，, ，曉平，，

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，吉林 長春 130102；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049; 3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038)

0 引 言

東北平原是我國主要的糧食生產(chǎn)基地，被譽為中國的糧倉。整個東北地區(qū)的糧食總產(chǎn)量約占全中國糧食總產(chǎn)量的15%左右[1]。土壤氮是作物生長必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，其含量與糧食生產(chǎn)能力和生產(chǎn)潛力密切相關(guān)[2-4]。充足的土壤氮含量不僅能夠為植物提供養(yǎng)分，促進植物的生長，提高產(chǎn)量，還能維持土壤的生態(tài)穩(wěn)定性,提高有機氮的比例，進而提高土壤肥力[5-6]。

保護性耕作是指在田間秸稈覆蓋度達到30%以上，且最大限度地減少土壤擾動[7]。免耕是保護性耕作的一種形式[8]。免耕能夠增加土壤有機質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量，還可以保護土壤和水資源，保護生態(tài)環(huán)境，減少CO2排放，對緩解全球氣候變暖起到重要的作用，同時可以減少成本和勞動投入，為農(nóng)民帶來經(jīng)濟效益[7,9-11]。免耕下秸稈還田能有效增加土壤有機碳、氮、磷、鉀及微量元素等營養(yǎng)成分，對改良土壤結(jié)構(gòu)，培肥地力，減少化肥用量，促進秸稈資源循環(huán)高效利用及消除秸稈焚燒造成的大氣污染等具有十分重要的意義[12]。秸稈的添加對土壤的理化性質(zhì)也具有一定的影響，能夠降低土壤容重[13]，增加土壤孔隙度，改變土壤含水率[14]。實施免耕后土壤中蚯蚓數(shù)量顯著增加[15-17]。蚯蚓通過對土壤的取食、鉆孔及自身代謝產(chǎn)生的糞便和分泌物提高了植被生產(chǎn)力，增加了土壤碳庫存量和土壤—大氣間的碳通量，增加了生物固氮作用，加速了凋落物的碎屑和分解，加快了土壤氮素的礦化和反硝化作用的進行，減少了土壤氮的淋失[18]。蚯蚓洞穴在水分、空氣和溶質(zhì)遷移以及微生物和動植物的生長中起著重要的作用[19-22]，進而影響著土壤中氮的動態(tài)變化。蚯蚓對氮礦化的影響,可能與蚯蚓自體代謝分泌和直接排泄富含有效氮的物質(zhì)有關(guān)[23-26],也可能是蚯蚓活動促進了土壤微生物向營養(yǎng)源豐富部位的擴散及其活性的提高[27-29],從而加快了微生物對氮的周轉(zhuǎn)和釋放，秸稈還田后土壤微生物活性也會發(fā)生明顯變化。然而，免耕和傳統(tǒng)性耕作下秸稈還田與蚯蚓增加雙重作用下土壤氮會呈現(xiàn)怎樣的變化，尚沒有清晰的回答。

本研究擬以保護性耕作長期定位試驗為研究平臺，通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗，探討實施免耕和傳統(tǒng)性耕作后蚯蚓作用下土壤氮含量的動態(tài)變化。研究結(jié)果對于尋求合理有效的耕作方式以提高黑土地力和保障糧食持續(xù)增產(chǎn)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品和蚯蚓來源

土壤樣品采自位于吉林省長春市米沙子鄉(xiāng)晨光村(44°12′N，125°33′E)的建于2001年秋的保護性耕作長期定位試驗小區(qū)，小區(qū)采取單因素裂區(qū)、4個重復(fù)的隨機區(qū)組設(shè)計。單因素為耕作方式：4水平(免耕、帶耕、壟作和傳統(tǒng)性耕作)。本文僅選取免耕(NT)和傳統(tǒng)性耕作(CT)小區(qū)，于2016年玉米收獲后采用PVC管(直徑10 cm，高15 cm)進行原狀土壤樣品采集。樣品帶回實驗室后進行室內(nèi)培養(yǎng)實驗。研究地點所在區(qū)域氣候為溫帶大陸性季風氣候，全年平均氣溫為4.4 ℃，全年平均降水量為520 mm，且超過全年降水量的70%都集中在6月、7月和8月。土壤類型為中層典型黑土(Typic Hapludoll)和壤質(zhì)黏土(36.0%黏粒，24.5%粉粒和39.5%砂粒)。試驗前該區(qū)已經(jīng)采用常規(guī)耕作種植玉米超過20年[30]。

1.2 培養(yǎng)實驗布置

在CT和NT的樣品中分別加入4.5 g長度小于5 mm的玉米秸稈和3條蚯蚓(赤子愛勝蚯蚓)，且CT中秸稈被翻埋到土壤中，與土壤充分混合， NT下秸稈覆蓋于原狀土壤表面。具體處理如下：

NN：對照，不添加蚯蚓，不添加秸稈；NS：不添加蚯蚓，添加秸稈；ES：添加蚯蚓，添加秸稈；EN：添加蚯蚓，不添加秸稈；每個處理4次重復(fù)。

1.3 統(tǒng)計分析

采用最小顯著性差異(LSD)檢驗秸稈和蚯蚓添加、耕作措施和土壤深度對土壤氮的影響在0.05水平上的差異。所有統(tǒng)計分析均采用SPSS16.0軟件進行，采用Origin8.1繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作處理下土壤全氮含量變化

傳統(tǒng)性耕作下4種處理土壤全氮含量在0～2.5 cm與2.5～5 cm深度均沒有顯著性差異(P>0.05)，同一土層全氮含量在4種處理之間也沒有顯著性差異(P>0.05)，見圖1。免耕下4種處理土壤全氮含量則在0～2.5 cm與2.5～5 cm兩個土層之間都具有顯著性差異(P<0.05)，且表層0～2.5 cm全氮含量明顯高于2.5～5 cm。僅在2.5～5 cm土層中，添加秸稈處理顯著高于對照處理(P<0.05)。

注：平均值±標準誤，n=4；相同的小寫字母代表同一耕作措施下不同處理之間不具有顯著性差異；相同的大寫字母代表同一種處理下不同的耕作措施之間不具有顯著性差異；n.s.代表各處理之間不具有顯著性差異；*代表各處理之間具有顯著性差異。下同。Note:Mean value ± standard error,n=4; Different treatments indicated by the same lower case letter are not significantly different under the same tillage; Different tillages indicated by the same upper case letter are not significantly different under the same treatment; Treatments indicated by the same upper case letter are not significantly different at P<0.05 on the basis of one-way ANOVA in the same days;n.s.means no significantly different between different treatments under the same tillage; * means significantly different between different treatments under the same tillage.The same is as below.圖1 土壤全氮含量Fig.1 Soil total nitrogen contents under different treatments

在0～2.5 cm土層中4種處理全氮含量在免耕與傳統(tǒng)性耕作之間均存在顯著性差異(P<0.05)。在2.5～5 cm土層中，只有添加秸稈處理下的免耕與傳統(tǒng)性耕作土壤全氮含量存在顯著差異(P<0.05)。

2.2 不同耕作處理下土壤銨態(tài)氮含量變化

傳統(tǒng)性耕作下4種處理0～2.5 cm與2.5～5 cm土層銨態(tài)氮的含量之間沒有顯著性差異(P>0.05)，見圖2。添加秸稈NS處理下，0～2.5 cm土層銨態(tài)氮含量大于2.5～5 cm土層，添加秸稈和蚯蚓處理則是0～2.5 cm土層中的銨態(tài)氮含量小于2.5～5 cm土層，只添加蚯蚓的處理中兩層土壤銨態(tài)氮含量幾乎相等。同一深度來看，僅2.5～5 cm土層添加秸稈和蚯蚓處理下銨態(tài)氮含量顯著高于其他處理(P<0.05)。

圖2 土壤銨態(tài)氮含量Fig.2 Soil contents under different treatments

免耕下4種處理兩土層中銨態(tài)氮的含量僅在0～2.5 cm土層下，添加蚯蚓處理的銨態(tài)氮含量與對照和添加秸稈處理的銨態(tài)氮含量之間存在顯著性差異(P<0.05)。在0～2.5 cm土層和2.5～5 cm土層下的銨態(tài)氮含量順序為：NS

0～2.5 cm土層中，銨態(tài)氮含量在兩種耕作方式的各個處理下都沒有顯著性差異(P>0.05)，但添加蚯蚓EN處理，免耕土壤銨態(tài)氮含量明顯大于傳統(tǒng)性耕作(P=0.088>0.05)。

2.5～5 cm土層中，兩種耕作方式的銨態(tài)氮含量僅在對照NN處理下具有顯著性差異(P<0.05)。但從圖上可以看出在所有處理下免耕土壤的銨態(tài)氮含量大于傳統(tǒng)性耕作。

2.3 不同耕作措施下土壤硝態(tài)氮含量變化

傳統(tǒng)性耕作下，NS、EN處理的0～2.5 cm與2.5～5 cm土層硝態(tài)氮含量之間存在顯著性差異(P<0.05)，且所有處理表層0～2.5 cm土層硝態(tài)氮含量大于2.5～5 cm土層。同一土層NN、ES和EN之間硝態(tài)氮含量沒有顯著差異，但均顯著高于NS，0～2.5 cm和2.5～5 cm土層分別表現(xiàn)出NN>ES>EN>NS和ES>NN>EN>NS的趨勢，見圖3。

圖3 土壤硝態(tài)氮含量Fig.3 Soil contents under different treatments

免耕下，NS、NN處理的0～2.5 cm與2.5～5 cm土層硝態(tài)氮含量之間存在顯著性差異(P<0.05)，且表層0～2.5 cm硝態(tài)氮含量顯著高于2.5～5 cm。在0～2.5 cm土層，添加蚯蚓處理顯著高于其他3種處理(P<0.05)。

0～2.5 cm和2.5～5 cm土層中，只有NS處理下免耕和傳統(tǒng)性耕作土壤硝態(tài)氮含量存在顯著性差異(P<0.05)，且免耕高于傳統(tǒng)性耕作。

2.4 不同耕作處理下溶解性有機氮含量變化

傳統(tǒng)性耕作下，0～2.5 cm土層NS和EN的溶解性有機氮(DON)含量顯著大于2.5～5 cm(P<0.05)。同一土層4種處理DON含量都沒有顯著性差異(P>0.05)，且在兩個土層分別表現(xiàn)為NN>ES>EN>NS和ES>NN>EN>NS的變化趨勢，見圖4。

圖4 土壤溶解性有機氮含量Fig.4 Dissolved organic nitrogen(DON) contents under different treatments

免耕下， ES和NN的0～2.5 cm土層中DON含量則顯著大于2.5～5 cm土層(P<0.05)。同一土層來看，只有0～2.5 cm深度EN處理DON含量顯著高于其他處理(P<0.05)，2.5～5 cm土層中，EN顯著大于NS和NN(P<0.05)。

在0～2.5 cm和2.5～5 cm土層，4種處理下免耕土壤DON含量均高于傳統(tǒng)性耕作。在0～2.5 cm的NS與EN處理下，兩種耕作方式下DON含量達到顯著性差異(P<0.05)，在2.5～5 cm的NS處理下，免耕與傳統(tǒng)性耕作土壤DON含量達到顯著性差異(P<0.05)。

3 討 論

土壤礦質(zhì)氮盡管占土壤中全氮含量的比例不高,卻最易被植物吸收,具有重大的農(nóng)學(xué)意義[32]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)耕作下不論是添加蚯蚓還是秸稈，都沒有改變?nèi)谕寥榔拭嫔系姆植??？赡苁怯捎趥鹘y(tǒng)性耕作翻動土壤，使土壤全氮在整個土層上分布比較均勻。免耕不對土壤進行翻動，大量秸稈在0～2.5 cm土層積累，造成表層0～2.5 cm土壤全氮含量明顯高于2.5～5 cm土層中的全氮含量。

蚯蚓的活動能夠明顯促進秸稈進入土壤[33-34]，使上下兩層土壤中的秸稈含量更加均勻。礦質(zhì)態(tài)氮易隨其它物質(zhì)的運移而流失。在傳統(tǒng)性耕作中，蚯蚓有助于銨態(tài)氮在0～2.5 cm與2.5～5 cm層均勻分布；使未添加蚯蚓的NN和NS處理中0～2.5 cm土層銨態(tài)氮含量大于2.5～5 cm土層；而添加蚯蚓的處理中0～2.5 cm土層銨態(tài)氮含量小于或者等于2.5～5 cm土層。免耕未對土壤進行翻動，且表層含有大量的原秸稈，使銨態(tài)氮富集在表層；但銨態(tài)氮是在厭氧條件下產(chǎn)生的，導(dǎo)致2.5～5 cm土層銨態(tài)氮含量較0～2.5 cm土層高。在上述兩個綜合作用下各處理間0～2.5 cm與2.5～5 cm土層之間銨態(tài)氮含量沒有顯著差異。硝態(tài)氮是在好氧條件下產(chǎn)生的，所以一般表層含氧量高于亞表層，且免耕土壤中含有大量的原秸稈，所以在免耕和傳統(tǒng)性耕作下，0～2.5 cm土層硝態(tài)氮含量都大于2.5～5 cm土層。傳統(tǒng)性耕作下土壤DON的均一性較好，且蚯蚓在短時間內(nèi)提高了土壤DON占總氮的質(zhì)量分數(shù)，容易導(dǎo)致氮向下運移或流失[35]，但傳統(tǒng)性耕作土壤表層0～2.5 cm土層含氧量大于2.5～5 cm土層，所以該耕作方式下4個處理 0～2.5 cm土層DON含量大于2.5～5 cm土層，而免耕下0～2.5 cm土層DON含量大于2.5～5 cm土層，則是因為免耕表層含有大量秸稈所致，且免耕土壤較為緊實，DON不易向下遷移。

3.1 兩種耕作方式下只添加秸稈處理對土壤氮素含量的影響

當土壤中有機質(zhì)含量較低時，新加入的秸稈會對原秸稈的分解有促進作用[36-37]。本研究中傳統(tǒng)性耕作土壤0～2.5 cm和2.5～5 cm土層的有機碳含量分別為18.7 g·kg-1和18.5 g·kg-1；在免耕下的0～2.5 cm和2.5～5 cm土層的有機碳含量分別為28.1 g·kg-1和20.9 g·kg-1。所以與免耕土壤相比，傳統(tǒng)性耕作中新加入的秸稈更易于促進原秸稈的分解。然而，隨著土壤中總碳的增加，新加入的有機碳會對微生物礦化產(chǎn)生抑制作用，使新加入的秸稈不能夠被分解，土壤中就不會再有新碳和新氮的輸入[38-40]。因此，免耕土壤中，新加入的秸稈會對大量的原秸稈產(chǎn)生抑制作用。秸稈C/N為25∶1 是決定秸稈還田后對土壤氮素固持與否的關(guān)鍵拐點[41]。本試驗秸稈的C/N值較大(大于42∶1)[42]，單施秸稈處理，土壤中加入大量的碳源，土壤微生物對無機氮素有強烈固定作用[43]，所以無論是傳統(tǒng)性耕作還是免耕中，添加秸稈NS處理的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性有機氮含量都是最低的。但土壤中的原秸稈經(jīng)過多年的作用，C/N值已經(jīng)明顯降低，原秸稈的分解會釋放少量的無機氮素。

在0～2.5 cm土層和2.5～5 cm土層中，免耕土壤中的原秸稈含量大于傳統(tǒng)性耕作土壤中的原秸稈含量；且新添加的秸稈的分解會消耗土壤中的礦質(zhì)氮，原秸稈的分解會釋放礦質(zhì)氮。因此，只添加秸稈的處理中，免耕土壤硝態(tài)氮，可溶性有機氮和總氮含量大于傳統(tǒng)性耕作。

3.2 不同耕作方式下蚯蚓對土壤氮素含量的影響

免耕中土壤動物的數(shù)量和活性都高于傳統(tǒng)性耕作[44-48]，所以蚯蚓在傳統(tǒng)性耕作中活動較為懶散，使蚓糞中砂粒和凋落物含量增加,改變了包裹于蚓糞中的有機質(zhì)降解速率[49]；蚯蚓對有機物的同化效率較低(多在5 %左右)[19]，攝取的絕大部分有機物通過腸道后又歸還到土壤中；且被蚓糞富集并緊密包裹的有機物具有較強的抗微生物分解能力[24,50]。所以在此情況下，蚯蚓能夠保護秸稈不被分解，起到物理保護的作用。造成傳統(tǒng)性耕作下添加蚯蚓的處理土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性有機氮濃度降低。

免耕土壤緊實，蚯蚓活動強烈，土壤動物的強烈活動會起到觸媒的作用，并且強烈的蚯蚓活動加速了土壤碳氮的循環(huán)[51-53]，蚯蚓體內(nèi)所吸收的氮，在蚯蚓死亡后極容易釋放，并轉(zhuǎn)化為更易于植物吸收的土壤有機氮[54]；蚓糞中的銨態(tài)氮，可溶性有機氮也都較高[28,55-57]。當蚯蚓活動增強，與土壤微生物相互作用較大，活性微生物增多[58]，秸稈養(yǎng)分能更迅速地釋放到土壤中，比動物本身代謝量所產(chǎn)生的效果更大[59]。免耕下也有部分植物殘體或者施入的有機物料經(jīng)過蚯蚓破碎、過腹之后，又以碎屑或代謝產(chǎn)物(蚓糞)的形式返回到土壤之中[60]。使免耕中添加蚯蚓的處理下，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性有機氮濃度最高；Bohlen和Edwards[61]在室內(nèi)的微區(qū)實驗以及Blair等[62]的田間研究結(jié)論也認為蚯蚓提高了礦質(zhì)氮質(zhì)量分數(shù)。

蚯蚓在免耕土壤中能夠促進秸稈的分解，在傳統(tǒng)性耕作土壤中會對少量的秸稈產(chǎn)生物理保護，所以只添加蚯蚓的處理中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和可溶性有機氮含量都是免耕遠遠大于傳統(tǒng)性耕作。在0～2.5 cm土層中，免耕土壤中的秸稈含量大于傳統(tǒng)性耕作土壤中的秸稈含量，所以前者的總氮含量也都大于后者。

3.3 耕作方式對秸稈和蚯蚓添加對土壤氮素作用的影響比較

傳統(tǒng)性耕作中，新添加秸稈會促進原秸稈的分解，但新添加秸稈的分解會降低土壤中的活性氮；新添加秸稈的主要作用是利用土壤中的活性氮素，蚯蚓的主要作用是對秸稈產(chǎn)生物理保護。兩者共同存在時的綜合作用會小于單一的作用但仍起著降低氮含量的作用。所以傳統(tǒng)性耕作土壤中硝態(tài)氮和溶解性有機氮在表層0～2.5 cm土層中表現(xiàn)出NN>ES>EN>NS。

免耕下新添加秸稈會抑制原秸稈的分解，蚯蚓能夠促進原秸稈的分解，但蚯蚓的促進作用大于秸稈的抑制作用，且兩者共同存在時會相互抵消一部分作用。所以免耕土壤全氮和活性氮在表層0～2.5 cm土層中表現(xiàn)出EN>ES>NN>NS。

4 結(jié) 論

(1)免耕土壤表層0～2.5 cm的總氮和活性氮含量高于傳統(tǒng)性耕作，而亞表層2.5～5 cm土層中總氮和活性氮含量則是差異不顯著。

(2)傳統(tǒng)性耕作土壤總氮在土層中分布均勻；添加蚯蚓降低土壤活性氮含量；新添加的秸稈也會降低土壤活性氮含量。蚯蚓和秸稈共同存在時的綜合作用會小于單一的作用但仍然起著降低氮含量的作用。

(3)免耕土壤 0～2.5 cm土層總氮和活性氮含量大于2.5～5 cm土層；蚯蚓能夠促進土壤中秸稈的分解，增加土壤中總氮和活性氮的含量；新添加的秸稈降低土壤中的總氮和活性氮的含量。蚯蚓和秸稈共同存在時會相互抵消一部分作用。

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