晉西南褐土上小麥苜蓿套作對土壤氮素及植物吸氮的影響

李恩慧，王玉慧，楊慎驕，穆陽陽，張曉紅*

（1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，河南 商丘 476000）

氮素作為植物生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，對植物生長和生理代謝都有著重要作用［1］。自然界中土壤氮素80%以上以有機態(tài)的形式存在，由于氮素養(yǎng)分釋放時間和強度不同，在轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機態(tài)氮時易通過氨揮發(fā)、硝化-反硝化和淋洗等途徑損失［2-3］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施用氮肥和種植豆科植物成為氮素供應(yīng)的主要途徑。但是研究表明，長期過量施用氮肥會使氮素在土壤中不斷累積并殘留于深層土壤，導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素盈余，從而降低氮素利用率，進而影響作物經(jīng)濟效益，甚至還會造成生態(tài)環(huán)境問題［4］，因此種植豆科植物成為研究土壤氮素的重要內(nèi)容。通常人們會把豆科植物搭配禾本科糧食作物進行間作或套作，合理的套作模式能夠有效地抑制土壤養(yǎng)分淋溶，提高農(nóng)田養(yǎng)分利用效率［5］。例如，禾本科作物間套作豆科作物豌豆可降低土壤硝態(tài)氮淋洗，提高氮肥利用率，是改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分淋失的有效措施［6］。

苜蓿作為典型豆科牧草植物，產(chǎn)草量高，能夠通過根瘤固氮微生物共生進行生物固氮，固定空氣中游離氮素，進而改善土壤肥力［7-9］。豆科作物與禾本科作物對土壤有效氮吸收利用不同，有關(guān)小麥套種苜蓿對土壤氮素淋失影響研究報道仍不多見。本研究利用田間試驗探討了小麥和苜蓿套種中作物產(chǎn)量以及植株氮含量的變化特征，旨在闡明不同種植模式下土壤無機氮剖面分布，探求晉西南地區(qū)如何通過合理有效的糧草套作種植方式實現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綠色發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

大田試驗于2014年4月在山西省臨汾市堯都區(qū)東杜村（35°55′N，111°34′E）開展，耕作制度為冬小麥-苜蓿套作，本試驗選取2017和2018年兩個年度收集的數(shù)據(jù)。試驗地處臨汾盆地內(nèi)，屬于暖溫帶半干旱氣候，年均氣溫12℃，無霜期203 d， 年均降水量550 mm，年均日照時數(shù)為1 784～ 2 512 h，2017和2018年氣象狀況如圖1所示。供試土壤屬于褐土，試驗前土壤基本理化性質(zhì)：pH值8.05，有機質(zhì)21.51 g/kg，全氮1.18 g/kg，堿解氮53.82 mg/kg，全磷0.60 g/kg，有效磷10.59 mg/kg，全鉀20.85 g/kg，速效鉀235.55 mg/kg，土壤容重為1.51 g/cm3。

圖1 2017和2018年月平均氣溫與降水量

1.2 試驗設(shè)計

供試小麥品種為晉麥95，苜蓿為當(dāng)?shù)刈匣ㄜ俎！Ｔ囼灢扇‰S機區(qū)組設(shè)計，設(shè)小麥單播、苜蓿單播、小麥苜?；觳ス?個處理，小區(qū)面積50 m2，3次重復(fù)。小麥于每年10月上旬采用機械播種，行距18 cm，播種量225 kg/hm2。苜蓿于2014年4月種植，播種量18 kg/hm2，行距為40 cm。小麥苜蓿套作是在苜蓿行間（行距為40 cm）機械條播播種小麥一行，播種量與小麥單播一致。種麥前統(tǒng)一施用復(fù)合肥，用量N 211.1 kg/hm2、P2O5166.7 kg/hm2、K2O 66.7 kg/hm2，生育期各小區(qū)要求灌溉時間、灌水量一致，并實施統(tǒng)一人工除雜草等田間管理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植株產(chǎn)量和含氮量

小麥于6月初麥?zhǔn)涨埃俎７謩e于6月初和9月初刈割并進行生物量樣品采集和測產(chǎn)。測產(chǎn)時，每個處理隨機選取3個1 m2樣區(qū)，取平均值。苜蓿植株齊地刈割后稱鮮重，隨機采集部分鮮樣放置在70℃條件下烘干至恒重，測干鮮比以計算產(chǎn)量（苜蓿生物量和產(chǎn)量均以干重計），然后將烘干樣品粉碎測定氮含量［10］；小麥植株地上部分為莖葉、籽粒，分別烘干粉碎后測定氮含量，并考種、測產(chǎn)。氮含量采用H2SO4-H2O2消解、連續(xù)流動分析儀（AA3，德國SEAL Analytical）進行測定［11］。

1.3.2 土壤無機氮含量

土壤無機氮含量分別于返青后（3月）、麥?zhǔn)蘸螅?月）、小麥地休耕苜蓿單獨生長后期（10月）用土鉆取0～30、30～60、60～100、100～150、150～200 cm土壤樣品，風(fēng)干后過篩，用0.01 mol/L CaCl2浸提后，流動分析儀測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量［12］。

1.4 計算公式

植株氮積累量（kg/hm2）=植株生物量×植株氮含量［13］

籽粒氮積累量（kg/hm2）=籽粒產(chǎn)量×籽粒氮 含量［13］

土壤無機氮累積量（kg/hm2）=土層厚度（cm）× 土壤容重（g/cm3）×土壤無機氮含量（mg/kg）/ 10［14］，其中土壤無機氮含量為銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量總和。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和OriginPro 8.0進行匯總處理及制圖，采用SPSS 21.0軟件進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥苜蓿產(chǎn)量、植株氮含量及其作物攜出氮量

由表1可知，2017和2018年混播小麥生物量和籽粒產(chǎn)量均低于單播小麥且差異顯著（P<0.05），可能與這兩年氣候條件以及混播中苜蓿的生長有關(guān)。從植株氮含量來看，小麥與苜?；觳ズ?，混播小麥莖葉和籽粒氮含量顯著高于單播小麥，其中兩年間混播小麥莖葉氮含量較單播小麥分別提高了12.5%、8.0%，籽粒氮含量分別提高了8.5%、14.0%。從作物攜出氮量來看，小麥籽粒氮積累量高于莖葉氮積累量，混播小麥莖葉氮積累量和籽粒氮積累量均低于單播小麥，表明小麥苜蓿混播后對小麥籽粒氮含量影響更大，苜蓿生長對小麥莖葉和籽粒氮積累量均有影響。兩年間混播苜蓿生物量、植株氮含量和作物攜出氮量均低于單播苜蓿且差異顯著，生物量較單播苜蓿降低了13.2%～17.0%，植株氮含量降低了3.6%～ 15.5%，作物攜出氮量降低了20.0%～26.7%，表明 在小麥苜?；觳ブ?，苜蓿生長也會受到小麥的影響，植株氮含量會因小麥對氮素吸收而 降低。

整體而言，兩年間混播生物量與單播小麥不盡相同，2017年混播生物量高于單播小麥，2018年則略低于單播小麥，但生物量差異未達顯著水平。與單播苜蓿相比，混播顯著提高了生物量，其中2017年較單播苜蓿提高了43.0%，2018年提高了73.3%。2017和2018年混播植株氮積累總量比單播小麥分別提高了41.6%、21.2%，比單播苜蓿分別提高了19.4%、59.6%?？傊←溰俎；觳ゾ哂忻黠@增產(chǎn)優(yōu)勢。

表1 小麥和苜蓿的產(chǎn)量、植株氮含量以及作物攜出氮量

2.2 土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮剖面分布

表層土壤（0～30 cm）硝態(tài)氮含量，兩個年份均表現(xiàn)為在小麥3月返青時苜蓿單播比小麥單播和混播大約高了一倍（圖2），30～200 cm土層小麥單播硝態(tài)氮含量隨土壤深度加深不斷增加，苜蓿單播和混播硝態(tài)氮含量隨其深度先增加后下降，且150～200 cm土層苜蓿單播和混播硝態(tài)氮含量均低于小麥單播。6月麥?zhǔn)諘r3個處理土壤剖面硝態(tài)氮含量與3月份相比均有所下降，隨深度變化趨勢基本一致，均是于30～100 cm深度范圍內(nèi)處于低值區(qū)，但各處理之間硝態(tài)氮含量差異較3月份變小，其中苜蓿單播表層土壤（0～30 cm）硝態(tài)氮含量只有5.08 mg/kg（兩年均值），遠低于單播小麥和混播處理，與3月份相比大幅降低。深層150～200 cm處硝態(tài)氮含量較3月份增加了42.1%（兩年均值，下同）?；觳ヌ幚?0～100 cm層硝態(tài)氮含量較3月份降低70.5%，小麥單播60 cm層以下較3月份降低了20.9%。10月份經(jīng)歷了一段小麥地休耕苜蓿單獨生長的時段之后，土壤剖面各處理硝態(tài)氮含量依次為小麥單播>混播>苜蓿單播，各處理硝態(tài)氮含量隨著土壤剖面加深整體呈現(xiàn)增加趨勢，小麥單播和混播處理30～100 cm深度土壤硝態(tài)氮含量較6月份明顯增加，表明小麥的生長需要是土壤硝態(tài)氮消耗的主要原因，而苜蓿雖有固氮作用，但依然對土壤硝態(tài)氮有消耗，尤其是深層 土壤。

圖3 0～200 cm土壤銨態(tài)氮含量

2017和2018年3月返青時3個處理土壤銨態(tài)氮含量與硝態(tài)氮含量相比較低，隨土壤深度加深大體呈減少趨勢，表層0～30 cm在5.5～6.5 mg/kg之間，深層（200 cm）4.5 mg/kg左右（圖3）。其中苜蓿單播0～30 cm層銨態(tài)氮含量略高于小麥單播和混播處理，到60 cm層處降低了近三分之一，明顯低于另外兩個處理，但在60～150 cm深度范圍內(nèi)不降反升；混播處理銨態(tài)氮含量隨深度變化與小麥單播非常相近。6月麥?zhǔn)蘸蟾魈幚?～30 cm層土壤銨態(tài)氮含量與3月返青后相比顯著降低，但全剖面分布情況依然呈現(xiàn)隨深度增加而減少的趨勢，小麥單播和苜蓿單播較3月返青時降低了近20%，混播降低了10%左右。10月經(jīng)過小麥地休耕苜蓿單獨生長期后表層（0～30 cm）土壤苜蓿單播和混播銨態(tài)氮明顯高于小麥單播。30～60 cm層各處理銨態(tài)氮與表層相比仍是大幅減少，但60～200 cm層小麥單播銨態(tài)氮含量隨土壤剖面加深持續(xù)增加，到200 cm深處甚至超過了混播銨態(tài)氮含量。

2.3 不同處理土壤無機氮累積量變化情況

根據(jù)苜蓿根系入土深度計算了2017和2018年土壤無機氮累積量，土壤無機氮累積量為正值，表示土壤氮素累積大于消耗，負值則為相反。表2顯示，2018年越冬期（前一年10月～3月）小麥單播100 cm深土壤無機氮累積量均為負值，苜蓿單播土壤無機氮累積量除30～100 cm層外其他土層均為正值，混播100 cm深土層為正值，100～200 cm土層則為負值，表明小麥前期發(fā)芽、出苗以及分蘗等一系列生長過程消耗了土壤無機氮，苜蓿表層因刈割后腐殖質(zhì)增加，深層則因根系固氮等因素導(dǎo)致土壤無機氮均處于累積階段，混播則具有小麥和苜蓿共同生長所影響的無機氮變化特征。小麥苜蓿共生期（3～6月）小麥單播0～30 cm層土壤無機氮累積量為正值，30～200 cm層則為負值，苜蓿單播除30～100 cm層土壤無機氮累積量略有累積外，其他土層均為負值，混播200 cm深土壤無機氮累積量均為負值，表明此階段正值小麥和苜蓿生長旺盛期，兩種植物生長過程對土壤無機氮的消耗都較為強烈，故土壤剖面無機氮累積量多為負值。麥?zhǔn)蘸筌俎为毶L期（6～10月）小麥單播和混播0～30 cm層土壤無機氮累積量均為負值，30～200 cm層均為正值，苜蓿單播100 cm深土壤無機氮累積量為正值，100～200 cm深土層則為負值，表明植物生長對土壤無機氮影響較大，小麥地休耕后土壤剖面無機氮基本處于累積階段，苜蓿生長3～4年根系入土深度約為150 cm，由于根系對土壤無機氮影響較大，此階段100～200 cm深土壤無機氮均有所消耗。

表2 2017和2018年不同處理土壤剖面無機氮累積量 （kg/hm2）

從不同處理全剖面土壤無機氮累積量來看，雖然整個生長期（3～10月）因苜蓿生長周期較長，使得苜蓿單播和混播土壤無機氮累積量均為負值。但就植物生長期而言，種植方式對土壤無機氮累積量的影響不同。越冬期（前一年10月～3月）混播和苜蓿單播土壤無機氮累積量為正值，表明此階段因苜蓿固氮功能使得混播無機氮得到了累積。小麥苜蓿共生期（3～6月），正值植物生長主要時期，各處理土壤無機氮均為負值，由于兩種植物同時對土壤氮素的吸收利用導(dǎo)致混播土壤無機氮累積量遠低于苜蓿和小麥單播。麥?zhǔn)蘸筌俎为毶L期（6～10月）小麥單播和混播土壤無機氮累積量均為正值，苜蓿單播為負值，表明植物生長對土壤無機氮累積量影響較大，麥?zhǔn)蘸鬅o作物吸收利用使得土壤無機氮處于累積階段，苜蓿單播因苜蓿生長仍處于消耗階段。

3 討論

3.1 小麥苜蓿產(chǎn)量、植株氮含量及其作物攜出氮量

本研究結(jié)果表明，小麥和苜?；觳ズ笮←溨仓晟锪亢妥蚜．a(chǎn)量均低于小麥單播，這可能和兩種作物生長過程中苜蓿占據(jù)大量空間、影響了光合作用等因素有關(guān)，但苜蓿所具有的固氮功能又促使混播中小麥氮素得以累積，從而使得植株莖葉和籽粒氮含量高于單播小麥；相比苜蓿單播，混播中苜蓿植株氮含量和生物量亦低于苜蓿單播。本研究結(jié)果與李冬梅［15］的小麥/苜蓿間作種間促進作用研究結(jié)果一致，相比單作，間作降低了苜蓿生物量和植株氮含量，但提高了小麥植株氮含量。小麥苜?；觳プ魑镏仓甑e累總量遠高于任一單播，進一步印證了豆科牧草套作禾本科小麥能夠增加作物產(chǎn)量，提高糧食品質(zhì)。整體而言，在小麥苜蓿套作中農(nóng)民不僅能夠收獲相對高品質(zhì)的小麥糧食產(chǎn)量，而且還可收獲一定數(shù)量的苜蓿生物量，增加一部分經(jīng)濟收入，也提高了作物氮素利用率。

3.2 種植方式對不同時期銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響

土壤氮素只有通過礦化轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮、硝態(tài)氮才能被植物吸收利用，但不同種植模式下作物對土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收利用能力差異較 大［16-18］。小麥返青時各處理土壤銨態(tài)氮含量高于麥?zhǔn)諘r和小麥地休耕苜蓿單獨生長期，主要與小麥、苜蓿對土壤氮素吸收利用不同有關(guān)。苜蓿單播表層土壤銨態(tài)氮含量略高于小麥單播和混播，這可能與返青后氣溫升高，微生物活動頻繁，土壤有機氮礦化速率增強所導(dǎo)致的氮素釋放程度不同以及植物根系對氮素吸收利用不同有關(guān)。麥?zhǔn)諘r深層土壤因小麥和苜蓿共同吸收利用使得混播銨態(tài)氮含量低于任一單作，劉曉宏等［19］在研究中發(fā)現(xiàn)，種植苜蓿后土壤深層銨態(tài)氮含量較種植其他作物時高，與本研究結(jié)果基本相同。小麥地休耕苜蓿單獨生長期小麥單播銨態(tài)氮低于苜蓿單播和混播，可能與苜蓿的根系固氮作用有關(guān)。

由于降水量不同導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量差異較大，2017年土壤硝態(tài)氮含量低于2018年，可能與2017年降水量多且集中于作物生長期（4～10月）有關(guān)，氮素淋溶作用更為明顯。返青時小麥單播和混播表層（0～30 cm）土壤硝態(tài)氮含量低于苜蓿單播，深層（150～200 cm）與表層相反，這主要是由于返青時小麥對土壤硝態(tài)氮吸收利用高于苜蓿，小麥地表層硝態(tài)氮不易被土壤吸附而淋失，進而在深層土壤中出現(xiàn)了大量累積，苜蓿單播不存在這種變化特征，僅受其生長過程根系的影響，小麥苜?；觳ヒ渤尸F(xiàn)和苜蓿單播類似的特征，這說明小麥苜?；觳ゼ饶芫徑庑←湹乇韺油寥老鯌B(tài)氮的快速下降，也能減輕小麥地深層土壤硝態(tài)氮的累積，提高農(nóng)田土壤氮素利用率。葉優(yōu)良等［20］研究發(fā)現(xiàn)，不同作物間作能夠改善因淋失等造成的氮素損失現(xiàn)象，促進土壤氮素礦化，進而提高了土壤氮素的利用率。

麥?zhǔn)諘r苜蓿單播表層土壤硝態(tài)氮遠低于小麥單播和混播，可能是因小麥成熟后枯枝落葉大量脫落地表增加了有機氮含量，而單播苜蓿仍在生長，枯落物較少且對氮素的吸收利用更為強烈。隨著植物生長高峰期的到來，小麥自身生長對硝態(tài)氮吸收超過了其淋失量，從而降低了深層硝態(tài)氮累積，導(dǎo)致此階段各處理100 cm以內(nèi)土體，尤其是60～100 cm深度土壤硝態(tài)氮含量整體上低于3月返青時，但是100～200 cm深土壤硝態(tài)氮含量只有小麥單播與3月份相比有所降低。李云等［21］研究得出夏季生長的苜蓿并不能降低深層土壤硝態(tài)氮累積量，苜蓿單播深層硝態(tài)氮含量較3月返青時大幅增加，主要原因與苜蓿自身的固氮作用和夏季濕熱環(huán)境下大量有機氮的礦化有關(guān)。

小麥地休耕苜蓿單獨生長期各處理硝態(tài)氮含量都隨土壤深度增加出現(xiàn)了不同程度的增加，總體上小麥單播高于苜蓿單播和混播，但原因可能大不相同，小麥單播主要是由于硝態(tài)氮的淋移累積，而單播苜蓿則是苜蓿的豆科固氮作用，由于苜蓿還處于生長期故硝態(tài)氮含量低于小麥單播，總體而言自2017年6月后期至10月份階段性降雨量明顯高于2018年，導(dǎo)致2017年10月各處理土壤硝態(tài)氮含量大致低于2018年10月。

3.3 種植方式對土壤無機氮累積量的影響

從2017和2018年不同時期土壤剖面無機氮累積量變化特征來看，小麥返青時由于小麥苗期生長使得土壤無機氮有所消耗，而苜蓿單播和混播因苜蓿處于越冬休眠期不僅沒有減少氮的消耗，還因上一年苜蓿刈割后腐殖質(zhì)增加使表層土壤無機氮得到了補充。麥?zhǔn)諘r小麥單播表層土壤無機氮有所累積，而深層土壤無機氮因其生長均有所消耗，但麥?zhǔn)蘸髣t表現(xiàn)為表層土壤氮素減少，深層土壤氮素累積；苜蓿整個生育期的旺盛生長消耗了苜蓿單播和混播土壤無機氮，麥?zhǔn)蘸筌俎为毶L期小麥單播和混播除表層有所消耗外，深層土壤無機氮均處于累積階段，苜蓿單播深層土壤無機氮因苜蓿自身生長仍處于消耗階段。從整個生育期來看小麥單播和苜蓿單播表層和深層土壤無機氮消耗大于累積，主要與其根系入土深度有關(guān)。

4 結(jié)論

兩個試驗?zāi)攴輧?nèi)小麥苜?；觳ピ黾恿俗魑锷锪壳倚←溨仓昵o葉和籽粒氮含量均高于小麥單播；相比任一單作，小麥苜?；觳ワ@著提高了作物植株氮積累總量。

種植方式影響表層（0～30 cm）土壤硝態(tài)氮含量，春季返青時苜蓿單播高于小麥單播和混播處理，麥?zhǔn)諘r小麥單播和混播均高于苜蓿單播；小麥地休耕苜蓿單獨生長期200 cm深土壤剖面硝態(tài)氮含量依次為小麥單播>混播>苜蓿單播。不同生長時期小麥單播硝態(tài)氮隨土壤剖面垂直淋失并于土壤深層大量累積，而小麥苜蓿混播后緩解了硝態(tài)氮的垂直淋失現(xiàn)象。

小麥返青時0～30 cm層苜蓿單播土壤銨態(tài)氮含量略高于小麥單播和混播，小麥地休耕苜蓿單獨生長期200 cm深小麥單播銨態(tài)氮含量低于苜蓿單播和混播。

越冬期（前一年10月～3月）小麥苜?；觳ネ寥罒o機氮得到了累積，小麥苜蓿共生期（3～6月）土壤無機氮處于消耗階段，麥?zhǔn)蘸筌俎为毶L期（6～10月）無機氮又得到了補充。