楊祥波，姚 凱

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院，吉林 吉林 132101；2.海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，海南 海口 570228）

谷物與豆科植物間作在提升農(nóng)牧生產(chǎn)力方面具有積極貢獻(xiàn)［1］，禾本科植物與豆科牧草混播更是農(nóng)牧交錯區(qū)域較為理想的種植模式［2］。作為禾本科植物，玉米種植面積在我國長期居于首位，為追求高產(chǎn)，過量施氮現(xiàn)象普遍，這對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境也造成了難以逆轉(zhuǎn)的壓力。紫花苜蓿是一種經(jīng)濟(jì)價值較高的多年生豆科牧草，苜蓿根瘤菌具有強烈的固氮能力［3］。從植株形態(tài)和根系類型的差異來看，玉米和紫花苜蓿在接納地上陽光和地下根系空間分布上均具有相對獨立的空間［4］，間作后可產(chǎn)生互利共生、優(yōu)勢互補的效果，兩者間作可相互利用作物殘體分解的物質(zhì)或根系分泌物活化土壤養(yǎng)分，可利用兩者的生態(tài)位優(yōu)化資源利用、提高經(jīng)濟(jì)收入［5］。李玉璽等［6］報道了玉米間作紫花苜?？娠@著提高玉米產(chǎn)量且可有效防止白漿土磷素有效性的降低。苜蓿與玉米間作后，土壤理化性質(zhì)明顯改善，主要表現(xiàn)在土壤有機質(zhì)、有機氮和速效氮含量的增加［3］。此外，間作亦可影響土壤微生物區(qū)系，張向前等［7］研究認(rèn)為，玉米與花生（或大豆）間作在不同施肥條件下可顯著增加土壤細(xì)菌、真菌、放線菌和固氮菌的數(shù)量。章家恩等［8］研究發(fā)現(xiàn)，玉米、花生按照4∶2 間作栽培不僅提高了間作系統(tǒng)根區(qū)土壤的堿解氮、有效磷和有機質(zhì)含量，而且使根區(qū)微生物群落功能多樣性和代謝活性得以改善；張萌萌等［9］研究認(rèn)為，桑樹/苜蓿間作能改變作物根際土壤微生物群落的主要碳源類型，進(jìn)而改善微生物活性。眾所周知，腐殖質(zhì)是腐殖化過程的產(chǎn)物，其形成和積累是土壤肥力提升的物質(zhì)保障，該過程是由微生物驅(qū)動的，間作模式通過影響微生物區(qū)系變化必然會影響土壤的腐殖質(zhì)組成。

當(dāng)前，關(guān)于玉米間作豆科植物在土壤培肥方面起到的積極作用有所報道，但以腐殖質(zhì)組成為評價指標(biāo)進(jìn)行不同施氮水平下玉米間作紫花苜蓿對土壤培肥效果的研究更是不多。為此，基于玉米間作紫花苜蓿的大田試驗，以玉米單作為對照，通過不同施氮水平的設(shè)置，研究了玉米生育關(guān)鍵期（拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期）耕層土壤總有機碳（TOC）和腐殖質(zhì)組成特征的變化，以揭示玉米間作紫花苜蓿在白漿土培肥方面的優(yōu)勢作用，為該技術(shù)模式在我國東北農(nóng)牧交錯區(qū)的推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗選址吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院北大地玉米試驗田（N 43°57′07″、E 126°28′32″），屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，土壤類型為白漿土，基本性質(zhì)如下：有機質(zhì)13.6 g/kg、全氮0.77 g/kg、堿解氮126.6 mg/kg、有效磷40.8 mg/kg、速效鉀134.9 mg/kg、pH 值5.42。

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于2016 年，現(xiàn)已連續(xù)進(jìn)行3 年。試驗設(shè)玉米單作（M）和玉米間作紫花苜蓿（I）兩種種 植 方 式， 設(shè) 置N 140、175、200 和225 kg/hm24 個 施 氮 水 平， 分 別 用N-28、N-35、N-40 和N-45 表示，以玉米單作不施肥為對照（CK），共設(shè)8 個處理：4 個施氮水平下的玉米單作用M-N-28、M-N-35、M-N-40 和M-N-45 表示，4 個施氮水平下的玉米間作紫花苜蓿用I-N-28、I-N-35、I-N-40 和I-N-45 表示。每個處理重復(fù)3 次，共27個小區(qū)，每個小區(qū)寬為9.66 m、縱長為11 m，面積為106.26 m2，區(qū)組間設(shè)有保護(hù)行。供試玉米品種為先玉335，紫花苜宿品種為北方型四級苜蓿。各處理P2O5和K2O 施用量相等，分別為70 和80 kg/hm2。施肥方式為：1/3 N、全部P2O5和1/2 K2O作基肥；拔節(jié)期追施2/3 N 和1/2 K2O。供試肥料為尿素、磷酸二銨和氯化鉀。

無論哪種種植方式，玉米栽種密度均為6.5萬株/hm2。玉米單作時，壟寬64.0 cm、株距24.0 cm；玉米間作紫花苜蓿時，兩壟玉米、單壟雙行種植苜蓿交替進(jìn)行，壟寬64.0 cm，玉米株距15.9 cm，雙行苜蓿占據(jù)一壟、行距為30 cm。本年度試驗于2018 年5 月4 日播種玉米，5 月20 日玉米拔節(jié)期播種紫花苜蓿，苜蓿用種量為15 kg/hm2，10 月18 日收獲，除草采取人工拔除的方式進(jìn)行。

1.3 取樣方法

分別在玉米拔節(jié)期（5 月20 日）、抽雄期（7月13 日）和灌漿期（8 月14 日），利用“五點采樣法”在各處理對應(yīng)的小區(qū)采集0 ～20 cm 耕層土樣，剔除可見根系和植物殘體，帶回實驗室風(fēng)干、磨細(xì)、過0.25 mm 篩，保存在磨口瓶中，用于土壤腐殖質(zhì)組成及總有機碳含量的測定。

1.4 測試方法

稱取過0.25 mm 篩的風(fēng)干土樣5.0 g 于100 mL聚乙烯離心管中，加入30 mL 蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，?0℃恒溫水浴振蕩器上提取1 h，3 500 r/min 離心15 min，將上清液過濾于50 mL 容量瓶中，在帶有殘渣的離心管中繼續(xù)添加蒸餾水20 mL 攪拌均勻，再次離心并將此次上清液與前次合并，用蒸餾水定容得到水溶性物質(zhì)（WSS）。重復(fù)上述過程，將蒸餾水 換 為0.1 mol/L NaOH 和0.1 mol/L Na4P2O7的 混 合液對殘渣進(jìn)行二次提取，此次收集的溶液即為可提取腐殖酸（HE）。離心管中殘渣用蒸餾水多次洗滌，直至洗液pH 近中性，將殘渣轉(zhuǎn)入55℃鼓風(fēng)干燥箱烘干至質(zhì)量恒定，該沉淀物質(zhì)即為胡敏素（Hu）。

吸取上述HE 溶液30 mL，用0.5 mol/L H2SO4將其pH 值調(diào)至1.0 ～1.5，而后置于70℃水浴鍋中保溫1.5 h，靜置過夜，次日將溶液過濾于50 mL 容量瓶并定容，此溶液即為富里酸（FA）；濾紙上的殘渣先用稀酸洗滌，再用70℃的0.05 mol/L NaOH將其溶解于50 mL 容量瓶中，用蒸餾水定容得到胡敏酸（HA）堿溶液。采用重鉻酸鉀氧化外加熱法對耕層土壤總有機碳（TOC）及其WSS、HE、HA和Hu 組分的有機碳含量（CWSS、CHE、CHA、CHu）進(jìn)行測定［10］，通過差減法計算CFA（CFA=CHE-CHA），同時計算CWSS/TOC 和CHE/TOC 的值，另采用TU-1810 系列紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）對HA 堿溶液在465 和665 nm處的吸光值E465和E665進(jìn)行測定，并由此計算出光密度（E4/E6），計算方法如下：E4/E6=E465/E665。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003 對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。采用SPSS 18.0 單 因 素ANOVA 分 析 和Duncan’s 多 重 極差檢驗法比較處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對玉米間作紫花苜蓿白漿土TOC、CWSS/TOC 及CHE/TOC 的影響

由表1 中白漿土TOC 含量的變化可知，與玉米拔節(jié)期相比，在灌漿期，除M-N-35 外，其余處理均可使TOC 含量礦化損失，損失較大的是M-N-28 和I-N-28 處理，降低幅度分別達(dá)到24.0%和20.7%，降低幅度最小的是I-N-40 處理，為4.1%，小于CK 處理下的5.5%。140 kg/hm2施氮水平，無論單作或是間作，均有利于白漿土TOC 的礦化，而玉米單作結(jié)合175 kg/hm2施氮量則更有利于白漿土TOC 的保蓄。在玉米灌漿期，在施氮200 kg/hm2的前提下，無論間作或是單作（I-N-40 和M-N-40），均可使TOC 保持穩(wěn)定，顯著高于其他處理。由CWSS/TOC 的變化可知，與玉米拔節(jié)期相比，灌漿期下CK 處理對白漿土CWSS/TOC 的增加幅度為19.0%，通過計算可知，僅有M-N-45、I-N-35 和I-N-45 處理對白漿土CWSS/TOC 的改善程度高于CK，使CWSS/TOC 分別增加了111.4%、92.9%和39.2%，可見，無論單作或是間作，225 kg/hm2施氮量均有利于白漿土CWSS/TOC 的增加。在灌漿期，玉米單作條件下隨施氮量的增加，白漿土CWSS/TOC被逐步提高。對于CHE/TOC，與拔節(jié)期相比，除了M-N-35 和I-N-45，其余處理均有利于灌漿期白漿土CHE/TOC 的提升，CK 處理可使之增加20.4%，相比之下，僅在較低施氮水平下的M-N-28 和I-N-28 處理對該比值的促進(jìn)作用大于CK，使之分別提升48.5%和55.8%，后者更占優(yōu)勢，即無論單作或是間作，140 kg/hm2施氮量均可有效提升TOC中CHE的比例。在玉米灌漿期，各處理相比較，同樣是M-N-28 和I-N-28 處理能夠使CHE/TOC 保持在較高水平。

表1 不同施氮水平對玉米間作紫花苜蓿白漿土TOC、CWSS/TOC 及CHE/TOC 的影響

2.2 施氮對玉米間作紫花苜蓿白漿土CHA 含量、HA 堿溶液E4/E6 的影響

由圖1 可見，隨著玉米生育期的進(jìn)行，各處理下白漿土CHA含量均呈顯著降低趨勢，通過對各處理下CHA的降低幅度進(jìn)行計算可知：CK 處理下CHA的降幅為27.8%，而M-N-28、M-N-35、I-N-28、I-N-35 和I-N-40 處 理 下CHA的 降 幅 均 高 于CK，分別為59.1%、54.5%、40.0%、35.0%、34.1%；相反，M-N-40 和M-N-45 處 理 下CHA的 降 幅 低 于CK，分別為20.0%和17.6%，顯著低于相同施氮水平下的間作處理（I-N-35 和I-N-40），可見，施氮140 和175 kg/hm2的情況下，玉米單作對于白漿土CHA含量的損失要高于間作，而在較高施氮情況下（200 和225 kg/hm2），玉米單作對于白漿土CHA含量的損失要低于間作。玉米單作結(jié)合較高施氮水平、玉米間作結(jié)合較低施氮水平更有利于降低白漿土CHA的礦化。此外，比較玉米抽雄期和灌漿期下各處理的CHA含量，M-N-40 處理的優(yōu)勢最為顯著。

如圖2 所示，由玉米拔節(jié)期至灌漿期，I-N-28與I-N-45 處理下白漿土HA 堿溶液E4/E6均表現(xiàn)為先增后減的規(guī)律，其余處理則呈逐漸降低的趨勢，盡管如此，與拔節(jié)期相比，在玉米灌漿期，白漿土HA 堿溶液E4/E6均有不同程度降低，CK 處理下的降低幅度為60.2%，M-N-35、M-N-40 及I-N-40 處理下的降低幅度均大于CK，分別達(dá)到73.2%、61.2%和66.7%。與間作相比，施氮140、175 和225 kg/hm2的情況下，玉米單作白漿土HA 堿溶液E4/E6的降低幅度均大于玉米間作，而在200 kg/hm2施氮水平下的結(jié)果相反?？梢?，無論各處理下HA堿溶液E4/E6的變化規(guī)律如何，歷經(jīng)玉米拔節(jié)期至灌漿期，HA 分子結(jié)構(gòu)均向復(fù)雜方向進(jìn)行，相比較而言，玉米單作輔以175 和200 kg/hm2的施氮量、玉米間作結(jié)合200 kg/hm2的施氮量對于HA 復(fù)雜程度的促進(jìn)作用最大。玉米單作在140、175 和225 kg/hm2施氮水平下對于HA 復(fù)雜程度的促進(jìn)作用要優(yōu)于間作，而玉米間作在上述施氮水平下對HA 分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的促進(jìn)作用相對較弱。

圖1 不同施氮水平對玉米間作紫花苜蓿白漿土CHA 含量的影響

圖2 不同施氮水平對玉米間作紫花苜蓿白漿土HA 堿溶液E4/E6 的影響

2.3 施氮對玉米間作紫花苜蓿白漿土CHA/CFA 的影響

由圖3 可知，盡管各處理白漿土的CHA/CFA變化規(guī)律不一，但大體均呈降低趨勢。與拔節(jié)期相比，玉米灌漿期由M-N-28 至CK 處理，白漿土CHA/CFA的下降幅度分別為82.1%、85.9%、48.7%、26.0%、67.1%、60.7%、64.2%、31.1%和68.0%，顯而易見，高于CK 處理的有M-N-28 和M-N-35，即低施氮條件（140 和175 kg/hm2），玉米單作更有利于白漿土CHA向CFA轉(zhuǎn)化，而無論施氮水平高低，玉米間作紫花苜蓿下白漿土CHA/CFA的降低幅度均低于CK，即玉米間作可有效抑制CHA向CFA的轉(zhuǎn)化，更有利于腐殖質(zhì)品質(zhì)的維系。此外，玉米間作結(jié)合較低施氮量（140 和175 kg/hm2）比單作更易抑制白漿土CHA向CFA的轉(zhuǎn)化，有利于腐殖質(zhì)品質(zhì)的提升，相反，玉米單作結(jié)合較高施氮量（200 和225 kg/hm2）比間作更利于CFA向CHA的轉(zhuǎn)化，使腐殖質(zhì)品質(zhì)得以改善。

圖3 不同施氮水平對玉米間作紫花苜蓿白漿土CHA/CFA 的影響

2.4 施氮對玉米間作紫花苜蓿白漿土CHu 的影響

圖4 不同施氮水平對玉米間作紫花苜蓿白漿土CHu 含量的影響

由圖4 所示，隨玉米生育期進(jìn)行，各處理白漿土CHu含量均表現(xiàn)為不同的變化規(guī)律，與拔節(jié)期相比，在灌漿期，玉米單作條件下白漿土CHu含量均有所增加，由M-N-28 至M-N-45 處理，CHu含量分別增加315.6%、29.2%、38.2%和7.1%，而在玉米間作紫花苜蓿條件下，I-N-28 和I-N-45 處理下白漿土CHu含量分別增加134.1%和18.0%，相反，I-N-35 和I-N-40 處理白漿土CHu含量卻有著21.9%和4.1%的降低。在施氮量為140、175 和200 kg/hm2條件下，與間作相比，玉米單作更利于白漿土CHu的積累，尤其在140 kg/hm2施氮條件下對CHu的累積作用最大，而在225 kg/hm2施氮條件下，玉米間作對白漿土CHu的累積作用要大于單作。玉米間作紫花苜蓿在175 和200 kg/hm2兩個施氮水平下對于白漿土CHu的礦化分解有促進(jìn)作用。此外，比較灌漿期下各處理間CHu的結(jié)果，M-N-28、I-N-28 和CK在積累CHu方面的作用顯著高于其他處理。

3 結(jié)論與討論

無論玉米單作或是間作紫花苜蓿，與拔節(jié)期相比，在玉米灌漿期，140 kg/hm2施氮量均有利于白漿土TOC 的礦化以及TOC 中CHE比例的提升，而225 kg/hm2施氮量則更有利于白漿土TOC 中CWSS比例的提升。比較玉米灌漿期下各處理間的結(jié)果，無論單作或是間作，配施200 kg/hm2氮均可使TOC含量顯著高于其他處理，而配施140 kg/hm2氮更易提升TOC 中CHE的比例，在單作條件下，隨施氮量增加可逐步提升TOC 中CWSS的比例。趙偉等［11］指出，糧草間作可有效提高土壤TOC 的含量，而在本試驗條件下，僅在玉米單作結(jié)合175 kg/hm2的施氮量能使白漿土TOC 得以保蓄，其余處理均有利于TOC 的礦化損失。隨玉米生育期進(jìn)行，玉米根系生長趨于旺盛，發(fā)達(dá)的根系可產(chǎn)生大量的有機酸和氨基酸等分泌物，為微生物礦化過程提供了較多的能源物質(zhì)［12］。此外，郭虎波等［13］發(fā)現(xiàn)，低氮條件下更易提高土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的數(shù)量，董雪等［14］認(rèn)為，團(tuán)聚體中CHE與團(tuán)聚體含量呈顯著正相關(guān)，由此推測，團(tuán)聚體數(shù)量增加對CHE確有促進(jìn)作用，即低氮有利于增加白漿土TOC 中的CHE比例。

玉米單作結(jié)合較高施氮水平（200 和225 kg/hm2）、玉米間作結(jié)合較低施氮水平（140 和175 kg/hm2）均有利于減少白漿土CHA的損失，改善腐殖質(zhì)品質(zhì)，尤其在玉米抽雄期和灌漿期，玉米單作結(jié)合200 kg/hm2施氮量更促進(jìn)HA 形成，使CHA顯著高于其他處理。玉米單作輔以較高施氮量更易刺激根系分泌物的產(chǎn)生，有利于減少CHA的礦化，有報道指出，高施氮水平下土壤有機質(zhì)含量也較高［15］，這在一定程度上緩解了CHA含量的降低。而間作能夠改變根際分泌物的組成和數(shù)量［16］，更易增加根際土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量［17］，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的產(chǎn)生可有效抑制微生物對CHA的分解。此外，玉米灌漿期更有利于土壤聯(lián)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)品質(zhì)的提升［18］，一般來講，培肥是先礦化后腐殖化的過程［19］，通常，腐殖化過程是小分子有機化合物通過縮合先形成分子較小的FA，再逐漸轉(zhuǎn)化為分子較大的HA，最終使腐殖質(zhì)品質(zhì)提升［20］?？梢?，土壤培肥后期腐殖化作用更占優(yōu)勢，單作需較高氮素才能確保玉米生育后期氮素的有效性，為腐殖化進(jìn)程提供充足的氮素營養(yǎng)，更好維系腐殖質(zhì)品質(zhì)，而間作因紫花苜蓿固氮菌強烈的固氮效應(yīng)，能夠持續(xù)為腐殖化進(jìn)程提供氮素營養(yǎng)，苜蓿殘體亦可作為微生物碳源參與腐殖化過程，通過聚集指數(shù)的增加［21］，促進(jìn)團(tuán)聚體形成，改善腐殖質(zhì)品質(zhì)，然而該固氮作用會受到外源施氮的影響［22］，間作結(jié)合較高氮素水平不利于CHA的穩(wěn)定。玉米間作在140、175 和225 kg/hm2施氮水平下更有利于白漿土HA分子結(jié)構(gòu)的簡單化、脂族化和年輕化。為了促進(jìn)白漿土HA 分子的芳構(gòu)化和縮合程度，可通過施氮量的調(diào)控得以實現(xiàn)，在本試驗中，玉米間作紫花苜蓿在200 kg/hm2施氮量下更易促進(jìn)HA 分子的芳構(gòu)化程度。

施氮量為140、175 和200 kg/hm2時，與間作相比，玉米單作更有利于白漿土CHu的累積，而在175 和200 kg/hm2兩個施氮水平下，玉米間作紫花苜蓿更有利于白漿土CHu的礦化分解。高CO2濃度有利于CHu積累［23］，豆科植物間作可相應(yīng)減少溫室氣體的排放［24］，玉米間作紫花苜蓿提高了對光能的利用效率，光合作用的增強使近地面CO2濃度降低，不利于白漿土CHu的累積，又因為間作條件下根系分泌物增多，一方面從生理角度促進(jìn)了微生物活性［25］，另一方面加速了根際土壤的酸化，促進(jìn)了CHu的分解。此外，比較灌漿期下各處理間CHu的結(jié)果，無論單作還是間作，低氮（140 kg/hm2）更有利于CHu的累積。綜上，無論玉米單作或是間作紫花苜蓿，配施200 kg/hm2氮均可在玉米灌漿期顯著提高TOC 含量，而低氮（140 kg/hm2）則更利于灌漿期CHu的積累，在140 kg/hm2施氮影響下，TOC 中CHE比例也可得到顯著改善；在玉米抽雄期和灌漿期，玉米單作結(jié)合200 kg/hm2施氮量可促進(jìn)HA 形成，使CHA顯著高于其他處理，而在此施氮水平下，玉米間作紫花苜蓿更易促進(jìn)HA 分子的芳構(gòu)化程度。