长期免耕和秸秆覆盖下黄土高原旱作土壤不同粒级复合体中酸解有机氮含量及分配比例变化

王克鹏， 张仁陟， 董 博， 谢军红

(甘肃农业大学资源与环境学院， 兰州 730070)



长期免耕和秸秆覆盖下黄土高原旱作土壤不同粒级复合体中酸解有机氮含量及分配比例变化

王克鹏， 张仁陟*， 董 博， 谢军红

(甘肃农业大学资源与环境学院， 兰州 730070)

保护性耕作； 土壤粒级； 有机氮形态

氮是作物生长必需的矿质营养元素，由于氮肥在土壤中易发生形态转化而损失，氮肥管理一直是农田养分管理研究的重点[1-2]。表土层中的氮素90%以上以有机态氮的形态存在[3]。土壤有机氮主要包括有机残体中的氮，即存在于未分解或半分解的动植物残体中的部分和土壤有机质或腐殖质中的氮两大类[3]。Bremner采用酸解法将土壤有机氮分成氨基酸氮、氨基糖氮、酸解氨态氮和酸解未知氮等形态[4]。有研究表明，植物吸收的氮主要来自酸解氨基酸态氮和酸解氨态氮[5]。李菊梅等[6]研究指出，土壤可矿化氮主要来自酸解有机氮，特别是氨基酸氮和酸解氨态氮。土壤有机氮的含量及形态直接影响着土壤的供氮能力[7]，其组成、含量及其矿化的难易程度与土壤供氮特性有密切关系[8]。李世清等[9]的研究发现，土壤中添加有机物料不同，有机氮的矿化累积量也不同。加入C/N比高的长芒草，由于能源物质丰富，微生物对矿质氮的固定作用强；加入C/N比低的紫花苜蓿后，能源物质相对较少，易矿化有机氮多，有利于增加有机氮净矿化。赵士诚等研究认为，长期秸秆还田对酸解氨基酸态氮的贡献高于氨态氮；高量秸秆还田提高了微生物量氮和硝态氮的含量，但降低了固定态铵含量[10]。颗粒有机氮对土壤全氮的贡献率最高，且随施肥方式的改变而改变，与有机肥的施用量呈正相关，轻组有机氮对土壤全氮的贡献率不随施肥方式的改变而改变[11]。不同粒级的土壤颗粒，其矿质组成和物理化学性质有着很大的差异，与其结合或共同存在的有机质组成也有某些不同，因而会对土壤氮素的形态与分布产生影响[3]。了解不同粒级中有机氮的含量和分布状况对于评价土壤肥力水平具有重要意义[3]。黄土高原旱地是中国西北重要的农作物种植区，不仅作物种类多，作物的连轮作方式也多种多样[12]。作为一种有效保水保肥的耕作措施，保护性耕作对改善土壤理化性状，提高土壤供肥，提高土壤酶活性具有很好的效果[13]。张仁陟等[14]的研究认为，免耕和秸秆覆盖对土壤容重、孔隙度、土壤团聚体和微团聚体的形成都有不同程度的促进作用，从而为土壤良好结构的形成奠定了基础。实施免耕结合秸秆覆盖，对促进和维持土壤养分平衡，提高土壤肥力质量具有重要意义，是适合黄土高原农业可持续发展的有效耕作模式[15]，目前已逐步被人们所认识和采用。但实施免耕和秸秆覆盖对黄土高原旱作土壤不同粒级复合体中酸解有机氮含量的研究尚未见报道，有必要进行研究。本研究通过长期定位试验，对黄土高原半干旱区实施免耕和秸秆覆盖的耕作措施后，土壤不同粒级复合体中酸解有机氮含量及分配的情况进行了研究，旨在为改进黄土高原旱地农业耕作制度提供科学理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验于2014年在中国甘肃定西旱农试验站进行。该区属于中温带半干旱区，平均海拔2000 m，年均气温6.14℃，≥0℃积温2933.5℃，≥10℃积温2239.1℃，日照时数2476.6 h，无霜期140天。多年平均降水365.0 mm，年蒸发量1531 mm，干燥度2.53，为中国西北半干旱雨养农业区。该区土壤类型为黄绵土，质地均匀，土层深厚，贮水性能良好。0—200 cm土壤含有机质12.0 g/kg、 全氮0.8 g/kg、 全磷1.8 g/kg、 平均容重为1.2 g/cm3。

1.2试验设计

长期定位试验于2001年8月开始，试验共设4个处理(如表1所示)。采用随机区组排列，小区面积240 m2(8 m×30 m)，设3次重复，共12个小区。采用小麦—豌豆轮作，每年种植一季。豌豆品种为‘绿农1号’，属早熟半无叶型，生育期8590天。春小麦品种为‘定西35’。豌豆各处理区每年施纯氮 20 kg/hm2、 P2O5105 kg/hm2(二铵、 过磷酸钙)，小麦各处理区每年施 N 105 kg/hm2、 P2O5105 kg/hm2(尿素、 二铵)，所有肥料都作为基肥在播种时同时施入。豌豆于每年4月上旬播种， 8月上旬收获。春小麦于每年3月中旬播种，8月上旬收获。2014年8月15日，在选定的采样点上，用采样器采取耕层土样。试验各处理具体实施方法如表1所示。

表1　长期定位试验处理具体步骤

1.3土壤不同粒级复合体的分离

采用超声波振动[16]—沉降虹吸分离法：称取过0.25 mm筛的风干土样500 g 置于槽形超声波发生器(上海超声仪器厂CSF-B型)的槽内，加水5000 mL使土水于21.5 kHz、300 mA条件下超声波分散30 min，过0.106 mm湿筛至15 L的塑料桶内, 用清水冲洗筛子直至滤液澄清, 并补充水至15 L，使土壤悬液浓度接近3%。根据Stockes定律计算每一个粒级沉降时间，用虹吸法分别吸取<2 μm、210 μm、1050 μm粒级的复合体，各个粒级约提取30次，桶底残留为50100 μm，湿筛上残留为>100 μm。各个粒级的土粒悬液经巴氏滤管抽滤后置于40℃干燥箱去除水分，自然风干，分别称重、磨细供分析使用。

1.4 土壤及不同粒级中有机氮的分级

土壤有机氮组成采用改进的Bremner法[17]，其中，酸解性氮用凯氏法； 酸解氨态氮用氧化镁蒸汽蒸馏法； (氨+氨基糖)氮用pH 11.2的磷酸盐-硼酸盐缓冲液蒸汽蒸馏法； 氨基酸氮用茚三酮氧化，磷酸盐-硼酸盐缓冲液蒸汽蒸馏法。氨基糖氮、酸解未知氮、非酸解性氮用差减法求得。

1.5计算方法和数据分析

各粒级复合体中不同形态有机氮的绝对含量计算公式：

Nt=Ni×Wi

式中, Nt—单位质量土样中各形态有机氮的量(mg/kg)； Ni—单位质量土样中某一粒级土壤颗粒所占比例； Wi—单位质量某一粒级土壤颗粒中各有机氮组分的量(mg/kg)。

数据采用SPSS19.0软件进行差异显著性检验和相关分析。

2　结果与分析

2.1保护性耕作措施对土壤不同粒级复合体组成的影响

由表2可以看出，在所有回收的土壤样本中，02、210、1050、50100、>100 μm 粒级的土壤颗粒复合体分别约占12.9%、24.0%、45.5%、9.9%、5.0%。与传统耕作措施(T)相比，经过连续14年不同耕作措施，三种保护性耕作方式均降低了02 μm粒级土壤复合体在土壤中所占的比例，降幅为27.6%31.0%；增加了210 μm粒级土壤复合体的比例，增幅为20.0%31.7%，其中以免耕加秸秆覆盖(NTS)处理的土壤，210 μm粒级土壤复合体所占比例增幅最大(31.7%)。保护性耕作措施对1050 μm和50100 μm粒级的土壤复合体所占比例影响相对较小；>100μm粒级的土壤复合体中除了少量的土壤颗粒外，剩余部分为半分解的粗有机残体。与传统耕作措施相比，保护性耕作措施使>100μm粒级土壤复合体的比例增加10.1%12.5%。

表2　保护性耕作对土壤不同粒级复合体组成的影响(%, w/w)

注(Note): 同列数值后不同小写字母表示差异达0.05显著水平 Values followed by different small letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.

由表2还可以看出，不同的保护性耕作措施对土壤各粒级复合体组成的影响是有差别的。与传统耕作措施(T)相较，免耕(N)使210 μm粒级的土壤复合体比例增加了20%，传统耕作+秸秆还田(TS)使210 μm粒级的土壤复合体比例增加了27.8%，而免耕加秸秆覆盖(NTS)使210 μm粒级的土壤复合体比例增加了31.7%，增幅均达到0.05的显著水平。免耕加秸秆覆盖(NTS)更加明显地增加了210 μm粒级的土壤复合体在耕层土壤中的比例。不同耕作措施土壤之间的这种差异可能是由其物质组成及其转化过程中的合成产物的不同所引起的。

2.2不同耕作措施对土壤不同粒级中有机氮各形态含量与分配的影响

2.2.1 不同耕作措施对单位质量不同粒级土壤中有机氮各形态含量的影响由表3可以看出，单位质量土壤的酸解有机总氮的含量因粒级不同而异。在所有的试验区，以02 μm粒级单位质量的土壤复合体中酸解有机总氮含量最高，210 μm粒级次之，1050 μm粒级单位质量的土壤复合体中酸解有机总氮含量最低。在本试验中，单位质量不同粒级土壤复合体中酸解有机氮含量的顺序与徐阳春等的研究结果相一致[16]，都是氨基酸氮含量最高，表明保护性耕作并未有改变不同粒级土壤复合体中有机氮含量的顺序。

表3　土壤不同粒级复合体内的有机氮组成 (mg/kg)

注(Note): HUN—Acid hydrolysis nitrogen. 同列数值后不同小、大写字母分别表示同一土壤粒级不同处理间各有机氮含量差异达0.05、0.01显著水平 Values followed by different small and capital letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.2.2 不同耕作措施对单位质量土壤中有机氮各形态含量的影响由表4可以看出，所有处理中，均以氨基酸氮所占比重最大，与1050 μm粒级土壤复合体结合的有机氮含量最多。虽然单位质量1050 μm粒级土壤复合体中酸解氮含量最少，但由于1050 μm粒级土壤复合体在土壤中所占比例较大(约45%)，因此就总量而言，与1050 μm粒级土壤复合体结合的土壤酸解氮含量最大。在传统耕作(T)条件下，与各粒级土壤复合体相结合的有机氮量顺序为1050 μm>02 μm>210 μm>50100 μm> 100 μm以上，而三种保护性耕作处理其顺序为1050 μm>210 μm>02 μm> 50100 μm>100 μm以上，表明保护性耕作主要增加了耕层土壤中与210 μm粒级土壤复合体结合的酸解氮比例，降低了与02 μm粒级结合的酸解氮比例。

表4　不同形态有机氮在各粒级土壤中的含量 (mg/kg)

注(Note): HUN—Acid hydrolysis nitrogen.

表5　不同耕作处理耕层土壤各形态有机氮含量 (mg/kg)

注(Note): HUN—Acid hydrolysis nitrogen. 同列数值后不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平Values followed by different small letters in a column mean significantly different among treatments at 0.05 level.

3　讨论

4　结论

1)与传统耕作相比，保护性耕作措施主要明显提高了土壤210 μm粒级复合体的比例，降低了02 μm粒级复合体的比例。

2) 在土壤复合体中，以02 μm粒级的酸解氮含量最高，其次为210 μm粒级，以1050 μm粒级最低。

3) 保护性耕作措施明显提高了210 μm粒级土壤复合体中酸解氮的含量，使耕层土壤中与210 μm粒级土壤复合体结合的酸解氮比例增加，而与02 μm粒级结合的酸解氮比例有所降低。

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Acid hydrolysis organic N content and the distribution in different sizes of soil complexes in Loess Plateau dryland under long-term no-tillage and straw mulching

WANG Ke-peng, ZHANG Ren-zhi*, DONG Bo, XIE Jun-hong

(CollegeofResourceandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

conservation tillage; soil particle size; forms of organic N

2015-10-09接受日期： 2015-11-27

国家自然科学基金资助项目(31360148)资助。

王克鹏(1975—), 男, 甘肃省会宁县人，博士，主要从事农业生态学研究。Tel: 0931-7631774， E-mail: wlf8769216@163.com

Tel: 0931-7632461， E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn

S345; S153.6

A

1008-505X(2016)03-0659-08