不同施氮水平下紫花苜蓿与玉米间作对白浆土腐殖质组成的影响

杨祥波，姚 凯

（1.吉林农业科技学院农学院，吉林 吉林 132101；2.海南大学农学院，海南 海口 570228）

谷物与豆科植物间作在提升农牧生产力方面具有积极贡献［1］，禾本科植物与豆科牧草混播更是农牧交错区域较为理想的种植模式［2］。作为禾本科植物，玉米种植面积在我国长期居于首位，为追求高产，过量施氮现象普遍，这对农业生态环境也造成了难以逆转的压力。紫花苜蓿是一种经济价值较高的多年生豆科牧草，苜蓿根瘤菌具有强烈的固氮能力［3］。从植株形态和根系类型的差异来看，玉米和紫花苜蓿在接纳地上阳光和地下根系空间分布上均具有相对独立的空间［4］，间作后可产生互利共生、优势互补的效果，两者间作可相互利用作物残体分解的物质或根系分泌物活化土壤养分，可利用两者的生态位优化资源利用、提高经济收入［5］。李玉玺等［6］报道了玉米间作紫花苜蓿可显著提高玉米产量且可有效防止白浆土磷素有效性的降低。苜蓿与玉米间作后，土壤理化性质明显改善，主要表现在土壤有机质、有机氮和速效氮含量的增加［3］。此外，间作亦可影响土壤微生物区系，张向前等［7］研究认为，玉米与花生（或大豆）间作在不同施肥条件下可显著增加土壤细菌、真菌、放线菌和固氮菌的数量。章家恩等［8］研究发现，玉米、花生按照4∶2 间作栽培不仅提高了间作系统根区土壤的碱解氮、有效磷和有机质含量，而且使根区微生物群落功能多样性和代谢活性得以改善；张萌萌等［9］研究认为，桑树/苜蓿间作能改变作物根际土壤微生物群落的主要碳源类型，进而改善微生物活性。众所周知，腐殖质是腐殖化过程的产物，其形成和积累是土壤肥力提升的物质保障，该过程是由微生物驱动的，间作模式通过影响微生物区系变化必然会影响土壤的腐殖质组成。

当前，关于玉米间作豆科植物在土壤培肥方面起到的积极作用有所报道，但以腐殖质组成为评价指标进行不同施氮水平下玉米间作紫花苜蓿对土壤培肥效果的研究更是不多。为此，基于玉米间作紫花苜蓿的大田试验，以玉米单作为对照，通过不同施氮水平的设置，研究了玉米生育关键期（拔节期、抽雄期和灌浆期）耕层土壤总有机碳（TOC）和腐殖质组成特征的变化，以揭示玉米间作紫花苜蓿在白浆土培肥方面的优势作用，为该技术模式在我国东北农牧交错区的推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验选址吉林农业科技学院北大地玉米试验田（N 43°57′07″、E 126°28′32″），属北温带大陆性季风气候，土壤类型为白浆土，基本性质如下：有机质13.6 g/kg、全氮0.77 g/kg、碱解氮126.6 mg/kg、有效磷40.8 mg/kg、速效钾134.9 mg/kg、pH 值5.42。

1.2 试验设计

试验始于2016 年，现已连续进行3 年。试验设玉米单作（M）和玉米间作紫花苜蓿（I）两种种 植 方 式， 设 置N 140、175、200 和225 kg/hm24 个 施 氮 水 平， 分 别 用N-28、N-35、N-40 和N-45 表示，以玉米单作不施肥为对照（CK），共设8 个处理：4 个施氮水平下的玉米单作用M-N-28、M-N-35、M-N-40 和M-N-45 表示，4 个施氮水平下的玉米间作紫花苜蓿用I-N-28、I-N-35、I-N-40 和I-N-45 表示。每个处理重复3 次，共27个小区，每个小区宽为9.66 m、纵长为11 m，面积为106.26 m2，区组间设有保护行。供试玉米品种为先玉335，紫花苜宿品种为北方型四级苜蓿。各处理P2O5和K2O 施用量相等，分别为70 和80 kg/hm2。施肥方式为：1/3 N、全部P2O5和1/2 K2O作基肥；拔节期追施2/3 N 和1/2 K2O。供试肥料为尿素、磷酸二铵和氯化钾。

无论哪种种植方式，玉米栽种密度均为6.5万株/hm2。玉米单作时，垄宽64.0 cm、株距24.0 cm；玉米间作紫花苜蓿时，两垄玉米、单垄双行种植苜蓿交替进行，垄宽64.0 cm，玉米株距15.9 cm，双行苜蓿占据一垄、行距为30 cm。本年度试验于2018 年5 月4 日播种玉米，5 月20 日玉米拔节期播种紫花苜蓿，苜蓿用种量为15 kg/hm2，10 月18 日收获，除草采取人工拔除的方式进行。

1.3 取样方法

分别在玉米拔节期（5 月20 日）、抽雄期（7月13 日）和灌浆期（8 月14 日），利用“五点采样法”在各处理对应的小区采集0 ～20 cm 耕层土样，剔除可见根系和植物残体，带回实验室风干、磨细、过0.25 mm 筛，保存在磨口瓶中，用于土壤腐殖质组成及总有机碳含量的测定。

1.4 测试方法

称取过0.25 mm 筛的风干土样5.0 g 于100 mL聚乙烯离心管中，加入30 mL 蒸馏水搅拌均匀，在70℃恒温水浴振荡器上提取1 h，3 500 r/min 离心15 min，将上清液过滤于50 mL 容量瓶中，在带有残渣的离心管中继续添加蒸馏水20 mL 搅拌均匀，再次离心并将此次上清液与前次合并，用蒸馏水定容得到水溶性物质（WSS）。重复上述过程，将蒸馏水 换 为0.1 mol/L NaOH 和0.1 mol/L Na4P2O7的 混 合液对残渣进行二次提取，此次收集的溶液即为可提取腐殖酸（HE）。离心管中残渣用蒸馏水多次洗涤，直至洗液pH 近中性，将残渣转入55℃鼓风干燥箱烘干至质量恒定，该沉淀物质即为胡敏素（Hu）。

吸取上述HE 溶液30 mL，用0.5 mol/L H2SO4将其pH 值调至1.0 ～1.5，而后置于70℃水浴锅中保温1.5 h，静置过夜，次日将溶液过滤于50 mL 容量瓶并定容，此溶液即为富里酸（FA）；滤纸上的残渣先用稀酸洗涤，再用70℃的0.05 mol/L NaOH将其溶解于50 mL 容量瓶中，用蒸馏水定容得到胡敏酸（HA）碱溶液。采用重铬酸钾氧化外加热法对耕层土壤总有机碳（TOC）及其WSS、HE、HA和Hu 组分的有机碳含量（CWSS、CHE、CHA、CHu）进行测定［10］，通过差减法计算CFA（CFA=CHE-CHA），同时计算CWSS/TOC 和CHE/TOC 的值，另采用TU-1810 系列紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）对HA 碱溶液在465 和665 nm处的吸光值E465和E665进行测定，并由此计算出光密度（E4/E6），计算方法如下：E4/E6=E465/E665。

1.5 数据处理

采用Excel 2003 对数据进行整理和分析。采用SPSS 18.0 单 因 素ANOVA 分 析 和Duncan’s 多 重 极差检验法比较处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 施氮对玉米间作紫花苜蓿白浆土TOC、CWSS/TOC 及CHE/TOC 的影响

由表1 中白浆土TOC 含量的变化可知，与玉米拔节期相比，在灌浆期，除M-N-35 外，其余处理均可使TOC 含量矿化损失，损失较大的是M-N-28 和I-N-28 处理，降低幅度分别达到24.0%和20.7%，降低幅度最小的是I-N-40 处理，为4.1%，小于CK 处理下的5.5%。140 kg/hm2施氮水平，无论单作或是间作，均有利于白浆土TOC 的矿化，而玉米单作结合175 kg/hm2施氮量则更有利于白浆土TOC 的保蓄。在玉米灌浆期，在施氮200 kg/hm2的前提下，无论间作或是单作（I-N-40 和M-N-40），均可使TOC 保持稳定，显著高于其他处理。由CWSS/TOC 的变化可知，与玉米拔节期相比，灌浆期下CK 处理对白浆土CWSS/TOC 的增加幅度为19.0%，通过计算可知，仅有M-N-45、I-N-35 和I-N-45 处理对白浆土CWSS/TOC 的改善程度高于CK，使CWSS/TOC 分别增加了111.4%、92.9%和39.2%，可见，无论单作或是间作，225 kg/hm2施氮量均有利于白浆土CWSS/TOC 的增加。在灌浆期，玉米单作条件下随施氮量的增加，白浆土CWSS/TOC被逐步提高。对于CHE/TOC，与拔节期相比，除了M-N-35 和I-N-45，其余处理均有利于灌浆期白浆土CHE/TOC 的提升，CK 处理可使之增加20.4%，相比之下，仅在较低施氮水平下的M-N-28 和I-N-28 处理对该比值的促进作用大于CK，使之分别提升48.5%和55.8%，后者更占优势，即无论单作或是间作，140 kg/hm2施氮量均可有效提升TOC中CHE的比例。在玉米灌浆期，各处理相比较，同样是M-N-28 和I-N-28 处理能够使CHE/TOC 保持在较高水平。

表1 不同施氮水平对玉米间作紫花苜蓿白浆土TOC、CWSS/TOC 及CHE/TOC 的影响

2.2 施氮对玉米间作紫花苜蓿白浆土CHA 含量、HA 碱溶液E4/E6 的影响

由图1 可见，随着玉米生育期的进行，各处理下白浆土CHA含量均呈显著降低趋势，通过对各处理下CHA的降低幅度进行计算可知：CK 处理下CHA的降幅为27.8%，而M-N-28、M-N-35、I-N-28、I-N-35 和I-N-40 处 理 下CHA的 降 幅 均 高 于CK，分别为59.1%、54.5%、40.0%、35.0%、34.1%；相反，M-N-40 和M-N-45 处 理 下CHA的 降 幅 低 于CK，分别为20.0%和17.6%，显著低于相同施氮水平下的间作处理（I-N-35 和I-N-40），可见，施氮140 和175 kg/hm2的情况下，玉米单作对于白浆土CHA含量的损失要高于间作，而在较高施氮情况下（200 和225 kg/hm2），玉米单作对于白浆土CHA含量的损失要低于间作。玉米单作结合较高施氮水平、玉米间作结合较低施氮水平更有利于降低白浆土CHA的矿化。此外，比较玉米抽雄期和灌浆期下各处理的CHA含量，M-N-40 处理的优势最为显著。

如图2 所示，由玉米拔节期至灌浆期，I-N-28与I-N-45 处理下白浆土HA 碱溶液E4/E6均表现为先增后减的规律，其余处理则呈逐渐降低的趋势，尽管如此，与拔节期相比，在玉米灌浆期，白浆土HA 碱溶液E4/E6均有不同程度降低，CK 处理下的降低幅度为60.2%，M-N-35、M-N-40 及I-N-40 处理下的降低幅度均大于CK，分别达到73.2%、61.2%和66.7%。与间作相比，施氮140、175 和225 kg/hm2的情况下，玉米单作白浆土HA 碱溶液E4/E6的降低幅度均大于玉米间作，而在200 kg/hm2施氮水平下的结果相反。可见，无论各处理下HA碱溶液E4/E6的变化规律如何，历经玉米拔节期至灌浆期，HA 分子结构均向复杂方向进行，相比较而言，玉米单作辅以175 和200 kg/hm2的施氮量、玉米间作结合200 kg/hm2的施氮量对于HA 复杂程度的促进作用最大。玉米单作在140、175 和225 kg/hm2施氮水平下对于HA 复杂程度的促进作用要优于间作，而玉米间作在上述施氮水平下对HA 分子结构复杂化的促进作用相对较弱。

图1 不同施氮水平对玉米间作紫花苜蓿白浆土CHA 含量的影响

图2 不同施氮水平对玉米间作紫花苜蓿白浆土HA 碱溶液E4/E6 的影响

2.3 施氮对玉米间作紫花苜蓿白浆土CHA/CFA 的影响

由图3 可知，尽管各处理白浆土的CHA/CFA变化规律不一，但大体均呈降低趋势。与拔节期相比，玉米灌浆期由M-N-28 至CK 处理，白浆土CHA/CFA的下降幅度分别为82.1%、85.9%、48.7%、26.0%、67.1%、60.7%、64.2%、31.1%和68.0%，显而易见，高于CK 处理的有M-N-28 和M-N-35，即低施氮条件（140 和175 kg/hm2），玉米单作更有利于白浆土CHA向CFA转化，而无论施氮水平高低，玉米间作紫花苜蓿下白浆土CHA/CFA的降低幅度均低于CK，即玉米间作可有效抑制CHA向CFA的转化，更有利于腐殖质品质的维系。此外，玉米间作结合较低施氮量（140 和175 kg/hm2）比单作更易抑制白浆土CHA向CFA的转化，有利于腐殖质品质的提升，相反，玉米单作结合较高施氮量（200 和225 kg/hm2）比间作更利于CFA向CHA的转化，使腐殖质品质得以改善。

图3 不同施氮水平对玉米间作紫花苜蓿白浆土CHA/CFA 的影响

2.4 施氮对玉米间作紫花苜蓿白浆土CHu 的影响

图4 不同施氮水平对玉米间作紫花苜蓿白浆土CHu 含量的影响

由图4 所示，随玉米生育期进行，各处理白浆土CHu含量均表现为不同的变化规律，与拔节期相比，在灌浆期，玉米单作条件下白浆土CHu含量均有所增加，由M-N-28 至M-N-45 处理，CHu含量分别增加315.6%、29.2%、38.2%和7.1%，而在玉米间作紫花苜蓿条件下，I-N-28 和I-N-45 处理下白浆土CHu含量分别增加134.1%和18.0%，相反，I-N-35 和I-N-40 处理白浆土CHu含量却有着21.9%和4.1%的降低。在施氮量为140、175 和200 kg/hm2条件下，与间作相比，玉米单作更利于白浆土CHu的积累，尤其在140 kg/hm2施氮条件下对CHu的累积作用最大，而在225 kg/hm2施氮条件下，玉米间作对白浆土CHu的累积作用要大于单作。玉米间作紫花苜蓿在175 和200 kg/hm2两个施氮水平下对于白浆土CHu的矿化分解有促进作用。此外，比较灌浆期下各处理间CHu的结果，M-N-28、I-N-28 和CK在积累CHu方面的作用显著高于其他处理。

3 结论与讨论

无论玉米单作或是间作紫花苜蓿，与拔节期相比，在玉米灌浆期，140 kg/hm2施氮量均有利于白浆土TOC 的矿化以及TOC 中CHE比例的提升，而225 kg/hm2施氮量则更有利于白浆土TOC 中CWSS比例的提升。比较玉米灌浆期下各处理间的结果，无论单作或是间作，配施200 kg/hm2氮均可使TOC含量显著高于其他处理，而配施140 kg/hm2氮更易提升TOC 中CHE的比例，在单作条件下，随施氮量增加可逐步提升TOC 中CWSS的比例。赵伟等［11］指出，粮草间作可有效提高土壤TOC 的含量，而在本试验条件下，仅在玉米单作结合175 kg/hm2的施氮量能使白浆土TOC 得以保蓄，其余处理均有利于TOC 的矿化损失。随玉米生育期进行，玉米根系生长趋于旺盛，发达的根系可产生大量的有机酸和氨基酸等分泌物，为微生物矿化过程提供了较多的能源物质［12］。此外，郭虎波等［13］发现，低氮条件下更易提高土壤水稳性大团聚体的数量，董雪等［14］认为，团聚体中CHE与团聚体含量呈显著正相关，由此推测，团聚体数量增加对CHE确有促进作用，即低氮有利于增加白浆土TOC 中的CHE比例。

玉米单作结合较高施氮水平（200 和225 kg/hm2）、玉米间作结合较低施氮水平（140 和175 kg/hm2）均有利于减少白浆土CHA的损失，改善腐殖质品质，尤其在玉米抽雄期和灌浆期，玉米单作结合200 kg/hm2施氮量更促进HA 形成，使CHA显著高于其他处理。玉米单作辅以较高施氮量更易刺激根系分泌物的产生，有利于减少CHA的矿化，有报道指出，高施氮水平下土壤有机质含量也较高［15］，这在一定程度上缓解了CHA含量的降低。而间作能够改变根际分泌物的组成和数量［16］，更易增加根际土壤水稳性团聚体的数量［17］，水稳性团聚体的产生可有效抑制微生物对CHA的分解。此外，玉米灌浆期更有利于土壤联结态腐殖质品质的提升［18］，一般来讲，培肥是先矿化后腐殖化的过程［19］，通常，腐殖化过程是小分子有机化合物通过缩合先形成分子较小的FA，再逐渐转化为分子较大的HA，最终使腐殖质品质提升［20］。可见，土壤培肥后期腐殖化作用更占优势，单作需较高氮素才能确保玉米生育后期氮素的有效性，为腐殖化进程提供充足的氮素营养，更好维系腐殖质品质，而间作因紫花苜蓿固氮菌强烈的固氮效应，能够持续为腐殖化进程提供氮素营养，苜蓿残体亦可作为微生物碳源参与腐殖化过程，通过聚集指数的增加［21］，促进团聚体形成，改善腐殖质品质，然而该固氮作用会受到外源施氮的影响［22］，间作结合较高氮素水平不利于CHA的稳定。玉米间作在140、175 和225 kg/hm2施氮水平下更有利于白浆土HA分子结构的简单化、脂族化和年轻化。为了促进白浆土HA 分子的芳构化和缩合程度，可通过施氮量的调控得以实现，在本试验中，玉米间作紫花苜蓿在200 kg/hm2施氮量下更易促进HA 分子的芳构化程度。

施氮量为140、175 和200 kg/hm2时，与间作相比，玉米单作更有利于白浆土CHu的累积，而在175 和200 kg/hm2两个施氮水平下，玉米间作紫花苜蓿更有利于白浆土CHu的矿化分解。高CO2浓度有利于CHu积累［23］，豆科植物间作可相应减少温室气体的排放［24］，玉米间作紫花苜蓿提高了对光能的利用效率，光合作用的增强使近地面CO2浓度降低，不利于白浆土CHu的累积，又因为间作条件下根系分泌物增多，一方面从生理角度促进了微生物活性［25］，另一方面加速了根际土壤的酸化，促进了CHu的分解。此外，比较灌浆期下各处理间CHu的结果，无论单作还是间作，低氮（140 kg/hm2）更有利于CHu的累积。综上，无论玉米单作或是间作紫花苜蓿，配施200 kg/hm2氮均可在玉米灌浆期显著提高TOC 含量，而低氮（140 kg/hm2）则更利于灌浆期CHu的积累，在140 kg/hm2施氮影响下，TOC 中CHE比例也可得到显著改善；在玉米抽雄期和灌浆期，玉米单作结合200 kg/hm2施氮量可促进HA 形成，使CHA显著高于其他处理，而在此施氮水平下，玉米间作紫花苜蓿更易促进HA 分子的芳构化程度。