不同輪作模式下氮肥用量對土壤有機(jī)氮組分的影響*

賈 倩 廖世鵬 卜容燕 張 萌 任 濤 李小坤 叢日環(huán) 魯劍巍

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070）

不同輪作模式下氮肥用量對土壤有機(jī)氮組分的影響*

賈 倩 廖世鵬 卜容燕 張 萌 任 濤?李小坤 叢日環(huán) 魯劍巍

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070）

通過三年六季的田間定位試驗，對比研究了水旱輪作（水稻/油菜）和旱地輪作（棉花/油菜）下氮肥用量對土壤有機(jī)氮含量及其組分的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過三年輪作后，周年輪作氮肥投入超過300 kg hm-2（以純氮計，下同）的處理0～20 cm土壤全氮含量明顯增加。與不施氮處理相比，周年氮肥用量為300 kg hm-2和375 kg hm-2水旱輪作處理0～20 cm土壤全氮含量增加了13.6%～23.5%，而旱地輪作處理則增加了15.0%～23.0%，土壤酸解態(tài)氮含量增加是土壤全氮變化的主要原因。兩種輪作模式下土壤酸解態(tài)氮含量無顯著差異，但土壤酸解態(tài)氮各組分的變化卻不相同。水旱輪作中酸解銨態(tài)氮增加的比例（33.8%）低于旱地輪作（53.9%），但其酸解未知態(tài)氮含量增加的比例（36.0%）高于旱地輪作（16.6%）。綜上所述，周年氮肥合理施用能明顯提高土壤有機(jī)氮含量，水旱和旱地輪作下土壤酸解態(tài)氮庫各組分變化差異明顯。根據(jù)不同輪作模式下土壤有機(jī)氮庫轉(zhuǎn)化特點，優(yōu)化氮肥施用對于提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率具有重要意義。

氮肥；水旱輪作；旱地輪作；全氮；土壤酸解態(tài)氮

土壤中的氮素主要以有機(jī)形態(tài)存在，有機(jī)氮只有通過礦化轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮才能被植物吸收利用，因此，深入研究土壤有機(jī)氮庫的組成及其轉(zhuǎn)化對于理解土壤氮素供應(yīng)、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥投入具有重要作用。土壤有機(jī)氮組分受土壤類型、肥料種類、用量以及耕作管理等多種因素的影響。李強(qiáng)等［1］比較了我國南方不同地帶性水稻土有機(jī)氮的組成發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)氮各組分占全氮比例與區(qū)域緯度呈線性相關(guān)，自然環(huán)境在土壤有機(jī)氮結(jié)構(gòu)組成中起決定作用，而人為耕作管理則對土壤有機(jī)氮含量影響更大。作為重要的人為管理措施，化肥和有機(jī)肥的施用能明顯提高土壤有機(jī)氮含量［2-3］，然而，不同肥料種類對土壤有機(jī)氮組分影響并不相同。富東英等［4］研究發(fā)現(xiàn)，長期施入土壤中化肥氮主要向酰胺態(tài)氮轉(zhuǎn)化，秸稈氮向氨基糖態(tài)氮轉(zhuǎn)化最多，有機(jī)肥氮則向氨基酸態(tài)氮轉(zhuǎn)化率最大。輪作制度等也會對土壤有機(jī)氮組分產(chǎn)生明顯影響，周年輪作中不同種植季節(jié)環(huán)境條件的差異、有機(jī)殘落物（包括落葉、根茬和根系分泌物等）以及土壤微生物量和活性等均會影響土壤有機(jī)氮的含量及其組分。李小涵等［5］研究指出豆科作物和谷類作物輪作促進(jìn)了土壤有機(jī)氮累積；與玉米連作相比，玉米/玉米/大豆輪作能顯著增加土壤氨基酸態(tài)氮含量［6］；與水田相比，旱地增加土壤酸解銨態(tài)氮的效果最明顯，而林地則主要增加了土壤酸解氨基酸態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮［7］。并且，不同輪作制度下土壤有機(jī)氮對化肥和有機(jī)肥的響應(yīng)不同，李萌等［8］研究發(fā)現(xiàn)，水稻季施用豬糞替代化學(xué)氮肥對氨基酸態(tài)氮、酸解未知態(tài)氮和非酸解氮影響較大，而小麥季則對酸解未知態(tài)氮的影響較大，并指出稻麥輪作不同種植季節(jié)的環(huán)境條件可能是造成這種差異的重要原因。由此可見，輪作制度的差異顯著影響土壤有機(jī)氮含量及其組成，但目前的研究往往關(guān)注某一輪作制度中化肥和/或有機(jī)肥施用對土壤有機(jī)氮的影響，而忽略不同輪作制度對土壤有機(jī)氮組分影響。

水旱輪作是我國重要的耕作制度之一，水旱輪作中頻繁的干濕交替影響了土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，進(jìn)而影響了土壤氮素供應(yīng)和轉(zhuǎn)化，也增加了水旱輪作體系氮肥管理的復(fù)雜性。無機(jī)氮是表征旱地土壤氮素供應(yīng)的重要指標(biāo)，然而在水旱輪作中，尤其是水稻種植中，土壤無機(jī)氮測試值并不能有效表征土壤氮素供應(yīng)［9］，因此，深入理解水旱輪作中土壤氮素轉(zhuǎn)化特征對于完善其氮肥管理具有重要意義。有機(jī)氮作為土壤氮素供應(yīng)的基礎(chǔ)，是理解整個氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。干濕交替是水旱輪作的典型特征，水分改變顯著影響了土壤有機(jī)氮組分［8，10］。徐陽春等［11］在水稻/小麥輪作中的研究表明，施用有機(jī)肥和化肥對土壤有機(jī)氮組分貢獻(xiàn)差異明顯。李強(qiáng)等［1］和王晉等［12］分別調(diào)查了地帶性分布、種植年限以及耕作方式對我國水田土壤有機(jī)氮組分的影響，然而與我國水旱輪作區(qū)域土壤的復(fù)雜性相比，目前關(guān)于水旱輪作體系土壤有機(jī)氮轉(zhuǎn)化的研究略顯不足，并且，目前的研究結(jié)果主要源于多點的調(diào)查比較，對于土壤基礎(chǔ)情況以及整個過程的了解不足，因此，本研究將一塊田地一分為二，分別為水旱（水稻/油菜）和旱地（棉花/油菜）輪作，分析經(jīng)過連續(xù)三年六季作物種植后不同氮肥用量對兩種輪作模式下土壤有機(jī)氮組分的影響，以期揭示水旱輪作下土壤氮素的演變規(guī)律及供氮特點，為水旱輪作體系氮肥管理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2012—2015年在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)定位試驗基地（30°28′10′′N，114°21′21′E）進(jìn)行，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均降水量1 269 mm，且多集中在6—8月。年均氣溫15.8～17.5℃，年無霜期一般為211～272 d，年日照總時數(shù)1 810～2 100 h。

供試土壤為黃棕壤（鐵質(zhì)濕潤淋溶土），土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：pH 6.71，有機(jī)質(zhì)24.2 g kg-1，全氮0.72 g kg-1，銨態(tài)氮4.60 mg kg-1，硝態(tài)氮1.79 mg kg-1，有效磷7.16 mg kg-1，速效鉀180.5 mg kg-1，土壤機(jī)械組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：黏粒18.9 g kg-1、粉粒44.9 g kg-1和砂粒36.2 g kg-1，屬于黏壤土。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計，主處理為不同輪作模式，分別為水稻/油菜（Rice/Rapeseed，簡稱RR）和棉花/油菜輪作（Cotton/Rapeseed，簡稱CR）。將一塊試驗田一分為二，1/2為水旱輪作，另1/2為旱地輪作，兩種輪作間以1m寬的田埂隔開，防止水稻季灌溉對棉田造成的影響。副處理為不同氮肥用量，分別為（1）N0-0，水稻、棉花季和油菜季均不施用氮肥，（2）N0-150，水稻、棉花季不施用氮肥，油菜季氮肥用量為150 kg hm-2（以純氮計，下同），（3）N150-0，水稻、棉花季氮肥用量為150 kg hm-2，油菜季不施用氮肥，（4）N150-150，水稻、棉花季及油菜季均施用氮肥，氮肥用量均為150 kg hm-2，（5）N150-225，水稻、棉花季氮肥用量為150 kg hm-2，油菜季氮肥用量為225 kg hm-2，（6）N225-150，水稻、棉花季氮肥用量為225 kg hm-2，油菜季為150 kg hm-2。每個副處理3次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為20 m2。每個小區(qū)均設(shè)有單獨(dú)的排灌水口，單排單灌，避免小區(qū)間串水串肥。

各小區(qū)的磷、鉀肥用量相等，分別為水稻、棉花季施用75 kg hm-2（以P2O5計，下同）、120 kg hm-2（以K2O計，下同），油菜季施用75 kg hm-2磷肥、120 kg hm-2鉀肥及15 kg hm-2硼砂。供試肥料分別為尿素（含46% N）、過磷酸鈣（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%）和硼砂（含B 11%）。水稻季氮肥按照基肥50%、分蘗肥35%和穗肥15%的比例施用，棉花季氮肥按照基肥45%、苗肥10%、花鈴肥30%和蓋頂肥15%的比例施用，油菜季氮肥則按照基肥60%、越冬肥20%和薹肥20%的比例施用。每季作物磷、鉀和硼肥均按推薦方法施用。

水稻、棉花和油菜均采用育苗移栽方式。供試水稻品種為“揚(yáng)兩優(yōu)6號”，一般在每年5月初育苗，6月初移栽，移栽密度為20萬兜 hm-2，9月底至10月初收獲；棉花品種為“棉優(yōu)11號”，通常在每年5月初育苗，5月底移栽，移栽密度為5萬株 hm-2，棉花生育期較長，一般10月底至11月初收獲；試驗第一年供試油菜品種為“中雙11號”，之后均為“華油雜9號”，油菜選在每年的10月初育苗，10月下旬至11月初移栽，移栽密度為10萬株 hm-2，次年的5月上旬收獲。試驗中的農(nóng)事操作，包括整地、病蟲草害的防治等均按照推薦方法進(jìn)行，整個試驗過程中未出現(xiàn)明顯的病蟲草害。根據(jù)區(qū)域種植特點，不同作物殘茬管理略有不同，水稻收獲時約有5～10 cm根茬殘留在土壤中，剩余的地上部秸稈則全部移出試驗田；棉花和油菜則在收獲時將根茬一并拔出，移出試驗田，但在棉花和油菜生長過程中普遍存在落葉的現(xiàn)象，大量落葉殘留在土壤中。

1.3 樣品采集與測定

土壤樣品：在2012年試驗開始前在整個田塊采用“S”型取樣方法采集0～20 cm土壤樣品，立即過2 mm篩并混勻，一部分土樣采用1 mol L-1KCl浸提—連續(xù)流動分析儀（AA3，Seal公司，德國）測定土壤無機(jī)氮（NH4+-N和NO3--N）含量，剩余土樣風(fēng)干后備用。2015年油菜收獲后采集各小區(qū)0～20 cm土壤樣品，一部分樣品立即測定土壤無機(jī)氮含量，剩余的樣品則風(fēng)干備用。同時選取2012年試驗開始前土壤樣品以及2015年油菜收獲后各小區(qū)土壤樣品，測定其全氮和有機(jī)氮含量。土壤全氮采用濃硫酸消煮—凱氏半微量定氮法測定；土壤有機(jī)氮分級采用Bremner方法［13］；土壤酸解態(tài)氮采用6 mol L-1HCl酸解—凱氏半微量定氮法測定；酸解銨態(tài)氮采用MgO蒸餾法測定；酸解銨態(tài)氮+氨基糖態(tài)氮采用磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸餾法測定；酸解氨基酸態(tài)氮采用茚三酮氧化、磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸餾法測定；未知態(tài)氮、未酸解氮和氨基糖態(tài)氮則采用差減法求得。

植物樣品：每季作物收獲時在每個小區(qū)隨機(jī)選取連續(xù)兩行共8株植物樣品帶回實驗室，去離子水洗凈后，將水稻樣品分為稻谷和秸稈兩個部位，棉花樣品分為葉片、莖稈、棉殼、棉絮和棉籽五個部位，油菜樣品分為莖稈、角殼和籽粒三個部位，105℃殺青30 min，60℃烘干至恒重后，稱量、計算各處理地上部干物重。之后將各部位樣品粉碎過篩，采用H2SO4-H2O2消煮—連續(xù)流動分析儀（AA3，Seal公司，德國）測定植株各部位氮含量，進(jìn)而計算植物地上部吸氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤—植物體系氮素表觀平衡計算公式參考Ju等［14］研究：

氮素表觀平衡＝氮素輸入-氮素輸出

其中，氮素輸入包括：試驗前0～20 cm土壤無機(jī)氮含量、化學(xué)氮肥、移栽基本苗及灌溉水帶入氮素；氮素輸出包括：作物地上部帶走氮素及收獲后0～20 cm土壤無機(jī)氮?dú)埩?/p>

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 20.0進(jìn)行計算和統(tǒng)計分析，在p＜0.05水平上利用最小顯著性差異法（LSD）法進(jìn)行差異顯著性檢驗，利用OriginPro8.5軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié) 果

2.1 不同輪作模式和氮肥用量下土壤全氮含量

氮肥施用是影響土壤全氮含量的主要因素，隨著氮肥用量的增加，土壤全氮含量呈增加的趨勢（圖1）。經(jīng)過三年六季輪作后，與對照處理（N0-0）相比，周年僅施用150 kg hm-2的處理（N150-0和N0-150）土壤全氮含量并無明顯增加，而周年施用超過300 kg hm-2處理土壤全氮含量明顯提高。與初始土壤全氮含量相比，當(dāng)周年施氮量超過300 kg hm-2時，水旱和旱地輪作中N150-150、N150-225和N225-150處理土壤全氮含量分別增加了13.6%、17.0%、23.5%和15.0%、15.2%、23.0%。方差分析結(jié)果表明，氮肥用量顯著影響土壤全氮含量（F=128.2＞F0.05），而輪作模式并未對土壤全氮含量產(chǎn)生明顯的影響（F=0.172＜F0.05）；在相同氮肥用量情況下，水旱和旱地輪作土壤全氮含量無明顯差異，兩者的交互作用不顯著（F=0.376＜F0.05）。

2.2 不同輪作模式和氮肥用量下土壤總酸解態(tài)氮及未酸解態(tài)氮含量

連續(xù)施用氮肥提高了土壤中總酸解態(tài)氮含量，隨著氮肥用量的增加土壤總酸解態(tài)氮含量呈增加的趨勢，稻油輪作中周年氮肥用量超過300 kg hm-2處理土壤總酸解態(tài)氮含量明顯高于其他低氮處理，輪作模式對土壤總酸解態(tài)氮含量無明顯影響（表1）。與初始土壤相比，連續(xù)三年不施用氮肥處理（N0-0）和周年氮肥用量為150 kg hm-2處理（N150-0和N0-150）土壤總酸解態(tài)氮含量變化不顯著，甚至略有降低；而周年氮肥用量超過300 kg hm-2時，兩種輪作模式下土壤總酸解態(tài)氮含量分別增加了77.3～128.2 mg kg-1和87.9～138.5 mg kg-1。未酸解態(tài)氮是土壤氮庫中較為穩(wěn)定的組分，其含量占土壤全氮的53.0%～64.3%。經(jīng)過三年六季輪作后氮肥施用對其含量影響較小，高氮處理（N150-225和N225-150）土壤未酸解態(tài)氮含量僅增加了5.2～40.4 mg kg-1，氮肥施用和輪作模式均未對土壤未酸解態(tài)氮含量產(chǎn)生明顯影響。

圖1 不同輪作模式和氮肥處理0～20 cm土壤全氮含量Fig. 1 Soil total N content in the 0～20 cm soil layer relative to N treatments and rotation mode

表1 不同輪作模式和氮肥處理油菜收獲后0～20 cm土壤總酸解態(tài)氮及未酸解態(tài)氮含量Table 1 Soil total acidolysable and non-acidolysable N content in the 0～20 cm soil layer after rapeseed harvest relative to N treatment and rotation mode

2.3 不同輪作模式和氮肥用量下土壤酸解態(tài)氮各組分的含量

施用氮肥不僅影響了土壤總酸解態(tài)氮含量，土壤酸解態(tài)氮各組分含量也發(fā)生了明顯變化（表2）。土壤酸解氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、酸解銨態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮分別占土壤總酸解態(tài)氮的35.1%～43.2%、5.5%～10.5%、34.1%～43.5%和9.2%～20.8%，氮肥用量顯著影響了土壤酸解氨基酸態(tài)氮、酸解銨態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮的含量。隨著周年氮肥投入量的增加，土壤酸解態(tài)氮的這三個組分含量均明顯增加，兩種輪作模式下均以周年氮肥用量為375 kg hm-2處理的含量最高。輪作模式對土壤酸解態(tài)氮的這三個組分含量無明顯影響，但兩種輪作模式下土壤酸解態(tài)氮三個組分的變化差異明顯。與N0-0處理相比，稻/油和棉/油輪作下酸解氨基酸態(tài)氮、酸解銨態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量分別增加了18.8%～41.2%、44.8%～49.4%、147.8%～195.6%和24.9%～33.2%、75.0%～88.4%、49.7%～75.1%，稻/油輪作中酸解銨態(tài)氮變化小于棉/油輪作，而酸解未知態(tài)氮含量變化則高于棉/油輪作。與土壤初始酸解態(tài)氮各組分相比，當(dāng)周年氮肥用量超過300 kg hm-2時，土壤酸解氨基酸態(tài)氮、酸解銨態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量均有不同程度增加，其中，酸解氨基酸態(tài)氮含量增加幅度最小，酸解未知態(tài)氮含量增幅最大。在相同氮肥用量下，稻/油輪作中酸解銨態(tài)氮增加的幅度小于棉/油輪作，而酸解未知態(tài)氮含量增加的幅度則高于棉/油輪作。施用氮肥后酸解氨基糖態(tài)氮含量略有下降，與土壤初始值（21.3 mg kg-1）相比，兩種輪作模式下氨基糖態(tài)氮含量均無明顯變化。

從土壤總酸解態(tài)氮含量和各酸解有機(jī)態(tài)氮組分線性回歸的斜率可以看出（圖2），同一土壤經(jīng)過三年六季的不同耕作后，水旱和旱地輪作下土壤增加的總酸解態(tài)氮在酸解有機(jī)氮各組分的變化略有不同，稻/油輪作中酸解氨基酸態(tài)氮、酸解銨態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮中分配的比例分別為31.5%、33.8%和36.0%，而棉/油輪作中三個組分分配的比例則分別為31.5%、53.9%和16.6%，兩種輪作模式下土壤酸解銨態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮分配比例差異明顯。

表2 不同輪作模式和氮肥處理油菜收獲后0～20 cm土壤酸解態(tài)氮各組分含量Table 2 Soil acidolysable N fractions in the 0～20 cm soil layer after rapeseed relative to N treatments and rotation mode

圖2 不同輪作模式下土壤總酸解態(tài)氮含量與酸解有機(jī)態(tài)氮各組分的關(guān)系Fig. 2 Relationships between soil total acidolysable N content and soil acidolysable N fractions relative to rotation mode

2.4 不同輪作模式和氮肥用量下土壤—植物體系周年氮素平衡

表3匯總了水稻/油菜和棉花/油菜輪作下不同氮肥處理2012—2015年氮素表觀平衡。氮肥投入和作物氮素吸收是整個體系氮素輸入和輸出的主要途徑，稻/油輪作中灌溉水同樣是不能忽視的氮素來源，這也是造成稻/油輪作中表觀氮素盈余高于棉/油輪作的重要原因。周年不施氮處理，氮素表觀平衡為負(fù)值，尤其是棉/油輪作中，其氮素表觀平衡為-226.7 kg hm-2。周年氮肥用量為150 kg hm-2處理土壤氮素盈余略有增加，但在棉/油輪作中其表觀氮素平衡依然為負(fù)值。僅有周年氮肥投入超過300 kg hm-2時，兩個輪作體系下化學(xué)氮肥投入能滿足作物氮素吸收，其氮素平衡均表現(xiàn)為盈余，尤其是稻/油輪作中其氮素盈余達(dá)319.9～463.8 kg hm-2，明顯高于棉/油輪作。

從兩種輪作模式下土壤表觀氮素盈余、土壤全氮以及有機(jī)氮組分的相關(guān)關(guān)系矩陣（圖3）中可以看出，表觀氮素盈余與土壤全氮、酸解態(tài)氮、酸解氨基酸態(tài)氮、酸解銨態(tài)氮以及酸解未知態(tài)氮含量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2分別為0.69、0.69、0.58、0.57和0.80，而與土壤未酸解態(tài)氮以及酸解氨基糖態(tài)氮含量無明顯相關(guān)。同樣，隨著土壤全氮含量的增加，土壤酸解態(tài)氮以及酸解氨基酸態(tài)氮、銨態(tài)氮和未知態(tài)氮含量呈現(xiàn)直線增加的趨勢。

3 討 論

3.1 輪作模式和氮肥用量對土壤全氮含量的影響

氮肥是影響土壤全氮含量的主要因素，本研究中，當(dāng)水稻/油菜和棉花/油菜輪作中周年氮肥投入超過300 kg hm-2時，經(jīng)過三年六季種植后土壤全氮含量明顯增加。這與已報道的一些研究結(jié)果［15-16］類似，海倫實驗站長期定位試驗布置的第四年，單施氮肥處理土壤全氮含量增加了0.12 g kg-1［16］。然而在一些長期定位試驗［17-18］中也發(fā)現(xiàn)，長期偏施氮肥或化肥對土壤全氮含量并無明顯作用。不同試驗點長期施用化肥對土壤全氮含量的影響不同，這可能與區(qū)域氣候特點、土壤性質(zhì)、施肥制度以及栽培管理等措施有密切的關(guān)系。Christopher和

Lal［19］指出氮肥施用提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，這主要是由于氮肥投入增加了還田秸稈以及有機(jī)殘落物量。在本研究中，盡管作物秸稈被全部移除，但水稻根茬、棉花和油菜落葉是不容忽視的。在本試驗第二年，評估水稻根茬和棉花落葉還田生物量分別為1 653～3 072 kg hm-2和335～1 971 kg hm-2。雖然在本研究中未直接測定油菜落葉的生物量，若以花期油菜葉片表征潛在的落葉生物量，兩種輪作模式下落葉的干物質(zhì)重分別為595～3 979 kg hm-2和650～4 740 kg hm-2，該值略高于劉曉偉等［20］研究中的油菜落葉生物量（2 162 kg hm-2，占油菜植株干物質(zhì)總量的13.3%）。從周年總的殘落物量來看，隨著氮肥用量的增加，顯著提高了有機(jī)殘落物還田的生物量，尤其是周年氮肥用量超過300 kg hm-2處理，殘落物的還田量要高于低氮處理。同樣，從整個輪作體系三年的表觀氮素盈余來看，僅有當(dāng)周年化學(xué)氮肥投入超過300 kg hm-2時，整個輪作體系才表現(xiàn)出明顯的氮素盈余。本研究未測定兩種輪作體系的氮素去向，并且表觀氮素平衡也僅僅考慮了0 ～ 20 cm的土層，事實上兩種輪作模式下氮素去向差異明顯［21］，尤其是在旱地輪作中氮素會向下層土壤遷移。盡管兩種輪作模式下土壤—植物體系氮素平衡評估不夠精確，但從表觀氮素盈余和土壤全氮含量的變化可以看出，隨著表觀氮素盈余的增加，土壤全氮含量呈明顯增加的趨勢，說明僅有在水稻、棉花季和油菜季均合理施用氮肥才能維持或提高土壤肥力，對于基礎(chǔ)肥力較低的土壤，單純依靠一季施用化肥顯然不利于土壤肥力的提升。因此，本研究在土壤初始全氮含量（0.72 g kg-1）較低情況下，通過三年連續(xù)施用氮肥（周年氮肥投入超過300 kg hm-2）后土壤全氮含量明顯增加。盡管很多研究［12，22］表明，淹水有利于土壤有機(jī)氮的保存，水旱輪作土壤全氮增加速率高于旱地輪作，但在本研究條件下，水稻/油菜和棉花/油菜輪作土壤全氮含量并無明顯差異，這可能是由于本試驗開展時間相對較短，兩種輪作模式下土壤有機(jī)質(zhì)含量并無明顯增加，并且整個輪作體系周年氮素盈余不高所致。

表3 不同輪作模式和氮肥處理2012—2015年氮素表觀平衡Table 3 Apparent N balance of the period from 2012 to 2015 relative to N treatment and rotation mode

圖3 兩種輪作模式下表觀氮素平衡、土壤全氮以及土壤有機(jī)氮各組分的相關(guān)關(guān)系矩陣Fig. 3 Correlation matrix between apparent N balance，soil total N and soil organic N fraction relative to rotation mode

表4 不同輪作模式和氮肥處理2013—2014年作物干物質(zhì)重Table 4 Dry matter weight of crop residue relative to N treatment and rotation mode during 2013/2014 season

3.2 輪作模式和氮肥用量對土壤有機(jī)氮組分的影響

本研究中，氮肥施用顯著提高了土壤酸解態(tài)有機(jī)氮的含量，但未酸解態(tài)有機(jī)氮含量則未明顯增加，表現(xiàn)出土壤未酸解態(tài)有機(jī)氮庫的變化滯后于酸解態(tài)有機(jī)氮庫。張玉樹等［23］對不同種植年限果園土壤有機(jī)氮組分的調(diào)查也表現(xiàn)出類似結(jié)果，經(jīng)過2年種植后，土壤全氮和總酸解態(tài)氮含量均明顯增加，但未酸解態(tài)氮含量在兩年內(nèi)并未發(fā)生明顯變化，僅有當(dāng)種植年限超過10年后，土壤總酸解態(tài)氮和未酸解態(tài)氮含量均明顯增加。作為土壤氮庫中較為活躍的組分，酸解有機(jī)氮極易受到人為管理措施的影響，黃東邁等［24］發(fā)現(xiàn)施肥1～2年后，殘留的化肥氮轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的有機(jī)氮形態(tài)，進(jìn)一步15N試驗表明，施入土壤中的肥料氮首先轉(zhuǎn)化為氨基酸態(tài)氮和酸溶性未鑒定態(tài)氮［25］。未酸解氮則是土壤中較為穩(wěn)定、難礦化的有機(jī)氮組分，它的變化往往較為緩慢。姬景紅等［10］研究指出，當(dāng)土壤全氮含量超過3.30 g kg-1時，土壤酸解有機(jī)氮含量隨著全氮含量增加而降低，減少的酸解有機(jī)氮主要轉(zhuǎn)化為難礦化的未酸解態(tài)氮保存在土壤中，這也間接表明了，當(dāng)土壤全氮含量較低時，殘留氮素首先進(jìn)入土壤酸解態(tài)有機(jī)氮庫，隨著其含量的不斷增加，易礦化的酸解態(tài)有機(jī)氮庫則進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為未酸解態(tài)氮，從而促進(jìn)了土壤全氮含量的提升。

本試驗中，氨基酸態(tài)氮和酸解銨態(tài)氮占土壤全氮的比例接近，分別為14.0%～18.0%和13.0%～19.6%，其所占比例高于酸解未知態(tài)氮（3.3%～9.5%）和氨基糖態(tài)氮（2.5%～4.0%），這與前人［1，12］對我國南方不同地帶性及不同種植年限水田土壤有機(jī)氮組分的調(diào)查結(jié)果略有不同。本研究中，酸解未知態(tài)氮所占的比例偏低，這可能主要與本試驗土壤全氮含量較低有關(guān)。盡管水稻/油菜和棉花/油菜兩種輪作模式下土壤酸解態(tài)有機(jī)氮各組分含量并無明顯差異，但兩種輪作模式下土壤酸解態(tài)有機(jī)氮各組分的變化不同。稻/油輪作中酸解銨態(tài)氮的比例低于棉/油輪作，這與張玉玲等［7］對比不同土地利用方式下土壤有機(jī)氮組分的結(jié)果類似。有研究［1，26］表明，酸解銨態(tài)氮主要源于土壤中交換性銨態(tài)氮以及土壤中酰胺、羥氨基酸等含氮有機(jī)物的分解，其中，土壤固定態(tài)銨是酸解銨態(tài)氮的重要來源［27］。稻/油輪作條件下的干濕交替有利于土壤固定態(tài)銨的釋放［28］，這可能是導(dǎo)致其酸解銨態(tài)氮分配比例低于棉/油輪作的重要因素。酸解未知態(tài)氮是土壤酸解有機(jī)氮庫中難礦化的組分，它主要由非α-氨基酸氮、脂肪胺和芳胺等生物有效性低的物質(zhì)組成［23，28］，由于它的礦化速率很低，通常容易在土壤中累積。王晉等［12］研究表明，隨著種植年限的增加水田酸解未知態(tài)氮含量逐漸增加，而旱地則呈相反的趨勢，這與本研究類似，稻/油輪作表現(xiàn)出高的酸解未知態(tài)氮累積。盡管在本研究中兩種輪作模式下土壤全氮含量無明顯差異，但稻/油輪作中土壤酸解未知態(tài)氮的比例明顯高于棉/油輪作，那么隨著種植年限的增加，水旱輪作土壤全氮含量將高于旱地輪作。對于氨基糖態(tài)氮而言，兩種輪作模式下的變化均很小，這與很多已報道的研究結(jié)果［1，8，12］類似。氨基糖態(tài)氮占土壤全氮比例很低，且受人為管理的影響較小，這是由于氨基糖態(tài)氮主要源于微生物細(xì)胞壁的殘留物，它反映的是已死亡的微生物積累量而不是土壤中現(xiàn)存的微生物量。

從絕對數(shù)量來看，稻/油和棉/油輪作經(jīng)過三年六季種植后土壤全氮和酸解態(tài)有機(jī)氮含量無明顯差異，但兩種輪作模式下土壤酸解態(tài)有機(jī)氮庫各組分的變化差異明顯。姜慧敏等［29］在水稻上的研究表明，酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮對于外源化肥氮的轉(zhuǎn)化起到了“暫時庫”和“過渡庫”的作用，并且它們與土壤氮素礦化潛勢關(guān)系密切，而酸解銨態(tài)氮對可礦化氮亦有直接貢獻(xiàn)［30］，此外，也有研究指出，氨基酸態(tài)氮是植物吸收氮素的主要來源［31］，因此，土壤有機(jī)氮庫組分變化可能會引起兩種輪作模式下土壤氮素供應(yīng)能力不同。Ren等［32］研究指出，水旱輪作中油菜季土壤氮素供應(yīng)明顯低于旱地輪作。然而，關(guān)于易礦化的酸解態(tài)有機(jī)氮庫在水旱輪作體系氮肥管理中的應(yīng)用及評價較少，其對于水旱輪作體系氮素供應(yīng)及作物氮素吸收的貢獻(xiàn)亦不明確，而土壤易礦化有機(jī)氮組分對于外源氮肥投入的響應(yīng)非常敏感，因此，深入探索易礦化有機(jī)氮組分在水旱輪作體系氮肥管理中的應(yīng)用對于進(jìn)一步優(yōu)化其氮肥管理將具有重要意義。

4 結(jié) 論

周年輪作中氮肥合理施用是維持或提高土壤肥力的基礎(chǔ)，僅有當(dāng)水稻、棉花季和油菜季周年氮肥用量超過300 kg hm-2時，整個土壤—植物體系表現(xiàn)出明顯的氮素盈余和積累，從而促進(jìn)土壤全氮和酸解性有機(jī)氮含量的增加。經(jīng)過三年耕作后，兩種輪作模式下土壤全氮及有機(jī)氮組分含量并無明顯差異，但兩種輪作模式下酸解態(tài)有機(jī)氮庫組分的變化差異明顯，稻/油輪作表現(xiàn)出高酸解未知態(tài)氮的積累，而棉/油輪作則呈現(xiàn)出高酸解銨態(tài)氮的積累。深入研究水旱輪作模式下易礦化有機(jī)氮組分對于土壤氮素供應(yīng)及作物氮素吸收貢獻(xiàn)，對于優(yōu)化和完善水旱輪作體系氮肥管理具有重要意義。

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（責(zé)任編輯：陳榮府）

Effects of Nitrogen Application Rate on Fractionation of Soil Organic Nitrogen Relative to Crop Rotation Mode

JIA Qian LIAO Shipeng BU Rongyan ZHANG Meng REN Tao?LI Xiaokun CONG Rihuan LU Jianwei
（College of Resource and Environment，HuazhongAgricultural University，Key Laboratory of Arable Land Conservation（Middle and Lower Reaches of Yangtse River），Ministry of Agriculture，Wuhan 430070，China）

A 3 a field experiment，consisting of 6 croppings，was conducted to investigate effects of N fertilizationon content and fractionation of soil organic N relative to N application rate and crop rotation mode，paddy/upland（rice/rapeseed，RR）rotation and upland（cotton/rapeseed，CR）rotation. Results show that after the 3 years of crop rotations cultivations，soil total N content in the 0～20 cm soil layer increased remarkably in plots more than 300 kg hm-2in N input. Compared with CK（No N fertilization，N0-0），soil total N content increased by 13.6%～23.5% and 15.0%～23.0%，respectively，in the treatments 300 kg hm-2and 375 kg hm-2in N application rate under either RR or CR rotation. The increase in soil total acidolysable N content accounted for most of the increase in soil total N. Although no significant difference in soil total acidolysable N content was observed between plots under RR and CR rotations，fractionation of the soil acidolysable N varied between plots. The proportion of soil acidolysable ammonium N increased by 33.8% in the plots under RR rotation，much lower than that（53.9%）in the plots under CR rotation，but the increment of unidentified soil acidolysable N in proportion was higher in plots under RR rotation（36.0%）than that（16.6%）in the plots under CR rotation. To sum up，reasonable N fertilization may significantly increase soil organic N content. Fractionation of the soil organic N pool varies sharply between plots under RR and CR rotations. It is，therefore，of important significance to optimize N fertilization for high crop yield and high N utilization efficiency in the light of the characteristics of soil organic N transformation under different rotation systems.

Nitrogen fertilizer；Paddy-upland rotation（RR）；Continuous upland rotation（CR）；Soil total N；Soil acidolysable nitrogen

S153.6+2

A

10.11766/trxb201706230077

* 國家自然科學(xué)基金項目（41401324）和國家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-13）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41401324）and the Earmarked Fund for China Agriculture Research System（No. CARS-13）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：rentao@mail.hzau.edu.cn

賈 倩（1990—），女，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事作物養(yǎng)分管理與土壤肥力研究。E-mail：fuyue@webmail.hzau.edu.cn

2017-06-23；

2017-08-17；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-09-01