陇中地区多年种植苜蓿后不同后茬作物的土壤有机氮特征

马 欣，谢泽宇，罗珠珠，*，李玲玲，牛伊宁，蔡立群，，谢军红，张耀全

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省干旱生境作物学省部共建国家重点实验室，甘肃 兰州 730070）

土壤氮参与生物圈内物质循环，其主要存在形态为有机氮，占土壤总氮的90%左右［1］。研究表明土壤有机氮的化学形态及其存在状况对作物吸收土壤氮素的有效性有显著影响［2］，且有机氮一直受到研究者的关注，其包含氨基酸态氮、氨基糖态氮、铵态氮、酸解未知态氮及非酸解态氮［3］。因此，研究不同作物不同种植模式及施肥量对土壤不同形态氮素含量的影响，明确不同作物种植体系氮素供应能力的变化，选择适宜作物种植，确保干旱条件下土壤肥力的可持续性，对于实现农业生态系统的作物生产优化有重要意义。

巨晓棠等［4］、肖伟伟等［5］研究表明，长期施肥可显著提高土壤全氮和有机氮组分含量。沈其荣等［6］认为土壤有机氮组分与矿化氮呈极显著相关关系。李世清等［7］研究发现，长期施肥会改变有机氮组分，显著增加氨基酸态氮含量（平均增加N 148.7 mg/kg）和铵态氮含量（平均增加N 45.8 mg/kg）。土地利用方式亦影响耕层有机氮组分，林地有机氮组分含量显著高于耕地［8］。轮作制度也会对有机氮组分产生影响，李小涵等［9］研究发现豆科/谷类作物轮作可以促进土壤有机氮的积累；相比于玉米连作，玉米/玉米/大豆轮作可以显著提高土壤氨基酸态氮含量［10］。有研究报道［11］，与小麦-休闲种植体系相比，玉米小麦种植体系增加表层土壤微生物量碳、氮的含量。

紫花苜蓿（Medicago sativa）以其高产、优质、富含蛋白质的饲草生产性能和抗旱、耐寒、耐瘠、截流、保土的生态适应性［12］，成为黄土高原雨养农业区退耕还草的首选草种，也是粮草轮作系统的优良豆科牧草。目前关于该地区苜蓿不同后茬作物中土壤有机氮组分变化的研究相对匮乏，因此，本研究以黄土高原雨养农业区不同后茬作物土壤为研究对象，通过分析多年生苜蓿草地翻耕轮作不同粮食作物后土壤有机氮组分特征，以期为该区域适宜后茬作物的确定提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验设在甘肃省定西市安定区旱农综合实验站。该区为典型的雨养农业区，年均日照时数2 476.6 h， 太 阳 辐 射592.9 kJ/cm2； 年 均 气温6.4℃，≥0℃积温2 933.5℃，≥10℃积温2 239.1℃；无霜期140 d，年降水量390.9 mm，年蒸发量1 531 mm。土壤类型为黄绵土，贮水性能良好，适宜作物生长。

1.2 试验设计

本试验采用单因素随机区组排列，设6个处理，3次重复（表1），共18个小区，小区面积为21 m2（3.0 m×7.0 m）。供试作物为紫花苜蓿（陇东苜蓿）、春小麦（Triticum aestivum）（定西42号）、玉米（Zea mays）（先玉335）、马铃薯（Solanum tuberosum）（新大坪）和谷子（Setaria italica）（陇谷11号）。LFW、LP、LMi均施 N 105 kg/hm2，P2O5105 kg/hm2；LFC 施 N 200 kg/hm2，P2O5105 kg/hm2。所有肥料均在播前人工撒施，生育期不再追肥。LC和 LF不施肥。

表1 试验处理

1.3 试验方法

1.3.1 土样采集

于2016年5月，用“五点取样法”采集各小区0～10、10～30、30～50 cm土层土样，置于自封袋带回实验室过筛。用于微生物量碳、氮测定的土样放入4℃冰箱保存，其余部分风干后用于其他氮指标的测定。

1.3.2 测定指标及方法

全氮测定：凯氏定氮法［13］；

微生物生物量碳、氮（MBC、MBN）测定：氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法［14］；

土壤有机氮测定：Bremner 法［3］。

1.4 数据处理与分析

用Excel 2016整理数据，SPSS 22.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同后茬作物对土壤全氮的影响

由图1可知，不同后茬作物土壤全氮含量随着土层加深逐渐降低。0～10 cm土层LC土壤全氮含量最高，LF含量最低，与LC相比，LF、LFW、LFC、LP、LMi分 别 降 低21.62%、14.27%、18.98%、13.41%、6.15%，其中LC与LF、LP、LFW、LFC差异显著；10～30 cm土层LFW全氮含量显著高于LF，其余处理间均无显著差异；30～50 cm土层各处理间均无显著差异。

2.2 不同后茬作物对土壤微生物量碳、氮影响

由表2可以看出，不同后茬作物MBC含量随土层的加深而降低。0～10 cm土层 LF含量最高，LMi含量最低，与LC相比，LF和LFW分别提 高20.00%和0.46%，LFC、LP、LMi分 别 降 低20.00%、22.86%、35.45%， 其 中LC与LMi处 理间差异显著；10～50 cm土层均表现为LF含量最高，LP含量最低。MBN与MBC含量变化趋势一致。0～10 cm土层LFC 处理MBN含量最高，LMi含量最低，相对于LC，LFC和LP分别提高27.42%和10.79%，LF、LFW、LMi分别降低19.55%、2.25%、20.00%，其中LF和LFC、LP间差异显著；10～30 cm土层LC处理MBN含量显著高于LF、LFW和LMi；30～50 cm土层LC处理MBN含量显著高于LF、LFW 和 LMi。

图1 不同后茬作物土壤全氮分布

表2 不同后茬作物土壤微生物量碳、氮分布

土壤微生物量碳氮比（MBC/MBN）能体现土壤微生物群落结构，其比值为3～6时，表明细菌占优势，为7～12时真菌占优势［15-16］。由表2可知，苜蓿连作土壤0～50 cm土层MBC/MBN在5.63～6.68之间，说明苜蓿连作土壤中细菌含量相对丰富；苜蓿作物轮作土壤MBC/MBN在3.71～8.48之间，说明苜蓿作物轮作土壤中细菌仍然占据优势地位；苜蓿休闲体系中土壤MBC/MBN在8.84～10.68之间，说明苜蓿休闲土壤中真菌占优势。

2.3 不同后茬作物对土壤有机氮组分的影响

由表3可以看出，不同后茬作物土壤酸解总氮含量随土层的加深而降低，在表层0～10 cm表现为处理间差异显著，与LC相比，LMi、LP、LF、LFC、LFW分 别 降 低11.90%、18.89%、21.26%、30.96%、35.98%；10～50 cm土层各处理间均无显著差异。不同后茬作物土壤非酸解态氮含量在0～50 cm土壤剖面随着土层的加深呈递减趋势，各处理间均无显著差异。

不同后茬作物土壤酸解铵态氮含量随土层的加深逐渐降低，其含量为154.70～360.66 mg/kg。0～10 cm土层，与LC相比，LMi、LFC、LFW、LP、LF分别降低24.11%、25.21%、30.43%、39.61%、39.73%，其中LC与LF处理间差异显著。10～30和30～50 cm土层各处理间均无显著差异。酸解氨基酸态氮和酸解铵态氮含量变化趋势一致，其含量为165.29～331.01 mg/kg。0～10 cm土 层，与LC相 比，LMi、LP、LFW、LFC、LF分 别 降 低 10.29%、22.71%、24.17%、28.46%、37.83%，其中LC与 LF差异显著。10～30 cm土层LC和LF差异显著，30～50 cm土层各处理间均无显著差异。本研究中土壤酸解氨基糖态氮含量随土层加深先增高后降低，且0～50 cm土层各处理间氨基糖态氮均无显著差异，其含量为15.72～61.78 mg/kg。土壤酸解未知氮含量随土层深度增加逐渐升高，其含量为114.00～365.19 mg/kg。0～10 cm土层，LFW与LC、LF、LP差异显著，与LC相比，LF、LP分别提高10.76%、3.39%，LMi、LFC、LFW分别降低9.34%、43.62%、65.18%；10～30 cm土层和30～50 cm土层中各处理间均无显著差异。

2.4 不同后茬作物对土壤有机氮组分比例的影响

由图2可知，不同后茬作物有机氮各组分含量基本一致。酸解有机氮占全氮的比例为61.8%～68.7%，平均为65.2%，非酸解态氮占全氮的比例为31.3%～38.2%，平均为34.8%。可见酸解氮在土壤全氮中占优势地位。

酸解有机氮各组分含量顺序为：酸解未知态氮＞氨基酸态氮＞铵态氮＞氨基糖态氮，其所占全氮比例分别为24.8%、19.5%、17.8%、3.6%。

2.5 土壤有机氮组分与土壤全氮、微生物量氮相关分析

如表4所示，将土壤全氮、微生物量氮与有机氮组分进行相关分析，发现土壤全氮与酸解铵态氮、氨基酸态氮显著正相关，微生物量氮与氨基酸态氮显著正相关，其余有机氮组分均与全氮、微生物量氮无明显相关性。

表4 土壤全氮、微生物量氮和有机氮组分相关分析

3 讨论

苜蓿连续种植一定年限后进入衰退期，根系活力逐渐下降，生物量不断减少，有研究发现黄土高原苜蓿草地的适宜种植年限约为10年，此后土壤水分不断降低，产草量逐渐减少，对土壤氮素利用强度亦减少［17］，但苜蓿属固氮植物，一方面可在生长发育期间固定氮素从而提高土壤表层肥力，另一方面生物固氮的根瘤脱落遗留在土壤中，经微生物分解提高土壤氮素含量［18-20］。本研究发现LC处理全氮含量最高，LF处理由于全年未种植作物，土壤养分来源少，导致土壤全氮含量最低，这与崔星等［21］对西北旱作区苜蓿轮作土壤全氮分布规律的研究结果一致。随着土层深度增加，不同后茬作物土壤微生物量氮逐渐降低，种植粮食作物均可提高表层微生物量氮的含量，与张成霞等［22］的论述一致。这可能是由于枯枝落叶等有机物质经微生物分解进入土壤，加之施入氮肥，进一步促进微生物繁殖［23］，尤其是施入较多氮素的LFC处理。

土壤全氮中酸解氮占主要地位［24］，其含量变化对矿化氮影响较大［6］，而非酸解氮含量趋于稳定，二者在一定条件下可相互转化［25］。本研究发现，不同后茬作物土壤中均以酸解氮为主体，且种植粮食作物可降低酸解氮的含量，非酸解氮含量变化则相反。与LC相比，LMi、LP、LFW、LFC酸解铵态氮、氨基酸态氮比例均有降低，说明种植作物虽然增施了氮肥，但并没有增加有机氮的有效组分，而LC处理固定氮素为微生物提供大量的氮源［26］，免耕苜蓿由于土壤通气差、氧化能力弱、有机质分解速率低，使土壤铵态氮和氨基酸态氮含量提高［27］。本研究还发现，在10～30 cm土层，LMi、LP、LFW、LFC酸解总氮含量均高于LF处理，这可能是由于作物翻耕时残茬留在土中，其中一部分在微生物作用下转化为无机氮，另一部分转化为有机氮，有机氮部分不仅补充作物吸收的氮素，同时也提高苜蓿作物处理土壤有机氮含量［28-29］，LF处理土壤酸解总氮未得到补充，其含量相比下降。本研究10～30 cm土层中，LC酸解氨基酸态氮含量最高，为251.77 mg/kg，LF含量最低，为188.07 mg/kg，这主要是由于微生物将土壤有机质转化成腐殖质［30］，腐殖质与其他复合体经酸解作用释放氨基酸态氮［31-32］，且苜蓿本身根系发达，固氮能力强，从而增加其氨基酸态氮含量。氨基糖态氮由于不能被作物直接吸收，其含量变化并无较大差异［33］，且氨基糖态氮是微生物细胞壁的主要残留物，其含量能反映已死亡的微生物量的多少［34］，占土壤全氮比例低于其它处理；本研究发现30～50 cm土层的土壤酸解未知氮含量最高，是由于酸解未知氮不能被作物直接利用，在土壤中大量累积沉淀，从而导致深层含量显著高于表层，同时未知氮的挥发也会降低土壤表层含量。本研究各有机氮组分中，酸解未知态氮含量最高，这与李世清等［7］，王瑞军等［24］，党亚爱等［35］对黄土高原氮组分的研究结果不一致，可能与土壤质地、温度以及不同作物对氮素的吸收利用有关。

党亚爱等［35］研究认为土壤全氮与有机氮组分均显著相关；微生物量氮与酸解未知态氮、氨基酸态氮、酸解铵态氮均极显著相关。郝小雨等［36］对长期施肥下黑土有机氮组分研究表明，全氮与酸解态氮均呈极显著相关，与非酸解态氮无显著相关性；微生物量氮与酸解氮组分均达到显著正相关。贾倩等［34］研究发现，不同轮作模式下土壤全氮与酸解氨基酸态氮、酸解铵态氮呈极显著正相关。本研究中土壤全氮与酸解铵态氮、氨基酸态氮呈显著正相关，微生物量氮与氨基酸态氮显著正相关，说明土壤全氮、微生物量氮与有机氮组分密切相关，不同土壤类型酸解氨基酸态氮显著影响微生物量氮的含量，有研究发现土壤中氨基酸是构成微生物细胞壁的主要成分［37］。综上，土壤氨基酸态氮的含量与微生物群落结构变化有关，酸解氨基酸态氮是微生物生物量氮的主要来源。

4 结论

黄土高原雨养农业区苜蓿不同后茬作物中，酸解态氮是土壤有机氮组分的主体，其组分含量变化为酸解未知态氮（24.8%）＞氨基酸态氮（19.5%）＞酸解铵态氮（17.8%）＞氨基糖态氮（3.6%）。苜蓿连作全氮含量土壤全氮、微生物量氮均与酸解氨基酸态氮呈显著相关关系。苜蓿种植多年翻耕轮作粮食作物后土壤有机氮组分中铵态氮、氨基酸态氮含量均有所降低，可见，苜蓿连作可以保持土壤有机氮的有效态组分。