长期绿肥和秸秆还田替代部分化肥提升红壤性水稻土酸解有机氮组分比例及供氮能力

吴多基，姚冬辉，范 钊，吴建富，魏宗强

（江西农业大学国土资源与环境学院，江西南昌 330045）

水稻是我国重要的粮食作物之一，氮是水稻生长不可或缺的营养元素，为保证水稻高产，大量氮肥施用使我国稻田系统出现供氮量提高、氮储量增大的趋势[1–2]，也导致了稻田氮肥利用效率低、氮素损失大和土壤供氮潜力降低等问题。有机肥替代部分化肥是保障国家粮食安全、生态环境安全和资源高效利用的重要措施[3]，长期有机物料循环利用显著提高红壤性稻田土壤耕层全氮含量，有机肥配施化肥处理对提高耕层土壤氮储量作用显著[4]。研究氮素对长期有机养分替代部分化肥的响应及其在土壤中的分布、迁移和转化，对于制定合理的施肥配方、提升氮肥利用率等方面具有重要意义。土壤有机氮占土壤全氮的90%以上，其组分包括土壤酸解性氮(AHN)和非酸解性氮(NHN)，而酸解性氮组分包括酸解氨态氮(AMMN)、酸解氨基酸态氮(AAN)、酸解氨基糖态氮(ASN)和酸解未知氮(HUN)[5]，它们的结构和有效性在土壤氮素保持、矿化和氮素供应中起着关键作用。像氨基酸这样的小分子直接被农作物吸收，然而，大多数土壤有机氮必须先通过矿化转化为矿化氮，然后才能被作物吸收，直接或间接影响土壤氮素有效性[6]。申凤敏等[7]和杨静等[8]研究结果表明，化肥与有机肥配施可以更好地改善红壤区各土层土壤的供氮能力，同时还能显著提高作物产量及其氮吸收量。张雅蓉等[9]基于贵州省黄壤长期定位监测点发现，施用有机肥可显著提高土壤有机氮含量，且土壤有机氮含量随有机肥用量增加而显著增加。吴汉卿等[10]研究发现，酸解氨态氮和酸解氨基酸态氮是设施土壤中最主要的有机氮形态，是土壤活性氮中的主要组分，亦是土壤供氮潜力的表征。土壤各形态氮素对不同施肥措施的响应已有诸多报道，但是关于稻田土壤有机氮组分对全氮、碱解氮和矿化氮的贡献的研究还不够。因此，我们利用长期定位试验研究不同施肥模式下土壤氮素形态的转化，探究施肥结构对土壤氮素转化及供应的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于江西农业大学农业科技园(115°49′53″E，28°46′8″N)，属亚热带季风湿润气候区，多年平均气温17.6℃，平均日照1895 h，平均降水量1522 mm，平均无霜期280天，以种植双季稻为主，自1981年开始进行长期施肥微区定位试验，供试土壤为第四纪红色粘土发育的潴育性水稻土，其耕作层(0—20 cm)土壤基本性质为：pH 6.5、有机质含量33.55 g/kg、全氮含量 1.79 g/kg、碱解氮含量 111 mg/kg、速效磷 (P2O5) 含量 20.8 mg/kg、速效钾 (K2O)含量87.0 mg/kg。

1.2 试验设计

设4个处理：1）无肥；2）单施化肥(化肥是氮磷钾化肥，下同)；3）翻压紫云英做早稻基肥+追施化肥；4）翻压紫云英+稻草还田做晚稻基肥+追施化肥。分别用CK、F、MF、MSF符号表示，3次重复，随机排列，小区面积0.81 m2，小区间用水泥埂隔开，以防渗漏，独立排灌。

除无肥处理外，各施肥处理氮、磷、钾养分用量相等。1981—1986年，纯N为225 kg/hm2、P2O5112.5 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2；1987—1991年，纯N 为 240 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2；1992—2003年，纯 N为 270 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 270 kg/hm2；2004—2006年，纯 N 为300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 300 kg/hm2；2007年至今，纯 N 为 360 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 360 kg/hm2，施肥处理 N、P2O5、K2O 养分用量早晚稻各占一半。化肥使用尿素(N 46%)、钙镁磷肥(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)，有机肥为紫云英和稻草。2019年供试紫云英干基养分平均含量为N 2.19%、P2O50.48%、K2O 2.01%、C 35.89%；稻草干基养分平均含量为N 0.61%、P2O50.15%、K2O 1.65%、C 32.52%。其中紫云英鲜草及稻草切碎后施用，紫云英(鲜草水分平均含量为88.75%)施用量为22500 kg/hm2，稻草 (折合干草)施用量为 3000 kg/hm2。有机肥、磷肥均作为基肥一次性施用，化肥氮、钾肥均分基肥、分蘖肥、穗肥3次施用，施用比例为 5∶2∶3。有机肥料的养分输入量按实际测定结果计算，不足部分用化肥补足。采用自来水灌溉，其他管理措施同大田生产。

1.3 测定指标与方法

2019年晚稻成熟期，每小区按“五点”取样法取耕作层(0—20 cm)土壤混合样品用于土壤氮素指标的测定。土壤全氮用全自动定氮仪测定；矿化氮采用厌气培养法测定；碱解氮(包括供应容量、供应强度和释放速率)采用碱解扩散法测定[11]，其中供应强度：每个处理的土壤分别做24个重复，按照碱解氮含量的测定方法进行，放到恒温箱中进行碱解扩散，每隔2 h取出2个培养皿(+3个空白)进行滴定，测定土壤碱解氮含量，共测定12次，每次测定值即为供应强度，最后一次测定值(培养24 h)即为碱解氮供应容量，释放速率=(后一次测定值−前一次测定值)/2 h；微生物量氮采用氯仿熏蒸浸提法[12]测定；土壤有机氮组分采用Bremner法[5]测定，其中：酸解总氮(THN)采用凯氏法测定；酸解氨态氮(AMMN)采用MgO氧化蒸馏法测定；酸解氨态氮+酸解氨基糖态氮(ASN)采用磷酸–硼砂缓冲液(pH 11.2)蒸馏法测定，而酸解氨基糖态氮(ASN)为酸解氨态氮及酸解氨基糖态氮与酸解氨态氮的差值；酸解氨基酸态氮(AAN)采用茚三酮氧化、磷酸–硼砂缓冲液蒸馏法测定；非酸解性氮(NHN)为土壤全氮与酸解总氮的差值；酸解未知态氮(HUN)为酸解总氮与AMMN、AAN和ASN的差值。

1.4 数据处理

采用 Excel 2016、Origin 2018和 IBM SPSS Statistics 25.0软件进行数据处理和统计分析，并利用Duncan法进行显著性检验，相关分析采用Pearson系数 (双侧)。

2 结果与分析

2.1 土壤全氮、矿化氮和微生物量氮含量

由表1可得，经过38年的长期定位施肥，与CK处理相比，无论是F处理，还是有机养分替代部分化肥处理(MF和MSF)的土壤全氮、矿化氮和微生物量氮含量均表现为MSF>MF>F>CK，且处理间差异显著。在等量氮磷钾养分投入条件下，相较于F处理，MF和MSF处理的土壤全氮含量增幅分别为15.03%和24.35%；土壤矿化氮含量增幅分别为35.73%和58.02%；微生物量氮含量增幅分别为21.73%和36.73%，且差异显著。说明长期施肥对土壤氮素含量提升具有显著效果，且有机养分替代部分化肥的效果优于单施化肥。

表1 不同处理土壤全氮、矿化氮和微生物量氮含量Table 1 Soil total N, mineralizable N and microbial biomass N content in different treatments

2.2 土壤有机氮组分含量及其在全氮中的占比

由表2可知，不同处理耕作层土壤酸解性总有机氮含量为1011～1519 mg/kg，与CK处理相比，各施肥处理的耕作层土壤酸解性总有机氮含量均有不同程度的增加，MF和MSF处理均显著高于F和CK处理，与F处理相比分别增长了20.35%和30.14%；土壤非酸解性氮含量范围为653～883 mg/kg，但处理间差异不显著。说明土壤酸解性有机氮对长期有机养分替代部分化肥的响应更为敏感，含量提升更明显。

表2 不同处理土壤各有机氮组分含量 (mg/kg)Table 2 Contents of various organic nitrogen components in different treatments

从表2还可以看出，长期有机养分替代部分化肥的处理(MF和MSF)对土壤有机氮组分含量增加效果明显。MSF处理酸解氨态氮、酸解氨基酸态氮和酸解未知态氮含量均表现为最高，且均显著高于F和CK处理，相较于F处理增幅分别为36.02%、33.52%和26.58%。酸解氨基糖态氮含量则表现为MF处理最高，显著高于其他3个处理，而处理F、CK无明显差异。总的来说，有机养分替代部分化肥对土壤有机氮组分含量的提升效果优于单施化肥。

由图1可知，无论施肥与否，土壤各有机氮组分占全氮的比例大小均表现为：酸解未知态氮>非酸解性氮>酸解氨态氮>酸解氨基酸态氮>酸解氨基糖态氮，各处理土壤酸解性氮均以酸解未知态氮为主，占全氮比例约为41%；长期不同施肥模式对耕作层土壤酸解性总有机氮含量影响明显，但对其占全氮比例的影响较小(60.63%～63.34%)，其中以MF处理的土壤酸解性总有机氮占全氮比例最大；各处理土壤非酸解性氮占全氮比例为36.66%～39.37%，其中以F处理为最大，分别高出MF和MSF处理2.71个百分点和2.60个百分点。相对与F处理，MF和MSF处理均能提高酸解有机氮组分中酸解氨态氮、酸解氨基酸态氮、酸解氨基糖态氮和酸解未知态氮占全氮的比例。但是对于非酸解性氮占全氮的比例，反而是单施化肥(F)处理最高。

图1 不同处理土壤各有机氮组分含量占全氮的比例Fig. 1 The proportion of organic nitrogen components in total nitrogen in different treatments

2.3 土壤碱解氮的释放特性

在24 h的培养过程中，各处理土壤碱解氮的供应强度变化趋势基本相同(图2)，培养2 h左右碱解氮释放速率达到最大(图3)，随着培养的进行，释放曲线逐渐趋于平缓。在整个培养过程中，各处理土壤碱解氮的供应强度均表现为MSF>MF>F>CK。培养初期，各处理的碱解氮供应强度比较接近，随着培养时间的延续，处理间碱解氮的供应强度差异越来越大，MF和MSF处理土壤培养24 h碱解氮的供应容量均显著高于F处理，增幅分别为19.01%和25.22%。说明长期有机养分替代部分化肥的处理能明显提升土壤碱解氮的供应强度和供应容量。

图2 不同处理土壤碱解氮的供应强度和容量Fig. 2 Supply intensity and capacity of soil available N in different treatments

图3 不同处理土壤碱解氮释放速率Fig. 3 Release rates of soil available N in different treatments

2.4 土壤全氮、矿化氮和碱解氮与不同有机氮的相关分析

相关分析结果(表3)表明，土壤有机氮各组分与土壤全氮、矿化氮和碱解氮都已达到显著正相关(P<0.05)，其中酸解氨态氮和酸解未知态氮与三者的相关性最大。

土壤氮素组分之间相互影响，并不是完全独立的变量。仅从相关关系并不能推测出氮素组分对矿化氮和碱解氮的贡献能力。因此，为了进一步研究氮素组分对矿化氮和碱解氮的贡献大小，分别以矿化氮和碱解氮为因变量，其他氮素指标为自变量，做逐步线性回归分析，建立回归方程分别为YMN=−63.456+1.982MBN+0.28AMMN+0.046NHN和TAN=63.824+2.891MBN，逐步回归分析相关参数见表4。从方程YMN=–63.456+1.982MBN+0.28AMMN+0.046NHN可看出，MBN、AMMN和NHN含量对土壤矿化氮的变化均具有重要贡献，其中以土壤微生物量氮贡献最大。但从表3可知，AAN、ASN和HUN均与矿化氮呈显著正相关，却在逐步回归中没有被写进方程，因此它们对矿化氮的贡献需要通过通径分析进一步核实。表5表明，虽然AAN、ASN和HUN与矿化氮的相关性显著，但是直接通径系数却很小，甚至为负数，而它们通过AMMN对矿化氮的间接通径系数却很大(分别为0.471、0.303和0.478)，说明AAN、ASN和HUN对矿化氮的贡献是其通过AMMN对矿化氮的间接贡献。

由方程YAN=63.824+2.891MBN可知，土壤碱解氮仅与MBN有关，但是土壤各有机氮组分与碱解氮的相关性均达显著水平(表3)，却没有在回归方程中体现，通径分析结果(表5)显示，ASN、AMMN、AAN、HUN和NHN通过MBN对碱解氮的间接通径系数很大，分别为0.570、0.768、0.744、0.843和0.487，说明ASN、AMMN、AAN、HUN和NHN与碱解氮的良好关系不在于它们对碱解氮的直接贡献，而是通过影响MBN对碱解氮起间接作用。

表3 土壤全氮、矿化氮和碱解氮与不同有机氮组分的Pearson相关系数(双尾)Table 3 Pearson coefficients of soil total N, mineralizable N, available N and different organic nitrogen (two-tailed)

表4 矿化氮和碱解氮与其他氮素组分关系的逐步回归分析参数Table 4 Stepwise regression analysis of the relationship between mineralizable N and available N and various organic N components

表5 各氮素组分对矿化氮和碱解氮的贡献Table 5 Contribution of each nitrogen component to mineralizable nitrogen and available nitrogen

3 讨论

3.1 长期有机养分替代部分化肥对土壤碱解氮释放的影响

土壤碱解氮作为评定土壤氮素供给能力的指标，可以反映近期土壤氮素的供应潜力，朱兆良[13]认为土壤氮碱解时NH3的释放速率和释放量可以作为植稻土壤氮素供应状况的相对指标。本研究结果显示，土壤碱解氮培养初期NH3释放速率迅速增大，在培养2 h左右NH3的释放速率达到高峰，土壤碱解氮供应强度均表现为MSF>MF>F>CK，随后释放速率总体慢慢降低，释放曲线逐渐趋于平缓。

土壤碱解氮的含量与施肥存在较密切的关系，长期施用氮肥可提高土壤氮素水平[14]。土壤养分的供应容量作为一种土壤补给养分能力的指标，在一定程度上可以预测土壤养分的供应潜力，袁中友等[15]研究发现，同等施肥水平下，施用有机肥比施化肥能显著改善土壤养分释放情况，提高土壤养分供应容量，提升土壤综合质量。本研究结果显示，无论单施化肥还是有机养分替代部分化肥均能显著提高土壤碱解氮供应容量，而且后者效果显著高于前者，其主要原因可能是施用化肥可增加根茬、根系和根分泌物，从而增加土壤有机氮量；施用有机肥可直接提高土壤有机氮含量；有机养分替代部分化肥既能快速提高土壤速效养分含量，又能长久保持养分，提高土壤速效氮的供应能力。

3.2 长期有机养分替代部分化肥对土壤各形态氮素的影响

不同施肥措施对稻田耕作层土壤氮素含量有很重要的影响，有机肥替代部分化肥对土壤氮素养分含量具有正向促进效应[16]。本研究发现，随着耕作年限的增加，不施肥地块土壤全氮含量下降，平均每年降低3.68 mg/kg，而施肥处理土壤全氮含量都有不同程度的提高，并且在等量氮磷钾养分投入条件下，有机养分替代部分化肥对耕作层土壤全氮的提高更显著，这与大多数相关研究[16–18]结果一致。可能是因为稻草秸秆、紫云英等有机物料还田后其水解产物大部分转化为固态氮，结合了部分土壤氮源，使土壤本身储存的氮矿化分解速率降低，同时又防止其流失或者被反硝化作用消耗掉，从而增加了土壤全氮的含量[19–20]。

土壤微生物对土壤有机化合物的转化和养分的释放起着调控作用，是土壤不可或缺的组分[21]，其所进行的一系列活动均以碳、氮循环为中心[22]，土壤微生物量氮作为土壤活性有机氮库，对施肥措施的响应具有很强的敏感性。本研究中，长期不施肥处理的土壤微生物量氮显著低于其他施肥处理，可能是因为不论施用有机肥还是化肥均能够促进植物光合作用，促进地上和地下部生物量积累，不仅可以增加根系残茬的还田量，而且有利于根系分泌物的释放，为微生物创造有利的生存环境，而不施肥处理没有外源养分输入，仅通过以水稻根系或根茬还田，造成土壤中有机碳、全氮含量最低，而微生物又以碳氮为营养来源，造成不施肥处理土壤微生物量氮含量也处在最低水平[23]。对比施肥处理的土壤微生物量氮含量，发现有机养分替代部分化肥处理(MF、MSF)显著高于单施化肥处理，这与在其他土壤类型上的研究[22, 24–26]结果一致，这可能是因为施用有机物料之后还能为微生物提供外来的碳源和能源，增加土壤微生物活性，促进其新陈代谢，提高土壤的有效养分，同时也增加了对氮素的固持[23]，进一步提高土壤微生物量氮的含量。

在农田生态系统，施肥是调节土壤供氮状况的重要措施，土壤氮素矿化是由微生物驱动的将有机氮转化为无机氮的过程。本研究中，与不施肥相比，无论单施化肥还是有机养分替代部分化肥均可显著提高土壤矿化氮含量，这与已报道的大多数研究[27–29]结果较为一致，而在施肥处理中，有机养分替代部分化肥土壤矿化氮含量显著高于单施化肥处理。这可能与有机肥的长期投入有关，表明长期有机养分替代部分化肥明显提高土壤氮素的矿化作用，增大土壤活性有机氮库，同步实现提高土壤供氮容量和改善氮素品质，而不施肥导致土壤底物质量降低，在一定程度上弱化其供氮能力[27]。

氮素施入土壤中一部分经土壤生物(特别是微生物)和植物吸收同化后以有机氮形态残留在土壤中，残留在土壤中的部分有机氮又经微生物作用转化形成土壤中较为稳定的有机氮[30]，因此，长期不同施肥措施对土壤有机态氮组分含量有着重要的影响。本研究结果表明，无论施肥与否，稻田耕作层土壤各有机氮组分含量大小均表现出酸解未知态氮>非酸解性氮>酸解氨态氮>酸解氨基酸态氮>酸解氨基糖态氮。长期不同施肥模式对稻田耕作层土壤酸解性有机氮组分含量占全氮的比例影响不大，但是对土壤酸解性有机氮组分含量都有不同程度的影响。与单施化肥相比，长期有机养分替代部分化肥可以显著提高耕作层土壤酸解性有机氮组分含量，其中对酸解未知态氮的提高最明显，但是单施化肥与不施肥处理在酸解氨态氮、酸解氨基酸态氮和酸解氨基糖态氮上均无明显变化，这与任金凤等[31]的研究结果相一致。说明有机养分替代部分化肥对土壤供氮能力及土壤肥力的提高效果最好，对土壤氮库的影响主要表现在补充了酸解氨态氮、酸解氨基酸态氮等易矿化氮库[32]，因此有机养分替代部分化肥对增加红壤性稻田土壤中的易矿化有机氮库具有重要作用，同时还增加了酸解未知态氮等难矿化氮库库容，既提高了土壤氮素的供应强度，又提高了土壤氮素的供应容量[33]。说明长期有机养分替代部分化肥对土壤氮素含量的提高具有显著促进作用。

3.3 土壤各形态氮素对矿化氮和碱解氮的贡献

土壤氮的矿化受到土壤有机质特性的影响，有机氮是土壤氮素的主要存在形式，是土壤矿质氮的源和库[34]，土壤中有机氮的矿化分解过程是在土壤微生物作用下的生物降解过程。简单分析其相关性可揭示土壤有机氮组分与矿化氮之间的关系。本研究发现，土壤有机氮各组分均与土壤矿化氮达到显著正相关(P<0.05)，其中酸解氨态氮与矿化氮的相关系数最高，酸解未知态氮、酸解氨基酸态氮次之，非酸解性氮和酸解氨基糖态氮最低。逐步线性回归分析和通径分析结果表明，土壤微生物量氮和酸解氨态氮是矿化氮的主要贡献者，而酸解氨基酸态氮和非酸解性氮主要是通过酸解氨态氮对矿化氮间接贡献，这与丛耀辉等[35]的研究结果基本一致，而李文军等[27]通过研究洞庭湖区水稻土发现，酸解氨基酸态氮是对矿化氮有直接重要贡献的组分，是矿化氮的主要来源。导致这种差异的原因可能与供试土壤类型、气候条件、施肥方式和试验培养方法等不同有关。

土壤碱解氮含量分布与土壤有机质及微生物活动密切相关，土壤碱解氮包括无机态氮(铵态氮、硝态氮)及易水解的有机态氮(氨基酸、酰铵和易水解蛋白质)。土壤中氮素主要以有机氮态形式存在，用碱解扩散法测定的有效氮含量中，有机态氮对碱解氮总量的贡献可能会高于无机氮的贡献[14]。本研究发现，稻田耕作层土壤碱解氮与土壤微生物量氮相关性最高(R2=0.944)，与有机氮各组分均呈显著正相关(P<0.05)，这与Wang等[36]的研究结果相一致。逐步线性回归分析结果显示，土壤微生物量氮对碱解氮具有重大贡献。土壤微生物能分解有机质，从而提高土壤速效养分含量，而且土壤微生物量氮是易被植物吸收利用的有效性氮。而通过通径分析，进一步明确了土壤有机氮的其他组分对碱解氮的直接贡献很小，主要是通过土壤微生物量氮对碱解氮的间接贡献，可见土壤微生物在土壤养分转化和利用过程中具有重要作用。

4 结论

土壤微生物量氮、酸解氨态氮和非酸解性氮是土壤矿化氮的主要来源，土壤微生物量氮是土壤碱解氮的主要贡献者。等氮磷钾养分投入条件下，长期有机养分替代部分化肥显著提高了土壤酸解性有机氮占全氮的比例，特别是提高了酸解氨态氮的比例，因而促进了有机氮的矿化和碱解氮含量的增加。等氮磷钾养分投入条件下，长期有机养分替代部分化肥对土壤全氮、矿化氮和微生物量氮的提升效果显著优于单施化肥，绿肥和秸秆联合还田的效果又优于绿肥单独还田。