玉米/大豆不同種植模式對土壤有機質和全氮空間分布的影響

肖 特， 崔闊澍， 黃文娟， 楊文鈺， 張文博

(1. 四川農業(yè)大學農學院， 四川 成都 611130； 2. 四川省中醫(yī)藥科學院， 四川 成都 610041； 3. 四川省農業(yè)技術推廣總站，四川 成都 610041； 4. 四川省植物工程研究院， 四川 成都 611730； 5. 內蒙古赤峰市松山區(qū)農牧局， 內蒙古 赤峰 024000)

土壤有機質和全氮是重要的全球碳氮循環(huán)“源”和“匯”，為目前為生態(tài)、環(huán)境和土壤科學研究的熱點之一，其含量與分布是評價土壤肥力和質量的關鍵指標[1]。在土壤養(yǎng)分總量中，雖然有機質和全氮占比不大，但是有機質和全氮在土壤微生態(tài)、養(yǎng)分循環(huán)以及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面卻有著巨大作用和現實意義[2]。據統(tǒng)計，我國耕地面積占世界耕地面積不足9%，人口卻占到世界總人口的近22%，我國耕地和人口基數不成正比，為滿足十幾億人的物質需求，需要在有限的耕地上生產更多的產品[3]。面對這一巨大挑戰(zhàn)，人們找到了增施化肥來提高作物產量這一有效措施[4]。結果是盲目增施化肥導致了土壤養(yǎng)分比列失衡，不同地區(qū)間土壤養(yǎng)分種類和數量差異變大[5-7]。在中國，化肥平均施用量達339 kg·hm-2，出現了肥料資源出浪費、環(huán)境污染嚴重的現象[8-10]。為了解決這些問題，中國在上個世紀就引入了“生態(tài)農業(yè)”理念[11]，并以間套作等種植管理模式為對象，開展了大量有關土壤養(yǎng)分狀況的研究，帶來了巨大的經濟、生態(tài)和社會效益[12-14]。據報道，全世界范圍間套作農耕用田地面積(在1×109hm2以上)約占耕地面積的3%[15]，常見的間套作模式主要包括帶狀間作和套作2種，該模式能夠改善土壤質量和增加土壤肥力，提高作物的養(yǎng)分吸收和利用效率，充分地利用土地資源[16]。間套作土壤有機質和全氮與其他土壤特性一樣，土壤有機質和全氮具有高度的空間變異性，即在相同的區(qū)域內，同一時刻不同的空間位置，其含量存在明顯的差異[17-18]。谷物/豆科間套作因具備提高豆科植物的共生固氮能力，減少化肥投入的優(yōu)勢，被公認為可持續(xù)的農業(yè)生產系統(tǒng)[19]。玉米/大豆帶狀套作為我國西南地區(qū)農民廣泛采用的一種新的谷類/豆類種植模式，充分了解該模式土壤有機質和全氮的空間分布特征，掌握其變異規(guī)律，對于實現土壤可持續(xù)利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，關于玉米/大豆帶狀套作系統(tǒng)土壤有機質和全氮空間分布的研究未見文獻報道。本研究探討玉米/大豆不同種植模式下土壤有機質和全氮含量變化，了解玉米/大豆帶狀套作系統(tǒng)提高土壤肥力的機制，特別是在中國西南和類似地區(qū)，并為玉米/大豆帶狀套作系統(tǒng)科學施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018—2020年，在四川農業(yè)大學雅安校區(qū)教學科研農場進行(101°56′26″～103°23′28″ E，28°51′10″～30°56′40″ N)，見圖1，試驗點位于四川盆地西部，地形以丘陵和山地為主，為亞熱帶季風濕潤氣候，常年降雨量1 250～1 750 mm，無霜期300 d，年均氣溫16.2℃，日照時數1005 h。紫色土為主要類型。試驗地基礎肥力為pH 6.60，土壤有機質29.80 g·kg-1，全氮1.60 g·kg-1，全磷1.28 g·kg-1和全鉀14.28 g·kg-1。

圖1 研究地點航拍Fig.1 Aerial photo of the research site

1.2 研究材料

研究材料為登海605(玉米)和南豆12(大豆)。玉米和大豆施用含N 46% Urea，含14% P2O5的Ca(H2PO4)2·H2O 和含52% K2O的KCL作為基肥。2018，2019和2020年，玉米施純氮120 kg·hm-2,P2O5105 kg·hm-2,K2O 135 kg·hm-2，大豆施純氮60 kg·hm-2,P2O563 kg·hm-2,K2O 52.5 kg·hm-2。玉米在2018年3月24日播種，2018年7月25日收獲；2019年3月23日播種，2019年8月6日收獲；2020年3月29日播種，2020年8月8日收獲。大豆在2018年6月7日播種，2018年10月30日收獲；2019年6月8日播種，2019年10月23日收獲；2020年6月13日播種，2020年10月22日收獲。

1.3 研究設計

試驗設計采用單因素隨機區(qū)組法(見圖2)，共設6個處理，3次重復。每個處理的大田小區(qū)帶長6 m，帶寬2 m，小區(qū)面積6 m×6 m=36 m2。6個處理分別為：(1)MS1(帶狀套作玉米/大豆連作)；(2)MS2(帶狀套作玉米/大豆輪作)；(3)MS3(傳統(tǒng)套作玉米/大豆)；(4)M(玉米單作)；(5)S(大豆單作)和(6)FL(休閑)。MS1-2(帶狀套作)采取寬窄行種植(其中寬行160 cm，窄行40 cm，寬行數∶窄行數=2∶2)，玉米與大豆之間的行距為60 cm；MS3(傳統(tǒng)套作)采取玉米、大豆等行距種植，行距50 cm；M(單作玉米)行距100 cm，S(單作大豆)行距50 cm。最終定苗玉米每穴單株，大豆每穴雙株，穴(株)距17 cm。

圖2 不同種植模式空間布局Fig.2 Spatial layout of different planting patterns注：MS1,MS2,MS3,M,S,FL分別代表帶狀套作玉米/大豆連作、帶狀套作玉米/大豆輪作、傳統(tǒng)套作玉米/大豆、單作玉米、單作大豆和休耕地Note：MS1,MS2,MS3,M,S,FL represent the Continuous planting of maize/soybean relay strip inter-cropping,Planting of maize/soybean relay strip inter-cropping in rotation,Traditional maize/soybean inter-cropping,Sole maize planting,Sole soybean planting,Fallow land,respectively

1.4 樣品采集與測定

樣品均在大豆收獲后采集，采集深度0～20 cm(圖3)，采集量約為1 kg，樣品放置在室內通風良好的清潔托盤中，自然條件下風干，干燥后放入標有采樣編號、時間、地點、土壤類型和深度的樣品袋中備用。

圖3 不同種植模式土壤樣品采集點布局圖Fig.3 Spatial distribution of soil sample sites in different cropping patterns注：圖A表示帶狀套作玉米/大豆(連作和輪作)；圖B表示傳統(tǒng)套作玉米/大豆；圖C表示單作玉米；圖D表示單作大豆；圖E表示休閑。M表示玉米，S表示大豆，●表示土樣采集點Note：Figure A represents maize/soybean relay strip inter-cropping (Continuous and rotation cropping);Figure B represents traditional maize/soybean inter-cropping;Figure C Stands for monoculture of maize;Figure D Stands for monoculture of soybean;Figure E Stands for fallow land. “M” Stands for maize;“S” Stands for soybean;“●” Stands for soil sample point

1.4.1土壤有機質和全氮含量測定 測定土壤有機質(簡稱SOM)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[20]。

(1)

式中：“k”為干燥系數，“m”為干土質量(g)。“v0”表示空白對照用FeSO4的體積(mL)，“v”表示測試土樣用FeSO4體積(mL)。“c”表示FeSO4物質的量濃度(mol·L-1)。“0.003”為0.25 mmol碳的質量，“1.1”為校正因子，“10 172”為有機碳換算成SOM的換算系數。

采用“凱氏定氮法”測定總氮(簡稱TN)[21]。

(2)

式中：“w”表示測試樣品質量(g)。“v”表示對照空白用酸體積(mL)，“c”表示所用酸濃度(mol·L-1)，“v0”表示測試樣品用酸體積(mL)。“14”表示N的摩爾質量(g·mol-1)。

1.4.2土壤有機質和全氮的參照標準 本實驗結果分析參照全國土壤養(yǎng)分分級標準(表1)[20]，我國土壤養(yǎng)分分級標準將土壤有機質和養(yǎng)分都分成了6級，1級最高，2級次之，6級最低[21-23]。同時，將變異系數分為弱變異，即<10%；中等變異，即10%與100%間；強變異，即>100%，共3個等級[24]。

表1 中國土壤養(yǎng)分分級標準Table 1 Nation soil nutrient standard grade

1.5 數據統(tǒng)計與分析

所有實驗數據使用Microsoft Excel 2016進行管理，數據使用Origin Pro 2018進行構建。采用SPSS 22.0軟件(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)對套作制度與土壤有機質和全氮含量的差異進行方差分析(ANOVA)。在顯著性水平P<0.01下，比較平均值采用LSD檢驗，土壤有機質與全氮關系利用線性回歸統(tǒng)計。采用P值(Tukey’s test)和R2的回歸方程分析確定種植模式的有效性。

2 結果分析

2.1 玉米/大豆不同種植模式土壤有機質含量

由表2和圖4可以得出，套作與單作土壤有機質含量及空間分布差異極顯著(P<0.01)，且等高線圖的等級顏色代表了土壤有機質含量及空間分布。6個模式的土壤有機質以FL種植模式下最小，為8.71 g·kg-1；MS2含量最大，為39.72 g·kg-1，因此，土壤的有機質變化在MS2與其他種植模式之間變化較大。各處理的平均值分別為MS2>MS1>MS3>S>M>FL，最小平均值為FL，為8.71 g·kg-1，最大值為MS2，為29.19 g·kg-1。同時，玉米和大豆行MS2有機質的空間分布最密集，這可能是由于不同的種植模式和大田留茬造成的。利用變異系數對所得結果進行分級，發(fā)現MS1、MS2、MS3、M和S變異中等，FL變異較弱，總體MS2變異最大，這可能與玉米和大豆多年輪作有關。

表2 2018—2020年玉米和大豆不同種植方式下土壤有機質含量Table 2 Soil organic matter content under different planting methods of maize and soybean in 2018—2020

圖4 玉米和大豆不同種植方式下土壤有機質空間分布特征Fig.4 Spatial distribution of soil organic matter under different planting patterns of maize and soybean

2.2 玉米/大豆不同種植模式土壤全氮含量

從表3和圖5可以發(fā)現，土壤氮素含量和空間分布在套作與單作之間存在顯著差異，P<0.01，等高線圖中土壤氮素的含量及空間分布由分級顏色體現出來，差異明顯。由表3可知，土壤全氮在MS2處理中最大(2.47 g·kg-1)，在S和FL處理中最小(0.55 g·kg-1)。此外，與其他處理相比，MS2處理土壤全氮變化較大，各處理的平均值為MS2>MS1>MS3>S>M>FL，平均FL最小處理為0.64 g·kg-1，最大MS2為1.69 g·kg-1。同時發(fā)現在MS2模式下土壤全氮的分布以大豆行處密度最大。玉米行全氮空間分布密度均低于大豆行全氮空間分布密度，但全氮與有機質的最大值和最小值具有相同的植物分布格局，因此可以推測有機質與全氮的空間分布關系。相關分析表明，土壤全氮中度變異為MS1、MS2、MS3、M和S，弱變異為FL，最大變異為MS2。推測有機質與土壤全氮之間的相關性較高，也說明全氮和有機質變化規(guī)律的一致性較好。綜合分析表明，套作玉米/大豆和優(yōu)化后的帶狀套作玉米/大豆能起較為明顯提高土壤有機質和全氮含量，達到培肥土地的效果。

表3 2018-2020年玉米大豆不同種植模式土壤全氮含量Table 3 Total nitrogen content under different planting methods of maize and soybean in 2018-2020

2.3 土壤有機質和全氮的相關性

土壤有機質(X)和全氮(Y)表現出不均勻的線性關系(表4，圖6)。總的回歸方程為y=0.06x-0.08，相關系數R2=0.87。各處理(種植方式)土壤有機質與全氮的相關性均極顯著，其中MS1、MS2、MS3與FL的相關性接近于1。推導出顯著的正向相關性，即土壤有機質和全氮變化在多種種植模式下為正相關。

3 討論

3.1 土壤有機質的變化

土壤有機質為植物的“碳”養(yǎng)分來源，土壤有機質為土壤肥力的標志性物質之一，土壤有機質還能影響土壤養(yǎng)分生物有效性和土壤結構形成[25-26]。土壤有機質含量會受到土地利用方式的影響，且與植被類型顯著相關，研究發(fā)土壤表層20 cm有機質占100 cm土層有機質百分比在現在灌木、草原和森林3種植被類型間差異較大，灌木為33%，草原為42%，森林為50%[27]。同樣，在本研究中，套作與單作土壤有機質含量及空間分布差異極顯著(P<0.01)，且等高線圖的等級顏色代表了土壤有機質含量及空間分布。6個模式的土壤有機質以FL種植模式下最小，為8.71 g·kg-1；MS2含量最大，為39.72 g·kg-1。同時，玉米和大豆行MS2有機質的空間分布最密集，這可能是由于不同的種植模式和大田留茬造成的。一般而言，土壤有機質的高低與土壤有機質輸入高低以及不同類型有機質礦化速率之間的動態(tài)平衡有重要關系[28]。同時，土地利用方式的不同會導致土壤耕墾的變化，同時改變土壤理化性質，改善土壤肥力，還會直接影響土壤有機質的分解與轉化[29-30]。此外，本研究結果還表明，土壤有機質含量對土壤肥力有重要影響，特別是在帶狀套作條件下。

圖5 玉米和大豆不同種植方式下土壤全氮空間分布特征Fig.5 Spatial distribution of soil total nitrogen content under different planting patterns of maize and soybean

表4 土壤有機質與全氮相關性Table 4 Soil organic matter and total nitrogen correlation

圖6 土壤有機質(x)和土壤全氮(y)關系Fig.6 The relation of soil organic matter (x) and soil total nitrogen (y)

3.2 土壤全氮的變化

土壤全氮和土壤有機質為土壤肥力的重要參考指標，其含量高低能反映土壤提供養(yǎng)分的潛力[31]。氮的吸收利用可以促進作物的生長和產量的增加[32]，土壤氮受自然因素(例如，氣候、地形及植被等)和農業(yè)措施(例如，施肥、耕作、灌溉及土地利用方式等)的影響較大[33]。間套作豆科和禾本科時，豆科植物固氮，固的氮并同時被禾本科吸收和利用，形成了“生命共同體”。Ta和Farise發(fā)現當苜蓿間作梯木草時，氮的吸收利用間作梯木草比單作顯著提高了25%[34]。Broadbent等研究白三葉草與黑麥草間作發(fā)現，間作黑麥草吸氮量增加了80%[35]。Muhammad Ali Raza等在玉米/大豆間作體系中探索得出，由于大豆固氮，玉米/大豆間作下玉米的吸氮量差異顯著，提高了16.58%～20.75%[36]。本研究發(fā)現，土壤氮素含量和空間分布在套作與單作之間存在顯著差異，P<0.01，等高線圖中土壤氮素的含量及空間分布由分級顏色體現出來，差異明顯。土壤全氮在MS2處理中最大(2.47 g·kg-1)，在S和FL處理中最小(0.55 g·kg-1)。同時發(fā)現在MS2模式下土壤全氮的分布以大豆行處密度最大。玉米行全氮空間分布密度均低于大豆行全氮空間分布密度，但全氮與有機質的最大值和最小值具有相同的植物分布格局，推測有機質與土壤全氮之間的相關性較高，也說明全氮和有機質變化規(guī)律的一致性較好。綜合分析表明，套作玉米/大豆和優(yōu)化后的帶狀套作玉米/大豆能起較為明顯提高土壤有機質和全氮含量，達到培肥土地的效果。與單作相比，玉米/大豆帶狀套作土壤中全氮含量較高，也可能與大豆固氮有關。以上這些研究表明豆科和非豆科間套作，豆科作物因利用自身的固氮優(yōu)勢能夠為非豆科作物提供氮源，同時，因作物組合種類差異(包含不同基因型品種)，間套作模式和方式的不同，其提供的氮數量也差異較大。因此，豆科植物的生物固氮不僅可以提高土地當量比和利用率，促進非豆科植物的生長發(fā)育，增加氮的吸收利用效率，還能減少作物對不可再生資源的依賴[37]。同樣，在本試驗中土壤全氮含量在玉米/大豆帶狀套作系統(tǒng)表現出正向響應。

3.3 土壤有機質與土壤全氮的關系

土壤C∶N的大小可以為土壤質量評價提供重要參考，對推動土壤有機質分解起到關鍵作用，改善土壤結構，增強“C”固定有效性，同時也能影響土壤作為大氣CO2“源/匯”的潛在能力和氮的調節(jié)功能[38]。礦化作用剛開始的時候對植物營養(yǎng)生理而言沒有供氮能力，此時一般C∶N>30；若礦化作用剛開始的時候有效氮超過微生物同化量，有效氮供應現象存在，此時一般C∶N<15[39]。

本試驗的土壤全氮含量測試結果得出，在不同種植模式下的最大值可達2.47 g·kg-1，最小值為0.55 g·kg-1，平均值為1.13 g·kg-1；有機質最大值為39.72 g·kg-1，最小值為8.71 g·kg-1，平均值為22.36 g·kg-1。各處理有機質和全氮變異系數大小適中，屬于中度變異，含量中等。主要原因有四個：①氣候；②植被；③土壤母質及質地差異；④特殊的田間小地形。同時，在試驗區(qū)發(fā)現該土壤有機質和全氮空間分布和含量差異顯著，且為正相關。根據該試驗區(qū)土壤中有機質和全氮的含量水平及其空間分布規(guī)律，可指導農業(yè)生產中合理施肥，使肥料結構中各養(yǎng)分比例適宜，提高養(yǎng)分利用率，使中低產土壤獲得高產，使高產土壤持續(xù)穩(wěn)定高產。

4 結論

玉米/大豆不同種植模式改變了土壤微生態(tài)環(huán)境，導致土壤有機質庫和土壤肥力水平變化，對土壤養(yǎng)分的提高具有一定促進作用。本研究發(fā)現玉米/大豆不同種植模式整個試驗田土壤中全氮含量屬中等水平，變異系數為中等程度變異，有機質含量略微偏高，變異系數為中等程度變異。同時，玉米/大豆不同種植模式對土壤氮素有效性和全氮含量有正向影響，且土壤有機質和全氮含量的空間分布顯著增加，土壤有機質和全氮含量的增加會增加C∶N。可見，玉米/大豆帶狀套作種植模不僅改善了土壤質量，還提高了土壤肥力。