氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分及土壤微生物量的影響

趙 莉

(淄博職業(yè)學(xué)院 制藥與生物工程系, 山東 淄博 255314)

氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分及土壤微生物量的影響

趙 莉

(淄博職業(yè)學(xué)院 制藥與生物工程系, 山東 淄博 255314)

采用人工氮添加研究了紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分及微生物量對不同氮添加水平[CK；低氮LN，10 g/(m2·a)；中氮MN，20 g/(m2·a)；高氮HN，30 g/(m2·a)]的響應(yīng)。結(jié)果表明：氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分及微生物量的影響表現(xiàn)為正的增加效應(yīng)，對根區(qū)土壤全氮含量無明顯影響(P>0.05)；土壤養(yǎng)分及微生物量隨氮素的添加呈先增加后降低趨勢，均表現(xiàn)為MN>HN>LN>CK，以中水平的氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤微生物量增加效應(yīng)最為明顯；除了土壤全氮以外，不同水平的氮添加處理下土壤養(yǎng)分和微生物量均與CK達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)；紫花苜蓿根區(qū)土壤微生物量對氮添加的敏感性高于土壤養(yǎng)分，其中土壤活性有機(jī)碳是不同水平氮添加處理后紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分變化的敏感指標(biāo)。Pearson相關(guān)性分析表明，土壤微生物量和土壤養(yǎng)分與土壤含水量之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)，二者與土壤pH有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，表明了氮添加處理下紫花苜蓿根區(qū)土壤理化因子、養(yǎng)分和微生物量等地下生態(tài)系統(tǒng)各指標(biāo)之間的統(tǒng)一性及相互作用和影響。

氮添加; 紫花苜蓿; 根區(qū); 土壤養(yǎng)分; 土壤微生物量

氮素是植物所需的基本元素之一，在植物的生長過程有著重要作用[1-3]。植物—土壤系統(tǒng)是一個相互作用、相互影響的有機(jī)整體，一方面，植物的生長以土壤作為基礎(chǔ)支撐通過根系吸取養(yǎng)分，另一方面，植物生長及其覆蓋也在不斷改變著土壤理化性狀及微生態(tài)環(huán)境[4-5]，植物根系分泌有機(jī)物質(zhì)不斷地進(jìn)行呼吸，影響土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分分布特征等[6-7]。

紫花苜蓿(Medicagosativa)屬多年生優(yōu)質(zhì)牧草，產(chǎn)量高、品質(zhì)好、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、營養(yǎng)豐富、生態(tài)適應(yīng)性廣、較好的固氮能力和保持水土功能等[8-10]，有利于調(diào)節(jié)氣候和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，在生長發(fā)育過程中依靠土壤中的養(yǎng)分遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，其中施氮是調(diào)節(jié)和控制紫花苜蓿營養(yǎng)物質(zhì)平衡的一項重要措施[11-12]。由于紫花苜蓿是各部分協(xié)調(diào)的生命系統(tǒng)，氮添加會改變植物生長過程中各產(chǎn)物的分配與轉(zhuǎn)運(yùn)以及根系的分泌等生理生態(tài)活動等，這些變化將對植物根區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[8-10,13-14]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對紫花苜蓿的研究多集中于施肥水平對其產(chǎn)量的影響，尚未涉及氮添加條件下紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分的響應(yīng)情況。鑒于此，本試驗研究和探討了不同程度的氮素添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分的影響，旨在了解氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分的影響，確定紫花苜蓿生長所需最佳氮素添加，從而為紫花苜蓿合理建設(shè)、高效生產(chǎn)以及可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗場地位于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)農(nóng)場，冬季少嚴(yán)寒，年均氣溫10～15℃，最冷月(1月)平均氣溫-6.0℃左右，最熱月(8月)平均氣溫28.6℃左右，年降雨量800～1 200 mm，無霜期200～250 d，適合紫花苜蓿生長。

1.2 試驗材料及樣地設(shè)置

供試材料為紫花苜蓿，根據(jù)紫花苜蓿基本生理特性和同類氮添加試驗及當(dāng)?shù)氐两盗吭O(shè)置3個氮添加水平：低氮添加[LN，10 g/(m2·a)]、中氮添加[MN，20 g/(m2·a)]和高氮添加[HN，30 g/(m2·a)]，以無氮添加為對照(CK)，試驗地原作菜地，試驗前測定土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)各指標(biāo)，土壤pH值為8.2，含水量為9.23%，容重為1.47 g/cm3，電導(dǎo)率為69 μs/cm，有機(jī)碳含量為14.28 g/kg，活性有機(jī)碳含量為1.34 g/kg，全氮含量為2.16 g/kg，堿解氮含量為36.51 mg/kg，全磷含量為2.07 g/kg，有效磷含量為53.84 mg/kg，微生物量碳為57.81 mg/kg，微生物量氮為11.35 mg/kg，微生物量磷為8.27 mg/kg。

隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(包括對照)12個小區(qū)，每個小區(qū)3 m×4 m=12 m2，各小區(qū)間保留10 m寬緩沖帶，2013年4月1日開始整地，4月中旬進(jìn)行穴播，株距35 cm，行距45 cm，每穴3～5粒，待種子發(fā)芽后(5月下旬)進(jìn)行首次施氮，添加氮素為NH4NO3，采用NH4NO3混合20 L自來水均勻噴灑，對照組沒有氮添加僅施加20 L自來水。于8月采用相同方法再次等量施加氮素，11月中旬采集紫花苜蓿根區(qū)土壤，每個小區(qū)重復(fù)3次，每次取樣分為2份，一份用塑封袋盛裝用于測定土壤含水量、理化性質(zhì)及養(yǎng)分各指標(biāo)，另一份迅速于4℃保溫箱保存測定土壤微生物量，并在取樣點(diǎn)附近取相應(yīng)的環(huán)刀土測定土壤容重。

1.3 測定方法

新鮮土樣采用烘干法測定土壤含水量以后自然風(fēng)干(20 d)去除有機(jī)碎片后過2 mm篩，pH采用電極電位法測定(1∶5.0土水比)；電導(dǎo)率EC采樣P4多功能測定儀(Multiline P4 Universal Meter，WTM公司，Germany)測定；然后研磨過0.5 mm篩用于土壤養(yǎng)分測定；有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；全磷采用NaOH堿溶—鉬銻抗比色法測定(日產(chǎn)UV-1601分光光度計)；有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定(意大利產(chǎn)DK6，UDK140分析儀)；堿解氮采用NaOH—H3BO3法測定[15]；4℃保存的新鮮土樣中采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法測定土壤微生物量碳、氮、磷，將浸提液解凍,過濾后直接在Multi N/ C3000(德國)上測定，其中氯仿熏蒸殺死的微生物體中的碳、氮被浸提出來的比例分別為0.38，0.45[16]。

統(tǒng)計分析：Excel 2003和SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和方差分析，LSD進(jìn)行多重比較(顯著水平設(shè)置P<0.05)和單因素方差分析(One-way ANOVA)，Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗土壤養(yǎng)分及微生物量與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，Origin 7.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤容重是土壤緊實度和土壤結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)，由圖1可知，隨氮素的添加紫花苜蓿根區(qū)土壤容重呈降低趨勢，說明氮添加減小了土壤容重，使得土壤緊實度增加，土壤結(jié)構(gòu)變差，這與紫花苜蓿根系在土壤中的空間分布有關(guān)。

土壤含水量受大氣降水、地表蒸發(fā)、植物吸收蒸騰及土壤特性等影響，土壤含水量氮素的添加呈先增加后降低趨勢，并且各水平的氮添加均與對照達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)，中度氮添加水平達(dá)到最大，表現(xiàn)為MN>HN>LN>CK，說明了氮添加在一定程度上增加了紫花苜蓿根區(qū)土壤入滲和持水能力，從而增加了土壤含水量。

土壤pH值受氮添加的影響則不顯著，整體來看，土壤pH值隨氮素的添加呈先降低后增加趨勢，并且均小于對照，中度氮添加水平最小，與對照達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)，但低水平和高水平的氮添加與對照均為達(dá)到顯著差異水平(P>0.05)，說明了氮添加一定程度上降低了紫花苜蓿根區(qū)土壤pH，從而促進(jìn)了根區(qū)養(yǎng)分的吸收和利用。

不同水平的氮添加顯著影響了紫花苜蓿根區(qū)土壤電導(dǎo)率，土壤電導(dǎo)率隨氮素的添加呈逐漸增加趨勢，增加的幅度逐漸減弱，并且各水平的氮添加均與對照達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)，在高氮添加水平達(dá)到最大值，說明了氮添加在一定程度上增加了紫花苜蓿根區(qū)土壤可溶性離子數(shù)目，進(jìn)而增加了根區(qū)土壤電導(dǎo)率。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

圖1氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分含量的影響

由圖2可知，氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分具有較大影響，隨氮素含量的增加土壤各養(yǎng)分平均含量呈先上升后下降趨勢，總體表現(xiàn)為MN>HN>LN>CK，除了土壤全氮以外，不同水平的氮添加處理下土壤養(yǎng)分指標(biāo)均與CK達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)，說明氮添加能夠增加紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分含量，但對土壤全氮含量沒有顯著的增加效應(yīng)，對土壤其他養(yǎng)分具有顯著增加效應(yīng)，以中度水平的氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分含量增加效應(yīng)最為明顯。綜合比較可知，氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分表現(xiàn)為迅速增加的過程，與對照相比，不同水平氮添加(LN，MN，HN)處理下土壤有機(jī)碳分別增加了27.45%，53.80%，41.18%；活性有機(jī)碳分別增加了33.57%，88.73%，66.20%；全氮分別增加了19.26%，16.06%，2.75%；堿解氮分別增加了34.6%，58.3%，51.7%；全磷分別增加了54.73%，64.21%，32.63%；有效磷分別增加了33.48%，50.54%，47.30%；其中土壤活性有機(jī)碳的增加幅度高于土壤其他養(yǎng)分指標(biāo)，說明氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分含量具有明顯影響，這可能是由于氮添加后紫花苜蓿根區(qū)需要吸收較多的土壤養(yǎng)分以供生長繁殖，從而導(dǎo)致紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分明顯增加，然而對土壤活性有機(jī)碳的增加效應(yīng)高于土壤其他養(yǎng)分指標(biāo)，說明了土壤活性有機(jī)碳是不同水平氮添加處理后紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分變化的敏感指標(biāo)。此外，通過不同水平氮添加處理后紫花苜蓿根區(qū)土壤各養(yǎng)分的均值及標(biāo)準(zhǔn)誤差計算可得，氮添加處理下土壤有效養(yǎng)分變異系數(shù)較高，說明氮添加對土壤有效養(yǎng)分的空間變異影響較大。

2.3 氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤微生物量的影響

由圖3可知，氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤微生物量的影響與土壤養(yǎng)分保持一致，也即隨氮素含量的增加土壤微生物量呈先上升后下降趨勢，總體表現(xiàn)為MN>HN>LN>CK，并且不同水平的氮添加處理下土壤微生物量均與CK達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)，說明氮添加能夠增加紫花苜蓿根區(qū)土壤微生物量，對土壤微生物量具有顯著增加效應(yīng)，以中度水平的氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤微生物量增加效應(yīng)最為明顯。與對照相比，不同水平氮添加(LN，MN，HN)土壤微生物量碳分別增加了62.80%，79.99%，62.85%；微生物量氮分別增加了69.23%，90.59%，75.21%；微生物量磷分別增加了86.96%，98.91%，79.35%。

圖2 氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分的影響

圖3 氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤微生物量的影響

2.4紫花苜蓿根區(qū)土壤理化性質(zhì)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

紫花苜蓿根區(qū)土壤理化性質(zhì)與土壤養(yǎng)分和土壤微生物量的Pearson相關(guān)關(guān)系如表1所示，由表1的結(jié)果可知：土壤含水量與有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷、微生物量碳和微生物量磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與堿解氮和微生物量氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤容重有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、有效磷、和微生物量碳呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與全氮和微生物量氮呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；土壤pH與活性有機(jī)碳和微生物量碳呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與有機(jī)碳、全氮、有效磷、微生物量氮呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；土壤電導(dǎo)率與活性有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與有機(jī)碳、全氮、有效磷、微生物量碳和微生物量磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表1 紫花苜蓿根區(qū)土壤理化性質(zhì)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

**相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾)，*相關(guān)性在0.05水平上顯著(雙尾)。

3 討論與結(jié)論

氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和土壤微生物量均具有一定的影響(圖1，2，3)，由此表明紫花苜蓿根區(qū)微環(huán)境對于氮添加較為敏感。圖1的結(jié)果表明氮素促進(jìn)了紫花苜蓿根系的大量生長和繁殖，增加了根區(qū)土壤的孔隙，從而導(dǎo)致根區(qū)土壤容重的降低[17-19]；并且紫花苜蓿通過降低根區(qū)pH，增加根區(qū)土壤養(yǎng)分的溶解而提高土壤養(yǎng)分和有效養(yǎng)分含量[10,20-23]；結(jié)合表1的結(jié)果來看，氮素添加增加紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分和微生物量主要是由于增加了根區(qū)土壤含水量和降低了根區(qū)土壤pH的共同作用結(jié)果。

綜合圖2和3可知，氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分及微生物量的影響表現(xiàn)為正效應(yīng)，不同水平的氮添加均能顯著提高紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分和微生物量，隨氮素的添加土壤養(yǎng)分和微生物量均呈先增加后降低趨勢，表現(xiàn)為MN>HN>LN>CK，對紫花苜蓿根區(qū)土壤全氮含量的影響不顯著(P>0.05)，但土壤全氮含量均高于對照，說明氮添加有利于紫花苜蓿根區(qū)土壤氮素的積累。從整體上來看，氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤全氮影響也表現(xiàn)為正效應(yīng)，主要是由于紫花苜蓿具有固氮作用，有利于提高土壤氮素含量，隨著生長的發(fā)育其根部形成大量的根瘤菌，固氮功能增強(qiáng)，將空氣中的氮素固定到土壤中，同時根系產(chǎn)生一些有機(jī)分泌物和部分腐爛根系，增加土壤中的養(yǎng)分[21,24-25]。通過進(jìn)一步的分析可知，氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤微生物量的增加幅度明顯高于土壤養(yǎng)分，也即土壤微生物量對于氮添加的敏感性高于土壤養(yǎng)分，說明紫花苜蓿根區(qū)土壤系統(tǒng)內(nèi)部因子處于動態(tài)變化和平衡中，而不同水平的氮添加影響紫花苜蓿根區(qū)微生態(tài)環(huán)境[18,25]。由表1的結(jié)果可知，土壤微生物量和土壤養(yǎng)分與土壤含水量之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)，二者與土壤pH有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，表明了氮添加處理下紫花苜蓿根區(qū)土壤理化因子、養(yǎng)分和微生物量等地下生態(tài)系統(tǒng)各指標(biāo)之間的統(tǒng)一性及相互作用和影響。

氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分影響的過程較為復(fù)雜，受施氮量、頻率、方式、時間、土壤特性以及環(huán)境因子等綜合影響[18,22-24]，本研究區(qū)保證了相同的土壤基質(zhì)和環(huán)境條件，結(jié)果表明中水平的氮添加[20 g/(m2·a)]對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的增加效應(yīng)達(dá)到最大，pH也達(dá)到最低，促進(jìn)了根區(qū)土壤養(yǎng)分的吸收和利用，而高水平的氮添加則導(dǎo)致紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分的微弱減小，降低了土壤容重和土壤養(yǎng)分。氮添加處理下紫花苜蓿在生長繁殖過程中，勢必會加大對土壤中有效養(yǎng)分的吸收利用[21,24-26]。因此氮素添加越多，紫花苜蓿對土壤有效養(yǎng)分的吸收越劇烈，但這種吸收作用在一定的氮素控制范圍內(nèi)，高水平的氮添加[30 g/(m2·a)]可能會引起紫花苜蓿營養(yǎng)單一而生長受阻，超出了紫花苜蓿根區(qū)吸收養(yǎng)分的的閾限，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分及理化性狀開始退化，造成其產(chǎn)量和品質(zhì)的降低，也有可能造成試驗區(qū)土壤氮素飽和，引起土壤酸化等多種負(fù)面效應(yīng)[10,18,21,27]。綜合來看，中水平氮添加[20 g/(m2·a)]對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分影響最大，而土壤活性有機(jī)碳增加幅度最大，是氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分表現(xiàn)最為敏感的指標(biāo)。本研究添加氮素后，紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分、理化性質(zhì)及微生物量均顯著優(yōu)于對照，表明了氮添加有利于紫花苜蓿根區(qū)土壤系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和腐殖質(zhì)的形成等，促進(jìn)土壤有效養(yǎng)分的增加。

紫花苜蓿在生長過程中需要大量營養(yǎng)元素和水分，雖然其根系發(fā)達(dá)，耐干旱，保水固土效果顯著，但多年種植會引起土壤深層干燥化，最終導(dǎo)致紫花苜蓿的嚴(yán)重衰退，有報道稱多年種植紫花苜蓿會導(dǎo)致土壤干燥化和不可持續(xù)利用[19,22-23,27]，結(jié)合本試驗的研究結(jié)果，我們未來應(yīng)在氮添加的基礎(chǔ)上長期研究紫花苜蓿種植年限及種植密度對其根區(qū)土壤養(yǎng)分的影響。綜上而言，氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤生態(tài)學(xué)性質(zhì)會造成一定影響，但關(guān)于其內(nèi)在作用機(jī)制還不清楚，因此，關(guān)于此方面我們還需深入展開研究，重點(diǎn)研究氮添加對紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分、水分的需求動態(tài)、光合作用產(chǎn)物、根系分泌物的分配等方面的影響。

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EffectsofNitrogenAdditionontheSoilNutrientandMicrobialBiomassinRootZoneofMedicagosativa

ZHAO Li

(DepartmentofPharmaceuticalandBiologicalEngineering,ZiboVocationalInstitute,Zibo,Shandong255314,China)

By using a manual nitrogen addition method, the responses of the soil nutrient and microbial biomass in root zone of ofMedicagosativato different nitrogen addition levels such as CK, LN [10 g/(m2·a)], MN [20 g/(m2·a)], HN [30 g/(m2·a)] were examined. The results indicated that the nitrogen addition stimulated the soil nutrient and microbial biomass in root zone, but no significant effect of nitrogen addition on soil total nitrogen in the root zone was observed(P>0.05). The soil nutrient and microbial biomass in root ofMedicagosativafirst increased and then decreased with nitrogen additions which showed the order of MN>HN>LN>CK. In all treatments, the soil nutrient and microbial biomass in root zone ofMedicagosativaexcept the soil total nitrogen were significant higher than CK (P<0.05). The sensibility to nitrogen addition of soil microbial biomass in the root zone ofMedicagosativawas higher than that of soil nutrient, and soil active organic carbon was the sensitive indicator to change of soil nutrient in the root zone ofMedicagosativaof all treatments. Pearson correlation analysis showed that soil microbial biomass and nutrient had a significant positive correlation with soil moisture and negative correlation with soil pH which illustrated the uniformity of underground ecosystem such as soil physical and chemical factors, nutrient and microbial biomass or other various indicators.

nitrogen addition;Medicagosativa; root zone; soil nutrient; soil microbial biomass

2014-06-30

：2014-07-26

趙莉(1978—),女,黑龍江省伊春市人,講師,主要從事城市園林景觀設(shè)計。E-mail:zhaolee1978@163.com

S812.5

：A

：1005-3409(2014)06-0035-06