西北黄土高原半干旱区长期受干旱胁迫、春季低温及降水与农作物需求错位的影响，作物产量低而不稳^[1-2]。实践证明，地膜覆盖能充分接纳雨水，强化雨水的田间保蓄，发挥土壤水库的调配作用，有效减少土壤水分蒸发，并能收集无效降雨化为有效应用，可明显改善旱地作物的生长发育状况，提高降水利用效率和作物产量^[3-6]。我国旱地马铃薯地膜覆盖栽培从 20 世纪 90 年代中期迅速掀起，历经了 20 多年的半覆盖栽培阶段。近几年，甘肃省提出了马铃薯全膜覆盖垄播技术，并在干旱半干旱地区大面积推广应用^[7-8]，推动了马铃薯地膜覆盖栽培进入全覆盖时代。

土壤有机碳是耕地土壤肥力的重要组成部分，是土壤质量和功能的核心^[9]。国内外研究表明，影响土壤肥力的关键因子是土壤碳素，任何土壤质量的变化都与土壤碳素数量和质量的变化休戚相关^[10-11]。近 30 年来，许多学者在长期试验区域研究了不同管理措施对土壤有机碳含量及其稳定性的影响，长期施肥显著提高了土壤有机碳含量，化肥配施有机肥效果优于单施化肥，且不同土壤质地条件下，施用有机肥和化肥对有机碳及矿物结合态组分的影响程度存在显著差异^[12-13]。本研究是以甘肃定西黄绵土土壤肥力与肥料效益长期定位监测试验为平台，探究长期施用化肥、有机肥以及地膜覆盖对旱地马铃薯产量及其水分利用和土壤有机碳的影响，以期为旱作覆盖农业作物高产、资源高效利用，实现旱地农业可持续发展和土壤碳库固定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验设在甘肃省农业科学院国家土壤质量安定观测试验站（104°36′E，35°35′N），该区平均海拔 1970 m，年平均气温 6.2℃，≥ 10℃的活动积温 2075.1℃，年均降水量 415 mm，年蒸发量 1531 mm，无霜期 146～149 d，为典型西北黄土丘陵半干旱区。试验始于 2015 年 4 月，土壤母质为黄土性物质，属黄绵土。试验开始时耕层土壤理化性质为：有机碳 10.62 g·kg^-1、全氮 0.78 g·kg^-1、硝态氮 22.13 mg·kg^-1、铵态氮 5.38 mg·kg^-1、有效磷 10.12 mg·kg^-1、速效钾 163.8 mg·kg^-1、pH 8.32。 0～100 cm 土层平均土壤容重 1.27 g·cm^-3。试验区降水量见表1，降水量主要集中在 5—9 月，占全年降水量的 77%，其中 2015 和 2016 年马铃薯全生育期降水 253.2 和 247.0 mm，为欠水年；2017 年马铃薯全生育期降水 335.0 mm，为正常平水年；2018、 2019 年马铃薯全生育期降水 416.2、440 mm，均高于往年同期，为丰水年。

1.2 试验设计

试验以马铃薯（Solanum tuberosum）为研究材料，品种为“陇薯 10 号”。采用覆盖方式和施肥双因素随机区组设计，覆盖方式设不覆膜（露地平作，以 NF 表示）和地膜覆盖（全膜覆盖垄播，用 FM 表示）2 个水平，每个覆盖方式下设 4 个施肥水平：（1）对照（CK，不施肥，但种植作物）、（2） 单施氮磷钾（NPK）、（3）单施有机肥（OM）、（4） 氮磷钾 + 有机肥（NPKM）。小区面积为 20 m²，3 次重复。全膜覆盖垄播种植方式^[6]为全地面覆膜，起单垄，垄宽 60 cm，高 15 cm，沟宽 40 cm，马铃薯种植在垄的两侧；裸地平作地面不覆膜不起垄，马铃薯直接点播。氮、磷、钾养分施用量分别为 N 180 kg·hm^-2、P₂O₅ 90 kg·hm^-2、K₂O 60 kg·hm^-2，有机肥为纯羊粪，用量为 45 t·hm^-2（干重），所有肥料于覆膜播前一次性施入。试验采用马铃薯连作种植，马铃薯每年 4 月下旬播种，10 月上旬收获，田间管理措施与当地一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤有机碳和微生物量碳及有机碳储量测定

2019 年 10 月 18 日马铃薯收获后在田间取样，每一试验小区按照“S”形多点取样法采集耕层 0～20 cm 原状土样混合，装入硬质塑料盒带回实验室以备测试。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定^[14]，土壤微生物量碳采用 K₂SO₄-氯仿熏蒸法测定^[15]。土壤有机碳储量（SOCR）通过计算土壤碳密度（SOCD）求得。SOCD=SOC×b× d/10，SOCR=S×SOCD；式中，SOC 为土壤有机碳含量（g·kg^-1），d 为土层厚度（20 cm），b 为该土层土壤容重（g·cm^-3），S 为计算面积（取 1 hm²），计算过程中没有考虑土壤中直径 >2 mm 的砂砾石含量。

1.3.2 水分利用效率测定^[6]

采用土钻烘干法，在马铃薯播前、收获期沿马铃薯种植行任意两株间 0～100 cm 土层（每 20 cm 为 1 个层次）取样，测定土壤水分含量。土壤贮水量 SWS（mm）=W_S×b×d，W_S 为土壤重量含水量，b 为土壤容重，d 为土壤深度；水分利用效率 WUE=Y/ET，Y 为马铃薯单位面积鲜薯产量 （kg·hm^-2），ET 为马铃薯生育期耗水量（mm）；ET= SWS_BF+P-SWS_HA，SWS_BF 为播前土壤贮水量（mm）， P 为马铃薯生育期降水量（mm），SWS_HA 为收获后土壤贮水量（mm）。

1.4 数据处理

采用 Excel 2007 计算并作图，DPS 9.50 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 覆膜与施肥对马铃薯产量的影响

由表2 可知，在不同降水年份，地膜覆盖对旱地马铃薯产量的影响表现不同，其中 2015— 2017 欠水和正常平水年份，马铃薯产量受地膜覆盖因素的影响达到了极显著水平（P<0.01），FM 较 NF 处理马铃薯产量分别显著提高了 39.60%、 76.03%、53.75%。在 2018—2019 丰水年份下，马铃薯产量受地膜覆盖因素的影响不明显，FM 与 NF 处理差异不显著。在不同降水年份下，马铃薯产量受施肥因素的影响均达到显著水平，NPKM 处理马铃薯产量最高，CK 处理最低。在定位施肥前两年（2015—2016 年）马铃薯产量表现为 NPKM>NPK>OM>CK，且差异显著，NPKM 较 NPK、 OM、CK 处理分别增加 7.28%～7.86%、14.35%～17.19%、26.24%～58.42%，NPK 较 OM、CK 处理分别增加 7.51%～8.65%、17.04%～50.58%， OM 较 CK 处理分别增加 7.73%～38.54%；定位施肥第 3 年（2017 年），施肥处理较 CK 马铃薯产量均有不同程度增加，NPK 与 OM 处理无差异；在定位施肥第 4 年（2018 年）和第 5 年（2019 年），不同施肥处理均表现为 NPKM>OM>NPK>CK， NPKM 与 OM 处理均显著高于 NPK 和 CK，其中 NPKM 较 NPK 和 CK 处理马铃薯产量分别显著增加了 11.99%～17.41% 和 29.50%～68.98%，OM 较 NPK 和 CK 处理分别增加了 7.83%～10.97% 和 28.32%～57.63%，NPKM 与 OM 处理差异不明显。上述结果表明，在西北半干旱区，在欠水年和正常平水年份，地膜覆盖可显著提高马铃薯产量，而丰水年份效果不明显。马铃薯产量受施肥因素影响效果明显，施肥初期（前 2 年）单施化肥马铃薯增产效果优于单施有机肥，而长期（第 4、第 5 年）施用有机肥的效果明显好于化肥。

注：同行或同列数据后不同大、小写字母分别表示处理间差异达 1% 和 5% 显著水平。下同。

2.2 覆膜与施肥对马铃薯水分利用效率的影响

由图1 可知，在不同降水年份，地膜覆盖对旱地马铃薯水分利用效率的影响表现不同，其中 2015— 2017 欠水与正常平水年份，FM 较 NF 处理水分利用效率分别显著提高了 34.35%、84.53%、45.38%，而在 2018—2019 丰水年份下，FM 与 NF 处理水分利用效率无差异。在不同降水年份，不同施肥处理对水分利用效率的影响与产量变化基本一致。在定位施肥前两年（2015—2016 年），水分利用效率表现为 NPKM>NPK>OM>CK，且差异显著，NPKM 较 NPK、 OM、CK 处理分别平均提高了 7.80%～8.86%、 15.05%～16.64%、22.34%～52.97%，NPK 较 OM 处理平均提高了 6.73%～7.15%；定位施肥第 3 年（2017 年），施肥处理水分利用效率较对照 CK 显著提高，NPK 与 OM 处理无差异；定位施肥第 4 年（2018 年），NPKM、OM 较 NPK 处理水分利用效率分别显著提高了 14.88%、16.28%，较 CK 处理显著提高了 33.44%、35.06%；定位施肥第 5 年 （2019 年），NPKM、OM 较 NPK 处理水分利用效率提高了 20.43%、14.90%，但差异不显著，较 CK处理显著提高了 59.50%、52.17%，NPKM 与 OM 处理无显著差异。上述结果表明，在西北半干旱区，在欠水年和正常平水年份，地膜覆盖可显著提高马铃薯水分利用效率，而丰水年份效果不明显。马铃薯水分利用效率受施肥因素影响明显，施肥初期 （前 2 年）单施化肥效果优于单施有机肥，第 3 年两者无差异，而长期（第 4、第 5 年）施用有机肥的效果好于化肥，这与产量结果变化规律一致。

注：柱上不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著（P<0.05）。

2.3 覆膜与施肥对 0～20 cm 土壤有机碳的影响

由表3 可知，在西北黄土丘陵半干旱区和黄绵土条件下，连续 5 年马铃薯定位试验，耕层 0～20 cm 土壤有机碳含量受施肥因素的影响达到了极显著水平（P<0.01），而受地膜覆盖的影响不显著，且两者互作效应不显著。不同施肥处理 0～20 cm 土壤有机碳含量表现为 NPKM 处理最高，其次是 OM 处理，NPKM 和 OM 显著高于 NPK、CK 处理。其中 NPKM 较 OM、NPK、CK 处理分别显著提高了 7.17%、77.35%、81.85%，OM 较 NPK 和 CK 处理分别显著提高了 69.65% 和 65.44%，NPK 与 CK 无差异。FM 与 NF 处理无差异。结果表明，在西北半干旱区，连续 5 年种植马铃薯条件下，有机肥与化肥配施和单施有机肥较单施化肥可显著增加 0～20 cm 土壤有机碳含量，而地膜覆盖与单施化肥对耕层土壤有机碳含量影响不明显。

由图2 可知，无论是 FM 还是 NF 条件下，不同施肥处理对耕层土壤有机碳储量的影响均表现为 NPKM 处理最高，其次是 OM 处理，NPK 与 CK 处理无差异。在 NF 方式下，NPKM 较 NPK、CK 处理分别显著增加了 76.55%、79.33%，OM 较 NPK、CK 处理分别显著增加了 63.31%、65.87%，NPKM 较 OM 处理显著提高了 8.12%。在 FM 方式下，NPKM 较 NPK 和 CK 处理分别显著增加了 70.68% 和 75.20%，OM 较 NPK、CK 处理分别显著增加了 62.09%、66.38%， NPKM 较 M 处理提高了 5.29%。FM 与 NF 处理无差异。结果表明，与单施化肥和不施肥相比，有机肥与化肥配施和单施有机肥可显著提高耕层土壤有机碳储量，有利于促进农田土壤固碳，而覆膜影响不明显。

注：柱上不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

2.4 覆膜与施肥对 0～20 cm 土壤微生物量碳的影响

由表4 可知，微生物量碳受地膜覆盖的影响达到了显著水平（P<0.05），受施肥因素的影响达到了极显著水平（P<0.01），而两者互作效应不显著。不同施肥处理对 0～20 cm 土壤微生物量碳的影响表现为 NPKM>OM>NPK>CK，且各处理间差异显著，NPKM 较 OM、NPK、CK 处理分别显著提高了 9.24%、43.99%、82.17%，OM 较 NPK、CK 处理分别显著提高了 31.82%、66.77%，NPK 较 CK 处理显著提高了 26.51%。FM 较 NF 处理微生物量碳显著提高了 9.09%。上述结果表明，在西北黄土丘陵区连续 6 年种植马铃薯条件下，长期地膜覆盖和施肥（化肥、有机肥）均可显著提高旱地黄绵土 0～20 cm 土壤微生物量碳含量，且化肥配施有机肥（NPKM）效果最好，单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）效果明显。

3 讨论

土壤有机碳是反映土壤质量和生产力的重要指标，其含量影响土壤肥力^[16]。土壤微生物量碳在土壤有机碳中所占比例小，但其具有在土壤中移动快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化的特点，因而对土壤质量和生产力的反应更为敏感，所以能够作为反映不同管理措施对土壤有机碳影响的重要指标。大量研究表明，长期施肥对土壤有机碳及活性组分有显著影响^[17-20]，其中，有机肥的施用可以显著增加有机碳及其活性组分含量^[18-19]，而化肥的影响却因气候条件、土地类型以及施肥耕作条件的复杂性而不尽相同^[18]。本研究结果表明，在西北半干旱区和黄绵土条件下，连续 5 年种植马铃薯，长期化肥与有机肥配施（NPKM）和单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）0～20 cm 土壤有机碳含量显著增加了 77.35% 和 69.65%，有机碳储量分别显著增加了 70.68%～76.55% 和 62.09%～63.31%，有利于促进农田土壤固碳，这与前人研究结果基本一致，长期施用有机肥增加了土壤碳源，已成为土壤有机碳增加的根本原因^[18]。因为施用有机肥一方面直接增加了土壤中碳源的投入，另一方面，施用有机肥使作物生物量尤其是根茬及根系分泌物的归还量大量增加，从而间接增加了碳的投入量^[21]。本研究中单施化肥（NPK）与不施肥（CK）有机碳含量无差异，不同于苗淑杰等^[22]和乔云发等^[23]的研究，与赵丹丹等^[17]在旱作黑垆土、郭振等^[24]在黄壤性水稻土上的研究一致。但其原因在于，单施化肥处理下，土壤中无外源有机物质的投入，有机碳的来源主要依靠作物收获后残留在土壤中的作物根茬，而这部分残留物不足以弥补有机碳的矿化消耗，并且，即使每年施用化肥也不能阻止土壤有机碳的矿化，最终导致土壤有机碳的亏缺^[25]。

土壤微生物量是植物营养物质的源和库，并积极参加养分循环，代表土壤养分的活性部分，因此常被用于评价土壤质量的生物学性状^[26]。土壤微生物量碳是土壤有机碳的灵敏指示因子。许多研究表明，土壤微生物量较其它土壤性质能够迅速地响应施肥管理（有机肥和无机肥）、作物体系、耕作和休闲以及土地利用方式的差异^[27-28]。在施肥管理方面的研究表明，施用有机肥可以显著提高土壤微生物量碳、氮的含量，其中随着有机肥施用量的增加，土壤微生物量碳增加越明显^[27，29]。本研究表明，长期施用有机肥（NPKM、OM）能显著提高土壤微生物量碳含量，且均高于单施化肥处理，其中 NPKM 和 OM 较 NPK 处理微生物量碳分别显著提高了 43.99% 和 31.82%。Goyal 等^[30] 对 10 年以上无机有机肥配合施用情况下土壤微生物量碳、氮的变化进行了研究，都说明施有机肥直接增加根系生物量及根系分泌物，可促进活性有机碳积累，促进微生物生长繁殖，使土壤微生物量碳含量明显高于单施化肥的处理。

人们关于覆膜对不同类型土壤有机碳的影响研究结果不相同^[31-34]。本研究表明，连续 5 年种植马铃薯条件下，FM 较 NF 处理有机碳含量和储量没有变化，FM 较 NF 处理微生物量碳含量显著提高了 9.09%，这与薛菁芳等^[32]、史建国等^[33]研究结果一致，而张成娥等^[34]研究表明，地膜覆盖种植玉米对土壤微生物量碳、氮产生重要影响，其影响程度与作物生育期有关。另外，本研究表明，在西北半干旱区，在欠水年份与正常平水年份，FM 较 NF 条件可显著提高马铃薯产量及其水分利用效率，这与其他学者^[6，35]研究结果一致，而丰水年份效果不明显。马铃薯产量及其水分利用效率受施肥因素影响效果明显，施肥初期（前 2 年）单施化肥效果优于单施有机肥，而长期（第 4、第 5 年） 施用有机肥的效果明显好于化肥，这与长期施用有机肥增加土壤有机碳，提高土壤养分肥力有关。

4 结论

在西北黄土丘陵半干旱区，欠水年和正常平水年份，地膜覆盖可显著提高马铃薯产量及其水分利用效率，而丰水年份效果不明显，表明地膜覆盖对旱地马铃薯产量及其水分利用效率的影响与年际降水密切相关。施肥对马铃薯产量及其水分利用效率的影响效果明显，定位施肥初期（前 2 年）单施化肥（NPK）的效果优于单施有机肥（OM），在第 3 年两者无差异，而在第 4 年及其之后则相反。

在西北黄土丘陵半干旱区和黄绵土条件下，连续种植 5 年马铃薯，长期有机肥与化肥配施（NPKM） 或施用有机肥（OM）较单施化肥（NPK）显著增加旱地黄绵土 0～20 cm 土壤有机碳和微生物量碳含量，且增加有机碳储量，有利于农田土壤固碳。地膜覆盖与单施化肥可显著提高 0～20 cm 土壤微生物量碳含量，而对总有机碳含量及其储量影响不明显。

参考文献