有機農田雜草-主作物共生系統的氮素吸收及土壤肥力特征

郭小鷗,崔曉輝

有機農田雜草-主作物共生系統的氮素吸收及土壤肥力特征

郭小鷗1,崔曉輝2*

1. 天津農學院園藝園林學院, 天津 300384 2. 中國科學院植物研究所, 北京 100093

以山東地區休耕農田中雜草為研究對象，設置6個處理，即未刈割（W0）、刈割1次（W1），刈割2次（W2）、雜草與玉米共生（W0+M）、雜草與高粱共生（W0+B）以及雜草與大豆共生（W0+S），其中W0設為對照。采取有機管理模式，研究不同處理下雜草綠肥氮素吸收及其對土壤肥力的影響，以期篩選與雜草共生效果最佳的夏季作物。結果表明，刈割處理以及雜草與3種夏季共生處理可以在一定程度上降低雜草生物量，刈割3次累計獲得雜草生物量為19527.81 kg?hm-2，累計氮素總量為223.44 kg?hm-2。經過2年的雜草綠肥養地試驗發現，雜草與作物共生可有效提高土壤肥力，改善土壤理化性質。與試驗初期相比，試驗結束時，W0、W1、W2、W0+M、W0+B以及W0+S處理0～20 cm土壤有機碳含量分別提高13.0%、17.5%、17.7%、41.4%、32.4%、35.7%；全氮含量分別提高4.1%、5.7%、7.5%、9.9%、12.5%、11.4%。W0+S相比W0、W1、W2、W0+M、W0+B有機碳含量分別提高11.6%、10.1%、13.8%、4.1%、8.0%；全氮含量分別提高10.9%、12.2%、10.0%、10.6%、6.5%。此外，雜草與3種作物共生處理土壤速效氮、磷、鉀等養分含量均高于對照。與玉米和高粱相比，雜草和大豆共生更有助于提高農田土壤肥力。本研究為廢棄資源再化利用提供新思路，對農田雜草資源的合理利用提供技術支持。

農田; 雜草; 固氮; 土壤肥力

我國農田“重用輕養”，糧食產量過度依賴化肥農藥，造成了土壤肥力下降、環境惡化、生物多樣性減少等一系列問題，嚴重影響中國土壤安全[1-4]。因此，積極發展有機農業以及生物質肥替代化肥技術十分重要。其中，雜草具有豐富的養分資源，可作為有機肥還田。

農田雜草資源豐富，在維持農田生物多樣性方面發揮重要的作用，為土壤動物和土壤微生物提供適宜的生存環境[5]。雜草死亡后其枯落物經微生物分解后釋放大量養分，可顯著改善土壤理化性質并提高土壤肥力[6]，起到了作綠肥的效果。研究發現，雜草綠肥不但可以保水保墑，還能降低土壤中氮素流失，提高土壤中有機質、氮磷含量[7,8]。然而，由于雜草在生長過程中獲取光照、空間、土壤養分和水分能力更強，影響作物生長，導致作物減產，因此為保證作物正常生長，人們會對其采取一系列控制措施，如施用除草劑[9]。大量的除草劑施于農田，在消滅雜草的同時造成土壤生物死亡，導致一些生物滅絕，還會破壞土壤微生物群落結構，降低物種多樣性，影響土壤肥力和作物產量[10,11]。

大量研究表明，種植覆蓋作物可提高肥料利用率和土壤質量，減少田間水土流失，降低田間病蟲害，改善農田土壤生態環境等作用[12]。Qin ZQ等研究表明，種植豆科作物有利于改善土壤性質提高玉米產量[13]；唐海明等研究發現，冬季覆蓋不同作物秸稈還田可顯著提高土壤有機碳含量，其中馬鈴薯—雙季種植模式秸稈還田效果最佳[14]；Qi JY等研究表明，黑麥草覆蓋作物以及大麥秸稈還田可顯著提高土壤結構穩定性以及有機碳含量，覆蓋作物數量與土壤有機碳含量呈正相關關系[15]；劉麗認為免耕梯田中，覆蓋作物是減少水土和養分流失的有效方法[16]。

前人對雜草研究多集中在采取措施進行控制消除，在雜草肥資源化利用研究較少；此外，種植覆蓋作物研究對象較為單一，雜草與不同作物（玉米、高粱、大豆）共生系統土壤肥力變化研究方面鮮見報道。本文以山東地區休耕農田中雜草為研究對象，研究雜草與不同主作物共生系統的氮素吸收及對土壤肥力的影響，對農田雜草資源的合理利用提供技術支持，為實現我國農業可持續發展提供新策略。

1 材料及方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于山東省臨沂市平邑縣卞橋鎮蔣家莊（35°26′34′′N，117°49′13′′E），為暖溫帶大陸性季風氣候，土壤類型以棕壤土為主，一年兩熟制的耕作制度，主要糧食作物包括冬小麥和夏玉米，夏季降雨豐富。試驗期間，該地區年平均氣溫為20.81 ℃，年均降雨量為901.04 mm，主要集中在夏秋季。

1.2 試驗設計

本試驗由2018年6月至2020年6月進行了2年的試驗，試驗共計6個處理。W0：該樣地不種植任何作物，讓其生長雜草，設為對照；W1：樣地在7月30日進行一次雜草刈割處理并還田；W2：樣地在7月30日及8月30日進行兩次雜草刈割處理并還田；W0+M：種植玉米，并與雜草共生；W0+B：種植高粱與雜草共生；W0+S：種植大豆與雜草共生。雜草與作物共生無人為干預，不進行雜草刈割處理，3種作物種植時間為2018年和2019年的6月15日。作物種植到成熟期間沒有施用化肥。每個處理設置三個小區，每個小區面積為10 m×2.5 m，小區間設置1 m寬的保護行。在夏季作物收獲（10月11日）后，用機器將雜草以及作物秸稈粉碎后還田，按照等氮量的施肥原則，均勻施入牛糞（含水量72.58%，含氮量1.956%）11250 kg·hm-2。整個過程未施入化肥。

試驗開始前在2018年6月15日采集基礎地土壤樣品，隨后分別在夏季作物生長關鍵期進行采樣。具體采樣時期依次為2018年10月10日和12月5日，2019年4月20日、6月10日、10月10日、12月5日，以及2020年4月20日和6月10日。

基礎地土壤理化指標結果見表1，10～20 cm土層樣品各項基礎理化指標均高于20～40 cm。

表 1 試驗地土壤的基礎理化指標

1.3 項目測定

1.3.1 雜草樣品采集分別在兩年的7月30日、8月30日及9月30日進行田間雜草調查，各小區隨機選擇3個樣方進行調查取樣，調查樣方面積為1 m2，記錄雜草種類及數量。樣品在65 °C烘箱中烘干至恒重，測定雜草總生物量及全氮含量，利用凱氏定氮法測定全氮含量。

1.3.2 土壤樣品采集、處理及分析兩年的土壤樣品，土壤取樣分層為0～20 cm和20～40 cm。土樣分為兩個部分進行收集，一部分是過2 mm篩子的土樣，主要測定土壤有效磷、速效鉀、銨態氮和硝態氮（在-20 ℃冰箱保存）；另一部分土樣在陰涼處自然風干，過0.15 mm篩子，主要測定土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀等元素含量。土壤中養分測定方法參考《土壤農化分析》[17]。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機碳；利用凱氏定氮法測定土壤全氮；通過KCl浸提，利用全自動流動分析儀上機測定銨態氮-硝態氮含量；土壤全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮，鉬銻比色法測定；土壤全鉀含量利用氫氧化鈉熔融法測定；利用0.5 M NaHCO3方法測定土壤有效磷含量；利用電感耦合等離子發射光譜（ICP-OES）法測定速效鉀含量；利用高壓密閉分解-電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）法測定土壤礦質元素含量。土壤經過氫氟酸-高氟酸-硝酸消煮，用ICP發射光譜儀定量分析，該方法針對土壤全量元素。

1.4 統計分析

本試驗數據使用Microsoft Excel 2010軟件進行初步整理，使用SPSS 20.0 統計軟件（IBM Corp, Armonk, NY）進行統計分析，利用SigmaPlot10.0 （Systat Software Inc., San Jose, CA, USA）軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對雜草生物總量及折純氮量的影響

圖 1 不同處理雜草生物總量及折純氮量

不同小寫字母代表同一年份不同處理雜草生物總量及折純氮量差異顯著（<0.05）；不同大寫字母代表同一年份不同處理雜草生物總量及折純氮量差異極顯著（<0.01）。（A）：7月30日雜草生物量（B）：8月30日雜草生物量（C）：9月30日雜草生物量。

圖1可以看出，總體上2019年同一處理雜草生物總量及折純氮量均高于2018年，各時期雜草總生物量以及折純氮量均在W0處理下最高。7月30日和8月30日W0處理下2019年折純氮量相比2018年分別提高13.2%和36.1%，顯著高于其他處理（<0.05）。9月30日，W0處理下2019年折純氮量相比2018年提高23.4%，且極顯著高于其他處理（<0.01）。W0處理下雜草生物總量在9月30日最高，折純氮量在8月30日最高。其中，W2樣地2019年通過三次刈割累計共獲得雜草生物量為19527.81 kg?hm-2，累計氮素總量為223.44 kg?hm-2。說明，休耕農田可獲得豐富的雜草資源，養分潛力巨大。

2.2 不同處理對土壤有機碳和全氮的影響

圖 2 不同處理土壤有機碳和全氮含量

（A、C）：0～20 cm土層（B、D）：20～40 cm土層，下同。

圖2可以看到，隨著時間的推移，各處理的土壤有機碳含量變化趨勢與全氮相似。0～20 cm土層中，與試驗初期（2018-10-10）相比，試驗結束時W0、W1、W2、W0+M、W0+B、W0+S處理土壤有機碳含量分別提高13.0%、17.5%、17.7%、41.4%、32.4%、35.7%，土壤全氮含量分別提高4.1%、5.7%、7.5%、9.9%、12.5%、11.4%，其中W0+S處理有機碳和全氮最高。20～40 cm土層中，各處理在試驗結束時土壤有機碳含量與試驗初期相比分別提高13.5%、11.3%、38.8%、63.5%、72.7%、117.2%，土壤全氮含量與試驗初期相比，W1、W2、W0+M、W0+B、W0+S處理分別提高0.7%、1.3%、3.8%、2.6%、4.2%，其中有機碳和全氮含量最高的是W0+S，顯著高于其他處理。說明通過雜草刈割還田以及雜草與作物共生可提高土壤有機碳和全氮含量，與刈割處理相比，雜草與作物共生過程中土壤固碳能力較強。

2.3 不同處理對土壤銨態氮和硝態氮的影響

各處理土壤銨態氮及硝態氮含量整體呈現周年波動變化趨勢（圖4），各處理土壤銨態氮和硝態氮含量在凍土期最高，各處理差異顯著（<0.05）。0～20 cm土壤中，2018年12月W0+S處理土壤銨態氮含量最高，為21.62 mg·kg-1，W2處理硝態氮含量最高，為11.42 mg·kg-1。20～40 cm土壤中，2019年12月W0+S處理土壤銨態氮含量最高，為19.48 mg·kg-1，硝態氮含量為4.78 mg·kg-1。與試驗初期相比，試驗結束時，0～20 cm土壤W0、W1、W2、W0+M、W0+B、W0+S處理銨態氮含量分別提高7.0%、15.9%、17.9%、19.1%、65.8%、33.3%，硝態氮含量除W0+B、W0+S顯著提高外，其他無顯著變化；20～40 cm各處理土壤銨態氮含量分別提高21.0%、36.6%、34.4%、73.3%、75.4%、105.8%，除W0外，其他處理硝態氮含量均提高，其中W0+M、W0+B、W0+S處理增加顯著（<0.05）。說明整體上，與基礎地力相比，通過雜草刈割還田以及雜草與作物共生可提高土壤銨態氮及硝態氮含量，其中雜草與作物共生效果更顯著。

圖 3 不同處理土壤銨態氮、硝態氮含量

2.4 不同處理對土壤有效磷和速效鉀的影響

圖 4 不同處理土壤有效磷和速效鉀含量

由圖5可知，0～20 cm土壤有效磷含量整體呈現先上升后降低的變化趨勢，試驗結束時，各處理有效磷含量與試驗初期相比均顯著提高，其中W0+S處理有效磷含量最高，分別比W0、W1、W2、W0+M、W0+B處理高出44.3%、46.8%、36.0%、25.5%、33.5%；20～40 cm土壤有效磷變化趨勢與0～20 cm相似，試驗結束時，W0、W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S處理有效磷含量相比試驗初期分別提高70.9%、131.0%、191.5%、188.9%、199.3%、156.8%，各處理無顯著差異（>0.05）。

土壤速效鉀含量整體呈周年波動的變化趨勢。與試驗初期相比，結束時0～20 cm土壤W0、W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S處理速效鉀含量分別提高19.6%、20.7%、35.0 %、30.4%、47.9%、25.4%；20～40 cm土壤各處理速效鉀含量分別提高17.3%、9.9%、18.9%、31.3%、42.4%、27.2%。與基礎地力相比，通過雜草刈割還田以及雜草與作物共生可提高土壤有效磷和速效鉀含量。

2.5 不同處理對0-20 cm土層土壤礦質元素含量的影響

表2 不同處理土壤0-20 cm土層礦質元素

結果代表平均值±標準誤，=3。不同字母代表同一元素在不同處理下元素含量差異顯著（<0.05）。

表2表示2019年及2020年不同處理0～20 cm土層樣品礦質元素含量，2020年各處理Ca含量相比2019年有所提高，且W0+S>W2>W1>W0+B>W0+M>W0；2019年和2020年Mg和Fe含量最高的均是W0+S處理，最低是W0+M處理，其中2020年各處理Mg含量相比2019年有所提高，Fe含量前后兩年差異不大；其中2020年W0+B處理Mn含量超過900 mg·kg-1，顯著高于其他處理（<0.05）；Cu含量最高的是W0，相比2019年，2020年各處理Cu含量有所降低；各處理前后兩年Zn含量無明顯差異，2020年Zn含量大小順序為W1> W0+B> W2> W0+S> W0> W0+M。綜合來看，通過雜草刈割還田以及雜草與作物共生可顯著提高土壤Ca、Mg、Fe、Mn等礦質元素含量，雜草與大豆共生效果較為顯著。

3 討 論

3.1 雜草-主作物共生對雜草綠肥生物量及氮資源量的影響

雜草群落物種多樣性不但能反映雜草物種的數量特征，還能體現整個雜草群落的結構組成，農田中維持一定數量雜草對保護農田生態系平衡以及維持物種多樣性具有重要的作用[18]。本研究前期處于休耕狀態，讓農田生草，并與三種夏季覆蓋作物（玉米、高粱、大豆）共生，雜草生長旺盛，用于養地，通過刈割以及雜草與不同作物共生處理后，雜草生物量存在差異。研究表明，田間覆蓋作物可抑制雜草生長[19]，本研究中，對照（W0）處理下雜草生物量最高，與對照相比，刈割1次、刈割2次、雜草+玉米、雜草+高粱以及雜草+大豆處理后雜草總生物量較低，說明增加刈割次數以種植覆蓋作物可以降低雜草生物量，與3種作物共生處理中，雜草+玉米處理總生物量最高，其次是雜草+高粱處理，雜草+大豆處理最低，可能是由于高粱相比玉米株高更高，獲取更多的光照，長勢更好，所以在與雜草競爭中占據一定優勢，而大豆本身固氮能力較強[20]，與雜草養分競爭中相比其他兩種作物更具優勢。

多數雜草都屬于C4植物，相比一般農作物而言，生命力以及抗干擾能力更強，更易獲取光照以及土壤中的水肥資源，此外C4植物還具有較高的氮素利用效率[21]，因此相比農作物，雜草生長過程中會從土壤吸收更多的氮素。本研究發現，對照處理雜草總氮量在7月30日至9月30日期間均高于其他處理，是由于該處理雜草總生物量最高，與折純氮量呈正相關。各處理中馬唐氮資源量最高，這與其生物量最高有關。

3.2 雜草-主作物共生對土壤肥力的影響

研究顯示，國內外覆蓋作物類型主要包括禾本科、豆科以及十字花科，這些覆蓋作物主要用于玉米及小麥等糧食作物的種植系統中[12]。與其他兩種作物相比，豆科覆蓋作物具有生物固氮、根系發達、抗逆性強、生長迅速等優勢[22]。本研究中，共有三種夏季覆蓋作物（玉米、高粱、大豆）與雜草共生。大量研究表明，雜草綠肥還田以及種植覆蓋作物不僅可以改善農田微生態，還能改善土壤理化性質，分解后參與養分循環進而提高土壤肥力[23,24]。土壤有機質通常被認為是改善土壤聚集和聚集體穩定性的重要結合劑，是評估土壤肥力的重要指標之一[25,26]，研究發現農田中利用雜草資源以及覆蓋作物秸稈還田能夠改善土壤團聚體分布情況并增加土壤有機質含量[27]。本研究中，各處理在試驗結束時土壤有機碳含量相比試驗初期均顯著提高，與對照相比，雜草與3種夏季作物共生處理后土壤有機碳含量提高顯著。汪紅霞等[28]對河北冬小麥-夏玉米連續十年定位試驗發現，施用有機肥和利用秸稈還田可以有效提高土壤有機質含量8%～17%，進一步證實了本試驗雜草與作物秸稈還田后可顯著提高土壤有機質含量。相比玉米和大豆，大豆與雜草共生處理土壤有機碳含量更高，這可能與大豆固氮秸稈能力較強以及秸稈本身有機質含量較高有關。

氮磷鉀被稱為植物生長三要素，缺少任何一種元素都會制約植物的生長，包含土壤中全量和有效態氮磷鉀含量[29]。本研究試驗結束時，雜草與三種作物共生處理后的土壤全氮含量均顯著高于對照以及刈割處理。研究表明，豆科覆蓋作物通過與固氮細菌共生從大氣中獲取以及與根瘤菌共生結瘤的方式固定氮素，增加土壤氮含量[30]，本研究中，雜草與大豆共生土壤全氮含量相比其他處理較高主要由于大豆相比其他作物具有更強的固氮能力[22]。本研究發現，與基礎地力相比，試驗結束時土壤全磷、全鉀含量也有所提高。可見，雜草綠肥還田以及種植覆蓋作物更有利于土壤碳氮含量的提升。不僅提高土壤碳氮含量，也有助于土壤磷鉀元素含量的提高。

研究表明，有效態形式的氮、磷、鉀是植物生長過程中能夠直接吸收及利用的成分[31]。土壤速效氮是由銨態氮和硝態氮組成，本研究發現，在0～20 cm土壤中，相比試驗初期，各處理土壤銨態氮含量均顯著提高，刈割以及雜草與作物共生處理均顯著高于對照，研究表明，植物殘體具有較強的土壤礦化氮素的能力，并能夠提高氮素的有效性[32]，說明雜草有機肥結合農作物秸稈還田可提高土壤銨態氮含量。相比其他兩種覆蓋作物，雜草與大豆共生處理的土壤硝態氮含量最高，可能是由于相比雜草或其他秸稈，大豆生長過程中獲得大量的氮素在秸稈還田后經過微生物礦化作用產生較高的硝態氮。岑宇[33]研究表明，相比化肥，施用不同的有機肥能有效提高土壤有效磷和速效鉀含量，本研究經過兩年的雜草綠肥養地試驗發現，相比試驗初期，土壤有效磷和速效鉀含量均有所提高，說明雜草綠肥還田后也可以提高土壤速效磷鉀。此外，本研究同樣發現，由于大豆、玉米以及高粱相比雜草富含礦質元素，雜草綠肥結合秸稈還田提高了土壤礦質元素含量，其中Ca、Mg、Fe等元素增加顯著。

綜合以上雜草與不同作物互作對土壤理化性質的影響發現，雜草、作物秸稈還田對0～20 cm土層土壤的作用效果大于20～40 cm，整體上第二年各土壤理化指標結果要高于第一年，進而說明雜草與作物共生對農田土壤理化性質和土壤肥力的影響與土層深度以及有機肥的作用時間有關。

4 結 論

經過兩年的試驗表明，雜草與作物共生系統氮素吸收潛力巨大。與試驗初期相比，試驗結束時土壤理化性質得到改善，土壤肥力得到提高，土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、銨態氮、硝態氮、有效磷、速效鉀含量與試驗初期相比均提高，與對照相比，雜草與3種作物（玉米、高粱、大豆）共生處理均提高了土壤有機碳含量以及氮磷鉀等養分含量，綜合所有理化指標來看，雜草與作物共生效果相比刈割處理更好，其中雜草與大豆共生處理效果最佳。

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Nitrogen Uptake and Soil Fertility Characteristics of Weed-main Crop Symbiosis System in Organic Farmland

GUO Xiao-ou1, CUI Xiao-hui2*

1.300384,2.100093,

In this study, weeds in fallow farmland in Shandong province were selected as the research object. Six treatments were set, namely uncut (W0), once cut (W1), twice cut (W2), weed-corn symbiosis (W0+M), weed-sorghum symbiosis (W0+B) and weed-soybean symbiosis (W0+S). W0 was set as the control. In order to select the summer crops with the best symbiosis with weeds, the nitrogen uptake of weeds green fertilizer under different treatments and its effect on soil fertility were studied by adopting organic management mode. The results showed that the biomass of weeds could be reduced to a certain extent by cutting treatments and the symbiosis between weeds and three summer crops. The total biomass of weeds obtained by cutting three times was 19527.81 kg?hm-2and total nitrogen was 223.44 kg?hm-2. It was found that the symbiosis between weeds and crops could effectively improve soil fertility and physical and chemical properties. Compared with the initial stage of the experiment, soil organic carbon content in 0～20 cm soil under W0, W1, W2, W0+M, W0+B and W0+S treatments increased by 13.0%, 17.5%, 17.7%, 41.4%, 32.4% and 35.7%, respectively, at the end of the experiment. Total nitrogen content increased by 4.1%, 5.7%, 7.5%, 9.9%, 12.5% and 11.4%, respectively. Compared with W0, W1, W2, W0+M and W0+B, the organic carbon content of W0+S was increased by 11.6%, 10.1%, 13.8%, 4.1% and 8.0%, respectively. Total nitrogen content increased by 10.9%, 12.2%, 10.0%, 10.6% and 6.5%, respectively. In addition, the contents of available nitrogen, phosphorus, potassium and other nutrients in the soil under the symbiotic treatment of weeds and three crops were higher than control. Compared with corn and sorghum, the symbiosis between weeds and soybeans can improve the soil fertility of farmland. This study provides new ideas for reuse of waste resources and technical support for rational utilization of farmland weed resources.

Farmland; weeds; cover crop; nitrogen fixation; soil fertility

S154.4

A

1000-2324(2022)01-0052-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.009

2021-11-30

2022-1-4

國家重點研發計劃項目(2016YFC050708、2017YFC1700701)

郭小鷗(1990年-),女,博士,講師,主要從事設施農業研究. E-mail:408343974@qq.com

Author for correspondence. E-mail:1103243889@qq.com