賀蘭山東麓土壤有機碳對玉米生長發(fā)育及水分利用的影響

肖國舉 ，李秀靜，郭占強，胡延斌，王靜

1.寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730020

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布《排放差距報告》警告，如果全球溫室氣體不能在 2020—2030年以每年7.6%的水平下降，世界將難以實現(xiàn)1.5 ℃的控溫目標（Xia et al.，2017；秦大河，2014）。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放乃至溫室效應(yīng)有重要影響（Liu et al.，2018；熊正琴等，2017）。過去 30年間全球土壤呼吸釋放的碳以0.10 Pg·a-1的速率增加，說明全球氣候變暖條件下土壤有機碳分解的速率在加快（Bond-Lamberty et al.，2010）。土壤有機碳庫是碳庫中最活躍的組成部分（郭洋等，2016），它的細微變化都將影響碳向大氣的排放，進而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能（吳萌等，2016；陳曉芬等，2019），陸地碳循環(huán)總碳量中約4/5的碳量以有機碳形式存在于土壤中（張維理等，2020）。土壤有機碳是農(nóng)作物生長發(fā)育的根基（Wilding et al.，2005；Schlesinger，1990），也是陸地重要的碳匯，它能夠?qū)⒋髿庵械腃O2礦化并儲存到土壤中，在全球碳平衡中起著關(guān)鍵的作用。

全球陸地生態(tài)系統(tǒng)保障低碳排放不僅是全球氣候治理、保護地球家園、構(gòu)建人類命運共同體的重大需求，也是我國高質(zhì)量發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境綜合治理的內(nèi)在需求。寧夏賀蘭山東麓黃河流域生態(tài)高質(zhì)量發(fā)展區(qū)，位于河套平原的西南部，賀蘭山與鄂爾多斯高原之間，經(jīng)黃河長期沖積和賀蘭山長期洪積而成，南北82 km，東西64 km。寧夏黃河灌溉區(qū)資源優(yōu)勢明顯，夏季最熱月平均氣溫18—26 ℃，日最高氣溫≥30 ℃的暑熱天數(shù)少于10 d，太陽總輻射年總值6.23×109W·m-2左右。黃河年均過境水量達300億m3，光、熱、水、土等農(nóng)業(yè)自然資源配合較好，為發(fā)展農(nóng)業(yè)提供極有利條件。研究寧夏賀蘭山東麓黃河灌溉區(qū)土壤有機碳對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物生長發(fā)育的影響，對于保障國家糧食安全、生態(tài)安全和耕地可持續(xù)利用具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究基地概況

試驗基地設(shè)在寧夏賀蘭山東麓鎮(zhèn)北堡（38.62°N，106.09°E），海拔高度1140 m，屬于黃河灌溉區(qū)灌淤土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。氣候相對干燥，地表蒸發(fā)旺盛，四季分明，晝夜溫差大，春季大風(fēng)日數(shù)較多。年平均氣溫8.0 ℃左右，年平均日照時數(shù)2800—3000 h，年均降水量200 mm左右，無霜期185 d左右。試驗基地種植作物以玉米（Zea maysL.）、小麥（Triticum aestivumL.）為主，一年一熟或小麥玉米間作套作。

1.2 研究方法

采用田間定位試驗調(diào)查的方法，取樣時間2017—2020年。2017年4月1日，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)2 km×4 km范圍內(nèi)，采用棋盤式布點法，用GPS確定并標記36個樣點位置，每個樣點面積1 m2（1 m×1 m），記錄地理坐標，要求樣點位置均勻落在農(nóng)田內(nèi)，排除落在溝、渠、路的取樣點（圖1）。

圖1 寧夏賀蘭山東麓鎮(zhèn)北堡采樣點樣方示意圖Figure 1 Plot diagram of Zhenbeibu sampling point in eastern foot of Helan mountains, Ningxia

1.3 樣品采集與處理

試驗基地以地表5—10 cm地溫穩(wěn)定在12 ℃以上確定為玉米適宜播種期。調(diào)查期間，在標記確定的36個樣點小區(qū)，每年4月10—15日采用4行玉米播種機進行播種。玉米品種選用九粟 907，種子籽粒飽滿，播種量45.0 kg·hm-2。播種深度3—5 cm，采用寬、窄行種植方式，窄行0.4 m，寬行0.7 m，株距0.25 m。種植密度7300 plant·hm-2。為確保不同年份玉米生長期具有相當穩(wěn)定的耗水量，參照當年玉米生育期自然降雨情況，玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期與開花期采用小區(qū)畦田（10 m×20 m）灌溉4次，灌溉量分別為120—150、120—150、150—200與120—150 mm，全生育期灌溉量620—740 mm（表 1）。玉米全生育期施純氮210 kg·hm-2，純P2O5120 kg·hm-2。其中氮肥總量的30%—40%為基肥，60%—70%為追肥。追肥中穗肥占 60%，粒肥占10%。磷肥只作基肥施用。

表1 玉米全生育期降水量、灌溉量及耗水量Table 1 Precipitation, irrigation amount and water consumption during the whole growth period of corn

調(diào)查期每年9月25—30日收獲玉米，在標記的36個樣點小區(qū)（1 m×1 m），采用人工收獲玉米。同時采集玉米根、莖、葉與穗，及土壤樣品。采集土壤樣品選用耕作層（0—20 cm），每次延小區(qū)兩條對角線取樣5個，樣品均勻混合。采集土壤樣品篩選出＞2 mm的礫石、植物根系、作物落葉，進行風(fēng)干、研磨、過篩、稱重、裝袋標號并保存。

試驗調(diào)查基地土壤養(yǎng)分狀況（表 2），全氮含量 0.51—0.68 g·kg-1，全磷含量 0.56—0.68 g·kg-1，全鹽為 0.15—0.36 g·kg-1，pH 為 8.01—9.04，堿解氮為 48.14—72.56 mg·kg-1，速效磷為13.46—21.20 mg·kg-1，速效鉀為 196.61—257.94 mg·kg-1。

表2 2017—2020年試驗基地玉米耕層土壤理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of soil plough layer in field of corn in 2017-2020

玉米耕層土壤有機碳含量范圍 1.0—15.0 g·kg-1，按土壤有機碳含量 0—3.0、3.0—6.0、6.0—9.0、9.0—12.0、12.0—15.0 g·kg-1分 5 個級別。每個級別土壤有機碳平均值分別為T1=2.45 g·kg-1，T2=4.94 g·kg-1，T3=7.95 g·kg-1，T4=11.12 g·kg-1，T5=13.52 g·kg-1，對比分析土壤耕作層有機碳各級別間樣品數(shù)及樣品比例（表3）。

表3 2017—2020年土壤耕作層有機碳樣品數(shù)及分級Table 3 Sampling number and classification of soil organic carbon in tillage layer from 2017 to 2020

1.4 樣品測定

在試驗調(diào)查期間，選定玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽絲期、開花期、成熟期進行玉米光合及生長發(fā)育指標測定。每次在早上08:00至中午14:00進行對玉米不同生育期的光合指標進行測定記錄。利用美國產(chǎn)的LI-COR6400便攜式光合儀，選擇晴朗天氣，利用自然光源對采樣點的玉米穗三葉進行有效光合測量。每次按標記的 36個采樣點位置測量玉米葉片凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度，3次重復(fù)并取平均值。同時，利用葉綠素測定儀SPAD-502Plus，測量葉綠素，3次重復(fù)并取平均值。玉米不同生育期的株高、胸徑，進行有效測量。玉米成熟期對玉米的根、莖、葉、穗分別清洗、記號、裝入紙袋，放入烘箱，在105 ℃殺青0.5 h后，再70—80 ℃烘干，分稱其質(zhì)量。測量玉米穗粗、穗長、穗粒數(shù)、穗質(zhì)量及百粒重。

玉米成熟期，采集土壤、植物樣品進行理化性質(zhì)，及有機碳等各項指標的測定。樣品指標檢測方法（鮑士旦，2018）：有機碳采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法；全氮采用半微量凱氏定氮法；全磷采用鉬酸銨分光光度法；全碳采用重鉻酸鉀容量法；堿解氮采用堿解擴散法；速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法；速效鉀采用火焰光度法；pH值采用酸度計法；Ca2+和Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法，Na+和K+采用火焰光度法，CO32-和HCO3-采用雙指示劑中和滴定法，Cl-采用 AgNO3滴定法，SO42-采用EDTA容量法；土壤全鹽測定換算關(guān)系如下：

St——土壤全鹽含量（g·kg-1）；

γ1∶5——1∶5 土水比土壤浸提液電導(dǎo)率，土壤電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為土壤全鹽。

1.5 數(shù)據(jù)整理

通過測定土壤有機質(zhì)，凈光合速率、蒸騰速率，葉長、葉寬，單位面積株數(shù)，利用公式（2）、（3）、（4）、（5）分別計算土壤有機碳、葉片水分利用效率、單株葉面積及葉面積指數(shù)。

式中：

w(SOC)——土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)（g·kg-1）；

w(SOM)——土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)（g·kg-1）。

式中：

EL——葉片水分利用效率（μmol·mmol-1）；

P——凈光合速率（μmol·m-2·s-1）；

T——蒸騰速率（mmol·m-2·s-1）。

式中：

AL——單株葉面積（m2）；

l——葉長（m）；

b——葉寬（m）；

r——系數(shù)（完全展開葉r為0.75，未完全展開葉r為0.50）。

式中：

R(LAI)——葉面積指數(shù)；

AL——單株葉面積（m2）；

ρ——種植密度（plant·m-2）。

生物量包括根、莖、葉、穗等所有器官所生產(chǎn)的有機物質(zhì)總量。玉米播種期、苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽絲期、開花期、成熟期，利用公式（5）確定不同階段農(nóng)田耗水量。

式中：

E——水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；

Y——玉米產(chǎn)量（kg·hm-2）；

I——玉米生育期間實際耗水量（mm），即各階段耗水量之和。

記錄試驗調(diào)查期間研究基地年均氣溫、年降水量，以及玉米全生育期氣溫、降水量等農(nóng)業(yè)氣候資源數(shù)據(jù)。采用Excel 2019繪制圖表，試驗調(diào)查結(jié)果應(yīng)用SPSS 24.0軟件進行相關(guān)性線性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳對玉米光合作用的影響

2.1.1 土壤有機碳對玉米凈光合速率與蒸騰速率的影響

玉米全生育期凈光合速率大致呈M型，其中大喇叭口期與抽絲期峰值較高。大喇叭口期凈光合速率的值 T5＞T4＞T2＞T3＞T1，抽絲期凈光合速率的值T5＞T4＞T2=T3＞T1。隨著 T1—T5 土壤有機碳的增多，凈光合速率的數(shù)值在各個生育期內(nèi)也隨之升高，兩者呈明顯的正相關(guān)（圖 2），在抽絲期數(shù)值達到了最大，為 54.23 μmol·m-2·s-1隨著 T1—T5 土壤有機碳的增多，玉米蒸騰速率在各個生育期體現(xiàn)為先減后增的趨勢。T5出現(xiàn)的峰值晚于T1，說明土壤有機碳越多，蒸騰速率最高值可能出現(xiàn)的越晚。蒸騰速率的峰值出現(xiàn)在大喇叭口期和開花期，該階段玉米蒸騰速率旺盛，凈光合速率的增強引起葉片氣孔的開放，減少了氣孔的阻力。拔節(jié)期和大喇叭口期土壤有機碳與蒸騰速率呈負相關(guān)，后期兩者呈不明顯的正相關(guān)。

圖2 土壤有機碳對玉米不同生育期凈光合速率與蒸騰速率的影響Figure 2 Effects of soil organic carbon on net photosynthetic rate and transpiration rate at different growth stages of corn

2.1.2 土壤有機碳對玉米氣孔導(dǎo)度與胞間 CO2濃度的影響

玉米不同生育期土壤有機碳與氣孔導(dǎo)度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著T1—T5土壤有機碳的增加，玉米氣孔導(dǎo)度隨之增加（圖 3）。峰值出現(xiàn)在開花期，氣孔導(dǎo)度在開花期 T5＞T4＞T3＞T2＞T1，土壤有機碳對氣孔導(dǎo)度的影響較明顯。隨著土壤有機碳的增大，玉米不同生育期胞間CO2濃度呈現(xiàn)波動下降的趨勢，兩者呈負相關(guān)。在抽絲期 T1＞T3＞T2＞T4＞T5，在大喇叭口期、開花期、抽絲期、成熟期，胞間CO2濃度的數(shù)值都很低，說明光合活性較高。

圖3 土壤有機碳對玉米不同生育期氣孔導(dǎo)度與胞間CO2摩爾分數(shù)的影響Figure 3 Effects of soil organic carbon on stomatal conductance and mole fraction of intercellular CO2 at different growth stages of corn

2.1.3 土壤有機碳對玉米葉片水分利用效率和葉綠素的影響

玉米拔節(jié)期，大喇叭口期和成熟期，隨著土壤有機碳含量的增加，葉片水分利用效率呈現(xiàn)波動增加趨勢，其中拔節(jié)期最顯著。開花期葉片水分利用效率先減后增，抽絲期葉片水分利用效率呈現(xiàn)T1＞T2＞T3＞T5＞T4，兩者呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)，數(shù)值達到最大值（圖4）。玉米拔節(jié)期葉綠素質(zhì)量濃度隨著土壤有機碳的增加先增加，到達一定數(shù)值后保持不變，說明土壤有機碳在拔節(jié)期影響玉米葉綠素質(zhì)量濃度時，是有一定范圍的。玉米大喇叭口期葉綠素質(zhì)量濃度隨著土壤有機碳的增加波動升高，而在開花期、抽絲期和成熟期兩者的關(guān)系不明顯。T1、T2、T3、T5在開花期葉綠素質(zhì)量濃度達到整個生長期的最大值，而 T4在大喇叭口期和成熟期出現(xiàn)峰值，在玉米生長后期表現(xiàn)為較高的含量。

圖4 土壤有機碳對玉米不同生育期葉片水分利用效率與葉綠素質(zhì)量濃度的影響Figure 4 Effects of soil organic carbon on leaf water use efficiency and chlorophyll at different growth stages of corn

2.2 土壤有機碳對玉米生長發(fā)育的影響

2.2.1 土壤有機碳對玉米株高和胸徑的影響

玉米開花期之前株高保持較高的增長速率，開花期之后玉米株高的增長速率放緩（圖 5）。大喇叭口期，玉米株高 T4＞T3＞T5＞T2＞T1，抽絲期和成熟期 T4＜T5＜T1＜T2＜T3。在拔節(jié)期和大喇叭口期，T4株高受土壤有機碳的影響遠大于其他的梯度，在生長發(fā)育后期株高保持恒定。由表4可以看出，拔節(jié)期和大喇叭口期，土壤有機碳與株高呈高度正相關(guān)；開花期、抽絲期和成熟期，土壤有機碳與株高呈顯著正相關(guān)。土壤有機碳對玉米胸徑的影響體現(xiàn)在開花期之前快速生長，開花期之后緩慢生長。拔節(jié)期、大喇叭口期 T4均大于其他梯度，在生長后期達到一定的恒定值。拔節(jié)期、大喇叭口期和開花期，土壤有機碳與胸徑呈高度正相關(guān)。

圖5 土壤有機碳對玉米不同生育期株高與胸徑的影響Figure 5 Effects of soil organic carbon on plant height and diameter at breast height at different growth stages of corn

2.2.2 土壤有機碳對玉米葉面積的影響

開花期之前，玉米葉面積增長率最大，開花期葉面積達到極大值（圖 6）。開花期之后，葉面積略有下降并保持恒定，老葉片萎縮，新生葉片較少。拔節(jié)期和大喇叭口期，土壤有機碳與單株葉面積呈顯著正相關(guān)，開花期二者低度負相關(guān)，在抽絲期和成熟期，二者相關(guān)性不明顯（表4）。開花期之前，玉米葉面積指數(shù)增長率最大，開花期葉面積指數(shù)達到了極大值。開花期之后，葉面積指數(shù)略有下降并保持恒定。大喇叭口期，土壤有機碳與葉面積指數(shù)呈低度負相關(guān)，其他時期二者相關(guān)性不明顯。

表4 土壤有機碳與玉米生長發(fā)育的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between soil organic carbon and growth at different growth stages of corn

圖6 土壤有機碳對玉米不同生育期單株葉面積和葉面積指數(shù)的影響Figure 6 Effects of soil organic carbon on leaf area per and leaf area index at different growth stages of corn

2.2.3 土壤有機碳對玉米穗長與穗粗的影響

隨著土壤有機碳的增加，玉米穗長與穗粗呈增加趨勢（圖7）。土壤有機碳從2.45 g·kg-1（T1）增加到13.52 g·kg-1（T5），玉米穗長從14.0 cm增加到20.2 cm，穗長增加44.3%。土壤有機碳與穗長呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.646—0.5120。土壤有機碳從 2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，玉米穗粗則從4.23 cm增加到5.12 cm，穗粗增加21.0%。土壤有機碳與穗粗呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.396—0.6259。

圖7 土壤有機碳對玉米單株穗長和穗粗的影響Figure 7 Effects of soil organic carbon on ear length and diameter per plant of corn

2.3 土壤有機碳對玉米各器官干重及生物量的影響

2.3.1 土壤有機碳對玉米根、莖、葉、穗干質(zhì)量的影響

試驗調(diào)查研究表明隨著耕層土壤有機碳的增加，玉米根、莖、葉與穗干質(zhì)量呈波動增加趨勢，土壤有機碳與玉米根、莖、葉與穗干質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系（圖8）。土壤有機碳從2.45 g·kg-1（T1）增加到13.52 g·kg-1（T5），玉米根干質(zhì)量從39.43 g增加到63.77 g，莖干質(zhì)量從71.74 g增加到93.42 g，葉干質(zhì)量從 55.18 g增加到 70.15 g，穗干質(zhì)量從138.00 g增加到164.18 g，根、莖、葉與穗干質(zhì)量分別增加了61.8%，30.2%，27.1%與19.0%。

圖8 土壤有機碳對玉米根、莖、葉與穗干質(zhì)量的影響Figure 8 Effects of soil organic carbon on dry mass of roots, stems, leaves and ears of corn

2.3.2 土壤有機碳對玉米生物量的影響

試驗調(diào)查研究表明隨著耕層土壤有機碳的增加，玉米生物量也呈現(xiàn)波動增加趨勢。總體來看土壤有機碳與玉米生物量呈正相關(guān)，土壤有機碳從2.45 g·kg-1（T1）增加到13.52 g·kg-1（T5），玉米生物量從15.6 t·hm-2增加到 19.1 t·hm-2，增加 22.4%（圖 9）。

圖9 土壤有機碳對玉米生物量的影響Figure 9 Effects of soil organic carbon on biological yield of corn

2.4 土壤有機碳對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

2.4.1 土壤有機碳對玉米穗粒數(shù)與穗重的影響

試驗調(diào)查研究表明隨著耕層土壤有機碳的增加，玉米單株穗粒數(shù)與穗重呈增加趨勢（圖10）。土壤有機碳從 2.45 g·kg-1（T1）增加到 13.52 g·kg-1（T5），玉米單株穗粒數(shù)則從387粒增加到578粒，穗粒數(shù)增加49.3%。土壤有機碳與穗粒數(shù)呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.441—0.455。土壤有機碳從2.45 g·kg-1增加到13.52 g·kg-1，玉米單株穗重從138.48 g增加到236.18 g，穗重增加70.5%。土壤有機碳與穗重呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.475—0.595。

圖10 土壤有機碳與玉米單株穗和穗質(zhì)量的影響Figure 10 Effects of soil organic carbon on the ear number of kernels and mass per ear of corn

2.4.2 土壤有機碳對玉米產(chǎn)量的影響

玉米產(chǎn)量隨土壤有機碳的增加呈現(xiàn)波動增加趨勢，土壤有機碳與玉米產(chǎn)量呈正相關(guān)。土壤有機碳從 0—3 g·kg-1增加到 12—15 g·kg-1，玉米產(chǎn)量從9.1—9.6 t·hm-2增加到 14.9—15.7 t·hm-2，增加55.2%—63.7%。土壤有機碳為10.5—12.0 g·kg-1時，玉米產(chǎn)量達到較高的范圍 15.5—15.7 t·hm-2；土壤有機碳超過12.0 g·kg-1，隨著土壤有機碳的增加，產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢（圖11）。

圖11 土壤有機碳對玉米實際產(chǎn)量的影響Figure 11 Effects of soil organic carbon on effective output of corn

2.4.3 土壤有機碳對玉米水分利用效率的影響

玉米水分利用效率隨土壤有機碳的增加呈現(xiàn)波動增加趨勢，土壤有機碳與玉米水分利用效率呈正相關(guān)。土壤有機碳從 0—3 g·kg-1增加到 12—15 g·kg-1，玉米 水 分 利 用 效 率 從 8.9—11.9 kg·hm-2·mm-1增加到 18.0—18.3 kg·hm-2·mm-1，增加53.8%—105.6%。土壤有機碳為超過11.5 g·kg-1，隨著土壤有機碳的增加，玉米水分利用效率呈現(xiàn)下降趨勢（圖12）。

圖12 土壤有機碳對玉米水分利用效率的影響Figure 12 Effects of soil organic carbon on water use efficiency of corn

3 討論

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大且最活躍的碳庫之一，農(nóng)田土壤是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫。據(jù)估算全球1 m深度的土壤中貯存的有機碳量約為1500 Gt，超過了植被與大氣有機碳儲量之和（李飛躍等，2013）。農(nóng)田土壤有機碳不斷分解，減少了土壤碳儲存；同時植被碳庫向土壤碳庫流動，從而增加土壤碳庫。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正是這兩種作用的結(jié)果，體現(xiàn)了有機碳的收支平衡（潘根興等，2005）。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機碳的積累和分解，直接或間接影響土壤質(zhì)量。土壤有機碳能夠促進土壤團聚體的形成，提高土壤團聚體的穩(wěn)定性（余健等，2014）。土壤有機碳能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤通氣透水，蓄水保肥，改變植物根系的生長環(huán)境。農(nóng)田土壤有機碳是植物所需氮、磷、碳、硫及微量元素各種養(yǎng)分的主要來源。土壤有機碳間接為農(nóng)作物提供多種有機酸和腐殖酸，對土壤礦質(zhì)部分有一定的溶解能力，提高土壤養(yǎng)分的有效吸收（寒冰等，2013）。

土壤有機碳有利于提高作物光合作用水平，增強作物生長長勢。施用有機肥、農(nóng)家肥及秸稈還田都是顯著增加土壤有機碳的有效途徑。隨著有機肥施用量的增加，玉米葉片各生育時期的葉片光合速率和氣孔導(dǎo)度顯著增大，胞間 CO2濃度逐漸減小（Wu，2020；王曉娟等，2012）。秸稈還田使玉米葉片的光合速率和蒸騰速率持續(xù)出現(xiàn)高值，水分利用效率也顯著提高，葉綠素含量增加，葉面積指數(shù)顯著提高，作物產(chǎn)量顯著增加（王寧等，2007；高飛等，2011）。沼肥與化肥配施提高玉米光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量，提高玉米的品質(zhì)。生物炭、有機肥與化肥配合施用促進凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與葉綠素含量，提高水分利用效率（艾俊國等，2015，彭輝輝等，2016）。本研究表明玉米全生育期凈光合速率、蒸騰速率隨土壤有機碳的增多而升高。氣孔導(dǎo)度與土壤有機碳呈正相關(guān)關(guān)系，胞間CO2濃度與土壤有機碳呈負相關(guān)關(guān)系。在玉米拔節(jié)期，大喇叭口期，葉片水分利用效率和葉綠素隨著土壤有機碳的增加波動增加。由于受到自然條件和人類活動的影響，土壤有機碳對玉米生理生態(tài)的影響也有較大差異，但總體看其影響都是積極的、有利的。

土壤有機碳可以顯著提高作物根冠比，提高作物光合葉面積，增加作物根重、根長，改良作物群體生長水平，促進作物生長發(fā)育（慕平等，2012；岳楊等，2020）。施用生物有機肥對玉米根長、根干質(zhì)量、葉面積、株高和產(chǎn)量均有提高作用。化肥與有機肥配合施用可顯著提高玉米植株葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量（李北齊等，2011；刁生鵬等，2018）。添加生物質(zhì)炭和有機物料提高了土壤有機質(zhì)含量，增加了玉米株高和生物量。改善作物栽培水平是維持或提高土壤有機碳的基礎(chǔ)，土壤固碳與作物根茬有機碳輸入量之間呈顯著線性關(guān)系（張影等，2017）。本研究表明玉米穗長與穗粗隨土壤有機碳的增加而增加。土壤有機碳從2.45 g·kg-1增加到13.52 g·kg-1，玉米穗長增加44.3%與21.0%。土壤有機碳與玉米根、莖、葉與穗干質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系。土壤有機碳從 2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，玉米根干質(zhì)量從39.43 g增加到63.77 g，莖干質(zhì)量從71.74 g增加到93.42 g，葉干質(zhì)量從55.18 g增加到70.15 g，穗干質(zhì)量從138.00 g增加到164.18 g，根、莖、葉與穗干質(zhì)量分別增加了61.8%，30.2%，27.1%與19.0%。

如何分析不同土壤有機碳含量下作物產(chǎn)量的變化趨勢，以及土壤有機碳與作物產(chǎn)量協(xié)同效應(yīng)關(guān)系是研究低碳農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容（賀美等，2017）。大量研究表明合理提高土壤有機碳水平可以顯著提高作物生產(chǎn)水平（王衛(wèi)等，2002）。土壤碳含量每增加 1 g·kg-1，北方地區(qū)玉米產(chǎn)量約增加 176—328 kg·hm-2（邱建軍等，2009）。本研究表明隨著土壤有機碳的增加，玉米百粒重、籽粒干物質(zhì)積累顯著增加。土壤有機碳從 2.45g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，玉米單株穗粒數(shù)、穗質(zhì)量分別增加49.3%與70.5%。土壤有機碳從 2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，玉米生物量增加31.6%，產(chǎn)量增加50.4%。土壤有機碳為10.5—12.0 g·kg-1時，玉米產(chǎn)量達到較高的范圍 15.5—15.7 t·hm-2，超過 12.0 g·kg-1，隨著土壤有機碳的增加，產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢。土壤有機碳超過11.5 g·kg-1，隨著土壤有機碳的增加，玉米水分利用效率呈現(xiàn)下降趨勢。

農(nóng)田土壤有機碳的積累和分解，不僅影響作物生產(chǎn)水平，而且對區(qū)域乃至全球環(huán)境產(chǎn)生重要影響（潘根興等，2005）。農(nóng)田土壤有機碳與重金屬離子的作用，土壤腐殖物質(zhì)含有多種功能基，這些功能基對重金屬離子有較強的絡(luò)合和富集能力。土壤有機物質(zhì)對農(nóng)藥等有機污染物的固定作用，SOC對農(nóng)藥等有機污染物有很強的親和力，對有機污染物在土壤中的生物活性、殘留、生物降解、遷移和蒸發(fā)等過程有重要的影響。可溶性腐殖物質(zhì)能增加農(nóng)藥從土壤向地下水的遷移，能更有效地遷移農(nóng)藥和其他有機物質(zhì)。腐殖物質(zhì)還能作為還原劑而改變農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)、活性、降低毒性。合理的農(nóng)田土壤有機碳對提高土壤固碳潛力，減緩溫室氣體排放（Xiao et al.，2020），實現(xiàn)碳達峰與碳中和具有重要意義。

4 結(jié)論

2017—2020年，選擇寧夏賀蘭山東麓黃河灌溉生態(tài)試驗示范區(qū)，通過玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查取樣研究表明，玉米凈光合速率隨著土壤有機碳含量的增加而升高，蒸騰速率表現(xiàn)為先減后增；氣孔導(dǎo)度與土壤有機碳呈正相關(guān)關(guān)系，峰值出現(xiàn)在開花期；胞間CO2濃度與土壤有機碳呈負相關(guān)關(guān)系；玉米拔節(jié)期，大喇叭口期和成熟期隨著土壤有機碳含量的增加，葉片水分利用效率也波動增加，其中拔節(jié)期最顯著；玉米拔節(jié)期，葉綠素質(zhì)量濃度隨著土壤有機碳的增加先增加，到達一定數(shù)值后保持不變；土壤有機碳對玉米的株高、胸徑、單株葉面積、葉面積指數(shù)都呈正相關(guān)關(guān)系。土壤有機碳從2.45 g·kg-1增加到13.52 g·kg-1，玉米單株穗粒數(shù)、穗質(zhì)量分別增加49.3%與70.5%。農(nóng)田土壤有機碳與玉米生物量、產(chǎn)量呈正相關(guān)，土壤有機碳從2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，生物量增加 31.6%，產(chǎn)量增加43.9%。玉米水分利用效率隨土壤有機碳的增加而升高。土壤有機碳從 2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，水分利用效率從 12.5 kg·hm-2·mm-1增加到18.8 kg·hm-2·mm-1，增加 50.4%。土壤有機碳為 10.5—12.0 g·kg-1時，玉米產(chǎn)量達到較高的范圍15.5—15.7 t·hm-2；土壤有機碳超過 12.0 g·kg-1，隨著土壤有機碳的增加，產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢。土壤有機碳超過11.5 g·kg-1，隨著土壤有機碳的增加，玉米水分利用效率呈現(xiàn)下降。研究認為土壤有機碳存在一定閾值，隨著土壤有機碳的增加，玉米生物量、產(chǎn)量在達到一定峰值后出現(xiàn)下降趨勢。綜合考慮土壤有機碳在玉米生理生態(tài)、生長發(fā)育及水分利用狀況，提出土壤有機碳的合理閾值范圍10.0—12.0 g·kg-1。