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氮磷生态计量化学为研究作物-土壤生态系统物质循环及其能量流动提供了崭新视角,通过研究氮磷等主要化学元素的计量关系,可以把个体、种群、群落、生态系统等不同层次有机地联系起来,从而深入揭示植物生长特征及其与限制性因子的相互关系。这种视角可以为旱作农田作物群落生产力与化学元素之间的关系开辟新的研究途径。为此,本文以甘肃省定西市旱作农田春小麦-土壤系统为研究对象,采用田间定位试验,通过探讨N0(无氮肥和生物质炭添加,对照)、N50(氮肥50kg·hm-2·a-1、无生物质炭添加)、N100(氮肥100kg·hm-2·a-1、无生物质炭添加)、B(生物质炭15t·hm-2)、BN50(氮肥50kg·hm-2·a-1、生物质炭15t·hm-2)、BN100(氮肥100kg·hm-2·a-1、生物质炭15t·hm-2)、S(全量秸秆还田)、SN50(氮肥50kg·hm-2、全量秸秆还田)、SN100(氮肥100kg·hm-2、全量秸秆还田)九种不同N肥配施生物质炭和秸秆还田处理下旱作农田土壤养分含量,并探索各处理下小麦和土壤的生态化学计量特征,为旱作农田养分限制性以及进行合理性施肥等科学经营提供理论依据。研究的结果是:(1)不同N肥配施生物质炭和秸秆还田下旱作农田土壤有机质、全N、全P、速效N、速效P分布格局发生明显变化,尤其是生物质炭配施100kg·hm-2氮肥处理可显著提高土壤有机质、全N、全P和速效养分含量,说明生物质炭配施氮肥措施更能够有效培育土壤肥力,进而促进土壤碳氮磷的储存。(2)土壤N:P分析表明,不同处理0-30cm土层全N:P比在1.42~1.58之间,速效N:P比在1.08~1.29之间,生物质炭添加下土壤速效N:P比最高,表明生物质炭对P的摄取存在较高的转移率,因此对P素的重吸收明显。由于生物质炭配施氮肥更能够促进土壤N素的充分供给和有效利用,因此生物质炭输入下土壤中速效N:P比相比秸秆还田更高。(3)不同N肥配施生物质炭和秸秆还田配施N肥各处理均不同程度地显著提高了小麦全N含量和全P含量;除生物质炭和秸秆还田处理之外,其他处理均显著提高了各器官全N含量,生物质炭配施100kg·hm-2N肥处理提高小麦地上各器官全P含量最明显,炭-肥互作显著提高了土壤速效氮磷含量,这进一步提高了氮磷素的养分有效性,最终使得小麦N、P含量得以提高。(4)不同N肥配施生物质炭和秸秆还田下小麦N:P变化特征表明,小麦地上部水平N:P介于19.49~22.52之间,其中小麦叶片N:P在16.61~22.36,茎秆N:P在18.56~25.64,籽粒N:P为18.35~21.68。不同处理下小麦不同器官N:P比变化较小,反映了旱作农田小麦N、P养分元素的计量比随着N肥配施生物质炭和秸秆还田添加的不同在一个很小的范围内波动,旱作农田小麦N:P计量比具有内在的稳定性,符合内稳性假说。(5)相关性分析表明,无论是小麦各器官水平还是地上部水平,不同N肥配施生物质炭和秸秆还田小麦P含量与N:P比的相关性最显著,各处理下小麦N:P比值均大于16,且黄土高原黄绵土的有效P含量远远低于全国速效P含量平均值,因此研究区小麦种群可能受到P素的限制。(6)小麦生物产量分析表明,生物质炭配施100kg·hm-2 N肥和秸秆配施100kg·hm-2N肥措施提高了小麦生物产量,二者叶片产量增幅分别达14.81%和10.92%,茎秆产量增幅分别达58.91%和52.32%,籽粒产量增幅分别达55.26%和36.78%。生物质炭、秸秆等有机物料和氮肥的交互作用能够显著提高土壤速效养分含量,从而促进小麦根系的养分吸收,因此促进了小麦的生长。(7)综合各处理结果来看,相比对照处理,各处理均显著提高了土壤养分含量,并显著提高了作物产量,同时各处理显著增加了小养分含量,从而促进了小麦对氮磷的吸收,进而最终显著降低了植物计量比。尤其是生物质炭配施100kg·hm-2N肥措施效果最明显,其综合表现最优,因此研究认为生物质炭配施100kg·hm-2 N肥更能够促进区域耕地地力的逐步提升。