不同覆盖作物对砂姜黑土剖面硝态氮动态的影响

徐静怡，张中彬，王玥凯，3，赵馨雅，4，孙海军，郭自春，彭新华，3

（1.南京林业大学林学院/南方现代林业协同创新中心，南京 210037；2.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；3.中国科学院大学，北京 100049；4.海南大学热带作物学院，海口 570228）

施用氮肥是维持作物高产稳产的关键措施[1]，氮肥中的氮素多以矿物态形式存在，其进入土壤后能够快速被植物吸收利用。但是，硝态氮转化快、易淋溶损失，导致氮肥平均利用率仅有39%[2]。黄淮海平原是我国重要的粮食主产区[3]，氮肥过量施用致使该地区硝态氮在土壤剖面中累积加剧，地下水污染风险增加[4-5]。陈肖如等[6]研究发现，1978—2019 年华北平原2 m 深包气带农田土壤硝态氮累积存储量占氮肥投入量的14%。因此，如何通过环境友好的种植管理模式吸收土壤中残余氮素、降低土壤中硝态氮累积，进而优化土壤氮素管理，对促进农业可持续发展有重要的指导意义。

覆盖作物是在粮食或经济作物生产间隙种植，为了减少或避免土壤在时间或空间上裸露而不是为了收获而种植的作物[7]。种植覆盖作物可以实现改善土壤结构和水力特性、增加土壤有机质、提高土壤生物多样性、降低土壤硝态氮累积等多方面的效益，是实现农业可持续发展的重要途径之一[8]。在粮食或经济作物收获后，立即种植生长速度快、根系发达的覆盖作物是降低土壤中硝态氮含量的重要措施[4]。覆盖作物主要通过其根系不断向深层土壤生长，大量吸收残留在土壤剖面中的硝态氮以用于自身生长发育，从而降低土壤中硝态氮的累积和淋溶风险[9]。Garba 等[10]收集了516 组数据，分析发现在经济作物种植前，覆盖作物处理较休闲处理土壤矿物态氮储量下降25%。覆盖作物吸收土壤残余硝态氮的能力与其根系特征、生物量、生长时期密切相关，Hirsh等[9]和巨昇容等[11]发现根系深度与地上部分生物量及作物吸收硝态氮的能力呈正相关。张继宗等[12]发现作物吸氮速率随生育期变化，且不同作物变化规律不同：甜玉米种植30 d后吸氮速率较之前迅速增加，而高丹草、红叶苋菜、空心菜、小麦种植30 d后吸氮速率缓慢增加，且吸氮量显著低于甜玉米。不同种类覆盖作物吸收土壤中硝态氮的能力具有一定差异。豆科作物可以通过固氮细菌共生从大气中获取并固定氮素，因此与非豆科作物相比，豆科作物吸收土壤中硝态氮的效果有所减弱[13]。Thapa等[14]通过Meta分析发现非豆科覆盖作物处理比休闲处理减少了56%的土壤硝态氮淋失，减少量显著高于豆科覆盖作物。覆盖作物的种植方式也会影响其吸收土壤中硝态氮的效果，Gaimaro 等[15]研究发现将多种覆盖作物混合播种比单一播种某种覆盖作物吸收土壤中硝态氮的能力更强。而Antoine 等[16]研究发现，豆科与十字花科覆盖作物混合播种降低土壤中硝态氮的效果与单独播种十字花科覆盖作物相同，土壤中矿物态氮均减少了59%。此外土壤类型和气候条件也可能影响覆盖作物对土壤剖面中硝态氮的吸收利用。Nouri 等[17]的研究表明，与休闲处理相比，种植覆盖作物使老成土、软土、有机土、始成土和新成土的硝态氮淋溶分别下降77%、37%、78%、77%和42%，却可能增加了淋溶土的硝态氮淋溶；同时也有研究发现覆盖作物降低硝态氮淋溶的效果随降雨量的增加而逐渐降低[18]。综上所述，覆盖作物对土壤硝态氮累积的消减作用在国内外已被认可，其作用效果受到多种因素的影响。但是目前，对于不同生育期不同覆盖作物对土壤硝态氮动态变化的影响研究相对较少。因此本研究观测了砂姜黑土区不同覆盖作物在播种后、营养生长和生殖生长期对土壤硝态氮动态变化的影响，结果对指导华北平原农业生产具有重要意义。

砂姜黑土是黄淮海地区重要的土壤类型之一，具有黏粒含量高、有机质含量低等特点，加上长期不合理的耕作，导致其土壤结构退化、耕层变薄、犁底层压实，从而影响了土壤硝态氮迁移转化以及作物吸收利用[19]。赵允格等[20]的研究表明，压实导致土壤残留硝态氮增加，土壤硝态氮淋溶减少；但是Parvin 等[21]则发现，压实增加了土壤硝态氮淋溶。本项目组前期的研究表明在典型砂姜黑土区种植覆盖作物可以有效缓解土壤压实，改善土壤导水导气性，促进作物根系生长[22]，然而在典型砂姜黑土区压实与不压实条件下不同覆盖作物处理土壤硝态氮在整个生育期内的动态变化尚未明确。因此，本研究选取安徽龙亢农场典型砂姜黑土，研究在压实和不压实条件下3 种覆盖作物处理（苜蓿、油菜、萝卜+毛苕子混播）和休闲处理的土壤剖面中硝态氮含量随时间的动态变化，筛选更有效吸收硝态氮的覆盖作物种类，以期为砂姜黑土氮素管理提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究区位于安徽省怀远县龙亢农场（33°32′N，115°59′E），属暖温带半湿润季风气候区。常年年均气温14.8 ℃，年均降雨量约900 mm；本次试验覆盖作物生长季（2021 年11 月—2022 年5 月）降雨量为355 mm。该区域土壤类型为河湖相石灰性沉积物发育的砂姜黑土，其砂粒（＞0.05 mm）、粉粒（0.05～0.002 mm）、黏粒（＜0.002 mm）含量分别为80、541、379 g·kg-1。试验开始前耕层（0～20 cm）土壤容重为1.50 g·cm-3，有机碳8.14 g·kg-1，全氮0.88 g·kg-1，全磷0.45 g·kg-1，全钾14.48 g·kg-1，碱解氮64.62 mg·kg-1，速效磷21.22 mg·kg-1和速效钾144.58 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验始于2017 年秋季，种植模式为冬季覆盖作物（10 月—次年5 月）-夏季玉米（6—10 月）轮作。试验采用裂区设计，主区为不压实（Non-compacted，NC）和压实（Compacted，C）2 个处理，副区为休闲（Con，不种覆盖作物）、苜蓿（Alf）、油菜（Rap）、萝卜+毛苕子混播（Rhv）4 个处理，每个处理重复3 次，各小区面积70 m2（10 m×7 m）。其中，压实与不压实处理仅在2017 年试验初始时实施1 次。压实处理土壤采用7 400 kg四驱大型农业机械（凯特迪尔KAT1504轮式拖拉机，前轮胎型号14.9-26，后轮胎型号18.4-38，功率150 kW）以轮迹平排的方式连续碾压3 遍；不压实处理利用深松机间隔疏松土壤，深松深度35 cm。

此外，为便于播种，每季作物种植前需以小型旋耕机浅旋（5～10 cm）一次，然后人工播种覆盖作物或玉米。为平衡土壤肥力，覆盖作物与休闲处理分别于2017 年（N 60 kg·hm-2，P2O545 kg·hm-2）和2018 年（N 30 kg·hm-2）施用少量化肥，2019、2020年和2021年不施肥；玉米每季施基肥，N、P2O5和K2O 分别为100、60 kg·hm-2和90 kg·hm-2，追施氮肥（N）80 kg·hm-2。每年5 月玉米种植前，人工刈割覆盖作物地上部，并移出田块，地下部根系还田；其后，播种玉米（株行距30 cm×60 cm），10 月玉米收获后，地上部秸秆移除，根茬还田。各处理其余田间管理一致。

1.3 土壤采集与测定

各处理剖面土壤样品采集3 次，时间分别为：覆盖作物播种后（2021 年11 月5 日）、营养生长期（2022年3 月12 日）和收获期（2022 年5 月5 日）。用土钻采集0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm 7 个土层土样，每个小区随机选2 个样点混合成一个土样。通过紫外分光光度法测定新鲜土壤硝态氮含量[23]。

覆盖作物收获后（2022 年5 月7 日）立即采集土壤原状环刀样品（100 cm3），采样深度分别为0～10、10～20、20～30 cm 和30～50 cm。105 ℃下烘干测定土壤容重，并计算土壤硝态氮储量[6]。

式中：F为土壤硝态氮储量，kg·hm-2；Ci为各层土壤硝态氮含量，mg·kg-1；Zi为各土层厚度，cm；Di为各层土壤容重，g·cm-3。

1.4 覆盖作物样品采集与测定

在营养生长期（2022 年3 月14 日）和生殖生长期（2022 年5 月6 日）采集覆盖作物植株样品。每个小区选择长势均匀的0.5 m×0.5 m 样方采样，测定地上、地下（0～40 cm 土层）部分生物量。植物样于105 ℃杀青，80 ℃烘干至质量恒定，粉碎过筛后用元素分析仪测定植物样本中氮含量，计算覆盖作物地上和地下部分氮素累积量[24]。

1.5 数据处理

采用SPSS 25.0 进行单因素方差分析（One-way ANOVA），并用Duncan法进行多重比较。相关分析采用Pearson双变量相关分析。采用Origin2022进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖作物处理土壤剖面硝态氮含量和储量动态变化

压实和不压实条件下，与覆盖作物播种季（2021年11 月）相比，营养生长期（2022 年3 月）Con 处理平均每个土层中土壤硝态氮含量先升高35.6%，生殖生长期（2022 年5 月）又下降30.1%。而Alf、Rap、Rhv 处理土壤硝态氮含量持续下降，各处理0～120 cm 土层平均分别下降了43.3%、53.9%、57.5%。

不压实条件下，覆盖作物播种季，0～40 cm 土层Rap和Rhv处理土壤硝态氮含量较Con处理分别降低了42.7%和38.3%（P＜0.05，图1a）。100～120 cm 土层各覆盖作物处理土壤硝态氮含量均低于Con处理（P＜0.05，图1a）。营养生长期，与Con 处理相比，各覆盖作物处理显著降低了0～120 cm 各土层中土壤硝态氮含量；10～20 cm 土层Alf 处理的土壤硝态氮含量高于Rap 和Rhv 处理（P＜0.05，图1b）。生殖生长期，10～20 cm土层Alf、Rap和Rhv处理土壤硝态氮含量较Con处理分别降低37.2%、32.0%和25.2%（P＜0.05，图1c）；40～60 cm 土层Alf处理土壤硝态氮含量较Con处理降低了44.0%（P＜0.05，图1c）。

图1 不同压实水平下覆盖作物对土壤剖面硝态氮含量动态的影响Figure 1 Effects of cover crop treatments on dynamic changes of NO-3-N in soil profiles under different compaction levels

压实条件下，覆盖作物播种季0～20 cm土层Rap、Rhv 处理土壤硝态氮含量大于Con 与Alf 处理（P＜0.05，图1d）。营养生长期，相较于Con 处理，Alf、Rap和Rhv 处理均降低了0～60 cm 各土层土壤硝态氮含量，100～120 cm 土层Alf 与Rhv 处理土壤硝态氮含量下降了83.5%和73.5%（P＜0.05，图1e）。生殖生长期，0～10 cm 土层Rap 处理土壤硝态氮含量较Con 处理下降了42.5%（P＜0.05，图1f），10～20 cm 土层Rap、Rhv处理土壤硝态氮含量均较Con 处理分别下降40.4%和49.9%（P＜0.05，图1f）。

与不压实条件相比，覆盖作物播种季压实减少了Con 处理0～40 cm 土层与Alf 处理0～40 cm 和60～80 cm土层硝态氮含量，各处理平均降幅为42.9%和39.6%（P＜0.05）。营养生长期压实减少了Con 处理60～80 cm 土层土壤硝态氮含量，平均减幅为55.7%（P＜0.05）。生殖生长期压实增加了Rap 处理20～40 cm 土层土壤硝态氮含量，增幅为47.7%（P＜0.05）。

不压实条件下，覆盖作物播种季，Rap 与Rhv 处理0～120 cm 深度土壤硝态氮储量较Con 处理分别降低了27.2%和30.5%（P＜0.05，图2a）。营养生长期，与Con处理相比，3个覆盖作物处理土壤硝态氮储量降幅均达到显著水平，平均降幅为60.7%。Alf处理土壤硝态氮储量（72.2 kg·hm-2）为Rap（50.1 kg·hm-2）、Rhv（50.1 kg·hm-2）的1.44倍（P＜0.05，图2b）。生殖生长期，与Con处理相比，Alf和Rap处理土壤硝态氮储量显著降低，降幅分别为39.0%和38.4%（P＜0.05，图2c）。

图2 不同压实水平下覆盖作物对土壤剖面硝态氮储量动态的影响Figure 2 Effects of cover crop treatments on dynamic changes of -N in soil profiles under different compaction levels

压实条件下，覆盖作物播种季，Rhv 处理土壤硝态氮储量为93.9 kg·hm-2，为Alf 处理的1.70 倍（P＜0.05，图2a）。营养生长期，与Con 处理相比，3 个覆盖作物处理土壤硝态氮储量降幅均达到显著水平，平均降幅为52.7%（P＜0.05，图2b）。生殖生长期，压实处理下Alf、Rap 和Rhv 土壤硝态氮储量较Con 处理平均降低了40.2%（P＜0.05，图2c）。

与不压实土壤相比，压实降低了覆盖作物播种季Con 与Alf 处理和营养生长期Alf 处理土壤硝态氮储量（P＜0.05，图2a、2b）。

2.2 不同覆盖作物处理地上、地下部生物量

覆盖作物生长季，压实和不压实条件下Alf、Rap和Rhv 处理生殖生长期地上部生物量较营养生长期（图3a 和图3b）平均增加了4.92、3.68 倍和4.13 倍。两个采样时期，压实和不压实条件下，Rap 处理地上部生物量都高于Alf 和Rhv 处理（P＜0.05）。与不压实条件相比，压实降低了营养生长期Alf（26.0%）和Rap（27.1%）以及生殖生长期Rap（15.9%）的地上部生物量（P＜0.05）。

图3 不同压实和覆盖作物处理下地上和地下部分生物量Figure 3 Above ground and underground biomass of different cover crop in compacted and non-compacted soil treatments

覆盖作物生长季，压实和不压实条件下，Alf、Rap和Rhv 处理生殖生长期地下部生物量较营养生长期（图3c、图3d）平均增加了2.34、0.31 倍和0.42 倍。营养生长期，压实和不压实条件下，Rap 和Rhv 处理的地下部生物量均高于Alf 处理（P＜0.05）；相反，在生殖生长期Alf 处理地下部生物量高于Rap 和Rhv 处理（P＜0.05）。压实条件下Alf处理的地下部生物量在营养生长期低于不压实条件（24.3%，P＜0.05），但在生殖生长期却高于不压实条件（14.7%，P＜0.05）。与不压实相比，压实减少了Rap 处理营养生长（12.6%）和生殖生长（21.0%）阶段的地下部生物量和Rhv处理生殖生长阶段（18.7%）的地下部生物量（P＜0.05）。

2.3 不同覆盖作物处理地上、地下部氮素累积量

覆盖作物生长季，压实和不压实条件下，Alf、Rap和Rhv 处理生殖生长期地上部氮素累积量较营养生长期分别平均增加了2.90、1.59 倍和1.53 倍。营养生长期，压实和不压实条件下Rap处理的地上部氮素累积都高于Alf 和Rhv 处理（P＜0.05，图4a）。生殖生长期，压实和不压实条件下地上部氮素累积量从大到小为Alf＞Rap＞Rhv（P＜0.05，图4b）。与不压实条件相比，压实显著降低了营养生长期Alf（25.0%）和Rhv（15.1%）处理以及生殖生长期Rhv（17.6%）处理的地上部氮素累积（P＜0.05）。

图4 不同压实和覆盖作物处理下植株地上和地下部分氮素累积量Figure 4 N accumulation of above ground and underground parts of different cover crop in compacted and non-compacted soil treatments

覆盖作物生长季，压实和不压实条件下，Alf处理生殖生长期地下部氮素累积较营养生长期平均增加75.2%，Rap和Rhv的氮素累积却分别降低了10.5%和54.9%。营养生长期，压实和不压实条件下，Rhv 的地下部分氮素累积量均高于Rap 和Alf的地下部分氮素累积（P＜0.05，图4c）。在生殖生长期Alf 地下部氮素累积高于Rhv 和Rap（P＜0.05，图4d）。营养生长期，压实处理下Alf、Rap、Rhv 的地下部氮素累积量均低于不压实处理（21.8%、21.1%、17.7%，P＜0.05）。生殖生长期，与不压实处理相比，压实处理下Alf的地下部氮素累积增加（12.3%，P＜0.05），Rap 地下部氮素累积降低（17.9%，P＜0.05）。

2.4 不同覆盖作物处理土壤硝态氮储量与生物量、氮素累积量的相关性

将覆盖作物全生育期各小区0～120 cm 深度范围内土壤硝态氮储量与覆盖作物生物量和氮素累积量指标进行相关性分析发现（表1）：土壤硝态氮储量与覆盖作物地上部分生物量、地下部分生物量、总生物量、总氮素累积量在0.01 水平上呈负相关关系，与覆盖作物地上部分氮素累积量在0.05 水平上呈负相关关系。其中覆盖作物地上部分生物量、总生物量与土壤硝态氮储量的相关性最强（-0.69）。

表1 土壤硝态氮储量与覆盖作物生长指标的相关性Table 1 The correlations between soil nitrate nitrogen storage and cover crops growth index

3 讨论

本研究发现覆盖作物处理在营养生长期和生殖生长期较休闲处理均显著降低土壤剖面中硝态氮储量。Lapierre 等[25]也报道了覆盖作物可以有效降低土壤中硝态氮的储量。本研究相关分析结果发现土壤硝态氮储量与覆盖作物生物量和氮素累积量呈负相关关系（P＜0.01），这与Blesh 等[26]的研究结果一致。且本研究覆盖作物在营养生长期和生殖生长期地上及地下部分生物量之和分别超过了1 500 kg·hm-2和8 000 kg·hm-2，地上及地下部分氮素累积量之和都分别超过55 kg·hm-2和110 kg·hm-2，这些结果表明覆盖作物自身生长吸收土壤氮素是导致土壤硝态氮储量显著低于休闲处理的主要原因[27]。覆盖作物降低土壤硝态氮的另一方面原因可能是覆盖作物根系及其分泌物可以改善微生物活性，从而提升土壤硝态氮的微生物同化，利于降低土壤中硝态氮含量[28-29]。Muhammad 等[30]发现覆盖作物处理较休闲处理可以将土壤微生物碳和氮分别提高42%和51%，Romero等[31]的研究表明新鲜有机物的输入可以大幅度提高硝态氮的微生物同化，因此种植覆盖作物导致的微生物同化作用增强也可能导致土壤硝态氮下降。本研究也发现生殖生长期覆盖作物吸收土壤残余硝态氮的能力较营养生长期明显减弱，这可能与覆盖作物整个生育期对氮素需求量不同有关。段玉等[32]研究发现油菜在苗期-快速生长期-生长后期对氮素吸收经历慢-快-慢的变化过程；段淑辉等[33]将萝卜作为填闲作物，发现土壤中硝态氮含量先迅速降低后变缓。本实验结果表明覆盖作物可以有效降低土壤残余硝态氮，其效果表现为营养生长期优于生殖生长期。

值得关注的是，不压实条件下，营养生长期苜蓿处理土壤剖面硝态氮储量显著大于油菜、萝卜+毛苕子处理。这可能是由于在营养生长初期苜蓿生长缓慢，地上和地下部分总的生物量小于油菜和萝卜+毛苕子。虽然苜蓿地上和地下部分氮素累积总量已经高于油菜，接近萝卜+毛苕子，但是苜蓿是豆科作物，可以固定大气中的氮素[34]，因而减弱对土壤中残余硝态氮的吸收，从而导致土壤中残留硝态氮高于油菜和萝卜+毛苕子处理。Garba 等[10]报道了豆科覆盖作物处理土壤中硝态氮储量大于芸苔类非豆科覆盖作物，Tribouillois 等[35]进一步证明非豆科作物单作与豆科、非豆科作物混播处理的土壤残余无机氮含量接近，均低于豆科作物单独种植。本试验中毛苕子虽然也是豆科作物，但萝卜吸收土壤残余硝态氮能力较强[36]，因此萝卜+毛苕子混播处理的土壤残留硝态氮储量与油菜处理无显著差异。覆盖作物生殖生长期压实和不压实条件下覆盖作物处理土壤剖面硝态氮储量无显著差异。在生殖生长期苜蓿长势较好，生物量迅速累积，地上和地下部氮素累积总量明显高于油菜和萝卜+毛苕子处理，苜蓿从土壤中吸收的氮素较营养生长期明显增加；另外，油菜、萝卜和毛苕子都是一年生作物，在进入生殖生长后吸收土壤氮素的能力减弱，生殖生长期地下部氮素累积量也较营养生长期出现降低的趋势。在砂姜黑土区，3 月份降雨量增加，由于此时苜蓿处理土壤剖面硝态氮累积量较高，其剖面硝态氮随水分向土壤更深层或地下水淋溶的风险也高于油菜和萝卜+毛苕子处理[37]。综上所述，豆科覆盖作物苜蓿在营养生长期吸收土壤残余硝态氮的能力弱于油菜和萝卜+毛苕子，但在生殖生长期，苜蓿、油菜和萝卜+毛苕子降低土壤硝态氮的效果是一致的。因此，根据覆盖作物生长季对土壤剖面硝态氮的影响，综合其生物量积累及不同发育阶段吸收氮素的表现，为降低砂姜黑土区硝态氮累积和淋溶风险，选择油菜、萝卜+毛苕子混播作为覆盖作物更为适宜。

本研究发现压实降低了覆盖作物播种期休闲处理以及播种期和营养生长期苜蓿处理的土壤硝态氮储量。Yi 等[38]发现压实增加了土壤硝态氮的淋溶，Parvin等[21]通过模型模拟发现硝态氮的淋溶随压实程度的增加而增加。压实降低土壤蒸发和土壤持水能力，增加了土壤排水，这可能是导致压实土壤中的硝态氮含量下降的原因之一。此外，压实可以降低土壤有机氮的矿化，增加土壤有机质含量和微生物对氮的固定，从而降低土壤中的硝态氮含量[39]。但是，压实对油菜和萝卜+毛苕子处理土壤硝态氮无显著影响，这表明不同覆盖作物处理土壤硝态氮储量对压实的响应并不一致，其原因尚有待进一步研究。

4 结论

（1）在典型砂姜黑土区开展的田间实验表明，种植覆盖作物能显著降低1.2 m 深度土壤硝态氮储量，但其效果在不同生育期不同。与休闲处理相比，压实和不压实条件下，营养生长期覆盖作物处理土壤硝态氮储量平均分别下降52.7%和60.7%，而生殖生长期覆盖作物处理土壤硝态氮储量平均分别下降40.2%和35.6%。

（2）营养生长期，不压实土壤中，苜蓿处理土壤硝态氮储量（72.2 kg·hm-2）显著高于油菜和萝卜+毛苕子混播处理（50.1 kg·hm-2和50.1 kg·hm-2）；压实土壤中，3 种覆盖作物处理硝态氮储量无显著差异。压实实施5 a后仍对覆盖作物地上或地下生物量有显著影响，同时压实也降低了苗期和营养生长期苜蓿处理土壤硝态氮储量，但对油菜和萝卜+毛苕子混播处理土壤硝态氮储量无显著影响。

（3）综合覆盖作物整个生育期降低土壤剖面硝态氮的能力，与苜蓿相比，油菜或萝卜+毛苕子混播是砂姜黑土区更适宜降低土壤硝态氮累积和淋溶风险的覆盖作物类型。