供试土壤采自山西省乡宁县冯家沟水土保持监测站长期撂荒地0—20 cm土层,为黄土高原典型黄土母质上发育的褐土,于2018年5月24到8月31日在山西师范大学校塑料大棚内进行(111.50E,36.08N),海拔449 m,地处半干旱、半湿润季风气候区,属温带大陆性气候,四季分明,雨热同期,全年平均气温13.5℃,平均降水量527.4 mm。本试验采用盆钵试验,供试苦荞品种:“迪庆苦荞”(DQ)和“黑丰1号”(HF)。其中,迪庆苦荞(DQ)为耐瘠性品种,由迪庆藏族自治州农业科学研究所提供。黑丰1号(HF)为不耐瘠品种,由山西省农业科学院高寒作物研究所提供^[4]。其中设置3个处理,分别为对照(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),每个处理设置3次重复,每个处理均施入相同的磷肥(P₂O₅,150 mg/kg)与钾肥(K₂ O,60 mg/kg)作为底肥。每盆装入10 kg褐土,并按3种处理施以氮肥和底肥,拌合均匀。同时,每盆选取饱满均匀无病虫害的种子,经去离子水浸泡24 h后,均匀播种,埋入同样的深度,每盆定苗8株,之后正常供应水分(400 ml)。

苦荞的生长周期较短,一般为3个月,在播种时及播种后30 d(6月25),60 d(7月25),90 d(8月31)采集样品,分别作为播种期(S,Sowing stage)、幼苗期(S,Seedling stage)、开花期(F,Flowering stage)与成熟期(M,Maturation stage)的土样。采样时,使用抖土法,除去里面杂质和土块,取小部分置于铝盒待测土壤含水量; 一份样品装入塑封袋,带回后剔去其中的石块、草根等杂物,土样经过一周左右的自然风干磨细后分别过20目,60目和100目筛,分别装袋密封待测土壤的各养分指标。

土壤含水量采用烘干法,称取少量鲜土放入铝盒,在105℃烘干24 h后,计算土壤含水量; 土壤pH值在水土比(2.5:1)浸提下用pH计测定; 有机质采用重铬酸钾加热法测定; 速效磷采用0.52 mol/L NaHCO₃浸提—钼锑抗比色法测定; 速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度计法测定; 碱解氮采用碱解扩散法测定; 全钾采用高氯酸硫酸消煮—火焰光度计法测定; 全氮采用凯氏定氮仪法测定; 全磷采用HClO₄-H₂ SO₄分光光度计法测定^[18]。

试验数据采用Excel 2010进行统计,数据统计结果采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析、独立样本T检验、裂区分析,运用Origin 8.0进行制图。

裂区分析显示,除开花期土壤的含水量,氮控量、品种及三者交互作用均对土壤的含水量、pH及有机质产生显著影响(p<0.05,图1)。在幼苗期,N₁处理下的两个品种的土壤含水量分别比N₂处理下的高30.10%和15.06%,而两个品种没有显著差异; 但在CK及N₂处理下,DQ的土壤含水量分别较HF高25.89%和6.02%。开花时期,HF品种的土壤含水量在N₁处理下的比N₂的高26.85%,DQ的则比N₂低112.6%,同时在CK及N₁处理下,HF的土壤含水量分别较DQ高30.28%,66.19%; 而N₂处理下HF较DQ低62.29%。在成熟期,N₁处理下的两个品种的土壤含水量分别比N₂处理下的高46.66%和46.24%,而两个品种均在N₁,N₂处理下没有显著差异(图1A)。

图1 不同控氮处理及品种对土壤含水量、pH及有机质的影响

图1B所示,幼苗期,HF的土壤pH随施氮量的增加较CK分别增加2.80%,6.73%,DQ在N₁处理下土壤pH较CK高1.37%,且在CK及N₁处理下,DQ的土壤pH均高于HF5.42%,3.95%。在开花期,N₁处理下的HF和DQ的土壤pH分别比N₂的高4.84%和3.45%,且在这一时期DQ的土壤pH在N₁处理下最高; 同时在N₁,N₂处理下,DQ的土壤pH分别较HF高1.28%,2.64%。成熟期,N₁处理下的两个品种的土壤pH分别比N₂下的高2.07%和1.25%,且N₁,N₂处理下HF的土壤PH较DQ的低2.87%,3.71%。

图1C所示,在幼苗期,DQ的土壤有机质在N₁处理下比CK,N₂处理下的分别低6.78%,19.12%,HF也较N₂处理下低12.03%。两个品种在CK及N₁处理下均没有显著差异,而在N₂处理下,DQ的土壤有机质高HF11.67%。开花期,HF在N₁处理下的土壤有机质比N₂高7.11%,而DQ在N₂处理下土壤有机质较N₁高36.74%,且在N₂处理下DQ的土壤有机质较HF高35.48%。在成熟期,HF的土壤有机质在N₁处理下比CK处理下高85.79%,DQ的土壤有机质在N₂处理下比N₁处理下高12.54%,且在N₂处理下,DQ的土壤有机质较HF高12.43%。

裂区分析显示,除了成熟期的速效钾,氮控量对土壤速效养分产生了极显著差异(p<0.01); 除了幼苗期的速效钾和成熟期的碱解氮、速效磷、速效钾,品种均对土壤速效养分产生了极显著差异(p<0.01); 除了幼苗期的速效磷外,品种和氮控量及时期三者之间的交互作用也对土壤速效养分影响极显著(p<0.01)(图2)。由图2A可知,幼苗期和开花期,在N₁处理下HF的土壤碱解氮较DQ高12.38%,63.97%,同时在N₂处理下HF的土壤碱解氮比DQ高53.43%,37.19%; 成熟期的N₁处理下,DQ比HF高44.83%。随着施氮量的增加,HF在开花期和成熟期的N₁处理下出现最小值,且DQ也在成熟期N₁处理下土壤中碱解氮的含量出现最小值。不同控量下,两个品种的土壤碱解氮变化总体上以苦荞幼苗期为分界线呈先上升后下降的趋势。在苦荞幼苗期,各处理的土壤碱解氮均达生育期内的最大值。而且随着氮肥量的增加,HF品种的N₂处理在数值上分别高出CK及N₁处理70.02%,107.79%,但DQ品种的CK处理在数值上高出N₁处理60.62%。在整个生育期的后期(苦荞成熟期)各处理下降幅度较大,整个生育期结束后,两个品种在N₁处理下土壤碱解氮含量都相对于播种期降低了278%,161%,但DQ的土壤碱解氮比HF高。

幼苗期,在N₁,N₂处理下,DQ的土壤速效磷含量比HF高17.11%,13.35%。开花期N₁处理下DQ土壤中速效磷的含量高于HF 137.85%,同时在这一时期,N₁处理下HF的土壤速效磷比CK,N₂处理下低79.48%,182.84%。而成熟期N₂处理下HF比DQ高72.62%(图2B)。图2B可以看出,土壤速效磷含量在幼苗期上升,达到全生育期的最高值,然后不同程度下降。幼苗期两个品种的各处理土壤速效磷含量的大小顺序为:N₂>N₁>CK。从苦荞幼苗期到成熟期,两个品种各处理有不同程度的下降趋势,以N₁下降幅度最大,下降了207.09%,302.88%。在苦荞收获后,HF品种各处理的土壤速效磷含量顺序为:N₂>CK>N₁,而DQ的各处理的土壤速效磷含量顺序为:CK>N₂>N₁,两个品种的N₁处理均低于播种期130.91%,158.68%,但HF的土壤速效磷高DQ,但差异性不明显。

3个时期,在N₂处理下DQ土壤中速效钾的含量分别比HF高30.24%,32.72%,40.79%; 幼苗期和开花期,HF在N₁处理下的土壤速效钾的含量比N₂处理下高29.45%,28.49%。从图2C可以看出,速效钾的变化趋势与碱解氮、速效磷动态变化一致,均为在幼苗期达到峰值,然后呈下降趋势。试验结果表明,HF的速效钾含量在N₁处理下最高为0.46,数值比其他处理高。HF品种幼苗期各处理土壤速效钾含量高低顺序为:N₁>CK>N₂,DQ则幼苗期各处理土壤速效钾含量高低顺序为:N₂>N₁>CK。随着生育期推进,速效钾含量逐渐下降,其中N₁处理下降的幅度最大。在生育期结束后,两个品种的3个处理的土壤速效钾含量均高于播种期,且N₂处理下,DQ的土壤速效钾比HF高。

裂区分析显示,全效养分中除了幼苗期的全磷和3个时期的全钾,品种对土壤全效养分产生了极显著差异(p<0.01); 除了幼苗期的全磷、全钾及成熟期的全磷,氮控量均对土壤全效养分产生了极显著差异(p<0.01); 除了幼苗期的全磷和全钾、成熟期的全氮外,品种和氮控量及时期三者之间的交互作用也对土壤全效养分影响极显著(p<0.01)(图3)。幼苗期和成熟期的N₂处理下,DQ的土壤全氮比HF高34.37%,12.31%。而在开花期N₂处理下,HF比DQ高10.95%。在这一阶段,两个品种随着施氮量的增加,土壤中全氮的含量也显著增加。开花期和成熟期N₁处理下,DQ比HF高26.69%,42.77%(图3A)。从图3A看出,土壤全氮的变化趋势较为复杂,两个品种均以幼苗期和开花期两个时间段为界。HF和DQ两个品种的各处理播种期到幼苗期均处于上升趋势,而幼苗期到开花期这一阶段,HF品种的CK和N₂处理为下降趋势,N₂处理为上升趋势; 则DQ品种的各处理均处于下降趋势。在开花期到成熟期两个品种及各处理均处于上升趋势。在苦荞的成熟期,两个品种各处理的土壤全氮含量顺序分别为:N₂>N₁>CK,N₁>N₂>CK。除两个品种的CK处理土壤全氮含量相对于播种期有所下降外,其余各处理均有不同程度的提高。N₁,N₂处理下DQ相对于HF较播种期提升了42.77%,15.90%。

图2 不同控氮处理及品种对土壤速效养分的影响

开花期和成熟期的N₁处理下,DQ土壤中全磷含量比HF高23.62%,16.27%。而在开花期DQ品种随着施氮量的增加在N₁处理下出现最大值,较CK,N₂处理高10.98%,30.55%(图3B)。不同控量下,土壤全磷变化总体上呈现上升趋势。在苦荞幼苗期到开花期,两个品种均呈现大幅度增加,而从开花期到成熟期各处理增加相对较平缓。在整个生育季后期(苦荞成熟期)各处理的土壤全磷相对于播种期均有不同程度的提高。其中,HF品种的土壤全磷含量在N₁处理与N₂处理下几乎重合,DQ品种的土壤全磷含量在N₁处理下提升效果最明显,相对于播种期提升了174.28%,且相对于HF提升了16.27%。

开花期的CK,N₁处理及成熟期N₁处理下HF的土壤全钾比DQ分别高17.37%,3.92%,31.81%。而开花期和成熟期的N₂处理下,DQ比HF高11.47%,16.30%; 同时在这两个阶段,DQ土壤中全钾含量随着施氮量的增加而增加,在N₂处理下达到最高值(图3C)。从图3C可知,土壤全钾的含量在苦荞幼苗期开始,两个品种在N₁,N₂处理下均呈上升趋势,但CK处理下,两个品种从开花期到成熟期呈现下降趋势,在苦荞收获后,两个品种各处理的土壤全钾含量顺序为:N₁>N₂>CK,N₂>N₁>CK。其中,各处理均有不同程度的提高,HF品种的N1处理提升最明显,相对于播种期提升了104.04%,而DQ品种的N₂处理提升最明显,相对于播种期提升了124.90%。

图3 不同控氮处理及品种对土壤全效养分的影响

本研究中,在幼苗期,低氮控量下两个品种的土壤含水量分别比常氮控量下高,并且品种之间没有显著差异。研究表明,植物在胁迫条件下能够感应外界胁迫并调节自身系统以增强其的生存机会^[19],苦荞通过在低氮环境中主根伸长来增加根系吸收水的范围,进而适应缺氮环境^[20]。因此低氮处理下两品种的土壤含水量较高。土壤中的水分是种子萌发的首要条件,研究表明苦荞从发芽到幼苗期需要较多的水分且出苗后17～25 d是苦荞需水的临界期^[21]。此时,两个品种都需要大量的水分,所以数据并没有检测出品种差异; 开花期的对照及低氮控量下,黑丰的含水量高于迪庆,说明迪庆的耗水量较黑丰高,可能正是因为耐低氮品种的主根伸长幅度均大于不耐低氮品种,迪庆在胁迫条件下,主根伸长幅度较大来吸收水分,因此迪庆的土壤水分较低^[20,22]。而在常氮控量下迪庆需要的水分比黑丰少,可能是因为品种的差异,有研究表明苦荞品种在开花期所消耗的水分不同和本文结论一致^[14,23]。相关研究表明pH是影响土壤养分的重要因素之一,左右着绝大多数土壤中营养元素的转化过程、方向、形态和有效性等^[24]。本研究中,我们发现在3个时期的低氮控量下,DQ的土壤pH均高于HF。不同作物在遭受胁迫时,根系会分泌大量的有机酸来应对胁迫,通过根际效应来平衡养分吸收与植物生长^[25]。当土壤中氮素以NH⁺₄的形态被吸收时,引起阳离子与阴离子吸收比率大于1,为保持电荷平衡,H⁺被排放到土壤中引起根际pH下降; 当土壤中氮素以NO^-₃的形态被吸收时,引起阳离子与阴离子吸收比率小于1,根系OH^-被释放到土壤中引起根际pH上升,同时释放大量的有机酸阴离子^[26]。而作物品种因生理差异在生长过程中会对造成土壤向酸化的方向转移,本研究中,耐低氮的苦荞DQ对土壤pH产生的影响更小,偏向于环境友好型品种。苦荞幼苗期的两个品种在对照及低氮控量下土壤有机质均没有显著差异。苦荞的不同生育阶段的营养特性是不同的,幼苗期由于生长缓慢且苦荞自身的营养可满足生长需求,对土壤中小分子氨基酸和无机盐养分吸收的少而缓慢^[27],所以,在幼苗期的两个品种的土壤有机质含量差异不是很明显。开花期及成熟期,迪庆在常氮控量下土壤有机质较低氮控量下高,且在3个时期常氮控量下迪庆的土壤有机质较黑丰高。有研究表明,随着施氮量的增加,土壤中有机质的含量也随之增加^[28],而且在正常的施氮条件下,耐低氮品种比不耐低氮品种消耗的有机质少^[15]。

氮、磷、钾3种元素是作物生长发育的必需营养元素,在黄土高原缺氮少磷瘠薄的养分条件下,不同作物及同一作物不同品种之间,在对土壤养分有效元素(N,P,K)的吸收和利用效率上表现出明显的差异性^[29]。裂区分析结果表明品种对苦荞不同生育期土壤养分产生显著差异,而且不同控氮下的土壤碱解氮、速效磷、速效钾3种速效养分在苦荞整个生育期中含量变化有着巨大的差异。我们发现整个生育期结束后,两个品种在低氮控量下土壤碱解氮、速效磷含量都相对于播种期降低了,而土壤速效钾含量均高于播种期。出现这种情况的原因可能由于在播种的时候氮肥施入土壤,导致在苦荞幼苗期土壤碱解氮、速效磷和速效钾随着施氮比例增高而含量增大^[30]; 在作物生长后期,部分的无机氮被吸收使各处理的速效养分反应速率加快。有研究表明,植物在选择氮素吸收形态时会改变根际土壤的微环境从而影响其他养分吸收利用。吸收NH⁺₄会抑制K,Ca,Mg,Zn的吸收,增加对P的吸收,吸收NO^-₃会促进K,Ca,Mg的吸收,抑制P的吸收,因此在生育后期速效养分呈现下降趋势^[31]。除两个品种对照处理中土壤全氮含量相对于播种期有所下降外,其余各处理均有不同程度的提高。研究表明施氮可以明显增加土壤中全氮、碱解氮的含量^[32],改善根际土壤的养分状况,增加养分有效性^[33]。我们发现在低氮控量下迪庆土壤中全氮、全磷、碱解氮的含量相对于黑丰较播种期提升了。研究表明作物成熟期80%的氮素供给来自开花前植物体内养分的积累及后期在体内的转移^[34],耐低氮苦荞品种在开花前的低氮环境中能够维持较高的根系超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性^[20]以及土壤中的氨氧化酶活性^[14],可更好地适应低氮环境,从而加速硝化作用转化出更多的有效态氮供植物吸收利用。而低氮控量下,黑丰品种土壤中全钾的含量高于迪庆品种,说明迪庆品种较黑丰吸收钾离子多。在土壤中K易以氯化钾、硫酸钾等盐类形式存在,在水中解离成钾离子而被植物根系吸收。在植物生长过程中钾与糖的合成有关,亦可以促进蛋白质合成及糖类协同运输^[35]。由于植物的品种不同,对养分吸收也不同。有学者比较了多个苦荞品种的敏感性,发现迪庆苦荞(耐低氮品种)的可溶性蛋白含量的降低幅度要比低氮敏感性品种黑丰1号更大^[17]; 也有研究发现,不同苦荞品种植株中可溶性糖等的含量不同^[20],植株贮藏器官富含糖类的含量不同^[35],其中的钾含量也不同。同时也发现,土壤全钾的含量从幼苗期开始,两个品种的低氮和常氮处理均呈上升趋势,说明随着生育期的变化,植物后期对土壤中的钾素吸收不断减少。研究表明作物生长的后期,植物完成了其生长发育,减少对土壤中N,P,K等养分的吸收^[4],从而土壤中钾的含量出现增加的状态。