有机农田杂草-主作物共生系统的氮素吸收及土壤肥力特征

郭小鸥,崔晓辉

有机农田杂草-主作物共生系统的氮素吸收及土壤肥力特征

郭小鸥1,崔晓辉2*

1. 天津农学院园艺园林学院, 天津 300384 2. 中国科学院植物研究所, 北京 100093

以山东地区休耕农田中杂草为研究对象，设置6个处理，即未刈割（W0）、刈割1次（W1），刈割2次（W2）、杂草与玉米共生（W0+M）、杂草与高粱共生（W0+B）以及杂草与大豆共生（W0+S），其中W0设为对照。采取有机管理模式，研究不同处理下杂草绿肥氮素吸收及其对土壤肥力的影响，以期筛选与杂草共生效果最佳的夏季作物。结果表明，刈割处理以及杂草与3种夏季共生处理可以在一定程度上降低杂草生物量，刈割3次累计获得杂草生物量为19527.81 kg‧hm-2，累计氮素总量为223.44 kg‧hm-2。经过2年的杂草绿肥养地试验发现，杂草与作物共生可有效提高土壤肥力，改善土壤理化性质。与试验初期相比，试验结束时，W0、W1、W2、W0+M、W0+B以及W0+S处理0～20 cm土壤有机碳含量分别提高13.0%、17.5%、17.7%、41.4%、32.4%、35.7%；全氮含量分别提高4.1%、5.7%、7.5%、9.9%、12.5%、11.4%。W0+S相比W0、W1、W2、W0+M、W0+B有机碳含量分别提高11.6%、10.1%、13.8%、4.1%、8.0%；全氮含量分别提高10.9%、12.2%、10.0%、10.6%、6.5%。此外，杂草与3种作物共生处理土壤速效氮、磷、钾等养分含量均高于对照。与玉米和高粱相比，杂草和大豆共生更有助于提高农田土壤肥力。本研究为废弃资源再化利用提供新思路，对农田杂草资源的合理利用提供技术支持。

农田; 杂草; 固氮; 土壤肥力

我国农田“重用轻养”，粮食产量过度依赖化肥农药，造成了土壤肥力下降、环境恶化、生物多样性减少等一系列问题，严重影响中国土壤安全[1-4]。因此，积极发展有机农业以及生物质肥替代化肥技术十分重要。其中，杂草具有丰富的养分资源，可作为有机肥还田。

农田杂草资源丰富，在维持农田生物多样性方面发挥重要的作用，为土壤动物和土壤微生物提供适宜的生存环境[5]。杂草死亡后其枯落物经微生物分解后释放大量养分，可显著改善土壤理化性质并提高土壤肥力[6]，起到了作绿肥的效果。研究发现，杂草绿肥不但可以保水保墒，还能降低土壤中氮素流失，提高土壤中有机质、氮磷含量[7,8]。然而，由于杂草在生长过程中获取光照、空间、土壤养分和水分能力更强，影响作物生长，导致作物减产，因此为保证作物正常生长，人们会对其采取一系列控制措施，如施用除草剂[9]。大量的除草剂施于农田，在消灭杂草的同时造成土壤生物死亡，导致一些生物灭绝，还会破坏土壤微生物群落结构，降低物种多样性，影响土壤肥力和作物产量[10,11]。

大量研究表明，种植覆盖作物可提高肥料利用率和土壤质量，减少田间水土流失，降低田间病虫害，改善农田土壤生态环境等作用[12]。Qin ZQ等研究表明，种植豆科作物有利于改善土壤性质提高玉米产量[13]；唐海明等研究发现，冬季覆盖不同作物秸秆还田可显著提高土壤有机碳含量，其中马铃薯—双季种植模式秸秆还田效果最佳[14]；Qi JY等研究表明，黑麦草覆盖作物以及大麦秸秆还田可显著提高土壤结构稳定性以及有机碳含量，覆盖作物数量与土壤有机碳含量呈正相关关系[15]；刘丽认为免耕梯田中，覆盖作物是减少水土和养分流失的有效方法[16]。

前人对杂草研究多集中在采取措施进行控制消除，在杂草肥资源化利用研究较少；此外，种植覆盖作物研究对象较为单一，杂草与不同作物（玉米、高粱、大豆）共生系统土壤肥力变化研究方面鲜见报道。本文以山东地区休耕农田中杂草为研究对象，研究杂草与不同主作物共生系统的氮素吸收及对土壤肥力的影响，对农田杂草资源的合理利用提供技术支持，为实现我国农业可持续发展提供新策略。

1 材料及方法

1.1 试验区概况

试验地点位于山东省临沂市平邑县卞桥镇蒋家庄（35°26′34′′N，117°49′13′′E），为暖温带大陆性季风气候，土壤类型以棕壤土为主，一年两熟制的耕作制度，主要粮食作物包括冬小麦和夏玉米，夏季降雨丰富。试验期间，该地区年平均气温为20.81 ℃，年均降雨量为901.04 mm，主要集中在夏秋季。

1.2 试验设计

本试验由2018年6月至2020年6月进行了2年的试验，试验共计6个处理。W0：该样地不种植任何作物，让其生长杂草，设为对照；W1：样地在7月30日进行一次杂草刈割处理并还田；W2：样地在7月30日及8月30日进行两次杂草刈割处理并还田；W0+M：种植玉米，并与杂草共生；W0+B：种植高粱与杂草共生；W0+S：种植大豆与杂草共生。杂草与作物共生无人为干预，不进行杂草刈割处理，3种作物种植时间为2018年和2019年的6月15日。作物种植到成熟期间没有施用化肥。每个处理设置三个小区，每个小区面积为10 m×2.5 m，小区间设置1 m宽的保护行。在夏季作物收获（10月11日）后，用机器将杂草以及作物秸秆粉碎后还田，按照等氮量的施肥原则，均匀施入牛粪（含水量72.58%，含氮量1.956%）11250 kg·hm-2。整个过程未施入化肥。

试验开始前在2018年6月15日采集基础地土壤样品，随后分别在夏季作物生长关键期进行采样。具体采样时期依次为2018年10月10日和12月5日，2019年4月20日、6月10日、10月10日、12月5日，以及2020年4月20日和6月10日。

基础地土壤理化指标结果见表1，10～20 cm土层样品各项基础理化指标均高于20～40 cm。

表 1 试验地土壤的基础理化指标

1.3 项目测定

1.3.1 杂草样品采集分别在两年的7月30日、8月30日及9月30日进行田间杂草调查，各小区随机选择3个样方进行调查取样，调查样方面积为1 m2，记录杂草种类及数量。样品在65 °C烘箱中烘干至恒重，测定杂草总生物量及全氮含量，利用凯氏定氮法测定全氮含量。

1.3.2 土壤样品采集、处理及分析两年的土壤样品，土壤取样分层为0～20 cm和20～40 cm。土样分为两个部分进行收集，一部分是过2 mm筛子的土样，主要测定土壤有效磷、速效钾、铵态氮和硝态氮（在-20 ℃冰箱保存）；另一部分土样在阴凉处自然风干，过0.15 mm筛子，主要测定土壤有机碳、全氮、全磷、全钾等元素含量。土壤中养分测定方法参考《土壤农化分析》[17]。采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机碳；利用凯氏定氮法测定土壤全氮；通过KCl浸提，利用全自动流动分析仪上机测定铵态氮-硝态氮含量；土壤全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮，钼锑比色法测定；土壤全钾含量利用氢氧化钠熔融法测定；利用0.5 M NaHCO3方法测定土壤有效磷含量；利用电感耦合等离子发射光谱（ICP-OES）法测定速效钾含量；利用高压密闭分解-电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）法测定土壤矿质元素含量。土壤经过氢氟酸-高氟酸-硝酸消煮，用ICP发射光谱仪定量分析，该方法针对土壤全量元素。

1.4 统计分析

本试验数据使用Microsoft Excel 2010软件进行初步整理，使用SPSS 20.0 统计软件（IBM Corp, Armonk, NY）进行统计分析，利用SigmaPlot10.0 （Systat Software Inc., San Jose, CA, USA）软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对杂草生物总量及折纯氮量的影响

图 1 不同处理杂草生物总量及折纯氮量

不同小写字母代表同一年份不同处理杂草生物总量及折纯氮量差异显著（<0.05）；不同大写字母代表同一年份不同处理杂草生物总量及折纯氮量差异极显著（<0.01）。（A）：7月30日杂草生物量（B）：8月30日杂草生物量（C）：9月30日杂草生物量。

图1可以看出，总体上2019年同一处理杂草生物总量及折纯氮量均高于2018年，各时期杂草总生物量以及折纯氮量均在W0处理下最高。7月30日和8月30日W0处理下2019年折纯氮量相比2018年分别提高13.2%和36.1%，显著高于其他处理（<0.05）。9月30日，W0处理下2019年折纯氮量相比2018年提高23.4%，且极显著高于其他处理（<0.01）。W0处理下杂草生物总量在9月30日最高，折纯氮量在8月30日最高。其中，W2样地2019年通过三次刈割累计共获得杂草生物量为19527.81 kg‧hm-2，累计氮素总量为223.44 kg‧hm-2。说明，休耕农田可获得丰富的杂草资源，养分潜力巨大。

2.2 不同处理对土壤有机碳和全氮的影响

图 2 不同处理土壤有机碳和全氮含量

（A、C）：0～20 cm土层（B、D）：20～40 cm土层，下同。

图2可以看到，随着时间的推移，各处理的土壤有机碳含量变化趋势与全氮相似。0～20 cm土层中，与试验初期（2018-10-10）相比，试验结束时W0、W1、W2、W0+M、W0+B、W0+S处理土壤有机碳含量分别提高13.0%、17.5%、17.7%、41.4%、32.4%、35.7%，土壤全氮含量分别提高4.1%、5.7%、7.5%、9.9%、12.5%、11.4%，其中W0+S处理有机碳和全氮最高。20～40 cm土层中，各处理在试验结束时土壤有机碳含量与试验初期相比分别提高13.5%、11.3%、38.8%、63.5%、72.7%、117.2%，土壤全氮含量与试验初期相比，W1、W2、W0+M、W0+B、W0+S处理分别提高0.7%、1.3%、3.8%、2.6%、4.2%，其中有机碳和全氮含量最高的是W0+S，显著高于其他处理。说明通过杂草刈割还田以及杂草与作物共生可提高土壤有机碳和全氮含量，与刈割处理相比，杂草与作物共生过程中土壤固碳能力较强。

2.3 不同处理对土壤铵态氮和硝态氮的影响

各处理土壤铵态氮及硝态氮含量整体呈现周年波动变化趋势（图4），各处理土壤铵态氮和硝态氮含量在冻土期最高，各处理差异显著（<0.05）。0～20 cm土壤中，2018年12月W0+S处理土壤铵态氮含量最高，为21.62 mg·kg-1，W2处理硝态氮含量最高，为11.42 mg·kg-1。20～40 cm土壤中，2019年12月W0+S处理土壤铵态氮含量最高，为19.48 mg·kg-1，硝态氮含量为4.78 mg·kg-1。与试验初期相比，试验结束时，0～20 cm土壤W0、W1、W2、W0+M、W0+B、W0+S处理铵态氮含量分别提高7.0%、15.9%、17.9%、19.1%、65.8%、33.3%，硝态氮含量除W0+B、W0+S显著提高外，其他无显著变化；20～40 cm各处理土壤铵态氮含量分别提高21.0%、36.6%、34.4%、73.3%、75.4%、105.8%，除W0外，其他处理硝态氮含量均提高，其中W0+M、W0+B、W0+S处理增加显著（<0.05）。说明整体上，与基础地力相比，通过杂草刈割还田以及杂草与作物共生可提高土壤铵态氮及硝态氮含量，其中杂草与作物共生效果更显著。

图 3 不同处理土壤铵态氮、硝态氮含量

2.4 不同处理对土壤有效磷和速效钾的影响

图 4 不同处理土壤有效磷和速效钾含量

由图5可知，0～20 cm土壤有效磷含量整体呈现先上升后降低的变化趋势，试验结束时，各处理有效磷含量与试验初期相比均显著提高，其中W0+S处理有效磷含量最高，分别比W0、W1、W2、W0+M、W0+B处理高出44.3%、46.8%、36.0%、25.5%、33.5%；20～40 cm土壤有效磷变化趋势与0～20 cm相似，试验结束时，W0、W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S处理有效磷含量相比试验初期分别提高70.9%、131.0%、191.5%、188.9%、199.3%、156.8%，各处理无显著差异（>0.05）。

土壤速效钾含量整体呈周年波动的变化趋势。与试验初期相比，结束时0～20 cm土壤W0、W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S处理速效钾含量分别提高19.6%、20.7%、35.0 %、30.4%、47.9%、25.4%；20～40 cm土壤各处理速效钾含量分别提高17.3%、9.9%、18.9%、31.3%、42.4%、27.2%。与基础地力相比，通过杂草刈割还田以及杂草与作物共生可提高土壤有效磷和速效钾含量。

2.5 不同处理对0-20 cm土层土壤矿质元素含量的影响

表2 不同处理土壤0-20 cm土层矿质元素

结果代表平均值±标准误，=3。不同字母代表同一元素在不同处理下元素含量差异显著（<0.05）。

表2表示2019年及2020年不同处理0～20 cm土层样品矿质元素含量，2020年各处理Ca含量相比2019年有所提高，且W0+S>W2>W1>W0+B>W0+M>W0；2019年和2020年Mg和Fe含量最高的均是W0+S处理，最低是W0+M处理，其中2020年各处理Mg含量相比2019年有所提高，Fe含量前后两年差异不大；其中2020年W0+B处理Mn含量超过900 mg·kg-1，显著高于其他处理（<0.05）；Cu含量最高的是W0，相比2019年，2020年各处理Cu含量有所降低；各处理前后两年Zn含量无明显差异，2020年Zn含量大小顺序为W1> W0+B> W2> W0+S> W0> W0+M。综合来看，通过杂草刈割还田以及杂草与作物共生可显著提高土壤Ca、Mg、Fe、Mn等矿质元素含量，杂草与大豆共生效果较为显著。

3 讨 论

3.1 杂草-主作物共生对杂草绿肥生物量及氮资源量的影响

杂草群落物种多样性不但能反映杂草物种的数量特征，还能体现整个杂草群落的结构组成，农田中维持一定数量杂草对保护农田生态系平衡以及维持物种多样性具有重要的作用[18]。本研究前期处于休耕状态，让农田生草，并与三种夏季覆盖作物（玉米、高粱、大豆）共生，杂草生长旺盛，用于养地，通过刈割以及杂草与不同作物共生处理后，杂草生物量存在差异。研究表明，田间覆盖作物可抑制杂草生长[19]，本研究中，对照（W0）处理下杂草生物量最高，与对照相比，刈割1次、刈割2次、杂草+玉米、杂草+高粱以及杂草+大豆处理后杂草总生物量较低，说明增加刈割次数以种植覆盖作物可以降低杂草生物量，与3种作物共生处理中，杂草+玉米处理总生物量最高，其次是杂草+高粱处理，杂草+大豆处理最低，可能是由于高粱相比玉米株高更高，获取更多的光照，长势更好，所以在与杂草竞争中占据一定优势，而大豆本身固氮能力较强[20]，与杂草养分竞争中相比其他两种作物更具优势。

多数杂草都属于C4植物，相比一般农作物而言，生命力以及抗干扰能力更强，更易获取光照以及土壤中的水肥资源，此外C4植物还具有较高的氮素利用效率[21]，因此相比农作物，杂草生长过程中会从土壤吸收更多的氮素。本研究发现，对照处理杂草总氮量在7月30日至9月30日期间均高于其他处理，是由于该处理杂草总生物量最高，与折纯氮量呈正相关。各处理中马唐氮资源量最高，这与其生物量最高有关。

3.2 杂草-主作物共生对土壤肥力的影响

研究显示，国内外覆盖作物类型主要包括禾本科、豆科以及十字花科，这些覆盖作物主要用于玉米及小麦等粮食作物的种植系统中[12]。与其他两种作物相比，豆科覆盖作物具有生物固氮、根系发达、抗逆性强、生长迅速等优势[22]。本研究中，共有三种夏季覆盖作物（玉米、高粱、大豆）与杂草共生。大量研究表明，杂草绿肥还田以及种植覆盖作物不仅可以改善农田微生态，还能改善土壤理化性质，分解后参与养分循环进而提高土壤肥力[23,24]。土壤有机质通常被认为是改善土壤聚集和聚集体稳定性的重要结合剂，是评估土壤肥力的重要指标之一[25,26]，研究发现农田中利用杂草资源以及覆盖作物秸秆还田能够改善土壤团聚体分布情况并增加土壤有机质含量[27]。本研究中，各处理在试验结束时土壤有机碳含量相比试验初期均显著提高，与对照相比，杂草与3种夏季作物共生处理后土壤有机碳含量提高显著。汪红霞等[28]对河北冬小麦-夏玉米连续十年定位试验发现，施用有机肥和利用秸秆还田可以有效提高土壤有机质含量8%～17%，进一步证实了本试验杂草与作物秸秆还田后可显著提高土壤有机质含量。相比玉米和大豆，大豆与杂草共生处理土壤有机碳含量更高，这可能与大豆固氮秸秆能力较强以及秸秆本身有机质含量较高有关。

氮磷钾被称为植物生长三要素，缺少任何一种元素都会制约植物的生长，包含土壤中全量和有效态氮磷钾含量[29]。本研究试验结束时，杂草与三种作物共生处理后的土壤全氮含量均显著高于对照以及刈割处理。研究表明，豆科覆盖作物通过与固氮细菌共生从大气中获取以及与根瘤菌共生结瘤的方式固定氮素，增加土壤氮含量[30]，本研究中，杂草与大豆共生土壤全氮含量相比其他处理较高主要由于大豆相比其他作物具有更强的固氮能力[22]。本研究发现，与基础地力相比，试验结束时土壤全磷、全钾含量也有所提高。可见，杂草绿肥还田以及种植覆盖作物更有利于土壤碳氮含量的提升。不仅提高土壤碳氮含量，也有助于土壤磷钾元素含量的提高。

研究表明，有效态形式的氮、磷、钾是植物生长过程中能够直接吸收及利用的成分[31]。土壤速效氮是由铵态氮和硝态氮组成，本研究发现，在0～20 cm土壤中，相比试验初期，各处理土壤铵态氮含量均显著提高，刈割以及杂草与作物共生处理均显著高于对照，研究表明，植物残体具有较强的土壤矿化氮素的能力，并能够提高氮素的有效性[32]，说明杂草有机肥结合农作物秸秆还田可提高土壤铵态氮含量。相比其他两种覆盖作物，杂草与大豆共生处理的土壤硝态氮含量最高，可能是由于相比杂草或其他秸秆，大豆生长过程中获得大量的氮素在秸秆还田后经过微生物矿化作用产生较高的硝态氮。岑宇[33]研究表明，相比化肥，施用不同的有机肥能有效提高土壤有效磷和速效钾含量，本研究经过两年的杂草绿肥养地试验发现，相比试验初期，土壤有效磷和速效钾含量均有所提高，说明杂草绿肥还田后也可以提高土壤速效磷钾。此外，本研究同样发现，由于大豆、玉米以及高粱相比杂草富含矿质元素，杂草绿肥结合秸秆还田提高了土壤矿质元素含量，其中Ca、Mg、Fe等元素增加显著。

综合以上杂草与不同作物互作对土壤理化性质的影响发现，杂草、作物秸秆还田对0～20 cm土层土壤的作用效果大于20～40 cm，整体上第二年各土壤理化指标结果要高于第一年，进而说明杂草与作物共生对农田土壤理化性质和土壤肥力的影响与土层深度以及有机肥的作用时间有关。

4 结 论

经过两年的试验表明，杂草与作物共生系统氮素吸收潜力巨大。与试验初期相比，试验结束时土壤理化性质得到改善，土壤肥力得到提高，土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮、有效磷、速效钾含量与试验初期相比均提高，与对照相比，杂草与3种作物（玉米、高粱、大豆）共生处理均提高了土壤有机碳含量以及氮磷钾等养分含量，综合所有理化指标来看，杂草与作物共生效果相比刈割处理更好，其中杂草与大豆共生处理效果最佳。

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Nitrogen Uptake and Soil Fertility Characteristics of Weed-main Crop Symbiosis System in Organic Farmland

GUO Xiao-ou1, CUI Xiao-hui2*

1.300384,2.100093,

In this study, weeds in fallow farmland in Shandong province were selected as the research object. Six treatments were set, namely uncut (W0), once cut (W1), twice cut (W2), weed-corn symbiosis (W0+M), weed-sorghum symbiosis (W0+B) and weed-soybean symbiosis (W0+S). W0 was set as the control. In order to select the summer crops with the best symbiosis with weeds, the nitrogen uptake of weeds green fertilizer under different treatments and its effect on soil fertility were studied by adopting organic management mode. The results showed that the biomass of weeds could be reduced to a certain extent by cutting treatments and the symbiosis between weeds and three summer crops. The total biomass of weeds obtained by cutting three times was 19527.81 kg‧hm-2and total nitrogen was 223.44 kg‧hm-2. It was found that the symbiosis between weeds and crops could effectively improve soil fertility and physical and chemical properties. Compared with the initial stage of the experiment, soil organic carbon content in 0～20 cm soil under W0, W1, W2, W0+M, W0+B and W0+S treatments increased by 13.0%, 17.5%, 17.7%, 41.4%, 32.4% and 35.7%, respectively, at the end of the experiment. Total nitrogen content increased by 4.1%, 5.7%, 7.5%, 9.9%, 12.5% and 11.4%, respectively. Compared with W0, W1, W2, W0+M and W0+B, the organic carbon content of W0+S was increased by 11.6%, 10.1%, 13.8%, 4.1% and 8.0%, respectively. Total nitrogen content increased by 10.9%, 12.2%, 10.0%, 10.6% and 6.5%, respectively. In addition, the contents of available nitrogen, phosphorus, potassium and other nutrients in the soil under the symbiotic treatment of weeds and three crops were higher than control. Compared with corn and sorghum, the symbiosis between weeds and soybeans can improve the soil fertility of farmland. This study provides new ideas for reuse of waste resources and technical support for rational utilization of farmland weed resources.

Farmland; weeds; cover crop; nitrogen fixation; soil fertility

S154.4

A

1000-2324(2022)01-0052-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.009

2021-11-30

2022-1-4

国家重点研发计划项目(2016YFC050708、2017YFC1700701)

郭小鸥(1990年-),女,博士,讲师,主要从事设施农业研究. E-mail:408343974@qq.com

Author for correspondence. E-mail:1103243889@qq.com