關(guān)鍵詞： 綠肥；施氮量；旱作冬小麥；土壤氮組分

黃土高原是我國重要的旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，該地區(qū)農(nóng)田土壤普遍缺氮，持續(xù)的化肥投入在維持產(chǎn)量的同時(shí)也不可避免地帶來了氮肥利用效率下降[1]以及淋溶污染問題[2]。尋求一種農(nóng)田管理措施，在穩(wěn)定提高作物產(chǎn)量的同時(shí)兼顧生態(tài)環(huán)境效益，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。研究表明，在夏季休閑期種植綠肥具有增加地表覆蓋面積、減少水分蒸散和土壤侵蝕[3?4]等作用，綠肥翻壓返田后還能補(bǔ)充土壤養(yǎng)分供應(yīng)，有效提高土壤肥力[5]。常用的綠肥主要包括豆科和非豆科兩類，其中豆科作物可以通過根瘤菌從大氣中固定氮，從而提供土壤有機(jī)氮含量，減少后茬主糧作物對(duì)化肥的需求[6]。而非豆科綠肥通常具有更快速的生物量積累，能顯著提高有機(jī)質(zhì)的輸入[7]。與豆科或非豆科綠肥各自單播相比，二者混播還能通過作物間的協(xié)同作用來提高土壤固氮能力[7]。

作物吸收的氮素有54%～83% 來自土壤氮庫[8]，土壤全氮（STN） 是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，但因其庫存量大且變異系數(shù)小，通常對(duì)農(nóng)田管理措施的響應(yīng)時(shí)間較長，因此單獨(dú)對(duì)這一指標(biāo)的測(cè)定并不能準(zhǔn)確反映土壤供氮能力的變化情況[9]。相較于STN，土壤潛在礦化氮（PMN） 能夠更準(zhǔn)確地反映土壤的供氮潛力。土壤氮礦化主要依賴微生物驅(qū)動(dòng)[10]，土壤微生物直接參與土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解過程，并形成自身的微生物生物量氮（MBN），二者共同構(gòu)成土壤氮素中重要的源和庫，且均能在一個(gè)生長季內(nèi)快速地對(duì)農(nóng)田管理措施做出響應(yīng)[11?12]。此外，土壤顆粒有機(jī)氮（PON） 被認(rèn)為是介于活性有機(jī)氮和惰性有機(jī)氮之間的中間組分，是土壤微生物的重要基質(zhì)[13]。Wang等[14]研究表明，在適當(dāng)施氮條件下，綠肥殘?bào)w等有機(jī)物返田能促進(jìn)土壤氮礦化過程，提高土壤氮素有效性。吳多基等[15]研究表明，長期有機(jī)養(yǎng)分替代部分化肥有效提高了紅壤性水稻土微生物量氮含量，促進(jìn)了土壤有機(jī)氮的礦化，且綠肥和秸稈聯(lián)合還田的效果優(yōu)于綠肥單獨(dú)還田。Yao 等[16]研究表明，在不同綠肥作物中，豆科綠肥主要通過提升粗顆粒土壤中的氮含量進(jìn)而增加土壤有機(jī)氮庫。但目前不同綠肥填閑種植對(duì)土壤供氮潛力的影響研究大多圍繞土壤全氮，而不同施氮量下種植豆科或非豆科綠肥時(shí)土壤PON、PMN 和MBN 等中活性或活性氮組分如何變化尚待進(jìn)一步深入探討。本研究基于1個(gè)為期6年的旱作冬小麥?夏季填閑種植田間定位試驗(yàn)，比較分析了不同施氮量下種植豆科和非豆科綠肥對(duì)農(nóng)田土壤氮組分的影響，以期為有效提升旱地綠肥填閑種植系統(tǒng)土壤供氮潛力、促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

冬小麥?夏季綠肥種植田間定位試驗(yàn)在中國科學(xué)院陜西長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站（107°44′E， 35°12′N） 進(jìn)行。該地屬于暖溫帶半濕潤大陸性易旱區(qū)，海拔1220 m，無霜期171 天，年平均氣溫9.1℃，多年平均降水量584 mm，其中超過一半的降水發(fā)生在夏季休閑期（6月下旬至9月下旬），該地區(qū)冬小麥?zhǔn)窃谟牮B(yǎng)條件下種植的。供試土壤為粉砂質(zhì)粘壤土，試驗(yàn)開始時(shí)0—20 cm 土層土壤有機(jī)碳為8.3 g/kg、全氮0.8 g/kg、全磷0.66 g/kg、速效磷24.6 mg/kg、速效鉀161.39mg/kg、土壤pH 8.11、土壤容重1.3 g/cm³。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間定位試驗(yàn)開始于2017 年6 月，采用夏季綠肥和氮肥雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，其中綠肥作物為主處理，包括長武懷豆（SB）、蘇丹草（SG）、懷豆與蘇丹草混播（MIX） 3種綠肥處理和裸地休閑對(duì)照（CK），副處理氮肥用量設(shè)計(jì)0、60 和120 kg/hm² 3個(gè)水平，總計(jì)12個(gè)處理。每個(gè)處理重復(fù)3 次，共計(jì)36 個(gè)小區(qū)。小區(qū)寬6.7 m、長10 m，小區(qū)間距1 m。

綠肥在每年6 月底前冬小麥?zhǔn)斋@后播種，其中SB處理中長武懷豆播種量為70 kg/hm²，SG 處理中蘇丹草播種量為35 kg/hm²，MIX 處理中長武懷豆和蘇丹草播種量分別為35 和17.5 kg/hm²。氮肥（尿素） 在每年9 月底小麥播種時(shí)隨種子一起撒入，同時(shí)所有處理均施入磷肥（P2O5） 90 kg/hm² 作為底肥。考慮到本地土壤鉀素豐富，本試驗(yàn)中未配施鉀肥。本研究中的氮肥用量（120 kg/hm²） 低于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶氮肥平均用量（240 kg/hm²）[17]。所有綠肥在每年9 月中旬收割，并使用旋耕機(jī)翻壓入土，兩周后進(jìn)行小麥播種。供試冬小麥為本地常規(guī)品種‘長武134’，種植方法為旱地壟作，小麥和綠肥生長期間均無灌溉，采用人工除草以控制雜草，必要時(shí)使用殺蟲劑來控制害蟲。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集 土壤樣品采集于2023 年6 月底小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行，采用“S”形5 點(diǎn)取樣法在各小區(qū)分別采集0—10、10—20 和20—40 cm 土層樣品，土芯直徑為2.5 cm，然后按土層分別進(jìn)行混合，將樣品儲(chǔ)存在密封的塑料袋中，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，風(fēng)干后去除植物殘茬、根系物質(zhì)和石礫后過2 mm 篩備用。在試驗(yàn)開始后的每年9 月中旬，采用樣方法對(duì)綠肥地上生物量進(jìn)行采樣，采樣時(shí)將1 m×1 m 的樣方隨機(jī)放置于小區(qū)內(nèi)，沿地表2 cm 左右刈割地上部分，帶回實(shí)驗(yàn)室于105℃ 殺青30 min，然后70℃烘干至恒重。

1.3.2 STN、PON、PMN、MBN 的測(cè)定方法

1） STN 含量采用元素分析儀法[18]進(jìn)行測(cè)定。將風(fēng)干后的土樣過0.15 mm 篩，然后使用EA3000 元素分析儀測(cè)定STN 含量。

2） PON 含量采用六偏磷酸鈉分散法[19]測(cè)定。稱取10 g 土樣置于小白瓶中，加入30 mL 5 g/L 的六偏磷酸鈉溶液，在往復(fù)式震蕩儀上震蕩分散16 h。取出溶液過0.053 mm 篩，用清水沖洗直至瀝濾液澄清；將篩上的土樣用水沖洗至燒杯中，在55℃ 烘干至恒重，使用EA3000 元素分析儀測(cè)定氮含量，將烘干樣品中氮含量換算為單位質(zhì)量土樣對(duì)應(yīng)的有機(jī)氮含量，即為PON 含量[19]。

3） PMN 含量采用密閉培養(yǎng)法[20]測(cè)定。取10 g 土樣置于小白瓶中，用小滴管加入1～1.5 mL 蒸餾水調(diào)節(jié)土壤濕度至50% 的田間持水量，并用小刀刮勻，置于盛有20 mL 蒸餾水的廣口瓶中，在25℃ 下密閉培養(yǎng)10 天；10 天后取出小白瓶，加入2 mol/L 氯化鉀溶液50 mL 在搖床上震蕩1 h，使用Cleverchem 200間斷元素分析儀測(cè)定浸提液中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量之和在密閉培養(yǎng)前后的差值乘以換算系數(shù)5，即為PMN 含量[20]。

4） MBN 含量采用氯仿熏蒸法[21]測(cè)定。取10 g 土樣按照上述密閉培養(yǎng)法培養(yǎng)10天后，取出土樣使用氯仿熏蒸24 h，然后再將其置于盛有20 mL 蒸餾水的廣口瓶中，在25℃ 下繼續(xù)密封培養(yǎng)10天。10天后采用與PMN 相同的方法浸提土樣并上機(jī)測(cè)定。銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量之和在熏蒸前后的差值乘以換算系數(shù)5，即為MBN 含量[21]。

1.3.3 年均氮輸入 年均氮輸入采用Sainju[22]提出的方法進(jìn)行計(jì)算，包括施氮量和生物固氮量。生物固氮量使用豆科作物氮素吸收量的70% 來計(jì)算，MIX 處理的生物固氮量是通過測(cè)定其中豆科作物地上生物量來計(jì)算的。各處理的綠肥地上生物量全部歸還土壤情況下，對(duì)于含有長武懷豆的處理，生物固氮量計(jì)算公式如下：

生物固氮量= 0.7×1.33×長武懷豆氮濃度×地上生物量

式中，根據(jù)前期測(cè)定結(jié)果[23]，長武懷豆的氮濃度為28.9 g/kg。

不同處理下年均氮輸入計(jì)算結(jié)果見表1。

1.3.4 氮組分儲(chǔ)量 土壤氮組分儲(chǔ)量計(jì)算公式如下：

氮組分儲(chǔ)量=氮組分含量×h×ρ×10

式中，h 為土層厚度，單位為cm；ρ 為土壤容重，0—10、10—20 和20—40 cm 土層容重分別為1.24、1.43和 1.38 g/cm³[23]；10 為轉(zhuǎn)化系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 處理數(shù)據(jù)以及繪制圖表，用Origin 2021 軟件制圖，運(yùn)用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理間差異采用鄧肯法（Duncan） 進(jìn)行分析，顯著性差異水平設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮

綠肥種植對(duì)各土層STN 含量均沒有顯著影響，而施氮顯著影響了10—20 cm 土層STN 含量（表2）。與不施氮相比，10—20 cm 土層STN 含量在施氮60 kg/hm2 下顯著提高了6.30% （圖1）。

2.2 土壤顆粒有機(jī)氮

綠肥種植對(duì)0—10 和20— 40cm 土層土壤PON 含量及其相對(duì)含量具有顯著影響，施氮對(duì)10—20 cm 土層土壤PON 含量及其相對(duì)含量有顯著影響（表2）。

在0—10 cm 土層，與CK 處理相比，SB、SG和MIX 處理PON 含量分別顯著提高了54.8%、25.8%和54.8%，且SB 和MIX 處理較SG 均顯著提高了23.1%；在20—40 cm 土層，與CK 處理相比，SB和MIX 處理PON 含量分別顯著提高了42.8% 和38.1%，而SG 處理沒有顯著提高PON 含量。與不施氮和施氮60 kg/hm² 相比，施氮120 kg/hm² 10—20 cm土層土壤PON 含量分別顯著提高了13.8% 和17.9%。隨著土層的加深，所有處理PON 含量均呈下降趨勢(shì)（圖2）。

供試土壤PON 占STN 的19.0%～34.1%。在0—10 cm 土層，與CK 處理相比，SB、SG 和MIX處理PON/STN 分別顯著提高了53.9%、32.9% 和59.2%，且SB 和MIX 處理較SG 分別顯著提高了15.8% 和19.8%；在20—40 cm 土層，與CK 處理相比，SB、SG 和MIX 處理PON/STN 分別顯著提高了31.2%、20.6% 和42.5%，且MIX 處理較SG 顯著提高了18.2%。與施氮60 kg/hm² 處理相比，施氮120 kg/hm² 處理10—20 cm 土層土壤PON/STN 顯著提高了20.9% （圖2）。

2.3 土壤潛在礦化氮

綠肥種植對(duì)各土層土壤PMN 含量均有顯著影響，而施氮僅影響了0—10 cm 土層PMN 含量（表2）。在0—10 和10—20 cm 土層，與CK 處理相比，種植綠肥PMN 含量分別顯著提高了9.7%～14.1% 和11.2%～13.7%，且不同綠肥處理間差異不顯著。在20—40 cm 土層，與CK 處理相比，SB 和MIX 處理PMN 含量分別顯著提高了9.8% 和10.7%，而SG 處理與CK 處理相比差異不顯著。在0—10 cm 土層，PMN 含量隨著施氮量的增加而增加。與不施氮相比，施氮60 和120 kg/hm² PMN 含量分別顯著提高了7.8% 和10.8%。隨著土層加深，各處理PMN 含量均呈下降趨勢(shì) （圖3）。

供試土壤PMN 占STN 的1.52%～1.93%。綠肥種植對(duì)0—10和10—20 cm 土層PMN/STN 均有顯著影響，而施氮僅影響了0—10 cm 土層PMN/STN（表2）。在0—10cm 土層，與CK 相比，種植綠肥PMN/STN 顯著提高了11.7～16.2%，且不同綠肥處理間沒有顯著差異；在10—20 cm 土層，與CK 相比，SG 處理PMN/STN 顯著提高了14.5%。在0—10cm 土層，PMN/STN 隨著施氮量的增加而增加，其中施氮120 kg/hm² 較不施氮PMN/STN 顯著提高了10.4% （圖3）。

2.4 土壤微生物量氮

綠肥種植對(duì)0—40 cm 各土層土壤MBN 含量及其相對(duì)含量均有顯著影響，而施氮的影響僅體現(xiàn)在0—10 和10—20 cm 土層（表2）。

在0—10 和20—40 cm 土層，與CK 處理相比，種植綠肥MBN 含量分別顯著提高了15.1%～24.1%和22.3%～32.5%，且SB 處理較SG 分別顯著提高了7.79% 和8.31%；在10—20 cm 土層，與CK 處理相比，SB、SG 和MIX 處理MBN 含量分別顯著提高了28.8%、18.2% 和21.0%，且SB 處理較SG 和MIX 分別顯著提高了8.93% 和7.62%。在0—10 和10—20 cm 土層，MBN 含量隨著施氮量的增加而增加，其中施氮120 kg/hm² 處理較不施氮分別顯著提高了9.94% 和10.72%。隨著土層加深，MBN 含量呈逐漸下降趨勢(shì) （圖4）。

供試土壤MBN 占STN 的1.54%～2.16%。在0—10、10—20 和20—40 cm 土層，與CK 處理相比，種植綠肥MBN/STN 分別顯著提高了20.6%～21.9%、21.4%～27.9% 和23.0%～30.9%，且不同綠肥處理間沒有顯著差異。與不施氮和施氮60 kg/hm²處理相比，在0—10 cm 土層，施氮120 kg/hm² 處理MBN/STN 分別顯著提高了9.77% 和9.14%，在10—20 cm 土層，MBN/STN 分別顯著提高了7.91%和8.52% （圖4）。

2.5 相關(guān)性分析

STN 與年均氮輸入在3 個(gè)土層均不存在線性相關(guān)關(guān)系，而PON、MBN 與年均氮輸入在各土層均呈顯著正相關(guān)。除在10—20 cm 土層外，PMN 也與年均氮輸入呈顯著正相關(guān)（圖5）。STN、PON、PMN、M BN 兩兩之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（表3 ）。與PMN 和MBN 相比，PON 與STN 的相關(guān)系數(shù)最大，表明PON 可以更好地指示STN 的早期變化。

3 討論

與傳統(tǒng)裸地休閑相比，夏閑期種植綠肥并未使旱作冬小麥農(nóng)田STN 含量增加（圖1），這與姚致遠(yuǎn)等[24]在黃土高原地區(qū)的研究結(jié)果一致，表明土壤全氮這一指標(biāo)對(duì)綠肥種植管理的響應(yīng)并不顯著。施用氮肥可以影響微生物的數(shù)量、組成和活性，加快分解土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤供氮能力[25]，本研究中施用氮肥后10—20 cm 土層STN 含量顯著增加證實(shí)了這一點(diǎn)（圖1）。

PON 是土壤中的半活性氮組分，對(duì)表層土壤植物殘?bào)w的積累非常敏感，可作為土壤有機(jī)氮庫變化的早期指示指標(biāo)[26]。本研究中，綠肥種植較裸地休閑顯著提高了0—10 和20—40 cm 土層土壤PON 含量，且SB 和MIX 處理顯著高于SG 處理（圖2）。黃璐等[27]在黃土高原東南部的研究也表明，與其他綠肥作物相比，冬小麥休閑期種植翻壓大豆使得土壤PON 含量增加了31%。這可能是因?yàn)楦坏?、低碳氮比的綠肥殘?bào)w以及根系分泌物的輸入可以有效促進(jìn)土壤團(tuán)聚作用，加強(qiáng)土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)氮的保護(hù)，從而提高PON 含量[16]。施氮也能通過刺激作物根系生長，促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成進(jìn)而提高PON 含量[28]。本研究中施用氮肥顯著提高了10—20 cm 土層土壤PON 含量也證實(shí)了這一點(diǎn)（圖2）。PON/STN 可以反映土壤中有機(jī)氮可礦化比例大小[29]，其值越大，土壤供氮能力越強(qiáng)。本文PON/STN 變化范圍為19.0%～34.1%，與龔偉等[30]報(bào)道的20.8%～28.5% 相似。Qiu 等[31]在中國東北地區(qū)玉米地的研究表明，與CK 相比，施氮顯著增加了PON 含量以及PON/STN。本研究中，綠肥種植和施氮均顯著提高了PON/STN（圖2），表明綠肥配施氮肥能夠有效提高冬小麥農(nóng)田土壤供氮能力。

PMN 是衡量微生物對(duì)土壤有機(jī)氮礦化潛力的指標(biāo)，其占土壤全氮的比例越大，表明有機(jī)氮的穩(wěn)定性越差。根據(jù)Liu 等[32]的研究，我國農(nóng)田土壤平均氮潛在礦化量為30.8 mg/g，略高于本結(jié)果，這可能是因?yàn)楸狙芯抗┰囃寥纏H 偏堿性所致。根據(jù)前人報(bào)道，土壤氮礦化率與pH 呈顯著負(fù)相關(guān)[32?33]，高pH環(huán)境會(huì)抑制土壤氮礦化，降低土壤潛在礦化能力[34]。與裸地休閑相比，不同綠肥處理顯著提高了0—10、10—20 cm 土層PMN 含量，這可能是因?yàn)榫G肥翻壓入土后，殘?bào)w腐解釋放了大量氮素，氮輸入使得PMN增加[35]。施氮顯著增加了表層土壤PMN 含量（圖3），這與Hu 等[36]的研究結(jié)果一致。本研究中，綠肥種植和施氮均顯著提高了0—20 cm 土層PMN/STN （圖3），這可能是因?yàn)槲⑸锸峭寥赖V化過程中的主要驅(qū)動(dòng)因子[37?38]，而新鮮殘茬與無機(jī)氮的輸入可以刺激微生物活動(dòng)，進(jìn)而提高了土壤全氮中可礦化部分所占比例。

MBN 能夠指示土壤中被微生物所固定的氮，與PMN 一起被認(rèn)為是土壤有機(jī)氮庫的活性組分[39]。與裸地休閑相比，綠肥種植均顯著提高了0—40 cm 所有土層土壤MBN 含量（圖4）。近期的一項(xiàng)Meta 分析結(jié)果也表明，綠肥填閑種植使土壤MBN 含量提高了51%[40]。這可能是因?yàn)榫G肥翻壓入土后能為微生物群落提供穩(wěn)定的底物供應(yīng)， 使微生物快速增殖[41]。本研究中SB 較SG 處理顯著增加了MBN 含量，這可能是豆科綠肥較非豆科綠肥增加了年均氮輸入所致。施氮顯著提高了0—20 cm 土層MBN 含量（圖4），這與葉子壯等[42]的報(bào)道一致。本試驗(yàn)中最高施氮量低于旱作農(nóng)田常規(guī)施氮量（240 kg/hm² ），Treseder[43]研究亦表明，在氮負(fù)荷較低和持續(xù)時(shí)間較短的研究中，施氮使得MBN顯著提高。本試驗(yàn)中MBN/STN 變化范圍為1.54%～2.16%，這與羅雪梅等[44]報(bào)道的1.32%～2.45% 相近。與裸地休閑或不施氮相比，綠肥種植顯著提高了所有土層MBN/STN，施氮顯著提高了0—10 cm以及10—20 cm 土層MBN/STN （圖4），表明綠肥翻壓入土和施氮均刺激了微生物代謝活動(dòng)[1，45]，使得微生物更多地將氮素固定在自身體內(nèi)，增加了微生物的氮固持。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的裸地休閑相比，在黃土高原冬小麥夏季休閑期種植綠肥并未顯著影響土壤全氮含量，但通過提高系統(tǒng)年均氮輸入進(jìn)而提高了土壤顆粒有機(jī)氮、潛在礦化氮和微生物量氮及其相對(duì)含量，有效提高了土壤供氮潛力。與非豆科綠肥相比，豆科綠肥顯著提高了耕層土壤顆粒有機(jī)氮以及微生物量氮含量。氮肥施用提高了耕層土壤氮組分含量及其相對(duì)含量，但施氮與綠肥種植之間對(duì)氮組分的影響不存在交互作用。土壤全氮與其余氮組分兩兩間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中顆粒有機(jī)氮較其它組分更能指示土壤供氮能力變化。綜合來看，在黃土高原冬小麥單作系統(tǒng)中，引種豆科綠肥作物（例如長武懷豆） 和施氮120 kg/hm² 能顯著提高農(nóng)田土壤氮組分含量和供氮潛力，促進(jìn)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展。