覆膜免耕對玉米間作豌豆農田土壤有機碳和氮的影響

丁 磊,柴 強,于愛忠,胡發龍,殷 文,樊志龍,范 虹,任 慧,趙 財

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農業大學 農學院，蘭州 730070)

土壤有機碳和氮素是陸地生態系統的重要組成部分[1]，影響著全球碳氮循環平衡以及氣候變化，同時也是衡量土壤碳氮協調變化和評價土壤質量的重要指標[2-3]。不同的土地利用方式對土壤中有機碳和氮素含量有著不同的影響[4-5]，在農業生態系統中，土壤有機碳和氮素含量不僅是土壤養分的重要組成部分，其含量變化還會影響作物對水分和營養元素的吸收，進而影響作物產量[6]。在農業生產過程中，合理的種植制度和耕作模式，能有效提高土壤有機碳和全氮的含量[7]。有研究表明，免耕和少耕等保護性耕作相比于傳統的翻耕能有效減少土壤侵蝕量，減輕水土流失，改變表層土壤理化性質，提高土壤的有機質、全氮等肥料的含量，從而增加作物產量，提高水分利用效率[8-10]。間作種植模式相較于單作，增加生物多樣性，促進土壤微生物生長繁育，有利于增加農田土壤有機碳含量；而禾豆間作由于豆科作物的加入，有效提高土壤氮素含量[11-12]。

河西綠洲灌區光資源豐富，熱量一熟有余兩熟不足，適宜發展間作套種，但該地區受土壤耕作措施、種植模式、覆蓋措施、施肥水平等因素的影響[13]。傳統的玉米間作小麥已經不再適宜生產實踐的需求，而玉米間作豌豆能促進豆科作物的固氮效率，有效改善間作土壤養分，從而顯著提高氮素利用效率[14]。覆膜免耕可以改善土壤養分，降低土壤溫度，限制玉米早期生長，從而減少玉米與豌豆間作的競爭，促進玉米的補償生長[15]。

目前，有關耕作措施與種植模式在農業生產中的研究大多集中在免耕等保護性耕作措施對農田土壤含水量、地溫及作物生長特性的研究，但是關于免耕措施下，禾豆間作模式對農田有機碳和全氮及其組分的影響研究較少。因此，本文以河西綠洲灌區玉米間作豌豆為研究對象，借助2013年在河西綠洲灌區建立的不同耕作措施長期定位試驗，測定不同耕作措施下農田耕層0～40cm土壤有機碳、全氮、硝態氮、銨態氮和C/N，分析比較耕作措施與間作對土壤有機碳、土壤全氮及其組分含量的影響。以期得到耕作措施與種植模式對河西綠洲灌區農田土壤有機碳、全氮及其組分影響的綜合評價結果，為相關研究提供理論支撐和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

在甘肅省武威市涼州區黃羊鎮甘肅農業大學綠洲農業科研教學基地(37°30′N、103°5′E)進行田間試驗，試驗區位于河西走廊東端，是典型的溫帶大陸性氣候，平均海拔1 506 m，天然降水少，年均降水約156 mm，主要集中在7—9月份；年蒸發量約2 000 mm，日照時數2 969 h，年平均氣溫7.2 ℃，>0 ℃積溫3 513 ℃，≥10 ℃積溫 2 985 ℃，無霜期156 d。該區光照資源豐富，日照充足，適合發展間作；但資源性缺水嚴重，因此該地區農業有“非膜不植”的特點。試驗區土壤為灌淤土，試驗開始前0～40 cm土壤理化性狀見 表1。

表1 0～40 cm土壤理化性狀Table 1 Soil physical and chemical properties at depth of 0-40 cm

1.2 試驗材料

豌豆(PisumsativumL.)品種為‘隴豌1號’，玉米(ZeamaysL.)品種為‘先玉335’；施肥為當地常規施肥，單作豌豆總施肥量為108 kg·hm-2氮肥，單作玉米與玉米間作豌豆總施肥量為360 kg·hm-2氮肥；白色農用地膜的寬度為120 cm，厚度為0.01 mm。試驗區玉米為全膜覆蓋種植，豌豆為不覆膜種植。試驗于每年3月上旬播種豌豆，6月下旬收獲；玉米于4月下旬播種，10月收獲。

1.3 試驗設計

試驗設2種耕作方式：傳統覆膜耕作(CT)、覆膜免耕(NT)，3種種植模式：單作玉米(M)、玉米間作豌豆(M/P)、單作豌豆(P)；玉米單作種植密度為9萬株·hm-2(行距40 cm，株距27 cm)。豌豆單作處理種植密度為180萬株·hm-2(行距20 cm)分行種植。玉米與豌豆間作模式采用 3∶4種植(3行玉米和4行豌豆)，玉米行距40 cm，株距27 cm，豌豆行距20 cm，玉米與豌豆間距25 cm，其中玉米密度為5.2萬株·hm-2，豌豆密度為76萬株·hm-2。灌水與施肥與當地傳統相同，灌溉定額4 650 m3·hm-2；玉米總施氮量為360 kg·hm-2，豌豆總施氮量為135 kg·hm-2，磷肥按照N∶P為2∶1的比例，即180 kg·hm-2。試驗共設6個處理，各處理重復3次，共計18個小區，小區面積7 m×8 m=56 m2。試驗處理及代碼如表2所示。

表2 試驗處理及代碼Table 2 Test processing and code

1.4 樣品采集與測定指標

2019、2020年玉米收獲后在每個小區沿對角線等距離3點各取0～20 cm和20～40 cm土層供試土樣，3點同層次土樣混合均勻后自然風干，挑去其中的石塊草根，磨細過100目篩，備用，測定土壤基礎養分。在玉米間作豌豆每個小區分別靠豌豆帶和玉米帶中間兩點按0～20 cm和20～40 cm兩個層次、單作豌豆和單作玉米每個小區沿對角線靠中間兩點分0～20 cm和20～40 cm兩個層次取土。

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；全氮含量采用Elemantar元素分析儀進行測定，測定時稱取120 mg樣品；土壤硝態氮和銨態氮含量采用全自動間斷化學分析儀測定，測定前將所取土樣分別稱取2 g，用2 mol·L-1KCl溶液浸提土壤溶液中的硝態氮與銨態氮。

土壤碳氮比：表示碳、氮元素在土壤中的相對大小關系，土壤碳氮比越大表示土壤碳含量相對高于氮素含量，土壤碳氮比越小表示土壤氮素含量相對高于土壤碳含量。

1.5 數據處理

有機碳、全氮、硝態氮、銨態氮含量和C/N在玉米間作豌豆的試驗中采用加權平均法計算,計算公式為[以有機碳(SOC)為例]：SOC平均值=(SOC玉米×19/11)+(SOC豌豆×19/8)

采用Excel 2016制圖，SPSS 19.0對數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 覆膜免耕對玉米間作豌豆土壤有機碳含量的影響

2 a研究結果表明，NT較CT顯著增加0～20 cm和20～40 cm土層有機碳含量，增幅分別為4.8%和5.4%。耕作措施與種植模式對0～40 cm土壤有機碳含量均有顯著影響(P<0.05)，而兩者互作效應(P>0.05)對其無顯著影響(圖1)。同一種植模式下，NT較CT處理顯著提高玉米間作豌豆和單作玉米在0～20 cm與20～40 cm土層土壤有機碳含量，提高量為 4.0%、5.7%和6.9%、6.4%，單作豌豆影響不顯著。NT與CT處理下，種植模式之間土壤有機碳含量差異顯著，玉米間作豌豆較單作玉米0～20 cm、20～40 cm土層有機碳含量高4.6%、5.9%和7.5%、6.5%，較單作豌豆低6.8%、5.2%和7.1%、6.6%。綜上所述，NT相比于CT對提高土壤有機碳含量具有顯著的促進作用，而種植模式之間玉米間作豌豆較單作玉米明顯提高土壤有機碳含量。

2.2 覆膜免耕對玉米間作豌豆土壤全氮含量的影響

2 a間玉米收后土壤全氮含量變化趨勢一致，即NT較CT顯著提高0～20 cm土層全氮含量，增幅為5.3%，但兩個覆蓋處理20～40 cm土層全氮含量差異不顯著。耕作措施(P<0.05)和種植模式(P<0.05)對0～40 cm土層全氮含量影響均顯著；二者互作效應(P>0.05)對0～40 cm土層全氮無顯著影響(圖2)。NT較CT處理對單作豌豆在各土層中土壤全氮含量差異不顯著；而玉米間作豌豆與單作玉米在0～20 cm土層中能分別提高土壤全氮含量5.0%和8.8%，在 20～40 cm土層中土壤全氮含量差異不顯著。相同耕作措施，不同種植模式相比較，單作豌豆土壤全氮含量顯著高于玉米間作豌豆和單作玉米處理；NT和CT處理下，玉米間作豌豆較單作玉米顯著增加了0～20 cm土層中土壤全氮的含量，分別增加了7.0%和10.9%；而在20～40 cm土層中土壤全氮含量差異不顯著。由此可以看出，由于覆膜免耕較傳統覆膜耕作減少對土壤的擾動，從而提高了0～20 cm土層土壤全氮含量，而對20～40 cm土層全氮含量影響差異不顯著。在不同的種植模式下，間作由于豆科植物的加入，相比較單作玉米，有效提高土壤全氮含量。

2.3 覆膜免耕對玉米間作豌豆土壤硝態氮、銨態氮含量的影響

耕作措施、種植模式以及兩者的互作效應對0～40 cm土層硝態氮和銨態氮含量均有顯著影響(表3)。不同種植模式及耕作措施下土壤硝態氮0～20 cm(13.90～25.22 mg·kg-1)含量高于20～40 cm(11.06～21.32 mg·kg-1)。NT較CT土壤硝態氮含量在0～20 cm、20～40 cm土層分別提高11.3%、16.8%；由于覆膜免耕條件下氮素水解較快，使得NT較CT處理顯著提高玉米間作豌豆和單作玉米在0～20 cm與20～40 cm土層的硝態氮含量，提高量為7.6%、21.9%和29.8%、41.0%。NT與CT處理下，種植模式之間土壤硝態氮含量差異顯著，均表現為SP>M/P>SM，其中玉米間作豌豆較單作玉米0～20 cm、20～40 cm土層硝態氮含量高 14.5%、29.3%和38.2%、49.5%。

表3 覆膜免耕玉米間作豌豆土壤硝、銨態氮含量Table 3 Soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen content in maize/pea intercropping under no-tillage with mulching of plastic film

NT較CT顯著提高0～20 cm、20～40 cm土層土壤銨態氮含量，分別提高18.0%、14.6%。0～20 cm土層中NT處理下的玉米間作豌豆與單作玉米土壤銨態氮含量明顯高于CT處理，分別高14.7%和52.8%。而在20～40 cm土層中，僅NT處理下的單作玉米土壤銨態氮含量顯著高于CT處理。相同耕作措施下，種植模式之間土壤銨態氮含量差異顯著，均表現為SP>M/P>SM。其中玉米間作豌豆較單作玉米0～20 cm、20～40 cm土層銨態氮含量高21.6%、23.3%和62.0%、79.5%。

由此可見，NT較CT處理可有效提高土壤 0～40 cm硝態氮和銨態氮的含量。而不同種植模式之間土壤硝態氮和銨態氮含量表現為SP>M/P>SM。

2.4 覆膜免耕對玉米間作豌豆土壤C/N的影響

碳氮比(C/N)是指基質中碳的總含量與氮的總含量的比值，適當的碳氮比例，有助于土壤微生物的活性。耕作措施與種植模式(P<0.05)對 0～20 m土層C/N有顯著影響，兩者互作效應(P>0.05)對其無顯著影響；而對20～40 cm土層C/N均無顯著影響(圖3)。同一種植模式，不同耕作措施之間相比較：玉米間作豌豆與玉米單作條件下，NT較CT 0～20 cm土壤C/N分別降低4.7%和7.6%，而土壤C/N在20～40 cm土層各處理之間均無顯著性差異。同一耕作措施，不同種植模式之間相比較，0～20 cm土層C/N均表現為SM>M/P>SP。

3 討 論

與傳統覆膜耕作相比，保護性耕作能有效改善土壤表層的肥力[16]。研究表明，耕作方式主要影響0～30 cm土層中的有機碳和氮,而覆膜免耕有效地提高0～15 cm土層有機碳和全氮的儲量[17-18]，使土壤養分出現表層富集現象。本研究中，覆膜免耕較傳統覆膜耕作顯著提高玉米間作豌豆與單作玉米0～40 cm土層有機碳的含量；同時也提高玉米間作豌豆與單作玉米0～20 cm土層全氮含量，但20～40 cm土層全氮含量差異不顯著；而耕作措施對單作豌豆在0～40 cm土層有機碳和全氮含量無顯著影響，說明覆膜免耕相比于傳統覆膜耕作對提高土壤有機碳和全氮含量具有顯著的促進作用。其主要原因如下：一方面是覆膜免耕能夠減少土壤擾動次數，增加土壤腐殖質的積累，促進土壤有機碳和全氮的積累[19]，另一方面是覆膜免耕土壤近地表處土壤有機質含有植物所需的多種養分特別是氮素，土壤表層中有機質大約有80%～97%的氮[20]，而單作豌豆差異不顯著的原因可能是各處理下的豌豆在生育期內自身固氮和根系分泌物有關，也有可能是豌豆收獲后根系殘留物降解和微生物分解有機質有關。

通過長期土壤碳氮變化的研究發現，合理的農田管理措施會增加土壤有機碳和全氮含量,從而改善土壤質量[21]，而間作較單作模式能有效提高大麥間作豌豆農田土壤有機碳和全氮的含量[22]。本研究表明，在各耕作措施下，玉米間作豌豆較單作玉米能有效提高0～40 cm土層有機碳的含量；但僅提高0～20 cm土層全氮含量，對20～40 cm土層無顯著差異。原因可能是間作種植模式，增加了農田的生物多樣性，強化了種間邊緣效應，導致土壤中微生物的數量增加，有利于土壤有機碳的積累[11]，另一個原因是間作由于豆科植物的加入，相比單作玉米,有效提高土壤全氮含量[12]。

硝態氮和銨態氮是植物吸收利用的兩種主要無機氮，本研究發現覆膜免耕較傳統處理顯著提高間作與單作玉米0～40 cm土層硝態氮的含量，對單作豌豆影響異不顯著。覆膜免耕較傳統覆膜耕作提高玉米間作豌豆0～20 cm銨態氮含量，對20～40 cm差異不顯著，但對單作玉米0～40 cm土層銨態氮含量差異顯著。原因可能是土壤硝 化-反硝化作用過程中的硝酸鹽淋溶和氣態氮素的損失導致土壤氮素的流失[23]，而覆膜免耕條件下，氮素水解較快，導致土壤銨態氮和硝態氮含量較高，也有可能是覆膜免耕較傳統覆膜耕作降低了氨揮發量，降低損失消耗所致[20]。間作種植系統中，禾本科作物競爭資源的能力高于豆科作物，促使與之間作的豆科作物固定更多的大氣氮，而豆科作物也可以把自身的氮素供給臨近禾本科作物吸收，改善禾本科作物的供氮條件，有利于禾本科作物生長[24]。本研究表明，在同一耕作措施下，不同種植模式0～40 cm土層硝態氮與銨態氮的含量均表現為：SP>M/P>SM。主要原因是玉米間豌豆種植模式，可以減少土壤中硝態氮的累積和淋失，增加銨態氮含量，從而提高氮肥利用效率[25-26]。

土壤C/N通常被認為是土壤質量變化的重要指標，對作物的生長發育具有重要影響[27]。一定范圍內的土壤C/N，有利于微生物在有機質分解過程中釋放養分，促進土壤中有效氮的增加，有利于作物的生長[28]。本研究表明：土壤C/N在20～40 cm土層各處理之間差異不顯著。耕作措施下，土壤C/N在0～20 cm土層表現為SM>M/P>SP，同一種植模式,不同耕作措施下，間作與單作玉米土壤C/N均表現為覆膜免耕低于傳統覆膜耕作，而單作豌豆差異不顯著?？赡艿脑蚴?0～40 cm土層碳和全氮含量降低，導致各處理間差異不顯著，而保護性耕作能有效提高土壤表層有機碳和全氮含量，減少了土壤擾動，降低了碳、氮損失，促進了土壤團聚體對有機碳的保護作用，同時也增加了作物根系對氮素的吸收，合理調節土壤C/N[18,27]。不同種植模式下，玉米間作豌豆較單作玉米，由于豆科植物的加入，增加了農田生物的多樣性，從而提高了土壤有機碳和全氮含量[12]，有效降低了土壤C/N。

4 結 論

覆膜免耕較傳統覆膜耕作促進了間作與單作玉米土壤0～40 cm土層有機碳和氮素的積累，而對單作豌豆在0～40 cm土層有機碳和氮素含量差異不顯著；同時，覆膜免耕玉米間作豌豆較單作玉米可顯著提高土壤有機碳、全氮、硝態氮和銨態氮含量；也合理地降低了0～20 cm的C/N，促進土壤碳氮的分解，提高農田耕層土壤肥力。因此，覆膜免耕玉米間作豌豆為該區域減少地膜投入、高效、可持續間作生產模式。