西北半干旱區農田土壤有機碳和全氮分布特征及其對地膜玉米產量的影響

胡延斌, 肖國舉, 仇正躋, 戴君麗, 李永平

(1.寧夏大學, 資源環境學院 環境工程研究院, 銀川 750021; 2.寧夏六盤山花卉研究所, 寧夏 隆德 756302;3.寧夏彭陽縣科學技術局, 寧夏 固原 756500; 4.寧夏農林科學院固原分院, 寧夏 固原 756000)

糧食安全一直是中國農業發展面臨的首要任務[1]，特別是近年來，伴隨城市化進程加快，我國耕地面積不斷減少，中國糧食安全的挑戰越發嚴峻，水稻、小麥、玉米播種面積急劇下降。西北半干旱區是我國地膜玉米主產區之一，有超過20%的玉米用于口糧和食品加工，這就提要求我們必須不斷提高玉米生產水平。土壤碳氮是作物生長不可或缺的物質基礎，合理增加土壤碳氮含量可有效提高地膜玉米產量[2]。明確作物產量的需求規律可以為地膜玉米的合理和精準施肥提供理論依據，對實現西北地區地膜玉米的優質、高效生產具有重要意義。目前，國內外對土壤質量變化與作物生產的影響主要從微觀和宏觀兩個層面展開。微觀層面是系統整合足夠多的試驗數據，形成適合一定生態區域的數學模型;宏觀層面是利用一定的土壤碳庫變化模型，如RothC，CQESTR，CENCURY，NCSOIL，Rothamsted，CANDY，DNDC模型等，進行土地質量變化對作物生產力的定量模擬[1,3-6]。這些碳循環模型在設計、技術和機制上存在差別，模擬碳循環對作物生態系統的影響也各不相同。大量研究表明[3-4,7]，合理提高土壤碳氮含量可以顯著提高耕地生產水平。我國土壤有機碳密度分別低于世界平均水平的30%和歐洲國家的50%，有機碳含量不足嚴重阻礙作物穩產高產[8-9]。我國東北地區土壤有機碳在1.00%～1.50%，華北地區在0.50%～0.80%，南方地區集中在0.80%～1.20%，而西北大部分在0.50%以下，碳含量不足已成為制約西北地區糧食生產的重要因素之一。盡管中國目前對于不同區域和不同土地利用方式下土壤質量變化對作物生產的影響已有一些研究，但由于試驗資料不足，或者引用模型的適用性不強，在廣度和深度上與國外研究還存在明顯差距，遠遠不能滿足國家需求。西北干旱半干旱區面積占全國陸地面積的30%，是我國生態環境最為脆弱的區域之一，干旱、貧瘠是影響區域農業可持續發展的主要因素。分布有大面積的黃綿土，是我國西北地區主要糧食、果蔬基地之一。目前，農業生產中施肥大多數仍采用經驗法，存在盲目性，與精準農業的發展要求不適應。

近年來，玉米(ZeamaysL.)全膜雙壟溝播種技術已在西北旱作農業區廣泛推廣。該技術集抑蒸、壟溝集雨和種植于一體，有效實現了保墑蓄水、增加積溫、減小侵蝕、減輕鹽堿化的效果，農田土壤環境顯著改善。在相同條件下，玉米全膜雙壟溝播種比半膜平覆種植增產35%以上，抗旱增產優勢顯著[10]。本文選擇西北典型半干旱區農田生態系統，利用2017—2018連續生態系統調查取樣及觀測數據，在區域尺度上定量模擬耕地質量變化對地膜玉米生產力的影響?；┺r家肥和一定數量的化肥是固原半干旱區多年來的傳統耕作方式，本研究為傳統耕作方式下的農田土壤理化性狀特征及變化規律。在分析土壤有機碳和全氮變化的同時，系統分析土壤碳氮含量對地膜玉米產量的影響。為進一步分析半干旱區土壤碳氮固定潛力及作物生產管理提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

調查研究在西北半干旱區彭陽縣白陽鎮、城陽鄉和草廟鄉進行(106°43′48″—106°43′46″48′E，35°45′36″—35°51′N)。海拔介于1 577.00～1 629.00 m，大陸性氣候。年均溫在6.3～10.2℃，多年平均氣溫7.9℃，年降雨量在282.10～765.70 mm，多年平均降水量450 mm，平均無霜期125 d。土壤為黃土高原黃綿土，土層深厚，耕性良好。主要種植作物有小麥、馬鈴薯、地膜玉米，熟制為一年一熟，屬于典型的半干旱雨養農業區[11]。

1.2 供試品種及田間管理

本研究以緊湊型耐密高產“先玉335”為供試材料，采用機覆全膜雙壟等距種植方式播種春玉米，覆膜寬為1.1 m，玉米種植行距55 cm，密度6.75萬株/hm2。按照梅花型用GPS確定采樣點，每個采樣點面積控制在1 m×1 m范圍內。2016年起，調查區域三年連作地膜玉米，春季結合機耕犁地或旋耕整地，基施農家肥52.50 t/hm2，磷酸二銨200 kg/hm2(合P2O5172.5 kg)。大喇叭口追施磷酸二銨225 kg/hm2，氮肥225 kg/hm2(尿素)，旱地無灌溉。

1.3 作物考種與測產

2017—2018年玉米收獲期，確定采樣點后人工采集土壤樣品，去除土壤樣品中的礫石、動植物殘體等雜質，測定土壤中有機碳與全氮。人工收獲地膜玉米，實打實收，測定百粒重、每棒粒數、每棒重量以及實際產量。用百分位電子天平測定玉米籽粒百粒重，重復5次，取平均值。測定耕層土壤中有機碳、全氮等養分指標。有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法;全氮采用微量凱氏定氮法。

1.4 數據處理分析

在土壤樣品采集點，用內徑5 cm的土鉆人工采集耕層土壤(0—20 cm)，各樣方(1 m×1 m)選取5個點，充分均勻混合為一個土樣。2017年、2018年每年分別取樣36個與32個，兩年共68個樣品(表1)。兩年取樣采集點彼此是獨立的，同樣兩年間樣品間觀測值也獨立的。鑒于國內外關于土壤養分狀況與作物生產關系的研究中多采用g/kg土壤有機碳與全氮的貢獻量作為研究對象，因此，本文將土壤有機碳與全氮以1 g/kg與0.1 g/kg等距劃分。

表1 研究區土壤基本理化性質

研究數據分析和繪圖在Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0中完成。應用SPSS 19.0軟件，選擇One-Way ANOVA進行單因素方差分析，采用最小顯著性差異法(LSD,α=0.05)進行多重比較，采用Pearson法進行變量間相關性分析。應用Microsoft Excel 2010進行分析和繪圖。圖表中數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 農田土壤碳氮分布特征

2.1.1 土壤有機碳分布特征 從調查來看(表2)，玉米耕層土壤有機碳在4.00～14.00 g/kg，K-S檢驗表明，漸進顯著性為0.11，變異系數分別為18.46%，偏度和峰度分別為0.08，1.26。耕層土壤有機碳含量在4.00～6.00 g/kg，6.00～8.00 g/kg，8.00～10.00 g/kg，10.00～12.00 g/kg，12.00～14.0 g/kg分別占樣本采集的2.94%，41.18%，17.65%，35.29%，2.94%。其中94.12%的集中在6.00～12.00 g/kg，變異系數為18.46%。

表2 2017-2018年調查區域農田耕層土壤SOC樣品統計分析

2.1.2 土壤TN分布特征 調查區域地膜玉米農田耕層土壤全氮含量在0.30～1.30 g/kg，K-S檢驗表明，漸進顯著性為0.08，變異系數為10.53%，偏度和峰度分別為3.86，22.89。耕層土壤全氮含量在0.80～0.90 g/kg，0.90～1.00 g/kg，1.00～1.10 g/kg，1.10～1.20 g/kg，1.20～1.30 g/kg分別占樣本采集的33.82%，48.53%，11.77%，2.94%，2.94%，其中有94.12%集中分布在0.80～1.10 g/kg，變異系數為10.53%(表3)。

從兩者關系來看，土壤全氮伴隨有機碳含量的增加呈上升趨勢。土壤有機碳和全氮在0.05水平上顯著相關性為0.29。

2.1.3 土壤C/N變化特征 通常認為土壤C/N是土壤質量的敏感指標，其演變趨勢對土壤碳氮循環有著重要影響。調查區域地膜玉米耕層土壤C/N在5.00～13.00之間，變異系數為17.12，偏度和峰度分別為0.23，1.26。C/N在5.00～6.00，6.00～7.00，7.00～8.00，8.00～9.00，9.00～10.00，10.00～11.00，11.00～12.00，12.00～13.00分別占樣本采集的2.94%，2.94%，23.53%，22.06%，5.88%，19.12%，17.65%，5.88%，其中89.71%的集中在7.00～12.00，變異系數為17.12%(表4)。

表4 2017-2018年調查區域農田耕層土壤C/N樣品統計分析

2.2 土壤碳氮含量水平對玉米產量的影響

2.2.1 土壤有機碳對玉米產量及產量組成的影響 玉米產量由每棒粒數、百粒重、收獲棒數決定。從表5看，土壤有機碳含量增加，總體有利于玉米產量的提高。調查區域耕層土壤有機碳含量4.00～14.00 g/kg時，有機碳含量每增加1 g/kg，玉米每棒重量增加13.26～22.18 g，增產6.60%～13.12%;有機碳含量6.00～12.00 g/kg時，有機碳含量每增加1 g/kg，玉米每棒重量增加13.25～22.18 g，增產7.10%～13.12%。

表5 土壤有機碳含量與玉米產量及產量組成的影響

隨土壤有機碳含量的提高，每棒粒數顯著上升。土壤有機碳4.00～10.00 g/kg，每棒粒數增加28.81～56.49粒;土壤有機碳6.00～14.00 g/kg，每棒粒數增加9.81～87.40粒，其中有機碳在12.00～14.00 g/kg時，每棒粒數最高，為770.00粒。

隨土壤有機碳含量的提高，玉米百粒重呈現波動上升趨勢(圖1)。土壤有機碳4.00～10.00 g/kg，玉米百粒重增加0.16～1.75 g;土壤有機碳6.00～12.00 g/kg，百粒重下降1.55～1.59 g;土壤有機碳6.00～14.00 g/kg，百粒重增加0.16～2.18 g。

圖1 土壤有機碳對玉米產量及產量組成的影響

2.2.2 土壤全氮對玉米產量及產量組成的影響 從氮含量對玉米產量組成的影響來看，耕層土壤氮含量對收獲棒數無顯著性差異，而百粒重、每棒粒數、每棒重量以及實際產量差異性明顯。從表6可以看出，玉米實際產量與每棒粒數和每棒重量的變化趨勢一致。土壤全氮含量0.80～1.10 g/kg時，全氮含量每增加0.10 g/kg，每棒粒數和每棒重量分別增加28.13～89.24粒和14.41～20.92 g;全氮含量1.10～1.30 g/kg時，產量開始出現下降趨勢。

表6 土壤全氮含量與玉米產量及產量組成的影響

從氮含量與玉米產量的關系來看，一定閾值內，氮含量越高，玉米增產越明顯，而超出這個閾值，則會出現減產趨勢。氮含量0.80～1.10 g/kg時，玉米增產4.60%～12.40%;氮含量1.00～1.30 g/kg時，玉米減產11.86%～20.05%。

2.2.3 土壤C/N對作物產量及產量組成的影響 從表7看，耕層土壤C/N對作物產量及產量組成影響顯著。隨耕層土壤C/N升高，棒粒數和每棒重量呈上升趨勢，平均百粒重呈波動上升趨勢(圖2)。土壤C/N 6.00～9.00時，玉米平均百粒重最高，為38.82～40.50 g。土壤C/N 5.00～9.00，棒粒數增加18.53～30.47粒，實際產量增加4.15%～12.24%;土壤C/N 9.00～13.00，棒粒數增加48.75～134.75粒，實際產量增加1.55%～24.09%。土壤C/N 9.00～13.00時，棒粒數最高，為620.75～770.75粒。土壤C/N 5.00～13.00時，C/N增加有利于玉米產量及產量組成的增長，但增加趨勢速度顯著降低。

表7 土壤C/N對玉米產量及產量組成的影響

圖2 土壤C/N對玉米產量及產量組成的影響

3 討 論

農田土壤碳氮作為土壤肥力的核心和農業可持續發展的基礎，與作物產量密切相關，且二者之間具有明顯的協同效應[1]。長期以來，關于半干旱區農田土壤碳氮固定與作物產量方面的研究基本處于空白狀態，尤其是碳氮含量與作物生產的協同效應研究不足。本文研究發現，我國西北半干旱區農業施肥仍采用經驗法，存在盲目性，尤其是氮肥用量高和施用時期不合適現象突出，土壤氮含量過高，一定程度上限制了作物產量的提高。因此，如何精準施肥，成為研究者關注的科學問題。

Pan等[12]發現土壤有機質含量與谷物產量呈直線顯著相關、曲線相關和無顯著相關性。但多個長期定位試驗表明，耕層土壤有機碳增加對作物單產和穩產的提高均呈現積極地正效應[4-6,9,13-16]。邱建軍等[4]通過模擬改變有機碳本底值對作物產量的影響，結果表明土壤有機碳每增加1 g/kg，產量增加176～454 kg/hm2。潘根興等[9]研究表明，土壤有機質增加幅度越大，水稻單產變率越低。王衛等[7]研究表明，有機質含量較低的省份，土壤有機質每增加1 g/kg，單產增加84.40 kg/hm2，明顯高于有機質含量較高省份的22.20 kg/hm2。這與邱建軍等[4]研究的土壤有機碳含量每增加1 g/kg，低有機質省區和高有機質省區春玉米產量分別增加328 kg/hm2，176 kg/hm2的趨勢相同。本研究表明，伴隨耕層土壤有機碳含量增加，玉米產量和產量組成顯著增加，其中有機碳含量4.00～12.00 g/kg時，實際產量增速最快，超出這個閾值后，產量增速明顯下降，與前人研究結果基本一致。

賀美等[3]利用DNDC模型發現在相同氮水平情況下，東北黑土區作物產量隨土壤有機碳含量的升高持續上升，但在較高有機碳水平下，產量的增幅大大降低。巨曉棠和彭顯龍分別發現，在維持氮平衡的前提下，100 kg籽粒的氮素需求量約為2.4 kg和1.4 kg，據此計算出黑龍江作物純N施用水平約為180 kg/hm2，105 kg/hm2[17-18]。楊憲龍等[19]研究發現，關中地區玉米施氮量在180 kg/hm2時，生產水平最高。俄勝哲等[20]研究表明，玉米產量與土壤全氮含量呈顯著正相關。本文研究發現，耕層土壤全氮含量在1.00～1.10 g/kg時，地膜玉米生產水平最高，超出這個閾值后，玉米生產水平開始呈顯著下降趨勢。說明，常規施氮雖然可以維持較高的生產水平，但是從節氮角度考慮，減量施氮具有更高的現實意義。研究結果與前人研究略有差異，造成結果差異的原因可能是氣候、土壤類型、種植制度以及農田管理措施不同，對于減量施氮對作物增產的長期效應仍有待進一步研究。

土壤C/N水平也決定于土壤碳素和氮素的平衡狀況，當碳素含量高于氮素水平時，土壤C/N水平就會提高。對某一特定土壤，C/N基本為一常數，這意味著土壤有機碳水平在某種程度上取決于土壤中能夠同化成腐殖質的有效氮含量水平[21]。C/N較高的土壤，在分解初期為了滿足微生物對氮素的需求，從土壤中吸收礦質氮，與植物競爭養分，影響作物產量[22]。因此，土壤有機碳與產量的關系仍存在很大不確定性，制定農業適應性對策是確保糧食安全的關鍵[23]。

黃土高原表層土壤有機碳含量為14.52 g/kg[24]，而本研究中土壤有機碳含量明顯低于全區平均水平。土壤養分水平低，已對區域糧食生產產生了重要影響[12]。深入理解半干旱地區農田土壤碳氮含量與增產的協同效應，在一定程度上填補半干旱區土壤養分含量相關研究的欠缺，為指導區域合理施肥、增加生物量和作物產量、提升土壤肥力提供數據支持，為實現農業可持續發展打下堅實基礎[1]。雖然本文就西北半干旱區土壤碳氮含量與作物生產的影響做了相關分析，但并未明確外界因子對土壤碳氮與作物生產協同效應的貢獻量。今后研究中需要采用結構模型，量化外界因子對土壤碳氮固定機制及與作物生產協同效應的研究，才能更全面地回答半干旱區土壤碳氮與作物生產協同效應的閾值[25]。

4 結 論

本調查研究區域耕層土壤有機碳、全氮含量以及C/N分別分布于4.00～14.00 g/kg，0.80～1.30 g/kg，5.00～13.00之間。參照全國第二次土壤調查養分分級標準，樣本中2.94%的有機碳含量屬于極度缺乏水平，58.83%屬于缺乏水平，38.23%屬于中等偏下水平，變異系數為18.46%;樣本中83.25%的全氮含量屬于中等偏下水平，17.65%屬于中等偏上水平，變異系數為10.53%;89.71%的C/N集中在7.00～12.00，變異系數為17.12%。

總體看，一定閾值內，耕層土壤碳氮含量以及C/N增加，對作物增產呈積極的正效應。耕層土壤有機碳含量4.00～14.00 g/kg時，SOC含量每增加1 g/kg，玉米增產0.79%～12.20%;SOC含量6.00～12.00 g/kg時，SOC含量每增加1 g/kg，玉米增產8.59%～12.20%。耕層土壤全氮含量0.80～1.10 g/kg時，TN含量每增加0.1 g/kg，玉米增產4.6%～12.40%;TN含量1.10～1.30 g/kg時，TN含量每增加0.1 g/kg，玉米減產11.86%～20.05%。耕層土壤C/N在5.00～13.00時，玉米增產1.55%～24.09%。C/N在5.00～10.00時，玉米增產4.15%～24.09%;C/N10.00～13.00時，玉米增產1.55%～7.70%，呈明顯減緩趨勢。產量組成中，每棒粒數與土壤有機碳相關性高于平均百粒重與土壤有機碳的相關性。