長期施肥對潮土有機碳含量及小麥產量的影響

劉明鐘， 張愛君， 魏 猛， 李洪民， 唐忠厚， 陳曉光

(江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所/江蘇徐州甘薯研究中心，江蘇徐州 221131)

土壤有機碳含量是表征土壤肥力高低的主要指標，也是土壤學研究中肥力的代表性指標，在農田肥力中占有非常重要的位置[1]。施肥是農業管理措施中能夠實現人為調控土壤有機碳含量的最主要手段[2]。大量研究表明，作物產量隨土壤有機碳含量升高而增加，但也有研究認為土壤有機碳含量與作物產量表現為直線顯著相關、曲線相關和無顯著相關關系[3-4]。潮土作為我國重要的農業土壤，面積達267萬hm2。由于其在糧食生產中的重要地位，相關研究受到長期重視[5]。本研究通過探討長期不同施肥下潮土有機碳含量和小麥產量的變化特征，并分析小麥產量與有機碳含量相關關系，為潮土作物高產穩產及改善土壤質量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所試驗田(117°17′E、34°16′N)進行，土壤為沙壤質潮土。該區屬暖溫帶半濕潤氣候區，年平均氣溫14 ℃，≥10 ℃的活動積溫5 240 ℃，全年無霜期約210 d，年降水量860 mm(主要集中在7—8月份)，年蒸發量1 870 mm，年日照時數2 317 h。試驗開始前耕層土壤基本養分含量為有機碳6.26 g/kg，全氮0.66 g/kg，全磷0.74 g/kg，有效磷12.00 mg/kg，速效鉀63.00 mg/kg，緩效鉀738.50 mg/kg，pH值8.01。

1.2 試驗設計

試驗開始于1980年，共設8個處理：(1)對照(CK，不施肥)，(2)施氮肥(N)，(3)施氮磷肥(NP)，(4)施氮磷鉀肥(NPK)，(5)施有機肥(M)，(6)施有機肥和氮肥(MN)，(7)施有機肥和氮磷肥(MNP)，(8)施有機肥和氮磷鉀肥(MNPK)。每個處理重復4次，小區面積為33.3 m2。氮、磷、鉀肥每年施用量：150 kg/hm2純N，75 kg/hm2P2O5，112.5 kg/hm2K2O，化肥N、P、K分別由尿素(46% N)、磷酸二銨(18% N，46% P2O5)、硫酸鉀(50% K2O)提供；有機肥每年施用量(鮮基)為1981—1984年施馬糞75 t/hm2，1985年以后改為施豬糞37.5 t/hm2；1980—2015年有機肥水分含量范圍為42%～58%，有機碳含量為138～301 g/kg，養分年投入量范圍為 87.75～154.69 kg/hm2N、84.38～175.31 kg/hm2P2O5、135.00～309.38 kg/hm2K2O。耕作制度在1981—2001年為小麥-玉米一年兩熟輪作制，2002年后改為小麥-甘薯一年兩熟輪作制。小麥為當年的主栽品種，每5～7年更換1次。小麥播種行距為15 cm，基本苗3.0×106株/hm2，人工條播。小麥季氮肥的基肥、追肥比例為50%，基肥方式為施后翻地，追肥方式為表施。每季作物收獲后將地上部秸稈移除，實施根茬還田，作物其他管理措施與大田一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土樣的采集與測定 小麥收獲后每小區選5點立即采集各處理0～20 cm土層的土樣，有機碳含量測定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法[6]。

1.3.2 小麥產量的測定 收獲期將各小區的小麥去除保護行后，人工脫粒后曬干，稱質量計產。

1.4 數據分析

數據統計與分析采用Excel和DPS分析軟件進行。

2 結果與分析

2.1 長期施肥對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳含量隨著種植時間延長均有不同程度的增加，以有機無機配施處理(MN、MNP、MNPK)土壤有機碳增加幅度最高，不施肥處理(CK)土壤有機碳含量變化幅度最小(圖1)。從35年有機碳平均含量來看，與CK處理相比，施肥處理均能顯著提高有機碳平均含量，其中有機無機配施處理(MN、MNP、MNPK)增幅范圍為90.6%～100.8%；單施有機肥處理次之，增幅為78.1%；其次為施用化肥處理(N、NP、NPK)，增幅范圍為16.1%～26.1%，且與單施有機肥處理差異達到顯著水平(圖2)。由此可見，施用有機肥在提高土壤有機碳含量方面作用較大，施用有機肥比單施化肥能更快速地提高有機碳含量，以有機無機配施提升效果更為顯著。

2.2 長期施肥對小麥產量的影響

長期不同施肥均能提高小麥產量，但不同施肥方式的增產效應不同，以有機無機配施方式產量最高(圖3)。CK處理產量整體呈現逐年緩慢下降趨勢；N處理前4年產量較高，之后產量開始急劇下降，后趨于平緩；NPK處理在該試驗條件下，尚難維持高產量，除了第5年(1985年)由于天氣原因，造成產量總體下降外，自第6年后產量便開始趨于動態穩定，處理M產量與處理NP有相似變化規律，二者產量一直低于處理NPK；MN、MNP、MNPK處理產量始終保持在較高產量水平，以MNPK處理效果更為顯著。從產量演變的趨勢看，MNPK處理前6年穩定在高產水平(1985年除外)，第7年后產量因有機肥用量減半而有所降低，但產量變化趨勢線較小，后3年(2013—2015年)平均產量仍能達到前3年(1981—1983年)平均產量的96.8%，說明有機無機配施有利于提高土壤的養分供應和協調能力，可以更好地維持小麥農田生態系統的穩定性。

小麥產量的穩定性和生產可持續性可分別用小麥產量變異系數(CV)及可持續性指數(SYI)表征(圖4)。小麥產量的變異系數可按其大小分為3個水平：處理CK和N變異系數較大，分別為0.38和0.53；處理NP、NPK和M次之，范圍為0.12～0.21；處理MN、MNP、MNPK最小(0.07～0.10)。可持續性指數SYI亦可根據其值的高低分為3個等級：第1等級為處理MN、MNP、MNPK(0.73～0.79)；第2等級包括處理NP、NPK和M(NP：0.53，NPK：0.69，M：0.57)；處理N和CK為第3等級(N：0.19，CK：0.33)。這說明有機無機配施的施肥方式更有利于促進小麥產量穩定性與生產可持續性的提高，氮磷鉀施肥處理次之，其次為單施有機肥處理，單施氮肥則降低了產量的穩定性和生產可持續性。

2.3 長期施肥下小麥產量、變異系數(CV)及可持續性指數(SYI)與土壤有機碳含量的關系

為消除氣候條件、灌溉、土壤性質及栽培措施對有機碳含量及小麥產量的影響，將各年份施肥處理的產量與有機碳含量分別減去對應年份的CK，得到施肥產量變化(凈產量)與有機碳變化(凈有機碳)。回歸分析顯示，施肥土壤有機碳含量變化(x)與產量變化(y)可用線性方程擬合(圖5)，由該模型進一步推斷出，該耕作水平下施肥土壤有機碳增加1 g/kg，小麥產量可增加313 kg/hm2(r2=0.270 4，P<0.01)。

為了進一步研究施肥提高小麥產量的作用機制，有必要分析小麥產量CV、SYI值與有機碳含量間的響應關系，研究表明土壤有機碳平均含量與CV值呈顯著負相關(r2=0.561 6，P<0.05)，而與SYI值呈極顯著正相關(r2=0.622 5，P<0.01)(圖6)。這表明施肥措施提高有機碳含量與提升產量的穩定性及可持續性一致。

3 結論與討論

施肥是影響土壤有機碳庫的重要因素，不同的施肥方式對土壤有機碳的影響不同[10-11]。本研究結果表明，施肥處理土壤有機碳含量均有不同程度的增加，與初始有機碳含量相比，有機無機配施處理土壤有機碳含量可增加2倍以上。這主要是由于施肥可以促進作物生長，增加根系生物量，使殘留在土壤中的根茬和根系分泌物增加；另外，有機肥的施用還可直接為土壤提供有機碳源，增加微生物活性，促進土壤有機碳和養分轉化，從而提高了土壤有機碳的固定量[12]。雖然不同施肥方式都可以增加土壤有機碳的含量，但是有機無機配施對土壤有機碳含量的貢獻顯著高于單施化肥處理[2，13]。

作物產量的年際波動圖可從時間上分析產量變化過程及趨勢，其主要受環境、生物及人為因素的影響[14]。當施肥成為其主要限制因素時，不施肥處理小麥產量有所降低，但歷年變化不大，即受到溫度、降水等氣候因素和人為因素的影響不大；另外也是因為在試驗開始時產量就比較低，僅占當年NPK處理的39.3%。本研究結果表明，小麥產量大小為有機無機配施>氮磷鉀配施處理>單施有機肥和氮磷配施處理。這主要是由于氮磷鉀配施可滿足小麥生產的需求，有機肥的長期施用也有助于提高土壤肥力，有機無機配施避免了單施有機肥的土壤養分含量不足的同時，也解決了氮磷鉀配施的有機質含量水平偏低的問題[15]。作物產量穩定性是判斷農田生態系統高低的重要標準[16]，本研究對比了8種不同施肥方式下小麥產量的CV值及SYI值，不施肥和單施氮肥處理的產量穩定性最差，說明單施氮肥和不施肥方式小麥的產量容易造成大幅波動，抗逆性較差，而其余施肥處理(NP、NPK、M、MN、MNP、MNPK)均可有效降低CV值、提高SYI值，進而降低環境、生物與人為因素等對產量的影響，其中以有機無機配施最有利于維持小麥產量的穩定性和生產可持續性。

本研究進一步分析了35年長期不同施肥下有機碳含量與產量的關系，結果表明土壤有機碳含量變化與小麥產量變化呈極顯著正相關，有機碳平均含量與小麥產量CV值呈顯著負相關，而與SYI值呈極顯著正相關，可以表明土壤有機碳含量越高，作物產量穩定性及可持續性越好。因此，施用有機肥提高小麥產量及其可持續性指數的主要原因可能是提高了土壤有機碳含量。長期施用化肥作物產量對土壤基礎地力的依賴程度較高，可在短期內提高作物產量，而單施有機肥作物產量提高則較緩慢，有機無機配施可實現作物高產穩產，且其穩產和增產效果均優于化肥和有機肥單施[17]。