有机物料输入对关中土碳氮影响的后效作用

柳媛媛, 孙本华,3, 皮小敏, 张彤勋, 刘平静, 高明霞, 冯 浩,3,4

(1.西北农林科技大学 资源环境学院 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌 712100; 3.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院, 陕西 杨凌 712100; 4.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

1 试验材料与方法

1.1 研究地区概况

试验地点位于陕西省杨凌区西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站(108°24′E，34°20′N)，海拔521 m，属暖温带季风半湿润气候区，全年无霜期221 d，降水多集中在7—10月，年降雨量600～680 mm。供试土壤为土垫旱耕人为土，中壤质。耕层土壤基础养分含量：有机碳(8.99±0.57) g/kg，全氮(0.95±0.03) g/kg，全磷(0.82±0.03) g/kg，全钾(20.42±0.12) g/kg，速效磷(20.91±1.56) mg/kg，速效钾(132.75±2.50) mg/kg，土壤pH值8.32±0.05，土壤容重为1.37 g/cm3。2015年11月—2016年6月小麦作物生育期的温度和降雨量见图1。

1.2 试验设计

试验于2013年10月，采用的是小麦玉米轮作，供试小麦品种为小偃22，玉米品种为秦龙14。试验设5个处理：不施肥(CK)、单施氮磷肥(NP)、氮磷肥+有机肥(MNP)、氮磷肥+小麦秸秆还田(SNP)、氮磷肥+生物炭(BNP)。其中氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙。冬小麦施肥量：基肥为N 120 kg/hm2和P2O5100 kg/hm2，返青前追肥为N 30 kg/hm2；夏玉米施肥量：基肥为N 225 kg/hm2和P2O590 kg/hm2。所施用有机肥为西安紫瑞生物科技有限公司佳禾家旺生物有机肥，主要技术指标：有效活菌数(CFU)≥0.2亿个/g，有机质(以干基计)≥40%，水分≤30%。秸秆为粉粹小麦秸秆(5 mm)。生物炭由河南三利新能源有限公司提供，由小麦秸秆在550℃下无氧热解产生，其灰分46.7%，pH值10.25，过5 mm筛施用。除CK外，其他处理的氮磷肥用量一致。有机物料均是在2013—2014年度冬小麦和夏玉米播前施入，之后停止有机物料的输入，以观后效。3种有机物料(有机肥、秸秆、生物炭)的有机碳含量分别为18.8%，37.8%和49.0%；全氮含量分别是1.60%，0.76%和1.07%；C/N比分别是11.7，50.0，46.0。每个处理为3个重复，共15个小区，随机区组排列，小区面积为10 m2。

图12015年11月-2016年6月日最高、最低温度和日降雨量

1.3 样品采集及测定

土壤硝态氮累积量(kg/hm2)=土层厚度(cm)×硝态氮含量(mg/kg)×土壤容重(g/cm3)/10

土壤储水量(mm)=土层深度(cm)×土壤质量含水量(%)×土壤容重(g/cm3)/10

1.4 数据处理

数据经Excel 2003整理后，用SPSS 23进行统计分析，绘图由OriginPro 8.0和Excel 2003软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同有机物料对表层土壤碳氮含量的影响

由表1可知，冬小麦收获后，不同施肥处理对土壤有机碳含量影响不同。NP和MNP与CK没有显著差异。SNP和BNP较CK分别提高了29.5%和29.8%(p<0.05)，但二者之间差异不显著。与基础土壤有机碳相比，BNP与SNP显著提高了29.5%和29.3%(p<0.05)，CK，NP和MNP没有显著变化。冬小麦收获后，NP，MNP，SNP和BNP的土壤全氮含量较CK分别提高了22.0%，14.3%，24.2%和26.4%(p<0.05)。与基础土壤全氮相比，NP，MNP，SNP和BNP分别显著提高了16.8%，9.5%，18.9%和21.1%(p<0.05)。BNP处理的土壤可溶性有机碳显著高于其他处理(p<0.05)，分别比CK，NP，MNP和SNP提高了23.4%，10.9%，21.3%，20.5%(表1)。所有施肥处理的土壤可溶性有机氮均显著高于CK(p<0.05)，分别提高了39.3%，29.3%，34.5%和52.3%(表1)。

表1 不同处理土壤碳氮含量

注：小写字母表示同一列数据后不同字母表示差异显著(p<0.05)，下表同。

2.2 不同有机物料对剖面土壤硝态氮的影响

不同处理0—200 cm剖面土壤硝态氮分布随土层深度的增加而不同(图2)。除CK和BNP处理外，其余施肥处理均出现了硝态氮累积峰，其中MNP出现在60—80 cm，SNP出现在80—100 cm，而NP出现在100—120 cm。BNP处理的土壤硝态氮含量表层(0—20 cm)最高，并随土层深度的增加而波动下降。与CK相比，各施肥处理显著提高了表层(0—20 cm)土壤硝态氮含量(p<0.05)。与NP相比，各有机物料处理的土壤剖面硝态氮累积峰不同程度上移。

图2不同处理土壤剖面硝态氮分布

冬小麦收获后，不同处理土壤硝态氮累积量见表2。0—100 cm土层，与CK相比，NP，MNP，SNP和BNP均显著提高了硝态氮累积量(p<0.05)；与NP相比，MNP，SNP和BNP处理分别显著提高了48.1%，44.8%和26.1%(p<0.05)。100—200cm土层，硝态氮累积量占0—200 cm土层硝态氮累积量的范围为18.2%～43.7%；有机物料处理MNP，SNP和BNP的土壤硝态氮累积量分别比NP低12.0%，22.4%和35.2%(p<0.05)。0—200 cm土层，与NP处理相比，MNP和SNP的土壤硝态氮累积量显著提高了21.8%和15.4%(p<0.05)，而BNP则差异不显著。

表2 不同处理土壤累积量 kg/hm2

2.3 不同施肥处理对剖面土壤水分布的影响

冬小麦收获后在0—200 cm土层中，不同处理对剖面土壤水分分布影响较大(图3)。0—20 cm耕层土壤，相比CK，NP，MNP，SNP和BNP土壤含水量分别显著提高了12.7%，12.9%，10.7%和22.4%，且BNP处理显著高于SNP和MNP(p<0.05)。NP，MNP，SNP和BNP均在60—100 cm土层形成了水分低谷。

不同施肥处理下0—200 cm土壤储水量变化见表3。冬小麦收获后，0—40 cm和40—200 cm土层土壤储水量分别在91.0～108.9 mm和310.1～353.0 mm变化。0—40 cm土层，施肥处理(NP，MNP，SNP和BNP)的土壤储水量分别比CK高4.1%，11.5%，9.0%和19.7%(p<0.05)；所有有机物料处理(MNP，SNP和BNP)的土壤储水量均显著高于NP，且BNP显著高于MNP和SNP(p<0.05)。40—200 cm土层，不施肥CK的土壤储水量显著高于施肥处理(p<0.05)。0—200 cm土层储水量，不施肥CK显著高于施肥处理，且有机物料处理(MNP，SNP和BNP)显著高于NP，而各有机物料处理间差异不显著。

图3 不同处理土壤水分分布

3 讨 论

3.1 对表层土壤碳氮的后效作用

大量研究表明，与单施无机化肥相比，有机与无机肥配施更有利于土壤有机质含量的提高[18]。本研究结果表明，有机物料停施两年后，SNP和BNP的土壤有机碳与NP处理仍然差异显著，说明秸秆和生物炭的后效作用比较强，对土壤有机碳有显著的持续提升作用。MNP与NP的差异不显著，这与Gao等[19]的研究结果，施用有机肥可以增加土壤有机碳含量不一致，主要可能是因为他们是长达33 a长期定位试验，在后几十年施用的有机肥是鸡粪，其C/N是12.9，而本试验施用的商品有机肥碳氮比低，有利于有机碳矿化，而不利于有机碳积累。有机物料的投入会直接增加土壤有机质输入从而可提高土壤有机碳的含量[15]，本研究中，有机物料只在小麦和玉米播种时各施1次，之后停止施入，且所施用的有机肥为商品有机肥，其C/N小，相比秸秆和生物炭而言，易被土壤微生物分解利用，故后效弱。本研究中，小麦收获后土壤全氮与有机碳的变化趋势基本一致。生物炭具有提高和维持表层土壤肥力的显著后效作用，但这种后效作用能够持续的时间值得进一步研究。此外，相对于秸秆和商品有机肥而言，生物炭需要通过高温分解来获得，在生产过程中需要消耗能源，施用成本相对较高，其与其他有机物料如秸秆和商品有机肥的经济效益比较有待进一步研究。

可溶性有机碳、氮是土壤有机碳和氮库中易损失的组成成分之一，其受有机物料输入、微生物活性及数量等多种因素的影响[1]。本试验中BNP处理的可溶性有机碳与其他各处理差异显著，可能因为生物炭比较稳定，可以存留的时间较长，而有机肥和秸秆分解快，说明生物炭提升土壤肥力的后效比较强。本研究结果表明，与CK相比，施肥均能显著提高可溶性有机氮含量。梁斌等[20]的研究也表明，与不施肥相比，长期施用化肥能显著提高可溶性有机氮。施入的有机肥自身本就含一定数量的可溶性有机氮[21]，同时施用有机肥能改善土壤养分状况，促进作物根系分泌物增加，从而增加了可溶性有机氮含量[22]。丁婷婷等[23]研究表明秸秆还田是土壤可溶性有机氮重要的来源之一，因此秸秆还田可以增加土壤可溶性有机氮含量。有研究表明[24]生物炭对从沙土淋溶出的DON没有显著影响，而本试验生物炭对土壤可溶性有机氮含量的提升效果最好，可能与生物炭来源、试验时间及土壤类型等因素有关，其内在机制还需进一步探讨[10]。

3.2 对剖面土壤硝态氮和水分分布的后效作用

本研究结果表明，0—200 cm剖面中，土壤硝态氮分布和累积量随施肥措施的不同而有所不同。NP的硝态氮累积峰出现在100—120 cm，MNP和SNP的硝态氮累积峰出现在60—100 cm，而BNP表层硝态氮最大且仅在80—100 cm处出现一个小累积峰。相比NP，有机物料(MNP，SNP和BNP)剖面硝态氮累积峰均不同程度上移。0—100 cm土层，MNP，SNP和BNP的硝态氮累积量显著高于NP，其中BNP处理最低；而100—200 cm土层，各有机物料处理硝态氮累积量均显著低于NP。这些表明有机物料投入抑制了硝态氮向土壤深层淋溶[25]，在降低硝态氮淋溶方面均有一定的后效作用。有研究表明[26]，与化肥相比较，有机肥的投入可以降低土壤剖面硝态氮含量，阻止其累积峰向下移动。南镇武等[26]的研究结果也表明有机肥的输入可减少硝态氮向土壤深层淋溶，而化肥氮易向下淋失。0—20 cm BNP硝态氮含量最大，但0—100 cm硝态氮累积量显著低于SNP和MNP处理，说明生物炭可以增加耕层(0—20 cm)硝态氮含量，显著降低硝态氮的淋溶[27]。

本研究结果表明，CK耕层(0—20 cm)土壤含水量低于其他各施肥处理(图3)，说明施肥有利于表层土壤水分的提高，尤其是配施生物炭。CK处理0—40 cm土壤储水量显著低于各施肥处理，有机物料有利于提高上层土壤的储水量，特别是生物炭；40—180 cm土层，各施肥处理土壤含水量低于CK；40—200 cm和0—200 cm土壤储水量，施肥处理低于不施肥处理。这说明有机无机配施有利于提高表层土壤水分含量和储水量[28]，主要是因为不施肥CK处理的作物比较弱小，导致土壤耕层(0—20 cm)水分的蒸发较强，同时由于作物生长弱小从而对深层土壤水分的吸收利用减少[28]，施肥可促使小麦根系生长，使得其吸水空间增大，可提高对土壤深层水分的吸收利用[29]，NP，MNP，SNP和BNP处理均在60—100 cm 土层形成了水分低谷(图3)也表明了这一点。

4 结 论

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