带状套作模式中土壤有机质和全氮的空间分布规律——以玉米大豆为例

肖 特，崔阔澍，黄文娟，杨文钰

(1.四川农业大学农学院/农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室，成都 611130；2.四川省中医药科学院，成都 610041；3.四川省农业技术推广总站，成都 610041；4.四川省植物工程研究院，成都 611730)

【研究意义】土壤有机质和全氮是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标，直接关系到农田的可持续利用，同时也是生态农业种植技术的重要参数[1-3]。目前，土地开垦和翻耕导致大量土壤中氮元素流失，土壤结构破坏和有机质消耗。因此，如何提高土壤有机质和氮含量，摸清有机质和氮的空间分布规律对于土地资源可持续利用尤为重要，对生态农业的发展也具有重要意义[4-7]。【前人研究进展】中国在20世纪就引入了“生态农业”理念[8]，并以间套作等种植管理模式为对象，开展了大量有关土壤养分状况的研究，带来了较大的经济、生态和社会效益[9-11]。例如，“薯/玉/豆”模式效益高,资源利用效率好[12]。“饲草油菜—春玉米/夏大豆”是生物产量光温水资源生产效率和AHP综合指标效益最优模式[13]。冬小麦/春玉米/夏玉米多熟间套模式下，单产水平和光热资源利用率提高20%[14]。玉米大豆带状复合种植具有“一田双收、稳粮增豆，一种多效、用养结合，一机多用、低碳高效”等优势[15]。同时，间套作模式能够充分地利用有限的土地资源，提高作物对养分的吸收和利用效率，改善土壤肥力和质量[16]。因此，间套作土壤有机质和氮的研究也受到学者广泛关注，并主要针对不同种植模式下土壤有机质和氮空间分布特征和影响因素开展了相关研究[17-18]。【本研究切入点】谷物/豆科间套作属可持续农业生产系统，可以提高豆科植物的共生固氮能力，减少化肥投入[19]。玉米/大豆带状套作是我国西南地区农民广泛采用的谷类/豆类种植模式，充分了解该模式土壤有机质和全氮的空间分布特征，掌握其变异规律，对于实现土壤可持续利用和区域可持续发展具有重要意义。【拟解决的关键问题】探讨玉米/大豆不同种植模式下土壤有机质和全氮含量变化，了解玉米/大豆带状套作系统提高土壤肥力的机制，为中国西南和类似地区玉米/大豆带状套作系统科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018—2020年，在四川农业大学雅安校区教学科研农场进行(101°56′26″～103°23′28″E，28°51′10″～30°56′40″N)，试验点位于四川盆地西部，以丘陵和山地为主，为亚热带季风湿润气候，年均气温16.2 ℃，降雨量1250～1750 mm，日照时数1005 h,无霜期300 d。紫色土为主要土壤类型。试验地基础土壤pH 6.6，土壤有机质29.8 g/kg，全氮1.6 g/kg，全磷1.28 g/kg和全钾14.28 g/kg。

1.2 试验材料

以玉米‘登海605’和大豆‘南豆12’为供试材料。肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O514%)和氯化钾(含K2O 52%)。2018年、2019年和2020年，玉米施基肥为纯氮120 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2，大豆施基肥为纯氮60.0 kg/hm2、P2O563.0 kg/hm2、K2O 52.5 kg/hm2。玉米分别于2018年、2019年和2020年3月24日、23日和29日播种，2018年、2019年和2020年7月25日、8月6日和8月8日收获。大豆分别于2018年、2019年和2020年的6月7日、6月8日和6月13日播种，2018年、2019年和2020年的10月30日、10月23日和10月22日收获。

1.3 试验设计

采取单因素随机区组法设置玉米/大豆带状套作连作(MS1)、玉米/大豆带状套作轮作(MS2)、玉米/大豆传统套作(MS3：农民习惯栽培)、玉米单作(M)、大豆单作(S)和休闲(FL)6个处理，重复3次，休闲(FL)处理小区面积为2 m×6 m=12 m2，其余为6 m×6 m=36 m2，带长6 m。带状套作处理(MS1，MS2)带宽2 m，宽窄行2∶2种植，宽行160 cm，窄行40 cm，玉米、大豆间距60 cm；传统套作(MS3)，玉米行距100 cm，行比1∶1，玉米、大豆间距

50 cm；单作玉米(M)行距100 cm，单作大豆(S)行距50 cm，玉米每穴单株，大豆每穴双株，穴距17 cm。

1.4 样品采集与测定

本试验土壤样品均在每年大豆收获后采集。采用定点采样程序，采集0～20 cm土层样品(图1)。取约1 kg土壤在清洁的室内通风区自然风干，土壤干燥后放入样品袋。所有样品袋均标有编号、采样时间、地点、土壤类型和采样深度。

土壤有机质(SOM)含量测定采用重铬酸钾容量法——外加热法[20]。

(1)

式中，c为FeSO4摩尔浓度(mol/L)，v0为空白消耗FeSO4体积(mL)，v为土壤样本消耗FeSO4体积(mL)，0.003是1/4 mmol碳克数，10 724为由土壤有机碳换算成有机质的系数，1.1为校正因子(该方法氧化率为90%)，m为风干土壤质量(g)，k为土壤脱水干燥系数。

总氮(简称TN)采用凯氏定氮法测定[21]。

(2)

式中，v0为样品滴定用标准酸体积(mL)，v为空白滴定用正常酸体积(mL)，c为正常酸浓度(mol/L)，14为N摩尔质量(g/mol)，w为样品重量(g)。

1.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2016进行数据处理，通过Origin Pro 2018构建数据。采用SPSS 22.0对套作制度与土壤有机质和全氮含量的差异进行方差分析(ANOVA)。在P<0.01显著性水平下，用LSD检验比较平均值。利用线性回归研究土壤有机质与全氮的关系。采用P值(Tukey’s test)和R2的回归方程分析确定种植模式的有效性。

2 结果与分析

2.1 玉米/大豆不同种植模式土壤有机质含量

套作与单作土壤有机质含量及空间分布差异极显著(表1)。土壤有机质在MS2种植模式下最大(29.19 g/kg)，在FL种植模式下最小(10.19 g/kg)。与其他种植模式相比，MS2种植模式下土壤有机质变化较大，且空间分布最密集，这可能是由于不同的种植模式和大田留茬造成的。利用变异系数对所得结果进行分级，发现MS1、MS2、MS3、M和S变异中等，FL变异较弱，总体MS2变异最大，这可能与玉米和大豆多年轮作有关。

表1 2018—2020年玉米和大豆不同种植方式下土壤有机质含量

表2 2018—2020年玉米大豆不同种植模式土壤全氮含量

表3 土壤有机质与全氮含量相关性

2.2 玉米/大豆不同种植模式土壤全氮含量

土壤氮素含量和空间分布在套作与单作之间存在显著差异(表2)。土壤全氮在MS2处理中最大(1.69 g/kg)，在FL处理中最小(0.64 g/kg)。与其他处理相比，MS2处理土壤全氮变化较大。MS2模式土壤全氮分布以大豆行最密集。玉米行全氮空间分布密度均低于大豆行全氮空间分布密度，但全氮与有机质的最大值和最小值具有相同的植物分布格局，由此可以推测有机质与全氮的空间分布关系。土壤全氮中度变异为MS1、MS2、MS3、M和S，弱变异为FL，最大变异为MS2。对土壤氮与有机质变异度相关分析发现，有机质与土壤全氮之间具有较高的相关性，说明全氮与有机质的变化规律一致性较好。同时，玉米/大豆套作能起到提高土壤有机质和全氮含量效果。

2.3 土壤有机质和全氮的相关性

各种植模式土壤有机质与全氮含量相关性均极显著，其中MS1、MS2、MS3与FL的相关性接近1(表3)。表明，土壤有机质与全氮含量在不同种植模式下呈显著正相关。

3 讨 论

3.1 土壤有机质的变化

土壤有机质作为土壤肥力的重要基础物质，不仅能为植被生长提供养分，而且是影响土壤结构形成、土壤养分生物有效性的重要因素[22-23]。土地利用方式对有机质含量影响主要是由植被对土壤的贡献不同造成的，灌木、草原和森林土壤表层20 cm有机质占1 m深度土层中有机质的33%、42%和50%，与植被类型显著相关[24]。邹秀凤等[25]发现，无论顺坡还是平台果园套种牧草，均能显著提升土壤有机质含量，增幅为9.09%～32.81%。张佳宁等[26]研究得出，与玉米单作相比，苜蓿单作和绿豆单作均不同程度地提高土壤有机质。同样，在本研究中，玉米和大豆种植方式的土壤有机质含量也存在差异。这可能是由于玉米和大豆的叶、根、残茬等作物残余物所致。一般而言，土壤有机质的高低与土壤有机质输入高低以及不同类型有机质矿化速率之间的动态平衡有重要关系。土壤有机质含量通常由土壤输入量和矿化速率间的平衡共同决定[27]。不同土地利用方式导致土壤耕垦变化的差异，改变土壤理化性质、影响土壤肥力，还直接影响土壤有机质的分解与转化[28-29]。此外，本研究结果还表明，土壤有机质含量对土壤肥力有重要影响，特别是在带状套作条件下。

3.2 土壤全氮的变化

土壤全氮含量状况反映了土壤对植被提供养分的潜在能力，它们和土壤有机质以及其动态平衡共同构成了土壤肥力的重要指标[30]。土壤中氮素含量受自然因素(气候、地形及植被)和农业措施(施肥、耕作、灌溉及土地利用方式)的影响[31]，其含量处于动态变化中。氮是作物生长发育的血液，能促进作物生长，提高作物产量[32]。豆科和禾本科间套作时，豆科能促进禾本科对氮的吸收利用，因豆科的固氮机理将促进作物对氮素的吸收。Ta和Farise[33]研究发现，当苜蓿间作梯木草时，梯木草对氮的吸收利用比单作显著提高了25%。Broadbent等[34]报道了白三叶草通过与黑麦草间作，提高了黑麦草对氮的吸收利用，使黑麦草的吸氮量增加了80%。Muhammad等[35]研究发现，在玉米大豆间作体系中玉米的吸氮量显著提高了16.58%～20.75%，这与大豆的固氮作用关系密切。本研究发现，与单作相比，玉米/大豆带状套作土壤中全氮含量较高，可能与大豆固氮有关。以上这些研究表明豆科和非豆科间作，豆科作物因利用固氮优势，能够为非豆科作物提供部分氮源。同时，因作物组合中种类差异，间套作方式不同，作物长势不同，其提供氮的数量差异较大。利用豆科的生物固氮作用不仅可以提升非豆科作物对氮的吸收利用，促进其生长发育，也能减少作物对不可再生资源的依赖，提高土地当量比和土地利率[36]。同样，在本研究中玉米/大豆带状套作系统对玉米行和大豆土壤氮的含量有正向影响，增加了氮空间分布的单位含量。

3.3 土壤有机质与土壤全氮的关系

土壤碳氮比不仅在土壤有机质分解过程中发挥着巨大作用，还是土壤质量评价的重要决定因子。同时，土壤能增强碳固定的有效性和改善土壤结构，影响土壤作为大气CO2“源/汇”的潜能和调节氮素在土壤中的固定和分解等[37]。一般情况下，如碳氮比大于30，最初阶段的矿化作用对植物无供氮效应；如有机质碳氮比小于15，其矿化作用一开始，所提供的有效氮量就会超过微生物的同化量，使植物有可能从有机质矿化过程中获得有效氮的供应[38]。

本研究发现，不同种植模式下土壤全氮和有机质含量差异显著(P<0.05)，平均值分别为1.13，22.36 g/kg，各处理有机质和全氮变异系数大小适中，属于中度变异、含量中等。分析造成有机质和全氮含量差异的原因主要有两方面。一方面是植被因素。彭佳佳等[39]发现随着生态修复年限的增加,植被盖度和高度显著提高,各土层土壤有机质、全氮含量均呈现增加特征。王家豪[40]研究玉米/苜蓿间作发现土壤有机质和氮含量均比单作高。另一方面是气候因素。石淑芹等[41]发现降水和年均温对有机质含量以负影响为主；年日照时数对有机质含量产生正影响。苟照君等[42]研究发现，土壤全氮与年降水量、≥0 ℃积温、年平均气温、土壤类型呈显著负相关。本研究同时比较了土壤样品中有机质和全氮含量水平，发现该试验区土壤有机质和全氮含量的空间差异显著，有机质和全氮呈显著正相关性。根据该试验区土壤中有机质和全氮的含量水平及其空间分布规律，得出玉米施纯氮120.0 kg/hm2、P2O5105.0 kg/hm2、K2O 135.0 kg/hm2，大豆施纯氮60.0 kg/hm2、P2O563.0 kg/hm2、K2O 52.5 kg/hm2为较科学的施肥方式，肥料结构中各养分比例适宜，能提高养分利用率，使中低产土壤获得高产，使高产土壤持续稳定高产。

4 结 论

玉米/大豆不同种植模式改变了土壤微生态环境，导致土壤有机质库和土壤肥力水平变化，对土壤养分的提高具有一定促进作用。本研究发现玉米/大豆不同种植模式整个试验田土壤中全氮含量属中等水平，变异系数为中等程度变异，有机质含量略微偏高，变异系数为中等程度变异。同时，玉米/大豆不同种植模式对土壤氮素有效性和全氮含量有正向影响，且土壤有机质和全氮含量的空间分布显著增加。可见，玉米/大豆带状套作种植模不仅改善了土壤质量，还提高了土壤肥力和碳氮比。