玉米/大豆不同种植模式对土壤有机质和全氮空间分布的影响

肖 特， 崔阔澍， 黄文娟， 杨文钰， 张文博

(1. 四川农业大学农学院， 四川 成都 611130； 2. 四川省中医药科学院， 四川 成都 610041； 3. 四川省农业技术推广总站，四川 成都 610041； 4. 四川省植物工程研究院， 四川 成都 611730； 5. 内蒙古赤峰市松山区农牧局， 内蒙古 赤峰 024000)

土壤有机质和全氮是重要的全球碳氮循环“源”和“汇”，为目前为生态、环境和土壤科学研究的热点之一，其含量与分布是评价土壤肥力和质量的关键指标[1]。在土壤养分总量中，虽然有机质和全氮占比不大，但是有机质和全氮在土壤微生态、养分循环以及农业可持续发展等方面却有着巨大作用和现实意义[2]。据统计，我国耕地面积占世界耕地面积不足9%，人口却占到世界总人口的近22%，我国耕地和人口基数不成正比，为满足十几亿人的物质需求，需要在有限的耕地上生产更多的产品[3]。面对这一巨大挑战，人们找到了增施化肥来提高作物产量这一有效措施[4]。结果是盲目增施化肥导致了土壤养分比列失衡，不同地区间土壤养分种类和数量差异变大[5-7]。在中国，化肥平均施用量达339 kg·hm-2，出现了肥料资源出浪费、环境污染严重的现象[8-10]。为了解决这些问题，中国在上个世纪就引入了“生态农业”理念[11]，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，带来了巨大的经济、生态和社会效益[12-14]。据报道，全世界范围间套作农耕用田地面积(在1×109hm2以上)约占耕地面积的3%[15]，常见的间套作模式主要包括带状间作和套作2种，该模式能够改善土壤质量和增加土壤肥力，提高作物的养分吸收和利用效率，充分地利用土地资源[16]。间套作土壤有机质和全氮与其他土壤特性一样，土壤有机质和全氮具有高度的空间变异性，即在相同的区域内，同一时刻不同的空间位置，其含量存在明显的差异[17-18]。谷物/豆科间套作因具备提高豆科植物的共生固氮能力，减少化肥投入的优势，被公认为可持续的农业生产系统[19]。玉米/大豆带状套作为我国西南地区农民广泛采用的一种新的谷类/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。然而，关于玉米/大豆带状套作系统土壤有机质和全氮空间分布的研究未见文献报道。本研究探讨玉米/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，特别是在中国西南和类似地区，并为玉米/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)，见图1，试验点位于四川盆地西部，地形以丘陵和山地为主，为亚热带季风湿润气候，常年降雨量1 250～1 750 mm，无霜期300 d，年均气温16.2℃，日照时数1005 h。紫色土为主要类型。试验地基础肥力为pH 6.60，土壤有机质29.80 g·kg-1，全氮1.60 g·kg-1，全磷1.28 g·kg-1和全钾14.28 g·kg-1。

图1 研究地点航拍Fig.1 Aerial photo of the research site

1.2 研究材料

研究材料为登海605(玉米)和南豆12(大豆)。玉米和大豆施用含N 46% Urea，含14% P2O5的Ca(H2PO4)2·H2O 和含52% K2O的KCL作为基肥。2018，2019和2020年，玉米施纯氮120 kg·hm-2,P2O5105 kg·hm-2,K2O 135 kg·hm-2，大豆施纯氮60 kg·hm-2,P2O563 kg·hm-2,K2O 52.5 kg·hm-2。玉米在2018年3月24日播种，2018年7月25日收获；2019年3月23日播种，2019年8月6日收获；2020年3月29日播种，2020年8月8日收获。大豆在2018年6月7日播种，2018年10月30日收获；2019年6月8日播种，2019年10月23日收获；2020年6月13日播种，2020年10月22日收获。

1.3 研究设计

试验设计采用单因素随机区组法(见图2)，共设6个处理，3次重复。每个处理的大田小区带长6 m，带宽2 m，小区面积6 m×6 m=36 m2。6个处理分别为：(1)MS1(带状套作玉米/大豆连作)；(2)MS2(带状套作玉米/大豆轮作)；(3)MS3(传统套作玉米/大豆)；(4)M(玉米单作)；(5)S(大豆单作)和(6)FL(休闲)。MS1-2(带状套作)采取宽窄行种植(其中宽行160 cm，窄行40 cm，宽行数∶窄行数=2∶2)，玉米与大豆之间的行距为60 cm；MS3(传统套作)采取玉米、大豆等行距种植，行距50 cm；M(单作玉米)行距100 cm，S(单作大豆)行距50 cm。最终定苗玉米每穴单株，大豆每穴双株，穴(株)距17 cm。

图2 不同种植模式空间布局Fig.2 Spatial layout of different planting patterns注：MS1,MS2,MS3,M,S,FL分别代表带状套作玉米/大豆连作、带状套作玉米/大豆轮作、传统套作玉米/大豆、单作玉米、单作大豆和休耕地Note：MS1,MS2,MS3,M,S,FL represent the Continuous planting of maize/soybean relay strip inter-cropping,Planting of maize/soybean relay strip inter-cropping in rotation,Traditional maize/soybean inter-cropping,Sole maize planting,Sole soybean planting,Fallow land,respectively

1.4 样品采集与测定

样品均在大豆收获后采集，采集深度0～20 cm(图3)，采集量约为1 kg，样品放置在室内通风良好的清洁托盘中，自然条件下风干，干燥后放入标有采样编号、时间、地点、土壤类型和深度的样品袋中备用。

图3 不同种植模式土壤样品采集点布局图Fig.3 Spatial distribution of soil sample sites in different cropping patterns注：图A表示带状套作玉米/大豆(连作和轮作)；图B表示传统套作玉米/大豆；图C表示单作玉米；图D表示单作大豆；图E表示休闲。M表示玉米，S表示大豆，●表示土样采集点Note：Figure A represents maize/soybean relay strip inter-cropping (Continuous and rotation cropping);Figure B represents traditional maize/soybean inter-cropping;Figure C Stands for monoculture of maize;Figure D Stands for monoculture of soybean;Figure E Stands for fallow land. “M” Stands for maize;“S” Stands for soybean;“●” Stands for soil sample point

1.4.1土壤有机质和全氮含量测定 测定土壤有机质(简称SOM)采用重铬酸钾容量法-外加热法[20]。

(1)

式中：“k”为干燥系数，“m”为干土质量(g)。“v0”表示空白对照用FeSO4的体积(mL)，“v”表示测试土样用FeSO4体积(mL)。“c”表示FeSO4物质的量浓度(mol·L-1)。“0.003”为0.25 mmol碳的质量，“1.1”为校正因子，“10 172”为有机碳换算成SOM的换算系数。

采用“凯氏定氮法”测定总氮(简称TN)[21]。

(2)

式中：“w”表示测试样品质量(g)。“v”表示对照空白用酸体积(mL)，“c”表示所用酸浓度(mol·L-1)，“v0”表示测试样品用酸体积(mL)。“14”表示N的摩尔质量(g·mol-1)。

1.4.2土壤有机质和全氮的参照标准 本实验结果分析参照全国土壤养分分级标准(表1)[20]，我国土壤养分分级标准将土壤有机质和养分都分成了6级，1级最高，2级次之，6级最低[21-23]。同时，将变异系数分为弱变异，即100%，共3个等级[24]。

表1 中国土壤养分分级标准Table 1 Nation soil nutrient standard grade

1.5 数据统计与分析

所有实验数据使用Microsoft Excel 2016进行管理，数据使用Origin Pro 2018进行构建。采用SPSS 22.0软件(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)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)。在显著性水平P<0.01下，比较平均值采用LSD检验，土壤有机质与全氮关系利用线性回归统计。采用P值(Tukeys test)和R2的回归方程分析确定种植模式的有效性。

2 结果分析2.1 玉米/大豆不同种植模式土壤有机质含量

由表2和图4可以得出，套作与单作土壤有机质含量及空间分布差异极显著(PMS1>MS3>S>M>FL，最小平均值为FL，为8.71 g·kg-1，最大值为MS2，为29.19 g·kg-1。同时，玉米和大豆行MS2有机质的空间分布最密集，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2 2018—2020年玉米和大豆不同种植方式下土壤有机质含量Table 2 Soil organic matter content under different planting methods of maize and soybean in 2018—2020

图4 玉米和大豆不同种植方式下土壤有机质空间分布特征Fig.4 Spatial distribution of soil organic matter under different planting patterns of maize and soybean

2.2 玉米/大豆不同种植模式土壤全氮含量

从表3和图5可以发现，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，PMS1>MS3>S>M>FL，平均FL最小处理为0.64 g·kg-1，最大MS2为1.69 g·kg-1。同时发现在MS2模式下土壤全氮的分布以大豆行处密度最大。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，因此可以推测有机质与全氮的空间分布关系。相关分析表明，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。推测有机质与土壤全氮之间的相关性较高，也说明全氮和有机质变化规律的一致性较好。综合分析表明，套作玉米/大豆和优化后的带状套作玉米/大豆能起较为明显提高土壤有机质和全氮含量，达到培肥土地的效果。

表3 2018-2020年玉米大豆不同种植模式土壤全氮含量Table 3 Total nitrogen content under different planting methods of maize and soybean in 2018-2020

2.3 土壤有机质和全氮的相关性

土壤有机质(X)和全氮(Y)表现出不均匀的线性关系(表4，图6)。总的回归方程为y=0.06x-0.08，相关系数R2=0.87。各处理(种植方式)土壤有机质与全氮的相关性均极显著，其中MS1、MS2、MS3与FL的相关性接近于1。推导出显著的正向相关性，即土壤有机质和全氮变化在多种种植模式下为正相关。

3 讨论3.1 土壤有机质的变化

土壤有机质为植物的“碳”养分来源，土壤有机质为土壤肥力的标志性物质之一，土壤有机质还能影响土壤养分生物有效性和土壤结构形成[25-26]。土壤有机质含量会受到土地利用方式的影响，且与植被类型显著相关，研究发土壤表层20 cm有机质占100 cm土层有机质百分比在现在灌木、草原和森林3种植被类型间差异较大，灌木为33%，草原为42%，森林为50%[27]。同样，在本研究中，套作与单作土壤有机质含量及空间分布差异极显著(P<0.01)，且等高线图的等级颜色代表了土壤有机质含量及空间分布。6个模式的土壤有机质以FL种植模式下最小，为8.71 g·kg-1；MS2含量最大，为39.72 g·kg-1。同时，玉米和大豆行MS2有机质的空间分布最密集，这可能是由于不同的种植模式和大田留茬造成的。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[28]。同时，土地利用方式的不同会导致土壤耕垦的变化，同时改变土壤理化性质，改善土壤肥力，还会直接影响土壤有机质的分解与转化[29-30]。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。

图5 玉米和大豆不同种植方式下土壤全氮空间分布特征Fig.5 Spatial distribution of soil total nitrogen content under different planting patterns of maize and soybean

表4 土壤有机质与全氮相关性Table 4 Soil organic matter and total nitrogen correlation

图6 土壤有机质(x)和土壤全氮(y)关系Fig.6 The relation of soil organic matter (x) and soil total nitrogen (y)

3.2 土壤全氮的变化

土壤全氮和土壤有机质为土壤肥力的重要参考指标，其含量高低能反映土壤提供养分的潜力[31]。氮的吸收利用可以促进作物的生长和产量的增加[32]，土壤氮受自然因素(例如，气候、地形及植被等)和农业措施(例如，施肥、耕作、灌溉及土地利用方式等)的影响较大[33]。间套作豆科和禾本科时，豆科植物固氮，固的氮并同时被禾本科吸收和利用，形成了“生命共同体”。Ta和Farise发现当苜蓿间作梯木草时，氮的吸收利用间作梯木草比单作显著提高了25%[34]。Broadbent等研究白三叶草与黑麦草间作发现，间作黑麦草吸氮量增加了80%[35]。Muhammad Ali Raza等在玉米/大豆间作体系中探索得出，由于大豆固氮，玉米/大豆间作下玉米的吸氮量差异显著，提高了16.58%～20.75%[36]。本研究发现，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，P<0.01，等高线图中土壤氮素的含量及空间分布由分级颜色体现出来，差异明显。土壤全氮在MS2处理中最大(2.47 g·kg-1)，在S和FL处理中最小(0.55 g·kg-1)。同时发现在MS2模式下土壤全氮的分布以大豆行处密度最大。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，推测有机质与土壤全氮之间的相关性较高，也说明全氮和有机质变化规律的一致性较好。综合分析表明，套作玉米/大豆和优化后的带状套作玉米/大豆能起较为明显提高土壤有机质和全氮含量，达到培肥土地的效果。与单作相比，玉米/大豆带状套作土壤中全氮含量较高，也可能与大豆固氮有关。以上这些研究表明豆科和非豆科间套作，豆科作物因利用自身的固氮优势能够为非豆科作物提供氮源，同时，因作物组合种类差异(包含不同基因型品种)，间套作模式和方式的不同，其提供的氮数量也差异较大。因此，豆科植物的生物固氮不仅可以提高土地当量比和利用率，促进非豆科植物的生长发育，增加氮的吸收利用效率，还能减少作物对不可再生资源的依赖[37]。同样，在本试验中土壤全氮含量在玉米/大豆带状套作系统表现出正向响应。

3.3 土壤有机质与土壤全氮的关系

土壤C∶N的大小可以为土壤质量评价提供重要参考，对推动土壤有机质分解起到关键作用，改善土壤结构，增强“C”固定有效性，同时也能影响土壤作为大气CO2“源/汇”的潜在能力和氮的调节功能[38]。矿化作用刚开始的时候对植物营养生理而言没有供氮能力，此时一般C∶N>30；若矿化作用刚开始的时候有效氮超过微生物同化量，有效氮供应现象存在，此时一般C∶N<15[39]。

本试验的土壤全氮含量测试结果得出，在不同种植模式下的最大值可达2.47 g·kg-1，最小值为0.55 g·kg-1，平均值为1.13 g·kg-1；有机质最大值为39.72 g·kg-1，最小值为8.71 g·kg-1，平均值为22.36 g·kg-1。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。主要原因有四个：①气候；②植被；③土壤母质及质地差异；④特殊的田间小地形。同时，在试验区发现该土壤有机质和全氮空间分布和含量差异显著，且为正相关。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，可指导农业生产中合理施肥，使肥料结构中各养分比例适宜，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，土壤有机质和全氮含量的增加会增加C∶N。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。