华北马铃薯连作土壤微生物残体氮对氮肥用量的响应

关键词： 马铃薯； 土壤矿质氮； 微生物残体氮； 田间氮平衡； 养分专家系统

氮是陆地生态系统中植物和微生物生长所必需的大量营养元素之一[1]。在农田生态系统，施氮可以改变土壤养分化学计量和肥力、影响土壤微生物群落结构和功能[2]；同时，碳氮磷化学计量也可以影响土壤氮的转化，如硝化和反硝化过程[3]。研究表明，过量施氮导致低的氮肥利用效率和高的土壤氮盈余，威胁土壤质量和环境健康，且当施氮量超过N250 kg/hm2 时，作物产量并没有显著提高，反而降低了生产效益[4]。因此，平衡施肥是维持土壤健康和农业可持续生产的重要措施[5]。农作物秸秆含有大量营养物质，是一种重要的有机肥料资源[6]。化肥减施结合秸秆还田是实现农业发展可持续性的国家行动，实现这一目标的关键是探索并优化与氮固持和供应有关的土壤功能。

土壤氮素形态显著影响其转化、有效性和贮存，微生物为氮的转化和循环提供了驱动力。土壤微生物对无机氮的同化是氮在土壤中固持的关键生化过程[7]。微生物生长中固持的氮在其死亡后以微生物残体形式存在[8]。微生物残体有助于碳和氮的长期储存，微生物残体氮较矿质氮稳定，是土壤氮库的重要组分，但在土壤氮素缺乏时可矿化供作物利用，对农田土壤氮肥力和有效性具有重要意义 [9]。作物秸秆还田带入大量的易分解有机碳，可以刺激微生物增殖和提高矿质氮的微生物固定，从而增加微生物残体氮积累和提高土壤肥力[10]。Ma 等[9]指出，玉米秸秆还田条件下，微生物残体氮对土壤氮库的贡献率达到61%。然而，近年来研究主要集中在微生物残体碳的变化上，而在不同的施氮条件下，微生物残体氮转化很少受到关注。

马铃薯是我国重要的粮食作物，内蒙古自治区的马铃薯产量约占全国马铃薯总产量的10%。阴山北麓是内蒙古马铃薯主要产区之一，该地区年降雨量相对较少，土壤为砂质栗钙土，不利于矿质氮的积累，因此，通过施肥管理提高土壤氮素肥力是保证马铃薯高产的必要条件。然而，该区域秸秆还田下马铃薯田土壤矿物氮和微生物残体氮对氮肥不同用量的响应尚不清楚。为此，基于在内蒙古地区进行了6 年的马铃薯种植田间试验，研究不同施氮量对马铃薯连作土壤矿质氮（NH4+-N 和NO3−-N） 和微生物残体氮的影响，为该区马铃薯生产中实现作物高产和土壤培肥的优化氮肥管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验点概况

田间试验始于2017 年5 月，位于中国内蒙古自治区武川旱作试验站（41°14′N，111°30′E）。该地区为典型的中温带半干旱大陆性季风气候，为一年一熟制。年平均气温3.0℃，年均降雨量280 mm，土壤类型为栗钙土，含砂粒74.2%、粉粒17.3%、黏粒8.8%。2017 年初始土壤（0—20 cm） 的化学性质如下：pH 7.91 （水∶土壤=2.5∶1），有机质19.0 g/kg，全氮1.31 g/kg，NH4+-N 0.5 mg/kg，NO3−-N 15.1 mg/kg，有效磷29.8 mg/kg 和速效钾150 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验在马铃薯连作农田开展，设置4 个不同氮肥用量处理：NE （马铃薯养分专家系统的推荐施肥[ 1 1 ] ）、NE−N （不施氮肥）、NE−1/2N （氮肥用量较NE 处理减少1/2） 和NE+1/2N （氮肥用量较NE 处理增加1/2）。所有处理随机区组排列，3 次重复，小区面积为30 m2 （7.5 m×4 m）。本试验采用NE 系统推荐了氮、磷、钾肥料用量。养分专家系统（ N E ，Nutrient Expert） 是基于单位产量养分吸收量、作物产量反应与农学效率之间的关系，利用计算机技术建立的推荐施肥系统。它可以根据农田肥力和产量水平推荐施肥。与传统施肥方法相比，基于NE 系统的施肥可以优化养分利用，提高养分利用效率，保持或提高作物产量[12−14]。不同处理的氮肥用量如表1 所示。2017 至2023 年，磷肥用量分别为P2O5 150、180、91、84、89、85、86 kg/hm2，钾肥用量分别为K2O 234、270、238、134、135、140、135 kg/hm2。基肥氮与追肥氮的比例为3∶7。播种前撒施基础氮肥，然后翻土。追施氮采用滴灌，在播种期、开花期和淀粉积累期分别随灌溉水施用20.0%、25.0% 和2 5 . 0% 的氮肥。氮、磷、钾肥料分别为尿素（ N46%）、过磷酸钙（P2O5 14%） 和氯化钾（K2O 60%）。

马铃薯品种为‘华松7 号’，采用高垄滴灌栽培。马铃薯一般在每年5 月初种植，行距100 cm，单脊单列，株距20 cm，每行37 株，9 月中旬收获。在整个生长期内灌溉5～6 次，总灌溉量为1500 m3/hm2。在马铃薯生长过程中及时控制病虫害。成熟时，收获马铃薯块茎，并将马铃薯植株的残留物翻入土壤。

1.3 样品采集与分析

2023 年9 月，从每个小区中随机选择5 株马铃薯。地上和地下块茎部分在105°C 杀青30 min 后在75°C 下烘至恒重，测定植物的干生物量。将烘干的样品研磨成粉末（颗粒直径≤0.25 mm），用H2SO4−H2O2 消煮后用定氮仪测定全氮含量。

同时，在每小区选5 个样点，分别采集0—20和20—40 cm土层土壤样品。将每小区相同深度的土样混合为一个混合样品，然后过2 mm 筛。新鲜土壤样品立即分析NH4+-N 和NO3−-N 含量，剩余样品风干后用于分析土壤全氮和微生物残体氮含量。

1.4 土壤化学性质和微生物残体氮分析

采用1 mol/L KCl 提取土壤矿物氮，并使用流动注射分析仪（SEAL Auto analyzer，德国） 测定。使用元素分析仪（Vario MACRO，Elementar AnalysensystemeGmbH，德国） 分析风干土壤全氮。

根据Zhang 等[15]的方法测定土壤氨基糖（如葡糖胺、半乳糖胺、甘露糖胺和胞壁酸）。将约0.5 g 冻干土壤用10 mL 6 mol/L HCl 在105℃ 下水解8 h。冷却后，加入100 μg 肌醇作为回收标准。然后过滤水解产物，在52℃ 减压下蒸发至干，并使用0.4 mol/L氢氧化钾溶液将其重新溶解在5 mL MilliQ 水中，pH调节至6.6～6.8。离心后将上清液冷冻干燥。将氨基糖重新溶解在甲醇中，并通过离心与盐分离。加入定量标准品（甲基葡糖胺） 后，通过在含有32 mg/mL盐酸羟胺和40 mg/mL 4-（二甲基氨基） 吡啶的0.3 mL衍生试剂吡啶和甲醇混合物（4∶1， v∶v） 中在75℃下加热30 min，将氨基糖转化为醛缩腈衍生物。将衍生物用1 mL 乙酸酐在75℃～80℃ 下进一步乙酰化20 min，冷却后与1.5 mL 二氯甲烷混合。通过用1 mol/L HCl 和MilliQ 水萃取去除过量的衍生试剂，同时在定量前在氮气下干燥含有氨基糖衍生物的二氯甲烷相。

使用配备DB-5 柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm） 的气相色谱仪（GC-2014C，Shimadzu，Japan） 分离氨基糖衍生物。根据方程（1） 和（2） 分别计算真菌和细菌残体氮[16]。

式（1） 中：179.2 和251.2 分别是葡糖胺和胞壁酸的分子量；1.4 和6.67 分别是从真菌葡糖胺到真菌残体氮和从细菌胞壁酸到细菌残体氮的转化值[17]。微生物残体氮为细菌残体氮和真菌残体氮的总和。

1.5 田间土壤氮素平衡计算

田间土壤氮素平衡=肥料氮投入+马铃薯秸秆氮投入−马铃薯地上部氮吸收量。

1.6 统计分析

利用SPSS 24.0 统计软件对土壤矿物氮、微生物残体氮和作物氮吸收的每个变量进行单因素方差分析，使用最小显著性差异（LSD） 进行多重比较，以评估不同施肥处理之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥用量对土壤无机氮的影响

马铃薯连作6 年后，不同施肥处理对土壤无机氮的影响显著（图1）。与NE−N 处理相比，施氮显著增加了0—20 和20—40 cm 土层的土壤全氮含量，但3个施氮处理之间没有显著差异。与NE−N 处理相比，0—20 和20—40 cm 土层的NO3−-N 含量随着施氮量的增加而增加。所有处理0—20 cm 土层NH4+-N没有显著差异，而NE+1/2N 与NE 处理20—40 cm土层NH4+ -N 含量分别较NE−N 处理增加了21.4%和25.9%。

2.2 不同氮肥用量对土壤微生物残体氮的影响

施氮对土壤微生物残体氮有显著影响 （图2）。细菌、真菌和总微生物残体量氮随施氮量的增加而增加，并且在0—20 cm 土层NE 和NE+1/2N 处理间无显著差异。

在同一处理下，同一土层中真菌残体氮的含量高于细菌残体氮，并且0—20 和20—40 cm 土层中真菌残体氮与细菌残体氮的比值随着氮肥施用量的增加呈下降趋势（0—20 cm 土层中为3.22～2.97，20—40 cm 土层中为3.48～3.11）。不同氮肥施用量对0—20 cm 土层微生物残体氮与土壤总氮的比值影响不显著（62.1%～66.5%），但与20—40 cm 土层的NE 处理相比，施氮量增加（NE+1/2N） 或减少（NE−N和NE−1/2N） 均降低了这一比值，NE−N、NE−1/2N、NE+1/2N 处理20—40 cm 土层土壤微生物残体氮与土壤全氮的比值较NE 处理降低了 4.1%～13.2%。在所有处理中，微生物残体氮与土壤全氮的比值达64.2%～73.2%。

2.3 不同氮肥用量对马铃薯氮素吸收及田间氮素平衡的影响

马铃薯对氮素的吸收随着施氮量的增加而增加（图3），但在施氮量超过NE 处理用量（N 178 kg/hm2）时，作物氮吸收量并没有持续增加。NE 处理氮平衡为N 32 kg/hm2 的盈余，而在NE+1/2N 中出现极大的氮盈余（N 125.6 kg/hm2）。

3 讨论

研究结果表明，不同施氮量显著增加了土壤NO3−-N，但对土壤NH4+-N 和全氮的影响较小，Zhao等[18]报道了不同施氮量下的相似结果。因为尿素在施入土壤后很快（2～7 天） 水解为NH4+-N，而NH4+-N在碱性条件下很容易以NH3 挥发损失，并在良好的土壤通气条件下通过硝化过程迅速转化为NO3−-N[19−20]。施氮量对0—20 cm 土层土壤NH4+ -N 含量没有影响，但相对于NE−N 和NE−1/2N 处理，高施氮量显著增加了20—40 cm 土层的NH4+-N 含量。这是因为表层土壤丰富的砂粒具有良好土壤通透性，有利于硝化作用[21]，而底土中黏土颗粒和含水量的增加增强了对NH4+-N 的吸附，减弱了NH3 的挥发。不同处理土壤全氮没有显著变化，因为氮肥引起的土壤矿物质氮的变化远小于土壤总氮储存量[22]。

NO3−-N 是旱地土壤矿质氮的主要形式，土壤矿质氮含量通常与施氮量呈正相关[20]。尽管NE+1/2N处理的氮输入量高，导致土壤NO3−-N 残留量高，但NE+1/2N 处理的马铃薯氮吸收量并没有较NE 处理增加；此外，频繁灌溉促进了NO3− -N 向深层的淋洗，NE+1/2N 处理中20—40 cm 土层的NO3−-N 含量略高于表层，并显著高于其他处理的深层。这些结果与Li 等[23]的报道一致，高氮肥投入导致底土NO3−-N大量积累。这些结果表明，在高氮施用和施肥不平衡的情况下，灌溉条件下NO3− -N 容易淋到深层土壤，从而增加硝酸盐污染风险[24]。

土壤微生物、真菌和细菌残体氮均随施氮量的增加而增加（除NE+1/2N 处理的20—40 cm 土层）。这一方面因为增施的氮肥增加了马铃薯产量和秸秆生物量（图4），马铃薯秸秆还田增加了有机碳输入，同时增加的氮肥施用量增加了土壤矿质氮供应，而有机碳和矿质氮为微生物生长所必需的能量和养分，增加的有机碳和氮投入促进了微生物生长，增强了微生物对矿质氮的固持，从而将肥料氮转化为微生物残体氮[25]。此外，微生物可以为氮循环和转化提供驱动力[26]，高氮有效性增加了微生物的底物有效性，减少了活的微生物对微生物残体氮的再利用[27−28]。

真菌残体氮与细菌残体氮的比值（2.9～3.5） 随施氮量的增加呈下降趋势，且随土层深度的增加而增加；此外，在低氮用量（NE−N 和NE−1/2N） 处理中，这种增加更为明显。这些结果表明，真菌对土壤中微生物残体氮积累的贡献大于细菌，并且真菌在低氮土壤中的贡献大于高氮土壤，但细菌残体氮含量随氮肥用量的增加幅度高于真菌残体氮，因为高肥力土壤有利于细菌的生长[2]。Ma 等[9]和Wang 等[29]研究指出，丰富的氮素营养有助于微生物残体氮，尤其细菌残体氮的积累。此外，在土壤−作物系统氮限制条件下，细菌残体氮比真菌残体氮更容易降解，而真菌残体氮具有难降解性，有助于土壤氮库的稳定[30−32]，因此低氮处理中真菌残体氮与细菌残体氮的比值升高。

微生物残体氮占土壤全氮的64.2%～73.2%，证实了微生物残体在土壤氮储存中的重要作用。同时，微生物残体是一种重要的有机氮资源，有助于缓解高量易分解有机碳输入下的微生物氮缺乏[33]。结果表明，除NE+1/2N 处理外，0—20 cm 土层微生物残体氮对土壤全氮的贡献低于20—40 cm 土层。可以解释为表层土接受了大量的马铃薯秸秆还田（C/N 值高），通过微生物残体分解来补偿微生物对速效氮的需求，相反，低量的马铃薯秸秆投入降低了底土微生物残体氮的消耗。Huang 等[34]还报道了微生物源的碳和氮在底土的碳氮储存中占主导地位。

根据不同施肥处理的矿质氮和微生物残体氮的变化，优化施肥对土壤氮平衡和微生物稳定氮积累具有重要意义。在内蒙古马铃薯生产中，基于NE 系统推荐的氮肥施用量（N 178 kg/m2） 适合维持土壤肥力、土壤健康和马铃薯块茎产量（图4）。

与NE 处理相比，NE+1/2N 处理两个土层的土壤矿质氮相似或更高，NE 和NE+1/2N 处理的作物秸秆还田量（图4） 相似；然而，与NE 处理相比，NE+1/2N 处理中的微生物残体氮没有增加，甚至在底土层中含量减少，这可能与土壤微生物群落组成有关。土壤微生物是土壤氮转化的关键驱动因素，其丰度和群落组成受到施肥和秸秆还田引起的土壤理化性质变化的影响，从而影响土壤氮组分的转化、组成和积累[35−36]。因此，需要进一步研究土壤微生物群落组成、功能和土壤氮组分变化之间的关系，以揭示施氮调节微生物残体固氮的机制。

4 结论

与最优氮肥量（NE 推荐量） 相比，减少施氮降低了土壤矿物氮供应，增施氮肥导致土壤氮过剩盈余和NO3−-N 显著积累。与优化施氮量相比，减少施氮量降低了微生物残体氮含量，增加施氮量并没有提高微生物残体氮含量。土壤微生物源氮储存以真菌残体氮为主，其对微生物残体氮的贡献随着施氮量和土层深度的增加而增加。与其他施氮量相比，最佳施氮量能维持更高的微生物残体氮储存量。总之，基于NE 系统推荐的氮用量能够较好地平衡土壤养分供应和维持较高微生物残体氮储存，是维持土壤肥力和马铃薯高产的最佳施氮量。