半干旱雨养区不同覆盖方式对马铃薯土壤氮含量及分布的影响

Effects of different mulching methods on soil nitrogen content and distribution of potato in semi-arid rain-fed areas

摘要

目的 探讨西北半干旱雨养区不同覆盖方式对马铃薯地土壤氮素含量及分布的影响。 方法 设玉米整秸秆带状覆盖（T_秸秆）、黑色地膜覆盖（T_地膜）和露地平作（T_露地）3个处理。测定分析了2019年和2020年马铃薯开花期和成熟期的秸秆种植带株行间（T_{秸秆-带上}）、秸秆覆盖带下（T_{秸秆-带下}）、地膜下（T_地膜）和露地对照（T_露地）在0~120 cm土层的土壤全氮、铵态氮、硝态氮、微生物量氮和碳氮比的变化。 结果 地膜覆盖较对照显著提高了0~20 cm土层的土壤速效氮含量，2 a平均提高了22.73%，降低了0~40 cm土层土壤微生物量氮含量，降低了10.01%。秸秆带状覆盖较露地能够显著提高土壤0~20 cm土层土壤全氮和速效氮含量，全氮两年平均提高了17.32%，速效氮提高了9.41%；能够显著提高0~90 cm土层土壤微生物量氮含量，平均提高了45.01%；较地膜覆盖处理显著提高了0~20 cm土层的全氮含量和0~40 cm土层微生物量氮含量，分别提高了20.98%和83.83%。 结论 秸秆带状覆盖能够有效提高土壤氮素含量，是促进农业农田可持续利用与发展，提高土壤生产潜力的有效方法。

Abstract

Objective This study aimed to investigate the effects of different mulching methods on soil nitrogen content and the distribution of potato in the semiarid rain-fed area of Northwest China. Method In the study，three treatments were set，i.e.，the mulching with the whole corn straw （T_straw），mulching with black plastic film （T_{plastic film}） and open field （T_{open field}）.The soil in potato planting zone（T_straw-strip），straw mulching zone （T_straw-strip），mulching film （T_{mulching film}） and control plot （T_{dew field}） was sampled from the soil layer of 0~120 cm at the flowering and maturity stages in 2019 and 2020； and then，the changes of soil total nitrogen，ammonium nitrogen，nitrate nitrogen，microbial nitrogen and C/N ratio were measured and analyzed. Result Our results showed that under the treatment of T_{plastic film}，the soil available nitrogen content in 0~20 cm soil layer was significantly increased by 22.73% in two years，and the soil microbial nitrogen content in 0~40 cm soil layer was decreased by 10.01% when compared with the control.The straw strip mulching treatment could significantly increase the contents of both total nitrogen and available nitrogen in 0~20 cm soil layer when compared with the open field treatment，which was on average increased by 17.32%，and 9.41% in two years，respectively.Meanwhile，the soil microbial biomass nitrogen content in 0~90 cm soil layer was significantly increased by 45.01% on average.However，when compared with the film mulching treatment，the total nitrogen content in 0~20 cm soil layer and microbial nitrogen content in 0~40 cm soil layer were significantly increased by 20.98% and 83.83%，respectively. Conclusion Our results suggested that the straw strip mulching could effectively increase the content of soil nitrogen，and thus it might serve as effective methods of promoting the sustainable utilization of agricultural farmland and of improving the potential of soil production.

Graphical abstract

关键词

马铃薯 / 秸秆带状覆盖 / 地膜覆盖 / 全氮 / 速效氮 / 微生物量氮

Key words

photo / straw strip mulch / plastic film covering / total nitrogen / available nitrogen / microbial nitrogen

土壤氮素是维持植物正常生长发育所必需的营养元素之一，直接制约土壤生产能力^［1］。在黄土高原，秸秆覆盖和地膜覆盖是作物生产中广泛使用的两种常见做法^［2］，其对土壤氮素的影响也颇受关注^［3］。已有研究表明，通过地膜覆盖可增加土壤表层铵态氮和硝态氮含量^［4-7］，降低土壤表层微生物量氮含量^［8］。秸秆覆盖可以提高土壤表层全氮含量和微生物量氮的含量^［9-12］，也有一些研究表明秸秆覆盖提高了土壤表层硝态氮含量^{［11，13］}。

秸秆带状覆盖技术是甘肃农业大学柴守玺教授科研团队主持研发的一种利用秸秆局部覆盖抗旱保墒的作物种植新技术^［14］。秸秆带状覆盖技术在生产实践中已经有了一些研究，玉米秸秆带状覆盖有明显的降温增墒效应^［15-16］，能够显著提高马铃薯产量和水分的利用效率^［17］。但对秸秆带状覆盖种植带、覆盖带下和地膜覆盖的不同土层氮素组分研究较少。为此，本试验研究秸秆带状覆盖中种植带、覆盖带和地膜覆盖处理的氮组分的变化来探究不同覆盖措施对土壤肥力的影响。以期为西北地区秸秆带状覆盖技术推广提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在甘肃省定西市通渭县平襄镇甘肃农业大学旱作试验基地进行（N 35°11′，E 105°19′），试验点海拔1 590 m，年日照时长2 100~2 430 h，无霜期120~170 d，年平均气温7.2 ℃，属中温带半干旱气候，为西北典型雨养农业区。试验区土壤为黄绵土。农田0~30 cm土壤平均容重是1.25 g/cm³，土壤全氮、速效磷、速效钾含量分别为0.79 g/kg、11.63 mg/kg、122.7 mg/kg。2019年和2020年生育期有效降水量（≥5 mm）分别为423.9 mm和432.3 mm。

1.2 试验设计

试验设玉米整秸秆带状覆盖 （T_秸秆）和地膜覆盖（T_地膜），以露地平作（T_露地）为对照总共3个处理，每个处理各3次重复。共9个小区，每个小区面积60 m²（10 m×6 m），完全随机区组排列。试验小区前茬作物为冬小麦，冬小麦收获后对试验小区深翻1次（耕深30 cm），旋耕1次（耕深0.2 m），短暂休闲后于当年11月按照试验设计分别覆盖地膜和秸秆。马铃薯供试品种为天薯11号，播种量为5.55×10⁴株/hm²。穴播，播深15 cm，株距30 cm，行距60 cm，相邻两行呈三角形排列，播种后立即覆土保墒。化肥全部作为基肥一次性施入，后期不再追肥，肥料用量为尿素（含N：46.4%）261 kg/hm²、磷酸二氢铵（含P₂O₅：46%，N：18%）326 kg/hm²，折合为纯N 180 kg/hm²、P₂O₅ 180 kg/hm²。具体试验设计为：秸秆带状覆盖（T_秸秆）：玉米秸秆整秆呈条带状覆盖于土壤表面，其中秸秆覆盖带宽50 cm，种植带宽70 cm，总带宽120 cm，玉米秸秆覆盖量为9×10³ kg/hm²。地膜覆盖（T_地膜）：黑色地膜全膜覆盖，垄宽100 cm，两边垄沟各10 cm，垄高10 cm，总宽度120 cm，地膜幅宽120 cm，采用普通黑色地膜。

露地（T_露地）：露地平作。

1.3 土壤样品采集

采样时期为马铃薯盛花期（7月）和成熟期（10月）。处理T_秸秆分别取马铃薯种植带株行间（T_{秸秆-带上}）和秸秆覆盖带下（T_{秸秆-带下}）的土壤，处理T_地膜取地膜下株行间的土壤，处理T_露地取株行间的土壤。采用5点取样法利用土钻分别钻取0~20、20~40、40~60、60~90、90~120 cm土层的土壤。带回实验室后过2 mm土壤筛后分成两部分，分别风干储存和冷藏储存（4 ℃）。风干土用于测定土壤全氮和全碳，冷藏土用于测定土壤铵态氮、硝态氮和微生物量氮。

1.4 测定项目与方法

土壤全氮（N_T）：用半微量凯氏定氮法测定^［18］；土壤铵态氮（N_A）：用氯化钾浸提-蒸馏法测定^［18］；土壤硝态氮（N_N）：用氯化钾浸提-还原蒸馏法测定^［18］；土壤微生物量氮（N_M）：用氯仿熏蒸-茚三酮比色法测定^［18］；土壤全碳（C_T）：用重铬酸钾容量法-外加热法测定^［18］。

土壤速效氮含量（N_AN）=土壤铵态氮含量+土壤硝态氮含量

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2019整理测定的数据并作图。用SPSS 26.0对数据进行统计分析处理间差异，采用Duncan法进行差异显著性分析，显著性水平设置为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对土壤全氮含量的影响

从图1 可知，土壤全氮含量随土层深度的增加而减少，其中0~20 cm土层的秸秆覆盖处理的土壤全氮含量最高。

地膜处理0~20 cm土层全氮含量在2019年成熟期和2020年盛花期低于对照，但没有达到显著差异，在2020年成熟期较对照显著降低了3.26%（P<0.05）；20~40 cm土层2019年成熟期较对照显著提高了11.03%（P<0.05），其他时期无显著差异。40~60、60~90、90~120 cm土层地膜覆盖均较对照无显著性差异。

秸秆覆盖0~20 cm土层2019年成熟期、2020年盛花期和2020年成熟期均较露地显著提高了土壤全氮含量，其中种植带分别提高了15.26%、20.65%和21.68%（P<0.05），覆盖带分别提高了14.11%、18.13%和14.20%（P<0.05）；20~40 cm土层2019年成熟期和2020年成熟期种植带较对照显著提高了16.48%和6.23%（P<0.05），2020年盛花期种植带较对照无显著性差异；2019年成熟期和2020年成熟期覆盖带较对照提高了12.09%和8.89%（P<0.05）；2020年盛花期覆盖带较对照显著降低了16.2%（P<0.05）。40~120 cm土层秸秆覆盖较对照均无显著差异。

2.2 不同覆盖方式对土壤速效氮的影响

2.2.1 不同覆盖方式对土壤速效氮含量的影响

从图2可知，地膜处理0~20 cm土层土壤速效氮含量在2019年成熟期、2020年盛花期和2020年成熟期分别较对照提高了10.12%、21.06%和33.41%（P<0.05）。20~120 cm各土层速效氮含量较对照无显著性差异。

秸秆覆盖处理下0~20 cm土层2020年盛花期与成熟期种植带速效氮含量较对照分别显著提高了16.82%和11.67%（P<0.05）；2019年成熟期、2020年盛花期和2020年成熟期覆盖带分别较对照显著提高了6.85%、10.06%和6.48%（P<0.05）；20~40 cm土层2019年成熟期和2020年盛花期种植带与覆盖带速效氮含量均较对照无显著差异，40~120 cm各土层速效氮含量较对照无显著差异。

2.2.2 不同覆盖方式对土壤铵态氮含量的影响

从图3可知，土壤铵态氮含量随着土层深度的增加大致呈下降-上升-下降的趋势。

地膜处理2019年成熟期、2020年盛花期和2020年成熟期0~20 cm土层铵态氮含量显著高于对照，分别较对照提高了10.25%、6.25%和5.76%（P<0.05）；2020年盛花期与成熟期40~60 cm土层较对照显著提高了12.33%和3.8%（P<0.05）。2019年成熟期较对照无显著差异。60~120 cm各土层铵态氮含量较对照无显著性差异。

秸秆覆盖处理0~20 cm土层种植带和覆盖带铵态氮含量在2019年成熟期较对照无显著差异，2020年盛花期与成熟期较对照显著提高了14.93%与4.53%（P<0.05）；覆盖带较对照显著提高了6.66%和7.77%（P<0.05）。20~40 cm土层2020年盛花期种植带较对照显著提高了5.72%（P<0.05）。2020年成熟期覆盖带较对照提高了5.90%（P<0.05）。

2.2.3 不同覆盖方式对土壤硝态氮含量的影响

从图4可知，0~20 cm土层地膜覆盖的硝态氮含量显著高于对照和种植带。

地膜处理2019年成熟期、2020年盛花期和2020年成熟期较对照显著提高了0~20 cm土层土壤硝态氮含量，分别提高了9.94%、73.57%和134.80%（P<0.05）。20~40 cm土层2020年成熟期较露地提高了30.65%（P<0.05）；40~60 cm土层2020年盛花期和成熟期分别较对照提高了29.51%和11.75%（P<0.05）；60~120 cm土层较对照无显著差异。

秸秆覆盖处理下2020年盛花期与成熟期0~20 cm土层种植带较对照提高了23.52%和37.85%（P<0.05）；2019年成熟期、2020年盛花期和2020年成熟期覆盖带较对照提高了14.20%、22.09%和9.08%（P<0.05）。40~120 cm土层2019年成熟期硝态氮含量较对照无显著差异；2020年成熟期40~60 cm处种植带较对照降低了13.71%（P<0.05）；2020年盛花期和成熟期覆盖带较对照提高了62.2%和13.73%（P<0.05）；60~120 cm土层较对照无显著差异。

2.3 不同覆盖方式对土壤微生物量氮的影响

从图5可知，秸秆带状覆盖较对照提高了土壤微生物量氮含量且覆盖带较种植带提升的多，而地膜覆盖较对照降低了土壤微生物量氮。

地膜覆盖在2020年盛花期降低了0~20 cm和20~40 cm土层微生物量氮含量，较对照分别降低了20.28%和25.51%（P <0.05）。2020年成熟期较对照降低了20~60 cm土层微生物量氮含量，提高了0~20 cm和90~120 cm土层微生物量氮含量。

秸秆带状覆盖0~20 cm土层种植带在2020年盛花期和2020年成熟期微生物量氮较对照提高了 47.99%和57.03%（P<0.05）；覆盖带较对照提高了82.78%和85.94%（P<0.05）。20~40 cm土层种植带较对照提高了46.35%和49.60%（P<0.05），覆盖带较对照提高了55.01%和90.13%（P <0.05）。

2.4 不同覆盖方式对土壤碳氮比的影响

由图6可知，0~20 cm土层的土壤碳氮比最高，仅2020年成熟期0~20 cm覆盖带较对照碳氮比提高了7.05%（P <0.05）。虽然各处理较对照碳氮比有提高但没有达到显著水平。

3 讨论

土壤全氮量是土壤基础肥力的重要指标^［19-20］。本研究中秸秆带状覆盖处理中的种植带和覆盖带在0~20 cm土层的土壤中全氮含量较对照显著提高，2年平均种植带和覆盖带较对照提高了19.18%和20.0%，说明秸秆还田可以增加土壤表层土壤全氮含量。种植带与覆盖带全氮含量差异不大，说明秸秆带状覆盖中种植带同样能够增加土壤全氮含量。秸秆带状覆盖对土壤全氮的影响大多在0~40 cm处，随土层深度的增加，土壤全氮含量的差异也逐渐减小，这种土壤全氮分布规律主要受土壤耕作措施和外源养分投入影响。这与王淑兰等^［21］的研究结果一致，秸秆覆盖还田后在微生物的作用下参与土壤养分的转化与循环，直接增加表层全氮含量。地膜覆盖处理的土壤全氮含量比露地处理的少，这与毛海兰等^［3］的研究结果一致。刘高远等^［22］也得出秸秆覆盖较不覆盖增加了土壤中全氮的含量，而地膜覆盖下含量则减少。

铵态氮和硝态氮是植物可以直接吸收利用的矿质氮素，其含量会直接影响作物的生长发育进程^［3］。速效氮含量为铵态氮含量加硝态氮含量，本研究结果表明整体趋势是地膜覆盖的0~20 cm土层速效氮含量最高，秸秆带状覆盖次之，露地对照最少。说明地膜覆盖较露地对照和秸秆带状覆盖对土壤速效氮含量的提升效果较好。地膜覆盖和秸秆带状覆盖0~20 cm土层土壤速效氮含量分别较露地对照提高了22.73%和9.14%。这表明地表覆盖确实是有效提高土壤表层速效氮含量的方法，有利于植物更好的吸收利用。可能是因为覆盖措施改善了土壤水热状况、提高了土壤有机氮矿化率，促进了土壤硝态氮的累积^［23］。Murungu等^［24］的研究表明，覆盖作物可以提高玉米农田土壤矿质氮含量。张彤勋等^［25］和毛海兰等^［3］的研究也表明覆盖阻断了土壤水分的垂直蒸发，减少了雨对硝态氮淋洗，从而提高上层土壤硝态氮的质量分数。土壤速效氮的测定结果受诸多因素的影响^［26］，这可能是导致2019年土壤速效氮含量低于2020年的原因。2019年和2020年成熟期种植带和覆盖带铵态氮含量无显著差异，说明秸秆带状覆盖中的种植带可以和覆盖带一样能够达到提高铵态氮的效果。

土壤微生物量氮不仅是土壤有机态氮中最活跃的组分也是反映土壤活性大小的标志，更是评价土壤综合质量和肥力状况的指标之一^［27］。本研究结果表明，秸秆带状覆盖较地膜覆盖与对照显著提高土壤微生物量氮含量，特别是0~40 cm土层的土壤，分别提高了45.01%和83.83%。说明秸秆覆盖带下环境有利于土壤微生物量氮的积累。张成娥等^［8］和任江波等^［28］的研究表明地膜覆盖会降低土壤微生物量氮，地膜覆盖后改变了土壤的温度，湿度和空气等，进一步影响了微生物的活动，降低了微生物量氮含量，这与本研究的结果是一致的。Almeida等^［29］的研究也表明，有机覆盖可以提高苹果园夏季和冬季的土壤微生物量氮含量。

土壤碳氮比通常被认为是土壤氮素矿化能力的标志^［30］。微生物对有机质的正常分解的碳氮比为25∶1^［31］，较低的碳氮比有利于有机质的矿化^［32］。本试验中各处理碳氮比虽然没有达到显著性差异，但各处理碳氮比较对照都有提高，且农田碳氮比远远没有达到25∶1，持续进行秸秆覆盖还田能够有效提高碳氮比，进而提高土壤有机质含量。

4 结论

地膜覆盖较露地对照显著提高了0~20 cm土层的土壤速效氮含量，但对0~20 cm土层的土壤全氮含量和0~40 cm土壤微生物量氮含量有降低作用。而秸秆带状覆盖较露地能够显著提高土壤0~20 cm土层土壤全氮和速效氮含量，能够显著提高0~90 cm土层土壤微生物氮含量，且较地膜覆盖处理提高了0~20 cm土层的全氮含量和0~40 cm土层微生物量氮含量。综上所述，在西北半干旱雨养区秸秆带状覆盖是一种有效提高土壤养分的措施。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32160525)

甘肃省自然科学基金项目(20JR5RA034)

甘肃省高等学校创新基金项目(2020B125)