岳克,張水清,黃紹敏,張珂珂,王柏寒,郭騰飛,郭斗斗,宋曉
(河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,鄭州 450002)
土壤氮素是作物生長的主要氮源,也是影響作物生長的主要限制因子之一,而表層土壤中90%以上的氮素為有機氮[1-3]。土壤有機氮,特別是易礦化的有機氮組分含量影響著土壤的供氮能力[4]。有機氮只有經(jīng)過微生物水解和礦化才能轉化為無機氮被作物吸收利用。土壤有機氮主要包括蛋白質、核酸、氨基酸和氨基糖等[4-6],所以土壤有機氮的形態(tài)是影響土壤氮素有效性的重要因素[6],也是土壤礦質態(tài)氮的源和庫[7]。土壤有機氮能夠維持土壤氮素肥力,因此研究不同施肥措施下土壤有機氮組分及剖面分布特征,對于華北平原農(nóng)田合理施肥具有重要意義。研究表明,不同土壤類型、施肥和灌溉方式對土壤有機氮及其組分含量影響顯著[8-9]。查春梅等[10]的研究表明,不同土地利用方式對耕層土壤中有機氮組分影響最大。王媛等[11]的研究表明,有機無機肥長期配施能夠顯著提高各有機氮組分含量,其中氨基酸態(tài)氮含量增幅最大(平均124.8%)。肖偉偉等[12]的研究表明,與單施化肥相比,有機無機肥長期配施能夠顯著提高酸解氮(平均60.9%)、酸解銨態(tài)氮(平均38.9%)和酸解氨基酸態(tài)氮的含量(平均79.5%)。巨曉棠等[13]的研究表明,有機無機肥配施顯著提高了土壤全氮、酸解性氮與非酸解性氮的含量。張玉樹等[14]利用30 年的長期定位試驗發(fā)現(xiàn),單施化肥和有機無機肥配施均顯著提高了耕層土壤全氮和有機氮含量。大量研究表明,施肥對土壤有機氮組分含量有顯著影響[15-18]。
華北平原是我國糧食的主產(chǎn)區(qū),潮土是該區(qū)域的主要耕作土壤,長期施肥對潮土有機氮組分及剖面分布的影響研究尚少有報道。本試驗通過研究30 年的長期定位有機無機肥配施對土壤剖面有機氮組分和全氮的影響,揭示不同施肥模式下潮土氮素的演變規(guī)律,明確不同施肥措施下土壤供氮潛力,旨在為華北平原潮土區(qū)土壤培肥和地力提升提供科學依據(jù)。
長期定位試驗位于河南省新鄉(xiāng)市平原新區(qū)河南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地潮土試驗站(113°40′E,34°47′N),試驗地屬于暖溫帶季風氣候,年均降雨量約660 mm,主要集中在7—9月,年有效積溫4 700 ℃,無霜期約209 d。試驗始于1990 年,初始土壤(0~20 cm)理化性質:pH 8.60、有機質6.7 g·kg-1、全氮0.65 g·kg-1、全磷0.64 g·kg-1、全鉀16.9 g·kg-1、堿解氮76.6 mg·kg-1、有效磷6.9 mg·kg-1、速效鉀71.7 mg·kg-1。
本研究以不施肥(CK)為對照,選取華北平原有代表性的3 個施肥模式:單施化肥(NPK)、化肥+玉米秸稈還田(NPKS)、有機無機肥配施(NPKM)。試驗采用隨機區(qū)組設計,3 次重復。種植制度為小麥-玉米輪作,小區(qū)面積43 m2。施用的氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為氯化鉀,有機肥1990—1999 年為馬糞,2000—2010 年為牛糞,2011—2020 年為商品有機肥。小麥季施氮量(N)165 kg·hm-2,磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)各82.5 kg·hm-2,玉米季施氮量(N)為187.5 kg·hm-2,磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)各93.75 kg·hm-2,其中氮肥60%為基肥,40%為追肥,分別在小麥返青期和玉米大喇叭口期施用。NPKM處理施氮量相當于在NPK處理的基礎上增施有機肥,有機肥用量以單施化肥中氮含量計算,70%的氮量來自有機肥,剩余30%用尿素補充,玉米季施肥量同NPK 處理。NPKS 處理相當于在NPK處理的基礎上玉米秸稈全部粉碎還田,1991—2001 年間相當于NPK 處理氮量的70%來自秸稈(不足部分由同期其他試驗區(qū)秸稈補充),剩余30%由尿素補充,2002—2020 年間則為前茬總秸稈量,不足NPK處理的氮量以尿素補充,玉米季施肥量同NPK處理。作物收獲時,小麥秸稈清除,留麥茬約15 cm,玉米地上部植株全部移除。
供試土壤于2020 年6 月小麥收獲后采集。采用五點采樣法,分別采集各小區(qū)0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm 5 層土壤,各層混合均勻后分別裝入自封袋,風干、過篩后待測。土壤全氮采用凱氏法測定,土壤有機氮分級采用Bremner方法[19],土壤酸解總有機氮測定:取15.0 g過0.15 mm 篩樣品放入具塞、帶冷凝管的三角水解瓶中,加2 滴正辛醇和20 mL 6 mol·L-1HCl,在120 ℃電熱板上水解回流12 h。水解后趁熱過濾,濾液用1 mol·L-1和5 mol·L-1NaOH 調節(jié)pH 至2 左右,再用酸度計指示,逐滴小心加入1 mol·L-1NaOH,邊加邊攪拌,至濾液pH 值為6.5±0.3,定容至100 mL,冷藏備用。
酸解氮用凱氏定氮法測定;酸解銨態(tài)氮采用MgO氧化-蒸餾法測定;酸解銨態(tài)氮+氨基糖態(tài)氮采用磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液-蒸餾法測定;酸解氨基酸態(tài)氮采用茚三酮氧化、磷酸鹽-硼砂緩沖液-蒸餾法測定;酸解未知態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、非酸解氮用差減法求得。
利用Microsoft Excel 2016 軟件繪圖,利用SPSS 21.0 軟件進行統(tǒng)計分析,其中多重比較采用新復極差法。
由圖1 可知,不同施肥模式下土壤酸解總有機氮含量均隨土層加深呈降低趨勢。各土層土壤酸解總有機氮含量均為NPKM 處理最高、CK 處理最低。在0~20 cm土層,NPKS和NPKM處理酸解總有機氮含量顯著高于CK、NPK 處理,分別提高了40.88%、44.03%和51.34%、54.73%。在20~40 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 3 個施肥處理酸解總有機氮含量顯著高于CK處理31.82%、23.86%和43.18%;各施肥處理之間差異不顯著。在40~60 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 3 個施肥處理酸解總有機氮含量高于CK 處理16.66%、9.25%和31.47%,其中NPKM 處理顯著高于NPKS和CK處理。在60~80 cm和80~100 cm土層,各施肥處理酸解總有機氮含量均高于CK 處理,其中NPKM處理分別顯著高于CK處理21.78%和25.00%。
圖1 長期不同施肥模式對土壤酸解總有機氮含量的影響Figure 1 Effects of long-term different fertilization modes on soil total acid hydrolysable N contents
由圖2 可知,不同施肥模式下土壤酸解銨態(tài)氮含量均隨土層加深呈降低趨勢。在0~20 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 處理土壤酸解銨態(tài)氮含量顯著高于CK 處理24.49%、73.13%和55.78%。NPKS 和NPKM 處理酸解銨態(tài)氮含量分別顯著高于NPK 處理39.07%和25.14%。在20~40 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 處理酸解銨態(tài)氮含量顯著高于CK 處理39.81%、17.59%和48.15%,其中NPK 和NPKM 處理酸解銨態(tài)氮含量分別顯著高于NPKS 處理18.90%和25.98%。在40~60 cm 土層,NPK 處理酸解銨態(tài)氮含量顯著高于CK 處理,NKPS 和NPKM 處理與CK 處理差異不顯著,表明有機無機肥配施能維持土壤表層酸解銨態(tài)氮含量,進而維持土壤表層較高的氮素含量,提高土壤供氮能力。在60~100 cm 土層,各施肥處理與CK 處理間差異不顯著,不同施肥模式對深層土壤酸解銨態(tài)氮含量影響較小。
圖2 長期不同施肥模式對土壤酸解銨態(tài)氮含量的影響Figure 2 Effects of long-term different fertilization modes on soil ammonium N contents
由圖3 可知,長期不同施肥模式下土壤酸解氨基糖態(tài)氮的含量有不同的變化趨勢,整體在4.01~92.18 mg·kg-1之間。CK 處理下氨基糖態(tài)氮的含量隨土層加深呈增加趨勢,NPK 和NPKS 處理無明顯變化規(guī)律;NPKM 處理氨基糖態(tài)氮的含量隨土層加深呈先增加后降低趨勢。在0~20 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 處理氨基糖態(tài)氮的含量高于CK 處理3.44、5.00、1.89 倍,其中NPKS 處理顯著高于CK 處理。在20~40 cm 土層,NPK、NPKS和NPKM 處理氨基糖態(tài)氮的含量高于CK 處理3.00、4.64、6.27 倍,其中NPKS 和NPKM 處理顯著高于CK 處理。在40~80 cm 土層,各處理間氨基糖態(tài)氮的含量差異不顯著。在80~100 cm 土層,CK 處理氨基糖態(tài)氮的含量顯著高于NPK、NPKS和NPKM處理1.84、1.77、2.49倍。
圖3 長期不同施肥模式對土壤酸解氨基糖態(tài)氮含量的影響Figure 3 Effects of long-term different fertilization modes on soil amino sugar N contents
由圖4 可知,不同施肥模式下土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量均隨土層加深呈降低趨勢。在0~20 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 處理酸解氨基酸態(tài)氮含量高于CK 處 理11.84%、61.84% 和86.84%,其 中NPKS 和NPKM 處理顯著高于CK 和NPK 處理,氨基酸態(tài)氮含量分別比NPK 處理提高了44.71%和67.06%。在20~40 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 處理氨基酸態(tài)氮含量高于CK 處理39.05%、20.00%和23.64%,其中NPK處理顯著高于CK 處理。在40~60 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 處理氨基酸態(tài)氮含量高于CK 處理62.50%、95.83%和62.50%,其中NPKS 處理顯著高于CK 處理。在60~80 cm 土層,NPKS 和NPKM 處理氨基酸態(tài)氮含量均顯著高于CK 處理,NPK 處理與CK處理差異不顯著,且各施肥處理間差異不顯著。在80~100 cm 土層,施肥處理氨基酸態(tài)氮含量均顯著高于CK 處理,但各施肥處理間差異不顯著。
圖4 長期不同施肥模式對土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量的影響Figure 4 Effects of long-term different fertilization modes on soil amino acid N contents
由圖5 可知,不同施肥模式下土壤酸解未知態(tài)氮含量均隨土層加深呈降低趨勢。在0~80 cm 土層,NPKM 和CK 處理未知態(tài)氮含量均高于NPK 和NPKS處理,除了在20~40 cm 土層各處理間差異不顯著,其他土層均差異顯著。在0~20 cm 土層,CK 處理未知態(tài)氮含量高于NPK、NPKS 和NPKM 處理2.71、1.09、0.12 倍。在20~40 cm 土層,NPKM 和CK 處理未知態(tài)氮含量也高于NPK 和NPKS 處理,且NPKM 處理降幅較大,表明增施有機肥可以促進未知態(tài)氮向有效態(tài)氮轉化。在40~80 cm土層,NPKM處理未知態(tài)氮含量顯著高于NPK 和NPKS 處理。在80~100 cm 土層,NPKM 處理未知態(tài)氮含量最高,其他處理間無顯著差異,其中NPKM處理顯著高于NPKS處理。
圖5 長期不同施肥模式對土壤酸解未知態(tài)氮含量的影響Figure 5 Effects of long-term different fertilization modes on soil hydrolysable unknown N contents
長期不同施肥模式下土壤有機氮各形態(tài)含量占全氮含量的百分比可作為表征有機氮各組分的分配比例。由圖6 可知,有機氮各組分占全氮比例的大小順序與其含量的大小表現(xiàn)一致。隨著土層的加深,土壤非酸解氮比例降低而其他形態(tài)氮的比例有所提高。各土層有機氮比例均大于非酸解氮,有機氮占全氮含量比例范圍為59.01%~92.31%,是土壤氮的主體。CK 處理在0~40 cm 土層,有機氮各形態(tài)的分布趨勢為氨基酸態(tài)氮>酸解銨態(tài)氮>未知態(tài)氮>氨基糖態(tài)氮;在40~80 cm 土層,有機氮各形態(tài)的分布趨勢為酸解銨態(tài)氮>未知態(tài)氮>氨基酸態(tài)氮>氨基糖態(tài)氮;在80~100 cm 土層,有機氮各形態(tài)的分布趨勢為酸解銨態(tài)氮>氨基糖態(tài)氮>氨基酸態(tài)氮>未知態(tài)氮。各施肥處理有機氮各形態(tài)占比的分布趨勢為酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮>氨基糖態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮,在0~40 cm 土層,酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮比例最大;在40~100 cm 土層,酸解銨態(tài)氮比例最大,其次為氨基酸態(tài)氮。
圖6 長期不同施肥模式對土壤酸解有機氮組分占全氮比例的影響Figure 6 Percentage of soil organic N fractions to total N under long-term different fertilization modes
在0~80 cm 土層,與CK 處理相比,施肥處理提高了氨基糖態(tài)氮和非酸解氮占全氮的比例,降低了未知態(tài)氮占全氮的比例。在0~20 cm 土層,與NPK 處理相比,NPKS 和NPKM 處理酸解總氮占全氮比例分別增加了17.79 個百分點和5.93 個百分點,表明長期有機無機肥配施增加了土壤有機氮各組分含量。整體來看,與CK 相比,NPK 處理銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮占全氮的比例增加;NPKS 和NPKM 處理氨基酸態(tài)氮占全氮的比例均增加。
由圖7 可知,不同施肥模式下土壤全氮含量均隨土層的加深呈降低趨勢。與定位試驗開始前0~20 cm土壤全氮含量(0.65 g·kg-1)相比,長期不施肥(CK)處理土壤全氮(0.70 g·kg-1)略有增加,各施肥處理NPK、NPKS 和NPKM 全氮含量增加顯著,平均每年分別增加8.19、14.80 mg·kg-1和21.95 mg·kg-1,說明有機無機肥配施能夠增加土壤氮儲量。各土層土壤全氮含量均表現(xiàn)為NPKM 處理最高、CK 處理最低。在0~20 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 處理土壤全氮含量顯著(P<0.01)高于CK 處理27.35%、55.56%、86.04%,有機無機肥配施處理(NPKS 和NPKM)土壤全氮含量顯著高于NPK 處理22.10%和46.09%。各處理土壤全氮含量表現(xiàn)為NPKM>NPKS>NPK>CK。在20~40 cm 土層,NPK、NPKS 和NPKM 處理土壤全氮含量顯著高于CK 處理32.11%、48.78%和54.88%,有機無機肥配施處理顯著高于NPK 處理。在40~100 cm 土層,各施肥處理全氮含量變化較小,施肥處理土壤全氮含量均高于CK 處理,其中40~80 cm 土層NPKS 和NPKM處理顯著高于CK處理。
圖7 長期不同施肥模式對土壤全氮含量的影響Figure 7 Effects of long-term different fertilization modes on content of soil total N
相關性分析結果(表1)表明,在0~20 cm 土層,土壤全氮與酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和非酸解氮均存在極顯著的正相關關系(P<0.01)。在20~40 cm 土層,土壤全氮與酸解銨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮和非酸解氮均存在極顯著的正相關關系(P<0.01)。在40~100 cm 土層,除了60~80 cm 土層氨基酸態(tài)氮和80~100 cm 土層酸解銨態(tài)氮、非酸解氮與土壤全氮存在顯著或極顯著相關性外,土壤全氮與酸解有機氮各組分間無顯著相關性。由此可以看出,在土壤耕層有機氮各組分中,酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和非酸解氮對土壤全氮影響最大。
表1 長期不同施肥模式下土壤全氮與有機氮組分的相關關系(r)Table 1 Relations between total nitrogen and organic N fractions under long-term different fertilization modes(r)
諸多研究表明,酸解有機氮是土壤氮素的重要組成部分,占土壤全氮的90%以上[1-3,17]。本試驗結果表明,酸解總有機氮占全氮含量的比例為59.01%~92.31%,這與國內(nèi)外多數(shù)研究結果基本一致。研究表明,與單施化肥相比,化肥+秸稈還田和有機無機肥配施能夠顯著提升土壤全氮含量[11],特別是對表層土壤全氮和有機氮各組分含量影響最大[14]。本研究結果也表現(xiàn)出類似規(guī)律,與長期不施肥處理相比,長期不同施肥模式對土壤全氮和酸解有機氮各組分含量有顯著影響,特別是對表層(0~40 cm)土壤全氮和有機氮各組分含量影響極顯著。與長期單施化肥相比,化肥+秸稈還田和有機無機肥配施能顯著提高土壤酸解總有機氮、銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和全氮的含量。在酸解有機氮組分中,有機無機肥配施處理主要提高了土壤酸解未知態(tài)氮含量,氨基糖態(tài)氮的含量在秸稈還田條件下有增加趨勢。本試驗中,不同處理酸解總有機氮含量表現(xiàn)為NPKM、NPKS>NPK、CK,土壤全氮含量表現(xiàn)為NPKM>NPKS>NPK>CK,表明有機無機肥配施處理對土壤全氮、酸解總有機氮提升效果最優(yōu)。這一結果主要歸因于施肥模式的不同和每年向土壤輸入有機物料數(shù)量的差異。化肥+秸稈還田和化肥配施有機肥處理每年向土壤中輸入養(yǎng)分的總量高于單施化肥處理,與化肥+秸稈還田相比,有機肥本身含有的養(yǎng)分直接影響土壤有機氮組分的變化[20]。有機肥中的畜禽糞便經(jīng)土壤中微生物分解從而影響有機氮組分含量[21-22]。研究表明,施用畜禽糞便類有機肥對土壤有機氮芳香環(huán)類物質沒有顯著影響,但能夠提高土壤氨基酸、脂肪酸和蛋白質含量[23-24]。土壤微生物的礦化-同化過程也會影響土壤有機氮組分含量[24-25]。富東英等[26]的研究表明,長期施入土壤中的化學氮素主要向酰胺態(tài)氮轉化,秸稈還田中氮向氨基糖態(tài)氮轉化最多,有機肥中氮轉化為氨基酸態(tài)氮較多。這與本試驗結果一致,但有機無機肥配施對土壤氨基糖態(tài)氮無明顯影響,而在80~100 cm 土層不施肥處理氨基糖態(tài)氮含量顯著高于施肥處理。Xu 等[27]和張旭東等[28]的研究表明,豬糞和化肥配施處理土壤氨基酸態(tài)氮含量高于稻草或綠肥與化肥配施處理。王克鵬等[29]的研究表明,有機無機肥配施處理的土壤氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮含量增加顯著。
張世漢等[30]的研究表明,土壤酸解有機氮、銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、未知態(tài)氮均隨土層加深而降低,這與本試驗研究結果一致。不同施肥模式對土壤全氮、酸解總有機氮和有機氮各組分含量剖面分布也有顯著影響,特別是對上層土壤(0~20 cm 和20~40 cm)影響顯著,對60~100 cm 土層有不同程度的影響。酸解有機氮各組分分配比例順序表現(xiàn)為酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮>氨基糖態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮,這與焦亞鵬等[31]的研究結果不一樣,可能是因為土壤類型和施肥年限不同,而且焦亞鵬等[31]研究的是不同施氮量處理對土壤(0~40 cm)有機氮組分的影響,本研究是長期不同施肥模式對土壤有機氮組分的影響,在單施化肥(NKP)和化肥+秸稈還田(NPKS)處理下,0~20 cm 土層酸解有機氮各組分分配比例順序表現(xiàn)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,有機無機肥配施(NPKM)處理下,0~20 cm 土層酸解有機氮各組分分配比例順序表現(xiàn)為氨基酸態(tài)氮>酸解銨態(tài)氮>酸解未知態(tài)氮>氨基糖態(tài)氮,但均表現(xiàn)為酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮占全氮比例最大。黨亞愛等[32]的研究表明,酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮是有機氮組分的主要形態(tài),是土壤易礦化有機氮的源和庫。研究表明,土壤酸解有機氮易礦化,而非酸解氮相對穩(wěn)定,二者在一定條件下可以相互轉化[33]。肖偉偉等[12]的研究表明,與長期不施肥處理相比,長期單施化肥和有機無機肥配施增加了土壤酸解有機氮的含量,但降低了其占全氮的比例。本研究也得到類似結果。
高曉寧等[15]研究發(fā)現(xiàn),土壤全氮與酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮顯著正相關,推知酸解有機氮中銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮是土壤有機氮礦化的主要來源。本試驗結果也表明,在表層土壤全氮與酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和非酸解氮含量呈極顯著正相關。土壤中易礦化的有機氮各形態(tài)能夠促進有機氮礦化,提高土壤無機氮含量,進而提升土壤供氮能力,而土壤中難礦化的非酸解氮則有利于土壤氮的貯存[34]。
(1)長期不同施肥模式下土壤全氮含量表現(xiàn)為有機無機肥配施>化肥+秸稈還田>單施化肥>不施肥;土壤酸解總有機氮含量表現(xiàn)為有機無機肥配施、化肥+秸稈還田>單肥化肥、不施肥。與單施化肥相比,化肥+秸稈還田和有機無機肥配施處理能夠顯著提高土壤表層全氮和酸解總有機氮含量。長期施肥能夠提高土壤酸解有機氮各組分的含量。在不同施肥模式下有機氮各組分表現(xiàn)為酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮>氨基糖態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮,其中酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮是有機氮的主要組分。
(2)與單施化肥相比,化肥+秸稈還田處理主要提升了土壤酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮含量,而有機肥配施化肥處理主要提升了土壤酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量。長期施肥對酸解有機氮各組分含量的剖面分布影響相似,除氨基糖態(tài)氮外,其余各組分含量均隨土層加深而降低。
(3)長期單施化肥或有機無機肥配施能夠提高耕層土壤非酸解氮的相對含量,有機氮組分中酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮在土壤全氮中占有優(yōu)勢地位。
綜上,化肥+秸稈還田和有機無機肥配施均能夠顯著增加土壤全氮和有機氮各組分含量,提升土壤供氮潛力,是華北平原潮土區(qū)適宜的施肥模式。