蒙遼農(nóng)牧交錯區(qū)玉米碳氮含量對不同種植方式的響應(yīng)

徐 媛，鮑雅靜，李政海,陳 佳,張 靖，姚毅恒，趙琪茉

(大連民族大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧 大連 116600)

【研究意義】農(nóng)牧交錯區(qū)是指我國東部農(nóng)區(qū)與西部草原牧區(qū)接壤處的半農(nóng)半牧區(qū)[1]，是我國重要的生態(tài)脆弱區(qū)[2]。其中北方農(nóng)牧交錯區(qū)占我國農(nóng)牧交錯區(qū)總面積的80 %，蒙遼農(nóng)牧交錯區(qū)是北方農(nóng)牧交錯區(qū)的重要組成部分，也是遼寧地區(qū)商品糧基地與重工業(yè)生產(chǎn)基地的生態(tài)屏障[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】該地區(qū)農(nóng)田大多種植玉米，主要采用水澆和地膜覆蓋兩種種植方式。水澆的種植方式可以在玉米需水的關(guān)鍵時期補充水分，但是大面積、長時期采用水澆的方式，會造成水資源嚴(yán)重浪費。地膜覆蓋的種植方式可以保持土壤溫度，減少土壤水分、養(yǎng)分的流失，防除雜草，減少病蟲害，但是廢棄的地膜有可能造成環(huán)境污染。玉米種植作為該地區(qū)最主要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟來源，也是浪費水資源的最主要活動。水資源作為蒙遼農(nóng)牧交錯區(qū)最關(guān)鍵的生態(tài)環(huán)境因子，很大程度上決定了該地區(qū)的自然狀況，因此在保證玉米品質(zhì)與產(chǎn)量的同時選取節(jié)約水資源的種植方式具有重要意義。玉米品質(zhì)和產(chǎn)量受到很多因素的影響，其中C、N作為玉米基本代謝途徑中的主要參與元素，不僅影響玉米的生長發(fā)育狀況，而且很大程度上決定其品質(zhì)與產(chǎn)量[4]。其中C是構(gòu)成有機質(zhì)骨架的重要元素，是植物生長中的能量來源，主要以碳水化合物的形式儲存；N是植物體內(nèi)主要的營養(yǎng)物質(zhì)，主要以蛋白質(zhì)的形式儲存在植物體內(nèi)[5-8]。C元素和N元素在植物生長過程中有著十分重要的影響力[9-10]。C/N在植物發(fā)育過程中也起著十分重要的作用，在一定程度反映了植物對營養(yǎng)的利用效率，也體現(xiàn)了植物吸收營養(yǎng)時同化C的能力[11-13]?！颈狙芯壳腥朦c】本研究以蒙遼農(nóng)牧交錯區(qū)玉米的C、N含量為研究對象，對2種種植方式下玉米品質(zhì)及生長狀況進(jìn)行比較?！緮M解決的關(guān)鍵問題】旨在不影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的前提下可以更大程度節(jié)約水資源，同時填補該地區(qū)農(nóng)田玉米C、N研究的空白，為農(nóng)牧交錯區(qū)農(nóng)業(yè)合理發(fā)展以及保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本實驗研究區(qū)域位于東經(jīng)119°17′38.79″至122°31′51.26″，北緯41°37′42.23″至44°09′13.87″。該區(qū)處于暖溫帶半干早半濕潤氣候區(qū)，主要氣候特點是干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫大約為5.7～8.3 ℃，年降雨量350～550 mm，年蒸發(fā)量1300～1880 mm，旱季長達(dá)9個月，無霜期 144～200 d，年日照時數(shù)2823～2944 h[14-15]。由于季風(fēng)的影響，降水中的60 %～65 %集中在夏季，降雨的年際變化也很大，據(jù)各氣象站統(tǒng)計，歷年降雨量最大最小之比在2～3左右[16](圖1)。

1.2 取樣方法

2016年8月，在蒙遼農(nóng)牧交錯區(qū)范圍內(nèi)選取24個農(nóng)田樣地，其中按照不同種植方式劃分：水澆地(20個)，地膜覆蓋(4個)。每塊農(nóng)田隨機選取3株長勢均勻的玉米，帶回實驗室，按照樣地以及玉米器官(根、莖、葉、雄穗、穗)進(jìn)行分類。同時每塊農(nóng)田取0～10 cm土壤樣品適量，裝入自封袋。

1.3 實驗方法

1.3.1 植物樣品C、N含量測定 將分類的玉米樣品放置于DGG-9000型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，70 ℃下烘24 h至恒重，稱重。再用Retsch MM400混合型球磨儀將樣品研磨至粉末狀，過100目篩，裝入自封袋待測。最后使用EA3000元素分析儀測量玉米樣品中C、N含量。

1.3.2 土壤有機質(zhì)測定方法 將采集的土壤樣品在通風(fēng)良好的室內(nèi)自然風(fēng)干，然后使用RZK-TY土壤研磨器將土壤樣品研磨粉碎，過100目篩，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤樣品的有機質(zhì)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)用Excel 2013整理，使用SPSS-statistics 20.0統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVAs)和多重比較中Duncan假定方差齊性檢驗分別分析在2種種植方式下玉米各器官C含量、N含量以及C/N的差異；采用T檢驗分析玉米各器官C含量、N含量、C/N以及土壤有機質(zhì)對不同種植方式的響應(yīng)。

圖1 蒙遼農(nóng)牧交錯區(qū)樣地分布Fig.1 Distribution of the plots of the agro-pastoral ecotone at Inner Mongolia and Liaoning border

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植方式下玉米各器官C含量

從圖2可知，在水澆的種植方式下，玉米莖的C含量最高，為(47.52±0.37)%，顯著高于玉米根、葉、穗和雄穗的C含量(P<0.05)；玉米根的C含量最低，為(41.04±0.0.56)%，顯著低于玉米莖、葉、穗和雄穗的C含量(P<0.05)；玉米葉、穗以及雄穗的C含量無顯著差異(P>0.05)。

在地膜覆蓋的種植方式下，玉米莖的C含量最高，為(46.77±0.64)%，顯著高于玉米葉以及根的C含量(P<0.05)，其與玉米穗和雄穗三者之間的C含量均無顯著差異(P>0.05)；玉米根C含量最低，為(41.47±0.22)，顯著低于玉米莖、穗以及雄穗的C含量(P<0.05)，與玉米葉的C含量無顯著差異(P>0.05)。

2.2 不同種植方式下玉米各器官N含量

從圖3可知，在水澆的種植方式下，玉米穗的N含量最高，為(0.98±0.01)%，顯著高于玉米根、莖以及雄穗的N含量(P<0.05)，與葉的N含量無顯著差異(P>0.05)；玉米莖的N含量最低，為(0.48±0.01)%，顯著低于玉米葉、穗以及雄穗的N含量(P<0.05)，與玉米根的N含量無顯著差異(P>0.05)。在地膜覆蓋的種植方式下，玉米葉的N含量最高，為(1.15±0.04)%，顯著高于玉米根、莖、穗以及雄穗的N含量(P<0.05)；玉米根的N含量最低，為(0.53±0.02)%，顯著低于玉米葉、穗以及雄穗的N含量(P<0.05)；玉米莖的N含量顯著低于玉米葉和穗的N含量，與根和雄穗的N含量無顯著差異(P>0.05)。

不同小寫字母之間表示均值差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母之間也表示均值差異顯著(P<0.05)，下同 The mean difference between different lowercase letters is significant (P<0.05), and the difference between the uppercase letters also indicates significant difference (P<0.05).The same as below圖2 2種種植方式下玉米各器官C含量Fig.2 Analysis of C content in various organs of maize under two planting methods

圖3 2種種植方式下玉米各器官N含量分析Fig.3 Analysis of N content in various organs of maize under two planting methods

2.3 不同種植方式下玉米各器官C/N

從圖4可知，在水澆的種植方式下，玉米莖的C/N最高，為(98.50±1.18)，顯著高于玉米根、葉、穗以及雄穗的C/N(P<0.05)；玉米穗的C/N最低，為(46.93±0.89)，顯著低于玉米根、莖以及雄穗的C/N(P<0.05)，與玉米葉的C/N無顯著差異(P>0.05)；玉米根與雄穗之間的C/N也無顯著差異(P>0.05)。在地膜覆蓋的種植方式下，玉米根的C/N最高，為(77.94±2.00)，顯著高于玉米葉、穗以及雄穗的C/N(P<0.05)，與玉米莖的C/N無顯著差異(P>0.05)；玉米葉的C/N最低，為(36.18±1.06)，顯著低于玉米根、莖、穗以及雄穗的C/N(P<0.05)；玉米穗與雄穗之間的C/N無顯著差異(P>0.05)。

2.4 玉米各器官C含量、N含量以及C/N對不同種植方式的響應(yīng)

通過對玉米各器官C含量、N含量以及C/N在2種種植方式下的差異分析(表1)發(fā)現(xiàn)：水澆玉米葉的C含量[(44.89±0.12)%]顯著高于地膜覆蓋玉米葉的C含量[(41.68±0.34)%,P<0.05]；2種利用方式下玉米根、莖、雄穗以及穗的C含量則無顯著差異(P>0.05)。地膜覆蓋玉米莖的N含量(0.66±0.01)%極顯著高于水澆地玉米莖的N含量[(0.48±0.01)%，P<0.01]；2種利用方式下玉米根、葉、雄穗以及穗N含量則無顯著差異(P>0.05)。水澆地莖的C/N(98.50±1.18)極顯著高于地膜覆蓋莖的C/N(71.00±0.13，P<0.01)；水澆地葉的C/N(47.49±2.23)顯著高于地膜覆蓋C/N(36.18±1.06，P<0.05)；2種利用方式下根、雄穗以及穗C/N則無顯著差異(P>0.05)。

圖4 2種種植方式下玉米各器官C/N分析Fig.4 C/N analysis of various organs in maize under two planting methods

表1 玉米各器官在兩種種植方式下的C含量、N含量以及C/N差異的顯著性(P值)

2.5 土壤有機質(zhì)對不同種植方式下的響應(yīng)

通過土壤有機質(zhì)在2種種植方式下的差異分析發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋的土壤有機質(zhì)[(2.07±0.19)%]顯著高于水澆地的土壤有機質(zhì)[(1.43±0.03)%，P<0.05)]。

3 討 論

植物體內(nèi)的C主要是植物通過光合作用固定CO2的途徑獲得的，并主要以碳水化合物的形式儲存在植物體內(nèi)。植物體內(nèi)的N主要是通過植物的根系從土壤中吸收，并主要以蛋白質(zhì)的形式儲存在植物體內(nèi)[17]。C/N在一定程度上反映了植物品質(zhì)的好壞。C/N高，反映出植物的品質(zhì)相對較差，反之，說明植物的品質(zhì)相對較高。本研究表明：在2種種植方式下，C含量均是莖的最高，根的最低，這與郭建平等[18]的研究結(jié)果相似：土壤濕度增大會使植物固定CO2能力增加，同時分配至莖的碳最多，根中獲得碳最少，因此推測該地區(qū)農(nóng)田土壤水分較充足。N含量則是玉米葉和穗的較高，根的較低，張麗華等[19]研究發(fā)現(xiàn)玉米灌漿期氮素營養(yǎng)主要向子粒和葉片轉(zhuǎn)移。而本研究區(qū)玉米在8月份正處于灌漿期，因此葉和穗N含量會普遍偏高，而根部從土壤中吸收的氮供于玉米其他器官生長，因此根的N含量普遍較低。C/N均是莖的較高，葉的較低，可能由于此時根吸收的營養(yǎng)元素N大部分都向葉片轉(zhuǎn)移，同時土壤濕度較大導(dǎo)致植物固定的C更多的分配給莖，因此莖的C/N較高，而葉的較低。

不同的種植方式對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)都會帶來影響。水澆的種植方式可以為玉米生長提供充足的水分，保證土壤濕度。地膜覆蓋的種植方式可以保持土壤溫度、減少土壤水分、養(yǎng)分的流失，預(yù)防病蟲害[20]。通過對兩種種植方式下玉米C含量、N含量、C/N對比發(fā)現(xiàn)：水澆地玉米葉的C含量顯著高于地膜覆蓋玉米葉的C含量，可能是由于水澆地的水分較地膜覆蓋充足，有研究表明充足的水分會提高植物C同化能力，同時葉片是進(jìn)行光合作用的主要器官[21]，因此水澆地玉米葉的C含量較高。地膜覆蓋玉米莖的N含量極顯著高于水澆地玉米莖的N含量，周麗娜等[22]通過對地膜覆蓋土壤養(yǎng)分的貯存和釋放研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋會增加土壤速效氮、速效磷等的含量，因此在地膜覆蓋的種植方式下玉米吸收的N含量會較高。水澆地玉米莖和葉的C/N均顯著高于地膜覆蓋玉米莖、葉的C/N，莖、葉作為植物主要光合器官，很大程度決定了植物代謝能力，同時C/N也決定植物品質(zhì)以及產(chǎn)量，因此推測地膜覆蓋玉米品質(zhì)更好，產(chǎn)量更高。此外，地膜覆蓋土壤有機質(zhì)顯著高于水澆地土壤有機質(zhì)，說明地膜覆蓋的種植方式更有效的保持土壤養(yǎng)分，給玉米生長提供更有力的條件。

4 結(jié) 論

綜上所述，蒙遼農(nóng)牧交錯區(qū)地膜覆蓋的種植方式較水澆地可更有效的保持土壤養(yǎng)分，減少水資源的浪費，也有利于提高玉米的品質(zhì)及產(chǎn)量?；诿蛇|農(nóng)牧交錯區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境以及水資源短缺的現(xiàn)狀，建議在今后玉米種植過程中使用地膜覆蓋的種植方式，既能減少水資源的浪費，也能適當(dāng)提高玉米的品質(zhì)及產(chǎn)量，同時要注意廢棄地膜的妥善處理，以免對農(nóng)田以及周圍環(huán)境造成污染。在今后研究中希望能夠不斷發(fā)現(xiàn)合理的種植方式，為農(nóng)牧交錯區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展以及土地保護(hù)提供更可靠的依據(jù)。