施肥和地膜覆蓋對(duì)黃土旱塬土壤理化性質(zhì)和冬小麥產(chǎn)量的影響

付 威，樊 軍,2，胡雨彤，趙 晶，郝明德,*

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；3 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

施肥和地膜覆蓋對(duì)黃土旱塬土壤理化性質(zhì)和冬小麥產(chǎn)量的影響

付 威1，樊 軍1,2，胡雨彤3，趙 晶3，郝明德1,3*

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；3 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

【目的】研究黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)施肥等措施對(duì)耕層土壤理化性質(zhì)和作物農(nóng)藝性狀的影響，為保持土壤適度生產(chǎn)力，選擇適合黃土塬區(qū)可持續(xù)發(fā)展的新型增產(chǎn)措施提供理論基礎(chǔ)?！痉椒ā客ㄟ^設(shè)在渭北旱塬的多年田間定位試驗(yàn)，選取不施肥空白對(duì)照、施氮磷肥、施氮磷鉀肥、氮磷肥加生物炭、氮磷肥加生育期地膜半覆蓋和氮磷肥加夏閑期地膜半覆蓋共6個(gè)處理，所有處理均在冬小麥?zhǔn)斋@后和播種前進(jìn)行翻耕。分析了不同處理耕層土壤理化性質(zhì)、冬小麥產(chǎn)量及農(nóng)藝指標(biāo)。【結(jié)果】與對(duì)照相比，施氮磷肥顯著提高了耕層土壤飽和導(dǎo)水率，降低耕層土壤緊實(shí)度，顯著增加冬小麥生育期耗水量，提高水分利用效率和降雨利用效率，顯著提高了耕層土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷、有效磷等養(yǎng)分的含量，連續(xù)三年提高冬小麥的產(chǎn)量均在一倍左右。與氮磷肥處理相比，增施鉀肥處理增加了冬小麥拔節(jié)期耕層土壤緊實(shí)度，卻顯著降低了收獲期土壤容重、增加了總孔隙度，并顯著提高了水分利用效率，在一定程度上增加了耕層土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量，使冬小麥的葉面積指數(shù)顯著增加，連續(xù)三年冬小麥平均產(chǎn)量達(dá)4500 kg/hm2；增施生物炭處理耕層土壤容重降至最低為1.16 g/cm3，增加了土壤總孔隙度，導(dǎo)致飽和導(dǎo)水率最大為0.049 cm/min，提高了水分利用效率；耕層土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷的含量有一定增加，冬小麥的產(chǎn)量有所提升；施氮磷肥基礎(chǔ)上的生育期地膜半覆蓋與夏閑期地膜半覆蓋，均顯著降低了耕層土壤飽和導(dǎo)水率，增加了土壤緊實(shí)度，提高了冬小麥水分利用效率，耕層土壤中有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效鉀的含量有所增加，全磷含量降低，土壤pH下降，除去受災(zāi)年份，冬小麥平均產(chǎn)量在4700～4800 kg/hm2之間?！窘Y(jié)論】與對(duì)照相比，長期施用氮磷化肥顯著提高冬小麥的產(chǎn)量，卻導(dǎo)致土壤pH下降。在施氮磷肥的基礎(chǔ)上增施生物炭，可以顯著改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)，增加冬小麥產(chǎn)量，但其經(jīng)濟(jì)投入過高。在施氮磷肥的基礎(chǔ)上，增施鉀肥與生育期地膜半覆蓋，改善了耕層土壤養(yǎng)分狀況，有一定的經(jīng)濟(jì)效益，是適宜黃土塬區(qū)的冬小麥增產(chǎn)措施。

黃土旱塬；產(chǎn)量；土壤緊實(shí)度；飽和導(dǎo)水率；水分利用效率

黃土旱塬是我國重要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，冬小麥?zhǔn)窃搮^(qū)主要的糧食作物，常年種植面積53萬hm2以上，占陜西省播種面積的35%左右[1]。降水量少與時(shí)空分布不均的影響，導(dǎo)致作物的產(chǎn)量低而不穩(wěn)[2]，此外，土壤貧瘠也是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[3]。因此，提高水分利用效率和培肥土壤，提升和穩(wěn)定作物產(chǎn)量，仍然是該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要任務(wù)。國內(nèi)外研究表明，冬小麥的生長不僅受地域等因素的影響，而且也會(huì)受到肥料的用量和種類的影響。合理的施肥會(huì)增加其產(chǎn)量，不合理的施肥不僅限制增產(chǎn)，還會(huì)對(duì)土壤造成污染、引起土壤生產(chǎn)力下降[4–6]。安徽省長期定位試驗(yàn)研究表明，長期不施肥會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量持續(xù)下降[4]；黃土塬區(qū)的長期定位試驗(yàn)顯示，氮磷配施或與有機(jī)肥配施，能有效地減少土壤剖面中硝酸鹽的累積與淋溶[7]。長期施用氮磷肥，不僅導(dǎo)致土壤pH下降[8]，土壤理化性狀惡化，而且顯著降低肥料利用率，增加溫室氣體排放[9]。因此，氮磷肥料管理之外的增產(chǎn)措施受到越來越多的關(guān)注。例如，施用鉀肥可以均衡土壤養(yǎng)分，提高作物品質(zhì)[10]；施用有機(jī)肥可以增加土壤微生物，改善土壤物理結(jié)構(gòu)[11]；施加微量元素肥料可以改善作物的品質(zhì)[12]；生物炭作為一種土壤改良劑和碳減排劑，能夠改善土壤質(zhì)量，提高土壤肥力[13]；覆蓋措施具有良好的蓄水保墑效果[14]而被廣泛應(yīng)用。隨著作物品種變更和氮磷肥料增產(chǎn)效果的限制，為防止環(huán)境污染及水資源的過度消耗，有研究者提出旱地適度生產(chǎn)力觀點(diǎn)[15–16]，同時(shí)探索氮磷肥以外新的旱塬糧食增產(chǎn)措施。本文通過設(shè)置在渭北旱塬的定位試驗(yàn)，研究在施用氮磷肥的基礎(chǔ)上，增施鉀肥、添加生物炭及2種地膜覆蓋方式的增產(chǎn)效果及其對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，以期為旱地農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于陜西省長武縣的西北農(nóng)林科技大學(xué)長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站 (35°14'N、107°40'E)，是典型的渭北旱塬旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，也是陜西省的糧食主產(chǎn)區(qū)[1]。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)海拔1200 m，日照時(shí)數(shù)2226 h，年均氣溫9.1℃，1月份平均氣溫–4.7℃，7月份平均氣溫22.1℃。塬面 ≥ 0℃活動(dòng)積溫3688℃，≥ 10℃活動(dòng)積溫3029℃，年均無霜期171 d。長武塬地處黏黑壚土地帶，母質(zhì)是中壤質(zhì)地的馬蘭黃土，土層深厚，土質(zhì)均勻疏松，土壤容重1.23～1.44 g/cm3，孔隙度50%左右，通透性好。多年平均降水量578.5 mm，降水年際變異較大，且降水季節(jié)性分布不均，導(dǎo)致干旱頻繁發(fā)生。其中7～9月降水量占全年降水總量的55%以上，與冬小麥生育期的生長耗水不同步。2013～2016年冬小麥不同時(shí)期的降水量有所差異，其中冬小麥夏閑期為當(dāng)年的6月底至9月底，冬小麥生育期為當(dāng)年9月底至次年6月底，年降水量為1～12月的降水量的總和 (表1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間定位試驗(yàn)始于2002年，前期為當(dāng)?shù)剡B續(xù)耕種的傳統(tǒng)農(nóng)田，供試作物為一年一熟冬小麥，小麥品種為長航1號(hào)。采取寬窄行種植，寬行60 cm，窄行30 cm，本季冬小麥于2015年9月26日播種，2016年6月24日收獲，供試土壤為黑壚土。試驗(yàn)所用地膜為60 cm寬、0.015 mm厚的聚乙烯薄膜。小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，面積為35 m2(5 m × 7 m)，本文選取其中6個(gè)處理進(jìn)行研究，包括不施肥對(duì)照(CK)、施氮磷化肥 (NP)、施氮磷鉀化肥 (NPK)、施氮磷化肥并添加生物炭 (NPB)、施氮磷化肥并進(jìn)行生育期地膜覆蓋 (NPFG)、施氮磷化肥并進(jìn)行夏閑期地膜覆蓋 (NPFF)。CK、NP和NPB三個(gè)處理4次重復(fù)，其他處理3次重復(fù)。所有處理在冬小麥播種前和收獲后各翻耕一次，翻耕深度約為20 cm。NPFG處理冬小麥全部打孔種在地膜上，在冬小麥?zhǔn)斋@后清除地膜，NPFF在休閑期覆蓋地膜，冬小麥播種前清除。試驗(yàn)氮肥和磷肥施用量分別為N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2，氮肥為尿素 (N 46%)，磷肥為過磷酸鈣 (P2O516%)，全部基施。鉀肥(K2O)施用量為30 kg/hm2，供試鉀肥為硫酸鉀 (K2O 50%)；生物炭添加量為14 t/hm2，試驗(yàn)使用的生物炭為雜木 (楊樹、棗樹、槐樹等) 黑炭，購置于當(dāng)?shù)厣虡I(yè)公司。該生物炭的基本理化性質(zhì)如下：容重為0.58 g/cm3，顆粒組成2～0.02 mm占86.29%、0.02～0.002 mm占11.93%、＜ 0.002 mm占1.78%，pH為8.96，陽離子交換量為20.73 cmol/kg。

表1 2013～2016年冬小麥夏閑期與生育期降水量(mm)Table 1 Rainfall in summer fallow periods and growth periods of winter wheat from 2013 to 2016

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤物理性質(zhì) 土壤緊實(shí)度采用澳大利亞CP40Ⅱ土壤緊實(shí)度計(jì)于冬小麥拔節(jié)期 (2016年4月10日) 測量，通過一根金屬柱探針壓入土壤，獲取土壤穿透阻力作為土壤緊實(shí)度。由于金屬探針不易扎入過深土壤，測量深度選為7.5 cm，每個(gè)小區(qū)9次重復(fù)。

土壤飽和導(dǎo)水率采用定水頭法在冬小麥?zhǔn)斋@后(2016年7月10日) 測定，每個(gè)小區(qū)在相同對(duì)角線上中點(diǎn)和1/4點(diǎn)共3點(diǎn) (每個(gè)處理共計(jì)9次重復(fù)) 取樣。

土壤容重于冬小麥?zhǔn)斋@后 (2016年7月10日) 采用烘干法測定[17]。

冬小麥生育期耗水量計(jì)算公式為[18]：

式中：ET為冬小麥生育期總耗水量 (mm)；P為時(shí)間段內(nèi)的降雨量 (mm)；U為地下水補(bǔ)給 (mm)，由于地下水埋深在80 m以下，無法補(bǔ)給，故U= 0；D為土壤水分滲漏量 (mm)，Lysimeter蒸滲儀 (3 m土柱) 多年監(jiān)測結(jié)果無滲漏發(fā)生，故D為0；R為地表徑流 (mm)，試驗(yàn)區(qū)位于塬面上，無地表徑流產(chǎn)生，故R= 0；ΔW為3 m土壤剖面播種前與收獲后貯水量之差 (mm)。公式簡化為：ET=P+ ΔW

式中：WUE為水分利用效率 [kg/(mm·hm2)]；Y為冬小麥籽粒產(chǎn)量 (kg/hm2)。

式中：PUE為降水利用效率 [kg/(mm·hm2)]；RF為冬小麥播種前夏閑期內(nèi)降雨量 (mm)；RG為生育期內(nèi)的降水量 (mm)。

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì) 在冬小麥?zhǔn)斋@后用土鉆 (2016年6月24日) 取0—20 cm耕層土壤，研磨過篩，用于實(shí)驗(yàn)室分析。土壤pH采用pH計(jì)測定 (水土比5∶1)；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法；全氮采用凱氏定氮法，硝態(tài)氮用酚二磺酸比色法測定，銨態(tài)氮采用0.5 mol/L KCl浸提，流動(dòng)分析儀雙波長比色法；全磷采用HClO4–H2SO4氧化，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用原子吸收法測定[20]。

1.3.3 作物農(nóng)藝性狀 于冬小麥?zhǔn)斋@后測定冬小麥相關(guān)農(nóng)藝指標(biāo)，包括小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗長、株高，各小區(qū)在收獲期隨機(jī)選取長勢均勻的冬小麥10株，進(jìn)行測定。葉面積指數(shù) (LAI) 用線狀光合有效輻射探頭 (MQ-306，Apooge，Logan，USA) 測量[21]。冬小麥籽粒產(chǎn)量，在成熟期 (2016年6月24日) 每個(gè)小區(qū)收獲長勢均勻的4行小麥，3次重復(fù)，脫粒、風(fēng)干、稱重計(jì)產(chǎn)。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)處理采用Excel 2007，不同處理之間的方差分析和多重比較使用SPSS17.0軟件，繪圖用Origin 9.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理耕層土壤物理性狀

不同處理對(duì)耕層土壤物理性質(zhì)均有顯著影響(表2)。對(duì)土壤容重的影響表現(xiàn)為：NPK和NPB處理較NP處理與CK均顯著降低耕層土壤容重，增加耕層土壤總孔隙度，其中NPB處理的土壤容重最小，為1.16 g/cm3，土壤總孔隙度最大，其余處理之間土壤容重和總孔隙度無顯著差異。對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響表現(xiàn)為NP、NPK和NPB處理較CK均顯著提高了耕層土壤飽和導(dǎo)水率 (Ks)。飽和導(dǎo)水率各處理大小順序?yàn)?NPB ＞ NPK、NP ＞ NPFF、NPFG、CK，其中NPB處理Ks較NP提高88.5%，達(dá)到顯著水平；NPFG、NPFF處理與NP處理存在顯著差異，均降低了26.9%。此外，不同處理的耕層土壤容重和飽和導(dǎo)水率之間呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤總孔隙度呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系 (P＜ 0.01)。對(duì)土壤緊實(shí)度的影響表現(xiàn)為：NP處理較CK顯著降低耕層土壤的緊實(shí)度。與NP處理相比，NPK、NPB、NPFG和NPFF處理均在一定程度上增加了土壤緊實(shí)度，但是只有NPB處理與NPFF處理達(dá)到了顯著水平，分別提高了26.7%、23.4%。

2.2 不同處理耕層土壤化學(xué)性質(zhì)

不同管理措施連續(xù)處理15年后，各處理間耕層土壤的化學(xué)性質(zhì)差異顯著 (表3)。施氮磷肥以及在其基礎(chǔ)上增施鉀肥處理、生物炭處理、生育期地膜半覆蓋處理和夏閑期地膜覆蓋處理較不施肥處理均顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷和速效磷含量，降低了土壤pH。與氮磷肥處理相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF處理均提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中NPB、NPFF、NPFG處理分別提高了39.3%、11.0%、7.6%，達(dá)到顯著水平。與NP處理相比，NPB、NPFF處理土壤全氮含量分別提高了21.1%、18.9%，均達(dá)顯著水平；NPK、NPB、NPFG、NPFF處理土壤硝態(tài)氮含量雖有提高，但僅NPFF處理達(dá)到了顯著水平，提高3.6倍；不同處理間銨態(tài)氮差異不顯著。與NP處理相比，僅NPB處理土壤全磷含量顯著提高(10.3%)；NPFG則顯著降低了土壤速效磷含量，其他處理之間差異不顯著。與NP處理相比，NPFF、NPK、NPB、NPFG處理均顯著提高土壤速效鉀含量，分別提高了27.7%、25.7%、19.8%、14.9%，其中NPK和NPFF處理的速效鉀含量最高，分別為141.9 mg/kg和144.2 mg/kg。與NP處理相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF處理均降低土壤pH，但僅NPFF處理的影響達(dá)到了顯著水平。

表2 不同處理耕層土壤物理性質(zhì)Table 2 Soil physical properties in different treatments

表3 不同處理對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 3 Soil chemical properties as affected by different treatments

2.3 不同處理作物的農(nóng)藝性狀

不同管理措施影響土壤總孔隙度和飽和導(dǎo)水率，使降水入滲發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)控土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，最終影響作物的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量。不同處理間冬小麥的株高、葉面積指數(shù)、產(chǎn)量三要素，產(chǎn)量等均存在顯著差異，同時(shí)水分利用效率也有顯著差異。

2.3.1 株高和葉面積指數(shù) 與不施肥對(duì)照比較，不同處理均顯著增加了冬小麥的株高和葉面積指數(shù) (LA I)。與NP處理相比，NPFG處理冬小麥株高提高了10.1%。與CK相比，不同處理均一定程度上提高了冬小麥LAI；與NP處理相比，NPK、NPFG、NPFF處理均可以提高冬小麥的LAI，分別提高了45.3%、21.3%、14.1%(圖1)。

圖1 不同處理小麥的株高和葉面積指數(shù)Fig. 1 Plant height and leaf area index of winter wheat in different treatments

2.3.2 產(chǎn)量構(gòu)成因素 圖2表明，不同管理措施下冬小麥的小穗數(shù)、穗粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成要素存在差異，而冬小麥穗長在11.0～12.0 cm之間，無顯著差異；NPFG、NPB、NPFF、NP和NPK處理與CK在小穗數(shù)上存在顯著差異，且分別提高了24.7%、22.1%、17.2%、16.4%和15.1%。與CK處理相比，NPB、NPFG、NPK、NP處理顯著增加了冬小麥的穗粒數(shù)，分別增加了43.0%、42.3%、39.7%、38.6%。冬小麥千粒重均在45.0～50.0 g之間，各處理差異不顯著。

2.3.3 籽粒產(chǎn)量 連續(xù)三年不同管理措施對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量有顯著影響，2014～2015年度冬小麥在灌漿期受冰雹災(zāi)害的影響，產(chǎn)量較往年顯著下降，其中NPFG處理受冰雹災(zāi)害影響最為嚴(yán)重。2013～2014年度，NPK與NPFF處理冬小麥產(chǎn)量最高，分別為 5853.0、5546.8 kg/hm2，NPK、NPFF、NPFG、NPB處理冬小麥產(chǎn)量比NP處理分別增加了25.2%、18.7%、14.8%、13.6%。2014～2015年，NPFG處理冬小麥產(chǎn)量低于NP、NPK、NPB、NPFF處理，后三個(gè)處理冬小麥產(chǎn)量分別比NP處理提高了16.8%、11.3%、9.8%；2015～2016年度，NPFG、NPB、NPFF、NPK處理分別比NP處理增加了14.8%、12.0%、10.8%、9.4%。與NP處理相比，除去自然災(zāi)害的影響，連續(xù)三年NPK、NPB、NPFG和NPFF處理的增產(chǎn)效果在10.0%左右 (圖3)。

圖2 不同處理冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成Fig. 2 Yield components of winter wheat in different treatments

圖3 2013～2015年不同處理冬小麥的產(chǎn)量Fig. 3 Winter wheat yields in different treatments during 2013–2015

2.3.4 水分利用效率和降雨利用效率 冬小麥生育期耗水量 (ET)、水分利用效率 (WUE) 和降雨利用效率(PUE) 是衡量自然降水利用程度高低的重要指標(biāo)。與CK相比，生育期耗水量NPFF、NP、NPFG、NPB、NPK處理分別增加了107.6 mm、106.0 mm、101.0 mm、44.1 mm、22.5 mm，增加均達(dá)顯著水平。與NP處理相比，NPK與NPB處理冬小麥生育期耗水量分別顯著降低了16.1%和12.0%，NPFG、NPFF與NP處理之間差異不顯著。與CK相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF、NP處理的WUE分別提高了1.7、1.7、1.4、1.3、1.1倍，與NP處理相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF處理分別提高了30.3%、26.9%、15.8%、10.2%，其中NPK處理達(dá)到了顯著水平。各處理顯著提高了降雨利用效率，與CK相比，NPK、NPB、NPFG、NPFF、NP處理分別提高了1.9、1.9、2.0、1.9、1.6倍；與NP處理相比，其余4個(gè)處理PUE雖呈增加趨勢，但未達(dá)顯著水平。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

不考慮勞動(dòng)力投入，在施用氮磷肥基礎(chǔ)上，增施鉀肥、生物炭、生育期地膜半覆蓋處理和夏閑期地膜半覆蓋處理增加的投入分別為每季每公頃180.00元、42857.10元、450.00元、450.00元，冬小麥產(chǎn)出分別增加344.50元、441.10元、545.70元、397.10元，產(chǎn)投比分別為1.91、0.01、1.21和0.88，以增施鉀肥與生育期地膜半覆蓋處理產(chǎn)投比較高，生物炭處理產(chǎn)投比最小。

3 討論

3.1 不同耕作處理對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

連續(xù)多年不施肥情況下，冬小麥的耗水量有逐漸降低的趨勢，土壤貯水量增加，最終導(dǎo)致2015年冬小麥播種期和冬小麥?zhǔn)斋@期3 m土壤貯水量比其他施肥處理高出很多。

生物炭施用使土壤容重降低，意味著土壤總孔隙度和大孔隙數(shù)量增加，從而增加土壤水分入滲速率[22]，其原因主要是生物炭容重遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于礦質(zhì)土壤，施入土壤具有一定的稀釋作用，降低土壤容重。如Laird等[23]研究表明，同空白處理土壤相比，施加生物炭顯著降低土壤容重；Eastman[24]在粉砂土壤上施用25 g/kg的生物炭，土壤容重從1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3，本研究結(jié)果與這些研究結(jié)果一致。生物炭的施用對(duì)微生物群落和土壤動(dòng)物的生命活動(dòng)有益處，使其活性增加[25]、團(tuán)聚性增強(qiáng)，促進(jìn)其新陳代謝，增加土壤的總孔隙度，從而使土壤結(jié)構(gòu)得到改善。相關(guān)研究表明，土壤容重、土壤總孔隙度和土壤飽和導(dǎo)水率存在密切的關(guān)系，有研究顯示，土壤總孔隙度與土壤飽和導(dǎo)水率存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[26]。主要是因?yàn)榭偪紫吨邪藢?dǎo)水孔隙，而導(dǎo)水孔隙的多少直接影響水分的入滲，也就顯著影響土壤飽和導(dǎo)水率。生物炭加入土壤后增加了土壤的孔隙度和表面積，使得土壤水分的滲濾模式、停留時(shí)間和流動(dòng)路徑發(fā)生改變[27]?；谑覂?nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)也表明，施用生物炭能顯著提高土壤的持水特性和土壤飽和導(dǎo)水率[23]。此外，生物炭施入土壤后土壤持水性能比未加入生物炭處理的至少增加18%[28]，表現(xiàn)出生物炭添加提高土壤水分含量，減少土壤水分蒸發(fā)。土壤緊實(shí)度作為一個(gè)重要的土壤物理參數(shù)，生物炭的應(yīng)用對(duì)土壤緊實(shí)度的影響存在差異，有研究認(rèn)為，生物炭具有稀釋作用，降低土壤容重的同時(shí)可以減小土壤緊實(shí)度[29]。本研究卻出現(xiàn)了不一致的結(jié)果，其原因可能是本研究所采用的生物炭是樹木枝干制造的，質(zhì)地堅(jiān)硬，且80%以上的生物炭粒徑在0.02～2 mm范圍內(nèi)，按照土壤顆粒分級(jí)系統(tǒng)分類屬砂質(zhì)，在金屬桿扎入土壤時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大阻力，最終導(dǎo)致土壤緊實(shí)度增大。Soane[29]研究指出，生物炭增加土壤緊實(shí)度，一種可能是，土壤團(tuán)聚體內(nèi)部和顆粒之間結(jié)合力作用的結(jié)果，生物炭中存在許多長鏈分子，對(duì)礦物顆粒有很好的約束力，通過這種作用可以增加土壤緊實(shí)度；另外一種可能是，摩擦力的作用結(jié)果，土壤顆粒與生物炭中的有機(jī)質(zhì)之間有一種涂層能增加顆粒之間的摩擦，從而增加土壤緊實(shí)度。

表4 不同處理冬小麥土壤儲(chǔ)存水和降雨水分利用效率Table 4 WUE and PUE of winter wheat under different treatments

黃土旱塬旱作農(nóng)業(yè)區(qū)降雨季節(jié)性分布不均，大部分降雨集中在7～9月[18]，恰逢冬小麥的夏閑期。在這個(gè)期間使用地膜覆蓋的目的是減少地表裸露，降低土壤蒸發(fā)，為冬小麥播種蓄水保墑。研究表明，長期地膜覆蓋，會(huì)降低土壤飽和導(dǎo)水率和孔隙度，影響土壤質(zhì)量，可能是地膜的主要材料以聚乙烯為主，屬于不易降解的有機(jī)物質(zhì)，長期覆蓋地膜，會(huì)導(dǎo)致地膜殘留在土壤中，阻塞土壤中的導(dǎo)水孔隙，降低土壤飽和導(dǎo)水率[11]。本試驗(yàn)也顯示，生育期地膜半覆蓋和夏閑期地膜半覆蓋均顯著降低了土壤飽和導(dǎo)水率。此外，耕層土壤緊實(shí)度在生育期地膜半覆蓋和夏閑期地膜半覆蓋處理下也有所增加，可能是地膜覆蓋增加了土壤溫度和水分，為冬小麥的生長創(chuàng)造了良好的水熱條件，促使冬小麥的根系生長，根系密度的增加使金屬探針在壓入土壤的過程中阻力增加，緊實(shí)度增大。盡管地膜覆蓋對(duì)土壤物理性狀改善有限，但是地膜覆蓋有增加冬小麥生長前期溫度和水分的作用，保證了冬小麥順利越冬，為返青后的快速生長創(chuàng)造良好的生存環(huán)境。此外，生育期地膜半覆蓋和夏閑期地膜半覆蓋可以顯著降低表層土壤蒸發(fā)[30]，提高水分利用效率，增加冬小麥產(chǎn)量。

此外，土壤緊實(shí)度在冬小麥拔節(jié)期測定，處于快速生長季節(jié)，增施鉀肥促進(jìn)根系的生長發(fā)育，使得耕層根系密度增加，進(jìn)而增加土壤緊實(shí)度的田間測量值。土壤容重和總孔隙度在冬小麥?zhǔn)斋@期測定，鉀肥施用增加了耕層冬小麥的根系生物量，此時(shí)冬小麥的根已逐漸死亡，且根系含水量大、密度小，測定土壤容重時(shí)小麥根系占據(jù)一部分空間，烘干土壤水分后容重降低，進(jìn)而使土壤總孔隙度增加。

3.2 不同耕作處理對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

不同肥料種類和用量對(duì)土壤養(yǎng)分含量有顯著影響，中國科學(xué)院草原生態(tài)系統(tǒng)定位站的試驗(yàn)研究表明，連續(xù)5年氮磷施肥顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤速效磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量也大幅度提高[31]，本試驗(yàn)結(jié)果與此研究結(jié)果一致。其原因可能是施用磷、鉀肥可以顯著提高土壤磷、鉀營養(yǎng)元素含量[32]，磷、鉀肥的施用增加了磷、鉀元素的輸入，促進(jìn)不同形態(tài)磷和鉀的轉(zhuǎn)化，均衡土壤養(yǎng)分[33]，本研究結(jié)果顯示在氮、磷肥的基礎(chǔ)上增施鉀肥可以顯著提高耕層土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、全磷、速效鉀的含量。

生物炭作為一種新型的外源功能材料，化學(xué)組成有C、H、O、N等元素，其中以C元素為主[13]，生物炭施用于土壤后，會(huì)顯著增加土壤中C元素含量，增加土壤中的有機(jī)碳，進(jìn)而提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量。生物炭的性質(zhì)穩(wěn)定，但在長期的環(huán)境條件作用下，生物炭可能會(huì)發(fā)生物理遷移或者某種途徑的分解或降解，并在土壤剖面上進(jìn)行重新分配[33–34]，但不會(huì)發(fā)生明顯的化學(xué)變化[35]。在適宜條件下，生物炭表面會(huì)形成一層保護(hù)殼，導(dǎo)致微生物對(duì)其的分解速度緩慢，可以認(rèn)為生物炭具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在土壤中的周轉(zhuǎn)過程可能長達(dá)百年或更久[36]，施入土壤后不會(huì)在短期內(nèi)發(fā)生大量分解，因此有機(jī)質(zhì)含量維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平。此外，生物炭施入土壤后會(huì)顯著提高土壤全磷、速效鉀含量，這和生物炭本身攜帶一定量的磷、鉀養(yǎng)分有關(guān)[13]；生物炭也會(huì)通過改善土壤理化性質(zhì)、微生物生境等對(duì)土壤磷素有效態(tài)轉(zhuǎn)化和固定態(tài)鉀的釋放產(chǎn)生一定的積極影響[37]；生物炭具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附性[37]，也能有效減少土壤中磷、鉀的淋溶損失。同時(shí)，鉀肥處理和生物炭處理均可以增加冬小麥的產(chǎn)量，冬小麥的地下部根系殘留量也會(huì)增加[38]，這也可能使土壤中有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)成分的含量增加。此外，生物炭本身呈現(xiàn)出堿性，加入土壤以后，土壤pH值將會(huì)發(fā)生變化，這與土壤的酸堿性有很大關(guān)系。大量研究表明，在酸性土壤中施用生物炭可以顯著提高土壤pH[39–41]，但是施用于堿性土壤后，對(duì)土壤pH沒有顯著影響[41]。本試驗(yàn)研究的土壤為弱堿性土壤，施加生物炭后土壤pH雖然有所降低，但是并未達(dá)到顯著水平。生育期地膜覆蓋有減少地表裸露、降低土壤水分蒸發(fā)、減緩?fù)寥罍囟茸兓?、抑制雜草生長等作用，還可以阻止水和風(fēng)對(duì)土壤的侵蝕，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤中有益微生物的數(shù)量，提高土壤酶的活性等[30]，增加了土壤微生物和動(dòng)物的分解，提高了養(yǎng)分利用效率，降低養(yǎng)分消耗，最終導(dǎo)致生育期地膜半覆蓋顯著提高了土壤中的有機(jī)質(zhì)、速效鉀，同時(shí)也降低了土壤pH。本試驗(yàn)研究與Li等[42]研究結(jié)果不一致，這可能與地膜覆蓋方式和覆蓋時(shí)間不同有關(guān)。本試驗(yàn)研究還顯示，夏閑期地膜半覆蓋顯著增加土壤中硝態(tài)氮、速效鉀含量，降低了銨態(tài)氮含量，降低土壤pH。相關(guān)研究認(rèn)為，地膜覆蓋能夠促進(jìn)土壤動(dòng)物和微生物的活動(dòng)，加快土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化和分解，將土壤中的養(yǎng)分由交換態(tài)轉(zhuǎn)化為速效態(tài)養(yǎng)分[14]，礦質(zhì)氮素在土壤中的含量受覆膜進(jìn)程的影響[7]，長時(shí)間地膜覆蓋能夠增加土壤中的硝態(tài)氮，并且阻礙硝態(tài)氮的淋溶轉(zhuǎn)移[43]。

3.3 不同耕作措施對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

長期連續(xù)不施肥處理，土壤養(yǎng)分逐漸被消耗且得不到補(bǔ)充，使土壤肥力下降，冬小麥生長受阻，導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量處于較低水平。施氮磷肥處理向土壤中施加了氮肥和磷肥，增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量，提高冬小麥的籽粒產(chǎn)量[44]，本試驗(yàn)在黑壚土上也得出施氮磷肥處理顯著增加冬小麥籽粒產(chǎn)量的結(jié)果。此外，本試驗(yàn)研究表明，生物炭處理可以增加冬小麥的產(chǎn)量，原因在前文已經(jīng)述及，生物炭添加改善了土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而提高冬小麥的產(chǎn)量。地膜覆蓋提高了水分利用效率和降水利用效率，并增加了土壤中的養(yǎng)分含量，提升了冬小麥的籽粒產(chǎn)量。盡管夏閑期覆蓋的土壤養(yǎng)分含量高于生育期覆蓋，但夏閑期地膜半覆蓋增加了土壤的緊實(shí)度，阻礙了根系的生長，影響根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用；飽和導(dǎo)水率降低，阻礙了水分的補(bǔ)給，因而并沒有顯著提高冬小麥籽粒產(chǎn)量。

結(jié)合產(chǎn)投比的影響，其中增施鉀肥處理與生育期地膜半覆蓋處理產(chǎn)投比最高，適合渭北旱塬冬小麥種植采用；生物炭處理產(chǎn)投比最小，原因是生物炭生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且用量大，達(dá)14 t/hm2；盡管生物炭可以顯著改善土壤理化性質(zhì)，提高冬小麥產(chǎn)量，但考慮到產(chǎn)投比，生物炭不宜大規(guī)模在基本農(nóng)田推廣施用，可以應(yīng)用于 “治溝造地”等土地整治工程。此外，生物炭作為一種碳減排劑，在增加土壤碳庫、減排溫室氣體、改善土壤質(zhì)量及環(huán)境修復(fù)等方面均具有潛在功效，而且生物炭技術(shù)可以通過增加碳截留以應(yīng)對(duì)全球氣候變化[45]。

4 結(jié)論

長期傳統(tǒng)耕作并施用氮磷化肥降低耕層土壤緊實(shí)度，顯著提高土壤的飽和導(dǎo)水率，增加土壤中各養(yǎng)分的含量，改善土壤理化性質(zhì)，顯著提高冬小麥的產(chǎn)量。

在氮磷肥配施的基礎(chǔ)上增施生物炭，顯著降低耕層土壤容重、增加飽和導(dǎo)水率，改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)，提高冬小麥的產(chǎn)量，但其經(jīng)濟(jì)投入較高。

在氮磷肥配施的基礎(chǔ)上，增施鉀肥可以降低耕層土壤容重，提高水分利用效率，改善土壤化學(xué)性質(zhì)，提高冬小麥產(chǎn)量。在氮磷肥配施的基礎(chǔ)上，生育期地膜半覆蓋，提高水分利用效率，增加耕層土壤養(yǎng)分，提高冬小麥產(chǎn)量。這兩種處理產(chǎn)投比較高，收益增加，是適宜黃土塬區(qū)的冬小麥新型增產(chǎn)模式。

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Effects of fertilization and film mulching on soil physical and chemical properties and winter wheat yield on the Loess Plateau

FU Wei1, FAN Jun1,2, HU Yu-tong3, ZHAO Jing3, HAO Ming-de1,3*
(1 College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China;2 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling, Shaanxi 712100, China;
3 Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China)

【Objectives】This study aimed to investigate the effects of different agricultural measures on increasing winter wheat yields and the physical and chemical properties of shallow soil, which would provide support for the selection of suitable measures for sustainable development in the Loess Plateau.【Methods】A winter wheat field experiment since 2002, located in Weibei dryland, was used to in this study. Six treatmentswere chosen, no fertilization control (CK), nitrogen and phosphate fertilization (NP), nitrogen and phosphate and potash fertilization (NPK), nitrogen and phosphate plus biochar addition (NPB), nitrogen and phosphate and half plastic-film mulching over the growth period (NPFG), nitrogen and phosphate and half plastic-film mulching over the summer fallow period (NPFF). Plough after harvest and before sowing of winter wheat was performed in all the six treatments. The physical and chemical properties and agronomic indexes of winter wheat in different treatments were investigated.【Results】Compared with CK, NP could significantly improve the saturated hydraulic conductivity(Ks) of the shallow soil layer, reduce the soil compaction in 0–7.5 cm, significantly increase the water consumption of winter wheat growth period, improve the water use efficiency and precipitation utilization efficiency; at the same time, the contents of organic matter, total nitrogen, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, total phosphorus and available phosphorus in shallow soil were significantly increased, which increased the yields of winter wheat significantly. Compared with NP, total porosity of NPK in harvest stage were increased, and water use efficiency was increased significantly. At the same time, NPK improved soil total nitrogen and organic matter contents, and increased leaf area index of winter wheat significantly. Eventually the average yield of winter wheat was about 4500 kg/hm2in recent 3 years. Compared with NP, NPB reduced soil bulk density significantly (1.16 g/cm3), while increased soil porosity which caused that theKs was 0.049 cm/min, and improved water use efficiency. The contents of soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus and available phosphorus were increased, on the contrary, soil pH was decreased,which leading to increase of winter wheat yield. Compared with NP, NPFG and NPFF reduced the saturated hydraulic conductivity of the shallow soil layer significantly, increased soil compaction and water use efficiency of wheat, increased the contents of organic matter, ammonium nitrogen and available potassium, and reduced soil total phosphorus and pH. Removing the year of hail disaster, the yields of winter wheat maintained at 4700–4800 kg/hm2.【Conclusions】Long-term conventional tillage and nitrogen and phosphorus fertilization significantly increase the yields of winter wheat, but result in decrease of soil pH. Based on the combined application of N and P, the application of biochar could significantly improve soil physical and chemical properties and increase the yields of winter wheat, however, its economic input is high. Combined application of potash, and half mulched the soil with plastic-film over the growth period would improve the soil nutrient status in the shallow layer, and increase economic benefits to a certain extent, which is thought to be suitable measure for winter wheat in the Loess Plateau.

Loess Plateau; yield; soil compactness; saturated hydraulic conductivity; water use efficiency

2016–12–30 接受日期：2017–06–03

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD22B01）；西北農(nóng)林科技大學(xué)科技成果推廣項(xiàng)目（TGZX2015-24）；寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)科研推廣項(xiàng)目（NTKJ-2013-03-1）資助。

付威（1993—），男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事土壤水分與養(yǎng)分循環(huán)研究。E-mail：weifuu0518@163.com

* 通信作者 E-mail：mdhao@ms.iswc.ac.cn