长期不同施肥模式对潮土有机氮组分及剖面分布的影响

岳克，张水清，黄绍敏，张珂珂，王柏寒，郭腾飞，郭斗斗，宋晓

（河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002）

土壤氮素是作物生长的主要氮源，也是影响作物生长的主要限制因子之一，而表层土壤中90%以上的氮素为有机氮[1-3]。土壤有机氮，特别是易矿化的有机氮组分含量影响着土壤的供氮能力[4]。有机氮只有经过微生物水解和矿化才能转化为无机氮被作物吸收利用。土壤有机氮主要包括蛋白质、核酸、氨基酸和氨基糖等[4-6]，所以土壤有机氮的形态是影响土壤氮素有效性的重要因素[6]，也是土壤矿质态氮的源和库[7]。土壤有机氮能够维持土壤氮素肥力，因此研究不同施肥措施下土壤有机氮组分及剖面分布特征，对于华北平原农田合理施肥具有重要意义。研究表明，不同土壤类型、施肥和灌溉方式对土壤有机氮及其组分含量影响显著[8-9]。查春梅等[10]的研究表明，不同土地利用方式对耕层土壤中有机氮组分影响最大。王媛等[11]的研究表明，有机无机肥长期配施能够显著提高各有机氮组分含量，其中氨基酸态氮含量增幅最大（平均124.8%）。肖伟伟等[12]的研究表明，与单施化肥相比，有机无机肥长期配施能够显著提高酸解氮（平均60.9%）、酸解铵态氮（平均38.9%）和酸解氨基酸态氮的含量（平均79.5%）。巨晓棠等[13]的研究表明，有机无机肥配施显著提高了土壤全氮、酸解性氮与非酸解性氮的含量。张玉树等[14]利用30 年的长期定位试验发现，单施化肥和有机无机肥配施均显著提高了耕层土壤全氮和有机氮含量。大量研究表明，施肥对土壤有机氮组分含量有显著影响[15-18]。

华北平原是我国粮食的主产区，潮土是该区域的主要耕作土壤，长期施肥对潮土有机氮组分及剖面分布的影响研究尚少有报道。本试验通过研究30 年的长期定位有机无机肥配施对土壤剖面有机氮组分和全氮的影响，揭示不同施肥模式下潮土氮素的演变规律，明确不同施肥措施下土壤供氮潜力，旨在为华北平原潮土区土壤培肥和地力提升提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期定位试验位于河南省新乡市平原新区河南现代农业研究开发基地潮土试验站（113°40′E，34°47′N），试验地属于暖温带季风气候，年均降雨量约660 mm，主要集中在7—9月，年有效积温4 700 ℃，无霜期约209 d。试验始于1990 年，初始土壤（0～20 cm）理化性质：pH 8.60、有机质6.7 g·kg-1、全氮0.65 g·kg-1、全磷0.64 g·kg-1、全钾16.9 g·kg-1、碱解氮76.6 mg·kg-1、有效磷6.9 mg·kg-1、速效钾71.7 mg·kg-1。

1.2 试验设计

本研究以不施肥（CK）为对照，选取华北平原有代表性的3 个施肥模式：单施化肥（NPK）、化肥+玉米秸秆还田（NPKS）、有机无机肥配施（NPKM）。试验采用随机区组设计，3 次重复。种植制度为小麦-玉米轮作，小区面积43 m2。施用的氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾，有机肥1990—1999 年为马粪，2000—2010 年为牛粪，2011—2020 年为商品有机肥。小麦季施氮量（N）165 kg·hm-2，磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）各82.5 kg·hm-2，玉米季施氮量（N）为187.5 kg·hm-2，磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）各93.75 kg·hm-2，其中氮肥60%为基肥，40%为追肥，分别在小麦返青期和玉米大喇叭口期施用。NPKM处理施氮量相当于在NPK处理的基础上增施有机肥，有机肥用量以单施化肥中氮含量计算，70%的氮量来自有机肥，剩余30%用尿素补充，玉米季施肥量同NPK 处理。NPKS 处理相当于在NPK处理的基础上玉米秸秆全部粉碎还田，1991—2001 年间相当于NPK 处理氮量的70%来自秸秆（不足部分由同期其他试验区秸秆补充），剩余30%由尿素补充，2002—2020 年间则为前茬总秸秆量，不足NPK处理的氮量以尿素补充，玉米季施肥量同NPK处理。作物收获时，小麦秸秆清除，留麦茬约15 cm，玉米地上部植株全部移除。

1.3 样品采集及测定方法

供试土壤于2020 年6 月小麦收获后采集。采用五点采样法，分别采集各小区0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5 层土壤，各层混合均匀后分别装入自封袋，风干、过筛后待测。土壤全氮采用凯氏法测定，土壤有机氮分级采用Bremner方法[19]，土壤酸解总有机氮测定：取15.0 g过0.15 mm 筛样品放入具塞、带冷凝管的三角水解瓶中，加2 滴正辛醇和20 mL 6 mol·L-1HCl，在120 ℃电热板上水解回流12 h。水解后趁热过滤，滤液用1 mol·L-1和5 mol·L-1NaOH 调节pH 至2 左右，再用酸度计指示，逐滴小心加入1 mol·L-1NaOH，边加边搅拌，至滤液pH 值为6.5±0.3，定容至100 mL，冷藏备用。

酸解氮用凯氏定氮法测定；酸解铵态氮采用MgO氧化-蒸馏法测定；酸解铵态氮+氨基糖态氮采用磷酸盐-硼酸盐缓冲液-蒸馏法测定；酸解氨基酸态氮采用茚三酮氧化、磷酸盐-硼砂缓冲液-蒸馏法测定；酸解未知态氮、氨基糖态氮、非酸解氮用差减法求得。

1.4 数据处理与统计

利用Microsoft Excel 2016 软件绘图，利用SPSS 21.0 软件进行统计分析，其中多重比较采用新复极差法。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥模式对土壤酸解总有机氮的影响

由图1 可知，不同施肥模式下土壤酸解总有机氮含量均随土层加深呈降低趋势。各土层土壤酸解总有机氮含量均为NPKM 处理最高、CK 处理最低。在0～20 cm土层，NPKS和NPKM处理酸解总有机氮含量显著高于CK、NPK 处理，分别提高了40.88%、44.03%和51.34%、54.73%。在20～40 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 3 个施肥处理酸解总有机氮含量显著高于CK处理31.82%、23.86%和43.18%；各施肥处理之间差异不显著。在40～60 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 3 个施肥处理酸解总有机氮含量高于CK 处理16.66%、9.25%和31.47%，其中NPKM 处理显著高于NPKS和CK处理。在60～80 cm和80～100 cm土层，各施肥处理酸解总有机氮含量均高于CK 处理，其中NPKM处理分别显著高于CK处理21.78%和25.00%。

图1 长期不同施肥模式对土壤酸解总有机氮含量的影响Figure 1 Effects of long-term different fertilization modes on soil total acid hydrolysable N contents

2.2 长期不同施肥模式对土壤酸解铵态氮的影响

由图2 可知，不同施肥模式下土壤酸解铵态氮含量均随土层加深呈降低趋势。在0～20 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 处理土壤酸解铵态氮含量显著高于CK 处理24.49%、73.13%和55.78%。NPKS 和NPKM 处理酸解铵态氮含量分别显著高于NPK 处理39.07%和25.14%。在20～40 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 处理酸解铵态氮含量显著高于CK 处理39.81%、17.59%和48.15%，其中NPK 和NPKM 处理酸解铵态氮含量分别显著高于NPKS 处理18.90%和25.98%。在40～60 cm 土层，NPK 处理酸解铵态氮含量显著高于CK 处理，NKPS 和NPKM 处理与CK 处理差异不显著，表明有机无机肥配施能维持土壤表层酸解铵态氮含量，进而维持土壤表层较高的氮素含量，提高土壤供氮能力。在60～100 cm 土层，各施肥处理与CK 处理间差异不显著，不同施肥模式对深层土壤酸解铵态氮含量影响较小。

图2 长期不同施肥模式对土壤酸解铵态氮含量的影响Figure 2 Effects of long-term different fertilization modes on soil ammonium N contents

2.3 长期不同施肥模式对土壤酸解氨基糖态氮的影响

由图3 可知，长期不同施肥模式下土壤酸解氨基糖态氮的含量有不同的变化趋势，整体在4.01～92.18 mg·kg-1之间。CK 处理下氨基糖态氮的含量随土层加深呈增加趋势，NPK 和NPKS 处理无明显变化规律；NPKM 处理氨基糖态氮的含量随土层加深呈先增加后降低趋势。在0～20 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 处理氨基糖态氮的含量高于CK 处理3.44、5.00、1.89 倍，其中NPKS 处理显著高于CK 处理。在20～40 cm 土层，NPK、NPKS和NPKM 处理氨基糖态氮的含量高于CK 处理3.00、4.64、6.27 倍，其中NPKS 和NPKM 处理显著高于CK 处理。在40～80 cm 土层，各处理间氨基糖态氮的含量差异不显著。在80～100 cm 土层，CK 处理氨基糖态氮的含量显著高于NPK、NPKS和NPKM处理1.84、1.77、2.49倍。

图3 长期不同施肥模式对土壤酸解氨基糖态氮含量的影响Figure 3 Effects of long-term different fertilization modes on soil amino sugar N contents

2.4 长期不同施肥模式对土壤酸解氨基酸态氮的影响

由图4 可知，不同施肥模式下土壤酸解氨基酸态氮含量均随土层加深呈降低趋势。在0～20 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 处理酸解氨基酸态氮含量高于CK 处 理11.84%、61.84% 和86.84%，其 中NPKS 和NPKM 处理显著高于CK 和NPK 处理，氨基酸态氮含量分别比NPK 处理提高了44.71%和67.06%。在20～40 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 处理氨基酸态氮含量高于CK 处理39.05%、20.00%和23.64%，其中NPK处理显著高于CK 处理。在40～60 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 处理氨基酸态氮含量高于CK 处理62.50%、95.83%和62.50%，其中NPKS 处理显著高于CK 处理。在60～80 cm 土层，NPKS 和NPKM 处理氨基酸态氮含量均显著高于CK 处理，NPK 处理与CK处理差异不显著，且各施肥处理间差异不显著。在80～100 cm 土层，施肥处理氨基酸态氮含量均显著高于CK 处理，但各施肥处理间差异不显著。

图4 长期不同施肥模式对土壤酸解氨基酸态氮含量的影响Figure 4 Effects of long-term different fertilization modes on soil amino acid N contents

2.5 长期不同施肥模式对土壤酸解未知态氮的影响

由图5 可知，不同施肥模式下土壤酸解未知态氮含量均随土层加深呈降低趋势。在0～80 cm 土层，NPKM 和CK 处理未知态氮含量均高于NPK 和NPKS处理，除了在20～40 cm 土层各处理间差异不显著，其他土层均差异显著。在0～20 cm 土层，CK 处理未知态氮含量高于NPK、NPKS 和NPKM 处理2.71、1.09、0.12 倍。在20～40 cm 土层，NPKM 和CK 处理未知态氮含量也高于NPK 和NPKS 处理，且NPKM 处理降幅较大，表明增施有机肥可以促进未知态氮向有效态氮转化。在40～80 cm土层，NPKM处理未知态氮含量显著高于NPK 和NPKS 处理。在80～100 cm 土层，NPKM 处理未知态氮含量最高，其他处理间无显著差异，其中NPKM处理显著高于NPKS处理。

图5 长期不同施肥模式对土壤酸解未知态氮含量的影响Figure 5 Effects of long-term different fertilization modes on soil hydrolysable unknown N contents

2.6 长期不同施肥模式对土壤酸解有机氮各组分分配比例的影响

长期不同施肥模式下土壤有机氮各形态含量占全氮含量的百分比可作为表征有机氮各组分的分配比例。由图6 可知，有机氮各组分占全氮比例的大小顺序与其含量的大小表现一致。随着土层的加深，土壤非酸解氮比例降低而其他形态氮的比例有所提高。各土层有机氮比例均大于非酸解氮，有机氮占全氮含量比例范围为59.01%～92.31%，是土壤氮的主体。CK 处理在0～40 cm 土层，有机氮各形态的分布趋势为氨基酸态氮＞酸解铵态氮＞未知态氮＞氨基糖态氮；在40～80 cm 土层，有机氮各形态的分布趋势为酸解铵态氮＞未知态氮＞氨基酸态氮＞氨基糖态氮；在80～100 cm 土层，有机氮各形态的分布趋势为酸解铵态氮＞氨基糖态氮＞氨基酸态氮＞未知态氮。各施肥处理有机氮各形态占比的分布趋势为酸解铵态氮和氨基酸态氮＞氨基糖态氮和酸解未知态氮，在0～40 cm 土层，酸解铵态氮和氨基酸态氮比例最大；在40～100 cm 土层，酸解铵态氮比例最大，其次为氨基酸态氮。

图6 长期不同施肥模式对土壤酸解有机氮组分占全氮比例的影响Figure 6 Percentage of soil organic N fractions to total N under long-term different fertilization modes

在0～80 cm 土层，与CK 处理相比，施肥处理提高了氨基糖态氮和非酸解氮占全氮的比例，降低了未知态氮占全氮的比例。在0～20 cm 土层，与NPK 处理相比，NPKS 和NPKM 处理酸解总氮占全氮比例分别增加了17.79 个百分点和5.93 个百分点，表明长期有机无机肥配施增加了土壤有机氮各组分含量。整体来看，与CK 相比，NPK 处理铵态氮和氨基酸态氮占全氮的比例增加；NPKS 和NPKM 处理氨基酸态氮占全氮的比例均增加。

2.7 长期不同施肥模式对土壤全氮的影响

由图7 可知，不同施肥模式下土壤全氮含量均随土层的加深呈降低趋势。与定位试验开始前0～20 cm土壤全氮含量（0.65 g·kg-1）相比，长期不施肥（CK）处理土壤全氮（0.70 g·kg-1）略有增加，各施肥处理NPK、NPKS 和NPKM 全氮含量增加显著，平均每年分别增加8.19、14.80 mg·kg-1和21.95 mg·kg-1，说明有机无机肥配施能够增加土壤氮储量。各土层土壤全氮含量均表现为NPKM 处理最高、CK 处理最低。在0～20 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 处理土壤全氮含量显著（P＜0.01）高于CK 处理27.35%、55.56%、86.04%，有机无机肥配施处理（NPKS 和NPKM）土壤全氮含量显著高于NPK 处理22.10%和46.09%。各处理土壤全氮含量表现为NPKM＞NPKS＞NPK＞CK。在20～40 cm 土层，NPK、NPKS 和NPKM 处理土壤全氮含量显著高于CK 处理32.11%、48.78%和54.88%，有机无机肥配施处理显著高于NPK 处理。在40～100 cm 土层，各施肥处理全氮含量变化较小，施肥处理土壤全氮含量均高于CK 处理，其中40～80 cm 土层NPKS 和NPKM处理显著高于CK处理。

图7 长期不同施肥模式对土壤全氮含量的影响Figure 7 Effects of long-term different fertilization modes on content of soil total N

2.8 长期不同施肥模式下土壤全氮与有机氮组分的相关关系

相关性分析结果（表1）表明，在0～20 cm 土层，土壤全氮与酸解铵态氮、氨基酸态氮和非酸解氮均存在极显著的正相关关系（P＜0.01）。在20～40 cm 土层，土壤全氮与酸解铵态氮、氨基糖态氮和非酸解氮均存在极显著的正相关关系（P＜0.01）。在40～100 cm 土层，除了60～80 cm 土层氨基酸态氮和80～100 cm 土层酸解铵态氮、非酸解氮与土壤全氮存在显著或极显著相关性外，土壤全氮与酸解有机氮各组分间无显著相关性。由此可以看出，在土壤耕层有机氮各组分中，酸解铵态氮、氨基酸态氮和非酸解氮对土壤全氮影响最大。

表1 长期不同施肥模式下土壤全氮与有机氮组分的相关关系（r）Table 1 Relations between total nitrogen and organic N fractions under long-term different fertilization modes（r）

3 讨论

3.1 长期不同施肥模式下土壤全氮和有机氮不同组分含量的变化

诸多研究表明，酸解有机氮是土壤氮素的重要组成部分，占土壤全氮的90%以上[1-3，17]。本试验结果表明，酸解总有机氮占全氮含量的比例为59.01%～92.31%，这与国内外多数研究结果基本一致。研究表明，与单施化肥相比，化肥+秸秆还田和有机无机肥配施能够显著提升土壤全氮含量[11]，特别是对表层土壤全氮和有机氮各组分含量影响最大[14]。本研究结果也表现出类似规律，与长期不施肥处理相比，长期不同施肥模式对土壤全氮和酸解有机氮各组分含量有显著影响，特别是对表层（0～40 cm）土壤全氮和有机氮各组分含量影响极显著。与长期单施化肥相比，化肥+秸秆还田和有机无机肥配施能显著提高土壤酸解总有机氮、铵态氮、氨基酸态氮和全氮的含量。在酸解有机氮组分中，有机无机肥配施处理主要提高了土壤酸解未知态氮含量，氨基糖态氮的含量在秸秆还田条件下有增加趋势。本试验中，不同处理酸解总有机氮含量表现为NPKM、NPKS＞NPK、CK，土壤全氮含量表现为NPKM＞NPKS＞NPK＞CK，表明有机无机肥配施处理对土壤全氮、酸解总有机氮提升效果最优。这一结果主要归因于施肥模式的不同和每年向土壤输入有机物料数量的差异。化肥+秸秆还田和化肥配施有机肥处理每年向土壤中输入养分的总量高于单施化肥处理，与化肥+秸秆还田相比，有机肥本身含有的养分直接影响土壤有机氮组分的变化[20]。有机肥中的畜禽粪便经土壤中微生物分解从而影响有机氮组分含量[21-22]。研究表明，施用畜禽粪便类有机肥对土壤有机氮芳香环类物质没有显著影响，但能够提高土壤氨基酸、脂肪酸和蛋白质含量[23-24]。土壤微生物的矿化-同化过程也会影响土壤有机氮组分含量[24-25]。富东英等[26]的研究表明，长期施入土壤中的化学氮素主要向酰胺态氮转化，秸秆还田中氮向氨基糖态氮转化最多，有机肥中氮转化为氨基酸态氮较多。这与本试验结果一致，但有机无机肥配施对土壤氨基糖态氮无明显影响，而在80～100 cm 土层不施肥处理氨基糖态氮含量显著高于施肥处理。Xu 等[27]和张旭东等[28]的研究表明，猪粪和化肥配施处理土壤氨基酸态氮含量高于稻草或绿肥与化肥配施处理。王克鹏等[29]的研究表明，有机无机肥配施处理的土壤氨基酸态氮和未知态氮含量增加显著。

3.2 长期不同施肥模式下有机氮组分剖面分布及比例的变化

张世汉等[30]的研究表明，土壤酸解有机氮、铵态氮、氨基酸态氮、未知态氮均随土层加深而降低，这与本试验研究结果一致。不同施肥模式对土壤全氮、酸解总有机氮和有机氮各组分含量剖面分布也有显著影响，特别是对上层土壤（0～20 cm 和20～40 cm）影响显著，对60～100 cm 土层有不同程度的影响。酸解有机氮各组分分配比例顺序表现为酸解铵态氮和氨基酸态氮＞氨基糖态氮和酸解未知态氮，这与焦亚鹏等[31]的研究结果不一样，可能是因为土壤类型和施肥年限不同，而且焦亚鹏等[31]研究的是不同施氮量处理对土壤（0～40 cm）有机氮组分的影响，本研究是长期不同施肥模式对土壤有机氮组分的影响，在单施化肥（NKP）和化肥+秸秆还田（NPKS）处理下，0～20 cm 土层酸解有机氮各组分分配比例顺序表现为酸解铵态氮＞氨基酸态氮＞酸解未知态氮＞氨基糖态氮，有机无机肥配施（NPKM）处理下，0～20 cm 土层酸解有机氮各组分分配比例顺序表现为氨基酸态氮＞酸解铵态氮＞酸解未知态氮＞氨基糖态氮，但均表现为酸解铵态氮和氨基酸态氮占全氮比例最大。党亚爱等[32]的研究表明，酸解铵态氮和氨基酸态氮是有机氮组分的主要形态，是土壤易矿化有机氮的源和库。研究表明，土壤酸解有机氮易矿化，而非酸解氮相对稳定，二者在一定条件下可以相互转化[33]。肖伟伟等[12]的研究表明，与长期不施肥处理相比，长期单施化肥和有机无机肥配施增加了土壤酸解有机氮的含量，但降低了其占全氮的比例。本研究也得到类似结果。

3.3 长期不同施肥模式下土壤全氮与有机氮组分的关系

高晓宁等[15]研究发现，土壤全氮与酸解铵态氮、氨基酸态氮显著正相关，推知酸解有机氮中铵态氮和氨基酸态氮是土壤有机氮矿化的主要来源。本试验结果也表明，在表层土壤全氮与酸解铵态氮、氨基酸态氮和非酸解氮含量呈极显著正相关。土壤中易矿化的有机氮各形态能够促进有机氮矿化，提高土壤无机氮含量，进而提升土壤供氮能力，而土壤中难矿化的非酸解氮则有利于土壤氮的贮存[34]。

4 结论

（1）长期不同施肥模式下土壤全氮含量表现为有机无机肥配施＞化肥+秸秆还田＞单施化肥＞不施肥；土壤酸解总有机氮含量表现为有机无机肥配施、化肥+秸秆还田＞单肥化肥、不施肥。与单施化肥相比，化肥+秸秆还田和有机无机肥配施处理能够显著提高土壤表层全氮和酸解总有机氮含量。长期施肥能够提高土壤酸解有机氮各组分的含量。在不同施肥模式下有机氮各组分表现为酸解铵态氮和氨基酸态氮＞氨基糖态氮和酸解未知态氮，其中酸解铵态氮和氨基酸态氮是有机氮的主要组分。

（2）与单施化肥相比，化肥+秸秆还田处理主要提升了土壤酸解铵态氮和氨基酸态氮含量，而有机肥配施化肥处理主要提升了土壤酸解铵态氮、氨基酸态氮和酸解未知态氮含量。长期施肥对酸解有机氮各组分含量的剖面分布影响相似，除氨基糖态氮外，其余各组分含量均随土层加深而降低。

（3）长期单施化肥或有机无机肥配施能够提高耕层土壤非酸解氮的相对含量，有机氮组分中酸解铵态氮和氨基酸态氮在土壤全氮中占有优势地位。

综上，化肥+秸秆还田和有机无机肥配施均能够显著增加土壤全氮和有机氮各组分含量，提升土壤供氮潜力，是华北平原潮土区适宜的施肥模式。