丁 磊,柴 强,于爱忠,胡发龙,殷 文,樊志龙,范 虹,任 慧,赵 财

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学 农学院，兰州 730070)

土壤有机碳和氮素是陆地生态系统的重要组成部分[1]，影响着全球碳氮循环平衡以及气候变化，同时也是衡量土壤碳氮协调变化和评价土壤质量的重要指标[2-3]。不同的土地利用方式对土壤中有机碳和氮素含量有着不同的影响[4-5]，在农业生态系统中，土壤有机碳和氮素含量不仅是土壤养分的重要组成部分，其含量变化还会影响作物对水分和营养元素的吸收，进而影响作物产量[6]。在农业生产过程中，合理的种植制度和耕作模式，能有效提高土壤有机碳和全氮的含量[7]。有研究表明，免耕和少耕等保护性耕作相比于传统的翻耕能有效减少土壤侵蚀量，减轻水土流失，改变表层土壤理化性质，提高土壤的有机质、全氮等肥料的含量，从而增加作物产量，提高水分利用效率[8-10]。间作种植模式相较于单作，增加生物多样性，促进土壤微生物生长繁育，有利于增加农田土壤有机碳含量；而禾豆间作由于豆科作物的加入，有效提高土壤氮素含量[11-12]。

河西绿洲灌区光资源丰富，热量一熟有余两熟不足，适宜发展间作套种，但该地区受土壤耕作措施、种植模式、覆盖措施、施肥水平等因素的影响[13]。传统的玉米间作小麦已经不再适宜生产实践的需求，而玉米间作豌豆能促进豆科作物的固氮效率，有效改善间作土壤养分，从而显著提高氮素利用效率[14]。覆膜免耕可以改善土壤养分，降低土壤温度，限制玉米早期生长，从而减少玉米与豌豆间作的竞争，促进玉米的补偿生长[15]。

目前，有关耕作措施与种植模式在农业生产中的研究大多集中在免耕等保护性耕作措施对农田土壤含水量、地温及作物生长特性的研究，但是关于免耕措施下，禾豆间作模式对农田有机碳和全氮及其组分的影响研究较少。因此，本文以河西绿洲灌区玉米间作豌豆为研究对象，借助2013年在河西绿洲灌区建立的不同耕作措施长期定位试验，测定不同耕作措施下农田耕层0～40cm土壤有机碳、全氮、硝态氮、铵态氮和C/N，分析比较耕作措施与间作对土壤有机碳、土壤全氮及其组分含量的影响。以期得到耕作措施与种植模式对河西绿洲灌区农田土壤有机碳、全氮及其组分影响的综合评价结果，为相关研究提供理论支撑和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

在甘肃省武威市凉州区黄羊镇甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地(37°30′N、103°5′E)进行田间试验，试验区位于河西走廊东端，是典型的温带大陆性气候，平均海拔1 506 m，天然降水少，年均降水约156 mm，主要集中在7—9月份；年蒸发量约2 000 mm，日照时数2 969 h，年平均气温7.2 ℃，>0 ℃积温3 513 ℃，≥10 ℃积温 2 985 ℃，无霜期156 d。该区光照资源丰富，日照充足，适合发展间作；但资源性缺水严重，因此该地区农业有“非膜不植”的特点。试验区土壤为灌淤土，试验开始前0～40 cm土壤理化性状见 表1。

表1 0～40 cm土壤理化性状Table 1 Soil physical and chemical properties at depth of 0-40 cm

1.2 试验材料

豌豆(PisumsativumL.)品种为‘陇豌1号’，玉米(ZeamaysL.)品种为‘先玉335’；施肥为当地常规施肥，单作豌豆总施肥量为108 kg·hm-2氮肥，单作玉米与玉米间作豌豆总施肥量为360 kg·hm-2氮肥；白色农用地膜的宽度为120 cm，厚度为0.01 mm。试验区玉米为全膜覆盖种植，豌豆为不覆膜种植。试验于每年3月上旬播种豌豆，6月下旬收获；玉米于4月下旬播种，10月收获。

1.3 试验设计

试验设2种耕作方式：传统覆膜耕作(CT)、覆膜免耕(NT)，3种种植模式：单作玉米(M)、玉米间作豌豆(M/P)、单作豌豆(P)；玉米单作种植密度为9万株·hm-2(行距40 cm，株距27 cm)。豌豆单作处理种植密度为180万株·hm-2(行距20 cm)分行种植。玉米与豌豆间作模式采用 3∶4种植(3行玉米和4行豌豆)，玉米行距40 cm，株距27 cm，豌豆行距20 cm，玉米与豌豆间距25 cm，其中玉米密度为5.2万株·hm-2，豌豆密度为76万株·hm-2。灌水与施肥与当地传统相同，灌溉定额4 650 m3·hm-2；玉米总施氮量为360 kg·hm-2，豌豆总施氮量为135 kg·hm-2，磷肥按照N∶P为2∶1的比例，即180 kg·hm-2。试验共设6个处理，各处理重复3次，共计18个小区，小区面积7 m×8 m=56 m2。试验处理及代码如表2所示。

表2 试验处理及代码Table 2 Test processing and code

1.4 样品采集与测定指标

2019、2020年玉米收获后在每个小区沿对角线等距离3点各取0～20 cm和20～40 cm土层供试土样，3点同层次土样混合均匀后自然风干，挑去其中的石块草根，磨细过100目筛，备用，测定土壤基础养分。在玉米间作豌豆每个小区分别靠豌豆带和玉米带中间两点按0～20 cm和20～40 cm两个层次、单作豌豆和单作玉米每个小区沿对角线靠中间两点分0～20 cm和20～40 cm两个层次取土。

土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定；全氮含量采用Elemantar元素分析仪进行测定，测定时称取120 mg样品；土壤硝态氮和铵态氮含量采用全自动间断化学分析仪测定，测定前将所取土样分别称取2 g，用2 mol·L-1KCl溶液浸提土壤溶液中的硝态氮与铵态氮。

土壤碳氮比：表示碳、氮元素在土壤中的相对大小关系，土壤碳氮比越大表示土壤碳含量相对高于氮素含量，土壤碳氮比越小表示土壤氮素含量相对高于土壤碳含量。

1.5 数据处理

有机碳、全氮、硝态氮、铵态氮含量和C/N在玉米间作豌豆的试验中采用加权平均法计算,计算公式为[以有机碳(SOC)为例]：SOC平均值=(SOC玉米×19/11)+(SOC豌豆×19/8)

采用Excel 2016制图，SPSS 19.0对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 覆膜免耕对玉米间作豌豆土壤有机碳含量的影响

2 a研究结果表明，NT较CT显著增加0～20 cm和20～40 cm土层有机碳含量，增幅分别为4.8%和5.4%。耕作措施与种植模式对0～40 cm土壤有机碳含量均有显著影响(P<0.05)，而两者互作效应(P>0.05)对其无显著影响(图1)。同一种植模式下，NT较CT处理显著提高玉米间作豌豆和单作玉米在0～20 cm与20～40 cm土层土壤有机碳含量，提高量为 4.0%、5.7%和6.9%、6.4%，单作豌豆影响不显著。NT与CT处理下，种植模式之间土壤有机碳含量差异显著，玉米间作豌豆较单作玉米0～20 cm、20～40 cm土层有机碳含量高4.6%、5.9%和7.5%、6.5%，较单作豌豆低6.8%、5.2%和7.1%、6.6%。综上所述，NT相比于CT对提高土壤有机碳含量具有显著的促进作用，而种植模式之间玉米间作豌豆较单作玉米明显提高土壤有机碳含量。

2.2 覆膜免耕对玉米间作豌豆土壤全氮含量的影响

2 a间玉米收后土壤全氮含量变化趋势一致，即NT较CT显著提高0～20 cm土层全氮含量，增幅为5.3%，但两个覆盖处理20～40 cm土层全氮含量差异不显著。耕作措施(P<0.05)和种植模式(P<0.05)对0～40 cm土层全氮含量影响均显著；二者互作效应(P>0.05)对0～40 cm土层全氮无显著影响(图2)。NT较CT处理对单作豌豆在各土层中土壤全氮含量差异不显著；而玉米间作豌豆与单作玉米在0～20 cm土层中能分别提高土壤全氮含量5.0%和8.8%，在 20～40 cm土层中土壤全氮含量差异不显著。相同耕作措施，不同种植模式相比较，单作豌豆土壤全氮含量显著高于玉米间作豌豆和单作玉米处理；NT和CT处理下，玉米间作豌豆较单作玉米显著增加了0～20 cm土层中土壤全氮的含量，分别增加了7.0%和10.9%；而在20～40 cm土层中土壤全氮含量差异不显著。由此可以看出，由于覆膜免耕较传统覆膜耕作减少对土壤的扰动，从而提高了0～20 cm土层土壤全氮含量，而对20～40 cm土层全氮含量影响差异不显著。在不同的种植模式下，间作由于豆科植物的加入，相比较单作玉米，有效提高土壤全氮含量。

2.3 覆膜免耕对玉米间作豌豆土壤硝态氮、铵态氮含量的影响

耕作措施、种植模式以及两者的互作效应对0～40 cm土层硝态氮和铵态氮含量均有显著影响(表3)。不同种植模式及耕作措施下土壤硝态氮0～20 cm(13.90～25.22 mg·kg-1)含量高于20～40 cm(11.06～21.32 mg·kg-1)。NT较CT土壤硝态氮含量在0～20 cm、20～40 cm土层分别提高11.3%、16.8%；由于覆膜免耕条件下氮素水解较快，使得NT较CT处理显著提高玉米间作豌豆和单作玉米在0～20 cm与20～40 cm土层的硝态氮含量，提高量为7.6%、21.9%和29.8%、41.0%。NT与CT处理下，种植模式之间土壤硝态氮含量差异显著，均表现为SP>M/P>SM，其中玉米间作豌豆较单作玉米0～20 cm、20～40 cm土层硝态氮含量高 14.5%、29.3%和38.2%、49.5%。

表3 覆膜免耕玉米间作豌豆土壤硝、铵态氮含量Table 3 Soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen content in maize/pea intercropping under no-tillage with mulching of plastic film

NT较CT显著提高0～20 cm、20～40 cm土层土壤铵态氮含量，分别提高18.0%、14.6%。0～20 cm土层中NT处理下的玉米间作豌豆与单作玉米土壤铵态氮含量明显高于CT处理，分别高14.7%和52.8%。而在20～40 cm土层中，仅NT处理下的单作玉米土壤铵态氮含量显著高于CT处理。相同耕作措施下，种植模式之间土壤铵态氮含量差异显著，均表现为SP>M/P>SM。其中玉米间作豌豆较单作玉米0～20 cm、20～40 cm土层铵态氮含量高21.6%、23.3%和62.0%、79.5%。

由此可见，NT较CT处理可有效提高土壤 0～40 cm硝态氮和铵态氮的含量。而不同种植模式之间土壤硝态氮和铵态氮含量表现为SP>M/P>SM。

2.4 覆膜免耕对玉米间作豌豆土壤C/N的影响

碳氮比(C/N)是指基质中碳的总含量与氮的总含量的比值，适当的碳氮比例，有助于土壤微生物的活性。耕作措施与种植模式(P<0.05)对 0～20 m土层C/N有显著影响，两者互作效应(P>0.05)对其无显著影响；而对20～40 cm土层C/N均无显著影响(图3)。同一种植模式，不同耕作措施之间相比较：玉米间作豌豆与玉米单作条件下，NT较CT 0～20 cm土壤C/N分别降低4.7%和7.6%，而土壤C/N在20～40 cm土层各处理之间均无显著性差异。同一耕作措施，不同种植模式之间相比较，0～20 cm土层C/N均表现为SM>M/P>SP。

3 讨 论

与传统覆膜耕作相比，保护性耕作能有效改善土壤表层的肥力[16]。研究表明，耕作方式主要影响0～30 cm土层中的有机碳和氮,而覆膜免耕有效地提高0～15 cm土层有机碳和全氮的储量[17-18]，使土壤养分出现表层富集现象。本研究中，覆膜免耕较传统覆膜耕作显著提高玉米间作豌豆与单作玉米0～40 cm土层有机碳的含量；同时也提高玉米间作豌豆与单作玉米0～20 cm土层全氮含量，但20～40 cm土层全氮含量差异不显著；而耕作措施对单作豌豆在0～40 cm土层有机碳和全氮含量无显著影响，说明覆膜免耕相比于传统覆膜耕作对提高土壤有机碳和全氮含量具有显著的促进作用。其主要原因如下：一方面是覆膜免耕能够减少土壤扰动次数，增加土壤腐殖质的积累，促进土壤有机碳和全氮的积累[19]，另一方面是覆膜免耕土壤近地表处土壤有机质含有植物所需的多种养分特别是氮素，土壤表层中有机质大约有80%～97%的氮[20]，而单作豌豆差异不显著的原因可能是各处理下的豌豆在生育期内自身固氮和根系分泌物有关，也有可能是豌豆收获后根系残留物降解和微生物分解有机质有关。

通过长期土壤碳氮变化的研究发现，合理的农田管理措施会增加土壤有机碳和全氮含量,从而改善土壤质量[21]，而间作较单作模式能有效提高大麦间作豌豆农田土壤有机碳和全氮的含量[22]。本研究表明，在各耕作措施下，玉米间作豌豆较单作玉米能有效提高0～40 cm土层有机碳的含量；但仅提高0～20 cm土层全氮含量，对20～40 cm土层无显著差异。原因可能是间作种植模式，增加了农田的生物多样性，强化了种间边缘效应，导致土壤中微生物的数量增加，有利于土壤有机碳的积累[11]，另一个原因是间作由于豆科植物的加入，相比单作玉米,有效提高土壤全氮含量[12]。

硝态氮和铵态氮是植物吸收利用的两种主要无机氮，本研究发现覆膜免耕较传统处理显著提高间作与单作玉米0～40 cm土层硝态氮的含量，对单作豌豆影响异不显著。覆膜免耕较传统覆膜耕作提高玉米间作豌豆0～20 cm铵态氮含量，对20～40 cm差异不显著，但对单作玉米0～40 cm土层铵态氮含量差异显著。原因可能是土壤硝 化-反硝化作用过程中的硝酸盐淋溶和气态氮素的损失导致土壤氮素的流失[23]，而覆膜免耕条件下，氮素水解较快，导致土壤铵态氮和硝态氮含量较高，也有可能是覆膜免耕较传统覆膜耕作降低了氨挥发量，降低损失消耗所致[20]。间作种植系统中，禾本科作物竞争资源的能力高于豆科作物，促使与之间作的豆科作物固定更多的大气氮，而豆科作物也可以把自身的氮素供给临近禾本科作物吸收，改善禾本科作物的供氮条件，有利于禾本科作物生长[24]。本研究表明，在同一耕作措施下，不同种植模式0～40 cm土层硝态氮与铵态氮的含量均表现为：SP>M/P>SM。主要原因是玉米间豌豆种植模式，可以减少土壤中硝态氮的累积和淋失，增加铵态氮含量，从而提高氮肥利用效率[25-26]。

土壤C/N通常被认为是土壤质量变化的重要指标，对作物的生长发育具有重要影响[27]。一定范围内的土壤C/N，有利于微生物在有机质分解过程中释放养分，促进土壤中有效氮的增加，有利于作物的生长[28]。本研究表明：土壤C/N在20～40 cm土层各处理之间差异不显著。耕作措施下，土壤C/N在0～20 cm土层表现为SM>M/P>SP，同一种植模式,不同耕作措施下，间作与单作玉米土壤C/N均表现为覆膜免耕低于传统覆膜耕作，而单作豌豆差异不显著。可能的原因是20～40 cm土层碳和全氮含量降低，导致各处理间差异不显著，而保护性耕作能有效提高土壤表层有机碳和全氮含量，减少了土壤扰动，降低了碳、氮损失，促进了土壤团聚体对有机碳的保护作用，同时也增加了作物根系对氮素的吸收，合理调节土壤C/N[18,27]。不同种植模式下，玉米间作豌豆较单作玉米，由于豆科植物的加入，增加了农田生物的多样性，从而提高了土壤有机碳和全氮含量[12]，有效降低了土壤C/N。

4 结 论

覆膜免耕较传统覆膜耕作促进了间作与单作玉米土壤0～40 cm土层有机碳和氮素的积累，而对单作豌豆在0～40 cm土层有机碳和氮素含量差异不显著；同时，覆膜免耕玉米间作豌豆较单作玉米可显著提高土壤有机碳、全氮、硝态氮和铵态氮含量；也合理地降低了0～20 cm的C/N，促进土壤碳氮的分解，提高农田耕层土壤肥力。因此，覆膜免耕玉米间作豌豆为该区域减少地膜投入、高效、可持续间作生产模式。