黄土丘陵沟壑区低氮胁迫对苦荞生长及土壤养分的影响

王 佳，陈 伟*，张 强，王红阳，李亚新，孙从建

(1.山西师范大学地理科学学院，山西 临汾 041004；2.山西师范大学生命科学学院，山西 临汾 041004；3.山西省资源环境信息化管理院士工作站，山西 临汾 041004)

【研究意义】黄土高原地处干旱半干旱地区，水土流失是该地区农业发展的限制因素之一[1]。据统计，黄土高原土壤有机质因水土流失每年减少约1800万t，转化为尿素肥料高达735万t，相当于整个地区的年度肥料消耗量。缺氮少磷钾充足是该地区土壤养分的主要特点，脆弱的生态环境和相对贫瘠的土壤限制着当地农业的发展[2]。苦荞生育期短、耐瘠性强在黄土丘陵沟壑区广泛种植，苦荞植株蛋白质含量丰富，是很好的绿肥和动物饲料，又医食同源治疗三高，近年来被人们广泛重视。同时，山西省苦荞的种植面积居全国第五位，是山西地域特色的杂粮，有着传统大宗作物无法替代的优势，在国家实施优势特色农业提质增效行动计划中，尤其是重点发展的优势特色农业中排在显著位置。因此研究黄土丘陵沟壑区氮素胁迫下苦荞的植株生长及土壤的养分特性尤为重要，可以为该地区特色农业的高效发展提供理论依据。【前人研究进展】近年来针对苦荞的研究大部分集中在地上部分植株的养分价值[3-4]、品种选育[5-6]和逆境胁迫对苦荞化学成分及生理机能的研究[7-8]。例如，张楚等[9]通过水培实验测定9个不同基因型苦荞在不同氮水平下的农艺性状，筛选出迪庆苦荞耐低氮能力最强。另有学者[10]在干旱胁迫与复水条件下对苦荞苗期生长及叶片内源激素进行试验，发现干旱胁迫对地上指标(株高、茎粗、叶面积、茎叶干重)和根系指标(根系体积、根系表面积、根系平均直径、根系干重、根系活力、根系可溶性蛋白含量)会因苦荞品种不同而存在显著差异。杨春婷等[11]发现在低磷胁迫下，苦荞苗期地上植株形态指标及地下根系等指标均有所下降，主根伸长、根冠比有所升高，但不同品种的升降幅度不同。即苦荞因为品种的不同，面对环境胁迫时其植株的生长指标会有所差异进而可能会对土壤的养分状况产生影响。有研究表明，苦荞可以通过自身的耐瘠机制调控土壤微环境的养分有效性，来增加养分的吸收[12]。例如在缺氮的土壤中，根系通过增加有机酸的分泌量改变根际微环境来增强氮素的吸收，并且土壤有效氮的含量对不同苦荞品种根系分泌有机酸的含量和种类有影响[13-14]。基于此，种植苦荞作物后的土壤养分亏缺会更加严峻，对下一季作物肥料用量有很大的影响[15]。那么，在低氮胁迫下，种植不同耐氮性的苦荞品种，在其整个生育期内植株动态生长指标有何差异？这种差异又会对土壤养分状况产生怎样的影响？【本研究切入点】本文以黄土高原黄土丘陵沟壑区山西省乡宁县冯家沟水土保持监测站内的大田土壤为研究对象，以黑丰和迪庆为试验材料，设置3个不同施氮水平处理，研究不同生育期内苦荞地上部分的植株生长状况和地下根际土壤养分变化。【拟解决的关键问题】揭示低氮胁迫对耐氮性有差异的苦荞品种在生育期内植株生长的影响以及对土壤养分消耗的动态变化特征，从而进一步了解苦荞的耐瘠性差异，为黄土高原瘠薄地区农田氮肥优化管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年在乡宁县冯家沟水土保持监测站内大田进行(110°47′E，35°57′N)，该监测点位于乡宁县冯家沟村上游，为黄土丘陵沟壑区，属黄河一级支流鄂河一级支沟[16](图1)。监测站地势西北高东南低，冲沟发育，土壤以褐土为主，年均气温10 ℃左右，年平均降雨量631.8 mm，流域内5—8月的降水量分别为：12.9、54.2、84.5、150 mm。试验区海拔966 m，全年平均日照时数为2568 h，属于暖温带半干旱大陆性季风气候。试验地现存植被主要包括芦草(Agropyronmongolicum)，狗尾(Setariabeauv)，苋菜(Amaranthustricolor)，蒿草(Heteropappusaltaicus)等。苦荞于5月1日播种，苦荞播前土壤基本理化性质为：pH 7.52，全氮0.2 g/kg，全磷1.05 g/kg，全钾5.06 g/kg，有效磷30.03 mg/kg，速效钾360.96 mg/g，碱解氮115.36 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用氮肥处理和品种二因素裂区设计，氮肥处理为主处理，共设置3个施氮水平即0 kg/hm2(N0，无氮处理)、80 kg/hm2(N1，低氮处理)、160 kg/hm2(N2，常氮处理)，氮肥为尿素(含N 46.4%)，过磷酸钙(含P2O515.0%，150 kg/hm2)和硫酸钾(含K20 50.0%，60 kg/hm2)作为基肥施用，定期除草并及时控制病虫害。品种为副处理，供试材料为‘黑丰1号’(HF，不耐低氮)和‘迪庆苦荞’(DQ，耐低氮)，DQ由迪庆藏族自治州农业科学研究所提供，HF由山西省农业科学院高寒作物研究所提供[9]。试验设3次重复，在氮肥处理和品种的组合下共设置18个小区，每个小区面积(3 m×2 m)，每个小区周边有 10 cm 高的田埂与邻近小区隔开。苦荞生长周期为90～100 d左右，于5月1日播种，分别在6月23日、7月20日、8月28日采集，将其分别作为幼苗期(S，Seedling stage)、开花期(F，Flowering stage)和成熟期(M，Maturation stage)的样品。

1.3 样品采集

分别在苦荞的3个生育期，选取3株长势相似的植株，在靠近苦荞根际处将整株挖出，采用“抖根法”取根际土壤，将植株和土壤分别装入塑封袋，带回实验室，测量苦荞植株的形态指标(株高、茎粗、叶面积)，将根际土风干1周后除掉石块、杂草等杂质，过20目、60目、100目筛装入自封袋中封存，用来测定土壤理化指标。

1.4 测定指标及方法

苦荞生长指标的测定：采用卷尺测定株高；游标卡尺测定茎粗；Li-3000便携式叶面积仪测定叶面积；土壤理化指标的测定：用105 ℃ 烘干至恒重测定土壤含水量；pH采用pH酸度计(水土比2.5∶1)测定；有机质采用重铬酸钾加热法；碱解氮采用碱解扩散法；全钾采用高氯酸硫酸消煮—火焰光度计法；全氮用凯氏定氮仪测定；有效磷用碳酸氢钠浸提法测定；速效钾采用乙酸铵—火焰光度计法；全磷采用氢氧化钠—钼锑抗比色[17]。

1.5 数据分析

采用 Microsoft Excel 2010软件进行数据处理，利用SPSS21.0统计软件对品种之间的对比采用独立样本T检验，氮处理之间进行单因素方差分析(ANOVA)、裂区分析，以及利用Canoco软件对苦荞的地上部分植株生长与土壤养分进行冗余分析(RDA)，用Origin8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 氮处理对苦荞株高、茎粗、叶面积影响

由表1可知，品种、氮处理及两者之间的交互作用对苦荞株高、茎粗及叶面积产生极显著的影响(P<0.01)。幼苗期在N1、N2处理下DQ的株高分别比HF高9.7%、8.1%，而茎粗分别比HF高10.5%、14.8%。DQ的叶面积在N0、N1处理下分别比HF高10.8%、17.7%。开花期苦荞的株高在不同施氮量下分别比HF高10.4%、9.5%、13.4%，同时在不同施氮量下DQ的茎粗分别比HF高5.1%、7.4%、13.1%。而在N2处理下DQ的叶面积比HF高25.2%。成熟期DQ的株高在N0、N2处理下分别较HF高16.7%、7.6%，在不同施氮量下DQ的茎粗分别比HF高7.7%、5.4%、5.3%，而在N1、N2处理下DQ的叶面积比HF高36.2%、22.3%。两个品种的株高和茎粗数值为：成熟期>开花期>幼苗期，叶面积数值为：开花期>成熟期>幼苗期。

表1 不同施氮量及品种对苦荞地上部生长的影响

2.2 氮处理对苦荞不同生育期土壤养分的影响

2.2.1 土壤pH、含水量和有机质 裂区分析表明，品种对土壤含水量和有机质均产生极显著的影响(P<0.01)；氮处理对土壤有机质产生极显著的影响(P<0.01)；品种和氮处理的交互作用对土壤pH、含水量和有机质均产生极显著的影响(P<0.01，表2)。图2-a～b所示，HF的N2处理及DQ的N1、N2处理土壤pH从幼苗期到成熟期先增加后减少，且在开花期最高。幼苗期，HF和DQ的土壤pH在N0处理下分别比播种期高0.44%和1.40%；在N1处理下，HF土壤的pH比DQ高3.94%；而在N2处理下，HF和DQ土壤的pH比播种期减少了0.13%和0.36%。开花期，在N1处理下，DQ比HF高1.40%。在整个生育期结束后，两个品种不同氮处理的土壤pH比播种期低。HF的3个处理及DQ的N1处理土壤含水量从幼苗期到成熟期先增加后减少，在开花期最高，DQ的其余两个处理均呈下降趋势。在幼苗期，HF的3个处理比播种期分别低11.60%、16.24%、1.65%，而DQ的3个处理分别比播种期高12.62%、7.63%、5.86%，且在N1处理下，DQ比HF高25.11%。开花期，在N1处理下DQ的土壤含水量比HF高12.59%。成熟期，两个品种不同施氮量的土壤含水量相对于播种期低(图2-c～d)。图2-e～f所示，HF的N2处理及DQ的3个处理从播种期到幼苗期土壤有机质均增加，而从幼苗期到开花期减少。幼苗期，HF的N2处理及DQ的3个处理分别比播种期高48.77%、29.38%、17.72%、48.49%。同时，在N1处理下DQ的有机质比HF高42.49%。开花期，在不同氮处理下，DQ分别比HF高 138.71%、90.54%、31.23%。成熟期DQ的N1、N2的土壤有机质比播种期高21.27%、27.96%，比HF高98.84%、50.72%。综上所述，在N1处理下，3个时期HF均比DQ土壤有机质消耗多，主要表现为：成熟期>开花期>幼苗期。

2.2.2 土壤速效氮、磷、钾含量差异 裂区分析表明，品种、氮处理及两者之间的交互作用对土壤速效氮、磷、钾均产生了极显著的影响(P<0.01,表2)。不同氮处理下，土壤碱解氮以幼苗期为分界呈先增加后减少的趋势。在苦荞的幼苗期，两个品种氮处理的土壤碱解氮含量顺序为：N2>N1>N0。从幼苗期到成熟期，各处理土壤碱解氮呈下降趋势。幼苗期在N1处理下，DQ比HF高21.20%；而在开花期，DQ的N1、N2处理比HF高14.87%、18.16%。整个生育期结束后，除DQ在N2处理下的土壤碱解氮相对于播种期增加了1.24%，其余各处理均下降。另外，在生育后期，DQ在N1、N2处理下分别比HF高 11.61%、13.50%(图3-a～b)。图3-c～d所示，HF和DQ在N1处理下土壤有效磷含量在幼苗期最高，然后下降。而其它处理从播种期到成熟期一直呈下降趋势。开花期DQ的有效磷在不同处理下均比HF高64.65%、45.88%、25.35%；成熟期两个品种的有效磷含量比播种期少，且DQ的土壤有效磷在N1、N2处理下均比HF高44.68%、32.09%。图3-e～f所示，HF的土壤速效钾从播种期到成熟期不断减少，DQ的土壤速效钾在整个生育期中以幼苗期为分界线先增加后减少。在幼苗期，DQ的土壤速效钾在3个处理下分别比HF高17.16%、16.16%、13.10%。开花期，除DQ的N2处理均比播种期土壤速效钾的含量低，但DQ在不同处理下比HF高3.83%、9.74%、16.62%。成熟期DQ的3个处理分别比HF高10.24%、11.63%、22.40%。

表2 各指标裂区分析结果

HF：黑丰1号，DQ：迪庆苦荞；N0：不施氮，N1：低氮量，N2：常氮量。大写字母表示同一时期及品种的不同氮处理在(P<0.05)水平差异显著，小写字母表示同一时期及氮处理下不同品种在(P<0.05)水平差异显著，下同 HF:Heifeng No.1,DQ:Diqing tartary buckwheat;N0:No nitrogen,N1:Low nitrogen,N2:Normal nitrogen.Capital letters indicate that different nitrogen treatments of the same period and cultivars have significant differences at(P<0.05)levels,lowercase letters indicate that different cultivars of the same period and nitrogen treatments have significant differences at(P<0.05)levels图2 不同生育期土壤pH、含水量和有机质的动态变化Fig.2 Dynamic changes of soil pH,water content and organic matter at different growth periods

2.2.3 土壤全氮、磷、钾养分含量差异 裂区分析表明，品种、氮处理及两者之间的交互作用对土壤全氮、磷、钾均产生了极显著的影响(P<0.01，表2)。图4-a～b所示，两个品种不同处理的全氮含量在幼苗期最高。在幼苗期，DQ在N1处理下比HF高9.07%。开花期，不同处理下DQ的土壤全氮分别比HF高90.01%、76.76%、25.95%。在整个生育期结束后，除HF的N0处理，其它处理均比播种期高，且DQ的3个处理分别比HF高24.00%、80.41%、18.45%。图4-c～d所示，开花期N1、N2处理下，HF的土壤全磷比DQ高43.23%、10.62%。生育后期，HF不同处理下的全磷含量比播种期的分别低47.31%、19.96%、21.73%，而DQ不同处理下的全磷含量分别比播种期低40.99%、17.87%、39.10%。图4-e～f所示，幼苗期，除两个品种的N2处理，其它处理均比播种期土壤中全钾的含量低11.34%、11.75%、0、1.68%，且不同处理下DQ分别比HF高11.34%、9.91%、8.71%。在开花期的N1处理下，DQ的土壤全钾比HF高12.47%。在生育后期，HF土壤全钾的含量均比播种期低33.32%、39.31%、39.62%，DQ则比播种期低45.44%、33.70%、31.01%。同时在此阶段，DQ的全钾在N1、N2处理下分别比HF高4.20%、6.57%。

2.3 土壤养分与苦荞植株生长之间的关系

RDA结果显示苦荞植株生理指标和土壤养分相互影响。图5显示HF的一二主轴分别解释了总变量的68.4%，16.5%，而DQ的一二轴分别解释了总变量的71.4%，16.9%。通过对土壤养分进行蒙特卡洛检验及排序，全钾(P=0.002)，速效钾(P=0.002)，碱解氮(P=0.002)和全氮(P=0.004)是对HF植株生长影响最大的环境因子；全钾(P=0.002)，全磷(P=0.004)，含水量(P=0.004)和全氮(P=0.004)是对DQ植株生长影响最大的环境因子。这四个环境因子对苦荞植株生长的影响均达到极显著水平(P<0.01)，其余的养分因子与植株生长的显著性及自由度见表3。由图5可知，两个品种的N0与N1、N2处理可以沿一轴区分，说明两个品种在不同施氮量下有着明显的差异；两个品种的幼苗期与开花期、成熟期可以沿二轴区分，说明两个品种在不同生育期有着明显的差异。

图3 不同生育期土壤 土壤速效氮、磷、钾含量的动态变化Fig.3 Dynamic changes of soil available nitrogen,phosphorus and potassium content at different growth periods

图4 不同生育期土壤土壤全氮、磷、钾的动态变化Fig.4 Dynamic changes of soil total nitrogen,phosphorus and potassium at different growth periods

pH：土壤酸碱度；SM：土壤含水量；SOM：土壤有机质；AN：碱解氮；AP：速效磷；AK：速效钾；TN：全氮；TP：全磷；TK：全钾；CL：品种；ZG：株高；JC：茎粗；YMJ：叶面积pH:Soil pH;SM:Soil moisture;SOM:Soil organic matter;AN:Alkali-hydrolyzed nitrogen;AP:Available phosphorus;AK:Available potassium;TN:Total nitrogen;TP:Total phosphorus;TK:Total potassium;CL:Cultivar;ZG:Plant height;JC:Stem thickness;YMJ:Leaf area图5 冗余分析Fig.5 Redundancy analysis

3 讨 论

3.1 氮处理及品种对苦荞生长指标的影响

N素是植物生长的必要元素。在缺氮的条件下，植物各器官生长缓慢，植株矮小[18]。本研究表明除成熟期HF的株高这一指标，其它指标均呈现：N2>N1>N0。表明苦荞生长的不同时期氮含量的增加在一定程度上促进植株地上部分的生长[19]。在幼苗期，低氮胁迫下DQ的株高、茎粗及叶面积均比HF高。作物生长受遗传因素的影响，又受环境条件的制约。当环境处于低氮胁迫时，苦荞幼苗叶片叶绿素含量、Fm及Fv/Fm均显著下降，耐低氮品种PSⅡ反应中心受破坏程度较小，光合能力较强，适应性较好[20]。同时，在这种条件下，其地下部分土壤养分也会做出相应的响应[21]。RDA结果表明，全钾，全磷，含水量和全氮是对DQ品种植株生长影响最大的环境因子。其中，钾对植物体内氮、磷营养元素的吸收和转运有协同效应，从而提高叶片的持水力，增强渗透压调节，改善植株的水分状况以及提高水分利用效率[22]。本试验中开花期DQ苦荞的株高、茎粗在低氮胁迫下均比HF高。由于开花期白天太阳辐射时间长且强，DQ进行光合作用受低氮胁迫的影响较HF小，产生的有机物比HF多。因此DQ的株高茎粗的数值较高[20]。成熟期DQ苦荞的茎粗和叶面积在N1处理下均比HF高。有研究表明耐低氮能力强的玉米品种采取维持较高叶绿素及渗透调节含量、较大叶面积等办法来适应低氮环境、维持正常的生命活动[23]。可能是在低氮条件下，植株发生一系列的形态、生理变化以增强适应低氮的能力，最终缓解低氮的压力。孙从建等[24]在黄土丘陵沟壑区对5种典型农作物在3种不同的降雨类型条件下产流产沙效应进行研究，发现红薯因叶面积较大，地表覆盖率较高的生理特性，能有效降低雨滴对表层土壤的溅蚀，从而阻止土壤随侵蚀性降水的流失。苦荞在黄土高原丘陵沟壑区广泛种植，耐低氮品种的叶面积更大，可以减少不同雨强对土壤地面的直接侵蚀，水土保持作用更强，且耐低氮品种植株的茎较粗，减少植株倒伏概率，较大的地上指标可以提供更多的绿肥和动物饲料。在黄土高原丘陵沟壑区，种植耐低氮品种的苦荞具有较好的生态效应和绿肥效益。本研究表明两个品种在不同生育期地上部生长指标均有差异，株高和茎粗均表现为：成熟期>开花期>幼苗期，叶面积均表现为：开花期>成熟期>幼苗期。研究表明在作物生长期内茎粗随着作物的生长而增大，当作物成熟之后茎粗不再发生变化。在收获时期作物叶面积呈现降低趋势，这主要是因为植物叶片蒸腾所影响的[25]。另外，研究表明在作物生长期间，钾元素能提高叶片叶绿素含量，增大其叶面积，延长叶的功能期，提高光合效率，促进灌浆过程和提早成熟，增强植株的抗逆性[26]。

表3 冗余分析排序

3.2 氮处理及品种对土壤养分的影响

大量研究已经证明土壤pH是影响植物吸收养分的主要驱动因素。本研究中在低氮胁迫下幼苗期HF的土壤pH比DQ的高，在低氮条件下苦荞根系活力因品种有差异，即耐低氮苦荞品种根系活力、根系硝酸还原酶活性明显高于不耐低氮品种[20]，这可能是根际土壤pH发生变化的原因之一。另有研究表明，土壤pH增加可以增加氨氧化菌的丰度从而增加土壤中潜在的硝化作用[27]，可以为植物的生长提供更多的有效氮素，这也可能是苦荞品种的耐低氮机制之一。苦荞幼苗期种子的发育需要消耗的水分较多，同时苦荞的生长的后期根系发达，对水分的吸收量也增加[25]，因此幼苗期和成熟期两个品种的土壤含水量下降。而在苦荞幼苗和开花期HF对含水量的消耗显著大于DQ，有研究表明植物在遇到胁迫时主根会增加来适应环境，增加对土壤中水分的吸收与消耗[9]，由于品种差异，HF品种相对于DQ品种耐氮性较差，可能为适应氮胁迫环境而消耗较多的水分。同时，裂区分析表明品种对含水量有显著影响与结论相互印证。相关研究已经发现合理施用氮肥能够有效增加黄土高原旱地0～20 cm土层土壤有机碳及有机氮积累，从而提高土壤氮素矿化能力，降低氮素矿化速率[28]。本研究中在苦荞生育期中随着施氮量的增加土壤有机质总体上呈增加的趋势，除了HF的开花期和成熟期，其它没有显著差异。

本研究表明从幼苗期到成熟期，各施肥处理土壤碱解氮下降。苦荞因营养生长与生殖生长同时进行，代谢速度快，对氮的需求也增加，同时在生育后期，HF的土壤碱解氮在N1、N2处理下分别比DQ消耗的多，且土壤全氮在3个处理分别比DQ消耗的多。RDA结果表明碱解氮和全氮是影响HF品种植株生长的环境因子。由于不同品种对营养元素吸收利用效率、生产能力以及生长特性等差异，对氮素的需求存在较大差异[29]，DQ因耐氮性高在生育后期对氮的消耗少[8]。相关研究表明种子类作物从开花至成熟期，各个器官中的N素在不断的进行再分配，作物籽粒蛋白中N有20%来自开花后的植物同化作用，而有80%来自开花前营养器官氮元素的转移再分配[30]。本试验中两个品种的有效磷均相对于播种期有所下降，在生育后期HF土壤有效磷、速效钾及全钾在N1、N2处理下均比DQ消耗的多。说明土壤中的氮的添加会改变根际土壤的微环境从而影响植物对磷素和钾素养分吸收利用[31]。

4 结 论

耐低氮品种较大的叶面积和茎粗可以降低雨水对地面的直接侵蚀并防止大风灾害带来的倒伏损失，在黄土丘陵沟壑区种植耐低氮苦荞品种可以在获得经济收益的同时兼顾水土保持效益；苦荞对土壤中氮肥的消耗大，通常会增加下一季作物的肥料用量，本研究表明，耐低氮品种在收获后土壤中养分含量更高，可以减少下一季作物的肥料用量。

致 谢:非常感谢迪庆藏族自治州农业科学研究所与山西省农业科学院高寒作物研究所对本课题提供的种子资源。