肖 特，崔闊澍，黃文娟，楊文鈺

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實驗室，成都 611130；2.四川省中醫(yī)藥科學(xué)院，成都 610041；3.四川省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，成都 610041；4.四川省植物工程研究院，成都 611730)

【研究意義】土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是評價土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到農(nóng)田的可持續(xù)利用，同時也是生態(tài)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的重要參數(shù)[1-3]。目前，土地開墾和翻耕導(dǎo)致大量土壤中氮元素流失，土壤結(jié)構(gòu)破壞和有機(jī)質(zhì)消耗。因此，如何提高土壤有機(jī)質(zhì)和氮含量，摸清有機(jī)質(zhì)和氮的空間分布規(guī)律對于土地資源可持續(xù)利用尤為重要，對生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展也具有重要意義[4-7]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】中國在20世紀(jì)就引入了“生態(tài)農(nóng)業(yè)”理念[8]，并以間套作等種植管理模式為對象，開展了大量有關(guān)土壤養(yǎng)分狀況的研究，帶來了較大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益[9-11]。例如，“薯/玉/豆”模式效益高,資源利用效率好[12]?！帮暡萦筒恕河衩?夏大豆”是生物產(chǎn)量光溫水資源生產(chǎn)效率和AHP綜合指標(biāo)效益最優(yōu)模式[13]。冬小麥/春玉米/夏玉米多熟間套模式下，單產(chǎn)水平和光熱資源利用率提高20%[14]。玉米大豆帶狀復(fù)合種植具有“一田雙收、穩(wěn)糧增豆，一種多效、用養(yǎng)結(jié)合，一機(jī)多用、低碳高效”等優(yōu)勢[15]。同時，間套作模式能夠充分地利用有限的土地資源，提高作物對養(yǎng)分的吸收和利用效率，改善土壤肥力和質(zhì)量[16]。因此，間套作土壤有機(jī)質(zhì)和氮的研究也受到學(xué)者廣泛關(guān)注，并主要針對不同種植模式下土壤有機(jī)質(zhì)和氮空間分布特征和影響因素開展了相關(guān)研究[17-18]。【本研究切入點(diǎn)】谷物/豆科間套作屬可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，可以提高豆科植物的共生固氮能力，減少化肥投入[19]。玉米/大豆帶狀套作是我國西南地區(qū)農(nóng)民廣泛采用的谷類/豆類種植模式，充分了解該模式土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布特征，掌握其變異規(guī)律，對于實現(xiàn)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?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探討玉米/大豆不同種植模式下土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)制，為中國西南和類似地區(qū)玉米/大豆帶狀套作系統(tǒng)科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018—2020年，在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)教學(xué)科研農(nóng)場進(jìn)行(101°56′26″～103°23′28″E，28°51′10″～30°56′40″N)，試驗點(diǎn)位于四川盆地西部，以丘陵和山地為主，為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均氣溫16.2 ℃，降雨量1250～1750 mm，日照時數(shù)1005 h,無霜期300 d。紫色土為主要土壤類型。試驗地基礎(chǔ)土壤pH 6.6，土壤有機(jī)質(zhì)29.8 g/kg，全氮1.6 g/kg，全磷1.28 g/kg和全鉀14.28 g/kg。

1.2 試驗材料

以玉米‘登海605’和大豆‘南豆12’為供試材料。肥料為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O514%)和氯化鉀(含K2O 52%)。2018年、2019年和2020年，玉米施基肥為純氮120 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2，大豆施基肥為純氮60.0 kg/hm2、P2O563.0 kg/hm2、K2O 52.5 kg/hm2。玉米分別于2018年、2019年和2020年3月24日、23日和29日播種，2018年、2019年和2020年7月25日、8月6日和8月8日收獲。大豆分別于2018年、2019年和2020年的6月7日、6月8日和6月13日播種，2018年、2019年和2020年的10月30日、10月23日和10月22日收獲。

1.3 試驗設(shè)計

采取單因素隨機(jī)區(qū)組法設(shè)置玉米/大豆帶狀套作連作(MS1)、玉米/大豆帶狀套作輪作(MS2)、玉米/大豆傳統(tǒng)套作(MS3：農(nóng)民習(xí)慣栽培)、玉米單作(M)、大豆單作(S)和休閑(FL)6個處理，重復(fù)3次，休閑(FL)處理小區(qū)面積為2 m×6 m=12 m2，其余為6 m×6 m=36 m2，帶長6 m。帶狀套作處理(MS1，MS2)帶寬2 m，寬窄行2∶2種植，寬行160 cm，窄行40 cm，玉米、大豆間距60 cm；傳統(tǒng)套作(MS3)，玉米行距100 cm，行比1∶1，玉米、大豆間距

50 cm；單作玉米(M)行距100 cm，單作大豆(S)行距50 cm，玉米每穴單株，大豆每穴雙株，穴距17 cm。

1.4 樣品采集與測定

本試驗土壤樣品均在每年大豆收獲后采集。采用定點(diǎn)采樣程序，采集0～20 cm土層樣品(圖1)。取約1 kg土壤在清潔的室內(nèi)通風(fēng)區(qū)自然風(fēng)干，土壤干燥后放入樣品袋。所有樣品袋均標(biāo)有編號、采樣時間、地點(diǎn)、土壤類型和采樣深度。

土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量測定采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法[20]。

(1)

式中，c為FeSO4摩爾濃度(mol/L)，v0為空白消耗FeSO4體積(mL)，v為土壤樣本消耗FeSO4體積(mL)，0.003是1/4 mmol碳克數(shù)，10 724為由土壤有機(jī)碳換算成有機(jī)質(zhì)的系數(shù)，1.1為校正因子(該方法氧化率為90%)，m為風(fēng)干土壤質(zhì)量(g)，k為土壤脫水干燥系數(shù)。

總氮(簡稱TN)采用凱氏定氮法測定[21]。

(2)

式中，v0為樣品滴定用標(biāo)準(zhǔn)酸體積(mL)，v為空白滴定用正常酸體積(mL)，c為正常酸濃度(mol/L)，14為N摩爾質(zhì)量(g/mol)，w為樣品重量(g)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過Origin Pro 2018構(gòu)建數(shù)據(jù)。采用SPSS 22.0對套作制度與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的差異進(jìn)行方差分析(ANOVA)。在P<0.01顯著性水平下，用LSD檢驗比較平均值。利用線性回歸研究土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的關(guān)系。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(jié)果與分析

2.1 玉米/大豆不同種植模式土壤有機(jī)質(zhì)含量

套作與單作土壤有機(jī)質(zhì)含量及空間分布差異極顯著(表1)。土壤有機(jī)質(zhì)在MS2種植模式下最大(29.19 g/kg)，在FL種植模式下最小(10.19 g/kg)。與其他種植模式相比，MS2種植模式下土壤有機(jī)質(zhì)變化較大，且空間分布最密集，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(shù)對所得結(jié)果進(jìn)行分級，發(fā)現(xiàn)MS1、MS2、MS3、M和S變異中等，F(xiàn)L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(guān)。

表1 2018—2020年玉米和大豆不同種植方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量

表2 2018—2020年玉米大豆不同種植模式土壤全氮含量

表3 土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量相關(guān)性

2.2 玉米/大豆不同種植模式土壤全氮含量

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(表2)。土壤全氮在MS2處理中最大(1.69 g/kg)，在FL處理中最小(0.64 g/kg)。與其他處理相比，MS2處理土壤全氮變化較大。MS2模式土壤全氮分布以大豆行最密集。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(jī)質(zhì)的最大值和最小值具有相同的植物分布格局，由此可以推測有機(jī)質(zhì)與全氮的空間分布關(guān)系。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。對土壤氮與有機(jī)質(zhì)變異度相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)與土壤全氮之間具有較高的相關(guān)性，說明全氮與有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律一致性較好。同時，玉米/大豆套作能起到提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量效果。

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的相關(guān)性

各種植模式土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量相關(guān)性均極顯著，其中MS1、MS2、MS3與FL的相關(guān)性接近1(表3)。表明，土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量在不同種植模式下呈顯著正相關(guān)。

3 討 論

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)的變化

土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤肥力的重要基礎(chǔ)物質(zhì)，不僅能為植被生長提供養(yǎng)分，而且是影響土壤結(jié)構(gòu)形成、土壤養(yǎng)分生物有效性的重要因素[22-23]。土地利用方式對有機(jī)質(zhì)含量影響主要是由植被對土壤的貢獻(xiàn)不同造成的，灌木、草原和森林土壤表層20 cm有機(jī)質(zhì)占1 m深度土層中有機(jī)質(zhì)的33%、42%和50%，與植被類型顯著相關(guān)[24]。鄒秀鳳等[25]發(fā)現(xiàn)，無論順坡還是平臺果園套種牧草，均能顯著提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，增幅為9.09%～32.81%。張佳寧等[26]研究得出，與玉米單作相比，苜蓿單作和綠豆單作均不同程度地提高土壤有機(jī)質(zhì)。同樣，在本研究中，玉米和大豆種植方式的土壤有機(jī)質(zhì)含量也存在差異。這可能是由于玉米和大豆的葉、根、殘茬等作物殘余物所致。一般而言，土壤有機(jī)質(zhì)的高低與土壤有機(jī)質(zhì)輸入高低以及不同類型有機(jī)質(zhì)礦化速率之間的動態(tài)平衡有重要關(guān)系。土壤有機(jī)質(zhì)含量通常由土壤輸入量和礦化速率間的平衡共同決定[27]。不同土地利用方式導(dǎo)致土壤耕墾變化的差異，改變土壤理化性質(zhì)、影響土壤肥力，還直接影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化[28-29]。此外，本研究結(jié)果還表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量對土壤肥力有重要影響，特別是在帶狀套作條件下。

3.2 土壤全氮的變化

土壤全氮含量狀況反映了土壤對植被提供養(yǎng)分的潛在能力，它們和土壤有機(jī)質(zhì)以及其動態(tài)平衡共同構(gòu)成了土壤肥力的重要指標(biāo)[30]。土壤中氮素含量受自然因素(氣候、地形及植被)和農(nóng)業(yè)措施(施肥、耕作、灌溉及土地利用方式)的影響[31]，其含量處于動態(tài)變化中。氮是作物生長發(fā)育的血液，能促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量[32]。豆科和禾本科間套作時，豆科能促進(jìn)禾本科對氮的吸收利用，因豆科的固氮機(jī)理將促進(jìn)作物對氮素的吸收。Ta和Farise[33]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)苜蓿間作梯木草時，梯木草對氮的吸收利用比單作顯著提高了25%。Broadbent等[34]報道了白三葉草通過與黑麥草間作，提高了黑麥草對氮的吸收利用，使黑麥草的吸氮量增加了80%。Muhammad等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在玉米大豆間作體系中玉米的吸氮量顯著提高了16.58%～20.75%，這與大豆的固氮作用關(guān)系密切。本研究發(fā)現(xiàn)，與單作相比，玉米/大豆帶狀套作土壤中全氮含量較高，可能與大豆固氮有關(guān)。以上這些研究表明豆科和非豆科間作，豆科作物因利用固氮優(yōu)勢，能夠為非豆科作物提供部分氮源。同時，因作物組合中種類差異，間套作方式不同，作物長勢不同，其提供氮的數(shù)量差異較大。利用豆科的生物固氮作用不僅可以提升非豆科作物對氮的吸收利用，促進(jìn)其生長發(fā)育，也能減少作物對不可再生資源的依賴，提高土地當(dāng)量比和土地利率[36]。同樣，在本研究中玉米/大豆帶狀套作系統(tǒng)對玉米行和大豆土壤氮的含量有正向影響，增加了氮空間分布的單位含量。

3.3 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮的關(guān)系

土壤碳氮比不僅在土壤有機(jī)質(zhì)分解過程中發(fā)揮著巨大作用，還是土壤質(zhì)量評價的重要決定因子。同時，土壤能增強(qiáng)碳固定的有效性和改善土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤作為大氣CO2“源/匯”的潛能和調(diào)節(jié)氮素在土壤中的固定和分解等[37]。一般情況下，如碳氮比大于30，最初階段的礦化作用對植物無供氮效應(yīng)；如有機(jī)質(zhì)碳氮比小于15，其礦化作用一開始，所提供的有效氮量就會超過微生物的同化量，使植物有可能從有機(jī)質(zhì)礦化過程中獲得有效氮的供應(yīng)[38]。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同種植模式下土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)，平均值分別為1.13，22.36 g/kg，各處理有機(jī)質(zhì)和全氮變異系數(shù)大小適中，屬于中度變異、含量中等。分析造成有機(jī)質(zhì)和全氮含量差異的原因主要有兩方面。一方面是植被因素。彭佳佳等[39]發(fā)現(xiàn)隨著生態(tài)修復(fù)年限的增加,植被蓋度和高度顯著提高,各土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均呈現(xiàn)增加特征。王家豪[40]研究玉米/苜蓿間作發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)和氮含量均比單作高。另一方面是氣候因素。石淑芹等[41]發(fā)現(xiàn)降水和年均溫對有機(jī)質(zhì)含量以負(fù)影響為主；年日照時數(shù)對有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生正影響。茍照君等[42]研究發(fā)現(xiàn)，土壤全氮與年降水量、≥0 ℃積溫、年平均氣溫、土壤類型呈顯著負(fù)相關(guān)。本研究同時比較了土壤樣品中有機(jī)質(zhì)和全氮含量水平，發(fā)現(xiàn)該試驗區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的空間差異顯著，有機(jī)質(zhì)和全氮呈顯著正相關(guān)性。根據(jù)該試驗區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮的含量水平及其空間分布規(guī)律，得出玉米施純氮120.0 kg/hm2、P2O5105.0 kg/hm2、K2O 135.0 kg/hm2，大豆施純氮60.0 kg/hm2、P2O563.0 kg/hm2、K2O 52.5 kg/hm2為較科學(xué)的施肥方式，肥料結(jié)構(gòu)中各養(yǎng)分比例適宜，能提高養(yǎng)分利用率，使中低產(chǎn)土壤獲得高產(chǎn)，使高產(chǎn)土壤持續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)。

4 結(jié) 論

玉米/大豆不同種植模式改變了土壤微生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)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(jìn)作用。本研究發(fā)現(xiàn)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(shù)為中等程度變異，有機(jī)質(zhì)含量略微偏高，變異系數(shù)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(jī)質(zhì)和全氮含量的空間分布顯著增加?？梢?，玉米/大豆帶狀套作種植模不僅改善了土壤質(zhì)量，還提高了土壤肥力和碳氮比。