陳 偉, 王 佳, 孫從建, 王紅陽(yáng), 李亞新

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 山西省資源環(huán)境信息化管理院士工作站，山西 臨汾 041000)

黃土高原典型土壤是我國(guó)北方最重要的土地資源之一，廣布于北方46個(gè)地(市)，總面積達(dá)64萬(wàn)km2，約占全國(guó)土地總面積的6%。由于其以粉沙顆粒為主、土質(zhì)疏松、雨水崩解的特性，降水集中時(shí)極易導(dǎo)致水土流失，而水土流失帶走大量泥沙的同時(shí)，也帶走了土壤中大量養(yǎng)分[1-2]。黃土高原典型土壤是山西省內(nèi)面積最大、分布最廣的地帶性土壤，“缺氮、少磷、鉀充足”是黃土高原瘠薄地區(qū)土壤養(yǎng)分含量的整體特點(diǎn)。同時(shí)也有研究表明[3]山西黃土高原土壤多偏堿性且氮素貧瘠，使作物的生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量受到抑制。因此，黃土高原地區(qū)因獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境而造成的氮素流失及匱乏是限制農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。而苦蕎(FagopyrumtataricumL.)因生育期短和耐瘠性好被廣泛種植在黃土高原生態(tài)環(huán)境較嚴(yán)酷的地區(qū)，也是中西部經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后地區(qū)的主要糧食、經(jīng)濟(jì)和避災(zāi)救荒作物，有著其他大宗作物無(wú)法替代的區(qū)位優(yōu)勢(shì)[4-5]。另外，苦蕎對(duì)于中西部糧食安全和貧困地區(qū)也同樣起著不可或缺的作用。

大量研究結(jié)果表明，作物不同的生育期生長(zhǎng)特點(diǎn)不同[6-8]，且作物對(duì)土壤中養(yǎng)分的積累和分配也因生長(zhǎng)階段的不同而差異顯著[9-10]。所以，作物不同生育期或生育階段土壤的養(yǎng)分狀況也存在差異。對(duì)于作物不同生育期土壤養(yǎng)分狀況的研究主要集中在小麥[11]、玉米[12]、大豆等[13]大宗作物，對(duì)于苦蕎關(guān)注較少。盡管研究不同時(shí)期土壤養(yǎng)分的含量對(duì)于人們把握整個(gè)生育期養(yǎng)分狀態(tài)有很重要意義。但很多學(xué)者對(duì)于苦蕎的生育期養(yǎng)分變化研究主要集中在苗期[14-15]，有研究結(jié)果顯示苦蕎整個(gè)生育期對(duì)土壤中N∶P∶K的比例基本保持在1∶0.36～0.45∶1.76。但在整個(gè)生育期中，品種的差異是土壤中養(yǎng)分狀況產(chǎn)生差異的主要原因，大量研究表明，同一作物的不同品種對(duì)土壤潛在養(yǎng)分聚集、消耗以及利用能力的差異使土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生較大差異[16]。張楚等[17]通過(guò)9個(gè)不同基因型苦蕎的水培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低氮環(huán)境下，地上部分莖葉的生長(zhǎng)和地下部分根系的變化，耐氮品種與不耐氮品種差異顯著。陳偉等[4]利用熒光光譜法對(duì)苦蕎根際土壤的研究表明，低氮條件顯著影響土壤根際纖維素酶和氮循環(huán)過(guò)程相關(guān)的土壤酶活性，除苦蕎成熟期的常氮處理，苗期和開(kāi)花期的低氮處理?xiàng)l件下，纖維素酶活性均表現(xiàn)為耐低氮品種迪慶苦蕎根際土壤顯著高于不耐低氮品種黑豐1號(hào)。同時(shí)另有學(xué)者[5]對(duì)苦蕎土壤根系分泌有機(jī)酸進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低氮脅迫下苦蕎根系分泌有機(jī)酸含量在品種間具有明顯的差異，迪慶根際土壤中草酸含量在各個(gè)生育期分別顯著高于黑豐，酒石酸也在開(kāi)花期和成熟期表現(xiàn)也如此。另外，品種也同樣對(duì)土壤碳轉(zhuǎn)化酶活性上產(chǎn)生顯著影響[15]。因此無(wú)論地上的生理生態(tài)指標(biāo)還是根系分泌的有機(jī)酸，以及涉及土壤中主要的碳氮循環(huán)，耐氮品種與不耐氮品種都存在著很大的差異性。我們假設(shè)這種差異性較大的品種對(duì)不同生育期土壤養(yǎng)分的變化過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。本文通過(guò)對(duì)不同控氮條件下不同苦蕎品種在生育期內(nèi)土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行對(duì)比分析，探究不同耐瘠性品種在不同控氮條件下對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用特征，以認(rèn)知苦蕎耐貧瘠的特性，為黃土高原貧瘠地區(qū)農(nóng)田施肥措施、氮肥管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤采自山西省鄉(xiāng)寧縣馮家溝水土保持監(jiān)測(cè)站長(zhǎng)期撂荒地0—20 cm土層，為黃土高原典型黃土母質(zhì)上發(fā)育的褐土，于2018年5月24到8月31日在山西師范大學(xué)校塑料大棚內(nèi)進(jìn)行(111.50E,36.08N)，海拔449 m，地處半干旱、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期，全年平均氣溫13.5℃，平均降水量527.4 mm。本試驗(yàn)采用盆缽試驗(yàn)，供試苦蕎品種:“迪慶苦蕎”(DQ)和“黑豐1號(hào)”(HF)。其中，迪慶苦蕎(DQ)為耐瘠性品種，由迪慶藏族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。黑豐1號(hào)(HF)為不耐瘠品種，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒作物研究所提供[4]。其中設(shè)置3個(gè)處理，分別為對(duì)照(CK，尿素0 mg/kg)、低氮控量(N1，尿素80 mg/kg)、常氮控量(N2，尿素100 mg/kg)，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每個(gè)處理均施入相同的磷肥(P2O5,150 mg/kg)與鉀肥(K2O,60 mg/kg)作為底肥。每盆裝入10 kg褐土，并按3種處理施以氮肥和底肥，拌合均勻。同時(shí)，每盆選取飽滿均勻無(wú)病蟲(chóng)害的種子，經(jīng)去離子水浸泡24 h后，均勻播種，埋入同樣的深度，每盆定苗8株，之后正常供應(yīng)水分(400 ml)。

1.2 樣品采集

苦蕎的生長(zhǎng)周期較短，一般為3個(gè)月，在播種時(shí)及播種后30 d(6月25)，60 d(7月25)，90 d(8月31)采集樣品，分別作為播種期(S,Sowing stage)、幼苗期(S,Seedling stage)、開(kāi)花期(F,Flowering stage)與成熟期(M,Maturation stage)的土樣。采樣時(shí)，使用抖土法，除去里面雜質(zhì)和土塊，取小部分置于鋁盒待測(cè)土壤含水量;一份樣品裝入塑封袋，帶回后剔去其中的石塊、草根等雜物，土樣經(jīng)過(guò)一周左右的自然風(fēng)干磨細(xì)后分別過(guò)20目，60目和100目篩，分別裝袋密封待測(cè)土壤的各養(yǎng)分指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤含水量采用烘干法，稱(chēng)取少量鮮土放入鋁盒，在105℃烘干24 h后，計(jì)算土壤含水量;土壤pH值在水土比(2.5∶1)浸提下用pH計(jì)測(cè)定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀加熱法測(cè)定;速效磷采用0.52 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;全鉀采用高氯酸硫酸消煮—火焰光度計(jì)法測(cè)定;全氮采用凱氏定氮儀法測(cè)定;全磷采用HClO4-H2SO4分光光度計(jì)法測(cè)定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)、裂區(qū)分析，運(yùn)用Origin 8.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮控量及品種對(duì)土壤含水量、pH及有機(jī)質(zhì)的影響

裂區(qū)分析顯示，除開(kāi)花期土壤的含水量，氮控量、品種及三者交互作用均對(duì)土壤的含水量、pH及有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生顯著影響(p<0.05，圖1)。在幼苗期，N1處理下的兩個(gè)品種的土壤含水量分別比N2處理下的高30.10%和15.06%，而兩個(gè)品種沒(méi)有顯著差異;但在CK及N2處理下，DQ的土壤含水量分別較HF高25.89%和6.02%。開(kāi)花時(shí)期，HF品種的土壤含水量在N1處理下的比N2的高26.85%,DQ的則比N2低112.6%，同時(shí)在CK及N1處理下，HF的土壤含水量分別較DQ高30.28%，66.19%;而N2處理下HF較DQ低62.29%。在成熟期，N1處理下的兩個(gè)品種的土壤含水量分別比N2處理下的高46.66%和46.24%，而兩個(gè)品種均在N1，N2處理下沒(méi)有顯著差異(圖1A)。

注:S表示幼苗期，F(xiàn)表示開(kāi)花期，M表示成熟期;HF表示黑豐1號(hào)，DQ表示迪慶苦蕎;CK表示不施氮，N1表示低氮控量，N2表示常氮控量。C代表品種，N代表氮處理，C×N×S代表品種、氮處理及時(shí)期三者的交互作用，p值基于裂區(qū)分析，其中，**表示極顯著，*表示顯著，ns代表不顯著。圖上的大寫(xiě)字母表示同一品種的不同氮處理在(p<0.05)概率下水平差異顯著，小寫(xiě)字母表示同一氮處理下不同品種在(p<0.05)概率下水平差異顯著，下同。圖1 不同控氮處理及品種對(duì)土壤含水量、pH及有機(jī)質(zhì)的影響

圖1B所示，幼苗期，HF的土壤pH隨施氮量的增加較CK分別增加2.80%，6.73%,DQ在N1處理下土壤pH較CK高1.37%，且在CK及N1處理下，DQ的土壤pH均高于HF5.42%，3.95%。在開(kāi)花期，N1處理下的HF和DQ的土壤pH分別比N2的高4.84%和3.45%，且在這一時(shí)期DQ的土壤pH在N1處理下最高;同時(shí)在N1，N2處理下，DQ的土壤pH分別較HF高1.28%，2.64%。成熟期，N1處理下的兩個(gè)品種的土壤pH分別比N2下的高2.07%和1.25%，且N1，N2處理下HF的土壤PH較DQ的低2.87%，3.71%。

圖1C所示，在幼苗期，DQ的土壤有機(jī)質(zhì)在N1處理下比CK，N2處理下的分別低6.78%，19.12%,HF也較N2處理下低12.03%。兩個(gè)品種在CK及N1處理下均沒(méi)有顯著差異，而在N2處理下，DQ的土壤有機(jī)質(zhì)高HF11.67%。開(kāi)花期，HF在N1處理下的土壤有機(jī)質(zhì)比N2高7.11%，而DQ在N2處理下土壤有機(jī)質(zhì)較N1高36.74%，且在N2處理下DQ的土壤有機(jī)質(zhì)較HF高35.48%。在成熟期，HF的土壤有機(jī)質(zhì)在N1處理下比CK處理下高85.79%,DQ的土壤有機(jī)質(zhì)在N2處理下比N1處理下高12.54%，且在N2處理下，DQ的土壤有機(jī)質(zhì)較HF高12.43%。

2.2 不同氮控量及品種對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

裂區(qū)分析顯示，除了成熟期的速效鉀，氮控量對(duì)土壤速效養(yǎng)分產(chǎn)生了極顯著差異(p<0.01);除了幼苗期的速效鉀和成熟期的堿解氮、速效磷、速效鉀，品種均對(duì)土壤速效養(yǎng)分產(chǎn)生了極顯著差異(p<0.01);除了幼苗期的速效磷外，品種和氮控量及時(shí)期三者之間的交互作用也對(duì)土壤速效養(yǎng)分影響極顯著(p<0.01)(圖2)。由圖2A可知，幼苗期和開(kāi)花期，在N1處理下HF的土壤堿解氮較DQ高12.38%，63.97%，同時(shí)在N2處理下HF的土壤堿解氮比DQ高53.43%，37.19%;成熟期的N1處理下，DQ比HF高44.83%。隨著施氮量的增加，HF在開(kāi)花期和成熟期的N1處理下出現(xiàn)最小值，且DQ也在成熟期N1處理下土壤中堿解氮的含量出現(xiàn)最小值。不同控量下，兩個(gè)品種的土壤堿解氮變化總體上以苦蕎幼苗期為分界線呈先上升后下降的趨勢(shì)。在苦蕎幼苗期，各處理的土壤堿解氮均達(dá)生育期內(nèi)的最大值。而且隨著氮肥量的增加，HF品種的N2處理在數(shù)值上分別高出CK及N1處理70.02%，107.79%，但DQ品種的CK處理在數(shù)值上高出N1處理60.62%。在整個(gè)生育期的后期(苦蕎成熟期)各處理下降幅度較大，整個(gè)生育期結(jié)束后，兩個(gè)品種在N1處理下土壤堿解氮含量都相對(duì)于播種期降低了278%,161%，但DQ的土壤堿解氮比HF高。

幼苗期，在N1，N2處理下，DQ的土壤速效磷含量比HF高17.11%，13.35%。開(kāi)花期N1處理下DQ土壤中速效磷的含量高于HF 137.85%，同時(shí)在這一時(shí)期，N1處理下HF的土壤速效磷比CK，N2處理下低79.48%，182.84%。而成熟期N2處理下HF比DQ高72.62%(圖2B)。圖2B可以看出，土壤速效磷含量在幼苗期上升，達(dá)到全生育期的最高值，然后不同程度下降。幼苗期兩個(gè)品種的各處理土壤速效磷含量的大小順序?yàn)?N2>N1>CK。從苦蕎幼苗期到成熟期，兩個(gè)品種各處理有不同程度的下降趨勢(shì)，以N1下降幅度最大，下降了207.09%，302.88%。在苦蕎收獲后，HF品種各處理的土壤速效磷含量順序?yàn)?N2>CK>N1，而DQ的各處理的土壤速效磷含量順序?yàn)?CK>N2>N1，兩個(gè)品種的N1處理均低于播種期130.91%，158.68%，但HF的土壤速效磷高DQ，但差異性不明顯。

3個(gè)時(shí)期，在N2處理下DQ土壤中速效鉀的含量分別比HF高30.24%，32.72%，40.79%;幼苗期和開(kāi)花期，HF在N1處理下的土壤速效鉀的含量比N2處理下高29.45%，28.49%。從圖2C可以看出，速效鉀的變化趨勢(shì)與堿解氮、速效磷動(dòng)態(tài)變化一致，均為在幼苗期達(dá)到峰值，然后呈下降趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，HF的速效鉀含量在N1處理下最高為0.46，數(shù)值比其他處理高。HF品種幼苗期各處理土壤速效鉀含量高低順序?yàn)?N1>CK>N2,DQ則幼苗期各處理土壤速效鉀含量高低順序?yàn)?N2>N1>CK。隨著生育期推進(jìn)，速效鉀含量逐漸下降，其中N1處理下降的幅度最大。在生育期結(jié)束后，兩個(gè)品種的3個(gè)處理的土壤速效鉀含量均高于播種期，且N2處理下，DQ的土壤速效鉀比HF高。

圖2 不同控氮處理及品種對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

2.3 不同氮控量及品種對(duì)土壤全效養(yǎng)分的影響

裂區(qū)分析顯示，全效養(yǎng)分中除了幼苗期的全磷和3個(gè)時(shí)期的全鉀，品種對(duì)土壤全效養(yǎng)分產(chǎn)生了極顯著差異(p<0.01);除了幼苗期的全磷、全鉀及成熟期的全磷，氮控量均對(duì)土壤全效養(yǎng)分產(chǎn)生了極顯著差異(p<0.01);除了幼苗期的全磷和全鉀、成熟期的全氮外，品種和氮控量及時(shí)期三者之間的交互作用也對(duì)土壤全效養(yǎng)分影響極顯著(p<0.01)(圖3)。幼苗期和成熟期的N2處理下，DQ的土壤全氮比HF高34.37%，12.31%。而在開(kāi)花期N2處理下，HF比DQ高10.95%。在這一階段，兩個(gè)品種隨著施氮量的增加，土壤中全氮的含量也顯著增加。開(kāi)花期和成熟期N1處理下，DQ比HF高26.69%，42.77%(圖3A)。從圖3A看出，土壤全氮的變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，兩個(gè)品種均以幼苗期和開(kāi)花期兩個(gè)時(shí)間段為界。HF和DQ兩個(gè)品種的各處理播種期到幼苗期均處于上升趨勢(shì)，而幼苗期到開(kāi)花期這一階段，HF品種的CK和N2處理為下降趨勢(shì)，N2處理為上升趨勢(shì);則DQ品種的各處理均處于下降趨勢(shì)。在開(kāi)花期到成熟期兩個(gè)品種及各處理均處于上升趨勢(shì)。在苦蕎的成熟期，兩個(gè)品種各處理的土壤全氮含量順序分別為:N2>N1>CK，N1>N2>CK。除兩個(gè)品種的CK處理土壤全氮含量相對(duì)于播種期有所下降外，其余各處理均有不同程度的提高。N1，N2處理下DQ相對(duì)于HF較播種期提升了42.77%，15.90%。

開(kāi)花期和成熟期的N1處理下，DQ土壤中全磷含量比HF高23.62%，16.27%。而在開(kāi)花期DQ品種隨著施氮量的增加在N1處理下出現(xiàn)最大值，較CK，N2處理高10.98%，30.55%(圖3B)。不同控量下，土壤全磷變化總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在苦蕎幼苗期到開(kāi)花期，兩個(gè)品種均呈現(xiàn)大幅度增加，而從開(kāi)花期到成熟期各處理增加相對(duì)較平緩。在整個(gè)生育季后期(苦蕎成熟期)各處理的土壤全磷相對(duì)于播種期均有不同程度的提高。其中，HF品種的土壤全磷含量在N1處理與N2處理下幾乎重合，DQ品種的土壤全磷含量在N1處理下提升效果最明顯，相對(duì)于播種期提升了174.28%，且相對(duì)于HF提升了16.27%。

開(kāi)花期的CK，N1處理及成熟期N1處理下HF的土壤全鉀比DQ分別高17.37%，3.92%，31.81%。而開(kāi)花期和成熟期的N2處理下，DQ比HF高11.47%，16.30%;同時(shí)在這兩個(gè)階段，DQ土壤中全鉀含量隨著施氮量的增加而增加，在N2處理下達(dá)到最高值(圖3C)。從圖3C可知，土壤全鉀的含量在苦蕎幼苗期開(kāi)始，兩個(gè)品種在N1，N2處理下均呈上升趨勢(shì)，但CK處理下，兩個(gè)品種從開(kāi)花期到成熟期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在苦蕎收獲后，兩個(gè)品種各處理的土壤全鉀含量順序?yàn)?N1>N2>CK,N2>N1>CK。其中，各處理均有不同程度的提高，HF品種的N1處理提升最明顯，相對(duì)于播種期提升了104.04%，而DQ品種的N2處理提升最明顯，相對(duì)于播種期提升了124.90%。

圖3 不同控氮處理及品種對(duì)土壤全效養(yǎng)分的影響

3 討 論

3.1 不同控氮量及品種對(duì)土壤含水量、pH及有機(jī)質(zhì)的影響

3.2 不同控氮量及品種對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

4 結(jié) 論

播種期到生育期結(jié)束后，迪慶苦蕎品種在不同控氮量下土壤中養(yǎng)分總體上優(yōu)于黑豐一號(hào)，而在生育期結(jié)束后土壤中養(yǎng)分含量多于黑豐一號(hào)，并且對(duì)土壤pH的變化影響較小。從土壤養(yǎng)分存留及pH變化角度，耐低氮的迪慶品種保水保肥效果優(yōu)于黑豐1號(hào)，偏向于環(huán)境友好型品種。綜上所述，在整個(gè)生育期黑豐1號(hào)的水肥消耗大于迪慶，生育期結(jié)束后有降低土壤pH的風(fēng)險(xiǎn)，黃土高原貧瘠地區(qū)土壤的可持續(xù)發(fā)展應(yīng)多選用耐瘠性強(qiáng)的品種。

致謝:非常感謝迪慶藏族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所與山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒作物研究所對(duì)本課題提供的種子資源。