深松耕对玉米根茎叶氮磷比及地上生物量的影响

齐 鹏，王晓娇，郭高文，蔡立群，武 均

（1. 甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070；2. 甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070；3. 甘肃省节水农业工程技术研究中心，兰州 730070；4. 甘肃农业大学管理学院，兰州 730070）

0 引 言

植物器官的氮磷元素含量是反映作物生长状况的一项重要指标，其氮磷比能反映植物对环境变化的响应[1-2]，被广泛地用来指示生态系统内植物个体、群落特征及分布格局[2]；叶片氮磷比临界值被认为植物氮、磷限制的评价指标，可反映植物能吸收氮、磷的能力，是植物体内化学元素质量平衡对生态影响响应的重要反映[3-4]；以氮磷比为基础的生态化学计量学也是生态学研究中的主要方法和研究热点[2]；氮磷比可以作为植物健康状况的评价指标，可揭示植物生长发育过程的营养平衡[1]，进而影响植物生物量；生长速度理论也认为叶片低氮磷比是植物快速生长的表现之一[5]，部分学者在羊草[6]、森林[7]的研究表明，植物生物量和植株氮磷比负相关，也证实植物通过调整叶片内的氮磷比影响植物生长[8]。因此，植物重要器官营养组成变化的分析是了解植物生物量的重要途径[9]，植物氮磷比的量化对分析植物生长具有重要意义，且植物氮磷平衡是维持与生长相关的生态系统功能的基础之一[10]。现有研究表明，植物氮磷比受地膜覆盖[11]、灌溉措施[12]、施肥[3]和耕作措施[4,11]等的影响。

耕作措施影响着土壤环境，土壤环境变化后植物会随时调节自身的资源浓度以最大限度地维持其体内营养元素含量的相对均衡进而稳定自身生产力[5]。在黄土高原地区的研究也表明，全膜双垄沟耕作比半膜、不覆膜能降低植物叶片内的氮磷比，使氮磷比趋于平衡[11]。常见耕作方法包括翻耕、免耕、旋耕和深松耕，其中深松耕是用松土农具疏松土壤而不翻转土层的一种耕作方法[13]。深松耕能打破犁底层，降低深层土壤容重，改善土壤孔隙度，增加土壤深层水分，提高水分利用效率，促进作物根系生长[11]，能提升叶面积指数和光合作用[8]，提高冬小麦[14]、马铃薯[15]、水稻[16]、玉米[17]作物产量，增加经济效益[18]。许多研究从植物光合特性、根系特征、土壤水分特征等角度来解释深松耕提高产量的机制[18-19]。然而，从植物氮磷比角度探讨深松耕措施对植物影响的研究较少。

在黄土高原地区，深松耕结合全膜双垄沟的耕作方法主要用于玉米农田[18]，旱作玉米及其秸秆是缓解黄土高原地区粮草矛盾，支撑畜牧业逐渐规模化的重要措施[20]。现有对旱作玉米的研究主要关注产量[11,13]，深松耕也通过改变水分含量[18]、光合效率[14]、根系面积[21]等影响玉米地上生物量。植物的生物量以根、茎和叶为主，地上生物量和植物器官内营养元素比值间存在一定的关系[5,9]，已有研究大多集中在草地[6]、苜蓿[12]等方面，缺乏从植物氮磷比角度探讨玉米地上生物量的研究。

本研究通过设计田间裂区试验，以量化深松耕对玉米地上生物量和根、茎、叶氮磷比的影响，并通过结构方程和线性混合效应模型探讨其氮磷比与地上生物量的关系，以期为深松耕技术的进一步推广提供理论支持，并对进一步揭示耕作与施肥对玉米生产与农田生态系统氮磷平衡的影响机制具有一定的借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于甘肃省定西市安定区李家堡镇麻子川村的甘肃农业大学旱农综合试验站（35°28′N，104°44′E），海拔2 000 m，该区域属于黄土高原半干旱雨养农业区，日照时数和年均太阳辐射分别为2476.6 h、594.7 kJ/cm2，年均气温、≥10 ℃积温和年均无霜期分别为6.4 ℃、2 239.1 ℃和140 d，2016－2018年降水量分别为300.20、361.39和472.05 mm（图1）；土壤类型为黄绵土，pH值为8.40，0～30 cm土壤有机碳、全氮和全磷含量分别为7.63、0.85和0.74 g/kg[17]。

1.2 试验设计

试验开始于2016年，试验采用裂区设计，主因素为耕作方法，副因素为施肥措施。其中主因素包括深松耕（T1）、旋耕（T2）、翻耕（T3）、免耕（T4）；副因素设置2个氮水平：N0（基肥200 kg/hm2），N1（基肥200 kg/hm2+拔节期肥100 kg/hm2），共8个处理，小区面积44 m2（4.4 m×10 m），3次重复。用深松机进行深松耕（T1）、旋耕机进行旋耕（T2）、铧式犁进行翻耕（T3），土壤深度分别为35、15、20 cm；全膜（白色地膜，厚度为0.008 mm）双垄沟，沟内间隔50 cm留渗水孔。种植作物为玉米，品种为“先玉335”，磷肥（施P量：66 kg/hm2，过磷酸钙，含P 7%）为基肥，氮肥为尿素（含N 46%），每年4月下旬播种，沟内穴播，密度5.25万株/hm2，10月中旬收获，收获后移除秸秆、残茬，其他田间管理与当地农田一致。2017年试验地遭受冰雹灾害（2017年7月14日下午6:30分左右），玉米受损。

1.3 样品采集与测定方法

玉米收获期（10月15日左右）在每个小区随机选取10株玉米（剔除边行），收获其地上、地下部分，其中地下部分用挖坑冲洗法[22]，取样长度、宽度分别为以所取玉米植株为中心，前后1/2株距和左右1/2行距，深度为60 cm。样品分根、茎和叶及玉米穗在烘箱内105 ℃烘0.5 h杀青，随后80 ℃烘干至恒质量，测定其生物量，计算2016－2018年地上生物量。其中，在2018年植株分根、茎和叶烘干后用研磨机研磨成细粉，过2 mm筛，用凯氏定氮法[23]测定根、茎和叶氮含量、钼锑抗比色法[23]测定其总磷含量。

1.4 数据分析

方差分析（含数据正态检验、方差齐性检验）用SPSS 24.0软件，选择一般线性模型单变量模块（Duncan法检验或非参数检验）。结构方程模型（Structural Equation Modeling，SEM）分析耕作方法、不同器官（根、茎和叶）N/P对地上生物量的影响，首先根据已有知识[2,5-6,11]建立概念模型（图2），本研究假设：1）深松耕降低了玉米根、叶氮磷比；2）深松耕通过降低玉米根和叶氮磷比来提高地上生物量。因耕作方法为分类变量，先将其转化为因子变量，为比较深松耕与其他耕作方法对地上生物量的影响，将耕作方法分为2组，其中T1为一组，其他耕作方法为另一组[24]，基于R 3.6.2软件的lavaan包进行结构方程模型分析，根据卡方统计量（P＞0.05表明模型拟合较好）、比较拟合指数（Comparative Fit Index，CFI，CFI＞0.95拟合较好）、渐进误差均方和平方根（Rooted Mean Square Error of Approximation，RMSEA，RMSEA

＜0.05拟合较好）、标准化均方根残差（Standardized Root Mean Square Residual，SRMR，SRMR＜0.08拟合较好）评估模型[25]；用线性混合效应模型考察各因子对生物量的影响（将耕作方法作为随机效应），分别建立零模型、随机截距模型和随机斜率模型，计算不同模型修正的小样本赤池信息量（Akaike Information Criterion，AIC），以AIC低则优为原则进行模型比较后选择最终模型，并进行模型检验和模型诊断[26]，基于R 3.6.2软件的lme4包进行线性混合模型分析，极大似然估计法[27]。采用Sigma Plot 12.5和R 3.6.2制图。

2 结果与分析

2.1 耕作方法和施肥措施对地上生物量的影响

耕作方法显著影响了地上生物量（P＜0.05，表1），除2017年外，T1处理地上生物量均显著高于T3和T4处理（P＜0.05），2016和2018年T1处理地上生物量比T3、T4处理分别提高了9.56%、9.29%和4.67%、5.94%；施肥措施及耕作方法与施肥措施间的交互作用对地上生物量无显著影响。研究结果说明了玉米地上生物量的差异效应来自不同耕作方法，而非两种氮肥措施。

表1 2016—2018年耕作方法和施肥措施对玉米地上生物量的影响Table 1 Effects of tillage practice and nitrogen fertilization measures on above ground biomass (AGB) from 2016 to 2018

2.2 耕作方法对根、茎和叶N/P的影响

玉米植株地上部分叶、茎和根氮、磷含量不同（图3），氮、磷变化范围分别是2.29～18.65、0.13～0.89 g/kg，其中叶氮、磷变化范围分别是11.05～18.65、0.65～0.89 g/kg，茎氮、磷变化范围分别是2.29～7.64、0.13～0.41 g/kg，根氮、磷变化范围分别是5.32～7.35、0.21～0.34 g/kg，玉米根的N/P大于叶和茎（图3d）。耕作方法显著影响了叶、茎和根的N/P（P＜0.05，表2）。相比T3、T4处理，T1、T2处理均能显著降低叶、根的N/P（P＜0.05）。施肥措施及耕作方法与施肥措施的交互作用对叶、茎和根的N/P无显著影响。不同耕作方法间叶、茎和根N/P的变异系数表明，根N/P的变异系数高于叶和茎。研究结果说明不同耕作方法间叶、茎和根的N/P存在差异。

表2 耕作方法和施肥措施对玉米根、茎和叶氮磷比的影响Table 2 Effects of tillage practice and nitrogen fertilization measures on N/P in roots, stems and leaves

2.3 地上生物量与根、茎和叶N/P的相关性

结构方程模型分析得出，耕作方法、根和叶N/P能共同解释地上生物量变异的39%，总效应值为0.24（图4a）。耕作方法通过影响根、叶N/P，间接影响地上生物量，效应值分别为0.10和0.14，耕作方法对地上生物量、茎无直接显著影响。根、叶的N/P对地上生物量呈负向影响。结构方程结果揭示了根、叶的N/P是影响地上生物量的两个间接因素。考虑到不同耕作方法可能影响根、茎和叶N/P，故将耕作方法作为随机因子，建立根、茎和叶与地上生物量的线性混合效应模型（图4b，4c，4d，表3），经模型比较，随机斜率模型能较好的反映根、叶N/P与地上生物量的关系，根、叶的随机斜率模型的解释度分别比固定效应提高了425%、133%。进一步分析表明根、叶的N/P与地上生物量的关系在不同耕作方法中并不相同，总体上存在显著的负向关系，茎N/P与地上生物量无明显关系。相关性分析结果说明根、叶的N/P对地上生物量的变化有显著的影响，耕作方法间存在差异。

表3 地上生物量与玉米根、茎和叶氮磷比的线性混合效应模型结果Table 3 Results of linear mixed effects model between aboveground biomass and N/P in roots, stems and leaves

3 讨 论

本研究设计了不同耕作方法的田间试验，分析玉米根、茎和叶N/P与地上生物量的关系，研究得出深松耕降低了玉米根、叶N/P，也推测深松耕通过降低玉米根、叶N/P促进氮磷营养平衡来提高地上生物量。本研究结果将对深入理解作物对环境变化的适应机制有一定的借鉴意义。

研究表明深松耕降低了玉米根、叶N/P，与第一个假设一致。相似的研究结果在荒漠绿洲玉米农田[28]、全膜双垄沟玉米[11]、羊草草甸[6]、黑果枸杞[29]中也有发现。分析其原因：1）深松耕改变了部分土壤环境，增加了土壤水分[14]，从而提高了根系氮、磷的吸收，但氮肥溶解性、移动性比磷肥强，在水分相对充足的情况下根系对氮素的吸收速率、向其他器官的运输速度均高于磷素，可能使根N/P降低[28]，耕作方法间根N/P的变异系数大于茎、叶也说明了这一点（表2）；2）深松耕增大了土壤孔隙度，进而根系的数量、表面积和质量均有所增加[21]，根系分泌物增多[29]，加之较好的水分、温度、氧气环境从而为土壤微生物生长创造了良好的条件，增加了土壤微生物多样性，可能会出现土壤微生物和根系争氮的现象[10]，会导致作物对土壤氮素吸收量减少，相反，土壤微生物呼吸所产生的酸性物质能促进磷肥溶解后被植物吸收[21]，导致根N/P降低；3）氮素是植物蛋白质含量增加和光合作用提升的必需元素[3]，深松耕通过增加水分提高了根系养分向叶片的运输[21]，从而提高了叶面积指数和光合势，增大蒸腾效率[14,28]，促进了土壤水分携带难溶的磷元素通过木质素向叶片转移[9]，从而降低了叶N/P。反之，玉米叶片光合速率增加，也促进了根系对矿质元素的平衡吸收[13]；4）玉米成熟期，叶片中蛋白质等含氮有机物可水解为氨基酸、酰胺转移至种子，重新形成蛋白质[12]。本研究中根、叶N/P范围分别是19.68～24.98、17.05～22.82，根据氮磷限制的标准[30]，本研究玉米农田基本均呈磷限制，在实践中可以适当增加磷肥的用量。不同耕作方法间茎N/P的变异系数比根、叶小（表2），反映了茎内养分对不同耕作方法的敏感性低。一方面，覆膜提高土壤温度，深松耕、旋耕和免耕均能提高水分利用效率，可能会导致植株生育期缩短，使茎内养分趋于稳定[18]；另一方面，玉米成熟期，籽粒所需的养分大多来自主要的光合器官叶片，促使茎秆内限制元素磷向叶片和籽粒转移，成熟后期，茎秆转变为碳和氮的储存库[31]；另外，茎在植物生长中起到养分传输的作用，因此养分储存相对少[5]；总之，植物生长的适应机制受植株体内环境因素和自身因素共同影响[31]。

本研究表明深松耕通过降低玉米叶和根N/P来提高地上生物量，与第二个假设一致。已有研究也得出相似的结论，比如，不同灌溉模式下苜蓿地上生物量与叶、根N/P负相关[12]、桦树幼苗N/P降低提高了生长率[32]、湿地生态系统红树植物N/P与生物量负相关[33]、甘草叶片和根系N/P的降低提高了地上、地下生物量[34]、羊草的生长速率与N/P存在负相关关系[6]。进一步通过结构方程分析得出，耕作方式通过叶N/P影响地上生物量的总路径系数大于根N/P的总路径系数，表明叶N/P对植物地上生物量影响更大，根、叶和地上部分生物量的混合效应分析也证实了这一点，从叶片在植物生长中的重要功能也可以证实此结论[2]。分析其原因：1）氮磷元素是组成植物体的化学基础，分别是植物叶绿素合成、完成生产周期必需的营养元素，两者对植物生长存在紧密的相互作用[35]。植物N/P的稳定会形成较高且稳定的生物量[36]，当叶片N/P在14～16时，植物生长同时受氮、磷两者的限制或者均不缺少[17]，本研究玉米的N/P均大于16，深松耕处理的叶N/P均值是17.74，显著低于其他处理，深松耕N/P的降低可能有向氮磷营养平衡转化的趋势；2）深松耕结合全膜双垄沟条件下根系纵横伸展空间的变大加之水分的相对充足，加速了对土壤氮磷的吸收[21]，氮磷的营养均衡也促进了作物根系的伸展，进而增加根系生物量，而作物根系生物量同冠层生物量成正相关关系[5,18,21]。本研究发现茎N/P与地上生物量之间无显著相关关系，已有研究也得出苜蓿的生物量与茎N/P无显著相关关系的结论[12]，在黄土高原的研究也表明在成熟期深松耕、旋耕、免耕茎干物质积累量低于翻耕，深松耕、旋耕增加玉米干物质积累的途径主要是通过增加叶面积指数提高了叶片光合势，促进了光合产物向籽粒的转移[18]。

本研究也得出玉米地上生物量的显著差异来源于耕作方法，而非两种氮肥措施。在黄土高原的已有研究也表明，深松耕比免耕、翻耕能有效改善土壤环境，比如增加土壤水分、降低容重、调控土壤温度，促进土壤蓄水保墒能力和增产效应，增加地上生物量[18,37]，另一方面，综述已有研究发现，黄土高原玉米农田的施氮量均在180～220 kg/hm2之间[18,38]，该区域不同氮肥处理的试验也表明[68]，地上生物产量在200与300 kg/hm2氮肥水平间差异不显著。进一步分析其原因：1）黄土高原半干旱区玉米生物量的主要限制因子除氮肥用量外，还包括水热条件，该区域氮肥施用量的基线在200 kg/hm2左右[38]，在满足作物对氮肥需求基线的情况下，水热条件成为主要的限制因子，深松耕结合全膜双垄沟能提高土壤水分和温度[18]，起到了决定作用；2）由于地膜的保水、保温作用，增加氮肥施用量可能会增加土壤氮素的淋溶，也可能会增加NH3的挥发[38]，导致两种氮肥施用量对玉米生物量的影响无差异。另外，2017年遭受冰雹的影响、2016年降雨量少（图1），影响作物生长，均导致收获期地上生物量低于2018年，已有研究[39]也探讨了黄土高原区旱作农田作物产量主要是由降水决定的，因此产量相对不稳定。本研究明确了深松耕通过降低N/P从而均衡氮磷营养吸收的生态策略来提高地上生物量。

4 结 论

深松耕结合全膜双垄沟能提高地上生物量，2016和2018年地上生物量深松耕比翻耕、免耕分别提高了9.56%、9.29%和4.67%、5.94%；进一步分析地上生物量的影响机制表明耕作方法通过影响根和叶N/P，间接影响地上生物量，效应值分别为0.10和0.14，耕作方法对地上生物量无直接显著影响。深松耕可通过降低根、叶N/P从而均衡氮磷营养吸收的生态策略来提高地上生物量。研究将为深松耕技术施肥和推广提供参考，也可对进一步揭示耕作与施肥对玉米生产与农田生态系统氮磷平衡的影响机制具有一定的借鉴意义。未来的研究将考虑将“土壤－植物－微生物”作为整体，系统研究其N/P，分析不同耕作方法下作物的内稳性和农田生态系统的化学计量平衡。