長(zhǎng)期不同施肥下黑土和紅壤團(tuán)聚體氮庫(kù)分布特征

劉 震，徐明崗，段英華*，張麗娟，張毅功

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定071000;2農(nóng)業(yè)部作物營(yíng)養(yǎng)與施肥重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081)

土壤供氮能力是決定作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要因素之一［1－3］。土壤氮庫(kù)的變化是一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的過(guò)程，利用長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)的長(zhǎng)期性和處理的一致性來(lái)研究這一變化過(guò)程及施肥措施的影響具有明顯的優(yōu)越性。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，不同施肥措施對(duì)土壤氮素培肥效果不同［4］。連續(xù)單獨(dú)施化學(xué)氮肥80年，土壤全氮與不施肥相比，提高量不超過(guò)10%;而氮磷鉀化肥配施有機(jī)肥能明顯增加土壤氮庫(kù)容并提高氮肥利用率［5］，有效減少氮的淋溶損失和提高子粒產(chǎn)量［6］。王娟等［7］研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期化肥配施有機(jī)肥，北方土壤全氮易累積，而南方土壤全氮含量保持穩(wěn)定。

團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，是土壤重要的組成部分［8］，是形成土壤良好結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠綜合的反映土壤整體的肥力狀況［9］。不同粒級(jí)微團(tuán)聚體在有機(jī)氮的保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用，土壤微團(tuán)聚體及其適宜的組合是土壤有機(jī)氮庫(kù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。不同施肥下全氮在耕層不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的含量差異較大［10］。有研究表明，施入土壤的化肥氮主要進(jìn)入＜2 μm團(tuán)聚體，而有機(jī)肥氮?jiǎng)t有40% 50%進(jìn)入2—10 μm團(tuán)聚體［11］。棕壤施加有機(jī)肥后，全土及各粒級(jí)氮含量均有顯著增加，粘粒中氮含量占全氮的比例最大［12］。與不施肥相比，單施無(wú)機(jī)肥不能提高土壤有機(jī)氮及不同組分有機(jī)氮含量，而施用有機(jī)肥可顯著提高土壤總氮和除砂粒有機(jī)氮外的其他組分氮含量［13］。然而，對(duì)不同土壤類型間的團(tuán)聚體氮素分布特征差異如何?不同施肥類型下土壤氮在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中固存差異如何?尚需進(jìn)一步研究。

本研究利用始于1990年以來(lái)的吉林公主嶺和湖南祁陽(yáng)的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)，研究不同施肥條件下氮素在黑土和紅壤團(tuán)聚體中分布特征的差異，探索通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)來(lái)提高土壤氮庫(kù)容的培肥措施，為我國(guó)典型農(nóng)區(qū)土壤肥力培育和土壤可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

供試土壤為黑土和紅壤，除土壤全氮含量時(shí)間演變?yōu)闅v史數(shù)據(jù)外，其他數(shù)據(jù)來(lái)源的土樣均于2011年分別采自吉林省公主嶺市(東經(jīng)124°48'，北緯43°30')和湖南祁陽(yáng)縣(東經(jīng) 111°52'、北緯 26°45')的長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)。公主嶺海拔220 m，年平均溫度4 5℃，有效積溫2600 3000℃，年降水量450 600 mm，年蒸發(fā)量1200 1600 mm，無(wú)霜期125 140 d，年日照時(shí)數(shù)2500 2700 h，土壤成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀沉積物。祁陽(yáng)海拔120 m，年平均溫度18.0℃，有效積溫5600℃，年降水量1250 mm，年蒸發(fā)量1470 mm，無(wú)霜期300 d，年日照時(shí)數(shù)1610 h，土壤成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育的耕性紅壤。這兩個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)均始于1990年，試驗(yàn)前耕層土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

公主嶺黑土種植制度為一年一熟玉米連作，祁陽(yáng)紅壤為一年兩熟小麥—玉米輪作。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)設(shè)12個(gè)處理，本文選擇其中4個(gè)處理:即不施肥(CK);氮、磷、鉀化肥配施(NPK);氮、磷、鉀化肥與有機(jī)肥配施(NPKM);秸稈還田配施NPK化肥(NPKS)。同一土壤所有施氮小區(qū)的總施氮量相同，其中有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理中的有機(jī)肥氮施用量占全氮量的70%。每年氮、磷、鉀肥施用量(以N、P2O5、K2O計(jì))如下:黑土分別為 N 165 kg/hm2，P2O582.5 kg/hm2，K2O 82.5 kg/hm2;紅壤分別為 N 300 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2。有機(jī)肥為新鮮豬糞，不考慮其中磷、鉀養(yǎng)分。公主嶺黑土小區(qū)面積400 m2，無(wú)重復(fù);祁陽(yáng)紅壤小區(qū)面積196 m2，重復(fù)2次。兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)各小區(qū)之間均用深度為70—100 cm水泥埂隔開，地表露出10 cm加筑土埂，避免漏水滲肥。

表1 試驗(yàn)前(1990年)2個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic soil physical and chemical properties at the beginning of long-term fertilization experiments(1990)

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品于每年玉米收獲時(shí)按“之”字型采集0—20 cm的土壤，每區(qū)取10個(gè)點(diǎn)混合成一個(gè)樣。土壤采集后在室內(nèi)風(fēng)干、磨碎，分別過(guò)1 mm和0.25 mm篩備用，棄去＞2 mm的有機(jī)物和沙礫。土樣理化性質(zhì)采用常規(guī)方法［14］進(jìn)行分析。土壤微生物氮采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法［15］進(jìn)行測(cè)定。

土壤團(tuán)聚體分級(jí)采用濕篩法［16－17］并加以改進(jìn)，分為4 個(gè)粒級(jí):＜2 μm、2 53 μm、53 250 μm和250 2000 μm團(tuán)聚體。具體分離方法為:稱取50 g風(fēng)干土壤樣品，放入14 cm的帶蓋的培養(yǎng)皿鋪平，然后從培養(yǎng)皿邊用膠頭滴管緩慢加入約比田間持水量高出5%的水分，使得土壤慢慢吸水，待土壤全部濕潤(rùn)后靜置15分鐘。將靜置后的土樣放入一套三個(gè)粒徑的篩(53、250和2000 μm)進(jìn)行濕篩(套篩)，濕篩時(shí)土樣不可露出水面，在篩桶中加水時(shí)水面不可高過(guò)最上面篩子的邊緣(篩子位于振幅最低處)。浸于加好去離子水的團(tuán)粒儀篩桶內(nèi)5 min，啟動(dòng)團(tuán)粒儀，使套篩垂直上下3 cm幅度內(nèi)篩分20 min。分離出 53 250 μm，250 2000 μm 的土壤團(tuán)聚體。＜2 μm和2 53 μm的土壤團(tuán)聚體采用離心法收集，根據(jù)Stockes定律計(jì)算每一個(gè)粒級(jí)顆粒分離的離心時(shí)間，用離心機(jī)對(duì)洗出液進(jìn)行離心，通過(guò)不同的離心速度和離心時(shí)間分離得到。其中＜2 μm懸液采用0.2 mol/L CaCl2絮凝，再離心收集。各組分轉(zhuǎn)移至鋁盒后，先在水浴鍋上蒸干，然后置于烘箱內(nèi)，60℃下12 h烘干。烘干后各組分磨細(xì)過(guò)0.15 mm篩，稱重并測(cè)定全氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

供試土壤各級(jí)團(tuán)聚體的氮素積累量(g/kg)=該粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量(g)×該粒級(jí)團(tuán)聚體含氮量(g/kg)÷50(g)

某粒級(jí)團(tuán)聚體氮素貢獻(xiàn)率(%)=某粒級(jí)團(tuán)聚體氮積累量(g/kg)÷各粒級(jí)團(tuán)聚體氮積累量之和(g/kg)×100

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析采用SPSS和Excel軟件進(jìn)行，不同施肥處理之間采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05顯著，P＜0.01極顯著)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥下全氮含量及年平均土壤全氮含量

施用氮肥可顯著提高土壤全氮含量(圖1)。與CK相比，NPK、NPKM和NPKS處理黑土全氮含量分別增加了43%、106%和34%;紅壤全氮含量分別增加了41%、106%和50%。與NPK處理相比，NPKM處理黑土和紅壤土壤全氮分別增加了43%和45%，而在NPKS處理無(wú)顯著差異?？梢?jiàn)，無(wú)機(jī)肥配施有機(jī)肥可顯著提高土壤中全氮的含量，而秸稈還田對(duì)土壤全氮無(wú)顯著影響。

圖1 長(zhǎng)期施肥下的黑土和紅壤的全氮含量Fig.1 Total nitrogen concentrations in black and red soils under the long-term fertilizations

長(zhǎng)期不同施肥條件下，黑土和紅壤全氮含量的演變趨勢(shì)不同(圖2)。黑土全氮含量在長(zhǎng)期CK和NPK處理下呈顯著下降趨勢(shì)(P＜0.05)，年下降速率均為0.015 g/(kg·a);在NPKM處理下，以0.025 g/(kg·a)的速率顯著上升(P＜0.05);在NPKS處理下則保持持平趨勢(shì)。長(zhǎng)期不施肥(CK)、施用化肥NPK及NPKM和NPKS處理下，紅壤全氮含量均沒(méi)有顯著變化。

圖2 長(zhǎng)期施肥黑土和紅壤全氮含量時(shí)間變化Fig.2 Temporal variations of nitrogen concentrations in black soils and red soils under the long-term fertilizations

2.2 不同施肥下土壤微生物氮含量

與CK相比，NPK處理提高了黑土微生物氮含量，而對(duì)紅壤微生物氮含量沒(méi)有顯著影響(圖3)。但化肥配施有機(jī)物后，黑土和紅壤微生物氮含量均顯著提高。與CK處理相比，NPKM、NPKS處理黑土微生物氮含量分別增加了55%和74%，祁陽(yáng)紅壤微生物氮含量分別增加了41%和53%。施用有機(jī)肥可顯著提高土壤微生物氮含量，而秸稈還田對(duì)土壤微生物氮含量無(wú)顯著影響。與NPK處理相比，NPKM處理黑土和紅壤微生物氮含量增加了15%和43%(P＜0.05)。

圖3 長(zhǎng)期施肥下的黑土和紅壤的微生物氮含量Fig.3 Soil microbial biomass nitrogen concentrations in black and red soils under the long-term fertilizations

2.3 不同施肥下土壤團(tuán)聚體中氮積累量

從圖4可以看出，土壤氮素在黑土上主要累積在2～53 μm微團(tuán)聚體中，而在紅壤上主要累積在＜2 μm微團(tuán)聚體中。黑土上，2～53 μm微團(tuán)聚體中氮素積累量為0.73～1.21 g/kg，在其他團(tuán)聚體中為0.04～0.25 g/kg。紅壤上，＜2 μm微團(tuán)聚體中氮素積累量為0.46～0.98 g/kg，在其他團(tuán)聚體中為0.03～0.42 g/kg。

與CK處理相比，長(zhǎng)期施用化肥能夠增加黑土和紅壤53～250 μm和＜2 μm微團(tuán)聚體中氮的積累，而對(duì)250～2000 μm大團(tuán)聚體中氮的累積無(wú)顯著影響，但化肥配施有機(jī)肥可顯著提高250 2000 μm大團(tuán)聚體中氮積累量。如在長(zhǎng)期化肥配施有機(jī)肥條件下，黑土和紅壤250～2000 μm大團(tuán)聚體中氮積累量較CK處理下分別顯著增加了129%和552%;在長(zhǎng)期秸稈還田配施化肥條件下，較CK處理下分別顯著增加了16.7%和405%。

與NPK處理相比，NPKM處理＜2 μm、2～ 53 μm和250 2000 μm團(tuán)聚體中氮積累量在黑土上分別增加了22.9%、36.1%和112%，在紅壤上分別增加了45.8%、18.4%和196%;53～250 μm團(tuán)聚體氮積累量在黑土上增加了74.0%，在紅壤上無(wú)顯著增加。長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)黑土各團(tuán)聚體中氮積累量均無(wú)顯著影響，在紅壤上促進(jìn)了250～2000 μm大團(tuán)聚體中氮的累積，減少了2～53 μm團(tuán)聚體中的累積。

圖4 長(zhǎng)期施肥下不同團(tuán)聚體中氮積累量Fig.4 Total nitrogen accumulation amounts in different aggregates under the long-term fertilizations

2.4 不同施肥下土壤團(tuán)聚體氮貢獻(xiàn)率

由表2可見(jiàn)，黑土中64.4% 80.0%的氮素分布在2 53 μm微團(tuán)聚體中，而紅壤中60.4%62.7%的氮素分布在＜2 μm微團(tuán)聚體中?？梢?jiàn)，黑土上氮素主要分布在2～53 μm微團(tuán)聚體中，紅壤上氮素主要分布在＜2 μm微團(tuán)聚體中。

與CK相比，長(zhǎng)期施肥顯著減低了黑土2 53 μm微團(tuán)聚體中氮的貢獻(xiàn)率，增加了＜2 μm和53 250 μm微團(tuán)聚體中氮的貢獻(xiàn)率。對(duì)紅壤來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期施肥顯著降低了53～ 250 μm微團(tuán)聚體中氮的貢獻(xiàn)率，提高了250～2000 μm大團(tuán)聚體中氮貢獻(xiàn)率。

與NPK處理相比，NPKM和NPKS處理下黑土250～2000 μm大團(tuán)聚體中氮貢獻(xiàn)率分別增加了4.3和1.4個(gè)百分點(diǎn);NPKM和NPKS處理下紅壤250～2000 μm大團(tuán)聚體中氮貢獻(xiàn)率分別增加了5.1和5.7個(gè)百分點(diǎn)，而2～53 μm微團(tuán)聚體中氮貢獻(xiàn)率分別降低了5.9和9.7個(gè)百分點(diǎn)。

表2 長(zhǎng)期不同施肥下土壤團(tuán)聚體中氮的貢獻(xiàn)率(%)Table 2 Contribution of N in aggregates to total N under the long-term different fertilizations

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施，黑土全氮含量呈顯著上升趨勢(shì)(圖1)。紅壤全氮含量在長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施條件下，盡管統(tǒng)計(jì)上沒(méi)有顯著增加，但施肥22年后顯著高于其他處理。這與前人的研究結(jié)果是一致的［18－19］。梁國(guó)慶等［20］研究結(jié)果表明，高量有機(jī)肥與氮磷鉀化肥配施能有效增加土壤養(yǎng)分含量，是提高生產(chǎn)力水平和培肥地力的最佳施肥結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)期秸稈還田，盡管土壤全氮含量沒(méi)有顯著增加，但是微生物氮含量有了顯著增加(圖3)。微生物氮被認(rèn)為是土壤活性氮的儲(chǔ)存庫(kù)，是作物生長(zhǎng)可利用養(yǎng)分的重要來(lái)源，是土壤中有機(jī)、無(wú)機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［21］。施用有機(jī)肥和秸稈還田土壤微生物氮的顯著增加說(shuō)明施用有機(jī)物有利于土壤微生物的培育，促進(jìn)了土壤的氮循環(huán)。

較小的微團(tuán)聚體有較好的氮儲(chǔ)備能力，而較大粒級(jí)的微團(tuán)聚體中則因有機(jī)質(zhì)易礦化，其氮素養(yǎng)分的供應(yīng)能力強(qiáng)［22］。本研究結(jié)果表明，氮素在黑土上主要儲(chǔ)存于2 53 μm微團(tuán)聚體中。在紅壤上儲(chǔ)存于＜2 μm微團(tuán)聚體中?？梢?jiàn)，不同土壤上氮素的儲(chǔ)存庫(kù)是不同的。侵蝕性旱地土壤氮主要分布在＜50 μm的粘粒和粉粒中［23］，而長(zhǎng)期施肥的紫色土上全氮?jiǎng)t主要分布在大于250 μm粒級(jí)大團(tuán)聚體中，其次是53 250 μm微團(tuán)聚體中，粉粒和粘粒組分中分布最少［24］。

施入土壤中的肥料氮在土壤的轉(zhuǎn)化和分布是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。本研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥后黑土和紅壤250 2000 μm大團(tuán)聚體中氮貢獻(xiàn)率顯著增加。這是因?yàn)楫?dāng)無(wú)機(jī)肥施入土壤時(shí)，容易礦化分解而成的氮最先進(jìn)入粒級(jí)相對(duì)較小的團(tuán)聚體當(dāng)中，隨著時(shí)間推移，通過(guò)植物根系的吸附、微生物作用以生物形式殘留于大團(tuán)聚體中。而有機(jī)肥中的氮，一部分會(huì)被微生物分解為無(wú)機(jī)氮從而被吸收利用，另外一部分較難降解的部分則會(huì)殘留于較大粒徑中［25］。因此，施用有機(jī)肥后，黑土和紅壤大團(tuán)聚體中的氮對(duì)全氮貢獻(xiàn)率顯著提高，說(shuō)明施用有機(jī)肥可提高土壤供氮能力。與黑土不同的是，施用有機(jī)肥后紅壤中2 53 μm微團(tuán)聚體中氮貢獻(xiàn)率顯著下降，這可能是由于有機(jī)肥的施用提高了土壤微生物活性，進(jìn)而促進(jìn)了小團(tuán)聚體中氮素向大團(tuán)聚體中的轉(zhuǎn)移?？梢?jiàn)，施用有機(jī)肥可增加250 2000 μm大團(tuán)聚體中氮含量，一方面可提高土壤全氮含量，另一方面可提高對(duì)作物的養(yǎng)分供應(yīng)能力，是一種可提高土壤供肥能力與生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的培肥措施。

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