玉米(Zea mays L.)是我国种植面积最大的粮食作物, 其产量高低直接关乎我国的粮食安全。玉米是C4植物, 其产量的维系需要大量的氮素供给。然而, 氮肥的大量投入和连年种植必然导致土壤贫瘠, 因此寻求一种减少氮肥投入, 且能培肥沃土的玉米栽培模式迫在眉睫。作为禾本科植物, 玉米与豆科植物间作不仅能减少氮肥用量, 而且通过地上植物残体回落数量的增加还能达到沃土培肥的效果。目前, 比较深入、系统且在实践中推广面积较大的研究即为玉米间作大豆栽培模式^[1]。

白三叶(Trifolium repens L.)为多年生豆科草本植物, 茎细长, 匍匐伸展, 主根短, 侧根和须根发达, 其适应性广, 抗热抗寒性强, 其根瘤能将空气中的N₂转化为NH₄⁺, 进而为宿主提供丰富的氮素营养, 减少氮肥投入^[2]。据报道, 白三叶对苘麻、稗草、早熟禾等田间杂草还有化感作用^[3], 与玉米间作能够有效抑制旱田杂草生长^[4], 减少农药使用。此外, 白三叶因在畜禽的瘤胃中降解速率快, 更有利于提高消化率^[5], 是较好的饲料。研究表明, 间作白三叶显著提高果园土壤耕层水稳性团聚体含量及其稳定性、团聚体有机碳含量^[6]; 间作白三叶显著提高土壤微生物量碳、氮含量及相关酶活性, 有利于土壤微生物对有机碳和全氮的利用^[7]; 间作白三叶可以提高茶园土壤有机质、全氮及碱解氮含量^[8]; 柑橘间作白三叶降低土壤容重, 提高土壤孔隙度和水分含量, 改良土壤物理性质^[9]。Chang等^[10]研究表明:白三叶与黄瓜间作显著增加土壤假单胞菌群落的多样性; Xun等^[11]指出苹果树间作白三叶有效增加土壤总有机碳、全氮含量, 对转化酶、脲酶和碱性磷酸酶活性水平有促进作用, 同时提高土壤细菌的碳代谢活动和细菌群落的多样性。可见, 间作白三叶不仅能影响土壤的养分和物理性质, 而且对土壤生物性质, 尤其是微生物量及群落多样性起到积极作用。因此, 我们做出相应假设, 玉米间作白三叶对土壤微生物学特性的影响会间接对土壤肥力起到积极意义, 而腐殖质组成主要涉及土壤腐殖质各组分碳含量、胡敏酸光密度及腐殖化系数(或称胡富比)的研究, 相应指标能够反映栽培管理措施对土壤有机碳稳定程度的影响, 有效评价土壤肥力的高低^[12]。此外, 腐殖质作为土壤有机质的核心物质, 其组成和含量通常在短期内相对稳定。然而, 对于人为干预较强的农田土壤, 随着季节等环境条件及植被根系分泌物的影响腐殖质会出现短期的盈亏, 其对养分协调起到关键作用^[13]。

鉴于此, 本文采用田间试验法, 在不同施氮水平条件下, 研究玉米间作白三叶、玉米单作2种栽培模式在拔节期、抽雄期和灌浆期对白浆土腐殖质组成的动态影响, 旨在通过土壤腐殖质组分的变化规律评价和筛选培肥白浆土效果最佳的玉米栽培模式, 为玉米生产氮肥零增长栽培技术的研究提供理论参考。

田间定位试验始于2016年5月, 已连续进行3年, 本文数据结果源自2018年4月进行的田间试验。试验地为吉林农业科技学院北大地玉米试验田(126°28′32″E, 43°57′07″N), 为北温带大陆性季风气候, 供试土壤类型为白浆土, 质地为沙壤土, 试验区地势平坦。0~20 cm土壤基本理化性质:有机质含量13.6 g·kg^-1、全氮含量0.77 g·kg^-1、碱解氮含量126.6 mg·kg^-1、有效磷含量40.8 mg·kg^-1、速效钾含量134.9 mg·kg^-1, pH5.42。

选择耐密、紧凑型‘先玉335’为玉米供试品种, 采取等垄宽常规栽培, 于2018年4月28日播种, 垄宽64 cm, 株距23.9 cm, 种植密度为6.5万株·hm^-2, 玉米栽植过程不使用任何除草剂。供试白三叶品种为‘海法’, 品种来源于以色列, 三叶草属, 多年生草本。于5月18日玉米大喇叭口期进行间作播种, 采取条播方式进行, 在距离玉米根部20 cm两侧直播白三叶种子, 播深1.5 cm, 播种量为6 g·m^-2。

试验共设9个处理(表 1), 包括玉米单作系列的4个处理、玉米间作白三叶系列的4个处理以及玉米单作不施肥对照, 每个处理重复3次, 共计27个小区, 每个小区长11 m、宽9.66 m, 小区面积为106.26 m², 区组间设有1 m保护行。供试化肥分别为尿素、磷酸二铵和氯化钾。具体施肥方案:氮肥的1/2、钾肥的1/2以及全部的磷肥用于基肥, 其余1/2的氮肥以及1/2的钾肥用作追肥, 在玉米拔节期施用。在白三叶出苗后, 按玉米拔节期、抽雄期和灌浆期采用五点法动态采集各小区0~20 cm耕层土样, 风干, 去除可见植株残体, 粉碎, 过0.25 mm筛后, 置于磨砂广口瓶中保存。

利用腐殖质组成修改法^[14]对土样进行分析, 具体过程:称取过0.01 mm筛的风干土样5.00 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^-1离心15 min, 将上清液过滤于50 mL容量瓶中, 在含有残渣的离心管中继续添加20 mL蒸馏水搅拌均匀, 再次离心并将此次上清液与前1次的合并, 用蒸馏水定容, 此溶液即为水溶性物质(water soluble substance, WSS)。继续重复上述方法, 将蒸馏水改为0.1 mol·L^-1 NaOH和0.1 mol·L^-1 Na₄P₂O₇·10H₂O的混合液(体积比为1:1)对残渣进行2次提取, 此次收集的溶液即为可提取腐殖酸(humic-extracted acid, HE)。离心管中残渣用蒸馏水多次洗涤, 直至洗液pH值近中性, 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(humin, Hu)。

吸取上述HE溶液30 mL, 用0.5 mol·L^-1 H₂SO₄将其pH值调至1.0~1.5, 然后置于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(fulvic acid, FA); 先用稀酸洗涤滤纸上的残渣, 再用温热的稀碱将其溶解于50 mL容量瓶中, 用蒸馏水定容, 即为胡敏酸(humic acid, HA)。WSS、HE、HA、Hu组分的有机碳(C_WSS、C_HE、C_HA、C_Hu)及总有机碳(total organic C, TOC)含量均采用外加热-K₂Cr₂O₇氧化法测定, FA组分的有机碳含量=HE组分的有机碳含量-HA组分的有机碳含量。采用TU-1901紫外可见分光光度计分别测定HA碱溶液于465和665 nm波长下的吸光值, 并计算其比值, 即为胡敏酸E₄/E₆。

用Excel 2003软件对数据进行整理, 采用SPSS 18.0软件的单因素方差分析(ANOVA)和Duncan’s多重极差检验法比较不同处理数据间的差异。

从表 2可知:M-N-28、M-N-35、M-N-40、I-N-28、I-N-35和I-N-40处理TOC含量均呈先降低后增加的趋势, 而M-N-45处理TOC含量则呈先增加后降低的趋势, I-N-45处理TOC含量逐渐上升。与拔节期相比, 玉米灌浆期单作栽培模式只有在施氮水平增至225 kg·hm^-2时TOC含量增加了1.9%, 其他3个施氮水平下TOC含量均降低; 基于玉米间作白三叶栽培模式, 4个施氮水平下白浆土TOC含量均增加, I-N-28、I-N-35、I-N-40和I-N-45处理, 分别增加7.8%、2.8%、8.4%和9.0%, 其中I-N-45处理的增幅最大。与CK相比, 灌浆期M-N-28、M-N-35、M-N-45、I-N-28、I-N-35和I-N-40处理TOC含量分别增加26.9%、2.6%、10.0%、24.1%、19.9%和1.4%, M-N-40处理TOC含量降低了2.7%, I-N-45处理与CK相比无显著差异。可见, 玉米单作模式下施氮量为200 kg·hm^-2时对白浆土TOC含量的消耗最大, 而在玉米间作白三叶栽培模式下, TOC含量随施氮水平的增加而降低, 在玉米间作白三叶模式下较低施氮水平更有助于TOC含量的保蓄。

与拔节期相比, 在灌浆期I-N-28、I-N-35和I-N-40处理C_WSS含量均增加, 分别增加了25.0%、11.1%和9.1%, 而I-N-45处理C_WSS含量有所消耗, 玉米单作模式在供试施氮水平下均不能使C_WSS含量增加。与CK相比, 灌浆期M-N-28、M-N-35、M-N-40、M-N-45、I-N-28和I-N-45处理C_WSS含量分别降低了31.8%、18.2%、27.3%、36.4%、4.6%和18.2%, I-N-35处理C_WSS含量增加了9.1%, I-N-40处理保持不变。我们推断, 相对于单作模式, 相同施氮水平下玉米间作白三叶栽培模式可显著降低C_WSS含量的消耗, 为微生物活动提供更多能源物质。

基于单作栽培模式, 从玉米拔节期至灌浆期M-N-28和M-N-45处理白浆土的C_HE含量先小幅增加后大幅降低, M-N-35处理C_HE含量无显著变化, 而M-N-40处理C_HE含量呈先降低后增高的趋势, C_HE含量最终增加了13.2%。间作栽培模式下, I-N-28和I-N-40处理C_HE含量先大幅增加后略有降低, I-N-35和I-N-45处理的C_HE含量逐渐增加; I-N-28、I-N-35、I-N-40和I-N-45处理C_HE含量分别增加了7.3%、20.2%、11.4%和20.0%。与拔节期相比, 灌浆期I-N-28、I-N-35、I-N-40处理, 白浆土C_HE含量均增加, 增加幅度分别为7.4%、19.9%、11.4%和19.8%。与CK相比, 在灌浆期M-N-45和I-N-40处理C_HE含量与CK差异不显著, 其他处理C_HE含量均显著高于CK, 其中I-N-28和I-N-35处理对C_HE含量的促进作用最大。

从图 1可知:在玉米拔节期, I-N-45处理白浆土的E₄/E₆显著高于其他处理。由拔节期至灌浆期, M-N-28、M-N-35、I-N-35和I-N-45处理白浆土HA碱溶液E₄/E₆先减少后增加, 而I-N-28处理所表现的规律相反, M-N-40处理的E₄/E₆逐渐增加, 而M-N-45处理的E₄/E₆渐趋降低, I-N-40处理的E₄/E₆先降低后保持不变。与拔节期相比, 玉米灌浆期M-N-28、M-N-35和M-N-40处理的E₄/E₆分别增加了5.7%、13.7%和56.5%, 而M-N-45、I-N-28、I-N-35、I-N-40和I-N-45处理的E₄/E₆分别降低了59.6%、14.0%、27.1%、47.4%和44.0%。这表明在玉米单作栽培影响下, 140、175和200 kg·hm^-2施氮水平可促使白浆土HA分子结构简单化, 而增加施氮量为225 kg·hm^-2后, HA分子芳构化程度增加; 在玉米间作白三叶栽培影响下, 与拔节期相比, 灌浆期各处理白浆土HA分子结构均向复杂化方向发展。

	图 1 不同施氮水平对玉米单作及间作白三叶白浆土胡敏酸(HA)碱溶液E4/E6的影响 Fig. 1 Effect of N application levels on the E4/E6 value of humic acid(HA)alkaline solution extracted from Albic soil based on corn monocropping and intercropping with T.repens
图选项

从图 2可知:由拔节期至灌浆期, 玉米单作模式(M-N-28、M-N-35、M-N-40、M-N-45)及I-N-28处理的C_HA/C_FA先降低后升高, I-N-35、I-N-40和CK处理的C_HA/C_FA逐渐降低, I-N-45处理C_HA/C_FA先增加后下降。与拔节期相比, 玉米灌浆期仅有M-N-28处理的C_HA/C_FA增加了178.8%, 其他处理C_HA/C_FA均降低, 分别减少15.6%、67.0%、45.9%、14.0%、83.1%、68.2%和55.6%。这表明, 与玉米单作相比, 间作白三叶栽培模式更易促进C_HA/C_FA的降低, 加速C_HA向C_FA的转化。当施氮量为175 kg·hm^-2时, 玉米间作白三叶白浆土C_HA/C_FA的降低程度最大。

	图 2 不同施氮水平对玉米单作及间作白三叶白浆土胡富比(CHA/CFA)的影响 Fig. 2 Effect of different N application levels on ratio of the carbon content of humic acid to carbon content of fulvic acid(CHA/CFA)of Albic soil based on corn monocropping and intercropping with T.repens
图选项

从图 3可知:由玉米拔节期至灌浆期, M-N-28、M-N-35、M-N-45、I-N-28、I-N-40和I-N-45处理的C_Hu含量呈先增加后减少的趋势, M-N-40处理的C_Hu含量先平稳后显著下降, 而I-N-35处理则表现为先降低后不变的规律。与拔节期相比, 灌浆期M-N-28和I-N-45处理的C_Hu含量均增加, 分别增加56.8%和36.6%, 相反, M-N-35、M-N-40、M-N-45、I-N-28、I-N-35、I-N-40处理的C_Hu含量分别减少2.2%、22.7%、15.8%、26.9%、19.3%和27.9%, 其中I-N-40处理对于腐殖质惰性组分C_Hu含量分解的促进效果最好。在灌浆期, 玉米间作白三叶栽培模式与单作栽培模式相比较发现:施氮量为140和175 kg·hm^-2时, 白浆土C_Hu含量分别降低了8.4%和11.5%;施氮量为225 kg·hm^-2时, C_Hu含量增加15.2%;施氮量为200 kg·hm^-2时, C_Hu含量差异不显著。这表明, 玉米间作白三叶栽培模式在较低施氮水平下(140和175 kg·hm^-2)有利于C_Hu的矿化和分解, 而在较高施氮水平下(225 kg·hm^-2)更有利于C_Hu的形成和累积。

	图 3 不同施氮水平对玉米单作及间作白三叶白浆土胡敏素碳(CHu)含量的影响 Fig. 3 Effect of different N application levels on the carbon content of humin(CHu)extracted from Albic soil based on corn monocropping and intercropping with T.repens
图选项

与拔节期相比, 玉米灌浆期单作栽培仅在225 kg·hm^-2施氮水平时白浆土TOC含量增加1.9%。增施氮肥有利于提高氮素代谢强度及酶活性, 使氮素积累和蛋白质总量增加, 进而促进根系分泌物的产生, 间接提升TOC含量^[15]。本试验中, 玉米单作条件下较低施氮水平不足以弥补白浆土TOC的矿化。基于玉米间作白三叶栽培模式, 4个施氮水平白浆土TOC含量均增加, 其中I-N-45处理的增幅最大。并且, 玉米间作白三叶增加地上植被的生物量及田间植物残体的凋落物, 使形成的田间复层结构更有利于有机碳的输入。此外, 白三叶根系及其分泌物还能为TOC库存提供稳定、丰富的有机碳源^[7]。因此, 与玉米单作相比较, 玉米间作白三叶在提高白浆土碳固存方面的优势更明显, 若单作玉米, 需配施较高的氮素水平才能维系和稳定白浆土的碳储量。分析其原因:较高氮素的施入能够加速土壤酸化, 对一部分微生物造成毒害, 致使其死亡而释放微生物量碳, 使TOC含量略有提高^[13]。与不施肥的CK处理相比, 玉米间作白三叶配施较低水平氮素即可提高白浆土TOC含量。较低氮素供给在玉米单作栽培上能够显著促进微生物的矿化作用, 而玉米间作白三叶能够更好发挥白三叶的固氮作用, 维系矿化和腐殖化间的平衡, 将更多有机碳素固定在土壤中, 有利于保蓄肥力。

作为土壤有机碳中最稳定的核心成分, 腐殖质能够很好表征土壤肥力的高低。尽管腐殖质含量及结构相对稳定, 但其各组分碳含量及部分性质仍受到气候条件、施肥措施及栽培模式的影响而发生微小变化。为了更加客观地评价2种栽培模式的优劣, 选择温差较大、根系生长量差异明显的3个玉米生育关键时期进行考察。张达斌等^[16]指出碳氮比较低的豆科绿肥更有利于微生物分解转化形成腐殖质类物质。在本试验条件下, 拔节期至灌浆期玉米间作模式下白浆土C_HE含量均增加, 而与CK相比, I-N-28和I-N-35处理对白浆土C_HE含量的促进作用较大。原因可能是:一方面, 玉米与白三叶间作栽培能够扩大植物根系纵向和横向的空间生态位, 形成共生体系, 扩大作物觅取水分和养分的土壤空间, 增加根系有机酸等分泌物的产生^[17], 为C_HE的形成提供氨基酸、多糖及酚类等前体物质; 另一方面, 白三叶凋落物中易分解的可溶性有机物可为微生物提供较好的能源物质, 增加微生物量及相关酶活性, 并且代谢中间产物的不断累积, 能够进入C_HE而使其含量增加^[18]。而在单作模式下, 仅有M-N-40处理的C_HE含量增加。

在相同施氮水平下, 与玉米单作相比, 玉米间作白三叶栽培模式显著降低C_WSS的消耗, 白三叶生物体C/N值较小, 残体较易分解, 释放出多糖、氨基酸、有机酸等可溶性有机物^[19], 因此与玉米间作后可缓解C_WSS含量的降低, 为微生物活动提供更多能源物质^[20-21]。此外, 报道指出间作白三叶显著提高0~20 cm耕层水稳性团聚体的含量及其稳定性^[6], 使C_WSS更易于保存。

在玉米单作栽培模式下, 140、175和200 kg·hm^-2施氮水平均促使HA分子结构的简单化, 而施氮量为225 kg·hm^-2的处理中HA分子结构反而变得复杂。原因可能是:一方面, 增加施氮水平提高了凋落物的数量, 使更多新鲜植株残体进入土壤, 增加微生物对HA组分的降解, 余下相对复杂的HA分子使其E₄/E₆降低^[22]; 另一方面, 高氮量促进微生物对Hu组分的矿化。Hu是HA与矿物结合所形成的惰性腐殖质组分^[23], Hu的降解产物进入HA也会增加其分子的复杂程度。上述处理仅有140 kg·hm^-2施氮水平在玉米单作条件下有利于白浆土C_FA向C_HA转移, 提高腐殖质品质。在拔节期, 玉米间作白三叶配施最大氮量(225 kg·hm^-2)能够使HA分子结构的复杂程度低于其他处理。这说明:集中施入大量氮素能够迅速提高微生物的矿化分解能力, 使HA分子复杂程度迅速降低。此时由于间作的白三叶尚处于萌芽阶段, 未能发挥固氮作用促进HA分子的缩合。而与拔节期相比, 在灌浆期后间作模式无论在哪一施氮水平下均能显著促进HA分子的复杂化。在此期间, 土壤微生物会优先利用C_FA以及C_HA中结构相对简单的有机分子, 使相对复杂的有机分子仍保留在HA组分中。另外, 由玉米根系和白三叶固氮提供的有机酸及NH₄⁺也能够促进部分有机分子的缩合, 使HA分子结构向复杂化方向发展。孙计平等^[24]指出间作生草可以显著提高0~10 cm土层C_HA含量。在本试验条件下, 间作模式白浆土C_HA有被消耗并向C_FA转移的趋势, 降低了C_HA/C_FA, 不利于提高白浆土腐殖质的品质。因此, 3年的间作栽培在改善白浆土腐殖质品质方面仍不足以完全超过单作栽培, 相关研究结果有待长期定位试验继续验证。

施氮量为140 kg·hm^-2时, 在玉米单作栽培模式下, 土壤微生物活性较低, 无法对C_Hu产生较强的分解作用, 而提升施氮水平, 白浆土C/N降低, 微生物活性增强, 部分C_Hu矿化。玉米间作白三叶栽培模式在较低施氮水平下(140和175 kg·hm^-2)有利于C_Hu的矿化和分解, 而在较高施氮水平下(225 kg·hm^-2)更有利于C_Hu的形成和累积。适宜氮素用量能够促进根际产物(分泌物、脱落细胞等)形成, 改善土壤质地, 进而促进微生物繁殖并增加酶活性, 使C_Hu趋于矿化^[25-26]。将氮素水平进一步提升后, 土壤脲酶活性急剧增加^[27], 尿素快速分解生成大量CO₂。由于地表覆盖白三叶, 透气性降低, 使CO₂在土壤表层聚集, 抑制了微生物活性, 有利于C_Hu积累^[14]。