全 文 ：中国生态农业学报 2014年 5月 第 22卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2014, 22(5): 501−508


* 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB100506)、中国科学院知识创新项目(CXJQ120111)和国家小麦现代产业技术体系项
目资助
** 通讯作者: 张佳宝, 主要从事农田生态过程长期演变规律与地力提升机理的研究。E-mail: jbzhang@issas.ac.cn
陈林, 主要从事不同农业管理模式下土壤微生物的研究。E-mail: lchen@issas.ac.cn
收稿日期: 2013−11−16 接受日期: 2014−03−11
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.31133
施氮和灌溉管理下作物产量和土壤生化性质*
陈 林 1,2 张佳宝 1,3** 赵炳梓 1 马东豪 1
(1. 中国科学院南京土壤研究所 土壤与农业可持续发展国家重点实验室 南京 210008; 2. 中国科学院大学 北京 100049;
3. 河南农业大学资源与环境学院 河南粮食作物协同创新中心 郑州 450002)
摘 要 氮和水对作物生长非常重要, 研究施氮和灌溉管理下作物产量、土壤性质以及它们的关系对我国农业科
学有重要意义。本文以中国科学院封丘农业生态试验站为平台, 研究了施氮(每季施氮 150 kg·hm−2、190 kg·hm−2、
230 kg·hm−2、270 kg·hm−2, 以不施氮为对照)和灌溉(灌溉量达到 0~20 cm、0~40 cm、0~60 cm土壤的田间持水
量, 以雨养为对照)管理下小麦−玉米轮作系统作物产量和土壤生化性质, 以及它们之间的关系。研究结果表明,
150~270 kg·hm−2施氮量对 2008 年、2009 年玉米产量和 2009 年、2010 年小麦产量无显著影响; 灌溉对 2010
年玉米产量无显著影响, 而 2008 年、2009 年玉米产量随灌溉量增大而增加。尽管 2008—2011 年小麦产量随
灌溉量变化趋势不一致, 但与雨养相比灌溉提升了小麦产量。施氮在不同程度上提升了土壤全氮和速效氮含
量、脱氢酶和脲酶活性、微生物生物量碳、基本呼吸和硝化势, 稍微降低了土壤 pH并大幅降低了速效磷含量
(降幅 48.7%~51.6%); 灌溉提升了土壤全氮含量和脱氢酶活性, 降低了全钾含量、脲酶活性、基本呼吸、硝化
势。多元回归分析显示, 某些土壤生化性质(全氮、溶解性有机碳、速效磷含量及微生物生物量碳氮、呼吸熵、
硝化势)与 2009 年、2010 年玉米产量很好地线性拟合。综上, 土壤生化性质因施氮和灌溉发生不同程度的分
异, 因施氮和灌溉而分异的土壤生化性质能部分地鉴定作物产量。本研究方法可为产量主导因子的筛选及产
量估算模型的建立提供一定参考依据。
关键词 小麦−玉米轮作系统 施氮 灌溉 土壤 生化性质 作物产量
中图分类号: S158.2 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)05-0501-08
Crop yield and soil biochemical properties under different nitrogen
fertilization and irrigation management schemes
CHEN Lin1,2, ZHANG Jiabao1,3, ZHAO Bingzi1, MA Donghao1
(1. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences; State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Nanjing
210008, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. College of Resources and Environment,
Henan Agricultural University; Collaborative Innovation Center for Food Crops in Henan, Zhengzhou 450002, China)
Abstract It is generally known that nitrogen (N) and water are critical for crop growth. It is therefore important to study the effects
of N fertilization and irrigation on crop yield, soil properties and their relationship to crop yield. However, domestic studies have
provided little details about the relationship between crop yield and soil properties influenced by N fertilization and irrigation
management schemes. Foreign studies have mainly focused on the relationship between soil physicochemical properties and crop
yield, and the relationship of crop yield with soil biochemical properties not well documented. To address this knowledge gap, this
study explored the effects of N fertilization and irrigation management schemes on crop yield and soil biochemical properties and
their relationship. N fertilization and irrigation management schemes were initiated in 2005 at the Fengqiu Agro-Ecological
Experimental Station of Chinese Academy of Sciences. Under summer maize (Zea mays L.) and winter wheat (Triticumae stivum L.)
crop rotation system, N fertilizer was applied at the rates of 150 kg·hm−2, 190 kg·hm−2, 230 kg·hm−2 and 270 kg·hm−2 per crop season
and non-N input used as the control. Irrigation was done to meet soil field capacity of the 0−20 cm, 0−40 cm and 0−60 cm soil layers
and also with rain-fed treatment as the control. Soil samples were collected at 0−20 cm soil depth in June 2011 and basal biochemical
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properties determined. Meanwhile, crop yield data for 2008−2011 were analyzed. The results showed that N fertilization rate of
150−270 kg·hm−2 did not significantly enhance maize yield in 2008 and 2009, and wheat yield in 2009 and 2010. Irrigation little
influenced maize yield in 2010, while maize yield in 2008 and 2009 gradually increased with increasing irrigation amount. Compared
with rain-fed system, irrigation increased wheat yield in 2008−2011. N fertilization increased soil total N content (TN), available N
content (AN), dehydrogenase activity (DHD), urease activity (URE), microbial biomass carbon content (MBC), basal soil respiration
(BSR) and nitrification potential (NP) to varying degrees. N fertilization slightly decreased soil pH and sharply decreased available P
content (AP) by 48.7%−51.6%. Irrigation slightly increased TN and DHD and then decreased URE, BSR, NP and total K content
(TK) to varying degrees. With the exception of TK, AN, and DHD, correlation analysis showed significant correlations among these
properties. Principal component analysis was used to select highly weighted factors for explaining yield variation. The selected
properties included TN, DOC, AP, MBC, MBN, NP and quotient of respiration (qCO2). After analyses using the determined
biochemical properties, multi-collinearity problem was resolved. Finally, multiple linear regression analysis was performed using the
selected properties (TN, DOC, AP, MBC, MBN, NP, qCO2) and crop yield, in which all the regression equations of predicted maize
yield in 2009 and 2010 were highly significant. In conclusion, differentiation of soil biochemical properties resulting from N
fertilization and irrigation partly estimated crop yield. This research method provided the needed reference for selecting yield
determinants and building yield models.
Keywords Wheat-maize rotation system; Nitrogen fertilization; Irrigation scheme; Soil; Biochemical property; Crop yield
(Received Nov. 16, 2013; accepted Mar. 11, 2014)
施氮和灌溉对土壤性质及作物产量的变异有着
重要影响, 研究受施氮和灌溉梯度作用下土壤性质
的变化, 并进一步建立起它们与作物产量之间的联
系, 对我国农业科学有着重要意义。
长期不同的农业管理措施在很大程度上解释了
土壤性质的变化, 如不同施肥措施[1]、灌溉方式[2]、
种植模式[3]、秸秆处理[4]等对土壤碳氮矿化、交换性
离子、微生物生物量及活性等土壤性质变化的解释。
受不同管理措施影响的土壤性质能部分解释作物产
量的变异。Wright 等[5]认为土壤质地、肥力、有机
质及有效水含量能显著影响作物产量 , Blanco-
Canqui 等[6]认为在长期免耕模式下土壤温度、持水
量、团聚体的稳定性是玉米产量的决定因子 , 而
Jagadamma 等 [7]的研究表明, 在玉米连续种植模式
下土壤有机碳、碳氮比、交换性钾离子、团聚体的
平均重量直径是解释玉米产量变异的主要因子。
水和氮对作物生长及产量的重要性不言而喻 ,
施氮和灌溉管理对作物产量及土壤性质的研究已被
大量报道 [8–12], 但是国内研究很少关注施氮和灌溉
管理影响下土壤性质与作物产量之间的关系, 而国
外研究多数集中在土壤物理化学性质与作物产量之
间的联系[5–7], 对土壤生物化学性质与作物产量之间
关系的研究甚少。本文通过调查施氮和灌溉管理对
土壤生化性质的作用, 研究施氮和灌溉管理下作物
产量和土壤生化性质的变化, 旨在阐明土壤生化性
质的变化趋势以及与作物产量之间的关系。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
施氮和灌溉管理田间试验于 2005 年玉米收获
后在河南省封丘县中国科学院封丘农业生态试验站
(114°24′E, 35°01′N)展开, 该区域气候属半干旱、半湿
润的暖温带季风气候, 年平均温度 13.9 , ℃ 全年降
雨量约 615 mm, 蒸发量约 1 875 mm, 全年日照时数
2 300~2 500 h。该区域土壤起源于黄河冲积沉淀物,
属于典型的碱性砂质壤土, 土壤基本性质见表 1。
表 1 供试土壤基本性质
Table 1 Basal properties of the studied soil
深度
Depth
(cm)
pH
容重
Bulk density
(g·cm−3)
饱和导水率
Saturated hydraulic conductivity
(mm·h−1)
阳离子交换量
Cation exchange capacity
(mmol·kg−1)
有机质
Organic matter
(g·kg−1)
砂粒
Sand
(g·kg−1)
粉粒
Silt
(g·kg−1)
黏粒
Clay
(g·kg−1)
0~30 8.28 1.51 22.6 78.8 10.2 456 407 137
30~80 8.48 1.48 19.3 143.5 7.1 84 558 359
80~180 8.95 1.42 18.1 52.7 3.2 73 824 103

1.2 试验设计
施氮管理为每季分别施氮 150 kg·hm–2(N1)、
190 kg·hm–2(N2)、230 kg·hm–2(N3)、270 kg·hm–2(N4),
以不施氮(N0)为对照, 共 5个处理; 灌溉管理为灌溉
量分别达到 0~20 cm(W1)、0~40 cm(W2)、0~60 cm
(W3)土壤的田间持水量, 以雨养(W0)为对照, 共 4
个处理。每种处理设置 3 个重复, 试验处理用随机
分布的小区设计 , 每个小区面积 48 m2(8 m×6 m)。
第 5期 陈 林等: 施氮和灌溉管理下作物产量和土壤生化性质 503


试验地四周设置宽 1 m 保护行, 小区间用水泥板
(宽 10 cm, 深 100 cm)隔开。
作物种植方式为夏玉米和冬小麦轮作, 每季作
物收获后, 地上部分生物量从田间移除。玉米品种
选用 ‘郑单 958’, 属早熟品种 , 株形紧凑 , 株高约
240 cm, 根深可达 200 cm, 穗长约 110 cm, 为当地
广为种植的品种之一。小麦品种为‘郑麦 9023’, 其为
弱春性品种, 苗壮, 分蘖力中等, 成穗率高, 成穗率
约 500万株·hm−2, 全生育期约 230 d, 是当地种植面
积最大的品种之一。
氮肥选用尿素(46.3% N), 分基肥和追肥 2次施
用, 其中小麦季基施 40%, 其余 60%作为追肥于返
青期施用; 玉米季基施 60%, 其余 40%作为追肥于
大喇叭口期施用。磷肥为重过磷酸钙(46.1% P2O5),
钾肥为硫酸钾(49.6% K2O), 磷钾肥每季全部随氮肥
基施, 磷肥为 80 kg·hm–2, 钾肥为 200 kg·hm–2。基肥
均匀施入后土壤翻耕到 20 cm, 小麦季追肥后立即灌
溉, 玉米季追肥后如果无降水或降雨量低于 20 mm
立即灌溉, 具体灌溉日期及灌溉量见表 2。
表 2 不同灌溉处理的灌溉日期及灌溉量
Table 2 Dates and amounts of irrigation of different irrigation
treatments
灌溉量
Irrigating amount (mm) 作物季
Crop season
灌溉日期
Irrigating date
(year-month-day) W1 W2 W3
2007-10-08 16.7 16.7 16.7
2008-03-03 34.0 67.1 86.3
2007—2008
小麦 Wheat
2008-04-01 34.2 64.2 81.5
2008玉米Maize 2008-06-25 38.3 72.7 99.6
2009-02-01 18.8 18.8 18.8
2009-03-03 29.4 62.9 82.1
2009小麦
Wheat
2009-04-18 41.7 81.2 108.3
2009玉米Maize 2009-06-30 41.7 66.7 83.3
2009-10-10 20.8 20.8 20.8
2010-03-04 33.3 66.7 87.5
2010-04-02 31.3 62.5 83.3
2010-05-12 33.3 62.5 83.3
2010小麦
Wheat
2010-06-14 20.8 20.8 20.8
2010-06-25 41.7 41.7 41.7 2010玉米Maize
2010-07-25 20.8 41.7 62.5
2011-03-05 20.8 45.8 72.9
2011-04-10 29.2 66.7 91.7
2011-05-09 31.3 75.0 91.7
2010—2011
小麦 Wheat
2011-06-07 20.8 20.8 20.8

1.3 土壤生化性质与作物产量分析方法
施氮和灌溉管理下表层 0~20 cm 土壤采集于
2011年 6月小麦收获后。每个小区随机采集的 4个
土样在去除明显的作物残体和石块后充分混匀并分
成 2 部分, 一份过 2 mm 筛后保存于 4 ℃用于测定
土壤生物性质, 另一份自然风干后用于土壤化学性
质的测定。
土壤 pH用 pH电极测定, 溶解性有机碳(DOC)
用总有机碳分析仪(Multi C/N 3100, Analytik Jena
AG, Jena, Germany)测定, 土壤有机碳(SOC)用高温
外热重铬酸钾氧化法测定, 全氮(TN)用开氏法测定,
速效氮(AN)用碱解扩散法测定 , 全磷(TP)用酸溶−
钼锑抗比色法测定, 速效磷(AP)用碳酸氢钠法测定,
全钾 (TK)用氢氟酸−高氯酸消煮法测定 , 速效钾
(AK)用乙酸铵提取法测定 , 以上土壤养分指标的
测定均参照鲁如坤[13]的方法。
土壤脱氢酶活性 (DHD)用三苯基四唑氯化物
比色法[14]测定, 脲酶活性(URE)用苯酚钠比色法[15]
测定 , 转化酶活性(INV)用 3,5-二硝基水杨酸比色
法 [16]测定, 微生物生物量碳氮(MBC、MBN)用氯仿
熏蒸−浸提法[17–18]测定, 土壤基本呼吸(BSR)用碱液
吸收法[19]测定, 呼吸熵(qCO2)为土壤基本呼吸与微
生物生物量碳的比值, 硝化势(NP)用好气培养法[20]
测定。
2008—2010 年玉米产量和 2008—2011 年小麦
产量均采用小区单打单收方式测定, 入仓产量为 80 ℃
烘干产量加上 14%含水量[21]。
1.4 统计分析
本研究数据用 SPSS 16.0 软件分析 , 图形用
Microsoft Excel绘制。
2 结果与分析
2.1 施氮和灌溉管理下的作物产量
施氮显著(P<0.05)提升了作物产量, 2008 年、
2009 年玉米产量和 2009 年、2010 年小麦产量在
N1~N4 间无显著差异(图 1A, C)。灌溉管理对 2010
年玉米产量无显著作用, 而 2008年、2009年玉米产
量随灌溉量的增大而逐步增加; 尽管 2008—2011年
小麦产量随灌溉量变化趋势不一致, 但与雨养相比
灌溉提高了小麦产量(图 1B, D)。
2.2 施氮和灌溉管理下土壤生化性质
对被测 17 个土壤性质指标作单因素方差分析,
结果显示除土壤有机碳、全磷、速效钾含量和转化
酶活性以外的其他 13 个土壤性质指标在 5%水平至
少受施氮或灌溉管理的显著影响, 这 13个土壤性质
指标在施氮和灌溉管理下的变化见表 3。
施氮降低了土壤 pH, 其中N2和N4显著降低了
土壤 pH; 土壤 pH 随灌溉量有不同变化, W1 和 W2
降低了土壤 pH, 而 W3略提升了土壤 pH。全氮和全
钾受到施氮量影响显著, 当施氮量达到 190 kg·hm–2
504 中国生态农业学报 2014 第 22卷



图 1 施氮和灌溉管理下 2008—2010年玉米产量和 2008—2011年小麦产量
Fig. 1 Maize yield in 2008−2010 and wheat yield in 2008−2011 under different nitrogen fertilization and irrigation treatments
N1、N2、N3、N4分别表示施氮 150 kg·hm−2、190 kg·hm−2、230 kg·hm−2、270 kg·hm−2的处理, N0为不施氮对照; W1、W2、W3分
别表示达到 0~20 cm、0~40 cm、0~60 cm土壤田间持水量的灌溉量, W0为雨养对照; 下同。不同小写字母表示 P<0.05水平上差异显著。
N1, N2, N3, and N4 denote nitrogen fertilization rates of 150 kg·hm−2, 190 kg·hm−2, 230 kg·hm−2, and 270 kg·hm−2, respectively, N0 is the control
without nitrogen fertilization. W1, W2, and W3 denote irrigation amount to meet the field capacity of 0−20 cm, 0−40 cm, and 0−60 cm soil layers,
respectively, W0 is the control with rain feeding. The same below. Different small letters indicate significant difference at the level of P < 0.05.

(N2)以上时, 全氮显著增加 17.0%~18.9%; 当施氮
量为 270 kg·hm–2(N4), 全钾显著减少 8.6%; 尽管灌
溉对全氮和全钾无显著影响 , 但全氮因灌溉增加
7.0%~8.8%, 全钾因灌溉减少 0.7%~1.2%。溶解性有
机碳随施氮量和灌溉量也有不同变化, 当施氮量在
150 kg·hm–2(N1)和 190 kg·hm–2(N2)时, 溶解性有机
碳显著降低, 而随着施氮量的继续增加, 溶解性有
机碳却有所提升 ; W1 的溶解性有机碳显著提升
11.7%, 而随着灌溉量的继续增加, 其又显著降低。
尽管施氮和灌溉对速效氮无显著影响, 但速效氮因
施氮增加 12.5%~18.6%, 因灌溉也有所增加(除 W1
处理)。速效磷受施氮影响极显著(P<0.01), 因施氮
降低 48.7%~51.6%。尽管灌溉对速效磷无显著影响,
但也因灌溉有所降低(除 W1处理)(表 3)。
尽管施氮对脱氢酶活性无显著影响, 但除了 N2
处理与不施氮对照有相同的脱氢酶活性外, 其他施
氮处理均提升了脱氢酶活性; 灌溉提升了脱氢酶活
性 , 当灌溉量在 0~60 cm(W3)土层田间持水量时 ,
脱氢酶活性显著提升 52.4%。脲酶活性受施氮影响
显著, 当施氮量达到 190 kg·hm–2(N2)以上时, 脲酶
活性显著升高 21.1%~25.3%; 脲酶活性因灌溉显著
降低 4.7%~14.4%。微生物生物量碳受施氮影响极显
著(P<0.01), 其因施氮增加 40.6%~114.8%。微生物
生物量碳随灌溉量有不同的变化, W1的微生物生物
量碳明显(P<0.01)降低 49.3%, 而随着灌溉量的继续
增加, 又有所升高。与不施氮对照相比, N1和 N3处
理降低了微生物生物量氮, 而N2和N4处理提升了微
生物生物量氮, 其在 N2 处理下提升 30.9%(P<0.01);
微生物生物量氮受灌溉影响极显著(P<0.01), 在 W1
处理下降低 55.2%, 而在 W2 和 W3 处理下显著增
加。土壤基本呼吸受施氮影响显著, 随施氮量的增
加而逐步升高 ; 土壤基本呼吸因灌溉显著降低了
7.6%~14.9%。呼吸熵随施氮量有不同变化, 在 N1
和 N2 处理下降低, 而在 N3 和 N4 处理下却显著升
高 ; 与雨养对照相比 , 呼吸熵在 W1 处理下升高
68.0%(P<0.01), 而在 W2 和 W3 处理下降低。硝化
势 受 施 氮 影 响 极 显 著 (P<0.01), 因 施 氮 提 升
77.5%~101.8%; 尽管灌溉对硝化势无显著影响, 但
硝化势因灌溉略有降低(表 3)。
2.3 土壤生化性质与作物产量的关系
用简单相关分析和多元回归分析建立土壤生化
性质与作物产量间的关系。由于某些土壤性质之间
存在明显相关性, 如果将这些土壤性质全部考虑作
回归分析势必产生多重共线性问题 [7], 因此首先对
至少受施氮或灌溉影响的 13 个土壤性质指标作相
关分析, 结果显示除全钾、速效氮、脱氢酶活性以
外的土壤性质指标与其他至少一个指标之间存在显
著(P<0.05)相关性(表 4)。
第 5期 陈 林等: 施氮和灌溉管理下作物产量和土壤生化性质 505


表 3 施氮和灌溉管理下土壤的生化性质
Table 3 Soil biochemical properties under different nitrogen fertilization and irrigation treatments
施氮处理 Nitrogen fertilization treatment 土壤生化性质
Soil biochemical property N0 N1 N2 N3 N4
pH 8.46±0.11a 8.40±0.09ab 8.21±0.07b 8.32±0.07ab 8.26±0.10b
TN (g·kg−1) 0.53±0.04b 0.56±0.03ab 0.62±0.06a 0.63±0.06a 0.62±0.05a
TK (g·kg−1) 21.70±1.21a 20.81±0.98ab 20.68±0.77ab 21.18±0.85a 19.84±1.03b
DOC (mg·kg−1) 61.57±5.70a 53.99±4.52b 47.66±4.23c 62.73±6.01a 62.92±5.89a
AN (mg·kg−1) 47.51±3.26a 56.36±3.29a 55.47±4.02a 53.45±2.97a 55.52±4.67a
AP (mg·kg−1) 13.75±1.50A 6.92±0.78B 7.05±0.64B 6.66±0.61B 6.99±0.82B
DHD [mg(TPF)·kg−1·d−1] 42.07±3.53a 42.10±3.38a 42.07±4.51a 43.60±3.69a 45.49±2.75a
URE [mg(NH4-N)·g−1·d−1] 1.66±0.38b 1.86±0.21ab 2.05±0.37a 2.08±0.40a 2.01±0.24a
MBC (mg·kg−1) 60.33±4.42C 84.85±6.06B 129.59±8.25A 87.05±5.47B 99.05±7.20B
MBN (mg·kg−1) 12.51±1.37B 12.00±1.08B 16.37±1.25A 12.26±1.30B 13.11±0.93B
BSR [mg(CO2)·kg−1·d−1] 24.81±1.96d 33.76±3.02c 39.91±2.87b 43.99±3.48ab 47.43±4.08a
qCO2 [mg(CO2-C)·g−1(MBC)·h−1] 4.68±0.56b 4.53±0.61b 3.50±0.39c 5.75±0.58a 5.47±0.51a
NP [mg(NO3-N)·kg−1·d−1] 21.50±2.26B 38.17±2.74A 43.39±2.93A 40.38±3.27A 41.17±3.44A

灌溉处理 Irrigation treatment 土壤生化性质
Soil biochemical property W0 W1 W2 W3
pH 8.32±0.09ab 8.25±0.05b 8.21±0.08b 8.40±0.12a
TN (g·kg−1) 0.57±0.03a 0.61±0.06a 0.62±0.08a 0.61±0.05a
TK (g·kg−1) 21.00±1.05a 20.83±1.00a 20.74±0.81a 20.86±0.79a
DOC (mg·kg−1) 78.90±4.46b 88.12±7.03a 69.57±4.85c 68.71±3.76c
AN (mg·kg−1) 53.38±3.89ab 49.84±2.64b 55.53±3.17ab 60.01±3.28a
AP (mg·kg−1) 7.81±0.77a 9.08±1.15a 7.05±0.29a 6.71±0.88a
DHD [mg(TPF)·kg−1·d−1] 46.43±4.45b 57.70±6.21ab 57.59±4.08ab 70.78±5.03a
URE [mg(NH4-N)·g−1·d−1] 2.57±0.18a 2.45±0.27b 2.20±0.38c 2.25±0.42c
MBC (mg·kg−1) 50.41±2.89A 25.56±2.44B 72.75±5.05A 72.29±4.97A
MBN (mg·kg−1) 7.84±0.69B 3.51±0.27C 13.46±1.16A 12.59±1.40A
BSR [mg(CO2)·kg−1·d−1] 36.62±3.29a 31.18±2.79c 33.83±2.50b 33.73±3.15b
qCO2 [mg(CO2-C)·g−1(MBC)·h−1] 8.26±0.77B 13.88±1.05A 5.30±0.47B 5.36±0.33B
NP [mg(NO3-N)·kg−1·d−1] 46.08±3.65a 44.46±2.70a 45.66±3.18a 43.04±2.58a
TN: 全氮含量; TK: 全钾含量; DOC: 溶解性有机碳含量; AN: 速效氮含量; AP: 速效磷含量; DHD: 脱氢酶活性; URE: 脲酶活性; MBC:
微生物生物量碳含量; MBN: 微生物生物量氮含量; BSR: 土壤基本呼吸; qCO2: 呼吸熵; NP: 硝化势; 下同。同行不同大、小写字母分别表示
在 P<0.01和 0.05水平上的差异显著性。TN: total nitrogen content; TK: total potassium content; DOC: dissolved organic carbon content; AN:
available nitrogen content; AP: available phosphorus content; DHD: dehydrogenase activity; URE: urease activity; MBC: microbial biomass carbon
content; MBN: microbial biomass nitrogen content; BSR: basal soil respiration; qCO2: quotient of respiration; NP: nitrification potential. The same
below. Different capital and small letters within the same row indicate significant difference at the levels of P < 0.01 and P < 0.05, respectively.
表 4 土壤生化性质之间的相关性系数
Table 4 Pearson’s correlation coefficients among soil biochemical properties
pH TN DOC AP URE MBC MBN BSR qCO2 NP
pH
TN −0.75*
DOC −0.13 0.06
AP 0.49* −0.72* 0.12
URE −0.46* 0.39 0.75* −0.41
MBC −0.24 0.34 −0.89* −0.43 −0.46*
MBN −0.01 0.14 −0.88* −0.20 −0.61* 0.88*
BSR −0.50* 0.68* −0.26 −0.71* 0.14 0.59* 0.30
qCO2 −0.23 0.10 0.89* 0.12 0.67* −0.80* −0.96* −0.20
NP −0.71* 0.71* 0.33 −0.83* 0.80* 0.04 −0.20 0.49* 0.32
*表示 P < 0.05水平上的显著相关性。* indicates significant correlation at P < 0.05.
506 中国生态农业学报 2014 第 22卷


主成分分析将原变量线性组合成更小的独立变
量, 能解释原数据的大部分变异[22]。主成分分析显
示, 提取的 2 个主成分分别解释了原数据 45.7%和
37.4%的变异, 全氮、溶解性有机碳、速效磷、微生
物生物量碳氮、呼吸熵、硝化势在主成分 1 或主成
分 2上有高权重的因子载荷值(表 5)。因此, 通过主
表 5 被挑选的 10个土壤性质指标的主成分分析
Table 5 Principal component analysis for the selected 10 soil
properties
成分
Component
成分 1
Component 1
成分 2
Component 2
特征值 Eigen value 5.02 4.12
贡献率 Contribution rate (%) 45.7 37.4
累计贡献率
Cumulative contribution rate (%)
45.7 83.1
特征向量 Eigenvectors
pH 0.06 −0.81
TN 0.08 0.89
DOC −0.94 0.10
AP −0.17 −0.87
URE −0.72 0.59
MBC 0.91 0.32
MBN 0.96 0.05
BSR 0.40 0.76
qCO2 −0.94 0.13
NP −0.29 0.91
加下划线的因子载荷值表示高权重。Underlined factor loadings
are considered to be highly weighted.
成分分析筛选的土壤全氮、溶解性有机碳、速效磷、
微生物生物量碳氮、呼吸熵、硝化势最能解释作物
产量的变异。对这 7 个土壤性质指标和作物产量之
间作多元回归分析。结果显示, 这 7 个土壤性质指
标能与 2009年、2010年玉米产量很好地(P<0.05)线
性拟合(表 6)。
3 讨论与结论
施氮和灌溉对作物产量和土壤性质有重要影响,
国内学者已在这方面做了较为深入的研究 [9–12], 但
是他们很少联系作物产量和土壤性质之间的关系。
国外研究表明, 某些土壤理化性质是影响作物产量
的主要因素[5–7], 而这些研究却很少关注土壤生物性
质的作用。本研究结果表明, 土壤生物和化学性质
因施氮和灌溉发生了不同程度的分异, 因施氮和灌
溉而分异的土壤生化性质能部分地鉴定作物产量。
作物生长、生物量、产量及土壤生化性质受到
施氮和水分处理的影响。冯鹏等[9]研究表明, 节水灌
溉下, 施以合理的施氮量, 能够提高干旱、半干旱地
区的玉米产量和品质。贺正山等[10]研究表明, 水分
胁迫下, 低量施氮提升了催吐萝芙木最大净光合速
率、根重比, 增加株高、基径和生物量的相对生长速
率, 从而明显增加最终根产量。Liu 等[8]的研究表明,
土壤有机碳因施氮提升了 10%, 土壤 pH 随施氮量的
增加降低了 0.3~0.8, 施氮 195 kg·hm–2或 244 kg·hm–2
表 6 筛选的土壤性质指标与作物产量的关系
Table 6 Relationship between the selected properties and crop yield
作物季
Crop season
模型拟合
Model fit
F 显著性
Significance
2008玉米 2008 Maize Yield = 17.7DOC – 6.9MBC – 27.3NP – 968.7AP + 802.9MBN + 983.0qCO2 – 26 056.9TN + 15 948.5 71 0.091
2009玉米 2009 Maize Yield = –37.3DOC – 30.4MBC – 136.6NP – 1 398.2AP + 1 076.5MBN + 1 386.2qCO2 – 27 043.8TN + 24 669.9 1 128 0.023
2010玉米 2010 Maize Yield = –45.5DOC – 17.3MBC + 81.6NP – 444.3AP + 249.6MBN + 319.0qCO2 – 3 145.2TN + 8 881.0 3 252 0.014
2008小麦 2008 Wheat Yield = 104.6DOC + 19.7MBC – 228.6NP – 1 558.6AP + 1 020.9MBN + 1 371.8qCO2 – 35 369.9TN + 18 990.3 75 0.089
2009小麦 2009 Wheat Yield = 114.1DOC + 19.8MBC – 264.9NP – 1 443.9AP + 1 081.5MBN + 1 377.8qCO2 – 39 312.5TN + 19 696.8 67 0.094
2010小麦 2010 Wheat Yield = 12.0DOC – 17.2MBC – 168.8NP – 1 164.6AP + 1 087.9MBN + 1 323.8qCO2 – 26 295.4TN + 15 189.8 146 0.064
2011小麦 2011 Wheat Yield = 61.0DOC + 18.3MBC – 168.4NP – 1 131.2AP + 636.6MBN + 914.6qCO2 – 20 728.7TN + 14 689.5 13 0.207

提升了土壤 β-葡糖苷酶、N-乙酰基-β-氨基葡糖苷酶、
几丁质酶及纤维素酶活性。本研究分析了 2008—
2011 年作物产量, 以及 6 年施氮和灌溉管理后的土
壤生化性质。研究结果表明, 玉米和小麦产量未随
施氮量增加而逐步升高, 玉米和小麦产量对灌溉管
理的响应不同, 土壤生化性质因施氮和灌溉发生了
不同程度的分异。李忠芳等[23]的研究表明, 长期施
无机氮肥使小麦产量随年际增加有显著下降趋势 ,
证实了作物产量并未随施氮量增加而逐步升高的结
论。玉米和小麦在生长季对水分不同的生理需求 ,
可能说明了玉米和小麦产量对灌溉管理的响应不
同。玉米在生长旺盛季(如拔节期)对水分的需求量很
大, 而小麦属于旱作作物, 在生长季不需要太多水
分。本研究中, 施氮对土壤有机碳无显著影响的结
果与 Divito等[24]的研究一致。由于每季作物收获后,
地上部分生物量从田间移除, 土壤有机碳的积累仅
仅来源于作物根部。与地上部分生物量相比, 根部
生物量因施氮影响较小, 可能导致施氮对土壤有机
碳无显著影响。地上部分生物量从田间移除可能也
部分解释了灌溉对土壤有机碳无显著影响。此外 ,
第 5期 陈 林等: 施氮和灌溉管理下作物产量和土壤生化性质 507


灌溉量最低是灌溉达到 0~20 cm土壤的田间持水量,
供试土壤采集于 0~20 cm, 其长期保持高湿润也可
能降低了特定异养微生物的活性[25], 抑制有机碳降
解。本研究中, 当施氮量达到 190 kg·hm–2以上时, 土
壤全氮含量显著增加, 结果支持前人的研究[26–27]。
Jagadamma 等[27]认为高量施氮提升土壤全氮是因为
生物量截留的增大。本研究中, 灌溉提升全氮可能
也是由于土壤中生物量氮截留的增大。施氮管理下
土壤全钾的微弱变化可能归因于所有处理中钾肥的
等量施用。不同施氮量下溶解性有机碳变化不明显,
与 Currie 等[28]的研究结果一致。Currie 等[28]认为土
壤溶解性有机碳与施氮量之间并无明显相关性。氮
供给不足导致未施氮对照土壤速效氮很低, 而未施
氮对照土壤速效磷明显高于施氮土壤的可能原因为:
①与施氮处理相比, 未施氮处理的作物生物量更低,
作物从土壤中吸收更少的速效磷; ②与未施氮土壤
相比, 施氮土壤更低的 pH有利于速效磷的淋失。施
氮对速效钾无显著影响是由于该地区土壤是富钾型
土壤[29]。本研究中, 土壤脱氢酶和脲酶活性因施氮产
生了不同程度提升。相关研究表明, 在亚热带地区
的森林土壤中施无机氮提高了脲酶和转化酶活性[30]。
本研究中, 灌溉提升了土壤脱氢酶活性, 与 Pascual
等[31]的研究相一致。Pascual等[31]的研究表明, 良好
灌水状态(60%田间持水量)的土壤脱氢酶活性明显
高于缺水状态(6%田间持水量)。
不同农业管理措施引起土壤性质的变化在一定
程度上解释了作物产量的变异。Blanco-Canqui 等[6]
认为土壤温度、饱和含水量、团聚体稳定性是决定
作物产量的主要因子, 类似结果可见于很多前人的
报道[7,32–33]。前人的研究主要集中在土壤物理和化学
性质与作物产量之间的关系, 对土壤生物和化学性
质与作物产量之间的关系研究甚少。本研究检测了
十几种土壤生物和化学性质指标, 通过一系列的多
变量分析方法, 解决了土壤性质之间的多重共线性
问题, 最终筛选的土壤全氮、溶解性有机碳、速效
磷、微生物生物量碳氮、呼吸熵、硝化势最能解释
作物产量的变异。多元回归分析显示, 这 7 个土壤
性质指标能与 2009 年、2010 年玉米产量很好地线
性拟合。因此, 我们的研究方法可为产量主导因子
的筛选及产量预测估算模型的建立提供一定的参考
依据。
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