覆膜免耕對(duì)玉米間作豌豆農(nóng)田土壤有機(jī)碳和氮的影響

丁 磊,柴 強(qiáng),于愛(ài)忠,胡發(fā)龍,殷 文,樊志龍,范 虹,任 慧,趙 財(cái)

(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070)

土壤有機(jī)碳和氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，影響著全球碳氮循環(huán)平衡以及氣候變化，同時(shí)也是衡量土壤碳氮協(xié)調(diào)變化和評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[2-3]。不同的土地利用方式對(duì)土壤中有機(jī)碳和氮素含量有著不同的影響[4-5]，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳和氮素含量不僅是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，其含量變化還會(huì)影響作物對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量[6]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，合理的種植制度和耕作模式，能有效提高土壤有機(jī)碳和全氮的含量[7]。有研究表明，免耕和少耕等保護(hù)性耕作相比于傳統(tǒng)的翻耕能有效減少土壤侵蝕量，減輕水土流失，改變表層土壤理化性質(zhì)，提高土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮等肥料的含量，從而增加作物產(chǎn)量，提高水分利用效率[8-10]。間作種植模式相較于單作，增加生物多樣性，促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)繁育，有利于增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量；而禾豆間作由于豆科作物的加入，有效提高土壤氮素含量[11-12]。

河西綠洲灌區(qū)光資源豐富，熱量一熟有余兩熟不足，適宜發(fā)展間作套種，但該地區(qū)受土壤耕作措施、種植模式、覆蓋措施、施肥水平等因素的影響[13]。傳統(tǒng)的玉米間作小麥已經(jīng)不再適宜生產(chǎn)實(shí)踐的需求，而玉米間作豌豆能促進(jìn)豆科作物的固氮效率，有效改善間作土壤養(yǎng)分，從而顯著提高氮素利用效率[14]。覆膜免耕可以改善土壤養(yǎng)分，降低土壤溫度，限制玉米早期生長(zhǎng)，從而減少玉米與豌豆間作的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)玉米的補(bǔ)償生長(zhǎng)[15]。

目前，有關(guān)耕作措施與種植模式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的研究大多集中在免耕等保護(hù)性耕作措施對(duì)農(nóng)田土壤含水量、地溫及作物生長(zhǎng)特性的研究，但是關(guān)于免耕措施下，禾豆間作模式對(duì)農(nóng)田有機(jī)碳和全氮及其組分的影響研究較少。因此，本文以河西綠洲灌區(qū)玉米間作豌豆為研究對(duì)象，借助2013年在河西綠洲灌區(qū)建立的不同耕作措施長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，測(cè)定不同耕作措施下農(nóng)田耕層0～40cm土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和C/N，分析比較耕作措施與間作對(duì)土壤有機(jī)碳、土壤全氮及其組分含量的影響。以期得到耕作措施與種植模式對(duì)河西綠洲灌區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳、全氮及其組分影響的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，為相關(guān)研究提供理論支撐和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

在甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地(37°30′N、103°5′E)進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)位于河西走廊東端，是典型的溫帶大陸性氣候，平均海拔1 506 m，天然降水少，年均降水約156 mm，主要集中在7—9月份；年蒸發(fā)量約2 000 mm，日照時(shí)數(shù)2 969 h，年平均氣溫7.2 ℃，>0 ℃積溫3 513 ℃，≥10 ℃積溫 2 985 ℃，無(wú)霜期156 d。該區(qū)光照資源豐富，日照充足，適合發(fā)展間作；但資源性缺水嚴(yán)重，因此該地區(qū)農(nóng)業(yè)有“非膜不植”的特點(diǎn)。試驗(yàn)區(qū)土壤為灌淤土，試驗(yàn)開始前0～40 cm土壤理化性狀見(jiàn) 表1。

表1 0～40 cm土壤理化性狀Table 1 Soil physical and chemical properties at depth of 0-40 cm

1.2 試驗(yàn)材料

豌豆(PisumsativumL.)品種為‘隴豌1號(hào)’，玉米(ZeamaysL.)品種為‘先玉335’；施肥為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥，單作豌豆總施肥量為108 kg·hm-2氮肥，單作玉米與玉米間作豌豆總施肥量為360 kg·hm-2氮肥；白色農(nóng)用地膜的寬度為120 cm，厚度為0.01 mm。試驗(yàn)區(qū)玉米為全膜覆蓋種植，豌豆為不覆膜種植。試驗(yàn)于每年3月上旬播種豌豆，6月下旬收獲；玉米于4月下旬播種，10月收獲。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)2種耕作方式：傳統(tǒng)覆膜耕作(CT)、覆膜免耕(NT)，3種種植模式：?jiǎn)巫饔衩?M)、玉米間作豌豆(M/P)、單作豌豆(P)；玉米單作種植密度為9萬(wàn)株·hm-2(行距40 cm，株距27 cm)。豌豆單作處理種植密度為180萬(wàn)株·hm-2(行距20 cm)分行種植。玉米與豌豆間作模式采用 3∶4種植(3行玉米和4行豌豆)，玉米行距40 cm，株距27 cm，豌豆行距20 cm，玉米與豌豆間距25 cm，其中玉米密度為5.2萬(wàn)株·hm-2，豌豆密度為76萬(wàn)株·hm-2。灌水與施肥與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)相同，灌溉定額4 650 m3·hm-2；玉米總施氮量為360 kg·hm-2，豌豆總施氮量為135 kg·hm-2，磷肥按照N∶P為2∶1的比例，即180 kg·hm-2。試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，各處理重復(fù)3次，共計(jì)18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積7 m×8 m=56 m2。試驗(yàn)處理及代碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)處理及代碼Table 2 Test processing and code

1.4 樣品采集與測(cè)定指標(biāo)

2019、2020年玉米收獲后在每個(gè)小區(qū)沿對(duì)角線等距離3點(diǎn)各取0～20 cm和20～40 cm土層供試土樣，3點(diǎn)同層次土樣混合均勻后自然風(fēng)干，挑去其中的石塊草根，磨細(xì)過(guò)100目篩，備用，測(cè)定土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分。在玉米間作豌豆每個(gè)小區(qū)分別靠豌豆帶和玉米帶中間兩點(diǎn)按0～20 cm和20～40 cm兩個(gè)層次、單作豌豆和單作玉米每個(gè)小區(qū)沿對(duì)角線靠中間兩點(diǎn)分0～20 cm和20～40 cm兩個(gè)層次取土。

土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；全氮含量采用Elemantar元素分析儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)稱取120 mg樣品；土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定，測(cè)定前將所取土樣分別稱取2 g，用2 mol·L-1KCl溶液浸提土壤溶液中的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮。

土壤碳氮比：表示碳、氮元素在土壤中的相對(duì)大小關(guān)系，土壤碳氮比越大表示土壤碳含量相對(duì)高于氮素含量，土壤碳氮比越小表示土壤氮素含量相對(duì)高于土壤碳含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量和C/N在玉米間作豌豆的試驗(yàn)中采用加權(quán)平均法計(jì)算,計(jì)算公式為[以有機(jī)碳(SOC)為例]：SOC平均值=(SOC玉米×19/11)+(SOC豌豆×19/8)

采用Excel 2016制圖，SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜免耕對(duì)玉米間作豌豆土壤有機(jī)碳含量的影響

2 a研究結(jié)果表明，NT較CT顯著增加0～20 cm和20～40 cm土層有機(jī)碳含量，增幅分別為4.8%和5.4%。耕作措施與種植模式對(duì)0～40 cm土壤有機(jī)碳含量均有顯著影響(P<0.05)，而兩者互作效應(yīng)(P>0.05)對(duì)其無(wú)顯著影響(圖1)。同一種植模式下，NT較CT處理顯著提高玉米間作豌豆和單作玉米在0～20 cm與20～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量，提高量為 4.0%、5.7%和6.9%、6.4%，單作豌豆影響不顯著。NT與CT處理下，種植模式之間土壤有機(jī)碳含量差異顯著，玉米間作豌豆較單作玉米0～20 cm、20～40 cm土層有機(jī)碳含量高4.6%、5.9%和7.5%、6.5%，較單作豌豆低6.8%、5.2%和7.1%、6.6%。綜上所述，NT相比于CT對(duì)提高土壤有機(jī)碳含量具有顯著的促進(jìn)作用，而種植模式之間玉米間作豌豆較單作玉米明顯提高土壤有機(jī)碳含量。

2.2 覆膜免耕對(duì)玉米間作豌豆土壤全氮含量的影響

2 a間玉米收后土壤全氮含量變化趨勢(shì)一致，即NT較CT顯著提高0～20 cm土層全氮含量，增幅為5.3%，但兩個(gè)覆蓋處理20～40 cm土層全氮含量差異不顯著。耕作措施(P<0.05)和種植模式(P<0.05)對(duì)0～40 cm土層全氮含量影響均顯著；二者互作效應(yīng)(P>0.05)對(duì)0～40 cm土層全氮無(wú)顯著影響(圖2)。NT較CT處理對(duì)單作豌豆在各土層中土壤全氮含量差異不顯著；而玉米間作豌豆與單作玉米在0～20 cm土層中能分別提高土壤全氮含量5.0%和8.8%，在 20～40 cm土層中土壤全氮含量差異不顯著。相同耕作措施，不同種植模式相比較，單作豌豆土壤全氮含量顯著高于玉米間作豌豆和單作玉米處理；NT和CT處理下，玉米間作豌豆較單作玉米顯著增加了0～20 cm土層中土壤全氮的含量，分別增加了7.0%和10.9%；而在20～40 cm土層中土壤全氮含量差異不顯著。由此可以看出，由于覆膜免耕較傳統(tǒng)覆膜耕作減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，從而提高了0～20 cm土層土壤全氮含量，而對(duì)20～40 cm土層全氮含量影響差異不顯著。在不同的種植模式下，間作由于豆科植物的加入，相比較單作玉米，有效提高土壤全氮含量。

2.3 覆膜免耕對(duì)玉米間作豌豆土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量的影響

耕作措施、種植模式以及兩者的互作效應(yīng)對(duì)0～40 cm土層硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均有顯著影響(表3)。不同種植模式及耕作措施下土壤硝態(tài)氮0～20 cm(13.90～25.22 mg·kg-1)含量高于20～40 cm(11.06～21.32 mg·kg-1)。NT較CT土壤硝態(tài)氮含量在0～20 cm、20～40 cm土層分別提高11.3%、16.8%；由于覆膜免耕條件下氮素水解較快，使得NT較CT處理顯著提高玉米間作豌豆和單作玉米在0～20 cm與20～40 cm土層的硝態(tài)氮含量，提高量為7.6%、21.9%和29.8%、41.0%。NT與CT處理下，種植模式之間土壤硝態(tài)氮含量差異顯著，均表現(xiàn)為SP>M/P>SM，其中玉米間作豌豆較單作玉米0～20 cm、20～40 cm土層硝態(tài)氮含量高 14.5%、29.3%和38.2%、49.5%。

表3 覆膜免耕玉米間作豌豆土壤硝、銨態(tài)氮含量Table 3 Soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen content in maize/pea intercropping under no-tillage with mulching of plastic film

NT較CT顯著提高0～20 cm、20～40 cm土層土壤銨態(tài)氮含量，分別提高18.0%、14.6%。0～20 cm土層中NT處理下的玉米間作豌豆與單作玉米土壤銨態(tài)氮含量明顯高于CT處理，分別高14.7%和52.8%。而在20～40 cm土層中，僅NT處理下的單作玉米土壤銨態(tài)氮含量顯著高于CT處理。相同耕作措施下，種植模式之間土壤銨態(tài)氮含量差異顯著，均表現(xiàn)為SP>M/P>SM。其中玉米間作豌豆較單作玉米0～20 cm、20～40 cm土層銨態(tài)氮含量高21.6%、23.3%和62.0%、79.5%。

由此可見(jiàn)，NT較CT處理可有效提高土壤 0～40 cm硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量。而不同種植模式之間土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為SP>M/P>SM。

2.4 覆膜免耕對(duì)玉米間作豌豆土壤C/N的影響

碳氮比(C/N)是指基質(zhì)中碳的總含量與氮的總含量的比值，適當(dāng)?shù)奶嫉壤?，有助于土壤微生物的活性。耕作措施與種植模式(P<0.05)對(duì) 0～20 m土層C/N有顯著影響，兩者互作效應(yīng)(P>0.05)對(duì)其無(wú)顯著影響；而對(duì)20～40 cm土層C/N均無(wú)顯著影響(圖3)。同一種植模式，不同耕作措施之間相比較：玉米間作豌豆與玉米單作條件下，NT較CT 0～20 cm土壤C/N分別降低4.7%和7.6%，而土壤C/N在20～40 cm土層各處理之間均無(wú)顯著性差異。同一耕作措施，不同種植模式之間相比較，0～20 cm土層C/N均表現(xiàn)為SM>M/P>SP。

3 討 論

與傳統(tǒng)覆膜耕作相比，保護(hù)性耕作能有效改善土壤表層的肥力[16]。研究表明，耕作方式主要影響0～30 cm土層中的有機(jī)碳和氮,而覆膜免耕有效地提高0～15 cm土層有機(jī)碳和全氮的儲(chǔ)量[17-18]，使土壤養(yǎng)分出現(xiàn)表層富集現(xiàn)象。本研究中，覆膜免耕較傳統(tǒng)覆膜耕作顯著提高玉米間作豌豆與單作玉米0～40 cm土層有機(jī)碳的含量；同時(shí)也提高玉米間作豌豆與單作玉米0～20 cm土層全氮含量，但20～40 cm土層全氮含量差異不顯著；而耕作措施對(duì)單作豌豆在0～40 cm土層有機(jī)碳和全氮含量無(wú)顯著影響，說(shuō)明覆膜免耕相比于傳統(tǒng)覆膜耕作對(duì)提高土壤有機(jī)碳和全氮含量具有顯著的促進(jìn)作用。其主要原因如下：一方面是覆膜免耕能夠減少土壤擾動(dòng)次數(shù)，增加土壤腐殖質(zhì)的積累，促進(jìn)土壤有機(jī)碳和全氮的積累[19]，另一方面是覆膜免耕土壤近地表處土壤有機(jī)質(zhì)含有植物所需的多種養(yǎng)分特別是氮素，土壤表層中有機(jī)質(zhì)大約有80%～97%的氮[20]，而單作豌豆差異不顯著的原因可能是各處理下的豌豆在生育期內(nèi)自身固氮和根系分泌物有關(guān)，也有可能是豌豆收獲后根系殘留物降解和微生物分解有機(jī)質(zhì)有關(guān)。

通過(guò)長(zhǎng)期土壤碳氮變化的研究發(fā)現(xiàn)，合理的農(nóng)田管理措施會(huì)增加土壤有機(jī)碳和全氮含量,從而改善土壤質(zhì)量[21]，而間作較單作模式能有效提高大麥間作豌豆農(nóng)田土壤有機(jī)碳和全氮的含量[22]。本研究表明，在各耕作措施下，玉米間作豌豆較單作玉米能有效提高0～40 cm土層有機(jī)碳的含量；但僅提高0～20 cm土層全氮含量，對(duì)20～40 cm土層無(wú)顯著差異。原因可能是間作種植模式，增加了農(nóng)田的生物多樣性，強(qiáng)化了種間邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致土壤中微生物的數(shù)量增加，有利于土壤有機(jī)碳的積累[11]，另一個(gè)原因是間作由于豆科植物的加入，相比單作玉米,有效提高土壤全氮含量[12]。

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是植物吸收利用的兩種主要無(wú)機(jī)氮，本研究發(fā)現(xiàn)覆膜免耕較傳統(tǒng)處理顯著提高間作與單作玉米0～40 cm土層硝態(tài)氮的含量，對(duì)單作豌豆影響異不顯著。覆膜免耕較傳統(tǒng)覆膜耕作提高玉米間作豌豆0～20 cm銨態(tài)氮含量，對(duì)20～40 cm差異不顯著，但對(duì)單作玉米0～40 cm土層銨態(tài)氮含量差異顯著。原因可能是土壤硝 化-反硝化作用過(guò)程中的硝酸鹽淋溶和氣態(tài)氮素的損失導(dǎo)致土壤氮素的流失[23]，而覆膜免耕條件下，氮素水解較快，導(dǎo)致土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較高，也有可能是覆膜免耕較傳統(tǒng)覆膜耕作降低了氨揮發(fā)量，降低損失消耗所致[20]。間作種植系統(tǒng)中，禾本科作物競(jìng)爭(zhēng)資源的能力高于豆科作物，促使與之間作的豆科作物固定更多的大氣氮，而豆科作物也可以把自身的氮素供給臨近禾本科作物吸收，改善禾本科作物的供氮條件，有利于禾本科作物生長(zhǎng)[24]。本研究表明，在同一耕作措施下，不同種植模式0～40 cm土層硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的含量均表現(xiàn)為：SP>M/P>SM。主要原因是玉米間豌豆種植模式，可以減少土壤中硝態(tài)氮的累積和淋失，增加銨態(tài)氮含量，從而提高氮肥利用效率[25-26]。

土壤C/N通常被認(rèn)為是土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要影響[27]。一定范圍內(nèi)的土壤C/N，有利于微生物在有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中釋放養(yǎng)分，促進(jìn)土壤中有效氮的增加，有利于作物的生長(zhǎng)[28]。本研究表明：土壤C/N在20～40 cm土層各處理之間差異不顯著。耕作措施下，土壤C/N在0～20 cm土層表現(xiàn)為SM>M/P>SP，同一種植模式,不同耕作措施下，間作與單作玉米土壤C/N均表現(xiàn)為覆膜免耕低于傳統(tǒng)覆膜耕作，而單作豌豆差異不顯著?？赡艿脑蚴?0～40 cm土層碳和全氮含量降低，導(dǎo)致各處理間差異不顯著，而保護(hù)性耕作能有效提高土壤表層有機(jī)碳和全氮含量，減少了土壤擾動(dòng)，降低了碳、氮損失，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用，同時(shí)也增加了作物根系對(duì)氮素的吸收，合理調(diào)節(jié)土壤C/N[18,27]。不同種植模式下，玉米間作豌豆較單作玉米，由于豆科植物的加入，增加了農(nóng)田生物的多樣性，從而提高了土壤有機(jī)碳和全氮含量[12]，有效降低了土壤C/N。

4 結(jié) 論

覆膜免耕較傳統(tǒng)覆膜耕作促進(jìn)了間作與單作玉米土壤0～40 cm土層有機(jī)碳和氮素的積累，而對(duì)單作豌豆在0～40 cm土層有機(jī)碳和氮素含量差異不顯著；同時(shí)，覆膜免耕玉米間作豌豆較單作玉米可顯著提高土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量；也合理地降低了0～20 cm的C/N，促進(jìn)土壤碳氮的分解，提高農(nóng)田耕層土壤肥力。因此，覆膜免耕玉米間作豌豆為該區(qū)域減少地膜投入、高效、可持續(xù)間作生產(chǎn)模式。