施肥和地膜覆蓋對黃土旱塬土壤理化性質和冬小麥產量的影響

付 威，樊 軍,2，胡雨彤，趙 晶，郝明德,*

（1 西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100；2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；3 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

施肥和地膜覆蓋對黃土旱塬土壤理化性質和冬小麥產量的影響

付 威1，樊 軍1,2，胡雨彤3，趙 晶3，郝明德1,3*

（1 西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100；2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；3 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

【目的】研究黃土高原旱作農業區施肥等措施對耕層土壤理化性質和作物農藝性狀的影響，為保持土壤適度生產力，選擇適合黃土塬區可持續發展的新型增產措施提供理論基礎。【方法】通過設在渭北旱塬的多年田間定位試驗，選取不施肥空白對照、施氮磷肥、施氮磷鉀肥、氮磷肥加生物炭、氮磷肥加生育期地膜半覆蓋和氮磷肥加夏閑期地膜半覆蓋共6個處理，所有處理均在冬小麥收獲后和播種前進行翻耕。分析了不同處理耕層土壤理化性質、冬小麥產量及農藝指標。【結果】與對照相比，施氮磷肥顯著提高了耕層土壤飽和導水率，降低耕層土壤緊實度，顯著增加冬小麥生育期耗水量，提高水分利用效率和降雨利用效率，顯著提高了耕層土壤中有機質、全氮、硝態氮、銨態氮、全磷、有效磷等養分的含量，連續三年提高冬小麥的產量均在一倍左右。與氮磷肥處理相比，增施鉀肥處理增加了冬小麥拔節期耕層土壤緊實度，卻顯著降低了收獲期土壤容重、增加了總孔隙度，并顯著提高了水分利用效率，在一定程度上增加了耕層土壤全氮、有機質含量，使冬小麥的葉面積指數顯著增加，連續三年冬小麥平均產量達4500 kg/hm2；增施生物炭處理耕層土壤容重降至最低為1.16 g/cm3，增加了土壤總孔隙度，導致飽和導水率最大為0.049 cm/min，提高了水分利用效率；耕層土壤中的有機質、全氮、全磷、有效磷的含量有一定增加，冬小麥的產量有所提升；施氮磷肥基礎上的生育期地膜半覆蓋與夏閑期地膜半覆蓋，均顯著降低了耕層土壤飽和導水率，增加了土壤緊實度，提高了冬小麥水分利用效率，耕層土壤中有機質、銨態氮、速效鉀的含量有所增加，全磷含量降低，土壤pH下降，除去受災年份，冬小麥平均產量在4700～4800 kg/hm2之間。【結論】與對照相比，長期施用氮磷化肥顯著提高冬小麥的產量，卻導致土壤pH下降。在施氮磷肥的基礎上增施生物炭，可以顯著改善土壤物理化學性質，增加冬小麥產量，但其經濟投入過高。在施氮磷肥的基礎上，增施鉀肥與生育期地膜半覆蓋，改善了耕層土壤養分狀況，有一定的經濟效益，是適宜黃土塬區的冬小麥增產措施。

黃土旱塬；產量；土壤緊實度；飽和導水率；水分利用效率

黃土旱塬是我國重要的旱作農業區，冬小麥是該區主要的糧食作物，常年種植面積53萬hm2以上，占陜西省播種面積的35%左右[1]。降水量少與時空分布不均的影響，導致作物的產量低而不穩[2]，此外，土壤貧瘠也是制約該地區農業生產的關鍵因素[3]。因此，提高水分利用效率和培肥土壤，提升和穩定作物產量，仍然是該區農業生產的主要任務。國內外研究表明，冬小麥的生長不僅受地域等因素的影響，而且也會受到肥料的用量和種類的影響。合理的施肥會增加其產量，不合理的施肥不僅限制增產，還會對土壤造成污染、引起土壤生產力下降[4–6]。安徽省長期定位試驗研究表明，長期不施肥會導致作物產量持續下降[4]；黃土塬區的長期定位試驗顯示，氮磷配施或與有機肥配施，能有效地減少土壤剖面中硝酸鹽的累積與淋溶[7]。長期施用氮磷肥，不僅導致土壤pH下降[8]，土壤理化性狀惡化，而且顯著降低肥料利用率，增加溫室氣體排放[9]。因此，氮磷肥料管理之外的增產措施受到越來越多的關注。例如，施用鉀肥可以均衡土壤養分，提高作物品質[10]；施用有機肥可以增加土壤微生物，改善土壤物理結構[11]；施加微量元素肥料可以改善作物的品質[12]；生物炭作為一種土壤改良劑和碳減排劑，能夠改善土壤質量，提高土壤肥力[13]；覆蓋措施具有良好的蓄水保墑效果[14]而被廣泛應用。隨著作物品種變更和氮磷肥料增產效果的限制，為防止環境污染及水資源的過度消耗，有研究者提出旱地適度生產力觀點[15–16]，同時探索氮磷肥以外新的旱塬糧食增產措施。本文通過設置在渭北旱塬的定位試驗，研究在施用氮磷肥的基礎上，增施鉀肥、添加生物炭及2種地膜覆蓋方式的增產效果及其對土壤理化性質的影響，以期為旱地農業的可持續發展提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于陜西省長武縣的西北農林科技大學長武黃土高原農業生態試驗站 (35°14'N、107°40'E)，是典型的渭北旱塬旱作農業區，也是陜西省的糧食主產區[1]。該地區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。試驗區海拔1200 m，日照時數2226 h，年均氣溫9.1℃，1月份平均氣溫–4.7℃，7月份平均氣溫22.1℃。塬面 ≥ 0℃活動積溫3688℃，≥ 10℃活動積溫3029℃，年均無霜期171 d。長武塬地處黏黑壚土地帶，母質是中壤質地的馬蘭黃土，土層深厚，土質均勻疏松，土壤容重1.23～1.44 g/cm3，孔隙度50%左右，通透性好。多年平均降水量578.5 mm，降水年際變異較大，且降水季節性分布不均，導致干旱頻繁發生。其中7～9月降水量占全年降水總量的55%以上，與冬小麥生育期的生長耗水不同步。2013～2016年冬小麥不同時期的降水量有所差異，其中冬小麥夏閑期為當年的6月底至9月底，冬小麥生育期為當年9月底至次年6月底，年降水量為1～12月的降水量的總和 (表1)。

1.2 試驗設計

田間定位試驗始于2002年，前期為當地連續耕種的傳統農田，供試作物為一年一熟冬小麥，小麥品種為長航1號。采取寬窄行種植，寬行60 cm，窄行30 cm，本季冬小麥于2015年9月26日播種，2016年6月24日收獲，供試土壤為黑壚土。試驗所用地膜為60 cm寬、0.015 mm厚的聚乙烯薄膜。小區采用隨機區組設計，面積為35 m2(5 m × 7 m)，本文選取其中6個處理進行研究，包括不施肥對照(CK)、施氮磷化肥 (NP)、施氮磷鉀化肥 (NPK)、施氮磷化肥并添加生物炭 (NPB)、施氮磷化肥并進行生育期地膜覆蓋 (NPFG)、施氮磷化肥并進行夏閑期地膜覆蓋 (NPFF)。CK、NP和NPB三個處理4次重復，其他處理3次重復。所有處理在冬小麥播種前和收獲后各翻耕一次，翻耕深度約為20 cm。NPFG處理冬小麥全部打孔種在地膜上，在冬小麥收獲后清除地膜，NPFF在休閑期覆蓋地膜，冬小麥播種前清除。試驗氮肥和磷肥施用量分別為N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2，氮肥為尿素 (N 46%)，磷肥為過磷酸鈣 (P2O516%)，全部基施。鉀肥(K2O)施用量為30 kg/hm2，供試鉀肥為硫酸鉀 (K2O 50%)；生物炭添加量為14 t/hm2，試驗使用的生物炭為雜木 (楊樹、棗樹、槐樹等) 黑炭，購置于當地商業公司。該生物炭的基本理化性質如下：容重為0.58 g/cm3，顆粒組成2～0.02 mm占86.29%、0.02～0.002 mm占11.93%、＜ 0.002 mm占1.78%，pH為8.96，陽離子交換量為20.73 cmol/kg。

表1 2013～2016年冬小麥夏閑期與生育期降水量(mm)Table 1 Rainfall in summer fallow periods and growth periods of winter wheat from 2013 to 2016

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤物理性質 土壤緊實度采用澳大利亞CP40Ⅱ土壤緊實度計于冬小麥拔節期 (2016年4月10日) 測量，通過一根金屬柱探針壓入土壤，獲取土壤穿透阻力作為土壤緊實度。由于金屬探針不易扎入過深土壤，測量深度選為7.5 cm，每個小區9次重復。

土壤飽和導水率采用定水頭法在冬小麥收獲后(2016年7月10日) 測定，每個小區在相同對角線上中點和1/4點共3點 (每個處理共計9次重復) 取樣。

土壤容重于冬小麥收獲后 (2016年7月10日) 采用烘干法測定[17]。

冬小麥生育期耗水量計算公式為[18]：

式中：ET為冬小麥生育期總耗水量 (mm)；P為時間段內的降雨量 (mm)；U為地下水補給 (mm)，由于地下水埋深在80 m以下，無法補給，故U= 0；D為土壤水分滲漏量 (mm)，Lysimeter蒸滲儀 (3 m土柱) 多年監測結果無滲漏發生，故D為0；R為地表徑流 (mm)，試驗區位于塬面上，無地表徑流產生，故R= 0；ΔW為3 m土壤剖面播種前與收獲后貯水量之差 (mm)。公式簡化為：ET=P+ ΔW

式中：WUE為水分利用效率 [kg/(mm·hm2)]；Y為冬小麥籽粒產量 (kg/hm2)。

式中：PUE為降水利用效率 [kg/(mm·hm2)]；RF為冬小麥播種前夏閑期內降雨量 (mm)；RG為生育期內的降水量 (mm)。

1.3.2 土壤化學性質 在冬小麥收獲后用土鉆 (2016年6月24日) 取0—20 cm耕層土壤，研磨過篩，用于實驗室分析。土壤pH采用pH計測定 (水土比5∶1)；有機質采用重鉻酸鉀外加熱氧化法；全氮采用凱氏定氮法，硝態氮用酚二磺酸比色法測定，銨態氮采用0.5 mol/L KCl浸提，流動分析儀雙波長比色法；全磷采用HClO4–H2SO4氧化，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用原子吸收法測定[20]。

1.3.3 作物農藝性狀 于冬小麥收獲后測定冬小麥相關農藝指標，包括小穗數、穗粒數、穗長、株高，各小區在收獲期隨機選取長勢均勻的冬小麥10株，進行測定。葉面積指數 (LAI) 用線狀光合有效輻射探頭 (MQ-306，Apooge，Logan，USA) 測量[21]。冬小麥籽粒產量，在成熟期 (2016年6月24日) 每個小區收獲長勢均勻的4行小麥，3次重復，脫粒、風干、稱重計產。

1.3.4 數據分析 數據基礎處理采用Excel 2007，不同處理之間的方差分析和多重比較使用SPSS17.0軟件，繪圖用Origin 9.0軟件。

2 結果與分析

2.1 不同處理耕層土壤物理性狀

不同處理對耕層土壤物理性質均有顯著影響(表2)。對土壤容重的影響表現為：NPK和NPB處理較NP處理與CK均顯著降低耕層土壤容重，增加耕層土壤總孔隙度，其中NPB處理的土壤容重最小，為1.16 g/cm3，土壤總孔隙度最大，其余處理之間土壤容重和總孔隙度無顯著差異。對土壤飽和導水率的影響表現為NP、NPK和NPB處理較CK均顯著提高了耕層土壤飽和導水率 (Ks)。飽和導水率各處理大小順序為 NPB ＞ NPK、NP ＞ NPFF、NPFG、CK，其中NPB處理Ks較NP提高88.5%，達到顯著水平；NPFG、NPFF處理與NP處理存在顯著差異，均降低了26.9%。此外，不同處理的耕層土壤容重和飽和導水率之間呈極顯著的負相關關系，與土壤總孔隙度呈極顯著的正相關關系 (P＜ 0.01)。對土壤緊實度的影響表現為：NP處理較CK顯著降低耕層土壤的緊實度。與NP處理相比，NPK、NPB、NPFG和NPFF處理均在一定程度上增加了土壤緊實度，但是只有NPB處理與NPFF處理達到了顯著水平，分別提高了26.7%、23.4%。

2.2 不同處理耕層土壤化學性質

不同管理措施連續處理15年后，各處理間耕層土壤的化學性質差異顯著 (表3)。施氮磷肥以及在其基礎上增施鉀肥處理、生物炭處理、生育期地膜半覆蓋處理和夏閑期地膜覆蓋處理較不施肥處理均顯著提高了土壤有機質、全氮、硝態氮、銨態氮、全磷和速效磷含量，降低了土壤pH。與氮磷肥處理相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF處理均提高了土壤有機質含量，其中NPB、NPFF、NPFG處理分別提高了39.3%、11.0%、7.6%，達到顯著水平。與NP處理相比，NPB、NPFF處理土壤全氮含量分別提高了21.1%、18.9%，均達顯著水平；NPK、NPB、NPFG、NPFF處理土壤硝態氮含量雖有提高，但僅NPFF處理達到了顯著水平，提高3.6倍；不同處理間銨態氮差異不顯著。與NP處理相比，僅NPB處理土壤全磷含量顯著提高(10.3%)；NPFG則顯著降低了土壤速效磷含量，其他處理之間差異不顯著。與NP處理相比，NPFF、NPK、NPB、NPFG處理均顯著提高土壤速效鉀含量，分別提高了27.7%、25.7%、19.8%、14.9%，其中NPK和NPFF處理的速效鉀含量最高，分別為141.9 mg/kg和144.2 mg/kg。與NP處理相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF處理均降低土壤pH，但僅NPFF處理的影響達到了顯著水平。

表2 不同處理耕層土壤物理性質Table 2 Soil physical properties in different treatments

表3 不同處理對土壤化學性質的影響Table 3 Soil chemical properties as affected by different treatments

2.3 不同處理作物的農藝性狀

不同管理措施影響土壤總孔隙度和飽和導水率，使降水入滲發生變化，進而調控土壤養分的轉化，最終影響作物的農藝性狀和產量。不同處理間冬小麥的株高、葉面積指數、產量三要素，產量等均存在顯著差異，同時水分利用效率也有顯著差異。

2.3.1 株高和葉面積指數 與不施肥對照比較，不同處理均顯著增加了冬小麥的株高和葉面積指數 (LA I)。與NP處理相比，NPFG處理冬小麥株高提高了10.1%。與CK相比，不同處理均一定程度上提高了冬小麥LAI；與NP處理相比，NPK、NPFG、NPFF處理均可以提高冬小麥的LAI，分別提高了45.3%、21.3%、14.1%(圖1)。

圖1 不同處理小麥的株高和葉面積指數Fig. 1 Plant height and leaf area index of winter wheat in different treatments

2.3.2 產量構成因素 圖2表明，不同管理措施下冬小麥的小穗數、穗粒數等產量構成要素存在差異，而冬小麥穗長在11.0～12.0 cm之間，無顯著差異；NPFG、NPB、NPFF、NP和NPK處理與CK在小穗數上存在顯著差異，且分別提高了24.7%、22.1%、17.2%、16.4%和15.1%。與CK處理相比，NPB、NPFG、NPK、NP處理顯著增加了冬小麥的穗粒數，分別增加了43.0%、42.3%、39.7%、38.6%。冬小麥千粒重均在45.0～50.0 g之間，各處理差異不顯著。

2.3.3 籽粒產量 連續三年不同管理措施對冬小麥籽粒產量有顯著影響，2014～2015年度冬小麥在灌漿期受冰雹災害的影響，產量較往年顯著下降，其中NPFG處理受冰雹災害影響最為嚴重。2013～2014年度，NPK與NPFF處理冬小麥產量最高，分別為 5853.0、5546.8 kg/hm2，NPK、NPFF、NPFG、NPB處理冬小麥產量比NP處理分別增加了25.2%、18.7%、14.8%、13.6%。2014～2015年，NPFG處理冬小麥產量低于NP、NPK、NPB、NPFF處理，后三個處理冬小麥產量分別比NP處理提高了16.8%、11.3%、9.8%；2015～2016年度，NPFG、NPB、NPFF、NPK處理分別比NP處理增加了14.8%、12.0%、10.8%、9.4%。與NP處理相比，除去自然災害的影響，連續三年NPK、NPB、NPFG和NPFF處理的增產效果在10.0%左右 (圖3)。

圖2 不同處理冬小麥產量構成Fig. 2 Yield components of winter wheat in different treatments

圖3 2013～2015年不同處理冬小麥的產量Fig. 3 Winter wheat yields in different treatments during 2013–2015

2.3.4 水分利用效率和降雨利用效率 冬小麥生育期耗水量 (ET)、水分利用效率 (WUE) 和降雨利用效率(PUE) 是衡量自然降水利用程度高低的重要指標。與CK相比，生育期耗水量NPFF、NP、NPFG、NPB、NPK處理分別增加了107.6 mm、106.0 mm、101.0 mm、44.1 mm、22.5 mm，增加均達顯著水平。與NP處理相比，NPK與NPB處理冬小麥生育期耗水量分別顯著降低了16.1%和12.0%，NPFG、NPFF與NP處理之間差異不顯著。與CK相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF、NP處理的WUE分別提高了1.7、1.7、1.4、1.3、1.1倍，與NP處理相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF處理分別提高了30.3%、26.9%、15.8%、10.2%，其中NPK處理達到了顯著水平。各處理顯著提高了降雨利用效率，與CK相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF、NP處理分別提高了1.9、1.9、2.0、1.9、1.6倍；與NP處理相比，其余4個處理PUE雖呈增加趨勢，但未達顯著水平。

2.4 經濟效益

不考慮勞動力投入，在施用氮磷肥基礎上，增施鉀肥、生物炭、生育期地膜半覆蓋處理和夏閑期地膜半覆蓋處理增加的投入分別為每季每公頃180.00元、42857.10元、450.00元、450.00元，冬小麥產出分別增加344.50元、441.10元、545.70元、397.10元，產投比分別為1.91、0.01、1.21和0.88，以增施鉀肥與生育期地膜半覆蓋處理產投比較高，生物炭處理產投比最小。

3 討論

3.1 不同耕作處理對土壤物理性質的影響

連續多年不施肥情況下，冬小麥的耗水量有逐漸降低的趨勢，土壤貯水量增加，最終導致2015年冬小麥播種期和冬小麥收獲期3 m土壤貯水量比其他施肥處理高出很多。

生物炭施用使土壤容重降低，意味著土壤總孔隙度和大孔隙數量增加，從而增加土壤水分入滲速率[22]，其原因主要是生物炭容重遠遠低于礦質土壤，施入土壤具有一定的稀釋作用，降低土壤容重。如Laird等[23]研究表明，同空白處理土壤相比，施加生物炭顯著降低土壤容重；Eastman[24]在粉砂土壤上施用25 g/kg的生物炭，土壤容重從1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3，本研究結果與這些研究結果一致。生物炭的施用對微生物群落和土壤動物的生命活動有益處，使其活性增加[25]、團聚性增強，促進其新陳代謝，增加土壤的總孔隙度，從而使土壤結構得到改善。相關研究表明，土壤容重、土壤總孔隙度和土壤飽和導水率存在密切的關系，有研究顯示，土壤總孔隙度與土壤飽和導水率存在顯著的正相關關系[26]。主要是因為總孔隙中包含了導水孔隙，而導水孔隙的多少直接影響水分的入滲，也就顯著影響土壤飽和導水率。生物炭加入土壤后增加了土壤的孔隙度和表面積，使得土壤水分的滲濾模式、停留時間和流動路徑發生改變[27]。基于室內培養試驗也表明，施用生物炭能顯著提高土壤的持水特性和土壤飽和導水率[23]。此外，生物炭施入土壤后土壤持水性能比未加入生物炭處理的至少增加18%[28]，表現出生物炭添加提高土壤水分含量，減少土壤水分蒸發。土壤緊實度作為一個重要的土壤物理參數，生物炭的應用對土壤緊實度的影響存在差異，有研究認為，生物炭具有稀釋作用，降低土壤容重的同時可以減小土壤緊實度[29]。本研究卻出現了不一致的結果，其原因可能是本研究所采用的生物炭是樹木枝干制造的，質地堅硬，且80%以上的生物炭粒徑在0.02～2 mm范圍內，按照土壤顆粒分級系統分類屬砂質，在金屬桿扎入土壤時，會產生較大阻力，最終導致土壤緊實度增大。Soane[29]研究指出，生物炭增加土壤緊實度，一種可能是，土壤團聚體內部和顆粒之間結合力作用的結果，生物炭中存在許多長鏈分子，對礦物顆粒有很好的約束力，通過這種作用可以增加土壤緊實度；另外一種可能是，摩擦力的作用結果，土壤顆粒與生物炭中的有機質之間有一種涂層能增加顆粒之間的摩擦，從而增加土壤緊實度。

表4 不同處理冬小麥土壤儲存水和降雨水分利用效率Table 4 WUE and PUE of winter wheat under different treatments

黃土旱塬旱作農業區降雨季節性分布不均，大部分降雨集中在7～9月[18]，恰逢冬小麥的夏閑期。在這個期間使用地膜覆蓋的目的是減少地表裸露，降低土壤蒸發，為冬小麥播種蓄水保墑。研究表明，長期地膜覆蓋，會降低土壤飽和導水率和孔隙度，影響土壤質量，可能是地膜的主要材料以聚乙烯為主，屬于不易降解的有機物質，長期覆蓋地膜，會導致地膜殘留在土壤中，阻塞土壤中的導水孔隙，降低土壤飽和導水率[11]。本試驗也顯示，生育期地膜半覆蓋和夏閑期地膜半覆蓋均顯著降低了土壤飽和導水率。此外，耕層土壤緊實度在生育期地膜半覆蓋和夏閑期地膜半覆蓋處理下也有所增加，可能是地膜覆蓋增加了土壤溫度和水分，為冬小麥的生長創造了良好的水熱條件，促使冬小麥的根系生長，根系密度的增加使金屬探針在壓入土壤的過程中阻力增加，緊實度增大。盡管地膜覆蓋對土壤物理性狀改善有限，但是地膜覆蓋有增加冬小麥生長前期溫度和水分的作用，保證了冬小麥順利越冬，為返青后的快速生長創造良好的生存環境。此外，生育期地膜半覆蓋和夏閑期地膜半覆蓋可以顯著降低表層土壤蒸發[30]，提高水分利用效率，增加冬小麥產量。

此外，土壤緊實度在冬小麥拔節期測定，處于快速生長季節，增施鉀肥促進根系的生長發育，使得耕層根系密度增加，進而增加土壤緊實度的田間測量值。土壤容重和總孔隙度在冬小麥收獲期測定，鉀肥施用增加了耕層冬小麥的根系生物量，此時冬小麥的根已逐漸死亡，且根系含水量大、密度小，測定土壤容重時小麥根系占據一部分空間，烘干土壤水分后容重降低，進而使土壤總孔隙度增加。

3.2 不同耕作處理對土壤化學性質的影響

不同肥料種類和用量對土壤養分含量有顯著影響，中國科學院草原生態系統定位站的試驗研究表明，連續5年氮磷施肥顯著提高土壤有機質含量，土壤速效磷、銨態氮、硝態氮含量也大幅度提高[31]，本試驗結果與此研究結果一致。其原因可能是施用磷、鉀肥可以顯著提高土壤磷、鉀營養元素含量[32]，磷、鉀肥的施用增加了磷、鉀元素的輸入，促進不同形態磷和鉀的轉化，均衡土壤養分[33]，本研究結果顯示在氮、磷肥的基礎上增施鉀肥可以顯著提高耕層土壤中有機質、全氮、銨態氮、全磷、速效鉀的含量。

生物炭作為一種新型的外源功能材料，化學組成有C、H、O、N等元素，其中以C元素為主[13]，生物炭施用于土壤后，會顯著增加土壤中C元素含量，增加土壤中的有機碳，進而提高土壤有機質的含量。生物炭的性質穩定，但在長期的環境條件作用下，生物炭可能會發生物理遷移或者某種途徑的分解或降解，并在土壤剖面上進行重新分配[33–34]，但不會發生明顯的化學變化[35]。在適宜條件下，生物炭表面會形成一層保護殼，導致微生物對其的分解速度緩慢，可以認為生物炭具有很強的穩定性，在土壤中的周轉過程可能長達百年或更久[36]，施入土壤后不會在短期內發生大量分解，因此有機質含量維持在一個相對較高的水平。此外，生物炭施入土壤后會顯著提高土壤全磷、速效鉀含量，這和生物炭本身攜帶一定量的磷、鉀養分有關[13]；生物炭也會通過改善土壤理化性質、微生物生境等對土壤磷素有效態轉化和固定態鉀的釋放產生一定的積極影響[37]；生物炭具有較大的比表面積和較強的吸附性[37]，也能有效減少土壤中磷、鉀的淋溶損失。同時，鉀肥處理和生物炭處理均可以增加冬小麥的產量，冬小麥的地下部根系殘留量也會增加[38]，這也可能使土壤中有機質等營養成分的含量增加。此外，生物炭本身呈現出堿性，加入土壤以后，土壤pH值將會發生變化，這與土壤的酸堿性有很大關系。大量研究表明，在酸性土壤中施用生物炭可以顯著提高土壤pH[39–41]，但是施用于堿性土壤后，對土壤pH沒有顯著影響[41]。本試驗研究的土壤為弱堿性土壤，施加生物炭后土壤pH雖然有所降低，但是并未達到顯著水平。生育期地膜覆蓋有減少地表裸露、降低土壤水分蒸發、減緩土壤溫度變化、抑制雜草生長等作用，還可以阻止水和風對土壤的侵蝕，改善土壤結構，增加土壤中有益微生物的數量，提高土壤酶的活性等[30]，增加了土壤微生物和動物的分解，提高了養分利用效率，降低養分消耗，最終導致生育期地膜半覆蓋顯著提高了土壤中的有機質、速效鉀，同時也降低了土壤pH。本試驗研究與Li等[42]研究結果不一致，這可能與地膜覆蓋方式和覆蓋時間不同有關。本試驗研究還顯示，夏閑期地膜半覆蓋顯著增加土壤中硝態氮、速效鉀含量，降低了銨態氮含量，降低土壤pH。相關研究認為，地膜覆蓋能夠促進土壤動物和微生物的活動，加快土壤中有機質的礦化和分解，將土壤中的養分由交換態轉化為速效態養分[14]，礦質氮素在土壤中的含量受覆膜進程的影響[7]，長時間地膜覆蓋能夠增加土壤中的硝態氮，并且阻礙硝態氮的淋溶轉移[43]。

3.3 不同耕作措施對冬小麥產量的影響

長期連續不施肥處理，土壤養分逐漸被消耗且得不到補充，使土壤肥力下降，冬小麥生長受阻，導致籽粒產量處于較低水平。施氮磷肥處理向土壤中施加了氮肥和磷肥，增加了土壤中有機質含量，提高冬小麥的籽粒產量[44]，本試驗在黑壚土上也得出施氮磷肥處理顯著增加冬小麥籽粒產量的結果。此外，本試驗研究表明，生物炭處理可以增加冬小麥的產量，原因在前文已經述及，生物炭添加改善了土壤理化性質，進而提高冬小麥的產量。地膜覆蓋提高了水分利用效率和降水利用效率，并增加了土壤中的養分含量，提升了冬小麥的籽粒產量。盡管夏閑期覆蓋的土壤養分含量高于生育期覆蓋，但夏閑期地膜半覆蓋增加了土壤的緊實度，阻礙了根系的生長，影響根系對水分和養分的吸收利用；飽和導水率降低，阻礙了水分的補給，因而并沒有顯著提高冬小麥籽粒產量。

結合產投比的影響，其中增施鉀肥處理與生育期地膜半覆蓋處理產投比最高，適合渭北旱塬冬小麥種植采用；生物炭處理產投比最小，原因是生物炭生產工藝復雜，價格昂貴，且用量大，達14 t/hm2；盡管生物炭可以顯著改善土壤理化性質，提高冬小麥產量，但考慮到產投比，生物炭不宜大規模在基本農田推廣施用，可以應用于 “治溝造地”等土地整治工程。此外，生物炭作為一種碳減排劑，在增加土壤碳庫、減排溫室氣體、改善土壤質量及環境修復等方面均具有潛在功效，而且生物炭技術可以通過增加碳截留以應對全球氣候變化[45]。

4 結論

長期傳統耕作并施用氮磷化肥降低耕層土壤緊實度，顯著提高土壤的飽和導水率，增加土壤中各養分的含量，改善土壤理化性質，顯著提高冬小麥的產量。

在氮磷肥配施的基礎上增施生物炭，顯著降低耕層土壤容重、增加飽和導水率，改善土壤物理化學性質，提高冬小麥的產量，但其經濟投入較高。

在氮磷肥配施的基礎上，增施鉀肥可以降低耕層土壤容重，提高水分利用效率，改善土壤化學性質，提高冬小麥產量。在氮磷肥配施的基礎上，生育期地膜半覆蓋，提高水分利用效率，增加耕層土壤養分，提高冬小麥產量。這兩種處理產投比較高，收益增加，是適宜黃土塬區的冬小麥新型增產模式。

[ 1 ]高飛, 劉波, 何小平, 等. 陜西省小麥良種覆蓋率調查與分析[J]. 中國種業, 2015, (3): 25–27.Gao F, Liu B, He X P,et al. Investigation and analysis of wheat variety coverage in Shaanxi province[J]. China Seed Industry, 2015,(3): 25–27.

[ 2 ]Hao M D, Fan J, Wang Q J,et al. Wheat grain yield and yield stability in a long-term fertilization experiment on the Loess Plateau[J]. Pedosphere, 2007, 17(2): 257–264.

[ 3 ]樊軍, 郝明德, 邵明安. 黃土旱塬農業生態系統土壤深層水分消耗與水分生態環境效應[J]. 農業工程學報, 2004, 20(1): 61–64.Fan J, Hao M D, Shao M A. Water consumption and ecoenvironmental effects in deep soil layers of agro-ecosystem in Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2004, 20(1): 61–64.

[ 4 ]王道中, 花可可, 郭志彬. 長期施肥對砂姜黑土作物產量及土壤物理性質的影響[J]. 中國農業科學, 2015, 48(23): 4781–4789.Wang D Z, Hua K K, Guo Z B. Effects of long-term fertilization on crop yield and soil physical properties in lime concretion black soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23): 4781–4789.

[ 5 ]Grant C A, Brown K R, Racz G J,et al. Influence of source, timing and placement of nitrogen on grain yield and nitrogen removal of durum wheat under reduced- and conventional-tillage management[J]. Canadian Journal of Plant Science, 2001, 81(1):17–27.

[ 6 ]同延安, 趙營, 趙護兵,等. 施氮量對冬小麥氮素吸收、轉運及產量的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2007, 13(1): 64–69.Tong Y A, Zhao Y, Zhao H B,et al. Effect of N rates on N uptake,and the yield of winter wheat[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(1): 64–69.

[ 7 ]趙云英, 謝永生, 郝明德. 施肥對黃土旱塬區黑壚土土壤肥力及硝態氮累積的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2009, 15(6): 1273–1279.Zhao Y Y, Xie Y S, Hao M D. Effect of fertilization on fertility and nitrate accumulation of black loessial soil of dry land in Loess Plateau[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(6):1273–1279.

[ 8 ]Wang L, Li X G, Lü J,et al. Continuous plastic-film mulching increases soil aggregation but decreases soil pH in semiarid areas of China[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 167: 46–53.

[ 9 ]Jaynes D B, Dinnes D L, Meek D W,et al. Using the late spring nitrate test to reduce nitrate loss within a watershed[J]. Journal of Environmental Quality, 2004, 33(2): 669–677.

[10]姜東, 戴廷波, 荊奇, 等. 氮磷鉀肥長期配合施用對冬小麥籽粒品質的影響[J]. 中國農業科學, 2004, 37(4): 566–571.Jiang D, Dai T B, Jing Q,et al. Effects of long-term combined application of N, P and K fertilizer on grain quality in winter wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2004, 37(4): 566–571.

[11]潘雅文, 樊軍, 郝明德, 陳旭. 黃土塬區長期不同耕作、覆蓋措施對表層土壤理化性狀和玉米產量的影響[J]. 植物營養與肥料學報,2016, 22(6): 1558–1567.Pan Y W, Fan J, Hao M D, Chen X. Effects of long-term tillage and mulching methods on properties of surface soil and maize yield in tableland region of the Loess Plateau[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(6): 1558–1567.

[12]王美, 李書田. 肥料重金屬含量狀況及施肥對土壤和作物重金屬富集的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2014, 20(2): 466–480.Wang M, Li S T. Heavy metals in fertilizers and effect of the fertilization on heavy metal accumulation in soils and crops[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(2): 466–480.

[13]王月玲, 耿增超, 王強, 等. 生物炭對土土壤溫室氣體及土壤理化性質的影響[J]. 環境科學, 2016, (9): 3634–3641.Wang Y L, Geng Z C, Wang Q,et al. Influence of biochar on greenhouse gases emissions and physico-chemical properties of Loess soil[J]. Environmental Science, 2016, (9): 3634–3641.

[14]毛紅玲, 李軍, 賈志寬, 等. 旱作麥田保護性耕作蓄水保墑和增產增收效應[J]. 農業工程學報, 2010, 26(8): 44–51.Mao H L, Li J, Jia Z K,et al. Soil water conservation effect, yield and income increments of conservation tillage measures on dryland wheat field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(8): 44–51.

[15]Hao M D, Dang T H, Liu D M. Research on appropriate productivity and harmonious development of eco-environment[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2003, 1: 97–100.

[16]Maggard A, Will R, Wilson D,et al. Response of mid-rotation Loblolly Pine (Pinus taedaL.) physiology and productivity to sustained, moderate drought on the western edge of the range[J].Forests, 2016, 7(9): 203.

[17]邵明安, 王全九, 黃明斌. 土壤物理學[M]. 北京: 高等教育出版社,2006: 84–85.Shao M A, Wang Q J, Huang M B. Soil physics [M]. Beijing: Higher Education Press, 2006: 84–85.

[18]He G, Wang Z, Li F,et al. Soil water storage and winter wheat productivity affected by soil surface management and precipitation in dryland of the Loess Plateau, China[J]. Agricultural Water Management, 2016, 171: 1–9.

[19]Xie Z K, Wang Y J, Li F M. Effect of plastic mulching on soil water use and spring wheat yield in arid region of northwest China[J].Agricultural Water Management, 2005, 75(1): 71–83.

[20]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京: 中國農業科技出版社, 2000:25–90.Bao S D. Soil and agro-chemistry analysis[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000: 25–90.

[21]Nguyen V L, Nguyen, Q N, Nguyen N D,et al. The effects of shade tree types on light variation and Robusta coffee production in Vietnam[J]. Engineering, 2015, 7: 742–753.

[22]Glaser B, Lehmann J, Zech W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal - a review[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35(4): 219–230.

[23]Laird D A, Fleming P, Davis D D,et al. Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil[J]. Geoderma, 2010, 158(3–4): 443–449.

[24]Eastman C M. Soil physical characteristics of an Aeric Ochraqualf amended with biochar[D]. MS Thesis of The Ohio State University,2011.

[25]Birk J J, Steiner C, Teixiera W C,et al. Microbial response to charcoal amendments and fertilization of a highly weathered tropical soil[A]. Woods W I, Teixeira W G, Lehmann J,et al. Amazonian dark earths: Wim sombroek's vision[M]. Springer Netherlands, 2009:309–324.

[26]劉艷麗, 李成亮, 高明秀, 等. 不同土地利用方式對黃河三角洲土壤物理特性的影響[J]. 生態學報, 2015, 35(15): 5183–5190.Liu Y L, Li C L, Gao M X,et al. Effect of different land-use patterns on physical characteristics of the soil in the Yellow River delta region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(15): 5183–5190.

[27]Major J, Steiner C, Downie A,et al. Biochar effects on nutrient leaching [A]. Lehmann J, Joseph S. Biochar for Environmental Management (Science and Technology)[M], 2009: 271-287.

[28]Brodowski S, John B, Flessa H,et al. Aggregate-occluded black carbon in soil[J]. European Journal of Soil Science, 2006, 57(4):539–546.

[29]Soane B D. The role of organic matter in soil compacibility: a review of some practical aspects[J]. Soil and Tillage Research, 1990,16(1–2): 179–201.

[30]鄧妍, 高志強, 孫敏, 等. 夏閑期深翻覆蓋對旱地麥田土壤水分及產量的影響[J]. 應用生態學報, 2014, 25(1): 132–138.Deng Y, Gao Z Q, Sun M,et al. Effects of deep plowing and mulch in fallow period on soil water and yield of wheat in dryland[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(1): 132–138.

[31]齊莎, 趙小蓉, 鄭海霞, 等. 內蒙古典型草原連續5年施用氮磷肥土壤生物多樣性的變化[J]. 生態學報, 2010, 30(20): 5518–5526.Qi S, Zhao X R, Zheng H X,et al. Changes of soil biodiversity in Inner Mongolia steppe after 5 years of N and P fertilizer applications[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(20): 5518–5526.

[32]李文西, 魯劍巍, 陳防, 等. 蘇丹草–黑麥草輪作制中氮、磷、鉀肥施用效果研究[J]. 中國農業科學, 2010, 43(7): 1414–1422.Li W X, Lu J W, Chen F,et al. Effect of N, P, K application on yield,nutrient and water utilization under sudangrass and ryegrass rotation regime[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(7): 1414–1422.

[33]Bird M I, Moyo C, Veenendaal E M,et al. Stability of elemental carbon in a savanna soil[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1999,13(4): 923–932.

[34]Dai X, Boutton T W, Glaser B,et al. Black carbon in a temperate mixed-grass savanna[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005,37(10): 1879–1881.

[35]陳溫福, 張偉明, 孟軍. 農用生物炭研究進展與前景[J]. 中國農業科學, 2013, 46(16): 3324–3333.Chen W F, Zhang W M, Meng J. Advances and prospects in research of biochar utilization in agriculture[J]. Scientia Agricultura Sinica,2013, 46(16): 3324–3333.

[36]Sohi S, Lopez–Capel E, Krull E,et al. Biochar, climate change and soil: A review to guide future research [R]. CSIRO Land and Water Science Report, 2009, 56.

[37]Karhu K, Mattila T, Bergstr?m I,et al. Biochar addition to agricultural soil increased CH4uptake and water holding capacity-Results from a short-term pilot field study[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2011, 140(1): 309–313.

[38]Bengough A G, Mullins C E. The resistance experienced by roots growing in a pressurised cell. A reappraisal[J]. Plant and Soil, 1990,123(1): 73–82.

[39]Novak J M, Busscher W J, Laird D L,et al. Impact of biochar amendment on fertility of a southeastern coastal plain soil[J]. Soil Science, 2009, 174(2): 105–112.

[40]Hossain M K, Strezov V, Chan K Y,et al. Agronomic properties of wastewater sludge biochar and bioavailability of metals in production of cherry tomato (Lycopersicon esculentum)[J]. Chemosphere, 2010,78(9): 1167–1171.

[41]Chintala R, Schumacher T E, Mcdonald L M,et al. Phosphorus sorption and availability from biochars and soil/biochar mixtures[J].Clean - Soil Air Water, 2014, 41(5): 626–634.

[42]Li Y S, Wu L H, Zhao L M,et al. Influence of continuous plastic film mulching on yield, water use efficiency and soil properties of rice fields under non-flooding condition[J]. Soil and Tillage Research,2007, 93(2): 370–378.

[43]薛曉輝, 郝明德. 小麥氮磷肥長期配施對土壤硝態氮淋溶的影響[J]. 中國農業科學, 2009, 42(3): 918–925.Xue X H, Hao M D. Nitrate-N leaching in 23-year winter wheat field combined with application of nitrogen and phosphorus[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(3): 918–925.

[44]王兵, 劉文兆, 黨廷輝, 等. 黃土高原氮磷肥水平對旱作冬小麥產量與氮素利用的影響[J]. 農業工程學報, 2011, 27(8): 101–107.Wang B, Liu W Z, Dang T H,et al. Effect of nitrogen and phosphorus fertilization rate on yield and nitrogen utilization of winter wheat in dryland of Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(8): 101–107.

[45]Marris E. Putting the carbon back: black is the new green[J]. Nature,2006, 442: 624–626.

Effects of fertilization and film mulching on soil physical and chemical properties and winter wheat yield on the Loess Plateau

FU Wei1, FAN Jun1,2, HU Yu-tong3, ZHAO Jing3, HAO Ming-de1,3*
(1 College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China;2 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling, Shaanxi 712100, China;
3 Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China)

【Objectives】This study aimed to investigate the effects of different agricultural measures on increasing winter wheat yields and the physical and chemical properties of shallow soil, which would provide support for the selection of suitable measures for sustainable development in the Loess Plateau.【Methods】A winter wheat field experiment since 2002, located in Weibei dryland, was used to in this study. Six treatmentswere chosen, no fertilization control (CK), nitrogen and phosphate fertilization (NP), nitrogen and phosphate and potash fertilization (NPK), nitrogen and phosphate plus biochar addition (NPB), nitrogen and phosphate and half plastic-film mulching over the growth period (NPFG), nitrogen and phosphate and half plastic-film mulching over the summer fallow period (NPFF). Plough after harvest and before sowing of winter wheat was performed in all the six treatments. The physical and chemical properties and agronomic indexes of winter wheat in different treatments were investigated.【Results】Compared with CK, NP could significantly improve the saturated hydraulic conductivity(Ks) of the shallow soil layer, reduce the soil compaction in 0–7.5 cm, significantly increase the water consumption of winter wheat growth period, improve the water use efficiency and precipitation utilization efficiency; at the same time, the contents of organic matter, total nitrogen, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, total phosphorus and available phosphorus in shallow soil were significantly increased, which increased the yields of winter wheat significantly. Compared with NP, total porosity of NPK in harvest stage were increased, and water use efficiency was increased significantly. At the same time, NPK improved soil total nitrogen and organic matter contents, and increased leaf area index of winter wheat significantly. Eventually the average yield of winter wheat was about 4500 kg/hm2in recent 3 years. Compared with NP, NPB reduced soil bulk density significantly (1.16 g/cm3), while increased soil porosity which caused that theKs was 0.049 cm/min, and improved water use efficiency. The contents of soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus and available phosphorus were increased, on the contrary, soil pH was decreased,which leading to increase of winter wheat yield. Compared with NP, NPFG and NPFF reduced the saturated hydraulic conductivity of the shallow soil layer significantly, increased soil compaction and water use efficiency of wheat, increased the contents of organic matter, ammonium nitrogen and available potassium, and reduced soil total phosphorus and pH. Removing the year of hail disaster, the yields of winter wheat maintained at 4700–4800 kg/hm2.【Conclusions】Long-term conventional tillage and nitrogen and phosphorus fertilization significantly increase the yields of winter wheat, but result in decrease of soil pH. Based on the combined application of N and P, the application of biochar could significantly improve soil physical and chemical properties and increase the yields of winter wheat, however, its economic input is high. Combined application of potash, and half mulched the soil with plastic-film over the growth period would improve the soil nutrient status in the shallow layer, and increase economic benefits to a certain extent, which is thought to be suitable measure for winter wheat in the Loess Plateau.

Loess Plateau; yield; soil compactness; saturated hydraulic conductivity; water use efficiency

2016–12–30 接受日期：2017–06–03

國家科技支撐計劃項目（2015BAD22B01）；西北農林科技大學科技成果推廣項目（TGZX2015-24）；寧夏農業綜合開發科研推廣項目（NTKJ-2013-03-1）資助。

付威（1993—），男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事土壤水分與養分循環研究。E-mail：weifuu0518@163.com

* 通信作者 E-mail：mdhao@ms.iswc.ac.cn