長期免耕和秸稈覆蓋下黃土高原旱作土壤不同粒級復合體中酸解有機氮含量及分配比例變化

王克鵬， 張仁陟， 董 博， 謝軍紅

(甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 蘭州 730070)

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長期免耕和秸稈覆蓋下黃土高原旱作土壤不同粒級復合體中酸解有機氮含量及分配比例變化

王克鵬， 張仁陟*， 董 博， 謝軍紅

(甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 蘭州 730070)

保護性耕作； 土壤粒級； 有機氮形態(tài)

氮是作物生長必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，由于氮肥在土壤中易發(fā)生形態(tài)轉化而損失，氮肥管理一直是農(nóng)田養(yǎng)分管理研究的重點[1-2]。表土層中的氮素90%以上以有機態(tài)氮的形態(tài)存在[3]。土壤有機氮主要包括有機殘體中的氮，即存在于未分解或半分解的動植物殘體中的部分和土壤有機質(zhì)或腐殖質(zhì)中的氮兩大類[3]。Bremner采用酸解法將土壤有機氮分成氨基酸氮、氨基糖氮、酸解氨態(tài)氮和酸解未知氮等形態(tài)[4]。有研究表明，植物吸收的氮主要來自酸解氨基酸態(tài)氮和酸解氨態(tài)氮[5]。李菊梅等[6]研究指出，土壤可礦化氮主要來自酸解有機氮，特別是氨基酸氮和酸解氨態(tài)氮。土壤有機氮的含量及形態(tài)直接影響著土壤的供氮能力[7]，其組成、含量及其礦化的難易程度與土壤供氮特性有密切關系[8]。李世清等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添加有機物料不同，有機氮的礦化累積量也不同。加入C/N比高的長芒草，由于能源物質(zhì)豐富，微生物對礦質(zhì)氮的固定作用強；加入C/N比低的紫花苜蓿后，能源物質(zhì)相對較少，易礦化有機氮多，有利于增加有機氮凈礦化。趙士誠等研究認為，長期秸稈還田對酸解氨基酸態(tài)氮的貢獻高于氨態(tài)氮；高量秸稈還田提高了微生物量氮和硝態(tài)氮的含量，但降低了固定態(tài)銨含量[10]。顆粒有機氮對土壤全氮的貢獻率最高，且隨施肥方式的改變而改變，與有機肥的施用量呈正相關，輕組有機氮對土壤全氮的貢獻率不隨施肥方式的改變而改變[11]。不同粒級的土壤顆粒，其礦質(zhì)組成和物理化學性質(zhì)有著很大的差異，與其結合或共同存在的有機質(zhì)組成也有某些不同，因而會對土壤氮素的形態(tài)與分布產(chǎn)生影響[3]。了解不同粒級中有機氮的含量和分布狀況對于評價土壤肥力水平具有重要意義[3]。黃土高原旱地是中國西北重要的農(nóng)作物種植區(qū)，不僅作物種類多，作物的連輪作方式也多種多樣[12]。作為一種有效保水保肥的耕作措施，保護性耕作對改善土壤理化性狀，提高土壤供肥，提高土壤酶活性具有很好的效果[13]。張仁陟等[14]的研究認為，免耕和秸稈覆蓋對土壤容重、孔隙度、土壤團聚體和微團聚體的形成都有不同程度的促進作用，從而為土壤良好結構的形成奠定了基礎。實施免耕結合秸稈覆蓋，對促進和維持土壤養(yǎng)分平衡，提高土壤肥力質(zhì)量具有重要意義，是適合黃土高原農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效耕作模式[15]，目前已逐步被人們所認識和采用。但實施免耕和秸稈覆蓋對黃土高原旱作土壤不同粒級復合體中酸解有機氮含量的研究尚未見報道，有必要進行研究。本研究通過長期定位試驗，對黃土高原半干旱區(qū)實施免耕和秸稈覆蓋的耕作措施后，土壤不同粒級復合體中酸解有機氮含量及分配的情況進行了研究，旨在為改進黃土高原旱地農(nóng)業(yè)耕作制度提供科學理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2014年在中國甘肅定西旱農(nóng)試驗站進行。該區(qū)屬于中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2000 m，年均氣溫6.14℃，≥0℃積溫2933.5℃，≥10℃積溫2239.1℃，日照時數(shù)2476.6 h，無霜期140天。多年平均降水365.0 mm，年蒸發(fā)量1531 mm，干燥度2.53，為中國西北半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)土壤類型為黃綿土，質(zhì)地均勻，土層深厚，貯水性能良好。0—200 cm土壤含有機質(zhì)12.0 g/kg、 全氮0.8 g/kg、 全磷1.8 g/kg、 平均容重為1.2 g/cm3。

1.2試驗設計

長期定位試驗于2001年8月開始，試驗共設4個處理(如表1所示)。采用隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積240 m2(8 m×30 m)，設3次重復，共12個小區(qū)。采用小麥—豌豆輪作，每年種植一季。豌豆品種為‘綠農(nóng)1號’，屬早熟半無葉型，生育期8590天。春小麥品種為‘定西35’。豌豆各處理區(qū)每年施純氮 20 kg/hm2、 P2O5105 kg/hm2(二銨、 過磷酸鈣)，小麥各處理區(qū)每年施 N 105 kg/hm2、 P2O5105 kg/hm2(尿素、 二銨)，所有肥料都作為基肥在播種時同時施入。豌豆于每年4月上旬播種， 8月上旬收獲。春小麥于每年3月中旬播種，8月上旬收獲。2014年8月15日，在選定的采樣點上，用采樣器采取耕層土樣。試驗各處理具體實施方法如表1所示。

表1　長期定位試驗處理具體步驟

1.3土壤不同粒級復合體的分離

采用超聲波振動[16]—沉降虹吸分離法：稱取過0.25 mm篩的風干土樣500 g 置于槽形超聲波發(fā)生器(上海超聲儀器廠CSF-B型)的槽內(nèi)，加水5000 mL使土水于21.5 kHz、300 mA條件下超聲波分散30 min，過0.106 mm濕篩至15 L的塑料桶內(nèi), 用清水沖洗篩子直至濾液澄清, 并補充水至15 L，使土壤懸液濃度接近3%。根據(jù)Stockes定律計算每一個粒級沉降時間，用虹吸法分別吸取<2 μm、210 μm、1050 μm粒級的復合體，各個粒級約提取30次，桶底殘留為50100 μm，濕篩上殘留為>100 μm。各個粒級的土粒懸液經(jīng)巴氏濾管抽濾后置于40℃干燥箱去除水分，自然風干，分別稱重、磨細供分析使用。

1.4 土壤及不同粒級中有機氮的分級

土壤有機氮組成采用改進的Bremner法[17]，其中，酸解性氮用凱氏法； 酸解氨態(tài)氮用氧化鎂蒸汽蒸餾法； (氨+氨基糖)氮用pH 11.2的磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸汽蒸餾法； 氨基酸氮用茚三酮氧化，磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸汽蒸餾法。氨基糖氮、酸解未知氮、非酸解性氮用差減法求得。

1.5計算方法和數(shù)據(jù)分析

各粒級復合體中不同形態(tài)有機氮的絕對含量計算公式：

Nt=Ni×Wi

式中, Nt—單位質(zhì)量土樣中各形態(tài)有機氮的量(mg/kg)； Ni—單位質(zhì)量土樣中某一粒級土壤顆粒所占比例； Wi—單位質(zhì)量某一粒級土壤顆粒中各有機氮組分的量(mg/kg)。

數(shù)據(jù)采用SPSS19.0軟件進行差異顯著性檢驗和相關分析。

2　結果與分析

2.1保護性耕作措施對土壤不同粒級復合體組成的影響

由表2可以看出，在所有回收的土壤樣本中，02、210、1050、50100、>100 μm 粒級的土壤顆粒復合體分別約占12.9%、24.0%、45.5%、9.9%、5.0%。與傳統(tǒng)耕作措施(T)相比，經(jīng)過連續(xù)14年不同耕作措施，三種保護性耕作方式均降低了02 μm粒級土壤復合體在土壤中所占的比例，降幅為27.6%31.0%；增加了210 μm粒級土壤復合體的比例，增幅為20.0%31.7%，其中以免耕加秸稈覆蓋(NTS)處理的土壤，210 μm粒級土壤復合體所占比例增幅最大(31.7%)。保護性耕作措施對1050 μm和50100 μm粒級的土壤復合體所占比例影響相對較小；>100μm粒級的土壤復合體中除了少量的土壤顆粒外，剩余部分為半分解的粗有機殘體。與傳統(tǒng)耕作措施相比，保護性耕作措施使>100μm粒級土壤復合體的比例增加10.1%12.5%。

表2　保護性耕作對土壤不同粒級復合體組成的影響(%, w/w)

注(Note): 同列數(shù)值后不同小寫字母表示差異達0.05顯著水平 Values followed by different small letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.

由表2還可以看出，不同的保護性耕作措施對土壤各粒級復合體組成的影響是有差別的。與傳統(tǒng)耕作措施(T)相較，免耕(N)使210 μm粒級的土壤復合體比例增加了20%，傳統(tǒng)耕作+秸稈還田(TS)使210 μm粒級的土壤復合體比例增加了27.8%，而免耕加秸稈覆蓋(NTS)使210 μm粒級的土壤復合體比例增加了31.7%，增幅均達到0.05的顯著水平。免耕加秸稈覆蓋(NTS)更加明顯地增加了210 μm粒級的土壤復合體在耕層土壤中的比例。不同耕作措施土壤之間的這種差異可能是由其物質(zhì)組成及其轉化過程中的合成產(chǎn)物的不同所引起的。

2.2不同耕作措施對土壤不同粒級中有機氮各形態(tài)含量與分配的影響

2.2.1 不同耕作措施對單位質(zhì)量不同粒級土壤中有機氮各形態(tài)含量的影響由表3可以看出，單位質(zhì)量土壤的酸解有機總氮的含量因粒級不同而異。在所有的試驗區(qū)，以02 μm粒級單位質(zhì)量的土壤復合體中酸解有機總氮含量最高，210 μm粒級次之，1050 μm粒級單位質(zhì)量的土壤復合體中酸解有機總氮含量最低。在本試驗中，單位質(zhì)量不同粒級土壤復合體中酸解有機氮含量的順序與徐陽春等的研究結果相一致[16]，都是氨基酸氮含量最高，表明保護性耕作并未有改變不同粒級土壤復合體中有機氮含量的順序。

表3　土壤不同粒級復合體內(nèi)的有機氮組成 (mg/kg)

注(Note): HUN—Acid hydrolysis nitrogen. 同列數(shù)值后不同小、大寫字母分別表示同一土壤粒級不同處理間各有機氮含量差異達0.05、0.01顯著水平 Values followed by different small and capital letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.2.2 不同耕作措施對單位質(zhì)量土壤中有機氮各形態(tài)含量的影響由表4可以看出，所有處理中，均以氨基酸氮所占比重最大，與1050 μm粒級土壤復合體結合的有機氮含量最多。雖然單位質(zhì)量1050 μm粒級土壤復合體中酸解氮含量最少，但由于1050 μm粒級土壤復合體在土壤中所占比例較大(約45%)，因此就總量而言，與1050 μm粒級土壤復合體結合的土壤酸解氮含量最大。在傳統(tǒng)耕作(T)條件下，與各粒級土壤復合體相結合的有機氮量順序為1050 μm>02 μm>210 μm>50100 μm> 100 μm以上，而三種保護性耕作處理其順序為1050 μm>210 μm>02 μm> 50100 μm>100 μm以上，表明保護性耕作主要增加了耕層土壤中與210 μm粒級土壤復合體結合的酸解氮比例，降低了與02 μm粒級結合的酸解氮比例。

表4　不同形態(tài)有機氮在各粒級土壤中的含量 (mg/kg)

注(Note): HUN—Acid hydrolysis nitrogen.

表5　不同耕作處理耕層土壤各形態(tài)有機氮含量 (mg/kg)

注(Note): HUN—Acid hydrolysis nitrogen. 同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間差異達0.05顯著水平Values followed by different small letters in a column mean significantly different among treatments at 0.05 level.

3　討論

4　結論

1)與傳統(tǒng)耕作相比，保護性耕作措施主要明顯提高了土壤210 μm粒級復合體的比例，降低了02 μm粒級復合體的比例。

2) 在土壤復合體中，以02 μm粒級的酸解氮含量最高，其次為210 μm粒級，以1050 μm粒級最低。

3) 保護性耕作措施明顯提高了210 μm粒級土壤復合體中酸解氮的含量，使耕層土壤中與210 μm粒級土壤復合體結合的酸解氮比例增加，而與02 μm粒級結合的酸解氮比例有所降低。

[1]Ju X T, Xing G X, Chen X P. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106: 3041-3046.

[2]Mulvaney R L, Khan S A, Ellsworth T R．Synthetic nitrogen fertilizers deplete soil nitrogen: a global dilemma for sustainable cereal production[J]. Journal of Environmental Quality, 2009, 38 (6): 2295-2314.

[3]徐陽春, 沈其榮, 茆澤圣. 長期施用有機肥對土壤及不同粒級中酸解有機氮含量與分配的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2002, 35(4): 403-409.

Xu Y C, Shen Q R, Mao Z S. Contents and distribution of forms of organic N in soil and particle size fractions after long-term fertilization[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(4): 403-409.

[4]Bremner J M. Organic forms of soil nitrogen[A]. Black C A. Methods of soil analysis, Part 2. Chemical and microbiological properties[M]. Madison, WI: American Society of Agronomy, 1965. 1238-1255.

[5]梁國慶, 林葆, 林繼雄, 等. 長期施肥對石灰性潮土氮素形態(tài)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2000, 6(1): 3-10.

Liang G Q，Lin B, Lin J X,etal. Effects of long-term fertilization on nitrogen fractions in calcareous cambisols[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2000, 6(1): 3-10.

[6]李菊梅, 李生秀. 可礦化氮與各有機氮組分的關系[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2003, 9(2): 158-164.

Li J M, Li S X. Relation of mineralizable N to organic N components[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2003, 9(2): 158-164.

[7]郝曉暉, 胡榮桂, 吳金水, 等. 長期施肥對稻田土壤有機氮、微生物生物量及功能多樣性的影響[J]. 應用生態(tài)學報, 2010, 21(6): 1477-1484.

Hao X H, Hu R G, Wu J S,etal. Effects of long-term fertilization on paddy soils organic nitrogen, microbial biomass, and microbial functional diversity[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(6): 1477-1484.

[8]Kielland K, McFarland J W, Ruess R W, Olson K. Rapid cycling of organic nitrogen in Taiga forest ecosystems[J]. Ecosystems, 2007, 10(3): 360-368.

[9]李紫燕, 李世清, 李生秀. 黃土高原典型土壤有機氮礦化過程[J]. 生態(tài)學報，2008, 28(10): 4940-4950.

Li Z Y, Li S Q, Li S X. Organic N mineralization in typical soils of the Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(10): 4940-4950.

[10]趙士誠, 曹彩云, 李科江, 等. 長期秸稈還田對華北潮土肥力、氮庫組分及作物產(chǎn)量的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2014, 20(6): 1441-1449.

Zhao S C, Cao C Y, Li K J,etal. Effects of long-term straw return on soil fertility, nitrogen pool fractions and crop yields on a fluvo-aquic soil in North China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(6): 1441-1449.

[11]宋震震, 李絮花, 李娟, 等. 有機肥和化肥長期施用對土壤活性有機氮組分及酶活性的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2014, 20(3): 525-533.

Song Z Z, Li X H，Li J,etal. Long-term effects of mineral versus organic fertilizers on soil labile nitrogen fractions and soil enzyme activities in agricultural soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(3): 525-533.

[12]李小涵, 王朝輝, 郝明德, 等. 黃土高原旱地種植體系對土壤水分及有機氮和礦質(zhì)氮的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2008, 41(9): 2686-2692.

Li X H, Wang C H, Hao M D,etal. Effects of cropping systems on soil water, organic N and mineral N in dryland soil on the loess plateau[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(9): 2686-2692.

[13]楊江山, 張恩和, 黃高寶, 等. 保護性耕作對麥藥輪作土壤酶活性和微生物數(shù)量的影響[J]. 生態(tài)學報, 2010, 30(3): 824-829.

Yang J S, Zhang E H, Huang G B,etal. Effects of conservation tillage on soil microbes quantities and enzyme activities in wheat- herb rotation system[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(3): 824-829.

[14]張仁陟, 羅珠珠, 蔡立群.長期保護性耕作對黃土高原旱地土壤物理質(zhì)量的影響[J]. 草業(yè)學報, 2011, 20(4): 1-10.

Zhang R Z, Luo Z Z, Cai L Q. Effects of long-term conservation tillage on soil physical quality of rainfed areas of the Loess Plateau[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2011, 20(4): 1-10.

[15]羅珠珠, 黃高寶, Li G D, 等. 保護性耕作對旱作農(nóng)田土壤肥力及酶活性的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2009, 15(5): 1085-1092.

Luo Z Z, Huang G B, Li G D,etal. Effect of conservation tillage on soil nutrients and enzyme activities in rainfed area[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(5): 1085-1092.

[16]徐陽春, 沈其榮. 長期施用不同有機肥對土壤各粒級復合體中C、N、P含量與分配的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2000, 33(5): 1-7.

Xu Y C, Shen Q R. Influence of long-term application of manure on the contents and distribution of organic C, total N and P in soil particle -sizes[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2000, 33(5): 1-7.

[17]Stevenson K J. Nitrogen-organic forms[A]. Sparks D L, Page A L,etal. Methods of soil analysis, Part 3. Chemical methods. book series 5[C]. Madison, Wisconsin: Soil Science Society of America and American Society of Agronomy, 1996. 1185-1200.

[18]蔡立群, 齊鵬, 張仁陟, 等. 不同保護性耕作措施對麥-豆輪作土壤有機碳庫的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2009, 17(1): 1-6.

Cai L Q, Qi P, Zhang R Z,etal. Effects of different conservation tillage measures on soil organic carbon pool in two sequence rotation systems of spring wheat and pease[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2009, 17(1): 1-6.

[19]趙蘭坡, 馬晶, 楊學明, 等. 耕作白漿土有機無機復合體腐殖質(zhì)組成及類型[J]. 土壤學報, 1997, 34(1): 28-41.

Zhao L P, Ma J, Yang X M,etal. Composition and types of humus in different particle fractions of arable albic soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 1997, 34(1): 28-41.

[20]Knicker H. Forms and nature of organic N in fine particle size separator of sandy soils of highly industrialized areas as revealed by MNR spectroscopy[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 41: 241-252.

[21]王媛, 周建斌, 楊學云. 長期不同培肥處理對土壤有機氮組分及氮素礦化特性的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2010, 43(6): 1173-1180.

Wang Y, Zhou J B, Yang X Y. Effects of different long-term fertilization on the fractions of organic nitrogen and nitrogen mineralization in soils[J]. Scientia Agricultura Sinia, 2010, 43(6): 1173-1180.

[22]李世清, 李生秀, 楊正亮. 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤氨基酸氮的組成及含量[J]. 生態(tài)學報, 2002, 22(3): 379-386.

Li S Q, Li S X, Yang Z L. Constituent and amount of amino acid in different ecological system soils[J]. Acta Ecologica Sinica, 2002, 22(3): 379-386.

[23]張玉玲, 溫福, 虞娜, 等. 長期不同土地利用方式對潮棕壤有機氮組分及剖面分布的影響[J]. 土壤學報, 2012, 49(4): 740-747.

Zhang Y L, Wen F, Yu N,etal. Effect of long-term land use on fractionation and profile distribution of organic nitrogen in aquic brown soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(4): 740-747.

[24]Porter L K, Stewart B A. Organic interferences in the fixation of ammonium by soils and clay minerals[J]. Soil Science, 1970, 109: 229-233.

[25]Liang B, Yang X Y, He X H,etal. Long-term combined application of manure and NPK fertilizers influenced nitrogen retention and stabilization of organic C in loess soil[J]. Plant and Soil, 2012, 353: 249-260.

[27]Liu Y J, Laird D A, Barak P. Release and fixation of ammonium and potassium under long-term fertility management[J]. Soil Science Society of America Journal, 1997, 61: 310-314.

[28]陳賢友. 土壤有機氮及其吸附態(tài)氨基酸分布特征研究[D]. 杭州：浙江大學博士學位論文, 2014.

Chen X Y. The study of soil organic nitrogen with adsorbed amino acid distribution characteristics [D]. Hangzhou: PhD Dissertation of Zhejiang University, 2014.

Acid hydrolysis organic N content and the distribution in different sizes of soil complexes in Loess Plateau dryland under long-term no-tillage and straw mulching

WANG Ke-peng, ZHANG Ren-zhi*, DONG Bo, XIE Jun-hong

(CollegeofResourceandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

conservation tillage; soil particle size; forms of organic N

2015-10-09接受日期： 2015-11-27

國家自然科學基金資助項目(31360148)資助。

王克鵬(1975—), 男, 甘肅省會寧縣人，博士，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學研究。Tel: 0931-7631774， E-mail: wlf8769216@163.com

Tel: 0931-7632461， E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn

S345; S153.6

A

1008-505X(2016)03-0659-08