长期不同施肥下黑土和红壤团聚体氮库分布特征

刘 震，徐明岗，段英华*，张丽娟，张毅功

(1河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定071000;2农业部作物营养与施肥重点开放实验室，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081)

土壤供氮能力是决定作物高产稳产的重要因素之一［1－3］。土壤氮库的变化是一个相对较长的过程，利用长期施肥定位试验的长期性和处理的一致性来研究这一变化过程及施肥措施的影响具有明显的优越性。长期定位试验结果表明，不同施肥措施对土壤氮素培肥效果不同［4］。连续单独施化学氮肥80年，土壤全氮与不施肥相比，提高量不超过10%;而氮磷钾化肥配施有机肥能明显增加土壤氮库容并提高氮肥利用率［5］，有效减少氮的淋溶损失和提高子粒产量［6］。王娟等［7］研究结果表明，长期化肥配施有机肥，北方土壤全氮易累积，而南方土壤全氮含量保持稳定。

团聚体是土壤的基本结构单元，是土壤重要的组成部分［8］，是形成土壤良好结构的物质基础，能够综合的反映土壤整体的肥力状况［9］。不同粒级微团聚体在有机氮的保持、供应及转化能力等方面发挥着不同的作用，土壤微团聚体及其适宜的组合是土壤有机氮库的物质基础。不同施肥下全氮在耕层不同粒级团聚体中的含量差异较大［10］。有研究表明，施入土壤的化肥氮主要进入＜2 μm团聚体，而有机肥氮则有40% 50%进入2—10 μm团聚体［11］。棕壤施加有机肥后，全土及各粒级氮含量均有显著增加，粘粒中氮含量占全氮的比例最大［12］。与不施肥相比，单施无机肥不能提高土壤有机氮及不同组分有机氮含量，而施用有机肥可显著提高土壤总氮和除砂粒有机氮外的其他组分氮含量［13］。然而，对不同土壤类型间的团聚体氮素分布特征差异如何?不同施肥类型下土壤氮在不同粒级团聚体中固存差异如何?尚需进一步研究。

本研究利用始于1990年以来的吉林公主岭和湖南祁阳的长期定位施肥试验，研究不同施肥条件下氮素在黑土和红壤团聚体中分布特征的差异，探索通过改善土壤结构来提高土壤氮库容的培肥措施，为我国典型农区土壤肥力培育和土壤可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

供试土壤为黑土和红壤，除土壤全氮含量时间演变为历史数据外，其他数据来源的土样均于2011年分别采自吉林省公主岭市(东经124°48'，北纬43°30')和湖南祁阳县(东经 111°52'、北纬 26°45')的长期定位施肥试验。公主岭海拔220 m，年平均温度4 5℃，有效积温2600 3000℃，年降水量450 600 mm，年蒸发量1200 1600 mm，无霜期125 140 d，年日照时数2500 2700 h，土壤成土母质为第四纪黄土状沉积物。祁阳海拔120 m，年平均温度18.0℃，有效积温5600℃，年降水量1250 mm，年蒸发量1470 mm，无霜期300 d，年日照时数1610 h，土壤成土母质为第四纪红土母质发育的耕性红壤。这两个长期定位试验均始于1990年，试验前耕层土壤的基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

公主岭黑土种植制度为一年一熟玉米连作，祁阳红壤为一年两熟小麦—玉米轮作。长期定位试验设12个处理，本文选择其中4个处理:即不施肥(CK);氮、磷、钾化肥配施(NPK);氮、磷、钾化肥与有机肥配施(NPKM);秸秆还田配施NPK化肥(NPKS)。同一土壤所有施氮小区的总施氮量相同，其中有机无机肥配施处理中的有机肥氮施用量占全氮量的70%。每年氮、磷、钾肥施用量(以N、P2O5、K2O计)如下:黑土分别为 N 165 kg/hm2，P2O582.5 kg/hm2，K2O 82.5 kg/hm2;红壤分别为 N 300 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2。有机肥为新鲜猪粪，不考虑其中磷、钾养分。公主岭黑土小区面积400 m2，无重复;祁阳红壤小区面积196 m2，重复2次。两个试验点各小区之间均用深度为70—100 cm水泥埂隔开，地表露出10 cm加筑土埂，避免漏水渗肥。

表1 试验前(1990年)2个长期定位试验土壤基本理化性质Table 1 Basic soil physical and chemical properties at the beginning of long-term fertilization experiments(1990)

1.3 样品采集与分析

土壤样品于每年玉米收获时按“之”字型采集0—20 cm的土壤，每区取10个点混合成一个样。土壤采集后在室内风干、磨碎，分别过1 mm和0.25 mm筛备用，弃去＞2 mm的有机物和沙砾。土样理化性质采用常规方法［14］进行分析。土壤微生物氮采用氯仿熏蒸培养法［15］进行测定。

土壤团聚体分级采用湿筛法［16－17］并加以改进，分为4 个粒级:＜2 μm、2 53 μm、53 250 μm和250 2000 μm团聚体。具体分离方法为:称取50 g风干土壤样品，放入14 cm的带盖的培养皿铺平，然后从培养皿边用胶头滴管缓慢加入约比田间持水量高出5%的水分，使得土壤慢慢吸水，待土壤全部湿润后静置15分钟。将静置后的土样放入一套三个粒径的筛(53、250和2000 μm)进行湿筛(套筛)，湿筛时土样不可露出水面，在筛桶中加水时水面不可高过最上面筛子的边缘(筛子位于振幅最低处)。浸于加好去离子水的团粒仪筛桶内5 min，启动团粒仪，使套筛垂直上下3 cm幅度内筛分20 min。分离出 53 250 μm，250 2000 μm 的土壤团聚体。＜2 μm和2 53 μm的土壤团聚体采用离心法收集，根据Stockes定律计算每一个粒级颗粒分离的离心时间，用离心机对洗出液进行离心，通过不同的离心速度和离心时间分离得到。其中＜2 μm悬液采用0.2 mol/L CaCl2絮凝，再离心收集。各组分转移至铝盒后，先在水浴锅上蒸干，然后置于烘箱内，60℃下12 h烘干。烘干后各组分磨细过0.15 mm筛，称重并测定全氮含量。

1.4 数据处理与统计检验

供试土壤各级团聚体的氮素积累量(g/kg)=该粒级团聚体质量(g)×该粒级团聚体含氮量(g/kg)÷50(g)

某粒级团聚体氮素贡献率(%)=某粒级团聚体氮积累量(g/kg)÷各粒级团聚体氮积累量之和(g/kg)×100

试验结果统计与分析采用SPSS和Excel软件进行，不同施肥处理之间采用LSD法进行差异显著性检验(P＜0.05显著，P＜0.01极显著)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥下全氮含量及年平均土壤全氮含量

施用氮肥可显著提高土壤全氮含量(图1)。与CK相比，NPK、NPKM和NPKS处理黑土全氮含量分别增加了43%、106%和34%;红壤全氮含量分别增加了41%、106%和50%。与NPK处理相比，NPKM处理黑土和红壤土壤全氮分别增加了43%和45%，而在NPKS处理无显著差异。可见，无机肥配施有机肥可显著提高土壤中全氮的含量，而秸秆还田对土壤全氮无显著影响。

图1 长期施肥下的黑土和红壤的全氮含量Fig.1 Total nitrogen concentrations in black and red soils under the long-term fertilizations

长期不同施肥条件下，黑土和红壤全氮含量的演变趋势不同(图2)。黑土全氮含量在长期CK和NPK处理下呈显著下降趋势(P＜0.05)，年下降速率均为0.015 g/(kg·a);在NPKM处理下，以0.025 g/(kg·a)的速率显著上升(P＜0.05);在NPKS处理下则保持持平趋势。长期不施肥(CK)、施用化肥NPK及NPKM和NPKS处理下，红壤全氮含量均没有显著变化。

图2 长期施肥黑土和红壤全氮含量时间变化Fig.2 Temporal variations of nitrogen concentrations in black soils and red soils under the long-term fertilizations

2.2 不同施肥下土壤微生物氮含量

与CK相比，NPK处理提高了黑土微生物氮含量，而对红壤微生物氮含量没有显著影响(图3)。但化肥配施有机物后，黑土和红壤微生物氮含量均显著提高。与CK处理相比，NPKM、NPKS处理黑土微生物氮含量分别增加了55%和74%，祁阳红壤微生物氮含量分别增加了41%和53%。施用有机肥可显著提高土壤微生物氮含量，而秸秆还田对土壤微生物氮含量无显著影响。与NPK处理相比，NPKM处理黑土和红壤微生物氮含量增加了15%和43%(P＜0.05)。

图3 长期施肥下的黑土和红壤的微生物氮含量Fig.3 Soil microbial biomass nitrogen concentrations in black and red soils under the long-term fertilizations

2.3 不同施肥下土壤团聚体中氮积累量

从图4可以看出，土壤氮素在黑土上主要累积在2～53 μm微团聚体中，而在红壤上主要累积在＜2 μm微团聚体中。黑土上，2～53 μm微团聚体中氮素积累量为0.73～1.21 g/kg，在其他团聚体中为0.04～0.25 g/kg。红壤上，＜2 μm微团聚体中氮素积累量为0.46～0.98 g/kg，在其他团聚体中为0.03～0.42 g/kg。

与CK处理相比，长期施用化肥能够增加黑土和红壤53～250 μm和＜2 μm微团聚体中氮的积累，而对250～2000 μm大团聚体中氮的累积无显著影响，但化肥配施有机肥可显著提高250 2000 μm大团聚体中氮积累量。如在长期化肥配施有机肥条件下，黑土和红壤250～2000 μm大团聚体中氮积累量较CK处理下分别显著增加了129%和552%;在长期秸秆还田配施化肥条件下，较CK处理下分别显著增加了16.7%和405%。

与NPK处理相比，NPKM处理＜2 μm、2～ 53 μm和250 2000 μm团聚体中氮积累量在黑土上分别增加了22.9%、36.1%和112%，在红壤上分别增加了45.8%、18.4%和196%;53～250 μm团聚体氮积累量在黑土上增加了74.0%，在红壤上无显著增加。长期秸秆还田对黑土各团聚体中氮积累量均无显著影响，在红壤上促进了250～2000 μm大团聚体中氮的累积，减少了2～53 μm团聚体中的累积。

图4 长期施肥下不同团聚体中氮积累量Fig.4 Total nitrogen accumulation amounts in different aggregates under the long-term fertilizations

2.4 不同施肥下土壤团聚体氮贡献率

由表2可见，黑土中64.4% 80.0%的氮素分布在2 53 μm微团聚体中，而红壤中60.4%62.7%的氮素分布在＜2 μm微团聚体中。可见，黑土上氮素主要分布在2～53 μm微团聚体中，红壤上氮素主要分布在＜2 μm微团聚体中。

与CK相比，长期施肥显著减低了黑土2 53 μm微团聚体中氮的贡献率，增加了＜2 μm和53 250 μm微团聚体中氮的贡献率。对红壤来说，长期施肥显著降低了53～ 250 μm微团聚体中氮的贡献率，提高了250～2000 μm大团聚体中氮贡献率。

与NPK处理相比，NPKM和NPKS处理下黑土250～2000 μm大团聚体中氮贡献率分别增加了4.3和1.4个百分点;NPKM和NPKS处理下红壤250～2000 μm大团聚体中氮贡献率分别增加了5.1和5.7个百分点，而2～53 μm微团聚体中氮贡献率分别降低了5.9和9.7个百分点。

表2 长期不同施肥下土壤团聚体中氮的贡献率(%)Table 2 Contribution of N in aggregates to total N under the long-term different fertilizations

3 讨论与结论

本研究结果表明，长期有机无机肥配施，黑土全氮含量呈显著上升趋势(图1)。红壤全氮含量在长期有机无机肥配施条件下，尽管统计上没有显著增加，但施肥22年后显著高于其他处理。这与前人的研究结果是一致的［18－19］。梁国庆等［20］研究结果表明，高量有机肥与氮磷钾化肥配施能有效增加土壤养分含量，是提高生产力水平和培肥地力的最佳施肥结构。长期秸秆还田，尽管土壤全氮含量没有显著增加，但是微生物氮含量有了显著增加(图3)。微生物氮被认为是土壤活性氮的储存库，是作物生长可利用养分的重要来源，是土壤中有机、无机态氮转化的关键环节之一［21］。施用有机肥和秸秆还田土壤微生物氮的显著增加说明施用有机物有利于土壤微生物的培育，促进了土壤的氮循环。

较小的微团聚体有较好的氮储备能力，而较大粒级的微团聚体中则因有机质易矿化，其氮素养分的供应能力强［22］。本研究结果表明，氮素在黑土上主要储存于2 53 μm微团聚体中。在红壤上储存于＜2 μm微团聚体中。可见，不同土壤上氮素的储存库是不同的。侵蚀性旱地土壤氮主要分布在＜50 μm的粘粒和粉粒中［23］，而长期施肥的紫色土上全氮则主要分布在大于250 μm粒级大团聚体中，其次是53 250 μm微团聚体中，粉粒和粘粒组分中分布最少［24］。

施入土壤中的肥料氮在土壤的转化和分布是一个渐进的过程。本研究结果表明，施用有机肥后黑土和红壤250 2000 μm大团聚体中氮贡献率显著增加。这是因为当无机肥施入土壤时，容易矿化分解而成的氮最先进入粒级相对较小的团聚体当中，随着时间推移，通过植物根系的吸附、微生物作用以生物形式残留于大团聚体中。而有机肥中的氮，一部分会被微生物分解为无机氮从而被吸收利用，另外一部分较难降解的部分则会残留于较大粒径中［25］。因此，施用有机肥后，黑土和红壤大团聚体中的氮对全氮贡献率显著提高，说明施用有机肥可提高土壤供氮能力。与黑土不同的是，施用有机肥后红壤中2 53 μm微团聚体中氮贡献率显著下降，这可能是由于有机肥的施用提高了土壤微生物活性，进而促进了小团聚体中氮素向大团聚体中的转移。可见，施用有机肥可增加250 2000 μm大团聚体中氮含量，一方面可提高土壤全氮含量，另一方面可提高对作物的养分供应能力，是一种可提高土壤供肥能力与生产力，实现农业可持续发展的培肥措施。

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