黄土高原沟壑区种植植物和施肥对土壤矿质氮的影响

范 磊, 李永红, 徐 斌

(1.长安大学 环境科学与工程学院, 陕西 西安 710054, 2.西安市城市规划设计研究院, 陕西 西安 710082; 3.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 71210)

黄土高原沟壑区地势较高，坡度较大，水土流失严重，可利用耕地资源较少。对黄土高原沟壑区的耕地地力进行研究，查清耕地土壤地力状况和肥力水平，不仅能实现资源的优化配置，更能促进农业的可持续发展[8]。

1 试验地概况

测定土壤中速效氮的含量，能够相对的反映土壤的供氮水平，并可借此判断土壤是否有施用氮肥的必要[9]。试验采用实地种植结合长期观测的研究方法。采土样后带回试验测定，后期利用Excel软件处理数据。试验设在中国科学院黄土高原长武农业生态试验站模拟弃土场(2013年11月布设试验，2017年5月监测数据)，地理坐标为E107°41′，N35°14′，属暖温带半湿润大陆性季风气候，降雨季节分布不均，年均降水584 mm，地下水位50 m～80 m[10]。年均气温9.1 ℃，无霜期171 d。地带性土壤为黑垆土，母质是深厚的中壤质马兰黄土，土体疏松，通透性好，具有良好的“土壤水库”效应[11]。试验选取一片平整场地修建247个1 m×1 m小区种植植物，小区用砖块砌筑，长×宽×高为2 m×2 m×0.8 m，将附近生土充填进小区，填土厚度为70 cm，同时在每个小区内中央填埋2 m中子管，用中子仪测定土壤水分含量[12]。试验小区布置状况如图1所示。试验前土壤背景养分状况详见表1。

图1 土壤速效氮小区布局试验示意图

表1 试验地土壤养分状况

2 试验设计

植物主要是选择了在黄土高原沟壑区广泛应用于水土保持和绿化中的常见豆科、禾本科植物。分别是：柠条、紫穗槐、白三叶、草木樨和黑麦草。各植物生长特性详见表2。

表2 试验植物特性

植物播种设3种不同施肥处理方式，试验方案详见表3。

表3 试验方案

羊粪、秸秆(已粉碎)从当地农家购买。羊粪和秸秆均在种植植物前一次性施入土壤，肥料施入土壤10—20 cm，充分与土壤混合均匀，然后将土地平整。混播植物种子按1∶1比例播种，采用单播和混播两种方式。单播、混播方式均为条播。植物具体种植模式为： ①将柠条、黑麦草、草木樨分别在3种不同施肥处理下单播，重复1次。测定土壤养分，筛选对弃土场土壤改良效果明显的植物； ②选择紫穗槐与草木樨、黑麦草与白三叶在3种不同处理下混播，重复1次。测定土壤养分，筛选对弃土场土壤改良效果明显的植物；各个小区除施肥不同外，其他外部条件均保持一致。试验测试指标为：土壤含水量、有机质、速效氮(硝态氮、铵态氮)、速效磷、速效钾。

3 不同施肥条件下各植物小区土壤速效氮含量

氮素是植物生长必不可少的营养元素，占植物体干质量的0.3%～0.5%[13]。氮素是植物体内许多重要有机化合物的组分，也是遗传物质的基础，对植物生命活动以及作物产量和品质均有极其重要的作用[14]。缺少了氮会使植物生长矮小，降低产量。有研究表明，秸秆等废弃物转施用到土壤中，可以转化为生物质炭，可以提高土壤碳储存[15]。淋溶作用是土壤中氮素流失的主要途径[16]，研究表明农田土壤中氮素流失的另一个重要途径是氮的淋溶损失，施入土壤中的氮肥大约有10%～40%经土壤的淋溶作用进入了地下水体中[17]。弃土场土壤结构差，很容易发生淋溶作用。因此，有必要研究土壤中氮素的变化趋势，有力地促进了农业生产的发展，为高速公路弃土场的表层土壤肥力提高做科学指导。

3.1 不同施肥条件下植物小区土壤硝态氮含量

3.1.1 土壤0—10 cm层硝态氮含量 硝态氮在进入植物体后一部分还原成铵态氮，并在细胞质中进行代谢，其余部分可积累在细胞的液泡中，有时达到较高的浓度也不会对植物产生不良影响[18]。即硝态氮在植物体内的积累实际上是氮素”贮备”。这是作物营养生长期间的共性[19]。图2表示在不同施肥条件下，土壤0—10 cm层硝态氮含量。从图2可以看出，除柠条外其他植物土壤在施有机肥和秸秆下，土壤硝态氮含量均高于不施肥条件下含量。

图2 不同施肥条件下土壤0-10 cm硝态氮含量

在施有机肥条件下，各植物小区土壤硝态氮含量均高于对照。硝态氮含量大小顺序为：黑麦草+白三叶(10.28 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(9.68 mg/kg)>草木樨(9.47 mg/kg)>柠条(9.06 mg/kg)>黑麦草(8.77 mg/kg)。其中，黑麦草+白三叶增幅最大，比对照(AO)增加1.54 mg/kg，增幅为17.62%；增幅最小的为黑麦草，比对照增加0.03 mg/kg，增幅为0.34%；紫穗槐+草木樨与对照相比增加0.94 mg/kg，增幅为10.70%；草木樨增加0.73 mg/kg，增幅为8.35%；柠条增加0.32 mg/kg，增幅为3.66%。

植物在单播模式下，土壤硝态氮平均含量为9.10 mg/kg，比对照增加0.36 mg/kg；混播植物土壤硝态氮平均含量为9.98 mg/kg，比对照增加1.24 mg/kg。在施有机肥条件下，混播植物对土壤改良效果优于单播植物。

在施秸秆条件下，各小区土壤硝态氮含量大小顺序为：草木樨(10.34 mg/kg)>柠条(9.97 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(9.54 mg/kg)>黑麦草+白三叶(8.82 mg/kg)>黑麦草(8.51 mg/kg)。其中，黑麦草与对照(BO)相比，硝态氮含量降低，减少0.08 mg/kg，减幅为0.87%；其余植物均比对照(BO)高，其中，草木樨涨幅最大，增加1.76 mg/kg，增幅为20.45%；黑麦草+白三叶增加0.24 mg/kg，增幅最小为2.80%；紫穗槐+草木樨增加0.96 mg/kg，增幅为11.13%；柠条与对照相比，增幅为16.20%，增加了1.39 mg/kg。

植物单播模式下，土壤硝态氮平均含量为9.60 mg/kg，比对照增加1.02 mg/kg；混播植物土壤硝态氮平均含量为9.18 mg/kg，比对照增加0.60 mg/kg。在施秸秆条件下，植物单播土壤改良效果优于植物混播。

在不施肥条件下，各小区土壤硝态氮含量大小顺序为：柠条(9.74 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(9.33 mg/kg)>草木樨(9.03 mg/kg)>黑麦草+白三叶(8.71 mg/kg)>黑麦草(8.37 mg/kg)。与对照(CK)相比，黑麦草低于减少0.24 mg/kg，减幅为2.79%。其余均表现为升高。其中，柠条涨幅最大，比对照提高1.13 mg/kg，增幅为13.12%；黑麦草+白三叶增幅最小为1.16%，增长了0.10 mg/kg；紫穗槐+草木樨比对照增加0.72 mg/kg，增幅为8.36%；草木樨与对照相比提高了0.41 mg/kg，增幅为4.82%。

单播植物土壤平均硝态氮含量为9.05 mg/kg，比对照增加0.44 mg/kg；混播植物土壤平均硝态氮含量为9.02 mg/kg，比对照提高0.41 mg/kg。在不施肥条件下，单播植物对土壤改良效果优于混播植物。

图3 不同施肥条件下土壤10-20 cm硝态氮含量

在施有机肥条件下，各小区土壤硝态氮含量均高于对照(AO)。按照含量高低排列为：黑麦草+白三叶(10.02 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(9.57 mg/kg)>柠条(9.06 mg/kg)>黑麦草(8.86 mg/kg)>草木樨(8.55 mg/kg)。其中，黑麦草+白三叶增幅最大，比对照增加了1.51 mg/kg，增幅为17.69%；草木樨增幅最小，比对照增加了0.04 mg/kg，增幅为0.47%；紫穗槐+草木樨增加了1.06 mg/kg，增幅为12.46%；柠条增加了0.55 mg/kg，增幅为6.46%；黑麦草增加了0.35 mg/kg，增幅为4.11%。

单播植物土壤平均硝态氮含量为8.82 mg/kg，比对照增加了0.31 mg/kg；混播植物土壤平均硝态氮含量为9.80 mg/kg，比对照增加了1.29 mg/kg。混播植物对土壤改良效果优于单播植物。

在施秸秆条件下，所有小区土壤硝态氮含量均低于对照(BO)。各小区硝态氮含量排列顺序为：柠条(9.01 mg/kg)>草木樨(9.00 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(8.65 mg/kg)>黑麦草+白三叶(8.49 mg/kg)>黑麦草(8.32 mg/kg)。其中，黑麦草与对照相比，减少最多，降低了0.96 mg/kg，减幅为10.34%；柠条降低幅度最小，比对照减少了0.28 mg/kg，减幅为2.96%；草木樨减少0.28 mg/kg，减幅为3.02%；紫穗槐+草木樨减少0.63 mg/kg，减幅为6.79%；黑麦草+白三叶减少0.79 mg/kg，减幅为8.51%。

单播植物小区土壤平均硝态氮含量为8.78 mg/kg，比对照减少了0.50 mg/kg；混播植物小区土壤平均硝态氮含量为8.57 mg/kg，比对照减少了0.71 mg/kg。单播植物改良效果优于混播植物。

在不施肥条件下，紫穗槐+草木樨小区土壤硝态氮含量与对照(CK)相比，降低了0.23 mg/kg，减幅为2.81%。其余小区土壤硝态氮含量均高于对照，各小区硝态氮含量大小顺序为：草木樨(9.70 mg/kg)>柠条(8.68 mg/kg)>黑麦草+白三叶(8.64 mg/kg)>黑麦草(8.39 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(8.13 mg/kg)。其中，草木樨增幅最大，比对照提高了1.34 mg/kg，增幅为16.03%；黑麦草提高了0.03 mg/kg，增幅为0.36%；柠条提高0.32 mg/kg，增幅为3.77%；黑麦草+白三叶增加了0.28 mg/kg，增幅为3.29%。

单播植物土壤平均硝态氮含量为8.92 mg/kg，比对照增加了0.56 mg/kg；混播植物小区土壤平均硝态氮含量为8.38 mg/kg，比对照增加了0.02 mg/kg。单播植物对土壤改良效果优于混播模式。

施有机肥和秸秆条件下，土壤硝态氮含量普遍高于不施肥条件下含量[19]。在10—20 cm层施秸秆条件下，各小区硝态氮含量均低于对照。除此，在施有机肥和不施肥条件下，各植物小区土壤硝态氮含量均普遍高于对照。在施秸秆和不施肥条件下，植物单播对土壤改良更占优势。

3.2 不同施肥条件下植物小区土壤铵态氮含量

3.2.1 土壤0—10 cm层铵态氮含量 铵态氮主要被吸附和固定在土壤胶体表面和胶体晶格中，移动性较小，比较容易被土壤”保存”[22-23]。不同形态的氮在土壤中会相互转化。在适宜的温度、水分和通气条件下，在土壤微生物和酶的作用下，尿素水解为铵态氮，铵态氮氧化为硝态氮[24]。图4表示在不同施肥条件下土壤0—10 cm层，各小区土壤铵态氮含量。从图4可以看出，黑麦草+白三叶在不施肥条件下土壤铵态氮含量高于施肥条件。其余植物小区土壤在施肥条件(有机肥、秸秆)下铵态氮含量则高于不施肥条件下含量。

在施有机肥条件下，各小区土壤铵态氮含量均高于对照(AO)。其中，柠条与对照相比，增长幅度最大，增加了6.73 mg/kg；增长幅度最小的是草木樨，增加了0.14 mg/kg，增幅为4.3%；黑麦草增加了4.38 mg/kg，增幅为139.49%；紫穗槐+草木樨比对照增加了4.93 mg/kg，增幅为156.85%；黑麦草+白三叶增幅为153.18%，比对照增加了4.81 mg/kg。单播植物小区土壤平均铵态氮含量为6.89 mg/kg，比对照增加了3.75 mg/kg；混播植物小区土壤平均铵态氮含量为8.01 mg/kg，比对照增加了4.87 mg/kg。混播植物对土壤改良效果优于单播植物。

图4 不同施肥条件下土壤0-10 cm铵态氮含量

在施秸秆条件下，所有小区土壤铵态氮含量均高于对照(BO)。按照含量大小顺序为：黑麦草(8.17 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(5.75 mg/kg)>草木樨(4.53 mg/kg)>柠条(4.28 mg/kg)>黑麦草+白三叶(4.09 mg/kg)。其中，黑麦草与对照相比增长量最大，增加了4.46 mg/kg，增幅为120.08%；紫穗槐+草木樨次之，比对照增加了2.04 mg/kg，增幅为54.99%；增长量最小的是黑麦草+白三叶，增加了0.38 mg/kg，增幅为10.11%；柠条增幅为15.36%，比对照增加了0.57 mg/kg；草木樨比对照增加了0.82 mg/kg，增幅为22.10%。

在不施肥条件下，黑麦草+白三叶小区土壤铵态氮含量高于对照(CK)，比对照增加了2.66 mg/kg，增幅为40.53%。其余小区内土壤铵态氮含量均低于对照(CK)。与对照结果相比，黑麦草降低最大，减少了2.34 mg/kg，减幅为35.73%；紫穗槐+草木樨减小幅度最小，减少了1.65 mg/kg，减幅为25.11%；柠条减少了1.81 mg/kg，减幅为27.63%；草木樨减幅为30.84%，减少了2.02 mg/kg。

单播植物土壤铵态氮平均含量为5.66 mg/kg，比对照增加了1.95 mg/kg；混播植物土壤铵态氮平均含量为4.92 mg/kg，比对照增加了1.21 mg/kg。单播植物对土壤改良效果优于混播植物。

3.2.2 土壤10—20 cm层铵态氮含量 图5表示的是在不同施肥条件下，土壤10—20 cm层铵态氮含量。从图5可以看出，在不同的施肥条件下，各小区土壤铵态氮含量相差比较大。

图5 不同施肥条件下土壤10-20 cm铵态氮含量

在施有机肥条件下，各小区土壤铵态氮含量均高于对照(AO)。含量大小顺序为：黑麦草+白三叶(7.85 mg/kg)>柠条(7.45 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(7.37 mg/kg)>草木樨(6.78 mg/kg)>黑麦草(4.28 mg/kg)。其中，黑麦草+白三叶比对照(AO)增加最大，提高了4.34 mg/kg，增幅为123.65%；涨幅最小的是黑麦草，比对照增加了0.77 mg/kg，增幅为21.79%；柠条比对照增加了3.94 mg/kg，增幅为112.25%；草木樨比对照增加了3.27 mg/kg，增幅为93.16%；紫穗槐+草木樨与对照相比增加了3.86 mg/kg，增幅为109.83%。

单播植物土壤平均铵态氮含量为6.17 mg/kg，比对照增加了2.66 mg/kg；混播植物土壤平均铵态氮含量为7.61 mg/kg，比对照增加了4.10 mg/kg。混播植物改良效果优于单播植物。

在施秸秆条件下，各小区土壤铵态氮含量比对照(BO)均有所提高。其中，草木樨涨幅最大，比对照提高了5.88 mg/kg，增幅为170.78%；黑麦草+白三叶涨幅次之，比对照提高了5.77 mg/kg，增幅为167.73%；增长量最小的是柠条，比对照增加了0.45 mg/kg，增幅为13.08%；黑麦草比对照提高了4.65 mg/kg，增幅为135.17%；紫穗槐+草木樨与对照相比增长了0.56 mg/kg，增幅为16.13%。各小区土壤铵态氮含量大小顺序为：草木樨(9.32 mg/kg)>黑麦草+白三叶(9.21 mg/kg)>黑麦草(8.09 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(4.00 mg/kg)>柠条(3.89 mg/kg)。

单播植物土壤铵态氮平均含量为7.10 mg/kg，比对照提高了3.66 mg/kg；混播植物土壤铵态氮平均含量为6.61 mg/kg，比对照提高了3.17 mg/kg。单播植物改良效果优于混播植物。

在不施肥条件下，所有小区土壤铵态氮含量均高于对照(CK)。其中，黑麦草+白三叶增长幅度最大，比对照增加了6.01 mg/kg，增幅为187.81%；紫穗槐+草木樨增长幅度次之，增幅为136.41%，比对照增加了4.37 mg/kg；黑麦草增长幅度最小为18.28%，比对照增加了0.59 mg/kg；柠条比对照增加了1.24 mg/kg，增幅为38.59%；草木樨比对照增加了1.16 mg/kg，增幅为36.25%。铵态氮含量大小顺序列为：黑麦草+白三叶(9.21 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(7.57 mg/kg)>柠条(4.44 mg/kg)>草木樨(4.36 mg/kg)>黑麦草(3.79 mg/kg)。

单播植物土壤铵态氮平均含量为4.19 mg/kg，比对照提高了0.99 mg/kg；混播植物土壤铵态氮平均含量为8.39 mg/kg，比对照提高了5.19 mg/kg。在不施肥条件下，混播植物改良效果优于单播植物。

4 结 论

(1) 单播植物土壤平均硝态氮含量为8.92 mg/kg，比对照增加了0.56 mg/kg；混播植物小区土壤平均硝态氮含量为8.38 mg/kg，比对照增加了0.02 mg/kg。单播植物对土壤改良效果优于混播模式。

(2) 施有机肥和秸秆条件下，土壤硝态氮含量普遍高于不施肥条件下含量。在10—20 cm层施秸秆条件下，各小区硝态氮含量均低于对照。除此，在施有机肥和不施肥条件下，各植物小区土壤硝态氮含量均普遍高于对照。在施秸秆和不施肥条件下，植物单播对土壤改良更占优势。

(3) 单播植物土壤铵态氮平均含量为4.49 mg/kg，比对照减少了2.06 mg/kg；混播植物土壤铵态氮平均含量为7.06 mg/kg，比对照增加了0.51 mg/kg。混播植物对土壤改良效果优于植物单播。

(4) 土壤铵态氮含量在0—20 cm内整体来讲，施肥条件(有机肥、秸秆)下含量要高于不施肥条件下含量，除了个别几个小区外，普遍呈现这样的趋势。在施秸秆条件下10—20 cm层土壤中硝态氮含量相对来说要高一些。在3种不同施肥处理条件下，就0—20 cm层内土壤铵态氮含量与对照相比而言，混播植物对土壤改良效果更优于单播。

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