長期施肥措施下潮土土壤碳氮及小麥產量穩(wěn)定性的變化特征

張珂珂，宋 曉，郭斗斗，黃晨晨，岳 克，張水清，黃紹敏

(1.河南省農業(yè)科學院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學 農學院，河南 鄭州 450006)

小麥是我國重要的糧食作物，對保障糧食安全、維護社會穩(wěn)定具有重大意義，并且小麥穩(wěn)產、高產是農業(yè)發(fā)展重要組成部分[1]。在維持或提升土壤肥力的前提下增加農作物產量已成為農業(yè)研究和可持續(xù)發(fā)展的一個主要目標[2]。河南是全國小麥生產的基地，潮土是該區(qū)域糧食作物種植區(qū)的主要土壤類型之一，大約是該區(qū)域耕地面積的1/2，潮土區(qū)因腐殖質積累作用較弱，總體肥力偏低。因此，合理提高潮土肥力是保障糧食高產穩(wěn)產的重要措施。在農業(yè)生產中肥料起著至關重要的作用，是提高作物產量的重要措施之一。陳歡等[3]和黃少輝等[4]研究表明，長期施肥可有效提高小麥產量，并且可以提高土壤中養(yǎng)分；魏猛等[5]通過研究不同施肥條件下黃潮土區(qū)冬小麥產量和土壤肥力的變化，表明無機肥與有機肥配施顯著降低產量變異系數，并且有效提升了有機質、全氮含量；而馬力等[6]研究發(fā)現，水旱種植模式中施用化肥引起水稻產量穩(wěn)定性下降。

土壤中有機碳及全氮含量是體現土壤質量的重要指標，它們的動態(tài)平衡影響著土壤肥力高低及農作物的產量[7]，碳氮比能反映碳、氮養(yǎng)分的平衡狀況，對土壤碳氮循環(huán)有重要影響[8]。土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫[9]，而且在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境保護和土壤肥力中起著重要的作用[10-11]。土壤氮素是植物生長的必需元素，土壤全氮是植物生長的氮庫，也反映了土壤氮素情況。許多研究表明，投入有機物料和氮磷鉀化肥均顯著提高有機碳、全氮含量，并且促進土壤地力及產量的提高[12-16]。本研究依托潮土區(qū)長期肥料定位試驗，探討冬小麥-夏玉米輪作體系下長期投入氮磷鉀化肥、氮磷鉀化肥配施有機肥、氮磷鉀化肥配施秸稈還田對小麥產量和土壤有機碳、全氮含量的影響，旨在為潮土區(qū)提高土壤地力和小麥穩(wěn)產豐產提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 長期試驗地點概況

試驗點位于河南省原陽縣祝樓鄉(xiāng)(113°40′42″E，34°47′55″N)，試驗區(qū)屬于典型溫帶季風氣候，年均降雨量650 mm，年均氣溫15 ℃，無霜期224 d，每年降雨量主要集中在7-9月。該試驗站于1987年建立，1988，1989年勻地種植，1990年開始劃分小區(qū)進行正式試驗；供試土壤為沙壤質潮土，成土母質為黃河沖積物，初始土壤理化性質如下：土壤有機質含量10.6 g/kg、全氮含量 1.69 g/kg、全磷含量 0.65 g/kg、緩效鉀含量 647.2 mg/kg、有效磷含量 6.9 mg/kg、土壤速效氮含量52.3 mg/kg、速效鉀含量 71.7 mg/kg、pH值 8.1。

1.2 試驗設計

本研究選取試驗站1990-2018年代表潮土區(qū)常見的4個施肥模式：①CK (不施肥)；②NPK (施氮磷鉀肥)；③MNPK (NPK化肥+有機肥)，MNPK與 NPK 處理施氮量相同，其中有機肥中的氮含量占70%，化肥中的氮含量占30%；④SNPK (NPK化肥+玉米秸稈還田)，SNPK與NPK處理施氮量相同，在1991-2001年來自秸稈中氮量占70%，化肥中氮量占30%，2002-2017年SNPK處理玉米秸稈全部還田，缺少的氮量由化肥氮進行補充。施肥量，小麥季氮肥(以N計) 165 kg/hm2、磷肥(以P2O5計)和鉀肥 (以 K2O計)各82.50 kg/hm2，玉米季氮肥(以 N 計)187.50 kg/hm2、磷肥(以P2O5計)和鉀肥 (以 K2O計) 各93.75 kg/hm2。有機肥在1990-1999 年施用馬糞，2000-2010 年施用牛糞，2011-2017年施用商品有機肥；每年施肥前測定施用有機肥量及玉米秸稈的氮、磷、鉀含量。氮肥按照基肥和追肥比6∶4投入，其他肥料作為底肥1次投入。在2009 年之前小區(qū)面積為400 m2，無重復；2009 年由鄭州原狀土搬遷到原陽，小區(qū)面積為45 m2，每個處理設置3次重復。

1.3 土壤樣品的采集與測定

每年玉米季收獲后，在CK、NPK、MNPK及SNPK等小區(qū)，采用S形采樣法，采集耕作層土壤樣品 (0 ～ 20 cm)，每個小區(qū)采5點，混合均勻后，采用四分法取1 kg土壤，帶回室內。自然風干后，揀去土樣中的根茬、石塊等雜物，磨細、過篩備用。2010 年之后，改為小麥收獲后取樣。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定。土壤全氮含量用凱氏定氮法測定。

1.4 數據處理與計算

以CK產量即不施肥處理產量作為基礎地力產量。

增產率=(施肥處理產量-CK產量)/CK產量×100%[17]；

肥料貢獻率=(施肥處理產量-CK產量)/施肥處理產量×100%；

變異系數(CV)可以用來衡量小麥產量穩(wěn)定性，表示不同試驗年份小麥平均產量的變異程度。

產量可持續(xù)性指數(SYI)是用來衡量小麥產量可持續(xù)性的重要指標。

數據整理采用 Excel 2016，統(tǒng)計分析及作圖利用 SPSS 17 、Origin 8.5軟件進行。

2 結果與分析

2.1 長期施肥對小麥產量、穩(wěn)定性的影響

2.1.1 長期施肥對小麥產量的影響 長期施肥下小麥產量隨試驗年限呈鋸齒狀波動，且同一年份的各處理小麥產量波動一致，同時升高或降低，總體呈上升趨勢(圖1)。CK小麥產量年際變化呈波浪形，變化較平緩，產量最低，平均為1 686.1 kg/hm2，與試驗初始時小麥產量相比，產量下降17.00%。施肥處理總體表現為2008年之前MNPK、SNPK處理小麥產量低于NPK處理，平均減產6.70%，3.15%，2008-2018年MNPK、SNPK處理小麥產量比NPK處理提高8.90%，8.93%。表明施用氮磷鉀化肥配施有機肥和氮磷鉀化肥配施秸稈還田處理有長期養(yǎng)分累積效應。

根據小麥產量隨年際變化曲線進行線性擬合。各施肥處理小麥產量趨勢線均呈增加趨勢，由擬合方程可知，NPK、 MNPK、SNPK處理的小麥產量年均增加量分別為30.80，88.64，65.36 kg/hm2。MNPK、SNPK處理小麥產量每年增加量相對較大，且秸稈還田對小麥增產的作用不可忽視。綜上所述，不同施肥年份間小麥產量表現鋸齒狀，氮磷鉀化肥配施有機肥、氮磷鉀化肥配施秸稈還田對小麥增產效果優(yōu)于化肥，施有機肥和秸稈還田具有長期養(yǎng)分累積效應，對農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。

2.1.2 長期施肥對小麥產量穩(wěn)定性、可持續(xù)性指數的影響 由于1990-2008年產量沒有重復數據，所以未作方差分析。NPK、MNPK、SNPK處理小麥的平均產量比CK提高了281.28%，276.72%，287.76%(表1)。MNPK、SNPK處理小麥產量的年均增長率高于NPK處理。小麥產量CV值越低表示產量的變異越小，產量越穩(wěn)定。由CV值可知，NPK、MNPK、SNPK處理比CK產量CV值均降低，SNPK處理SYI值高于MNPK、NPK。長期施肥有助于提升小麥產量，增加產量穩(wěn)定性及可持續(xù)性，而SNPK處理可保持最高的可持續(xù)能力。

表1 1990-2018年長期不同施肥下小麥平均產量、變異系數及可持續(xù)性指數的變化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 長期施肥對肥料貢獻率的影響

隨試驗年限延長，肥料貢獻率表現為上升趨勢(圖2)，表明肥料的投入減少了作物對土壤基礎地力的依賴。NPK、MNPK、SNPK處理肥料貢獻率差別較小，并且變化幅度也小。通過擬合方程發(fā)現，NPK、MNPK、SNPK處理肥料貢獻率逐漸增加，這說明隨試驗年份的增加，小麥產量對肥料的依賴性逐漸增加，但施肥到30 a左右時，肥料貢獻率可能開始下降。

2.3 農田基礎地力與肥料貢獻率的關系

CK的小麥產量體現了農田基礎地力。由圖3可知，施肥處理肥料貢獻率隨CK產量的增加表現為下降趨勢，并進行了線性擬合，即農田基礎地力與肥料貢獻率存在顯著線性負相關。SNPK處理與CK產量的相關程度最大(R2=0.78)，而NPK、MNPK與CK產量的相關系數分別為0.70，0.70，CK處理產量每增加1 000 kg/hm2，肥料貢獻率降低14.35～19.57百分點。與NPK處理相比，MNPK、SNPK處理肥料貢獻率整體增加7.70，5.31百分點。說明農田土壤基礎地力的提升可以降低小麥產量對投入肥料的依賴，進而減少外源肥料的投入。

2.4 長期施肥對土壤有機碳、全氮含量的影響

2.4.1 長期施肥對土壤有機碳含量的影響 由圖4可看出，與試驗初始值相比較，CK年度間有機碳含量表現波動變化，略有增加；2018年NPK、MNPK、SNPK處理有機碳含量較試驗起始時均有所提高，分別增加了49.13%，76.73%，65.83%。有機碳含量與試驗年限呈正相關，線性方程擬合可以看出，MNPK、SNPK、NPK處理有機碳年均增加速率分別為0.158，0.112，0.089 g/kg。2018年NPK、MNPK、SNPK處理有機碳含量較CK增加13.34%，36.68%，29.34%。MNPK處理有機碳含量高于SNPK、NPK處理。土壤有機碳增加量以MNPK處理最高，其次SNPK處理。這說明化肥配施有機肥或者化肥配施秸稈還田或施化肥均可增加有機碳含量 ，但單施化肥對有機碳的影響小于化肥配施有機肥和化肥配施秸稈還田。

2.4.2 長期施肥對土壤全氮含量的影響 由圖5可知，不同施肥條件下全氮和有機碳含量變化趨勢基本一致。不施肥處理土壤全氮隨試驗年限延長變化不明顯，試驗起始時土壤全氮含量為0.62 g/kg，土壤全氮含量平均值為0.64 g/kg；NPK、MNPK、SNPK處理隨種植年限延長土壤全氮含量呈現增加趨勢。與試驗初始全氮含量相比，2018年 NPK、MNPK、SNPK處理土壤全氮含量分別增加了30.00%，83.95%，36.75%。全氮含量與施肥年限呈正相關，由擬合方程可以看出，MNPK 處理土壤全氮含量增幅最大，年均增加量為0.014 g/kg，NPK處理增幅最小，年均增加量為0.006 g/kg。2018年NPK、MNPK、SNPK處理土壤全氮含量較CK增加11.95%，38.76%，34.52%?？傮w上，化肥配施有機肥和化肥配施秸稈還田提高土壤全氮含量效果優(yōu)于單施化肥。

2.4.3 土壤中全氮含量和有機碳含量的關系 由圖6可知，土壤全氮、有機碳含量之間呈現正相關關系。土壤中有機碳每增加1 g/kg，土壤全氮含量增加0.078 g/kg。土壤全氮含量會隨有機碳含量的增加而增加，從而使碳氮比趨于穩(wěn)定，作物的生長和土壤性狀與碳氮比穩(wěn)定程度有很大的關系。與不施肥相比，長期施肥后碳氮比平均值差別較小，在9.97～10.60，施肥后碳氮比差異不顯著(圖7)。總體來說，單施化肥、化肥配施有機肥、化肥配施秸稈還田處理對土壤碳氮比影響都不大。

2.5 土壤有機碳、全氮含量與小麥產量的關系

通過對土壤全氮、有機碳含量及其同一年份小麥產量相關分析(表2)可得，MNPK處理小麥產量與有機碳、全氮含量的相關系數分別0.569，0.570，SNPK處理小麥產量與土壤有機碳、全氮含量相關系數分別為0.479，0.561，MNPK、SNPK處理中有機碳、全氮含量與小麥產量相關性均達到極顯著水平。NPK、MNPK、SNPK處理全氮、有機碳含量與產量均表現為正相關。

表2 土壤有機碳、全氮含量與小麥產量的關系Tab.2 The relationship between wheat yield and organic carbon，total nitrogen contents

3 結論與討論

3.1 不同施肥措施對小麥產量和農田基礎地力的影響

提高作物產量是農業(yè)生產中的最終目標[19]，而施肥可以提高土壤肥力進而提高作物產量[20]，本研究表明，NPK、MNPK、SNPK處理不同年份間小麥產量變化呈現鋸齒狀，在同一試驗年份小麥產量呈現同時上升或下降，這表明溫度、降雨、病害等因素也會影響產量的波動。與CK相比，NPK、MNPK、SNPK處理均可增加小麥產量。這說明長期施肥有利于小麥產量的提高。施肥處理總體表現為2008年之前NPK處理小麥產量大體上高于MNPK、SNPK處理，2009-2018年NPK處理小麥產量大體上低于MNPK、SNPK處理，這表明施用化肥能快速增加土壤中的速效養(yǎng)分，滿足小麥生長需求，而施用有機肥料肥效慢，但有長效性，可以使土壤肥料逐漸提高能增加土壤供肥容量，最終提高作物產量[14，16]。這一結論與查燕等[10]長期有機無機配施對農田基礎地力提升的影響結果一致。而且進一步證明施用有機肥或者秸稈還田具有長期累積效應。另外，也表明了提高基礎地力產量后，能減少作物產量對外源肥料的依賴。但也有研究認為，施用肥料有效成分含量相同的條件下，有機肥肥效低于或等于化肥[21]。

CV值可用來反映農田生態(tài)系統(tǒng)質量好壞，SYI值可用來評價農田生態(tài)系統(tǒng)是否能持續(xù)生產。本研究表明，NPK、SNPK、MNPK處理小麥產量的CV值均低于CK，而SYI值均高于CK。這與李忠芳等[18]和Manna等[19]研究認為長期施肥可以提高作物產量穩(wěn)定性和持續(xù)性的結論一致。王婷等[22]研究認為，均衡施肥能顯著增加作物產量，保持農田生產力的穩(wěn)定。本研究中，SNPK處理小麥產量穩(wěn)定性、SYI值高于MNPK處理，這可能因為氮磷鉀化肥配施有機肥處理在試驗前期因為氮磷鉀化肥投入量不足，有機肥礦化的養(yǎng)分少，這使小麥產量受到影響，產量增加慢，隨試驗年限的延長，有機養(yǎng)分礦化增加，提高了土壤肥力，但是在礦化的有機養(yǎng)分沒達到小麥所需養(yǎng)分之前，其產量受到很大影響，后期產量增加幅度較大，致使產量整體波動較大。

3.2 長期施肥對土壤有機碳和全氮含量的影響

作物根系分泌物、根茬及有機物料是土壤有機碳的主要來源。本研究表明，CK土壤有機碳含量較試驗起始時也有所增加，可能因為作物根茬歸還。徐娜等[23]在陜西長武監(jiān)測中也發(fā)現，長期不施肥處理土壤中有機碳含量略有增加。但也存在不同試驗結果，許詠梅等[24]和張秀芝等[14]在灰漠土、黑土上的研究發(fā)現，不施肥處理土壤有機碳含量呈現下降趨勢。這可能與土壤類型、氣候、作物種植種類有關。俄勝哲等[25]在黃土高原黑壚土上的研究表明，施用有機肥和秸稈還田能顯著增加有機碳含量。本研究表明，MNPK、SNPK處理土壤有機碳的含量大體上高于NPK處理，其中MNPK對有機碳含量提升效果最明顯，說明有機物料的投入較單施化肥效果更佳，且化肥配施有機肥對有機碳的積累效果最好。這可能因為有機肥為土壤提供了碳源，而且改善了土壤環(huán)境提高了微生物的活性，促進了有機碳的轉化，從而提升了有機碳含量[26]。有研究還認為，秸稈還田比有機肥更易礦化腐解，且土壤固存率低，會導致有機碳含量低于施有機肥的處理[11]。

土壤全氮含量與有機碳含量變化規(guī)律相同，MNPK、SNPK處理土壤全氮含量大體上高于NPK處理，且MNPK處理土壤全氮含量最高，這可能施用有機物料之后易分解的部分當季釋放出氮，難分解的部分礦化慢、持效長，長期使用可產生累積效應，而且施有機肥可以減少土壤中氮素的流失[27]。楊振興等[28]研究也表明，有機無機配施處理土壤中全氮含量顯著高于化肥處理。投入有機肥可以增加全氮含量，不僅是由于其含有機氮，還由于其能減少化學氮的損失。所以氮磷鉀化肥與有機肥配施是增加土壤全氮含量、提高供氮能力的有效途徑。土壤有機碳含量與全氮含量呈正相關。此外，有些研究表明，土壤中有機碳、全氮含量與作物產量存在正相關關系[14，22-23]。本研究也得到相似的結論，通過對不同年限土壤有機碳、全氮含量與對應的小麥產量進行相關分析表明，小麥產量與土壤有機碳、全氮含量呈正相關。