長期冬綠肥翻壓對(duì)土壤有機(jī)氮組分的影響研究

代雪賓，田秀平，通信作者，趙秋，董家僖

（1. 天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300392；2. 天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300192）

土壤退化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要問題，不僅影響了土壤肥力，也破壞了生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致環(huán)境惡化，危害人類健康[1]。土壤存在著多種退化，其中土壤養(yǎng)分流失是最主要的形式之一。潮土是我國華北地區(qū)主要的土壤類型，由于冬天氣候干燥、不合理施肥等因素導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡嚴(yán)重[2-3]。在我國綠肥種植已有幾千年的歷史，種植并翻壓綠肥不僅可以增加土壤養(yǎng)分，減少化肥施入，降低環(huán)境污染，而且還可以改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量[4]，冬綠肥種植翻壓一方面可以減少冬天裸露土壤的水土流失，增加土壤有機(jī)質(zhì)，另一方面還可有效促進(jìn)退化土壤得到修復(fù)，改善土壤養(yǎng)分狀況[5-7]。

氮素是植物生長的必需營養(yǎng)元素[8]，土壤中氮含量不足，主要通過增施氮肥來滿足植物生長的需要。目前關(guān)于土壤氮素的研究也主要集中在施肥、土壤氮素循環(huán)轉(zhuǎn)化、氮素組成、氮礦化以及環(huán)境條件對(duì)其影響等方面[9-11]。氮素作為生態(tài)系統(tǒng)中植物的重要限制因子，其生物有效性受土壤氮化學(xué)形態(tài)的影響[12-13]。土壤氮素組成以有機(jī)態(tài)氮為主，按化學(xué)形態(tài)可分為酸解有機(jī)態(tài)氮和非酸解態(tài)氮。酸解態(tài)氮又分為氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、酰胺態(tài)氮和未知態(tài)氮[14-17]。這些組分的構(gòu)成比例直接或間接地影響土壤有機(jī)氮礦化的難易程度和氮素有效性[18]，與土壤供氮潛力相關(guān)。有機(jī)氮是土壤中礦質(zhì)氮的源和庫，在氮素養(yǎng)分循環(huán)過程中具有極其重要的作用[16]。本研究選取在華北潮土地區(qū)連續(xù)多年種植的冬綠肥并翻壓，研究冬綠肥翻壓對(duì)土壤有機(jī)氮組分的影響，對(duì)華北地區(qū)合理種植綠肥，提高氮素利用率具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在天津市武清區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新基地展開，供試土壤為潮土，0～20 cm 土層的基礎(chǔ)性狀見表1。

表1 基礎(chǔ)土壤性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)從2012 年開始進(jìn)行，設(shè)7 個(gè)處理，分別是冬閑田（CK）、二月蘭（OV）、毛葉苕子（VR）、黑麥草（RG）、黑麥（SC）、毛葉苕子二月蘭混播（VR+OV）和毛葉苕子黑麥混播（VR+SC），每處理小區(qū)面積為18 m2，3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。每年9 月中下旬待玉米收獲后播種綠肥，播種量依次為45.0、60.0、60.0、45.0、（30.0+22.5）、（30.0+30.0）kg/hm2。播種后灌出苗水，按30 t/hm2噴灌形式灌溉。冬綠肥生長期間不施肥料和農(nóng)藥，次年4 月中下旬將每小區(qū)內(nèi)的冬綠肥（包括綠肥作物的根系部分）切碎成2～3 cm 小段后全部翻壓到10～15 cm 土層中，OV、VR、RG、SC、VR+OV、VR+SC 各處理每小區(qū)冬綠肥翻壓量分別為：11.97、8.98、9.99、13.07、10.47 和11.03 kg。翻壓后播春玉米品種‘鑫1303’，每小區(qū)種植6 行，行距0.6 m，行長5 m，株距0.28 m，穴播，施肥量為K2O 225.00 kg/hm2、N 225.00 kg/hm2、P2O545.00 kg/hm2，氮肥為尿素（N 46%），2/3 氮肥在玉米小喇叭口期追施，1/3 作基肥，磷肥為磷酸二銨（N 18%、P2O546%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%），兩者全部基肥施加，2013 和2020 年玉米收獲后采集土壤樣品，用于土壤養(yǎng)分的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定參照土壤農(nóng)化分析方法[19]，土壤有機(jī)氮組分測(cè)定采用Bremner 法[20]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用SPSS13.0和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試土壤中氮素分布特征

從表2 可以看出，土壤中全氮（TN）含量在1.14～1.24 g/kg 之間，平均值為1.17 g/kg，堿解氮含量為0.09～0.11 g/kg，平均值為0.10 g/kg；土壤全氮中酸解總氮平均含量為0.87 g/kg，占全氮的74.81%，其余為非酸解氮，占全氮的25.19%。酸解總氮中各形態(tài)氮含量平均值大小排列為：未知態(tài)氮（0.25 g/kg，占土壤全氮的21.41%）＞氨基酸態(tài)氮（0.21 g/kg，占土壤全氮的18.27%）＞酰胺態(tài)氮（0.18 g/kg，占全氮的14.99%）＞氨基糖態(tài)氮（0.12 g/kg，占比最少，僅占土壤全氮的9.62%）。

表2 土壤中氮素組分及其含量

2.2 長期冬綠肥翻壓對(duì)土壤有機(jī)態(tài)氮組分的影響

表3 中C值（絕對(duì)變化量）是2020 年不同處理土壤有機(jī)態(tài)氮各組分與2013 年的差值，R值（相對(duì)變化量）是不同處理土壤有機(jī)態(tài)氮各組分C值占2013 年該組分氮值的百分比含量。從表3 可以看出，翻壓冬綠肥7 年后，各有機(jī)態(tài)氮組分發(fā)生了一些變化，不同處理酸解總氮和非酸解總氮都有不同程度的增加。酸解總氮增加順序?yàn)椋篊K＜SC＜VR＜VR+SC＜RG＜OV＜VR+OV，非酸解總氮增加順序?yàn)椋篊K＜SC＜OV＜VR+OV＜VR+SC＜VR＜RG。與CK 相比，翻壓綠肥各處理酸解總氮增加較多，非酸解總氮增加較少，說明冬綠肥主要增加了土壤中酸解總氮的含量。不同冬綠肥中，RG、OV 和VR+OV 增加較多，與2013 年相比分別增加了15.93%、15.54%和15.80%；非酸解總氮以RG 增加最大，比2013 年增加了14.59%；其余綠肥處理相差不大，相對(duì)變化量范圍在9.30%～9.99%之間，CK 僅增加了4.56%。酸解總氮中CK 氨基酸態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮的C值和R值均為負(fù)值，而翻壓綠肥各處理均為正值，其中，RG 和OV 增加最多，C值和R值分別為135.60、15.93%和137.38、15.54%，所有處理酰胺態(tài)氮和未知態(tài)氮的C和R值都是正值，且翻壓綠肥的各處理均高于CK 處理。研究表明，土壤有效氮主要來自酸解氮的礦化分解，但非酸解氮由于成分復(fù)雜，難以礦化分解。酸解氮中，氨基酸態(tài)氮最易礦化分解，成為有效態(tài)氮，其次是氨基糖態(tài)氮，再次是酰胺態(tài)氮，未知態(tài)氮也較難成為有效態(tài)氮[21]。由此可以看出，翻壓冬綠肥改變了土壤有機(jī)態(tài)氮的組成，提高了土壤酸解有機(jī)氮及其各形態(tài)氮的含量，增強(qiáng)了土壤供氮潛能。

表3 長期冬綠肥翻壓土壤有機(jī)態(tài)氮組分的變化情況

2.3 長期綠肥翻壓土壤中氮向各形態(tài)氮的轉(zhuǎn)化情況

從圖1 可見，長期冬綠肥翻壓土壤中氮主要向酸解總氮轉(zhuǎn)化，不同綠肥土壤中氮素轉(zhuǎn)化率分別為OV 84.12%、VR 74.94%、RG 76.20%、（VR+OV）83.30%、（VR+SC）80.38%、SC 81.54%。其次是向氨基酸態(tài)氮轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率分別為OV 26.93%、VR 26.10%、RG 21.31%、（VR+OV）18.88%、（VR+SC）22.79%、SC 13.39%。SC 翻壓入土處理土壤中氮向未知態(tài)氮轉(zhuǎn)化率最高，為20.82%，這與任金鳳等[22]研究結(jié)果一致。土壤中氮向酰胺態(tài)氮和非酸解氮的轉(zhuǎn)化率相差不大，均大于12.79%。向氨基糖態(tài)氮轉(zhuǎn)化的較少。VR 和RG 處理土壤中各形態(tài)氮分布相差不大，主要轉(zhuǎn)化為氨基酸態(tài)氮和非酸解氮，轉(zhuǎn)化率分別為26.10%、21.31%和25.06%、23.80%。VR+OV 和VR+SC處理土壤中各形態(tài)氮向氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮的轉(zhuǎn)化率分別為18.88%、22.79%和21.46%、19.83%，轉(zhuǎn)化成氨基糖態(tài)氮的比例最低，僅為8.06%和7.85%。

2.4 有機(jī)態(tài)氮的通徑分析及相對(duì)有效性

相關(guān)分析表明（表4），土壤氨基酸態(tài)氮與堿解氮之間呈極顯著正相關(guān)（r＝0.885），氨基糖態(tài)氮和未知態(tài)氮、堿解氮之間也顯著正相關(guān)（r＝0.698，0.799），酰胺態(tài)氮與堿解氮之間相關(guān)不顯著。此外，各有機(jī)態(tài)氮組分間也存在顯著或極顯著正相關(guān)，如氨基糖態(tài)氮與未知態(tài)氮的r值為0.864，說明有機(jī)態(tài)氮各組分含量的變化及其對(duì)土壤有效氮的影響是相互制約和相互促進(jìn)的，僅按照相關(guān)系數(shù)來表述是不全面的。通徑分析是以多元回歸分析為基礎(chǔ)檢驗(yàn)因果關(guān)系模型的統(tǒng)計(jì)方法，以通徑系數(shù)為表征，用通徑系數(shù)的正負(fù)和大小來表示自變量作用的方向和大小。通徑系數(shù)之間進(jìn)行相互比較，可以比相關(guān)分析提供更多的信息。通徑分析結(jié)果（表5）顯示，4 種有機(jī)態(tài)氮組分對(duì)土壤堿解氮均產(chǎn)生一定的正效應(yīng)，直接影響順序?yàn)椋喊被釕B(tài)氮（0.815）＞氨基糖態(tài)氮（0.284）＞未知態(tài)氮（0.209）＞酰胺態(tài)氮（0.064）。氨基酸態(tài)氮的直接通徑系數(shù)最大，對(duì)堿解氮的直接效應(yīng)最大，說明有機(jī)氮組分中氨基酸態(tài)氮是土壤堿解氮的主要來源，氨基糖態(tài)氮和未知態(tài)氮對(duì)堿解氮的貢獻(xiàn)值較高，酰胺態(tài)氮貢獻(xiàn)值較低。此外，氨基酸態(tài)氮通過氨基糖態(tài)氮以及氨基糖態(tài)氮通過酰胺態(tài)氮和未知態(tài)氮對(duì)堿解氮的間接通徑系數(shù)均在0.4 以上，說明有些組分氮對(duì)堿解氮是通過互相作用影響的。

表5 土壤有機(jī)氮組分對(duì)堿解氮的通徑系數(shù)

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，長期冬綠肥翻壓后土壤中全氮和有機(jī)氮各組分含量均有所提高。4 種翻壓綠肥中以黑麥（SC）總生物產(chǎn)量最高，顯著高于其他3 種綠肥，冬綠肥翻壓有利于土壤氮素養(yǎng)分累積，這與MAIZI[9]的研究結(jié)果一致。不同冬綠肥翻壓由于生物量及其氮素含量不同而帶入土壤中的碳及氮素總量不同，造成土壤中碳氮比不同，為土壤微生物提供養(yǎng)分也不同，這也是不同綠肥供氮能力不同的主要原因[23]。大量研究表明，有機(jī)態(tài)氮是土壤氮素的主要存在形態(tài)，也是礦質(zhì)氮的源和庫，因此，土壤供氮能力是不同有機(jī)氮組分在土壤中礦化的綜合表現(xiàn)[24]。土壤中最主要的有機(jī)氮形態(tài)是氨基糖態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮，其含量與有機(jī)氮的礦化速率呈線性相關(guān)，是土壤易礦化有機(jī)氮的主要來源[25]。酸解氨基酸態(tài)氮是土壤微生物和當(dāng)季植物吸收利用有效氮的主要來源，與微生物代謝活動(dòng)緊密相關(guān)[26]，常被用于表征土壤的供氮潛力[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，種植翻壓冬綠肥可提高土壤酸解總氮及酸解氮中未知態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮的含量，其中氨基酸態(tài)氮含量增加幅度最大，表明冬綠肥翻壓可增加土壤的供氮潛力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，長期冬綠肥翻壓土壤中氮主要向酸解總氮轉(zhuǎn)化，以黑麥草、二月蘭和毛葉苕子二月蘭混播增加較多；翻壓冬綠肥增加了土壤水解總氮中各組分氮含量，其中氨基酸態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮以翻壓黑麥草和二月蘭增加最多；相關(guān)分析表明，土壤氨基酸態(tài)氮與堿解氮呈極顯著正相關(guān)，氨基糖氮與未知氮素呈顯著正相關(guān)；通徑分析得出4 種有機(jī)態(tài)氮組分對(duì)土壤堿解氮均產(chǎn)生一定的正效應(yīng)，其影響順序?yàn)椋喊被釕B(tài)氮＞氨基糖態(tài)氮＞未知態(tài)氮＞酰胺態(tài)氮。