馬鈴薯-燕麥間作對馬鈴薯氮含量和土壤氮素的影響

楊亞亞，吳 娜，*，劉吉利，楊娜娜，蔡 明，何海鋒

(1.寧夏大學 農學院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學 環境工程研究院， 寧夏 銀川 750021)

間作能夠通過時間和空間的互補性提高植物對水光熱資源和土壤氮素的高效利用，尤其是在氮素營養供應上拓寬了氮素營養生態位，更好地滿足了植物對氮素營養的需求[1-3]。馬鈴薯以分布廣泛、適應性強、高效益、易栽培等優勢成為寧南山區特色優勢栽培作物，同時也是一種糧菜兼用、具有多種功能用途的經濟作物[4-5]。近年來，馬鈴薯連作造成馬鈴薯晚疫病害發病率高，以及用養地的矛盾突出，導致寧南山區農民的經濟收益降低。燕麥與馬鈴薯間作不僅可以解決連作障礙、還可以解決飼草不足的問題[6]。氮是植物生長發育所需的重要元素[7]，氮在馬鈴薯生長、塊莖形成和品質等方面有重要作用。前人在馬鈴薯間作豆科和禾本科作物方面做了大量的研究，但關于馬鈴薯間作燕麥方面研究較少，在土壤氮素方面的研究更少。本文通過在寧夏南部山區開展馬鈴薯-燕麥間作對馬鈴薯植株氮含量和土壤氮素含量的研究，充分挖掘馬鈴薯間作燕麥的優勢，緩解寧南山區馬鈴薯連作危害，揭示間作對氮素的吸收利用規律，從而為寧南山區土壤氮的有效管理與提高氮素利用率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗馬鈴薯為青薯9號，燕麥為燕科1號，分別由青海省農林科學院、內蒙古農業科學院提供。

1.2 試驗地概況

試驗于2017年5—10月在海原縣樹臺鄉大嘴村進行，105°09′E～106°10′E，36°06′N～37°04′N，海拔2 166 m。屬于干旱半干旱帶，無霜期149～171 d，年平均降雨量為286 mm，年均氣溫7 ℃，晝夜溫差大。土壤類型為黑壚土，耕層土壤全氮、全磷含量分別為0.32、0.01 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀分別為39.95、19.86、229.80 mg·kg-1，土壤pH為6.88。

1.3 試驗設計

馬鈴薯間作燕麥行數比分別設置為2∶2、4∶2、4∶8，分別用P2O2、P4O2和P4O8表示。以馬鈴薯單作為對照，用IP來表示。采用隨機區組試驗設計，每個處理3次重復，每個小區長15 m，寬6 m，面積為90 m2。馬鈴薯于2017年5月5日播種，單作馬鈴薯種6壟，壟寬60 cm，株距40 cm，每666.7 m2種植3 335株。燕麥同期種植，種20行，行距25 cm，播種量90 kg·hm-2。馬鈴薯于10月初收獲，燕麥于9月底收獲。間作處理中馬鈴薯與燕麥間距為30 cm。其中，氮肥、磷肥、鉀肥于翻地前一天撒施后翻耕入土，其他管理同大田生產。

1.4 測定項目與方法

分別于馬鈴薯開花期、塊莖膨大期和成熟期采取植株樣品，用管形土鉆在馬鈴薯單作和馬鈴薯-燕麥間作行的中間行分層采集0～60 cm(每20 cm為1層)土壤樣品。土壤全氮和植株全氮含量均采用凱氏定氮法測定[8]，硝態氮含量用紫外分光比色法測定[8]，利用比色法在625 nm處測定吸光值來計算銨態氮含量[8]。土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定[8]。

1.5 數據分析

試驗數據用Excel 2010整理后，采用DPS 9.5軟件進行統計分析，用Origin 2018繪圖。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯-燕麥間作對馬鈴薯氮含量的影響

由圖1可知：從開花期到成熟期，馬鈴薯莖、葉的氮含量逐漸下降，塊莖氮含量逐漸上升。開花期，間作P4O8莖、葉全氮含量與P2O2差異不顯著，但顯著(P<0.05)高于單作馬鈴薯與P4O2；P2O2、P4O2與P4O8塊莖全氮含量差異不顯著，均顯著(P<0.05)高于單作馬鈴薯，分別比單作馬鈴薯高47.1%、49.3%、49.6%。塊莖膨大期，間作P2O2塊莖全氮含量比單作馬鈴薯、P4O2與P4O8分別高49.6%、13.6%、27.2%，差異均顯著(P<0.05)；4個處理葉全氮含量之間差異不顯著(P>0.05)；間作P2O2、P4O2與P4O8莖的全氮含量分別比單作馬鈴薯高6.4%、9.7%、50.9%(P<0.05)。成熟期，馬鈴薯莖、塊莖全氮含量均表現為P2O2>P4O8>P4O2>單作馬鈴薯，其中間作P2O2塊莖全氮含量顯著(P<0.05)高于單作馬鈴薯、P4O2與P4O8，分別提高了50.3%、8.1%、12.1%。

同一時期柱上無相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Data on the bars marked without the same lowercase letter in the same stage indicated significant differences at P<0.05.圖1 馬鈴薯-燕麥間作對馬鈴薯氮含量的影響Fig.1 Effect of potato-oat intercropping on nitrogen content in potato

2.2 馬鈴薯-燕麥間作對土壤全氮含量的影響

由表1可知：4種種植模式下，在同一生育時期，土壤全氮含量均在0～20 cm表層最高；隨著土層的深入，間作處理P2O2、P4O2、P4O8的土壤全氮含量在不同土層均呈緩慢下降趨勢，單作馬鈴薯的土壤全氮含量呈迅速下降趨勢。從開花期到成熟期，各處理同一土層的土壤全氮含量均呈上升趨勢。開花期，單作馬鈴薯、P2O2的土壤全氮含量都隨土層的深入呈降低趨勢，其中單作馬鈴薯下降幅度最大(P<0.05)，單作馬鈴薯、P2O2的20～40、40～60 cm土壤全氮含量顯著(P<0.05)低于間作P4O2、P4O8。成熟期，單作馬鈴薯 40～60 cm土層的全氮含量最低。塊莖膨大期，單作馬鈴薯和P4O240～60 cm土層的全氮含量差異不顯著(P>0.05)，但顯著低于間作P2O2、P4O8。

表1 馬鈴薯-燕麥間作對土壤全氮含量的影響

Table1Effect of potato-oat intercropping on total nitrogen content in soil

g·kg-1

表中同列數據后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Data marked without the same uppercase letter in each row indicated significant differences atP<0.05. The same as below.

2.3 馬鈴薯-燕麥間作對土壤堿解氮含量的影響

由表2可知，4種不同種植模式下，土壤堿解氮含量在0～20 cm表層的含量最高，隨土層的深入，土壤堿解氮含量均呈降低趨勢。開花期，間作P4O820～40 cm土層的土壤堿解氮含量下降幅度較大，比0～20 cm土層的土壤堿解氮含量下降了23.4%，其他各處理下降幅度較小。在塊莖膨大期，單作馬鈴薯在20～40 cm土層的土壤堿解氮含量下降幅度較小，40～60 cm土層的土壤堿解氮含量下降較多。成熟期，不同種植模式的0～20 cm土層的土壤堿解氮含量呈現P4O8>P2O2>P4O2>單作馬鈴薯。塊莖膨大期，間作P4O20～20 cm土層的土壤堿解氮含量最高，為109.14 g·kg-1。成熟期，單作馬鈴薯的土壤堿解氮含量隨土層的深入下降幅度最大，20～40、40～60 cm的土壤堿解氮含量較0～20 cm土層分別下降了13.1%、20.9%；單作馬鈴薯0～20 cm土層的土壤堿解氮含量分別比P2O2、P4O2、P4O8間作處理降低了12.4%、9.8%、15.4%，差異顯著(P<0.05)。

表2 馬鈴薯-燕麥間作對土壤堿解氮含量的影響

Table2Effect of potato-oat intercropping on soil alkaline nitrogen content

g·kg-1

2.4 馬鈴薯-燕麥間作對馬鈴薯土壤硝態氮含量的影響

由表3可知，4種處理的土壤硝態氮含量均隨土層的深入而呈現下降的趨勢。開花期，單作馬鈴薯0～20 cm土層的土壤硝態氮含量顯著高于間作P4O8，與間作P2O2、P4O8處理無顯著差異；P2O2與P4O820～40 cm土層的土壤硝態氮含量比0～20 cm土層顯著下降(P<0.05)，各處理40～60 cm土層土壤硝態氮含量下降幅度較小，且各處理之間差異不顯著(P>0.05)。塊莖膨大期，各處理0～60 cm土層的土壤硝態氮含量低于開花期。成熟期，單作馬鈴薯、P2O2、P4O2與P4O820～40 cm土層的土壤硝態氮含量降幅較小，分別比0～20 cm降低了9.6%、6.3%、10.6%、10%；單作馬鈴薯和間作P2O2、P4O2處理20～40、40～60 cm土層的土壤硝態氮含量差異不顯著(P>0.05)，均顯著高于間作P4O8處理。

表3 馬鈴薯-燕麥間作對土壤硝態氮含量的影響

Table3Effect of potato-oat intercropping on soil nitrate nitrogen content

mg·kg-1

2.5 間作對馬鈴薯土壤銨態氮含量的影響

由表4可知，不同處理下的土壤銨態氮含量變化趨勢相似。開花期到成熟期，不同處理的土壤銨態氮隨著土層的深入緩慢下降，并在成熟期達到最低。開花期，各處理各土層的土壤銨態氮含量降幅較小，單作馬鈴薯20～40 cm土層的銨態氮含量顯著(P<0.05)高于間作P2O2、P4O2、P4O8處理，分別高13.3%、13.3%、17.2%；3種間作處理之間差異不顯著(P>0.05)。塊莖膨大期，單作馬鈴薯20～40 cm土層銨態氮含量高于P4O8處理。成熟期，單作馬鈴薯、P2O2、P4O2與P4O8處理20～40 cm土層中土壤銨態氮含量比0～20 cm土層分別降低了17.6%、13.3%、16.7%、14.3%；0～40 cm土層中單作馬鈴薯、P2O2、P4O2的土壤銨態氮顯著(P<0.05)高于間作P4O8；單作馬鈴薯、P2O2處理40～60 cm土層的土壤銨態氮含量顯著(P<0.05)高于P4O2、P4O8處理。

表4 馬鈴薯-燕麥間作對土壤銨態氮含量的影響

Table4Effect of potato-oat intercropping on ammonium content in soil mg·kg-1

處理Treatment開花期Flowering stage0～20 cm20～40 cm40～60 cm塊莖膨大期Tuber expansion stage0～20 cm20～40 cm40～60 cm成熟期Mature stage0～20 cm20～40 cm40～60 cmIP0.35 a0.34 a0.30 a0.34 a0.31 a0.29 a0.34 a0.28 a0.25 aP2O20.34 a0.30 b0.29 a0.32 a0.30 a0.28 a0.30 a0.26 a0.25 aP4O20.32 a0.30 b0.29 a0.33 a0.30 a0.26 b0.30 a0.25 a0.23 bP4O80.30 a0.29 b0.26 b0.33 a0.29 b0.27 a0.28 b0.24 b0.22 b

3 討論與結論

本研究結果表明，馬鈴薯-燕麥間作對提高馬鈴薯植株全氮含量、土壤全氮含量、土壤堿解氮含量的效果優于單作馬鈴薯，其中，間作P2O2對提高馬鈴薯植株全氮含量的效果最佳，間作P4O8的土壤全氮和堿解氮含量增加幅度最大；單作馬鈴薯土壤硝態氮和銨態氮含量高于間作模式。

3.1 間作對馬鈴薯氮含量的影響

在不同的生育時期，氮在馬鈴薯各個器官的分布不同。本試驗結果表明，從開花期到成熟期，馬鈴薯莖、葉的氮含量明顯下降，塊莖氮含量明顯上升；在成熟期，間作P2O2、P4O2、P4O8塊莖氮含量均顯著高于單作馬鈴薯。這與吳娜等[9]的研究結果基本一致，間作馬鈴薯植株氮含量顯著高于單作，在馬鈴薯中后期，馬鈴薯氮直接參與塊莖的建成和物質儲存。這表明合理間作可以促進馬鈴薯植株和塊莖對氮元素的吸收。

合理的間套作可以提高作物養分的利用效率和對養分的吸收量。馬鈴薯間作蠶豆的試驗表明，間作對馬鈴薯植株全氮含量具有促進作用，成熟期全氮含量相比單作提高了20.5%[10]。劉均霞等[11]的研究表明，間作玉米對氮、磷營養的吸收顯著高于單作玉米，差異達極顯著水平。本研究結果發現，隨著生育進程的推進，單作馬鈴薯各器官全氮含量都顯著低于間作P2O2、P4O8，推測是馬鈴薯與燕麥相互競爭導致。有研究結果表明，在蠶豆收獲時株高105 cm，但玉米葉片沒有封行時，他們對光獲取沒有明顯影響，這些都有利于玉米的生長和養分吸收[12]。2種作物間作，高稈作物導致矮稈作物處于不利地位[13]，本試驗結果與此基本一致。隨著燕麥的收獲，馬鈴薯對光和養分的獲取處于優勢地位，使得間作馬鈴薯在成熟期的氮含量顯著高于單作馬鈴薯。收獲期單作馬鈴薯氮含量顯著低于間作，這是由于間作復合系統中作物的根系分泌物，以及殘留物、殘體較單一作物有所增加，優化了土壤微生物群落結構，從而提高了間作土壤全氮的含量[6]。

3.2 間作對土壤全氮和堿解氮含量的影響

土壤全氮、堿解氮能夠反映土壤供氮能力和水平[14-15]。研究表明，合理的間、套種模式中土壤養分含量高于單作模式，其不僅改善了土壤的養分質量，還提高了土壤的持續供肥能力，同時改善了土壤的養分吸收利用環境[16]。何衡等[17]的研究表明，大豆和玉米間作模式下，0～10、10～20 cm土層土壤全氮、堿解氮含量隨生育期的推進呈上升趨勢。本研究發現，在同一生育時期，不同土層間作處理的土壤全氮和堿解氮含量較單作馬鈴薯均有不同程度的提高；隨著生育時期的推進，4種種植模式的土壤全氮含量均呈下降趨勢，土壤堿解氮含量呈先上升后下降的趨勢，并在塊莖膨大期達到最大；0～20 cm表層土壤全氮和堿解氮的含量最高，隨著土層的深入，土壤全氮和堿解氮含量均呈下降趨勢。本試驗中土壤全氮含量變化趨勢與前人研究結果基本一致，堿解氮變化有所不同。經分析發現，馬鈴薯-燕麥間作能提高馬鈴薯土壤全氮含量，由于間作P4O2、P4O8增加了2行馬鈴薯行數，使得馬鈴薯有更多的根系分泌物，與土壤空間和生理之間的互補性增強，使得土壤中的養分得到更好的利用，從而提高了土壤全氮、堿解氮含量；塊莖膨大期到成熟期，土壤堿解氮含量先上升后下降，說明在塊莖膨大期，土壤的氮素供應狀況良好，成熟期下降可能是后期海原多次降水導致。這與劉亞軍[18]在馬鈴薯不同間作模式的試驗結果基本一致，馬鈴薯-蕎麥間作的土壤全氮、堿解氮較單作馬鈴薯有顯著提高。

3.3 間作對土壤硝態氮與銨態氮的影響

土壤中的氮素可分為有機氮和無機氮，其中可被植物直接吸收利用的無機態氮主要包括銨態氮和硝態氮[19]。土壤硝態氮是植物能夠直接吸收利用的速效氮，易隨水流失[20]。土壤銨態氮是植物吸收的主要氮素形式，銨態氮含量顯著低于硝態氮含量，是由于土壤的銨態氮會通過硝化作用迅速轉化為硝態氮，本試驗結果與此基本一致[21]。Li等[22]研究表明，間作模式下的硝態氮累積量低于單作。小麥間作玉米的研究結果表明，間作可以促進土壤微生物活動，促進土壤硝態氮的硝化與反硝化作用，降低銨態氮和硝態氮的富集，減少氮素流失，間作系統的土壤硝態氮累積量低于單作[23]。夏瑀[24]研究表明，玉米間作大豆中土壤硝態氮、銨態氮含量在整個生育期呈下降趨勢，其中混作大豆土壤硝態氮低于單作大豆，本試驗結果與此基本一致，單作馬鈴薯的土壤硝態氮與銨態氮含量均高于間作處理，說明間作減少了礦質氮在土壤中的殘留。吳瓊[25]的試驗表明，間作增加了表層土壤的硝態氮含量，降低了底層的含量，能夠減少土壤硝態氮向下移動。本研究發現，在同一生育時期，各個處理0～20 cm土層的土壤硝態氮和銨態氮含量最高，隨著土層的深入，土壤硝態氮和銨態氮含量均呈下降的趨勢；隨著生育時期的推進，土壤硝態氮含量呈下降趨勢，土壤銨態氮含量呈先上升后下降的趨勢，其中單作馬鈴薯的土壤硝態氮和銨態氮含量都高于間作處理，這與Karpenstein-Machan等[26]的研究結果一致。推測這可能是馬鈴薯與燕麥對土壤速效氮的吸收量不同，以及土壤微生物活動造成的；在馬鈴薯的中后期，海原多次降雨可能也導致了土壤硝態氮的淋失。