不同耕作方式下蚯蚓和秸秆还田对土壤氮素的影响

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(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049; 3.中国水利水电科学研究院，北京100038)

0 引 言

东北平原是我国主要的粮食生产基地，被誉为中国的粮仓。整个东北地区的粮食总产量约占全中国粮食总产量的15%左右[1]。土壤氮是作物生长必需的矿质营养元素，其含量与粮食生产能力和生产潜力密切相关[2-4]。充足的土壤氮含量不仅能够为植物提供养分，促进植物的生长，提高产量，还能维持土壤的生态稳定性,提高有机氮的比例，进而提高土壤肥力[5-6]。

保护性耕作是指在田间秸秆覆盖度达到30%以上，且最大限度地减少土壤扰动[7]。免耕是保护性耕作的一种形式[8]。免耕能够增加土壤有机质含量，改善土壤结构，提高土壤质量，还可以保护土壤和水资源，保护生态环境，减少CO2排放，对缓解全球气候变暖起到重要的作用，同时可以减少成本和劳动投入，为农民带来经济效益[7,9-11]。免耕下秸秆还田能有效增加土壤有机碳、氮、磷、钾及微量元素等营养成分，对改良土壤结构，培肥地力，减少化肥用量，促进秸秆资源循环高效利用及消除秸秆焚烧造成的大气污染等具有十分重要的意义[12]。秸秆的添加对土壤的理化性质也具有一定的影响，能够降低土壤容重[13]，增加土壤孔隙度，改变土壤含水率[14]。实施免耕后土壤中蚯蚓数量显著增加[15-17]。蚯蚓通过对土壤的取食、钻孔及自身代谢产生的粪便和分泌物提高了植被生产力，增加了土壤碳库存量和土壤—大气间的碳通量，增加了生物固氮作用，加速了凋落物的碎屑和分解，加快了土壤氮素的矿化和反硝化作用的进行，减少了土壤氮的淋失[18]。蚯蚓洞穴在水分、空气和溶质迁移以及微生物和动植物的生长中起着重要的作用[19-22]，进而影响着土壤中氮的动态变化。蚯蚓对氮矿化的影响,可能与蚯蚓自体代谢分泌和直接排泄富含有效氮的物质有关[23-26],也可能是蚯蚓活动促进了土壤微生物向营养源丰富部位的扩散及其活性的提高[27-29],从而加快了微生物对氮的周转和释放，秸秆还田后土壤微生物活性也会发生明显变化。然而，免耕和传统性耕作下秸秆还田与蚯蚓增加双重作用下土壤氮会呈现怎样的变化，尚没有清晰的回答。

本研究拟以保护性耕作长期定位试验为研究平台，通过室内培养实验，探讨实施免耕和传统性耕作后蚯蚓作用下土壤氮含量的动态变化。研究结果对于寻求合理有效的耕作方式以提高黑土地力和保障粮食持续增产具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 土壤样品和蚯蚓来源

土壤样品采自位于吉林省长春市米沙子乡晨光村(44°12′N，125°33′E)的建于2001年秋的保护性耕作长期定位试验小区，小区采取单因素裂区、4个重复的随机区组设计。单因素为耕作方式：4水平(免耕、带耕、垄作和传统性耕作)。本文仅选取免耕(NT)和传统性耕作(CT)小区，于2016年玉米收获后采用PVC管(直径10 cm，高15 cm)进行原状土壤样品采集。样品带回实验室后进行室内培养实验。研究地点所在区域气候为温带大陆性季风气候，全年平均气温为4.4 ℃，全年平均降水量为520 mm，且超过全年降水量的70%都集中在6月、7月和8月。土壤类型为中层典型黑土(Typic Hapludoll)和壤质黏土(36.0%黏粒，24.5%粉粒和39.5%砂粒)。试验前该区已经采用常规耕作种植玉米超过20年[30]。

1.2 培养实验布置

在CT和NT的样品中分别加入4.5 g长度小于5 mm的玉米秸秆和3条蚯蚓(赤子爱胜蚯蚓)，且CT中秸秆被翻埋到土壤中，与土壤充分混合， NT下秸秆覆盖于原状土壤表面。具体处理如下：

NN：对照，不添加蚯蚓，不添加秸秆；NS：不添加蚯蚓，添加秸秆；ES：添加蚯蚓，添加秸秆；EN：添加蚯蚓，不添加秸秆；每个处理4次重复。

1.3 统计分析

采用最小显著性差异(LSD)检验秸秆和蚯蚓添加、耕作措施和土壤深度对土壤氮的影响在0.05水平上的差异。所有统计分析均采用SPSS16.0软件进行，采用Origin8.1绘图。

2 结果与分析

2.1 不同耕作处理下土壤全氮含量变化

传统性耕作下4种处理土壤全氮含量在0～2.5 cm与2.5～5 cm深度均没有显著性差异(P>0.05)，同一土层全氮含量在4种处理之间也没有显著性差异(P>0.05)，见图1。免耕下4种处理土壤全氮含量则在0～2.5 cm与2.5～5 cm两个土层之间都具有显著性差异(P<0.05)，且表层0～2.5 cm全氮含量明显高于2.5～5 cm。仅在2.5～5 cm土层中，添加秸秆处理显著高于对照处理(P<0.05)。

注：平均值±标准误，n=4；相同的小写字母代表同一耕作措施下不同处理之间不具有显著性差异；相同的大写字母代表同一种处理下不同的耕作措施之间不具有显著性差异；n.s.代表各处理之间不具有显著性差异；*代表各处理之间具有显著性差异。下同。Note:Mean value ± standard error,n=4; Different treatments indicated by the same lower case letter are not significantly different under the same tillage; Different tillages indicated by the same upper case letter are not significantly different under the same treatment; Treatments indicated by the same upper case letter are not significantly different at P<0.05 on the basis of one-way ANOVA in the same days;n.s.means no significantly different between different treatments under the same tillage; * means significantly different between different treatments under the same tillage.The same is as below.图1 土壤全氮含量Fig.1 Soil total nitrogen contents under different treatments

在0～2.5 cm土层中4种处理全氮含量在免耕与传统性耕作之间均存在显著性差异(P<0.05)。在2.5～5 cm土层中，只有添加秸秆处理下的免耕与传统性耕作土壤全氮含量存在显著差异(P<0.05)。

2.2 不同耕作处理下土壤铵态氮含量变化

传统性耕作下4种处理0～2.5 cm与2.5～5 cm土层铵态氮的含量之间没有显著性差异(P>0.05)，见图2。添加秸秆NS处理下，0～2.5 cm土层铵态氮含量大于2.5～5 cm土层，添加秸秆和蚯蚓处理则是0～2.5 cm土层中的铵态氮含量小于2.5～5 cm土层，只添加蚯蚓的处理中两层土壤铵态氮含量几乎相等。同一深度来看，仅2.5～5 cm土层添加秸秆和蚯蚓处理下铵态氮含量显著高于其他处理(P<0.05)。

图2 土壤铵态氮含量Fig.2 Soil contents under different treatments

免耕下4种处理两土层中铵态氮的含量仅在0～2.5 cm土层下，添加蚯蚓处理的铵态氮含量与对照和添加秸秆处理的铵态氮含量之间存在显著性差异(P<0.05)。在0～2.5 cm土层和2.5～5 cm土层下的铵态氮含量顺序为：NS

0～2.5 cm土层中，铵态氮含量在两种耕作方式的各个处理下都没有显著性差异(P>0.05)，但添加蚯蚓EN处理，免耕土壤铵态氮含量明显大于传统性耕作(P=0.088>0.05)。

2.5～5 cm土层中，两种耕作方式的铵态氮含量仅在对照NN处理下具有显著性差异(P<0.05)。但从图上可以看出在所有处理下免耕土壤的铵态氮含量大于传统性耕作。

2.3 不同耕作措施下土壤硝态氮含量变化

传统性耕作下，NS、EN处理的0～2.5 cm与2.5～5 cm土层硝态氮含量之间存在显著性差异(P<0.05)，且所有处理表层0～2.5 cm土层硝态氮含量大于2.5～5 cm土层。同一土层NN、ES和EN之间硝态氮含量没有显著差异，但均显著高于NS，0～2.5 cm和2.5～5 cm土层分别表现出NN>ES>EN>NS和ES>NN>EN>NS的趋势，见图3。

图3 土壤硝态氮含量Fig.3 Soil contents under different treatments

免耕下，NS、NN处理的0～2.5 cm与2.5～5 cm土层硝态氮含量之间存在显著性差异(P<0.05)，且表层0～2.5 cm硝态氮含量显著高于2.5～5 cm。在0～2.5 cm土层，添加蚯蚓处理显著高于其他3种处理(P<0.05)。

0～2.5 cm和2.5～5 cm土层中，只有NS处理下免耕和传统性耕作土壤硝态氮含量存在显著性差异(P<0.05)，且免耕高于传统性耕作。

2.4 不同耕作处理下溶解性有机氮含量变化

传统性耕作下，0～2.5 cm土层NS和EN的溶解性有机氮(DON)含量显著大于2.5～5 cm(P<0.05)。同一土层4种处理DON含量都没有显著性差异(P>0.05)，且在两个土层分别表现为NN>ES>EN>NS和ES>NN>EN>NS的变化趋势，见图4。

图4 土壤溶解性有机氮含量Fig.4 Dissolved organic nitrogen(DON) contents under different treatments

免耕下， ES和NN的0～2.5 cm土层中DON含量则显著大于2.5～5 cm土层(P<0.05)。同一土层来看，只有0～2.5 cm深度EN处理DON含量显著高于其他处理(P<0.05)，2.5～5 cm土层中，EN显著大于NS和NN(P<0.05)。

在0～2.5 cm和2.5～5 cm土层，4种处理下免耕土壤DON含量均高于传统性耕作。在0～2.5 cm的NS与EN处理下，两种耕作方式下DON含量达到显著性差异(P<0.05)，在2.5～5 cm的NS处理下，免耕与传统性耕作土壤DON含量达到显著性差异(P<0.05)。

3 讨 论

土壤矿质氮尽管占土壤中全氮含量的比例不高,却最易被植物吸收,具有重大的农学意义[32]。本研究结果发现，传统耕作下不论是添加蚯蚓还是秸秆，都没有改变全氮在土壤剖面上的分布。可能是由于传统性耕作翻动土壤，使土壤全氮在整个土层上分布比较均匀。免耕不对土壤进行翻动，大量秸秆在0～2.5 cm土层积累，造成表层0～2.5 cm土壤全氮含量明显高于2.5～5 cm土层中的全氮含量。

蚯蚓的活动能够明显促进秸秆进入土壤[33-34]，使上下两层土壤中的秸秆含量更加均匀。矿质态氮易随其它物质的运移而流失。在传统性耕作中，蚯蚓有助于铵态氮在0～2.5 cm与2.5～5 cm层均匀分布；使未添加蚯蚓的NN和NS处理中0～2.5 cm土层铵态氮含量大于2.5～5 cm土层；而添加蚯蚓的处理中0～2.5 cm土层铵态氮含量小于或者等于2.5～5 cm土层。免耕未对土壤进行翻动，且表层含有大量的原秸秆，使铵态氮富集在表层；但铵态氮是在厌氧条件下产生的，导致2.5～5 cm土层铵态氮含量较0～2.5 cm土层高。在上述两个综合作用下各处理间0～2.5 cm与2.5～5 cm土层之间铵态氮含量没有显著差异。硝态氮是在好氧条件下产生的，所以一般表层含氧量高于亚表层，且免耕土壤中含有大量的原秸秆，所以在免耕和传统性耕作下，0～2.5 cm土层硝态氮含量都大于2.5～5 cm土层。传统性耕作下土壤DON的均一性较好，且蚯蚓在短时间内提高了土壤DON占总氮的质量分数，容易导致氮向下运移或流失[35]，但传统性耕作土壤表层0～2.5 cm土层含氧量大于2.5～5 cm土层，所以该耕作方式下4个处理 0～2.5 cm土层DON含量大于2.5～5 cm土层，而免耕下0～2.5 cm土层DON含量大于2.5～5 cm土层，则是因为免耕表层含有大量秸秆所致，且免耕土壤较为紧实，DON不易向下迁移。

3.1 两种耕作方式下只添加秸秆处理对土壤氮素含量的影响

当土壤中有机质含量较低时，新加入的秸秆会对原秸秆的分解有促进作用[36-37]。本研究中传统性耕作土壤0～2.5 cm和2.5～5 cm土层的有机碳含量分别为18.7 g·kg-1和18.5 g·kg-1；在免耕下的0～2.5 cm和2.5～5 cm土层的有机碳含量分别为28.1 g·kg-1和20.9 g·kg-1。所以与免耕土壤相比，传统性耕作中新加入的秸秆更易于促进原秸秆的分解。然而，随着土壤中总碳的增加，新加入的有机碳会对微生物矿化产生抑制作用，使新加入的秸秆不能够被分解，土壤中就不会再有新碳和新氮的输入[38-40]。因此，免耕土壤中，新加入的秸秆会对大量的原秸秆产生抑制作用。秸秆C/N为25∶1 是决定秸秆还田后对土壤氮素固持与否的关键拐点[41]。本试验秸秆的C/N值较大(大于42∶1)[42]，单施秸秆处理，土壤中加入大量的碳源，土壤微生物对无机氮素有强烈固定作用[43]，所以无论是传统性耕作还是免耕中，添加秸秆NS处理的土壤铵态氮、硝态氮和可溶性有机氮含量都是最低的。但土壤中的原秸秆经过多年的作用，C/N值已经明显降低，原秸秆的分解会释放少量的无机氮素。

在0～2.5 cm土层和2.5～5 cm土层中，免耕土壤中的原秸秆含量大于传统性耕作土壤中的原秸秆含量；且新添加的秸秆的分解会消耗土壤中的矿质氮，原秸秆的分解会释放矿质氮。因此，只添加秸秆的处理中，免耕土壤硝态氮，可溶性有机氮和总氮含量大于传统性耕作。

3.2 不同耕作方式下蚯蚓对土壤氮素含量的影响

免耕中土壤动物的数量和活性都高于传统性耕作[44-48]，所以蚯蚓在传统性耕作中活动较为懒散，使蚓粪中砂粒和凋落物含量增加,改变了包裹于蚓粪中的有机质降解速率[49]；蚯蚓对有机物的同化效率较低(多在5 %左右)[19]，摄取的绝大部分有机物通过肠道后又归还到土壤中；且被蚓粪富集并紧密包裹的有机物具有较强的抗微生物分解能力[24,50]。所以在此情况下，蚯蚓能够保护秸秆不被分解，起到物理保护的作用。造成传统性耕作下添加蚯蚓的处理土壤铵态氮、硝态氮和可溶性有机氮浓度降低。

免耕土壤紧实，蚯蚓活动强烈，土壤动物的强烈活动会起到触媒的作用，并且强烈的蚯蚓活动加速了土壤碳氮的循环[51-53]，蚯蚓体内所吸收的氮，在蚯蚓死亡后极容易释放，并转化为更易于植物吸收的土壤有机氮[54]；蚓粪中的铵态氮，可溶性有机氮也都较高[28,55-57]。当蚯蚓活动增强，与土壤微生物相互作用较大，活性微生物增多[58]，秸秆养分能更迅速地释放到土壤中，比动物本身代谢量所产生的效果更大[59]。免耕下也有部分植物残体或者施入的有机物料经过蚯蚓破碎、过腹之后，又以碎屑或代谢产物(蚓粪)的形式返回到土壤之中[60]。使免耕中添加蚯蚓的处理下，铵态氮、硝态氮和可溶性有机氮浓度最高；Bohlen和Edwards[61]在室内的微区实验以及Blair等[62]的田间研究结论也认为蚯蚓提高了矿质氮质量分数。

蚯蚓在免耕土壤中能够促进秸秆的分解，在传统性耕作土壤中会对少量的秸秆产生物理保护，所以只添加蚯蚓的处理中硝态氮、铵态氮和可溶性有机氮含量都是免耕远远大于传统性耕作。在0～2.5 cm土层中，免耕土壤中的秸秆含量大于传统性耕作土壤中的秸秆含量，所以前者的总氮含量也都大于后者。

3.3 耕作方式对秸秆和蚯蚓添加对土壤氮素作用的影响比较

传统性耕作中，新添加秸秆会促进原秸秆的分解，但新添加秸秆的分解会降低土壤中的活性氮；新添加秸秆的主要作用是利用土壤中的活性氮素，蚯蚓的主要作用是对秸秆产生物理保护。两者共同存在时的综合作用会小于单一的作用但仍起着降低氮含量的作用。所以传统性耕作土壤中硝态氮和溶解性有机氮在表层0～2.5 cm土层中表现出NN>ES>EN>NS。

免耕下新添加秸秆会抑制原秸秆的分解，蚯蚓能够促进原秸秆的分解，但蚯蚓的促进作用大于秸秆的抑制作用，且两者共同存在时会相互抵消一部分作用。所以免耕土壤全氮和活性氮在表层0～2.5 cm土层中表现出EN>ES>NN>NS。

4 结 论

(1)免耕土壤表层0～2.5 cm的总氮和活性氮含量高于传统性耕作，而亚表层2.5～5 cm土层中总氮和活性氮含量则是差异不显著。

(2)传统性耕作土壤总氮在土层中分布均匀；添加蚯蚓降低土壤活性氮含量；新添加的秸秆也会降低土壤活性氮含量。蚯蚓和秸秆共同存在时的综合作用会小于单一的作用但仍然起着降低氮含量的作用。

(3)免耕土壤 0～2.5 cm土层总氮和活性氮含量大于2.5～5 cm土层；蚯蚓能够促进土壤中秸秆的分解，增加土壤中总氮和活性氮的含量；新添加的秸秆降低土壤中的总氮和活性氮的含量。蚯蚓和秸秆共同存在时会相互抵消一部分作用。

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