長期施肥對潮土有機(jī)碳含量及小麥產(chǎn)量的影響

劉明鐘， 張愛君， 魏 猛， 李洪民， 唐忠厚， 陳曉光

(江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/江蘇徐州甘薯研究中心，江蘇徐州 221131)

土壤有機(jī)碳含量是表征土壤肥力高低的主要指標(biāo)，也是土壤學(xué)研究中肥力的代表性指標(biāo)，在農(nóng)田肥力中占有非常重要的位置[1]。施肥是農(nóng)業(yè)管理措施中能夠?qū)崿F(xiàn)人為調(diào)控土壤有機(jī)碳含量的最主要手段[2]。大量研究表明，作物產(chǎn)量隨土壤有機(jī)碳含量升高而增加，但也有研究認(rèn)為土壤有機(jī)碳含量與作物產(chǎn)量表現(xiàn)為直線顯著相關(guān)、曲線相關(guān)和無顯著相關(guān)關(guān)系[3-4]。潮土作為我國重要的農(nóng)業(yè)土壤，面積達(dá)267萬hm2。由于其在糧食生產(chǎn)中的重要地位，相關(guān)研究受到長期重視[5]。本研究通過探討長期不同施肥下潮土有機(jī)碳含量和小麥產(chǎn)量的變化特征，并分析小麥產(chǎn)量與有機(jī)碳含量相關(guān)關(guān)系，為潮土作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及改善土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田(117°17′E、34°16′N)進(jìn)行，土壤為沙壤質(zhì)潮土。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫14 ℃，≥10 ℃的活動積溫5 240 ℃，全年無霜期約210 d，年降水量860 mm(主要集中在7—8月份)，年蒸發(fā)量1 870 mm，年日照時(shí)數(shù)2 317 h。試驗(yàn)開始前耕層土壤基本養(yǎng)分含量為有機(jī)碳6.26 g/kg，全氮0.66 g/kg，全磷0.74 g/kg，有效磷12.00 mg/kg，速效鉀63.00 mg/kg，緩效鉀738.50 mg/kg，pH值8.01。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于1980年，共設(shè)8個(gè)處理：(1)對照(CK，不施肥)，(2)施氮肥(N)，(3)施氮磷肥(NP)，(4)施氮磷鉀肥(NPK)，(5)施有機(jī)肥(M)，(6)施有機(jī)肥和氮肥(MN)，(7)施有機(jī)肥和氮磷肥(MNP)，(8)施有機(jī)肥和氮磷鉀肥(MNPK)。每個(gè)處理重復(fù)4次，小區(qū)面積為33.3 m2。氮、磷、鉀肥每年施用量：150 kg/hm2純N，75 kg/hm2P2O5，112.5 kg/hm2K2O，化肥N、P、K分別由尿素(46% N)、磷酸二銨(18% N，46% P2O5)、硫酸鉀(50% K2O)提供；有機(jī)肥每年施用量(鮮基)為1981—1984年施馬糞75 t/hm2，1985年以后改為施豬糞37.5 t/hm2；1980—2015年有機(jī)肥水分含量范圍為42%～58%，有機(jī)碳含量為138～301 g/kg，養(yǎng)分年投入量范圍為 87.75～154.69 kg/hm2N、84.38～175.31 kg/hm2P2O5、135.00～309.38 kg/hm2K2O。耕作制度在1981—2001年為小麥-玉米一年兩熟輪作制，2002年后改為小麥-甘薯一年兩熟輪作制。小麥為當(dāng)年的主栽品種，每5～7年更換1次。小麥播種行距為15 cm，基本苗3.0×106株/hm2，人工條播。小麥季氮肥的基肥、追肥比例為50%，基肥方式為施后翻地，追肥方式為表施。每季作物收獲后將地上部秸稈移除，實(shí)施根茬還田，作物其他管理措施與大田一致。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土樣的采集與測定 小麥?zhǔn)斋@后每小區(qū)選5點(diǎn)立即采集各處理0～20 cm土層的土樣，有機(jī)碳含量測定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法[6]。

1.3.2 小麥產(chǎn)量的測定 收獲期將各小區(qū)的小麥去除保護(hù)行后，人工脫粒后曬干，稱質(zhì)量計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析采用Excel和DPS分析軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳含量隨著種植時(shí)間延長均有不同程度的增加，以有機(jī)無機(jī)配施處理(MN、MNP、MNPK)土壤有機(jī)碳增加幅度最高，不施肥處理(CK)土壤有機(jī)碳含量變化幅度最小(圖1)。從35年有機(jī)碳平均含量來看，與CK處理相比，施肥處理均能顯著提高有機(jī)碳平均含量，其中有機(jī)無機(jī)配施處理(MN、MNP、MNPK)增幅范圍為90.6%～100.8%；單施有機(jī)肥處理次之，增幅為78.1%；其次為施用化肥處理(N、NP、NPK)，增幅范圍為16.1%～26.1%，且與單施有機(jī)肥處理差異達(dá)到顯著水平(圖2)。由此可見，施用有機(jī)肥在提高土壤有機(jī)碳含量方面作用較大，施用有機(jī)肥比單施化肥能更快速地提高有機(jī)碳含量，以有機(jī)無機(jī)配施提升效果更為顯著。

2.2 長期施肥對小麥產(chǎn)量的影響

長期不同施肥均能提高小麥產(chǎn)量，但不同施肥方式的增產(chǎn)效應(yīng)不同，以有機(jī)無機(jī)配施方式產(chǎn)量最高(圖3)。CK處理產(chǎn)量整體呈現(xiàn)逐年緩慢下降趨勢；N處理前4年產(chǎn)量較高，之后產(chǎn)量開始急劇下降，后趨于平緩；NPK處理在該試驗(yàn)條件下，尚難維持高產(chǎn)量，除了第5年(1985年)由于天氣原因，造成產(chǎn)量總體下降外，自第6年后產(chǎn)量便開始趨于動態(tài)穩(wěn)定，處理M產(chǎn)量與處理NP有相似變化規(guī)律，二者產(chǎn)量一直低于處理NPK；MN、MNP、MNPK處理產(chǎn)量始終保持在較高產(chǎn)量水平，以MNPK處理效果更為顯著。從產(chǎn)量演變的趨勢看，MNPK處理前6年穩(wěn)定在高產(chǎn)水平(1985年除外)，第7年后產(chǎn)量因有機(jī)肥用量減半而有所降低，但產(chǎn)量變化趨勢線較小，后3年(2013—2015年)平均產(chǎn)量仍能達(dá)到前3年(1981—1983年)平均產(chǎn)量的96.8%，說明有機(jī)無機(jī)配施有利于提高土壤的養(yǎng)分供應(yīng)和協(xié)調(diào)能力，可以更好地維持小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

小麥產(chǎn)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)可持續(xù)性可分別用小麥產(chǎn)量變異系數(shù)(CV)及可持續(xù)性指數(shù)(SYI)表征(圖4)。小麥產(chǎn)量的變異系數(shù)可按其大小分為3個(gè)水平：處理CK和N變異系數(shù)較大，分別為0.38和0.53；處理NP、NPK和M次之，范圍為0.12～0.21；處理MN、MNP、MNPK最小(0.07～0.10)。可持續(xù)性指數(shù)SYI亦可根據(jù)其值的高低分為3個(gè)等級：第1等級為處理MN、MNP、MNPK(0.73～0.79)；第2等級包括處理NP、NPK和M(NP：0.53，NPK：0.69，M：0.57)；處理N和CK為第3等級(N：0.19，CK：0.33)。這說明有機(jī)無機(jī)配施的施肥方式更有利于促進(jìn)小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性與生產(chǎn)可持續(xù)性的提高，氮磷鉀施肥處理次之，其次為單施有機(jī)肥處理，單施氮肥則降低了產(chǎn)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)可持續(xù)性。

2.3 長期施肥下小麥產(chǎn)量、變異系數(shù)(CV)及可持續(xù)性指數(shù)(SYI)與土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系

為消除氣候條件、灌溉、土壤性質(zhì)及栽培措施對有機(jī)碳含量及小麥產(chǎn)量的影響，將各年份施肥處理的產(chǎn)量與有機(jī)碳含量分別減去對應(yīng)年份的CK，得到施肥產(chǎn)量變化(凈產(chǎn)量)與有機(jī)碳變化(凈有機(jī)碳)。回歸分析顯示，施肥土壤有機(jī)碳含量變化(x)與產(chǎn)量變化(y)可用線性方程擬合(圖5)，由該模型進(jìn)一步推斷出，該耕作水平下施肥土壤有機(jī)碳增加1 g/kg，小麥產(chǎn)量可增加313 kg/hm2(r2=0.270 4，P<0.01)。

為了進(jìn)一步研究施肥提高小麥產(chǎn)量的作用機(jī)制，有必要分析小麥產(chǎn)量CV、SYI值與有機(jī)碳含量間的響應(yīng)關(guān)系，研究表明土壤有機(jī)碳平均含量與CV值呈顯著負(fù)相關(guān)(r2=0.561 6，P<0.05)，而與SYI值呈極顯著正相關(guān)(r2=0.622 5，P<0.01)(圖6)。這表明施肥措施提高有機(jī)碳含量與提升產(chǎn)量的穩(wěn)定性及可持續(xù)性一致。

3 結(jié)論與討論

施肥是影響土壤有機(jī)碳庫的重要因素，不同的施肥方式對土壤有機(jī)碳的影響不同[10-11]。本研究結(jié)果表明，施肥處理土壤有機(jī)碳含量均有不同程度的增加，與初始有機(jī)碳含量相比，有機(jī)無機(jī)配施處理土壤有機(jī)碳含量可增加2倍以上。這主要是由于施肥可以促進(jìn)作物生長，增加根系生物量，使殘留在土壤中的根茬和根系分泌物增加；另外，有機(jī)肥的施用還可直接為土壤提供有機(jī)碳源，增加微生物活性，促進(jìn)土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，從而提高了土壤有機(jī)碳的固定量[12]。雖然不同施肥方式都可以增加土壤有機(jī)碳的含量，但是有機(jī)無機(jī)配施對土壤有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)顯著高于單施化肥處理[2，13]。

作物產(chǎn)量的年際波動圖可從時(shí)間上分析產(chǎn)量變化過程及趨勢，其主要受環(huán)境、生物及人為因素的影響[14]。當(dāng)施肥成為其主要限制因素時(shí)，不施肥處理小麥產(chǎn)量有所降低，但歷年變化不大，即受到溫度、降水等氣候因素和人為因素的影響不大；另外也是因?yàn)樵谠囼?yàn)開始時(shí)產(chǎn)量就比較低，僅占當(dāng)年NPK處理的39.3%。本研究結(jié)果表明，小麥產(chǎn)量大小為有機(jī)無機(jī)配施>氮磷鉀配施處理>單施有機(jī)肥和氮磷配施處理。這主要是由于氮磷鉀配施可滿足小麥生產(chǎn)的需求，有機(jī)肥的長期施用也有助于提高土壤肥力，有機(jī)無機(jī)配施避免了單施有機(jī)肥的土壤養(yǎng)分含量不足的同時(shí)，也解決了氮磷鉀配施的有機(jī)質(zhì)含量水平偏低的問題[15]。作物產(chǎn)量穩(wěn)定性是判斷農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)高低的重要標(biāo)準(zhǔn)[16]，本研究對比了8種不同施肥方式下小麥產(chǎn)量的CV值及SYI值，不施肥和單施氮肥處理的產(chǎn)量穩(wěn)定性最差，說明單施氮肥和不施肥方式小麥的產(chǎn)量容易造成大幅波動，抗逆性較差，而其余施肥處理(NP、NPK、M、MN、MNP、MNPK)均可有效降低CV值、提高SYI值，進(jìn)而降低環(huán)境、生物與人為因素等對產(chǎn)量的影響，其中以有機(jī)無機(jī)配施最有利于維持小麥產(chǎn)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)可持續(xù)性。

本研究進(jìn)一步分析了35年長期不同施肥下有機(jī)碳含量與產(chǎn)量的關(guān)系，結(jié)果表明土壤有機(jī)碳含量變化與小麥產(chǎn)量變化呈極顯著正相關(guān)，有機(jī)碳平均含量與小麥產(chǎn)量CV值呈顯著負(fù)相關(guān)，而與SYI值呈極顯著正相關(guān)，可以表明土壤有機(jī)碳含量越高，作物產(chǎn)量穩(wěn)定性及可持續(xù)性越好。因此，施用有機(jī)肥提高小麥產(chǎn)量及其可持續(xù)性指數(shù)的主要原因可能是提高了土壤有機(jī)碳含量。長期施用化肥作物產(chǎn)量對土壤基礎(chǔ)地力的依賴程度較高，可在短期內(nèi)提高作物產(chǎn)量，而單施有機(jī)肥作物產(chǎn)量提高則較緩慢，有機(jī)無機(jī)配施可實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，且其穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)效果均優(yōu)于化肥和有機(jī)肥單施[17]。