西北半干旱区农田土壤有机碳和全氮分布特征及其对地膜玉米产量的影响

胡延斌, 肖国举, 仇正跻, 戴君丽, 李永平

(1.宁夏大学, 资源环境学院 环境工程研究院, 银川 750021; 2.宁夏六盘山花卉研究所, 宁夏 隆德 756302;3.宁夏彭阳县科学技术局, 宁夏 固原 756500; 4.宁夏农林科学院固原分院, 宁夏 固原 756000)

粮食安全一直是中国农业发展面临的首要任务[1]，特别是近年来，伴随城市化进程加快，我国耕地面积不断减少，中国粮食安全的挑战越发严峻，水稻、小麦、玉米播种面积急剧下降。西北半干旱区是我国地膜玉米主产区之一，有超过20%的玉米用于口粮和食品加工，这就提要求我们必须不断提高玉米生产水平。土壤碳氮是作物生长不可或缺的物质基础，合理增加土壤碳氮含量可有效提高地膜玉米产量[2]。明确作物产量的需求规律可以为地膜玉米的合理和精准施肥提供理论依据，对实现西北地区地膜玉米的优质、高效生产具有重要意义。目前，国内外对土壤质量变化与作物生产的影响主要从微观和宏观两个层面展开。微观层面是系统整合足够多的试验数据，形成适合一定生态区域的数学模型;宏观层面是利用一定的土壤碳库变化模型，如RothC，CQESTR，CENCURY，NCSOIL，Rothamsted，CANDY，DNDC模型等，进行土地质量变化对作物生产力的定量模拟[1,3-6]。这些碳循环模型在设计、技术和机制上存在差别，模拟碳循环对作物生态系统的影响也各不相同。大量研究表明[3-4,7]，合理提高土壤碳氮含量可以显著提高耕地生产水平。我国土壤有机碳密度分别低于世界平均水平的30%和欧洲国家的50%，有机碳含量不足严重阻碍作物稳产高产[8-9]。我国东北地区土壤有机碳在1.00%～1.50%，华北地区在0.50%～0.80%，南方地区集中在0.80%～1.20%，而西北大部分在0.50%以下，碳含量不足已成为制约西北地区粮食生产的重要因素之一。尽管中国目前对于不同区域和不同土地利用方式下土壤质量变化对作物生产的影响已有一些研究，但由于试验资料不足，或者引用模型的适用性不强，在广度和深度上与国外研究还存在明显差距，远远不能满足国家需求。西北干旱半干旱区面积占全国陆地面积的30%，是我国生态环境最为脆弱的区域之一，干旱、贫瘠是影响区域农业可持续发展的主要因素。分布有大面积的黄绵土，是我国西北地区主要粮食、果蔬基地之一。目前，农业生产中施肥大多数仍采用经验法，存在盲目性，与精准农业的发展要求不适应。

近年来，玉米(ZeamaysL.)全膜双垄沟播种技术已在西北旱作农业区广泛推广。该技术集抑蒸、垄沟集雨和种植于一体，有效实现了保墒蓄水、增加积温、减小侵蚀、减轻盐碱化的效果，农田土壤环境显著改善。在相同条件下，玉米全膜双垄沟播种比半膜平覆种植增产35%以上，抗旱增产优势显著[10]。本文选择西北典型半干旱区农田生态系统，利用2017—2018连续生态系统调查取样及观测数据，在区域尺度上定量模拟耕地质量变化对地膜玉米生产力的影响。基施农家肥和一定数量的化肥是固原半干旱区多年来的传统耕作方式，本研究为传统耕作方式下的农田土壤理化性状特征及变化规律。在分析土壤有机碳和全氮变化的同时，系统分析土壤碳氮含量对地膜玉米产量的影响。为进一步分析半干旱区土壤碳氮固定潜力及作物生产管理提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

调查研究在西北半干旱区彭阳县白阳镇、城阳乡和草庙乡进行(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，大陆性气候。年均温在6.3～10.2℃，多年平均气温7.9℃，年降雨量在282.10～765.70 mm，多年平均降水量450 mm，平均无霜期125 d。土壤为黄土高原黄绵土，土层深厚，耕性良好。主要种植作物有小麦、马铃薯、地膜玉米，熟制为一年一熟，属于典型的半干旱雨养农业区[11]。

1.2 供试品种及田间管理

本研究以紧凑型耐密高产“先玉335”为供试材料，采用机覆全膜双垄等距种植方式播种春玉米，覆膜宽为1.1 m，玉米种植行距55 cm，密度6.75万株/hm2。按照梅花型用GPS确定采样点，每个采样点面积控制在1 m×1 m范围内。2016年起，调查区域三年连作地膜玉米，春季结合机耕犁地或旋耕整地，基施农家肥52.50 t/hm2，磷酸二铵200 kg/hm2(合P2O5172.5 kg)。大喇叭口追施磷酸二铵225 kg/hm2，氮肥225 kg/hm2(尿素)，旱地无灌溉。

1.3 作物考种与测产

2017—2018年玉米收获期，确定采样点后人工采集土壤样品，去除土壤样品中的砾石、动植物残体等杂质，测定土壤中有机碳与全氮。人工收获地膜玉米，实打实收，测定百粒重、每棒粒数、每棒重量以及实际产量。用百分位电子天平测定玉米籽粒百粒重，重复5次，取平均值。测定耕层土壤中有机碳、全氮等养分指标。有机碳采用重铬酸钾外加热法;全氮采用微量凯氏定氮法。

1.4 数据处理分析

在土壤样品采集点，用内径5 cm的土钻人工采集耕层土壤(0—20 cm)，各样方(1 m×1 m)选取5个点，充分均匀混合为一个土样。2017年、2018年每年分别取样36个与32个，两年共68个样品(表1)。两年取样采集点彼此是独立的，同样两年间样品间观测值也独立的。鉴于国内外关于土壤养分状况与作物生产关系的研究中多采用g/kg土壤有机碳与全氮的贡献量作为研究对象，因此，本文将土壤有机碳与全氮以1 g/kg与0.1 g/kg等距划分。

表1 研究区土壤基本理化性质

研究数据分析和绘图在Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0中完成。应用SPSS 19.0软件，选择One-Way ANOVA进行单因素方差分析，采用最小显著性差异法(LSD,α=0.05)进行多重比较，采用Pearson法进行变量间相关性分析。应用Microsoft Excel 2010进行分析和绘图。图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 农田土壤碳氮分布特征

2.1.1 土壤有机碳分布特征 从调查来看(表2)，玉米耕层土壤有机碳在4.00～14.00 g/kg，K-S检验表明，渐进显著性为0.11，变异系数分别为18.46%，偏度和峰度分别为0.08，1.26。耕层土壤有机碳含量在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分别占样本采集的2.94%，41.18%，17.65%，35.29%，2.94%。其中94.12%的集中在6.00～12.00 g/kg，变异系数为18.46%。

表2 2017-2018年调查区域农田耕层土壤SOC样品统计分析

2.1.2 土壤TN分布特征 调查区域地膜玉米农田耕层土壤全氮含量在0.30～1.30 g/kg，K-S检验表明，渐进显著性为0.08，变异系数为10.53%，偏度和峰度分别为3.86，22.89。耕层土壤全氮含量在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分别占样本采集的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，变异系数为10.53%(表3)。

从两者关系来看，土壤全氮伴随有机碳含量的增加呈上升趋势。土壤有机碳和全氮在0.05水平上显著相关性为0.29。

2.1.3 土壤C/N变化特征 通常认为土壤C/N是土壤质量的敏感指标，其演变趋势对土壤碳氮循环有着重要影响。调查区域地膜玉米耕层土壤C/N在5.00～13.00之间，变异系数为17.12，偏度和峰度分别为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分别占样本采集的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，变异系数为17.12%(表4)。

表4 2017-2018年调查区域农田耕层土壤C/N样品统计分析

2.2 土壤碳氮含量水平对玉米产量的影响

2.2.1 土壤有机碳对玉米产量及产量组成的影响 玉米产量由每棒粒数、百粒重、收获棒数决定。从表5看，土壤有机碳含量增加，总体有利于玉米产量的提高。调查区域耕层土壤有机碳含量4.00～14.00 g/kg时，有机碳含量每增加1 g/kg，玉米每棒重量增加13.26～22.18 g，增产6.60%～13.12%;有机碳含量6.00～12.00 g/kg时，有机碳含量每增加1 g/kg，玉米每棒重量增加13.25～22.18 g，增产7.10%～13.12%。

表5 土壤有机碳含量与玉米产量及产量组成的影响

随土壤有机碳含量的提高，每棒粒数显著上升。土壤有机碳4.00～10.00 g/kg，每棒粒数增加28.81～56.49粒;土壤有机碳6.00～14.00 g/kg，每棒粒数增加9.81～87.40粒，其中有机碳在12.00～14.00 g/kg时，每棒粒数最高，为770.00粒。

随土壤有机碳含量的提高，玉米百粒重呈现波动上升趋势(图1)。土壤有机碳4.00～10.00 g/kg，玉米百粒重增加0.16～1.75 g;土壤有机碳6.00～12.00 g/kg，百粒重下降1.55～1.59 g;土壤有机碳6.00～14.00 g/kg，百粒重增加0.16～2.18 g。

图1 土壤有机碳对玉米产量及产量组成的影响

2.2.2 土壤全氮对玉米产量及产量组成的影响 从氮含量对玉米产量组成的影响来看，耕层土壤氮含量对收获棒数无显著性差异，而百粒重、每棒粒数、每棒重量以及实际产量差异性明显。从表6可以看出，玉米实际产量与每棒粒数和每棒重量的变化趋势一致。土壤全氮含量0.80～1.10 g/kg时，全氮含量每增加0.10 g/kg，每棒粒数和每棒重量分别增加28.13～89.24粒和14.41～20.92 g;全氮含量1.10～1.30 g/kg时，产量开始出现下降趋势。

表6 土壤全氮含量与玉米产量及产量组成的影响

从氮含量与玉米产量的关系来看，一定阈值内，氮含量越高，玉米增产越明显，而超出这个阈值，则会出现减产趋势。氮含量0.80～1.10 g/kg时，玉米增产4.60%～12.40%;氮含量1.00～1.30 g/kg时，玉米减产11.86%～20.05%。

2.2.3 土壤C/N对作物产量及产量组成的影响 从表7看，耕层土壤C/N对作物产量及产量组成影响显著。随耕层土壤C/N升高，棒粒数和每棒重量呈上升趋势，平均百粒重呈波动上升趋势(图2)。土壤C/N 6.00～9.00时，玉米平均百粒重最高，为38.82～40.50 g。土壤C/N 5.00～9.00，棒粒数增加18.53～30.47粒，实际产量增加4.15%～12.24%;土壤C/N 9.00～13.00，棒粒数增加48.75～134.75粒，实际产量增加1.55%～24.09%。土壤C/N 9.00～13.00时，棒粒数最高，为620.75～770.75粒。土壤C/N 5.00～13.00时，C/N增加有利于玉米产量及产量组成的增长，但增加趋势速度显著降低。

表7 土壤C/N对玉米产量及产量组成的影响

图2 土壤C/N对玉米产量及产量组成的影响

3 讨 论

农田土壤碳氮作为土壤肥力的核心和农业可持续发展的基础，与作物产量密切相关，且二者之间具有明显的协同效应[1]。长期以来，关于半干旱区农田土壤碳氮固定与作物产量方面的研究基本处于空白状态，尤其是碳氮含量与作物生产的协同效应研究不足。本文研究发现，我国西北半干旱区农业施肥仍采用经验法，存在盲目性，尤其是氮肥用量高和施用时期不合适现象突出，土壤氮含量过高，一定程度上限制了作物产量的提高。因此，如何精准施肥，成为研究者关注的科学问题。

Pan等[12]发现土壤有机质含量与谷物产量呈直线显著相关、曲线相关和无显著相关性。但多个长期定位试验表明，耕层土壤有机碳增加对作物单产和稳产的提高均呈现积极地正效应[4-6,9,13-16]。邱建军等[4]通过模拟改变有机碳本底值对作物产量的影响，结果表明土壤有机碳每增加1 g/kg，产量增加176～454 kg/hm2。潘根兴等[9]研究表明，土壤有机质增加幅度越大，水稻单产变率越低。王卫等[7]研究表明，有机质含量较低的省份，土壤有机质每增加1 g/kg，单产增加84.40 kg/hm2，明显高于有机质含量较高省份的22.20 kg/hm2。这与邱建军等[4]研究的土壤有机碳含量每增加1 g/kg，低有机质省区和高有机质省区春玉米产量分别增加328 kg/hm2，176 kg/hm2的趋势相同。本研究表明，伴随耕层土壤有机碳含量增加，玉米产量和产量组成显著增加，其中有机碳含量4.00～12.00 g/kg时，实际产量增速最快，超出这个阈值后，产量增速明显下降，与前人研究结果基本一致。

贺美等[3]利用DNDC模型发现在相同氮水平情况下，东北黑土区作物产量随土壤有机碳含量的升高持续上升，但在较高有机碳水平下，产量的增幅大大降低。巨晓棠和彭显龙分别发现，在维持氮平衡的前提下，100 kg籽粒的氮素需求量约为2.4 kg和1.4 kg，据此计算出黑龙江作物纯N施用水平约为180 kg/hm2，105 kg/hm2[17-18]。杨宪龙等[19]研究发现，关中地区玉米施氮量在180 kg/hm2时，生产水平最高。俄胜哲等[20]研究表明，玉米产量与土壤全氮含量呈显著正相关。本文研究发现，耕层土壤全氮含量在1.00～1.10 g/kg时，地膜玉米生产水平最高，超出这个阈值后，玉米生产水平开始呈显著下降趋势。说明，常规施氮虽然可以维持较高的生产水平，但是从节氮角度考虑，减量施氮具有更高的现实意义。研究结果与前人研究略有差异，造成结果差异的原因可能是气候、土壤类型、种植制度以及农田管理措施不同，对于减量施氮对作物增产的长期效应仍有待进一步研究。

土壤C/N水平也决定于土壤碳素和氮素的平衡状况，当碳素含量高于氮素水平时，土壤C/N水平就会提高。对某一特定土壤，C/N基本为一常数，这意味着土壤有机碳水平在某种程度上取决于土壤中能够同化成腐殖质的有效氮含量水平[21]。C/N较高的土壤，在分解初期为了满足微生物对氮素的需求，从土壤中吸收矿质氮，与植物竞争养分，影响作物产量[22]。因此，土壤有机碳与产量的关系仍存在很大不确定性，制定农业适应性对策是确保粮食安全的关键[23]。

黄土高原表层土壤有机碳含量为14.52 g/kg[24]，而本研究中土壤有机碳含量明显低于全区平均水平。土壤养分水平低，已对区域粮食生产产生了重要影响[12]。深入理解半干旱地区农田土壤碳氮含量与增产的协同效应，在一定程度上填补半干旱区土壤养分含量相关研究的欠缺，为指导区域合理施肥、增加生物量和作物产量、提升土壤肥力提供数据支持，为实现农业可持续发展打下坚实基础[1]。虽然本文就西北半干旱区土壤碳氮含量与作物生产的影响做了相关分析，但并未明确外界因子对土壤碳氮与作物生产协同效应的贡献量。今后研究中需要采用结构模型，量化外界因子对土壤碳氮固定机制及与作物生产协同效应的研究，才能更全面地回答半干旱区土壤碳氮与作物生产协同效应的阈值[25]。

4 结 论

本调查研究区域耕层土壤有机碳、全氮含量以及C/N分别分布于4.00～14.00 g/kg，0.80～1.30 g/kg，5.00～13.00之间。参照全国第二次土壤调查养分分级标准，样本中2.94%的有机碳含量属于极度缺乏水平，58.83%属于缺乏水平，38.23%属于中等偏下水平，变异系数为18.46%;样本中83.25%的全氮含量属于中等偏下水平，17.65%属于中等偏上水平，变异系数为10.53%;89.71%的C/N集中在7.00～12.00，变异系数为17.12%。

总体看，一定阈值内，耕层土壤碳氮含量以及C/N增加，对作物增产呈积极的正效应。耕层土壤有机碳含量4.00～14.00 g/kg时，SOC含量每增加1 g/kg，玉米增产0.79%～12.20%;SOC含量6.00～12.00 g/kg时，SOC含量每增加1 g/kg，玉米增产8.59%～12.20%。耕层土壤全氮含量0.80～1.10 g/kg时，TN含量每增加0.1 g/kg，玉米增产4.6%～12.40%;TN含量1.10～1.30 g/kg时，TN含量每增加0.1 g/kg，玉米减产11.86%～20.05%。耕层土壤C/N在5.00～13.00时，玉米增产1.55%～24.09%。C/N在5.00～10.00时，玉米增产4.15%～24.09%;C/N10.00～13.00时，玉米增产1.55%～7.70%，呈明显减缓趋势。产量组成中，每棒粒数与土壤有机碳相关性高于平均百粒重与土壤有机碳的相关性。