蒙辽农牧交错区玉米碳氮含量对不同种植方式的响应

徐 媛，鲍雅静，李政海,陈 佳,张 靖，姚毅恒，赵琪茉

(大连民族大学环境与资源学院，辽宁 大连 116600)

【研究意义】农牧交错区是指我国东部农区与西部草原牧区接壤处的半农半牧区[1]，是我国重要的生态脆弱区[2]。其中北方农牧交错区占我国农牧交错区总面积的80 %，蒙辽农牧交错区是北方农牧交错区的重要组成部分，也是辽宁地区商品粮基地与重工业生产基地的生态屏障[3]。【前人研究进展】该地区农田大多种植玉米，主要采用水浇和地膜覆盖两种种植方式。水浇的种植方式可以在玉米需水的关键时期补充水分，但是大面积、长时期采用水浇的方式，会造成水资源严重浪费。地膜覆盖的种植方式可以保持土壤温度，减少土壤水分、养分的流失，防除杂草，减少病虫害，但是废弃的地膜有可能造成环境污染。玉米种植作为该地区最主要的农业经济来源，也是浪费水资源的最主要活动。水资源作为蒙辽农牧交错区最关键的生态环境因子，很大程度上决定了该地区的自然状况，因此在保证玉米品质与产量的同时选取节约水资源的种植方式具有重要意义。玉米品质和产量受到很多因素的影响，其中C、N作为玉米基本代谢途径中的主要参与元素，不仅影响玉米的生长发育状况，而且很大程度上决定其品质与产量[4]。其中C是构成有机质骨架的重要元素，是植物生长中的能量来源，主要以碳水化合物的形式储存；N是植物体内主要的营养物质，主要以蛋白质的形式储存在植物体内[5-8]。C元素和N元素在植物生长过程中有着十分重要的影响力[9-10]。C/N在植物发育过程中也起着十分重要的作用，在一定程度反映了植物对营养的利用效率，也体现了植物吸收营养时同化C的能力[11-13]。【本研究切入点】本研究以蒙辽农牧交错区玉米的C、N含量为研究对象，对2种种植方式下玉米品质及生长状况进行比较。【拟解决的关键问题】旨在不影响当地农业发展的前提下可以更大程度节约水资源，同时填补该地区农田玉米C、N研究的空白，为农牧交错区农业合理发展以及保护提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

本实验研究区域位于东经119°17′38.79″至122°31′51.26″，北纬41°37′42.23″至44°09′13.87″。该区处于暖温带半干早半湿润气候区，主要气候特点是干旱多风，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温大约为5.7～8.3 ℃，年降雨量350～550 mm，年蒸发量1300～1880 mm，旱季长达9个月，无霜期 144～200 d，年日照时数2823～2944 h[14-15]。由于季风的影响，降水中的60 %～65 %集中在夏季，降雨的年际变化也很大，据各气象站统计，历年降雨量最大最小之比在2～3左右[16](图1)。

1.2 取样方法

2016年8月，在蒙辽农牧交错区范围内选取24个农田样地，其中按照不同种植方式划分：水浇地(20个)，地膜覆盖(4个)。每块农田随机选取3株长势均匀的玉米，带回实验室，按照样地以及玉米器官(根、茎、叶、雄穗、穗)进行分类。同时每块农田取0～10 cm土壤样品适量，装入自封袋。

1.3 实验方法

1.3.1 植物样品C、N含量测定 将分类的玉米样品放置于DGG-9000型电热恒温鼓风干燥箱，70 ℃下烘24 h至恒重，称重。再用Retsch MM400混合型球磨仪将样品研磨至粉末状，过100目筛，装入自封袋待测。最后使用EA3000元素分析仪测量玉米样品中C、N含量。

1.3.2 土壤有机质测定方法 将采集的土壤样品在通风良好的室内自然风干，然后使用RZK-TY土壤研磨器将土壤样品研磨粉碎，过100目筛，采用重铬酸钾容量法测定土壤样品的有机质含量。

1.4 数据处理

实验数据用Excel 2013整理，使用SPSS-statistics 20.0统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVAs)和多重比较中Duncan假定方差齐性检验分别分析在2种种植方式下玉米各器官C含量、N含量以及C/N的差异；采用T检验分析玉米各器官C含量、N含量、C/N以及土壤有机质对不同种植方式的响应。

图1 蒙辽农牧交错区样地分布Fig.1 Distribution of the plots of the agro-pastoral ecotone at Inner Mongolia and Liaoning border

2 结果与分析

2.1 不同种植方式下玉米各器官C含量

从图2可知，在水浇的种植方式下，玉米茎的C含量最高，为(47.52±0.37)%，显著高于玉米根、叶、穗和雄穗的C含量(P<0.05)；玉米根的C含量最低，为(41.04±0.0.56)%，显著低于玉米茎、叶、穗和雄穗的C含量(P<0.05)；玉米叶、穗以及雄穗的C含量无显著差异(P>0.05)。

在地膜覆盖的种植方式下，玉米茎的C含量最高，为(46.77±0.64)%，显著高于玉米叶以及根的C含量(P<0.05)，其与玉米穗和雄穗三者之间的C含量均无显著差异(P>0.05)；玉米根C含量最低，为(41.47±0.22)，显著低于玉米茎、穗以及雄穗的C含量(P<0.05)，与玉米叶的C含量无显著差异(P>0.05)。

2.2 不同种植方式下玉米各器官N含量

从图3可知，在水浇的种植方式下，玉米穗的N含量最高，为(0.98±0.01)%，显著高于玉米根、茎以及雄穗的N含量(P<0.05)，与叶的N含量无显著差异(P>0.05)；玉米茎的N含量最低，为(0.48±0.01)%，显著低于玉米叶、穗以及雄穗的N含量(P<0.05)，与玉米根的N含量无显著差异(P>0.05)。在地膜覆盖的种植方式下，玉米叶的N含量最高，为(1.15±0.04)%，显著高于玉米根、茎、穗以及雄穗的N含量(P<0.05)；玉米根的N含量最低，为(0.53±0.02)%，显著低于玉米叶、穗以及雄穗的N含量(P<0.05)；玉米茎的N含量显著低于玉米叶和穗的N含量，与根和雄穗的N含量无显著差异(P>0.05)。

不同小写字母之间表示均值差异显著(P<0.05)，不同大写字母之间也表示均值差异显著(P<0.05)，下同 The mean difference between different lowercase letters is significant (P<0.05), and the difference between the uppercase letters also indicates significant difference (P<0.05).The same as below图2 2种种植方式下玉米各器官C含量Fig.2 Analysis of C content in various organs of maize under two planting methods

图3 2种种植方式下玉米各器官N含量分析Fig.3 Analysis of N content in various organs of maize under two planting methods

2.3 不同种植方式下玉米各器官C/N

从图4可知，在水浇的种植方式下，玉米茎的C/N最高，为(98.50±1.18)，显著高于玉米根、叶、穗以及雄穗的C/N(P<0.05)；玉米穗的C/N最低，为(46.93±0.89)，显著低于玉米根、茎以及雄穗的C/N(P<0.05)，与玉米叶的C/N无显著差异(P>0.05)；玉米根与雄穗之间的C/N也无显著差异(P>0.05)。在地膜覆盖的种植方式下，玉米根的C/N最高，为(77.94±2.00)，显著高于玉米叶、穗以及雄穗的C/N(P<0.05)，与玉米茎的C/N无显著差异(P>0.05)；玉米叶的C/N最低，为(36.18±1.06)，显著低于玉米根、茎、穗以及雄穗的C/N(P<0.05)；玉米穗与雄穗之间的C/N无显著差异(P>0.05)。

2.4 玉米各器官C含量、N含量以及C/N对不同种植方式的响应

通过对玉米各器官C含量、N含量以及C/N在2种种植方式下的差异分析(表1)发现：水浇玉米叶的C含量[(44.89±0.12)%]显著高于地膜覆盖玉米叶的C含量[(41.68±0.34)%,P<0.05]；2种利用方式下玉米根、茎、雄穗以及穗的C含量则无显著差异(P>0.05)。地膜覆盖玉米茎的N含量(0.66±0.01)%极显著高于水浇地玉米茎的N含量[(0.48±0.01)%，P<0.01]；2种利用方式下玉米根、叶、雄穗以及穗N含量则无显著差异(P>0.05)。水浇地茎的C/N(98.50±1.18)极显著高于地膜覆盖茎的C/N(71.00±0.13，P<0.01)；水浇地叶的C/N(47.49±2.23)显著高于地膜覆盖C/N(36.18±1.06，P<0.05)；2种利用方式下根、雄穗以及穗C/N则无显著差异(P>0.05)。

图4 2种种植方式下玉米各器官C/N分析Fig.4 C/N analysis of various organs in maize under two planting methods

表1 玉米各器官在两种种植方式下的C含量、N含量以及C/N差异的显著性(P值)

2.5 土壤有机质对不同种植方式下的响应

通过土壤有机质在2种种植方式下的差异分析发现，地膜覆盖的土壤有机质[(2.07±0.19)%]显著高于水浇地的土壤有机质[(1.43±0.03)%，P<0.05)]。

3 讨 论

植物体内的C主要是植物通过光合作用固定CO2的途径获得的，并主要以碳水化合物的形式储存在植物体内。植物体内的N主要是通过植物的根系从土壤中吸收，并主要以蛋白质的形式储存在植物体内[17]。C/N在一定程度上反映了植物品质的好坏。C/N高，反映出植物的品质相对较差，反之，说明植物的品质相对较高。本研究表明：在2种种植方式下，C含量均是茎的最高，根的最低，这与郭建平等[18]的研究结果相似：土壤湿度增大会使植物固定CO2能力增加，同时分配至茎的碳最多，根中获得碳最少，因此推测该地区农田土壤水分较充足。N含量则是玉米叶和穗的较高，根的较低，张丽华等[19]研究发现玉米灌浆期氮素营养主要向子粒和叶片转移。而本研究区玉米在8月份正处于灌浆期，因此叶和穗N含量会普遍偏高，而根部从土壤中吸收的氮供于玉米其他器官生长，因此根的N含量普遍较低。C/N均是茎的较高，叶的较低，可能由于此时根吸收的营养元素N大部分都向叶片转移，同时土壤湿度较大导致植物固定的C更多的分配给茎，因此茎的C/N较高，而叶的较低。

不同的种植方式对玉米产量和品质都会带来影响。水浇的种植方式可以为玉米生长提供充足的水分，保证土壤湿度。地膜覆盖的种植方式可以保持土壤温度、减少土壤水分、养分的流失，预防病虫害[20]。通过对两种种植方式下玉米C含量、N含量、C/N对比发现：水浇地玉米叶的C含量显著高于地膜覆盖玉米叶的C含量，可能是由于水浇地的水分较地膜覆盖充足，有研究表明充足的水分会提高植物C同化能力，同时叶片是进行光合作用的主要器官[21]，因此水浇地玉米叶的C含量较高。地膜覆盖玉米茎的N含量极显著高于水浇地玉米茎的N含量，周丽娜等[22]通过对地膜覆盖土壤养分的贮存和释放研究发现，地膜覆盖会增加土壤速效氮、速效磷等的含量，因此在地膜覆盖的种植方式下玉米吸收的N含量会较高。水浇地玉米茎和叶的C/N均显著高于地膜覆盖玉米茎、叶的C/N，茎、叶作为植物主要光合器官，很大程度决定了植物代谢能力，同时C/N也决定植物品质以及产量，因此推测地膜覆盖玉米品质更好，产量更高。此外，地膜覆盖土壤有机质显著高于水浇地土壤有机质，说明地膜覆盖的种植方式更有效的保持土壤养分，给玉米生长提供更有力的条件。

4 结 论

综上所述，蒙辽农牧交错区地膜覆盖的种植方式较水浇地可更有效的保持土壤养分，减少水资源的浪费，也有利于提高玉米的品质及产量。基于蒙辽农牧交错区脆弱的生态环境以及水资源短缺的现状，建议在今后玉米种植过程中使用地膜覆盖的种植方式，既能减少水资源的浪费，也能适当提高玉米的品质及产量，同时要注意废弃地膜的妥善处理，以免对农田以及周围环境造成污染。在今后研究中希望能够不断发现合理的种植方式，为农牧交错区农业发展以及土地保护提供更可靠的依据。