典型红壤不同形态氮素迁移对长期施肥制度的响应

申凤敏，姜桂英，张玉军,2，刘芳，刘世亮，柳开楼

（1河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002；2郑州市城市园林科学研究所，郑州 450051；3江西省红壤研究所，江西进贤 331717）

0 引言

【研究意义】氮素既是农作物需求量最大的元素，也是最容易损失的元素。土壤中氮素以无机态和有机态存在。无机态氮主要包括铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N），在表土中一般只占全氮含量的1.0%—2.0%，表土以下的土层含量更少。有机态氮占土壤全氮量的 95%以上，其中可溶性有机态氮（dissolved organic nitrogen, DON）一般不超过土壤全氮量的5%，主要分散在土壤溶液中很容易水解，迅速释放出NH4+，成为植物的有效氮源；微生物体内含有大量水解性有机氮，如蛋白质和多肽等，经过一系列过程最终变为有效态氮供植物利用。我国农田土壤氮肥的利用率较低[1]，大部分氮肥通过各种途径损失掉，而氮素淋失是重要的损失途径之一[2-3]。施肥、温度、水分、土壤类型等因素影响土壤氮素的纵向分布，其中施肥措施影响尤为明显[4-5]。长期施肥不仅会影响土壤耕层氮素含量的变化，而且会因氮素下移及作物根系的作用影响土壤氮素的剖面分布。研究氮素在土壤剖面的分布，可更好地了解土壤氮素的输入、输出及循环过程。王火焰等[6]认为特定施肥措施可使氮素扩散与根系伸展范围达到匹配，从而提高肥料的当季利用率，其前提是需要了解不同施肥方式对土壤氮素剖面分布的影响。因此，研究不同施肥制度下土壤不同形态氮素迁移对氮肥的合理施用以及氮肥利用率提升有一定指导意义。【前人研究进展】彭令发等[7]研究表明，黄土旱塬区施用有机肥或有机肥与化肥配施能显著提高0—40 cm土层土壤全氮含量，最多提高43%。包耀贤等[8-9]发现，施肥可明显提高黄土丘陵中氮素含量，各氮素形态随土层增加而下降，且表层与下层含量差异显著。段鹏鹏等[10]研究发现，氮肥和有机肥配施显著提高设施农业土壤矿质氮和土壤可溶性有机氮含量，且二者在0—50 cm土层均随土层加深而下降。马力等[5]研究发现长期施肥或秸秆还田可促进红壤稻田0—20 cm土层氮素的积累，且化肥和秸秆配合施用作用更明显。吴建富等[11]研究表明，在红壤稻田土壤剖面中 NH4+-N向下迁移比碱解氮更为明显，并且配施有机肥远高于单施化肥，而 NO3--N则相反。白雪原等[12]研究不同施肥处理对土壤中 NO3--N、NH4+-N含量的影响，结果表明各施肥处理 NO3--N、NH4+-N均表现为随土层深度的增加而逐渐降低。【本研究切入点】红壤是我国南方重要土壤。自20世纪80年代以来，红壤区土壤氮素含量呈现下降趋势，旱地下降幅度高于稻田[13]。近年来人们对不同施肥处理下土壤氮素的迁移已有较多研究，但对于典型红壤区连续长期不同施肥措施对土壤中不同形态氮素剖面分布的影响及不同形态氮素间相关关系等方面研究还有待于进一步提升。【拟解决的关键问题】因此，本研究拟基于江西省进贤红壤长期定位试验研究不同施肥处理对典型红壤区各形态氮素的剖面分布及其相关关系，进一步丰富红壤水稻土中氮素迁移对不同施肥制度的响应机理。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究以代表南方水田典型农田土壤江西进贤红壤长期定位试验为依托。试验地点位于江西省进贤县江西省红壤研究所内（116°17′55″E，28°35′38″N），地处中亚热带，年均气温18.1℃，年均降水量1 537 mm，年蒸发量1 150 mm，年均日照时数1 950 h。试验地土壤为红壤性水稻土，成土母质为第四纪（Q4）红黏土。初始耕层（1981，0—20 cm）土壤理化性状为：有机碳 16.22 g·kg-1，全氮 0.95 g·kg-1，全磷 1.02 g·kg-1，碱解氮 143.7 mg·kg-1，有效磷 10.3 mg·kg-1，速效钾 125.1 mg·kg-1，pH 6.9。

1.2 试验设计

进贤红壤试验点试验始于1981年，共设置9个不同施肥处理，每个处理重复3次，每个小区面积60 m2，随机排列。本研究选取其中4个典型施肥处理：（1）不施肥对照（CK）；（2）施氮磷钾肥（NPK）；（3）氮磷钾基础上早稻施用绿肥和稻草冬季还田（NPKS）；（4）氮磷钾基础上早稻施用绿肥晚稻施用猪粪和稻草冬季还田（NPKSM）。种植制度为早稻—晚稻—冬闲，一年两熟。有机肥料不考虑磷、钾养分，磷肥和有机肥在插秧前作基肥一次施入，氮肥和钾肥作追肥，氮肥分两次追肥，每次1/2，钾肥一次全部追施；其中有机物料施肥深度在 15 cm左右。根据试验站记录数据，猪粪有机碳含量413.8 g·kg-1，全氮含量 20.9 g·kg-1，含水量 70%（即，碳投入为 2 793 kg·hm-2，氮投入为 140.9 kg·hm-2）；紫云英有机碳含量 392.4 g·kg-1，全氮含量 30.1 g·kg-1，含水量80%（即，碳投入为1 766 kg·hm-2，氮投入为 135.5 kg·hm-2）；稻草有机碳含量 418 g·kg-1，全氮含量 9.1 g·kg-1，含水量 14%（即碳投入为 1 618 kg·hm-2，氮投入为 35.2 kg·hm-2）。试验点的施肥量详见表1。

表1 不同处理化肥和有机肥施肥量Table1 Mineral and organic fertilizer application rate under different treatments (kg·hm-2)

1.3 样品采集与测定

于2015年11月晚稻收获后采集土样。每个小区按 5点法随机用土钻采集 0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm 4个层次土壤样品并混匀。将样品中的根系、石块等挑出，土壤鲜样一部分于 4℃冰箱中保存用于测定土壤可溶性氮（DON）、微生物生物量氮（soil microbial biomass nitrogen, SMBN）、硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）含量。另一部分风干过2 mm筛测定常规理化性质。其中碱解氮（AN）采用碱解扩散法；全氮（AN）采用凯氏定氮法[14]；NO3--N、NH4+-N采用流动分析仪法（Auto Analyzer3）：准确称取10 g鲜土于200 mL带盖塑料瓶中，加入100 mL浓度为0.01 mol·L-1CaCl2溶液，振荡1 h后过滤于50 mL带盖小塑料瓶中，放置于冰箱中待测。土壤DON的提取方法：土样采用去离子水浸提法，取15 g鲜土与离心管中，加入去离子水30 mL，振荡30 min后，离心10 min（4 000 r/min），用0.45 μm滤膜过滤（真空抽滤）滤液即为土壤DON待测液，然后通过multi N/C3100分析仪测定。SMBN采用氯仿-K2SO4浸提法测定[15]，浸提液通过 multi N/C3100分析仪测定，SMBN（mg·kg-1）=5.0×EN，其中5.0为土壤SMBN的系数，EN为熏蒸和未熏蒸土壤K2SO4浸提液中全氮含量的差值。

1.4 计算方法

根据鲁艳红等[16]计算地上部氮吸收量：

稻谷氮吸收量（grain nitrogen accumulation，GNA，kg·hm2）= 稻谷产量×稻谷氮含量；

稻草氮吸收量（straw nitrogen accumulation，SNA，kg·hm2）= 稻草产量×稻草氮含量；

地上部氮吸收量（aboveground nitrogen accumulation，ANA，kg·hm2）= GNA + SNA；

基于ANA进一步计算表观氮素平衡[17]：

表观氮素平衡=氮素输入-氮素输出

式中，氮素输入=播前土壤起始矿质氮量+施氮量；氮素输出=作物携出量+收获后土壤残留矿质氮量。

1.5 数据统计

试验数据利用 SSPS20.0软件进行处理间不同指标差异的方差分析和LSD多重比较，用Origin pro 8.5和Excel 2016 软件进行图表制作。

2 结果

2.1 不同处理土壤全氮分布

图1显示，除NPK处理外，其他处理全氮（TN）含量随土层深度增加而下降。CK和NPKS处理的TN含量在0—40 cm均无显著变化；NPK处理TN含量在 10—20 cm 显著高于其他土层，为 1.88 g·kg-1。NPKSM处理在0—20 cm土层变化不明显，20—40 cm土层TN含量显著低于表层土壤。

相同土层中，各处理TN含量均差异显著，且各土层TN含量依次为：NPKSM＞NPKS＞NPK＞CK。与CK处理相比，施用化肥或有机无机配施均能显著提高0—60 cm土层TN含量，其中化肥配施有机肥比单施化肥增加幅度更大，最高增幅为93%。总的来说，施肥有利于提升土壤TN含量，特别是NPKSM的TN增加最明显。

图1 不同处理不同土层全氮含量Fig.1 Soil total nitrogen content in different soil layers under different treatments

2.2 不同处理土壤碱解氮分布

由图2可知，各处理土壤碱解氮（AN）含量随土层深度增加而降低。与土壤TN含量变化不同，各处理AN含量随土层深度增加各个层次显著降低。其中，10—20 cm到 20—40 cm土层降低幅度最高，CK、NPK、NPKS、NPKSM处理AN含量下降幅度分别为42%、50%、44%、44%。

相同土层中，除40—60 cm土层外，同一土层不同处理间AN含量显著差异，且各土层AN含量表现为NPKSM＞NPKS＞NPK＞CK。总体来看，相同施肥制度下，土层深度显著影响土壤 AN含量；另一方面，施肥特别是NPKSM可显著增加各土层AN含量。

2.3 不同处理土壤硝态氮分布

图2 不同处理不同土层碱解氮含量Fig.2 Soil alkali-hydrolyzable nitrogen content in different soil layers under different treatments

图3 不同处理不同土层硝态氮含量Fig.3 Soil nitrate nitrogen content in different soil layers under different treatments

图3所示，各处理硝态氮（NO3--N）含量整体上随土层深度增加而逐渐降低。其中，CK和NPK处理NO3--N含量在不同土层间差异显著；而 NPKS和NPKSM处理的NO3--N含量在表层0—10 cm和10—20 cm之间以及20—40 cm和40—60 cm间差异不显著。与0—10 cm土层相比，各处理40—60 cm土层NO3--N含量显著下降，各处理下降幅度依次为NPKS（35%）＞NPK（33%）＞CK（25%）＞NPKSM（14%），即NPKSM处理的NO3--N向下迁移量最高，NPKS处理的NO3--N向下迁移量最低。

各处理NO3--N含量在土壤耕层中（0—20 cm）最高。在0—10 cm土层，施肥处理间NO3--N含量差异不显著，但NPK处理的NO3--N含量显著高于CK处理，为21.64 mg·kg-1；10—20 cm土层，有机无机配施处理（NPKS和NPKSM）的NO3--N含量显著高于其他处理。20—60 cm土层则均以NPKSM处理NO3--N含量最高，达到17.60—21.49 mg·kg-1。总的来说，各处理土壤NO3--N含量主要集中在0—20 cm土层，整体上以NPKSM处理的含量最高，但NPKSM处理由表土层向下迁移量较其他处理也是最高，说明NPKSM 处理下虽然能大幅度提高各土层 NO3--N含量，但是也容易造成NO3--N向下层土壤迁移。

2.4 不同处理土壤铵态氮分布

图4显示，整体来看，各处理铵态氮（NH4+-N）含量基本随土层加深而下降。其中在0—20 cm土层，除CK处理外，其他处理NH4+-N含量在0—10 cm和10—20 cm两个土层间差异不显著。与0—10 cm土层相比，40—60 cm 土层 CK、NPK、NPKS、NPKSM处理NH4+-N含量下降幅度分别为51%、48%、54%、36%。

在各土层中 NPKSM 处理 NH4+-N最高，为11.60—18.86 mg·kg-1，处理间差异随土层加深而缩小。总体上，各处理NH4+-N主要集中在0—20 cm土层，且各土层以NPKSM处理NH4+-N含量最高，但相对其他处理，NPKSM 处理向下迁移量亦是最高，说明NPKSM处理不仅能增加各土层NH4+-N含量，也可能导致 NH4+-N在下层土壤含量过高，增加淋失风险。

图4 不同处理土壤土层铵态氮含量Fig.4 Soil ammonium nitrogen content in different soil layers under different treatments

2.5 不同处理土壤可溶性有机氮分布

由图5可知，土壤可溶性有机氮（DON）整体上随土层深度增加而下降，且处理间差异随土层加深而缩小。其中，各处理DON含量在0—20 cm土层差异显著，均以NPKSM显著高于其他处理。不同土层相同处理下，10—20 cm到20—40 cm土层DON含量显著下降，CK、NPK、NPKS、NPKSM 处理分别下降了31%、38%、43%、36%。CK和NPK处理40—60 cm土层的DON含量较20—40 cm略有增加，但NPKS和NPKSM处理则显著降低。说明在CK和NPK处理下DON在土壤下层（40—60 cm）有积累的趋势，可能存在淋溶风险。

相同土层不同处理间比较，0—40 cm土层处理间DON含量差异显著，40—60 cm处理间差异不显著。与CK处理相比，NPKSM能显著提高0—40 cm各土层 DON含量，提高幅度为 35%—69%，表明化肥与有机肥配施能显著增加表层 DON含量。总体上，各处理土壤 DON含量随土层增加而降低，且各土层中均以NPKSM处理含量最高，说明其最有利于提升土壤DON含量。

2.6 不同处理土壤微生物生物量氮分布

图6显示，除NPKSM处理外，其他处理各土层土壤微生物生物量氮（SMBN）含量总体上随土层深度的增加呈下降趋势。其中10—20 cm到20—40 cm土层各处理 SMBN含量的变化幅度最高，SMBN含量在20—40 cm土层比10—20 cm分别下降了79%（CK）、18%（NPK）、51%（NPKS）、67%（NPKSM）。

相同土层中，10—20 cm土层，处理间SMBN差异最大，表现为 NPKSM＞NPKS＞NPK＞CK。其他土层均以NPKS和NPKSM处理SMBN显著高于其他处理，且这两个处理间差异不显著。总体来看，各处理SMBN主要分布在土壤耕层（0—20 cm），且施肥制度对10—20 cm土层中SMBN影响最大；而NPKSM处理在各土层中SMBN均最高，即最有利于提升土壤SMBN。

图5 不同处理不同土层土壤可溶性有机氮含量Fig.5 Soil dissolved organic nitrogen content in different soil layers under different treatments

图6 不同处理不同土层土壤微生物生物量氮Fig.6 Soil microbial biomass nitrogen in different soil layers under different treatments

2.7 各土层不同施肥处理土壤各形态氮占全氮比例

不同施肥制度不仅对土壤各形态氮的含量有影响，同时各形态氮在TN中的组成也发生明显变化。由图7可知，相同处理下各形态氮占TN的比例随土层深度增加而下降。同一处理下0—60 cm土层各形态氮的整体分布趋势为 SMBN＞NO3--N＞NH4+-N＞DON。在0—10 cm土层，不同形态氮占TN比例整体上为CK＞NPK＞NPKS＞NPKSM；而在10—20 cm土层，SMBN比例各处理排序相反，且NO3--N、NH4+-N所占 TN比例之和大小均为 CK、NPK＞NPKS、NPKSM。0—20 cm土层不同处理间各形态氮占TN的比例差异较明显，其中NPKS与NPKSM处理的SMBN所占TN比例较高，为2%—4%，处理间差异明显；20—60 cm不同处理间各形态氮占TN比例差异缩小。

图7 不同处理不同土层各形态氮素占全氮比例Fig.7 The proportion of different nitrogen form to total nitrogen in different soil layers under different treatments

2.8 耕层土壤不同形态氮素之间的相关关系

耕层土壤（0—20 cm）各形态氮素含量相关性分析表明（表2），TN、AN、NO3--N、DON和SMBN两两之间均存在显著的正相关关系（P≤0.05），其中TN、DON、AN与SMBN之间存在极显著正相关关系（P≤0.01）。NH4+-N与TN、AN、NO3--N、DON、SMBN之间相关性不显著。

2.9 作物产量及氮素平衡

2.9.1 不同施肥处理对水稻产量的影响 表3所示，施肥处理（NPK、NPKS、NPKSM）较不施肥处理（CK）均可显著提高双季稻产量。其中NPK、NPKS处理的早稻稻谷、稻草和生物产量均显著高于CK处理，但是NPK与NPKS处理间差异不显著。早、晚稻稻谷、稻草和总生物量均以NPKSM处理最高。

2.9.2 不同施肥处理对早晚稻氮素吸收利用的影响由表4可知，施用有机肥有利于提高早稻稻谷和晚稻稻草氮含量，但对早稻稻草和晚稻稻谷氮含量影响不明显。不同施肥处理对早、晚稻稻谷、稻草和植株氮吸收量影响显著。施肥处理早、晚稻稻谷、稻草和植株氮吸收量整体上均显著高于CK处理，其中NPKSM处理最高，其次为NPKS处理，表明有机无机配施能明显提高水稻氮吸收量。

表2 土壤不同形态氮的相关关系Table2 The correlations among different nitrogen forms

表3 不同处理早、晚稻产量Table3 Early rice and late rice yield under different treatments (kg·hm-2)

表4 不同处理早、晚稻稻谷和稻草氮含量及氮吸收量Table4 N contents and accumulation in grain and straw of early and late rice under different treatments

2.9.3 不同施肥处理对土壤-作物系统氮素养分平衡的影响 根据氮输入、输出模型分别计算早-晚稻轮作周期的氮平衡状况。表5表明，不同施肥处理对土壤氮素平衡有较大影响。各处理中，施肥氮投入占总氮投入的27%—52%。氮输出项中，作物吸收占氮输出的26%—34%。施肥处理较CK处理显著提高了作物氮吸收量，其中以NPKSM处理提高效果最明显，但其无机氮残留量及氮表观损失也最高。

表5 双季稻体系氮素平衡Table5 Nitrogen balance in double-rice system (kg·hm-2)

3 讨论

3.1 施肥对土壤各形态氮素剖面分布的影响

土壤TN含量是氮素容量大小指标，在农田土壤中一般随土层深度增加而降低，受施肥等管理措施影响。李大明等[18]研究表明连续施肥 28年后，红壤旱地土壤TN含量随着土壤深度增加逐步降低，与化肥处理相比，有机无机配施可显著提高0—40 cm土层的TN含量，我们的研究结果与之相似，本研究中各处理20—40 cm到40—60 cm土层TN含量均显著下降，表明在长期水耕熟化过程中，红壤稻田土壤氮素向下层（40 cm以下）迁移的趋势不大[5]。另一方面，与CK相比，NPKSM处理在0—60 cm各土层TN含量提高最显著，其次为NPKS处理。说明长期NPKSM和NPKS均显著提高0—60 cm土层氮素的含量[5]。

土壤AN含量与作物的生长关系非常密切，能反映出土壤短期内氮素的供应情况。有研究表明，土壤AN含量随土壤深度的增加而降低[7,19]，且施肥可增加0—60 cm各土层AN含量[19]。张智猛等[20]研究表明，施肥主要影响土壤表层（0—20 cm）AN含量，对下层的影响随土壤深度的增加而减弱，本研究结果与其一致。赵聪等[21]通过研究不同施肥措施对0—100 cm土壤剖面的AN含量分布发现，各土层中NPKSM处理的AN含量最高。本研究亦发现，与CK处理相比，0—60 cm土层NPKSM处理AN含量最高，其次为NPKS处理，说明NPKSM及NPKS对各土层AN含量的增加效果最为显著。可能的原因是AN主要包括无机态氮和部分易分解的有机态氮，土壤氮素中有95%以上是以有机态氮存在的，故有机态氮对AN含量的贡献可能会高于无机氮，而无机氮肥可以增加根茬、根系的分泌物，可间接增加土壤有机氮含量；施用有机肥可直接增加土壤有机氮含量，故有机无机配施既可以快速提高土壤速效养分的含量，又有利于长久保持土壤养分使其持续供氮[22]。

NO3--N和 NH4+-N是作物可利用的主要氮素形态，也是土壤氮素的主要迁移形态[23]。长期施肥会造成 NO3--N在土壤中的累积，其在土壤剖面中的分布和积累也会随施氮量的增加而增加[24]。张慧霞等[25]研究表明，不同施肥处理的 NO3--N含量的最高值都出现在0—20 cm土层，本研究结果与其一致，说明长期不同施肥处理对土壤 NO3--N的影响主要发生在表层[26]。本研究中，NPKSM能显著提高0—60 cm各土层NO3--N的含量，NPKS可显著提高土壤耕层（0—20 cm）NO3--N的含量。各土层与0—10 cm土层相比，40—60 cm土层中，NPKS处理NO3--N向下迁移量最小，可能是因为秸秆还田碳氮比较高，促进了土壤中氮素的转化与固持[27-28]，对NO3--N的固持能力较强，阻止了NO3--N向下淋失[29]；而NPKSM处理NO3--N向下迁移量最大，可能是因为有机肥分解过程中产生大量的低分子量有机酸，能够对土壤吸附的 NO3--N进行交换，此时在灌水情况下易于造成 NO3--N向下层迁移[23,30]，因此有机肥的施用并不是多多益善，有机肥过多施用也会增加NO3--N淋失的风险[31]。同时，有研究表明施用有机肥可增加土壤粒径和团聚体的含量，提高CEC代换量，增加对NO3--N的固持，减缓NO3--N向下迁移[32-33]，而且有机无机配施可显著提高土壤耕层 NO3--N的含量。因此，施肥时应考虑合适的有机无机配比，既能满足土壤耕层 NO3--N含量的增加又能减轻NO3--N的淋溶[25,34]。刘顺国等[35]研究发现施用化肥和有机肥均能提高土壤 NH4+-N含量。谢永春等[36]研究表明，NH4+-N含量在耕层土壤中（0—20 cm）较高，并且随着土层深度的加深而逐渐减少，本研究结果与其一致。施肥对 NH4+-N在土壤中含量高低的变化有影响，但对 NH4+-N向土壤深层迁移趋势的影响不明显。本研究表明，与NO3--N相比，40—60 cm土层中各处理NH4+-N含量较0—10 cm土层下降幅度更大，原因是NH4+-N比NO3--N更易被土壤吸附，这与王少平[37]等研究相符。另一方面，土壤中有机质矿化所形成的NH4+-N在自养硝化作用下向NO3--N转化，促进了 NO3--N在土壤中的累积；同时在淹水状态下，水稻更偏向于吸收NH4+-N[38]，这也在一定程度上造成这两种形态氮在土壤中的分布和迁移的差异。

土壤DON虽然仅占土壤TN的0.15%—0.19%，却是土壤有机氮库比较活跃的组分之一，在氮素转化及环境方面有重要影响[39]。施肥方式是影响土壤DON剖面分布的重要因素。本研究表明，各处理土壤DON含量在0—60 cm土层随深度增加而下降，与前人研究一致[40-41]。0—20 cm比20—60 cm土层DON含量高，主要原因可能是土壤 DON来源于作物凋落物、根系分泌物、腐殖质分解和施肥等，而这些来源多集中于表层土壤[40,42]。CK和NPK处理20—40 cm土层DON含量最低，而在40—60 cm有所增加；与20—40 cm土层相比，NPKS和NPKSM处理40—60 cm土层DON含量显著下降。说明在CK和NPK处理下DON在土壤下层（40—60 cm）有积累的趋势，可能存在淋溶风险，这与孔祥忠等[40]研究结果一致；而 NPKSM 及NPKS可降低 DON在下层土壤的累积，降低淋溶风险。各处理间40—60 cm土层DON含量无显著性差异，说明各施肥处理造成的DON累积主要影响0—40 cm土层，对下层土壤影响不大。与 CK处理相比，NPKSM处理的各土层DON含量最高，表明NPKSM能显著增加土壤DON含量，增加幅度最高达69%左右。ROSA等[43]的研究结果也表明，有机肥的施用可以使土壤DON含量增加70%左右。这可能因为，一方面有机肥本身含有大量的DON，如赵满兴等[44]研究证明有机肥DON含量平均为100 mg·L-1左右；另一方面有机肥的施用增加土壤有机碳，为土壤微生物提供了能源物质，提高了土壤微生物数量及活性[45]，进而促进土壤无机氮转化为有机氮[46]。

SMBN对施肥措施的响应有很强的敏感性。徐一兰等[47]通过长期试验监测表明，单施化肥或有机无机配施均显著提高SMBN含量。刘守龙等[48]研究认为长期施用有机肥和秸秆还田是提高SMBN的主要途径。本研究结果表明，NPKSM最能提高0—60 cm各剖面层次的 SMBN含量，其次是 NPKS，但 NPKSM 及NPKS处理之间没有显著差异，主要原因是有机肥及秸秆的施入均能够改变土壤理化性质，提供充足的碳源和氮源，刺激微生物的生长和繁殖，进而促进微生物的固氮能力。本研究中NPK处理也能显著提高各土层SMBN的含量，可能是由于化肥能够促进植物根系的生长，提高根系分泌物的释放量，从而提高土壤微生物数量，进一步增加土壤SMBN的含量。

土壤中各形态氮素的组成受不同施肥处理的影响可发生明显的变化。本研究表明，不同施肥处理对各形态氮素的影响主要集中在土壤耕层（0—20 cm）。故0—20 cm土层不同处理间各形态氮素占TN的比例差异也较明显。10—20 cm处，AN、SMBN占TN的比例大小为 NPKSM、NPKS＞NPK、CK，可能是由于水稻根系在 10—20 cm 处较为发达，且 NPKS、NPKSM处理可为土壤提供充足的碳源和氮源，可促进植物根系的生长及根系分泌物的增加，从而提高根系周围的微生物数量，土壤SMBN含量也随之增加；同时NPKS、NPKSM处理可增加土壤有机质含量，土壤AN含量分布与土壤有机质及微生物活动密切相关[22]。本研究发现0—60 cm各土层中NO3--N、NH4+-N所占 TN比例之和大小均为 CK、NPK＞NPKS、NPKSM，其原因可能是NPKS、NPKSM处理中土壤有机质含量高，易吸附NO3--N、NH4+-N，故测定中洗脱下来的 NO3--N、NH4+-N含量减小。各土层中 AN和 SMBN所占 TN比例最高，总体来说，NPKS、NPKSM处理对0—20 cm土层的AN、SMBN影响较为显著。

3.2 土壤耕层各形态氮素之间的关系

在不同的碳氮比水平下，微生物可利用土壤中的无机氮满足自身的需求，从而导致土壤中作物可利用氮素减少，或者微生物矿化释放出无机氮，从而增加土壤中可利用氮素[49-50]。因此，微生物在土壤氮素转化和调控方面有着非常重要的作用。本研究显示TN、DON、AN与SMBN之间存在极显著正相关关系（P≤0.01），表明TN、AN、NO3--N、DON均可促进微生物的繁殖。通过施肥可显著提高土壤耕层全氮含量，而土壤氮素又是微生物的营养来源之一，从而促进微生物量有显著性变化。虽然土壤SMBN只占土壤耕层TN含量的5%左右[51]，但它是土壤氮素的重要来源，其含量水平可反映土壤微生物对氮素的利用程度。李世清等[52]研究表明，土壤TN与SMBN之间呈显著正相关，本研究结果与其一致。DON是土壤氮库最活跃的组分之一，SMBN是土壤DON的重要来源[53]，已有研究表明，土壤DON与土壤SMBN具有显著正相关关系[54-55]，本研究与其一致。土壤AN包括无机态氮和极易水解的有机态氮，在一定条件下，土壤微生物可利用这些有效性氮满足自身需求，也有研究表明土壤AN与SMBN具有显著正相关关系[56]，土层由表及里，微生物数量逐渐减少，活度不断变弱，这也是AN由上而下降低的原因之一[22]。

3.3 施肥对作物产量和氮素平衡的影响

施肥是影响作物产量的重要农业措施，大多研究表明，施肥能提高作物产量，特别是有机无机配施比单施化肥增产作用更明显[57-58]。本研究结果也表明NPKSM 处理的早晚稻产量显著高于其他处理，与前人研究结果一致。另一方面，施肥也直接决定土壤中养分含量及其转化过程。土壤中施入的氮素一部分被作物吸收和土壤固持，一部分以不同形态氮素流失途径损失[59]。研究表明化肥氮素对土壤氮素的提高作用是有限的，而当有机无机配施达到一定量后可明显增加土壤氮素[60]。姜丽娜等[61]研究表明有机无机配施可以促进植物根系下扎，并且施用有机肥可提高微生物活力，部分氮被固定在微生物体内，待作物需肥量增加时，此部分氮被释放出来供作物利用[62]，能够提高作物氮素利用率。本研究中，施肥处理显著提高了双季稻产量及相应的植株氮吸收量，其中有机无机配施效果最明显，与前人研究结果一致[60]。但是本研究中有机无机配施的无机氮残留量与氮表观损失也相对较高，这可能与我们在计算氮素平衡时用碱解氮累积量代替了硝态氮和铵态氮的累积量及有机无机配施比例有关。另外，本研究中不同有机物料中氮素投入是按照总氮量计算，其在土壤中的转化及残留后效无法精确计算，可能在一定程度上会影响氮素平衡的结果，我们在接下来的试验中会增加相关的研究。

4 结论

4.1 长期NPK、NPKS及NPKSM处理可不同程度地提高0—60 cm各土层TN、AN、NO3--N、NH4+-N、DON、SMBN的含量，其中NPKSM处理对各形态氮素的提高最为显著。不同施肥处理对各形态氮素的影响主要集中在土壤耕层（0—20 cm），且各形态氮素含量整体上随土层深度的增加而降低。NO3--N较NH4+-N更易向土壤下层迁移；CK和NPK处理DON在土壤下层（40—60 cm）有积累的趋势，可能存在淋溶风险。

4.2 相同施肥处理下各形态氮占 TN的比例随土层深度的增加呈下降趋势。0—20 cm土层不同处理间各形态氮素占TN的比例差异较为明显，其中SMBN所占TN比例最高；10—20 cm处，NPKS和NPKSM处理对SMBN占TN的比例大小影响最为显著。

4.3 土壤耕层（0—20 cm）的 TN、AN、NO3--N、DON和SMBN两两之间均存在显著的正相关关系（P≤0.05），其中TN、DON、AN与SMBN之间存在极显著正相关关系（P≤0.01）。

4.4 施肥处理（NPK、NPKS、NPKSM）较不施肥处理（CK）均可显著提高双季稻产量及相应的植株氮吸收量，其中以NPKSM提高效果最明显，但其无机氮残留量及氮表观损失也最高。