楊洪波，史天昊，徐明崗，段英華

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081）

近年來，東北黑土區(qū)的糧食總產(chǎn)量與種植面積仍在持續(xù)增長，但在大面積開發(fā)墾殖過程中，亦發(fā)生了嚴重的土地退化問題, 使肥沃的東北黑土肥力下降。土壤氮素是作物吸收氮素的主要來源[1]，而作為氮素的主要存在形態(tài)，土壤有機氮庫的穩(wěn)定性成為影響全球氮循環(huán)的重要因素之一。提高黑土有機氮庫穩(wěn)定性，闡明其穩(wěn)定機制對于改善黑土氮循環(huán)和提高土壤肥力具有重要意義。

土壤團聚體對有機氮的物理保護是土壤固存有機氮的重要機制之一，而作為土壤理化性質(zhì)的中心調(diào)節(jié)器，團聚體分形特征在很大程度上也影響著有機氮的化學和生物化學固定。陳恩鳳等[2–5]多年對土壤肥力的系統(tǒng)研究表明，不同粒級微團聚體在有機氮的保持、供應及轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著不同的作用，土壤微團聚體及其適宜的組合是土壤有機氮庫的物質(zhì)基礎(chǔ)。Kong等[6]研究發(fā)現(xiàn)，氮素轉(zhuǎn)化周期在粉黏粒中為2.61個月，而在微團聚體和大團聚體中分別為9.30和24.10個月。可見，不同粒級團聚體的儲氮能力不同，土壤團聚體的構(gòu)成對土壤有機氮庫的穩(wěn)定性具有非常重要的意義。

Six 等[7–8]提出了新的土壤顆粒有機物 (POM) 在團聚體中的存在動力學模型，認為微團聚體內(nèi)部存在兩種保護機制或者穩(wěn)定機制不同的兩種組分，因此把微團聚體內(nèi)部的有機物又分為物理保護有機物(iPOM) 和礦物結(jié)合有機物 (MOM)，以更好地評價有機物轉(zhuǎn)化的速率。隨后，國外一些研究[9–10]都采用此方法研究了農(nóng)田管理措施對土壤有機氮活性的影響，發(fā)現(xiàn)不同團聚體的儲氮能力不同，而微團聚體內(nèi)部的iPOM和MOM的儲氮能力也不相同。由于不同穩(wěn)定機制團聚體的分離可更真實地反映有機物在土壤中的轉(zhuǎn)化過程和土壤質(zhì)量的演變過程，因此通過分離不同穩(wěn)定機制的團聚體，深入分析有機氮在土壤中的分布特征，不但能夠更準確地反映有機氮在土壤中的轉(zhuǎn)化過程，而且可為篩選有利于保肥的土壤結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。本文選擇長期施用不同肥料的黑土為典型材料，模擬田間試驗添加15N標記的化學氮肥進行室內(nèi)培養(yǎng)，采用Six等[7–8]的團聚體篩分法，研究了外源氮肥在不同穩(wěn)定性團聚體中的固持情況，從而闡明不同施肥模式對黑土有機氮固存和周轉(zhuǎn)的影響機制，為土壤肥力的培育和提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及施肥處理

長期試驗位于吉林公主嶺“國家黑土肥力長期試驗站” (124°48′34″E，43°30′23″N)。該站地處溫帶半濕潤區(qū)，海拔220米，年均氣溫4～5℃，年降雨量 450～600 mm，年蒸發(fā)量1200～1600 mm，無霜期約125～140 d，年日照時數(shù)2500～2700 h。土壤為中層黑土。試驗始于1990年，初始耕層土壤有機質(zhì)含量22.8 g/kg、全氮 (N) 1.40 g/kg、全磷 (P)1.39 g/kg、全鉀 (K) 22.1 g/kg、堿解氮114 mg/kg、有效磷27 mg/kg、速效鉀190 mg/kg、pH 7.6。種植制度為玉米連作，一年一熟。本研究選擇該試驗中的4個處理：不施肥 (CK)、氮磷鉀 (NPK)、氮磷鉀 + 秸稈 (NPKS)、氮磷鉀 + 有機肥 (NPKM)。試驗小區(qū)面積400 m2，無重復，隨機排列[11]。

供試肥料氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀或硫酸鉀。有機肥在1991—2006年間用豬糞，之后用牛糞。NPK處理中氮磷鉀施用量為N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2和 K2O 2.5 kg/hm2。NPKM處理施氮總量與NPK處理一致，有機肥氮和化肥氮的比例為7∶3，有機肥作為底肥施用。NPKS處理秸稈施用量為7500 kg/hm2，秸稈粉碎后在7月中旬追肥后撒施在壟溝中，磷肥、鉀肥和1/3的氮肥作基肥隨播種施入，其余部分的氮肥于拔節(jié)前追施于表土層下約10 cm處，用小土鉆打出5個10 cm深的洞，將溶解后的氮肥用注射器注射到小洞中。

1.2 培養(yǎng)試驗設(shè)計

1.2.1 土壤樣品采集 2014年，采集各處理表層0—20 cm的原狀土，用“S”形法采集5點新鮮土樣混合成一個樣品，每個小區(qū)采集3個樣品，帶回實驗室風干，過2 mm篩，分別測定理化性狀 (表1)。

1.2.2 土壤樣品培養(yǎng)與15N標記 稱取1000 g土樣到2 L的塑料瓶，加入15N豐度為20.12%的尿素，施用量為0.247 g/kg土 (N 0.115 g /kg土)，待充分混勻后，置于25℃培養(yǎng)箱中恒溫控濕培養(yǎng)40天。濕度保持在20%左右 (約為田間持水量的60%)，用稱量法定期補水，重復4次。培養(yǎng)完成后將土樣風干，采用Six等的團聚體分離方法得到不同組分的有機物：粗游離顆粒有機物 ( ＞ 250 μm)、微團聚體有機物 (53～250 μm)、礦物結(jié)合有機物 ( ＜ 53 μm)、團聚體內(nèi)礦物結(jié)合有機物 (MOM團內(nèi)) 和團聚體外礦物結(jié)合有機物 (MOM團外)。篩分流程見圖1。

1.3 樣品分析方法

土壤全氮含量采用半微量蒸餾法。土壤團聚體中的15N豐度采用ISOPRIME100/VARIO PYRO CUBE質(zhì)譜分析儀測定。

表 1 土壤基本性狀Table 1 Soil basic properties

圖 1 土壤團聚體有機物組分的物理分組流程圖Fig. 1 Flow chart of physical fractionation of organic matter fractions in soil aggregates

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 平均重量直徑 (MWD)

式中：n為整數(shù) (n≥ i)，mi為各組分占全土重量比例 (kg團聚體/kg土)，ri為第i個篩的孔徑大小(mm)。

1.4.2 各粒級團聚體中肥料氮的固持量

式中：X為各級團聚體中肥料氮固持量 (N mg/kg團聚體)；B為土壤15N豐度 (%)；C為自然豐度(0.3663%)；D為施用尿素15N豐度 (20.12%)；T為土壤樣品中的全氮含量 (N mg/kg團聚體)。

1.4.3 全土中各粒級團聚體的肥料氮的固持量

式中：Nr為各級團聚體的肥料氮固持量 (N mg/kg土)；Xi為各級團聚體中肥料氮的固持量 (N mg/kg團聚體)；mi為各級團聚體占全土重量比例 (團聚體kg /kg土)。

1.4.4 肥料氮的固持效率

式中：Ef為固持效率 (%)；Nt為全土中肥料氮的固持量 (N g/kg土)；Nap為氮肥施用量 (N g/kg土)。

采用Excel進行數(shù)據(jù)處理，使用SAS 8.0對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥料氮在不同處理土壤中的固持量及固持效率

如圖2所示，肥料氮在NPKM處理的土壤中固持量最高，為0.105 g/kg，較CK和NPK處理顯著提高了0.006 g/kg和0.01 g/kg；其次是NPKS處理，固持量較NPK處理顯著增加了0.005 g/kg；肥料氮在CK和NPK處理的土壤中固持量最低，為 0.099 g/kg和0.095 g/kg。表明有機無機配合施用可增加肥料氮在土壤中的固持。NPKM處理土壤對肥料氮的固持效率最高，為42.3%；其次是NPKS，為40.6%；最低為NPK處理，固持效率為38.6%。

2.2 不同施肥處理下土壤團聚體形態(tài)分布特征

黑土中粗游離顆粒有機物 (＞ 250 μm)、微團聚體有機物 (53～250 μm) 和礦物結(jié)合有機物 (＜ 53 μm) 的含量分別占全土的17.5%～27.8%、9.9%～10.7%和57.3%～67.1% (表2)。其中，微團聚體中物理保護有機物組分 (iPOM重組) 占95%以上，礦物結(jié)合有機物中MOM團內(nèi)和MOM團外約各占50%。與CK和NPK處理相比，NPKM和NPKS處理下黑土的粗游離顆粒有機物含量顯著提高約10%，而礦物結(jié)合有機物含量顯著降低了約6%～10%。微團聚體有機物含量在4個處理間沒有顯著差異。在微團聚體有機物中，NPKS處理的細游離顆粒有機物(ffPOM輕組) 較NPKM處理略有提高，而物理保護有機物 (iPOM重組) 在4個處理間沒有顯著差異。NPKM和NPKS處理的礦物結(jié)合有機物含量較CK和NPK處理低，是因為增施有機物處理后礦物結(jié)合有機物中MOM團內(nèi)組分降低了5%～11%，而MOM團外組分不同處理間沒有顯著變化。

圖 2 長期不同施肥處理土壤的氮固持量和固持效率Fig. 2 Resided amounts and proportion of fertilizer N in black soil under different long-term treatments

表 2 不同施肥處理下土壤團聚體組成 (%)Table 2 Soil aggregate composition under different fertilizer treatments

2.3 不同施肥處理下土壤的平均重量直徑

平均重量直徑 (MWD) 能很好地反映土壤團聚體分布及穩(wěn)定性，MWD值越大，團聚體越穩(wěn)定。從圖3可以看出，NPKM和NPKS處理土壤的MWD值均為0.34 mm，顯著大于NPK和CK處理土壤的MWD值 (0.23～0.25 mm)，說明有機無機肥配施或無機肥結(jié)合秸稈還田有利于增強土壤團聚體的穩(wěn)定性。

圖 3 長期不同施肥處理下MWD值Fig. 3 The MWD value under different long-term treatments

2.4 不同處理各團聚體中肥料氮的含量

圖4為根據(jù)各組分中15N豐度計算出的氮固持量(N mg/kg團聚體)。在所有施肥處理下，細游離顆粒(ffPOM，53～250 μm) 中化肥氮含量均顯著高于其他組分；相反，物理保護有機物 (iPOM，53～250 μm)中化肥氮含量顯著低于其他組分。具體來說，細游離顆粒 (ffPOM，53～250 μm) 中化肥氮含量為38.2～51.2 mg/kg團聚體；粗游離顆粒有機物(cfPOM，＞ 250 μm) 和礦物結(jié)合有機物 (MOM，＜ 53 μm) 中化肥氮含量比較接近，為18～36 mg/kg團聚體；物理保護組分 (iPOM，53～250 μm) 中化肥氮含量為3.7～6.2 mg/kg團聚體。

粗游離顆粒有機物 (cfPOM，＞ 250 μm) 中的化肥氮含量在CK處理下顯著高于其他處理；細游離顆粒有機物 (ffPOM，53～250 μm) 中化肥氮含量在NPK處理下顯著高于其他處理；物理保護有機物 (iPOM，53～250 μm) 中所有施肥處理間均沒有顯著差異。

2.5 不同處理土壤各團聚體中肥料氮的固持量

盡管細游離顆粒有機物 (ffPOM，53～250 μm)中化肥氮的含量較高 (圖4)，但由于其在土壤中重量比例較小 (表2)，因此其固持的化肥氮量只有0.11～0.66 mg/kg，顯著低于粗游離顆粒有機物(cfPOM，＞ 250 μm) 和礦物結(jié)合有機物 (MOM，＜ 53 μm) 固持的化肥氮量 (4.5～9.5 mg/kg)。

在CK和NPK處理下，粗游離顆粒有機物(cfPOM，＞ 250 μm) 氮固持量均顯著低于礦物結(jié)合有機物 (MOM，＜ 53 μm)。但是在NPKM和NPKS處理下，粗游離顆粒有機物 (cfPOM，＞ 250 μm) 中固持量有所增加，礦物結(jié)合有機物 (MOM，＜ 53 μm)中氮素固持量有所減少，兩者之間差異不顯著。 ＜ 53 μm粒級中，CK和NPKM處理的外部礦物結(jié)合有機氮組分比微團聚體內(nèi)部礦物結(jié)合有機氮組分固持量要大，只是氮固持含量在微團聚體內(nèi)外部礦物結(jié)合有機氮組分上，四個處理呈CK、NPK、NPKS、NPKM順序遞減 (圖5)，因為有機肥 (秸稈還田) 處理下，黏粒向大顆粒轉(zhuǎn)化，礦物結(jié)合有機物組分減少，導致氮含量降低。

圖 4 長期不同施肥處理下各團聚體中化肥氮含量Fig. 4 Fertilizer nitrogen contents in aggregate grades under different long-term treatments

圖 5 長期不同施肥處理下各組分氮固持量Fig. 5 N contents of the components under different long-term treatments

3 討論

本研究結(jié)果表明，長期不同施肥對土壤固氮效率的影響有很大的差異。長期化肥和有機肥配施的土壤對外源氮肥的固持量最大，為0.105 g/kg，固持效率達到了42.3%，其機制可從以下三個方面進行分析。

從團聚體組分來看，團聚體組分的比例決定了團聚體氮素的儲量。本研究結(jié)果表明，團聚體有機氮總量主要分布在粗游離顆粒有機物 (cfPOM，＞ 250 μm) 和礦物結(jié)合有機物 (MOM，＜ 53 μm) 中，和粒級分布變化相一致。崔林等[12]的研究結(jié)果也表明無論是團聚體有機氮貯量還是礦質(zhì)態(tài)氮貯量，都存在與團聚體組成比例相似的變化趨勢。本文中化肥配施有機肥處理使 ＜ 53 μm礦物結(jié)合團聚體向 ＞ 250 μm粗游離顆粒團聚體轉(zhuǎn)化，從而提高了土壤肥力，增加了氮儲量。趙紅等[13]研究顯示有機無機肥配施可提高耕層土壤 ＞ 250 μm大團聚體的含量，徐陽春等[14]研究均顯示長期施用有機肥可促進小顆粒向大顆粒轉(zhuǎn)化。

從土壤穩(wěn)定性來看，氮固持量與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈正相關(guān)。氮素在土壤中主要以有機態(tài)存在，團聚體越穩(wěn)定，有機氮的穩(wěn)定性就越高，有利于減少氮的損失，提高土壤氮儲量。而團聚體的形成與穩(wěn)定，主要依賴于土壤中的有機質(zhì)，有機質(zhì)是土壤團聚體形成的重要膠結(jié)物[15]。長期化肥配施有機肥處理增加了土壤中的有機質(zhì)含量[16–19]。平均重量直徑(MWD) 則是表征團聚體穩(wěn)定性的最重要和最常用指標[20]。本文中，施用有機肥和秸稈還田的平均重量直徑 (MWD) 更大，增加了團聚體的穩(wěn)定性。楊如萍等[21]對土壤水穩(wěn)性團聚體平均質(zhì)量直徑 (MWD) 的研究表明，大團聚體 (粒徑為250～1000 μm) 含量是影響土壤團聚體MWD的主要因素。

從各粒級固持量來看，土壤固持的氮素有63%～73% 固持在 ＜ 53 μm粒級組分中，因為與其他粒級相比，＜ 53 μm粒級比表面積更大，吸附能力更強，這與王巖等[22]的研究結(jié)果相同。而對于各團聚體氮固持總量來說，卻呈CK、NPK、NPKS、NPKM順序遞減，原因可能是在濕篩過程中，可溶性有機氮被損失掉，而有機肥處理的可溶性有機氮較對照和無機肥多。從養(yǎng)分控制機制上解釋，對照缺乏氮素，可溶性有機氮少，而有機無機配施土壤固存的氮素有很大一部分為可溶性有機氮，易在團聚體濕篩過程中損失[23]。Bergstrom等[24]采用滲漏計法比較了有機肥和化學氮肥的淋失情況，發(fā)現(xiàn)在施用等量氮素情況下，有機肥處理的淋失量較無機氮處理的高出30%。其他一些學者也發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)，水溶性有機氮與有機物含量呈正相關(guān)。在 ＞ 250 μm顆粒有機氮組分上，NPKM處理比其他處理的固氮有效性高，可能是由于長期施用有機肥使該組分有機質(zhì)含量較高，土壤碳氮比增加，促進了氮素的固定，又可能是有機肥的加入使土壤微生物量明顯增加，提高了土壤微生物活性，土壤微生物與氮素的礦化和固持關(guān)系密切，具體原因需進一步探究。

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