长期有机培肥模式下黑土碳与氮变化及氮素矿化特征

邵兴芳， 徐明岗， 张文菊*， 黄 敏， 周 显， 朱 平， 高洪军

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2 武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070；3 吉林省农业科学院农业环境与资源研究所，长春 130033)

在植物所有必需的营养元素中，氮素是限制其生长和产量形成的首要因素[1]。土壤氮素的矿化在很大程度上反映了土壤的供氮能力，因此研究土壤氮矿化特征与影响因素对于深刻认识土壤的供氮能力具有重要意义。土壤氮素矿化量(Nt)和氮素矿化率(Nt/TN)是反映土壤氮素供应能力的重要指标，保持土壤稳定供氮力的有效途径是持续不断地每年施用有机肥[2]。然而过量施用有机肥时，作物不能完全吸收利用已矿化的氮，导致硝态氮在土壤中积累，可能造成硝酸盐的淋失，从而带来生态环境风险[3]。土壤氮素矿化的影响因素较为复杂，包括温度、 湿度等在内的环境因子、 土壤本身的理化性质、 有机质质量/成分、 土壤生物等因素[4]。Bremer等[5]的研究表明土壤温度与氮矿化速率呈正相关，Hassink等[6]研究表明砂土的氮矿化量高于壤土和粘土，而同一土壤中不同形态有机质的分解、 矿化程度也可能相差数倍[7]。土壤动物常常会促进有机质的分解和氮素的矿化[8]，且微生物的种类、 结构及功能同样也与氮的矿化密切相关[9]。

土壤培肥是一个缓慢的过程。大量研究表明，长期有机无机配施可以提高土壤全氮和有机质水平，提高土壤活性及团聚体组分中的有机质与氮含量[10-12]，增强土壤酶的活性[13-14]，从而影响土壤氮素矿化。巨晓棠等[15]的研究表明，无论是单施氮肥区还是氮肥与有机肥配合施用区，土壤活性有机氮库都有所增加。不同施肥处理土壤中有机氮的矿化率存在差异，长期施用有机肥或化肥均能提高土壤的供氮潜力，且有机肥明显优于化肥，二者相结合效果更明显[16]。也有研究表明，尽管施用化肥可以提高土壤的矿质氮，但化肥处理的土壤氮矿化率较低[17]。

东北是我国重要的商品粮和畜牧业基地，其黑土土质肥沃，其肥力的演变一直受到土壤学界的广泛关注。该区域30多年的长期定位监测结果表明，配施有机肥是维持和提升黑土肥力水平的有效措施[18]，长期施用有机肥以及有机肥配施化肥均能显著提高黑土有机质及其活性组分含量[19-20]。而土壤氮素及其供氮能力的变化也是反映长期有机培肥效果的一个重要方面。本研究依托该区域典型的农田有机肥培肥长期试验，通过取样分析和室内培养试验来研究长期不同培肥模式下黑土的碳、 氮及活性组分的变化，分析黑土氮素矿化量、 矿化率及其影响因素，了解不同施肥管理模式对于黑土氮素肥力的培肥效果，为农田土壤氮素的可持续管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 长期定位试验点概况

1.2 试验设计

该长期试验为裂区设计。本研究选取其中3个主处理[不同量的有机肥(猪粪或牛粪)]和3个副处理(化肥配施)。3个有机肥施用水平分别为不施有机肥(M0)；年施有机肥 30 t/hm2(M2，常量有机肥水平)；年施有机肥 60 t/hm2(M4，高量有机肥水平)。副处理为无肥对照(CK)；施 N 150 kg/hm2(N)；施 N 150 kg/hm2、 P2O575 kg/hm2、 K2O 75 kg/hm2( NPK)(见表1)。有机肥作底肥，磷、 钾和 1/3 氮肥作基肥随播种时同时施入，其余 2/3 氮肥于拔节前追施于表土下 10 cm 处。小区按国家土壤肥力长期定位监测标准统一设置，面积为100 m2(20 m×5 m)，无重复，随机排列。

表1 不同施肥处理下化肥及有机肥年施用量Table 1 Annual amounts of N, P and K fertilizers and manure applied for different treatments

注(Note): 有机肥施用量为鲜基 Manure application rate is estimated with fresh base.

1.3 样品采集

于2012年11月玉米收获后，采集各处理小区 0—20 cm 表层土壤。在每个小区 “S”形布点，随机取 8 点混合作为一个土样，即一个“假重复”，每个小区取 3 个假重复。将采集的土样除去动、 植物残体，混匀分成两份，一份土样过孔径 2 mm 筛，置于冰箱(4℃左右)内用于测定微生物量碳、 氮，可溶性碳、 氮和氮矿化量。另一份土样室内风干后过 0.25 mm 筛，用于测定土壤有机质和全氮。

1.4 测定项目与方法

土壤有机质(SOM)采用重铬酸钾容量法[21]，全氮(TN)采用元素分析仪(EA3000)测定。土壤微生物量碳(SMBC)、 氮(SMBN)采用熏蒸提取法[22]测定。可溶性碳(DOC)、 氮(DON)的测定采用 K2SO4提取法[23]。

土壤氮矿化量(Nt)的测定采用Waring和Bremer淹水培养法[24-25]： 称取5 g新鲜土样于50 mL离心管，加入15 mL蒸馏水，将离心管密封后放入40℃的培养箱培养7 d， 然后加入15 mL 2 mol/L KCl 溶液振荡30 min，过滤后的滤液用流动分析仪测定其铵态氮值，将培养后土样的铵态氮值减去培养前土样的铵态氮值即为土壤氮矿化量值。

氮矿化率的计算公式为

Nt/TN = Nt/TN × 0.1

式中： Nt为氮矿化量(mg/kg)； TN为全氮(g/kg)； Nt/TN为氮矿化率(%)。

1.5 数据分析

试验数据采用 Excel 2007、 SigmaPlot 10.0、 SPSS 11.5软件进行处理，处理间的多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下黑土有机质及全氮的变化

在不施有机肥和施用常量有机肥时，CK、 N、 NPK处理的土壤有机质和全氮累积量无显著性差异。施用高量有机肥时，CK、 N、 NPK处理的土壤有机质含量存在显著差异，配施氮和配施氮磷钾的处理与单施有机肥相比可使土壤有机质含量分别增加5.10 g/kg、 10.37 g/kg，使土壤全氮累积量分别增加0.42 g/kg、 0.71 g/kg，但配施氮与配施氮磷钾相比土壤全氮累积量差异不显著。

图1 不同施肥处理下各土壤有机质和全氮含量Fig.1 Soil organic matter and total nitrogen contents under different treatments[注(Note)： 柱上不同字母表示不同施肥处理间在5%水平差异显著 Different letters above the bars are significantly different among the treatments at the 5% level.]

图2 不同施肥处理下土壤可溶性碳、 氮和微生物生物量碳、 氮含量Fig.2 Contents of soil dissolved organic carbon，dissolved organic nitrogen，microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen under different fertilization treatments[注(Note)： 柱上不同字母表示不同施肥处理间在5%水平差异显著 Different letters above the bars are significantly different among the treatments at the 5% level.]

2.2 不同施肥处理下土壤可溶性碳、 氮和微生物量碳、 氮含量

土壤可溶性碳、 氮含量随着有机肥施入水平的提高而显著增加(图2)。高量有机肥水平下，CK、 N、 NPK处理的土壤可溶性碳分别增至156.5 mg/kg、 181.3 mg/kg和176.4 mg/kg，比不施有机肥分别增加了3.0、 2.2和2.0倍；可溶性氮分别增至61.6 mg/kg、 91.5 mg/kg、 98.4 mg/kg，比不施有机肥分别增加了6.2、 3.6和4.2倍。在不施有机肥和施用高量有机肥时，施化肥氮和氮磷钾可以使土壤可溶性碳、 氮含量显著增加，而配施氮与配施氮磷钾处理相比土壤可溶性碳、 氮含量无显著性差异。

图2表明，长期施用常量有机肥和高量有机肥都增加了各处理土壤微生物量碳，除M2NPK与M0NPK相比土壤微生物量碳含量差异不显著外，其他处理的土壤微生物量碳均随有机肥水平的增加而显著增加。高量有机肥条件下CK、 N、 NPK处理的土壤微生物量碳分别为515.1 mg/kg、 527.9 mg/kg、 603.1 mg/kg，比不施有机肥分别增加了0.9、 1.1、 1.3倍，CK和N处理在常量有机肥水平下比不施有机肥的土壤微生物量碳都增加了48%。仅在施用高量有机肥水平时配施氮磷钾可以使土壤微生物量碳显著增加，其他同一有机肥水平下，不施化肥、 配施氮、 配施氮磷钾处理的土壤微生物量碳均没有显著差异。微生物量氮对有机肥施用量的响应较为复杂，常量施用有机肥与不施有机肥相比仅配施氮的处理其土壤微生物量氮显著增加，增加了64.4%，而NPK处理在配施常量有机肥的条件下比单施氮磷钾处理减少了13.4%，高量有机肥与不施有机肥相比CK、 N、 NPK处理的土壤微生物量氮显著增加，分别达到了79.6 mg/kg、 58.3 mg/kg、 66.0 mg/kg，与不施有机肥相比分别增加了64.9%、 54.3%、 51.4%。在不施有机肥时，施化肥对土壤微生物量氮无明显影响。

2.3 不同施肥处理对土壤微生量碳(SMBC)、 微生物量氮(SMBN)、 可溶性碳(DOC)、 可溶性氮(DON)在土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)中比例的影响

注(Note): SMBC—Soil microbial biomass carbon; SMBN—Soil microbial biomass nitrogen; SOC—Soil organic carbon; TN—Total nitrogen; DOC—Dissolved organic carbon; DON—Dissolved organic nitrogen. 同列数据后不同字母表示不同施肥处理间在5%水平差异显著 Values followed by different letters within a column are significantly different among the treatments at the 5% level.

可溶性碳是有机碳中比较活跃的部分。表2还显示，单施有机肥和配施化肥氮处理的土壤中DOC/SOC、 DON/TN随着有机肥施用水平的提高而显著增加。不施有机肥时，N和NPK处理可以显著增加土壤DOC/SOC、 DON/TN；施用常量有机肥时，配施化肥氮和配施氮磷钾的处理对DON/TN无明显影响，配施氮磷钾可以显著增加土壤DOC/SOC；施用高量有机肥时，配施化肥氮或配施氮磷钾对土壤DOC/SOC和DON/TN也无明显影响。

2.4 不同施肥处理下黑土的氮素矿化特征

图3显示，CK、 N、 NPK处理的土壤氮矿化量随着有机肥水平的提高而显著增加，不施有机肥时，CK、 N、 NPK处理土壤的氮矿化量分别为1.27 mg/kg、 2.05 mg/kg、 1.75 mg/kg，施常量有机肥与不施有机肥相比，CK、 N、 NPK处理土壤的氮矿化量分别提高了7.2、 2.8、 4.2倍；施高量有机肥比不施有机肥CK、 N、 NPK处理土壤的氮矿化量分别提高了9.2、 4.6、 7.0倍。不施有机肥和施用高量有机肥时， N和NPK处理对土壤氮矿化量无明显影响；施用常量有机肥配施化肥氮使土壤氮矿化量显著降低了24.8%。

不施有机肥时，CK、 N、 NPK处理的土壤氮矿化率分别为0.073%、 0.12%、 0.10%，施常量有机肥时CK、 N、 NPK处理土壤的氮矿化率分别提高了5.2、 1.7、 2.8倍，施高量有机肥时CK、 N、 NPK处理土壤的氮矿化率分别提高了5.5、 2.1、 3.2倍。不施有机肥时，单施氮肥和施氮、 磷、 钾化肥对土壤氮矿化率无明显影响；施常量有机肥时，配施化肥氮和配施氮磷钾使土壤氮矿化率分别显著降低了32.1%和17.8%；施用高量有机肥时，配施化肥氮和配施氮磷钾使土壤氮矿化率分别显著降低了23.5%和14.1%。

图3 不同施肥处理下各土壤氮矿化量和氮矿化率变化Fig.3 Soil nitrogen mineralization amount and rate under different treatments[注(Note)： 柱子上不同字母表示不同施肥处理间在5%水平差异显著 Different letters above the bars are significantly different among the treatments at the 5% level.]

图4 长期施肥处理下土壤氮矿化量与土壤有机质和全氮储量的关系Fig.4 Correlations between soil nitrogen mineralization amount and soil organic matter and total nitrogen under the long-term fertilization

2.5 土壤施氮量及其他养分含量对氮矿化的影响

由图4可以看出，长期施肥条件下，土壤氮矿化量与土壤有机质、 全氮储量存在极显著的线性相关(P<0.01)，相当于土壤有机质储量增加 1 t/hm2，可以使土壤氮矿化量增加 0.39 kg/hm2；土壤氮储量增加 1 t/hm2，可以使土壤氮矿化量增加 7.49 kg/hm2。而土壤氮矿化率与有机质、 全氮的关系呈非线性极显著相关(图5)，可以用指数方程[y = y0+ a exp(-bx)]模拟，表现出先随有机质、 土壤全氮累积量的增加而增加，增加速率逐渐减小，当土壤氮矿化率增加至0.4%之后趋于稳定。

图5 长期施肥处理下土壤氮矿化率与土壤有机质和全氮含量的关系Fig.5 Correlations between soil nitrogen mineralization rate and soil organic matter and total nitrogen under the long-term fertilization

施氮量与土壤氮素累积存在极显著的相关性(图6)，总施氮量(有机氮肥+化肥氮肥)每年增施 100 kg/hm2可以使土壤氮素累积量增加27.39 kg/hm2，而每年增施100 kg/hm2有机氮肥可以使土壤氮素累积 31.73 kg/hm2，说明有机氮肥的施入与化肥氮相比对土壤氮素累积的贡献更大。

图6 32年施肥处理下土壤施氮量与土壤氮储量变化的关系Fig.6 Correlations between soil nitrogen application and nitrogen storage variation under the long-term fertilization for 32 years

表3 土壤氮矿化特征与土壤活性有机质及氮组分之间的相关性Table 3 Correlations between the soil nitrogen mineralization characteristics and active organic matter and nitrogen components

注(Note): Nt—Nitrogen mineralization amounts; TN—Total nitrogen; LOM—Labile organic matter; LFOM—Light fraction organic matter; SMBC—Soil microbial biomass carbon; SMBN—Soil microbial biomass nitrogen; DOM—Dissolved organic matter; DON—Dissolved organic nitrogen. *和**分别表示在0.05和0.01水平上显著相关 Mean significant correlations at the 0.05 and the 0.01 levels，respectively.

3 讨论

增加农田的系统投入量是提高土壤有机质和全氮的有效途径[26]。本长期试验的结果也证明，在东北黑土区有机肥的施用能显著提高土壤有机质、 全氮含量。而化肥对于土壤有机质和全氮的积累无明显影响。说明有机肥的施入水平是影响土壤碳、 氮含量的主要因子[18]。土壤可溶性有机碳、 氮是土壤有机质中较为活跃的组分，与土壤能量和物质转化有密切关系[27]。而土壤微生物量是土壤养分的源和库[28]。因此，土壤微生物量碳、 氮与土壤有机质及全氮的总量相比更能反映不同施肥对土壤肥力的影响[29]。本研究结果表明，与单施化肥相比，长期有机肥的施用不仅提高了可溶性碳、 氮含量，还提高了可溶性碳、 氮所占的比例。

有机肥料含有氨基酸、 核酸、 糖、 维生素等有机营养成分[30]，可以促进土壤微生物的生长和繁殖[31-32]。本研究表明，配施有机肥显著增加了土壤微生物量碳，而土壤微生物量氮对于施肥的响应表现不一致： 高量有机肥的施入可以显著提高土壤微生物量氮，常量有机肥仅配施化肥氮可以显著提高土壤微生物量氮，这是由于化肥氮可提供速效养分，促进植物根系的生长和有效养分的吸收[33]，而常量有机肥配施化肥氮磷钾时土壤微生物量氮没有增加，可能是源于田间采样产生的误差。

土壤氮素矿化过程受土壤有机质和全氮水平的影响[34]。无论单施有机肥，还是有机肥与化肥配施，均能显著提高其土壤氮的矿化量。施有机肥与不施有机肥相比，不仅氮矿化量显著增加，土壤氮矿化率也有显著提高，这与以有机肥的方式向土壤补充了大量的有机质有关，说明有机肥的施入能够明显增强土壤氮素的矿化作用，提高土壤活性有机氮含量[35]。而值得注意的是，高量有机肥配施化肥氮磷钾与常量有机肥配施化肥氮磷钾相比，土壤氮矿化率没有显著增加，相同情况下配施化肥氮的土壤氮矿化率也仅增加了9.2%，是否是因为氮矿化受到土壤其他养分有效性的限制，有待进一步的研究。

许多研究表明，土壤供氮潜力与土壤全氮和有机质含量有良好的相关性，可以用土壤有机质含量预测土壤供氮水平[36]。本研究显示土壤氮矿化量与土壤有机质储量、 氮素储量的关系可以用线性方程(y = ax + b)表示，同样，施氮量与土壤氮素储量也符合这种线性关系，且有机氮对于土壤氮素储量的贡献更大，因此可以根据土壤氮矿化特征确定施氮量，从而指导施肥。而土壤氮矿化率与土壤有机质、 全氮含量呈非线性关系[y = y0+ a exp(-bx)]，表现为先随着土壤有机质、 全氮的增加而快速增加，增加速率逐渐减小，当增加到 0.4% 时基本稳定，这可能与微生物量氮没有明显增加有关，说明有机肥的施入水平存在适当的施用范围，过量的有机肥施用水平虽然提高了土壤氮素水平，但是并没有提高土壤的供氮能力。张恒等[37]研究也表明，土壤的氮矿化与土壤有机质呈指数相关。吕栅兰等[38]的研究认为土壤氮的氮矿化势与土壤有机质呈线性相关(N0= 13.21 + 1.2268 SOM)。而李菊梅等[39]的研究结果表明，土壤可矿化氮与有机质、 全氮密切相关，但是比率不同，与本研究结果一致。Magill等[40]研究认为，增加施氮量会使土壤的氮矿化增加，但是当外源氮达到一定量时，氮矿化会减少甚至少于对照处理。此试验点已有研究[41]表明，高量有机肥水平与常量有机肥水平相比，作物产量并没有显著增加，这可能与土壤氮素矿化率不再增加有关。过量的有机肥施用造成土壤氮素盈余量增加，作物不能完全吸收利用，增加的硝态氮在土壤中积累[42]，引起资源浪费和环境污染，不利于农业可持续发展，因此，有机质的品质也是土壤氮矿化能力和作物产量的主要影响因素，应加强有机肥的合理、 高效施用。

4 结论

施有机肥显著提高了黑土有机质、 全氮和可溶性碳、 氮的含量。其中高量有机肥的投入可以使土壤微生物量碳、 氮分别增加约1倍和0.5倍。常量有机肥能够明显提高黑土氮素矿化量和矿化率，促进土壤氮素的矿化。而高量有机肥配施化肥氮或氮磷钾对土壤氮的矿化率无明显影响。土壤有机质和氮素储量与氮矿化量都存在极显著的线性相关，相当于土壤有机质和全氮储量每提高1个单位，土壤氮矿化量分别增加 39% 和 7.5倍。土壤氮素矿化率与土壤有机质、 全氮含量也存在极显著的相关性，并随着土壤有机质、 全氮的累积增加至 0.4% 后基本稳定。过量施用有机肥可能引起资源浪费并带来一定的环境风险。施有机氮是提高土壤氮矿化能力的有效途径，而土壤氮矿化量与土壤有机质、 全氮的关系，以及土壤全氮与施氮量之间的定量响应关系，可以在一定程度上指导生产实践中的氮素可持续管理。

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