全 文 ：收稿日期：!""#$"!$%" 接受日期：!""#$"&$"’
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目资助（()*+!$,-$ &!&$!）。
作者简介：高会议（%#.!—），安徽砀山人，博士，主要从事土壤碳循环与生态环境研究。/01234：52678393":"%;%<’= >61
! 通讯作者 /01234：?4586;1?@ 3?A>@ 2>@ >B
施肥措施对黄土旱塬区小麦产量和土壤
有机碳积累的影响
高会议%，郭胜利%，!!，刘文兆%，!，车升国%
（% 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 :%!%""；
!西北农林科技大学水土保持研究所，中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 :%!%""）
摘要：利用中国科学院长武农田生态试验站的长期田间试验（%#.&年!!"":年），研究了小麦产量，耕层有机碳变
化，评价了土壤管理和气候因素对土壤有机碳（C634 6D52B3> *，CE*）变化的影响。研究涉及 <个处理：休闲地（F）；不
施肥（*(）；有机肥（G）；氮肥（H）；氮、磷肥（HI）和氮、磷、有机肥（HIG）处理。结果表明，施肥可以显著提高作物产
量和 CE*积累，*(、G、H、HI、HIG处理平均产量依次为 %=J、!=<、!="、’=’、&=" K L 71!，!"":年 F、*(、G、H、HI、
HIG处理 "—!" >1土层 CE*积累量依次为 $ %="#、"=:<、.=J#、%="!、’=&!和 #=J K L 71!。作物产量与 CE*含量呈
显著的正相关关系（ ! M "=."），有机碳输入量与 CE*含量相关性更好（ ! M "=#:），外源有机碳的输入也是提高 CE*的
重要措施。施肥措施对作物固碳和 CE*影响存在显著（" N "="J）差异。土壤固碳速率（,）与 CE*输入量（+）符合
线性方程 ,M "=!’%+ $ "=".%’（ ! M "=#.）。施肥可以提高黄土高原半干旱地区土壤生产力和 CE*的积累，且无机肥
和有机肥配施效果最佳。
关键词：施肥措施；黄土旱塬；小麦产量；CE*
中图分类号：C%&:=’；C%J’=< O ! 文献标识码：P 文章编号：%"".$J"J+（!""#）"<$%’’’$"<
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植物营养与肥料学报 !""#，%J（<）：%’’’$%’’.
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!"# $%&’(：-’.,%+%0),%"&；.)%&-’( +"’22%)+ ,)$+’+)&(；34’), 5%’+(；678
提高农田土壤有机碳（6"%+ "./)&%! 8，678）库，对
保持农业的可持续发展、缓解气候变化趋势具有双
重的积极意义［9:;］。研究显示，9<=>年以来，我国农
田 678库整体上呈不断上升趋势［9:?，@:<］。由于我国
地域辽阔，气候和土壤管理方式复杂多样，区域尺度
上农田的 678盈余表现不一［9>］。目前已有的研究
结果还难以定量评价全国农田 678变化。从区域
角度，研究农田 678动态变化对揭示全国农田 678
库变化具有重要意义。
黄土高原地区为我国典型的雨养农业区和生态
脆弱区［99:9?］。该地区耕地面积达 9<>>万 4#?，占全
国耕地面积（9A B4#?）的 9;C以上［9A］。由于干旱和
水土流失的影响，上世纪 =>年代初，黄土区粮食作
物产量只有全国同期产量的 @@C，农田 678含量仅
为全国平均水平的一半［9D］。9<=>年以来，由于经营
体制变化，采取了提高化肥投入、改良品种、治理水
土流失等多种措施，区域土壤生产力提高了 E;C，
部分地区提高一倍以上［9;:9@］。随着土壤生产力的
提高，这一区域的农田土壤成为我国农田土壤固碳
潜力较大的区域之一。本文以设立于该地区的长期
试验为对象，探讨了土壤生产力与 678 变化的关
系，并讨论了土壤管理和气候因素对 678变化的影
响。
) 材料与方法
)*) 试验地的自然条件
长期试验在长武站（中国科学院生态研究网络
8FGH台站）进行，该区位于陕西省长武县（东经
9>EID>J，北纬 A;I9?J），海拔 9?>> #，属于典型的黄土
旱塬区，半湿润季风气候。9<=D年!?>>E年间年均
降水量为 ;=@ ##，其中最高年份为 <;D ##，最低年
份为 ?<@ ##。E!< 月降水量占年总量的 D
MN O !#?，无霜期 9E9(。土壤为粘壤质黑垆土，母质为
中壤质马兰黄土，土层深厚，土质疏松。布设试验前
>—?> !#耕层土壤有机碳含量 @K;> / O M/，全氮 >K@?
/ O M/，碱解氮 AEK> #/ O M/，7+2’&PQ AK> #/ O M/，速效钾
9?
量较低，钾素丰富，呈微碱性反应［9?］。
)*+ 试验设计与管理
试验始于 9<=D年 <月，设 99种轮作方式与 E种
施肥制度（不完全组合），共 A@个处理，三次重复，随
机区组排列［9?］。小区面积 9>KA # S @K; #，小区间
距 >K; #，区组间距和周边宽各 9K> #。本研究选取
其中的休闲地（T）和冬小麦（U.%,%!V# )’2,%WV# X1）连
作 ;个施肥处理（表 9）。依据党廷辉等［9E］测定有机
肥含碳量（9K>EC），估算每年有机肥中碳的输入量。
表 ) 从长武长期定位试验选择的轮作施肥处理
,-./" ) ,0" ("/"1"’ 2&"-23"42( %5 20" /%4672"&3 "89"&:3"42
:4 ;0-46$< =2-2:%4
处理
U.’),#’&,
施肥量 T’.,%+%0’.2 .),’!
（M/ O 4#?）
H Q B
休闲 T)++"32（T） > > >
对照 8Y > > >
氮肥 H 9?> > >
氮 Z磷 HQ 9?> A< >
有机肥 B > > E;>>>
氮 Z磷 Z有机肥 HQB 9?> A< E;>>>
注（H",’）：H—尿素 [.’)；Q—磷肥 6V*’.*4"2*4),’；B—有机肥
T).#5).( #)&V.’；!单季作物施肥量 T’.,%+%0),%"& .),’ *’. !."*
供试作物为冬小麦（小麦品种为长武 9A9 系
列），连作种植，每年 9料，播种期为 <月下旬（播量
9;>!9<> M/ O 4#?，行距 ?> !#），试验期间管理措施同
大田，次年 @ 月收获后土壤休闲，期间圆盘耙机耕
（深度小于 ?> !#）松土蓄墒。全部肥料均于播种前
作基肥 9次施入耕层。
)*> 土壤采样与分析方法
土壤样品：?>>E 年小麦收获后，每小区以 6形
采集 ; 钻土样，制成混合土样，@ 个处理，每处理 A
次重复，共计采集 9= 个土样。样品风干，过 >K?;
##筛，分析 678（重铬酸钾容量法—外加热法）［9=］。
用环刀每个小区采集 A次重复，每一处理共 <次重
复，测定土壤容重（表 A）。利用以下公式估算耕层
（>—?> !#）678的储量（6678 , O 4#?）：
6678 \ 678 S!S R S >K9
式中：678为土壤有机碳浓度（/ O M/）；!为耕层土壤
容重（/ O !#A）；R为土层深度（!#）。
植株样品：每年冬小麦成熟期收获小区 9 O A，以
DAA9 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 9;卷
估算单位面积子实产量和地上部分生物量。秸秆和
子实风干后，称重，在 !"#条件下烘干到统一水分
称重，用于估算小区产量（生物产量和子实产量）。
!"# 作物根茬输入碳的估算
小麦子实产量和地上部分生物量为实测值，"—
$" %&土层根茬还田量以地上部分生物量的 ’()进
行估算，秸秆留茬和叶的凋落物以地上生物量的
*")估算，根茬含碳量取 ’+)［+，*,-$*］。
数据采用 ./.01*（./. 2345 6，*,,,）软件进行统
计分析，当 7检验显著时，进行各处理间的方差分
析。
$ 结果与分析
$"! 施肥措施对小麦产量和根茬碳的影响
党廷辉等［*!］、郭胜利等［*$］曾对该长期定位试
验的小麦产量进行了系统研究。本文只做简要分
析。从表 $ 可以看出，施肥措施显著（! 8 "1"(）影
响作物产量（$’年平均值）。与不施肥处理 9:（*1(
5 ; <&$）相比，=（$1" 5 ; <&$）和 >处理（$1+ 5 ; <&$）小麦
产量提高 ’’)和 !’)，=?（’1’ 5 ; <&$）和 =?>处理
（@1" 5 ; <&$）则提高 *$")和 *!")。相似地，与对照
相比，=、>、=?、=?>处理地上部生物量依次提高了
’’)、!’)、*$")、*+!)。依据生物量估算根茬还
田量，9:处理根茬碳还田量仅为 "1(+ 5 ;（<&$·A），施
肥处理则较 9:显著（! 8 "1"(）提高，但不同施肥处
理提高幅度存在差异，=和 =?处理较 9:提高 ’@)
和 *$")，而 >和 =?>则提高 !’)和 *++)。以上
结果表明，黄土高原半干旱地区农田施肥措施可显
著提高作物产量、地上部生物量和根茬碳还田量，其
中有机无机肥配施效果更为明显［*$］。
表 $ 长武长期定位试验不同施肥条件下冬小麦产量和作物根茬碳还田量
%&’() $ *+)&, -.)(/ &0/ 1)2./3)2 &4530, 1),310)/ ,5 ,+) 25.( 30/)1 ,+) ,1)&,4)0,2
56 ,+) (5078,)14 )9:)1.4)0, .0 ;+&07<3 2,&,.50
处理
BCDA5&D35
产量
EFDGH
（5 ; <&$）
地上部分生物量
.
根茬碳还田量
KII5L9 F3MN5
［5 ;（<&$·A）］
外源碳的输入量
9 F3MN5 OCI& 7E>
［5 ;（<&$·A）］
7 " A " A " A "
9: *1( J ’1@( J "1(+ J "
= $1" % @1+" % "1!( % "
> $1+ H (1,0 H "1,! H "10
=? ’1’ D !1(, D *1$’ D "
=?> @1" O ,1$" O *1@, O "10
注（=I5D）：有机肥含碳量 *1"!)；同列数据后不同小写字母表示 ! 8 "1"(水平上差异显著，下同 9ACJI3 %I35D35 IO ICPA3F% ODC5FGFQDC F4 *1"!) 6
B
与 *,0@年的 .T9（+1(" P ; UP）相比，长期休闲处
理（7），因没有有机物质的输入，到 $""! 年，随着土
壤原有 .T9的不断矿化分解，耕层 .T9含量（(1,"
P ; UP）降低了 ,)，.T9 积累量为负值（表 ’）。这一
结果显示，$’ 年期间休闲处理的土壤一直是大气
9T$的源。9:处理 $’ 年后耕层 .T9 积累量（"1!+
5 ; <&$）略有提高，表明不施肥的条件下，小麦根茬的
输入量与土壤的 9T$ 排放量基本处于平衡状态。=
处理，尽管可以提高 .T9的积累，但幅度有限（*1"$
5 ; <&$）。=?处理则可以显著（! 8 "1"(）提高 .T9的
积累量（’1@$ 5 ; <&$），达到 *"+)。直接添加外源有
机肥的条件下，.T9 含量得到显著提高，> 和 =?>
处理提高了 *(!)和 *(,)（! 8 "1"(）。上述结果说
明，种植植物是维持或提高 .T9的基础，氮磷配施、
有机肥或化肥与有机肥配施可显著提高耕层 .T9
储量。
? 讨论
?"! 土壤生产力的提高是促进 =>;积累的重要因
素
土壤有机物输入、.T9 各组分的分解和矿化、
.T9各组分在分解过程中的相互转化，这三个要素
的相互作用决定 .T9的积累水平。生产力的提高
是促进有机物输入，提高 .T9 的重要因素。图 *J
显示，本研究中，作物产量与 .T9变化呈显著的正
相关关系（"$ V "1!,+）。相似的结果在太湖地区［+］，
黄淮海地区［$］、洞庭湖地区［$$］，非洲［$’］、美洲等
(’’*+期 高会议，等：施肥措施对黄土旱塬区小麦产量和土壤有机碳积累的影响
表 ! 长武长期定位试验不同施肥条件下 "#$积累量
%&’() ! "#$ &**+,+(&-./0 +01)2 -3) -2)&-,)0-4 /5 -3) (/067-)2, )89)2.,)0- .0 $3&06:+ 4-&-./0
处理
!"#$%&#’%
()*+ ," -../ ," 012积累量
012
$334&45$%67’
（% 8 9&-）
土壤容重
:45; <#’=6%,
（> 8 3&?）
012
（> 8 ;>）
012储量
012 =%73;
（% 8 9&-）
土壤容重
:45; <#’=6%,
（> 8 3&?）
012
（> 8 ;>）
012储量
012 =%73;
（% 8 9&-）
@ (A? BAC (BA) (A?+ 3 CA) D .A( $ (CA*( $ E (A.) $
2F (A? BAC (BA) (A-* G BA) D .A- G (/ABB G .A/B G
H (A? BAC (BA) (A-* G /A. D .A+ G (/A)- G (A.- G
I (A? BAC (BA) (A(* $ (.A* D (A- < -CA+) < *AC) <
HJ (A? BAC (BA) (A-/ G *A. D .AC 3 -.A?- 3 ?A+- 3
HJI (A? BAC (BA) (A-. $ ((A. D .A* < -BA+. < )AC. #
地［-+E-B］都有报道。
由图 ($中的回归方程可知，作物根茬有机碳的
输入量可以解释 012变化的 B?K，本研究中外源有
机碳的输入量占到了总碳输入量的 ?.K!C.K。根
茬碳与外源碳之和可以解释 012 变异的 )+K（图
(G）。这表明，外源有机碳的输入也是提高 012 的
重要措施，这与潘根兴等［B］的 012积累主要与作物
产量有关，而非依变于有机肥源碳输入研究结果不
同。外源有机碳的最终来源也是作物或植物光合作
用的产物，只有提高作物产量才能获取更多的外源
有机物和根茬有机碳。
图 ; 子实产量和碳输入量（根茬碳 <外源碳）与 "#$变化的关系
=.6>; ?)(&-./043.9 ’)-:))0 "#$ &01 62&.0 @.)(1 &01 $ .09+-
!AB 施肥措施对作物固碳和土壤固碳的差异
在农田生态系统中，作物固碳和 012变化密切
相连，但施肥措施对作物固碳和 012影响存在显著
差异。相对于 2F，同样的施肥措施对作物固碳的提
高量明显高于 012。例如，H处理的作物产量比 2F
提高了 ??K，但 H处理的 012基本上没有明显变化
（较 2F处理提高了 (K）。HJ处理，作物产量较对
照提高了 /?K，012较 2F提高了 (/K。作物的固
碳能力与品种、养分、水分的供应、耕作管理等密切
相关。012积累与有机物输入量、土壤的固碳效率
等有关。
!A! 土壤质地、气候和耕作管理对土壤固碳效率的
影响
长期施用有机肥和化肥对 012的影响因土壤
类型、耕作管理和气候而呈现差异。在黄土高原地
区 012变化速率与碳年输入量存在极显著的相关
关系（L M .A-?(N E .A.*(?，!- M .A)C*-）（图 -）。每
年输入 ( % 的有机碳，其转化为 012 的量大约为
.A-? %。这一结果与此区域有机物料矿化模拟试验
所得到的腐殖化系数（.A-(!.A?/）基本一致［-/］，但
明显高于同纬度的黄淮海地区的试验结果［-］。孟磊
等［-］在潮土上的长期试验结果表明，012变化速率
与年碳输入量（根茬碳 O有机肥碳）存在如下关系 L
M .A(.(*N E (+)A++（!- M .A)B*?），孟磊等［-］还认为
收获期作物根茬碳与有机肥中碳之和可作为 012
输入量。因国内外对作物根茬碳还田量的估算方法
B??( 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 (C卷
图 ! 长武长期定位试验土壤碳输入与固氮速率
的相互关系
"#$%! &’()*#+,-.#/- 0’*1’’, 2 #,/3* ),4 2
-’53’-*6)*#+, 6)*’ +7 *.’ (+,$8*’69 ’:/’6#9’,*
#, 2.),$13 -*)*#+,
不统一［!，"，#$］，为了便于比较，依据孟磊等［!］在潮土
试验中根茬碳占子实碳的比例为 %$&，重新估算了
本研究中根茬碳输入量，得到 ’()变化速率与碳年
输入量的回归方程为 * + ,-%.#/0 1 ,-,.#$（ !! +
,-$2#3）。在计算方法相近的条件下，对比两个试验
得到的方程可以看出，黄淮海平原上潮土的固碳效
率大约为 ,-#,，此数值远低于黄土区的黑垆土
（,-%.）。其原因可能与下列因素有关：#）本研究的
供试土壤为粘壤质黑垆土，4 ,-,,# 55的粘粒含量
为 #/&［!2］，孟磊等［!］的研究的土壤为轻壤质黄潮
土，4 ,-,,# 55的粘粒含量为 ##&［!2］；!）本研究所
在地的年降水量（/2, 55）比孟磊等［!］研究所在地
的降水量稍低（",/ 55），且年均气温（$-.6）也低于
后者（#%-$6）。黄土区，土壤粘粒含量高、温度低，
因此，在同样有机物输入的条件下，黑垆土较黄淮海
潮土的固碳效率要高。但由于黄淮海地区温度高，
加上灌溉，一年两熟，土壤休闲时间短于黄土区，土
壤生产力也显著高黄土区。因此有机物年输入总量
高于黄土区，这可能是同纬度黄淮海地区 ’()（#-"#
7 8 97）稍高于黄土区（#-#. 7 8 97）的原因所在［#$］。所
以在黄土区采用高留茬等秸秆还田措施对提高 ’()
积累，发挥区域土壤固碳能力具有一定的实践意义。
; 结论
黄土高原半干旱地区农田施肥可显著提高作物
产量和根茬碳还田量。与对照（):，#-/ ; 8 <5!）相
比，施氮肥（=），有机肥（>），氮、磷肥（=?），氮、磷与
有机肥（=?>）等 /种处理使得小麦平均产量分别提
高了 %%&、3%&、#!,&和 #"3&（" 4 ,-,/）；根茬碳
还田量分别提高了 %.&、3%&、#!,&和 #""&。与
休闲地相比，种植植物是维持或提高 ’()的基础，
施肥在不同程度上促进了 ’()的积累，氮磷配施、
有机肥或化肥与有机肥配施可显著（" 4 ,-,/）提高
耕层 ’()储量。根据 ’()库的储量与土壤碳的输
入之间呈显著的线性关系，认为 ’()的固定主要来
源于作物根茬和有机肥源碳的总输入量的增加。
参 考 文 献：
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候变化研究进展，!,,2，.（/）：!2!1!2$@
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［"］ 潘根兴，周萍，张旭辉，等 @不同施肥对水稻土作物碳同化与土
壤碳固定的影响—以太湖地区黄泥土肥料长期试验为例［A］@
生态学报，!,,"，!"（##）：%3,.1%3#, @
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&))( 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 (O卷