培肥模式對旱作全膜雙壟溝播玉米生長及土壤呼吸的影響

謝軍紅,王進斌,李玲玲,周永杰,王林林,齊 鵬

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學農學院,甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,甘肅 蘭州 730070)

黃土高原旱農區(qū)水熱資源不足、土壤肥力瘠薄、水土流失嚴重[1-2]，生產生態(tài)面臨著嚴重壓力。全膜雙壟溝播種植模式集成溝壟作集雨栽培、地膜覆蓋增溫保墑于一體，該技術的應用有效地克服了玉米種植的水熱限制，發(fā)揮了明顯的增產和提高水分利用效率的作用[3-4]。受高產利益的刺激，生產中存在重施化肥(尤其是氮肥)、不施有機肥現象，造成了土壤板結，有機質含量、土壤肥力、氮肥利用率降低[5-6]，同時，過量施氮引起諸如硝態(tài)氮淋溶[7]、NH3揮發(fā)[8]與碳排放[9]等一系列環(huán)境問題，不利于全膜雙壟溝播玉米可持續(xù)生產。因此，通過優(yōu)化培肥模式提升土壤肥力水平來維持或提高全膜雙壟溝播玉米可持續(xù)生產能力的研究具有重要意義。

土壤培肥是提高耕地可持續(xù)生產能力的主要措施。研究發(fā)現，以增加土壤有機質為主要目標的秸稈還田[10]、有機肥施用[11]、有機無機結合[12]等措施能增加土壤有機質和土壤肥力，提高了作物產量和水分利用效率。然而，喬云發(fā)等[13]發(fā)現，施用有機肥雖能增加農田土壤有機碳含量，但有機肥的增加為土壤微生物呼吸提供底物，同時加強作物根系呼吸，進而增加了土壤CO2的排放。CO2是最主要的一種溫室氣體，其微小改變直接影響全球碳平衡，從而加劇或減緩全球氣候變暖。如何保證在穩(wěn)增產水平下實現土壤固碳減排成為旱作全膜雙壟溝播玉米可持續(xù)生產中主要的科學問題。

土壤呼吸是一個復雜的生物和化學過程，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，農田生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸易受耕作[14]、施肥[15]、灌溉[16]、覆蓋[17]等非生物因素的影響，還與作物類型、生長過程、微生物活動等生物因素密切相關[18]。然而，土壤培肥對于產量、碳排放影響的研究以及土壤培肥措施下作物生長與土壤呼吸的相互關系研究在全膜雙壟溝播玉米生產體系中研究相對不足。因此，本試驗研究了不同培肥模式對黃土高原半干旱區(qū)全膜雙壟溝播玉米生長及土壤呼吸的影響，以期挖掘既能維持一定生產力水平又能降低碳排放的全膜雙壟溝播玉米培肥模式，明晰覆膜溝壟種植條件下玉米生長與土壤呼吸速率、碳排放的關系，為旱作農田養(yǎng)分管理與土壤碳排放理論提供技術理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究于2018年在甘肅省定西市安定區(qū)的甘肅農業(yè)大學旱農綜合實驗站進行，研究所依托田間定位試驗始于2012年。試驗區(qū)平均海拔2 000 m，年無霜期140 d，屬中溫帶半干旱偏旱區(qū)，多年平均日照時數2 476 h，太陽輻射量為593 kJ·cm-2；年均氣溫6.4℃，≥0℃積溫為2 933.5℃，≥10℃積溫為2 239.1℃,多年平均降水量為390.9 mm，80%保證率的降水量為365 mm，年蒸發(fā)量達到1 531 mm，屬典型的半干旱雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，試區(qū)土壤為黃綿土，土質疏松，質地均勻，貯水性良好；凋萎含水率7.3%，飽和含水率28.6%，pH值約為8.36，土壤有機質含量12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1。2018年降雨量為472.1 mm(圖1)，玉米生長季降雨量為377.6 mm。

圖1 試驗區(qū)2018年降雨量Fig.1 Daily rainfall in the study area in 2018

1.2 試驗設計

以全膜雙壟溝播玉米為研究對象，采用單因素隨機區(qū)組排列，以不施肥(CK)為對照，設計3個等氮(200 kg·hm-2)的培肥模式，即單施化肥(N: 純N 200 kg·hm-2)、商品有機肥配施化肥(NM: 3.03 t·hm-2有機肥+100 kg·hm-2純N)和單施商品有機肥(M: 6.06 t·hm-2)，共 4個處理，3次重復，12個小區(qū)，小區(qū)面積為42.9 m2(13 m×3.3 m)。參試玉米品種為先玉335，各處理播種量均為5.25萬株·hm-2，玉米于2018年4月30日用點播器進行播種，10月15日收獲，為保證出苗率，每穴播種2粒玉米，在玉米出苗后，及時補苗、間苗。作物生長期間，人工除草，其它管理措施同大田管理。本試驗所用化學氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O516%)。所用商品有機肥含氮、磷、鉀和有機質含量分別為3.3%、1.0%、0.7%和45%。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質積累量 分別在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期和成熟期每小區(qū)取樣3株，105℃烘箱殺青30 min，然后80℃烘干至恒量，最后計算單株玉米干物質積累量(g·株-1) 。

1.3.2 玉米生長率(CGR) 玉米生長率為單位時間內單株玉米所增加的干物質重量(g·株-1·d-1)。

式中,W2-W1表示一段時間內每株玉米植株干重的凈增長數量，t2-t1為2次測定時期的間隔天數。

1.3.3 葉面積指數(LAI) 分別在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期和成熟期每個小區(qū)取樣3株，用直尺測量每株各葉片葉長(Lij)和最大葉寬(Bij)，計算葉面積指數。

式中，n為j株的總葉片數，m為測定株數，ρ為種植密度，0.75為校正系數。

1.3.4 玉米凈同化率(NAR) 玉米凈同化率為某一段時間內單位葉面積干物質的增長量(g·m-2·d-1)。

式中,W1、W2為第t1和t2天玉米的干物質重，L1和L2分別為第t1和t2天的葉面積。

1.3.5 土壤呼吸速率 在玉米生長期內，選擇晴朗或少云天氣，用LI-8100開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)(LI-COR Inc, Lincoln，NE，USA)進行田間土壤呼吸速率測定。于播種后(5月3日)開始第一次測定，每隔15 d左右測定一次，10月16日最后一次測定。為減少對土壤表層的干擾，土壤呼吸室放置在測定基座(內徑20 cm、高11.5 cm的PVC圈)上，PVC圈嵌入玉米行間，露出土壤表面2 cm。在每次測定的前一天，去除基座內土壤表層的一切活體、掉落物以及揭出PVC圈內的薄膜于圈外，將膜內積累的CO2排除，待測定結束后，蓋好薄膜，在整個觀測過程中PVC圈埋設位置保持不變，并且定期去除圈內雜草。為了減少安置測定基座對土壤系統(tǒng)的破壞，在測定基座安置24 h 后進行第一次測定。

1.3.6 土壤碳排放量 根據土壤呼吸速率及測定時間，計算整個生育期的土壤碳排放量CE(kg C·hm-2)。

×0.2727×10

式中,R為作物生長季土壤呼吸速率(μmol ·m-2·s-1)，i+1和i是前后兩次采樣時間，t為播種后的天數。0.1584是將μmolCO2·m-2·s-1轉化為g CO2·m-2·h-1的系數，0.2727是將gCO2·m-2·h-1轉化為g C·m-2·h-1的系數，24和10是將碳排放單位由g C·m-2·h-1轉化為kgC·hm-2·d-1的系數。

1.3.7 碳排放效率

式中，Y為作物籽粒產量，CE為土壤碳排放量，CEE為每釋放1 kg碳所產生的籽粒產量(kg·kg-1)。

1.4 數據分析

采用Excel 2016進行數據整理與作圖，用SPSS 19.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 培肥模式對旱作全膜雙壟溝播玉米生長的影響

2.1.1 對玉米干物質積累的影響 不同培肥模式下玉米的干物質積累量如表1。隨著玉米生育時期的推進，干物質積累量呈增大趨勢，單施化肥和商品有機肥配施化肥能顯著增加玉米干物質積累量。拔節(jié)期商品有機肥配施化肥處理較對照增加53.8%，其余處理間無顯著差異；在大喇叭口期、灌漿期和成熟期，單施化肥和商品有機肥配施化肥處理的干物質積累量顯著高于對照，分別較對照增加154.1%、245.9%、193.8%和 162.8%、214.7%、160.4%，單施有機肥處理各生育時期與對照無顯著差異。

表1 不同培肥模式對玉米各生育時期干物質積累量的影響/(g·株-1)

注：不同字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著，下同。

Note: Different letters indicate significant differences among treatments atP<0.05 level. CK-no fertilizer; N-chemical fertilizer; NM-combined chemical fertilizer with commercial organic fertilizer; M-commercial fertilizer. The same below.

2.1.2 對玉米葉面積指數的影響 由圖2可知，玉米生長期葉面積指數表現為先增大后降低趨勢，在灌漿期達到最大，單施化肥和商品有機肥配施化肥能提高玉米葉面積指數。拔節(jié)期所有處理下葉面積指數無顯著差異，大喇叭口期、灌漿期和成熟期處理間葉面積指數的大小均為單施化肥>商品有機肥配施化肥>單施商品有機肥>對照，其中單施化肥和商品有機肥配施化肥處理顯著高于對照，單施有機肥與對照、單施化肥與商品有機肥配施化肥處理間無顯著差異。

2.1.3 對玉米生長率與凈同化率的影響 表2為玉米各生長階段的生長率。隨著玉米生長進程的推進，玉米生長率表現為先增大后減小趨勢，大喇叭口期到灌漿期的積累速率最大，全生育期的干物質積累速率均為單施化肥和商品有機肥配施化肥處理顯著高于對照，單施有機肥與對照無差異，單施化肥和商品有機肥配施化肥處理下的平均積累速率較對照分別增大231.8%和195.5%。

圖2 不同培肥模式下玉米葉面積指數的變化Fig.2 Changes in leaf area index of maize under different fertilization treatments

表2 不同培肥模式對玉米各生長階段生長率的影響/(g·株-1·d-1)

單施化肥和商品有機肥配施化肥可以顯著提高玉米生長后期的凈同化率(表3)。拔節(jié)期～大喇叭口期各處理間無顯著差異，與對照相比，單施化肥和商品有機肥配施化肥處理在大喇叭口期～灌漿期和灌漿期～成熟期的凈同化率分別增加了40.89%、78.66%和58.22%、80.15%，單施化肥和商品有機肥配施化肥處理間無顯著差異。

表3 不同培肥模式下玉米各生長階段凈同化率的變化/(g·m-2·d-1)

2.2 培肥模式對旱作全膜雙壟溝播玉米農田土壤呼吸及碳排放的影響

2.2.1 對土壤呼吸速率的影響 不同培肥模式下玉米生長期呼吸速率變化規(guī)律基本一致，隨生育時期的推進表現為先升高后降低趨勢，開花期(7月25日)是土壤呼吸速率的高峰期，達5.38 μmol·m-2·s-1(圖3)。在玉米整個生長期內各處理下的平均土壤呼吸速率表現為商品有機肥配施化肥(3.42 μmol·m-2·s-1) >單施化肥(3.25 μmol·m-2·s-1) >單施有機肥(2.67 μmol·m-2·s-1) >對照(2.42 μmol·m-2·s-1)，商品有機肥配施化肥、單施化肥和單施有機肥下的呼吸速率較對照分別增加41.1%、31.0%、10.2%。

2.2.2 對土壤碳排放量與碳排放效率的影響 由表4可知，培肥模式對玉米籽粒產量、碳排放總量及碳排放效率有顯著影響。單施化肥、商品有機肥配施化肥和單施商品有機肥下的玉米籽粒產量顯著高于對照，較對照分別增加151.4%、121.2%和43.3%；碳排放總量變化范圍為4 502.9～6 390.4 kg·hm-2，各處理下表現為：商品有機肥配施化肥>單施化肥>單施商品有機肥>對照。與對照相比，商品有機肥配施化肥、單施化肥和單施商品有機肥處理碳排放總量分別增加41.9%、31.9%和10.9%；單施化肥和商品有機肥配施化肥處理的碳排放效率較對照提高92.9%和54.5%，說明土壤培肥在增加土壤碳排放量的同時大幅增加了玉米產量，提高了碳排放效率。

圖3 不同培肥模式下玉米田土壤呼吸速率的變化Fig.3 Soil respiration of maize field under different fertilization treatments

表4 不同培肥模式下玉米田土壤碳排放效率的變化

2.3 不同培肥模式下土壤呼吸速率與玉米生長的關系

由表5可知，不同培肥處理下土壤呼吸速率與干物質積累速率呈極顯著或顯著線性正相關關系。其中，商品有機肥配施化肥處理的相關系數最高，其次為單施商品有機肥，單施化肥、對照較低。單施化肥、商品有機肥配施化肥、單施商品有機肥和對照下干物質積累速率分別解釋土壤呼吸速率變化的43.59%、60.34%、47.49%和42.14%，說明玉米生長對土壤呼吸速率有重要影響。土壤碳排放量與干物質積累量、生長速率、葉面積指數和凈同化率相關分析(表6)表明，不同培肥模式下土壤碳排量與玉米干物質積累量(r=0.690**)、生長速率(r=0.701**)、葉面積指數(r=0.697**)和凈同化率(r=0.765**)均達到極顯著水平。

表5 不同培肥處理下土壤呼吸速率與玉米生長速率的關系

注：* 表示P<0.05水平上顯著相關；**表示P<0.01水平上顯著相關，下同。

Note: * indicates significant correlation atP<0.05; ** indicates significant correlation atP<0.01. The same below.

表6 土壤碳排放量與干物質積累量、生長速率、葉面積指數和凈同化率的相關性

3 討 論

氮素是作物生長發(fā)育的必須營養(yǎng)元素之一，在農田生態(tài)系統(tǒng)中，施用氮肥、有機肥、生物固氮等是增加氮素的主要措施。大量研究表明，施用有機肥能增加土壤有機質和土壤肥力水平，有機無機配施能提高土壤微生物生物量和土壤養(yǎng)分的供應強度[19]，有利于土壤培肥和作物增產。其主要原因是，合理的有機無機配施通過有機肥的作用刺激了土壤微生物活動，改善了土壤養(yǎng)分釋放的過程[20]，增加了作物的抗旱性，促進光合同化物的積累，提高收獲指數、增加籽粒產量。本研究中，商品有機肥配施化肥處理玉米籽粒產量與單施化肥的增產作用相當，而單施商品有機肥玉米的籽粒產量較單施化肥表現為減產。說明不同肥料投入對全膜雙壟溝播玉米產量有不同的影響。鑒于黃土高原半干旱區(qū)區(qū)域糧食安全與土壤肥力提升的同等地位，合理的有機無機配施有利于培肥地力、提高作物產量[21],因此，建議全膜雙壟溝播玉米中采用商品有機肥配施化肥的施肥方式。

土壤碳排放效率的高低取決于籽粒產量和土壤碳排放量相互作用的結果，能較好地反映田間生態(tài)系統(tǒng)的經濟效益和環(huán)境效益[22]。本研究中，單施化肥和商品有機肥配施化肥下的碳排放量、碳排放效率均高于對照，但與單施化肥處理差異不顯著，其主要原因是商品有機肥配施氮肥在增加碳排放量的同時，增加了玉米地上、地下部分的碳積累，提高了作物產量，進而提高了碳排放效率。

土壤呼吸速率表現出明顯的季節(jié)變化，隨著玉米生育時期的推進，土壤呼吸速率均表現為先增大后減小趨勢，在開花期達到峰值，這與Han等[23]研究結果基本相同；肥料的種類以及施肥措施是影響土壤呼吸的重要因素[24]。同時，長期土壤培肥造成作物生長的差異，進而使得作物生長季的土壤呼吸速率及碳排放總量出現明顯差異[25]。研究表明，作物地上部分和地下部分生物量的分布情況對土壤呼吸起著重要作用，且作物地上部分干物質積累與土壤呼吸呈正相關關系[26]。本試驗中，單施化肥和商品有機肥配施化肥顯著增加了玉米干物質積累量和生長率，影響了土壤呼吸速率和碳排放量，其原因主要是單施化肥和商品有機肥配施化肥處理滿足玉米生長對養(yǎng)分需求，增加葉面積指數、干物質積累[27-28]的同時增大了玉米根系呼吸[29]。有機肥與氮肥配合施用促進土壤及加入有機肥中的有機質的礦化[30]也是商品有機肥配施化肥具有較高土壤呼吸速率和碳排放總量的主要原因。本研究中，單施化肥和商品有機肥配施化肥處理顯著增大了玉米各時期的葉面積指數和凈同化率，土壤碳排放總量與玉米干物質積累、生長速率、葉面積指數及凈同化率均呈極顯著正相關關系。

4 結 論

1)旱作全膜雙壟溝播玉米農田土壤呼吸速率隨著玉米生育時期的推進，呈先增大后減小的趨勢，開花期是峰值期；土壤碳排放總量與玉米干物質積累量、生長率、葉面積指數及凈同化率均呈極顯著正相關關系。

2)純N 200 kg·hm-2的施氮水平下，商品有機肥配施氮肥使旱作全膜雙壟溝播玉米具有與單施化肥同等的產量、碳排放和碳排放效率。

綜上所述，在純N 200 kg·hm-2的施氮水平下，商品有機肥配施化肥(本研究中有機氮與無機氮的配比為1∶1)較單施化肥具有同等的產量、碳排放量和碳排放效率，建議在生產中應用。