不同控氮及苦荞品种对黄土高原典型土壤水肥的影响

陈 伟, 王 佳, 孙从建, 王红阳, 李亚新

(山西师范大学 地理科学学院， 山西省资源环境信息化管理院士工作站，山西 临汾 041000)

黄土高原典型土壤是我国北方最重要的土地资源之一，广布于北方46个地(市)，总面积达64万km2，约占全国土地总面积的6%。由于其以粉沙颗粒为主、土质疏松、雨水崩解的特性，降水集中时极易导致水土流失，而水土流失带走大量泥沙的同时，也带走了土壤中大量养分[1-2]。黄土高原典型土壤是山西省内面积最大、分布最广的地带性土壤，“缺氮、少磷、钾充足”是黄土高原瘠薄地区土壤养分含量的整体特点。同时也有研究表明[3]山西黄土高原土壤多偏碱性且氮素贫瘠，使作物的生长发育以及产量受到抑制。因此，黄土高原地区因独特的生态环境而造成的氮素流失及匮乏是限制农业生态系统可持续发展的主要因素。而苦荞(FagopyrumtataricumL.)因生育期短和耐瘠性好被广泛种植在黄土高原生态环境较严酷的地区，也是中西部经济相对落后地区的主要粮食、经济和避灾救荒作物，有着其他大宗作物无法替代的区位优势[4-5]。另外，苦荞对于中西部粮食安全和贫困地区也同样起着不可或缺的作用。

大量研究结果表明，作物不同的生育期生长特点不同[6-8]，且作物对土壤中养分的积累和分配也因生长阶段的不同而差异显著[9-10]。所以，作物不同生育期或生育阶段土壤的养分状况也存在差异。对于作物不同生育期土壤养分状况的研究主要集中在小麦[11]、玉米[12]、大豆等[13]大宗作物，对于苦荞关注较少。尽管研究不同时期土壤养分的含量对于人们把握整个生育期养分状态有很重要意义。但很多学者对于苦荞的生育期养分变化研究主要集中在苗期[14-15]，有研究结果显示苦荞整个生育期对土壤中N∶P∶K的比例基本保持在1∶0.36～0.45∶1.76。但在整个生育期中，品种的差异是土壤中养分状况产生差异的主要原因，大量研究表明，同一作物的不同品种对土壤潜在养分聚集、消耗以及利用能力的差异使土壤养分含量产生较大差异[16]。张楚等[17]通过9个不同基因型苦荞的水培试验发现，低氮环境下，地上部分茎叶的生长和地下部分根系的变化，耐氮品种与不耐氮品种差异显著。陈伟等[4]利用荧光光谱法对苦荞根际土壤的研究表明，低氮条件显著影响土壤根际纤维素酶和氮循环过程相关的土壤酶活性，除苦荞成熟期的常氮处理，苗期和开花期的低氮处理条件下，纤维素酶活性均表现为耐低氮品种迪庆苦荞根际土壤显著高于不耐低氮品种黑丰1号。同时另有学者[5]对苦荞土壤根系分泌有机酸进行试验，发现低氮胁迫下苦荞根系分泌有机酸含量在品种间具有明显的差异，迪庆根际土壤中草酸含量在各个生育期分别显著高于黑丰，酒石酸也在开花期和成熟期表现也如此。另外，品种也同样对土壤碳转化酶活性上产生显著影响[15]。因此无论地上的生理生态指标还是根系分泌的有机酸，以及涉及土壤中主要的碳氮循环，耐氮品种与不耐氮品种都存在着很大的差异性。我们假设这种差异性较大的品种对不同生育期土壤养分的变化过程中也会产生不同的影响。本文通过对不同控氮条件下不同苦荞品种在生育期内土壤养分动态变化进行对比分析，探究不同耐瘠性品种在不同控氮条件下对养分的吸收和利用特征，以认知苦荞耐贫瘠的特性，为黄土高原贫瘠地区农田施肥措施、氮肥管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及试验设计

供试土壤采自山西省乡宁县冯家沟水土保持监测站长期撂荒地0—20 cm土层，为黄土高原典型黄土母质上发育的褐土，于2018年5月24到8月31日在山西师范大学校塑料大棚内进行(111.50E,36.08N)，海拔449 m，地处半干旱、半湿润季风气候区，属温带大陆性气候，四季分明，雨热同期，全年平均气温13.5℃，平均降水量527.4 mm。本试验采用盆钵试验，供试苦荞品种:“迪庆苦荞”(DQ)和“黑丰1号”(HF)。其中，迪庆苦荞(DQ)为耐瘠性品种，由迪庆藏族自治州农业科学研究所提供。黑丰1号(HF)为不耐瘠品种，由山西省农业科学院高寒作物研究所提供[4]。其中设置3个处理，分别为对照(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)，每个处理设置3次重复，每个处理均施入相同的磷肥(P2O5,150 mg/kg)与钾肥(K2O,60 mg/kg)作为底肥。每盆装入10 kg褐土，并按3种处理施以氮肥和底肥，拌合均匀。同时，每盆选取饱满均匀无病虫害的种子，经去离子水浸泡24 h后，均匀播种，埋入同样的深度，每盆定苗8株，之后正常供应水分(400 ml)。

1.2 样品采集

苦荞的生长周期较短，一般为3个月，在播种时及播种后30 d(6月25)，60 d(7月25)，90 d(8月31)采集样品，分别作为播种期(S,Sowing stage)、幼苗期(S,Seedling stage)、开花期(F,Flowering stage)与成熟期(M,Maturation stage)的土样。采样时，使用抖土法，除去里面杂质和土块，取小部分置于铝盒待测土壤含水量;一份样品装入塑封袋，带回后剔去其中的石块、草根等杂物，土样经过一周左右的自然风干磨细后分别过20目，60目和100目筛，分别装袋密封待测土壤的各养分指标。

1.3 指标测定

土壤含水量采用烘干法，称取少量鲜土放入铝盒，在105℃烘干24 h后，计算土壤含水量;土壤pH值在水土比(2.5∶1)浸提下用pH计测定;有机质采用重铬酸钾加热法测定;速效磷采用0.52 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定;速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度计法测定;碱解氮采用碱解扩散法测定;全钾采用高氯酸硫酸消煮—火焰光度计法测定;全氮采用凯氏定氮仪法测定;全磷采用HClO4-H2SO4分光光度计法测定[18]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010进行统计，数据统计结果采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析、独立样本T检验、裂区分析，运用Origin 8.0进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同氮控量及品种对土壤含水量、pH及有机质的影响

裂区分析显示，除开花期土壤的含水量，氮控量、品种及三者交互作用均对土壤的含水量、pH及有机质产生显著影响(p<0.05，图1)。在幼苗期，N1处理下的两个品种的土壤含水量分别比N2处理下的高30.10%和15.06%，而两个品种没有显著差异;但在CK及N2处理下，DQ的土壤含水量分别较HF高25.89%和6.02%。开花时期，HF品种的土壤含水量在N1处理下的比N2的高26.85%,DQ的则比N2低112.6%，同时在CK及N1处理下，HF的土壤含水量分别较DQ高30.28%，66.19%;而N2处理下HF较DQ低62.29%。在成熟期，N1处理下的两个品种的土壤含水量分别比N2处理下的高46.66%和46.24%，而两个品种均在N1，N2处理下没有显著差异(图1A)。

注:S表示幼苗期，F表示开花期，M表示成熟期;HF表示黑丰1号，DQ表示迪庆苦荞;CK表示不施氮，N1表示低氮控量，N2表示常氮控量。C代表品种，N代表氮处理，C×N×S代表品种、氮处理及时期三者的交互作用，p值基于裂区分析，其中，**表示极显著，*表示显著，ns代表不显著。图上的大写字母表示同一品种的不同氮处理在(p<0.05)概率下水平差异显著，小写字母表示同一氮处理下不同品种在(p<0.05)概率下水平差异显著，下同。图1 不同控氮处理及品种对土壤含水量、pH及有机质的影响

图1B所示，幼苗期，HF的土壤pH随施氮量的增加较CK分别增加2.80%，6.73%,DQ在N1处理下土壤pH较CK高1.37%，且在CK及N1处理下，DQ的土壤pH均高于HF5.42%，3.95%。在开花期，N1处理下的HF和DQ的土壤pH分别比N2的高4.84%和3.45%，且在这一时期DQ的土壤pH在N1处理下最高;同时在N1，N2处理下，DQ的土壤pH分别较HF高1.28%，2.64%。成熟期，N1处理下的两个品种的土壤pH分别比N2下的高2.07%和1.25%，且N1，N2处理下HF的土壤PH较DQ的低2.87%，3.71%。

图1C所示，在幼苗期，DQ的土壤有机质在N1处理下比CK，N2处理下的分别低6.78%，19.12%,HF也较N2处理下低12.03%。两个品种在CK及N1处理下均没有显著差异，而在N2处理下，DQ的土壤有机质高HF11.67%。开花期，HF在N1处理下的土壤有机质比N2高7.11%，而DQ在N2处理下土壤有机质较N1高36.74%，且在N2处理下DQ的土壤有机质较HF高35.48%。在成熟期，HF的土壤有机质在N1处理下比CK处理下高85.79%,DQ的土壤有机质在N2处理下比N1处理下高12.54%，且在N2处理下，DQ的土壤有机质较HF高12.43%。

2.2 不同氮控量及品种对土壤速效养分的影响

裂区分析显示，除了成熟期的速效钾，氮控量对土壤速效养分产生了极显著差异(p<0.01);除了幼苗期的速效钾和成熟期的碱解氮、速效磷、速效钾，品种均对土壤速效养分产生了极显著差异(p<0.01);除了幼苗期的速效磷外，品种和氮控量及时期三者之间的交互作用也对土壤速效养分影响极显著(p<0.01)(图2)。由图2A可知，幼苗期和开花期，在N1处理下HF的土壤碱解氮较DQ高12.38%，63.97%，同时在N2处理下HF的土壤碱解氮比DQ高53.43%，37.19%;成熟期的N1处理下，DQ比HF高44.83%。随着施氮量的增加，HF在开花期和成熟期的N1处理下出现最小值，且DQ也在成熟期N1处理下土壤中碱解氮的含量出现最小值。不同控量下，两个品种的土壤碱解氮变化总体上以苦荞幼苗期为分界线呈先上升后下降的趋势。在苦荞幼苗期，各处理的土壤碱解氮均达生育期内的最大值。而且随着氮肥量的增加，HF品种的N2处理在数值上分别高出CK及N1处理70.02%，107.79%，但DQ品种的CK处理在数值上高出N1处理60.62%。在整个生育期的后期(苦荞成熟期)各处理下降幅度较大，整个生育期结束后，两个品种在N1处理下土壤碱解氮含量都相对于播种期降低了278%,161%，但DQ的土壤碱解氮比HF高。

幼苗期，在N1，N2处理下，DQ的土壤速效磷含量比HF高17.11%，13.35%。开花期N1处理下DQ土壤中速效磷的含量高于HF 137.85%，同时在这一时期，N1处理下HF的土壤速效磷比CK，N2处理下低79.48%，182.84%。而成熟期N2处理下HF比DQ高72.62%(图2B)。图2B可以看出，土壤速效磷含量在幼苗期上升，达到全生育期的最高值，然后不同程度下降。幼苗期两个品种的各处理土壤速效磷含量的大小顺序为:N2>N1>CK。从苦荞幼苗期到成熟期，两个品种各处理有不同程度的下降趋势，以N1下降幅度最大，下降了207.09%，302.88%。在苦荞收获后，HF品种各处理的土壤速效磷含量顺序为:N2>CK>N1，而DQ的各处理的土壤速效磷含量顺序为:CK>N2>N1，两个品种的N1处理均低于播种期130.91%，158.68%，但HF的土壤速效磷高DQ，但差异性不明显。

3个时期，在N2处理下DQ土壤中速效钾的含量分别比HF高30.24%，32.72%，40.79%;幼苗期和开花期，HF在N1处理下的土壤速效钾的含量比N2处理下高29.45%，28.49%。从图2C可以看出，速效钾的变化趋势与碱解氮、速效磷动态变化一致，均为在幼苗期达到峰值，然后呈下降趋势。试验结果表明，HF的速效钾含量在N1处理下最高为0.46，数值比其他处理高。HF品种幼苗期各处理土壤速效钾含量高低顺序为:N1>CK>N2,DQ则幼苗期各处理土壤速效钾含量高低顺序为:N2>N1>CK。随着生育期推进，速效钾含量逐渐下降，其中N1处理下降的幅度最大。在生育期结束后，两个品种的3个处理的土壤速效钾含量均高于播种期，且N2处理下，DQ的土壤速效钾比HF高。

图2 不同控氮处理及品种对土壤速效养分的影响

2.3 不同氮控量及品种对土壤全效养分的影响

裂区分析显示，全效养分中除了幼苗期的全磷和3个时期的全钾，品种对土壤全效养分产生了极显著差异(p<0.01);除了幼苗期的全磷、全钾及成熟期的全磷，氮控量均对土壤全效养分产生了极显著差异(p<0.01);除了幼苗期的全磷和全钾、成熟期的全氮外，品种和氮控量及时期三者之间的交互作用也对土壤全效养分影响极显著(p<0.01)(图3)。幼苗期和成熟期的N2处理下，DQ的土壤全氮比HF高34.37%，12.31%。而在开花期N2处理下，HF比DQ高10.95%。在这一阶段，两个品种随着施氮量的增加，土壤中全氮的含量也显著增加。开花期和成熟期N1处理下，DQ比HF高26.69%，42.77%(图3A)。从图3A看出，土壤全氮的变化趋势较为复杂，两个品种均以幼苗期和开花期两个时间段为界。HF和DQ两个品种的各处理播种期到幼苗期均处于上升趋势，而幼苗期到开花期这一阶段，HF品种的CK和N2处理为下降趋势，N2处理为上升趋势;则DQ品种的各处理均处于下降趋势。在开花期到成熟期两个品种及各处理均处于上升趋势。在苦荞的成熟期，两个品种各处理的土壤全氮含量顺序分别为:N2>N1>CK，N1>N2>CK。除两个品种的CK处理土壤全氮含量相对于播种期有所下降外，其余各处理均有不同程度的提高。N1，N2处理下DQ相对于HF较播种期提升了42.77%，15.90%。

开花期和成熟期的N1处理下，DQ土壤中全磷含量比HF高23.62%，16.27%。而在开花期DQ品种随着施氮量的增加在N1处理下出现最大值，较CK，N2处理高10.98%，30.55%(图3B)。不同控量下，土壤全磷变化总体上呈现上升趋势。在苦荞幼苗期到开花期，两个品种均呈现大幅度增加，而从开花期到成熟期各处理增加相对较平缓。在整个生育季后期(苦荞成熟期)各处理的土壤全磷相对于播种期均有不同程度的提高。其中，HF品种的土壤全磷含量在N1处理与N2处理下几乎重合，DQ品种的土壤全磷含量在N1处理下提升效果最明显，相对于播种期提升了174.28%，且相对于HF提升了16.27%。

开花期的CK，N1处理及成熟期N1处理下HF的土壤全钾比DQ分别高17.37%，3.92%，31.81%。而开花期和成熟期的N2处理下，DQ比HF高11.47%，16.30%;同时在这两个阶段，DQ土壤中全钾含量随着施氮量的增加而增加，在N2处理下达到最高值(图3C)。从图3C可知，土壤全钾的含量在苦荞幼苗期开始，两个品种在N1，N2处理下均呈上升趋势，但CK处理下，两个品种从开花期到成熟期呈现下降趋势，在苦荞收获后，两个品种各处理的土壤全钾含量顺序为:N1>N2>CK,N2>N1>CK。其中，各处理均有不同程度的提高，HF品种的N1处理提升最明显，相对于播种期提升了104.04%，而DQ品种的N2处理提升最明显，相对于播种期提升了124.90%。

图3 不同控氮处理及品种对土壤全效养分的影响

3 讨 论

3.1 不同控氮量及品种对土壤含水量、pH及有机质的影响

3.2 不同控氮量及品种对土壤养分的影响

4 结 论

播种期到生育期结束后，迪庆苦荞品种在不同控氮量下土壤中养分总体上优于黑丰一号，而在生育期结束后土壤中养分含量多于黑丰一号，并且对土壤pH的变化影响较小。从土壤养分存留及pH变化角度，耐低氮的迪庆品种保水保肥效果优于黑丰1号，偏向于环境友好型品种。综上所述，在整个生育期黑丰1号的水肥消耗大于迪庆，生育期结束后有降低土壤pH的风险，黄土高原贫瘠地区土壤的可持续发展应多选用耐瘠性强的品种。

致谢:非常感谢迪庆藏族自治州农业科学研究所与山西省农业科学院高寒作物研究所对本课题提供的种子资源。