和田棗樹/小麥系統氮素吸收利用差異研究

張 偉，段志平，郝向東，林海榮，王寶駒，甘雅文，李魯華

(石河子大學農學院農學系耕作教研室，新疆 石河子 832003)

棗樹/小麥農林復合系統是中國西北新疆維吾爾自治區南部重要的果糧間作模式，該系統不僅滿足了當地農民糧食自給的需求，還能夠通過銷售大棗獲得豐厚的經濟效益[1]。新疆南部環塔克拉瑪干沙漠周邊綠洲的沙質土壤養分特別是氮素缺乏，保水保肥能力也較差[2-3]。因此，提高棗樹/小麥農林復合系統的土壤氮素利用率有助于提高土地利用率和土地產出。兩種作物根系競爭的程度主要取決于根系形態和扎根深度等因素[4]。林木的根系通?？梢岳蒙顚油寥赖牡兀⒛芪盏匠鲛r作物根系范圍的養分，這就使得林木在種間養分利用方面處于競爭優勢地位[5]。然而，也有研究人員得到與上述結論不同的結果，Nissen 等[6]在幼齡桉樹(EucalyptustorellianaF.V. Mueller)/卷心菜(BrassicasoleraceaL. Capitata Group)復合系統中發現幼齡桉樹根系的氮素競爭能力要低于卷心菜根系。此外，林木和農作物對土壤氮素吸收利用開始的時間可能有所不同，類似于冬小麥這類農作物通常在早春就開始萌動并吸收和利用土壤養分，而大多數林木要較之晚20～30 d左右。盡管農林復合系統的優點已經被廣泛接受和認可[7], 然而新疆和田古綠洲上處于優勢地位的棗樹/小麥果糧間作模式卻較少受到關注。棗樹/小麥農林復合系統對養分利用率方面的報道還很少，尤其是干旱區農業發展中農林復合系統對土壤氮素利用和競爭方面的資料更少[8]。基于上述原因，我們利用15N同位素標記的方法，通過田間試驗研究單、間作體系內間作和單作加權平均值對氮素吸收利用的差異以及復合群體中對不同土壤深度土壤礦質氮素吸收利用的差異，探明棗麥間作系統內的養分累積特點，進一步闡明棗樹和小麥復合體系對氮素高效利用的空間生態位補償機制。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用品種均為當地主栽品種：冬小麥為新冬20號(Xindong 20)，播種日期為2014年10月25日，收獲日期為2015年6月25日；棗樹均為駿棗(Junzao)，收獲日期為2015年10月5日。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗為單因素設計，按15N施入五個土壤深度位點分為五個水平：分別是20，40，80，120 和 200 cm。試驗共6個小區，田間隨機排列，棗樹選擇了4年生樹齡(2011年移植)。

其中棗樹/小麥間作小區面積：15 m×2 m=30 m2，3次重復，單作棗樹和單作小麥的小區面積15 m×2 m=30 m2，3次重復，棗樹行距為6 m，株距1 m；小麥行距15 cm，小麥占地78.5%，棗樹占地21.5%，計6個小區。

所有試驗地施基肥為：農家肥30 000 kg·hm-2，氮肥(N)為60 kg·hm-2；所有棗樹的追肥時期為冬小麥的拔節期和孕穗期，每個時期追肥量為(N)207 kg·hm-2，灌溉方式為漫灌，灌溉量遵循當地農業生產部門建議：每年灌水六次，每次灌量900 m3。2015年灌水時間分別是3月25日，4月14日，5月2日，5月23日，7月25日和9月5日。

1.2.215N施入方法和小區管理 利用15N土壤注射法在不同土層中施入15N來評價間作復合群體中棗樹和小麥對氮素的競爭利用。該方法基于這樣一個假設：當土壤水分不是限制因素時，地上部植物組織中所回收到的15N能夠反映植物根系對15N施入位點氮素的吸收能力[9]。

間作復合群體中，施入15N的棗樹之間最小距離為800 cm，這樣可以避免15N的交叉影響。以棗樹樹干為圓心，在半徑為50 cm的圓周上選擇均勻的8個點，用直徑5.5 cm的土鉆向下打孔，每棵樹下的8個點深度相同。選擇五個土壤深度為五個處理，深度分別為20，40，80，120 cm和200 cm。每棵樹對應一個深度，三次重復。注射15N溶液時，將不同長度的PVC管插入打好的洞孔中，于2015年4月17日將豐度為5.22 %的15N溶液分別通過PVC 管注射入洞孔中[10]。每個洞孔內注射15N溶液的含量為1 g。15N 溶液通過注射流入洞孔底部后，立即用20 ml的蒸餾水沖洗PVC 管以保證管壁上殘留的15N 溶液也全部到達洞孔底部的施入點位。作物全生育期內均進行人工除草。

播前按區組采混合土樣分析有機質、全氮、全磷、速效磷、有機磷、速效鉀等。

1.2.3 取樣方法與分析 小麥植株取樣在2015年6月12日進行。小麥植株樣品分為葉片、籽粒和莖稈三部分并分別進行樣品分析和計算。小麥成熟收獲時按行測定生物學產量和籽粒產量，并分析植株及麥穗中15N的含量。取15N植株樣范圍：以樹為中心，沿著樹劃圓圈取小麥樣，每20 cm取一圈，取到距離樹1 m為止。2015年10月5日對棗樹分別進行取樣。取施入15N的棗樹30棵(分為單作棗樹15棵，間作棗樹15棵)。將棗樹樣品分為主干、枝條、葉片和果實四部分并分別進行樣品分析和計算。

所有植株樣品均使用中國農業大學資環學院的穩定性同位素質譜儀進行分析。植株樣品稱重前均在80℃的條件下烘干72小時，然后用粉碎機進行粗粉(粉碎后樣品直徑<1 mm)，再用球磨儀進行精細粉碎。同位素質譜儀型號為MAT-251(Finnigan, 德國)。樣品分析結果用于分析作物吸收氮素來自肥料的比例(%NDFF)和作物的氮肥利用率(%UFN)。

2 數據處理

2.1 數據計算

2.1.1 作物吸收氮素來自肥料的比例(%NDFF) 作物吸收氮素來自肥料的比例(%NDFF) 通過下列公式計算[11-13]：

%NDFF=100×(a-b)/(c-d)

式中,a為施肥處理植株樣品的15N豐度(%)；b為不施肥處理植株樣品的15N豐度(%，對照值)；c為同位素標記肥料中的15N豐度(本研究中為5.22%)；d為15N的自然豐度(0.366%)。

單作小麥%NDFF=單作A×葉片%NDFF+單作B×莖稈%NDFF+單作C×籽粒%NDFF

單作棗樹%NDFF=單作D×葉片%NDFF+單作E×果實%NDFF+單作F×枝條%NDFF+單作G×主干%NDFF

間作小麥%NDFF=間作A×葉片%NDFF+間作B×莖稈%NDFF+間作C×籽粒%NDFF

間作棗樹%NDFF=間作D×葉片%NDFF+間作E×果實%NDFF+間作F×枝條%NDFF+間作G×主干%NDFF

單作加權平均值%NDFF=單作小麥%NDFF×78.5% + 單作棗樹%NDFF×21.5%

間作體系%NDFF=間作小麥%NDFF+間作棗樹%NDFF

式中，A為小麥葉片總干重比例(%)；B為小麥莖稈總干重比例(%)；C為小麥籽?？偢芍乇壤?%)；D為棗樹葉片總干重比例(%)；E為棗樹果實總干重比例(%)；F為棗樹枝條總干重比例(%)；G=棗樹主干總干重比例(%)。

2.1.2 作物的氮肥利用率(%UFN) 作物的氮肥利用率(Percentage utilization of fertilizer, %UFN) 通過下列公式計算[11-13]：

%UFN = (%NDFF×S)/R

式中，S是指植株氮素的吸收總量(kg·hm-2)；S為N吸收量×干物質重量(kg·hm-2)，N吸收量用凱氏定氮法測定；R為氮肥施用總量(kg N·hm-2)。

單作小麥%UFN=單作A×葉片%UFN + 單作B×莖稈%UFN+單作C×籽粒%UFN

單作棗樹%UFN=單作D×葉片%UFN + 單作E×果實%UFN+單作F×枝條%UFN+單作G×主干%UFN

間作小麥%UFN=間作A×葉片%UFN + 間作B×莖稈%UFN+間作C×籽粒%UFN

間作棗樹%UFN=間作D×葉片%UFN + 間作E×果實%UFN+間作F×枝條%UFN+間作G×主干%UFN

單作加權平均值%UFN=單作小麥%UFN×78.5%+單作棗樹%UFN×21.5%

間作體系%UFN=間作小麥%UFN+間作棗樹%UFN

此處A,B,C,D,E,F,G意義與2.1.1公式相同。

2.2 統計分析

數據用Microsoft Excel 2003 整理后，用SPSS(19.0)程序在0.05水平進行方差分析，并用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較。

3 結果與分析

3.1 N吸收量

間作體系的N吸收量在15N施入的五個深度均顯著高于單作加權平均的N吸收量，間作體系的N吸收量分別比單作加權平均值高出83.5%(P<0.001)、76.1%(P<0.001)、91.7%(P<0.001)、98.0%(P<0.001)和97.4%(P<0.001)。單作小麥和間作小麥的N吸收量在15N施入的20、40、80 cm三個深度處理間差異顯著，單作小麥的N吸收量分別比間作小麥高出16.3%(P=0.037)、14.2%(P=0.039)和9.7%(P=0.045)。但是間作棗樹與單作棗樹之間差異不顯著。單作小麥在15N施入的不同深度處理間存在顯著差異(表1)。

表1 棗樹/小麥系統N吸收量/(kg N·hm-2)

注：表中所列數據均為觀測值的平均值。1)相同小寫字母表示同年內，單、間作(系統)之間在LSDP<0.05水平差異不顯著(垂直方向比較)；2)相同大寫字母表示同年內同一個系統內不同15N施入深度之間在LSDP<0.05水平差異不顯著(水平方向比較)；3)表示單作果樹與單作小麥的加權平均值。

Note: Values are weighted mean of observations; 1)Treatment comparison between monocropped and intercropping system is followed by lower case letters. Treatment values followed by the same lower case letter (within column) are not significantly different at the 0.05 level of probability; 2)Within-treatment comparison among five imbedding depths followed by the same capital letters within the row are not significantly different at the 0.05 level of probability;3)The weighted means of corresponding monocropped crops.

3.2 作物吸收氮素來自肥料的比例(%NDFF)

間作體系與單作加權平均值的%NDFF在15N施入的各深度處理間差異均顯著，間作體系的%NDFF分別比單作加權平均值高出13.18(P<0.001)、12.33(P<0.001)、13.16(P<0.001)、11.76(P=0.003)和6.6(P=0.017)個百分點；單作棗樹與間作棗樹的%NDFF在15N施入的20、40、80 cm深度處理間差異顯著，間作棗樹的%NDFF比單作棗樹高出2.01(P=0.026)、1.38(P=0.038)和2.59(P<0.001)個百分點，間作小麥與單作小麥的%NDFF在15N施入的20、40、80、120 cm深度處理間差異顯著，間作小麥的%NDFF比單作小麥高出4.16(P=0.022)，3.7(P=0.040)，3.4(P=0.034)和4.59(P<0.001)個百分點(表2)。

表2 棗樹/小麥系統NDFF/%

注：表中所列數據均為觀測值的平均值。1)相同小寫字母表示同年內，單、間作(系統)之間在LSDP<0.05水平差異不顯著(垂直方向比較)；2)相同大寫字母表示同年內同一個系統內不同15N施入深度之間在LSDP<0.05水平差異不顯著(水平方向比較)；3)表示單作果樹與單作小麥的加權平均值。

Note: Values are weighted mean of observations; 1) Treatment comparison between monocropped and intercropping system is followed by lower case letters. Treatment values followed by the same lower case letter (within column) are not significantly different at the 0.05 level of probability; 2) Within-treatment comparison among five imbedding depths followed by the same capital letters within the row are not significantly different at the 0.05 level of probability; 3)The weighted means of corresponding monocropped crops.

3.3 作物的氮肥利用率(%UFN)

間作體系與單作加權平均的%UFN只在15N施入的40 cm深度處理間差異顯著，間作體系的%UFN在該深度比單作加權平均值高出1.64個百分點(P=0.037)；間作棗樹與單作棗樹的%UFN在15N施入的20、40、80、120 cm深度處理間差異顯著，間作棗樹的%UFN比單作棗樹低0.47(P=0.015)、0.45(P=0.025)、0.8(P<0.001)和0.15(P=0.037)個百分點。間作小麥和單作小麥之間差異不顯著(表3)。

4 討 論

4.1 N吸收量

實驗數據表明，間作體系的N吸收量較單作體系加權平均值高出88.7%，說明間作體系較單作體系具有明顯的N素吸收累積優勢。單作棗樹和間作棗樹的N吸收量之間差異不顯著，然而兩種配置之間存在著微弱的趨勢：間作棗樹的N吸收量較單作棗樹高出1.1%。Jose 等認為無根系分隔處理的核桃樹N吸收量較單作核桃樹高[4]。他們在黑核桃/玉米復合系統發現無根系分隔處理的核桃樹N吸收量較單作核桃樹高出15.5%。這是因為無根系分隔處理的核桃樹根系從間作復合系統中吸收到了氮素，所以使無根系分隔處理的核桃樹N吸收量更高。

表3 棗樹/小麥系統氮素利用效率UFN/%

注：表中所列數據均為觀測值的平均值。1)相同小寫字母表示同年內，單、間作(系統)之間在LSDP<0.05水平差異不顯著(垂直方向比較)；2)相同大寫字母表示同年內同一個系統內不同15N施入深度之間在LSDP<0.05水平差異不顯著(水平方向比較)；3)表示單作果樹與單作小麥的加權平均值。

Note: Values are weighted mean of observations; 1)Treatment comparison between monocropped and intercropping system is followed by lower case letters. Treatment values followed by the same lower case letter (within column) are not significantly different at the 0.05 level of probability; 2)Within-treatment comparison among five imbedding depths followed by the same capital letters within the row are not significantly different at the 0.05 level of probability; 3)The weighted means of corresponding monocropped crops.

單作小麥和間作小麥的N吸收量之間表現出一定的顯著差異，同時我們還觀察到單作小麥的N吸收量均較間作小麥高出10.2%，單作小麥因為有著較高的生物量所以N吸收量較間作小麥高。Zamora 等在火炬松(PinustaedaL.)/棉花(GossypiumhirsutumK. Koch.)復合系統中也得到類似的結論[10]：根系分隔處理的棉花器官組織比無根系分隔處理的N吸收量高出21%。Allen 等在美洲山核桃/棉花復合系統中發現根系分隔處理的棉花器官組織比無根系分隔處理的N吸收量高出18%，并認為根系分隔處理條件下地下部的棉花根系競爭較無根系分隔處理的少是形成該結果的重要原因[11]。類似的結果在其它研究中也有報道[10,12,14]。在本研究中，間作小麥因為種間根系競爭導致其生物量較單作小麥低，所以N吸收量也較低。對于15N不同埋深的處理，間作小麥各深度間沒有差異，而單作小麥存在一定差異。

4.2 作物吸收氮素來自肥料的比例(%NDFF)

間作體系與單作體系加權平均值的%NDFF存在顯著差異，且間作體系的%NDFF較單作加權平均值高出11.67個百分點。前人的研究結論認為，農林復合系統中間作系統比單作系統%NDFF高的原因主要在于樹與作物對氮素吸收利用時間生態位上的分異[15-17]。大多數情況下，間作群體中一種作物(A)對氮素的吸收利用時間早于另一種作物(B)，因此當B作物也進入氮素吸收高峰期時，作物A已經消耗了土壤中的一部分氮素，致使間作系統內的土壤氮素較單作系統低，此時間作系統內兩種作物將較單作系統更多的利用所施入的氮肥，最終使間作系統比單作系統的%NDFF高[18]。在我們的研究區域中，冬小麥通常于三月初開始萌動，而棗樹在三月底至四月初開始萌芽，間作小麥先于間作棗樹利用土壤中的氮素，所以間作體系在小麥生長的中后期更多的利用了施入的氮肥，其%NDFF也較單作加權平均值高。相似的結果在上述美洲山核桃/棉花的農林復合系統研究中也得到印證[10,12]。

間作小麥和單作小麥的%NDFF之間差異顯著，間作小麥的NDFF較單作小麥高出16.26個百分點。間作棗樹的%NDFF較單作棗樹高出5.12個百分點。Zamora 等在火炬松/棉花復合系統中得到類似的結論[10]，無根系分隔處理中棉花的%NDFF較根系分隔處理高33%-40%，無根系分隔處理火炬松的%NDFF為1.05%，而根系分隔處理為0.31%。Allen 等也在美洲山核桃/棉花復合系統中發現無根系分隔處理中棉花的%NDFF較根系分隔處理高22.5 %[12]。Rowe 等認為這種現象的發生是因為根系分隔處理的棉花或火炬松根系更容易吸收到已經存在于土壤中的氮素，而不是吸收施入到土壤中的氮肥[17]。

4.3 氮素利用率(%UFN)

試驗數據表明，間作體系與單作體系加權平均的氮素利用率存在一定差異，且間作體系的氮素利用率較單作體系加權平均值高出3.37個百分點。Lehmann等在刺槐/高粱間作復合群體中發現間作群體的氮素利用率高于單作系統[8]。另外，除了從地上部植物組織15N含量考察間作和單作加權平均值的氮素利用率外，我們認為間作體系地下部兩種作物的根系分解對間作體系更高的氮素利用率也具有一定貢獻。蔣三乃等認為，在某些單作林帶中引入合適的輔助樹種或農作物后間作系統將加快地下部兩種作物的細根和地上部林下凋落物的分解速度，從而加速系統的養分循環，提高林地的養分水平，因為地下部細根的分解速度較地上部凋落物高，所以細根分解在農林復合系統中養分歸還方面要比地上部分凋落物具有更大的作用[19]。盡管目前對農林復合系統凋落物混合分解的機理還不太清楚，但許多研究也都先后證明了上述觀點[20-24]。

單作棗樹和間作棗樹的氮素利用效率之間存在一定差異，同時兩種配置之間存在著明顯的趨勢：單作棗樹的氮素利用效率較間作棗樹高出1.83個百分點。Jose等認為間作樹木因為種間競爭而無法像單作樹木那樣有效的利用土壤和肥料中的養分，這可能是間作樹木氮肥利用率低于單作的原因[4]。單作小麥和間作小麥的氮素利用效率之間差異不顯著，然而我們仍然觀察到一個明顯的趨勢：間作小麥的氮素利用效率均較單作小麥高出5.62個百分點。我們認為這是因為間作小麥較單作小麥更多的利用了邊際效應，利用到更多的光照，補充到更多的CO2，從而提高了其氮素利用效率。陳雨海等利用15N穩定性同位素在小麥/菠菜間作系統中發現，小麥的邊行優勢與其植株吸收N素的能力呈密切正相關[25]。

我們的研究同時也表明兩種作物對氮素的吸收具有較大差異。棗樹在各處理中的氮素利用率均低于小麥。很明顯，棗樹在氮素利用方面競爭不過小麥。Nissen等在桉樹/卷心菜農林復合系統中也得到類似結論[6]。從15N施入的不同土層來看，單、間作小麥系統和單、間作復合系統的氮素利用率的最低值均出現在120、200 cm處理，這可能是因為小麥根系在深層土壤分布的較少從而引起深層氮素利用率低的原因。

5 結 論

本研究中棗樹/小麥復合系統內發生了氮素的種間競爭。間作體系的N吸收量較單作體系加權平均值高的趨勢即可以證明這一點。間作體系的NDFF均較單作體系加權平均值高，這主要由農林復合系統中樹與作物對氮素吸收利用時間的不同步造成。間作體系均較單作體系加權平均值的氮素利用效率高，表明間作體系確比單作具有氮素利用的優勢。本研究同時表明，棗樹的氮素利用率低于小麥；各系統的氮素利用率最低值均出現在15N施入的120、200 cm處理，這與作物根系在深層分布較少有密切關系。我們建議在田間管理中增施一定肥料將有助于緩解種間對氮素的競爭。