大豆和玉米間作土壤氮素時(shí)空變化特征研究

何衡，丁輝，劉姜，楊鳳，高萍

大豆和玉米間作土壤氮素時(shí)空變化特征研究

何衡，丁輝*，劉姜，楊鳳，高萍

(四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都610101)

實(shí)驗(yàn)以大豆、玉米為研究對象，采用田間栽培方式，研究在作物不同生育期、不同土壤深度養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮)含量的變化特征.結(jié)果表明:大豆單作模式下，0～10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量及10～20 cm土層速效氮含量隨生育期呈上升趨勢，其余土層養(yǎng)分含量變化大致為先增加后減少;玉米單作模式下各土層的養(yǎng)分含量隨生育期都呈上升趨勢，其中尤以0～10 cm土層速效氮含量變化最為顯著，喇叭口期和成熟期含量分別較播種前增加64%、67%;間作模式下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的含量隨生育期的變化趨勢大致和單作大豆一樣，在0～10 cm土層速效氮含量在喇叭口期后又顯著上升，較播種前增加126%.實(shí)驗(yàn)農(nóng)田C/N在7.4～10之間，比值較低，能促進(jìn)土壤養(yǎng)分的礦質(zhì)化.

大豆;玉米;間作;氮素

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了增加光能利用率，增加土壤養(yǎng)分吸收量，提高產(chǎn)量，常常采用間作的種植方式［1－3］.豆科中的大豆和禾本科玉米常被作為間作實(shí)驗(yàn)對象，研究表明，不管是作物生物量的積累還是對土壤養(yǎng)分的吸收，間作對大豆來說起抑制作用，對玉米來說起促進(jìn)作用，但對玉米的促進(jìn)作用程度遠(yuǎn)大于對大豆的抑制作用程度，所以，在整個(gè)間作系統(tǒng)中，表現(xiàn)出間作優(yōu)勢［4－7］，且間作系統(tǒng)中相互作用主要集中于地下部分［8］.本實(shí)驗(yàn)主要研究在不同的種植方式下，不同生育期、不同深度土壤養(yǎng)分含量的變化特征，以期為定量定時(shí)施肥提供理論依據(jù)，為研究栽培作物影響下的土壤養(yǎng)分變化和指導(dǎo)下一季作物的種植提供基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1供試材料本實(shí)驗(yàn)以玉米和大豆作為研究對象，供試玉米品種為川單21號，大豆品種為金龍一號.實(shí)驗(yàn)農(nóng)田位于成都市龍泉驛區(qū)大面鎮(zhèn)青臺山村，經(jīng)緯度為104°13'20″E，30°34'3″N.

1.2實(shí)驗(yàn)方法1)種植模式:設(shè)3個(gè)實(shí)驗(yàn)田，每個(gè)實(shí)驗(yàn)田規(guī)格為5 m×5 m.不同的種植模式對土壤養(yǎng)分及作物產(chǎn)量有不同影響［9－10］.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3種種植模式:單作玉米、單作大豆、大豆與玉米間作(間作采用1行玉米1行大豆種植模式).在播種前均勻施加復(fù)合肥，過1周后進(jìn)行種植.

2)取樣時(shí)間:分3次取樣.第1次在播種前;第2次在玉米喇叭口期(大豆處于分枝期);第3次取樣在玉米和大豆成熟期.

1.3樣品測定與數(shù)據(jù)分析土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀－外熱法;土壤全氮采用FOSS Kjeltec 2300全自動定氮儀測定;土壤速效氮采用堿解擴(kuò)散法測定.所得數(shù)據(jù)用EXCEL 2013和SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1土壤有機(jī)質(zhì)從圖1中可以看出，在0～10 cm土層，單作大豆和單作玉米土壤有機(jī)質(zhì)含量隨生育期都呈遞增趨勢，喇叭口(分枝期)和成熟期分別較播種前增加7%、15%、18%、27%，增長幅度顯著.而間作土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不大，在25.28～26.11 mg/g范圍內(nèi)變動.

在10～20 cm土層，單作大豆土壤有機(jī)質(zhì)含量隨生育期先增加后減小，變化幅度不大，在23.09～24.91 mg/g范圍內(nèi)變動.單作玉米土壤有機(jī)質(zhì)含量與0～10 cm土層具有一致性，呈遞增趨勢.喇叭口期和成熟期土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較播種前增加27%和44%，達(dá)到極顯著水平(P＜0.01).間作土壤有機(jī)質(zhì)含量隨生育期的變化趨勢與單作大豆一樣，但是變化幅度極顯著，在分枝期土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到23.79 mg/g，較播種前增加24%，在成熟期又下降到播種前水平.

2.2土壤全氮從圖2中可以看出，單作大豆土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～10 cm土層內(nèi)，從播種到分枝期變化并不明顯(P＞0.05).在分枝期開始，可能是由于根瘤菌固氮作用，土壤全氮含量開始大量增加.成熟期含氮量比分枝期高出15%，其差異達(dá)到極顯著水平(P＜0.01).在10～20 cm土層內(nèi)，土壤全氮含量先呈上升趨勢，變化幅度極顯著(P＜0.01).分枝期后，由于大豆根系周圍微生物活動旺盛引起的土壤全氮礦化速度加快，土壤全氮含量降低［7］.玉米單作條件下，兩土層全氮含量都呈增加趨勢，其差異達(dá)到極顯著水平(P＜0.01).0～10 cm土層全氮含量，喇叭口期與成熟期較播種前依次增加26%、50%.10～20 cm土層則為7%、27%.變化幅度較上層土壤小，說明玉米對土壤全氮的影響主要表現(xiàn)在0～10 cm土層.間作條件下，在0～10 cm土層間作全氮變化和單作玉米一樣，呈上升趨勢，變化極顯著(P＜0.01).這可能是在間作方式下，玉米為優(yōu)勢作物，對土壤全氮的影響主要體現(xiàn)在0～10 cm土層.在10～20 cm土層，土壤全氮變化趨勢與單作大豆相同，可能在此土層，受大豆影響較大.

2.3土壤速效氮速效氮又叫水解氮，包括無機(jī)態(tài)氮和結(jié)構(gòu)簡單能被作物直接吸收利用的有機(jī)態(tài)氮，它可供作物在整個(gè)生育期內(nèi)的吸收利用.速效氮在土壤中的含量不夠穩(wěn)定，易受土壤水熱條件和生物活動的影響而發(fā)生變化，但它能反映近期土壤的氮素供應(yīng)能力.

圖3反映出，0～10 cm土層單作大豆速效氮含量變化呈“V”字型，在分枝期有所下降，但到了成熟期又顯著上升(P＜0.5).單作玉米土壤速效氮含量，在玉米喇叭口期增長顯著(P＜0.01)，達(dá)到極顯著水平，較播種前含量增加64%;喇叭口期以后速效氮含量增加不明顯.間作土壤速效氮含量呈上升趨勢，較播種前喇叭口期只增長19%，差異性不顯著.間作土壤速效氮增長主要表現(xiàn)在成熟期，較播種前增加126%，達(dá)到極顯著水平(P＜0.01).由于玉米在生長過程中，雖然提升了速效氮含量，但大部分被大豆吸收，所以間作系統(tǒng)下土壤速效氮含量在作物的生長期提升不明顯.而到成熟期時(shí)，2種作物對土壤速效氮含量增加都有促進(jìn)作用，因此間作成熟期土壤全氮含量較單作高，這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符.

在10～20cm土層，單作大豆土壤速效氮含量呈上升趨勢，分枝期與成熟期較播種前增長8%、17%.單作玉米變化趨勢同0～10 cm土層一樣，而間作在成熟期，土壤養(yǎng)分卻有所下降，較分枝期下降10%.

2.4碳氮比由圖4可知，土壤樣品中，C/N在7.4～10范圍內(nèi).在0～10 cm土層，單作大豆土壤C/N隨生育期變化為先增加后減少，單作玉米和間作土壤C/N隨生育期都呈逐漸較少的趨勢，變化幅度顯著(P＜0.05).在10～20 cm土層，單作大豆土壤C/N隨生育期變化為先減小，然后基本保持不變.單作玉米C/N隨生育期變化與單作大豆相反.間作土壤C/N隨生育期呈下降趨勢，但變化幅度不顯著(P＞0.05).

2.5相關(guān)性分析土壤養(yǎng)分的變化并不是單一的，每種養(yǎng)分之間存在一定的相關(guān)性.表1是0～10 cm土層中，不同種植模式下土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間的相關(guān)性.從表1中可以看出，單作大豆土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量的變化存在高度相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.721*，達(dá)到顯著相關(guān)水平(P＜0.05).單作玉米土壤中有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量變化、有機(jī)質(zhì)含量與速效氮含量的變化、速效氮含量與全氮含量變化都存在高度相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.938＊＊、0.931＊＊、0.863＊＊，都達(dá)到極顯著相關(guān)水平(P＜0.01).間作土壤中全氮與速效氮含量達(dá)到高度相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.826＊＊，達(dá)到極顯著相關(guān)水平.

表2是10～20 cm土層中不同種植模式下土壤各養(yǎng)分指標(biāo)之間的相關(guān)性.從表2中可以看出，單作大豆土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量變化存在高度相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.727*，達(dá)到顯著相關(guān)性水平(P＜0.05).單作玉米土壤有機(jī)質(zhì)含量和速效氮含量變化都具有高度相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.959＊＊、0.773*.達(dá)到極顯著相關(guān)水平(P＜0.01)和顯著相關(guān)水平(P＜0.05).間作土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量變化呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.899＊＊.

表1 0～10 cm土壤養(yǎng)分相關(guān)性Table 1The correlation of soil nutrient in 0～10 cm depth

表2 10～20 cm土壤養(yǎng)分相關(guān)性Table 2The correlation of soil nutrient in 10～20 cm depth

3 討論

單作大豆模式下，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量變化在0～10 cm土層呈上升趨勢，在10～20 cm土層為先增加后減少.在分枝期以后，大豆迅速生長，根系迅速增生，植株吸氮速度增快，干物質(zhì)量大量積累［11－12］，導(dǎo)致在10～20 cm土層有機(jī)質(zhì)與全氮含量下降.0～10 cm土層由于微生物含量多，與外界作用強(qiáng)烈，其養(yǎng)分含量變化原因有待進(jìn)一步研究.0～10 cm土層速效氮含量呈“V”字型變化，但其含量較單作玉米與間作低50%左右，而10～20 cm土層速效氮含量與另外2種模式下相當(dāng).說明單作玉米與間作對土壤速效氮的影響主要表現(xiàn)在0～10 cm土層中.

單作玉米模式下，由于根系和土壤微生物的作用改良了土壤，兩土層中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮含量都呈遞增趨勢，其中尤以速效氮含量變化最為顯著，兩土層分別較播種前增加68%、30%，極大地增加了土壤氮素供應(yīng)水平，為下一季作物較好地生長發(fā)育提供了基礎(chǔ).

在間作系統(tǒng)中，0～10 cm土層土壤養(yǎng)分含量除有機(jī)質(zhì)外，其他養(yǎng)分變化趨勢與單作玉米一致，呈遞增趨勢，說明在間作系統(tǒng)中，玉米影響能力較強(qiáng).10～20 cm土層土壤養(yǎng)分含量變化為先增加20%左右，然后下降到播種前水平，說明間作模式下，喇叭口期以后主要表現(xiàn)出對土壤養(yǎng)分的吸收作用.

土壤碳氮比(C/N)是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，是衡量土壤C、N營養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)，它的演變趨勢對土壤碳、氮循環(huán)有重要影響［13］.C/N也被認(rèn)為是土壤氮礦化能力的重要指標(biāo)，根據(jù)C/N可以確定有機(jī)質(zhì)分解過程中是發(fā)生礦化還是微生物固持，較低的C/N有利于氮的礦化［14］.通常認(rèn)為土壤C/N在25～30∶1以下會出現(xiàn)凈礦化［15］.實(shí)驗(yàn)農(nóng)田C/N在7.4～10內(nèi)，出現(xiàn)凈礦化，有利于土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的釋放.

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)在單作玉米，單作大豆，大豆與玉米間作3種種植模式下，通過對作物不同生育期內(nèi)的土壤進(jìn)行取樣分析，得出如下結(jié)論:

1)玉米種植能夠提升淺層土壤肥力.在單作玉米模式下，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮含量都得到了提升，總體提升幅度表現(xiàn)出0～10 cm土層大于10～20 cm土層.在間作模式下，玉米為優(yōu)勢作物，在0～10 cm土層，土壤養(yǎng)分隨作物生育期的變化大致與單作玉米一致;而在10～20 cm土層，土壤養(yǎng)分含量隨作物生育期變化呈倒“V”字型變化，作物成熟期的土壤養(yǎng)分含量大致與播種前一致.因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以考慮種植一季玉米來改善土壤肥力.

2)大豆種植雖然對土壤養(yǎng)分含量有所提升，但提升幅度較小.在0～10 cm土層，單作大豆土壤中速效氮含量的變化為:成熟期＞播種前＞分枝期;在10～20 cm土層，單作大豆土壤中速效氮含量的變化為:成熟期＞分枝期＞播種前.這與文獻(xiàn)［16］的研究結(jié)論一致.

3)玉米種植對淺層土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的釋放起促進(jìn)作用.實(shí)驗(yàn)農(nóng)田的C/N在7.4～10之間，出現(xiàn)凈礦化.其中，單作玉米與間作模式下，在0～10 cm土層，C/N都逐漸減小，有利于微生物分解有機(jī)質(zhì)，為土壤提供大量礦質(zhì)養(yǎng)分.

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The Temporal and Spatial Changes of Soil Nitrogen in Soybean and Maize Intercropping

HE Heng，DING Hui，LIU Jiang，YANG Feng，GAO Ping
(College of Geography and Resource Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，Sichuan)

Focusing on maize and soybean，the experiment applied the filed cultivation to research the constant characteristics of soil nutrients at different growth stage of crops and soil depth including organic matter，total nitrogen and available nitrogen.The results indicate that in soybean monoculture model，the content of soil organic matter and nitrogen in 0～10 cm and soil available nitrogen in 10～20 cm has an uptrend with the growth of the crops.In other depths，soil nutrients content reduces after the increasing at first.In maize monoculture model，soil nutrients content has an upward tendency in all layers，especially for available nitrogen content in 0～10 cm.The content during bell-mouthed and ripening stages increases 64%and 67%separately compared to the previous data.In the intercropping pattern，the content of soil organic matter and total nitrogen has the same trend with that in soybean monoculture model during the growth period.After bell-mouthed，the content of soil available nitrogen in 0～10cm obviously increases by 126%than that before sowing.Soil C/N on the research area varies from 7.4 to 10.It is a low ratio and can promote mineralization of soil nutrients.

soybean;maize;intercropping;nitrogen

S513;S529

A

1001－8395(2016)03－0421－06

10.3969/j.issn.1001－8395.2016.03.021

(編輯陶志寧)

2015－01－22

四川省教育廳自然科學(xué)基金(13ZA0147)

*通信作者簡介:丁輝(1964—)，男，教授，主要從事資源開發(fā)與保護(hù)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析研究，E－mail:dinghui200@163.com