生物炭對(duì)紫花苜蓿/玉米間作系統(tǒng)氮吸收的影響

摘要：施加生物炭有利于提高土壤氮素吸收利用效率。本研究通過田間試驗(yàn)，明確施加生物炭對(duì)紫花苜蓿（Medicago sativa L.）/玉米（Zea mays L.）間作系統(tǒng)氮吸收的影響。試驗(yàn)共有6個(gè)處理：玉米單作（M），苜蓿單作（A），玉米/苜蓿間作（MA），間作均施生物炭（McAc），間作僅玉米施生物炭（McA），間作僅苜蓿施生物炭（MAc）。結(jié)果表明：不同間作處理土地當(dāng)量比（Land equivalent ratio，LER）均大于1，McAc的LER最高；與MA相比，施加生物炭可顯著提高紫花苜蓿及玉米單株地上部氮含量，且McAc的土壤堿解氮含量提高24.95%，根表面積密度增加34.23%～275.72%，進(jìn)而提高了根系吸收氮素的能力。綜上，施加生物炭可以提高土壤堿解氮含量和增加植物根表面積密度，提高紫花苜蓿/玉米間作氮吸收，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。相比于玉米，施加生物炭對(duì)紫花苜蓿效果良好，紫花苜蓿和玉米都施加生物炭效果最好。

關(guān)鍵詞：生物炭；豆/禾間作；土壤氮素；土地當(dāng)量比

中圖分類號(hào)：S963.22+3.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0435（2024）04-1217-07

Effect of Biochar on Nitrogen Uptake in Alfalfa/maize Intercropping System

ZHANG Yu-ting， ZANG Jun-rui， ZHANG Zhi-xin， ZHOU Kun， ZHANG Ying-hao， SUN Luan-zi*

Abstract：The application of biochar could improve the efficiency of nitrogen absorption and utilization in soil. This study conducted field experiments to clarify the effect of biochar application on nitrogen uptake in the alfalfa （Medicago sativa L.） and maize （Zea mays L.） intercropping system. The experiment was divided into six treatments：maize monocropping （M），alfalfa monocropping（A），alfalfa and maize intercropping （MA）. Biochar was applied to both alfalfa and maize intercropping （McAc），only maize intercropping （McA） and alfalfa intercropping（MAc）. The results showed that the LER （land equivalent ratio） of different intercropping treatments was greater than 1，and McAc had the highest LER. Compared with MA，the application of biochar significantly increased the aboveground nitrogen content of alfalfa and corn plants by 11.63%～48.84%，and the soil alkaline nitrogen content of McAc increased by 24.95%，increaed the root surface area density by 34.23%～275.72%. In conclusion，the application of biochar can increase the content of soil available nitrogen and root surface area density，enhance nitrogen absorption in alfalfa/corn intercropping，and thereby increase crop yield. Compared with maize，alfalfa had more advantages when biochar was applied. Both alfalfa and maize had the best effect when Biochar was applied.

Key words：Biochar;Leguminous/gramineous intercropping;Soil nitrogen;The Land equivalent ratio

氮素是作物生長(zhǎng)過程中需求較多的養(yǎng)分之一，對(duì)提高作物產(chǎn)量具有重要作用［1］。但是，作物對(duì)土壤氮素的利用效率普遍較低，已造成資源浪費(fèi)、土壤板結(jié)、水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題［2］。間作可以通過利用作物地上部及地下部形態(tài)差異［3］，使植物能更有效利用土壤氮素，也可以通過種間根系競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)植物對(duì)氮素的吸收，緩解連作障礙，提高氮素利用效率［4］。由于豆科作物可以通過生物固氮向附近的非豆科作物提供部分氮素，且豆科和非豆科作物的根系具有明顯不同，相比普通間作模式，豆科/非豆科間作模式對(duì)提高氮素效率、進(jìn)一步減少氮肥施用更具有明顯作用［5］。

生物炭是將木材、農(nóng)作物廢棄物、植物組織等通過高溫（500～600℃）分解所形成的一種富含碳的產(chǎn)物，具有疏松多孔、比表面積大的特點(diǎn)，是當(dāng)前熱門的土壤改良劑之一［6］。生物炭不僅可以增強(qiáng)土壤對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸附能力，提高土壤的含水量，增強(qiáng)土壤對(duì)氮素的吸附和固定能力［7］，還可以為土壤細(xì)菌生長(zhǎng)與繁殖提供良好的棲息環(huán)境［8］，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解，提高土壤無機(jī)氮［9］。目前對(duì)生物炭的研究主要集中在單作和間作糧食作物上［10］，生物炭對(duì)飼用作物間作系統(tǒng)氮吸收的影響尚未闡明。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和玉米（Zea mays L.）因產(chǎn)量高、品質(zhì)好，是我國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)牧草。玉米和紫花苜蓿的間套作種植處理已在全國(guó)各地成功推廣，并取得了較好的收益。本試驗(yàn)以紫花苜蓿/玉米間作系統(tǒng)為研究對(duì)象，明確施用生物炭對(duì)紫花苜蓿/玉米間作系統(tǒng)種間競(jìng)爭(zhēng)及氮素吸收的作用，為優(yōu)化紫花苜蓿/玉米間作系統(tǒng)的栽培措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2021年在陜西省延安市安塞區(qū)中科院水利部水土保持試驗(yàn)站展開，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°52′～109°26′，北緯36°31′～37°20′。該試驗(yàn)點(diǎn)地處黃土高原腹地，海拔1 068～1 309 m，屬于溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，為雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)。年均氣溫8.8℃，年日照時(shí)間2 395.6 h，年均降雨量505 mm，無霜期157 d，土壤類型為典型黃綿土。土壤理化性質(zhì)指標(biāo)如下：土壤pH值為8.14，土壤容重1.28～1.34 g·cm-3，土壤有機(jī)質(zhì)含量9.28 g·kg-1，土壤全氮含量0.55 g·kg-1，堿解氮含量34.43 mg·kg-1，速效磷含量8.98 mg·kg-1，速效鉀含量113.76 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以紫花苜蓿/玉米間作復(fù)合系統(tǒng)為研究對(duì)象，供試紫花苜蓿品種為‘金皇后’，玉米品種為‘中原單32號(hào)’。試驗(yàn)分為六個(gè)處理：玉米單作（M），苜蓿單作（A），玉米/苜蓿間作（MA），間作中均施生物炭（McAc），僅玉米施生物炭（McA），以及間作中僅苜蓿施生物炭（MAc）處理（圖1）。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理3次重復(fù)。小區(qū)面積6 m×9 m，區(qū)組間距1.5 m，以避免相互之間的影響。生物炭選用小麥秸稈生物炭，所施加生物炭的物理及化學(xué)性質(zhì)同王毅等人［11］一致。各處理生物炭施用量一致，為15t·hm-2。生物炭只在第一年播種前施用。施用后，使用翻耕機(jī)將生物炭與土壤均勻混合。紫花苜蓿于2021年5月初與玉米同時(shí)播種，紫花苜蓿播種量為15 kg·hm-2，玉米播種量為60 000 株·hm-2，每年10月玉米收獲后，次年5月初繼續(xù)播種，播前施尿素140 kg·hm-2和過磷酸鈣70 kg·hm-2作為底肥。生育期內(nèi)采用人工除草。本研究于試驗(yàn)第二年系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)行采樣和測(cè)定。

1.3 指標(biāo)測(cè)定與計(jì)算

1.3.1 土壤養(yǎng)分測(cè)定 在玉米灌漿期（同時(shí)為紫花苜蓿初花期）用土鉆收集0～20 cm，20～60 cm，60～100 cm共3個(gè)土層的土壤。間作分別在紫花苜蓿的行間與行上、玉米的行間與行上、間作紫花苜蓿與玉米的中間位置取樣，單作紫花苜蓿與單作玉米分別于作物行上和行間進(jìn)行取樣，將行間和行上樣品均勻混合作為1份土壤樣本，用來測(cè)定紫花苜蓿及玉米根系周圍土壤堿解氮含量，紫花苜蓿與玉米中間位置的樣本用來測(cè)定紫花苜蓿-玉米間土壤堿解氮含量，土壤自然風(fēng)干后采用AA3流動(dòng)分析儀（SEAL）進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 根系指標(biāo)測(cè)定 用直徑9 cm的根鉆收集100 cm深度的根系，在土層0～20 cm中，間隔10 cm取樣；20～100 cm中，間隔20 cm取樣，取樣方法與土樣相同。將根鉆采集到的所有粗根（d ≥ 1 mm）挑揀，細(xì)根（dlt;1 mm）過20目篩后，共同用自來水清洗干凈，使用LA-S植物根系分析儀系統(tǒng)（杭州萬深檢查科技有限公司）進(jìn)行掃描分析。

1.3.3 產(chǎn)量測(cè)定 玉米成熟期時(shí)，在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3株，齊地面刈割。紫花苜蓿共刈割3次，前2次于初花期進(jìn)行，最后1次與玉米共同收割，取樣時(shí)，隨機(jī)選擇3行紫花苜蓿，各取0.5 m進(jìn)行刈割。地上部所有鮮樣置于烘箱中105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重，進(jìn)行稱量。

1.3.4 間作優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算 不同間作系統(tǒng)下土地當(dāng)量比（Land equivalent ratio，LER）、紫花苜蓿相對(duì)玉米的資源競(jìng)爭(zhēng)力（Aggressivity，APM）依據(jù)以下公式計(jì)算：

LER =（Yia/Ysa）+ （Yim/Ysm）

式中，Ysa和Yia分別表示單作和間作苜蓿產(chǎn)量，Ysm和Yim分別表示單作和間作玉米產(chǎn)量。LERgt;1意味著間作系統(tǒng)的生產(chǎn)力大于單作系統(tǒng)生產(chǎn)力的總和。

APM= Yia /（Ysa×Za）- Yim/（Ysm×Zm）［12］

式中，Za和Zm分別是間作系統(tǒng)中間作苜蓿和間作玉米的比例。APMgt;0表明苜蓿競(jìng)爭(zhēng)力大于玉米，APMlt;0則表明玉米競(jìng)爭(zhēng)力大于苜蓿。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 采用Microsoft Excel 2016對(duì)田間樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與統(tǒng)計(jì)分析；采用Prism 8.0軟件進(jìn)行繪圖；采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA），將平均值與最小顯著性差異（LSD）檢驗(yàn)在Plt;0.05顯著性水平上進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)產(chǎn)量的影響

MA的LER大于1，說明紫花苜蓿/玉米間作有間作優(yōu)勢(shì)。McA，MAc和McAc的LER均大于MA。其中McAc的LER最高，生產(chǎn)力最高（圖2B）。相比于MA，McA中玉米產(chǎn)量顯著增加了8.59%（Plt;0.05），紫花苜蓿產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定；MAc中紫花苜蓿產(chǎn)量顯著增加了22.83%，玉米產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定；McAc中的紫花苜蓿和玉米的作物產(chǎn)量分別顯著提高了28.61%和11.66%（Plt;0.05）（圖2A）。McA，MAc及McAc的APM均大于MA，間作系統(tǒng)下紫花苜蓿的資源競(jìng)爭(zhēng)力大于玉米（圖2C）。

2.2 生物炭對(duì)植物氮素吸收的影響

與單作相比，MA的紫花苜蓿地上部氮含量顯著增加了101.71%（Plt;0.05），玉米地上部氮含量顯著增加了45.32%（Plt;0.05）。相比于MA，McA中紫花苜蓿的地上部氮含量相對(duì)穩(wěn)定，玉米顯著增加了33.34%（Plt;0.05）；MAc中玉米的地上氮含量顯著增加了27.77%（Plt;0.05），紫花苜蓿顯著增加了32.68%（Plt;0.05），施加生物炭不僅能提高施用位置的植物氮吸收，也能提高相鄰未施加生物炭的植物氮吸收量。McAc中玉米氮含量顯著提高了48.84%（Plt;0.05），地上氮吸收量提高最多（圖3）。

2.3 生物炭對(duì)土壤堿解氮含量的影響

與單作相比，MA的紫花苜蓿根系周圍土壤堿解氮含量顯著提高了13.23%（Plt;0.05），相比于MA，McA的紫花苜蓿根系周圍土壤堿解氮含量顯著降低了35.97%（Plt;0.05），McAc相對(duì)穩(wěn)定（圖4A）。與單作相比，間作處理的玉米根系周圍土壤堿解氮含量均有所降低（圖4C）。相比于MA，McAc及MAc的紫花苜蓿-玉米間土壤堿解氮含量均顯著提高（Plt;0.05），McAc提高最多，為24.95%（圖4B）。

2.4 生物炭對(duì)根系結(jié)構(gòu)的影響

由圖5可見，與單作相比，在0～100 cm土層范圍內(nèi)MA中紫花苜蓿的根長(zhǎng)密度（RLD）有部分增加，玉米R(shí)LD顯著減少了24.51%（Plt;0.05）。與MA相比，MAc中紫花苜蓿的RLD有所增加，玉米R(shí)LD顯著減少了15.01%（Plt;0.05），紫花苜蓿-玉米間RLD也有所下降；McA中玉米的RLD顯著減少了26.55%（Plt;0.05），紫花苜蓿RLD也顯著減少了36.03%（Plt;0.05），紫花苜蓿-玉米間RLD顯著減少了110.14%（Plt;0.05），說明生物炭不僅直接降低施用位置植物的RLD，也會(huì)降低相鄰未施用植物的RLD（圖5A-C）。

與單作相比，0～100 cm土層范圍內(nèi)MA的紫花苜蓿及玉米根表面積密度（RSD）沒有明顯變化。與MA相比，MAc中紫花苜蓿的RSD顯著增加了43.46%（Plt;0.05），玉米R(shí)SD顯著增加了34.23%（Plt;0.05）；McA中玉米和紫花苜蓿的RSD沒有明顯提高，但紫花苜蓿-玉米間根系的RSD顯著減少了80.54%（Plt;0.05），說明間作系統(tǒng)中，生物炭可直接增加被施用植物的RSD，也間接影響相鄰植物的RSD。McAc中紫花苜蓿、玉米以及紫花苜蓿-玉米間根系的RSD均有顯著增加，分別增加了46.63%，73.22%以及275.72%（Plt;0.05）（圖5D-F）。

3 討論

植物對(duì)土壤氮素的吸收和利用主要取決于土壤氮含量及植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育兩方面，在根系生長(zhǎng)的各種指標(biāo)中，RLD反映根系在土壤中的延伸總長(zhǎng)度，代表植物對(duì)土壤資源的占有能力，RSD則反映根系與土體的接觸面積大小，代表對(duì)有限土壤資源的吸收［13］。本試驗(yàn)中，相較于單作，間作系統(tǒng)下紫花苜蓿和玉米的單株氮含量均顯著提高，一方面是由于間作下，紫花苜蓿能通過生物固氮向玉米提供部分氮素，玉米也能緩解紫花苜蓿根際氮阻遏［14-15］，使其能利用更多土壤氮素［16］；另一方面，紫花苜蓿和玉米分別作為直根系作物和須根系作物，具有不同的根系構(gòu)型，其間作能有效利用地下空間進(jìn)行根系的生長(zhǎng)和發(fā)育［17］。與單作相比，紫花苜蓿/玉米間作中玉米的RLD下降，RSD升高；而紫花苜蓿的RLD升高，RSD減少，這種變化使紫花苜蓿根系延伸更長(zhǎng)，能吸收更多土壤深層的氮素，玉米根系表面積增大，能吸收更多土壤淺層氮素，最終促進(jìn)間作紫花苜蓿和玉米的產(chǎn)量提高，間作LER大于1。

施加生物炭不僅能增加土壤氮含量［18］，生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)還能改變土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤氮礦化速率，使植物能吸收更多土壤氮素［19-20］。同時(shí)生物炭還具有提高根系生長(zhǎng)相關(guān)酶活性及有機(jī)酸含量、促進(jìn)根系中生長(zhǎng)素等物質(zhì)生物合成，調(diào)節(jié)根系生長(zhǎng)的作用［21］。與MA相比，McA的紫花苜蓿根系周圍土壤堿解氮含量及紫花苜蓿、玉米R(shí)LD均顯著降低，紫花苜蓿-玉米間RLD大幅降低，但紫花苜蓿的地上部氮含量未降低，玉米的地上部氮含量顯著增加。這表明間作向玉米施加生物炭一方面能增加玉米根系周圍土壤堿解氮含量，使玉米能吸收更多土壤氮素;另一方面，玉米根系周圍氮含量的增加有效緩解了紫花苜蓿/玉米間對(duì)土壤養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，使紫花苜蓿及玉米的根系延伸均受到抑制，RLD降低。但由于紫花苜蓿不僅能吸收土壤氮素，還能夠通過生物固氮利用大氣中的氮素［22］，因此，紫花苜蓿的地上部氮含量并沒有降低。而在MAc中，與MA相比，紫花苜蓿地上部氮含量顯著提高，這是由于施加生物炭能促進(jìn)紫花苜蓿RSD顯著增加，提高紫花苜蓿根系吸收土壤氮素的能力，促進(jìn)紫花苜蓿和玉米的種間競(jìng)爭(zhēng)。玉米對(duì)土壤氮素的競(jìng)爭(zhēng)還可以緩解紫花苜蓿根際氮阻遏，促進(jìn)紫花苜蓿對(duì)土壤氮素的吸收利用［23］。對(duì)玉米而言，紫花苜蓿作為豆科植物，可以通過根系接觸向伴生的禾本科植物轉(zhuǎn)移部分氮素［24］，紫花苜蓿和玉米競(jìng)爭(zhēng)的加劇，使紫花苜蓿-玉米間RLD增加，促進(jìn)了紫花苜蓿向玉米轉(zhuǎn)移部分氮素，因此MAc中玉米地上部氮含量也有顯著提高。相比于MA，McAc中紫花苜蓿地上部氮含量沒有明顯變化，玉米地上部氮含量顯著增加，紫花苜蓿-玉米間土壤堿解氮含量及RSD均顯著增加，RLD顯著下降。向紫花苜蓿和玉米都施加生物炭能通過增加土壤堿解氮含量，有效緩解間作紫花苜蓿和玉米競(jìng)爭(zhēng)土壤養(yǎng)分的壓力，從而導(dǎo)致紫花苜蓿及玉米的根系延伸減緩，RLD降低。但生物炭還能通過促進(jìn)RSD的增加，提高植物根系對(duì)土壤氮素的吸收能力。由于紫花苜蓿是直根系植物，玉米是須根系植物，在生物炭主要起作用的表層土壤中，RSD的增加對(duì)玉米而言更有作用，因此，McAc對(duì)玉米地上部氮含量的增加更顯著。由于本試驗(yàn)開展于紫花苜蓿/玉米間作系統(tǒng)的第二年，此時(shí)紫花苜蓿的根系經(jīng)過一年的生長(zhǎng)已經(jīng)深入地下，相比于玉米而言能吸收更多深層土壤養(yǎng)分，同時(shí)紫花苜蓿通過生物固氮，可利用的氮素本身比玉米更多。因此在不同生物炭處理下，間作系統(tǒng)中紫花苜蓿相對(duì)于玉米的APM均大于0，紫花苜蓿在間作系統(tǒng)中更占優(yōu)勢(shì)［25］。

4 結(jié)論

紫花苜蓿/玉米間作施加生物炭不僅能提高植物能吸收的土壤堿解氮的含量，還能通過增加根系RSD提高植物對(duì)土壤氮素的吸收能力。只對(duì)紫花苜蓿施加生物炭能增加紫花苜蓿/玉米間競(jìng)爭(zhēng)，只對(duì)玉米施加生物炭能降低紫花苜蓿/玉米間競(jìng)爭(zhēng)，相比于玉米，施加生物炭對(duì)紫花苜蓿效果更好，紫花苜蓿和玉米都施加生物炭對(duì)提高間作產(chǎn)量的作用最大。

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（責(zé)任編輯 彭露茜）

收稿日期：2023-08-22；修回日期：2023-10-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金青年項(xiàng)目（32001403）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32160761）資助

作者簡(jiǎn)介：張鈺婷（1999-），女，漢族，陜西城固人，碩士研究生，主要從事牧草飼料作物栽培研究，E-mail：zzytt2023@163.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：sunluanzi@163.com