蒙遼農牧交錯區玉米碳氮含量對不同種植方式的響應

徐 媛，鮑雅靜，李政海,陳 佳,張 靖，姚毅恒，趙琪茉

(大連民族大學環境與資源學院，遼寧 大連 116600)

【研究意義】農牧交錯區是指我國東部農區與西部草原牧區接壤處的半農半牧區[1]，是我國重要的生態脆弱區[2]。其中北方農牧交錯區占我國農牧交錯區總面積的80 %，蒙遼農牧交錯區是北方農牧交錯區的重要組成部分，也是遼寧地區商品糧基地與重工業生產基地的生態屏障[3]。【前人研究進展】該地區農田大多種植玉米，主要采用水澆和地膜覆蓋兩種種植方式。水澆的種植方式可以在玉米需水的關鍵時期補充水分，但是大面積、長時期采用水澆的方式，會造成水資源嚴重浪費。地膜覆蓋的種植方式可以保持土壤溫度，減少土壤水分、養分的流失，防除雜草，減少病蟲害，但是廢棄的地膜有可能造成環境污染。玉米種植作為該地區最主要的農業經濟來源，也是浪費水資源的最主要活動。水資源作為蒙遼農牧交錯區最關鍵的生態環境因子，很大程度上決定了該地區的自然狀況，因此在保證玉米品質與產量的同時選取節約水資源的種植方式具有重要意義。玉米品質和產量受到很多因素的影響，其中C、N作為玉米基本代謝途徑中的主要參與元素，不僅影響玉米的生長發育狀況，而且很大程度上決定其品質與產量[4]。其中C是構成有機質骨架的重要元素，是植物生長中的能量來源，主要以碳水化合物的形式儲存；N是植物體內主要的營養物質，主要以蛋白質的形式儲存在植物體內[5-8]。C元素和N元素在植物生長過程中有著十分重要的影響力[9-10]。C/N在植物發育過程中也起著十分重要的作用，在一定程度反映了植物對營養的利用效率，也體現了植物吸收營養時同化C的能力[11-13]。【本研究切入點】本研究以蒙遼農牧交錯區玉米的C、N含量為研究對象，對2種種植方式下玉米品質及生長狀況進行比較。【擬解決的關鍵問題】旨在不影響當地農業發展的前提下可以更大程度節約水資源，同時填補該地區農田玉米C、N研究的空白，為農牧交錯區農業合理發展以及保護提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

本實驗研究區域位于東經119°17′38.79″至122°31′51.26″，北緯41°37′42.23″至44°09′13.87″。該區處于暖溫帶半干早半濕潤氣候區，主要氣候特點是干旱多風，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫大約為5.7～8.3 ℃，年降雨量350～550 mm，年蒸發量1300～1880 mm，旱季長達9個月，無霜期 144～200 d，年日照時數2823～2944 h[14-15]。由于季風的影響，降水中的60 %～65 %集中在夏季，降雨的年際變化也很大，據各氣象站統計，歷年降雨量最大最小之比在2～3左右[16](圖1)。

1.2 取樣方法

2016年8月，在蒙遼農牧交錯區范圍內選取24個農田樣地，其中按照不同種植方式劃分：水澆地(20個)，地膜覆蓋(4個)。每塊農田隨機選取3株長勢均勻的玉米，帶回實驗室，按照樣地以及玉米器官(根、莖、葉、雄穗、穗)進行分類。同時每塊農田取0～10 cm土壤樣品適量，裝入自封袋。

1.3 實驗方法

1.3.1 植物樣品C、N含量測定 將分類的玉米樣品放置于DGG-9000型電熱恒溫鼓風干燥箱，70 ℃下烘24 h至恒重，稱重。再用Retsch MM400混合型球磨儀將樣品研磨至粉末狀，過100目篩，裝入自封袋待測。最后使用EA3000元素分析儀測量玉米樣品中C、N含量。

1.3.2 土壤有機質測定方法 將采集的土壤樣品在通風良好的室內自然風干，然后使用RZK-TY土壤研磨器將土壤樣品研磨粉碎，過100目篩，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤樣品的有機質含量。

1.4 數據處理

實驗數據用Excel 2013整理，使用SPSS-statistics 20.0統計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVAs)和多重比較中Duncan假定方差齊性檢驗分別分析在2種種植方式下玉米各器官C含量、N含量以及C/N的差異；采用T檢驗分析玉米各器官C含量、N含量、C/N以及土壤有機質對不同種植方式的響應。

圖1 蒙遼農牧交錯區樣地分布Fig.1 Distribution of the plots of the agro-pastoral ecotone at Inner Mongolia and Liaoning border

2 結果與分析

2.1 不同種植方式下玉米各器官C含量

從圖2可知，在水澆的種植方式下，玉米莖的C含量最高，為(47.52±0.37)%，顯著高于玉米根、葉、穗和雄穗的C含量(P<0.05)；玉米根的C含量最低，為(41.04±0.0.56)%，顯著低于玉米莖、葉、穗和雄穗的C含量(P<0.05)；玉米葉、穗以及雄穗的C含量無顯著差異(P>0.05)。

在地膜覆蓋的種植方式下，玉米莖的C含量最高，為(46.77±0.64)%，顯著高于玉米葉以及根的C含量(P<0.05)，其與玉米穗和雄穗三者之間的C含量均無顯著差異(P>0.05)；玉米根C含量最低，為(41.47±0.22)，顯著低于玉米莖、穗以及雄穗的C含量(P<0.05)，與玉米葉的C含量無顯著差異(P>0.05)。

2.2 不同種植方式下玉米各器官N含量

從圖3可知，在水澆的種植方式下，玉米穗的N含量最高，為(0.98±0.01)%，顯著高于玉米根、莖以及雄穗的N含量(P<0.05)，與葉的N含量無顯著差異(P>0.05)；玉米莖的N含量最低，為(0.48±0.01)%，顯著低于玉米葉、穗以及雄穗的N含量(P<0.05)，與玉米根的N含量無顯著差異(P>0.05)。在地膜覆蓋的種植方式下，玉米葉的N含量最高，為(1.15±0.04)%，顯著高于玉米根、莖、穗以及雄穗的N含量(P<0.05)；玉米根的N含量最低，為(0.53±0.02)%，顯著低于玉米葉、穗以及雄穗的N含量(P<0.05)；玉米莖的N含量顯著低于玉米葉和穗的N含量，與根和雄穗的N含量無顯著差異(P>0.05)。

不同小寫字母之間表示均值差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母之間也表示均值差異顯著(P<0.05)，下同 The mean difference between different lowercase letters is significant (P<0.05), and the difference between the uppercase letters also indicates significant difference (P<0.05).The same as below圖2 2種種植方式下玉米各器官C含量Fig.2 Analysis of C content in various organs of maize under two planting methods

圖3 2種種植方式下玉米各器官N含量分析Fig.3 Analysis of N content in various organs of maize under two planting methods

2.3 不同種植方式下玉米各器官C/N

從圖4可知，在水澆的種植方式下，玉米莖的C/N最高，為(98.50±1.18)，顯著高于玉米根、葉、穗以及雄穗的C/N(P<0.05)；玉米穗的C/N最低，為(46.93±0.89)，顯著低于玉米根、莖以及雄穗的C/N(P<0.05)，與玉米葉的C/N無顯著差異(P>0.05)；玉米根與雄穗之間的C/N也無顯著差異(P>0.05)。在地膜覆蓋的種植方式下，玉米根的C/N最高，為(77.94±2.00)，顯著高于玉米葉、穗以及雄穗的C/N(P<0.05)，與玉米莖的C/N無顯著差異(P>0.05)；玉米葉的C/N最低，為(36.18±1.06)，顯著低于玉米根、莖、穗以及雄穗的C/N(P<0.05)；玉米穗與雄穗之間的C/N無顯著差異(P>0.05)。

2.4 玉米各器官C含量、N含量以及C/N對不同種植方式的響應

通過對玉米各器官C含量、N含量以及C/N在2種種植方式下的差異分析(表1)發現：水澆玉米葉的C含量[(44.89±0.12)%]顯著高于地膜覆蓋玉米葉的C含量[(41.68±0.34)%,P<0.05]；2種利用方式下玉米根、莖、雄穗以及穗的C含量則無顯著差異(P>0.05)。地膜覆蓋玉米莖的N含量(0.66±0.01)%極顯著高于水澆地玉米莖的N含量[(0.48±0.01)%，P<0.01]；2種利用方式下玉米根、葉、雄穗以及穗N含量則無顯著差異(P>0.05)。水澆地莖的C/N(98.50±1.18)極顯著高于地膜覆蓋莖的C/N(71.00±0.13，P<0.01)；水澆地葉的C/N(47.49±2.23)顯著高于地膜覆蓋C/N(36.18±1.06，P<0.05)；2種利用方式下根、雄穗以及穗C/N則無顯著差異(P>0.05)。

圖4 2種種植方式下玉米各器官C/N分析Fig.4 C/N analysis of various organs in maize under two planting methods

表1 玉米各器官在兩種種植方式下的C含量、N含量以及C/N差異的顯著性(P值)

2.5 土壤有機質對不同種植方式下的響應

通過土壤有機質在2種種植方式下的差異分析發現，地膜覆蓋的土壤有機質[(2.07±0.19)%]顯著高于水澆地的土壤有機質[(1.43±0.03)%，P<0.05)]。

3 討 論

植物體內的C主要是植物通過光合作用固定CO2的途徑獲得的，并主要以碳水化合物的形式儲存在植物體內。植物體內的N主要是通過植物的根系從土壤中吸收，并主要以蛋白質的形式儲存在植物體內[17]。C/N在一定程度上反映了植物品質的好壞。C/N高，反映出植物的品質相對較差，反之，說明植物的品質相對較高。本研究表明：在2種種植方式下，C含量均是莖的最高，根的最低，這與郭建平等[18]的研究結果相似：土壤濕度增大會使植物固定CO2能力增加，同時分配至莖的碳最多，根中獲得碳最少，因此推測該地區農田土壤水分較充足。N含量則是玉米葉和穗的較高，根的較低，張麗華等[19]研究發現玉米灌漿期氮素營養主要向子粒和葉片轉移。而本研究區玉米在8月份正處于灌漿期，因此葉和穗N含量會普遍偏高，而根部從土壤中吸收的氮供于玉米其他器官生長，因此根的N含量普遍較低。C/N均是莖的較高，葉的較低，可能由于此時根吸收的營養元素N大部分都向葉片轉移，同時土壤濕度較大導致植物固定的C更多的分配給莖，因此莖的C/N較高，而葉的較低。

不同的種植方式對玉米產量和品質都會帶來影響。水澆的種植方式可以為玉米生長提供充足的水分，保證土壤濕度。地膜覆蓋的種植方式可以保持土壤溫度、減少土壤水分、養分的流失，預防病蟲害[20]。通過對兩種種植方式下玉米C含量、N含量、C/N對比發現：水澆地玉米葉的C含量顯著高于地膜覆蓋玉米葉的C含量，可能是由于水澆地的水分較地膜覆蓋充足，有研究表明充足的水分會提高植物C同化能力，同時葉片是進行光合作用的主要器官[21]，因此水澆地玉米葉的C含量較高。地膜覆蓋玉米莖的N含量極顯著高于水澆地玉米莖的N含量，周麗娜等[22]通過對地膜覆蓋土壤養分的貯存和釋放研究發現，地膜覆蓋會增加土壤速效氮、速效磷等的含量，因此在地膜覆蓋的種植方式下玉米吸收的N含量會較高。水澆地玉米莖和葉的C/N均顯著高于地膜覆蓋玉米莖、葉的C/N，莖、葉作為植物主要光合器官，很大程度決定了植物代謝能力，同時C/N也決定植物品質以及產量，因此推測地膜覆蓋玉米品質更好，產量更高。此外，地膜覆蓋土壤有機質顯著高于水澆地土壤有機質，說明地膜覆蓋的種植方式更有效的保持土壤養分，給玉米生長提供更有力的條件。

4 結 論

綜上所述，蒙遼農牧交錯區地膜覆蓋的種植方式較水澆地可更有效的保持土壤養分，減少水資源的浪費，也有利于提高玉米的品質及產量。基于蒙遼農牧交錯區脆弱的生態環境以及水資源短缺的現狀，建議在今后玉米種植過程中使用地膜覆蓋的種植方式，既能減少水資源的浪費，也能適當提高玉米的品質及產量，同時要注意廢棄地膜的妥善處理，以免對農田以及周圍環境造成污染。在今后研究中希望能夠不斷發現合理的種植方式，為農牧交錯區農業發展以及土地保護提供更可靠的依據。