張珂珂，宋 曉，郭斗斗，黃晨晨，岳 克，張水清，黃紹敏

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.鄭州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450006)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物，對(duì)保障糧食安全、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定具有重大意義，并且小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)是農(nóng)業(yè)發(fā)展重要組成部分[1]。在維持或提升土壤肥力的前提下增加農(nóng)作物產(chǎn)量已成為農(nóng)業(yè)研究和可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)主要目標(biāo)[2]。河南是全國(guó)小麥生產(chǎn)的基地，潮土是該區(qū)域糧食作物種植區(qū)的主要土壤類型之一，大約是該區(qū)域耕地面積的1/2，潮土區(qū)因腐殖質(zhì)積累作用較弱，總體肥力偏低。因此，合理提高潮土肥力是保障糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料起著至關(guān)重要的作用，是提高作物產(chǎn)量的重要措施之一。陳歡等[3]和黃少輝等[4]研究表明，長(zhǎng)期施肥可有效提高小麥產(chǎn)量，并且可以提高土壤中養(yǎng)分；魏猛等[5]通過研究不同施肥條件下黃潮土區(qū)冬小麥產(chǎn)量和土壤肥力的變化，表明無(wú)機(jī)肥與有機(jī)肥配施顯著降低產(chǎn)量變異系數(shù)，并且有效提升了有機(jī)質(zhì)、全氮含量；而馬力等[6]研究發(fā)現(xiàn)，水旱種植模式中施用化肥引起水稻產(chǎn)量穩(wěn)定性下降。

土壤中有機(jī)碳及全氮含量是體現(xiàn)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，它們的動(dòng)態(tài)平衡影響著土壤肥力高低及農(nóng)作物的產(chǎn)量[7]，碳氮比能反映碳、氮養(yǎng)分的平衡狀況，對(duì)土壤碳氮循環(huán)有重要影響[8]。土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)[9]，而且在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境保護(hù)和土壤肥力中起著重要的作用[10-11]。土壤氮素是植物生長(zhǎng)的必需元素，土壤全氮是植物生長(zhǎng)的氮庫(kù)，也反映了土壤氮素情況。許多研究表明，投入有機(jī)物料和氮磷鉀化肥均顯著提高有機(jī)碳、全氮含量，并且促進(jìn)土壤地力及產(chǎn)量的提高[12-16]。本研究依托潮土區(qū)長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)，探討冬小麥-夏玉米輪作體系下長(zhǎng)期投入氮磷鉀化肥、氮磷鉀化肥配施有機(jī)肥、氮磷鉀化肥配施秸稈還田對(duì)小麥產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳、全氮含量的影響，旨在為潮土區(qū)提高土壤地力和小麥穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 長(zhǎng)期試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于河南省原陽(yáng)縣祝樓鄉(xiāng)(113°40′42″E，34°47′55″N)，試驗(yàn)區(qū)屬于典型溫帶季風(fēng)氣候，年均降雨量650 mm，年均氣溫15 ℃，無(wú)霜期224 d，每年降雨量主要集中在7-9月。該試驗(yàn)站于1987年建立，1988，1989年勻地種植，1990年開始劃分小區(qū)進(jìn)行正式試驗(yàn)；供試土壤為沙壤質(zhì)潮土，成土母質(zhì)為黃河沖積物，初始土壤理化性質(zhì)如下：土壤有機(jī)質(zhì)含量10.6 g/kg、全氮含量 1.69 g/kg、全磷含量 0.65 g/kg、緩效鉀含量 647.2 mg/kg、有效磷含量 6.9 mg/kg、土壤速效氮含量52.3 mg/kg、速效鉀含量 71.7 mg/kg、pH值 8.1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選取試驗(yàn)站1990-2018年代表潮土區(qū)常見的4個(gè)施肥模式：①CK (不施肥)；②NPK (施氮磷鉀肥)；③MNPK (NPK化肥+有機(jī)肥)，MNPK與 NPK 處理施氮量相同，其中有機(jī)肥中的氮含量占70%，化肥中的氮含量占30%；④SNPK (NPK化肥+玉米秸稈還田)，SNPK與NPK處理施氮量相同，在1991-2001年來(lái)自秸稈中氮量占70%，化肥中氮量占30%，2002-2017年SNPK處理玉米秸稈全部還田，缺少的氮量由化肥氮進(jìn)行補(bǔ)充。施肥量，小麥季氮肥(以N計(jì)) 165 kg/hm2、磷肥(以P2O5計(jì))和鉀肥 (以 K2O計(jì))各82.50 kg/hm2，玉米季氮肥(以 N 計(jì))187.50 kg/hm2、磷肥(以P2O5計(jì))和鉀肥 (以 K2O計(jì)) 各93.75 kg/hm2。有機(jī)肥在1990-1999 年施用馬糞，2000-2010 年施用牛糞，2011-2017年施用商品有機(jī)肥；每年施肥前測(cè)定施用有機(jī)肥量及玉米秸稈的氮、磷、鉀含量。氮肥按照基肥和追肥比6∶4投入，其他肥料作為底肥1次投入。在2009 年之前小區(qū)面積為400 m2，無(wú)重復(fù)；2009 年由鄭州原狀土搬遷到原陽(yáng)，小區(qū)面積為45 m2，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 土壤樣品的采集與測(cè)定

每年玉米季收獲后，在CK、NPK、MNPK及SNPK等小區(qū)，采用S形采樣法，采集耕作層土壤樣品 (0 ～ 20 cm)，每個(gè)小區(qū)采5點(diǎn)，混合均勻后，采用四分法取1 kg土壤，帶回室內(nèi)。自然風(fēng)干后，揀去土樣中的根茬、石塊等雜物，磨細(xì)、過篩備用。2010 年之后，改為小麥?zhǔn)斋@后取樣。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測(cè)定。土壤全氮含量用凱氏定氮法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

以CK產(chǎn)量即不施肥處理產(chǎn)量作為基礎(chǔ)地力產(chǎn)量。

增產(chǎn)率=(施肥處理產(chǎn)量-CK產(chǎn)量)/CK產(chǎn)量×100%[17]；

肥料貢獻(xiàn)率=(施肥處理產(chǎn)量-CK產(chǎn)量)/施肥處理產(chǎn)量×100%；

變異系數(shù)(CV)可以用來(lái)衡量小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性，表示不同試驗(yàn)?zāi)攴菪←溒骄a(chǎn)量的變異程度。

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)是用來(lái)衡量小麥產(chǎn)量可持續(xù)性的重要指標(biāo)。

數(shù)據(jù)整理采用 Excel 2016，統(tǒng)計(jì)分析及作圖利用 SPSS 17 、Origin 8.5軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)小麥產(chǎn)量、穩(wěn)定性的影響

2.1.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)小麥產(chǎn)量的影響 長(zhǎng)期施肥下小麥產(chǎn)量隨試驗(yàn)?zāi)晗蕹输忼X狀波動(dòng)，且同一年份的各處理小麥產(chǎn)量波動(dòng)一致，同時(shí)升高或降低，總體呈上升趨勢(shì)(圖1)。CK小麥產(chǎn)量年際變化呈波浪形，變化較平緩，產(chǎn)量最低，平均為1 686.1 kg/hm2，與試驗(yàn)初始時(shí)小麥產(chǎn)量相比，產(chǎn)量下降17.00%。施肥處理總體表現(xiàn)為2008年之前MNPK、SNPK處理小麥產(chǎn)量低于NPK處理，平均減產(chǎn)6.70%，3.15%，2008-2018年MNPK、SNPK處理小麥產(chǎn)量比NPK處理提高8.90%，8.93%。表明施用氮磷鉀化肥配施有機(jī)肥和氮磷鉀化肥配施秸稈還田處理有長(zhǎng)期養(yǎng)分累積效應(yīng)。

根據(jù)小麥產(chǎn)量隨年際變化曲線進(jìn)行線性擬合。各施肥處理小麥產(chǎn)量趨勢(shì)線均呈增加趨勢(shì)，由擬合方程可知，NPK、 MNPK、SNPK處理的小麥產(chǎn)量年均增加量分別為30.80，88.64，65.36 kg/hm2。MNPK、SNPK處理小麥產(chǎn)量每年增加量相對(duì)較大，且秸稈還田對(duì)小麥增產(chǎn)的作用不可忽視。綜上所述，不同施肥年份間小麥產(chǎn)量表現(xiàn)鋸齒狀，氮磷鉀化肥配施有機(jī)肥、氮磷鉀化肥配施秸稈還田對(duì)小麥增產(chǎn)效果優(yōu)于化肥，施有機(jī)肥和秸稈還田具有長(zhǎng)期養(yǎng)分累積效應(yīng)，對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。

2.1.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性、可持續(xù)性指數(shù)的影響 由于1990-2008年產(chǎn)量沒有重復(fù)數(shù)據(jù)，所以未作方差分析。NPK、MNPK、SNPK處理小麥的平均產(chǎn)量比CK提高了281.28%，276.72%，287.76%(表1)。MNPK、SNPK處理小麥產(chǎn)量的年均增長(zhǎng)率高于NPK處理。小麥產(chǎn)量CV值越低表示產(chǎn)量的變異越小，產(chǎn)量越穩(wěn)定。由CV值可知，NPK、MNPK、SNPK處理比CK產(chǎn)量CV值均降低，SNPK處理SYI值高于MNPK、NPK。長(zhǎng)期施肥有助于提升小麥產(chǎn)量，增加產(chǎn)量穩(wěn)定性及可持續(xù)性，而SNPK處理可保持最高的可持續(xù)能力。

表1 1990-2018年長(zhǎng)期不同施肥下小麥平均產(chǎn)量、變異系數(shù)及可持續(xù)性指數(shù)的變化Tab.1 Changes of wheat average yield，variation coefficient and sustainable index under the long-term different fertilization treatments from 1990 to 2018

2.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)肥料貢獻(xiàn)率的影響

隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)，肥料貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為上升趨勢(shì)(圖2)，表明肥料的投入減少了作物對(duì)土壤基礎(chǔ)地力的依賴。NPK、MNPK、SNPK處理肥料貢獻(xiàn)率差別較小，并且變化幅度也小。通過擬合方程發(fā)現(xiàn)，NPK、MNPK、SNPK處理肥料貢獻(xiàn)率逐漸增加，這說明隨試驗(yàn)?zāi)攴莸脑黾樱←湲a(chǎn)量對(duì)肥料的依賴性逐漸增加，但施肥到30 a左右時(shí)，肥料貢獻(xiàn)率可能開始下降。

2.3 農(nóng)田基礎(chǔ)地力與肥料貢獻(xiàn)率的關(guān)系

CK的小麥產(chǎn)量體現(xiàn)了農(nóng)田基礎(chǔ)地力。由圖3可知，施肥處理肥料貢獻(xiàn)率隨CK產(chǎn)量的增加表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，并進(jìn)行了線性擬合，即農(nóng)田基礎(chǔ)地力與肥料貢獻(xiàn)率存在顯著線性負(fù)相關(guān)。SNPK處理與CK產(chǎn)量的相關(guān)程度最大(R2=0.78)，而NPK、MNPK與CK產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)分別為0.70，0.70，CK處理產(chǎn)量每增加1 000 kg/hm2，肥料貢獻(xiàn)率降低14.35～19.57百分點(diǎn)。與NPK處理相比，MNPK、SNPK處理肥料貢獻(xiàn)率整體增加7.70，5.31百分點(diǎn)。說明農(nóng)田土壤基礎(chǔ)地力的提升可以降低小麥產(chǎn)量對(duì)投入肥料的依賴，進(jìn)而減少外源肥料的投入。

2.4 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮含量的影響

2.4.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響 由圖4可看出，與試驗(yàn)初始值相比較，CK年度間有機(jī)碳含量表現(xiàn)波動(dòng)變化，略有增加；2018年NPK、MNPK、SNPK處理有機(jī)碳含量較試驗(yàn)起始時(shí)均有所提高，分別增加了49.13%，76.73%，65.83%。有機(jī)碳含量與試驗(yàn)?zāi)晗蕹收嚓P(guān)，線性方程擬合可以看出，MNPK、SNPK、NPK處理有機(jī)碳年均增加速率分別為0.158，0.112，0.089 g/kg。2018年NPK、MNPK、SNPK處理有機(jī)碳含量較CK增加13.34%，36.68%，29.34%。MNPK處理有機(jī)碳含量高于SNPK、NPK處理。土壤有機(jī)碳增加量以MNPK處理最高，其次SNPK處理。這說明化肥配施有機(jī)肥或者化肥配施秸稈還田或施化肥均可增加有機(jī)碳含量 ，但單施化肥對(duì)有機(jī)碳的影響小于化肥配施有機(jī)肥和化肥配施秸稈還田。

2.4.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤全氮含量的影響 由圖5可知，不同施肥條件下全氮和有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)基本一致。不施肥處理土壤全氮隨試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)變化不明顯，試驗(yàn)起始時(shí)土壤全氮含量為0.62 g/kg，土壤全氮含量平均值為0.64 g/kg；NPK、MNPK、SNPK處理隨種植年限延長(zhǎng)土壤全氮含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。與試驗(yàn)初始全氮含量相比，2018年 NPK、MNPK、SNPK處理土壤全氮含量分別增加了30.00%，83.95%，36.75%。全氮含量與施肥年限呈正相關(guān)，由擬合方程可以看出，MNPK 處理土壤全氮含量增幅最大，年均增加量為0.014 g/kg，NPK處理增幅最小，年均增加量為0.006 g/kg。2018年NPK、MNPK、SNPK處理土壤全氮含量較CK增加11.95%，38.76%，34.52%?？傮w上，化肥配施有機(jī)肥和化肥配施秸稈還田提高土壤全氮含量效果優(yōu)于單施化肥。

2.4.3 土壤中全氮含量和有機(jī)碳含量的關(guān)系 由圖6可知，土壤全氮、有機(jī)碳含量之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。土壤中有機(jī)碳每增加1 g/kg，土壤全氮含量增加0.078 g/kg。土壤全氮含量會(huì)隨有機(jī)碳含量的增加而增加，從而使碳氮比趨于穩(wěn)定，作物的生長(zhǎng)和土壤性狀與碳氮比穩(wěn)定程度有很大的關(guān)系。與不施肥相比，長(zhǎng)期施肥后碳氮比平均值差別較小，在9.97～10.60，施肥后碳氮比差異不顯著(圖7)。總體來(lái)說，單施化肥、化肥配施有機(jī)肥、化肥配施秸稈還田處理對(duì)土壤碳氮比影響都不大。

2.5 土壤有機(jī)碳、全氮含量與小麥產(chǎn)量的關(guān)系

通過對(duì)土壤全氮、有機(jī)碳含量及其同一年份小麥產(chǎn)量相關(guān)分析(表2)可得，MNPK處理小麥產(chǎn)量與有機(jī)碳、全氮含量的相關(guān)系數(shù)分別0.569，0.570，SNPK處理小麥產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳、全氮含量相關(guān)系數(shù)分別為0.479，0.561，MNPK、SNPK處理中有機(jī)碳、全氮含量與小麥產(chǎn)量相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。NPK、MNPK、SNPK處理全氮、有機(jī)碳含量與產(chǎn)量均表現(xiàn)為正相關(guān)。

表2 土壤有機(jī)碳、全氮含量與小麥產(chǎn)量的關(guān)系Tab.2 The relationship between wheat yield and organic carbon，total nitrogen contents

3 結(jié)論與討論

3.1 不同施肥措施對(duì)小麥產(chǎn)量和農(nóng)田基礎(chǔ)地力的影響

提高作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的最終目標(biāo)[19]，而施肥可以提高土壤肥力進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[20]，本研究表明，NPK、MNPK、SNPK處理不同年份間小麥產(chǎn)量變化呈現(xiàn)鋸齒狀，在同一試驗(yàn)?zāi)攴菪←湲a(chǎn)量呈現(xiàn)同時(shí)上升或下降，這表明溫度、降雨、病害等因素也會(huì)影響產(chǎn)量的波動(dòng)。與CK相比，NPK、MNPK、SNPK處理均可增加小麥產(chǎn)量。這說明長(zhǎng)期施肥有利于小麥產(chǎn)量的提高。施肥處理總體表現(xiàn)為2008年之前NPK處理小麥產(chǎn)量大體上高于MNPK、SNPK處理，2009-2018年NPK處理小麥產(chǎn)量大體上低于MNPK、SNPK處理，這表明施用化肥能快速增加土壤中的速效養(yǎng)分，滿足小麥生長(zhǎng)需求，而施用有機(jī)肥料肥效慢，但有長(zhǎng)效性，可以使土壤肥料逐漸提高能增加土壤供肥容量，最終提高作物產(chǎn)量[14，16]。這一結(jié)論與查燕等[10]長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)配施對(duì)農(nóng)田基礎(chǔ)地力提升的影響結(jié)果一致。而且進(jìn)一步證明施用有機(jī)肥或者秸稈還田具有長(zhǎng)期累積效應(yīng)。另外，也表明了提高基礎(chǔ)地力產(chǎn)量后，能減少作物產(chǎn)量對(duì)外源肥料的依賴。但也有研究認(rèn)為，施用肥料有效成分含量相同的條件下，有機(jī)肥肥效低于或等于化肥[21]。

CV值可用來(lái)反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量好壞，SYI值可用來(lái)評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是否能持續(xù)生產(chǎn)。本研究表明，NPK、SNPK、MNPK處理小麥產(chǎn)量的CV值均低于CK，而SYI值均高于CK。這與李忠芳等[18]和Manna等[19]研究認(rèn)為長(zhǎng)期施肥可以提高作物產(chǎn)量穩(wěn)定性和持續(xù)性的結(jié)論一致。王婷等[22]研究認(rèn)為，均衡施肥能顯著增加作物產(chǎn)量，保持農(nóng)田生產(chǎn)力的穩(wěn)定。本研究中，SNPK處理小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性、SYI值高于MNPK處理，這可能因?yàn)榈租浕逝涫┯袡C(jī)肥處理在試驗(yàn)前期因?yàn)榈租浕释度肓坎蛔?，有機(jī)肥礦化的養(yǎng)分少，這使小麥產(chǎn)量受到影響，產(chǎn)量增加慢，隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)，有機(jī)養(yǎng)分礦化增加，提高了土壤肥力，但是在礦化的有機(jī)養(yǎng)分沒達(dá)到小麥所需養(yǎng)分之前，其產(chǎn)量受到很大影響，后期產(chǎn)量增加幅度較大，致使產(chǎn)量整體波動(dòng)較大。

3.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響

作物根系分泌物、根茬及有機(jī)物料是土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源。本研究表明，CK土壤有機(jī)碳含量較試驗(yàn)起始時(shí)也有所增加，可能因?yàn)樽魑锔鐨w還。徐娜等[23]在陜西長(zhǎng)武監(jiān)測(cè)中也發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期不施肥處理土壤中有機(jī)碳含量略有增加。但也存在不同試驗(yàn)結(jié)果，許詠梅等[24]和張秀芝等[14]在灰漠土、黑土上的研究發(fā)現(xiàn)，不施肥處理土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能與土壤類型、氣候、作物種植種類有關(guān)。俄勝哲等[25]在黃土高原黑壚土上的研究表明，施用有機(jī)肥和秸稈還田能顯著增加有機(jī)碳含量。本研究表明，MNPK、SNPK處理土壤有機(jī)碳的含量大體上高于NPK處理，其中MNPK對(duì)有機(jī)碳含量提升效果最明顯，說明有機(jī)物料的投入較單施化肥效果更佳，且化肥配施有機(jī)肥對(duì)有機(jī)碳的積累效果最好。這可能因?yàn)橛袡C(jī)肥為土壤提供了碳源，而且改善了土壤環(huán)境提高了微生物的活性，促進(jìn)了有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化，從而提升了有機(jī)碳含量[26]。有研究還認(rèn)為，秸稈還田比有機(jī)肥更易礦化腐解，且土壤固存率低，會(huì)導(dǎo)致有機(jī)碳含量低于施有機(jī)肥的處理[11]。

土壤全氮含量與有機(jī)碳含量變化規(guī)律相同，MNPK、SNPK處理土壤全氮含量大體上高于NPK處理，且MNPK處理土壤全氮含量最高，這可能施用有機(jī)物料之后易分解的部分當(dāng)季釋放出氮，難分解的部分礦化慢、持效長(zhǎng)，長(zhǎng)期使用可產(chǎn)生累積效應(yīng)，而且施有機(jī)肥可以減少土壤中氮素的流失[27]。楊振興等[28]研究也表明，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理土壤中全氮含量顯著高于化肥處理。投入有機(jī)肥可以增加全氮含量，不僅是由于其含有機(jī)氮，還由于其能減少化學(xué)氮的損失。所以氮磷鉀化肥與有機(jī)肥配施是增加土壤全氮含量、提高供氮能力的有效途徑。土壤有機(jī)碳含量與全氮含量呈正相關(guān)。此外，有些研究表明，土壤中有機(jī)碳、全氮含量與作物產(chǎn)量存在正相關(guān)關(guān)系[14，22-23]。本研究也得到相似的結(jié)論，通過對(duì)不同年限土壤有機(jī)碳、全氮含量與對(duì)應(yīng)的小麥產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)分析表明，小麥產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳、全氮含量呈正相關(guān)。