有機物料輸入對關中土碳氮影響的后效作用

柳媛媛, 孫本華,3, 皮小敏, 張彤勛, 劉平靜, 高明霞, 馮 浩,3,4

(1.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西 楊凌 712100; 4.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

1 試驗材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗地點位于陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室灌溉試驗站(108°24′E，34°20′N)，海拔521 m，屬暖溫帶季風半濕潤氣候區(qū)，全年無霜期221 d，降水多集中在7—10月，年降雨量600～680 mm。供試土壤為土墊旱耕人為土，中壤質(zhì)。耕層土壤基礎養(yǎng)分含量：有機碳(8.99±0.57) g/kg，全氮(0.95±0.03) g/kg，全磷(0.82±0.03) g/kg，全鉀(20.42±0.12) g/kg，速效磷(20.91±1.56) mg/kg，速效鉀(132.75±2.50) mg/kg，土壤pH值8.32±0.05，土壤容重為1.37 g/cm3。2015年11月—2016年6月小麥作物生育期的溫度和降雨量見圖1。

1.2 試驗設計

試驗于2013年10月，采用的是小麥玉米輪作，供試小麥品種為小偃22，玉米品種為秦龍14。試驗設5個處理：不施肥(CK)、單施氮磷肥(NP)、氮磷肥+有機肥(MNP)、氮磷肥+小麥秸稈還田(SNP)、氮磷肥+生物炭(BNP)。其中氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣。冬小麥施肥量：基肥為N 120 kg/hm2和P2O5100 kg/hm2，返青前追肥為N 30 kg/hm2；夏玉米施肥量：基肥為N 225 kg/hm2和P2O590 kg/hm2。所施用有機肥為西安紫瑞生物科技有限公司佳禾家旺生物有機肥，主要技術指標：有效活菌數(shù)(CFU)≥0.2億個/g，有機質(zhì)(以干基計)≥40%，水分≤30%。秸稈為粉粹小麥秸稈(5 mm)。生物炭由河南三利新能源有限公司提供，由小麥秸稈在550℃下無氧熱解產(chǎn)生，其灰分46.7%，pH值10.25，過5 mm篩施用。除CK外，其他處理的氮磷肥用量一致。有機物料均是在2013—2014年度冬小麥和夏玉米播前施入，之后停止有機物料的輸入，以觀后效。3種有機物料(有機肥、秸稈、生物炭)的有機碳含量分別為18.8%，37.8%和49.0%；全氮含量分別是1.60%，0.76%和1.07%；C/N比分別是11.7，50.0，46.0。每個處理為3個重復，共15個小區(qū)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為10 m2。

圖12015年11月-2016年6月日最高、最低溫度和日降雨量

1.3 樣品采集及測定

土壤硝態(tài)氮累積量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×硝態(tài)氮含量(mg/kg)×土壤容重(g/cm3)/10

土壤儲水量(mm)=土層深度(cm)×土壤質(zhì)量含水量(%)×土壤容重(g/cm3)/10

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003整理后，用SPSS 23進行統(tǒng)計分析，繪圖由OriginPro 8.0和Excel 2003軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同有機物料對表層土壤碳氮含量的影響

由表1可知，冬小麥收獲后，不同施肥處理對土壤有機碳含量影響不同。NP和MNP與CK沒有顯著差異。SNP和BNP較CK分別提高了29.5%和29.8%(p<0.05)，但二者之間差異不顯著。與基礎土壤有機碳相比，BNP與SNP顯著提高了29.5%和29.3%(p<0.05)，CK，NP和MNP沒有顯著變化。冬小麥收獲后，NP，MNP，SNP和BNP的土壤全氮含量較CK分別提高了22.0%，14.3%，24.2%和26.4%(p<0.05)。與基礎土壤全氮相比，NP，MNP，SNP和BNP分別顯著提高了16.8%，9.5%，18.9%和21.1%(p<0.05)。BNP處理的土壤可溶性有機碳顯著高于其他處理(p<0.05)，分別比CK，NP，MNP和SNP提高了23.4%，10.9%，21.3%，20.5%(表1)。所有施肥處理的土壤可溶性有機氮均顯著高于CK(p<0.05)，分別提高了39.3%，29.3%，34.5%和52.3%(表1)。

表1 不同處理土壤碳氮含量

注：小寫字母表示同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(p<0.05)，下表同。

2.2 不同有機物料對剖面土壤硝態(tài)氮的影響

不同處理0—200 cm剖面土壤硝態(tài)氮分布隨土層深度的增加而不同(圖2)。除CK和BNP處理外，其余施肥處理均出現(xiàn)了硝態(tài)氮累積峰，其中MNP出現(xiàn)在60—80 cm，SNP出現(xiàn)在80—100 cm，而NP出現(xiàn)在100—120 cm。BNP處理的土壤硝態(tài)氮含量表層(0—20 cm)最高，并隨土層深度的增加而波動下降。與CK相比，各施肥處理顯著提高了表層(0—20 cm)土壤硝態(tài)氮含量(p<0.05)。與NP相比，各有機物料處理的土壤剖面硝態(tài)氮累積峰不同程度上移。

圖2不同處理土壤剖面硝態(tài)氮分布

冬小麥收獲后，不同處理土壤硝態(tài)氮累積量見表2。0—100 cm土層，與CK相比，NP，MNP，SNP和BNP均顯著提高了硝態(tài)氮累積量(p<0.05)；與NP相比，MNP，SNP和BNP處理分別顯著提高了48.1%，44.8%和26.1%(p<0.05)。100—200cm土層，硝態(tài)氮累積量占0—200 cm土層硝態(tài)氮累積量的范圍為18.2%～43.7%；有機物料處理MNP，SNP和BNP的土壤硝態(tài)氮累積量分別比NP低12.0%，22.4%和35.2%(p<0.05)。0—200 cm土層，與NP處理相比，MNP和SNP的土壤硝態(tài)氮累積量顯著提高了21.8%和15.4%(p<0.05)，而BNP則差異不顯著。

表2 不同處理土壤累積量 kg/hm2

2.3 不同施肥處理對剖面土壤水分布的影響

冬小麥收獲后在0—200 cm土層中，不同處理對剖面土壤水分分布影響較大(圖3)。0—20 cm耕層土壤，相比CK，NP，MNP，SNP和BNP土壤含水量分別顯著提高了12.7%，12.9%，10.7%和22.4%，且BNP處理顯著高于SNP和MNP(p<0.05)。NP，MNP，SNP和BNP均在60—100 cm土層形成了水分低谷。

不同施肥處理下0—200 cm土壤儲水量變化見表3。冬小麥收獲后，0—40 cm和40—200 cm土層土壤儲水量分別在91.0～108.9 mm和310.1～353.0 mm變化。0—40 cm土層，施肥處理(NP，MNP，SNP和BNP)的土壤儲水量分別比CK高4.1%，11.5%，9.0%和19.7%(p<0.05)；所有有機物料處理(MNP，SNP和BNP)的土壤儲水量均顯著高于NP，且BNP顯著高于MNP和SNP(p<0.05)。40—200 cm土層，不施肥CK的土壤儲水量顯著高于施肥處理(p<0.05)。0—200 cm土層儲水量，不施肥CK顯著高于施肥處理，且有機物料處理(MNP，SNP和BNP)顯著高于NP，而各有機物料處理間差異不顯著。

圖3 不同處理土壤水分分布

3 討 論

3.1 對表層土壤碳氮的后效作用

大量研究表明，與單施無機化肥相比，有機與無機肥配施更有利于土壤有機質(zhì)含量的提高[18]。本研究結果表明，有機物料停施兩年后，SNP和BNP的土壤有機碳與NP處理仍然差異顯著，說明秸稈和生物炭的后效作用比較強，對土壤有機碳有顯著的持續(xù)提升作用。MNP與NP的差異不顯著，這與Gao等[19]的研究結果，施用有機肥可以增加土壤有機碳含量不一致，主要可能是因為他們是長達33 a長期定位試驗，在后幾十年施用的有機肥是雞糞，其C/N是12.9，而本試驗施用的商品有機肥碳氮比低，有利于有機碳礦化，而不利于有機碳積累。有機物料的投入會直接增加土壤有機質(zhì)輸入從而可提高土壤有機碳的含量[15]，本研究中，有機物料只在小麥和玉米播種時各施1次，之后停止施入，且所施用的有機肥為商品有機肥，其C/N小，相比秸稈和生物炭而言，易被土壤微生物分解利用，故后效弱。本研究中，小麥收獲后土壤全氮與有機碳的變化趨勢基本一致。生物炭具有提高和維持表層土壤肥力的顯著后效作用，但這種后效作用能夠持續(xù)的時間值得進一步研究。此外，相對于秸稈和商品有機肥而言，生物炭需要通過高溫分解來獲得，在生產(chǎn)過程中需要消耗能源，施用成本相對較高，其與其他有機物料如秸稈和商品有機肥的經(jīng)濟效益比較有待進一步研究。

可溶性有機碳、氮是土壤有機碳和氮庫中易損失的組成成分之一，其受有機物料輸入、微生物活性及數(shù)量等多種因素的影響[1]。本試驗中BNP處理的可溶性有機碳與其他各處理差異顯著，可能因為生物炭比較穩(wěn)定，可以存留的時間較長，而有機肥和秸稈分解快，說明生物炭提升土壤肥力的后效比較強。本研究結果表明，與CK相比，施肥均能顯著提高可溶性有機氮含量。梁斌等[20]的研究也表明，與不施肥相比，長期施用化肥能顯著提高可溶性有機氮。施入的有機肥自身本就含一定數(shù)量的可溶性有機氮[21]，同時施用有機肥能改善土壤養(yǎng)分狀況，促進作物根系分泌物增加，從而增加了可溶性有機氮含量[22]。丁婷婷等[23]研究表明秸稈還田是土壤可溶性有機氮重要的來源之一，因此秸稈還田可以增加土壤可溶性有機氮含量。有研究表明[24]生物炭對從沙土淋溶出的DON沒有顯著影響，而本試驗生物炭對土壤可溶性有機氮含量的提升效果最好，可能與生物炭來源、試驗時間及土壤類型等因素有關，其內(nèi)在機制還需進一步探討[10]。

3.2 對剖面土壤硝態(tài)氮和水分分布的后效作用

本研究結果表明，0—200 cm剖面中，土壤硝態(tài)氮分布和累積量隨施肥措施的不同而有所不同。NP的硝態(tài)氮累積峰出現(xiàn)在100—120 cm，MNP和SNP的硝態(tài)氮累積峰出現(xiàn)在60—100 cm，而BNP表層硝態(tài)氮最大且僅在80—100 cm處出現(xiàn)一個小累積峰。相比NP，有機物料(MNP，SNP和BNP)剖面硝態(tài)氮累積峰均不同程度上移。0—100 cm土層，MNP，SNP和BNP的硝態(tài)氮累積量顯著高于NP，其中BNP處理最低；而100—200 cm土層，各有機物料處理硝態(tài)氮累積量均顯著低于NP。這些表明有機物料投入抑制了硝態(tài)氮向土壤深層淋溶[25]，在降低硝態(tài)氮淋溶方面均有一定的后效作用。有研究表明[26]，與化肥相比較，有機肥的投入可以降低土壤剖面硝態(tài)氮含量，阻止其累積峰向下移動。南鎮(zhèn)武等[26]的研究結果也表明有機肥的輸入可減少硝態(tài)氮向土壤深層淋溶，而化肥氮易向下淋失。0—20 cm BNP硝態(tài)氮含量最大，但0—100 cm硝態(tài)氮累積量顯著低于SNP和MNP處理，說明生物炭可以增加耕層(0—20 cm)硝態(tài)氮含量，顯著降低硝態(tài)氮的淋溶[27]。

本研究結果表明，CK耕層(0—20 cm)土壤含水量低于其他各施肥處理(圖3)，說明施肥有利于表層土壤水分的提高，尤其是配施生物炭。CK處理0—40 cm土壤儲水量顯著低于各施肥處理，有機物料有利于提高上層土壤的儲水量，特別是生物炭；40—180 cm土層，各施肥處理土壤含水量低于CK；40—200 cm和0—200 cm土壤儲水量，施肥處理低于不施肥處理。這說明有機無機配施有利于提高表層土壤水分含量和儲水量[28]，主要是因為不施肥CK處理的作物比較弱小，導致土壤耕層(0—20 cm)水分的蒸發(fā)較強，同時由于作物生長弱小從而對深層土壤水分的吸收利用減少[28]，施肥可促使小麥根系生長，使得其吸水空間增大，可提高對土壤深層水分的吸收利用[29]，NP，MNP，SNP和BNP處理均在60—100 cm 土層形成了水分低谷(圖3)也表明了這一點。

4 結 論

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