黃土丘陵溝壑區低氮脅迫對苦蕎生長及土壤養分的影響

王 佳，陳 偉*，張 強，王紅陽，李亞新，孫從建

(1.山西師范大學地理科學學院，山西 臨汾 041004；2.山西師范大學生命科學學院，山西 臨汾 041004；3.山西省資源環境信息化管理院士工作站，山西 臨汾 041004)

【研究意義】黃土高原地處干旱半干旱地區，水土流失是該地區農業發展的限制因素之一[1]。據統計，黃土高原土壤有機質因水土流失每年減少約1800萬t，轉化為尿素肥料高達735萬t，相當于整個地區的年度肥料消耗量。缺氮少磷鉀充足是該地區土壤養分的主要特點，脆弱的生態環境和相對貧瘠的土壤限制著當地農業的發展[2]。苦蕎生育期短、耐瘠性強在黃土丘陵溝壑區廣泛種植，苦蕎植株蛋白質含量豐富，是很好的綠肥和動物飼料，又醫食同源治療三高，近年來被人們廣泛重視。同時，山西省苦蕎的種植面積居全國第五位，是山西地域特色的雜糧，有著傳統大宗作物無法替代的優勢，在國家實施優勢特色農業提質增效行動計劃中，尤其是重點發展的優勢特色農業中排在顯著位置。因此研究黃土丘陵溝壑區氮素脅迫下苦蕎的植株生長及土壤的養分特性尤為重要，可以為該地區特色農業的高效發展提供理論依據。【前人研究進展】近年來針對苦蕎的研究大部分集中在地上部分植株的養分價值[3-4]、品種選育[5-6]和逆境脅迫對苦蕎化學成分及生理機能的研究[7-8]。例如，張楚等[9]通過水培實驗測定9個不同基因型苦蕎在不同氮水平下的農藝性狀，篩選出迪慶苦蕎耐低氮能力最強。另有學者[10]在干旱脅迫與復水條件下對苦蕎苗期生長及葉片內源激素進行試驗，發現干旱脅迫對地上指標(株高、莖粗、葉面積、莖葉干重)和根系指標(根系體積、根系表面積、根系平均直徑、根系干重、根系活力、根系可溶性蛋白含量)會因苦蕎品種不同而存在顯著差異。楊春婷等[11]發現在低磷脅迫下，苦蕎苗期地上植株形態指標及地下根系等指標均有所下降，主根伸長、根冠比有所升高，但不同品種的升降幅度不同。即苦蕎因為品種的不同，面對環境脅迫時其植株的生長指標會有所差異進而可能會對土壤的養分狀況產生影響。有研究表明，苦蕎可以通過自身的耐瘠機制調控土壤微環境的養分有效性，來增加養分的吸收[12]。例如在缺氮的土壤中，根系通過增加有機酸的分泌量改變根際微環境來增強氮素的吸收，并且土壤有效氮的含量對不同苦蕎品種根系分泌有機酸的含量和種類有影響[13-14]。基于此，種植苦蕎作物后的土壤養分虧缺會更加嚴峻，對下一季作物肥料用量有很大的影響[15]。那么，在低氮脅迫下，種植不同耐氮性的苦蕎品種，在其整個生育期內植株動態生長指標有何差異？這種差異又會對土壤養分狀況產生怎樣的影響？【本研究切入點】本文以黃土高原黃土丘陵溝壑區山西省鄉寧縣馮家溝水土保持監測站內的大田土壤為研究對象，以黑豐和迪慶為試驗材料，設置3個不同施氮水平處理，研究不同生育期內苦蕎地上部分的植株生長狀況和地下根際土壤養分變化?！緮M解決的關鍵問題】揭示低氮脅迫對耐氮性有差異的苦蕎品種在生育期內植株生長的影響以及對土壤養分消耗的動態變化特征，從而進一步了解苦蕎的耐瘠性差異，為黃土高原瘠薄地區農田氮肥優化管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2018年在鄉寧縣馮家溝水土保持監測站內大田進行(110°47′E，35°57′N)，該監測點位于鄉寧縣馮家溝村上游，為黃土丘陵溝壑區，屬黃河一級支流鄂河一級支溝[16](圖1)。監測站地勢西北高東南低，沖溝發育，土壤以褐土為主，年均氣溫10 ℃左右，年平均降雨量631.8 mm，流域內5—8月的降水量分別為：12.9、54.2、84.5、150 mm。試驗區海拔966 m，全年平均日照時數為2568 h，屬于暖溫帶半干旱大陸性季風氣候。試驗地現存植被主要包括蘆草(Agropyronmongolicum)，狗尾(Setariabeauv)，莧菜(Amaranthustricolor)，蒿草(Heteropappusaltaicus)等。苦蕎于5月1日播種，苦蕎播前土壤基本理化性質為：pH 7.52，全氮0.2 g/kg，全磷1.05 g/kg，全鉀5.06 g/kg，有效磷30.03 mg/kg，速效鉀360.96 mg/g，堿解氮115.36 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用氮肥處理和品種二因素裂區設計，氮肥處理為主處理，共設置3個施氮水平即0 kg/hm2(N0，無氮處理)、80 kg/hm2(N1，低氮處理)、160 kg/hm2(N2，常氮處理)，氮肥為尿素(含N 46.4%)，過磷酸鈣(含P2O515.0%，150 kg/hm2)和硫酸鉀(含K20 50.0%，60 kg/hm2)作為基肥施用，定期除草并及時控制病蟲害。品種為副處理，供試材料為‘黑豐1號’(HF，不耐低氮)和‘迪慶苦蕎’(DQ，耐低氮)，DQ由迪慶藏族自治州農業科學研究所提供，HF由山西省農業科學院高寒作物研究所提供[9]。試驗設3次重復，在氮肥處理和品種的組合下共設置18個小區，每個小區面積(3 m×2 m)，每個小區周邊有 10 cm 高的田埂與鄰近小區隔開?？嗍w生長周期為90～100 d左右，于5月1日播種，分別在6月23日、7月20日、8月28日采集，將其分別作為幼苗期(S，Seedling stage)、開花期(F，Flowering stage)和成熟期(M，Maturation stage)的樣品。

1.3 樣品采集

分別在苦蕎的3個生育期，選取3株長勢相似的植株，在靠近苦蕎根際處將整株挖出，采用“抖根法”取根際土壤，將植株和土壤分別裝入塑封袋，帶回實驗室，測量苦蕎植株的形態指標(株高、莖粗、葉面積)，將根際土風干1周后除掉石塊、雜草等雜質，過20目、60目、100目篩裝入自封袋中封存，用來測定土壤理化指標。

1.4 測定指標及方法

苦蕎生長指標的測定：采用卷尺測定株高；游標卡尺測定莖粗；Li-3000便攜式葉面積儀測定葉面積；土壤理化指標的測定：用105 ℃ 烘干至恒重測定土壤含水量；pH采用pH酸度計(水土比2.5∶1)測定；有機質采用重鉻酸鉀加熱法；堿解氮采用堿解擴散法；全鉀采用高氯酸硫酸消煮—火焰光度計法；全氮用凱氏定氮儀測定；有效磷用碳酸氫鈉浸提法測定；速效鉀采用乙酸銨—火焰光度計法；全磷采用氫氧化鈉—鉬銻抗比色[17]。

1.5 數據分析

采用 Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理，利用SPSS21.0統計軟件對品種之間的對比采用獨立樣本T檢驗，氮處理之間進行單因素方差分析(ANOVA)、裂區分析，以及利用Canoco軟件對苦蕎的地上部分植株生長與土壤養分進行冗余分析(RDA)，用Origin8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 氮處理對苦蕎株高、莖粗、葉面積影響

由表1可知，品種、氮處理及兩者之間的交互作用對苦蕎株高、莖粗及葉面積產生極顯著的影響(P<0.01)。幼苗期在N1、N2處理下DQ的株高分別比HF高9.7%、8.1%，而莖粗分別比HF高10.5%、14.8%。DQ的葉面積在N0、N1處理下分別比HF高10.8%、17.7%。開花期苦蕎的株高在不同施氮量下分別比HF高10.4%、9.5%、13.4%，同時在不同施氮量下DQ的莖粗分別比HF高5.1%、7.4%、13.1%。而在N2處理下DQ的葉面積比HF高25.2%。成熟期DQ的株高在N0、N2處理下分別較HF高16.7%、7.6%，在不同施氮量下DQ的莖粗分別比HF高7.7%、5.4%、5.3%，而在N1、N2處理下DQ的葉面積比HF高36.2%、22.3%。兩個品種的株高和莖粗數值為：成熟期>開花期>幼苗期，葉面積數值為：開花期>成熟期>幼苗期。

表1 不同施氮量及品種對苦蕎地上部生長的影響

2.2 氮處理對苦蕎不同生育期土壤養分的影響

2.2.1 土壤pH、含水量和有機質 裂區分析表明，品種對土壤含水量和有機質均產生極顯著的影響(P<0.01)；氮處理對土壤有機質產生極顯著的影響(P<0.01)；品種和氮處理的交互作用對土壤pH、含水量和有機質均產生極顯著的影響(P<0.01，表2)。圖2-a～b所示，HF的N2處理及DQ的N1、N2處理土壤pH從幼苗期到成熟期先增加后減少，且在開花期最高。幼苗期，HF和DQ的土壤pH在N0處理下分別比播種期高0.44%和1.40%；在N1處理下，HF土壤的pH比DQ高3.94%；而在N2處理下，HF和DQ土壤的pH比播種期減少了0.13%和0.36%。開花期，在N1處理下，DQ比HF高1.40%。在整個生育期結束后，兩個品種不同氮處理的土壤pH比播種期低。HF的3個處理及DQ的N1處理土壤含水量從幼苗期到成熟期先增加后減少，在開花期最高，DQ的其余兩個處理均呈下降趨勢。在幼苗期，HF的3個處理比播種期分別低11.60%、16.24%、1.65%，而DQ的3個處理分別比播種期高12.62%、7.63%、5.86%，且在N1處理下，DQ比HF高25.11%。開花期，在N1處理下DQ的土壤含水量比HF高12.59%。成熟期，兩個品種不同施氮量的土壤含水量相對于播種期低(圖2-c～d)。圖2-e～f所示，HF的N2處理及DQ的3個處理從播種期到幼苗期土壤有機質均增加，而從幼苗期到開花期減少。幼苗期，HF的N2處理及DQ的3個處理分別比播種期高48.77%、29.38%、17.72%、48.49%。同時，在N1處理下DQ的有機質比HF高42.49%。開花期，在不同氮處理下，DQ分別比HF高 138.71%、90.54%、31.23%。成熟期DQ的N1、N2的土壤有機質比播種期高21.27%、27.96%，比HF高98.84%、50.72%。綜上所述，在N1處理下，3個時期HF均比DQ土壤有機質消耗多，主要表現為：成熟期>開花期>幼苗期。

2.2.2 土壤速效氮、磷、鉀含量差異 裂區分析表明，品種、氮處理及兩者之間的交互作用對土壤速效氮、磷、鉀均產生了極顯著的影響(P<0.01,表2)。不同氮處理下，土壤堿解氮以幼苗期為分界呈先增加后減少的趨勢。在苦蕎的幼苗期，兩個品種氮處理的土壤堿解氮含量順序為：N2>N1>N0。從幼苗期到成熟期，各處理土壤堿解氮呈下降趨勢。幼苗期在N1處理下，DQ比HF高21.20%；而在開花期，DQ的N1、N2處理比HF高14.87%、18.16%。整個生育期結束后，除DQ在N2處理下的土壤堿解氮相對于播種期增加了1.24%，其余各處理均下降。另外，在生育后期，DQ在N1、N2處理下分別比HF高 11.61%、13.50%(圖3-a～b)。圖3-c～d所示，HF和DQ在N1處理下土壤有效磷含量在幼苗期最高，然后下降。而其它處理從播種期到成熟期一直呈下降趨勢。開花期DQ的有效磷在不同處理下均比HF高64.65%、45.88%、25.35%；成熟期兩個品種的有效磷含量比播種期少，且DQ的土壤有效磷在N1、N2處理下均比HF高44.68%、32.09%。圖3-e～f所示，HF的土壤速效鉀從播種期到成熟期不斷減少，DQ的土壤速效鉀在整個生育期中以幼苗期為分界線先增加后減少。在幼苗期，DQ的土壤速效鉀在3個處理下分別比HF高17.16%、16.16%、13.10%。開花期，除DQ的N2處理均比播種期土壤速效鉀的含量低，但DQ在不同處理下比HF高3.83%、9.74%、16.62%。成熟期DQ的3個處理分別比HF高10.24%、11.63%、22.40%。

表2 各指標裂區分析結果

HF：黑豐1號，DQ：迪慶苦蕎；N0：不施氮，N1：低氮量，N2：常氮量。大寫字母表示同一時期及品種的不同氮處理在(P<0.05)水平差異顯著，小寫字母表示同一時期及氮處理下不同品種在(P<0.05)水平差異顯著，下同 HF:Heifeng No.1,DQ:Diqing tartary buckwheat;N0:No nitrogen,N1:Low nitrogen,N2:Normal nitrogen.Capital letters indicate that different nitrogen treatments of the same period and cultivars have significant differences at(P<0.05)levels,lowercase letters indicate that different cultivars of the same period and nitrogen treatments have significant differences at(P<0.05)levels圖2 不同生育期土壤pH、含水量和有機質的動態變化Fig.2 Dynamic changes of soil pH,water content and organic matter at different growth periods

2.2.3 土壤全氮、磷、鉀養分含量差異 裂區分析表明，品種、氮處理及兩者之間的交互作用對土壤全氮、磷、鉀均產生了極顯著的影響(P<0.01，表2)。圖4-a～b所示，兩個品種不同處理的全氮含量在幼苗期最高。在幼苗期，DQ在N1處理下比HF高9.07%。開花期，不同處理下DQ的土壤全氮分別比HF高90.01%、76.76%、25.95%。在整個生育期結束后，除HF的N0處理，其它處理均比播種期高，且DQ的3個處理分別比HF高24.00%、80.41%、18.45%。圖4-c～d所示，開花期N1、N2處理下，HF的土壤全磷比DQ高43.23%、10.62%。生育后期，HF不同處理下的全磷含量比播種期的分別低47.31%、19.96%、21.73%，而DQ不同處理下的全磷含量分別比播種期低40.99%、17.87%、39.10%。圖4-e～f所示，幼苗期，除兩個品種的N2處理，其它處理均比播種期土壤中全鉀的含量低11.34%、11.75%、0、1.68%，且不同處理下DQ分別比HF高11.34%、9.91%、8.71%。在開花期的N1處理下，DQ的土壤全鉀比HF高12.47%。在生育后期，HF土壤全鉀的含量均比播種期低33.32%、39.31%、39.62%，DQ則比播種期低45.44%、33.70%、31.01%。同時在此階段，DQ的全鉀在N1、N2處理下分別比HF高4.20%、6.57%。

2.3 土壤養分與苦蕎植株生長之間的關系

RDA結果顯示苦蕎植株生理指標和土壤養分相互影響。圖5顯示HF的一二主軸分別解釋了總變量的68.4%，16.5%，而DQ的一二軸分別解釋了總變量的71.4%，16.9%。通過對土壤養分進行蒙特卡洛檢驗及排序，全鉀(P=0.002)，速效鉀(P=0.002)，堿解氮(P=0.002)和全氮(P=0.004)是對HF植株生長影響最大的環境因子；全鉀(P=0.002)，全磷(P=0.004)，含水量(P=0.004)和全氮(P=0.004)是對DQ植株生長影響最大的環境因子。這四個環境因子對苦蕎植株生長的影響均達到極顯著水平(P<0.01)，其余的養分因子與植株生長的顯著性及自由度見表3。由圖5可知，兩個品種的N0與N1、N2處理可以沿一軸區分，說明兩個品種在不同施氮量下有著明顯的差異；兩個品種的幼苗期與開花期、成熟期可以沿二軸區分，說明兩個品種在不同生育期有著明顯的差異。

圖3 不同生育期土壤 土壤速效氮、磷、鉀含量的動態變化Fig.3 Dynamic changes of soil available nitrogen,phosphorus and potassium content at different growth periods

圖4 不同生育期土壤土壤全氮、磷、鉀的動態變化Fig.4 Dynamic changes of soil total nitrogen,phosphorus and potassium at different growth periods

pH：土壤酸堿度；SM：土壤含水量；SOM：土壤有機質；AN：堿解氮；AP：速效磷；AK：速效鉀；TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；CL：品種；ZG：株高；JC：莖粗；YMJ：葉面積pH:Soil pH;SM:Soil moisture;SOM:Soil organic matter;AN:Alkali-hydrolyzed nitrogen;AP:Available phosphorus;AK:Available potassium;TN:Total nitrogen;TP:Total phosphorus;TK:Total potassium;CL:Cultivar;ZG:Plant height;JC:Stem thickness;YMJ:Leaf area圖5 冗余分析Fig.5 Redundancy analysis

3 討 論

3.1 氮處理及品種對苦蕎生長指標的影響

N素是植物生長的必要元素。在缺氮的條件下，植物各器官生長緩慢，植株矮小[18]。本研究表明除成熟期HF的株高這一指標，其它指標均呈現：N2>N1>N0。表明苦蕎生長的不同時期氮含量的增加在一定程度上促進植株地上部分的生長[19]。在幼苗期，低氮脅迫下DQ的株高、莖粗及葉面積均比HF高。作物生長受遺傳因素的影響，又受環境條件的制約。當環境處于低氮脅迫時，苦蕎幼苗葉片葉綠素含量、Fm及Fv/Fm均顯著下降，耐低氮品種PSⅡ反應中心受破壞程度較小，光合能力較強，適應性較好[20]。同時，在這種條件下，其地下部分土壤養分也會做出相應的響應[21]。RDA結果表明，全鉀，全磷，含水量和全氮是對DQ品種植株生長影響最大的環境因子。其中，鉀對植物體內氮、磷營養元素的吸收和轉運有協同效應，從而提高葉片的持水力，增強滲透壓調節，改善植株的水分狀況以及提高水分利用效率[22]。本試驗中開花期DQ苦蕎的株高、莖粗在低氮脅迫下均比HF高。由于開花期白天太陽輻射時間長且強，DQ進行光合作用受低氮脅迫的影響較HF小，產生的有機物比HF多。因此DQ的株高莖粗的數值較高[20]。成熟期DQ苦蕎的莖粗和葉面積在N1處理下均比HF高。有研究表明耐低氮能力強的玉米品種采取維持較高葉綠素及滲透調節含量、較大葉面積等辦法來適應低氮環境、維持正常的生命活動[23]?？赡苁窃诘偷獥l件下，植株發生一系列的形態、生理變化以增強適應低氮的能力，最終緩解低氮的壓力。孫從建等[24]在黃土丘陵溝壑區對5種典型農作物在3種不同的降雨類型條件下產流產沙效應進行研究，發現紅薯因葉面積較大，地表覆蓋率較高的生理特性，能有效降低雨滴對表層土壤的濺蝕，從而阻止土壤隨侵蝕性降水的流失?？嗍w在黃土高原丘陵溝壑區廣泛種植，耐低氮品種的葉面積更大，可以減少不同雨強對土壤地面的直接侵蝕，水土保持作用更強，且耐低氮品種植株的莖較粗，減少植株倒伏概率，較大的地上指標可以提供更多的綠肥和動物飼料。在黃土高原丘陵溝壑區，種植耐低氮品種的苦蕎具有較好的生態效應和綠肥效益。本研究表明兩個品種在不同生育期地上部生長指標均有差異，株高和莖粗均表現為：成熟期>開花期>幼苗期，葉面積均表現為：開花期>成熟期>幼苗期。研究表明在作物生長期內莖粗隨著作物的生長而增大，當作物成熟之后莖粗不再發生變化。在收獲時期作物葉面積呈現降低趨勢，這主要是因為植物葉片蒸騰所影響的[25]。另外，研究表明在作物生長期間，鉀元素能提高葉片葉綠素含量，增大其葉面積，延長葉的功能期，提高光合效率，促進灌漿過程和提早成熟，增強植株的抗逆性[26]。

表3 冗余分析排序

3.2 氮處理及品種對土壤養分的影響

大量研究已經證明土壤pH是影響植物吸收養分的主要驅動因素。本研究中在低氮脅迫下幼苗期HF的土壤pH比DQ的高，在低氮條件下苦蕎根系活力因品種有差異，即耐低氮苦蕎品種根系活力、根系硝酸還原酶活性明顯高于不耐低氮品種[20]，這可能是根際土壤pH發生變化的原因之一。另有研究表明，土壤pH增加可以增加氨氧化菌的豐度從而增加土壤中潛在的硝化作用[27]，可以為植物的生長提供更多的有效氮素，這也可能是苦蕎品種的耐低氮機制之一?？嗍w幼苗期種子的發育需要消耗的水分較多，同時苦蕎的生長的后期根系發達，對水分的吸收量也增加[25]，因此幼苗期和成熟期兩個品種的土壤含水量下降。而在苦蕎幼苗和開花期HF對含水量的消耗顯著大于DQ，有研究表明植物在遇到脅迫時主根會增加來適應環境，增加對土壤中水分的吸收與消耗[9]，由于品種差異，HF品種相對于DQ品種耐氮性較差，可能為適應氮脅迫環境而消耗較多的水分。同時，裂區分析表明品種對含水量有顯著影響與結論相互印證。相關研究已經發現合理施用氮肥能夠有效增加黃土高原旱地0～20 cm土層土壤有機碳及有機氮積累，從而提高土壤氮素礦化能力，降低氮素礦化速率[28]。本研究中在苦蕎生育期中隨著施氮量的增加土壤有機質總體上呈增加的趨勢，除了HF的開花期和成熟期，其它沒有顯著差異。

本研究表明從幼苗期到成熟期，各施肥處理土壤堿解氮下降。苦蕎因營養生長與生殖生長同時進行，代謝速度快，對氮的需求也增加，同時在生育后期，HF的土壤堿解氮在N1、N2處理下分別比DQ消耗的多，且土壤全氮在3個處理分別比DQ消耗的多。RDA結果表明堿解氮和全氮是影響HF品種植株生長的環境因子。由于不同品種對營養元素吸收利用效率、生產能力以及生長特性等差異，對氮素的需求存在較大差異[29]，DQ因耐氮性高在生育后期對氮的消耗少[8]。相關研究表明種子類作物從開花至成熟期，各個器官中的N素在不斷的進行再分配，作物籽粒蛋白中N有20%來自開花后的植物同化作用，而有80%來自開花前營養器官氮元素的轉移再分配[30]。本試驗中兩個品種的有效磷均相對于播種期有所下降，在生育后期HF土壤有效磷、速效鉀及全鉀在N1、N2處理下均比DQ消耗的多。說明土壤中的氮的添加會改變根際土壤的微環境從而影響植物對磷素和鉀素養分吸收利用[31]。

4 結 論

耐低氮品種較大的葉面積和莖粗可以降低雨水對地面的直接侵蝕并防止大風災害帶來的倒伏損失，在黃土丘陵溝壑區種植耐低氮苦蕎品種可以在獲得經濟收益的同時兼顧水土保持效益；苦蕎對土壤中氮肥的消耗大，通常會增加下一季作物的肥料用量，本研究表明，耐低氮品種在收獲后土壤中養分含量更高，可以減少下一季作物的肥料用量。

致 謝:非常感謝迪慶藏族自治州農業科學研究所與山西省農業科學院高寒作物研究所對本課題提供的種子資源。