生物質(zhì)炭與氮肥配施對春小麥產(chǎn)量及其C︰N︰P的影響*

南學軍, 蔡立群,2, 武 均, 劉小寧, 高志強, Stephen Yeboah,3, 張仁陟,2

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生物質(zhì)炭與氮肥配施對春小麥產(chǎn)量及其C︰N︰P的影響*

南學軍1, 蔡立群1,2**, 武 均1, 劉小寧1, 高志強1, Stephen Yeboah1,3, 張仁陟1,2

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/甘肅省干旱生境作物學省部共建國家重點實驗室 蘭州 730070; 2. 甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心 蘭州 730070; 3. CSIR-Crops Research Institute, P.O. BOX 3780-Kumasi, Ghana)

碳(C)、氮(N)、磷(P)生態(tài)計量化學為研究作物-土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)及其能量流動提供了嶄新視角, 研究生物質(zhì)炭配施不同用量氮肥下小麥C、N、P計量特征, 可為探明區(qū)域養(yǎng)分限制性以及進行合理施肥等提供理論依據(jù)。本文通過田間定位試驗, 測定施50 kg(N)·hm-2氮肥、100 kg(N)·hm-2氮肥、施生物質(zhì)炭、生物質(zhì)炭與50 kg(N)·hm-2氮肥配施、生物質(zhì)炭與100 kg(N)·hm-2氮肥配施等處理下小麥產(chǎn)量、CNP含量及其生態(tài)化學計量等指標。結(jié)果表明: 相比空白對照(不施氮肥和生物質(zhì)炭)處理, 其他不同處理均顯著提高了小麥秸稈和籽粒產(chǎn)量, 除了單施生物質(zhì)炭處理, 其他處理均不同程度提高了小麥地上部各器官N含量, 生物質(zhì)炭配施不同用量氮肥顯著提高了莖稈和籽粒C和P含量。計量比結(jié)果表明, 相比對照處理, 生物質(zhì)炭和50 kg(N)·hm-2氮肥配施顯著降低了葉片C∶N和C∶P, 生物質(zhì)炭和100 kg(N)·hm-2氮肥配施處理則顯著降低了莖稈C∶N、C∶P、N∶P以及籽粒C∶N、C∶P。研究區(qū)小麥葉片N∶P大多為18~23, 因此小麥可能受到P元素的限制。生物質(zhì)炭配施氮肥顯著提高了作物產(chǎn)量, 增加了小麥CNP養(yǎng)分含量, 降低了植物C∶N、C∶P、N∶P。總體而言, 生物質(zhì)炭配施100 kg(N)·hm-2氮肥施肥措施的綜合表現(xiàn)最優(yōu)。

碳氮磷; 生態(tài)計量比; 氮肥; 生物質(zhì)炭; 春小麥

生態(tài)化學計量學(ecological stoichiometry)是研究生物系統(tǒng)各種化學元素(C, N, P, O, S)質(zhì)量的多重平衡及對生態(tài)交互作用的科學[1], 其主要基于C∶N∶P的比率來研究有機體的特性/行為與生態(tài)系統(tǒng)過程間的相互關(guān)系[2], 因此這使得生物學科不同層次(分子、細胞、有機體、種群、生態(tài)系統(tǒng)和全球尺度)的研究理論能夠有機地統(tǒng)一起來[3-4]。作為調(diào)控有機體的特性/行為的重要指標, C、N、P計量比不僅影響寄主病原、物種共生、群落結(jié)構(gòu)與動態(tài)、營養(yǎng)級動態(tài)、生物的養(yǎng)分限制[5-11], 而且對生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與供求平衡和全球生物地球化學循環(huán)等關(guān)系也起到重要的作用。尤其是N∶P計量比, 植物N∶P計量比的變化一方面可以反映植物體內(nèi)某些組織的特性, 另一方面也說明土壤有機質(zhì)的分解和礦化作用效果, 從而進一步表征植物體的生長發(fā)育狀況。如有機體的C∶N∶P化學計量比與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系、植物養(yǎng)分利用效率及受限情況、植物生長速率等因素有關(guān), 是決定群落結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵性指標。

生物質(zhì)炭與氮肥配施作為影響農(nóng)田植物有機體行為、生長以及生理特征的農(nóng)藝措施, 作為補充氮磷營養(yǎng)的最有效手段, 生物質(zhì)炭配施氮磷肥能夠改變旱作農(nóng)田對土壤養(yǎng)分的吸收和利用, 從而改變小麥的不良生長狀況并提高其光合生產(chǎn)力。如杜衍紅等[12]認為炭-肥互作可顯著提高肥料表觀利用率以及氮素利用率, 從而促進作物的生長以及作物的增產(chǎn)增收; Huong[13]研究認為高量生物質(zhì)炭添加一定氮肥顯著提高了西北干旱區(qū)小麥(L.)氮磷吸收; 馮愛青等[14]也認為生物質(zhì)炭的添加可以促進氮磷養(yǎng)分的吸收, 同時提高了土壤速效養(yǎng)分含量。這些變化勢必會影響到植物體C、N、P養(yǎng)分計量比的分配與變化特征。然而, 當前從機理上以生態(tài)化學計量學理論揭示生物質(zhì)炭配施氮肥對植物養(yǎng)分計量影響的研究少見相關(guān)報道, 因此研究施肥方式對作物CNP計量比作為農(nóng)田養(yǎng)分生態(tài)化學計量指標的影響和作物化學計量特征對農(nóng)田養(yǎng)分限制性的指示作用, 具有重要的科學及現(xiàn)實意義。

隴中黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)降水多集中在7—9月, 該區(qū)干旱缺水, 傳統(tǒng)施肥方式直接加劇了土壤水分以及養(yǎng)分的流失, 土壤微生物生態(tài)環(huán)境嚴重惡化[15-17]。如何提升區(qū)域農(nóng)田地力進而促進耕地資源的可持續(xù)發(fā)揮, 是擺在區(qū)域農(nóng)業(yè)研究工作者面前亟待探討與解決的問題。而生物質(zhì)炭具有高度的穩(wěn)定性、巨大的比表面積以及對氮磷養(yǎng)分較強的吸附能力等優(yōu)點[18-19], 在改良土壤理化性質(zhì)、吸附土壤養(yǎng)分以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部氮磷養(yǎng)分平衡等方面發(fā)揮著重大作用。基于以上生物質(zhì)炭所發(fā)揮的優(yōu)勢, 本研究在定西市李家堡鎮(zhèn)展開生物質(zhì)炭配施氮肥措施下植物碳氮磷生態(tài)化學計量學特征的研究, 并探討區(qū)域農(nóng)田碳氮磷元素的養(yǎng)分限制性, 為探索區(qū)域生物地球化學循環(huán)過程以及促進區(qū)域耕地地力的逐步提升等方面提供一定的理論和實際指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況及試驗設(shè)計

研究區(qū)位于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的甘肅省定西市李家堡鎮(zhèn)。該區(qū)海拔2 000 m左右, 年均太陽輻射594.7 kJ·cm-2, 日照時數(shù)2 476.6 h, 年均氣溫6.4 ℃, ≥0 ℃積溫2 933.5 ℃, ≥10 ℃積溫2 239.1 ℃, 無霜期140 d, 多年平均降水390.9 mm, 年蒸發(fā)量1 531 mm, 干燥度2.53, 80%保證率的降水量為365 mm, 變異系數(shù)為24.3%, 是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土, 土質(zhì)綿軟, 土層深厚, 質(zhì)地均勻, 儲水性能良好。2014年布設(shè)了生物質(zhì)炭配施氮肥長期定位試驗, 并于2016年展開對土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分生態(tài)化學計量方面的研究。試驗前0~30 cm土壤理化性質(zhì)為: pH 8.1, 有機質(zhì)16.0 g·kg-1, 全氮1.55 g·kg-1, 全磷0.82 g·kg-1, 全鉀14.4 g·kg-1, 堿解氮51.1 mg·kg-1, 速效磷21.2 mg·kg-1。

本試驗共設(shè)6個處理, 分別為: CK(無氮肥和生物質(zhì)炭添加, 對照)、N50[氮肥50 kg(N)·hm-2、無生物質(zhì)炭添加]、N100[氮肥100 kg(N)·hm-2、無生物質(zhì)炭添加]、B(生物質(zhì)炭15 t·hm-2, 無氮肥)、BN50[氮肥50 kg(N)·hm-2、生物質(zhì)炭15 t·hm-2]、BN100[氮肥100 kg(N)·hm-2、生物質(zhì)炭15 t·hm-2], 每個處理重復(fù)3次, 所有處理采用隨機區(qū)組排列, 小區(qū)面積為3 m×6 m。以上各處理的氮肥從2014年開始連續(xù)每年春播前施用, 生物質(zhì)炭則于2014年春播前向土壤一次性施入15 t·hm-2, 所有處理均統(tǒng)一施入土壤磷肥100 kg·hm-2。本研究試驗小麥于2016年3月下旬用免耕播種機進行播種, 供試品種為‘定西40號’, 播量187.5 kg·hm-2, 行距20 cm, 播深7 cm, 7月底收獲, 之后測定指標。供試生物質(zhì)炭來源于金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司生產(chǎn)的玉米秸稈生物質(zhì)炭, C含量53.28%, N含量1.04%, P含量0.26%, Ca含量0.8%, K含量0.51%, Mg含量0.47%, 灰分含量35.64%。

1.2 樣品測定與分析

1.2.1 樣品采集與測定

于小麥成熟期(2016年7月26日)取樣。取樣方法按“S”法取樣, 每小區(qū)設(shè)5個0.6 m×0.5 m樣方, 齊地刈割后, 準確稱取各樣方植株鮮重, 按莖、葉、籽粒等分開, 分開樣品用蒸餾水沖洗干凈后晾干, 然后在105 ℃恒溫條件下殺青30 min, 再在75 ℃恒溫條件下烘至恒重, 并稱重。從每個樣品中隨機選取50株, 粉碎, 過篩, 用于測定葉片、莖部和籽粒CNP含量。C含量采用C/N聯(lián)合分析儀測定; 各器官樣品H2SO4-H2O2消煮, 用凱氏定氮法測定全N含量, 分光光度計法測定P含量。先計算各器官的C∶N、C∶P和N∶P的質(zhì)量比, 為方便與其他作者的研究結(jié)果進行對比, 最終轉(zhuǎn)換為摩爾計量比。具體計算如下:

(2)

(3)

以上各式中,C:N、C:P、N:P分別表示C∶N、C∶P和N∶P,C、N、P分別表示C、N和P元素的相對原子質(zhì)量分數(shù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)處理與作圖采用Microsoft Ecel 2010軟件, 方差分析與顯著性檢驗分別采用SPSS 22.0軟件Duncan法和Pearson法進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭與氮肥配施對春小麥產(chǎn)量的影響

從表1可知, 相比CK處理, 不同處理均顯著提高了小麥生物產(chǎn)量, 其中小麥生物產(chǎn)量以BN100處理為最高, 其增幅達54.60%, BN50增幅次之, 為31.78%, N50增幅最低, 為17.35%。不同氮肥用量條件下各處理結(jié)果表明, 無生物質(zhì)炭添加條件下N50和N100處理秸稈產(chǎn)量顯著高于CK處理, 相比CK處理, 其增幅分別為23.08%和33.07%; 生物質(zhì)炭添加條件下, 相比單施生物質(zhì)炭B處理, BN100處理顯著提高了秸稈產(chǎn)量(<0.05)。籽粒產(chǎn)量方面, 無生物質(zhì)炭添加情況下, N100處理籽粒產(chǎn)量較N50和CK處理差異十分顯著(<0.05), 生物質(zhì)炭添加下各處理差異均十分顯著(<0.05), 生物質(zhì)炭和氮肥的交互作用對小麥籽粒產(chǎn)量影響十分顯著(<0.05)。

表1 生物質(zhì)炭配施氮肥對春小麥產(chǎn)量的影響

CK: 無氮肥和生物質(zhì)炭添加, 對照; N50: 氮肥50 kg(N)·hm-2、無生物質(zhì)炭添加; N100: 氮肥100 kg(N)·hm-2、無生物質(zhì)炭添加; B: 生物質(zhì)炭15 t·hm-2, 無氮肥; BN50: 氮肥50 kg(N)·hm-2、生物質(zhì)炭15 t·hm-2; BN100: 氮肥100 kg(N)·hm-2、生物質(zhì)炭15 t·hm-2。數(shù)據(jù)為平均值±標準偏差(=6), 不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。CK: non N fertilizer and biocar; N50: 50 kg(N)·hm-2N fertilizer without biochar; N100: 100 kg(N)·hm-2N fertilizer without biochar; B: 15 t·hm-2biochar; BN50: 50 kg(N)·hm-2N fertilizer with 15 t·hm-2biochar; BN100: 100 kg(N)·hm-2N fertilizer with 15 t·hm-2biochar. Values are mean±S.D. (=6). Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.2 生物質(zhì)炭與氮肥配施對春小麥C、N、P含量的影響

由表2可知, 試驗點莖稈中的C含量平均值為381.17 g·kg-1, 葉片和籽粒C含量平均分別為353.30 g·kg-1和363.83 g·kg-1。方差分析表明, 無生物質(zhì)炭添加下不同處理小麥葉片C含量差異不顯著, 生物質(zhì)炭添加下BN50和BN100處理則不同程度提高了小麥葉片、莖稈和籽粒C含量, 其中BN50相比CK處理各器官分別提高3.5%、2.49%、1.9%, BN100則分別提高4.13%、2.23%、2.34%, 但二者之間差異不顯著(>0.05)。單施生物質(zhì)炭并未顯著提高不同器官C含量(>0.05)。

如表2, 植株籽粒、葉片和莖稈N含量分別為22.59 g·kg-1、8.9 g·kg-1和6.05 g·kg-1。除B處理, 其他施肥措施均不同程度提高了小麥籽粒N含量, 尤其以BN100處理為最高, 其次為BN50處理, B處理N含量為最小; 葉片含量同樣以BN100處理為最高, 其次為N100處理, CK對照處理葉片N含量為最小。莖稈N含量以BN100的為最高, 其次為BN50處理, CK對照處理為最小。整體來看, 除B處理, 其他不同處理均不同程度地提高了地上部器官N含量, 其籽粒N含量依次為BN100、BN50>N100>N50>CK、B; 葉片含量大小依次為BN100、N100>BN50>N50>CK、B; 莖稈N含量依次為BN100>BN50>N100>N50>CK、B。

如表2, 植株籽粒P、葉片和莖稈P含量分別為2.29 g·kg-1、1.04 g·kg-1和0.64 g·kg-1。方差分析表明, 無生物質(zhì)炭添加下, 小麥不同地上器官P含量差異不顯著; 生物質(zhì)炭添加條件下, 隨著氮肥用量的提高, 小麥地上各器官P含量有上升趨勢, 且相比B處理, BN100處理顯著提高了小麥籽粒P含量, 其增幅達8.33%, 莖稈和葉片P含量各處理之間無顯著性差異; 同等氮肥用量條件下, 生物質(zhì)炭添加顯著提高了莖稈和籽粒P含量, 其中莖稈和籽粒P含量以BN100處理增幅最大, 其增幅為33.93%和9.78%, BN50處理莖稈和籽粒P含量增幅次之, 相比N50處理, 其增幅分別為32.73%和10.10%, 除莖稈P含量相對提高外, 單施生物質(zhì)炭并未提高葉片和籽粒P含量。

表2 生物質(zhì)炭配施氮肥對春小麥C、N、P含量的影響

CK: 無氮肥和生物質(zhì)炭添加, 對照; N50: 氮肥50 kg(N)·hm-2、無生物質(zhì)炭添加; N100: 氮肥100 kg(N)·hm-2、無生物質(zhì)炭添加; B: 生物質(zhì)炭15 t·hm-2, 無氮肥; BN50: 氮肥50 kg(N)·hm-2、生物質(zhì)炭15 t·hm-2; BN100: 氮肥100 kg(N)·hm-2、生物質(zhì)炭15 t·hm-2。數(shù)據(jù)為平均值±標準偏差(=6), 不同小寫和大寫字母均表示處理間在0.05水平上差異顯著, 其中小寫字母表示處理之間的差異顯著, 大寫字母則表示地上部器官之間的差異顯著。CK: non N fertilizer and biocar; N50: 50 kg(N)·hm-2N fertilizer without biochar; N100: 100 kg(N)·hm-2N fertilizer without biochar; B: 15 t·hm-2biochar; BN50: 50 kg(N)·hm-2N fertilizer with 15 t·hm-2biochar; BN100: 100 kg(N)·hm-2N fertilizer with 15 t·hm-2biochar. Values are mean±S.D. (=6). Different lowercase and capital letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level, where the lowercase letters indicate the significance of the processing, and the capital letters indicate the difference of above organs.

2.3 生物質(zhì)炭與氮肥配施對春小麥C、N、P計量比的影響

2.3.1 地上部器官C∶N

從C∶N生態(tài)化學計量特征來看(表3), 不同器官葉片、莖稈和籽粒C∶N的范圍分別為44.07~49.06、71.50~75.72以及19.01~19.91, 變異系數(shù)分別為4.26%、2.12%以及1.91%。不同處理小麥莖稈C∶N顯著高于葉片和籽粒C∶N, 且葉片和籽粒C∶N差異顯著。從不同處理C∶N變化趨勢來看, 無論是否有生物質(zhì)炭添加, 隨著氮肥用量的增加, 小麥地上器官碳氮比表現(xiàn)為不同幅度的下降趨勢。同等氮肥用量條件下, 除BN50處理葉片C∶N相對下降以外, 其他處理不同器官C∶N均無顯著差異(>0.05)?？傮w來看, 各器官C∶N均在BN100處理達到最小值, 其葉片、莖稈和籽粒較CK處理分別下降了4.43、4.06和0.89個單位。

2.3.2 地上部器官C∶P

如表3, 植物葉片、莖稈和籽粒C∶P分別為830.01~940.55、1 347.83~2 055.37以及385.51~428.36, 變異系數(shù)分別為5.39%、15.31%和3.47%。除N100處理小麥莖稈C∶P較高, 且葉片和籽粒之間無顯著差異以外, 其他處理小麥C∶P莖稈顯著高于葉片和籽粒, 且葉片和籽粒差異十分顯著。從不同處理C∶P變化趨勢來看, 無生物質(zhì)炭添加下, 小麥葉片、莖稈和籽粒C∶P表現(xiàn)出增加的趨勢。生物質(zhì)炭添加下, 小麥地上器官C∶P則表現(xiàn)較為穩(wěn)定。同等氮肥用量對比結(jié)果表明, 相比N100處理, BN100處理莖稈和籽粒C∶P顯著降低(<0.05), BN50處理籽粒C∶P顯著低于N50處理。總體來看, 葉片和莖稈C∶P在N100處理達到最大值, 分別較CK處理增加了42.95和301.77個單位, 籽粒C∶P在N50處理達到最大值, 且相比CK處理增加12.09個單位。

2.3.3 地上部器官N∶P

如表3, 小麥N∶P葉片、莖稈和籽粒分別為17.10~21.68、18.72~28.41以及20.28~22.33, 變異系數(shù)分別為7.19%、14.90%以及3.99%。不同器官N∶P分布特征結(jié)果表明, 無生物質(zhì)炭添加下, CK和N50處理莖稈N∶P顯著高于葉片N∶P, N100處理各器官N∶P則無顯著性差異(>0.05)。生物質(zhì)炭添加下, B和BN50處理籽粒N∶P顯著高于葉片N∶P, BN100處理下各器官N∶P則無顯著性差異(>0.05)?？傮w來看, 無生物質(zhì)炭添加下各處理莖稈N∶P為最高, 其次為籽粒, 葉片N∶P為最低, 生物質(zhì)炭添加下各處理籽粒N∶P為最高, 其次為莖稈, 葉片N∶P為最低, 因此表現(xiàn)出較大的波動和敏感性。

表3 生物質(zhì)炭配施氮肥對春小麥C∶N、C∶P、N∶P的影響

CK: 無氮肥和生物質(zhì)炭添加, 對照; N50: 氮肥50 kg(N)·hm-2、無生物質(zhì)炭添加; N100: 氮肥100 kg(N)·hm-2、無生物質(zhì)炭添加; B: 生物質(zhì)炭15 t·hm-2, 無氮肥; BN50: 氮肥50 kg(N)·hm-2、生物質(zhì)炭15 t·hm-2; BN100: 氮肥100 kg(N)·hm-2、生物質(zhì)炭15 t·hm-2。數(shù)據(jù)為平均值±標準偏差(=6), 不同小寫和大寫字母均表示處理間在0.05水平上差異顯著, 其中小寫字母表示處理之間的差異顯著, 大寫字母則表示地上部器官之間的差異顯著。CK: non N fertilizer and biocar; N50: 50 kg(N)·hm-2N fertilizer without biochar; N100: 100 kg(N)·hm-2N fertilizer without biochar; B: 15 t·hm-2biochar; BN50: 50 kg(N)·hm-2N fertilizer with 15 t·hm-2biochar; BN100: 100 kg(N)·hm-2N fertilizer with 15 t·hm-2biochar. Values are mean±S.D. (=6). Different lowercase and capital letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level, where the lowercase letters indicate the significance of the processing, and the capital letters indicate the difference of above organs.

從不同處理N∶P變化趨勢來看, 無生物質(zhì)炭添加下, 小麥葉片、莖稈和籽粒N∶P呈現(xiàn)增高趨勢; 生物質(zhì)炭添加下, 小麥葉片N∶P呈現(xiàn)下降趨勢, 莖稈和籽粒N∶P則具有一定波動性。同等氮肥用量條件下, 除BN100處理則顯著降低了莖稈和籽粒N∶P外(<0.05), 其他處理均未顯著改變N∶P?？傮w來看, 葉片、莖稈和籽粒N∶P均在N100處理達到最大值, 分別較CK處理增加3.15、5.2和1.38個單位。

3 討論

3.1 小麥產(chǎn)量對生物質(zhì)炭配施氮肥的響應(yīng)

馮愛青等[14]的連續(xù)2年黑炭和氮肥配施試驗表明, 小麥產(chǎn)量在第2年內(nèi)顯著增加, 施氮配施黑炭較施氮處理籽粒顯著增產(chǎn)8.19%, 不施氮條件下, 黑炭施加較不施氮肥處理籽粒及秸稈均增產(chǎn)顯著。Chan等[20]發(fā)現(xiàn)氮肥與高量生物質(zhì)炭(100 t·hm-2)配施, 蘿卜(Linn.)產(chǎn)量的增幅達95%~266%。本研究表明, 無論是否施氮肥, 添加生物質(zhì)炭均可顯著增加籽粒產(chǎn)量, 尤其是100 kg(N)·hm-2氮肥配施生物質(zhì)炭處理小麥籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮肥對照處理, 其增幅達32.99%, 這與上述學者的研究結(jié)果一致。究其原因, 主要在于生物炭的高度穩(wěn)定性和較強的吸附能力賦予肥料養(yǎng)分緩釋性能, 從而與肥料形成互補協(xié)同的關(guān)系; 生物質(zhì)炭與氮肥配施對產(chǎn)量的影響比單施生物質(zhì)炭效果更顯著, 這除了與生物質(zhì)炭自身含有較少的養(yǎng)分有關(guān)之外, 還可能與生物質(zhì)炭配施氮肥可以顯著改善土壤孔隙度和持水性能[21]、增加土壤pH以及減少活性鋁[22]、增強K、P、Mg、Ca等營養(yǎng)元素的有效性[23]、提高陽離子交換量[24]以及與作物類型等密切相關(guān)[25], 其具體原因還有待進一步研究。

3.2 植物C、N、P含量對生物質(zhì)炭配施氮肥的響應(yīng)

本研究表明, 無論是否有生物質(zhì)炭的添加, 隨著施氮量增加, 小麥地上部分C含量呈逐漸上升趨勢, 但不同處理小麥葉片碳含量均遠低于Elser等[2]研究的全球492種陸生植物葉片碳平均含量464 g·kg-1,說明該研究區(qū)植物的有機質(zhì)含量和碳儲量較低。不同處理的結(jié)果表明, 相比生物質(zhì)炭添加各處理, 無生物質(zhì)炭處理小麥C含量有提高趨勢, 但差異性不顯著; 而在生物質(zhì)炭添加100 kg(N)·hm-2氮肥的條件下, 籽粒C素含量達到370.44 g·kg-1, 相比CK處理其增幅達2.34%。這可能與生物質(zhì)炭本身較高的C含量有關(guān)。生物質(zhì)炭和氮肥的施用, 小麥秸稈干物質(zhì)量的生產(chǎn)和枯落物的分解增加了植物和土壤有機質(zhì)總量, 從而改善了小麥根系的生長, 促進了地上部光合功能的發(fā)揮, 并最終導(dǎo)致小麥C素含量的相應(yīng)提高。單施生物質(zhì)炭并未提高器官C含量, 這是由于植物體主要通過葉片的光合作用進行C素的吸收和固定, 因此其C含量相對變化較小。

研究區(qū)小麥地上部分N平均含量為10.51 g·kg-1, 遠低于Han等[26]研究的全國753種陸地植物氮平均含量18.6 g·kg-1, 這可能與該地區(qū)土壤N含量較低有關(guān)。從不同器官來看, 隨著氮肥和生物質(zhì)炭的施入, 小麥籽粒產(chǎn)量顯著提高, 小麥的生長促進了N素向籽粒器官的再分配, 受到稀釋效應(yīng)的影響, 從而導(dǎo)致植物莖稈和葉片氮含量相對較低。另一方面, 從不同處理氮磷含量來看, 由于本研究有一定的磷肥作為補充, 因此生物質(zhì)炭添加下小麥不同器官氮磷含量顯著提高, 這與杜衍紅、陳心想等的研究結(jié)論十分相似[12,27]。生物質(zhì)炭具有較高的N、P、K、Mg含量, 因此配施不同量氮肥可以彌補單施生物質(zhì)炭供給N素不足的缺陷, 這就在一定程度上能夠顯著提高肥料的表觀利用率以及氮素利用率, 從而造成土壤C∶N的下降, 進而進一步提高了N素的有效性, 最終使得小麥葉片、莖稈和籽粒N含量得以提高。和N素含量類似, 生物質(zhì)炭配施氮肥利于植物對P素的吸收。這可能與生物質(zhì)炭配施氮肥顯著提高了土壤P含量和某些微量元素的有效性, 并提高了土壤速效磷等有效養(yǎng)分含量等因素有關(guān)。由于環(huán)境中養(yǎng)分在供應(yīng)短缺的情況下以提高養(yǎng)分重吸收率為其養(yǎng)分利用的主導(dǎo)方式適應(yīng)環(huán)境, 而在土壤養(yǎng)分供應(yīng)相對富足情況下植物則主要以提高養(yǎng)分吸收能力的方式適應(yīng)環(huán)境, 因此小麥在衰老過程中P含量可能存在較高的轉(zhuǎn)移率, 養(yǎng)分重吸收明顯[28]。

3.3 生態(tài)化學計量比對生物質(zhì)炭配施氮肥的響應(yīng)

N∶P能較好地反映N、P養(yǎng)分的限制作用, 是土壤向植物提供養(yǎng)分狀況的重要指標, 同時對植物生產(chǎn)力限制性起重要的指示作用[29]。C∶N和C∶P則能夠反映植物養(yǎng)分利用效率的高低狀況[9]。不同人為措施下植物可以通過不同的生理生化反應(yīng)調(diào)節(jié)C、N、P的代謝和循環(huán)特征, 從而使植物體最終表現(xiàn)出特定的元素生態(tài)化學計量特征。從小麥C∶N和C∶P角度來看, 隨著氮肥用量的增加以及生物質(zhì)炭的補充, 小麥C∶N顯著降低, 而C∶P則相對升高, 這說明植物在N素營養(yǎng)元素供應(yīng)缺乏的情況下往往具有較高的N素利用效率, 同時表明植物體N同化C的能力較強, 這可能是植物適應(yīng)養(yǎng)分貧乏狀態(tài)的生存策略。而從N∶P比角度來看, Yan等[30]對黃土高原施肥措施下小麥計量比研究結(jié)果表明, 隨著氮肥用量的升高, 小麥莖稈和籽粒N含量顯著增加, P含量則呈現(xiàn)下降趨勢, N∶P顯著增加, 本研究結(jié)果則不盡一致, 可能是由于試驗處理有一定的磷肥補充, 氮磷養(yǎng)分的交互作用使得植物體P素含量有所上升, 因此N∶P相對有所增加。而生物質(zhì)炭配施不同用量氮肥下植物N∶P則相對恒定, 且相比無生物質(zhì)炭添加各處理, 生物質(zhì)炭與氮肥配施處理顯著降低了小麥N∶P, 這可能是由于生物質(zhì)炭本身含有豐富的有機大分子和發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu), 施入土壤后又較易形成大團聚體[31], 因此對土壤中的NH4+-N、NO3--N以及有效磷等不同形態(tài)的營養(yǎng)元素有很強的吸附作用, 因此可以進一步影響到作物N∶P比在地上部各器官之間分配與代謝過程。

3.4 植物N∶P比及其養(yǎng)分的限制性

從植物N∶P計量比的養(yǎng)分限制性來看, 一般認為, 低N∶P意味著群落缺N, 而對于高N∶P的生態(tài)學機制卻還存在爭議。由于土壤養(yǎng)分有效性、物種以及植物年齡在不同研究區(qū)域、生態(tài)系統(tǒng)或植被類型變異很大, 因此N∶P表現(xiàn)出較大的變異性, 從而使得判斷N、P限制作用的N∶P值不同, N∶P臨界指標變化很大。如有些研究者認為高N∶P說明植被生產(chǎn)力受P限制, 而有些學者觀點則認為高N∶P比還有可能是N、P共同限制的結(jié)果。如Güsewell[32]認為植物N∶P比<13和>16分別表示植被受N限制和P限制, 而N∶P在兩者之間則為N、P共同限制。Tessier和Koerselman等[9-10]對濕地生態(tài)系統(tǒng)進行施肥試驗結(jié)果顯示, 當植物體N∶P>16為P限制, N∶P<14則受N限制。Braakhekke和Hooftman[33]則認為當N∶P大于14而植物葉片P含量低于1.0 g·kg-1時, 這個系統(tǒng)受P限制; 而當N∶P小于10, 而植物葉片N含量低于20.0 g·kg-1時, 則該生態(tài)系統(tǒng)受N限制; N∶P比在10~14范圍內(nèi)被認為是受到2種元素共同限制(N<20.0 g·kg-1、P<1.0 g·kg-1)或兩種元素都不缺少(N>20.0 g·kg-1、P>1.0 g·kg-1)。而Zhang等[34]對我國內(nèi)蒙古地區(qū)草原的施肥試驗表明, 當N∶P>23時表現(xiàn)為P限制, N∶P<21則表現(xiàn)為N限制。研究區(qū)小麥葉片N素在10 g·kg-1以下, P素含量則在1.0 g·kg-1左右, N∶P為18~23, 安卓等[28]氮素添加試驗認為氮肥加強了P素對植物生長的限制, 因此旱作農(nóng)田小麥可能受到P的限制。

從全球N、P限制類型的全球分布模式來看, 全球氣候變化加劇熱帶地區(qū)P的限制, 而高海拔或高緯度地區(qū), 限制類型有從N限制轉(zhuǎn)向P限制的趨勢。根據(jù)汪濤等[35]對中國第2次土壤普查數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示, 黃土高原黃綿土土壤的有效磷含量較全國平均值要低(黃綿土有效磷密度為1.9 g·m-2, 全國土壤有效磷平均密度為3.4 g·m-2)。Zheng等[36]通過對黃土高原7個不同地區(qū)的126種植物葉片化學計量特征進行研究的結(jié)果認為, 黃土高原地區(qū)不同生活型植物葉片N∶P計量比平均值為14.9, 且各地區(qū)N∶P比總體上隨著緯度和年太陽輻射量的升高而升高, 但隨年平均降雨量和年平均溫度的下降, 葉片N∶P比值則升高。本研究N∶P比顯著高于Zheng等[36]測定的禾本科葉片計量比, 由于研究區(qū)地處黃土高原西部, 因此太陽輻射較強, 而降水則相比較少, 受到太陽輻射和降水的影響, 從而使得CNP計量比相對較高, 再次證明了試驗區(qū)受到P素的限制觀點, 符合Güsewell[32]提出的N∶P比值的臨界值假說。因此在本研究中相較于N限制而言, 小麥種群可能更多地受P素的限制。

4 結(jié)論

研究區(qū)小麥地上器官C、N、P含量的影響隨著生物質(zhì)炭和氮肥等處理方式的差異呈現(xiàn)出較大的差異性, 其中100 kg(N)·hm-2氮肥配施生物質(zhì)炭的小麥各器官的碳含量大于對照處理以及單施生物質(zhì)炭的C含量, 且小麥N、P含量隨著氮肥用量的提高呈上升趨勢。不同處理小麥地上器官C∶N、C∶P、N∶P因作物C、N、P含量的不同也發(fā)生較大變異, 尤其是生物質(zhì)炭配施100 kg(N)·hm-2氮肥措施下小麥光合產(chǎn)量最高, 此時其莖稈和籽粒C∶N最小, 而C∶P比則最低, 50 kg(N)·hm-2氮肥配施生物炭處理下小麥N∶P為最低。但與此同時, 生物質(zhì)炭配施氮肥措施進一步加強了P素對植物生長的限制, 從而促使研究區(qū)小麥由N限制向P素限制的轉(zhuǎn)變。由于本研究在一定程度上探討了生物質(zhì)炭添加氮肥對農(nóng)田作物化學計量學特征的影響, 但生物質(zhì)炭配施氮肥對于作物的影響是一個長期的過程, 受溫度、降水等氣候條件以及土壤理化性質(zhì)等因素的多重影響, 只有通過多年的連續(xù)觀測才能完整地揭示旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對生物質(zhì)炭配施氮肥方式的響應(yīng)。此外,考慮到旱作農(nóng)田在恢復(fù)建設(shè)過程中, 為防止養(yǎng)分的消耗和流失以及進一步促進旱農(nóng)區(qū)耕地資源的可持續(xù)發(fā)展, 研究建議增加不同用量磷肥, 并配合一定的生物質(zhì)炭進行組合施用。

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Effect of combined application of biochar and N-fertilizer on yield and C∶N∶P ratio of spring wheat*

NAN Xuejun1, CAI Liqun1,2**, WU Jun1, LIU Xiaoning1, GAO Zhiqiang1, Stephen Yeboah1,3, ZHANG Renzhi1,2

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Gansu Province Research Center for Water-saving Agriculture Engineering Technology, Lanzhou 730070, China; 3. CSIR-Crops Research Institute, P.O. BOX 3780-Kumasi, Ghana)

Carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) are the 3 main elements existing in living organisms. It has long been known that C∶N∶P stoichiometry of consumers and their resources affect both the structure and function of the food web that eventually influence broad-scale processes such as global carbon cycles. The balance of these nutrients can influence plant growth and its stoichiometry in ecosystems. Wheat is one of the most important food crops and wheat production affects global food security. The combined application of biochar and N fertilizer has been reported to be a beneficial agronomic measure, and noted to affect grain yield and C∶N∶P allocation patterns in wheat. In addition, the study of different N fertilizer and biochar on wheat yield, C, N and P contents and their ratio have been closely linked with nutrient limitation and rational fertilization. In this study, we explored the yield and C, N and P contents and their ratios of wheat under different N-fertilizer and biochar treatments (50 kg·hm-2N-fertilizer, 100 kg·hm-2N-fertilizer, biochar, biochar combined with 50 kg·hm-2N-fertilizer, biochar combined with 100 kg·hm-2N-fertilizer and no N-fertilizer or biochar as control). The results showed that different treatments significantly increased wheat straw and grain yield, compared with that of control treatment. Except for the single biochar application, other treatments increased N contents of wheat organs. Biochar combined with different doses of N-fertilizer significantly increased C and P contents of both wheat stem and grain. Biochar combined with 50 kg·hm-2N-fertilizer significantly decreased leaf C∶N and C∶P ratios. Then biochar combined with 100 kg·hm-2N-fertilizer significantly reduced stem C∶N, C∶P and N∶P ratios and grain C∶N and C∶P ratios. In terms of nutrient limitation, N∶P ratio in wheat leaf in the study area was 18?23, wheat may be limited by P element. Biochar combined with N-fertilizer significantly increased wheat yield and CNP nutrient contents. At the same time, it decreased wheat C∶N, C∶P and N∶P ratios. From the above, the comprehensive performance of biochar plus 100 kg·hm-2N-fertilizer was the best pattern to enhance wheat productivity.

CNP; Ecological stoichiometry; Nitrogen fertilizer; Biochar; Spring wheat

10.13930/j.cnki.cjea.161184

S532.01

A

1671-3990(2017)08-1154-09

* 國家自然科學基金面上項目(3157101843)、“十二五”《循環(huán)農(nóng)業(yè)科技工程》項目(2012BAD14B03)和甘肅省自然科學基金項目(145RJZA204, 145RJZA106)資助

**通訊作者:蔡立群, 主要從事土壤生態(tài)學和保護性耕作研究等工作。E-mail: cailq@gsau.edu.cn

南學軍, 研究方向為恢復(fù)生態(tài)學。E-mail: 1530679768@qq.com

2016-12-28 接受日期: 2017-02-21

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (3157101843), the Project of the Twelfth Five-Year Plan for Circular Agriculture Science and Technology of China (2012BAD14B03) and the Natural Science Foundation of Gansu Province (145RJZA204, 145RJZA106).

, E-mail: cailq@gsau.edu.cn

Dec. 28, 2016; accepted Feb. 21, 2017

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