农田土壤碳氮作为土壤肥力的核心和农业可持续发展的基础,与作物产量密切相关,且二者之间具有明显的协同效应[1]。长期以来,关于半干旱区农田土壤碳氮固定与作物产量方面的研究基本处于空白状态,尤其是碳氮含量与作物生产的协同效应研究不足。本文研究发现,我国西北半干旱区农业施肥仍采用经验法,存在盲目性,尤其是氮肥用量高和施用时期不合适现象突出,土壤氮含量过高,一定程度上限制了作物产量的提高。因此,如何精准施肥,成为研究者关注的科学问题。
Pan等[12]发现土壤有机质含量与谷物产量呈直线显著相关、曲线相关和无显著相关性。但多个长期定位试验表明,耕层土壤有机碳增加对作物单产和稳产的提高均呈现积极地正效应[4-6,9,13-16]。邱建军等[4]通过模拟改变有机碳本底值对作物产量的影响,结果表明土壤有机碳每增加1 g/kg,产量增加176～454 kg/hm2。潘根兴等[9]研究表明,土壤有机质增加幅度越大,水稻单产变率越低。王卫等[7]研究表明,有机质含量较低的省份,土壤有机质每增加1 g/kg,单产增加84.40 kg/hm2,明显高于有机质含量较高省份的22.20 kg/hm2。这与邱建军等[4]研究的土壤有机碳含量每增加1 g/kg,低有机质省区和高有机质省区春玉米产量分别增加328 kg/hm2,176 kg/hm2的趋势相同。本研究表明,伴随耕层土壤有机碳含量增加,玉米产量和产量组成显著增加,其中有机碳含量4.00～12.00 g/kg时,实际产量增速最快,超出这个阈值后,产量增速明显下降,与前人研究结果基本一致。
贺美等[3]利用DNDC模型发现在相同氮水平情况下,东北黑土区作物产量随土壤有机碳含量的升高持续上升,但在较高有机碳水平下,产量的增幅大大降低。巨晓棠和彭显龙分别发现,在维持氮平衡的前提下,100 kg籽粒的氮素需求量约为2.4 kg和1.4 kg,据此计算出黑龙江作物纯N施用水平约为180 kg/hm2,105 kg/hm2[17-18]。杨宪龙等[19]研究发现,关中地区玉米施氮量在180 kg/hm2时,生产水平最高。俄胜哲等[20]研究表明,玉米产量与土壤全氮含量呈显著正相关。本文研究发现,耕层土壤全氮含量在1.00～1.10 g/kg时,地膜玉米生产水平最高,超出这个阈值后,玉米生产水平开始呈显著下降趋势。说明,常规施氮虽然可以维持较高的生产水平,但是从节氮角度考虑,减量施氮具有更高的现实意义。研究结果与前人研究略有差异,造成结果差异的原因可能是气候、土壤类型、种植制度以及农田管理措施不同,对于减量施氮对作物增产的长期效应仍有待进一步研究。
土壤C/N水平也决定于土壤碳素和氮素的平衡状况,当碳素含量高于氮素水平时,土壤C/N水平就会提高。对某一特定土壤,C/N基本为一常数,这意味着土壤有机碳水平在某种程度上取决于土壤中能够同化成腐殖质的有效氮含量水平[21]。C/N较高的土壤,在分解初期为了满足微生物对氮素的需求,从土壤中吸收矿质氮,与植物竞争养分,影响作物产量[22]。因此,土壤有机碳与产量的关系仍存在很大不确定性,制定农业适应性对策是确保粮食安全的关键[23]。
黄土高原表层土壤有机碳含量为14.52 g/kg[24],而本研究中土壤有机碳含量明显低于全区平均水平。土壤养分水平低,已对区域粮食生产产生了重要影响[12]。深入理解半干旱地区农田土壤碳氮含量与增产的协同效应,在一定程度上填补半干旱区土壤养分含量相关研究的欠缺,为指导区域合理施肥、增加生物量和作物产量、提升土壤肥力提供数据支持,为实现农业可持续发展打下坚实基础[1]。虽然本文就西北半干旱区土壤碳氮含量与作物生产的影响做了相关分析,但并未明确外界因子对土壤碳氮与作物生产协同效应的贡献量。今后研究中需要采用结构模型,量化外界因子对土壤碳氮固定机制及与作物生产协同效应的研究,才能更全面地回答半干旱区土壤碳氮与作物生产协同效应的阈值[25]。
