覆膜和施化肥對土壤有機碳含量及玉米、大豆產量的影響

接收日期：2023-07-24

基金項目：

國家重點專項部省聯動計劃課題（2022YFD1901505）

*通訊作者：

王小利（1979—），女，博士，教授，主要從事農田土壤有機碳的研究，E-mail：xlwang@gzu.edu.cn.

摘" 要：

以貴州安順大田試驗為依托，設置4個處理：不覆膜不施肥（non-F+CK）、不覆膜施肥（non-F+NP）、覆膜不施肥（F+CK）和覆膜施肥（F+NP），探究覆膜和施肥對土壤有機碳和玉米、大豆產量的影響，為貴州農田土壤固碳培肥和作物產量提升提供理論依據。結果表明：覆膜或施肥對土壤有機碳（SOC）影響不顯著；施肥和不施肥條件下覆膜后土壤微生物生物量碳（MBC）含量分別降低了9.1%和10.2%，施肥使土壤MBC顯著增加了8.2%～32.5%；施肥對土壤全氮（TN）的增加幅度在2.9%～76.5%之間，施肥和不施肥條件下覆膜處理的TN分別降低了11.4%（Plt;0.05）和4.4%；與non-F+NP相比，F+NP處理玉米大豆分別增產10.4%和28.6%；SOC與土壤MBC和TN呈正相關，MBC與TN呈顯著正相關關系，與C/N呈負相關，玉米和大豆產量均與MBC呈顯著正相關。綜上，覆膜不利于SOC和MBC含量的增加，施肥則相反，將覆膜與施肥相結合可增加玉米和大豆產量。

關鍵詞：

覆膜；施肥；土壤有機碳；土壤微生物生物量碳；產量

中圖分類號：

S158.3

文獻標識碼：A

文章編號：1008－0457（2024）02－0078－07

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2024.02.013

土壤有機碳作為陸地生態系統最大的碳庫，對全球碳循環和溫室效應有著重要影響，土壤有機碳含量主要由土壤有機物質的分解速率和返回土壤的作物殘體數量共同決定［1］，其含量的變化不僅影響土壤肥力，而且影響土壤與大氣之間的碳素平衡。覆膜后的土壤水熱環境變化會影響有機碳分解和合成過程，因此探討覆膜對土壤有機碳的影響對評價覆膜措施在農業生產中的可持續性具有重要意義。前人對此的研究結果尚存在差異，指出覆膜可能提高［2-3］、降低［4］或對土壤有機碳含量沒有影響［5］。施肥能夠增加作物分泌物及作物殘茬在土壤中的殘留量，與不施肥相比，短期或長期施肥對土壤有機碳含量都有提升作用［6］，但也存在僅是維持其基本含量的情況［7］。

土壤總有機碳對耕作措施和耕作制度的響應比較緩慢［8］，它僅反應了有機碳礦化分解和合成的最終結果，不能很好地表征短期內土壤有機碳的變化情況及土壤質量的內在變化［9］。微生物生物量碳（MBC）是土壤中微生物體內所含的碳，它是土壤中易分解和活躍的部分，對土壤管理措施反映敏感并且與土壤有機碳的轉化有關，因此可將其作為指示土壤有機碳變化的重要指標［10］。有關覆膜和施肥對土壤MBC含量影響的研究還存在差異。Dong等［11］指出覆膜條件下的水溫條件有利于土壤MBC含量的增加，但也有研究指出覆膜會降低MBC含量［12］；有研究認為，施肥條件下土壤養分含量的增加能夠促進MBC含量上升［13］。然而，也有研究指出，施化肥也會使得土壤pH下降，造成土壤微生物生長受抑制，從而使得施肥處理的MBC含量低于不施肥處理［14］。

覆膜能夠改善土壤水熱條件，有利于作物產量的提升［15］。Chen等［16］研究表明，覆膜顯著增加了玉米產量。施肥對作物產量的形成具有最直接的貢獻，施肥與覆膜相結合可進一步促進作物產量的形成。與僅施肥處理相比，在施肥的基礎上進行覆膜可進一步增加玉米產量［17］，在大豆上的研究也有類似的結果［18］。本研究以貴州省安順市大田試驗為依托，通過室外和室內試驗相結合的方法，研究覆膜和施肥對土壤有機碳、微生物生物量碳含量和玉米大豆產量的影響，以期為貴州農田土壤固碳培肥和作物產量提升提供理論依據。

1" 材料與方法

1.1" 試驗區概況

試驗地位于貴州省安順市西秀區雞場鄉（E 106°5′55″，N 26°6′29″），海拔1271 m，屬亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫13.2～15.0 ℃，年均降雨量968～1309 mm。土壤類型為黃壤，基本性質為pH4.54、有機碳17.06 g/kg、堿解氮126.73 mg/kg、速效磷20.92 mg/kg、速效鉀159.50 mg/kg。

1.2" 試驗設計

試驗共設置4個處理：不覆膜不施肥（non-F+CK）、不覆膜施肥（non-F+NP）、覆膜不施肥（F+CK）和覆膜施肥（F+NP），3次重復，共12個小區，小區間隔1 m，小區面積22 m2（6.6 m×3.3 m），隨機區組排列。供試地膜為白色地膜，寬度2.20 m，厚度0.01 mm。供試氮肥為尿素（含氮46.2%）、磷肥為過磷酸鈣（含P2O5 16.0%），施肥量為N 150 kg/hm2，P2O5 103 kg/hm2，所有肥料作為基肥在播種前一次性施入。種植模式為玉米大豆間作（圖1），1個完整種植帶寬度為2.20 m（2行玉米+2行大豆），玉米的株行距為30 cm×60 cm，大豆的株行距為20 cm×40 cm，玉米和大豆的行距為60 cm，玉米和大豆每穴分別留苗1株和2株。供試玉米品種為‘金玉908’，大豆品種為‘汾豆97’。于4月中旬整地，起壟覆膜并用播種器播種，5月間苗，天然降水，其他田間管理同當地栽培措施一致。

1.3" 作物產量的測定

每個小區的玉米和大豆在成熟時分別取樣，采樣方式為全部收獲玉米穗、齊根收割大豆，分別自然風干脫粒后清選稱重，并換算為公頃產量，記為玉米、大豆的實際產量。

1.4" 土壤樣品采集與測定

在作物收獲之后，在每個小區隨機采取5個點的表層土壤樣品組成一個混合土樣，去除碎石和動植物殘體后，取100 g鮮土過2 mm篩后在4 ℃下保存，用于土壤微生物生物量碳的測定，其余土壤樣品風干后過0.149 mm篩，用于土壤有機碳測定。土壤有機碳采用K2Cr2O7-H2SO4外加熱法測定；土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定［19］。測定過程為：分別稱取過2 mm篩相當于10.0 g干土重的新鮮土2份于50 mL燒杯中，調節含水量至田間持水量的45%左右，在25 ℃下預培養7 d后，1份土樣用作熏蒸組，采用氯仿熏蒸24 h后轉移到100 mL的塑料震蕩瓶中，加入40 mL0.5 mol/L K2SO4溶液（1∶4土水比），振蕩浸提30 min后過濾，提取液中的碳用K2Cr2O7-H2SO4外加熱法進行測定。另1份土樣用作未熏蒸組，其干燥器底部除了不放置氯仿外，其余操作同熏蒸組土樣。

1.5" 數據處理及統計分析

采用Excel 2019進行數據處理，采用SPSS 26.0進行方差分析，處理間多重比較采用Duncan’s新復極差法（Plt;0.05）。

2" 結果與分析

2.1" 覆膜與施肥對土壤有機碳含量的影響

方差分析結果表明，覆膜、施肥及其交互作用對土壤有機碳均沒有顯著影響（表1）。從數值上看，不同處理間以non-F+NP處理有機碳含量最高，為18.61 g/kg，F+CK處理最低，為16.64 g/kg，non-F+CK和F+NP處理有機碳含量較為接近，分別為17.53 g/kg和17.57 g/kg（圖2-a）。相同條件下，覆膜處理土壤有機碳含量較不覆膜處理低，施肥和不施肥條件下分別降低了5.9%和5.3%；施肥一定程度上增加了土壤有機碳含量，在覆膜和不覆膜條件下分別增加了5.6%和5.9%。

土壤微生物生物量碳（MBC）受覆膜的影響顯著，受施肥的影響極顯著，覆膜和施肥的交互作用對MBC的影響不顯著（表1）。處理間MBC的差異如圖2-b所示，覆膜會降低土壤MBC含量，施肥和不施肥條件下分別降低了9.1%和10.2%；無論覆膜與否，施肥均能夠顯著增加土壤MBC，F+NP處理較F+CK和non-F+CK處理分別增加了20.5%（Plt;0.05）和8.2%，non-F+NP較F+CK和non-F+CK處理分別增加了32.5%（Plt;0.05）和19.0%（Plt;0.05）。

2.2" 覆膜與施肥對土壤TN、C/N和MBC/SOC的影響

土壤TN受覆膜或施肥因素的顯著影響（表1），二者之間的交互作用不顯著，覆膜或施肥對土壤C/N和MBC/SOC的影響不顯著。如表2所示，施肥均增加了土壤TN含量，F+NP和non-F+NP處理分別較F+CK和non-F+CK處理增加了76.5%（Plt;0.05）、2.9%和21.5%（Plt;0.05）、16.1%（Plt;0.05）。覆膜降低了土壤TN含量，施肥和不施肥條件下分別降低了11.4%（Plt;0.05）和4.4%。各處理土壤C/N變化范圍在10.39～11.29之間，差異不顯著。MBC/SOC又可稱為土壤微生物熵，不同處理間的土壤微生物熵差異不顯著，變化范圍在0.9%～1.1%之間，其中F+CK處理最低，non-F+NP處理最高。

2.3" 覆膜和施肥對玉米、大豆產量的影響

玉米和大豆產量主要受施肥因素的影響，受覆膜和施肥交互作用的顯著影響（表1）。施肥增加了玉米產量（圖3-a），施肥條件下覆膜使玉米增產10.4%，而不施肥條件下，覆膜后玉米減產30.4%。施肥顯著增加大豆產量（圖3-b），F+NP和non-F+NP處理較non-F+CK分別提高89.7%和47.4%，且施肥條件下覆膜大豆增產28.6%，不施肥條件下覆膜與不覆膜處理間無顯著差異。

2.4" 土壤有機碳、全氮和作物產量間的相關性分析

相關分析結果表明（表3），土壤SOC與土壤MBC和TN呈正相關，且與TN相關性達極顯著水平，說明土壤TN含量的增加有益于SOC的提升；MBC與TN呈顯著正相關關系，與C/N呈負相關，說明增加土壤TN含量有助于MBC的提升，而土壤C/N較高可能不益于土壤微生物的生長繁殖，不利于MBC含量的提升；MY與MBC和TN呈顯著正相關，SY與MBC呈顯著正相關，說明MBC含量與玉米大豆產量有著密切關系。

3" 討論與結論

本研究結果表明，覆膜降低了土壤有機碳含量，施肥和不施肥條件下分別降低了5.9%和5.3%。施肥增加了土壤有機碳含量，在覆膜和不覆膜條件下分別增加了5.6%和5.9%。覆膜降低了MBC含量，施肥和不施肥條件下分別降低了9.1%和10.2%，施肥則增加了土壤MBC，覆膜和不覆膜條件下分別增加了20.5%和19.0%。此外，將覆膜與施肥相結合，能夠顯著提升玉米和大豆的產量，且二者總產量較non-F+NP處理高出12.2%。

土壤有機碳作為評判土壤肥力和衡量碳循環的重要參考因素［20］，其含量高低受外源碳輸入和土壤碳輸出的調控［1］。覆膜和施肥改變了土壤水熱環境和養分條件，會使有機碳含量發生變化［21］。本研究結果表明，覆膜降低了土壤有機碳含量，一項在玉米-小麥輪作體系上進行的覆膜試驗結果表明，地膜覆蓋使得土壤有機碳含量有所下降［11］，這與本研究一致。可能是地膜覆蓋阻隔了地上部作物凋落物向土壤中的歸還，而不覆膜處理土壤能夠接納地上部植株的殘體，有更多的枯枝落葉等外源碳的輸入，加之本研究中不覆膜處理的微生物量高于覆膜處理，外源有機碳在土壤微生物的介導下轉化為有機碳而穩定存在［22］，這就使得不覆膜處理的有機碳含量高于覆膜處理。施肥作為主要的農業管理措施，在提升土壤肥力的同時對有機碳含量有積極的影響［23］。本研究中，施肥增加了土壤有機碳含量。前人在黃泥田水稻土上進行的定位試驗表明，化肥施用提高了土壤有機碳含量，0～15 cm和15～30 cm土層分別增加了2.0%和6.5%［6］，這與本研究一致。原因與施肥增加作物生物量，從而增加作物殘茬和根系向土壤中的輸入有著密切關系［24］。

土壤微生物生物量碳（MBC）被認為是表征土壤質量的重要指標之一，對農業生態系統的養分循環有著重要影響［25］。覆膜能夠影響土壤水溫、作物根系分布和土壤孔隙度等因素［12］，引起土壤理化性質和生物學特征的改變，從而使MBC發生變化。本研究中，覆膜降低了MBC含量。肖讓等［26］也指出單一覆膜處理抑制了土壤微生物的繁殖，降低了土壤微生物生物量碳，這與本研究結果一致。一方面可能是覆膜下的低氧和增溫環境抑制了微生物活性［12］，另一方面可能是覆膜后土壤團聚體對有機碳物理保護作用增強使其不易被微生物利用［27］。此外，未覆膜處理會有較多的作物殘茬歸還到土壤中，這也可能是造成未覆膜處理MBC高于覆膜處理的一個原因。本研究中，施肥增加了土壤MBC。有研究表明，施肥處理的土壤MBC較不施肥處理平均增加了25.3%和26.8%［28］，這與本研究結果一致。這是由于施肥能夠為微生物提供氮源，例如本研究中，施肥處理的土壤全氮含量均高于相應的不施肥處理，并且施肥能夠增加作物殘茬的歸還量和促進根系分泌物的釋放［29］，有利于微生物的生長繁殖，從而增加了MBC。微生物熵（MBC/SOC）常被用來反映土壤礦化部分有機碳的穩定性［30］，其值較低表明土壤有機碳穩定性較高［31］，數值一般在1%～5%之間［32］。本研究中，相同條件下的覆膜處理MBC/SOC低于不覆膜處理，而施肥處理MBC/SOC高于不施肥處理，反映出覆膜有利于土壤有機碳穩定性的提升，而施肥則相反。

本研究結果表明，覆膜與施肥相結合，能夠顯著提升玉米和大豆的產量。這與Zhang等［33］研究結果一致。原因可能是由于覆膜延長了玉米的灌漿時間并提高了灌漿速率［34］以及提高農田水分的利用效率［35］有關。但是不施肥條件下覆膜會導致玉米減產，這可能與覆膜條件下土壤養分的快速消耗有關。施肥條件下大豆增產的原因與膜下水熱條件有關［36］，同時覆膜促進了光合產物向籽粒轉運，增加營養器官干物質對籽粒形成的貢獻率［37］。因此，需要在施肥的基礎上，覆膜對玉米、大豆的產量才有提升作用。

（責任編輯：段麗麗）

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Effects of Film Mulching and Chemical Fertilizer Application on Soil Organic Carbon Content and Corn and Soybean Yield

Liu Yang，Long Dayong，Zhao Na，Yang Shengmei，Wang Xiaoli*，He Jin，Wei Xiao

（College of Agriculture， Guizhou University， Guiyang 550025， Guizhou， China）

Abstract：

The field experiment in Anshun， Guizhou， examined the effects of film mulching and fertilization on soil organic carbon and corn and soybean yield. Four treatments were set up： non-film mulching without fertilization （non F+CK）， non-film mulching with fertilization （non F+NP）， film mulching without fertilization （F+CK）， and film mulching with fertilization （F+NP）. The results showed that mulching or fertilization did not significantly affect soil organic carbon （SOC）. The soil microbial biomass carbon （MBC） content decreased by 9.1% and 10.2% after plastic film mulching under conditions of fertilization and no fertilization， respectively. However， fertilization led to a significant increase in soil MBC， ranging from 8.2% to 32.5%. The increase in TN due to fertilization varied from 2.9% to 76.5%， while there was a decrease of 11.4% （Plt;0.05） and 4.4% in TN under fertilization and no fertilization conditions， respectively. Compared with non-F+NP，F+NP treatment increased the yield of corn and soybean by 10.4% and 28.6%，respectively.The soil SOC had a positive correlation with both soil MBC and TN， and MBC and TN were also positively correlated with each other， but they were negatively correlated with C/N. The yields of corn and soybeans had a strong positive correlation with MBC. To sum up， plastic film mulching does not promote the increase of SOC and MBC content， whereas fertilization has the opposite effect. However， when combined， plastic film mulching and fertilization can lead to higher corn and soybean yields.

Keywords：

mulching; apply fertilizer; soil organic carbon; soil microbial biomass carbon; yield