王 慧，劉金山，惠曉麗，戴 健，王朝輝，2

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué)/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

旱地土壤有機(jī)碳氮和供氮能力對(duì)長(zhǎng)期不同氮肥用量的響應(yīng)

王 慧1，劉金山1，惠曉麗1，戴 健1，王朝輝1，2

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué)/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

【目的】揭示旱地土壤有機(jī)碳氮、氮素礦化對(duì)長(zhǎng)期不同氮肥用量的響應(yīng)及有機(jī)碳氮與氮素礦化的關(guān)系，進(jìn)而評(píng)價(jià)土壤供氮能力，為旱地土壤氮素管理提供參考?！痉椒ā吭陉兾鳁盍?004年開始的旱地小麥氮肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采集不同氮肥用量（0（N0）、160（N160）、320（N320）kg N·hm-2）試驗(yàn)的土壤樣品，測(cè)定土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮，微生物量碳、氮含量，并采用間歇淋洗好氣培養(yǎng)法測(cè)定土壤的氮素礦化?！窘Y(jié)果】與對(duì)照N0相比，施用氮肥（N160、N320）增加了0—10、10—20、20—40、0—40 cm土層有機(jī)碳含量，且在小麥播前期和收獲期表現(xiàn)不一致；施氮（N160和N320）處理均顯著提高了0—10 cm土層有機(jī)氮含量，但僅N320處理顯著提高了0—40 cm土層土壤有機(jī)氮含量；施用氮肥（N160、N320）未改變0—10、10—20 cm 土層土壤微生物量氮和微生物量碳含量，僅N320處理顯著提高了20—40、0—40 cm土層微生物量氮和微生物量碳含量。0—10 cm土層，土壤氮素礦化量、礦化勢(shì)（N0）與施氮量、有機(jī)氮含量呈顯著正相關(guān)，氮素礦化速率常數(shù)（k）則與其呈顯著負(fù)相關(guān)。10—20 cm土層，施氮處理（N160、N320）土壤的氮素礦化量均顯著高于不施氮處理（N0），增幅分別為27.3%和35.2%，且與施氮量、有機(jī)碳、有機(jī)氮含量呈顯著正相關(guān)；氮素礦化勢(shì)（N0）隨著有機(jī)碳增加而顯著增加，礦化速率常數(shù)（k）則降低。20—40 cm土層，N320能提高氮素礦化量，并與有機(jī)氮、微生物量碳呈顯著正相關(guān)?！窘Y(jié)論】合理施氮肥能明顯促進(jìn)旱地0—10和10—20 cm土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮積累，提高土壤氮素礦化能力，降低氮素礦化速率，是提高旱地土壤有機(jī)氮、有機(jī)碳含量和土壤供氮能力的有效途徑。

土壤氮素礦化；礦化勢(shì)；微生物量碳氮；有機(jī)碳氮；黃土高原

0 引言

【研究意義】黃土高原旱地是中國(guó)西北主要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，主要糧食作物小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)維持地區(qū)糧食安全、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。但是該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量低，氮素供應(yīng)能力較差，農(nóng)民習(xí)慣施用大量氮肥以保證獲得較高作物產(chǎn)量［1］，而長(zhǎng)期大量氮肥施用一方面導(dǎo)致氮素的大量殘留［2-3］，另一方面可能導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的變化，如土壤有機(jī)碳［4］和 pH［5］降低等。因此，研究長(zhǎng)期施氮對(duì)土壤有機(jī)碳氮及氮素礦化供應(yīng)能力的影響作用有利于了解和提高該地區(qū)旱地土壤肥力，對(duì)氮肥管理具有重要的生產(chǎn)指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】作物吸收的氮素主要以無機(jī)態(tài)氮素為主，而土壤中氮素主要以有機(jī)態(tài)氮形式存在（約占全氮的92%—98%），故該部分氮素不能被作物直接吸收利用，需通過土壤微生物驅(qū)動(dòng)的礦化過程來釋放無機(jī)態(tài)氮［6］。而土壤氮素礦化是一個(gè)復(fù)雜的過程，同時(shí)受到很多因素影響。在農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)中，主要影響因素有土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量和成分、土壤理化性質(zhì)、微生物活性［7］以及施肥等管理措施［8］。REICH等［9］的研究表明同一土壤中不同形態(tài)有機(jī)質(zhì)的分解、礦化程度可能相差數(shù)倍，土壤pH升高促進(jìn)氮素礦化、鹽堿度卻降低總氮礦化量［7］，且微生物的種類、數(shù)量也與氮素礦化密切相關(guān)［10］。巨曉棠等［11］、魯彩艷等［12］的研究表明無論是單施氮肥還是氮肥與有機(jī)肥配施都能提高土壤氮素礦化能力，且有機(jī)肥配施化肥效果優(yōu)于單施化肥。也有研究發(fā)現(xiàn)，在東北黑土玉米地，單施氮肥對(duì)氮素礦化量無顯著影響，但配施有機(jī)肥后，氮素礦化量顯著提高［13］。在稻田土壤中，一些學(xué)者也得出相似的結(jié)論［14-15］?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前有關(guān)長(zhǎng)期不同氮肥用量對(duì)土壤有機(jī)碳氮和氮素礦化的研究主要集中于華北、東北和華南地區(qū)，且多是基于全國(guó)農(nóng)田土壤肥力的長(zhǎng)期試驗(yàn)，但這些定位試驗(yàn)缺乏長(zhǎng)期不同氮肥用量處理。在西北旱地，施不同用量氮肥對(duì)土壤氮素礦化特征、有機(jī)碳、有機(jī)氮、微生物量碳氮含量影響如何？氮肥施用是否可以提高土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮組分含量，繼而影響氮素礦化和氮素供應(yīng)能力？目前關(guān)于這些方面的研究依然缺乏?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究基于2004年開始的長(zhǎng)期不同用量氮肥定位試驗(yàn)，采用農(nóng)化分析和培養(yǎng)試驗(yàn)方法分析不同施氮水平下不同土層土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮含量變化及氮素礦化特征，探明長(zhǎng)期施用不同用量氮肥對(duì)土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮和氮素礦化的影響，以期為黃土高原南部地區(qū)的旱地農(nóng)田氮素可持續(xù)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)概況

田間長(zhǎng)期定位試驗(yàn)于2004年10月至2014年6月在陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站（34°17′59″N， 108°4′12″E）進(jìn)行。該地處于黃土高原南部的渭河三級(jí)階地，海拔525 m，1957—2013年的年平均氣溫12.9℃，降雨量581 mm，蒸發(fā)量1 400 mm，屬于半濕潤(rùn)易干旱地區(qū)。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，供試土壤為土墊旱耕人為土（土），試驗(yàn)開始前（2004年9月）耕層土壤（0—20 cm）基本理化性狀為：pH 8.25、容重1.24 g·cm-3、有機(jī)碳7.94 g·kg-1、全氮1.07 g·kg-1、有效磷（Olsen-P）15.0 mg·kg-1、速效鉀182.4 mg·kg-1、硝態(tài)氮5.4 mg·kg-1。

1.2試驗(yàn)設(shè)置與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在施100 kg P2O5·hm-2·a-1的基礎(chǔ)上，設(shè)5個(gè)氮水平，施氮量分別為0（N0）、80（N80）、160（N160）、240（N240）、320（N320）kg N·hm-2·a-1，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，重復(fù)4次，小區(qū)面積為4 m×10 m=40 m2。氮肥為尿素（N，46%），磷肥為重過磷酸鈣（P2O5，46%），所用肥料在每年小麥播前（10月初）一次性施入土壤。供試作物為冬小麥，品種為小偃22，采用機(jī)播方式，播量為135 kg·hm-2，沿小區(qū)長(zhǎng)邊成行，行距為20 cm，整個(gè)生育期（10月上旬至次年6月上旬）無灌溉，管理方式與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致，冬小麥?zhǔn)斋@后，夏休閑。試驗(yàn)從2004年開始，施肥數(shù)量、施肥方式、小麥品種、農(nóng)田管理方式均保持一致。本研究涉及2013—2014年年度田間試驗(yàn)，選取 5個(gè)氮處理中的N0、N160、N320三個(gè)處理，其中 160 kg N·hm-2·a-1是當(dāng)?shù)赝扑]小麥氮肥用量，而320 kg N·hm-2·a-1是過量施氮水平，以此分析長(zhǎng)期施氮對(duì)土壤氮素礦化和有機(jī)碳、有機(jī)氮的影響作用。

1.3樣品采集與測(cè)定

在小麥播種前（2013年10月2日）、收獲期（2014 年6月9日），分別采用土鉆在各小區(qū)選定5個(gè)點(diǎn)采集土層0—10、10—20、20—40 cm的土樣，混勻后立即帶回實(shí)驗(yàn)室。分為兩部分：其中一部分鮮土用來測(cè)定土壤微生物量碳、微生物量氮和土壤礦質(zhì)氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）；另一部分土樣經(jīng)過風(fēng)干后過篩，用于土壤有機(jī)氮和有機(jī)碳含量等的測(cè)定。

土壤有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定［16］。土壤有機(jī)氮（TON）采用差減法計(jì)算，即土壤全氮含量減去礦質(zhì)氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）含量，其中土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，礦質(zhì)氮采用 1.0 mol·L-1KCl溶液浸提后連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，Bran+Luebbe，Germany）測(cè)定［16］。土壤微生物量氮和微生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測(cè)定［17-18］，采用碳自動(dòng)分析儀（島津 TOC-VCPH，日本島津公司）測(cè)定提取液的有機(jī)碳含量，高壓鍋氧化法［19］測(cè)定提取液中的有機(jī)氮含量。以熏蒸土樣與不熏蒸土樣提取的有機(jī)碳、有機(jī)氮的差值分別乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)KC（2.22）或KN（1.85）計(jì)算土壤微生物量碳和微生物量氮含量。

土壤氮素累積礦化量、礦化勢(shì)、礦化速率常數(shù)采用間歇淋洗好氣培養(yǎng)法［20-21］測(cè)定，供試土壤為小麥播前土壤（2013年10月2日采集）。主要方法如下：稱25.00 g過2 mm篩的風(fēng)干土壤和等量石英砂（1—2 mm）混勻，使其形成具有良好通氣結(jié)構(gòu)的土、砂混合物。然后，小心地轉(zhuǎn)入預(yù)先鋪有一層玻璃絲和25 g石英砂的50 mL淋洗管（塑料注射器）中，再在其上鋪少量玻璃絲，以免淋洗時(shí)，淋洗液直接沖擊土、砂混合物，使其分離。裝好后輕振數(shù)次，然后用100 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液淋洗土壤中起始礦質(zhì)氮，淋洗后加入 40 mL 無氮營(yíng)養(yǎng)液（2.5 mmol·L-1K2SO4、2 mmol·L-1CaSO4、2 mmol·L-1MgSO4·7H2O 和 0.5 mmol·L-1CaHPO4·2H2O），多余水分在 80 kPa 負(fù)壓下抽去。然后管口用塑料膜密封，再扎一個(gè)小孔，保持管內(nèi)良好通氣。將淋洗管放入恒溫培養(yǎng)箱中在（35±1）℃條件下進(jìn)行培養(yǎng)。在培養(yǎng)的第1、2、3、5、7、9、12和15周取出淋洗管，用100 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液淋洗移去培養(yǎng)期間土壤產(chǎn)生的礦質(zhì)氮，加入無氮營(yíng)養(yǎng)液并抽去多余水分。每次淋洗液用 100 mL容量瓶接收，定容后，即時(shí)用流動(dòng)分析儀測(cè)定淋洗液中NH4+-N和NO3--N含量。培養(yǎng)所獲得的凈礦化氮量與時(shí)間的關(guān)系用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程來描述：

Nt=N0［1-exp（-kt）］

式中，Nt為時(shí)間t時(shí)的凈礦化氮量，k為礦化速率常數(shù)，N0為礦化勢(shì)，t為培養(yǎng)時(shí)間。根據(jù)以上動(dòng)力學(xué)方程求出氮素礦化勢(shì)、礦化速率常數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采用Excel 2010、DPS（v7.05）以及SigmaPlot （v12.5）處理，多重比較采用 LSD法，顯著性水平為a=0.05。

2 結(jié)果

2.1長(zhǎng)期施氮后土壤有機(jī)碳含量變化

與 N0相比，兩個(gè)時(shí)期（小麥播前和收獲期）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值表明施氮顯著提高了0—10、10—20、20—40以及0—40 cm不同土層土壤有機(jī)碳含量（表1），以0—40 cm 土層為例，有機(jī)碳含量增幅達(dá)9.5% （N160）和12.9%（N320），N160和N320處理之間差異不顯著。不同土層的土壤有機(jī)碳含量在2個(gè)時(shí)期表現(xiàn)不一致。在0—10 cm土層，N160和N320處理顯著提高了小麥播前和收獲期土壤有機(jī)碳含量；在10—20、20—40 cm 土層，小麥播前3個(gè)氮肥處理之間有機(jī)碳含量差異不顯著，而收獲期N320處理顯著高于N0處理。隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳含量降低，由0—10、10—20 cm增加到20—40 cm 時(shí)，有機(jī)碳含量顯著下降，但0—10、10—20 cm土層之間無顯著差異。

表1　長(zhǎng)期施氮對(duì)不同土層土壤有機(jī)碳含量的影響Table 1 Effects of long-term N fertilization on soil organic carbon （SOC） concentrations in different soil layers （g·kg-1）

表2　長(zhǎng)期施氮對(duì)不同土層土壤有機(jī)氮含量的影響Table 2 Effects of long-term N fertilization on soil organic nitrogen （SON） concentrations in different soil layers （g·kg-1）

2.2長(zhǎng)期施氮后土壤有機(jī)氮含量變化

與 N0相比，兩個(gè)時(shí)期的平均值表明僅有 N320處理顯著提高了0—40 cm土層土壤有機(jī)氮含量（表2），N160和N320處理均顯著提高了0—10 cm土層有機(jī)氮含量，此外，N320處理也顯著提高了10—20、20—40 cm土層有機(jī)氮含量。不同土層的有機(jī)氮含量在2個(gè)時(shí)期表現(xiàn)不盡一致。在0—10 cm土層，N320處理僅顯著提高了小麥播前有機(jī)氮含量，收獲期N160、N320處理均顯著提高有機(jī)氮含量；在10—20、20—40 cm土層，N320顯著提高了播前有機(jī)氮含量，而小麥?zhǔn)斋@期3個(gè)氮肥處理間差異不顯著。此外，隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)氮含量降低，由0—10、10—20 cm增加到20—40 cm 時(shí)，有機(jī)氮含量顯著下降，但0—10、10—20 cm土層間無顯著差異。

2.3長(zhǎng)期施氮后土壤微生物量碳含量變化

與N0處理相比，兩個(gè)時(shí)期的平均值表明，N320處理顯著提高了0—40 cm土層土壤微生物量碳含量（表3），N160和N320處理之間無顯著性差異；僅N160處理顯著提高了10—20 cm土層微生物量碳含量，而在0—10、20—40 cm土層，施氮處理均未顯著提高微生物量碳含量。土壤微生物量碳含量在2個(gè)時(shí)期表現(xiàn)不一致。在0—10 cm土層，小麥播前和收獲期3個(gè)氮肥處理之間差異不顯著；在10—20 cm土層，小麥播前3個(gè)氮肥處理之間差異不顯著，但N320處理顯著提高了收獲期微生物量碳含量；在20—40 cm土層，N320處理顯著提高小麥播前微生物量碳含量，而收獲期3個(gè)處理間無顯著差異。整體而言，隨著土層深度增加，微生物量碳含量顯著下降，盡管小麥?zhǔn)斋@期不同土層之間無顯著差異。

表3　長(zhǎng)期施氮對(duì)不同土層土壤微生物量碳的影響Table 3 Effects of long-term N fertilization on soil microbial biomass carbon （MBC） concentrations in different soil layers （mg·kg-1）

表4　長(zhǎng)期施氮對(duì)不同土層土壤微生物量氮的影響Table 4 Effects of long-term N fertilization on soil microbial biomass nitrogen （MBN） concentrations in different soil layers （mg·kg-1）

2.4長(zhǎng)期施氮后土壤微生物量氮含量變化

與N0相比，N320處理顯著提高了20—40、0—40 cm土層土壤微生物量氮含量（表4），N160和N320處理之間差異不顯著，且兩個(gè)施氮處理對(duì) 0—10、10 —20 cm土層微生物量氮含量均無顯著性影響。不同土層的微生物量氮含量在 2個(gè)采樣時(shí)期表現(xiàn)也不一致。在0—10、10—20 cm土層，小麥播前和收獲期3個(gè)處理之間微生物量氮含量無顯著差異；20—40 cm土層，小麥播前N160和N320顯著提高土壤微生物量氮含量，而到了收獲期3個(gè)處理之間無顯著差異。隨著土層深度增加，土壤微生物量氮含量顯著下降，但在小麥?zhǔn)斋@期10—20 cm土層的微生物量氮含量顯著高于0—10、20—40 cm土層。

2.5長(zhǎng)期施氮后土壤氮素礦化能力變化

基于氮素礦化量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果（圖1）表明，0—10 cm土層（圖1-a），培養(yǎng)到105 d時(shí)，N320處理氮素礦化累積量（65.58 mg·kg-1）顯著高于N0處理（50.80 mg·kg-1），但與N160處理（60.05 mg·kg-1）無顯著性差異；氮素礦化勢(shì)（N0）則為 N0（115.05 mg·kg-1）、N160（122.74 mg·kg-1）處理顯著低于N320處理（202.03 mg·kg-1），而各處理礦化速率常數(shù)（k）為0.0058、0.0066、0.0033·d-1。10—20 cm土層（圖1-b），在培養(yǎng)的35 d后均表現(xiàn)為N160和N320均顯著高于N0處理，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)（N160：65.73 mg·kg-1；N320：69.80 mg·kg-1）分別較N0（51.63 mg·kg-1）提高27.3%和35.2%；N0、N160和N320各處理的氮素礦化勢(shì)（107.33、137.44、193.36 mg·kg-1）、礦化速率常數(shù)（0.0065、0.0063、0.0044·d-1）變化規(guī)律與0—10 cm土層一致。20—40 cm土層（圖1-c），整個(gè)培養(yǎng)期各處理的氮素礦化量都顯著低于0—10、10—20 cm土壤，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)（105 d）N320處理（46.45 mg·kg-1）顯著高于N0（39.65 mg·kg-1）、N160（38.73 mg·kg-1）處理，提高幅度分別達(dá) 17.2% 和 20.0%；此外，N160處理氮素礦化勢(shì)（101.06 mg·kg-1）顯著高于N0（64.67 mg·kg-1）和N320（78.44 mg·kg-1）處理，而礦化速率則相反，分別為0.0049、0.0094和0.0088·d-1。

圖1　長(zhǎng)期施氮對(duì)不同土層土壤氮素累積礦化量的影響Fig. 1 Effects of long-term N fertilization on soil cumulative mineralized N in different soil layers

2.6土壤氮素礦化與施氮量、有機(jī)氮和有機(jī)碳的關(guān)系

相關(guān)分析表明土壤的氮素礦化特征參數(shù)與施氮量、微生物量氮、微生物量碳、有機(jī)氮、有機(jī)碳含量關(guān)系密切（表5）。0—10 cm土層，氮素累積礦化量與施氮量呈顯著的正相關(guān)，氮素礦化勢(shì)與施氮量、有機(jī)氮含量呈顯著的正相關(guān)，而礦化速率常數(shù)與施氮量、有機(jī)氮含量呈顯著的負(fù)相關(guān)。10—20 cm土層，氮素累積礦化量與施氮量、有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)，氮素礦化勢(shì)與有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)，而礦化速率與施氮量、有機(jī)氮、有機(jī)碳呈顯著的負(fù)相關(guān)。20—40 cm土層，氮素累積礦化量與微生物量碳、有機(jī)氮含量呈顯著的正相關(guān)，而氮素礦化勢(shì)、礦化速率與施氮量、微生物量氮、微生物量碳、有機(jī)氮、有機(jī)碳含量均無顯著相關(guān)。由此說明氮肥的施入提高了0—10、10—20 cm土層氮素礦化潛力，降低了氮素礦化速率，有利于土壤氮素的持久供應(yīng)，且有機(jī)氮、有機(jī)碳作為氮素礦化的底物分別在0—10、10—20 cm土層土壤氮素礦化中起決定作用，而20—40 cm土層受微生物活性影響較大。

表5　土壤氮素累積礦化量、礦化勢(shì)、礦化速率與施氮量、有機(jī)氮和有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)Table 5 The Pearson’s correlation coefficient between soil cumulative mineralized N， potentially mineralizable N， mineralization rate and soil organic N or C

3 討論

3.1長(zhǎng)期氮肥施用對(duì)土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮含量的影響

基于10年定位試驗(yàn)的測(cè)定表明，氮肥施用顯著提高了旱地0—10、10—20、20—40 cm土層土壤有機(jī)碳含量，而洛坤等［22］等在東北黑土研究發(fā)現(xiàn)，施氮并未提高土壤有機(jī)碳含量，其原因可能是兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的有機(jī)碳含量差異較大，東北黑土有機(jī)碳含量為 15.4 g·kg-1，本試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)碳含量?jī)H7.94 g·kg-1。對(duì)于高有機(jī)碳含量的黑土而言，長(zhǎng)期單施化肥無法維持其原有的有機(jī)碳水平［23］，而對(duì)于有機(jī)碳含量低的西北旱地土壤而言，氮肥施用增加了小麥產(chǎn)量、生物量［24］和進(jìn)入土壤中的小麥秸稈、根系等有機(jī)物料，進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳不斷累積。在華北平原，長(zhǎng)期氮肥施用亦可增加有機(jī)質(zhì)含量較低（10.0 g·kg-1）的玉米-小麥輪作體系土壤有機(jī)碳的含量［25］。說明在不同生態(tài)區(qū)域和種植制度下，長(zhǎng)期氮肥施用對(duì)土壤有機(jī)碳累積作用并不一致。

與土壤有機(jī)碳含量變化不同，長(zhǎng)期施氮僅顯著提高了 0—10 cm土層土壤有機(jī)氮含量，但 10—20、20—40 cm土層只有高氮處理（N320）顯著提高有機(jī)氮含量。同樣，有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施氮可提高華北平原玉米-小麥輪作體系潮土［26］、黃土高原灌區(qū)玉米-小麥輪作體系土［27］土壤有機(jī)氮含量，也有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期氮肥施用對(duì)湖南水稻土［28］、黑龍江黑土［29］有機(jī)氮含量無影響。說明受氣候、種植制度等因素的制約，長(zhǎng)期氮肥施用對(duì)土壤有機(jī)氮含量影響不一。

3.2長(zhǎng)期氮肥施用對(duì)土壤微生物量碳、微生物量氮含量的影響

小麥播前和收獲期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值表明0—10、10—20 cm土層土壤微生物量碳、微生物量氮含量顯著高于20—40 cm土層，但小麥播前的土壤微生物量碳、微生物量氮含量顯著高于收獲期，主要原因：一是水分和溫度的影響，小麥播前土壤水分含量較高（0—10 cm：15.0%，10—20 cm：18.0%，20—40 cm：18.3%）且溫度適宜（最高溫25℃，平均19℃左右），而到了小麥?zhǔn)斋@時(shí)，土壤水分含量較低（0—10 cm：9.9%，10—20 cm：10.6%，20—40 cm：11.3%）且溫度較高（最高溫32℃，平均25℃左右），限制了土壤微生物的活性和生長(zhǎng)；二是夏閑期間小麥秸稈被還田，為微生物提供了豐富的碳源，同時(shí)雨熱資源充沛，土壤微生物活性較強(qiáng)，繁殖較快。

氮肥施用對(duì)土壤微生物量碳、微生物量氮的影響不一。本研究表明長(zhǎng)期氮肥施用并未顯著影響到 0—10、10—20 cm土層土壤微生物量碳、微生物量氮含量，與臧逸飛等［30］研究結(jié)果一致，其研究發(fā)現(xiàn)在黃土高原旱塬區(qū)連續(xù) 26年單施氮肥處理的微生物量碳與不施氮處理并無顯著差異，同樣在湖南水稻土上，氮肥施用未顯著提高或降低土壤微生物量碳、微生物量氮含量［28］。然而在東北連續(xù)多年的定位試驗(yàn)表明施氮顯著提高了黑土0—20 cm土層土壤微生物量碳［31］，以及高、中、低肥力土壤（沖積土、黑土和風(fēng)沙土）0—20 cm 土層土壤微生物量氮和微生物量碳含量［32］。不僅如此，氮肥施用也顯著提高了控制灌溉和正常灌溉模式下的淮河中游水稻土［33］和黃淮海平原種植玉米與裸地條件下的潮土［34］土壤微生物量碳、微生物量氮含量。導(dǎo)致差異的主要原因是西北地區(qū)土壤基礎(chǔ)肥力較低，特別是土壤全氮（有機(jī)氮）含量低，長(zhǎng)期施氮肥雖然增加了植物根茬、秸稈等的殘留量，但導(dǎo)致土壤的C/N比增大，不利于土壤微生物的活動(dòng)。

3.3長(zhǎng)期氮肥施用對(duì)土壤氮素礦化作用的影響

本研究表明，在10—20、20—40 cm土層，與不施氮對(duì)照（N0）相比，N160、N320顯著增加了土壤氮素礦化累積量。同樣，長(zhǎng)期氮肥施用增加了江蘇省鎮(zhèn)江小麥-水稻輪作系統(tǒng)不同粒徑水稻土（馬肝土）土壤氮素累積礦化量［35］，說明施氮可提高土壤氮素累積礦化量，原因是氮肥施用增加了作物產(chǎn)量［15， 24， 36］，使回到土壤中的有機(jī)物質(zhì)增加，為礦化過程提供了底物［37］；不施氮肥處理由于持續(xù)種植小麥會(huì)消耗土壤有機(jī)氮，微生物活性降低，最終導(dǎo)致不施氮肥處理累積礦化量較低。然而，連續(xù)16年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)表明，與不施氮肥相比，單施氮肥極顯著降低了遼河平原水稻土（水耕暗色潮濕雛形土）氮素累積礦化量［38］。由此可知氮肥施用對(duì)不同類型土壤氮素累積礦化量影響不一。

土壤氮素礦化勢(shì)表示有機(jī)氮礦化的最大潛力，而礦化速率表示礦化速度的快慢。本研究結(jié)果表明在0—10、10—20 cm土層，施用氮肥能明顯提高土壤氮素礦化勢(shì)，但在20—40 cm 土層，只有N160處理顯著提高氮素礦化勢(shì)。巨曉棠等［11］研究表明，在華北平原經(jīng)過15年的培肥和輪作（冬小麥-玉米）后，無論是單施氮肥區(qū)，還是氮肥與有機(jī)肥配合施用區(qū)，氮素礦化勢(shì)N0均有不同程度的增加（由56.6 mg·kg-1增加到163.3 mg·kg-1），k值變化范圍為0.0046—0.0131·d-1。說明隨著施氮量的增加，土壤潛在供應(yīng)氮素能力增加，而氮素礦化的速度變緩，可為作物生長(zhǎng)長(zhǎng)久、穩(wěn)定地提供氮素營(yíng)養(yǎng)。但是在東北，與不施氮肥相比，單施氮肥使水稻土氮素礦化勢(shì)下降、礦化速率加快［23］。可見，在不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中，氮肥施用對(duì)土壤氮素礦化影響作用不一。

本研究發(fā)現(xiàn)，0—10 cm土層，氮素礦化勢(shì)與施氮量、有機(jī)氮含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而礦化速率常數(shù)與施氮量、有機(jī)氮含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。10—20 cm土層，氮素礦化勢(shì)與有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而礦化速率與施氮量、有機(jī)氮、有機(jī)碳與呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。王媛等［39］對(duì)玉米-小麥輪作土壤的培養(yǎng)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)土壤氮素礦化勢(shì)還與多種有機(jī)氮組分，如氨基酸氮、氨基糖態(tài)氮、氨態(tài)氮、酸解未知氮及非酸解氮呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，與紹興芳等［13］在吉林省公主嶺市進(jìn)行的黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究結(jié)果一致，該研究表明土壤氮素礦化量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮儲(chǔ)量、活性碳、氮組分均呈極顯著線性相關(guān)，但氮素的礦化率（氮礦化量/全氮）隨著有機(jī)質(zhì)和全氮含量的提高而提高，至0.4%后基本穩(wěn)定。說明土壤有機(jī)氮含量增加，土壤氮素礦化潛力變大，有利于土壤為作物生長(zhǎng)持續(xù)、穩(wěn)定地供應(yīng)氮素。較深層的土壤，如20—40 cm土層，氮素累積礦化量與微生物量碳、有機(jī)氮含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而氮素礦化勢(shì)、礦化速率與施氮量、微生物量氮、微生物量碳、有機(jī)氮、有機(jī)碳含量均無顯著相關(guān)關(guān)系，說明該層土壤氮素礦化潛力受到有機(jī)碳氮和微生物活性影響較小。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期施用氮肥促進(jìn)了旱地不同土層土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮積累，但對(duì)土壤微生物量碳、微生物量氮影響較小，且土壤微生物量碳、微生物量氮含量在小麥生長(zhǎng)的不同時(shí)期變異較大。氮肥施用顯著增加了0—10、10—20 cm土層土壤氮素累積礦化量和礦化勢(shì)，施氮量越高則土壤供氮潛力越強(qiáng)，而土壤氮素礦化速率則降低。不同土層土壤氮素礦化特征參數(shù)與施氮量、有機(jī)碳、有機(jī)氮、微生物量碳含量關(guān)系密切。因此，在旱地上，合理施氮肥可提高土壤氮素礦化供氮潛力，是提高土壤有機(jī)氮和有機(jī)碳含量的有效途徑。

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（責(zé)任編輯 趙伶俐）

Responses of Soil Organic Carbon， Organic Nitrogen and Nitrogen Supply Capacity to Long-Term Nitrogen Fertilization Practices in Dryland Soil

WANG Hui1， LIU Jin-shan1， HUI Xiao-li1， DAI Jian1， WANG Zhao-hui1， 2
（1College of Natural Resources and Environment， Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agroenvironment in Northwest China， Ministry of Agriculture， Yangling 712100， Shaanxi；2Northwest A&F University/State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas， Yangling 712100， Shaanxi）

【Objective】The purpose of this study is to reveal the response of soil organic carbon， organic nitrogen and soil N mineralization to different N application rates and their relationships， and then to evaluate soil N supply capacity in dryland soil. 【Method】A ten-year-old winter wheat （Triticum aestivum L.） field experiment with N application rates （0 （N0）， 160 （N160） and 320 （N320） kg·hm-2， plus 100 kg P2O5·hm-2） in the experiment farm of Northwest A&F University， Yangling， Shaanxi Province was conducted to determine soil organic carbon （SOC）， N （SON）， microbial biomass C （MBC） and biomass N （MBN） and a laboratory incubation method was used to determine the capacity of soil nitrogen （N） mineralization. 【Result】Compared with N0 treatment， Nfertilization treatments （N160 and N320） significantly increased SOC at 0-10， 10-20， 20-40 and 0-40 cm soil depths， and they had different effects in the stages of wheat pre-sowing and harvest； N160 and N320 treatments also significantly increased SON at 0-10 cm soil depth， and N320 treatment only increased SON at 0-40 cm soil depth； N fertilization treatments （N160 and N320） did not change MBN and MBC concentrations at 0-10 and 10-20 cm depths， while N320 treatment significantly increased MBN concentrations at 20-40 and 0-40 cm depths. In 0-10 cm soil depth， the amount of cumulative mineralized N and potentially mineralizable N （N0） had a significant positive correlation with N fertilizer rates and SON， while N mineralization rate constant （k）had a negative correlation with them. In 10-20 cm soil depth， during the whole incubation process， the amount of cumulative mineralized N in different N treatments was significantly higher than that in N0 treatment， with the increment of 27.3% （N160） and 35.2% （N320）， respectively， and there was a significant positive correlation between cumulative mineralized N and SON， SOC as well as N rates. The potentially mineralizable N （N0） significantly increased with the increment of N fertilizer application rate， while the N mineralization rate constant （k） decreased. In 20-40 cm soil depth， the amount of cumulative mineralized N increased with the treatment of N320 and had a significant positive correlation with soil MBC and SON. 【Conclusion】Applying a reasonable rate of N fertilizer is one of the effective practices to improve the soil organic N and organic C concentrations in the dryland of Loess Plateau，and can also increase the soil potentially mineralizable N， reduce the N mineralization rate， thus improve soil N supply capacity.

soil nitrogen mineralization； potentially mineralizable nitrogen； microbial biomass carbon and nitrogen； organic carbon and nitrogen； Loess Plateau

2016-03-08；接受日期：2016-05-25

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（41501308）、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20120204120012）、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-3-1-31）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（QN2012040）

聯(lián)系方式：王慧，E-mail：wanghui_nwsuaf@163.com。通信作者劉金山，E-mail：jsliu@nwsuaf.edu.cn。通信作者王朝輝，E-mail：zhwang@263.net