长期不同施肥下肥料氮在黑土不同团聚体有机物中的固持差异

杨洪波，史天昊，徐明岗，段英华

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

近年来，东北黑土区的粮食总产量与种植面积仍在持续增长，但在大面积开发垦殖过程中，亦发生了严重的土地退化问题, 使肥沃的东北黑土肥力下降。土壤氮素是作物吸收氮素的主要来源[1]，而作为氮素的主要存在形态，土壤有机氮库的稳定性成为影响全球氮循环的重要因素之一。提高黑土有机氮库稳定性，阐明其稳定机制对于改善黑土氮循环和提高土壤肥力具有重要意义。

土壤团聚体对有机氮的物理保护是土壤固存有机氮的重要机制之一，而作为土壤理化性质的中心调节器，团聚体分形特征在很大程度上也影响着有机氮的化学和生物化学固定。陈恩凤等[2–5]多年对土壤肥力的系统研究表明，不同粒级微团聚体在有机氮的保持、供应及转化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。Kong等[6]研究发现，氮素转化周期在粉黏粒中为2.61个月，而在微团聚体和大团聚体中分别为9.30和24.10个月。可见，不同粒级团聚体的储氮能力不同，土壤团聚体的构成对土壤有机氮库的稳定性具有非常重要的意义。

Six 等[7–8]提出了新的土壤颗粒有机物 (POM) 在团聚体中的存在动力学模型，认为微团聚体内部存在两种保护机制或者稳定机制不同的两种组分，因此把微团聚体内部的有机物又分为物理保护有机物(iPOM) 和矿物结合有机物 (MOM)，以更好地评价有机物转化的速率。随后，国外一些研究[9–10]都采用此方法研究了农田管理措施对土壤有机氮活性的影响，发现不同团聚体的储氮能力不同，而微团聚体内部的iPOM和MOM的储氮能力也不相同。由于不同稳定机制团聚体的分离可更真实地反映有机物在土壤中的转化过程和土壤质量的演变过程，因此通过分离不同稳定机制的团聚体，深入分析有机氮在土壤中的分布特征，不但能够更准确地反映有机氮在土壤中的转化过程，而且可为筛选有利于保肥的土壤结构提供理论依据。本文选择长期施用不同肥料的黑土为典型材料，模拟田间试验添加15N标记的化学氮肥进行室内培养，采用Six等[7–8]的团聚体筛分法，研究了外源氮肥在不同稳定性团聚体中的固持情况，从而阐明不同施肥模式对黑土有机氮固存和周转的影响机制，为土壤肥力的培育和提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及施肥处理

长期试验位于吉林公主岭“国家黑土肥力长期试验站” (124°48′34″E，43°30′23″N)。该站地处温带半湿润区，海拔220米，年均气温4～5℃，年降雨量 450～600 mm，年蒸发量1200～1600 mm，无霜期约125～140 d，年日照时数2500～2700 h。土壤为中层黑土。试验始于1990年，初始耕层土壤有机质含量22.8 g/kg、全氮 (N) 1.40 g/kg、全磷 (P)1.39 g/kg、全钾 (K) 22.1 g/kg、碱解氮114 mg/kg、有效磷27 mg/kg、速效钾190 mg/kg、pH 7.6。种植制度为玉米连作，一年一熟。本研究选择该试验中的4个处理：不施肥 (CK)、氮磷钾 (NPK)、氮磷钾 + 秸秆 (NPKS)、氮磷钾 + 有机肥 (NPKM)。试验小区面积400 m2，无重复，随机排列[11]。

供试肥料氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾或硫酸钾。有机肥在1991—2006年间用猪粪，之后用牛粪。NPK处理中氮磷钾施用量为N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2和 K2O 2.5 kg/hm2。NPKM处理施氮总量与NPK处理一致，有机肥氮和化肥氮的比例为7∶3，有机肥作为底肥施用。NPKS处理秸秆施用量为7500 kg/hm2，秸秆粉碎后在7月中旬追肥后撒施在垄沟中，磷肥、钾肥和1/3的氮肥作基肥随播种施入，其余部分的氮肥于拔节前追施于表土层下约10 cm处，用小土钻打出5个10 cm深的洞，将溶解后的氮肥用注射器注射到小洞中。

1.2 培养试验设计

1.2.1 土壤样品采集 2014年，采集各处理表层0—20 cm的原状土，用“S”形法采集5点新鲜土样混合成一个样品，每个小区采集3个样品，带回实验室风干，过2 mm筛，分别测定理化性状 (表1)。

1.2.2 土壤样品培养与15N标记 称取1000 g土样到2 L的塑料瓶，加入15N丰度为20.12%的尿素，施用量为0.247 g/kg土 (N 0.115 g /kg土)，待充分混匀后，置于25℃培养箱中恒温控湿培养40天。湿度保持在20%左右 (约为田间持水量的60%)，用称量法定期补水，重复4次。培养完成后将土样风干，采用Six等的团聚体分离方法得到不同组分的有机物：粗游离颗粒有机物 ( ＞ 250 μm)、微团聚体有机物 (53～250 μm)、矿物结合有机物 ( ＜ 53 μm)、团聚体内矿物结合有机物 (MOM团内) 和团聚体外矿物结合有机物 (MOM团外)。筛分流程见图1。

1.3 样品分析方法

土壤全氮含量采用半微量蒸馏法。土壤团聚体中的15N丰度采用ISOPRIME100/VARIO PYRO CUBE质谱分析仪测定。

表 1 土壤基本性状Table 1 Soil basic properties

图 1 土壤团聚体有机物组分的物理分组流程图Fig. 1 Flow chart of physical fractionation of organic matter fractions in soil aggregates

1.4 数据处理与分析

1.4.1 平均重量直径 (MWD)

式中：n为整数 (n≥ i)，mi为各组分占全土重量比例 (kg团聚体/kg土)，ri为第i个筛的孔径大小(mm)。

1.4.2 各粒级团聚体中肥料氮的固持量

式中：X为各级团聚体中肥料氮固持量 (N mg/kg团聚体)；B为土壤15N丰度 (%)；C为自然丰度(0.3663%)；D为施用尿素15N丰度 (20.12%)；T为土壤样品中的全氮含量 (N mg/kg团聚体)。

1.4.3 全土中各粒级团聚体的肥料氮的固持量

式中：Nr为各级团聚体的肥料氮固持量 (N mg/kg土)；Xi为各级团聚体中肥料氮的固持量 (N mg/kg团聚体)；mi为各级团聚体占全土重量比例 (团聚体kg /kg土)。

1.4.4 肥料氮的固持效率

式中：Ef为固持效率 (%)；Nt为全土中肥料氮的固持量 (N g/kg土)；Nap为氮肥施用量 (N g/kg土)。

采用Excel进行数据处理，使用SAS 8.0对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 肥料氮在不同处理土壤中的固持量及固持效率

如图2所示，肥料氮在NPKM处理的土壤中固持量最高，为0.105 g/kg，较CK和NPK处理显著提高了0.006 g/kg和0.01 g/kg；其次是NPKS处理，固持量较NPK处理显著增加了0.005 g/kg；肥料氮在CK和NPK处理的土壤中固持量最低，为 0.099 g/kg和0.095 g/kg。表明有机无机配合施用可增加肥料氮在土壤中的固持。NPKM处理土壤对肥料氮的固持效率最高，为42.3%；其次是NPKS，为40.6%；最低为NPK处理，固持效率为38.6%。

2.2 不同施肥处理下土壤团聚体形态分布特征

黑土中粗游离颗粒有机物 (＞ 250 μm)、微团聚体有机物 (53～250 μm) 和矿物结合有机物 (＜ 53 μm) 的含量分别占全土的17.5%～27.8%、9.9%～10.7%和57.3%～67.1% (表2)。其中，微团聚体中物理保护有机物组分 (iPOM重组) 占95%以上，矿物结合有机物中MOM团内和MOM团外约各占50%。与CK和NPK处理相比，NPKM和NPKS处理下黑土的粗游离颗粒有机物含量显著提高约10%，而矿物结合有机物含量显著降低了约6%～10%。微团聚体有机物含量在4个处理间没有显著差异。在微团聚体有机物中，NPKS处理的细游离颗粒有机物(ffPOM轻组) 较NPKM处理略有提高，而物理保护有机物 (iPOM重组) 在4个处理间没有显著差异。NPKM和NPKS处理的矿物结合有机物含量较CK和NPK处理低，是因为增施有机物处理后矿物结合有机物中MOM团内组分降低了5%～11%，而MOM团外组分不同处理间没有显著变化。

图 2 长期不同施肥处理土壤的氮固持量和固持效率Fig. 2 Resided amounts and proportion of fertilizer N in black soil under different long-term treatments

表 2 不同施肥处理下土壤团聚体组成 (%)Table 2 Soil aggregate composition under different fertilizer treatments

2.3 不同施肥处理下土壤的平均重量直径

平均重量直径 (MWD) 能很好地反映土壤团聚体分布及稳定性，MWD值越大，团聚体越稳定。从图3可以看出，NPKM和NPKS处理土壤的MWD值均为0.34 mm，显著大于NPK和CK处理土壤的MWD值 (0.23～0.25 mm)，说明有机无机肥配施或无机肥结合秸秆还田有利于增强土壤团聚体的稳定性。

图 3 长期不同施肥处理下MWD值Fig. 3 The MWD value under different long-term treatments

2.4 不同处理各团聚体中肥料氮的含量

图4为根据各组分中15N丰度计算出的氮固持量(N mg/kg团聚体)。在所有施肥处理下，细游离颗粒(ffPOM，53～250 μm) 中化肥氮含量均显著高于其他组分；相反，物理保护有机物 (iPOM，53～250 μm)中化肥氮含量显著低于其他组分。具体来说，细游离颗粒 (ffPOM，53～250 μm) 中化肥氮含量为38.2～51.2 mg/kg团聚体；粗游离颗粒有机物(cfPOM，＞ 250 μm) 和矿物结合有机物 (MOM，＜ 53 μm) 中化肥氮含量比较接近，为18～36 mg/kg团聚体；物理保护组分 (iPOM，53～250 μm) 中化肥氮含量为3.7～6.2 mg/kg团聚体。

粗游离颗粒有机物 (cfPOM，＞ 250 μm) 中的化肥氮含量在CK处理下显著高于其他处理；细游离颗粒有机物 (ffPOM，53～250 μm) 中化肥氮含量在NPK处理下显著高于其他处理；物理保护有机物 (iPOM，53～250 μm) 中所有施肥处理间均没有显著差异。

2.5 不同处理土壤各团聚体中肥料氮的固持量

尽管细游离颗粒有机物 (ffPOM，53～250 μm)中化肥氮的含量较高 (图4)，但由于其在土壤中重量比例较小 (表2)，因此其固持的化肥氮量只有0.11～0.66 mg/kg，显著低于粗游离颗粒有机物(cfPOM，＞ 250 μm) 和矿物结合有机物 (MOM，＜ 53 μm) 固持的化肥氮量 (4.5～9.5 mg/kg)。

在CK和NPK处理下，粗游离颗粒有机物(cfPOM，＞ 250 μm) 氮固持量均显著低于矿物结合有机物 (MOM，＜ 53 μm)。但是在NPKM和NPKS处理下，粗游离颗粒有机物 (cfPOM，＞ 250 μm) 中固持量有所增加，矿物结合有机物 (MOM，＜ 53 μm)中氮素固持量有所减少，两者之间差异不显著。 ＜ 53 μm粒级中，CK和NPKM处理的外部矿物结合有机氮组分比微团聚体内部矿物结合有机氮组分固持量要大，只是氮固持含量在微团聚体内外部矿物结合有机氮组分上，四个处理呈CK、NPK、NPKS、NPKM顺序递减 (图5)，因为有机肥 (秸秆还田) 处理下，黏粒向大颗粒转化，矿物结合有机物组分减少，导致氮含量降低。

图 4 长期不同施肥处理下各团聚体中化肥氮含量Fig. 4 Fertilizer nitrogen contents in aggregate grades under different long-term treatments

图 5 长期不同施肥处理下各组分氮固持量Fig. 5 N contents of the components under different long-term treatments

3 讨论

本研究结果表明，长期不同施肥对土壤固氮效率的影响有很大的差异。长期化肥和有机肥配施的土壤对外源氮肥的固持量最大，为0.105 g/kg，固持效率达到了42.3%，其机制可从以下三个方面进行分析。

从团聚体组分来看，团聚体组分的比例决定了团聚体氮素的储量。本研究结果表明，团聚体有机氮总量主要分布在粗游离颗粒有机物 (cfPOM，＞ 250 μm) 和矿物结合有机物 (MOM，＜ 53 μm) 中，和粒级分布变化相一致。崔林等[12]的研究结果也表明无论是团聚体有机氮贮量还是矿质态氮贮量，都存在与团聚体组成比例相似的变化趋势。本文中化肥配施有机肥处理使 ＜ 53 μm矿物结合团聚体向 ＞ 250 μm粗游离颗粒团聚体转化，从而提高了土壤肥力，增加了氮储量。赵红等[13]研究显示有机无机肥配施可提高耕层土壤 ＞ 250 μm大团聚体的含量，徐阳春等[14]研究均显示长期施用有机肥可促进小颗粒向大颗粒转化。

从土壤稳定性来看，氮固持量与土壤结构稳定性呈正相关。氮素在土壤中主要以有机态存在，团聚体越稳定，有机氮的稳定性就越高，有利于减少氮的损失，提高土壤氮储量。而团聚体的形成与稳定，主要依赖于土壤中的有机质，有机质是土壤团聚体形成的重要胶结物[15]。长期化肥配施有机肥处理增加了土壤中的有机质含量[16–19]。平均重量直径(MWD) 则是表征团聚体稳定性的最重要和最常用指标[20]。本文中，施用有机肥和秸秆还田的平均重量直径 (MWD) 更大，增加了团聚体的稳定性。杨如萍等[21]对土壤水稳性团聚体平均质量直径 (MWD) 的研究表明，大团聚体 (粒径为250～1000 μm) 含量是影响土壤团聚体MWD的主要因素。

从各粒级固持量来看，土壤固持的氮素有63%～73% 固持在 ＜ 53 μm粒级组分中，因为与其他粒级相比，＜ 53 μm粒级比表面积更大，吸附能力更强，这与王岩等[22]的研究结果相同。而对于各团聚体氮固持总量来说，却呈CK、NPK、NPKS、NPKM顺序递减，原因可能是在湿筛过程中，可溶性有机氮被损失掉，而有机肥处理的可溶性有机氮较对照和无机肥多。从养分控制机制上解释，对照缺乏氮素，可溶性有机氮少，而有机无机配施土壤固存的氮素有很大一部分为可溶性有机氮，易在团聚体湿筛过程中损失[23]。Bergstrom等[24]采用渗漏计法比较了有机肥和化学氮肥的淋失情况，发现在施用等量氮素情况下，有机肥处理的淋失量较无机氮处理的高出30%。其他一些学者也发现，一定范围内，水溶性有机氮与有机物含量呈正相关。在 ＞ 250 μm颗粒有机氮组分上，NPKM处理比其他处理的固氮有效性高，可能是由于长期施用有机肥使该组分有机质含量较高，土壤碳氮比增加，促进了氮素的固定，又可能是有机肥的加入使土壤微生物量明显增加，提高了土壤微生物活性，土壤微生物与氮素的矿化和固持关系密切，具体原因需进一步探究。

参 考 文 献：

[ 1 ]李仁岗, 王淑敏, 王克武, 等. 冬小麦对土壤氮和肥料氮的吸收及氮素平衡的研究[J]. 土壤通报, 1982, 13(4): 12–22.Li R G, Wang S M, Wang K W,et al. Study on nitrogen uptake and nitrogen balance of winter wheat in soil and fertilizer[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1982, 13(4): 12–22.

[ 2 ]陈恩凤, 周礼恺, 邱风琼. 土壤肥力实质的研究 I. 黑土[J]. 土壤学报, 1984, 21(3): 229–237.Chen E F, Zhou L K, Qiu F Q. Study on the essence of soil fertility I.Black soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 1984, 21(3): 229–237.

[ 3 ]陈恩凤, 周礼恺, 邱风琼. 土壤肥力实质的研究 II. 棕壤[J]. 土壤学报, 1985, 22(2): 113–119.Chen E F, Zhou L K, Qiu F Q. Study on the essence of soil fertility II.Brown earth[J]. Acta Pedologica Sinica, 1985, 22(2): 113–119.

[ 4 ]陈恩凤, 周礼恺, 武冠云. 微团聚体的保肥供肥性能及其组成比例在评判土壤肥力中的作用[J]. 土壤学报, 1994, 31(1): 18–28.Chen E F, Zhou L K, Wu G Y. Performances of soil microaggregates in storing and supplying moisture and nutrients and role of their compositional proportion in judging fertility level[J]. Acta Pedologica Sinica, 1994, 31(1): 18–28.

[ 5 ]陈恩凤, 关连珠, 汪景宽, 等. 土壤特征微团聚体的组成比例与肥力评价[J]. 土壤学报, 2001, 38(1): 49–53.Chen E F, Guan L Z, Wang J K,et al. Compositional proportion of soil characteristic microaggregates and soil fertility evaluation[J].Acta Pedologica Sinica, 2001, 38(1): 49–53.

[ 6 ]Kong A Y Y, Fonte S J, van Kessel C,et al. Soil aggregates control N cycling efficiency in long-term conventional and alternative cropping systems[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2007, 79:45–58.

[ 7 ]Six J, Elliott E T, Paustian K. Aggregate and soil organic matter dynamics under conventional and no-tillage systems[J]. Soil Science Society of America Joumal, 1999, 63: 1350–1358.

[ 8 ]Six J, Elliott E T, Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: a mechanism for C sequestration under zero tillage agriculture[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2000, 32:2099–2103.

[ 9 ]Lichter K, Govaerts B, Six J,et al. Aggregation and C and N contents of soil organic matter fractions in a permanent raised-bed planting system in the Highlands of Central Mexico[J]. Plant and Soil, 2008,305: 237–252.

[10]Gentile R, Vanlauwe B, Kavoo A,et al. Residue quality and N fertilizer do not influence aggregate stabilization of C and N in two tropical soils with contrasting texture[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009, 12: 212–221.

[11]徐明岗, 娄翼来, 段英华. 中国农田土壤肥力长期实验网络[M]. 北京: 中国大地出版社, 2015. 18–19.Xu M G, Lou Y L, Duan Y H. National long-term soil fertility experiment network in arable land of China [M]. Beijing: China Geodetic Press, 2015. 18–19.

[12]崔林. 典型黑土区土壤团聚体中氮素的分布特征[D]. 哈尔滨: 东北林业大学硕士毕业论文, 2014.Cui L. Distribution characteristics of nitrogen fractions in soil aggregates in black soil region [D]. Harbin: MS Thesis of Northeast Forestry University, 2014.

[13]赵红, 袁培民, 吕贻忠, 等. 施用有机肥对土壤团聚体稳定性的影响[J]. 土壤, 2011, 43(2): 306–311.Zhao H, Yuan P M, Lü Y Z,et al. Effects of organic manure application on stability of soil aggregates[J]. Soils, 2011, 43(2):306–311.

[14]徐阳春, 沈其荣. 有机肥和化肥长期配合施用对土壤及不同粒级供氮特性的影响[J]. 土壤学报, 2004, 41(1): 88–92.Xu Y C, Shen Q R. Influence of long-term combined application of manure and chemical fertilzer on suppying characteristics of nitrogen in soil and soil particle fractions[J]. Acta Pedologica Sinica, 2004,41(1): 88–92.

[15]Tisdall J M, Oades J M. Organic matter and water-stable aggregates in soils[J]. Journal of Soil Science, 1982, 33(2): 141–163.

[16]袁玲, 杨邦俊, 黄建国. 长期施用有机肥和化肥对土壤有机质和氮素的影响[J]. 西南农业大学学报, 1993, 15(4): 314–317.Yuan L, Yang B J, Huang J G. Effects of long-term application of organic manures in combination with chemical fertilizers on organic matter and nitrogen in the soils[J]. Journal of Southwest Agricultural University, 1993, 15(4): 314–317.

[17]柳影, 彭畅, 张会民, 等. 长期不同施肥条件下黑土的有机质含量变化特征[J]. 中国土壤与肥料, 2011, (5): 7–11.Liu Y, Peng C, Zhang H M,et al. Dynamic change of organic matter in the black soil under long-term fertilization[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2011, (5): 7–11.

[18]王磊. 长期施用有机肥和秸秆还田对土壤有机质含量与土壤养分作物有效率的影响[J]. 科学之友, 2011, (4): 162–163.Wang L. Effect of long-term application of organic fertilizer and straw stalk on soil organic matter content and efficiency of soil nutrients in crop[J]. Friend of Science Amateurs, 2011, (4): 162–163.

[19]宋永林, 袁锋明, 姚造华. 化肥与有机物料配施对作物产量及土壤有机质的影响[J]. 华北农学报, 2002, 17(4): 73–76.Song Y L,Yuan F M, Yao Z H. Effect of combination of NPK chemical fertilizer and different organic materials on crop yield and soil organic matter[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2002, 17(4):73–76.

[20]Le Bissonnais Y. Aggregate stability and assessment of soil crustability and erodibility 1. Theory and methodology[J]. European Journal of Soil Science, 1996, 47(4): 425–437.

[21]杨如萍, 郭贤仕, 吕军峰. 不同耕作和种植模式对土壤团聚体分布及稳定性的影响[J]. 水土保持学报, 2010, 24(1): 252–256.Yang R P, Guo X S, Lü J F. Effects of distribution and stability of soil aggregate in different pattern of tillage and cropping[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(1): 252–256.

[22]王岩, 徐阳春, 沈其荣. 有机、无机肥料15N在土壤不同粒级中的分布及其生物有效性[J]. 土壤通报, 2002, 33(6): 410–413.Wang Y, Xu Y C, Shen Q R. Distribution of15N from organic and inorganic fertilizers in different size fractions of soil and its availability[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2002, 33(6):410–413.

[23]Neff J C, Hobbie S E, Vitousek P M. Nutrient and mineralogical control on dissolved organic C, N and P fluxes and stoichiometry in Hawaiian soils[J]. Biogeochemistry, 2000, 51: 283–302.

[24]Bergstrom L F, Krchmann H. Leaching of total nitrogen from nitrogen-15-labelled poultry manure and inorganic nitrogen fertilizer[J]. Journal of Environmental Quality, 1999, 28(4):1283–1290.