隴中地區(qū)多年種植苜蓿后不同后茬作物的土壤有機(jī)氮特征

馬 欣，謝澤宇，羅珠珠，*，李玲玲，牛伊寧，蔡立群，，謝軍紅，張耀全

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

土壤氮參與生物圈內(nèi)物質(zhì)循環(huán)，其主要存在形態(tài)為有機(jī)氮，占土壤總氮的90%左右［1］。研究表明土壤有機(jī)氮的化學(xué)形態(tài)及其存在狀況對作物吸收土壤氮素的有效性有顯著影響［2］，且有機(jī)氮一直受到研究者的關(guān)注，其包含氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、銨態(tài)氮、酸解未知態(tài)氮及非酸解態(tài)氮［3］。因此，研究不同作物不同種植模式及施肥量對土壤不同形態(tài)氮素含量的影響，明確不同作物種植體系氮素供應(yīng)能力的變化，選擇適宜作物種植，確保干旱條件下土壤肥力的可持續(xù)性，對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的作物生產(chǎn)優(yōu)化有重要意義。

巨曉棠等［4］、肖偉偉等［5］研究表明，長期施肥可顯著提高土壤全氮和有機(jī)氮組分含量。沈其榮等［6］認(rèn)為土壤有機(jī)氮組分與礦化氮呈極顯著相關(guān)關(guān)系。李世清等［7］研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥會改變有機(jī)氮組分，顯著增加氨基酸態(tài)氮含量（平均增加N 148.7 mg/kg）和銨態(tài)氮含量（平均增加N 45.8 mg/kg）。土地利用方式亦影響耕層有機(jī)氮組分，林地有機(jī)氮組分含量顯著高于耕地［8］。輪作制度也會對有機(jī)氮組分產(chǎn)生影響，李小涵等［9］研究發(fā)現(xiàn)豆科/谷類作物輪作可以促進(jìn)土壤有機(jī)氮的積累；相比于玉米連作，玉米/玉米/大豆輪作可以顯著提高土壤氨基酸態(tài)氮含量［10］。有研究報道［11］，與小麥-休閑種植體系相比，玉米小麥種植體系增加表層土壤微生物量碳、氮的含量。

紫花苜蓿（Medicago sativa）以其高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、富含蛋白質(zhì)的飼草生產(chǎn)性能和抗旱、耐寒、耐瘠、截流、保土的生態(tài)適應(yīng)性［12］，成為黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)退耕還草的首選草種，也是糧草輪作系統(tǒng)的優(yōu)良豆科牧草。目前關(guān)于該地區(qū)苜蓿不同后茬作物中土壤有機(jī)氮組分變化的研究相對匱乏，因此，本研究以黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)不同后茬作物土壤為研究對象，通過分析多年生苜蓿草地翻耕輪作不同糧食作物后土壤有機(jī)氮組分特征，以期為該區(qū)域適宜后茬作物的確定提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗設(shè)在甘肅省定西市安定區(qū)旱農(nóng)綜合實驗站。該區(qū)為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年均日照時數(shù)2 476.6 h， 太 陽 輻 射592.9 kJ/cm2； 年 均 氣溫6.4℃，≥0℃積溫2 933.5℃，≥10℃積溫2 239.1℃；無霜期140 d，年降水量390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm。土壤類型為黃綿土，貯水性能良好，適宜作物生長。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用單因素隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)6個處理，3次重復(fù)（表1），共18個小區(qū)，小區(qū)面積為21 m2（3.0 m×7.0 m）。供試作物為紫花苜蓿（隴東苜蓿）、春小麥（Triticum aestivum）（定西42號）、玉米（Zea mays）（先玉335）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）（新大坪）和谷子（Setaria italica）（隴谷11號）。LFW、LP、LMi均施 N 105 kg/hm2，P2O5105 kg/hm2；LFC 施 N 200 kg/hm2，P2O5105 kg/hm2。所有肥料均在播前人工撒施，生育期不再追肥。LC和 LF不施肥。

表1 試驗處理

1.3 試驗方法

1.3.1 土樣采集

于2016年5月，用“五點取樣法”采集各小區(qū)0～10、10～30、30～50 cm土層土樣，置于自封袋帶回實驗室過篩。用于微生物量碳、氮測定的土樣放入4℃冰箱保存，其余部分風(fēng)干后用于其他氮指標(biāo)的測定。

1.3.2 測定指標(biāo)及方法

全氮測定：凱氏定氮法［13］；

微生物生物量碳、氮（MBC、MBN）測定：氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法［14］；

土壤有機(jī)氮測定：Bremner 法［3］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2016整理數(shù)據(jù)，SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同后茬作物對土壤全氮的影響

由圖1可知，不同后茬作物土壤全氮含量隨著土層加深逐漸降低。0～10 cm土層LC土壤全氮含量最高，LF含量最低，與LC相比，LF、LFW、LFC、LP、LMi分 別 降 低21.62%、14.27%、18.98%、13.41%、6.15%，其中LC與LF、LP、LFW、LFC差異顯著；10～30 cm土層LFW全氮含量顯著高于LF，其余處理間均無顯著差異；30～50 cm土層各處理間均無顯著差異。

2.2 不同后茬作物對土壤微生物量碳、氮影響

由表2可以看出，不同后茬作物MBC含量隨土層的加深而降低。0～10 cm土層 LF含量最高，LMi含量最低，與LC相比，LF和LFW分別提 高20.00%和0.46%，LFC、LP、LMi分 別 降 低20.00%、22.86%、35.45%， 其 中LC與LMi處 理間差異顯著；10～50 cm土層均表現(xiàn)為LF含量最高，LP含量最低。MBN與MBC含量變化趨勢一致。0～10 cm土層LFC 處理MBN含量最高，LMi含量最低，相對于LC，LFC和LP分別提高27.42%和10.79%，LF、LFW、LMi分別降低19.55%、2.25%、20.00%，其中LF和LFC、LP間差異顯著；10～30 cm土層LC處理MBN含量顯著高于LF、LFW和LMi；30～50 cm土層LC處理MBN含量顯著高于LF、LFW 和 LMi。

圖1 不同后茬作物土壤全氮分布

表2 不同后茬作物土壤微生物量碳、氮分布

土壤微生物量碳氮比（MBC/MBN）能體現(xiàn)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，其比值為3～6時，表明細(xì)菌占優(yōu)勢，為7～12時真菌占優(yōu)勢［15-16］。由表2可知，苜蓿連作土壤0～50 cm土層MBC/MBN在5.63～6.68之間，說明苜蓿連作土壤中細(xì)菌含量相對豐富；苜蓿作物輪作土壤MBC/MBN在3.71～8.48之間，說明苜蓿作物輪作土壤中細(xì)菌仍然占據(jù)優(yōu)勢地位；苜蓿休閑體系中土壤MBC/MBN在8.84～10.68之間，說明苜蓿休閑土壤中真菌占優(yōu)勢。

2.3 不同后茬作物對土壤有機(jī)氮組分的影響

由表3可以看出，不同后茬作物土壤酸解總氮含量隨土層的加深而降低，在表層0～10 cm表現(xiàn)為處理間差異顯著，與LC相比，LMi、LP、LF、LFC、LFW分 別 降 低11.90%、18.89%、21.26%、30.96%、35.98%；10～50 cm土層各處理間均無顯著差異。不同后茬作物土壤非酸解態(tài)氮含量在0～50 cm土壤剖面隨著土層的加深呈遞減趨勢，各處理間均無顯著差異。

不同后茬作物土壤酸解銨態(tài)氮含量隨土層的加深逐漸降低，其含量為154.70～360.66 mg/kg。0～10 cm土層，與LC相比，LMi、LFC、LFW、LP、LF分別降低24.11%、25.21%、30.43%、39.61%、39.73%，其中LC與LF處理間差異顯著。10～30和30～50 cm土層各處理間均無顯著差異。酸解氨基酸態(tài)氮和酸解銨態(tài)氮含量變化趨勢一致，其含量為165.29～331.01 mg/kg。0～10 cm土 層，與LC相 比，LMi、LP、LFW、LFC、LF分 別 降 低 10.29%、22.71%、24.17%、28.46%、37.83%，其中LC與 LF差異顯著。10～30 cm土層LC和LF差異顯著，30～50 cm土層各處理間均無顯著差異。本研究中土壤酸解氨基糖態(tài)氮含量隨土層加深先增高后降低，且0～50 cm土層各處理間氨基糖態(tài)氮均無顯著差異，其含量為15.72～61.78 mg/kg。土壤酸解未知氮含量隨土層深度增加逐漸升高，其含量為114.00～365.19 mg/kg。0～10 cm土層，LFW與LC、LF、LP差異顯著，與LC相比，LF、LP分別提高10.76%、3.39%，LMi、LFC、LFW分別降低9.34%、43.62%、65.18%；10～30 cm土層和30～50 cm土層中各處理間均無顯著差異。

2.4 不同后茬作物對土壤有機(jī)氮組分比例的影響

由圖2可知，不同后茬作物有機(jī)氮各組分含量基本一致。酸解有機(jī)氮占全氮的比例為61.8%～68.7%，平均為65.2%，非酸解態(tài)氮占全氮的比例為31.3%～38.2%，平均為34.8%?？梢娝峤獾谕寥廊姓純?yōu)勢地位。

酸解有機(jī)氮各組分含量順序為：酸解未知態(tài)氮＞氨基酸態(tài)氮＞銨態(tài)氮＞氨基糖態(tài)氮，其所占全氮比例分別為24.8%、19.5%、17.8%、3.6%。

2.5 土壤有機(jī)氮組分與土壤全氮、微生物量氮相關(guān)分析

如表4所示，將土壤全氮、微生物量氮與有機(jī)氮組分進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)土壤全氮與酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮顯著正相關(guān)，微生物量氮與氨基酸態(tài)氮顯著正相關(guān)，其余有機(jī)氮組分均與全氮、微生物量氮無明顯相關(guān)性。

表4 土壤全氮、微生物量氮和有機(jī)氮組分相關(guān)分析

3 討論

苜蓿連續(xù)種植一定年限后進(jìn)入衰退期，根系活力逐漸下降，生物量不斷減少，有研究發(fā)現(xiàn)黃土高原苜蓿草地的適宜種植年限約為10年，此后土壤水分不斷降低，產(chǎn)草量逐漸減少，對土壤氮素利用強(qiáng)度亦減少［17］，但苜蓿屬固氮植物，一方面可在生長發(fā)育期間固定氮素從而提高土壤表層肥力，另一方面生物固氮的根瘤脫落遺留在土壤中，經(jīng)微生物分解提高土壤氮素含量［18-20］。本研究發(fā)現(xiàn)LC處理全氮含量最高，LF處理由于全年未種植作物，土壤養(yǎng)分來源少，導(dǎo)致土壤全氮含量最低，這與崔星等［21］對西北旱作區(qū)苜蓿輪作土壤全氮分布規(guī)律的研究結(jié)果一致。隨著土層深度增加，不同后茬作物土壤微生物量氮逐漸降低，種植糧食作物均可提高表層微生物量氮的含量，與張成霞等［22］的論述一致。這可能是由于枯枝落葉等有機(jī)物質(zhì)經(jīng)微生物分解進(jìn)入土壤，加之施入氮肥，進(jìn)一步促進(jìn)微生物繁殖［23］，尤其是施入較多氮素的LFC處理。

土壤全氮中酸解氮占主要地位［24］，其含量變化對礦化氮影響較大［6］，而非酸解氮含量趨于穩(wěn)定，二者在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化［25］。本研究發(fā)現(xiàn)，不同后茬作物土壤中均以酸解氮為主體，且種植糧食作物可降低酸解氮的含量，非酸解氮含量變化則相反。與LC相比，LMi、LP、LFW、LFC酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮比例均有降低，說明種植作物雖然增施了氮肥，但并沒有增加有機(jī)氮的有效組分，而LC處理固定氮素為微生物提供大量的氮源［26］，免耕苜蓿由于土壤通氣差、氧化能力弱、有機(jī)質(zhì)分解速率低，使土壤銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮含量提高［27］。本研究還發(fā)現(xiàn)，在10～30 cm土層，LMi、LP、LFW、LFC酸解總氮含量均高于LF處理，這可能是由于作物翻耕時殘茬留在土中，其中一部分在微生物作用下轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，另一部分轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，有機(jī)氮部分不僅補(bǔ)充作物吸收的氮素，同時也提高苜蓿作物處理土壤有機(jī)氮含量［28-29］，LF處理土壤酸解總氮未得到補(bǔ)充，其含量相比下降。本研究10～30 cm土層中，LC酸解氨基酸態(tài)氮含量最高，為251.77 mg/kg，LF含量最低，為188.07 mg/kg，這主要是由于微生物將土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)［30］，腐殖質(zhì)與其他復(fù)合體經(jīng)酸解作用釋放氨基酸態(tài)氮［31-32］，且苜蓿本身根系發(fā)達(dá)，固氮能力強(qiáng)，從而增加其氨基酸態(tài)氮含量。氨基糖態(tài)氮由于不能被作物直接吸收，其含量變化并無較大差異［33］，且氨基糖態(tài)氮是微生物細(xì)胞壁的主要殘留物，其含量能反映已死亡的微生物量的多少［34］，占土壤全氮比例低于其它處理；本研究發(fā)現(xiàn)30～50 cm土層的土壤酸解未知氮含量最高，是由于酸解未知氮不能被作物直接利用，在土壤中大量累積沉淀，從而導(dǎo)致深層含量顯著高于表層，同時未知氮的揮發(fā)也會降低土壤表層含量。本研究各有機(jī)氮組分中，酸解未知態(tài)氮含量最高，這與李世清等［7］，王瑞軍等［24］，黨亞愛等［35］對黃土高原氮組分的研究結(jié)果不一致，可能與土壤質(zhì)地、溫度以及不同作物對氮素的吸收利用有關(guān)。

黨亞愛等［35］研究認(rèn)為土壤全氮與有機(jī)氮組分均顯著相關(guān)；微生物量氮與酸解未知態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、酸解銨態(tài)氮均極顯著相關(guān)。郝小雨等［36］對長期施肥下黑土有機(jī)氮組分研究表明，全氮與酸解態(tài)氮均呈極顯著相關(guān)，與非酸解態(tài)氮無顯著相關(guān)性；微生物量氮與酸解氮組分均達(dá)到顯著正相關(guān)。賈倩等［34］研究發(fā)現(xiàn)，不同輪作模式下土壤全氮與酸解氨基酸態(tài)氮、酸解銨態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)。本研究中土壤全氮與酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮呈顯著正相關(guān)，微生物量氮與氨基酸態(tài)氮顯著正相關(guān)，說明土壤全氮、微生物量氮與有機(jī)氮組分密切相關(guān)，不同土壤類型酸解氨基酸態(tài)氮顯著影響微生物量氮的含量，有研究發(fā)現(xiàn)土壤中氨基酸是構(gòu)成微生物細(xì)胞壁的主要成分［37］。綜上，土壤氨基酸態(tài)氮的含量與微生物群落結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，酸解氨基酸態(tài)氮是微生物生物量氮的主要來源。

4 結(jié)論

黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)苜蓿不同后茬作物中，酸解態(tài)氮是土壤有機(jī)氮組分的主體，其組分含量變化為酸解未知態(tài)氮（24.8%）＞氨基酸態(tài)氮（19.5%）＞酸解銨態(tài)氮（17.8%）＞氨基糖態(tài)氮（3.6%）。苜蓿連作全氮含量土壤全氮、微生物量氮均與酸解氨基酸態(tài)氮呈顯著相關(guān)關(guān)系。苜蓿種植多年翻耕輪作糧食作物后土壤有機(jī)氮組分中銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮含量均有所降低，可見，苜蓿連作可以保持土壤有機(jī)氮的有效態(tài)組分。