黃土高原溝壑區(qū)種植植物和施肥對(duì)土壤礦質(zhì)氮的影響

范 磊, 李永紅, 徐 斌

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054, 2.西安市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 陜西 西安 710082; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 71210)

黃土高原溝壑區(qū)地勢較高，坡度較大，水土流失嚴(yán)重，可利用耕地資源較少。對(duì)黃土高原溝壑區(qū)的耕地地力進(jìn)行研究，查清耕地土壤地力狀況和肥力水平，不僅能實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，更能促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8]。

1 試驗(yàn)地概況

測定土壤中速效氮的含量，能夠相對(duì)的反映土壤的供氮水平，并可借此判斷土壤是否有施用氮肥的必要[9]。試驗(yàn)采用實(shí)地種植結(jié)合長期觀測的研究方法。采土樣后帶回試驗(yàn)測定，后期利用Excel軟件處理數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)在中國科學(xué)院黃土高原長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站模擬棄土場(2013年11月布設(shè)試驗(yàn)，2017年5月監(jiān)測數(shù)據(jù))，地理坐標(biāo)為E107°41′，N35°14′，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，降雨季節(jié)分布不均，年均降水584 mm，地下水位50 m～80 m[10]。年均氣溫9.1 ℃，無霜期171 d。地帶性土壤為黑壚土，母質(zhì)是深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土，土體疏松，通透性好，具有良好的“土壤水庫”效應(yīng)[11]。試驗(yàn)選取一片平整場地修建247個(gè)1 m×1 m小區(qū)種植植物，小區(qū)用磚塊砌筑，長×寬×高為2 m×2 m×0.8 m，將附近生土充填進(jìn)小區(qū)，填土厚度為70 cm，同時(shí)在每個(gè)小區(qū)內(nèi)中央填埋2 m中子管，用中子儀測定土壤水分含量[12]。試驗(yàn)小區(qū)布置狀況如圖1所示。試驗(yàn)前土壤背景養(yǎng)分狀況詳見表1。

圖1 土壤速效氮小區(qū)布局試驗(yàn)示意圖

表1 試驗(yàn)地土壤養(yǎng)分狀況

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

植物主要是選擇了在黃土高原溝壑區(qū)廣泛應(yīng)用于水土保持和綠化中的常見豆科、禾本科植物。分別是：檸條、紫穗槐、白三葉、草木樨和黑麥草。各植物生長特性詳見表2。

表2 試驗(yàn)植物特性

植物播種設(shè)3種不同施肥處理方式，試驗(yàn)方案詳見表3。

表3 試驗(yàn)方案

羊糞、秸稈(已粉碎)從當(dāng)?shù)剞r(nóng)家購買。羊糞和秸稈均在種植植物前一次性施入土壤，肥料施入土壤10—20 cm，充分與土壤混合均勻，然后將土地平整?；觳ブ参锓N子按1∶1比例播種，采用單播和混播兩種方式。單播、混播方式均為條播。植物具體種植模式為： ①將檸條、黑麥草、草木樨分別在3種不同施肥處理下單播，重復(fù)1次。測定土壤養(yǎng)分，篩選對(duì)棄土場土壤改良效果明顯的植物； ②選擇紫穗槐與草木樨、黑麥草與白三葉在3種不同處理下混播，重復(fù)1次。測定土壤養(yǎng)分，篩選對(duì)棄土場土壤改良效果明顯的植物；各個(gè)小區(qū)除施肥不同外，其他外部條件均保持一致。試驗(yàn)測試指標(biāo)為：土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、速效氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮)、速效磷、速效鉀。

3 不同施肥條件下各植物小區(qū)土壤速效氮含量

氮素是植物生長必不可少的營養(yǎng)元素，占植物體干質(zhì)量的0.3%～0.5%[13]。氮素是植物體內(nèi)許多重要有機(jī)化合物的組分，也是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)，對(duì)植物生命活動(dòng)以及作物產(chǎn)量和品質(zhì)均有極其重要的作用[14]。缺少了氮會(huì)使植物生長矮小，降低產(chǎn)量。有研究表明，秸稈等廢棄物轉(zhuǎn)施用到土壤中，可以轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭，可以提高土壤碳儲(chǔ)存[15]。淋溶作用是土壤中氮素流失的主要途徑[16]，研究表明農(nóng)田土壤中氮素流失的另一個(gè)重要途徑是氮的淋溶損失，施入土壤中的氮肥大約有10%～40%經(jīng)土壤的淋溶作用進(jìn)入了地下水體中[17]。棄土場土壤結(jié)構(gòu)差，很容易發(fā)生淋溶作用。因此，有必要研究土壤中氮素的變化趨勢，有力地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，為高速公路棄土場的表層土壤肥力提高做科學(xué)指導(dǎo)。

3.1 不同施肥條件下植物小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量

3.1.1 土壤0—10 cm層硝態(tài)氮含量 硝態(tài)氮在進(jìn)入植物體后一部分還原成銨態(tài)氮，并在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行代謝，其余部分可積累在細(xì)胞的液泡中，有時(shí)達(dá)到較高的濃度也不會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生不良影響[18]。即硝態(tài)氮在植物體內(nèi)的積累實(shí)際上是氮素”貯備”。這是作物營養(yǎng)生長期間的共性[19]。圖2表示在不同施肥條件下，土壤0—10 cm層硝態(tài)氮含量。從圖2可以看出，除檸條外其他植物土壤在施有機(jī)肥和秸稈下，土壤硝態(tài)氮含量均高于不施肥條件下含量。

圖2 不同施肥條件下土壤0-10 cm硝態(tài)氮含量

在施有機(jī)肥條件下，各植物小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量均高于對(duì)照。硝態(tài)氮含量大小順序?yàn)椋汉邴湶?白三葉(10.28 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(9.68 mg/kg)>草木樨(9.47 mg/kg)>檸條(9.06 mg/kg)>黑麥草(8.77 mg/kg)。其中，黑麥草+白三葉增幅最大，比對(duì)照(AO)增加1.54 mg/kg，增幅為17.62%；增幅最小的為黑麥草，比對(duì)照增加0.03 mg/kg，增幅為0.34%；紫穗槐+草木樨與對(duì)照相比增加0.94 mg/kg，增幅為10.70%；草木樨增加0.73 mg/kg，增幅為8.35%；檸條增加0.32 mg/kg，增幅為3.66%。

植物在單播模式下，土壤硝態(tài)氮平均含量為9.10 mg/kg，比對(duì)照增加0.36 mg/kg；混播植物土壤硝態(tài)氮平均含量為9.98 mg/kg，比對(duì)照增加1.24 mg/kg。在施有機(jī)肥條件下，混播植物對(duì)土壤改良效果優(yōu)于單播植物。

在施秸稈條件下，各小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量大小順序?yàn)椋翰菽鹃?10.34 mg/kg)>檸條(9.97 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(9.54 mg/kg)>黑麥草+白三葉(8.82 mg/kg)>黑麥草(8.51 mg/kg)。其中，黑麥草與對(duì)照(BO)相比，硝態(tài)氮含量降低，減少0.08 mg/kg，減幅為0.87%；其余植物均比對(duì)照(BO)高，其中，草木樨漲幅最大，增加1.76 mg/kg，增幅為20.45%；黑麥草+白三葉增加0.24 mg/kg，增幅最小為2.80%；紫穗槐+草木樨增加0.96 mg/kg，增幅為11.13%；檸條與對(duì)照相比，增幅為16.20%，增加了1.39 mg/kg。

植物單播模式下，土壤硝態(tài)氮平均含量為9.60 mg/kg，比對(duì)照增加1.02 mg/kg；混播植物土壤硝態(tài)氮平均含量為9.18 mg/kg，比對(duì)照增加0.60 mg/kg。在施秸稈條件下，植物單播土壤改良效果優(yōu)于植物混播。

在不施肥條件下，各小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量大小順序?yàn)椋簷帡l(9.74 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(9.33 mg/kg)>草木樨(9.03 mg/kg)>黑麥草+白三葉(8.71 mg/kg)>黑麥草(8.37 mg/kg)。與對(duì)照(CK)相比，黑麥草低于減少0.24 mg/kg，減幅為2.79%。其余均表現(xiàn)為升高。其中，檸條漲幅最大，比對(duì)照提高1.13 mg/kg，增幅為13.12%；黑麥草+白三葉增幅最小為1.16%，增長了0.10 mg/kg；紫穗槐+草木樨比對(duì)照增加0.72 mg/kg，增幅為8.36%；草木樨與對(duì)照相比提高了0.41 mg/kg，增幅為4.82%。

單播植物土壤平均硝態(tài)氮含量為9.05 mg/kg，比對(duì)照增加0.44 mg/kg；混播植物土壤平均硝態(tài)氮含量為9.02 mg/kg，比對(duì)照提高0.41 mg/kg。在不施肥條件下，單播植物對(duì)土壤改良效果優(yōu)于混播植物。

圖3 不同施肥條件下土壤10-20 cm硝態(tài)氮含量

在施有機(jī)肥條件下，各小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量均高于對(duì)照(AO)。按照含量高低排列為：黑麥草+白三葉(10.02 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(9.57 mg/kg)>檸條(9.06 mg/kg)>黑麥草(8.86 mg/kg)>草木樨(8.55 mg/kg)。其中，黑麥草+白三葉增幅最大，比對(duì)照增加了1.51 mg/kg，增幅為17.69%；草木樨增幅最小，比對(duì)照增加了0.04 mg/kg，增幅為0.47%；紫穗槐+草木樨增加了1.06 mg/kg，增幅為12.46%；檸條增加了0.55 mg/kg，增幅為6.46%；黑麥草增加了0.35 mg/kg，增幅為4.11%。

單播植物土壤平均硝態(tài)氮含量為8.82 mg/kg，比對(duì)照增加了0.31 mg/kg；混播植物土壤平均硝態(tài)氮含量為9.80 mg/kg，比對(duì)照增加了1.29 mg/kg?；觳ブ参飳?duì)土壤改良效果優(yōu)于單播植物。

在施秸稈條件下，所有小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量均低于對(duì)照(BO)。各小區(qū)硝態(tài)氮含量排列順序?yàn)椋簷帡l(9.01 mg/kg)>草木樨(9.00 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(8.65 mg/kg)>黑麥草+白三葉(8.49 mg/kg)>黑麥草(8.32 mg/kg)。其中，黑麥草與對(duì)照相比，減少最多，降低了0.96 mg/kg，減幅為10.34%；檸條降低幅度最小，比對(duì)照減少了0.28 mg/kg，減幅為2.96%；草木樨減少0.28 mg/kg，減幅為3.02%；紫穗槐+草木樨減少0.63 mg/kg，減幅為6.79%；黑麥草+白三葉減少0.79 mg/kg，減幅為8.51%。

單播植物小區(qū)土壤平均硝態(tài)氮含量為8.78 mg/kg，比對(duì)照減少了0.50 mg/kg；混播植物小區(qū)土壤平均硝態(tài)氮含量為8.57 mg/kg，比對(duì)照減少了0.71 mg/kg。單播植物改良效果優(yōu)于混播植物。

在不施肥條件下，紫穗槐+草木樨小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量與對(duì)照(CK)相比，降低了0.23 mg/kg，減幅為2.81%。其余小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量均高于對(duì)照，各小區(qū)硝態(tài)氮含量大小順序?yàn)椋翰菽鹃?9.70 mg/kg)>檸條(8.68 mg/kg)>黑麥草+白三葉(8.64 mg/kg)>黑麥草(8.39 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(8.13 mg/kg)。其中，草木樨增幅最大，比對(duì)照提高了1.34 mg/kg，增幅為16.03%；黑麥草提高了0.03 mg/kg，增幅為0.36%；檸條提高0.32 mg/kg，增幅為3.77%；黑麥草+白三葉增加了0.28 mg/kg，增幅為3.29%。

單播植物土壤平均硝態(tài)氮含量為8.92 mg/kg，比對(duì)照增加了0.56 mg/kg；混播植物小區(qū)土壤平均硝態(tài)氮含量為8.38 mg/kg，比對(duì)照增加了0.02 mg/kg。單播植物對(duì)土壤改良效果優(yōu)于混播模式。

施有機(jī)肥和秸稈條件下，土壤硝態(tài)氮含量普遍高于不施肥條件下含量[19]。在10—20 cm層施秸稈條件下，各小區(qū)硝態(tài)氮含量均低于對(duì)照。除此，在施有機(jī)肥和不施肥條件下，各植物小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量均普遍高于對(duì)照。在施秸稈和不施肥條件下，植物單播對(duì)土壤改良更占優(yōu)勢。

3.2 不同施肥條件下植物小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量

3.2.1 土壤0—10 cm層銨態(tài)氮含量 銨態(tài)氮主要被吸附和固定在土壤膠體表面和膠體晶格中，移動(dòng)性較小，比較容易被土壤”保存”[22-23]。不同形態(tài)的氮在土壤中會(huì)相互轉(zhuǎn)化。在適宜的溫度、水分和通氣條件下，在土壤微生物和酶的作用下，尿素水解為銨態(tài)氮，銨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮[24]。圖4表示在不同施肥條件下土壤0—10 cm層，各小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量。從圖4可以看出，黑麥草+白三葉在不施肥條件下土壤銨態(tài)氮含量高于施肥條件。其余植物小區(qū)土壤在施肥條件(有機(jī)肥、秸稈)下銨態(tài)氮含量則高于不施肥條件下含量。

在施有機(jī)肥條件下，各小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量均高于對(duì)照(AO)。其中，檸條與對(duì)照相比，增長幅度最大，增加了6.73 mg/kg；增長幅度最小的是草木樨，增加了0.14 mg/kg，增幅為4.3%；黑麥草增加了4.38 mg/kg，增幅為139.49%；紫穗槐+草木樨比對(duì)照增加了4.93 mg/kg，增幅為156.85%；黑麥草+白三葉增幅為153.18%，比對(duì)照增加了4.81 mg/kg。單播植物小區(qū)土壤平均銨態(tài)氮含量為6.89 mg/kg，比對(duì)照增加了3.75 mg/kg；混播植物小區(qū)土壤平均銨態(tài)氮含量為8.01 mg/kg，比對(duì)照增加了4.87 mg/kg。混播植物對(duì)土壤改良效果優(yōu)于單播植物。

圖4 不同施肥條件下土壤0-10 cm銨態(tài)氮含量

在施秸稈條件下，所有小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量均高于對(duì)照(BO)。按照含量大小順序?yàn)椋汉邴湶?8.17 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(5.75 mg/kg)>草木樨(4.53 mg/kg)>檸條(4.28 mg/kg)>黑麥草+白三葉(4.09 mg/kg)。其中，黑麥草與對(duì)照相比增長量最大，增加了4.46 mg/kg，增幅為120.08%；紫穗槐+草木樨次之，比對(duì)照增加了2.04 mg/kg，增幅為54.99%；增長量最小的是黑麥草+白三葉，增加了0.38 mg/kg，增幅為10.11%；檸條增幅為15.36%，比對(duì)照增加了0.57 mg/kg；草木樨比對(duì)照增加了0.82 mg/kg，增幅為22.10%。

在不施肥條件下，黑麥草+白三葉小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量高于對(duì)照(CK)，比對(duì)照增加了2.66 mg/kg，增幅為40.53%。其余小區(qū)內(nèi)土壤銨態(tài)氮含量均低于對(duì)照(CK)。與對(duì)照結(jié)果相比，黑麥草降低最大，減少了2.34 mg/kg，減幅為35.73%；紫穗槐+草木樨減小幅度最小，減少了1.65 mg/kg，減幅為25.11%；檸條減少了1.81 mg/kg，減幅為27.63%；草木樨減幅為30.84%，減少了2.02 mg/kg。

單播植物土壤銨態(tài)氮平均含量為5.66 mg/kg，比對(duì)照增加了1.95 mg/kg；混播植物土壤銨態(tài)氮平均含量為4.92 mg/kg，比對(duì)照增加了1.21 mg/kg。單播植物對(duì)土壤改良效果優(yōu)于混播植物。

3.2.2 土壤10—20 cm層銨態(tài)氮含量 圖5表示的是在不同施肥條件下，土壤10—20 cm層銨態(tài)氮含量。從圖5可以看出，在不同的施肥條件下，各小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量相差比較大。

圖5 不同施肥條件下土壤10-20 cm銨態(tài)氮含量

在施有機(jī)肥條件下，各小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量均高于對(duì)照(AO)。含量大小順序?yàn)椋汉邴湶?白三葉(7.85 mg/kg)>檸條(7.45 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(7.37 mg/kg)>草木樨(6.78 mg/kg)>黑麥草(4.28 mg/kg)。其中，黑麥草+白三葉比對(duì)照(AO)增加最大，提高了4.34 mg/kg，增幅為123.65%；漲幅最小的是黑麥草，比對(duì)照增加了0.77 mg/kg，增幅為21.79%；檸條比對(duì)照增加了3.94 mg/kg，增幅為112.25%；草木樨比對(duì)照增加了3.27 mg/kg，增幅為93.16%；紫穗槐+草木樨與對(duì)照相比增加了3.86 mg/kg，增幅為109.83%。

單播植物土壤平均銨態(tài)氮含量為6.17 mg/kg，比對(duì)照增加了2.66 mg/kg；混播植物土壤平均銨態(tài)氮含量為7.61 mg/kg，比對(duì)照增加了4.10 mg/kg?；觳ブ参锔牧夹Ч麅?yōu)于單播植物。

在施秸稈條件下，各小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量比對(duì)照(BO)均有所提高。其中，草木樨漲幅最大，比對(duì)照提高了5.88 mg/kg，增幅為170.78%；黑麥草+白三葉漲幅次之，比對(duì)照提高了5.77 mg/kg，增幅為167.73%；增長量最小的是檸條，比對(duì)照增加了0.45 mg/kg，增幅為13.08%；黑麥草比對(duì)照提高了4.65 mg/kg，增幅為135.17%；紫穗槐+草木樨與對(duì)照相比增長了0.56 mg/kg，增幅為16.13%。各小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量大小順序?yàn)椋翰菽鹃?9.32 mg/kg)>黑麥草+白三葉(9.21 mg/kg)>黑麥草(8.09 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(4.00 mg/kg)>檸條(3.89 mg/kg)。

單播植物土壤銨態(tài)氮平均含量為7.10 mg/kg，比對(duì)照提高了3.66 mg/kg；混播植物土壤銨態(tài)氮平均含量為6.61 mg/kg，比對(duì)照提高了3.17 mg/kg。單播植物改良效果優(yōu)于混播植物。

在不施肥條件下，所有小區(qū)土壤銨態(tài)氮含量均高于對(duì)照(CK)。其中，黑麥草+白三葉增長幅度最大，比對(duì)照增加了6.01 mg/kg，增幅為187.81%；紫穗槐+草木樨增長幅度次之，增幅為136.41%，比對(duì)照增加了4.37 mg/kg；黑麥草增長幅度最小為18.28%，比對(duì)照增加了0.59 mg/kg；檸條比對(duì)照增加了1.24 mg/kg，增幅為38.59%；草木樨比對(duì)照增加了1.16 mg/kg，增幅為36.25%。銨態(tài)氮含量大小順序列為：黑麥草+白三葉(9.21 mg/kg)>紫穗槐+草木樨(7.57 mg/kg)>檸條(4.44 mg/kg)>草木樨(4.36 mg/kg)>黑麥草(3.79 mg/kg)。

單播植物土壤銨態(tài)氮平均含量為4.19 mg/kg，比對(duì)照提高了0.99 mg/kg；混播植物土壤銨態(tài)氮平均含量為8.39 mg/kg，比對(duì)照提高了5.19 mg/kg。在不施肥條件下，混播植物改良效果優(yōu)于單播植物。

4 結(jié) 論

(1) 單播植物土壤平均硝態(tài)氮含量為8.92 mg/kg，比對(duì)照增加了0.56 mg/kg；混播植物小區(qū)土壤平均硝態(tài)氮含量為8.38 mg/kg，比對(duì)照增加了0.02 mg/kg。單播植物對(duì)土壤改良效果優(yōu)于混播模式。

(2) 施有機(jī)肥和秸稈條件下，土壤硝態(tài)氮含量普遍高于不施肥條件下含量。在10—20 cm層施秸稈條件下，各小區(qū)硝態(tài)氮含量均低于對(duì)照。除此，在施有機(jī)肥和不施肥條件下，各植物小區(qū)土壤硝態(tài)氮含量均普遍高于對(duì)照。在施秸稈和不施肥條件下，植物單播對(duì)土壤改良更占優(yōu)勢。

(3) 單播植物土壤銨態(tài)氮平均含量為4.49 mg/kg，比對(duì)照減少了2.06 mg/kg；混播植物土壤銨態(tài)氮平均含量為7.06 mg/kg，比對(duì)照增加了0.51 mg/kg。混播植物對(duì)土壤改良效果優(yōu)于植物單播。

(4) 土壤銨態(tài)氮含量在0—20 cm內(nèi)整體來講，施肥條件(有機(jī)肥、秸稈)下含量要高于不施肥條件下含量，除了個(gè)別幾個(gè)小區(qū)外，普遍呈現(xiàn)這樣的趨勢。在施秸稈條件下10—20 cm層土壤中硝態(tài)氮含量相對(duì)來說要高一些。在3種不同施肥處理?xiàng)l件下，就0—20 cm層內(nèi)土壤銨態(tài)氮含量與對(duì)照相比而言，混播植物對(duì)土壤改良效果更優(yōu)于單播。

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