土壤有机碳是指通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体中所含的碳，是土壤养分循环及肥力供应的核心物质^[1]，也是评价土壤质量和健康状况的重要指标之一^[2]，影响着土壤肥力，决定着作物产量^[3]。土壤微生物生物量碳在土壤有机碳中所占比例小，却是土壤有机碳中最活跃的部分，参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成、养分转化和循环等过程，既是土壤有机质和土壤养分转化和循环的动力，又可作为土壤中植物有效养分的储备库，而且其转化迅速，能够在检测到土壤总碳变化之前反映土壤有机质的变化，是更具敏感性的土壤质量指标^[4-6]。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^[7-9]。多年来，许多学者针对不同生态区域开展研究不同施肥管理措施对作物产量及其水分利用、土壤有机碳及其组分的影响，长期施肥显著提高了小麦产量及其水分利用效率^[10-11]，施用有机肥可显著增加土壤有机碳及微生物生物量碳含量^[12-15]，化肥配施有机肥效果优于单施化肥^[16-17]，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^[18]。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，探究长期施用有机肥、化肥对旱地春小麦产量及其水分利用效率和土壤有机碳、微生物生物量碳的影响，以期为优化农田管理措施和土壤增碳培肥提供理论依据。

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 2014 年 3 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 10.58 g·kg^-1、全氮 0.86 g·kg^-1、硝态氮 20.73 mg·kg^-1、铵态氮 3.16 mg·kg^-1、有效磷 13.32 mg·kg^-1、速效钾 168.4 mg·kg^-1、pH 8.40。 0～200 cm 土层平均土壤容重 1.26 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 80.7%，其中 2016 和 2017 年小麦全生育期降水量仅分别为 176.4 和 161.3 mm，均低于往年同期，为欠水年；2018—2020 年小麦全生育期降水均高于往年同期，为丰水年；其他年份均为正常平水年。

1.2 试验设计

试验以春小麦为供试材料，设 4 个施肥水平：（1）不施肥为对照（CK）、（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 6.5 m×4 m = 26 m²，3 次重复。氮、磷、钾肥养分施用量分别为 N 150 kg·hm^-2、P₂O₅ 120 kg·hm^-2、K₂O 90 kg·hm^-2，有机肥为纯羊粪，用量为 30 t·hm^-2，所有肥料于覆膜播前一次性施入。小麦采用全膜覆土穴播栽培方式^[19]（地膜平铺整个地面，膜上覆盖 1～2 cm 细土，覆膜覆土后 1～2 d 播种），小麦每年 3 月下旬播种，7 月下旬收获，田间管理措施与当地一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 水分利用效率测定

采用土钻烘干法，在春小麦播前、收获期沿种植行间取 0～200 cm 土样（每 20 cm 为一个层次），测定土壤水分含量。土壤贮水量（SWS，mm）=W_S × b × d，式中，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，式中，Y 为春小麦籽粒产量（kg·hm^-2），ET 为春小麦生育期耗水量（mm）；ET = SWS_BF + P-SWS_HA，式中，SWS_BF 为播前土壤贮水量（mm），P 为春小麦生育期降水量（mm），SWS_HA 为收获后的土壤贮水量（mm）。

1.3.2 土壤有机碳和微生物生物量碳及有机碳储量测定

2020 年 7 月春小麦收获后在田间取样，每个试验小区按照“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^[20]，微生物生物量碳采用氯仿熏蒸法测定^[20]。土壤有机碳储量（SOCR）通过计算土壤碳密度 （SOCD）求得^[3]，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，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。

1.4 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 长期不同施肥处理对旱地春小麦产量的影响

由图1 可知，在西北半干旱区不同降水年份下，连续种植 7 年（2014—2020 年）春小麦，小麦产量受施肥因素的影响均达到显著水平（P<0.05）， NPKM 处理春小麦产量最高，较 NPK 和 OM 处理分别增加 7.18% 和 7.82%。在定位施肥的前 3 年（2014—2016 年）春小麦产量均表现为 NPKM>NPK>OM>CK，且差异显著，NPKM 较 NPK、OM、 CK 处理小麦产量平均分别增加 7.88%、14.49%、 33.41%，NPK 较 OM 和 CK 处理平均增加 6.18% 和 23.38%，OM 较 CK 处理显著增加 16.37%；定位施肥第 4 年（2017 年），各施肥处理小麦产量均显著高于 CK，NPKM 与 NPK、OM 处理间差异不明显； 在定位施肥的第 5 年（2018 年）、第 6 年（2019 年） 和第 7 年（2020 年），NPKM 与 OM 处理小麦产量无差异，且两者均高于 NPK 和 CK，其中 NPKM 和 OM 较 NPK 处理小麦产量分别平均增加了 8.15% 和 5.62%，并在定位施肥第 7 年（2020 年）差异性达到显著水平。上述结果表明，在西北黄土丘陵半干旱区，春小麦籽粒产量受施肥因素的影响效果显著，施肥初期（前 3 年）单施化肥小麦增产效果优于单施有机肥，而长期（第 5 年及以后）施用有机肥的效果明显好于化肥。

注：不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 长期不同施肥处理对旱地春小麦水分利用效率的影响

由图2 可知，在不同降水年份，不同施肥处理对 WUE 的影响与产量变化基本一致。NPKM 处理 WUE 平均值最高，较 NPK 和 OM 处理分别增加了 5.91% 和 3.83%。在定位施肥前 3 年（2014—2016 年），NPKM 较 OM 和 CK 处理 WUE 平均分别提高了 7.31% 和 17.34%，NPK 较 OM 和 CK 处理平均分别提高了 4.59% 和 14.31%。在定位施肥第 4 年（2017 年），施肥处理较 CK 显著提高了 WUE，NPKM 与 NPK、OM 处理间差异不明显；在定位施肥第 5 年（2018 年）、第 6 年（2019 年） 和第 7 年（2020 年），NPKM 与 OM 处理无差异，且两者均高于 NPK 和 CK，其中 NPKM 和 OM 较 NPK 处理 WUE 平均分别提高了 10.65% 和 8.82%，且在定位施肥的第 7 年 （2020 年）处理间差异性达到显著水平（P<0.05），较 CK 处理分别显著提高了 40.72% 和 38.80%。上述结果表明，在西北半干旱区，长期施用化肥、有机肥可显著提高小麦水分利用效率，在定位施肥初期（前 3 年）单施化肥效果优于单施有机肥，在第 4 年两者无差异，而在第 5 年及以后长期施用有机肥的效果好于化肥，这与产量结果的变化规律一致。

2.3 长期不同施肥处理对 0～20 cm 土层土壤有机碳的影响

由表2 可知，连续 7 年小麦定位试验，耕层 0～20 cm 土层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）。不同施肥处理 0～20 cm 土层土壤有机碳含量表现为 NPKM 处理最高，其次是 OM 处理，且两者均显著高于 NPK 和 CK 处理，而 NPKM 与 OM 处理无差异。NPKM 和 OM 较 NPK 处理有机碳含量分别显著增加了 36.88% 和 31.98%，较 CK 处理分别显著增加了 41.43% 和 36.39%，NPK 与 CK 处理无差异。各处理 0～10 cm 土层土壤有机碳含量均显著高于 10～20 cm 土层，平均增幅达到了 13.20%，且施用有机肥处理（NPKM 和 OM）增加幅度大，分别达到了 18.62% 和 16.48%，显著高于 NPK 处理的增加幅度（9.61%）。以上结果表明，在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土质地条件下，连续 7 年种植小麦，有机肥与化肥配施和单施有机肥较单施化肥处理可显著增加 0～20 cm 土层的土壤有机碳含量，而单施化肥对耕层土壤有机碳含量影响不明显；0～10 cm 土层土壤有机碳含量显著高于 10～20 cm 土层，且长期化肥与有机肥配施和单施有机肥处理的增加幅度显著大于单施化肥处理。

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%、5% 显著水平。下同。

由图3 可知，连续 7 年小麦定位试验，不同施肥处理对 0～20 cm 土层土壤有机碳储量的影响表现为 NPKM 处理最高，其次是 OM 处理，NPKM 与 OM 处理差异不明显，且两者较 NPK 和 CK 处理显著增加了有机碳储量，而 NPK 与 CK 处理无差异。在表层 0～10 cm，NPKM 和 OM 较 NPK 处理分别显著增加了 41.94% 和 35.81%，较 CK 处理分别显著增加了 47.64% 和 41.26%。在 10～20 cm 土层，NPKM 和 OM 较 NPK 处理分别显著增加了 31.17% 和 27.80%，较 CK 处理分别显著增加了 34.54% 和 31.08%。各处理 0～10 cm 土层土壤有机碳储量显著高于 10～20 cm 土层，平均增幅达到了 11.31%，且施用有机肥处理（NPKM 和 OM）增加幅度大，分别达到了16.63% 和 14.54%，显著高于 NPK 处理的增加幅度 （7.78%）。以上结果表明，连续 7 年小麦定位施肥与单施化肥相比，有机肥与化肥配施和单施有机肥可显著增加 0～20 cm 土层土壤有机碳储量，有利于促进农田土壤固碳，且 0～10 cm 土层有机碳储量增加效果显著。与不施肥（CK）相比，单施化肥对耕层土壤有机碳储量影响不明显。

2.4 长期不同施肥处理对 0～20 cm 土层土壤微生物生物量碳的影响

由表3 可知，微生物生物量碳受施肥因素的影响达到了极显著水平（P<0.01），不同施肥处理对 0～20 cm 土层土壤微生物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 处理的微生物生物量碳分别显著增加了 13.7%、46.4%、74.9%，OM 较 NPK、CK 处理分别显著增加了 28.7%、53.8%，NPK 较 CK 显著增加了 19.5%。0～10 cm 土层土壤微生物生物量碳显著高于 10～20 cm 土层，平均增幅达到了 53.5%， NPKM、OM、NPK 处理增加幅度分别为 59.7%、 51.3%、51.2%。上述结果表明，在西北黄土丘陵区半干旱区，连续种植小麦 7 年的条件下，长期施肥 （有机肥、化肥）均可显著提高旱地黄绵土 0～20 cm 土层土壤微生物生物量碳含量，以化肥与有机肥 （NPKM）配施效果最好，单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）效果显著。

3 讨论

3.1 长期施肥对旱地黄绵土土壤有机碳的影响

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，且施用有机肥可以显著增加有机碳及其活性组分含量^[21-24]。本研究结果表明，在西北半干旱区黄绵土质地条件下，连续 7 年种植春小麦，长期化肥与有机肥配施（NPKM）和单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）处理 0～20 cm 土层土壤有机碳含量分别显著增加了 36.88% 和 31.98%，有机碳储量分别显著增加了 31.17%～41.94% 和 27.80%～35.81%，且表层 0～10 cm 的增加效果显著好于 10～20 cm，有利于促进农田土壤固碳增汇，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^[12]。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^[25]。本研究中单施化肥（NPK）与不施肥（CK） 处理 0～20 cm 土层土壤有机碳含量无差异，这与赵丹丹等^[17]在旱作黑垆土、郭振等^[26]在黄壤性水稻土上的研究基本一致，而陈云峰等^[27]、郭胜利等^[28]和乔云发等^[29]则认为化肥的施用在一定程度上增加了土壤有机质含量，李渝等^[30]、臧逸飞等^[12] 研究认为，长期施用化肥导致耕层土壤有机碳含量下降，其原因是长期施用化肥导致土壤中无外源有机物质投入，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^[31]。关于长期施用化肥对土壤有机碳的影响因气候条件、土地类型以及施肥耕作条件的复杂性而不尽相同^[12]。

3.2 长期施肥对旱地黄绵土土壤微生物生物量碳的影响

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^[32]。土壤微生物生物量碳的大小可反映土壤微生物利用土壤碳源进行自身生长繁殖、解体和碳化的过程，可作为长期施肥对土壤活性和肥力变化的预警指标^[33-34]。国内外研究表明，土壤微生物量较其他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^[35-36]。施用有机肥可提高土壤有机质和养分含量，改善土壤的理化性状，为微生物的生长繁殖提供良好的能源和环境条件^[36-38]，保证较高的微生物生物量^[39-41]。本研究表明，长期施用有机肥（NPKM、 OM）处理可显著增加耕层 0～20 cm 土壤微生物碳含量，显著高于单施化肥（NPK）处理，NPKM 和 OM 较 NPK 处理土壤微生物碳含量分别显著增加 46.4% 和 28.7%，表层 0～10 cm 土壤微生物碳含量显著高于 10～20 cm 土层，且化肥与有机肥配施（NPKM）处理增加效果尤为明显。Goyal 等^[42] 对 10 年以上无机有机肥配合施用情况下土壤微生物生物量碳的变化进行了研究，说明施用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，使土壤微生物生物量碳含量明显高于单施化肥处理。

本研究中单施化肥（NPK）较不施肥（CK）处理 0～20 cm 土层土壤微生物生物量碳含量显著增加，这与赵丹丹等^[17]、柳玲玲等^[39]的研究结果一致，这是因为在贫瘠土壤中，土壤本身养分含量低，土壤微生物活性较低，当化肥施入时可快速为土壤提供营养物质，激活土壤微生物，从而提高土壤微生物生物量。而薛菁芳等^[43]研究认为，长期施用氮肥较不施肥并没有显著提高土壤微生物生物量碳含量，其原因是长期施用氮肥虽然增加了植物根茬等残留，但由于土壤的碳氮比下降，加速了土壤原有有机碳分解，导致土壤中积累的有机碳总量减少，土壤有机质含量下降，使微生物的生存环境变劣，数量下降。

3.3 长期施肥对旱地春小麦产量及其水分利用效率的影响

本研究表明，在西北黄土丘陵半干旱区，连续种植 7 年春小麦，施肥显著影响小麦产量及其水分利用效率，以化肥与有机肥配施（NPKM）处理效果最好，较单施化肥（NPK）、单施有机肥 （OM）处理春小麦产量和 WUE 分别增加了 7.18% 和 7.82%、5.91% 和 3.83%，这与前人^[44-46]的研究结果一致。在定位施肥初期（前 3 年），化肥与有机肥配施（NPKM）和单施化肥（NPK）处理的效果优于单施有机肥（OM），在第 4 年各处理间无差异，而第 5 年及之后施用有机肥（NPKM 和 OM） 处理的效果明显好于单施化肥（NPK）处理。以上说明，化肥与有机肥配施及单施化肥或有机肥不同程度地提高了小麦产量及其水分利用效率，施肥在提高作物产量的同时也会提高水分利用效率，起到以肥调水的作用，且不同施肥的增产效果导致水分利用效率不同^[47]，长期施用有机肥的效果明显好于化肥，这与施用有机肥显著增加了土壤有机碳和养分含量，提高土壤肥力有关。

4 结论

（1）在西北黄土丘陵半干旱区，施肥显著影响春小麦产量及其水分利用效率，以化肥与有机肥配施效果最好；定位施肥初期（前 3 年）单施化肥的效果优于单施有机肥，第 4 年两者无差异，而长期（第 5 年及其以后）施用有机肥的效果明显好于化肥。

（2）在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土质地条件下，连续种植 7 年小麦，长期有机肥与化肥配施或单施有机肥较单施化肥可显著增加 0～20 cm 土层土壤有机碳和微生物生物量碳含量，显著增加了有机碳储量，且表层 0～10 cm 土层的增加效果明显好于 10～20 cm 土层，有利于促进农田土壤固碳增汇。单施化肥可显著提高 0～20 cm 土层土壤微生物生物量碳含量，而对耕层总有机碳含量及其储量影响不明显。

参考文献