不同施肥方式对甘肃陇中黄土丘陵区土壤养分及春小麦产量的影响

常海刚 李 广 袁建钰 谢明君 祁小平

（甘肃农业大学林学院，730070，甘肃兰州）

土壤养分是土壤理化性质和生物活性的综合表现，是作物丰产的基础。碳（C）、氮（N）和磷（P）元素是构成土壤养分的基本元素，也是植物生长过程中必需的营养元素，其含量是植物生长养分供应的重要指标[1-2]。而施肥是影响农田土壤养分含量和产量的主要因素之一，不同的施肥方式对农田土壤营养元素迁移和转化有着重要影响[3-7]。因此，明确土壤C、N和P养分相对累积效应与平衡交互作用对不同施肥方式的响应，对于认知生态系统养分平衡过程与机理具有重要意义。

近年来，人们为获得作物高生产效益，长期大量不合理地施用化肥，造成黄土高原丘陵区农田土壤养分失衡、水资源污染、植物生长不良和生态环境破坏等一系列问题，严重威胁到当地居民的生产生活和农业的可持续发展[8-9]。与此同时，施肥方式的不同也可能引起农田土壤养分结构发生改变。一些对农田施肥方式的研究[10]指出，适量减少氮肥并配施有机肥，既能保证作物产量，同时还能降低对环境的污染。而有机肥配施氮肥对玉米土壤性状的研究[10]发现，土壤碱解氮、速效钾、速效磷和有机质含量均明显随有机肥施用量的增加而增加。此外王艳丽等[11]针对宁夏扬黄灌区有机肥配施氮肥下滴灌春玉米产量及土壤肥力状况的研究表明，有机肥配施氮肥能有效增加土壤有机质、全氮、全磷、速效钾和速效磷含量，促进春玉米干物质累积并提高产量。这些研究在一定程度上揭示了土壤养分对有机肥和氮肥配施下的响应规律，但目前关于陇中黄土高原丘陵区土壤养分及春小麦产量在有机肥和氮肥配施下的响应尚不清楚，这严重阻碍了对陇中黄土高原丘陵区农田土壤养分及产量在有机肥和氮肥配施下响应机制的深入研究，因此，研究有机肥和氮肥配施下陇中黄土高原丘陵区农田土壤养分及产量响应机制对其农业可持续发展具有重要作用。

为深入了解不同施肥方式对陇中黄土高原丘陵区土壤养分及春小麦产量的影响，本研究以位于甘肃省定西市黄土高原农业生态试验站为平台，通过研究土壤养分及春小麦产量在有机肥和氮肥配施及单施氮肥和有机肥下的变化特征，分析不同施肥方式与土壤养分及春小麦产量之间的联系，为陇中黄土高原丘陵区农田选用合适的施肥方式和农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省定西市安定区安家坡村试验站（104°64′E，35°64′N），该地属温带半干旱区，平均海拔2000m，年均降雨量444.5mm，年均气温6.4℃，≥10℃的积温2239.1℃，无霜期140d，年日照时数2476.6h，年均蒸发量1531.0mm。试验区为典型的黄绵土，土层深厚，质地均匀，储水性能良好；试验地耕层（0～20cm）土壤养分含量为全氮0.61g/kg、有机碳6.21g/kg、有机质12.01g/kg、全磷0.32g/kg、速效钾1.89g/kg、速效磷10.48mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2020年3月开始，选择当地常用春小麦甘春27号为供试品种，以尿素（含N 46.2%）、过磷酸钙（P2O516%）和有机肥（为农家肥，主要为猪粪，养分含量为N 0.56%、P2O50.40%和K2O 0.46%）为供试肥料。2020年3月14日播种，8月15日收获。试验采用随机区组设计，共设置4种不同施肥处理，分别为不施肥（T）、化学氮肥（N，施氮量105kg/hm2）、有机肥（M，折合施N量105kg/hm2）、有机肥和氮肥配施（NM，尿素施氮量52.5kg/hm2，有机肥折合施氮量52.5kg/hm2）。每个处理重复3次，共计12个小区，各小区面积24m2（6m×4m），每小区播种量150kg/hm2，播种行距25cm，各处理播种前统一施过磷酸钙105kg/hm2作基肥。试验参考当地常规化肥施用量，具体肥料用量为氮肥105kg/hm2（以N计）。以常规化肥施用量为对照，以有机肥中氮含量为基准进行等养分量计算，具体施肥量见表1。为避免小区间产生边际效应，各小区之间设计约0.5m宽的隔离带，其他田间管理措施与当地常规田一致。

表1 不同施肥处理的施肥量Table 1 Fertilization amount of different fertilization treatments kg/hm2

1.3 样品采集及指标测定

1.3.1 土样采集 春小麦成熟期进行土壤样品采集，采用“X”形5点采样法采集各小区0～10、10～20、20～40、40～60 和 60～100cm 土层的样品并分为2份，其中一份风干（不少于1.0kg）处理，另一份冷冻保存（不少于1.0kg），根据不同测定指标要求制作土壤样品。

1.3.2 测定指标及方法 按照“农作物品种（小麦）区域试验技术规程（NY/T-2007）”测定有效穗数、穗粒数和千粒重。试验小区全区收获测产，折算出单位面积产量。采用半微量凯氏法[12]测定土壤全氮（total nitrogen，TN）含量；用H2SO4-H2O2溶液消解，采用钒钼黄比色法[12]测定全磷（total phosphorus，TP）含量。采用H2SO4-KCr2O7氧化-外加热法[12]测定土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）含量。

1.4 数据处理

用Excel 2010软件整理数据，采用SPSS 20.0软件进行数据统计分析，用Origin 2018绘图。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和多重比较（LSD）分析差异显著性（P=0.05）。用Pearson相关分析法描述各因子之间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤C、N、P化学计量特征的影响

2.1.1 对土壤C、N、P含量的影响 4种不同施肥处理和土层显著影响土壤SOC和TN含量，但对土壤TP含量没有显著影响（图1）。4种不同施肥处理下土壤的SOC含量表现为NM＞M＞N＞T，且NM处理下的土壤SOC含量平均值为7.70g/kg，显著高于其他施肥处理（P＜0.05）。4种不同施肥处理下的土壤TN含量表现为NM＞M＞N＞T，其中NM处理下的TN含量平均值为1.67g/kg，显著高于M、N和T处理（P＜0.05）。各施肥处理间土壤TP含量无显著性差异。在土壤垂直剖面上，表层SOC和TN含量显著高于中层和下层，表现出明显的表层富集效应，TP含量在各土层间无显著差异。其中NM处理下SOC和TN含量较T处理分别增加了48.08%和73.96%。综上，施肥能够增加土壤养分含量，且有机肥和氮肥配施处理较单施化肥和单施有机肥对土壤有机碳和全氮含量有明显增加作用。

图1 不同施肥土壤C、N、P含量变化特征Fig.1 Variation characteristics of C,N,P contents in different fertilized soils

2.1.2 对土壤C、N、P化学计量比分布特征的影响 由图2可知，4种不同施肥处理下土壤的C:N、C:P和N:P的化学计量比值存在一定的差异。C:N表现为T＞M＞N＞NM，T处理下土壤的C:N平均值为6.79，显著高于其他施肥处理（P＜0.05）。4种不同施肥处理下的土壤C:P表现出NM＞M＞N＞T的趋势，NM处理下的土壤C:P平均值为20.92，显著高于其他施肥处理（P＜0.05）。4种不同施肥处理下的土壤N:P表现为NM＞M＞N＞T，且NM处理下的N:P平均值为4.53，显著高于其他处理（P＜0.05）。综上，土壤质地也可以通过调整施肥方式，对C、N和P化学计量特征产生影响，有机肥和氮肥配施对土壤质地提高优于单施氮肥和单施有机肥。

图2 土壤C、N、P化学计量比分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil C,N and P stoichiometric ratios

2.2 不同施肥处理对春小麦产量的影响

4种不同施肥处理下春小麦产量及其构成因素存在一定差异（表2）。与T（对照）处理相比，N、M和NM处理均一定程度上提高了春小麦的穗粒数、千粒重、有效穗数及产量。有效穗数方面，N、M和NM处理均比T处理高20.00%、23.33%和36.67%，各处理与T处理均达到显著性差异（P＜0.05）。N、M和NM处理与T处理相比增加了穗粒数，其中以N处理效果最为显著，增加了25.00%。与T处理相比，N、M和NM处理的千粒重均有增加，其中NM处理增加22.50%，达到最大，且区组间差异显著。4种不同施肥处理下产量表现为NM＞N＞M＞T，且NM处理下的春小麦产量平均值为1916.00kg/hm2，显著高于其他施肥处理（P＜0.05），说明3种不同施肥处理间肥效存在较大差异，有机肥和氮肥配施处理对提高春小麦产量效果更佳。

表2 不同施肥处理春小麦产量及其构成因素Table 2 Yield and its components of spring wheat under different fertilization treatments

2.3 春小麦产量与土壤化学计量特征的相关性

为探究该研究区春小麦产量与土壤化学计量特征的相关性，对SOC、TN、TP含量及化学计量比与产量进行相关性分析。如表3所示，SOC、TN和TP营养元素与春小麦产量有着密切的关系。SOC、TN、C:P、N:P与产量呈极显著正相关，相关系数分别为0.895、0.920、0.837和0.734。土壤C:N与春小麦产量则呈显著负相关，相关系数为-0.664。由此可以看出，在矿质营养元素当中，土壤氮素对春小麦产量有促进作用，使其具有较高的增产潜力。

表3 SOC、TN、TP含量与春小麦产量相关性分析Table 3 Correlation analysis of SOC,TN,TP contents and spring wheat yield

3 讨论

3.1 不同施肥处理下土壤C、N、P的化学计量特征

碳、氮和磷是植物生长过程中从土壤获取的最基本营养元素，其含量高低是表征土壤肥力的重要指标[13-14]。施肥是影响农田土壤养分含量的主要因素之一，不同的施肥方式也会影响农田土壤养分含量[15-18]。本研究发现，有机肥和氮肥配施下SOC和TN含量显著高于其他施肥处理，垂直分布呈现随土层深度增加而逐渐降低的趋势，这与司政邦等[19]的研究结果一致。呈现这种规律是因为SOC和TN含量易受有机质影响，SOC和TN累积主要来自于有机质分解，有机肥含有丰富的有机物，但分解缓慢不易转换利用，氮肥的施用可提高土壤有机质的分解速率，二者配施有效提高了SOC和TN元素的转换速率和含量[20]。此外，随着土层深度增加，土壤中有机质逐渐减少，而SOC和TN主要来自于土壤有机质的分解和转换，因此，SOC和TN含量随着土层深度加深逐渐降低[21]。全磷反映土壤提供氮和磷营养元素的一种潜在能力。本研究发现，土壤全磷在各施肥处理及土层间差异均不显著，因为磷是一种沉积性矿物，主要受成土母质的影响，空间变异性较小，所以在各施肥处理及土层间分布较为均匀[22-25]。

化学计量比是表征土壤碳、氮和磷平衡的重要指标之一[26]，其中C:N是指示土壤矿化速率及元素有效性的重要指标，C:N较低说明土壤有机质含量较高且分解较快，在一定程度可以增加土壤全氮含量[27]。本研究发现，有机肥和氮肥配施下土壤C:N低于其他施肥处理，可能是因为有机肥含有大量有机质，增加了土壤中有机质含量，氮肥有利于有机质分解且见效快，可以快速补充氮素，二者配施有效提高了土壤中氮元素含量[28]，因此，有机肥和氮肥配施可有效提高土壤有机质含量和元素有效性，有利于作物生长。土壤C:P对研究土壤养分平衡具有重要意义，是反映土壤微生物对土壤有效磷吸收能力的重要指标[29]，C:P越高说明土壤微生物对土壤有效磷的吸收和储存能力越强，不利于植物生长[30]，土壤C:P较低时，微生物减弱对土壤有效磷的吸收和储存，可以增加土壤中有效磷含量，有利于植物的生长[31]。本研究发现，有机肥和氮肥配施下土壤C:P含量显著高于其他施肥处理，这可能是因为有机肥和氮肥配施提高了土壤有机质的有效性，增加了土壤中碳元素含量，而磷元素主要来源于成土母质，相对稳定，因此，使得C:P由土壤C含量主导。氮素是植物生长过程中必需的营养元素，在生态系统中P是限制性元素，土壤N:P可作为预测土壤限制类型的重要指标，也可作为反映N饱和的诊断指标[32]。本研究发现，有机肥和氮肥配施下土壤N:P显著高于其他处理。呈现这种规律一方面可能是有机肥和氮肥配施促进了土壤对氮素的吸收，提高了土壤中氮元素的含量[33]，另一方面可能是土壤中P元素受成土母质影响，相对稳定[34]，当土壤中P元素较稳定时，土壤中N含量越高，土壤N:P就越大。

3.2 不同施肥处理对春小麦产量的影响

农业生产的主要目的是实现农作物的高产[35]，氮素含量是影响小麦产量和群体结构的主要因素[36]。本研究发现，有机肥和氮肥配施较其他施肥处理显著提高了有效穗数和千粒重，这与蒋纪芸等[37]的研究结果一致。呈现这种规律，一方面可能说明有机肥和氮肥配施调整了氮素含量对小麦群体结构的影响，提高了有效穗数的比例[38]，另一方面可能是由于有机肥肥效的发挥延缓了小麦灌浆速率和最大灌浆持续期，显著提高了籽粒质量[39]。施肥作为提高作物产量的主要方式，不同的施肥方式也会影响作物产量。本研究发现，有机肥和氮肥配施处理增产幅度最大，因为有机肥有效肥力持久缓和，但施肥前期见效缓慢，无法满足小麦生长发育的营养需求，化学氮肥见效快，但易流失，而二者配施可实现优势互补，肥效高且稳定持久，可有效增加小麦产量[40]。

3.3 春小麦产量与SOC、TN、TP的相关性

矿质营养元素是春小麦体内重要组分，在参与新陈代谢活动和器官组成等起到重要作用，而必需矿质营养元素的丰缺将对春小麦产量产生很大影响[41]。本研究中，SOC、TN含量与春小麦产量呈极显著正相关（P＜0.01），这与谢迎新等[42]关于土壤养分与小麦产量关系的研究结果一致。因为SOC能够提高土壤团粒结构，使土壤溶液中有效养分不易流失，促进根系对养分吸收[43]；另外，氮素是植物体内许多重要有机化合物的成分，在多方面影响着植物的代谢过程和生长发育[44]，因此SOC和TN含量是影响产量的重要因素。C:N可以反映土壤有机碳分解速率和氮元素含量[45]。本研究中，C:N、N:P与产量之间显著或极显著相关。这说明施肥有利于小麦产量形成，因为该地区农田土壤贫瘠，作物所需养分主要来自于土壤，施肥增加了土壤中N素含量，为植物生长提供了良好的N条件，使作物生长良好，更容易实现高产[46]。

4 结论

与对照处理（T）相比，不同施肥处理均能显著增加耕层有机碳和全氮含量，有机肥和氮肥配施下增幅最大。不同施肥处理对春小麦产量影响显著，单施有机肥产量低于单施氮肥，有机肥和氮肥配施下产量最高。相关分析表明，土壤有机碳、全氮含量与作物产量呈极显著正相关，表明有机碳和全氮含量是影响小麦生长的主要因素。全磷与春小麦产量无显著相关性，表明全磷对春小麦产量的限制较小。综上，有机肥和氮肥配施可以改善土壤养分结构，使土地肥力高效持久，可有效增加黄土高原丘陵区春小麦产量。