齊 鵬，王曉嬌，郭高文，蔡立群，武 均

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；3. 甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，蘭州 730070；4. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，蘭州 730070）

0 引 言

植物器官的氮磷元素含量是反映作物生長狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其氮磷比能反映植物對環(huán)境變化的響應(yīng)[1-2]，被廣泛地用來指示生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物個體、群落特征及分布格局[2]；葉片氮磷比臨界值被認(rèn)為植物氮、磷限制的評價(jià)指標(biāo)，可反映植物能吸收氮、磷的能力，是植物體內(nèi)化學(xué)元素質(zhì)量平衡對生態(tài)影響響應(yīng)的重要反映[3-4]；以氮磷比為基礎(chǔ)的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)也是生態(tài)學(xué)研究中的主要方法和研究熱點(diǎn)[2]；氮磷比可以作為植物健康狀況的評價(jià)指標(biāo)，可揭示植物生長發(fā)育過程的營養(yǎng)平衡[1]，進(jìn)而影響植物生物量；生長速度理論也認(rèn)為葉片低氮磷比是植物快速生長的表現(xiàn)之一[5]，部分學(xué)者在羊草[6]、森林[7]的研究表明，植物生物量和植株氮磷比負(fù)相關(guān)，也證實(shí)植物通過調(diào)整葉片內(nèi)的氮磷比影響植物生長[8]。因此，植物重要器官營養(yǎng)組成變化的分析是了解植物生物量的重要途徑[9]，植物氮磷比的量化對分析植物生長具有重要意義，且植物氮磷平衡是維持與生長相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)之一[10]。現(xiàn)有研究表明，植物氮磷比受地膜覆蓋[11]、灌溉措施[12]、施肥[3]和耕作措施[4,11]等的影響。

耕作措施影響著土壤環(huán)境，土壤環(huán)境變化后植物會隨時(shí)調(diào)節(jié)自身的資源濃度以最大限度地維持其體內(nèi)營養(yǎng)元素含量的相對均衡進(jìn)而穩(wěn)定自身生產(chǎn)力[5]。在黃土高原地區(qū)的研究也表明，全膜雙壟溝耕作比半膜、不覆膜能降低植物葉片內(nèi)的氮磷比，使氮磷比趨于平衡[11]。常見耕作方法包括翻耕、免耕、旋耕和深松耕，其中深松耕是用松土農(nóng)具疏松土壤而不翻轉(zhuǎn)土層的一種耕作方法[13]。深松耕能打破犁底層，降低深層土壤容重，改善土壤孔隙度，增加土壤深層水分，提高水分利用效率，促進(jìn)作物根系生長[11]，能提升葉面積指數(shù)和光合作用[8]，提高冬小麥[14]、馬鈴薯[15]、水稻[16]、玉米[17]作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益[18]。許多研究從植物光合特性、根系特征、土壤水分特征等角度來解釋深松耕提高產(chǎn)量的機(jī)制[18-19]。然而，從植物氮磷比角度探討深松耕措施對植物影響的研究較少。

在黃土高原地區(qū)，深松耕結(jié)合全膜雙壟溝的耕作方法主要用于玉米農(nóng)田[18]，旱作玉米及其秸稈是緩解黃土高原地區(qū)糧草矛盾，支撐畜牧業(yè)逐漸規(guī)?；闹匾胧20]。現(xiàn)有對旱作玉米的研究主要關(guān)注產(chǎn)量[11,13]，深松耕也通過改變水分含量[18]、光合效率[14]、根系面積[21]等影響玉米地上生物量。植物的生物量以根、莖和葉為主，地上生物量和植物器官內(nèi)營養(yǎng)元素比值間存在一定的關(guān)系[5,9]，已有研究大多集中在草地[6]、苜蓿[12]等方面，缺乏從植物氮磷比角度探討玉米地上生物量的研究。

本研究通過設(shè)計(jì)田間裂區(qū)試驗(yàn)，以量化深松耕對玉米地上生物量和根、莖、葉氮磷比的影響，并通過結(jié)構(gòu)方程和線性混合效應(yīng)模型探討其氮磷比與地上生物量的關(guān)系，以期為深松耕技術(shù)的進(jìn)一步推廣提供理論支持，并對進(jìn)一步揭示耕作與施肥對玉米生產(chǎn)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮磷平衡的影響機(jī)制具有一定的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)綜合試驗(yàn)站（35°28′N，104°44′E），海拔2 000 m，該區(qū)域?qū)儆邳S土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，日照時(shí)數(shù)和年均太陽輻射分別為2476.6 h、594.7 kJ/cm2，年均氣溫、≥10 ℃積溫和年均無霜期分別為6.4 ℃、2 239.1 ℃和140 d，2016－2018年降水量分別為300.20、361.39和472.05 mm（圖1）；土壤類型為黃綿土，pH值為8.40，0～30 cm土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量分別為7.63、0.85和0.74 g/kg[17]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2016年，試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主因素為耕作方法，副因素為施肥措施。其中主因素包括深松耕（T1）、旋耕（T2）、翻耕（T3）、免耕（T4）；副因素設(shè)置2個氮水平：N0（基肥200 kg/hm2），N1（基肥200 kg/hm2+拔節(jié)期肥100 kg/hm2），共8個處理，小區(qū)面積44 m2（4.4 m×10 m），3次重復(fù)。用深松機(jī)進(jìn)行深松耕（T1）、旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕（T2）、鏵式犁進(jìn)行翻耕（T3），土壤深度分別為35、15、20 cm；全膜（白色地膜，厚度為0.008 mm）雙壟溝，溝內(nèi)間隔50 cm留滲水孔。種植作物為玉米，品種為“先玉335”，磷肥（施P量：66 kg/hm2，過磷酸鈣，含P 7%）為基肥，氮肥為尿素（含N 46%），每年4月下旬播種，溝內(nèi)穴播，密度5.25萬株/hm2，10月中旬收獲，收獲后移除秸稈、殘茬，其他田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田一致。2017年試驗(yàn)地遭受冰雹災(zāi)害（2017年7月14日下午6:30分左右），玉米受損。

1.3 樣品采集與測定方法

玉米收獲期（10月15日左右）在每個小區(qū)隨機(jī)選取10株玉米（剔除邊行），收獲其地上、地下部分，其中地下部分用挖坑沖洗法[22]，取樣長度、寬度分別為以所取玉米植株為中心，前后1/2株距和左右1/2行距，深度為60 cm。樣品分根、莖和葉及玉米穗在烘箱內(nèi)105 ℃烘0.5 h殺青，隨后80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定其生物量，計(jì)算2016－2018年地上生物量。其中，在2018年植株分根、莖和葉烘干后用研磨機(jī)研磨成細(xì)粉，過2 mm篩，用凱氏定氮法[23]測定根、莖和葉氮含量、鉬銻抗比色法[23]測定其總磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

方差分析（含數(shù)據(jù)正態(tài)檢驗(yàn)、方差齊性檢驗(yàn)）用SPSS 24.0軟件，選擇一般線性模型單變量模塊（Duncan法檢驗(yàn)或非參數(shù)檢驗(yàn)）。結(jié)構(gòu)方程模型（Structural Equation Modeling，SEM）分析耕作方法、不同器官（根、莖和葉）N/P對地上生物量的影響，首先根據(jù)已有知識[2,5-6,11]建立概念模型（圖2），本研究假設(shè)：1）深松耕降低了玉米根、葉氮磷比；2）深松耕通過降低玉米根和葉氮磷比來提高地上生物量。因耕作方法為分類變量，先將其轉(zhuǎn)化為因子變量，為比較深松耕與其他耕作方法對地上生物量的影響，將耕作方法分為2組，其中T1為一組，其他耕作方法為另一組[24]，基于R 3.6.2軟件的lavaan包進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型分析，根據(jù)卡方統(tǒng)計(jì)量（P＞0.05表明模型擬合較好）、比較擬合指數(shù)（Comparative Fit Index，CFI，CFI＞0.95擬合較好）、漸進(jìn)誤差均方和平方根（Rooted Mean Square Error of Approximation，RMSEA，RMSEA

＜0.05擬合較好）、標(biāo)準(zhǔn)化均方根殘差（Standardized Root Mean Square Residual，SRMR，SRMR＜0.08擬合較好）評估模型[25]；用線性混合效應(yīng)模型考察各因子對生物量的影響（將耕作方法作為隨機(jī)效應(yīng)），分別建立零模型、隨機(jī)截距模型和隨機(jī)斜率模型，計(jì)算不同模型修正的小樣本赤池信息量（Akaike Information Criterion，AIC），以AIC低則優(yōu)為原則進(jìn)行模型比較后選擇最終模型，并進(jìn)行模型檢驗(yàn)和模型診斷[26]，基于R 3.6.2軟件的lme4包進(jìn)行線性混合模型分析，極大似然估計(jì)法[27]。采用Sigma Plot 12.5和R 3.6.2制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方法和施肥措施對地上生物量的影響

耕作方法顯著影響了地上生物量（P＜0.05，表1），除2017年外，T1處理地上生物量均顯著高于T3和T4處理（P＜0.05），2016和2018年T1處理地上生物量比T3、T4處理分別提高了9.56%、9.29%和4.67%、5.94%；施肥措施及耕作方法與施肥措施間的交互作用對地上生物量無顯著影響。研究結(jié)果說明了玉米地上生物量的差異效應(yīng)來自不同耕作方法，而非兩種氮肥措施。

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

2.2 耕作方法對根、莖和葉N/P的影響

玉米植株地上部分葉、莖和根氮、磷含量不同（圖3），氮、磷變化范圍分別是2.29～18.65、0.13～0.89 g/kg，其中葉氮、磷變化范圍分別是11.05～18.65、0.65～0.89 g/kg，莖氮、磷變化范圍分別是2.29～7.64、0.13～0.41 g/kg，根氮、磷變化范圍分別是5.32～7.35、0.21～0.34 g/kg，玉米根的N/P大于葉和莖（圖3d）。耕作方法顯著影響了葉、莖和根的N/P（P＜0.05，表2）。相比T3、T4處理，T1、T2處理均能顯著降低葉、根的N/P（P＜0.05）。施肥措施及耕作方法與施肥措施的交互作用對葉、莖和根的N/P無顯著影響。不同耕作方法間葉、莖和根N/P的變異系數(shù)表明，根N/P的變異系數(shù)高于葉和莖。研究結(jié)果說明不同耕作方法間葉、莖和根的N/P存在差異。

表2 耕作方法和施肥措施對玉米根、莖和葉氮磷比的影響Table 2 Effects of tillage practice and nitrogen fertilization measures on N/P in roots, stems and leaves

2.3 地上生物量與根、莖和葉N/P的相關(guān)性

結(jié)構(gòu)方程模型分析得出，耕作方法、根和葉N/P能共同解釋地上生物量變異的39%，總效應(yīng)值為0.24（圖4a）。耕作方法通過影響根、葉N/P，間接影響地上生物量，效應(yīng)值分別為0.10和0.14，耕作方法對地上生物量、莖無直接顯著影響。根、葉的N/P對地上生物量呈負(fù)向影響。結(jié)構(gòu)方程結(jié)果揭示了根、葉的N/P是影響地上生物量的兩個間接因素?？紤]到不同耕作方法可能影響根、莖和葉N/P，故將耕作方法作為隨機(jī)因子，建立根、莖和葉與地上生物量的線性混合效應(yīng)模型（圖4b，4c，4d，表3），經(jīng)模型比較，隨機(jī)斜率模型能較好的反映根、葉N/P與地上生物量的關(guān)系，根、葉的隨機(jī)斜率模型的解釋度分別比固定效應(yīng)提高了425%、133%。進(jìn)一步分析表明根、葉的N/P與地上生物量的關(guān)系在不同耕作方法中并不相同，總體上存在顯著的負(fù)向關(guān)系，莖N/P與地上生物量無明顯關(guān)系。相關(guān)性分析結(jié)果說明根、葉的N/P對地上生物量的變化有顯著的影響，耕作方法間存在差異。

表3 地上生物量與玉米根、莖和葉氮磷比的線性混合效應(yīng)模型結(jié)果Table 3 Results of linear mixed effects model between aboveground biomass and N/P in roots, stems and leaves

3 討 論

本研究設(shè)計(jì)了不同耕作方法的田間試驗(yàn)，分析玉米根、莖和葉N/P與地上生物量的關(guān)系，研究得出深松耕降低了玉米根、葉N/P，也推測深松耕通過降低玉米根、葉N/P促進(jìn)氮磷營養(yǎng)平衡來提高地上生物量。本研究結(jié)果將對深入理解作物對環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制有一定的借鑒意義。

研究表明深松耕降低了玉米根、葉N/P，與第一個假設(shè)一致。相似的研究結(jié)果在荒漠綠洲玉米農(nóng)田[28]、全膜雙壟溝玉米[11]、羊草草甸[6]、黑果枸杞[29]中也有發(fā)現(xiàn)。分析其原因：1）深松耕改變了部分土壤環(huán)境，增加了土壤水分[14]，從而提高了根系氮、磷的吸收，但氮肥溶解性、移動性比磷肥強(qiáng)，在水分相對充足的情況下根系對氮素的吸收速率、向其他器官的運(yùn)輸速度均高于磷素，可能使根N/P降低[28]，耕作方法間根N/P的變異系數(shù)大于莖、葉也說明了這一點(diǎn)（表2）；2）深松耕增大了土壤孔隙度，進(jìn)而根系的數(shù)量、表面積和質(zhì)量均有所增加[21]，根系分泌物增多[29]，加之較好的水分、溫度、氧氣環(huán)境從而為土壤微生物生長創(chuàng)造了良好的條件，增加了土壤微生物多樣性，可能會出現(xiàn)土壤微生物和根系爭氮的現(xiàn)象[10]，會導(dǎo)致作物對土壤氮素吸收量減少，相反，土壤微生物呼吸所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)能促進(jìn)磷肥溶解后被植物吸收[21]，導(dǎo)致根N/P降低；3）氮素是植物蛋白質(zhì)含量增加和光合作用提升的必需元素[3]，深松耕通過增加水分提高了根系養(yǎng)分向葉片的運(yùn)輸[21]，從而提高了葉面積指數(shù)和光合勢，增大蒸騰效率[14,28]，促進(jìn)了土壤水分?jǐn)y帶難溶的磷元素通過木質(zhì)素向葉片轉(zhuǎn)移[9]，從而降低了葉N/P。反之，玉米葉片光合速率增加，也促進(jìn)了根系對礦質(zhì)元素的平衡吸收[13]；4）玉米成熟期，葉片中蛋白質(zhì)等含氮有機(jī)物可水解為氨基酸、酰胺轉(zhuǎn)移至種子，重新形成蛋白質(zhì)[12]。本研究中根、葉N/P范圍分別是19.68～24.98、17.05～22.82，根據(jù)氮磷限制的標(biāo)準(zhǔn)[30]，本研究玉米農(nóng)田基本均呈磷限制，在實(shí)踐中可以適當(dāng)增加磷肥的用量。不同耕作方法間莖N/P的變異系數(shù)比根、葉?。ū?），反映了莖內(nèi)養(yǎng)分對不同耕作方法的敏感性低。一方面，覆膜提高土壤溫度，深松耕、旋耕和免耕均能提高水分利用效率，可能會導(dǎo)致植株生育期縮短，使莖內(nèi)養(yǎng)分趨于穩(wěn)定[18]；另一方面，玉米成熟期，籽粒所需的養(yǎng)分大多來自主要的光合器官葉片，促使莖稈內(nèi)限制元素磷向葉片和籽粒轉(zhuǎn)移，成熟后期，莖稈轉(zhuǎn)變?yōu)樘己偷膬Υ鎺靃31]；另外，莖在植物生長中起到養(yǎng)分傳輸?shù)淖饔?，因此養(yǎng)分儲存相對少[5]；總之，植物生長的適應(yīng)機(jī)制受植株體內(nèi)環(huán)境因素和自身因素共同影響[31]。

本研究表明深松耕通過降低玉米葉和根N/P來提高地上生物量，與第二個假設(shè)一致。已有研究也得出相似的結(jié)論，比如，不同灌溉模式下苜蓿地上生物量與葉、根N/P負(fù)相關(guān)[12]、樺樹幼苗N/P降低提高了生長率[32]、濕地生態(tài)系統(tǒng)紅樹植物N/P與生物量負(fù)相關(guān)[33]、甘草葉片和根系N/P的降低提高了地上、地下生物量[34]、羊草的生長速率與N/P存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[6]。進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)方程分析得出，耕作方式通過葉N/P影響地上生物量的總路徑系數(shù)大于根N/P的總路徑系數(shù)，表明葉N/P對植物地上生物量影響更大，根、葉和地上部分生物量的混合效應(yīng)分析也證實(shí)了這一點(diǎn)，從葉片在植物生長中的重要功能也可以證實(shí)此結(jié)論[2]。分析其原因：1）氮磷元素是組成植物體的化學(xué)基礎(chǔ)，分別是植物葉綠素合成、完成生產(chǎn)周期必需的營養(yǎng)元素，兩者對植物生長存在緊密的相互作用[35]。植物N/P的穩(wěn)定會形成較高且穩(wěn)定的生物量[36]，當(dāng)葉片N/P在14～16時(shí)，植物生長同時(shí)受氮、磷兩者的限制或者均不缺少[17]，本研究玉米的N/P均大于16，深松耕處理的葉N/P均值是17.74，顯著低于其他處理，深松耕N/P的降低可能有向氮磷營養(yǎng)平衡轉(zhuǎn)化的趨勢；2）深松耕結(jié)合全膜雙壟溝條件下根系縱橫伸展空間的變大加之水分的相對充足，加速了對土壤氮磷的吸收[21]，氮磷的營養(yǎng)均衡也促進(jìn)了作物根系的伸展，進(jìn)而增加根系生物量，而作物根系生物量同冠層生物量成正相關(guān)關(guān)系[5,18,21]。本研究發(fā)現(xiàn)莖N/P與地上生物量之間無顯著相關(guān)關(guān)系，已有研究也得出苜蓿的生物量與莖N/P無顯著相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[12]，在黃土高原的研究也表明在成熟期深松耕、旋耕、免耕莖干物質(zhì)積累量低于翻耕，深松耕、旋耕增加玉米干物質(zhì)積累的途徑主要是通過增加葉面積指數(shù)提高了葉片光合勢，促進(jìn)了光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)移[18]。

本研究也得出玉米地上生物量的顯著差異來源于耕作方法，而非兩種氮肥措施。在黃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環(huán)境，比如增加土壤水分、降低容重、調(diào)控土壤溫度，促進(jìn)土壤蓄水保墑能力和增產(chǎn)效應(yīng)，增加地上生物量[18,37]，另一方面，綜述已有研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原玉米農(nóng)田的施氮量均在180～220 kg/hm2之間[18,38]，該區(qū)域不同氮肥處理的試驗(yàn)也表明[68]，地上生物產(chǎn)量在200與300 kg/hm2氮肥水平間差異不顯著。進(jìn)一步分析其原因：1）黃土高原半干旱區(qū)玉米生物量的主要限制因子除氮肥用量外，還包括水熱條件，該區(qū)域氮肥施用量的基線在200 kg/hm2左右[38]，在滿足作物對氮肥需求基線的情況下，水熱條件成為主要的限制因子，深松耕結(jié)合全膜雙壟溝能提高土壤水分和溫度[18]，起到了決定作用；2）由于地膜的保水、保溫作用，增加氮肥施用量可能會增加土壤氮素的淋溶，也可能會增加NH3的揮發(fā)[38]，導(dǎo)致兩種氮肥施用量對玉米生物量的影響無差異。另外，2017年遭受冰雹的影響、2016年降雨量少（圖1），影響作物生長，均導(dǎo)致收獲期地上生物量低于2018年，已有研究[39]也探討了黃土高原區(qū)旱作農(nóng)田作物產(chǎn)量主要是由降水決定的，因此產(chǎn)量相對不穩(wěn)定。本研究明確了深松耕通過降低N/P從而均衡氮磷營養(yǎng)吸收的生態(tài)策略來提高地上生物量。

4 結(jié) 論

深松耕結(jié)合全膜雙壟溝能提高地上生物量，2016和2018年地上生物量深松耕比翻耕、免耕分別提高了9.56%、9.29%和4.67%、5.94%；進(jìn)一步分析地上生物量的影響機(jī)制表明耕作方法通過影響根和葉N/P，間接影響地上生物量，效應(yīng)值分別為0.10和0.14，耕作方法對地上生物量無直接顯著影響。深松耕可通過降低根、葉N/P從而均衡氮磷營養(yǎng)吸收的生態(tài)策略來提高地上生物量。研究將為深松耕技術(shù)施肥和推廣提供參考，也可對進(jìn)一步揭示耕作與施肥對玉米生產(chǎn)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮磷平衡的影響機(jī)制具有一定的借鑒意義。未來的研究將考慮將“土壤－植物－微生物”作為整體，系統(tǒng)研究其N/P，分析不同耕作方法下作物的內(nèi)穩(wěn)性和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量平衡。