大豆和玉米间作土壤氮素时空变化特征研究

何衡，丁辉，刘姜，杨凤，高萍

大豆和玉米间作土壤氮素时空变化特征研究

何衡，丁辉*，刘姜，杨凤，高萍

(四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610101)

实验以大豆、玉米为研究对象，采用田间栽培方式，研究在作物不同生育期、不同土壤深度养分(有机质、全氮、速效氮)含量的变化特征.结果表明:大豆单作模式下，0～10 cm土层有机质含量、全氮含量及10～20 cm土层速效氮含量随生育期呈上升趋势，其余土层养分含量变化大致为先增加后减少;玉米单作模式下各土层的养分含量随生育期都呈上升趋势，其中尤以0～10 cm土层速效氮含量变化最为显著，喇叭口期和成熟期含量分别较播种前增加64%、67%;间作模式下土壤有机质和全氮的含量随生育期的变化趋势大致和单作大豆一样，在0～10 cm土层速效氮含量在喇叭口期后又显著上升，较播种前增加126%.实验农田C/N在7.4～10之间，比值较低，能促进土壤养分的矿质化.

大豆;玉米;间作;氮素

在农业生产中，为了增加光能利用率，增加土壤养分吸收量，提高产量，常常采用间作的种植方式［1－3］.豆科中的大豆和禾本科玉米常被作为间作实验对象，研究表明，不管是作物生物量的积累还是对土壤养分的吸收，间作对大豆来说起抑制作用，对玉米来说起促进作用，但对玉米的促进作用程度远大于对大豆的抑制作用程度，所以，在整个间作系统中，表现出间作优势［4－7］，且间作系统中相互作用主要集中于地下部分［8］.本实验主要研究在不同的种植方式下，不同生育期、不同深度土壤养分含量的变化特征，以期为定量定时施肥提供理论依据，为研究栽培作物影响下的土壤养分变化和指导下一季作物的种植提供基础.

1 材料与方法

1.1供试材料本实验以玉米和大豆作为研究对象，供试玉米品种为川单21号，大豆品种为金龙一号.实验农田位于成都市龙泉驿区大面镇青台山村，经纬度为104°13'20″E，30°34'3″N.

1.2实验方法1)种植模式:设3个实验田，每个实验田规格为5 m×5 m.不同的种植模式对土壤养分及作物产量有不同影响［9－10］.本实验设计3种种植模式:单作玉米、单作大豆、大豆与玉米间作(间作采用1行玉米1行大豆种植模式).在播种前均匀施加复合肥，过1周后进行种植.

2)取样时间:分3次取样.第1次在播种前;第2次在玉米喇叭口期(大豆处于分枝期);第3次取样在玉米和大豆成熟期.

1.3样品测定与数据分析土壤有机质含量采用重铬酸钾－外热法;土壤全氮采用FOSS Kjeltec 2300全自动定氮仪测定;土壤速效氮采用碱解扩散法测定.所得数据用EXCEL 2013和SPSS 19.0进行单因素方差分析和相关性分析.

2 结果与分析

2.1土壤有机质从图1中可以看出，在0～10 cm土层，单作大豆和单作玉米土壤有机质含量随生育期都呈递增趋势，喇叭口(分枝期)和成熟期分别较播种前增加7%、15%、18%、27%，增长幅度显著.而间作土壤有机质含量变化不大，在25.28～26.11 mg/g范围内变动.

在10～20 cm土层，单作大豆土壤有机质含量随生育期先增加后减小，变化幅度不大，在23.09～24.91 mg/g范围内变动.单作玉米土壤有机质含量与0～10 cm土层具有一致性，呈递增趋势.喇叭口期和成熟期土壤有机质含量分别较播种前增加27%和44%，达到极显著水平(P＜0.01).间作土壤有机质含量随生育期的变化趋势与单作大豆一样，但是变化幅度极显著，在分枝期土壤有机质含量达到23.79 mg/g，较播种前增加24%，在成熟期又下降到播种前水平.

2.2土壤全氮从图2中可以看出，单作大豆土壤有机质含量在0～10 cm土层内，从播种到分枝期变化并不明显(P＞0.05).在分枝期开始，可能是由于根瘤菌固氮作用，土壤全氮含量开始大量增加.成熟期含氮量比分枝期高出15%，其差异达到极显著水平(P＜0.01).在10～20 cm土层内，土壤全氮含量先呈上升趋势，变化幅度极显著(P＜0.01).分枝期后，由于大豆根系周围微生物活动旺盛引起的土壤全氮矿化速度加快，土壤全氮含量降低［7］.玉米单作条件下，两土层全氮含量都呈增加趋势，其差异达到极显著水平(P＜0.01).0～10 cm土层全氮含量，喇叭口期与成熟期较播种前依次增加26%、50%.10～20 cm土层则为7%、27%.变化幅度较上层土壤小，说明玉米对土壤全氮的影响主要表现在0～10 cm土层.间作条件下，在0～10 cm土层间作全氮变化和单作玉米一样，呈上升趋势，变化极显著(P＜0.01).这可能是在间作方式下，玉米为优势作物，对土壤全氮的影响主要体现在0～10 cm土层.在10～20 cm土层，土壤全氮变化趋势与单作大豆相同，可能在此土层，受大豆影响较大.

2.3土壤速效氮速效氮又叫水解氮，包括无机态氮和结构简单能被作物直接吸收利用的有机态氮，它可供作物在整个生育期内的吸收利用.速效氮在土壤中的含量不够稳定，易受土壤水热条件和生物活动的影响而发生变化，但它能反映近期土壤的氮素供应能力.

图3反映出，0～10 cm土层单作大豆速效氮含量变化呈“V”字型，在分枝期有所下降，但到了成熟期又显著上升(P＜0.5).单作玉米土壤速效氮含量，在玉米喇叭口期增长显著(P＜0.01)，达到极显著水平，较播种前含量增加64%;喇叭口期以后速效氮含量增加不明显.间作土壤速效氮含量呈上升趋势，较播种前喇叭口期只增长19%，差异性不显著.间作土壤速效氮增长主要表现在成熟期，较播种前增加126%，达到极显著水平(P＜0.01).由于玉米在生长过程中，虽然提升了速效氮含量，但大部分被大豆吸收，所以间作系统下土壤速效氮含量在作物的生长期提升不明显.而到成熟期时，2种作物对土壤速效氮含量增加都有促进作用，因此间作成熟期土壤全氮含量较单作高，这也与实验结果相符.

在10～20cm土层，单作大豆土壤速效氮含量呈上升趋势，分枝期与成熟期较播种前增长8%、17%.单作玉米变化趋势同0～10 cm土层一样，而间作在成熟期，土壤养分却有所下降，较分枝期下降10%.

2.4碳氮比由图4可知，土壤样品中，C/N在7.4～10范围内.在0～10 cm土层，单作大豆土壤C/N随生育期变化为先增加后减少，单作玉米和间作土壤C/N随生育期都呈逐渐较少的趋势，变化幅度显著(P＜0.05).在10～20 cm土层，单作大豆土壤C/N随生育期变化为先减小，然后基本保持不变.单作玉米C/N随生育期变化与单作大豆相反.间作土壤C/N随生育期呈下降趋势，但变化幅度不显著(P＞0.05).

2.5相关性分析土壤养分的变化并不是单一的，每种养分之间存在一定的相关性.表1是0～10 cm土层中，不同种植模式下土壤养分指标之间的相关性.从表1中可以看出，单作大豆土壤有机质含量与全氮含量的变化存在高度相关性，其相关系数为0.721*，达到显著相关水平(P＜0.05).单作玉米土壤中有机质含量与全氮含量变化、有机质含量与速效氮含量的变化、速效氮含量与全氮含量变化都存在高度相关性，其相关系数为0.938＊＊、0.931＊＊、0.863＊＊，都达到极显著相关水平(P＜0.01).间作土壤中全氮与速效氮含量达到高度相关性，其相关系数为0.826＊＊，达到极显著相关水平.

表2是10～20 cm土层中不同种植模式下土壤各养分指标之间的相关性.从表2中可以看出，单作大豆土壤有机质含量和全氮含量变化存在高度相关性，相关系数为0.727*，达到显著相关性水平(P＜0.05).单作玉米土壤有机质含量和速效氮含量变化都具有高度相关性，相关系数为0.959＊＊、0.773*.达到极显著相关水平(P＜0.01)和显著相关水平(P＜0.05).间作土壤有机质含量和全氮含量变化呈极显著正相关，相关系数为0.899＊＊.

表1 0～10 cm土壤养分相关性Table 1The correlation of soil nutrient in 0～10 cm depth

表2 10～20 cm土壤养分相关性Table 2The correlation of soil nutrient in 10～20 cm depth

3 讨论

单作大豆模式下，土壤有机质和全氮含量变化在0～10 cm土层呈上升趋势，在10～20 cm土层为先增加后减少.在分枝期以后，大豆迅速生长，根系迅速增生，植株吸氮速度增快，干物质量大量积累［11－12］，导致在10～20 cm土层有机质与全氮含量下降.0～10 cm土层由于微生物含量多，与外界作用强烈，其养分含量变化原因有待进一步研究.0～10 cm土层速效氮含量呈“V”字型变化，但其含量较单作玉米与间作低50%左右，而10～20 cm土层速效氮含量与另外2种模式下相当.说明单作玉米与间作对土壤速效氮的影响主要表现在0～10 cm土层中.

单作玉米模式下，由于根系和土壤微生物的作用改良了土壤，两土层中有机质、全氮、速效氮含量都呈递增趋势，其中尤以速效氮含量变化最为显著，两土层分别较播种前增加68%、30%，极大地增加了土壤氮素供应水平，为下一季作物较好地生长发育提供了基础.

在间作系统中，0～10 cm土层土壤养分含量除有机质外，其他养分变化趋势与单作玉米一致，呈递增趋势，说明在间作系统中，玉米影响能力较强.10～20 cm土层土壤养分含量变化为先增加20%左右，然后下降到播种前水平，说明间作模式下，喇叭口期以后主要表现出对土壤养分的吸收作用.

土壤碳氮比(C/N)是土壤质量的敏感指标，是衡量土壤C、N营养平衡状况的指标，它的演变趋势对土壤碳、氮循环有重要影响［13］.C/N也被认为是土壤氮矿化能力的重要指标，根据C/N可以确定有机质分解过程中是发生矿化还是微生物固持，较低的C/N有利于氮的矿化［14］.通常认为土壤C/N在25～30∶1以下会出现净矿化［15］.实验农田C/N在7.4～10内，出现净矿化，有利于土壤矿质养分的释放.

4 结论

本实验在单作玉米，单作大豆，大豆与玉米间作3种种植模式下，通过对作物不同生育期内的土壤进行取样分析，得出如下结论:

1)玉米种植能够提升浅层土壤肥力.在单作玉米模式下，土壤有机质、全氮、速效氮含量都得到了提升，总体提升幅度表现出0～10 cm土层大于10～20 cm土层.在间作模式下，玉米为优势作物，在0～10 cm土层，土壤养分随作物生育期的变化大致与单作玉米一致;而在10～20 cm土层，土壤养分含量随作物生育期变化呈倒“V”字型变化，作物成熟期的土壤养分含量大致与播种前一致.因此，在农业生产中，可以考虑种植一季玉米来改善土壤肥力.

2)大豆种植虽然对土壤养分含量有所提升，但提升幅度较小.在0～10 cm土层，单作大豆土壤中速效氮含量的变化为:成熟期＞播种前＞分枝期;在10～20 cm土层，单作大豆土壤中速效氮含量的变化为:成熟期＞分枝期＞播种前.这与文献［16］的研究结论一致.

3)玉米种植对浅层土壤矿质养分的释放起促进作用.实验农田的C/N在7.4～10之间，出现净矿化.其中，单作玉米与间作模式下，在0～10 cm土层，C/N都逐渐减小，有利于微生物分解有机质，为土壤提供大量矿质养分.

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The Temporal and Spatial Changes of Soil Nitrogen in Soybean and Maize Intercropping

HE Heng，DING Hui，LIU Jiang，YANG Feng，GAO Ping
(College of Geography and Resource Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，Sichuan)

Focusing on maize and soybean，the experiment applied the filed cultivation to research the constant characteristics of soil nutrients at different growth stage of crops and soil depth including organic matter，total nitrogen and available nitrogen.The results indicate that in soybean monoculture model，the content of soil organic matter and nitrogen in 0～10 cm and soil available nitrogen in 10～20 cm has an uptrend with the growth of the crops.In other depths，soil nutrients content reduces after the increasing at first.In maize monoculture model，soil nutrients content has an upward tendency in all layers，especially for available nitrogen content in 0～10 cm.The content during bell-mouthed and ripening stages increases 64%and 67%separately compared to the previous data.In the intercropping pattern，the content of soil organic matter and total nitrogen has the same trend with that in soybean monoculture model during the growth period.After bell-mouthed，the content of soil available nitrogen in 0～10cm obviously increases by 126%than that before sowing.Soil C/N on the research area varies from 7.4 to 10.It is a low ratio and can promote mineralization of soil nutrients.

soybean;maize;intercropping;nitrogen

S513;S529

A

1001－8395(2016)03－0421－06

10.3969/j.issn.1001－8395.2016.03.021

(编辑陶志宁)

2015－01－22

四川省教育厅自然科学基金(13ZA0147)

*通信作者简介:丁辉(1964—)，男，教授，主要从事资源开发与保护、地学统计分析研究，E－mail:dinghui200@163.com