长期不同耕作方式对土壤耕层全氮的影响

,, ,晓平,,

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国水利水电科学研究院，北京100038)

0 引 言

东北地区的粮食总产量约占全国粮食总产量的15%左右[1]，是我国重要的粮食生产基地，被誉为中国的粮仓。黑土是该区主要的农业土壤，由于所处地区纬度较高，气候寒冷，黑土有机质分解速度缓慢，容易在地表积累，形成深色腐殖质层，土壤中全氮含量较高。

氮是作物生长所必需的矿质营养元素[2-4]，土壤中的全氮含量与土壤的粮食生产能力和潜力密切相关。充足的土壤氮含量不仅能够为植物提供养分，促进植物的生长，提高作物产量，还能维持土壤生态系统的稳定。当前主要的农田养分管理措施就是向农田土壤中施入大量的速效氮肥，此方法虽然在一定程度上提高了当季作物的产量，但长期施用氮肥会导致土壤酸化[5-6]，且积累大量的NO-3-N，增大了环境污染风险[7]；未被作物吸收利用及在土壤中累积的氮肥能够通过径流和深层渗漏淋洗进入地表水和地下水从而污染水环境，还能够通过氨挥发、硝化-反硝化损失进入大气污染大气环境等[8-12]。因此，了解土壤中全氮含量的多少及其变化对指导农业生产和可持续发展有着重要意义。

现阶段，为了减少化肥的使用，节约资源，保护环境，并且维持或提高作物的产量、提高土壤的可持续发展力，在农业生产中开始推广保护性耕作。20世纪60年代，保护性耕作技术从美国逐渐发展起来并且在全世界范围内被广泛推行。保护性耕作是指在田间秸秆覆盖度达到30%以上，且最大限度减少土壤扰动[12]。与传统性耕作相比，保护性耕作技术不仅能够明显提高土壤有机质含量，改良土壤的结构，提升土壤的质量和土壤肥力，还起到保护土壤资源和水资源，维护生态环境，减少CO2排放，缓解全球气候变暖及重建土壤肥力的重要作用，同时可以减少成本和劳动投入，为农民带来经济效益[12-16]。免耕(No tillage,NT)是保护性耕作的极端形式。保护性耕作除了包括免耕外，还包括垄作(Ridge tillage,RT，保护性耕作的一种类型，即秸秆还田条件下的少耕)、带耕和幂作等。哪一种耕作方式能够更好的提高土壤全氮含量，保护土壤和环境，促进作物的产量形成，尚没有明确的答案。因此，本文旨在分析长期的免耕(No tillage,NT)、垄作(Ridge tillage,RT)和秋翻(Mouldboard plough，MP)作业下，不同土层土壤中全氮含量的变化，为进一步指导农业生产，提高作物产量和土壤肥力，降低化肥的使用，促进农业可持续发展提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于吉林省长春市米沙子乡的黑土农业试验示范基地(44°12′N，125°33′E)，该基地由中国科学院东北地理与农业生态研究所承建。研究地点所在区域气候为温带大陆性季风气候，全年平均气温为4.4℃，全年平均降水量为520 mm，且超过全年降水量的70%的都集中在夏季的6月、7月和8月。试验区内0～20 cm 土层的土壤 pH 值为6.5左右，属于中性或微酸性；土壤类型为中层典型黑土，壤质粘土。保护性耕作定位试验开始于2001年9月，试验区内不同深度土壤的物理化学性质如表1所示。试验点所在的地面坡度<1°。在试验开始前，该区已连续进行了多年的传统方式种植，即地上作物在根茎以上全部移除，不进行还田，春播前进行整地，播种后进行铲地、起垄等中耕作业。种植作物为玉米。

表1 2001年试验小区土壤物理化学性质Table 1 Soil physical and chemical properties in 2001 prior to the tillage experiment

注：平均值±标准差，n=4。

Note:average value ± SE，n=4。

1.2 试验设计

耕作试验包括免耕(No tillage，NT)、垄作(Ridge tillage，RT)和秋翻(Mouldboard plough，MP)处理，每个小区面积是104 m×4 m=416 m2，4次重复。试验小区采取单因素裂区、4个重复的随机区组设计，单因素为耕作方式：免耕、垄作和秋翻，主处理裂分为玉米和大豆轮作，且每个耕作处理每年都有玉米和大豆种植，试验小区一共有48个。每个区组间有间隔，整个试验田的面积为7 800 m2。秋翻包括在收获玉米后，对土壤进行一次翻耕(大约20 cm深)，次年春季再对土壤进行旋地起垄和平整。垄作是利用蹚地机在6月进行起垄。免耕除了使用免耕播种机进行播种施肥一次性完成外，不再对土壤进行任何扰动。所有处理都采用免耕播种机进行播种，2002-2009年采用四行KINZE-3000播种机(Williamsburg,IA,USA)，2010年开始使用两行John Deere-7200 NT播种机(Moline,IL,USA)进行播种。在所有的处理中，作物收获后秸秆均被留在土壤表面。并且玉米秸秆被人为切碎成约30～35 cm长，然后施撒在土壤表面上。大豆残体则直接还田到土壤表面[17]。

种植玉米小区施用N肥200 kg·hm-2、P肥70 kg·hm-2和K肥90 kg·hm-2的底肥，并且在6片叶生长阶段[18]追施135 kg·hm-2的N肥。所有小区的底肥在播种时一起施入土壤中(施肥深度为7～10 cm，距种子的距离为8 cm)；大豆小区，所有的肥料都作为底肥施入土壤中，包括N肥40 kg·hm-2、P肥60 kg·hm-2和K肥80 kg·hm-2。施肥是混合施肥，既有宏福缓释掺混肥(27%N-12%P2O5-13%K2O)，也有硝酸铵(NH4NO3)、过磷酸钙(CaP2H4O8)和硫酸钾(K2SO4)。

1.3 土壤样品的采集和测定

2001-2014年，每年在作物收获后(10月中旬左右)进行土壤样品采集。采样深度为30 cm，并分为0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm，每个小区7次重复，S型采样，并按照相同深度混合均匀。土壤样品带回实验室后风干，挑除肉眼可见的植物和动物残体。土壤全氮用元素分析仪(Flash EA1112，Thermo-Finnigan，Italy)测定：风干土壤经过研磨过100 目筛，用百万分之一天平称取一定质量的土样，置于锡铂中，封口，放进自动进样转盘中测定，并且每隔10个样品放置一个土壤的标样进行校对。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel和SPSS进行统计分析和相关性分析，并用Origin进行作图。

采用公式(1)和公式(2)对数据进行标准化处理，以消除本底差异和年际间的温度和降雨等的影响。

(1)

(2)

式中：i和j分别代表耕作措施和采样年限；Yij代表在i种耕作措施下，第j年的采样数据(g·kg-1)。标准化后的Y*能够消除本底的影响(g·kg-1)；标准化后的Y**即能够消除本底的影响，又能够消除年际间的影响。

2 结果与分析

2.1 耕作措施对土壤全氮垂直分布的影响

长期耕作方式对土壤全氮的长期影响差异主要表现在0～10 cm土层，见图1。长期的免耕措施下，土壤表层(0～5 cm)的全氮含量显著增加了33.2%(P<0.05)。5～10 cm的土层中全氮的含量反而略有降低。垄作下土壤表层0～5 cm的全氮含量由1.5 g·kg-1显著增加到1.8 g·kg-1，增加量为20.9%(P<0.05)。5～10 cm土层全氮含量也有所增加，但增加量并不显著。秋翻下表层0～ 5 cm和5～10 cm土层中全氮的含量都没有发生明显的变化，但与2001年相比，全氮含量仍然表现出增加趋势。

3种耕作方式下10～30 cm土层全氮含量较2001年均呈现出不同程度的降低。垄作和秋翻下10～20 cm和20～30 cm土层全氮含量降低趋势一致，但没有达到显著性水平。免耕下10～20 cm土层全氮含量低于2001年土层全氮含量，但20～30 cm几乎没有变化。总体来看，无论是2001年还是2014年，单从耕作方式的影响来看，土壤全氮含量由下而上均随着深度的减少而递增，且免耕的增加幅度最大，秋翻的增加幅度最小，垄作的增加幅度居中。

注：*表示在0.05水平上存在显著性差异，NS表示没有显著性差异。图中误差棒是标准差，n=4。Note:*means significant differences between treatments at P=0.05 level and NS means no significance.The vertical bars indicate SE(n=4).图1 2001年和2014年不同耕作方式下土壤全氮含量比较Fig.1 Comparison of soil total nitrogen concent under different tillage practices in 2001 and 2014

2.2 土壤全氮在不同耕作方式下的年际变化

免耕、垄作和秋翻下0～5 cm土层中全氮含量均随着耕作年份的增加表现出先增加后降低的趋势，且增加幅度为免耕>垄作>秋翻，见图2。垄作和秋翻下0～5 cm土壤全氮含量持续增加，且均在处理10年后达到峰值后开始下降，而免耕下则在处理12年后达到峰值开始下降。3种耕作方式下0～5 cm土层全氮含量仅在个别年份出现显著差异，大部分差异不显著。垄作和秋翻耕作措施下5～10 cm的土层全氮含量随着时间的增加有轻微的增加，但增加幅度不明显且增加幅度垄作>秋翻，而免耕下全氮含量呈现出持续平缓的降低趋势。10～20 cm土层垄作和秋翻下全氮含量随年限增加有增减波动，但没有明显差异，而免耕仍然表现出平缓降低趋势。20～30 cm土层中，3种耕作方式下土壤全氮含量随耕作年限的延长几乎没有发生变化。

2.3 土壤全氮年变化量随时间的变化

0～5 cm土层土壤全氮含量在3种耕作方式下变化幅度较大，尤其在耕作试验开始的前4年，之后随着试验的进行，3种耕作措施下该层土壤全氮的增加量有增有减，但均值在逐渐趋于稳定，尤以免耕最为稳定，见图3。5～10 cm和10～20 cm土层全氮的变化幅度均在试验进行10年后才出现较大波动，之前变化较为平缓。20～30 cm免耕和垄作下土壤全氮含量变化量几乎一致，且在试验进行5年后变化量由降低趋势变为非常平缓的持平趋势，而秋翻则刚好相反，在试验5年后由增加趋势变为平缓的持平状态。

图1中20～30 cm土层土壤全氮的2014年结果与2001年结果相比基本没有变化，表明了试验开始与试验结束时，土壤全氮含量没有发生变化；图2中20～30 cm土层中土壤全氮的含量在开始试验的第一年有所增加，试验进行的下一年又略有降低，但相比试验开始时，仍然是增加的，试验进行的后几年，全氮含量基本没有发生变化，这也正好符合了图3中所表达的增量先减小而后几乎不变的趋势。这可能是由于当我们把开垦多年的农田变为免耕之后，第一年还田的秸秆和不对土壤进行扰动的行为还是能够稍微下渗增加20～30 cm土层中土壤的全氮含量，但在统计学上不明显。

图2 不同的耕作措施下土壤全氮的变化(2001-2014)Fig.2 Dynamics of soil total nitrogen under different tillage practices

免耕、垄作和秋翻都能够增加0～5 cm土层中的全氮含量，但免耕和垄作在0～5 cm土层中增加的全氮含量比秋翻在0～5 cm土层中增加的全氮含量要多；即0～5 cm土层中，全氮含量的增量为免耕>垄作>秋翻。垄作和秋翻能够增加5～10 cm土层中全氮的含量，免耕中全氮含量在5～10 cm维持不变；即5～10 cm土层中垄作和秋翻的全氮含量的增量为正值，免耕的全氮含量的增量为零。垄作和秋翻在10～30 cm的两层土层中全氮含量都保持不变，免耕在10～20 cm的土层中全氮含量降低，而且免耕在20～30 cm的土层中全氮含量不变；即垄作和秋翻在10～30 cm全氮含量的增量为零，免耕在10～20 cm的土层中全氮含量的增量为负值，并且免耕在20～30 cm的土层中全氮含量的增量为零。垄作能够更加平稳显著的增加土壤表层的全氮含量，由1.50 g·kg-1显著增加到1.80 g·kg-1；缓慢的增加土壤5～10 cm的全氮含量，由1.46 g·kg-1增加到1.56 g·kg-1；维持土壤底层的全氮含量。

图3 土壤全氮年增量的标准化值随年限的变化Fig.3 Dynamics of the normalized value of annual increment of soil total nitrogen

3 讨 论

相关试验研究表明，随着土壤翻耕程度的逐渐降低，土壤养分含量会逐渐增加[19]，且保护性耕作措施下土壤有机质含量较翻耕土壤有机质含量年均提高0.03%～0.05%[20]。免耕条件下，表层0～5 cm土壤全氮含量较其他耕作方式高，这是由于作物收获以后，秸秆和根系全部还田，且不对土壤进行扰动，使得真菌生长效率以及真菌与细菌的活性比率增加，降低有机质的矿化分解[21]，进而促进了有机氮在表层的积累。研究表明，免耕条件下土壤养分积累主要体现在土壤表层[22]，且大量秸秆覆盖地表，使得表层0～5 cm微生物数量增加，活性提高[23-24]，从而导致0～5 cm土层全氮含量变幅较大。随着耕作年限的增加，0～5 cm土层全氮含量依然在逐渐增大，但增加量趋于平缓，且在试验进行12年后有下降的趋势，这与Felipe等[25]、Fischer等[26]和Kuzyakov等[27]的研究结果相似。他们认为这一结果表明外源有机物质输入后对土壤的激发效应随时间的延续而逐渐降低，并且会抑制微生物对土壤有机质的矿化分解，使土壤氮含量变化处于较为稳定的状态。同时，在试验进行的12年后，表层土壤中的全氮虽然呈现出了下降的趋势，但亚表层的土壤中的全氮却有轻微的增加，这可能是由于表层的全氮向下层迁移所造成的。

然而，垄作和秋翻措施下，虽然垄作也是保护性耕作的一种，但由于作业过程中进行了翻耕，使得秸秆还田增加的有机物质的输入量小于翻耕导致的有机质的损失量，从而使得在垄作和秋翻进行的前几年，表层0～5 cm土壤全氮为降低趋势，之后随着有机物料输入量的逐渐增多，全氮含量开始逐渐增加，直到试验进行到第10年开始降低。这一结果说明有机物料的输入对土壤有机质的补充也存在一定的时间限制，并不会随着输入量的增加而持续增加[25-27]。垄作和秋翻表层0～5 cm土层中全氮的含量开始出现降低的年限要比免耕早2年，原因可能是免耕表层的秸秆要明显多于垄作和秋翻，秸秆不仅可以改良土壤结构[28]，还可增加微生物数量[23-24]和土壤酶活性[29]，提高土壤肥力[30]；秸秆还田不仅能显著地提高各类微生物的数量，为微生物提供新的能源[31]，且还田的秸秆本身也带入大量活的微生物[32]。免耕措施条件下土壤的微生物量、酶活性等也都显著高于传统耕作[33]，从而使表层土壤可以承受的全氮浓度也是高于垄作和秋翻，致使免耕出现全氮降低的浓度要高于垄作和秋翻，年限长于垄作和秋翻。

免耕下5～10 cm土层，虽然土壤未经任何扰动，但是还田的表层秸秆中的有机氮和其经矿化分解形成的无机氮还是会随降水等下渗到该土层中，且残留的根系也会在该土层中分解释放有机氮和无机氮，使得该层全氮含量维持稳定。3种耕作方式下0～5 cm和5～10 cm土层全氮含量的变化体现了秸秆还田和土壤翻耕产生的土壤扰动是引起土壤有机质变化的主要原因。

3种耕作方式下10～20 cm土层全氮含量的变化主要源于输入的秸秆影响。土壤氮素固持与释放在调节土壤氮素平衡方面具有重要作用[34]，土壤中氮素的固持分为生物固持和非生物固持[35]，土壤微生物的繁殖，增加了其对土壤氮素的固持，Mueller 等的试验[36]表明施入有机物料后固持的氮部分可能会以未知的微生物残留物形式存在或者在非生物的其它因素作用下发生固持。氮的非生物固持包括铵态氮的晶格固定[37]、酚类物质与铵态氮或氨基酸的物理缩合反应[38]、有机物质的吸附[39]和在化学作用下转化为可溶性有机氮[38,40]等。在土壤中氮素会发生大量积累，致使矿质氮含量在相对增加的条件下，也相应地提高了土壤中的淋失氮源[41]。

免耕措施下10～20 cm土壤没有受到扰动，表层覆盖的秸秆其养分的补充对该层的影响也不明显，使得该层全氮含量没有显著变化，而垄作和秋翻下秸秆在翻耕的作用下与土壤进行混合和充分接触，便于微生物对秸秆的分解矿化进而输入给土壤，使得土壤全氮含量增加，氮素在土壤中被固持，但由于土壤呼吸、动植物的消耗等，又会造成该土层中氮的减少，氮素被释放，所以整体来看该层全氮增加量的大幅上升也是在有机物质输入量累积到一定的程度的10年后。刘四义[42]研究指出，秸秆覆盖还田下玉米秸秆的分解速率较慢，对土壤养分的输入量有限，使得覆盖还田下土壤全氮含量显著低于秸秆翻埋还田。20～30 cm土层受地表和植物等外界环境的影响较小，在3种耕作方式下全氮含量随试验年限的增加变化平缓，但由于秋翻在秋收后或者春播前对土壤的扰动幅度大于垄作和免耕，所以秸秆与土壤的混合深度较深，源自秸秆的养分对土壤的输入深度可以渗透到该层，所以秋翻下该层全氮的增加量要大于其他两种耕作方式。

总体来看，与常规耕作相比，保护性耕作对土壤全氮的影响在10年以上出现明显差异。West和Post[43]对比研究了免耕耕作措施和常规耕作措施后认为，免耕条件下可以有效地减缓土壤有机物质的矿化率，并且有利于土壤中有机质的积累，但是这一固碳作用存在一定的滞后效应，需要5～10年后才能有明显反应。我们认为，对于黑土而言，可能10年是一个更为明显的转折点。垄作对土壤的扰动处于免耕和秋翻之间，孔隙分布等物理性状也介于两者之间，更加有利于良好的土壤结构的形成和土壤生物的生长发育。

4 结 论

与2001年相比，13年的保护性耕作和常规耕作都显著增加了表层0～5 cm土壤全氮含量，尤其是免耕和垄作两种保护性耕作下下全氮含量增加更多；5～10 cm土层全氮含量在垄作和秋翻下均有所增加，而免耕下变化不大。垄作和秋翻下10～30 cm土层中全氮含量都保持不变，而免耕下则是10～20 cm土层中全氮含量降低，20～30 cm土层中全氮含量不变。从3种耕作方式下土壤全氮含量随年限的变化情况来看，垄作下各层全氮含量始终处于一个更平稳增加的趋势，而免耕和秋翻下全氮含量在不同土层表现出有增有减，甚至较大的波动趋势。总体来看，在耕作试验进行10年以上，3种耕作方式下土壤全氮含量的变化出现较为明显的差异。保护性耕作与常规耕作相比，采用垄作能够更好的提高和维持土壤中的全氮含量，在长期的耕作下，能够促进土壤向更好的方向发展，而且能够提高土壤中的养分，促进土壤的可持续发展，减少肥料的使用，节约能源，降低环境污染，是更为合理有效的耕作措施。

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