全 文 ：中国生态农业学报 2011年 1月 第 19卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2011, 19(1): 5962


* 国家自然科学基金项目(40801044)和甘肃省高等学校研究生导师科研计划项目(0602-05)资助
** 通讯作者: 黄高宝(1965~), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事多熟种植、节水农业和保护性耕作技术研究。E-mail: huanggb@gsau.edu.cn
张恒嘉(1974~), 翀曾用名张步 , 男, 博士, 副教授, 研究方向为农业水土工程、节水农业及农业生态。E-mail: zhanghj_lijh@sohu.com
收稿日期: 2009-03-04 接受日期: 2010-10-11
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00059
绿洲调亏灌溉春小麦农田生态化学计量特征*
张恒嘉 1 黄高宝 2**
(1. 甘肃农业大学工学院水利系 兰州 730070; 2. 甘肃农业大学农学院 兰州 730070)
摘 要 用配对样本 t检验对绿洲不同调亏灌溉下春小麦收获时土壤 C N∶ 和 C P∶ 生态化学计量比年际间差
异及土壤碳平衡进行了分析研究, 结果表明: 小麦收获时不同调亏灌溉处理 0~20 cm、20~40 cm和 0~40 cm土
层 C N 2008∶ 年比 2007 年分别显著降低 19.0%~37.3%、11.8%~27.9%和 17.1%~32.8%, 而 C P∶ 则显著增加
31.9%~62.4%、16.5%~79.1%和 33.6%~68.8%。两年试验表明, 拔节期轻、中度水分调亏, 孕穗~抽穗期轻度调
亏或丰水处理, 而灌浆~生理成熟期中、重度调亏的处理 RDI2和 RDI5 C N∶ 和 C P∶ 生态化学计量比高于其
他处理。两年试验后, 不同土层调亏灌溉处理及对照土壤有机碳均增高, 其中 0~20 cm 土层增幅为 1.31~2.35
t(C)·hm2, 20~40 cm土层为 2.00~4.58 t(C)·hm2, 0~40 cm土层为 2.18~3.07 t(C)·hm2。
关键词 生态化学计量特征 碳平衡 调亏灌溉 春小麦农田 绿洲
中图分类号: S512.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)01-0059-04
Ecological stoichiometric characteristics of oasis spring wheat fields
under regulated deficit irrigation
ZHANG Heng-Jia1, HUANG Gao-Bao2
(1. Department of Water Resources Engineering, College of Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;
2. College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)
Abstract Differences in soil C∶N and C∶P ratios at oasis spring wheat under regulated deficit irrigation were analyzed for two
experimental years using Paired-Sample T-Test. Soil organic C balance was also analyzed which provided basic data for soil nutrient
element transformation and cycling. The study was a proxy for further advances and expansion of ecological stoichiometric theory.
Compared with 2007, results indicated that C∶N ratio in the 0~20 cm, 20~40 cm and 0~40 cm soil layers at field of oasis spring
wheat harvested in 2008 significantly dropped by 19.0%~37.3%, 11.8%~27.9% and 17.1%~32.8%, respectively. Concurrently, C∶P
ratio significantly increased by 31.9%~62.4%, 16.5%~79.1% and 33.6%~68.8%, respectively. Higher C N∶ and C P∶ ratios were
observed under the treatments with light or medium water deficit in jointing stage, light or not water deficit in booting to heading
stage, and medium or sever water deficit in filling to maturing stage. Furthermore, soil organic C content in different soil layers in-
creased after two years of experimentation. It increased by 1.31~2.35 t(C)·hm2 in the 0~20 cm layer, 2.00~4.58 t(C)·hm2 in the
20~40 cm layer and by 2.18~3.07 t(C)·hm2 in the 0~40 cm layer.
Key words Ecological stoichiometric characteristics, Carbon balance, Regulated deficit irrigation, Spring wheat field, Oasis
(Received March 4, 2009; accepted Oct. 11, 2010)
在生态学背景下, 生态化学计量学这一新兴学
科结合了生态学和化学计量学基本原理 [1], 主要研
究生物系统能量平衡和多重化学元素(主要是 C、N、
P)平衡, 并且分析多重化学元素质量平衡对生态交
互作用的影响 , 尤其强调活有机体主要组成元素
(C、N、P)的关系[23]。这一研究领域使得生物学科
不同层次(分子、细胞、有机体、种群、生态系统和
全球尺度)研究理论能够有机地统一起来。目前, 生
态化学计量学已广泛应用于种群动态、生物体营养
动态、微生物营养、寄主病原关系、生物共生关系、
消费者驱动的养分循环、限制性元素判断、生态系
统比较分析和森林演替与衰退及全球 C、N、P生物
60 中国生态农业学报 2011 第 19卷


地球化学循环等研究, 并取得大量研究成果[45]。然
而, 生态化学计量学理论的提出、验证和丰富大都基
于海洋生物研究, 陆地生态系统的工作多限于森林和
草原群落, 有关绿洲农田系统的研究极为罕见[67]。研
究绿洲调亏灌溉春小麦农田生态化学计量特征有助
于认识其生态化学计量比变化, 可为土壤养分元素
转化与循环研究提供基础资料, 对调亏灌溉条件下
农业水土资源持续利用具有重要意义, 还可为生态
化学计量学理论的进一步丰富与完善提供实证。
1 材料及方法
1.1 试验区概况
试验于 2007 年和 2008 年在甘肃省张掖市甘州
区进行, 该区域≥10 ℃积温为 1 837~2 870 ℃, 年
均气温为 5~8 ℃ , 年太阳总辐射量为 559~672
kJ·cm2, 无霜期为 165 d, 年均降雨量为 139 mm,
年蒸发量为 2 048 mm。春小麦生长季(3~7月)多年
平均气温为 22.4 ℃, 降雨量 2007年为 45 mm, 2008
年为 37 mm。供试小麦品种为“宁春 18号”, 两个
试验年度均于 3月 14日播种, 7月 13日收获。2007
年试验前土壤养分状况见表 1。

表 1 2007年春小麦播种前土壤有机碳、全氮、速效磷含量
Tab. 1 Soil organic C, total N, and available P contents before
sowing of spring wheat in 2007 growing season
土层
Soil layer
(cm)
有机碳
Organic C
(g·kg1)
全氮
Total N
(g·kg1)
有效磷
Available P
(mg·kg1)
0~20 8.35 0.95 25.8
20~40 6.96 0.83 14.9
0~40 7.66 0.89 20.4

1.2 试验设计
小麦调亏灌溉的水分调亏程度设丰水处理(土
壤含水量为田间持水量的 65%~70%)、轻度水分调
亏(土壤含水量为田间持水量的 60%~65%)、中度水
分调亏(土壤含水量为田间持水量的 50%~60%)和重
度水分调亏 (土壤含水量为田间持水量的 45%~
50%)。小麦水分调亏时期分别为拔节期、孕穗~抽穗
期和灌浆~生理成熟期。试验共设 7 个水分调亏处
理及对照: 1) CK, 以上 3 个生育阶段均丰水处理;
2) RDI1, 以上 3 个阶段均轻度水分调亏; 3) RDI2,
拔节期和孕穗~抽穗期轻度水分调亏而灌浆~生理成
熟期中度调亏; 4) RDI3, 拔节期中度水分调亏, 孕
穗~抽穗期丰水处理, 而灌浆~生理成熟期轻度调亏;
5) RDI4, 拔节期和灌浆~生理成熟期中度水分调亏,
而孕穗~抽穗期丰水处理; 6) RDI5, 拔节期中度水分
调亏, 孕穗~抽穗期丰水处理, 而灌浆~生理成熟期
重度调亏; 7) RDI6, 拔节期重度水分调亏, 而孕穗~
抽穗期和灌浆~生理成熟期丰水处理; 8) RDI7, 拔节
期重度水分调亏, 拔节期丰水处理, 而灌浆~生理成
熟期中度调亏。
灌水采用畦灌, 水表控制水量。每处理及对照
均重复 3次, 小区面积 13.9 m×3.5 m, 完全随机区组
设计。小麦播前施纯氮 135 kg·hm2, 纯磷 75
kg·hm2, 有机肥 50 t·hm2。小麦出苗两周后人工
间苗, 定植 1 800 000株·hm2。
两个试验年度分别于小麦收获时取土测定土壤
养分含量。每小区取 3 个样, 取样土层为 0~20 cm
和 20~40 cm。测定时先将土样均匀混合, 风干后过
2 mm筛。土壤有机质测定采用重铬酸钾氧化法, 有
效磷用 Olsen法, 全氮用靛酸蓝比色法。根据测定分
析所得土壤有机碳、全氮、有效磷含量分别计算
C N∶ 和 C P∶ 生态化学计量比, 并分析其变化及土
壤有机碳平衡状况。
用 DPS软件进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 不同调亏灌溉处理土壤 C N∶ 生态化学计量比
配对样本 t 检验发现(表 2), 不同调亏灌溉处理
小麦收获时 0~20 cm土层 C N∶ 2008年比 2007年显
著降低(t=10.719 6, P=0.000 1), 不同处理降低幅度
分别为 CK 19.0%、RDI1 31.6%、RDI2 27.6%、RDI3
21.7%、RDI4 34.6%、RDI5 28.3%、RDI6 37.3%、
RDI7 25.6%, 其中以 RDI6的 C N∶ 降幅最大, CK降
幅最小; 小麦收获时 20~40 cm土层 C N 2008∶ 年比
2007年显著降低(t=8.666 8, P=0.000 1), 降低幅度分
别为 CK16.8%、RDI1 27.9%、RDI2 25.9%、RDI3
11.8%、RDI4 15.5%、RDI5 23.7%、RDI6 27.2%、
RDI7 24.8%, 其中以 RDI1 C N ∶ 降幅最大, RDI3降
幅最小; 就整个 0~40 cm 土层而言, 小麦收获时上
述不同处理 C N 2008∶ 年比 2007 年分别显著降低
(t=11.763 6, P=0.000 1)18.0%、28.5%、27.3%、17.1%、
26.4%、25.0%、32.8%、24.4%, 其中以 RDI6 C N ∶ 降
幅最大, RDI3降幅最小。
2007年小麦收获时, 0~20 cm、20~40 cm及 0~40
cm 土层所有处理及 CK 间 C N∶ 差异均不显著
(P>0.05), 其中 0~20 cm土层调亏灌溉处理 RDI4的
C N∶ 与所有其他处理及 CK间差异均不显著, CK、
RDI1、RDI3、RDI5、RDI6、RDI7 间 C N∶ 均无显
著差异。2008年小麦收获时, C N∶ 仅 0~20 cm土层
CK、RDI1、RDI2、RDI3显著高于 RDI5、RDI6和
RDI7, 20~40 cm和 0~40 cm土层各处理间 C N∶ 均
无显著差异。
第 1期 张恒嘉等: 绿洲调亏灌溉春小麦农田生态化学计量特征 61


表 2 两个试验年度春小麦收获时不同调亏灌溉处理土壤 C∶N和 C∶P生态化学计量比
Tab. 2 Ecological stoichiometry values in ratio of organic C to total N and ratio of organic C to available P in soil at spring wheat
harvest in both 2007 and 2008 under different regulated deficit irrigation treatments
0~20 cm 20~40 cm 0~40 cm 年度
Year
处理
Treatment C N∶ C P∶ C N∶ C P∶ C N∶ C P∶
CK 11.25ab 300.0b 12.96a 534.4b 12.06a 378.1c
RDI1 13.18a 300.0b 14.20a 430.3c 13.39a 346.5c
RDI2 12.47a 368.4a 13.67a 796.1a 12.99a 497.1a
RDI3 11.50ab 255.6b 11.47ab 540.9b 11.41a 342.3c
RDI4 13.03a 283.8ab 11.97ab 512.0b 12.46a 366.0c
RDI5 11.18ab 320.8b 13.27a 776.6a 11.97a 438.9b
RDI6 11.65ab 312.9b 12.81a 532.8b 12.21a 427.8b
2007
RDI7 10.88ab 245.8b 12.68a 420.1c 11.62a 301.5d
CK 9.11a 425.9bc 10.78a 954.0b 9.89a 578.9ab
RDI1 9.01a 395.6c 10.24a 763.6c 9.57a 517.6b
RDI2 9.03a 537.6a 10.13a 927.7b 9.44a 664.1a
RDI3 9.01a 395.6c 10.12a 708.3cd 9.46a 502.9b
RDI4 8.52ab 444.4bc 10.12a 613.1d 9.17a 511.6b
RDI5 8.02b 475.9b 10.12a 1 162.2a 8.98a 671.8a
RDI6 7.30bc 434.1bc 9.33a 954.5b 8.21a 591.8ab
2008
RDI7 8.09b 399.1c 9.53a 719.3cd 8.78a 508.9b
同一指标不同字母表示不同处理间在 0.05水平上差异显著。Values of the same index in a column followed by different letters are signifi-
cantly different among different treatments at P<0.05.

2.2 不同调亏灌溉处理土壤 C P∶ 生态化学计量比
不同调亏灌溉处理小麦收获时 0~20 cm 土层
C P 2008∶ 年比 2007 年显著增加 (t=16.168 4,
P=0.000 1), 增加幅度分别为 CK 42.0%、RDI1
31.9%、RDI2 45.9%、RDI3 54.8%、RDI4 56.6%、
RDI5 48.3%、RDI6 38.7%、RDI7 62.4%, 且以 RDI7
C P∶ 增幅最大, RDI1增幅最小; 小麦收获时 20~40
cm 土层各处理 C P 2008∶ 年比 2007 年显著增加
(t=6.086 5, P=0.000 5), 增加幅度分别为 CK78.7%、
RDI1 77.5%、RDI2 16.5%、RDI3 30.9%、RDI4 19.7%、
RDI5 50.0%、RDI6 79.1%、RDI7 71.2%, 以 RDI6
C P∶ 增幅最大, RDI2增幅最小; 而整个 0~40 cm土
层各处理 C P 2008∶ 年比 2007 年分别显著增加
(t=17.452 8, P=0.000 1)53.1%、49.4%、33.6%、46.9%、
39.8%、53.1%、38.3%、68.8%, 以 RDI7 C P ∶ 增幅
最大, RDI2增幅最小。
2007年小麦收获时, 0~20 cm、20~40 cm及 0~40
cm土层所有处理及 CK间 C P∶ 差异显著, 0~20 cm
土层调亏灌溉处理 RDI4的 C P∶ 与所有其他处理及
CK间差异均不显著, CK、RDI1、RDI3、RDI5、RDI6、
RDI7间C∶P均无显著差异, 但显著低于处理RDI2;
20~40 cm土层处理 RDI2和 RDI5 C P∶ 最高, 两者
之间无显著差异 , 均显著高于其他处理 , RDI1 和
RDI7 显著低于其他处理; 0~40 cm 土层处理 RDI2
C P∶ 显著高于其他所有处理, 而处理 RDI7 显著低
于其他处理。2008年小麦收获时各处理间 0~20 cm、
20~40 cm和 0~40 cm土层 C P∶ 差异均达显著水平;
0~20 cm 土层, RDI2 C P∶ 显著高于其他所有处理,
而处理 RDI5显著高于 RDI1、RDI3、RDI7, 其他处
理间差异均不显著; 20~40 cm土层, RDI5 C P∶ 显著
高于其他处理, 而 RDI2、RDI6、CK间无显著差异,
且显著高于其他处理; 0~40 cm土层, RDI2和 RDI5
C P∶ 显著高于其他处理, 但 RDI2、RDI5、RDI6、
CK 间及 RDI1、RDI3、RDI4、RDI6、RDI7 及 CK
间差异均不显著。
2.3 不同调亏灌溉处理土壤有机碳及其平衡
不同调亏灌溉处理春小麦收获时 0~20 cm、
20~40 cm和 0~40 cm土层土壤有机碳及其平衡状况
见表 3。由表 3可以看出, 2007年春小麦的整个生长
季, 所有调亏灌溉处理不同土层土壤有机碳含量均
比试验前增高(RDI1 处理 20~40 cm 土层除外), 而
CK有机碳则比试验前降低。两年试验以后, 不同土
层所有处理及 CK土壤有机碳均增高, 其中 0~20 cm
土层增加值为 1.31~2.35 t(C)·hm2, 20~40 cm土层
为 2.00~4.58 t(C)·hm2, 0~40 cm土层为 2.18~3.07
t(C)·hm2。试验结束时, 0~20 cm表土层 CK、RDI1、
RDI2、RDI3及 RDI4比其他处理有机碳均显著增加
(P<0.05), 但 CK、RDI1、RDI2、RDI3、RDI4 间及
RDI5、RDI6、RDI7间均不存在显著差异(P>0.05)。
3 小结与讨论
本研究结果表明, 2007年小麦收获时, 0~20 cm、
20~40 cm及 0~40 cm土层所有处理及 CK间 C N∶
差异均不显著(P>0.05), 而 3个土层 C P∶ 却差异显
62 中国生态农业学报 2011 第 19卷


表 3 不同调亏灌溉处理春小麦田土壤有机碳及其平衡
Tab. 3 Soil organic C and its balance of wheat field under different regulated deficit irrigation treatments
有机碳 Organic C [t(C)·hm2]
2007GP1) 2007H2008H1) 总计 Total 处理 Treatment
0~20 cm 20~40 cm 0~40 cm 0~20 cm 20~40 cm 0~40 cm 0~20 cm 20~40 cm 0~40 cm
CK 0.79e 0.01d 0.40e 2.88a 3.72a 3.30a 2.09a 3.71a 2.90a
RDI1 0.79b 0.29e 0.25d 1.05c 3.72a 2.39ab 1.84a 3.43a 2.64a
RDI2 1.83ab 3.43ab 2.63ab 0.52d 1.43c 0.46f 2.35a 2.00b 2.18a
RDI3 2.10a 4.58a 3.34a 0.26e 0.29b 0.28e 1.84a 4.29a 3.07a
RDI4 0.52c 4.29a 2.41ab 1.57b 0.29b 0.64d 2.09a 4.00a 3.05a
RDI5 0.26d 0.86b 0.56c 1.05c 3.72a 2.39ab 1.31b 4.58a 2.95a
RDI6 2.10a 0.86b 1.48b 0.79f 3.15a 1.18c 1.31b 4.01a 2.66a
RDI7 0.79b 0.29c 0.54c 0.52d 3.15a 1.84b 1.31b 3.44a 2.38a
1) 2007GP和 2007H2008H为 2007年生长季末与季初和 2007年麦收至 2008年麦收不同土层有机碳差值 2007GP is difference in soil organic
C content between the end and beginning of 2007 wheat growing season, while 2007H2008H is that between wheat harvest of 2007 and harvest of 2008.
同列不同字母表示处理间在 0.05水平上差异显著 Different letters in one column mean significantly different among different treatments at P=0.05.

著。2008 年小麦收获时, 大部分处理的 3 个土层
C N∶ 无显著差异, 而各处理间 0~20 cm、20~40 cm
和 0~40 cm土层 C P∶ 差异均达显著水平。3个土层
中, 多以 RDI2 和 RDI5 的 C N∶ 和 C P∶ 较高。因
此, 由于水分调亏时间及调亏程度控制适当, 拔节
期轻、中度水分调亏, 孕穗~抽穗期轻度调亏或丰水
处理而灌浆~生理成熟期中、重度调亏的处理 RDI2
和 RDI5 C N∶ 和 C P∶ 生态化学计量比高于其他处
理, 今后的灌溉应注意从生态化学计量特征的良性
变化及其指示来确定水分调亏的时间及调亏程度。
2007 年小麦整个生长季, 所有调亏处理不同土
层土壤有机碳含量均比试验前增高 (RDI1 处理
20~40 cm土层除外), 而 CK则比试验前降低。两年
试验以后, 不同土层所有处理及 CK 土壤有机碳均
增高。试验结束时, 0~20 cm表土层 CK、RDI1、RDI2、
RDI3 及 RDI4 比其他处理有机碳均显著增加, 但
CK、RDI1、RDI2、RDI3、RDI4间及 RDI5、RDI6、
RDI7间均不存在显著差异。
总体而言, 在绿洲集约农作条件下, 随耕作年
限增加, 调亏灌溉麦田 C N∶ 呈下降趋势, 已下降至
7.30~10.78之间, 远低于 11.3的临界值; 而 C P∶ 则
呈增高态势, 已增加至 395.6~1 162.2 之间, 远高于
300的临界值[8]。这种土壤生态化学计量特征不利于
土壤微生物体碳的增加, 微生物和作物对土壤有效
氮和有效磷的吸收处于竞争状态, 表明有机质严重
不足, 已构成限制作物生产力提高的重要因素, 导
致土壤质量下降和土壤功能衰退, 这主要缘于土壤
有机质的耗竭和土壤 C N∶ 和 C P∶ 等生态化学计量
特征的改变已严重影响到土壤有机碳发展的数量和
土壤养分循环 [9], 这与在黄土高原半干旱地区的研
究结论[8]一致。因此, 以上生态化学计量指标在绿洲
小麦灌溉中具有较大的应用潜力, 在指示农田土壤
质量和土壤功能的改变方面具有较高的应用价值。
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