王克鵬， 張仁陟， 董 博， 謝軍紅

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 蘭州 730070)

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長(zhǎng)期免耕和秸稈覆蓋下黃土高原旱作土壤不同粒級(jí)復(fù)合體中酸解有機(jī)氮含量及分配比例變化

王克鵬， 張仁陟*， 董 博， 謝軍紅

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 蘭州 730070)

保護(hù)性耕作； 土壤粒級(jí)； 有機(jī)氮形態(tài)

氮是作物生長(zhǎng)必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，由于氮肥在土壤中易發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化而損失，氮肥管理一直是農(nóng)田養(yǎng)分管理研究的重點(diǎn)[1-2]。表土層中的氮素90%以上以有機(jī)態(tài)氮的形態(tài)存在[3]。土壤有機(jī)氮主要包括有機(jī)殘?bào)w中的氮，即存在于未分解或半分解的動(dòng)植物殘?bào)w中的部分和土壤有機(jī)質(zhì)或腐殖質(zhì)中的氮兩大類[3]。Bremner采用酸解法將土壤有機(jī)氮分成氨基酸氮、氨基糖氮、酸解氨態(tài)氮和酸解未知氮等形態(tài)[4]。有研究表明，植物吸收的氮主要來(lái)自酸解氨基酸態(tài)氮和酸解氨態(tài)氮[5]。李菊梅等[6]研究指出，土壤可礦化氮主要來(lái)自酸解有機(jī)氮，特別是氨基酸氮和酸解氨態(tài)氮。土壤有機(jī)氮的含量及形態(tài)直接影響著土壤的供氮能力[7]，其組成、含量及其礦化的難易程度與土壤供氮特性有密切關(guān)系[8]。李世清等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添加有機(jī)物料不同，有機(jī)氮的礦化累積量也不同。加入C/N比高的長(zhǎng)芒草，由于能源物質(zhì)豐富，微生物對(duì)礦質(zhì)氮的固定作用強(qiáng)；加入C/N比低的紫花苜蓿后，能源物質(zhì)相對(duì)較少，易礦化有機(jī)氮多，有利于增加有機(jī)氮凈礦化。趙士誠(chéng)等研究認(rèn)為，長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)酸解氨基酸態(tài)氮的貢獻(xiàn)高于氨態(tài)氮；高量秸稈還田提高了微生物量氮和硝態(tài)氮的含量，但降低了固定態(tài)銨含量[10]。顆粒有機(jī)氮對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率最高，且隨施肥方式的改變而改變，與有機(jī)肥的施用量呈正相關(guān)，輕組有機(jī)氮對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率不隨施肥方式的改變而改變[11]。不同粒級(jí)的土壤顆粒，其礦質(zhì)組成和物理化學(xué)性質(zhì)有著很大的差異，與其結(jié)合或共同存在的有機(jī)質(zhì)組成也有某些不同，因而會(huì)對(duì)土壤氮素的形態(tài)與分布產(chǎn)生影響[3]。了解不同粒級(jí)中有機(jī)氮的含量和分布狀況對(duì)于評(píng)價(jià)土壤肥力水平具有重要意義[3]。黃土高原旱地是中國(guó)西北重要的農(nóng)作物種植區(qū)，不僅作物種類多，作物的連輪作方式也多種多樣[12]。作為一種有效保水保肥的耕作措施，保護(hù)性耕作對(duì)改善土壤理化性狀，提高土壤供肥，提高土壤酶活性具有很好的效果[13]。張仁陟等[14]的研究認(rèn)為，免耕和秸稈覆蓋對(duì)土壤容重、孔隙度、土壤團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的形成都有不同程度的促進(jìn)作用，從而為土壤良好結(jié)構(gòu)的形成奠定了基礎(chǔ)。實(shí)施免耕結(jié)合秸稈覆蓋，對(duì)促進(jìn)和維持土壤養(yǎng)分平衡，提高土壤肥力質(zhì)量具有重要意義，是適合黃土高原農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效耕作模式[15]，目前已逐步被人們所認(rèn)識(shí)和采用。但實(shí)施免耕和秸稈覆蓋對(duì)黃土高原旱作土壤不同粒級(jí)復(fù)合體中酸解有機(jī)氮含量的研究尚未見報(bào)道，有必要進(jìn)行研究。本研究通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，對(duì)黃土高原半干旱區(qū)實(shí)施免耕和秸稈覆蓋的耕作措施后，土壤不同粒級(jí)復(fù)合體中酸解有機(jī)氮含量及分配的情況進(jìn)行了研究，旨在為改進(jìn)黃土高原旱地農(nóng)業(yè)耕作制度提供科學(xué)理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014年在中國(guó)甘肅定西旱農(nóng)試驗(yàn)站進(jìn)行。該區(qū)屬于中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2000 m，年均氣溫6.14℃，≥0℃積溫2933.5℃，≥10℃積溫2239.1℃，日照時(shí)數(shù)2476.6 h，無(wú)霜期140天。多年平均降水365.0 mm，年蒸發(fā)量1531 mm，干燥度2.53，為中國(guó)西北半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)土壤類型為黃綿土，質(zhì)地均勻，土層深厚，貯水性能良好。0—200 cm土壤含有機(jī)質(zhì)12.0 g/kg、 全氮0.8 g/kg、 全磷1.8 g/kg、 平均容重為1.2 g/cm3。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)于2001年8月開始，試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理(如表1所示)。采用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積240 m2(8 m×30 m)，設(shè)3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)。采用小麥—豌豆輪作，每年種植一季。豌豆品種為‘綠農(nóng)1號(hào)’，屬早熟半無(wú)葉型，生育期8590天。春小麥品種為‘定西35’。豌豆各處理區(qū)每年施純氮 20 kg/hm2、 P2O5105 kg/hm2(二銨、 過(guò)磷酸鈣)，小麥各處理區(qū)每年施 N 105 kg/hm2、 P2O5105 kg/hm2(尿素、 二銨)，所有肥料都作為基肥在播種時(shí)同時(shí)施入。豌豆于每年4月上旬播種， 8月上旬收獲。春小麥于每年3月中旬播種，8月上旬收獲。2014年8月15日，在選定的采樣點(diǎn)上，用采樣器采取耕層土樣。試驗(yàn)各處理具體實(shí)施方法如表1所示。

表1　長(zhǎng)期定位試驗(yàn)處理具體步驟

1.3土壤不同粒級(jí)復(fù)合體的分離

采用超聲波振動(dòng)[16]—沉降虹吸分離法：稱取過(guò)0.25 mm篩的風(fēng)干土樣500 g 置于槽形超聲波發(fā)生器(上海超聲儀器廠CSF-B型)的槽內(nèi)，加水5000 mL使土水于21.5 kHz、300 mA條件下超聲波分散30 min，過(guò)0.106 mm濕篩至15 L的塑料桶內(nèi), 用清水沖洗篩子直至濾液澄清, 并補(bǔ)充水至15 L，使土壤懸液濃度接近3%。根據(jù)Stockes定律計(jì)算每一個(gè)粒級(jí)沉降時(shí)間，用虹吸法分別吸取<2 μm、210 μm、1050 μm粒級(jí)的復(fù)合體，各個(gè)粒級(jí)約提取30次，桶底殘留為50100 μm，濕篩上殘留為>100 μm。各個(gè)粒級(jí)的土粒懸液經(jīng)巴氏濾管抽濾后置于40℃干燥箱去除水分，自然風(fēng)干，分別稱重、磨細(xì)供分析使用。

1.4 土壤及不同粒級(jí)中有機(jī)氮的分級(jí)

土壤有機(jī)氮組成采用改進(jìn)的Bremner法[17]，其中，酸解性氮用凱氏法； 酸解氨態(tài)氮用氧化鎂蒸汽蒸餾法； (氨+氨基糖)氮用pH 11.2的磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸汽蒸餾法； 氨基酸氮用茚三酮氧化，磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸汽蒸餾法。氨基糖氮、酸解未知氮、非酸解性氮用差減法求得。

1.5計(jì)算方法和數(shù)據(jù)分析

各粒級(jí)復(fù)合體中不同形態(tài)有機(jī)氮的絕對(duì)含量計(jì)算公式：

Nt=Ni×Wi

式中, Nt—單位質(zhì)量土樣中各形態(tài)有機(jī)氮的量(mg/kg)； Ni—單位質(zhì)量土樣中某一粒級(jí)土壤顆粒所占比例； Wi—單位質(zhì)量某一粒級(jí)土壤顆粒中各有機(jī)氮組分的量(mg/kg)。

數(shù)據(jù)采用SPSS19.0軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤不同粒級(jí)復(fù)合體組成的影響

由表2可以看出，在所有回收的土壤樣本中，02、210、1050、50100、>100 μm 粒級(jí)的土壤顆粒復(fù)合體分別約占12.9%、24.0%、45.5%、9.9%、5.0%。與傳統(tǒng)耕作措施(T)相比，經(jīng)過(guò)連續(xù)14年不同耕作措施，三種保護(hù)性耕作方式均降低了02 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體在土壤中所占的比例，降幅為27.6%31.0%；增加了210 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體的比例，增幅為20.0%31.7%，其中以免耕加秸稈覆蓋(NTS)處理的土壤，210 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體所占比例增幅最大(31.7%)。保護(hù)性耕作措施對(duì)1050 μm和50100 μm粒級(jí)的土壤復(fù)合體所占比例影響相對(duì)較?。?100μm粒級(jí)的土壤復(fù)合體中除了少量的土壤顆粒外，剩余部分為半分解的粗有機(jī)殘?bào)w。與傳統(tǒng)耕作措施相比，保護(hù)性耕作措施使>100μm粒級(jí)土壤復(fù)合體的比例增加10.1%12.5%。

表2　保護(hù)性耕作對(duì)土壤不同粒級(jí)復(fù)合體組成的影響(%, w/w)

注(Note): 同列數(shù)值后不同小寫字母表示差異達(dá)0.05顯著水平 Values followed by different small letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.

由表2還可以看出，不同的保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤各粒級(jí)復(fù)合體組成的影響是有差別的。與傳統(tǒng)耕作措施(T)相較，免耕(N)使210 μm粒級(jí)的土壤復(fù)合體比例增加了20%，傳統(tǒng)耕作+秸稈還田(TS)使210 μm粒級(jí)的土壤復(fù)合體比例增加了27.8%，而免耕加秸稈覆蓋(NTS)使210 μm粒級(jí)的土壤復(fù)合體比例增加了31.7%，增幅均達(dá)到0.05的顯著水平。免耕加秸稈覆蓋(NTS)更加明顯地增加了210 μm粒級(jí)的土壤復(fù)合體在耕層土壤中的比例。不同耕作措施土壤之間的這種差異可能是由其物質(zhì)組成及其轉(zhuǎn)化過(guò)程中的合成產(chǎn)物的不同所引起的。

2.2不同耕作措施對(duì)土壤不同粒級(jí)中有機(jī)氮各形態(tài)含量與分配的影響

2.2.1 不同耕作措施對(duì)單位質(zhì)量不同粒級(jí)土壤中有機(jī)氮各形態(tài)含量的影響由表3可以看出，單位質(zhì)量土壤的酸解有機(jī)總氮的含量因粒級(jí)不同而異。在所有的試驗(yàn)區(qū)，以02 μm粒級(jí)單位質(zhì)量的土壤復(fù)合體中酸解有機(jī)總氮含量最高，210 μm粒級(jí)次之，1050 μm粒級(jí)單位質(zhì)量的土壤復(fù)合體中酸解有機(jī)總氮含量最低。在本試驗(yàn)中，單位質(zhì)量不同粒級(jí)土壤復(fù)合體中酸解有機(jī)氮含量的順序與徐陽(yáng)春等的研究結(jié)果相一致[16]，都是氨基酸氮含量最高，表明保護(hù)性耕作并未有改變不同粒級(jí)土壤復(fù)合體中有機(jī)氮含量的順序。

表3　土壤不同粒級(jí)復(fù)合體內(nèi)的有機(jī)氮組成 (mg/kg)

注(Note): HUN—Acid hydrolysis nitrogen. 同列數(shù)值后不同小、大寫字母分別表示同一土壤粒級(jí)不同處理間各有機(jī)氮含量差異達(dá)0.05、0.01顯著水平 Values followed by different small and capital letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.2.2 不同耕作措施對(duì)單位質(zhì)量土壤中有機(jī)氮各形態(tài)含量的影響由表4可以看出，所有處理中，均以氨基酸氮所占比重最大，與1050 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體結(jié)合的有機(jī)氮含量最多。雖然單位質(zhì)量1050 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體中酸解氮含量最少，但由于1050 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體在土壤中所占比例較大(約45%)，因此就總量而言，與1050 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體結(jié)合的土壤酸解氮含量最大。在傳統(tǒng)耕作(T)條件下，與各粒級(jí)土壤復(fù)合體相結(jié)合的有機(jī)氮量順序?yàn)?050 μm>02 μm>210 μm>50100 μm> 100 μm以上，而三種保護(hù)性耕作處理其順序?yàn)?050 μm>210 μm>02 μm> 50100 μm>100 μm以上，表明保護(hù)性耕作主要增加了耕層土壤中與210 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體結(jié)合的酸解氮比例，降低了與02 μm粒級(jí)結(jié)合的酸解氮比例。

表4　不同形態(tài)有機(jī)氮在各粒級(jí)土壤中的含量 (mg/kg)

注(Note): HUN—Acid hydrolysis nitrogen.

表5　不同耕作處理耕層土壤各形態(tài)有機(jī)氮含量 (mg/kg)

注(Note): HUN—Acid hydrolysis nitrogen. 同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平Values followed by different small letters in a column mean significantly different among treatments at 0.05 level.

3　討論

4　結(jié)論

1)與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作措施主要明顯提高了土壤210 μm粒級(jí)復(fù)合體的比例，降低了02 μm粒級(jí)復(fù)合體的比例。

2) 在土壤復(fù)合體中，以02 μm粒級(jí)的酸解氮含量最高，其次為210 μm粒級(jí)，以1050 μm粒級(jí)最低。

3) 保護(hù)性耕作措施明顯提高了210 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體中酸解氮的含量，使耕層土壤中與210 μm粒級(jí)土壤復(fù)合體結(jié)合的酸解氮比例增加，而與02 μm粒級(jí)結(jié)合的酸解氮比例有所降低。

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Acid hydrolysis organic N content and the distribution in different sizes of soil complexes in Loess Plateau dryland under long-term no-tillage and straw mulching

WANG Ke-peng, ZHANG Ren-zhi*, DONG Bo, XIE Jun-hong

(CollegeofResourceandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

conservation tillage; soil particle size; forms of organic N

2015-10-09接受日期： 2015-11-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31360148)資助。

王克鵬(1975—), 男, 甘肅省會(huì)寧縣人，博士，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究。Tel: 0931-7631774， E-mail: wlf8769216@163.com

Tel: 0931-7632461， E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn

S345; S153.6

A

1008-505X(2016)03-0659-08