典型紅壤不同形態(tài)氮素遷移對長期施肥制度的響應

申鳳敏，姜桂英，張玉軍,2，劉芳，劉世亮，柳開樓

（1河南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，鄭州 450002；2鄭州市城市園林科學研究所，鄭州 450051；3江西省紅壤研究所，江西進賢 331717）

0 引言

【研究意義】氮素既是農作物需求量最大的元素，也是最容易損失的元素。土壤中氮素以無機態(tài)和有機態(tài)存在。無機態(tài)氮主要包括銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N），在表土中一般只占全氮含量的1.0%—2.0%，表土以下的土層含量更少。有機態(tài)氮占土壤全氮量的 95%以上，其中可溶性有機態(tài)氮（dissolved organic nitrogen, DON）一般不超過土壤全氮量的5%，主要分散在土壤溶液中很容易水解，迅速釋放出NH4+，成為植物的有效氮源；微生物體內含有大量水解性有機氮，如蛋白質和多肽等，經過一系列過程最終變?yōu)橛行B(tài)氮供植物利用。我國農田土壤氮肥的利用率較低[1]，大部分氮肥通過各種途徑損失掉，而氮素淋失是重要的損失途徑之一[2-3]。施肥、溫度、水分、土壤類型等因素影響土壤氮素的縱向分布，其中施肥措施影響尤為明顯[4-5]。長期施肥不僅會影響土壤耕層氮素含量的變化，而且會因氮素下移及作物根系的作用影響土壤氮素的剖面分布。研究氮素在土壤剖面的分布，可更好地了解土壤氮素的輸入、輸出及循環(huán)過程。王火焰等[6]認為特定施肥措施可使氮素擴散與根系伸展范圍達到匹配，從而提高肥料的當季利用率，其前提是需要了解不同施肥方式對土壤氮素剖面分布的影響。因此，研究不同施肥制度下土壤不同形態(tài)氮素遷移對氮肥的合理施用以及氮肥利用率提升有一定指導意義。【前人研究進展】彭令發(fā)等[7]研究表明，黃土旱塬區(qū)施用有機肥或有機肥與化肥配施能顯著提高0—40 cm土層土壤全氮含量，最多提高43%。包耀賢等[8-9]發(fā)現(xiàn)，施肥可明顯提高黃土丘陵中氮素含量，各氮素形態(tài)隨土層增加而下降，且表層與下層含量差異顯著。段鵬鵬等[10]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥和有機肥配施顯著提高設施農業(yè)土壤礦質氮和土壤可溶性有機氮含量，且二者在0—50 cm土層均隨土層加深而下降。馬力等[5]研究發(fā)現(xiàn)長期施肥或秸稈還田可促進紅壤稻田0—20 cm土層氮素的積累，且化肥和秸稈配合施用作用更明顯。吳建富等[11]研究表明，在紅壤稻田土壤剖面中 NH4+-N向下遷移比堿解氮更為明顯，并且配施有機肥遠高于單施化肥，而 NO3--N則相反。白雪原等[12]研究不同施肥處理對土壤中 NO3--N、NH4+-N含量的影響，結果表明各施肥處理 NO3--N、NH4+-N均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸降低。【本研究切入點】紅壤是我國南方重要土壤。自20世紀80年代以來，紅壤區(qū)土壤氮素含量呈現(xiàn)下降趨勢，旱地下降幅度高于稻田[13]。近年來人們對不同施肥處理下土壤氮素的遷移已有較多研究，但對于典型紅壤區(qū)連續(xù)長期不同施肥措施對土壤中不同形態(tài)氮素剖面分布的影響及不同形態(tài)氮素間相關關系等方面研究還有待于進一步提升。【擬解決的關鍵問題】因此，本研究擬基于江西省進賢紅壤長期定位試驗研究不同施肥處理對典型紅壤區(qū)各形態(tài)氮素的剖面分布及其相關關系，進一步豐富紅壤水稻土中氮素遷移對不同施肥制度的響應機理。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究以代表南方水田典型農田土壤江西進賢紅壤長期定位試驗為依托。試驗地點位于江西省進賢縣江西省紅壤研究所內（116°17′55″E，28°35′38″N），地處中亞熱帶，年均氣溫18.1℃，年均降水量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 150 mm，年均日照時數(shù)1 950 h。試驗地土壤為紅壤性水稻土，成土母質為第四紀（Q4）紅黏土。初始耕層（1981，0—20 cm）土壤理化性狀為：有機碳 16.22 g·kg-1，全氮 0.95 g·kg-1，全磷 1.02 g·kg-1，堿解氮 143.7 mg·kg-1，有效磷 10.3 mg·kg-1，速效鉀 125.1 mg·kg-1，pH 6.9。

1.2 試驗設計

進賢紅壤試驗點試驗始于1981年，共設置9個不同施肥處理，每個處理重復3次，每個小區(qū)面積60 m2，隨機排列。本研究選取其中4個典型施肥處理：（1）不施肥對照（CK）；（2）施氮磷鉀肥（NPK）；（3）氮磷鉀基礎上早稻施用綠肥和稻草冬季還田（NPKS）；（4）氮磷鉀基礎上早稻施用綠肥晚稻施用豬糞和稻草冬季還田（NPKSM）。種植制度為早稻—晚稻—冬閑，一年兩熟。有機肥料不考慮磷、鉀養(yǎng)分，磷肥和有機肥在插秧前作基肥一次施入，氮肥和鉀肥作追肥，氮肥分兩次追肥，每次1/2，鉀肥一次全部追施；其中有機物料施肥深度在 15 cm左右。根據(jù)試驗站記錄數(shù)據(jù)，豬糞有機碳含量413.8 g·kg-1，全氮含量 20.9 g·kg-1，含水量 70%（即，碳投入為 2 793 kg·hm-2，氮投入為 140.9 kg·hm-2）；紫云英有機碳含量 392.4 g·kg-1，全氮含量 30.1 g·kg-1，含水量80%（即，碳投入為1 766 kg·hm-2，氮投入為 135.5 kg·hm-2）；稻草有機碳含量 418 g·kg-1，全氮含量 9.1 g·kg-1，含水量 14%（即碳投入為 1 618 kg·hm-2，氮投入為 35.2 kg·hm-2）。試驗點的施肥量詳見表1。

表1 不同處理化肥和有機肥施肥量Table1 Mineral and organic fertilizer application rate under different treatments (kg·hm-2)

1.3 樣品采集與測定

于2015年11月晚稻收獲后采集土樣。每個小區(qū)按 5點法隨機用土鉆采集 0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm 4個層次土壤樣品并混勻。將樣品中的根系、石塊等挑出，土壤鮮樣一部分于 4℃冰箱中保存用于測定土壤可溶性氮（DON）、微生物生物量氮（soil microbial biomass nitrogen, SMBN）、硝態(tài)氮（NO3--N）和銨態(tài)氮（NH4+-N）含量。另一部分風干過2 mm篩測定常規(guī)理化性質。其中堿解氮（AN）采用堿解擴散法；全氮（AN）采用凱氏定氮法[14]；NO3--N、NH4+-N采用流動分析儀法（Auto Analyzer3）：準確稱取10 g鮮土于200 mL帶蓋塑料瓶中，加入100 mL濃度為0.01 mol·L-1CaCl2溶液，振蕩1 h后過濾于50 mL帶蓋小塑料瓶中，放置于冰箱中待測。土壤DON的提取方法：土樣采用去離子水浸提法，取15 g鮮土與離心管中，加入去離子水30 mL，振蕩30 min后，離心10 min（4 000 r/min），用0.45 μm濾膜過濾（真空抽濾）濾液即為土壤DON待測液，然后通過multi N/C3100分析儀測定。SMBN采用氯仿-K2SO4浸提法測定[15]，浸提液通過 multi N/C3100分析儀測定，SMBN（mg·kg-1）=5.0×EN，其中5.0為土壤SMBN的系數(shù)，EN為熏蒸和未熏蒸土壤K2SO4浸提液中全氮含量的差值。

1.4 計算方法

根據(jù)魯艷紅等[16]計算地上部氮吸收量：

稻谷氮吸收量（grain nitrogen accumulation，GNA，kg·hm2）= 稻谷產量×稻谷氮含量；

稻草氮吸收量（straw nitrogen accumulation，SNA，kg·hm2）= 稻草產量×稻草氮含量；

地上部氮吸收量（aboveground nitrogen accumulation，ANA，kg·hm2）= GNA + SNA；

基于ANA進一步計算表觀氮素平衡[17]：

表觀氮素平衡=氮素輸入-氮素輸出

式中，氮素輸入=播前土壤起始礦質氮量+施氮量；氮素輸出=作物攜出量+收獲后土壤殘留礦質氮量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)利用 SSPS20.0軟件進行處理間不同指標差異的方差分析和LSD多重比較，用Origin pro 8.5和Excel 2016 軟件進行圖表制作。

2 結果

2.1 不同處理土壤全氮分布

圖1顯示，除NPK處理外，其他處理全氮（TN）含量隨土層深度增加而下降。CK和NPKS處理的TN含量在0—40 cm均無顯著變化；NPK處理TN含量在 10—20 cm 顯著高于其他土層，為 1.88 g·kg-1。NPKSM處理在0—20 cm土層變化不明顯，20—40 cm土層TN含量顯著低于表層土壤。

相同土層中，各處理TN含量均差異顯著，且各土層TN含量依次為：NPKSM＞NPKS＞NPK＞CK。與CK處理相比，施用化肥或有機無機配施均能顯著提高0—60 cm土層TN含量，其中化肥配施有機肥比單施化肥增加幅度更大，最高增幅為93%?？偟膩碚f，施肥有利于提升土壤TN含量，特別是NPKSM的TN增加最明顯。

圖1 不同處理不同土層全氮含量Fig.1 Soil total nitrogen content in different soil layers under different treatments

2.2 不同處理土壤堿解氮分布

由圖2可知，各處理土壤堿解氮（AN）含量隨土層深度增加而降低。與土壤TN含量變化不同，各處理AN含量隨土層深度增加各個層次顯著降低。其中，10—20 cm到 20—40 cm土層降低幅度最高，CK、NPK、NPKS、NPKSM處理AN含量下降幅度分別為42%、50%、44%、44%。

相同土層中，除40—60 cm土層外，同一土層不同處理間AN含量顯著差異，且各土層AN含量表現(xiàn)為NPKSM＞NPKS＞NPK＞CK。總體來看，相同施肥制度下，土層深度顯著影響土壤 AN含量；另一方面，施肥特別是NPKSM可顯著增加各土層AN含量。

2.3 不同處理土壤硝態(tài)氮分布

圖2 不同處理不同土層堿解氮含量Fig.2 Soil alkali-hydrolyzable nitrogen content in different soil layers under different treatments

圖3 不同處理不同土層硝態(tài)氮含量Fig.3 Soil nitrate nitrogen content in different soil layers under different treatments

圖3所示，各處理硝態(tài)氮（NO3--N）含量整體上隨土層深度增加而逐漸降低。其中，CK和NPK處理NO3--N含量在不同土層間差異顯著；而 NPKS和NPKSM處理的NO3--N含量在表層0—10 cm和10—20 cm之間以及20—40 cm和40—60 cm間差異不顯著。與0—10 cm土層相比，各處理40—60 cm土層NO3--N含量顯著下降，各處理下降幅度依次為NPKS（35%）＞NPK（33%）＞CK（25%）＞NPKSM（14%），即NPKSM處理的NO3--N向下遷移量最高，NPKS處理的NO3--N向下遷移量最低。

各處理NO3--N含量在土壤耕層中（0—20 cm）最高。在0—10 cm土層，施肥處理間NO3--N含量差異不顯著，但NPK處理的NO3--N含量顯著高于CK處理，為21.64 mg·kg-1；10—20 cm土層，有機無機配施處理（NPKS和NPKSM）的NO3--N含量顯著高于其他處理。20—60 cm土層則均以NPKSM處理NO3--N含量最高，達到17.60—21.49 mg·kg-1?？偟膩碚f，各處理土壤NO3--N含量主要集中在0—20 cm土層，整體上以NPKSM處理的含量最高，但NPKSM處理由表土層向下遷移量較其他處理也是最高，說明NPKSM 處理下雖然能大幅度提高各土層 NO3--N含量，但是也容易造成NO3--N向下層土壤遷移。

2.4 不同處理土壤銨態(tài)氮分布

圖4顯示，整體來看，各處理銨態(tài)氮（NH4+-N）含量基本隨土層加深而下降。其中在0—20 cm土層，除CK處理外，其他處理NH4+-N含量在0—10 cm和10—20 cm兩個土層間差異不顯著。與0—10 cm土層相比，40—60 cm 土層 CK、NPK、NPKS、NPKSM處理NH4+-N含量下降幅度分別為51%、48%、54%、36%。

在各土層中 NPKSM 處理 NH4+-N最高，為11.60—18.86 mg·kg-1，處理間差異隨土層加深而縮小?？傮w上，各處理NH4+-N主要集中在0—20 cm土層，且各土層以NPKSM處理NH4+-N含量最高，但相對其他處理，NPKSM 處理向下遷移量亦是最高，說明NPKSM處理不僅能增加各土層NH4+-N含量，也可能導致 NH4+-N在下層土壤含量過高，增加淋失風險。

圖4 不同處理土壤土層銨態(tài)氮含量Fig.4 Soil ammonium nitrogen content in different soil layers under different treatments

2.5 不同處理土壤可溶性有機氮分布

由圖5可知，土壤可溶性有機氮（DON）整體上隨土層深度增加而下降，且處理間差異隨土層加深而縮小。其中，各處理DON含量在0—20 cm土層差異顯著，均以NPKSM顯著高于其他處理。不同土層相同處理下，10—20 cm到20—40 cm土層DON含量顯著下降，CK、NPK、NPKS、NPKSM 處理分別下降了31%、38%、43%、36%。CK和NPK處理40—60 cm土層的DON含量較20—40 cm略有增加，但NPKS和NPKSM處理則顯著降低。說明在CK和NPK處理下DON在土壤下層（40—60 cm）有積累的趨勢，可能存在淋溶風險。

相同土層不同處理間比較，0—40 cm土層處理間DON含量差異顯著，40—60 cm處理間差異不顯著。與CK處理相比，NPKSM能顯著提高0—40 cm各土層 DON含量，提高幅度為 35%—69%，表明化肥與有機肥配施能顯著增加表層 DON含量。總體上，各處理土壤 DON含量隨土層增加而降低，且各土層中均以NPKSM處理含量最高，說明其最有利于提升土壤DON含量。

2.6 不同處理土壤微生物生物量氮分布

圖6顯示，除NPKSM處理外，其他處理各土層土壤微生物生物量氮（SMBN）含量總體上隨土層深度的增加呈下降趨勢。其中10—20 cm到20—40 cm土層各處理 SMBN含量的變化幅度最高，SMBN含量在20—40 cm土層比10—20 cm分別下降了79%（CK）、18%（NPK）、51%（NPKS）、67%（NPKSM）。

相同土層中，10—20 cm土層，處理間SMBN差異最大，表現(xiàn)為 NPKSM＞NPKS＞NPK＞CK。其他土層均以NPKS和NPKSM處理SMBN顯著高于其他處理，且這兩個處理間差異不顯著。總體來看，各處理SMBN主要分布在土壤耕層（0—20 cm），且施肥制度對10—20 cm土層中SMBN影響最大；而NPKSM處理在各土層中SMBN均最高，即最有利于提升土壤SMBN。

圖5 不同處理不同土層土壤可溶性有機氮含量Fig.5 Soil dissolved organic nitrogen content in different soil layers under different treatments

圖6 不同處理不同土層土壤微生物生物量氮Fig.6 Soil microbial biomass nitrogen in different soil layers under different treatments

2.7 各土層不同施肥處理土壤各形態(tài)氮占全氮比例

不同施肥制度不僅對土壤各形態(tài)氮的含量有影響，同時各形態(tài)氮在TN中的組成也發(fā)生明顯變化。由圖7可知，相同處理下各形態(tài)氮占TN的比例隨土層深度增加而下降。同一處理下0—60 cm土層各形態(tài)氮的整體分布趨勢為 SMBN＞NO3--N＞NH4+-N＞DON。在0—10 cm土層，不同形態(tài)氮占TN比例整體上為CK＞NPK＞NPKS＞NPKSM；而在10—20 cm土層，SMBN比例各處理排序相反，且NO3--N、NH4+-N所占 TN比例之和大小均為 CK、NPK＞NPKS、NPKSM。0—20 cm土層不同處理間各形態(tài)氮占TN的比例差異較明顯，其中NPKS與NPKSM處理的SMBN所占TN比例較高，為2%—4%，處理間差異明顯；20—60 cm不同處理間各形態(tài)氮占TN比例差異縮小。

圖7 不同處理不同土層各形態(tài)氮素占全氮比例Fig.7 The proportion of different nitrogen form to total nitrogen in different soil layers under different treatments

2.8 耕層土壤不同形態(tài)氮素之間的相關關系

耕層土壤（0—20 cm）各形態(tài)氮素含量相關性分析表明（表2），TN、AN、NO3--N、DON和SMBN兩兩之間均存在顯著的正相關關系（P≤0.05），其中TN、DON、AN與SMBN之間存在極顯著正相關關系（P≤0.01）。NH4+-N與TN、AN、NO3--N、DON、SMBN之間相關性不顯著。

2.9 作物產量及氮素平衡

2.9.1 不同施肥處理對水稻產量的影響 表3所示，施肥處理（NPK、NPKS、NPKSM）較不施肥處理（CK）均可顯著提高雙季稻產量。其中NPK、NPKS處理的早稻稻谷、稻草和生物產量均顯著高于CK處理，但是NPK與NPKS處理間差異不顯著。早、晚稻稻谷、稻草和總生物量均以NPKSM處理最高。

2.9.2 不同施肥處理對早晚稻氮素吸收利用的影響由表4可知，施用有機肥有利于提高早稻稻谷和晚稻稻草氮含量，但對早稻稻草和晚稻稻谷氮含量影響不明顯。不同施肥處理對早、晚稻稻谷、稻草和植株氮吸收量影響顯著。施肥處理早、晚稻稻谷、稻草和植株氮吸收量整體上均顯著高于CK處理，其中NPKSM處理最高，其次為NPKS處理，表明有機無機配施能明顯提高水稻氮吸收量。

表2 土壤不同形態(tài)氮的相關關系Table2 The correlations among different nitrogen forms

表3 不同處理早、晚稻產量Table3 Early rice and late rice yield under different treatments (kg·hm-2)

表4 不同處理早、晚稻稻谷和稻草氮含量及氮吸收量Table4 N contents and accumulation in grain and straw of early and late rice under different treatments

2.9.3 不同施肥處理對土壤-作物系統(tǒng)氮素養(yǎng)分平衡的影響 根據(jù)氮輸入、輸出模型分別計算早-晚稻輪作周期的氮平衡狀況。表5表明，不同施肥處理對土壤氮素平衡有較大影響。各處理中，施肥氮投入占總氮投入的27%—52%。氮輸出項中，作物吸收占氮輸出的26%—34%。施肥處理較CK處理顯著提高了作物氮吸收量，其中以NPKSM處理提高效果最明顯，但其無機氮殘留量及氮表觀損失也最高。

表5 雙季稻體系氮素平衡Table5 Nitrogen balance in double-rice system (kg·hm-2)

3 討論

3.1 施肥對土壤各形態(tài)氮素剖面分布的影響

土壤TN含量是氮素容量大小指標，在農田土壤中一般隨土層深度增加而降低，受施肥等管理措施影響。李大明等[18]研究表明連續(xù)施肥 28年后，紅壤旱地土壤TN含量隨著土壤深度增加逐步降低，與化肥處理相比，有機無機配施可顯著提高0—40 cm土層的TN含量，我們的研究結果與之相似，本研究中各處理20—40 cm到40—60 cm土層TN含量均顯著下降，表明在長期水耕熟化過程中，紅壤稻田土壤氮素向下層（40 cm以下）遷移的趨勢不大[5]。另一方面，與CK相比，NPKSM處理在0—60 cm各土層TN含量提高最顯著，其次為NPKS處理。說明長期NPKSM和NPKS均顯著提高0—60 cm土層氮素的含量[5]。

土壤AN含量與作物的生長關系非常密切，能反映出土壤短期內氮素的供應情況。有研究表明，土壤AN含量隨土壤深度的增加而降低[7,19]，且施肥可增加0—60 cm各土層AN含量[19]。張智猛等[20]研究表明，施肥主要影響土壤表層（0—20 cm）AN含量，對下層的影響隨土壤深度的增加而減弱，本研究結果與其一致。趙聰?shù)萚21]通過研究不同施肥措施對0—100 cm土壤剖面的AN含量分布發(fā)現(xiàn)，各土層中NPKSM處理的AN含量最高。本研究亦發(fā)現(xiàn)，與CK處理相比，0—60 cm土層NPKSM處理AN含量最高，其次為NPKS處理，說明NPKSM及NPKS對各土層AN含量的增加效果最為顯著。可能的原因是AN主要包括無機態(tài)氮和部分易分解的有機態(tài)氮，土壤氮素中有95%以上是以有機態(tài)氮存在的，故有機態(tài)氮對AN含量的貢獻可能會高于無機氮，而無機氮肥可以增加根茬、根系的分泌物，可間接增加土壤有機氮含量；施用有機肥可直接增加土壤有機氮含量，故有機無機配施既可以快速提高土壤速效養(yǎng)分的含量，又有利于長久保持土壤養(yǎng)分使其持續(xù)供氮[22]。

NO3--N和 NH4+-N是作物可利用的主要氮素形態(tài)，也是土壤氮素的主要遷移形態(tài)[23]。長期施肥會造成 NO3--N在土壤中的累積，其在土壤剖面中的分布和積累也會隨施氮量的增加而增加[24]。張慧霞等[25]研究表明，不同施肥處理的 NO3--N含量的最高值都出現(xiàn)在0—20 cm土層，本研究結果與其一致，說明長期不同施肥處理對土壤 NO3--N的影響主要發(fā)生在表層[26]。本研究中，NPKSM能顯著提高0—60 cm各土層NO3--N的含量，NPKS可顯著提高土壤耕層（0—20 cm）NO3--N的含量。各土層與0—10 cm土層相比，40—60 cm土層中，NPKS處理NO3--N向下遷移量最小，可能是因為秸稈還田碳氮比較高，促進了土壤中氮素的轉化與固持[27-28]，對NO3--N的固持能力較強，阻止了NO3--N向下淋失[29]；而NPKSM處理NO3--N向下遷移量最大，可能是因為有機肥分解過程中產生大量的低分子量有機酸，能夠對土壤吸附的 NO3--N進行交換，此時在灌水情況下易于造成 NO3--N向下層遷移[23,30]，因此有機肥的施用并不是多多益善，有機肥過多施用也會增加NO3--N淋失的風險[31]。同時，有研究表明施用有機肥可增加土壤粒徑和團聚體的含量，提高CEC代換量，增加對NO3--N的固持，減緩NO3--N向下遷移[32-33]，而且有機無機配施可顯著提高土壤耕層 NO3--N的含量。因此，施肥時應考慮合適的有機無機配比，既能滿足土壤耕層 NO3--N含量的增加又能減輕NO3--N的淋溶[25,34]。劉順國等[35]研究發(fā)現(xiàn)施用化肥和有機肥均能提高土壤 NH4+-N含量。謝永春等[36]研究表明，NH4+-N含量在耕層土壤中（0—20 cm）較高，并且隨著土層深度的加深而逐漸減少，本研究結果與其一致。施肥對 NH4+-N在土壤中含量高低的變化有影響，但對 NH4+-N向土壤深層遷移趨勢的影響不明顯。本研究表明，與NO3--N相比，40—60 cm土層中各處理NH4+-N含量較0—10 cm土層下降幅度更大，原因是NH4+-N比NO3--N更易被土壤吸附，這與王少平[37]等研究相符。另一方面，土壤中有機質礦化所形成的NH4+-N在自養(yǎng)硝化作用下向NO3--N轉化，促進了 NO3--N在土壤中的累積；同時在淹水狀態(tài)下，水稻更偏向于吸收NH4+-N[38]，這也在一定程度上造成這兩種形態(tài)氮在土壤中的分布和遷移的差異。

土壤DON雖然僅占土壤TN的0.15%—0.19%，卻是土壤有機氮庫比較活躍的組分之一，在氮素轉化及環(huán)境方面有重要影響[39]。施肥方式是影響土壤DON剖面分布的重要因素。本研究表明，各處理土壤DON含量在0—60 cm土層隨深度增加而下降，與前人研究一致[40-41]。0—20 cm比20—60 cm土層DON含量高，主要原因可能是土壤 DON來源于作物凋落物、根系分泌物、腐殖質分解和施肥等，而這些來源多集中于表層土壤[40,42]。CK和NPK處理20—40 cm土層DON含量最低，而在40—60 cm有所增加；與20—40 cm土層相比，NPKS和NPKSM處理40—60 cm土層DON含量顯著下降。說明在CK和NPK處理下DON在土壤下層（40—60 cm）有積累的趨勢，可能存在淋溶風險，這與孔祥忠等[40]研究結果一致；而 NPKSM 及NPKS可降低 DON在下層土壤的累積，降低淋溶風險。各處理間40—60 cm土層DON含量無顯著性差異，說明各施肥處理造成的DON累積主要影響0—40 cm土層，對下層土壤影響不大。與 CK處理相比，NPKSM處理的各土層DON含量最高，表明NPKSM能顯著增加土壤DON含量，增加幅度最高達69%左右。ROSA等[43]的研究結果也表明，有機肥的施用可以使土壤DON含量增加70%左右。這可能因為，一方面有機肥本身含有大量的DON，如趙滿興等[44]研究證明有機肥DON含量平均為100 mg·L-1左右；另一方面有機肥的施用增加土壤有機碳，為土壤微生物提供了能源物質，提高了土壤微生物數(shù)量及活性[45]，進而促進土壤無機氮轉化為有機氮[46]。

SMBN對施肥措施的響應有很強的敏感性。徐一蘭等[47]通過長期試驗監(jiān)測表明，單施化肥或有機無機配施均顯著提高SMBN含量。劉守龍等[48]研究認為長期施用有機肥和秸稈還田是提高SMBN的主要途徑。本研究結果表明，NPKSM最能提高0—60 cm各剖面層次的 SMBN含量，其次是 NPKS，但 NPKSM 及NPKS處理之間沒有顯著差異，主要原因是有機肥及秸稈的施入均能夠改變土壤理化性質，提供充足的碳源和氮源，刺激微生物的生長和繁殖，進而促進微生物的固氮能力。本研究中NPK處理也能顯著提高各土層SMBN的含量，可能是由于化肥能夠促進植物根系的生長，提高根系分泌物的釋放量，從而提高土壤微生物數(shù)量，進一步增加土壤SMBN的含量。

土壤中各形態(tài)氮素的組成受不同施肥處理的影響可發(fā)生明顯的變化。本研究表明，不同施肥處理對各形態(tài)氮素的影響主要集中在土壤耕層（0—20 cm）。故0—20 cm土層不同處理間各形態(tài)氮素占TN的比例差異也較明顯。10—20 cm處，AN、SMBN占TN的比例大小為 NPKSM、NPKS＞NPK、CK，可能是由于水稻根系在 10—20 cm 處較為發(fā)達，且 NPKS、NPKSM處理可為土壤提供充足的碳源和氮源，可促進植物根系的生長及根系分泌物的增加，從而提高根系周圍的微生物數(shù)量，土壤SMBN含量也隨之增加；同時NPKS、NPKSM處理可增加土壤有機質含量，土壤AN含量分布與土壤有機質及微生物活動密切相關[22]。本研究發(fā)現(xiàn)0—60 cm各土層中NO3--N、NH4+-N所占 TN比例之和大小均為 CK、NPK＞NPKS、NPKSM，其原因可能是NPKS、NPKSM處理中土壤有機質含量高，易吸附NO3--N、NH4+-N，故測定中洗脫下來的 NO3--N、NH4+-N含量減小。各土層中 AN和 SMBN所占 TN比例最高，總體來說，NPKS、NPKSM處理對0—20 cm土層的AN、SMBN影響較為顯著。

3.2 土壤耕層各形態(tài)氮素之間的關系

在不同的碳氮比水平下，微生物可利用土壤中的無機氮滿足自身的需求，從而導致土壤中作物可利用氮素減少，或者微生物礦化釋放出無機氮，從而增加土壤中可利用氮素[49-50]。因此，微生物在土壤氮素轉化和調控方面有著非常重要的作用。本研究顯示TN、DON、AN與SMBN之間存在極顯著正相關關系（P≤0.01），表明TN、AN、NO3--N、DON均可促進微生物的繁殖。通過施肥可顯著提高土壤耕層全氮含量，而土壤氮素又是微生物的營養(yǎng)來源之一，從而促進微生物量有顯著性變化。雖然土壤SMBN只占土壤耕層TN含量的5%左右[51]，但它是土壤氮素的重要來源，其含量水平可反映土壤微生物對氮素的利用程度。李世清等[52]研究表明，土壤TN與SMBN之間呈顯著正相關，本研究結果與其一致。DON是土壤氮庫最活躍的組分之一，SMBN是土壤DON的重要來源[53]，已有研究表明，土壤DON與土壤SMBN具有顯著正相關關系[54-55]，本研究與其一致。土壤AN包括無機態(tài)氮和極易水解的有機態(tài)氮，在一定條件下，土壤微生物可利用這些有效性氮滿足自身需求，也有研究表明土壤AN與SMBN具有顯著正相關關系[56]，土層由表及里，微生物數(shù)量逐漸減少，活度不斷變弱，這也是AN由上而下降低的原因之一[22]。

3.3 施肥對作物產量和氮素平衡的影響

施肥是影響作物產量的重要農業(yè)措施，大多研究表明，施肥能提高作物產量，特別是有機無機配施比單施化肥增產作用更明顯[57-58]。本研究結果也表明NPKSM 處理的早晚稻產量顯著高于其他處理，與前人研究結果一致。另一方面，施肥也直接決定土壤中養(yǎng)分含量及其轉化過程。土壤中施入的氮素一部分被作物吸收和土壤固持，一部分以不同形態(tài)氮素流失途徑損失[59]。研究表明化肥氮素對土壤氮素的提高作用是有限的，而當有機無機配施達到一定量后可明顯增加土壤氮素[60]。姜麗娜等[61]研究表明有機無機配施可以促進植物根系下扎，并且施用有機肥可提高微生物活力，部分氮被固定在微生物體內，待作物需肥量增加時，此部分氮被釋放出來供作物利用[62]，能夠提高作物氮素利用率。本研究中，施肥處理顯著提高了雙季稻產量及相應的植株氮吸收量，其中有機無機配施效果最明顯，與前人研究結果一致[60]。但是本研究中有機無機配施的無機氮殘留量與氮表觀損失也相對較高，這可能與我們在計算氮素平衡時用堿解氮累積量代替了硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的累積量及有機無機配施比例有關。另外，本研究中不同有機物料中氮素投入是按照總氮量計算，其在土壤中的轉化及殘留后效無法精確計算，可能在一定程度上會影響氮素平衡的結果，我們在接下來的試驗中會增加相關的研究。

4 結論

4.1 長期NPK、NPKS及NPKSM處理可不同程度地提高0—60 cm各土層TN、AN、NO3--N、NH4+-N、DON、SMBN的含量，其中NPKSM處理對各形態(tài)氮素的提高最為顯著。不同施肥處理對各形態(tài)氮素的影響主要集中在土壤耕層（0—20 cm），且各形態(tài)氮素含量整體上隨土層深度的增加而降低。NO3--N較NH4+-N更易向土壤下層遷移；CK和NPK處理DON在土壤下層（40—60 cm）有積累的趨勢，可能存在淋溶風險。

4.2 相同施肥處理下各形態(tài)氮占 TN的比例隨土層深度的增加呈下降趨勢。0—20 cm土層不同處理間各形態(tài)氮素占TN的比例差異較為明顯，其中SMBN所占TN比例最高；10—20 cm處，NPKS和NPKSM處理對SMBN占TN的比例大小影響最為顯著。

4.3 土壤耕層（0—20 cm）的 TN、AN、NO3--N、DON和SMBN兩兩之間均存在顯著的正相關關系（P≤0.05），其中TN、DON、AN與SMBN之間存在極顯著正相關關系（P≤0.01）。

4.4 施肥處理（NPK、NPKS、NPKSM）較不施肥處理（CK）均可顯著提高雙季稻產量及相應的植株氮吸收量，其中以NPKSM提高效果最明顯，但其無機氮殘留量及氮表觀損失也最高。