施肥量對飼用燕麥產(chǎn)量及土壤有機碳庫周轉影響的研究

摘""" 要：為研究施氮量對土壤碳周轉的調(diào)控作用，探索在人工草地中提高產(chǎn)量和增效土壤養(yǎng)分的施氮措施，達到減肥控制碳排放的目的，在燕麥種植時，選取4個施氮梯度，收獲后測定其產(chǎn)量，將取回的土壤采用控制試驗進行培養(yǎng)礦化，通過礦化數(shù)據(jù)模擬土壤活性和慢性兩個碳庫的周轉，探索飼用燕麥施肥量對土壤有機碳庫的影響。結果表明，施氮可增加飼用燕麥產(chǎn)量，促進土壤中有機碳的活化，增加土壤有機碳的累積礦化量。低氮和中氮處理（含氮量范圍為75.98～82.32 g·kg-1）可以提高飼用燕麥的產(chǎn)量，達到生態(tài)降碳的目的。施肥活化了土壤碳庫的周轉，隨著施肥量梯度的增加，活性碳庫周轉速率加快，低氮和中氮處理促進土壤有機碳形成慢性碳庫，降低土壤有機碳的累積礦化量。本研究為人工建植草地的精準施肥提供科學依據(jù)，以實現(xiàn)提高生產(chǎn)效益和減少碳排放的目標。綜上，適宜的施氮量在增加飼用燕麥產(chǎn)量的同時，可以降低土壤有機碳的累積礦化量。

關鍵詞：飼用燕麥;施氮梯度;土壤有機碳周轉;機制

中圖分類號：S512.6""""""""""" 文獻標志碼：A"""""""""" DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.09.012

Effects of Fertilization Rate on Forage Oat Yield and Soil Organic Carbon Pool Turnover

WANG Jing1， HAN Bing2， TIAN Yonglei1， BAO Jian1， MU ZongJie1， BAI ChunLi1

（（1. Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences， Hohhot， Inner Mongolia 010031， China; 2. Inner Mongolia University， Hohhot， Inner Mongolia 010031， China; 3. Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010031， China）

Abstract：In order to study the regulatory effect of nitrogen application on soil carbon turnover， and to deeply understand how to balance the relationship between nitrogen reduction measures and soil nutrient improvement in the process of artificial grassland cultivation， and to achieve the purpose of reducing carbon emissions. Four nitrogen application gradients were selected during oat planting， and the yield was measured after harvest. After harvest， the soil was taken back to the soil for cultivation and mineralization in the laboratory using a controlled experiment. The turnover of two carbon pools， active and chronic， was simulated by mineralization data to explore the effect of fertilizer application on soil organic carbon pools in forage oat cultivation. The results showed that nitrogen application would promote the activation of organic carbon in the soil and increase the cumulative mineralization of soil organic carbon while increasing the yield of forage oats. Low nitrogen and medium nitrogen treatments （nitrogen content in the range of 75.98～82.32 g·kg-1） could achieve the purpose of ecological carbon reduction while increasing the yield of forage oats. Fertilization activated the turnover of soil carbon pools. With the increase of fertilizer application gradient， the turnover rate of active carbon pool increased. Low nitrogen and medium nitrogen treatments promoted the formation of chronic carbon pools in soil organic carbon and reduced the cumulative mineralization of soil organic carbon. This study provides a scientific basis for the precise fertilization of artificial grasslands to achieve the goal of improving production efficiency and reducing carbon emissions. In summary， the appropriate amount of nitrogen application increase the yield of forage oats while reducing the cumulative mineralization of soil organic carbon.

Key words： feed oats; nitrogen application gradient; soil organic carbon turnover

收稿日期：2024-02-17

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目（2023LHMS03053）;內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目（2023YFHH0029）;鄂爾多斯市科技重大專項項目（ZD20232312）

作者簡介：王靜（1995—），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，助理研究員，博士，主要從事牧草營養(yǎng)管理與抗逆生理、土壤元素耦合循環(huán)與植物-土壤-微生物交互作用研究。

通訊作者簡介：白春利（1980—），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，研究員，博士，主要從事牧草栽培研究。

土壤有機碳周轉影響土壤碳庫的穩(wěn)定性，是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的核心組成。土壤有機碳周轉是土壤碳累積過程中主要的轉化流失形式，短期內(nèi)可以觀測出其微小的變化[1]。很多學者在對土壤有機碳周轉的影響研究中將外界環(huán)境變化作為影響因子，因為外界變化對碳周轉影響明顯，并且可以調(diào)控土壤中養(yǎng)分元素的變化[2-3]。有研究表明，氮的輸入對土壤有機碳動態(tài)變化的影響存在顯著的不確定性，以往研究多關注土壤碳、氮的單一過程變化，較少將二者同時進行研究。因此，深入研究二者耦合關系，明確人工草地氮添加量對土壤有機碳周轉的影響尤為重要[4-6]。土壤中營養(yǎng)元素間的物質(zhì)和能量產(chǎn)生交換，而土壤中元素周轉耦合與植物生物量息息相關，考慮植物產(chǎn)量和土壤有機碳的釋放方面的影響已成為當前科學研究的熱點[7-8]，但施肥量耦合植物生長對土壤碳庫流失的影響尚未可知，并且它們對土壤不同碳周轉的調(diào)節(jié)機制未見報道。

土壤有機碳的組成復雜，具有高度異質(zhì)性，包含著腐殖質(zhì)、動植物分泌物及其殘體和微生物量碳等，這些碳源礦化的時間不一致。在碳周轉模型中，根據(jù)碳周轉時間的差異，通常將土壤有機碳庫分為活性碳庫和慢性碳庫。目前，飼用燕麥是人工草地的主要材料，施肥是人工草地的重要手段。在燕麥栽培過程中，化肥施用量過大，會導致農(nóng)田養(yǎng)分流失和農(nóng)業(yè)面源污染管理。肥料的施用對土壤有機碳有重要影響，低施肥量是控制土壤養(yǎng)分流失的有效手段。針對內(nèi)蒙古廣泛種植的飼用燕麥品種蒙飼燕3號進行施肥梯度的研究，筆者以期提高種植蒙飼燕3號的生產(chǎn)和生態(tài)效益。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗材料為飼用燕麥（Avena sativa L.），品種名為蒙飼燕3號（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學育成品種）。該品種為105 d晚熟品種，平均株高1.6 m，耐鹽堿性強，抗倒伏。播種量為120 kg·hm-2，條播行距20 cm，播深3～4 cm。

栽培施肥試驗采用大田小區(qū)的單因素隨機區(qū)組設計，每個小區(qū)面積4 m×6 m，每組3個重復。供試氮肥為尿素（氮含量為46%），不加施其他肥料。試驗設置對照、低氮、中氮、高氮4個處理，施氮量分別為0、175、250、300 kg·hm-2。在一個生產(chǎn)周期后，將種植完飼用燕麥的土壤按照不同施肥梯度取樣，一部分過0.5 mm篩，去除石頭， 并立即置于保溫箱，帶回實驗室，用于長期礦化培養(yǎng)，另一部分樣品放入保溫箱，用于理化性質(zhì)和微生物量的分析。

將帶回實驗室的土壤進行實驗室培養(yǎng)礦化，礦化試驗采用堿液吸收法。方法如下：稱取80 g新鮮土壤樣品，將土壤含水量調(diào)節(jié)至田間持水量的50%，放置于1 L密閉培養(yǎng)瓶中，同時培養(yǎng)瓶中放入分別裝有NaOH溶液和蒸餾水的燒杯，用以吸收有機碳分解釋放的CO2和保持土壤水分。將培養(yǎng)瓶放置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱，分別在2、7、14、21、28、35、44、66、84 d時，取出NaOH燒杯，然后用HCl滴定，計算CO2礦化速率。

1.2 化學分析

在燕麥生長周期結束之后，齊地刈割后測定飼用燕麥的產(chǎn)量。土壤有機碳含量用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化法測定[9]。土壤全氮用凱式定氮法測定[10]。土壤微生物量碳、氮采用 Vance 等[11]提出的氯仿熏蒸提取法測定。土壤碳礦化由礦化試驗確定。

1.3 模型描述

土壤有機碳庫是由活性碳庫和慢性碳庫組成，本研究對土壤有機碳庫周轉數(shù)據(jù)擬合采用兩庫碳周轉模型[12]。公式如下：

Y=a（1-e-bt）+c（1-e-dt）

式中，Y是土壤有機碳累積釋放量（mg·kg-1）;t是土壤有機碳累積釋放天數(shù);a+c =有機碳累計釋放量（SOC，mg·kg-1），a和c分別表示活性有機碳庫和慢性有機碳庫;blt;0，表示活性有機碳周轉（Ra），dgt;0，表示慢性有機碳周轉（Rs）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究使用 SPSS 20.0 軟件對數(shù)據(jù)進行分析，各個指標的差異顯著性使用單因素方差分析（ANOVA）檢驗;用Sigmaplot14軟件模擬有機碳累積釋放，以及活性和慢性有機碳周轉，并用以作圖。2 結果與分析

2.1 施氮量對飼用燕麥產(chǎn)量、土壤和微生物碳氮含量的影響

施氮量是增加產(chǎn)量的關鍵因素。由表1可知，施氮處理比不施氮處理相比，產(chǎn)量增加10.76%～13.86%，飼用燕麥的產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，高氮處理的產(chǎn)量顯著高于低氮處理的產(chǎn)量，產(chǎn)量增加2.79%;中氮處理與其他施氮處理的產(chǎn)量差異不顯著。

土壤有機碳、全氮、微生物碳均隨著施肥量的增加呈顯著增加趨勢（圖1）。土壤有機碳和全氮隨著施肥梯度的增加呈顯著上升趨勢，高氮處理的土壤有機碳含量為21.37 g·kg-1，顯著高于其他處理;中氮處理與對照和中氮處理的有機碳含量差異不顯著，中氮處理顯著高于對照18.05%（圖1）。隨著施氮量的提升，不同處理的土壤全氮含量均顯著增加。施氮量增加后，會提高土壤微生物碳含量，但會不同程度地降低土壤微生物氮含量（圖1）。高氮處理的土壤微生物碳含量顯著高于中氮處理，中氮處理顯著高于對照和低氮處理（圖1）。高氮處理的土壤微生物碳含量為12.68 mg·kg-1，顯著高于其他處理，中氮處理顯著高于對照和低氮處理，對照和低氮處理間無顯著性差異。

2.2 有機碳累積礦化量

土壤有機碳累積礦化量曲線是根據(jù)土壤礦化試驗數(shù)據(jù)對土壤碳礦化量進行線性擬合。隨著培養(yǎng)時間的增加，土壤有機碳累積礦化量呈上升趨勢。其中，低氮處理的累積礦化曲線最高，培養(yǎng)結束后，累積礦化量為72.86 mg·kg-1;對照的累積礦化曲線變化最低，培養(yǎng)結束后，累積礦化量為42.72 mg·kg-1。這說明施氮會刺激土壤碳周轉。前期土壤有機碳礦化速率快，后期礦化速率減慢且趨于平緩，隨著施氮量的增加，土壤有機碳庫累積礦化量呈下降趨勢，降幅9.78%。這說明施肥量與土壤有機碳庫礦化非正相關關系，高施氮量也會降低土壤碳礦化速率（圖2）。

2.3 產(chǎn)量、土壤碳累積礦化量與土壤全氮的相關性分析

由圖3可知，在施肥梯度下，飼用燕麥的產(chǎn)量隨著土壤全氮含量的增加而增加，土壤碳的累計礦化量的變化趨勢亦同產(chǎn)量變化趨勢;當土壤全氮含量大于79.48 g·kg-1，飼用燕麥產(chǎn)量的增加趨勢逐漸減緩，而土壤累計礦化量繼續(xù)上升。這說明土壤全氮含量在這個范圍內(nèi)對飼用燕麥的產(chǎn)量不會有較大的影響，但依然會促進土壤的碳礦化。由圖4可知，飼用燕麥和累計礦化量與土壤全氮含量3D線性擬合符合拋物線，土壤含氮量范圍為75.98～82.32 g·kg-1時，飼用燕麥的產(chǎn)量達到峰值，隨后趨于平緩。

2.4 土壤各碳庫儲量及周轉

土壤活性碳庫的比例較少，是慢性碳庫的4.84%～7.14%，土壤活性碳周轉速率比慢性碳庫周轉快17.8%～148.05%（表2）?；钚蕴紟煸谑┓侍荻壬献兓黠@，低氮和中氮處理的活性碳周轉速率較快，而隨著施氮量的增加，慢性碳庫的周轉速率會加快。

3 討論與結論

3.1 討論

研究發(fā)現(xiàn)，施肥可以增加飼用燕麥產(chǎn)量，促進土壤中有機碳的活化，增加土壤有機碳的累積礦化量，而在高氮處理下植物生長差異不顯著。這可能是氮肥是植物生長中關鍵的氮素營養(yǎng)元素，在飼用燕麥生長過程中，體內(nèi)會形成內(nèi)穩(wěn)態(tài)，過量施肥不會再增加其產(chǎn)量，甚至會形成單鹽毒害，單鹽的高電荷可能造成“燒苗”現(xiàn)象[9-10]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤全氮含量的增加，土壤有機碳礦化量不斷增加。這可能是氮提高了土壤微生物的活性，微生物促進了土壤有機碳的周轉直接關系到土壤碳固存狀況。本研究結果表明，施肥用量在75.98 ～82.32 g·kg-1的范圍（低氮和中氮處理）更適合飼用燕麥的生長，提高了牧草產(chǎn)量，并且土壤有機碳的累積礦化曲線趨于平緩。這可能是合理施氮提高了產(chǎn)量，抑制了微生物的活動。有研究表明，由于微生物對土壤變化具有敏感性，其活性被認為是表征土壤有機碳礦化的重要指標[12-13]。土壤中氮素含量的變化使有機碳將優(yōu)先向粘粒中積累，這部分易分解碳在活性碳周轉時被微生物分解，同時，飼用燕麥產(chǎn)量增加后，提高了地上生物量的擾動;當?shù)乩^續(xù)增加粘粒結合的有機碳含量達到飽和后，有機碳向較大顆粒中積累增多，這部分有機碳不容易被分解[14]。

研究結果發(fā)現(xiàn)，施肥梯度變化造成土壤碳庫礦化，這可能是施肥處理調(diào)控了土壤活性碳庫和慢性碳庫的儲量。隨著施肥梯度的增加，活性碳庫周轉速率加快。這可能是不同的土壤全氮含量導致飼用燕麥的產(chǎn)量產(chǎn)生差異，植物干擾了土壤質(zhì)地，并且影響了土壤微生物的活性。低氮和中氮處理下，慢性碳庫呈增加趨勢;高氮處理下，慢性碳庫呈回落趨勢，這與Baudoin等[15]研究結果一致。原因可能是施氮量低，增加了牧草生物量及其地下生物進入土壤，可能使粘粒含量提高，粘土含量影響著有機礦物結合體的形成，粘粒較高的土壤更有利于碳固持[16]。因此，低氮和中氮處理導致慢性碳庫儲量增加， 使其對酶攻擊更具抵抗力，免受微生物影響[17-19]。而高施氮量的土壤微團聚體增加，減少了土壤有機碳與微生物分泌酶的接觸，從而顯著減緩了周轉速率[3，20]。施肥會增加土壤微生物碳含量，這表明有機碳轉化為微生物碳的效率更高[21]。

3.2 結論

本研究通過栽培種植蒙飼燕3號燕麥，利用田間施肥梯度和室內(nèi)礦化試驗對飼用燕麥的產(chǎn)量和土壤有機碳碳周轉進行研究，探索在人工草地中提高產(chǎn)量和增效土壤養(yǎng)分的施氮措施。筆者發(fā)現(xiàn)，施氮可以增加飼用燕麥產(chǎn)量，促進土壤中有機碳的活化，增加土壤有機碳的累積礦化量。低氮和中氮處理可以提高飼用燕麥的產(chǎn)量，并達到生態(tài)降碳的目的。施肥活化了土壤碳庫的周轉，施肥量增加后，加快了活性碳庫周轉速率，低氮和中氮處理促進了土壤有機碳形成慢性碳庫，降低了土壤有機碳的累積礦化量。

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