不同覆蓋方式對旱作農田土壤碳氮含量及玉米產量的影響

王鈺皓，龐津雯，楊佳霖，劉 暢，劉子涵，楊寶平，賈志寬，張 鵬

(西北農林科技大學農學院/農業農村部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室/西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100)

大量研究得出，覆蓋技術對作物產量的影響并不是孤立的，而是通過改變土壤特性及養分含量來影響的。然而目前的研究多關注于農田覆蓋對水分高效利用和產量提升方面，而對于旱作農田土壤碳氮變化與作物產量間的關系的研究較少。因此，本研究以春玉米為研究對象，設置壟膜溝播、平作全覆膜、平作秸稈覆蓋3種覆蓋措施，系統研究不同覆蓋模式對旱作農田土壤碳氮變化及玉米產量的影響，探究不同覆蓋模式對旱作農田土壤質量及作物產量的影響機制，以期為完善和篩選旱地玉米高產可持續發展覆蓋模式提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

在陜西楊凌西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院試驗田(34°20′N，108°04′E)進行試驗，該區海拔490 m，年均降水量630 mm，年均氣溫13.0℃，年均日照時數為2 196 h，年蒸發量933 mm，干燥指數為1.38～1.59，無霜期220 d，土壤類型為塿土。試驗開始時(2015年)表層(0～20 cm)土壤全氮含量1.21 g·kg-1，有機質13.81 g·kg-1，速效氮53.35 mg·kg-1，速效磷21.35 mg·kg-1和速效鉀142.97 mg·kg-1。

試驗年間玉米生育期年際間氣溫波動較小(圖1)，生育期日平均氣溫為11.3℃～33.6℃。2015、2016年和2017年玉米生育期降水量分別為185.1、269.8 mm和243.7 mm，2015年降水頻率和降水量分布較為均勻；2016年播后20 d內幾乎無降水，延遲了裸地平作玉米的出苗時間，且生育后期降水頻率大于生育前期；2017年玉米生育期的降水頻率較前兩年明顯減少，且主要集中在生育前期。與該點近40年玉米生育期平均降水量(245.2 mm)相比，依據標準化降水指數(SPI值)，2015年是干旱年，2016、2017年是平水年。

圖1 2015—2017年玉米生育期降水量和日平均氣溫Fig.1 Precipitation and daily average temperature during maize growth period of 2015-2017

1.2 試驗設計

試驗采取完全隨機設計，設置4個處理，分別是：壟膜溝播(R)、平作全覆膜(P)、平作秸稈覆蓋(S)和傳統平作(CK)，每個處理均重復3次。小區種植面積為52.8 m2(11 m × 4.8 m)。作物為玉米，品種為大豐30(當地大面積種植品種)，2015、2016年和2017年的播種日期分別為4月19日、4月19日和4月20日；收獲日期分別為8月15日、8月20日和8月6日。播種密度為 67 000 株·hm-2(60 cm × 25 cm)，用鷹嘴播種(施肥)器人工播種，播種深度為4～5 cm。播種時各處理用人工鷹嘴播種(施肥)器施基肥(N 140 kg·hm-2和 P2O5150 kg·hm-2)，玉米播種69～75 d后在玉米棵間進行追肥(N 140 kg·hm-2)，施肥深度為4～5 cm，全生育期不灌水。試驗期間所有處理沒有發生病蟲害，并根據情況進行人工除草。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤樣品 采用五點混合采樣法采集0～20、20～40 cm和40～60 cm各土層土壤，將5個點的土樣充分混勻作為該小區代表性土樣。將土樣放于室內風干，剔除樣品中植物根系、礫石等雜物，將樣品過2 mm篩，儲藏于4℃冰箱中用于各項指標的測定。

土壤有機碳含量(DOC)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[18]測定，根據公式(1)計算出土壤有機碳儲量；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定[18]，土壤全氮儲量用公式(2)計算，根據公式(3)計算出土壤碳氮比。土壤硝態氮和銨態氮使用連續流動分析儀測定。可溶性有機碳含量采用總有機碳分析儀測定；總可溶性氮含量使用連續注射流動分析儀測定[19]，根據公式(4)計算出土壤可溶性有機氮含量。

臨床教學是當前醫學教育中的核心內容,通過臨床實踐可以培養良好的臨床思維,是醫學生完成醫學學習的必經過程。而傳染病醫院在承擔傳染病醫療及預防職能的同時,也承擔著傳染病臨床教學的職能,針對目前傳染病臨床教學工作管理中存在的問題,傳染病醫院應當加強重視,多措并舉,積極探討解決問題。

TSOC=S×d×SD×SOC×10-5

(1)

TTN=S×d×SD×TN×10-5

(2)

式中，TSOC為土壤有機碳儲量(mg·hm-2)，TTN為土壤全氮儲量(mg·hm-2)，S為土地面積(hm-2)，d為土層深度(cm)，SD為土壤容重(g·cm-3)，SOC為土壤有機碳含量(g·kg-1),TN為全氮含量。

C/N=SOC/TN

(3)

(4)

1.3.2 玉米生物量及產量 玉米播種后，每隔20 d，各小區選取3株長勢一致有代表性的植株進行破壞性取樣，105℃殺青30 min，然后放入80℃烘箱烘干至恒重，測定各生育時期地上部生物積累量。收獲時，每個小區選取4行有代表性的玉米，每行連續隨機收獲10株玉米進行產量測定。

1.4 數據分析

采用單因素方差分析法(IBM SPSS Statistics)分析處理之間的差異(顯著差異在95%的置信水平下確定)，當檢測到差異顯著時(P<0.05)，使用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較。Origin 2021b軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋方式對土壤有機碳、全氮和碳氮比的影響

2.1.1 土壤有機碳及全氮含量 連年覆蓋(除S處理外)導致土壤有機碳含量呈逐年下降趨勢，連續覆蓋3 a后，R、P和CK處理0～40 cm土層土壤有機碳含量比試驗前分別降低了2.7%、2.9%和6.0%，其中CK處理降幅最大，R和P處理降幅差異不明顯，而S處理平均增長了3.5%，且每年的增幅逐漸增大。

連續覆蓋R、P和CK處理0～40 cm土層土壤全氮含量較試驗前分別降低了18.2%、19.2%和9.1%，R和P處理的土壤全氮含量降幅大于CK，S處理的全氮含量整體呈緩慢上升趨勢(表1)。

表1 不同覆蓋方式下土壤有機碳和全氮含量的變化Table 1 Changes of soil organic carbon and total nitrogen content under different mulching conditions

2.1.2 土壤有機碳及全氮儲量 不同覆蓋模式下各處理0～20 cm土層土壤有機碳儲量均高于20～40 cm土層(圖2)。0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機碳儲量變化范圍分別為20.1～21.4 mg·hm-2和16.1～18.5 mg·hm-2。覆蓋3 a后，除S處理外，其余各處理各土層土壤有機碳儲量均呈下降趨勢，R、P和CK處理0～40 cm土層的有機碳儲量分別下降了2.1%、2.2%和3.4%，而秸稈覆蓋(S)增加了3.4%。與試驗前相比，兩個土層表現一致，除了S處理外，其他處理土壤有機碳年消長速率均為負。R、P和CK處理0～20 cm土層土壤有機碳儲量的降幅分別為0.6%、0.5%和1.8%，均明顯小于20～40 cm土層(3.8%、4.0%和5.1%)。

各處理0～20 cm和20～40 cm土層土壤全氮儲量的變化范圍分別為2.4～3.1 mg·hm-2和1.7～2.3 mg·hm-2，0～20 cm土層土壤全氮儲量明顯高于20～40 cm土層，各處理土壤全氮儲量均表現為S>CK>R>P。各處理(除S外)兩個土層的土壤全氮儲量均隨著覆蓋年限增長呈下降趨勢，連續覆蓋3 a后R、P和CK處理0～40 cm土層全氮儲量分別下降了15.6%、17.4%和7.5%，而秸稈覆蓋(S)處理增加了7.5%。地膜覆蓋(R和P)處理0～20 cm土層土壤全氮儲量的降幅(13.4%和14.6%)均小于20～40 cm土層(18.4%和21.0%)。

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同.Note:Different letters indicate significant differences at P<0.05,the same below.圖2 不同覆蓋方式下土壤有機碳和土壤全氮儲量的變化Fig.2 Spatial variation of soil organic carbon and total nitrogen storages under different mulching patterns

2.1.3 土壤碳氮比(C/N) 連續覆蓋3 a后各處理0～20 cm和20～40 cm土層土壤碳氮比變化范圍分別為6.79～8.45和7.77～10.06。與CK相比，R和P處理0～20 cm土層土壤碳氮比平均增加了7.9%和9.6%，S處理降低了9.9%(P<0.05)；在20～40 cm土層，R和P處理碳氮比較CK增加了15.5%和19.1%(P<0.05)，而S處理較CK降低了3.0%，差異不顯著(表2)。

表2 不同覆蓋方式下土壤的碳氮比Table 2 Soil carbon to nitrogen ratio under different mulching patterns

2.2 不同覆蓋方式對土壤可溶性碳、氮組分的影響

2.2.1 可溶性有機碳(DOC) 連續覆蓋3 a后，各處理DOC含量在0～60 cm土層均隨著土層加深而逐漸降低(圖3)。在2016、2017年，各土層各處理DOC含量變化均為S>CK>P>R，其中各土層DOC含量均表現為覆膜處理(R和P)顯著低于CK，0～60 cm土層平均降低9.5%和6.3%(P<0.05)，而秸稈覆蓋(S)處理DOC含量高于CK，平均增加了6.2%。

圖3 2016年和2017年不同覆蓋模式下玉米收獲期的土壤可溶性有機碳(DOC)含量Fig.3 Soil dissolved organic carbon (DOC)content at harvest under different mulching patterns in 2016 and 2017

2.2.2 可溶性有機氮(DON) 在各試驗年份，各處理土壤可溶性氮(DON)的分布均隨土層的加深逐漸降低(圖4)。連續覆蓋3 a后，不同覆蓋模式對0～40 cm土層DON含量的影響不同。2016年和2017年各土層DON含量均表現為覆膜處理(R和P)顯著(P<0.05)低于CK，而秸稈覆蓋(S)處理的DON含量高于CK。其中0～60 cm覆膜處理(R和P)兩年的DON含量分別較CK平均降低了7.2%和4.7%(P<0.05)，而秸稈覆蓋處理(S)平均增加了6.2%。在40～60 cm土層，各覆蓋處理與CK間均無顯著差異。

圖4 2016年和2017年不同覆蓋模式下玉米收獲期土壤可溶性有機氮(DON)含量Fig.4 Soil dissolved organic nitrogen (DON)content at harvest under different mulching patterns in 2016 and 2017

2.3 不同覆蓋方式對土壤硝態氮和銨態氮的影響

圖5 不同覆蓋方式下玉米收獲期0～100 cm土層土壤硝態氮、銨態氮含量Fig.5 Soil and content in the 0～100 cm soil layer at harvest under different mulching patterns

2.4 不同覆蓋方式對玉米各生育時期單株干物質積累量的影響

在各年份，各覆蓋處理下玉米干物質積累變化一致，均表現出逐漸增加的趨勢，且處理間的差異隨著生育進程的推進逐漸增大，但在不同降雨年份存在一定的差異(圖6)。與CK相比，各覆膜處理在3個試驗年間均顯著提高了玉米收獲期的干物質量，R和P處理分別平均提高19.2%(P<0.05)和20.7%(P<0.05)。秸稈覆蓋(S)處理玉米干物質積累量的變化受降水量的顯著影響，2015年(干旱年)，S處理下各個生育期的干物質量較CK有不同程度的降低，且在收獲期達到最大，其收獲期的干物質量較CK降低10.0%(P<0.05)，而在2016年，S處理各個生育時期的干物質量均高于CK，平均提高了29.5%(P<0.05)，在2017年S處理干物質積累量變化與CK基本一致，差異不明顯，收獲期降低了9.0%(P>0.05)。

圖6 不同覆蓋方式下玉米單株干物質積累動態Fig.6 Accumulation dynamics of dry matter per plant of maize under different mulching patterns

2.5 不同覆蓋條件對玉米籽粒產量的影響

3個試驗年間均以覆膜處理下的產量最高，R和P處理分別較CK平均提高了17.4%和17.9%(P<0.05)，兩個覆膜處理間無顯著差異(圖7)。秸稈覆蓋(S)處理的產量在年際間表現出一定的差異，在2016年較CK提高了15.4%(P<0.05)，而在2015、2017年均略低于CK，差異不顯著；3個試驗年間，S處理的玉米產量較CK平均提高了3.2%。各處理的玉米產量在年際間R和P處理的變幅要小于S和CK處理，S處理的變幅最大。

圖7 不同覆蓋方式下玉米產量 Fig.7 Maize yield under different mulching patterns

2.6 玉米產量與土壤碳氮含量的相關性分析

玉米產量與土壤有機碳、全氮、可溶性有機碳、可溶性有機氮、硝態氮和銨態氮均呈正相關，其中土壤有機碳、可溶性有機碳、可溶性有機氮、銨態氮與玉米產量的正相關達到顯著水平，其相關性系數分別為0.36、0.59、0.66和0.40。土壤硝態氮與玉米產量的相關性系數為0.50，呈極顯著正相關。

3 討 論

3.1 不同覆蓋方式對土壤碳的影響

大量研究發現土壤碳周轉受覆蓋方式的影響[8,10,13]。本試驗結果表明，秸稈覆蓋下土壤的碳庫含量顯著提高，各組分碳含量均有所提升。Zhang等[20]的研究也表明，不同覆蓋方式能夠影響土壤有機碳及其組分含量。原因可能是覆蓋的秸稈腐殖化后可有效補充土壤碳源[21]。卜玉山等[22]研究得出相比較地膜覆蓋，秸稈覆蓋能增加土壤有機質、速效氮、鉀、磷等營養元素的積累，但地膜覆蓋不僅不能起到此作用，甚至還使土壤表層的有機質含量降低，這與本試驗中除了秸稈覆蓋外其他處理的土壤SOC年消長速率均為負的結果一致，R和P處理SOC消長率在20～40 cm土層平均下降超過15.0%。原因是秸稈覆蓋改善了土壤的光熱資源，使土壤微生物活性提高，促進了土壤SOC的積累。本研究結果還發現，秸稈覆蓋處理較其他處理可顯著提高土壤DOC含量，平均提高6.2%～14.1%，這可能是因為秸稈覆蓋能促進土壤微生物活性，使土壤不穩定碳得到穩固，進而補充土壤可溶性碳組分[23]；另一方面，覆膜處理能阻止土壤水熱散失，改善土壤水溫環境，加速微生物對土壤可溶性有機碳組分的利用，進而降低土壤DOC含量[24]。本試驗中，各處理土壤有機碳及可溶性有機碳含量均隨土層加深呈下降趨勢，其中秸稈覆蓋處理表層(0～20 cm)土壤SOC與DOC含量較深層(20～40 cm)分別平均提高15.8%和44.3%。原因是土壤接受外界影響是由表層到深層，土層越深土壤接收秸稈等有機物質的輸入越少，導致出現外界影響隨著土層加深不斷減弱的現象[25-26]。

3.2 不同覆蓋方式對土壤氮的影響

大量研究表明秸稈覆蓋可提高土壤氮素的積累[14]。本試驗中各覆蓋處理中除秸稈覆蓋處理(S)外均降低了土壤氮素的積累。因為秸稈覆蓋可通過降低微生物對土壤氮素的分解而增加土壤氮素含量及其有效性[27]，另外由于地膜覆蓋缺少秸稈等有機物質的輸入，加速了氮素的礦化損失，進而降低了土壤氮素的積累[28]。在本研究中秸稈覆蓋處理較其他處理可顯著降低土壤C/N(降幅達6.8%～22.3%)。可能因為土壤有機碳含量的提高促進了微生物的活性與分解作用，從而提高了土壤氮素的積累與利用效率[29]。本研究也發現連續多年秸稈覆蓋后，表層(0～20 cm)土壤全氮及可溶性有機氮含量比深層(20～40 cm)分別高32.6%和27.7%(P<0.05),冀雅珍等[30]研究得出了類似結果。因為表層土壤良好的水熱及通氣狀況有利于微生物的生長與活動，同時表層土壤含有大量的凋落物等碳源，從而顯著提高了表層土壤氮組分。本試驗中土壤硝態氮的含量受到當年降水量的影響，以收獲期為例，降雨量增加時下層(80～100 cm)土壤的硝態氮含量較高，降雨量減少時上層土壤(0～40 cm)含量較高。這與李世清等[31]的研究結果類似，硝態氮是土壤中礦質的主要殘存形式，且易受到土壤淋溶影響，所以與土壤中的水分分布密不可分。各處理土壤銨態氮含量差異不大，可能是由于覆蓋處理增加了土壤溫度及水分含量，促進了硝化細菌的生長，導致土壤銨態氮轉化為硝態氮，使土壤N2O排放通量增加并揮發到大氣中[32]。

3.3 不同覆蓋方式對玉米干物質積累及產量的影響

干物質積累是作物形態建成和產量形成的基礎，覆蓋處理能夠通過改善土壤的水熱環境來調節作物的生長，從而影響產量[12,14,28]。李尚中等[33]研究發現，隨著旱地地膜栽培模式的演替，玉米抗旱增產能力逐步增強，玉米干物質積累量、產量、水分利用效率和籽粒容重均得到了顯著提高。本研究中，3個試驗年間均以覆膜處理下的產量最高，R和P處理的產量分別較CK平均提高了17.4%和17.9%(P<0.05)。這是由于地膜覆蓋可顯著改善土壤的水熱環境，促進玉米根部的生長，增加了玉米的干物質積累，提高了玉米植株的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率等光合性能，從而促進了玉米產量的增加[34-35]。S處理下僅2016年的玉米產量顯著高于CK。可能因為2016年播后20 d內幾乎無降水，延遲了裸地平作玉米的出苗時間；而秸稈覆蓋能降低土壤表面的風速，減少了土壤的水熱散失，進而緩解了干旱對出苗的影響，提高了玉米產量[23]。

4 結 論

1)連續多年秸稈覆蓋處理顯著提高了土壤有機碳和全氮的含量及儲量，且表層高于深層；地膜覆蓋處理土壤有機碳和全氮含量及儲量均呈現降低趨勢。

2)秸稈覆蓋處理較其他處理提高了土壤可溶性有機碳氮的含量，顯著降低了土壤碳氮比；各處理收獲期土壤銨態氮含量均低于硝態氮含量，且在不同土層中的波動較小。

3)地膜覆蓋處理可顯著提高玉米植株干物質積累和產量，S處理產量提高不明顯。

綜上，從提高產量的角度來看，地膜覆蓋方式更優，能有效提高作物產量；從提高土壤可持續性生產及環保的角度來看，秸稈覆蓋方式更好，能夠培肥土壤、提高土壤碳氮的積累。