陳 偉, 王 佳, 孫從建, 王紅陽, 李亞新

(山西師范大學 地理科學學院， 山西省資源環(huán)境信息化管理院士工作站，山西 臨汾 041000)

黃土高原典型土壤是我國北方最重要的土地資源之一，廣布于北方46個地(市)，總面積達64萬km2，約占全國土地總面積的6%。由于其以粉沙顆粒為主、土質(zhì)疏松、雨水崩解的特性，降水集中時極易導致水土流失，而水土流失帶走大量泥沙的同時，也帶走了土壤中大量養(yǎng)分[1-2]。黃土高原典型土壤是山西省內(nèi)面積最大、分布最廣的地帶性土壤，“缺氮、少磷、鉀充足”是黃土高原瘠薄地區(qū)土壤養(yǎng)分含量的整體特點。同時也有研究表明[3]山西黃土高原土壤多偏堿性且氮素貧瘠，使作物的生長發(fā)育以及產(chǎn)量受到抑制。因此，黃土高原地區(qū)因獨特的生態(tài)環(huán)境而造成的氮素流失及匱乏是限制農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。而苦蕎(FagopyrumtataricumL.)因生育期短和耐瘠性好被廣泛種植在黃土高原生態(tài)環(huán)境較嚴酷的地區(qū)，也是中西部經(jīng)濟相對落后地區(qū)的主要糧食、經(jīng)濟和避災(zāi)救荒作物，有著其他大宗作物無法替代的區(qū)位優(yōu)勢[4-5]。另外，苦蕎對于中西部糧食安全和貧困地區(qū)也同樣起著不可或缺的作用。

大量研究結(jié)果表明，作物不同的生育期生長特點不同[6-8]，且作物對土壤中養(yǎng)分的積累和分配也因生長階段的不同而差異顯著[9-10]。所以，作物不同生育期或生育階段土壤的養(yǎng)分狀況也存在差異。對于作物不同生育期土壤養(yǎng)分狀況的研究主要集中在小麥[11]、玉米[12]、大豆等[13]大宗作物，對于苦蕎關(guān)注較少。盡管研究不同時期土壤養(yǎng)分的含量對于人們把握整個生育期養(yǎng)分狀態(tài)有很重要意義。但很多學者對于苦蕎的生育期養(yǎng)分變化研究主要集中在苗期[14-15]，有研究結(jié)果顯示苦蕎整個生育期對土壤中N∶P∶K的比例基本保持在1∶0.36～0.45∶1.76。但在整個生育期中，品種的差異是土壤中養(yǎng)分狀況產(chǎn)生差異的主要原因，大量研究表明，同一作物的不同品種對土壤潛在養(yǎng)分聚集、消耗以及利用能力的差異使土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生較大差異[16]。張楚等[17]通過9個不同基因型苦蕎的水培試驗發(fā)現(xiàn)，低氮環(huán)境下，地上部分莖葉的生長和地下部分根系的變化，耐氮品種與不耐氮品種差異顯著。陳偉等[4]利用熒光光譜法對苦蕎根際土壤的研究表明，低氮條件顯著影響土壤根際纖維素酶和氮循環(huán)過程相關(guān)的土壤酶活性，除苦蕎成熟期的常氮處理，苗期和開花期的低氮處理條件下，纖維素酶活性均表現(xiàn)為耐低氮品種迪慶苦蕎根際土壤顯著高于不耐低氮品種黑豐1號。同時另有學者[5]對苦蕎土壤根系分泌有機酸進行試驗，發(fā)現(xiàn)低氮脅迫下苦蕎根系分泌有機酸含量在品種間具有明顯的差異，迪慶根際土壤中草酸含量在各個生育期分別顯著高于黑豐，酒石酸也在開花期和成熟期表現(xiàn)也如此。另外，品種也同樣對土壤碳轉(zhuǎn)化酶活性上產(chǎn)生顯著影響[15]。因此無論地上的生理生態(tài)指標還是根系分泌的有機酸，以及涉及土壤中主要的碳氮循環(huán)，耐氮品種與不耐氮品種都存在著很大的差異性。我們假設(shè)這種差異性較大的品種對不同生育期土壤養(yǎng)分的變化過程中也會產(chǎn)生不同的影響。本文通過對不同控氮條件下不同苦蕎品種在生育期內(nèi)土壤養(yǎng)分動態(tài)變化進行對比分析，探究不同耐瘠性品種在不同控氮條件下對養(yǎng)分的吸收和利用特征，以認知苦蕎耐貧瘠的特性，為黃土高原貧瘠地區(qū)農(nóng)田施肥措施、氮肥管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗設(shè)計

供試土壤采自山西省鄉(xiāng)寧縣馮家溝水土保持監(jiān)測站長期撂荒地0—20 cm土層，為黃土高原典型黃土母質(zhì)上發(fā)育的褐土，于2018年5月24到8月31日在山西師范大學校塑料大棚內(nèi)進行(111.50E,36.08N)，海拔449 m，地處半干旱、半濕潤季風氣候區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期，全年平均氣溫13.5℃，平均降水量527.4 mm。本試驗采用盆缽試驗，供試苦蕎品種:“迪慶苦蕎”(DQ)和“黑豐1號”(HF)。其中，迪慶苦蕎(DQ)為耐瘠性品種，由迪慶藏族自治州農(nóng)業(yè)科學研究所提供。黑豐1號(HF)為不耐瘠品種，由山西省農(nóng)業(yè)科學院高寒作物研究所提供[4]。其中設(shè)置3個處理，分別為對照(CK，尿素0 mg/kg)、低氮控量(N1，尿素80 mg/kg)、常氮控量(N2，尿素100 mg/kg)，每個處理設(shè)置3次重復，每個處理均施入相同的磷肥(P2O5,150 mg/kg)與鉀肥(K2O,60 mg/kg)作為底肥。每盆裝入10 kg褐土，并按3種處理施以氮肥和底肥，拌合均勻。同時，每盆選取飽滿均勻無病蟲害的種子，經(jīng)去離子水浸泡24 h后，均勻播種，埋入同樣的深度，每盆定苗8株，之后正常供應(yīng)水分(400 ml)。

1.2 樣品采集

苦蕎的生長周期較短，一般為3個月，在播種時及播種后30 d(6月25)，60 d(7月25)，90 d(8月31)采集樣品，分別作為播種期(S,Sowing stage)、幼苗期(S,Seedling stage)、開花期(F,Flowering stage)與成熟期(M,Maturation stage)的土樣。采樣時，使用抖土法，除去里面雜質(zhì)和土塊，取小部分置于鋁盒待測土壤含水量;一份樣品裝入塑封袋，帶回后剔去其中的石塊、草根等雜物，土樣經(jīng)過一周左右的自然風干磨細后分別過20目，60目和100目篩，分別裝袋密封待測土壤的各養(yǎng)分指標。

1.3 指標測定

土壤含水量采用烘干法，稱取少量鮮土放入鋁盒，在105℃烘干24 h后，計算土壤含水量;土壤pH值在水土比(2.5∶1)浸提下用pH計測定;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀加熱法測定;速效磷采用0.52 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定;速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法測定;堿解氮采用堿解擴散法測定;全鉀采用高氯酸硫酸消煮—火焰光度計法測定;全氮采用凱氏定氮儀法測定;全磷采用HClO4-H2SO4分光光度計法測定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析、獨立樣本T檢驗、裂區(qū)分析，運用Origin 8.0進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮控量及品種對土壤含水量、pH及有機質(zhì)的影響

裂區(qū)分析顯示，除開花期土壤的含水量，氮控量、品種及三者交互作用均對土壤的含水量、pH及有機質(zhì)產(chǎn)生顯著影響(p<0.05，圖1)。在幼苗期，N1處理下的兩個品種的土壤含水量分別比N2處理下的高30.10%和15.06%，而兩個品種沒有顯著差異;但在CK及N2處理下，DQ的土壤含水量分別較HF高25.89%和6.02%。開花時期，HF品種的土壤含水量在N1處理下的比N2的高26.85%,DQ的則比N2低112.6%，同時在CK及N1處理下，HF的土壤含水量分別較DQ高30.28%，66.19%;而N2處理下HF較DQ低62.29%。在成熟期，N1處理下的兩個品種的土壤含水量分別比N2處理下的高46.66%和46.24%，而兩個品種均在N1，N2處理下沒有顯著差異(圖1A)。

注:S表示幼苗期，F(xiàn)表示開花期，M表示成熟期;HF表示黑豐1號，DQ表示迪慶苦蕎;CK表示不施氮，N1表示低氮控量，N2表示常氮控量。C代表品種，N代表氮處理，C×N×S代表品種、氮處理及時期三者的交互作用，p值基于裂區(qū)分析，其中，**表示極顯著，*表示顯著，ns代表不顯著。圖上的大寫字母表示同一品種的不同氮處理在(p<0.05)概率下水平差異顯著，小寫字母表示同一氮處理下不同品種在(p<0.05)概率下水平差異顯著，下同。圖1 不同控氮處理及品種對土壤含水量、pH及有機質(zhì)的影響

圖1B所示，幼苗期，HF的土壤pH隨施氮量的增加較CK分別增加2.80%，6.73%,DQ在N1處理下土壤pH較CK高1.37%，且在CK及N1處理下，DQ的土壤pH均高于HF5.42%，3.95%。在開花期，N1處理下的HF和DQ的土壤pH分別比N2的高4.84%和3.45%，且在這一時期DQ的土壤pH在N1處理下最高;同時在N1，N2處理下，DQ的土壤pH分別較HF高1.28%，2.64%。成熟期，N1處理下的兩個品種的土壤pH分別比N2下的高2.07%和1.25%，且N1，N2處理下HF的土壤PH較DQ的低2.87%，3.71%。

圖1C所示，在幼苗期，DQ的土壤有機質(zhì)在N1處理下比CK，N2處理下的分別低6.78%，19.12%,HF也較N2處理下低12.03%。兩個品種在CK及N1處理下均沒有顯著差異，而在N2處理下，DQ的土壤有機質(zhì)高HF11.67%。開花期，HF在N1處理下的土壤有機質(zhì)比N2高7.11%，而DQ在N2處理下土壤有機質(zhì)較N1高36.74%，且在N2處理下DQ的土壤有機質(zhì)較HF高35.48%。在成熟期，HF的土壤有機質(zhì)在N1處理下比CK處理下高85.79%,DQ的土壤有機質(zhì)在N2處理下比N1處理下高12.54%，且在N2處理下，DQ的土壤有機質(zhì)較HF高12.43%。

2.2 不同氮控量及品種對土壤速效養(yǎng)分的影響

裂區(qū)分析顯示，除了成熟期的速效鉀，氮控量對土壤速效養(yǎng)分產(chǎn)生了極顯著差異(p<0.01);除了幼苗期的速效鉀和成熟期的堿解氮、速效磷、速效鉀，品種均對土壤速效養(yǎng)分產(chǎn)生了極顯著差異(p<0.01);除了幼苗期的速效磷外，品種和氮控量及時期三者之間的交互作用也對土壤速效養(yǎng)分影響極顯著(p<0.01)(圖2)。由圖2A可知，幼苗期和開花期，在N1處理下HF的土壤堿解氮較DQ高12.38%，63.97%，同時在N2處理下HF的土壤堿解氮比DQ高53.43%，37.19%;成熟期的N1處理下，DQ比HF高44.83%。隨著施氮量的增加，HF在開花期和成熟期的N1處理下出現(xiàn)最小值，且DQ也在成熟期N1處理下土壤中堿解氮的含量出現(xiàn)最小值。不同控量下，兩個品種的土壤堿解氮變化總體上以苦蕎幼苗期為分界線呈先上升后下降的趨勢。在苦蕎幼苗期，各處理的土壤堿解氮均達生育期內(nèi)的最大值。而且隨著氮肥量的增加，HF品種的N2處理在數(shù)值上分別高出CK及N1處理70.02%，107.79%，但DQ品種的CK處理在數(shù)值上高出N1處理60.62%。在整個生育期的后期(苦蕎成熟期)各處理下降幅度較大，整個生育期結(jié)束后，兩個品種在N1處理下土壤堿解氮含量都相對于播種期降低了278%,161%，但DQ的土壤堿解氮比HF高。

幼苗期，在N1，N2處理下，DQ的土壤速效磷含量比HF高17.11%，13.35%。開花期N1處理下DQ土壤中速效磷的含量高于HF 137.85%，同時在這一時期，N1處理下HF的土壤速效磷比CK，N2處理下低79.48%，182.84%。而成熟期N2處理下HF比DQ高72.62%(圖2B)。圖2B可以看出，土壤速效磷含量在幼苗期上升，達到全生育期的最高值，然后不同程度下降。幼苗期兩個品種的各處理土壤速效磷含量的大小順序為:N2>N1>CK。從苦蕎幼苗期到成熟期，兩個品種各處理有不同程度的下降趨勢，以N1下降幅度最大，下降了207.09%，302.88%。在苦蕎收獲后，HF品種各處理的土壤速效磷含量順序為:N2>CK>N1，而DQ的各處理的土壤速效磷含量順序為:CK>N2>N1，兩個品種的N1處理均低于播種期130.91%，158.68%，但HF的土壤速效磷高DQ，但差異性不明顯。

3個時期，在N2處理下DQ土壤中速效鉀的含量分別比HF高30.24%，32.72%，40.79%;幼苗期和開花期，HF在N1處理下的土壤速效鉀的含量比N2處理下高29.45%，28.49%。從圖2C可以看出，速效鉀的變化趨勢與堿解氮、速效磷動態(tài)變化一致，均為在幼苗期達到峰值，然后呈下降趨勢。試驗結(jié)果表明，HF的速效鉀含量在N1處理下最高為0.46，數(shù)值比其他處理高。HF品種幼苗期各處理土壤速效鉀含量高低順序為:N1>CK>N2,DQ則幼苗期各處理土壤速效鉀含量高低順序為:N2>N1>CK。隨著生育期推進，速效鉀含量逐漸下降，其中N1處理下降的幅度最大。在生育期結(jié)束后，兩個品種的3個處理的土壤速效鉀含量均高于播種期，且N2處理下，DQ的土壤速效鉀比HF高。

圖2 不同控氮處理及品種對土壤速效養(yǎng)分的影響

2.3 不同氮控量及品種對土壤全效養(yǎng)分的影響

裂區(qū)分析顯示，全效養(yǎng)分中除了幼苗期的全磷和3個時期的全鉀，品種對土壤全效養(yǎng)分產(chǎn)生了極顯著差異(p<0.01);除了幼苗期的全磷、全鉀及成熟期的全磷，氮控量均對土壤全效養(yǎng)分產(chǎn)生了極顯著差異(p<0.01);除了幼苗期的全磷和全鉀、成熟期的全氮外，品種和氮控量及時期三者之間的交互作用也對土壤全效養(yǎng)分影響極顯著(p<0.01)(圖3)。幼苗期和成熟期的N2處理下，DQ的土壤全氮比HF高34.37%，12.31%。而在開花期N2處理下，HF比DQ高10.95%。在這一階段，兩個品種隨著施氮量的增加，土壤中全氮的含量也顯著增加。開花期和成熟期N1處理下，DQ比HF高26.69%，42.77%(圖3A)。從圖3A看出，土壤全氮的變化趨勢較為復雜，兩個品種均以幼苗期和開花期兩個時間段為界。HF和DQ兩個品種的各處理播種期到幼苗期均處于上升趨勢，而幼苗期到開花期這一階段，HF品種的CK和N2處理為下降趨勢，N2處理為上升趨勢;則DQ品種的各處理均處于下降趨勢。在開花期到成熟期兩個品種及各處理均處于上升趨勢。在苦蕎的成熟期，兩個品種各處理的土壤全氮含量順序分別為:N2>N1>CK，N1>N2>CK。除兩個品種的CK處理土壤全氮含量相對于播種期有所下降外，其余各處理均有不同程度的提高。N1，N2處理下DQ相對于HF較播種期提升了42.77%，15.90%。

開花期和成熟期的N1處理下，DQ土壤中全磷含量比HF高23.62%，16.27%。而在開花期DQ品種隨著施氮量的增加在N1處理下出現(xiàn)最大值，較CK，N2處理高10.98%，30.55%(圖3B)。不同控量下，土壤全磷變化總體上呈現(xiàn)上升趨勢。在苦蕎幼苗期到開花期，兩個品種均呈現(xiàn)大幅度增加，而從開花期到成熟期各處理增加相對較平緩。在整個生育季后期(苦蕎成熟期)各處理的土壤全磷相對于播種期均有不同程度的提高。其中，HF品種的土壤全磷含量在N1處理與N2處理下幾乎重合，DQ品種的土壤全磷含量在N1處理下提升效果最明顯，相對于播種期提升了174.28%，且相對于HF提升了16.27%。

開花期的CK，N1處理及成熟期N1處理下HF的土壤全鉀比DQ分別高17.37%，3.92%，31.81%。而開花期和成熟期的N2處理下，DQ比HF高11.47%，16.30%;同時在這兩個階段，DQ土壤中全鉀含量隨著施氮量的增加而增加，在N2處理下達到最高值(圖3C)。從圖3C可知，土壤全鉀的含量在苦蕎幼苗期開始，兩個品種在N1，N2處理下均呈上升趨勢，但CK處理下，兩個品種從開花期到成熟期呈現(xiàn)下降趨勢，在苦蕎收獲后，兩個品種各處理的土壤全鉀含量順序為:N1>N2>CK,N2>N1>CK。其中，各處理均有不同程度的提高，HF品種的N1處理提升最明顯，相對于播種期提升了104.04%，而DQ品種的N2處理提升最明顯，相對于播種期提升了124.90%。

圖3 不同控氮處理及品種對土壤全效養(yǎng)分的影響

3 討 論

3.1 不同控氮量及品種對土壤含水量、pH及有機質(zhì)的影響

3.2 不同控氮量及品種對土壤養(yǎng)分的影響

4 結(jié) 論

播種期到生育期結(jié)束后，迪慶苦蕎品種在不同控氮量下土壤中養(yǎng)分總體上優(yōu)于黑豐一號，而在生育期結(jié)束后土壤中養(yǎng)分含量多于黑豐一號，并且對土壤pH的變化影響較小。從土壤養(yǎng)分存留及pH變化角度，耐低氮的迪慶品種保水保肥效果優(yōu)于黑豐1號，偏向于環(huán)境友好型品種。綜上所述，在整個生育期黑豐1號的水肥消耗大于迪慶，生育期結(jié)束后有降低土壤pH的風險，黃土高原貧瘠地區(qū)土壤的可持續(xù)發(fā)展應(yīng)多選用耐瘠性強的品種。

致謝:非常感謝迪慶藏族自治州農(nóng)業(yè)科學研究所與山西省農(nóng)業(yè)科學院高寒作物研究所對本課題提供的種子資源。