同施肥下地上部氮積累量差異性不同于干物質重的差異性，以NP處理最高，達545 kg/hm2，分別比NPKM和NPKS處理高61%和68%。【結論】施肥方式不能顯著改變小麥碳含量但能影響氮含量，因此小麥生物量大小決定了其碳的積累量，相應地，C/N比大小則由氮含量決定。氮磷鉀配施、有機無機配施及秸稈還田處理下，小麥具有較高的生物量從而具有較高的碳氮積累量，這有利于增加農田系統碳、氮積累，提升土壤碳、氮肥力。

長期施肥； 小麥； 碳含量； 氮含量； 碳氮比

碳、氮代謝相互制約、相互促進[1]，是作物內部最基本的代謝方式，同時也是保障作物正常生長發育的物質基礎，在很大程度上決定了作物產量的高低[2]。作物碳、氮含量及碳、氮比是反映作物體內碳、氮代謝相對強弱狀況的指標。Osaki等[3]認為過量的氮素運移會導致作物地上部分的葉片光合能力下降，阻礙光合作用，從而有可能影響到碳、氮向作物正在發育的籽粒中的正常輸送，降低氮肥利用率，不利于作物產量提升[4]。隨著氮肥投入水平的提高，作物的氮素運轉率會隨之增加，進而增加氮吸收量，提高作物氮含量[5-7]。Kuzyakov和Domanski[8]研究發現，施用高量氮肥會使作物光合碳向地下土壤碳庫的轉運量減少，而且過量氮的投入會導致作物生長量下降，不但增加成本而且會對環境造成污染。施磷能夠促進植物體內硝態氮、銨態氮的同化，增強根系吸氮能力，有助于氮素的同化積累[9]。吳明才等[10]研究顯示，植物體內蛋白質的合成需要光合作用同化的碳作為主要組分，而適當的施磷有助于植物蛋白質的積累，從而間接影響作物碳代謝。鄒鐵祥等[11]研究認為，施鉀會顯著促進小麥植株氮積累以及貯存氮的轉運。齊華等[12]研究顯示，施鉀有助于提高作物葉片的光合速率，進而影響作物碳代謝。通過前人的研究結果不難看出，施肥能夠影響作物的碳氮積累代謝進而影響作物的產量，且前人多以單一的氮、磷、鉀肥輸入對作物碳氮含量產生的影響進行研究，但對于不同氮、磷、鉀肥配合施用以及氮、磷、鉀肥配施有機物料等施肥模式對作物碳、氮含量及其積累是否有影響，以及作物碳、氮含量對不同施肥模式的響應是否一致，尚缺乏深入系統的研究。同時，以往有關農田生態系統碳氮循環的研究，多集中在土壤碳、氮累積以及農田CO2排放等方面，且多在短期試驗條件下進行，而長期施肥條件下作物碳氮積累數量及其特征，尤其是作物碳氮積累對不同施肥模式的響應特征還鮮見報道。為此，本文以長期定位試驗為基礎，取樣分析不同施肥下冬小麥不同生育期的地上部生物量、碳氮含量，以期闡明冬小麥碳氮積累對不同施肥的響應規律，為作物向土壤系統碳氮投入量的估算提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點位于國家潮土肥力與肥料效益長期監測基地(北緯34°47′，東經113°40′)。該基地地處暖溫帶，年均氣溫14.4℃，年降雨量640.9 mm，無霜期約225 d，年日照時數2400 h， 土壤為輕壤質潮土。試驗始于1990年，試驗開始時的耕層土壤主要性狀為有機質10.2 g/kg、全氮0.65 g/kg、有效磷(P)7.7 mg/kg、速效鉀(K)65 mg/kg、pH 8.3。種植制度為一年兩熟小麥-玉米輪作。基地原址位于河南省鄭州市，試驗地于2009年5月采用原狀土搬遷方式移至位于原址北部23 km處的河南省原陽縣祝樓鄉。

1.2 試驗設計

本研究選擇該長期試驗的如下7個處理： 1)CK(不施肥)； 2)N(單施氮肥)； 3)NP(施氮磷肥)； 4)NK(施氮鉀肥)； 5)NPK(施氮磷鉀肥)； 6)NPKM(氮磷鉀化肥與有機肥配施，與NPK處理施氮量相同，其中70%的氮由有機肥提供)；7)NPKS(施氮磷鉀化肥并玉米秸稈還田，與NPK處理施氮量相同，2002年以前70%的氮由秸稈還田提供，根據秸稈含氮量確定用量，2003年開始只將該處理玉米秸稈還田，氮不足部分由尿素補充)。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀，有機肥為牛糞。氮、磷、鉀肥配比為N ∶P2O5∶K2O=1 ∶0.5 ∶0.5，有機肥或秸稈帶入土壤磷、鉀的量[13]及具體施肥量見表1。試驗用冬小麥品種為鄭麥0856。小區面積45 m2，重復3次。2012年耕層土壤主要性狀見表2。

1.3 樣品采集與測定

在2011_2012年冬小麥生長季，分別采集越冬、拔節、灌漿、成熟四個生育時期地上部植株樣品。植株樣品的采集采用樣方的方法，每小區采集3個樣方，樣方面積為25 cm×25 cm。植株鮮樣在105℃條件下殺青30 min，之后在70℃條件下烘干至恒重。烘干后對植株樣品稱重、粉碎，過0.25 mm篩備用。

利用EuroVector EA3000型元素分析儀，對小麥植株樣品的全碳、全氮含量進行測定。

植株碳氮積累量采用如下公式計算：

碳積累量(C， kg/hm2)=植株干物質量(kg/hm2)×植株碳含量(C， g/kg)/1000

氮積累量(N， kg/hm2)=植株干物質量(kg/hm2)×植株氮含量(N， g/kg)/1000

1.4 數據處理

數據整理采用Microsoft Excel；繪圖采用OriginPro 8.0；統計分析采用SPSS 17.0，顯著性檢驗為LSD 法(P≤ 0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理各生育期小麥地上部生物量

不同施肥處理小麥地上部干重隨生育期的延長而顯著增加，在各生育期的差異規律基本一致(表3)。

在同一生育期，與不施肥的對照(CK)相比，N和NK處理沒有顯著提高小麥地上部干重，而NP處理則顯著提高了小麥地上部干重，特別是在成熟期，NP處理小麥地上部干重達到了CK處理的3.5倍(表3)，同時NP處理與NPK處理之間小麥地上部干重沒有顯著差異，說明在潮土上施鉀對小麥的生長發育無明顯作用。NPK、NPKM和NPKS處理均能顯著提高各生育期小麥地上部干重，其中NPKM處理小麥地上部干重在越冬、拔節、灌漿、成熟期分別比CK處理提高了111%、194%、238%、206%。除越冬期外，等量氮肥條件下，NPK、NPKM和NPKS 3個處理間小麥地上部干重在同一生育期無顯著差異，說明與氮磷鉀配施(NPK)相比，有機無機配施(NPKM)與化肥加秸稈還田(NPKS)這兩種措施并不能顯著提高小麥地上部生物量，同時也說明這兩種措施對提高小麥生物量作用與施用化肥基本相當[14]。除了越冬期，N、NP、NK 3個處理在同一生育期中，NP處理的地上部干重顯著高于單施氮肥處理，而N和NK處理間地上部干重無顯著差異，說明該土壤磷素是限制其產量的重要因子之一。與單施氮肥和氮鉀肥配施相比，氮肥和磷肥配施處理的增產效果明顯。

注(Note): 同列數字后不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著 (P≤0.05) Different small letters in the same column mean significant differences between the treatments at the same stage (P≤0.05); 同行數字后不同大寫字母表示同一處理不同生育期間差異顯著 (P≤0.05) Different capital letters in the same row indicate significant differences among different stages for the same treatment (P≤0.05).

2.2 不同施肥處理小麥各生育期碳、氮含量

由表4可知，在同一生育期，不同施肥對小麥地上部碳含量影響差異很小，尤其是在成熟期，各施肥處理間小麥地上部碳含量無顯著差異；但在不同生育期之間，由于地下部分各處理拔節期根系生物量迅速增加[15]，碳主要向根系轉運[16]，因而小麥地上部碳含量總體表現為拔節期低于越冬、灌漿以及成熟期，其中NPKM處理成熟期地上碳含量比拔節期碳含量高3%。

總體來看，小麥地上部碳含量受不同施肥處理影響很小，不同生育期小麥地上部碳含量平均值為410 g/kg。

表5表明，與碳含量不同，長期不同施肥對不同生育期小麥地上部氮含量具有顯著的影響。在成熟期，NPK處理小麥地上部氮含量比CK處理高37%，而與CK相比，NPKM和NPKS處理并未顯著提高小麥地上部氮含量；N、NP和NK處理均顯著高于CK處理。N和NK處理間小麥地上部氮含量無顯著差異，分別為19.4 g/kg和18.1 g/kg，顯著高于施用磷肥的處理。同時也能夠看出，與單施氮肥相比，氮肥和鉀肥配施對植株氮含量的提升效果明顯優于氮肥和磷肥配施。隨著生育期的推移，各處理小麥氮含量逐漸降低，總體表現為越冬期>拔節期>灌漿期≥成熟期。

注(Note): 同列數字后不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P≤0.05) Different small letters in the same column mean significant differences between the treatments at the same stage (P≤0.05); 同行數字后不同大寫字母表示同一處理不同生育期間差異顯著(P≤0.05) Different capital letters in the same row indicate significant differences among different stages for the same treatment (P≤0.05).

注(Note): 同列數字后不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異顯著(P≤0.05) Different small letters in the same column mean significant differences between the treatments at the same stage (P≤0.05); 同行數字后不同大寫字母表示同一處理不同生育期間差異顯著(P≤0.05) Different capital letters in the same row indicate significant differences among different stages for the same treatment (P≤0.05).

2.3 不同施肥處理小麥各生育期碳氮比的變化

長期不同施肥下，不同生育期小麥C/N比是其體內碳氮代謝狀況和氮素利用效率的綜合反映。圖1顯示，在越冬期，不同施肥下小麥地上部C/N比差異不顯著。而在成熟期，不同施肥處理地上部C/N比差異顯著，不施肥處理地上部C/N比顯著高于施肥處理；NPKM和NPKS處理間地上部C/N比無顯著差異，NPK處理地上部C/N比顯著低于NPKM和NPKS處理，說明施用有機肥以及秸稈還田可以有效提高植株C/N比；N、NP和NK處理地上部C/N比均顯著低于NPK、NPKM和NPKS處理；與單施氮肥處理(N)相比，NK處理沒有顯著增加植株C/N比，而NP處理地上部C/N比相對于單施氮肥處理(N)提高了22%，可見，偏施氮肥可導致作物吸收較多氮，從而降低了碳氮比。對小麥地上部碳氮含量結果分析表明，在整個生育期中各施肥處理碳含量基本保持不變而氮含量呈逐漸下降趨勢，這就使得各施肥處理地上部分C/N比隨生育期的推移呈逐漸增加趨勢，其中NPKM處理成熟期地上部分C/N比是越冬期的3倍。

2.4 不同施肥處理小麥成熟期碳、氮積累量

小麥碳、氮積累量是其生物產量和碳、氮含量的綜合反映。小麥不同生育期碳氮積累量與生物量的變化趨勢相似，這里僅列出了不同施肥下小麥成熟期的碳、氮積累量(圖2)。圖2表明，NP、NPK、NPKM和NPKS處理碳積累量均顯著高于CK、N和NK處理。由此看出，不同施肥下小麥成熟期碳積累量差異性規律和同期小麥干物質重差異性規律完全一致，這主要是由于不同施肥處理小麥碳含量沒有顯著差異，使得碳積累量的變化規律完全由植株生物量決定。

與碳積累量不同，由于不同施肥下小麥氮含量差異顯著，因此不同施肥處理間氮積累量差異性規律并不是完全由植株生物量決定。和對照相比，所有施肥處理成熟期氮累積量均有顯著提高。其中，NP處理顯著高于其他處理。各處理成熟期地上部累積氮量依次為： NP>NPK>NPKM≈NPKS>NK>N>CK(圖2)。

3 討論

本研究表明，氮磷鉀配施(NPK)、有機無機配施(NPKM)及秸稈還田(NPKS)能顯著提高小麥地上部生物量，這與目前許多長期試驗結果一致[17-18]。在CK、N、NP和NK幾個處理中，NP處理成熟期生物量顯著高于CK、N和NK處理，這主要是由于土壤有效磷(Olsen-P)含量在試驗初期(1990年)僅為7.7 mg/kg，為缺磷土壤；并且長期不施磷肥，導致土壤養分供應與作物生長對養分需求之間不平衡關系加劇，因而嚴重影響了小麥的碳同化、氮吸收及其速率[19-20]。因此，合理施用磷肥有利于作物產量的提高，進而增加有機碳的歸還量，這對提高并維持農田土壤有機碳意義重大[21-22]。

本研究表明，在同一生育期，長期不同施肥下的小麥地上部碳含量并未表現出顯著差異，說明施肥對小麥碳含量產生的影響不顯著[23-24]。尚輝等[25]研究表明，在同一器官不同施肥下作物的碳含量并沒有表現出顯著性差異，這同樣說明施肥不能改變作物碳含量。與碳含量不同，長期不同施肥對不同生育期小麥地上部氮含量具有顯著影響。單施氮肥處理(N)能夠顯著提高植株氮含量。杜紅霞等[26]研究表明，施磷肥能夠促進作物對氮的吸收，但是由于稀釋效應的存在，氮含量會降低，這可能是導致施用磷肥(NP、NPK、NPKM和NPKS)處理小麥地上部氮含量均顯著低于不施磷肥(N、NK)處理的原因。NPKM、NPKS處理與NPK相比顯著降低了小麥地上部氮含量，說明添加有機物料并不能有效提高作物氮含量，這可能是由于有機物料加入土壤后在分解過程中產生了小麥和土壤微生物之間爭氮的矛盾，從而降低了小麥氮素吸收[27]。

由于小麥地上部氮含量在整個生育期呈現逐漸下降趨勢，而碳含量基本保持不變，因此隨著生育期的推移，各施肥處理地上部分C/N比呈逐漸增加趨勢，這也反映出植株C/N比主要由氮含量決定。這就意味著氮肥的合理施用直接關系到植株的C/N比，進而關系到還田有機物的分解、有機質的周轉以及農田土壤的碳固定[28]。由于長期缺乏氮素供應，CK處理地上部C/N比顯著高于施肥處理，同時在缺氮條件下植株籽粒干物質積累也會受到限制，最終導致作物減產[29]。與單施氮肥(N)、氮鉀肥配施(NK)處理相比，有機無機配施(NPKM)、化肥及秸稈還田(NPKS)這兩個處理具有較高的小麥地上部C/N比。有研究表明，植株體內維持較高的碳氮比，會利于物質向籽粒轉運[30]，相反，N、NK處理較低的C/N比則會使植株葉片生長過盛，消耗過多的光合產物，不利于物質向籽粒轉運，最終限制作物產量提升[31]。

由于成熟期不同施肥處理間小麥地上部碳含量沒有顯著差異，所以小麥地上部碳積累量的大小主要由生物量的大小決定，這就使得不同施肥處理間小麥成熟期碳積累量的差異性規律和不同施肥處理間小麥同期地上部干物質重的差異性規律一致。由此看來，小麥的生物量不僅可以影響植株的碳積累量，同時還是小麥固碳效力的決定因素[25]。與碳積累量不同，由于不同施肥處理間小麥氮含量存在顯著差異，因此不同施肥處理間氮積累量差異性規律并不是完全由植株生物量決定的。由于氮磷鉀配施(NPK)、有機無機配施(NPKM)和化肥及秸稈還田(NPKS)處理下小麥具有較高的生物量，因此這些施肥處理下小麥同樣具有較高的碳氮積累量。而潘根興等[32]研究表明，合理的施肥在有效促進作物產量及生物量增加的同時還能夠增加有機碳的自然還田量，這就意味著這些施肥處理能夠增加農田系統碳、氮投入，補充土壤養分消耗，從而有利于農田培肥[33-35]。

4 結論

長期施肥條件下，施肥方式不能改變小麥碳含量；小麥地上部氮含量對不同施肥的響應明顯，單施氮肥處理能夠有效提高小麥氮含量，施用磷肥減少了小麥氮含量，添加有機物料能夠顯著提高小麥生物量但并不能有效提高作物氮含量；小麥碳含量在整個生育期基本保持不變，因此小麥生物量大小決定了碳積累量的大小，相應地，C/N比大小則由氮含量決定，表明生物量是小麥固碳效力的決定因素。氮磷鉀配施、有機無機配施及化肥加秸稈還田處理下小麥具有較高的生物量，從而具有較高的碳氮積累量，有利于增加農田系統碳、氮投入和提升土壤肥力。

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Response of carbon and nitrogen contents of winter wheat to long-term fertilization treatments in fluvo-aquic soil

MIAO Hui-tian1, 2, Lü Jia-long1*, ZHANG Wen-ju2, XU Ming-gang2*, HUANG Shao-min3, ZHANG Shui-qing3

(1CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofCropNutritionandFertilization,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China; 3InstituteofPlantNutritionandResourcesandEnvironment,HenanAcademyofAgriculturalSciences,Zhengzhou450002,China)

【Objectives】 In order to reveal impact of various fertilization treatments on carbon and nitrogen accumulation in wheat, we analyzed biomass carbon and nitrogen contents at different growth stages of wheat after 21-year of continuous fertilization management at a Zhengzhou experimental site. 【Methods】 The fertilization treatments included non-fertilization (CK), chemical nitrogen (N), chemical nitrogen and phosphorus (NP), chemical nitrogen and potassium (NK), chemical nitrogen, phosphorus and potassium (NPK), NPK plus organic manure (NPKM), and NPK plus maize stalk (NPKS). The aboveground samples of three quadrats from each plot were randomly collected at the wintering stage, jointing stage, grain filling stage and maturity stage in 2011-2012 winter wheat growing season. The carbon and nitrogen contents of aboveground plant tissue were measured by EuroVector EA3000 Elemental Analyzer. 【Results】 The results show that the above-ground biomass amounts of winter wheat can be improved efficiently under the NPK, NPKM and NPKS treatments, and the amounts at the wintering stage, jointing stage, grain filling stage and maturity stage in the NPKM treatment are 111%, 194%, 238% and 206% higher than those of the CK treatment, respectively. Except the wintering stage, the above-ground biomass amounts at same growth stage are not significantly different among the NPK, NPKM and NPKS treatments, which indicate that compared to the NPK treatment, NPKM and NPKS treatments do not effectively enhance above-ground biomass of winter wheat. The fertilization does not effectively affect the carbon content of aboveground plant tissue. The average of carbon content at the four growth stages is 410 g/kg. The nitrogen contents at the maturity stage of wheat are high under the N (19.4 g/kg) and NK (18.1 g/kg) treatments. The nitrogen content at the maturity stage of wheat under the N treatment is 52% higher than that under the NPKM treatment and 66% higher than that under the NPKS treatment. At different growth stages, the nitrogen contents of aboveground plant tissue are in sequence of wintering stage > jointing stage > grain filling stage ≥ maturity stage. With wheat growth, the carbon content is unchanged while the nitrogen content is decreased gradually, thus C/N ratio of wheat is increased gradually in each treatment. Carbon accumulations in above-ground are affected by above-ground biomass. The nitrogen accumulation amount at the maturity stage of wheat under the NP treatment is significantly higher than those under other treatments, and is about 545 kg/ha. 【Conclusions】The fertilization does not affect the carbon content of wheat, while the fertilization can affect the nitrogen content. Therefore, wheat biomass yield determines the carbon accumulation amount, and the nitrogen content determines C/N ratio. The NPK, NPKM and NPKS treatments significantly enhance the carbon and nitrogen accumulation amounts, thus these treatments are beneficial to enhance carbon and nitrogen accumulation in farmland system and improve soil fertility.

long-term fertilization; wheat; carbon content; nitrogen content; C/N ratio

2014-06-18 接受日期： 2014-10-16

國家自然科學基金(41171239, 41371247)；公益性行業(農業)科研專項(201203030)；中央級公益性科研院所專項資金資助項目(IARRP-2014-28)資助。

苗惠田(1985—)，男，青海西寧人，博士研究生，主要從事土壤碳氮循環方面的研究。E-mail: huitian_miao@aliyun.com * 通信作者 E-mail: ljlll@nwsuaf.edu.cn; E-mail: xuminggang@caas.cn

S152.062

A

1008-505X(2015)01-0072-09