长期施肥对潮土有机碳含量及小麦产量的影响

刘明钟， 张爱君， 魏 猛， 李洪民， 唐忠厚， 陈晓光

(江苏徐淮地区徐州农业科学研究所/江苏徐州甘薯研究中心，江苏徐州 221131)

土壤有机碳含量是表征土壤肥力高低的主要指标，也是土壤学研究中肥力的代表性指标，在农田肥力中占有非常重要的位置[1]。施肥是农业管理措施中能够实现人为调控土壤有机碳含量的最主要手段[2]。大量研究表明，作物产量随土壤有机碳含量升高而增加，但也有研究认为土壤有机碳含量与作物产量表现为直线显著相关、曲线相关和无显著相关关系[3-4]。潮土作为我国重要的农业土壤，面积达267万hm2。由于其在粮食生产中的重要地位，相关研究受到长期重视[5]。本研究通过探讨长期不同施肥下潮土有机碳含量和小麦产量的变化特征，并分析小麦产量与有机碳含量相关关系，为潮土作物高产稳产及改善土壤质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在江苏徐淮地区徐州农业科学研究所试验田(117°17′E、34°16′N)进行，土壤为沙壤质潮土。该区属暖温带半湿润气候区，年平均气温14 ℃，≥10 ℃的活动积温5 240 ℃，全年无霜期约210 d，年降水量860 mm(主要集中在7—8月份)，年蒸发量1 870 mm，年日照时数2 317 h。试验开始前耕层土壤基本养分含量为有机碳6.26 g/kg，全氮0.66 g/kg，全磷0.74 g/kg，有效磷12.00 mg/kg，速效钾63.00 mg/kg，缓效钾738.50 mg/kg，pH值8.01。

1.2 试验设计

试验开始于1980年，共设8个处理：(1)对照(CK，不施肥)，(2)施氮肥(N)，(3)施氮磷肥(NP)，(4)施氮磷钾肥(NPK)，(5)施有机肥(M)，(6)施有机肥和氮肥(MN)，(7)施有机肥和氮磷肥(MNP)，(8)施有机肥和氮磷钾肥(MNPK)。每个处理重复4次，小区面积为33.3 m2。氮、磷、钾肥每年施用量：150 kg/hm2纯N，75 kg/hm2P2O5，112.5 kg/hm2K2O，化肥N、P、K分别由尿素(46% N)、磷酸二铵(18% N，46% P2O5)、硫酸钾(50% K2O)提供；有机肥每年施用量(鲜基)为1981—1984年施马粪75 t/hm2，1985年以后改为施猪粪37.5 t/hm2；1980—2015年有机肥水分含量范围为42%～58%，有机碳含量为138～301 g/kg，养分年投入量范围为 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年为小麦-玉米一年两熟轮作制，2002年后改为小麦-甘薯一年两熟轮作制。小麦为当年的主栽品种，每5～7年更换1次。小麦播种行距为15 cm，基本苗3.0×106株/hm2，人工条播。小麦季氮肥的基肥、追肥比例为50%，基肥方式为施后翻地，追肥方式为表施。每季作物收获后将地上部秸秆移除，实施根茬还田，作物其他管理措施与大田一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土样的采集与测定 小麦收获后每小区选5点立即采集各处理0～20 cm土层的土样，有机碳含量测定采用重铬酸钾-硫酸外加热法[6]。

1.3.2 小麦产量的测定 收获期将各小区的小麦去除保护行后，人工脱粒后晒干，称质量计产。

1.4 数据分析

数据统计与分析采用Excel和DPS分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对土壤有机碳含量的影响

土壤有机碳含量随着种植时间延长均有不同程度的增加，以有机无机配施处理(MN、MNP、MNPK)土壤有机碳增加幅度最高，不施肥处理(CK)土壤有机碳含量变化幅度最小(图1)。从35年有机碳平均含量来看，与CK处理相比，施肥处理均能显著提高有机碳平均含量，其中有机无机配施处理(MN、MNP、MNPK)增幅范围为90.6%～100.8%；单施有机肥处理次之，增幅为78.1%；其次为施用化肥处理(N、NP、NPK)，增幅范围为16.1%～26.1%，且与单施有机肥处理差异达到显著水平(图2)。由此可见，施用有机肥在提高土壤有机碳含量方面作用较大，施用有机肥比单施化肥能更快速地提高有机碳含量，以有机无机配施提升效果更为显著。

2.2 长期施肥对小麦产量的影响

长期不同施肥均能提高小麦产量，但不同施肥方式的增产效应不同，以有机无机配施方式产量最高(图3)。CK处理产量整体呈现逐年缓慢下降趋势；N处理前4年产量较高，之后产量开始急剧下降，后趋于平缓；NPK处理在该试验条件下，尚难维持高产量，除了第5年(1985年)由于天气原因，造成产量总体下降外，自第6年后产量便开始趋于动态稳定，处理M产量与处理NP有相似变化规律，二者产量一直低于处理NPK；MN、MNP、MNPK处理产量始终保持在较高产量水平，以MNPK处理效果更为显著。从产量演变的趋势看，MNPK处理前6年稳定在高产水平(1985年除外)，第7年后产量因有机肥用量减半而有所降低，但产量变化趋势线较小，后3年(2013—2015年)平均产量仍能达到前3年(1981—1983年)平均产量的96.8%，说明有机无机配施有利于提高土壤的养分供应和协调能力，可以更好地维持小麦农田生态系统的稳定性。

小麦产量的稳定性和生产可持续性可分别用小麦产量变异系数(CV)及可持续性指数(SYI)表征(图4)。小麦产量的变异系数可按其大小分为3个水平：处理CK和N变异系数较大，分别为0.38和0.53；处理NP、NPK和M次之，范围为0.12～0.21；处理MN、MNP、MNPK最小(0.07～0.10)。可持续性指数SYI亦可根据其值的高低分为3个等级：第1等级为处理MN、MNP、MNPK(0.73～0.79)；第2等级包括处理NP、NPK和M(NP：0.53，NPK：0.69，M：0.57)；处理N和CK为第3等级(N：0.19，CK：0.33)。这说明有机无机配施的施肥方式更有利于促进小麦产量稳定性与生产可持续性的提高，氮磷钾施肥处理次之，其次为单施有机肥处理，单施氮肥则降低了产量的稳定性和生产可持续性。

2.3 长期施肥下小麦产量、变异系数(CV)及可持续性指数(SYI)与土壤有机碳含量的关系

为消除气候条件、灌溉、土壤性质及栽培措施对有机碳含量及小麦产量的影响，将各年份施肥处理的产量与有机碳含量分别减去对应年份的CK，得到施肥产量变化(净产量)与有机碳变化(净有机碳)。回归分析显示，施肥土壤有机碳含量变化(x)与产量变化(y)可用线性方程拟合(图5)，由该模型进一步推断出，该耕作水平下施肥土壤有机碳增加1 g/kg，小麦产量可增加313 kg/hm2(r2=0.270 4，P<0.01)。

为了进一步研究施肥提高小麦产量的作用机制，有必要分析小麦产量CV、SYI值与有机碳含量间的响应关系，研究表明土壤有机碳平均含量与CV值呈显著负相关(r2=0.561 6，P<0.05)，而与SYI值呈极显著正相关(r2=0.622 5，P<0.01)(图6)。这表明施肥措施提高有机碳含量与提升产量的稳定性及可持续性一致。

3 结论与讨论

施肥是影响土壤有机碳库的重要因素，不同的施肥方式对土壤有机碳的影响不同[10-11]。本研究结果表明，施肥处理土壤有机碳含量均有不同程度的增加，与初始有机碳含量相比，有机无机配施处理土壤有机碳含量可增加2倍以上。这主要是由于施肥可以促进作物生长，增加根系生物量，使残留在土壤中的根茬和根系分泌物增加；另外，有机肥的施用还可直接为土壤提供有机碳源，增加微生物活性，促进土壤有机碳和养分转化，从而提高了土壤有机碳的固定量[12]。虽然不同施肥方式都可以增加土壤有机碳的含量，但是有机无机配施对土壤有机碳含量的贡献显著高于单施化肥处理[2，13]。

作物产量的年际波动图可从时间上分析产量变化过程及趋势，其主要受环境、生物及人为因素的影响[14]。当施肥成为其主要限制因素时，不施肥处理小麦产量有所降低，但历年变化不大，即受到温度、降水等气候因素和人为因素的影响不大；另外也是因为在试验开始时产量就比较低，仅占当年NPK处理的39.3%。本研究结果表明，小麦产量大小为有机无机配施>氮磷钾配施处理>单施有机肥和氮磷配施处理。这主要是由于氮磷钾配施可满足小麦生产的需求，有机肥的长期施用也有助于提高土壤肥力，有机无机配施避免了单施有机肥的土壤养分含量不足的同时，也解决了氮磷钾配施的有机质含量水平偏低的问题[15]。作物产量稳定性是判断农田生态系统高低的重要标准[16]，本研究对比了8种不同施肥方式下小麦产量的CV值及SYI值，不施肥和单施氮肥处理的产量稳定性最差，说明单施氮肥和不施肥方式小麦的产量容易造成大幅波动，抗逆性较差，而其余施肥处理(NP、NPK、M、MN、MNP、MNPK)均可有效降低CV值、提高SYI值，进而降低环境、生物与人为因素等对产量的影响，其中以有机无机配施最有利于维持小麦产量的稳定性和生产可持续性。

本研究进一步分析了35年长期不同施肥下有机碳含量与产量的关系，结果表明土壤有机碳含量变化与小麦产量变化呈极显著正相关，有机碳平均含量与小麦产量CV值呈显著负相关，而与SYI值呈极显著正相关，可以表明土壤有机碳含量越高，作物产量稳定性及可持续性越好。因此，施用有机肥提高小麦产量及其可持续性指数的主要原因可能是提高了土壤有机碳含量。长期施用化肥作物产量对土壤基础地力的依赖程度较高，可在短期内提高作物产量，而单施有机肥作物产量提高则较缓慢，有机无机配施可实现作物高产稳产，且其稳产和增产效果均优于化肥和有机肥单施[17]。