李 嬌 信秀麗 朱安寧? 楊文亮 侯 瀅 鄒文萱 徐琳雅

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

（3 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095）

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成，其形成及穩(wěn)定與施肥管理密切相關(guān)［1］。劉哲等［2］研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥施入能提高溫室和農(nóng)田土壤中大團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性；施用生物肥料有利于濱海鹽堿地有機(jī)碳的積累和大團(tuán)聚體的形成［3］，但也有研究表明禽畜糞便對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響較小［4］。土壤中不同粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)氮素的吸附和保護(hù)能力存在一定差異，進(jìn)而對(duì)各形態(tài)氮素的分布和組成產(chǎn)生影響［5-6］。

土壤有機(jī)氮是土壤氮素的主要存在形態(tài)，也是礦質(zhì)態(tài)氮的源和庫(kù)，在土壤養(yǎng)分保蓄、氮素循環(huán)及糧食生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用［7］，長(zhǎng)久以來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Karamjit等［8］對(duì)稻麥輪作下氮素形態(tài)研究表明，單施化肥顯著提高了土壤中全氮和有機(jī)氮含量；李萌等［9］報(bào)道，豬糞代替化肥能顯著增加酸解有機(jī)氮含量，由高到低依次為非酸解有機(jī)氮、氨基酸態(tài)氮、酸解銨態(tài)氮、酸解未知氮、氨基糖態(tài)氮。不同輪作模式下，周年氮肥施用量超過(guò)300 kg·hm-2時(shí)，土壤全氮及有機(jī)氮各組分含量均有所增加［10］。Kaur和Singh［11］對(duì)黏壤土中有機(jī)氮分析發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施下酸解有機(jī)氮較單施化肥進(jìn)一步提高了7%～34%，Xu等［12］分析了壤黏土不同顆粒中有機(jī)氮含量，發(fā)現(xiàn)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施主要增加氨基糖態(tài)氮及大于2 μm粒徑中氨基酸態(tài)氮含量，隨著有機(jī)肥施用量的增加，以小于2 μm粒級(jí)中酸解有機(jī)氮含量最高［13］。

黃淮海平原被譽(yù)為中國(guó)的糧倉(cāng)，該地區(qū)土壤砂粒含量高、結(jié)構(gòu)較差，較大程度地影響了土壤氮素的保蓄與供應(yīng)能力。因此，開(kāi)展長(zhǎng)期不同施肥措施對(duì)潮土團(tuán)聚體形成及其有機(jī)氮組分變化的研究，對(duì)于深入探究施肥對(duì)潮土供氮能力及氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響具有重要意義。本研究基于黃淮海平原長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)，研究長(zhǎng)期不同施肥措施下潮土團(tuán)聚結(jié)構(gòu)變化特征，明確施肥對(duì)團(tuán)聚體氮素形態(tài)含量與組成的影響，為制定合理的施肥措施、提升土壤肥力提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（35°00′N(xiāo)，114°24′E）內(nèi)進(jìn)行。該地區(qū)主要?dú)夂蝾?lèi)型為半干旱半濕潤(rùn)的暖溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為13.9 °C，多年平均降水量約605 mm，無(wú)霜期220 d左右。土壤類(lèi)型為黃河沖積物發(fā)育形成的典型潮土，耕層土壤質(zhì)地為砂壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)始于1989年秋季，冬小麥/夏玉米輪作一年兩熟制，試驗(yàn)開(kāi)始前耕層土壤（0～20 cm）的理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)5.83 g·kg-1、全氮0.445 g·kg-1、有效磷1.93 mg·kg-1、速效鉀78.8 mg·kg-1、pH 8.65，其他理化性質(zhì)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)參見(jiàn)文獻(xiàn)［14］。為探究長(zhǎng)期均衡施肥對(duì)土壤團(tuán)聚體形成及其有機(jī)氮組分的影響，本研究選取：不施肥（CK）、化肥氮磷鉀（NPK）、1/2有機(jī)肥氮+1/2化肥氮（1/2OM）、有機(jī)肥（OM）四個(gè)處理，肥料品種分別為：尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀，施肥量見(jiàn)表1。

表1 各處理年施肥量Table 1 Fertilizer application rate in the experiment relative to treatment/(kg·hm-2)

1.3 樣品采集與分析

2016年10月夏玉米收獲后，采集0～20 cm土壤樣品，每個(gè)小區(qū)以“S”形多點(diǎn)取樣，將大塊土樣沿自然裂縫掰開(kāi)，于室內(nèi)避光處自然風(fēng)干。采用沙維諾夫干篩法［15］對(duì)土樣進(jìn)行篩分，分離獲得3種粒徑的團(tuán)聚體，分別為大于2 mm、2～0.25 mm、小于0.25 mm。

土壤有機(jī)氮分級(jí)測(cè)定采用Bremner法［16］，其中，酸解有機(jī)氮（Total acidolyzable nitrogen）用凱氏蒸餾法測(cè)定，酸解銨態(tài)氮（Acidolyzable ammonia nitrogen）用氧化鎂蒸餾法測(cè)定，銨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮（Amino sugar nitrogen）的總量用磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸汽蒸餾法測(cè)定，氨基酸態(tài)氮（Amino acid nitrogen）用茚三酮氧化/磷酸鹽-硼酸鹽氧化法測(cè)定，差減法獲得非酸解性氮（Non-acidolyzable nitrogen）、氨基糖態(tài)氮、酸解未知態(tài)氮（Unknown-acidolyzable nitrogen）含量（見(jiàn)式（1）、式（2）、式（3））。土壤全氮采用半微量凱氏法測(cè)定［17］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

供試土壤各級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量比例及其對(duì)養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率的計(jì)算公式如下：

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 21.0進(jìn)行計(jì)算和單因素方差分析，利用最小顯著差異（LSD）法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 不同施肥處理土壤團(tuán)聚體及全氮

各處理中大于2 mm團(tuán)聚體質(zhì)量比例范圍在39%～54%（圖1），1/2OM、OM顯著提高了大于2 mm團(tuán)聚體質(zhì)量比例（P＜0.05），較CK分別提高了13%～14%，較NPK分別增加了17%～18%，而2～0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量比例無(wú)顯著變化。同時(shí)，施肥使耕層土壤中小于0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量比例降低19%～37%。

圖1 不同施肥處理下土壤團(tuán)聚體的質(zhì)量比例Fig. 1 Mass proportion of aggregates relative to treatment

連續(xù)施肥27 a后，耕層土壤團(tuán)聚體中全氮含量顯著增加（圖2 a）。與CK相比，長(zhǎng)期單施化肥顯著提高團(tuán)聚體中全氮含量，隨著團(tuán)聚體粒徑減小，增加率分別為60%、68%、60%；施用有機(jī)肥進(jìn)一步促進(jìn)了團(tuán)聚體中全氮的積累，且OM處理效果優(yōu)于1/2OM，隨著團(tuán)聚體粒徑減小，較1/2OM處理分別增加16%、26%、20%。各施肥處理下，不同粒徑團(tuán)聚體中全氮含量由高到低依次為2～0.25 mm、大于2 mm、小于0.25 mm。

不同施肥處理中團(tuán)聚體對(duì)氮素的貢獻(xiàn)率有所不同，如圖2b所示。施用有機(jī)肥顯著提高了大于2 mm團(tuán)聚體對(duì)全氮的貢獻(xiàn)率，較CK增加了36%～40%，較NPK增加了21%～24%。與不施肥相比，施肥降低了小于0.25 mm團(tuán)聚體對(duì)全氮的貢獻(xiàn)，1/2OM處理效果最為顯著。

2.2 不同團(tuán)聚體有機(jī)氮含量及組成

各施肥處理下團(tuán)聚體內(nèi)酸解有機(jī)氮含量為147.9～837.7 mg·kg-1，占土壤全氮的36%～72%（表2）。施肥顯著增加團(tuán)聚體中酸解有機(jī)氮含量，以O(shè)M處理效果最佳，較CK提高4倍（P＜0.05），較NPK提高94%（P＜0.05），且有機(jī)氮主要賦存于大于0.25 mm團(tuán)聚體中。非酸解有機(jī)氮含量為253.2～497.6 mg·kg-1，占土壤全氮的28%～64%，以2～0.25 mm團(tuán)聚體中分布最多。

經(jīng)過(guò)27 a的培肥過(guò)程，NPK處理氨基酸態(tài)氮含量顯著高于CK，1/2OM、OM處理較NPK分別提高了27%～52%、45%～95%（表2）。CK處理中小于0.25 mm團(tuán)聚體中氨基酸態(tài)氮含量最高，2～0.25 mm團(tuán)聚體中含量最低，NPK、1/2OM、OM處理與之相反。團(tuán)聚體中氨基酸態(tài)氮占土壤全氮的11%～23%，與單施化肥相比，有機(jī)肥主要提高了大于0.25 mm團(tuán)聚體氨基酸態(tài)氮含量及分配比例。

圖2 土壤團(tuán)聚體中全氮含量（a）及其對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率（b）Fig. 2 Content of total nitrogen in soil aggregates (a) and contribution to TN (b) of the soil relative to fraction of aggregates and treatment

酸解銨態(tài)氮含量為70.3～265.8 mg·kg-1，占全氮的15%～24%。NPK、1/2OM、OM與CK 相比分別提高了0.8倍～1.2倍、1.4倍～1.9倍、2.0倍～2.8倍，1/2OM、OM處理較NPK分別增加28%～33%、57%～73%。與其他施肥處理相比，長(zhǎng)期單施化肥主要提高了大于2 mm團(tuán)聚體中酸解銨態(tài)氮比例。

團(tuán)聚體中氨基糖態(tài)氮含量最低（3.9～15.0 mg·kg-1），在土壤氮素中分配比例僅為1%～2%。各施肥處理均顯著提高了團(tuán)聚體中氨基糖態(tài)氮含量，以1/2OM處理含量最高，占土壤全氮的1.1%～1.4%。團(tuán)聚體中氨基糖態(tài)氮含量由高到低依次為2～0.25 mm、大于2 mm、小于0.25 mm。

酸解未知態(tài)氮含量范圍為14.4～271.6 mg·kg-1，占全氮的4%～27%。與CK相比，NPK處理酸解未知態(tài)氮含量顯著提高1.6倍～5.5倍，以大于0.25 mm團(tuán)聚體酸解未知態(tài)氮含量居高；1/2OM、OM處理較NPK進(jìn)一步提高了0.53倍～1.84倍。

表2 不同施肥處理下團(tuán)聚體有機(jī)氮各組分含量及組成Table 2 Content and proportion of organic nitrogen in soil aggregates relative to fraction and treatment

3 討 論

3.1 長(zhǎng)期單施化肥對(duì)潮土團(tuán)聚體及其有機(jī)氮組分的影響

土壤質(zhì)量的優(yōu)劣與土壤團(tuán)聚體數(shù)量及組成密切相關(guān)。與不施肥相比，長(zhǎng)期施用化肥提高了耕層土壤中大于2 mm團(tuán)聚體含量，與Chen等［18］結(jié)果相似。作物根系及真菌生物量是影響土壤大團(tuán)聚體形成的主要生物因素［19］，化肥氮的施入有效提高作物根系和真菌數(shù)量［20］，進(jìn)而影響土壤大團(tuán)聚體的形成。同時(shí)，土壤中大于2 mm團(tuán)聚體對(duì)全氮貢獻(xiàn)率最高，表明大團(tuán)聚在養(yǎng)分保蓄方面發(fā)揮重要作用。

與其他處理相比，長(zhǎng)期單施化肥主要提高了大于2 mm團(tuán)聚體中酸解銨態(tài)氮比例。酸解銨態(tài)氮有部分源自土壤中無(wú)機(jī)態(tài)的交換性銨和部分固定態(tài)銨［21］，施用化肥增加了土壤中固定態(tài)銨的含量，有利于酸解銨態(tài)氮的累積。此外，有研究表明，化肥氮對(duì)土壤大團(tuán)聚體的影響更大［20］。叢耀輝［22］研究報(bào)道：在大于2 mm團(tuán)聚體中，酸解銨態(tài)氮與該粒級(jí)團(tuán)聚體組成關(guān)系密切，可能是由于大于2 mm團(tuán)聚體中具有較多的吸附性銨和固定態(tài)銨。1/2OM、OM處理中酸解銨態(tài)氮含量雖然增加，但是其比例低于NPK處理。

3.2 長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)團(tuán)聚體及其有機(jī)氮組分的影響

有機(jī)質(zhì)作為土壤團(tuán)聚體的重要膠結(jié)物質(zhì)，在其形成過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥使土壤有機(jī)質(zhì)含量大幅度提高［23］，同時(shí)增加了作物殘茬的殘留，有利于土壤團(tuán)聚體的形成。本研究中，施用有機(jī)肥顯著增加了耕層土壤大于2 mm團(tuán)聚體比例（圖1），改善了土壤物理性質(zhì)。但是，劉中良等［24］研究表明，連續(xù)8 a大量施用有機(jī)肥減少了＞2 mm團(tuán)聚體的分布，可能是由于以下兩個(gè)方面原因：一是土壤本身性質(zhì)產(chǎn)生的差異，本研究中所用的砂性潮土，砂粒含量高、有機(jī)質(zhì)含量較低，而劉中良等［24］研究所用的潮棕壤有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)191.8 g·kg-1；另一方面是施肥量不同，土壤固定有機(jī)碳的能力有限，過(guò)量輸入有機(jī)肥導(dǎo)致大于2 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳更新速度加快，從而不利于大于2 mm團(tuán)聚體的形成。

有機(jī)肥處理顯著提高潮土耕層土壤中氨基酸態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量及分配比例。氨基酸態(tài)氮主要為蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物，受到土壤腐殖質(zhì)和無(wú)機(jī)物（如黏土礦物和鐵鋁氧化物）的保護(hù)［25］。施用有機(jī)肥顯著增加團(tuán)聚體中氨基酸態(tài)氮占全氮比例，主要是通過(guò)影響微生物“礦化-固持”改變有機(jī)氮組分結(jié)構(gòu)［26］。土壤中的可礦化氮主要來(lái)自酸解有機(jī)氮，尤其是氨基酸態(tài)氮和酸解銨態(tài)氮［7,27］，施用有機(jī)肥增加了土壤中易礦化氮含量，增強(qiáng)土壤氮素的供應(yīng)能力［28］。

3.3 長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)團(tuán)聚體及其有機(jī)氮組分的影響

有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)團(tuán)聚體的影響與OM處理相似，均促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成。駱坤等［29］研究顯示，有機(jī)無(wú)機(jī)配施尤其有利于提高耕層土壤有機(jī)碳氮的活性；也有研究認(rèn)為有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施有可能加速有機(jī)物質(zhì)的分解，從而影響團(tuán)聚作用，這可能與有機(jī)無(wú)機(jī)肥的配比有關(guān)［30］。

本研究中，有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施能顯著提高大團(tuán)聚體中氨基糖態(tài)氮含量，且在大團(tuán)聚體中的含量高于微團(tuán)聚體，與Ding等［31］研究結(jié)果相似。主要是由于氨基糖態(tài)氮主要源于微生物細(xì)胞壁的殘留物［10］，而高有機(jī)物質(zhì)投入后直接增強(qiáng)了多數(shù)微生物活性以及提高代謝物（包括微生物細(xì)胞壁殘留物）的產(chǎn)量［32］。徐陽(yáng)春等［33］認(rèn)為，肥料配施條件下，土壤氨基糖態(tài)氮在氮素循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性；也有研究［22］表明，氨基糖態(tài)氮在由黏粒向大團(tuán)聚體團(tuán)聚過(guò)程中起著重要的膠結(jié)作用。總體而言，氨基糖態(tài)氮含量雖然少，但是其在土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)形成的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)期施用有機(jī)肥顯著提高了潮土耕層大于2 mm團(tuán)聚體的比例，同時(shí)降低小于0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量比例，改善了土壤結(jié)構(gòu)。施肥顯著影響團(tuán)聚體中氮素形態(tài)及含量分布，各級(jí)團(tuán)聚體中酸解有機(jī)氮組分由高到低依次為酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、酸解未知態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮。其中，長(zhǎng)期單施化肥主要提高了大于2 mm團(tuán)聚體中酸解銨態(tài)氮比例，施用有機(jī)肥顯著增加了氨基酸態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量及分配比例，可有效提高土壤氮素的供應(yīng)能力。