謝軍，徐春麗，陳軒敬，王珂，李丹萍，張躍強(qiáng),2，石孝均,3*

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,農(nóng)業(yè)部西南耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400716；2.國(guó)家紫色土壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)站，重慶400716；3.西南大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，重慶400716)

碳、氮代謝是植物體內(nèi)最主要的兩大代謝過程，兩者相輔相成，貫穿于植物生長(zhǎng)發(fā)育的全過程，碳、氮代謝的協(xié)調(diào)不僅影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程，同時(shí)在很大程度上決定著產(chǎn)量高低[1-2]。植株體內(nèi)碳氮濃度和C/N很大程度影響作物的代謝過程，同時(shí)影響植株及各器官的碳氮累積，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量[3-5]。研究表明施肥會(huì)影響作物碳氮代謝，同時(shí)影響作物產(chǎn)量及碳氮累積[6-7]，因而明確不同施肥模式下作物體內(nèi)碳氮濃度、累積、分配和C/N是科學(xué)施肥的基礎(chǔ)、是提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分效率的前提。苗惠田等[8]研究表明，氮磷鉀及有機(jī)無機(jī)配施能有效提高玉米植株的固碳量，提高碳同化物在玉米植株籽粒和穗軸中的分配比例，降低碳同化物在莖葉和根茬中的分配比例及其 C/N；胡志華等[9]研究表明，施用有機(jī)肥對(duì)增加水稻(Oryzasativa)植株固碳量的效果優(yōu)于長(zhǎng)期施用化肥, 且增加有機(jī)肥用量對(duì)固碳量的增加效果顯著；Miao等[10]研究表明，長(zhǎng)期不同施肥影響玉米(Zeamays)植株體內(nèi)碳氮的分配，同時(shí)長(zhǎng)期不同施肥下玉米植株體內(nèi)碳的分配比氮的分配更加敏感。已有的研究結(jié)果大多集中在有機(jī)無機(jī)配施、長(zhǎng)期施化肥和施有機(jī)肥對(duì)玉米碳氮累積和分配等方面，對(duì)有機(jī)肥氮全部或部分替代化肥氮的施肥模式下紫色土區(qū)域玉米碳氮累積和分配報(bào)道極少，且西南紫色土區(qū)域玉米氮肥施用量高，肥料利用率低，因而研究有機(jī)肥氮全部或部分替代化肥氮的施肥模式對(duì)紫色土區(qū)域玉米碳氮在營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官的分配對(duì)實(shí)現(xiàn)碳氮的再轉(zhuǎn)移，提升產(chǎn)量具有重要作用。本研究以國(guó)家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)站為研究平臺(tái)，探求有機(jī)肥氮全部或部分替代化肥氮的施肥模式對(duì)玉米生物量分配、碳氮含量、碳氮累積和分配的影響，同時(shí)闡明玉米植株各器官C/N，為西南紫色土地區(qū)合理施肥、作物增產(chǎn)和溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于重慶市西南大學(xué)國(guó)家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)站(106°24′33″ E、29°48′36″ N)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)海拔266.3 m，年平均溫度18.3 ℃，年均降水量1115.3 mm，日照1276.7 h，供試土壤為中性紫色土，試驗(yàn)前土壤的基本性質(zhì)為pH 6.56 (土水比1∶2.5)，有機(jī)質(zhì)含量16.20 g·kg-1，全氮、全磷，全鉀含量分別為0.86、1.01、16.96 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為110.0、21.4、95.5 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2007年，種植制度為蔬菜-玉米輪作，蔬菜為冬季填閑作物。本研究選取5個(gè)不同施肥處理：1)不施肥(non-fertilization，CK)；2)農(nóng)民習(xí)慣施肥(farmers’ practice, FP)；3)推薦施肥(optimal chemical fertilization, OP)；4)有機(jī)肥氮替代100%化肥氮(organic manure nitrogen replacing 100% chemical N, OM)；5)有機(jī)肥氮替代50%化肥氮(organic manure nitrogen replacing 50% chemical N, MF)。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，小區(qū)為長(zhǎng)1.5 m，寬1.0 m，面積為1.5 m2的水泥池，池深為1 m(原狀土壤)，確保小區(qū)間互不影響，小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列。OP、OM和MF處理氮磷鉀養(yǎng)分用量相同，玉米純養(yǎng)分用量：N為180 kg·hm-2、P2O5為90 kg·hm-2、K2O為90 kg·hm-2，農(nóng)民習(xí)慣施肥用量：N為225 kg·hm-2、P2O5為90 kg·hm-2，不施鉀肥(根據(jù)農(nóng)戶調(diào)查結(jié)果確定)；蔬菜純養(yǎng)分用量：N為300 kg·hm-2、P2O5為90 kg·hm-2、K2O為150 kg·hm-2，農(nóng)民習(xí)慣施肥用量：N為375 kg·hm-2、P2O5為90 kg·hm-2、K2O為150 kg·hm-2。有機(jī)肥的施用量根據(jù)有機(jī)肥中氮含量換算，磷鉀養(yǎng)分不足時(shí)用化學(xué)肥料補(bǔ)足。肥料種類為尿素、磷酸二氫鉀、硫酸鉀和雞糞有機(jī)肥，有機(jī)肥養(yǎng)分1.4%N、3.0%P2O5和3.1%K2O，pH值8.9，C/N為25.7。其中雞糞有機(jī)肥、磷肥和鉀肥作為基肥一次性施用，氮肥50%作為基肥，10%在玉米拔節(jié)期施用，40%在玉米大喇叭口期施用，基肥為撒施，追肥為穴施。

供試玉米品種為璐玉18，每年3月下旬種植，7月下旬收獲。每個(gè)小區(qū)種植8株玉米，行距50 cm，株距37.5 cm。2008-2011年供試蔬菜為榨菜，2012-2016年為大白菜，蔬菜每年10月底移栽，翌年2月下旬收獲。按常規(guī)進(jìn)行統(tǒng)一田間管理。

1.3 取樣及測(cè)定

2016年玉米成熟后，將每個(gè)小區(qū)8株玉米進(jìn)行齊地收割，選用挖樣的方法采集玉米地下部生物量，取樣土層深度為0～20 cm，樣方面積為25 cm×50 cm。植株采集后進(jìn)行器官分離，分為葉片、苞葉、莖稈、籽粒、穗軸和根茬6個(gè)部位，每個(gè)小區(qū)8株玉米相同部位混合成一個(gè)樣品，樣品均進(jìn)行烘干，稱重和粉碎，過0.25 mm篩備用。用H2SO4-H2O2法測(cè)定玉米各器官的氮含量[11]，重鉻酸鉀容量法測(cè)定玉米各器官的碳含量[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016和 SPSS 18.0軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)和繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥對(duì)玉米各器官生物量的影響

不同施肥處理顯著影響玉米各器官的生物量(P<0.05)。相比CK處理，不同施肥均明顯增加玉米各器官的生物量(表1)。在玉米葉片和莖稈中，MF和OM處理生物量差異不明顯，但均顯著高于OP和FP處理；在玉米苞葉和籽粒中，與FP處理相比，MF、OM和OP處理生物量均有增加，其中MF處理增加最為明顯，分別達(dá)0.5和2.8 t·hm-2，相比OM和OP處理，MF處理的玉米苞葉和籽粒分別增加23.3%、32.1%和21.5%、13.7%；在玉米穗軸中，MF與OP處理差異不明顯，但均顯著高于OM和FP處理；在玉米根茬中，施肥處理間生物量差異不顯著。相比FP處理，MF、OM和OP處理玉米整株生物量分別增加26.2%、9.8%和7.1%，以MF處理增加最為明顯。綜上，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能明顯提高玉米的生物量。

表1 不同施肥模式下玉米各器官生物量Table 1 Biomass of various organs in maize under different fertilizations (t·hm-2)

CK: 不施肥處理Non-fertilization; FP: 農(nóng)民常規(guī)施肥Farmer’ practice; OP: 化肥優(yōu)化施用Optimal chemical fertilization; OM: 100%有機(jī)替代處理Organic manure replacing 100% chemical N; MF: 50%有機(jī)替代處理Organic manure replacing 50% chemical N. 同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。 Values followed by different small letters within the same column are significant differences at theP<0.05 level， the same below.

2.2 不同施肥對(duì)玉米各器官碳氮含量的影響

不同施肥處理下玉米各器官碳含量變化范圍為312.0～400.1 g·kg-1，平均含量為358.1 g·kg-1(表2)。在玉米葉片和籽粒中，不同施肥處理碳含量差異不明顯；在玉米莖稈和穗軸中，與CK處理相比，不同施肥模式均能增加其碳含量；在玉米苞葉中，與FP處理相比，MF、OM和OP處理均顯著增加其碳含量，分別為30.1、24.7和25.9 g·kg-1；在玉米根茬中，與FP處理相比，MF、OM和OP處理碳含量均有增加，以MF處理增加最為明顯，達(dá)16.2 g·kg-1，表明有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能增加玉米苞葉和根茬中碳濃度。不同施肥處理玉米整株碳含量從大到小依次為MF>FP>OM>OP>CK, 施肥處理間玉米植株碳含量差異不明顯，相比FP處理，MF處理玉米整株碳含量增加6.3 g·kg-1。

植株中氮含量在不同器官和不同施肥之間均有較大差異。與CK處理相比，施肥均明顯提高了玉米整株的氮含量，其中OP處理氮含量最高，為10.4 g·kg-1。除玉米穗軸外，相比CK處理，不同施肥處理均增加了玉米各器官氮含量。在玉米苞葉和莖稈中，不同施肥模式的氮含量均表現(xiàn)為OP>FP>MF>OM>CK，OP處理顯著高于OM和MF處理；在玉米籽粒中，MF處理增加氮含量的效果較為明顯，OP和MF處理差異不顯著；在玉米葉片和根茬中，F(xiàn)P處理的氮含量最高，分別為12.5和13.7 g·kg-1，均顯著高于OM和MF處理，表明過量施用氮肥會(huì)增加玉米葉片和根茬中氮含量。

表2 不同施肥模式下玉米各器官碳氮濃度 Table 2 Carbon and nitrogen content in various organs of maize under different fertilizations (g·kg-1)

2.3 不同施肥對(duì)玉米各器官碳氮比的影響

圖1 不同施肥處理玉米植株碳氮比Fig.1 The C/N of whole plant of maize under different fertilization 不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。The different letters mean significant difference (P<0.05), the same below.

不同施肥模式下玉米植株的碳氮比存在明顯差異(圖1)。相比CK處理，不同施肥均能明顯降低玉米植株的碳氮比。等氮水平下，OP處理下降最為明顯，相比MF和OM處理，下降幅度分別為19.1%和36.9%；同時(shí)FP處理玉米植株的碳氮比也存在著不同程度的下降，相比MF和OP處理，分別下降9.3%和25.6%，表明單施化肥能夠顯著降低玉米植株的碳氮比，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能使玉米植株維持較高的碳氮比。

不同施肥模式下玉米各器官的碳氮比的變化范圍為26.2～148.2，平均值為69.8(圖2)。與施用有機(jī)肥處理(OM和MF)相比，施用化肥(OP和FP)均能降低玉米各器官的碳氮比。在玉米葉片、苞葉、莖稈和籽粒中，碳氮比均表現(xiàn)為CK和OM處理最大，MF處理次之，單施化肥處理(OP和FP)最?。辉谟衩姿胼S和根茬中，等氮水平下，MF處理的碳氮比顯著高于OP和OM處理。

圖2 不同施肥處理玉米各器官碳氮比Fig.2 The C/N of various organs of maize under different fertilizations

2.4 不同施肥對(duì)玉米各器官碳氮儲(chǔ)量的影響

不同施肥處理下玉米各器官碳儲(chǔ)量存在顯著差異(表3)。與FP處理相比，MF、OP和OM處理玉米整株碳儲(chǔ)量均有增加，以MF處理增加最為明顯。等氮水平下，MF處理玉米整株碳儲(chǔ)量最大，為8512.5 kg·hm-2，相比OM和OP 處理，MF處理玉米碳儲(chǔ)量明顯提高了17.3%和21.8%。相比CK處理，不同施肥處理均顯著增加玉米各器官的碳儲(chǔ)量。在玉米葉片和根茬中，施肥處理之間碳儲(chǔ)量差異不顯著；在玉米籽粒和穗軸中，不同施肥處理碳儲(chǔ)量從大到小依次為MF>OP>OM>FP>CK，相比OP 和OM 處理，MF處理的玉米籽粒和穗軸的碳儲(chǔ)量分別增加805.3、1061.4 kg·hm-2和93.2、100.8 kg·hm-2，相比FP處理，MF、OM和OP處理的玉米籽粒和穗軸分別增加1209.4、148.0、404.1 kg·hm-2和120.6、19.8、27.4 kg·hm-2；在玉米苞葉中，與FP處理相比，MF和OM均顯著增加其碳儲(chǔ)量，等氮水平下，相比OM和OP 處理，MF處理顯著提高了碳儲(chǔ)量，增加幅度分別為26.7%和35.7%；在玉米莖稈中，相比OP處理，MF和OM處理明顯提高碳儲(chǔ)量，但MF和OM處理間差異不顯著。

不同施肥處理均顯著增加玉米整株的氮儲(chǔ)量，與FP處理相比，MF和OP處理分別增加30.0和26.2 kg·hm-2。等氮水平下，相比OP和OM處理，MF處理玉米整株氮儲(chǔ)量分別增加3.8和52.4 kg·hm-2，表明有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能明顯增加玉米整株氮儲(chǔ)量。在玉米莖稈、穗軸和根茬中，施肥處理之間氮儲(chǔ)量差異并不顯著；在玉米葉片中，F(xiàn)P處理的氮儲(chǔ)量最大，為28.0 kg·hm-2；在玉米苞葉中，OP和MF處理氮儲(chǔ)量顯著高于OM和FP處理，但OP和MF處理差異不顯著；在玉米籽粒中，MF處理的氮儲(chǔ)量最大，為151.8 kg·hm-2，相比OP和OM 處理，增加幅度為4.4%和40.9%，同時(shí)MF和OP處理顯著高于FP處理。

2.5 不同施肥對(duì)玉米各器官碳氮分配的影響

不同施肥方式影響玉米碳同化物在各器官的分配比例(表4)，各施肥處理中80%以上碳同化物主要分布在玉米籽粒、葉片和莖稈中。由于玉米苞葉、穗軸和根茬的生物量比較小，碳同化物在這3個(gè)器官的分配比例僅占總量的13.7%～19.7%。在玉米穗軸和根茬中，不同施肥模式對(duì)碳同化物的分配影響不顯著；在玉米葉片和莖稈中，不施肥處理的碳同化物的分配比例分別高達(dá)17.2%和18.9%，顯著高于施肥處理；在玉米苞葉中，不同施肥處理碳同化物的分配比例從大到小依次為MF>OM>OP>FP>CK，相比FP處理，MF、OM和OP處理碳同化物的分配比例分別增加1.6%、1.1%和0.9%；在玉米籽粒中，與FP處理相比，MF和OP處理碳同化物的分配比例增加1.4%和2.5%，等氮水平下，相比OM處理，MF和OP處理在玉米籽粒中碳同化物的比例分別增加4.5%和5.6%。綜上，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能增加玉米苞葉和籽粒中碳同化物的分配比例。

各施肥處理中90%左右氮素主要分配在葉片、莖稈和籽粒中。在玉米葉片、莖稈和穗軸中，不施肥處理的氮素分配比例最大，分別為20.1%、10.6%和4.6%，顯著高于施肥處理；在玉米苞葉中，相比FP處理，MF和OP處理能夠明顯增加玉米苞葉中氮素的分配比例；在玉米根茬中，F(xiàn)P處理的氮素分配比例高于等氮施肥處理(OP、OM和MF)，表明過量施用化肥能夠促進(jìn)玉米根系對(duì)氮素的吸收；在玉米籽粒中，與FP處理相比，MF處理能明顯提高玉米籽粒中氮素分配比例，增加幅度為6.4%，等氮水平下，相比OP和OM處理，MF處理中玉米籽粒氮素分配比例分別增加1.7%和3.6%。綜上，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能增加玉米籽粒中氮素的分配比例。

表3 不同施肥模式下玉米各器官碳氮儲(chǔ)量Table 3 Carbon and nitrogen stock in various organs of maize under different fertilizations (kg·hm-2)

表4 不同施肥模式下玉米各器官碳氮分配比例Table 4 Distribution proportion of carbon and nitrogen in various organs of maize under different fertilizations (%)

3 討論

本研究中，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能顯著提高玉米植株碳儲(chǔ)量。孟磊等[13]研究表明，有機(jī)和化學(xué)肥料配合施用能夠增加玉米和小麥的碳儲(chǔ)量，這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。同時(shí)本研究也發(fā)現(xiàn)，施肥并不會(huì)影響玉米整株碳含量，前人的研究也證明了這一點(diǎn)[14]，表明玉米植株碳儲(chǔ)量主要跟玉米生物量有關(guān)。本研究中，相比其他施肥處理，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能明顯增加玉米生物量，筆者先前的研究也表明了這一點(diǎn)[15]，進(jìn)而導(dǎo)致玉米植株碳儲(chǔ)量的增加。

不同的施肥方式會(huì)影響玉米對(duì)氮素的吸收和利用[16]。徐明崗等[17]研究表明，與單施化肥相比，化肥有機(jī)肥配合施用(NPKM，化肥有機(jī)肥氮各占一半)能夠明顯增加水稻的氮素吸收量；聶勝委等[18]研究表明，等氮條件下，氮磷鉀配施有機(jī)肥或秸稈還田的施肥措施均有利于冬小麥在整個(gè)生育時(shí)期對(duì)土壤氮素養(yǎng)分的吸收。本研究結(jié)果表明，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能增加玉米成熟期的氮素累積量，原因可能是有機(jī)肥的施用能夠增加土壤中微生物的活性，使土壤中可利用氮的數(shù)量增加，更易被作物吸收和利用[19]。此外，不同施肥處理顯著影響玉米整株氮濃度[14]。等氮水平下，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮的玉米整株氮濃度低于推薦施肥處理，原因可能是前者的生物量顯著高于后者，產(chǎn)生稀釋效應(yīng)[20]。

本研究中，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能提高碳素在玉米籽粒和苞葉中的分配比例。玉米苞葉是一種變態(tài)葉，含有不同類型的光合組織[21]，同時(shí)苞葉中碳同化綜合了C3和C4途徑[22]，在玉米生長(zhǎng)代謝過程中具有較高的光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化效率，能夠提高玉米籽粒中的能量轉(zhuǎn)化效率[23]。本試驗(yàn)表明有機(jī)肥氮替代50%化肥氮的玉米苞葉碳濃度和碳儲(chǔ)量高于其他施肥處理，有利于玉米籽粒中光合產(chǎn)物的積累和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加玉米產(chǎn)量。此外，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能增加農(nóng)田系統(tǒng)中玉米根茬的還田量和碳儲(chǔ)量，這對(duì)于補(bǔ)充土壤在養(yǎng)分供應(yīng)中碳的損失，培肥土壤具有重要意義。此外，從本試驗(yàn)的研究結(jié)果看，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能有效促進(jìn)氮素在籽粒中的分配比例，促進(jìn)氮素向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)，從而使玉米保持高產(chǎn)，這與劉占軍等[24]研究結(jié)果一致。

植株的碳氮比是反映植株體內(nèi)碳氮代謝狀況及其協(xié)調(diào)程度的指標(biāo)[3]，也是光合產(chǎn)物分配的重要指標(biāo)[25]。碳氮代謝的協(xié)調(diào)程度不僅影響其生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)度，而且關(guān)系到產(chǎn)量的高低和品質(zhì)的優(yōu)劣。研究表明，施用氮肥將直接影響植株尤其是莖葉及根茬的 C/N，進(jìn)而影響農(nóng)田系統(tǒng)中還田有機(jī)物的分解特性、有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)及土壤碳的固定[26-27]。本研究的結(jié)果表明施肥處理能夠顯著降低玉米植株的C/N，這與陳興麗等[28]的研究結(jié)果一致。由于CK處理長(zhǎng)期沒有氮素的投入，玉米氮含量過低，導(dǎo)致其C/N明顯高于施肥處理[8]。本試驗(yàn)表明農(nóng)民習(xí)慣施肥FP處理玉米植株C/N顯著降低，導(dǎo)致玉米植株葉片生長(zhǎng)過于旺盛，消耗大量的光合產(chǎn)物，不利于光合產(chǎn)物向玉米籽粒運(yùn)輸，限制了玉米產(chǎn)量的增加[29]。等氮水平下，玉米整株C/N表現(xiàn)為：OM>MF>OP，MF處理能使玉米整株維持較高的C/N，同時(shí)相比玉米穗軸，MF處理能使玉米苞葉和籽粒中維持較高的C/N，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向玉米籽粒中轉(zhuǎn)移[30]，進(jìn)而增加玉米產(chǎn)量。

植株體內(nèi)的碳大量來自自身同化大氣中的CO2[31-32]。IPCC(聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì))2013年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，從工業(yè)革命到2011年，大氣中CO2濃度從280 μmol·mol-1增加到 391 μmol·mol-1[33]，表明全球溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重，本研究中有機(jī)肥氮替代50%化肥氮玉米植株的碳儲(chǔ)量最大，折算成CO2量為31.21 t·hm-2，這對(duì)于緩解全球溫室效應(yīng)具有重要意義。此外，植物體內(nèi)氮素的累積來自植物對(duì)土壤中氮素的吸收，本研究中，在等氮投入下，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能增加玉米植株氮素吸收量。相比農(nóng)民習(xí)慣施肥，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮投入更少的氮肥，卻能提高玉米氮素吸收量，同時(shí)使玉米獲得高產(chǎn)，這對(duì)于合理減少化肥施用和保護(hù)環(huán)境具有重要作用。

4 結(jié)論

有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能增加玉米植株的生物量，同時(shí)提高玉米對(duì)氮素的吸收和碳素的累積，增加玉米籽粒中碳同化物和氮素的分配比例；同時(shí)有機(jī)肥氮替代50%化肥氮能使玉米維持較高的C/N，有利于產(chǎn)量的形成，該施肥方式不僅能夠減少化肥的投入，還能夠減少化肥的損失，降低氮素進(jìn)入環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。