贺兰山东麓土壤有机碳对玉米生长发育及水分利用的影响

肖国举 ，李秀静，郭占强，胡延斌，王静

1.宁夏大学生态环境学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学地理科学与规划学院，宁夏 银川 750021；3.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730020

联合国环境规划署发布《排放差距报告》警告，如果全球温室气体不能在 2020—2030年以每年7.6%的水平下降，世界将难以实现1.5 ℃的控温目标（Xia et al.，2017；秦大河，2014）。土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，对陆地生态系统碳排放乃至温室效应有重要影响（Liu et al.，2018；熊正琴等，2017）。过去 30年间全球土壤呼吸释放的碳以0.10 Pg·a-1的速率增加，说明全球气候变暖条件下土壤有机碳分解的速率在加快（Bond-Lamberty et al.，2010）。土壤有机碳库是碳库中最活跃的组成部分（郭洋等，2016），它的细微变化都将影响碳向大气的排放，进而影响陆地生态系统的结构与功能（吴萌等，2016；陈晓芬等，2019），陆地碳循环总碳量中约4/5的碳量以有机碳形式存在于土壤中（张维理等，2020）。土壤有机碳是农作物生长发育的根基（Wilding et al.，2005；Schlesinger，1990），也是陆地重要的碳汇，它能够将大气中的CO2矿化并储存到土壤中，在全球碳平衡中起着关键的作用。

全球陆地生态系统保障低碳排放不仅是全球气候治理、保护地球家园、构建人类命运共同体的重大需求，也是我国高质量发展、生态文明建设和生态环境综合治理的内在需求。宁夏贺兰山东麓黄河流域生态高质量发展区，位于河套平原的西南部，贺兰山与鄂尔多斯高原之间，经黄河长期冲积和贺兰山长期洪积而成，南北82 km，东西64 km。宁夏黄河灌溉区资源优势明显，夏季最热月平均气温18—26 ℃，日最高气温≥30 ℃的暑热天数少于10 d，太阳总辐射年总值6.23×109W·m-2左右。黄河年均过境水量达300亿m3，光、热、水、土等农业自然资源配合较好，为发展农业提供极有利条件。研究宁夏贺兰山东麓黄河灌溉区土壤有机碳对农田生态系统作物生长发育的影响，对于保障国家粮食安全、生态安全和耕地可持续利用具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 研究基地概况

试验基地设在宁夏贺兰山东麓镇北堡（38.62°N，106.09°E），海拔高度1140 m，属于黄河灌溉区灌淤土农田生态系统。气候相对干燥，地表蒸发旺盛，四季分明，昼夜温差大，春季大风日数较多。年平均气温8.0 ℃左右，年平均日照时数2800—3000 h，年均降水量200 mm左右，无霜期185 d左右。试验基地种植作物以玉米（Zea maysL.）、小麦（Triticum aestivumL.）为主，一年一熟或小麦玉米间作套作。

1.2 研究方法

采用田间定位试验调查的方法，取样时间2017—2020年。2017年4月1日，在农田生态系统2 km×4 km范围内，采用棋盘式布点法，用GPS确定并标记36个样点位置，每个样点面积1 m2（1 m×1 m），记录地理坐标，要求样点位置均匀落在农田内，排除落在沟、渠、路的取样点（图1）。

图1 宁夏贺兰山东麓镇北堡采样点样方示意图Figure 1 Plot diagram of Zhenbeibu sampling point in eastern foot of Helan mountains, Ningxia

1.3 样品采集与处理

试验基地以地表5—10 cm地温稳定在12 ℃以上确定为玉米适宜播种期。调查期间，在标记确定的36个样点小区，每年4月10—15日采用4行玉米播种机进行播种。玉米品种选用九粟 907，种子籽粒饱满，播种量45.0 kg·hm-2。播种深度3—5 cm，采用宽、窄行种植方式，窄行0.4 m，宽行0.7 m，株距0.25 m。种植密度7300 plant·hm-2。为确保不同年份玉米生长期具有相当稳定的耗水量，参照当年玉米生育期自然降雨情况，玉米苗期、拔节期、大喇叭口期与开花期采用小区畦田（10 m×20 m）灌溉4次，灌溉量分别为120—150、120—150、150—200与120—150 mm，全生育期灌溉量620—740 mm（表 1）。玉米全生育期施纯氮210 kg·hm-2，纯P2O5120 kg·hm-2。其中氮肥总量的30%—40%为基肥，60%—70%为追肥。追肥中穗肥占 60%，粒肥占10%。磷肥只作基肥施用。

表1 玉米全生育期降水量、灌溉量及耗水量Table 1 Precipitation, irrigation amount and water consumption during the whole growth period of corn

调查期每年9月25—30日收获玉米，在标记的36个样点小区（1 m×1 m），采用人工收获玉米。同时采集玉米根、茎、叶与穗，及土壤样品。采集土壤样品选用耕作层（0—20 cm），每次延小区两条对角线取样5个，样品均匀混合。采集土壤样品筛选出＞2 mm的砾石、植物根系、作物落叶，进行风干、研磨、过筛、称重、装袋标号并保存。

试验调查基地土壤养分状况（表 2），全氮含量 0.51—0.68 g·kg-1，全磷含量 0.56—0.68 g·kg-1，全盐为 0.15—0.36 g·kg-1，pH 为 8.01—9.04，碱解氮为 48.14—72.56 mg·kg-1，速效磷为13.46—21.20 mg·kg-1，速效钾为 196.61—257.94 mg·kg-1。

表2 2017—2020年试验基地玉米耕层土壤理化性质Table 2 Physical and chemical properties of soil plough layer in field of corn in 2017-2020

玉米耕层土壤有机碳含量范围 1.0—15.0 g·kg-1，按土壤有机碳含量 0—3.0、3.0—6.0、6.0—9.0、9.0—12.0、12.0—15.0 g·kg-1分 5 个级别。每个级别土壤有机碳平均值分别为T1=2.45 g·kg-1，T2=4.94 g·kg-1，T3=7.95 g·kg-1，T4=11.12 g·kg-1，T5=13.52 g·kg-1，对比分析土壤耕作层有机碳各级别间样品数及样品比例（表3）。

表3 2017—2020年土壤耕作层有机碳样品数及分级Table 3 Sampling number and classification of soil organic carbon in tillage layer from 2017 to 2020

1.4 样品测定

在试验调查期间，选定玉米拔节期、大喇叭口期、抽丝期、开花期、成熟期进行玉米光合及生长发育指标测定。每次在早上08:00至中午14:00进行对玉米不同生育期的光合指标进行测定记录。利用美国产的LI-COR6400便携式光合仪，选择晴朗天气，利用自然光源对采样点的玉米穗三叶进行有效光合测量。每次按标记的 36个采样点位置测量玉米叶片净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度，3次重复并取平均值。同时，利用叶绿素测定仪SPAD-502Plus，测量叶绿素，3次重复并取平均值。玉米不同生育期的株高、胸径，进行有效测量。玉米成熟期对玉米的根、茎、叶、穗分别清洗、记号、装入纸袋，放入烘箱，在105 ℃杀青0.5 h后，再70—80 ℃烘干，分称其质量。测量玉米穗粗、穗长、穗粒数、穗质量及百粒重。

玉米成熟期，采集土壤、植物样品进行理化性质，及有机碳等各项指标的测定。样品指标检测方法（鲍士旦，2018）：有机碳采用重铬酸钾氧化-分光光度法；全氮采用半微量凯氏定氮法；全磷采用钼酸铵分光光度法；全碳采用重铬酸钾容量法；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法；速效钾采用火焰光度法；pH值采用酸度计法；Ca2+和Mg2+采用EDTA络合滴定法，Na+和K+采用火焰光度法，CO32-和HCO3-采用双指示剂中和滴定法，Cl-采用 AgNO3滴定法，SO42-采用EDTA容量法；土壤全盐测定换算关系如下：

St——土壤全盐含量（g·kg-1）；

γ1∶5——1∶5 土水比土壤浸提液电导率，土壤电导率转化为土壤全盐。

1.5 数据整理

通过测定土壤有机质，净光合速率、蒸腾速率，叶长、叶宽，单位面积株数，利用公式（2）、（3）、（4）、（5）分别计算土壤有机碳、叶片水分利用效率、单株叶面积及叶面积指数。

式中：

w(SOC)——土壤有机碳质量分数（g·kg-1）；

w(SOM)——土壤有机质质量分数（g·kg-1）。

式中：

EL——叶片水分利用效率（μmol·mmol-1）；

P——净光合速率（μmol·m-2·s-1）；

T——蒸腾速率（mmol·m-2·s-1）。

式中：

AL——单株叶面积（m2）；

l——叶长（m）；

b——叶宽（m）；

r——系数（完全展开叶r为0.75，未完全展开叶r为0.50）。

式中：

R(LAI)——叶面积指数；

AL——单株叶面积（m2）；

ρ——种植密度（plant·m-2）。

生物量包括根、茎、叶、穗等所有器官所生产的有机物质总量。玉米播种期、苗期、拔节期、大喇叭口期、抽丝期、开花期、成熟期，利用公式（5）确定不同阶段农田耗水量。

式中：

E——水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；

Y——玉米产量（kg·hm-2）；

I——玉米生育期间实际耗水量（mm），即各阶段耗水量之和。

记录试验调查期间研究基地年均气温、年降水量，以及玉米全生育期气温、降水量等农业气候资源数据。采用Excel 2019绘制图表，试验调查结果应用SPSS 24.0软件进行相关性线性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳对玉米光合作用的影响

2.1.1 土壤有机碳对玉米净光合速率与蒸腾速率的影响

玉米全生育期净光合速率大致呈M型，其中大喇叭口期与抽丝期峰值较高。大喇叭口期净光合速率的值 T5＞T4＞T2＞T3＞T1，抽丝期净光合速率的值T5＞T4＞T2=T3＞T1。随着 T1—T5 土壤有机碳的增多，净光合速率的数值在各个生育期内也随之升高，两者呈明显的正相关（图 2），在抽丝期数值达到了最大，为 54.23 μmol·m-2·s-1随着 T1—T5 土壤有机碳的增多，玉米蒸腾速率在各个生育期体现为先减后增的趋势。T5出现的峰值晚于T1，说明土壤有机碳越多，蒸腾速率最高值可能出现的越晚。蒸腾速率的峰值出现在大喇叭口期和开花期，该阶段玉米蒸腾速率旺盛，净光合速率的增强引起叶片气孔的开放，减少了气孔的阻力。拔节期和大喇叭口期土壤有机碳与蒸腾速率呈负相关，后期两者呈不明显的正相关。

图2 土壤有机碳对玉米不同生育期净光合速率与蒸腾速率的影响Figure 2 Effects of soil organic carbon on net photosynthetic rate and transpiration rate at different growth stages of corn

2.1.2 土壤有机碳对玉米气孔导度与胞间 CO2浓度的影响

玉米不同生育期土壤有机碳与气孔导度呈正相关关系，随着T1—T5土壤有机碳的增加，玉米气孔导度随之增加（图 3）。峰值出现在开花期，气孔导度在开花期 T5＞T4＞T3＞T2＞T1，土壤有机碳对气孔导度的影响较明显。随着土壤有机碳的增大，玉米不同生育期胞间CO2浓度呈现波动下降的趋势，两者呈负相关。在抽丝期 T1＞T3＞T2＞T4＞T5，在大喇叭口期、开花期、抽丝期、成熟期，胞间CO2浓度的数值都很低，说明光合活性较高。

图3 土壤有机碳对玉米不同生育期气孔导度与胞间CO2摩尔分数的影响Figure 3 Effects of soil organic carbon on stomatal conductance and mole fraction of intercellular CO2 at different growth stages of corn

2.1.3 土壤有机碳对玉米叶片水分利用效率和叶绿素的影响

玉米拔节期，大喇叭口期和成熟期，随着土壤有机碳含量的增加，叶片水分利用效率呈现波动增加趋势，其中拔节期最显著。开花期叶片水分利用效率先减后增，抽丝期叶片水分利用效率呈现T1＞T2＞T3＞T5＞T4，两者呈现明显的负相关，数值达到最大值（图4）。玉米拔节期叶绿素质量浓度随着土壤有机碳的增加先增加，到达一定数值后保持不变，说明土壤有机碳在拔节期影响玉米叶绿素质量浓度时，是有一定范围的。玉米大喇叭口期叶绿素质量浓度随着土壤有机碳的增加波动升高，而在开花期、抽丝期和成熟期两者的关系不明显。T1、T2、T3、T5在开花期叶绿素质量浓度达到整个生长期的最大值，而 T4在大喇叭口期和成熟期出现峰值，在玉米生长后期表现为较高的含量。

图4 土壤有机碳对玉米不同生育期叶片水分利用效率与叶绿素质量浓度的影响Figure 4 Effects of soil organic carbon on leaf water use efficiency and chlorophyll at different growth stages of corn

2.2 土壤有机碳对玉米生长发育的影响

2.2.1 土壤有机碳对玉米株高和胸径的影响

玉米开花期之前株高保持较高的增长速率，开花期之后玉米株高的增长速率放缓（图 5）。大喇叭口期，玉米株高 T4＞T3＞T5＞T2＞T1，抽丝期和成熟期 T4＜T5＜T1＜T2＜T3。在拔节期和大喇叭口期，T4株高受土壤有机碳的影响远大于其他的梯度，在生长发育后期株高保持恒定。由表4可以看出，拔节期和大喇叭口期，土壤有机碳与株高呈高度正相关；开花期、抽丝期和成熟期，土壤有机碳与株高呈显著正相关。土壤有机碳对玉米胸径的影响体现在开花期之前快速生长，开花期之后缓慢生长。拔节期、大喇叭口期 T4均大于其他梯度，在生长后期达到一定的恒定值。拔节期、大喇叭口期和开花期，土壤有机碳与胸径呈高度正相关。

图5 土壤有机碳对玉米不同生育期株高与胸径的影响Figure 5 Effects of soil organic carbon on plant height and diameter at breast height at different growth stages of corn

2.2.2 土壤有机碳对玉米叶面积的影响

开花期之前，玉米叶面积增长率最大，开花期叶面积达到极大值（图 6）。开花期之后，叶面积略有下降并保持恒定，老叶片萎缩，新生叶片较少。拔节期和大喇叭口期，土壤有机碳与单株叶面积呈显著正相关，开花期二者低度负相关，在抽丝期和成熟期，二者相关性不明显（表4）。开花期之前，玉米叶面积指数增长率最大，开花期叶面积指数达到了极大值。开花期之后，叶面积指数略有下降并保持恒定。大喇叭口期，土壤有机碳与叶面积指数呈低度负相关，其他时期二者相关性不明显。

表4 土壤有机碳与玉米生长发育的相关性分析Table 4 Correlation analysis between soil organic carbon and growth at different growth stages of corn

图6 土壤有机碳对玉米不同生育期单株叶面积和叶面积指数的影响Figure 6 Effects of soil organic carbon on leaf area per and leaf area index at different growth stages of corn

2.2.3 土壤有机碳对玉米穗长与穗粗的影响

随着土壤有机碳的增加，玉米穗长与穗粗呈增加趋势（图7）。土壤有机碳从2.45 g·kg-1（T1）增加到13.52 g·kg-1（T5），玉米穗长从14.0 cm增加到20.2 cm，穗长增加44.3%。土壤有机碳与穗长呈正相关，相关系数为0.646—0.5120。土壤有机碳从 2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，玉米穗粗则从4.23 cm增加到5.12 cm，穗粗增加21.0%。土壤有机碳与穗粗呈正相关，相关系数为0.396—0.6259。

图7 土壤有机碳对玉米单株穗长和穗粗的影响Figure 7 Effects of soil organic carbon on ear length and diameter per plant of corn

2.3 土壤有机碳对玉米各器官干重及生物量的影响

2.3.1 土壤有机碳对玉米根、茎、叶、穗干质量的影响

试验调查研究表明随着耕层土壤有机碳的增加，玉米根、茎、叶与穗干质量呈波动增加趋势，土壤有机碳与玉米根、茎、叶与穗干质量呈正相关关系（图8）。土壤有机碳从2.45 g·kg-1（T1）增加到13.52 g·kg-1（T5），玉米根干质量从39.43 g增加到63.77 g，茎干质量从71.74 g增加到93.42 g，叶干质量从 55.18 g增加到 70.15 g，穗干质量从138.00 g增加到164.18 g，根、茎、叶与穗干质量分别增加了61.8%，30.2%，27.1%与19.0%。

图8 土壤有机碳对玉米根、茎、叶与穗干质量的影响Figure 8 Effects of soil organic carbon on dry mass of roots, stems, leaves and ears of corn

2.3.2 土壤有机碳对玉米生物量的影响

试验调查研究表明随着耕层土壤有机碳的增加，玉米生物量也呈现波动增加趋势。总体来看土壤有机碳与玉米生物量呈正相关，土壤有机碳从2.45 g·kg-1（T1）增加到13.52 g·kg-1（T5），玉米生物量从15.6 t·hm-2增加到 19.1 t·hm-2，增加 22.4%（图 9）。

图9 土壤有机碳对玉米生物量的影响Figure 9 Effects of soil organic carbon on biological yield of corn

2.4 土壤有机碳对玉米产量及水分利用效率的影响

2.4.1 土壤有机碳对玉米穗粒数与穗重的影响

试验调查研究表明随着耕层土壤有机碳的增加，玉米单株穗粒数与穗重呈增加趋势（图10）。土壤有机碳从 2.45 g·kg-1（T1）增加到 13.52 g·kg-1（T5），玉米单株穗粒数则从387粒增加到578粒，穗粒数增加49.3%。土壤有机碳与穗粒数呈正相关，相关系数为0.441—0.455。土壤有机碳从2.45 g·kg-1增加到13.52 g·kg-1，玉米单株穗重从138.48 g增加到236.18 g，穗重增加70.5%。土壤有机碳与穗重呈正相关，相关系数为0.475—0.595。

图10 土壤有机碳与玉米单株穗和穗质量的影响Figure 10 Effects of soil organic carbon on the ear number of kernels and mass per ear of corn

2.4.2 土壤有机碳对玉米产量的影响

玉米产量随土壤有机碳的增加呈现波动增加趋势，土壤有机碳与玉米产量呈正相关。土壤有机碳从 0—3 g·kg-1增加到 12—15 g·kg-1，玉米产量从9.1—9.6 t·hm-2增加到 14.9—15.7 t·hm-2，增加55.2%—63.7%。土壤有机碳为10.5—12.0 g·kg-1时，玉米产量达到较高的范围 15.5—15.7 t·hm-2；土壤有机碳超过12.0 g·kg-1，随着土壤有机碳的增加，产量呈现下降趋势（图11）。

图11 土壤有机碳对玉米实际产量的影响Figure 11 Effects of soil organic carbon on effective output of corn

2.4.3 土壤有机碳对玉米水分利用效率的影响

玉米水分利用效率随土壤有机碳的增加呈现波动增加趋势，土壤有机碳与玉米水分利用效率呈正相关。土壤有机碳从 0—3 g·kg-1增加到 12—15 g·kg-1，玉米 水 分 利 用 效 率 从 8.9—11.9 kg·hm-2·mm-1增加到 18.0—18.3 kg·hm-2·mm-1，增加53.8%—105.6%。土壤有机碳为超过11.5 g·kg-1，随着土壤有机碳的增加，玉米水分利用效率呈现下降趋势（图12）。

图12 土壤有机碳对玉米水分利用效率的影响Figure 12 Effects of soil organic carbon on water use efficiency of corn

3 讨论

农田生态系统是陆地生态系统最大且最活跃的碳库之一，农田土壤是农田生态系统中最大的有机碳库。据估算全球1 m深度的土壤中贮存的有机碳量约为1500 Gt，超过了植被与大气有机碳储量之和（李飞跃等，2013）。农田土壤有机碳不断分解，减少了土壤碳储存；同时植被碳库向土壤碳库流动，从而增加土壤碳库。农田生态系统正是这两种作用的结果，体现了有机碳的收支平衡（潘根兴等，2005）。农田生态系统有机碳的积累和分解，直接或间接影响土壤质量。土壤有机碳能够促进土壤团聚体的形成，提高土壤团聚体的稳定性（余健等，2014）。土壤有机碳能够改善土壤结构，使土壤通气透水，蓄水保肥，改变植物根系的生长环境。农田土壤有机碳是植物所需氮、磷、碳、硫及微量元素各种养分的主要来源。土壤有机碳间接为农作物提供多种有机酸和腐殖酸，对土壤矿质部分有一定的溶解能力，提高土壤养分的有效吸收（寒冰等，2013）。

土壤有机碳有利于提高作物光合作用水平，增强作物生长长势。施用有机肥、农家肥及秸秆还田都是显著增加土壤有机碳的有效途径。随着有机肥施用量的增加，玉米叶片各生育时期的叶片光合速率和气孔导度显著增大，胞间 CO2浓度逐渐减小（Wu，2020；王晓娟等，2012）。秸秆还田使玉米叶片的光合速率和蒸腾速率持续出现高值，水分利用效率也显著提高，叶绿素含量增加，叶面积指数显著提高，作物产量显著增加（王宁等，2007；高飞等，2011）。沼肥与化肥配施提高玉米光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶绿素含量，提高玉米的品质。生物炭、有机肥与化肥配合施用促进净光合速率、气孔导度与叶绿素含量，提高水分利用效率（艾俊国等，2015，彭辉辉等，2016）。本研究表明玉米全生育期净光合速率、蒸腾速率随土壤有机碳的增多而升高。气孔导度与土壤有机碳呈正相关关系，胞间CO2浓度与土壤有机碳呈负相关关系。在玉米拔节期，大喇叭口期，叶片水分利用效率和叶绿素随着土壤有机碳的增加波动增加。由于受到自然条件和人类活动的影响，土壤有机碳对玉米生理生态的影响也有较大差异，但总体看其影响都是积极的、有利的。

土壤有机碳可以显著提高作物根冠比，提高作物光合叶面积，增加作物根重、根长，改良作物群体生长水平，促进作物生长发育（慕平等，2012；岳杨等，2020）。施用生物有机肥对玉米根长、根干质量、叶面积、株高和产量均有提高作用。化肥与有机肥配合施用可显著提高玉米植株叶面积指数、干物质积累量（李北齐等，2011；刁生鹏等，2018）。添加生物质炭和有机物料提高了土壤有机质含量，增加了玉米株高和生物量。改善作物栽培水平是维持或提高土壤有机碳的基础，土壤固碳与作物根茬有机碳输入量之间呈显著线性关系（张影等，2017）。本研究表明玉米穗长与穗粗随土壤有机碳的增加而增加。土壤有机碳从2.45 g·kg-1增加到13.52 g·kg-1，玉米穗长增加44.3%与21.0%。土壤有机碳与玉米根、茎、叶与穗干质量呈正相关关系。土壤有机碳从 2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，玉米根干质量从39.43 g增加到63.77 g，茎干质量从71.74 g增加到93.42 g，叶干质量从55.18 g增加到70.15 g，穗干质量从138.00 g增加到164.18 g，根、茎、叶与穗干质量分别增加了61.8%，30.2%，27.1%与19.0%。

如何分析不同土壤有机碳含量下作物产量的变化趋势，以及土壤有机碳与作物产量协同效应关系是研究低碳农业的重要内容（贺美等，2017）。大量研究表明合理提高土壤有机碳水平可以显著提高作物生产水平（王卫等，2002）。土壤碳含量每增加 1 g·kg-1，北方地区玉米产量约增加 176—328 kg·hm-2（邱建军等，2009）。本研究表明随着土壤有机碳的增加，玉米百粒重、籽粒干物质积累显著增加。土壤有机碳从 2.45g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，玉米单株穗粒数、穗质量分别增加49.3%与70.5%。土壤有机碳从 2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，玉米生物量增加31.6%，产量增加50.4%。土壤有机碳为10.5—12.0 g·kg-1时，玉米产量达到较高的范围 15.5—15.7 t·hm-2，超过 12.0 g·kg-1，随着土壤有机碳的增加，产量呈现下降趋势。土壤有机碳超过11.5 g·kg-1，随着土壤有机碳的增加，玉米水分利用效率呈现下降趋势。

农田土壤有机碳的积累和分解，不仅影响作物生产水平，而且对区域乃至全球环境产生重要影响（潘根兴等，2005）。农田土壤有机碳与重金属离子的作用，土壤腐殖物质含有多种功能基，这些功能基对重金属离子有较强的络合和富集能力。土壤有机物质对农药等有机污染物的固定作用，SOC对农药等有机污染物有很强的亲和力，对有机污染物在土壤中的生物活性、残留、生物降解、迁移和蒸发等过程有重要的影响。可溶性腐殖物质能增加农药从土壤向地下水的迁移，能更有效地迁移农药和其他有机物质。腐殖物质还能作为还原剂而改变农药的结构、活性、降低毒性。合理的农田土壤有机碳对提高土壤固碳潜力，减缓温室气体排放（Xiao et al.，2020），实现碳达峰与碳中和具有重要意义。

4 结论

2017—2020年，选择宁夏贺兰山东麓黄河灌溉生态试验示范区，通过玉米农田生态系统调查取样研究表明，玉米净光合速率随着土壤有机碳含量的增加而升高，蒸腾速率表现为先减后增；气孔导度与土壤有机碳呈正相关关系，峰值出现在开花期；胞间CO2浓度与土壤有机碳呈负相关关系；玉米拔节期，大喇叭口期和成熟期随着土壤有机碳含量的增加，叶片水分利用效率也波动增加，其中拔节期最显著；玉米拔节期，叶绿素质量浓度随着土壤有机碳的增加先增加，到达一定数值后保持不变；土壤有机碳对玉米的株高、胸径、单株叶面积、叶面积指数都呈正相关关系。土壤有机碳从2.45 g·kg-1增加到13.52 g·kg-1，玉米单株穗粒数、穗质量分别增加49.3%与70.5%。农田土壤有机碳与玉米生物量、产量呈正相关，土壤有机碳从2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，生物量增加 31.6%，产量增加43.9%。玉米水分利用效率随土壤有机碳的增加而升高。土壤有机碳从 2.45 g·kg-1增加到 13.52 g·kg-1，水分利用效率从 12.5 kg·hm-2·mm-1增加到18.8 kg·hm-2·mm-1，增加 50.4%。土壤有机碳为 10.5—12.0 g·kg-1时，玉米产量达到较高的范围15.5—15.7 t·hm-2；土壤有机碳超过 12.0 g·kg-1，随着土壤有机碳的增加，产量呈现下降趋势。土壤有机碳超过11.5 g·kg-1，随着土壤有机碳的增加，玉米水分利用效率呈现下降。研究认为土壤有机碳存在一定阈值，随着土壤有机碳的增加，玉米生物量、产量在达到一定峰值后出现下降趋势。综合考虑土壤有机碳在玉米生理生态、生长发育及水分利用状况，提出土壤有机碳的合理阈值范围10.0—12.0 g·kg-1。