謝麗華，李玲玲，謝軍紅，王進(jìn)斌，周永杰，陳 倩，Setorkwami Fudjoe

（干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

黃土高原隴中旱農(nóng)區(qū)水熱資源不足，自然條件不能滿足玉米生長需求，全膜雙壟溝播技術(shù)的應(yīng)用突破了該區(qū)玉米種植的水熱限制，玉米單產(chǎn)可達(dá)10000 kg/hm2以上[1–2]。高產(chǎn)輸出需及時足量地補(bǔ)充土壤養(yǎng)分以維持土地持續(xù)高產(chǎn)[3]，為追求玉米高產(chǎn)，氮肥過量施用造成的土壤質(zhì)量退化問題日趨嚴(yán)峻[4–6]。相關(guān)研究表明，農(nóng)田施用有機(jī)肥在平衡地力、保持產(chǎn)量的同時能增加土壤有機(jī)質(zhì)、培肥地力[7–8]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，玉米農(nóng)田連年單施有機(jī)肥會造成減產(chǎn)[9]。那么，如何以科學(xué)比例用有機(jī)肥替代化肥，既滿足玉米養(yǎng)分需求，又能避免大量使用化肥帶來的負(fù)面問題？這是隴中旱農(nóng)區(qū)玉米高產(chǎn)迫切需要解決的問題。

土壤碳排放對全球大氣CO2濃度變化具有重要作用，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能在較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對碳庫的調(diào)節(jié)[10]。研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥會改變農(nóng)田土壤理化性質(zhì) (如土壤溫度、水分、pH、全氮、有機(jī)碳等)，從而影響農(nóng)田土壤呼吸[11]，有機(jī)肥提供土壤呼吸底物，增加農(nóng)田碳排放量[8]。除上述非生物因子外，前人研究也表明生物因子 (如植被類型)同樣影響農(nóng)田土壤呼吸[12]。Frank[13]研究發(fā)現(xiàn)，葉面積指數(shù)、地上生物量與土壤呼吸通量峰值相吻合，有顯著正相關(guān)關(guān)系；Bahn等[14]也認(rèn)為，土壤呼吸與葉面積指數(shù)間有指數(shù)正相關(guān)性。關(guān)于有機(jī)肥化肥配施下作物生長、土壤性狀及農(nóng)田碳排放特征已有研究，但在隴中旱農(nóng)區(qū)，有機(jī)肥替代化肥比例對土壤碳排放及碳平衡影響鮮有報(bào)道，土壤碳排放響應(yīng)是否和不同有機(jī)肥替代化肥比例下玉米生長發(fā)育、土壤理化等特征相關(guān)等問題亟待田間試驗(yàn)研究。

因此，為了確保隴中旱農(nóng)區(qū)玉米綠色持續(xù)高產(chǎn)，亟需研究有利于提高土壤肥力，又能增強(qiáng)農(nóng)田碳匯效應(yīng)的有機(jī)肥替代無機(jī)肥方案。為此，本研究擬依托甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)站于2016年建立的定位試驗(yàn)，研究商品有機(jī)肥替代化肥氮不同比例下玉米生長動態(tài)與土壤碳排放的變化，以期探尋合理的有機(jī)肥替代無機(jī)肥方案并探討其作用機(jī)制，為旱作全膜雙壟溝播玉米農(nóng)田高產(chǎn)低碳減肥技術(shù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2019―2020 年在甘肅省定西市甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行，該地屬中溫帶半干旱偏旱區(qū)，太陽輻射量為 592.9 kJ/cm2，多年平均日照時數(shù) 2476.6 h；年均氣溫 6.4℃，0℃ 以上的有效積溫為 2933.5℃，10℃以上的有效積溫為 2239.1℃，試區(qū)為典型黃綿土，土層深厚、質(zhì)地均勻，0—20 cm土層飽和含水率28.6%、pH 8.36、有機(jī)質(zhì)11.9 g/kg、全氮 0.8 g/kg、全磷 1.8 g/kg。多年平均降水量為 390.9 mm，2019、2020 年降雨量分別為 491.6、524.0 mm，其中，玉米生長期分別為450.1、508.2 mm，均屬豐水年，年蒸發(fā)量達(dá)到 1531 mm，典型一年一熟雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，處理包括5 個等氮磷鉀量 (N 200 kg/hm2) 下的有機(jī)氮替代化肥氮比例處理：0(T1)、50.0% (T2)、37.5% (T3)、25.0% (T4)、12.5% (T5)，和一個不施肥處理 (T6)。各處理基施氮肥50.0%，50.0%在拔節(jié)期和大喇叭口期按3∶2的比例追施，有機(jī)肥按照替代比例計(jì)算的量全部用于基施。

試驗(yàn)所用商品有機(jī)肥為甘肅大行農(nóng)業(yè)科技有限公司研售的玉米專用商品有機(jī)肥，其氮、磷、鉀含量分別為3.3%、1.0%、0.7%，有機(jī)質(zhì)含量>64%。5個有機(jī)肥替代化肥處理中有機(jī)肥用量分別為0 (T1)、3.0 t/hm2(T2)、2.3 t/hm2(T3)、1.5 t/hm2(T4)、0.8 t/hm2(T5)。氮肥為商品有機(jī)肥和尿素(>46%)，磷肥為過磷酸鈣 (P2O5>16%)，磷肥整體水平一致。參試玉米品種‘先玉335’，種植密度5.25萬株/hm2，共6個處理，3次重復(fù)，18個小區(qū)，小區(qū)面積37.4 m2(8.5 m×4.4 m)。

1.3 主要測定指標(biāo)及計(jì)算方法

1.3.1 葉面積指數(shù) 于2019年在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期、成熟期每小區(qū)隨機(jī)取3株，用直尺測定每株功能葉片長(Lij)與最大寬(Bij)，計(jì)算葉面積指數(shù)(LAI)。

式中：n為j株總?cè)~片數(shù)；m為測定株數(shù)；ρ為種植密度。

1.3.2 干物質(zhì)積累和生長率 測量葉面積指數(shù)時同步測定干物質(zhì)積累量，單株裝入網(wǎng)袋掛上標(biāo)簽后放入烘箱 105℃殺青0.5 h，80℃烘干至恒重，計(jì)算單株玉米干物質(zhì)積累量 (g/plant)。

玉米生長率(CGR)指單位時間內(nèi)每一株玉米所累積的干物質(zhì)重[g/(plant·d)]

式中：W2–W1表示某段時間內(nèi)單株玉米植株干重的凈增長量，t2–t1為對應(yīng)前后兩次測定干物質(zhì)的取樣間隔天數(shù)。

1.3.3 玉米產(chǎn)量 于 2019、2020 年玉米收獲時期，按小區(qū)單獨(dú)測定每小區(qū)籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。

1.3.4 土壤指標(biāo)測定 于2019年玉米收獲后用五點(diǎn)法田間采土樣，風(fēng)干后帶回實(shí)驗(yàn)室測定。

土壤pH：將風(fēng)干土過1 mm篩，稱取10.0 g土壤樣品按照土水比1∶2.5的比例加水?dāng)嚢?，靜置后用電位法(pH計(jì)法)測定[14]。有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀外加熱法[14]測定；全氮含量用凱氏定氮法[14]測定。

1.3.5 土壤呼吸測定 于2019、2020 年玉米播種后至收獲，每隔15天采用 LI-8100 開路式土壤碳通量測量系統(tǒng) (LI-COR Inc, Lincoln, NE, USA)測定CO2排放通量。若有降雨適當(dāng)調(diào)整時間，土壤呼吸室放置在測定基座 (PVC材料，內(nèi)徑20.0 cm，高11.5 cm)上，以此減少對土壤表層的干擾，PVC 圈嵌入土壤后露出土壤表面 2.0 cm，整個觀測過程中PVC 圈埋設(shè)位置保持不變[13]。由于大田作物生長以及土壤指標(biāo)除特殊年份外在年際間較為穩(wěn)定，且2019與2020年均為豐水年，情況相似，而碳排放受到諸多因素的影響，在豐水年連續(xù)兩年監(jiān)測半旱區(qū)農(nóng)田土壤呼吸得到的結(jié)果更具有說服力。

1.3.6 土壤碳排放量的計(jì)算

式中：R是土壤呼吸速率 [μmol/(m2·s)]；i+1 和i是前后兩次的采樣時間；t為播種后的天數(shù)。

1.3.7 碳平衡計(jì)算 采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力NEP與有機(jī)肥碳投入量Cinput計(jì)算土壤碳平衡(SCB)[15]。當(dāng)SCB為正值時，表明此農(nóng)田是大氣CO2的“匯”，反之，則為大氣CO2的“源”。計(jì)算公式為：

式中：NPP為地上與地下部分固定碳總和，地上部分生物量是玉米收獲時地上所有生物量，地下部分為根生物量，以玉米籽粒產(chǎn)量58%估算，作物地上組織與根含碳量取45% (據(jù)估算，光合產(chǎn)生1 g有機(jī)質(zhì)需吸收C 0.45 g)；Rm為土壤微生物異養(yǎng)呼吸碳排量，CE為玉米生長期碳排放量[15]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 21.0進(jìn)行方差分析，采用Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05為差異顯著)，用皮爾遜法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)肥替代化肥比例對玉米生長發(fā)育的影響

2.1.1 不同有機(jī)肥替代化肥比例對玉米葉面積指數(shù)與干物質(zhì)積累的影響 由表1可知，不同處理下葉面積指數(shù)均隨生育期推移呈現(xiàn)先增后降趨勢。單施化肥(T1)與不同比例有機(jī)肥替代處理較T6不施肥均提高玉米葉面積指數(shù)。在拔節(jié)期、灌漿期和成熟期，37.5%有機(jī)替代比例(T3)與12.5%有機(jī)替代比例(T5)葉面積指數(shù)較單施化肥T1差異不顯著；大喇叭口期，各比例有機(jī)肥替代處理中僅12.5%有機(jī)替代比例(T5)葉面積指數(shù)較單施化肥T1差異不顯著；灌漿期和成熟期處理間均表現(xiàn)為T1≈T5≈T3>T4>T2>T6。因此，通過葉面積指數(shù)變化，各有機(jī)肥替代處理，除50.0%有機(jī)替代比例(T2)外，其余均適宜。

隨生育時期推進(jìn)玉米干物質(zhì)積累量不斷提高，至成熟期達(dá)到最大值(表1)。拔節(jié)期37.5%、25.0%有機(jī)肥替代比例(T3、T4)較單施化肥T1均差異不顯著，50.0%有機(jī)替代比例(T2)較單施化肥T1顯著降低33.5%；大喇叭口期各施肥處理間均差異不顯著；而灌漿期50.0%有機(jī)替代比例(T2)較單施化肥T1處理差異不顯著，37.5%、25.0%替代比例 (T3、T4) 較單施化肥T1處理分別顯著降低26.7%、28.4%；成熟期50.0%、37.5%、25.0%替代比例(T2、T3、T4) 較單施化肥T1處理分別顯著降低37.0%、28.9%、32.6%。12.5%有機(jī)替代比例(T5)則與單施化肥(T1)全生育期差異不顯著。我們可以從數(shù)據(jù)分析看出，有機(jī)肥處理下存在明顯肥效后移現(xiàn)象，正是前期營養(yǎng)生長積累不夠影響后期干物質(zhì)形成。

表1 2019年不同有機(jī)肥替代化肥比例下玉米各生育期葉面積指數(shù)與干物質(zhì)積累量Table 1 Leaf area index and dry matter of maize at each growing period under different substitution rates of organic fertilizer for urea in 2019

2.1.2 不同有機(jī)肥替代化肥比例對玉米生長率的影響

表2表明，隨著玉米生育期的推進(jìn)，玉米生長率呈現(xiàn)出先增后減趨勢，大喇叭口期到灌漿期間生長率最大。播種至灌漿期間50.0%有機(jī)替代比例(T2)、37.5%有機(jī)替代比例 (T3)、25.0%有機(jī)替代比例 (T4)、12.5%有機(jī)替代比例 (T5)玉米生長率較單施化肥 (T1)均差異不顯著，各生育階段內(nèi)50.0%、37.5%、25.0%、12.5%有機(jī)替代比例 (T2、T3、T4、T5)間生長率均差異不顯著，而灌漿～成熟期階段50.0%、37.5%、25.0%、12.5%有機(jī)替代比例 (T2、T3、T4、T5) 處理下玉米生長率較單施化肥 (T1)分別顯著降低42.0%、30.0%、42.0%、30.0%。因此，外源氮肥種類不同，有機(jī)肥替代影響玉米生長的關(guān)鍵時期可能是灌漿期。

表2 不同有機(jī)肥替代化肥比例下玉米各生育階段的生長率[g/(plant·d)]Table 2 The growth rate of maize at each growing period under different substitution rates of organic fertilizer for urea

2.2 不同有機(jī)肥替代化肥比例下收獲期土壤理化性質(zhì)的變化

由圖1a可看出，收獲后0—30 cm土層中不同比例有機(jī)肥替代化肥處理隨土層加深pH呈升高趨勢，50.0%、37.5%、25.0%、12.5%替代比例 (T2、T3、T4、T5) 較單施化肥 T1 處理在 0—5、5—10、10—30 cm土層均差異不顯著。有機(jī)肥替代對土壤有機(jī)質(zhì)含量存在明顯效應(yīng)，對0—30 cm土層均有不同程度作用，土壤有機(jī)質(zhì)含量在0—5 cm土層內(nèi)含量最高，50.0%、37.5%、25.0%替代比例(T2、T3、T4) 較單施化肥T1處理顯著提高46.1%、34.5%、22.4%，T2較T4、T5分別顯著提高19.3%、50.6%，T3較T4、T5分別顯著提高9.9%、38.8%；在5—10 cm土層內(nèi)50.0%有機(jī)肥替代比例 (T2)的有機(jī)質(zhì)含量較單施化肥T1顯著提高31.4%，50.0%、37.5%、25.0%替代比例(T2、T3、T4)間有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著，而50.0%有機(jī)肥替代比例(T2)的有機(jī)質(zhì)含量較12.5%有機(jī)肥替代比例處理(T5)顯著提高28.3%；10—30 cm土層37.5%、25.0%有機(jī)肥替代比例處理(T3、T4)較T1分別顯著提高31.4%、37.1%，37.5%有機(jī)肥替代比例處理(T3) 較12.5%有機(jī)肥替代比例處理(T5)顯著提高26.1% (圖1b)。全氮含量在0—5、5—10、10—30 cm層次間差異小，有機(jī)肥替代較單施化肥會降低土壤全氮含量，在5—10 cm土層中含量最高，50.0%、37.5%、25.0%、12.5%替代比例 (T2、T3、T4、T5) 較單施化肥 T1 分別顯著降低22.7%、23.6%、20.0%、18.2%，各替代比例處理間差異不顯著，10—30 cm土層內(nèi)各施肥處理間均差異不顯著(圖1c)。收獲后土壤溫度T6、T2分別達(dá)最低與最高值(圖2a)，無論是在表層0—5 cm還是20—25 cm土層中50.0%有機(jī)替代處理(T2)均顯著提高土壤溫度；T2處理土壤體積含水量也同樣是各處理中最高(圖2b)，這說明有機(jī)肥具有較好的增溫保墑作用。

圖1 不同有機(jī)肥替代化肥比例下玉米收獲期土壤化學(xué)性質(zhì)的變化Fig.1 Changes in soil chemical properties during harvest in maize fields with different substitution rates of organic fertilizer for urea in 2019

圖2 不同有機(jī)肥替代化肥比例下玉米田收獲期土壤溫度及含水量的變化Fig.2 Changes in soil moisture and temperature during harvest in maize fields with different substitution rates of organic fertilizer for urea

2.3 不同有機(jī)肥替代化肥比例對農(nóng)田碳排放及碳平衡的影響

2.3.1 不同有機(jī)肥替代化肥比例下農(nóng)田呼吸速率的變化 由圖3可知，旱地玉米農(nóng)田呼吸速率隨作物生長表現(xiàn)出季節(jié)性變化特征，等氮條件下不同施肥處理較對照不施肥增加土壤呼吸速率，有機(jī)肥較化肥具有更明顯的提高效應(yīng)，不同比例有機(jī)肥替代化肥處理土壤呼吸速率隨玉米生育期推進(jìn)變化趨勢基本一致。因有基肥施入，播種后土壤溫度升高，玉米生長，2019年和2020年生長周期內(nèi)均大致在開花期(7月22日左右)土壤平均呼吸速率分別達(dá)峰值4.4 與 5.8 [μmol/(m2·s)]。2019 年生育期內(nèi)各處理的平均土壤呼吸速率為 T4 [2.8 μmol/(m2·s)]>T2 [2.7 μmol/(m2·s)]>T3 [2.7 μmol/(m2·s)]>T5 [2.6 μmol/(m2·s)]>T1 [2.6 μmol/(m2·s)]>T6 [2.4 μmol/(m2·s)]，T1、T5、T2、T4、T3處理土壤呼吸速率較T6處理分別增加4.5%、7.0%、9.8%、11.1%、14.8%。2020年玉米全生育期農(nóng)田呼吸速率表現(xiàn)趨勢與2019年基本相同，6月14日左右出現(xiàn)的低峰可能是由于降雨。

圖3 不同有機(jī)肥替代化肥比例下玉米田2019與2020年土壤呼吸速率的變化Fig.3 Changes in soil respiration rates in maize fields with different substitution rates of organic fertilizer for urea in 2019 and 2020

2.3.2 不同有機(jī)肥替代化肥比例對碳排放量及碳平衡的影響 由表3可以看出，2019年不同有機(jī)肥替代化肥處理較T6處理顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量，37.5%有機(jī)替代比例(T3)、12.5%有機(jī)替代比例(T5)較單施化肥(T1)差異不顯著。不同有機(jī)肥替代化肥比例碳排放總量大小表現(xiàn)為T4≈T2>T3≈T5>T1>T6，較T6不施肥依次增長18.4%、18.3%、6.9%、3.8%、3.4%，與不施肥(T6)相比，所有施肥處理均增加了玉米全生育期的總碳排放，而在所有施肥處理中，T1、T3與T5碳排放總量較低，且相互之間無顯著差異。所有施肥處理較不施肥處理(T6)均提高凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)與土壤碳平衡(SCB)，T3處理2019和2020年兩年的平均SCB高于其他處理，2019年T3處理下SCB與單施化肥差異不顯著，2020年37.5%有機(jī)替代化肥比例(T3)下SCB最高達(dá)到 5617.9 C kg/hm2，顯著高于其他所有處理，較單施化肥處理顯著提高25.2%。因此，玉米農(nóng)田均為大氣CO2的“匯”，T3表現(xiàn)出最強(qiáng)碳匯效應(yīng)。

表3 不同有機(jī)肥替代化肥比例下農(nóng)田碳平衡年際間變化Table 3 Inter-annual variation in carbon balance in the farmland with different substitution rates of organic fertilizer for urea

2.4 不同有機(jī)肥替代化肥比例下農(nóng)田碳排放與玉米生長及土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

進(jìn)一步分析土壤碳排放指標(biāo)與玉米生長及土壤理化性質(zhì)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，土壤碳排放與土壤有機(jī)質(zhì)含量(r=0.56*)、土壤溫度(r=0.93**)呈顯著或極顯著正相關(guān)；與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=－0.77**)；葉面積指數(shù)(r=0.75**)、干物質(zhì)(r=0.75**)、籽粒產(chǎn)量(r=0.93**)與土壤碳平衡呈極顯著正相關(guān)；土壤理化指標(biāo)中全氮(r=0.72**)、溫度(r=0.84**)與碳平衡間呈極顯著正相關(guān)(表4)。

表4 不同有機(jī)肥替代化肥比例下農(nóng)田碳排放與玉米生長及土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of farmland carbon emissions with maize growth and soil physicochemical properties under different substitution rates of organic fertilizer for urea

3 討論

3.1 有機(jī)肥替代化肥對玉米產(chǎn)量、碳排放及碳平衡的影響

氮素是促進(jìn)玉米生長與提高產(chǎn)量的重要限制因素[18–19]。隴中旱農(nóng)區(qū)長期單一施用化肥造成土壤肥力下降，有機(jī)肥可解決該問題，但前人研究發(fā)現(xiàn)玉米農(nóng)田連年單施有機(jī)肥顯著降低產(chǎn)量[9,20]，那么有機(jī)肥如何以科學(xué)比例替代化肥？本研究發(fā)現(xiàn)，50.0%高比例有機(jī)肥替代化肥較單施化肥降低玉米籽粒產(chǎn)量，除2019年25.0%有機(jī)替代化肥比例(T4)外，其余有機(jī)替換比例均與單施化肥保持同等水平。通過對葉面積指數(shù)(LAI)、干物質(zhì)積累、生長率指標(biāo)分析，籽粒產(chǎn)量降低原因可能是有機(jī)肥肥效緩慢，影響前期葉片生長，玉米前期營養(yǎng)生長不良影響后期生殖生長，最終降低玉米籽粒產(chǎn)量[21]。前人在粘壤質(zhì)褐土上研究化肥減量配施50.0%有機(jī)肥對玉米產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，配施有機(jī)肥的處理比單施化肥的處理提高玉米產(chǎn)量11.8%[9]；而在黑鈣土上研究有機(jī)肥替代化肥氮對玉米產(chǎn)量影響時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)化肥減量配施有機(jī)肥，有機(jī)肥替代比例為20.0%時可實(shí)現(xiàn)玉米增產(chǎn)增收[22]。這表明在研究探索有機(jī)肥替代化肥最優(yōu)比例問題上，土壤差異問題不容忽視。本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同比例有機(jī)肥替代化肥均能改善土壤pH、提高土壤肥力，但有機(jī)肥在培肥土壤與穩(wěn)產(chǎn)同時還會影響土壤碳排放[23–25]。本研究中，不同比例有機(jī)肥替代化肥處理較對照不施肥不同程度提高玉米全生育期土壤碳排放總量，但與不施肥處理相比，各比例有機(jī)肥替代化肥處理提高了LAI、干物質(zhì)積累、生長速率進(jìn)而極大幅度增大玉米地上部分生物量，較不施肥處理提高凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)，有機(jī)肥的投入更是增強(qiáng)玉米農(nóng)田碳匯效應(yīng)，這與河西綠洲灌區(qū)玉米農(nóng)田碳匯效應(yīng)的研究結(jié)果相一致[26]，綜合兩年試驗(yàn)結(jié)果，37.5%有機(jī)肥替代比例下玉米農(nóng)田碳匯效應(yīng)強(qiáng)，2019年37.5%有機(jī)替代比例(T3)碳平衡 (SCB)達(dá)到 4440.6 C kg/hm2，較單施化肥差異不顯著。2020年37.5%有機(jī)替代比例(T3)下SCB最高，達(dá)到5617.9 C kg/hm2，較單施化肥處理高25.2%，差異顯著；而50.0%替代比例下較單施化肥卻顯著降低農(nóng)田碳匯效應(yīng)，這可能是施肥種類及用量影響作物生長，改變農(nóng)田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，影響土壤呼吸與土壤有機(jī)碳收支，這是影響土壤碳平衡的重要因素[27–28]。綜上，有機(jī)肥雖肥效釋放緩慢，但從玉米全生育階段來看，37.5%有機(jī)肥替代化肥比例能改良土壤質(zhì)量，保產(chǎn)穩(wěn)排同時還能增強(qiáng)玉米農(nóng)田碳匯效應(yīng)。

3.2 有機(jī)肥替代化肥影響玉米農(nóng)田碳排放的機(jī)制

農(nóng)田碳排放受到生物因素與非生物因素的共同作用[11–12]。本研究結(jié)果表明，LAI、干物質(zhì)積累量、籽粒產(chǎn)量與碳排放總量間相關(guān)性沒有達(dá)到顯著水平。所以，該區(qū)研究農(nóng)田碳排放可多聚焦于對土壤理化性質(zhì)上的探索。本研究通過整合碳排放指標(biāo)與各理化性質(zhì)之間相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤碳排放指標(biāo)與土壤溫度相關(guān)性最高(r=0.93**)，這是因?yàn)橥寥罍囟仁菦Q定碳循環(huán)過程的關(guān)鍵因素，土壤溫度影響土壤微生物呼吸作用各環(huán)節(jié)，在一定范圍內(nèi)增溫影響有機(jī)碳礦化，從而使土壤溫度對于土壤碳排放具有極顯著正效應(yīng)[29–32]。已有研究普遍認(rèn)同土壤溫度、水分、降雨量是農(nóng)田碳排放重要影響因素[29]。本研究結(jié)果表明土壤含水量對農(nóng)田碳排放多呈負(fù)效應(yīng)，這與在研究區(qū)以南濕潤半濕潤地區(qū)的研究結(jié)果相一致[33]，與前期在黃土高原旱區(qū)的研究結(jié)果略有區(qū)別[1]，但也符合該旱區(qū)的實(shí)際情況，由于這兩年的年降水量激增，在作物生長期降水量甚至達(dá)到500 mm以上，以我國等雨量線劃分標(biāo)準(zhǔn)界定達(dá)到濕潤半濕潤地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)土壤碳排放與土壤有機(jī)質(zhì)含量(r=0.56*)呈顯著正相關(guān)；與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=–0.77**)，表明有機(jī)肥替代化肥增加玉米農(nóng)田碳排放總量，可以通過施肥影響土壤的有機(jī)質(zhì)含量與pH來解釋。

4 結(jié)論

隴中旱農(nóng)區(qū)應(yīng)用全膜雙壟溝播技術(shù)種植玉米在純N 200 kg/hm2的施氮水平下，37.5%左右有機(jī)肥替代化肥既能保證玉米正常生長、維持籽粒產(chǎn)量水平，還可以提高0—30 cm耕層土壤肥力，調(diào)節(jié)水溫狀況。有機(jī)肥的施用通過影響土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、土壤溫度，調(diào)節(jié)農(nóng)田碳排放。37.5%有機(jī)肥替代化肥與單施化肥相比碳排放總量無顯著差異，有機(jī)肥碳投入直接影響土壤碳平衡，從而增強(qiáng)旱地玉米農(nóng)田碳匯效應(yīng)。