长期不同施氮量对黑土农田土壤固定态铵含量和最大固铵能力的影响

牛明芬 ，黄彬 ，苗贺 ，陈欣 ，鲁彩艳 ，朱向明

（1.沈阳建筑大学 市政与环境工程学院, 辽宁 沈阳110168； 2.中国科学院沈阳应用生态研究所, 辽宁 沈阳 110016；3.中国科学院东北地理与农业生态研究所, 黑龙江 哈尔滨 150081）

0 引言

如何科学管理农田氮素养分的高效利用并预防其向大气和深层土壤剖面迁移进而污染环境，一直是土壤学和环境科学领域研究的热点问题[1-3]。已有研究表明，土壤中矿质氮的过量积累是造成其向大气和深层剖面运移进而发生损失的首要条件[4-6]。值得注意的是，土壤中一些生物和非生物过程可调控矿质氮向有机氮或固定态铵等临时的“有效氮素过渡库”转化，进而避免氮素因过量积累而造成的损失。微生物固持作用和黏土矿物固定作用是这两个过程的重要形式，其不仅可减少氮素过度积累所造成的损失，还可通过有机氮的再矿化以及固定态铵的释放作用供作物持续吸收利用，进而提高氮素的利用效率[7-10]。

土壤固定态铵是指存在于2∶1 型黏土矿物层间、不能被中性盐所替换出来的铵离子[11]。研究表明，我国不同母质发育的土壤其表层固定态铵含量占土壤全氮含量的比例波动在4.5% ～ 30%之间[12-13]，在土壤保氮和供氮中发挥着重要的作用。前人关于暗棕壤、黑土和黑钙土带土壤剖面的结果显示，0 ～ 20 cm土层土壤固定态铵含量在230 ～ 558 kg·hm-2，占土壤全氮的比例约为4.5% ～ 9.8%之间，0 ～ 100 cm 土层固定态铵含量在826 ～ 2 440 kg·hm-2，占土壤全氮的比例为9.7% ～ 14.4%[14]。基于梨树保护性耕作研发基地的相关结果表明：供试黑钙土0 ～ 40 cm 土层中具有较高的黏粒含量（占33%）和2∶1 型黏土矿物组成（占73%），土壤固定态铵含量约占全氮含量的20%；同时，运用15N 示踪原位微区试验发现，尿素氮施入土壤后，发生了明显的向固定态铵库转化，玉米苗期的转化比例达25%以上，且肥料来源固定态铵的当季释放率非常高（达95%以上），这些结果说明黑土区农田土壤具有较强的固铵能力，其在保氮和供氮中发挥着不可忽视的重要作用[15]。

东北黑土区是我国重要的粮食主产区和商品粮基地，保持该区粮食综合生产能力对于保证东北地区粮食生产和保障国家粮食安全战略具有重大意义，构建该区域农田土壤科学合理的氮素养分高效利用技术，对于提高氮素利用效率、降低氮素损失风险和保障粮食综合生产能力是至关重要的[16]，而目前关于该区域土壤固定态铵占土壤全氮比例及其在氮素保持与供应中发挥作用的相关研究较少。本研究依托于黑龙江省海伦市中厚层黑土的20 年长期施肥试验，探究长期不同施氮量对土壤1 m 剖面固定态铵含量及其占全氮比例的影响，阐明不同施肥处理土壤的最大固铵潜能，为该区域氮肥科学高效利用、减少氮素损失及其对环境的危害提供理论依据[17]。

1 材料与方法

1.1 试验样地概况

试验样地位于黑龙江省中部的海伦市前进乡胜利村（47°25'N，126°46'E）。该区域无霜期为125 d，年降水量550 mm，年平均温度1.5 ℃，有效积温2 500 ℃，年日照时数2 500 h[18]。供试土壤类型为中厚层黑土，0 ～ 20 cm 耕层土壤有机质50.5 g·kg-1、全氮2.42 g·kg-1、全钾22.46 g·kg-1、速效氮209.8 mg·kg-1、速效磷24.2 mg·kg-1、速效钾252.6 mg·kg-1。

1.2 试验处理与设计

化肥不同施用量定位试验开始于2002 年5 月，共设13 个处理（4 个氮肥水平、3 个磷肥水平、2 个钾肥水平和不施肥对照处理），至2021 年底已连续运行20 年，试验为多年传统垄作，种植方式为玉米-大豆轮作，2021 年种植玉米，供试玉米采用当地主栽品种宁单51，保苗6 万株·hm-2。本文主要选取目前农民常规量磷肥和钾肥施用水平下的5 个不同氮肥施用量处理进行相关试验，具体包括为：N0P0K0、N1P2K1、N2P2K1、N3P2K1 和N4P2K1，每个处理3 次重复，每个重复小区面积为32.2m2。玉米季4 个氮肥水平的施用量分别为100 kg(N)·hm-2、160 kg(N)·hm-2、220 kg(N)·hm-2和280 kg(N)·hm-2，大豆季4 个氮肥水平的施用量分别为15 kg(N)·hm-2、35 kg(N)·hm-2、55 kg(N)·hm-2和75 kg(N)·hm-2，磷肥施用量为玉米季和大豆季均为60 kg(P2O5)·hm-2，钾肥施用量为玉米季30 kg(K2O)·hm-2、大豆季20 kg(K2O)·hm-2，试验样地不施有机肥，氮肥为尿素（N% 46%），磷肥为含P2O546%的重过磷酸钙，钾肥为含K2O 50%的硫酸钾。化肥为播种前一次性全量作为底肥施入，为防止化肥烧种、烧苗，采用垄侧开沟深施的办法。

1.3 样品采集与处理

于2021 年10 月21 日至23 日玉米收获后，采集上述5 个试验处理0 ～ 100 cm 土层的土壤样品，采样间隔为20 cm，采完后带回实验室立即风干，去除作物残茬，过2 mm 筛混匀备用。通过四分法另取混匀的风干样品（约20 克）研磨，过100 目筛，用于秋季土壤样品全氮和固定态铵含量的分析测定。

土壤最大固铵能力试验：以2021 年10 月21 日采取的0 ～ 100 cm 剖面土壤样品作为供试样品，进行室内培养试验，按照Allison 和孙艳等人[19-20]测定最大固铵量的方法进行：称取20 g 过2 mm 筛的风干土样置于离心管中，按液土比0.7 的比例加入1 mol·L-1的氯化铵溶液，在25 ℃条件下浸泡土壤样品3 天，3 天后风干土样，过100 目筛，用于测定土壤固定态铵的含量。

土壤固定态铵含量采用Silva 和Bremner[21]提出的KOBr-KOH 方法测定，即称取经研细过140 目筛的土壤样品约1 g，先用20 ml KOBr-KOH 溶液去除交换性铵根离子及有机化合物，弃去上清液；再用40 ml 0.5 mol·L-1KCl 溶液洗涤土样3 次，倾弃上清液，加入20 ml 氢氟酸-盐酸（HF-HCL）溶液(HF 为5 mol·L-1，HCL 为1 mol·L-1)于振荡器上振荡24 h；振荡后的残留液加入20 ml KOH（10 mol·L-1）进行蒸馏滴定，计算固定态铵量。土壤全氮采用元素分析仪（Elementar Vario MACRO cube, Germany）进行测定。土壤固定态铵含量、最大固铵含量以及土壤固铵容量之间的转化可通过下列公式进行计算：

1.4 数据计算与分析

利用Microsoft Excel 2016 将所有图表的试验数据整理为平均值±标准差的形式，通过SPSS 19.0 软件方差分析检验不同土层和不同施氮量对土壤固定态铵含量和最大固铵能力的影响，当P＜ 0.05 表示该统计参数在处理之间达到显著差异水平，采用SigmaPlot 10.0 软件进行相关图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 长期不同施氮量条件下黑土农田秋季土壤固定态铵的累积特征

2021 年秋季土壤固定态铵含量的结果表明，不同土层、不同施氮量处理土壤固定态铵含量变化在177 ～ 205 mg·kg-1之间（图1），长期不同施氮量对秋季土壤固定态铵含量的影响不显著，不同采样层次间土壤固定态铵含量明显不同（P＜ 0.05）。0 ～ 20 cm 土层各处理土壤固定态铵含量显著高于20 ～ 100 cm各土层（P＜ 0.05），但20 ～ 100 cm 各土层间土壤固定态铵含量差异不显著。在0 ～ 80 cm 各土层中，不同施氮量处理土壤固定态铵含量差异不显著；80 ～ 100 cm 土层中，N2P2K1 处理土壤固定态铵含量显著高于N1P2K1、N3P2K1 和 N4P2K 1 处理，分别高4.4%，4.9%和2.9%（P＜ 0.05），N0P0K0 处理较N1P2K1 和N3P2K1 处理显著增加2.9%和3.4%（P＜ 0.05）。

2021 年秋季土壤全氮含量的结果表明：不同土层、不同施氮量处理土壤全氮含量变化在0.78 ～1.65 g·kg-1之间（图2），长期不同施氮水平对土壤全氮含量影响不显著，但不同土层间土壤全氮含量差异显著（P＜ 0.05），不同土层间土壤全氮含量变化依次为0 ～ 20 cm ＞ 20 ～ 40 cm ＞ 40 ～ 60 cm ＞ 60 ～ 80 cm ＞80 ～ 100 cm（P＜ 0.05）。秋季土壤固定态铵占全氮的比例变化在11.8% ～ 23.2%之间，化肥不同施氮量对土壤固定态铵占全氮比例的影响也不显著，但不同土层间土壤固定态铵占全氮的比例明显不同，随着土层的加深，土壤固定态铵占全氮的比例显著增加（P＜ 0.05）。

图2 长期不同施氮量对土壤全氮含量和固定态铵占全氮比例的影响Fig. 2 Effects of long-term different fertilizer N application rates on total N contents and the proportion of fixed ammonium to total N in black soil

2.2 长期不同施氮量条件下土壤的最大固铵能力

通过3 天室内培养试验分析测定了不同施氮水平下不同土层土壤的最大固定态铵含量，研究结果表明：不同土层各处理土壤最大固定态铵含量变化在612 ～ 767 mg·kg-1之间（图3）。化肥不同施氮量对土壤最大固定态铵含量没有显著影响，但不同土层间土壤最大固定态铵含量明显不同，不同土层间土壤最大固定态铵含量依次为0 ～ 20 cm ＜ 20 ～ 40 cm ＜ 40 ～ 60 cm ＜ 60 ～ 80 cm ＜ 80 ～ 100 cm（P＜ 0.05）。

图3 长期不同施氮量条件下土壤的最大固铵能力Fig. 3 The maximum ammonium fixation capacity of black soil under long-term different fertilizer N application rates

通过土壤最大固定态铵含量与土壤固定态铵含量计算可获得土壤固铵容量，其研究结果表明：不同土层、不同施氮量处理土壤固铵容量变化在404 ～ 598 mg·kg-1之间，其占土壤全氮的比例变化在24.5% ～74.5%之间（图4）。化肥不同施氮量处理间土壤固铵容量及其占全氮比例的差异不显著，但不同土层间土壤的固铵容量及其占全氮的比例明显不同（P＜ 0.05），表现为随着土层的加深，土壤的固铵容量及其占全氮的比例显著增加（P＜ 0.05）。

图4 长期不同施氮量对土壤固铵容量及其占土壤全氮比例的影响Fig. 4 Effects of long-term different fertilizer N application rates on soil ammonium fixation capacity and its proportion to soil total N

3 讨论

土壤固定态铵是土壤氮素的重要储存库，对减少氮素损失、提高氮肥利用率起着重要的作用[22]，固定态铵一般占土壤无机氮总量的80%以上，占土壤全氮含量的10%以上[23]。文启孝等[14]研究发现，全国除高山土带和亚高山土带外各土带土壤中，黄棕壤的固定态铵含量最高，可达到257 mg·kg-1，砖红壤带内的土壤最低，仅为48 mg·kg-1，0 ～ 20 cm 的表层土壤中，土壤固定态铵的储量占全氮储量的全国平均值为15%左右。本研究发现，不同施肥措施下该区不同黑土土层间固定态铵含量为177 ～ 205 mg·kg-1，占全氮的比例为11.8% ～ 23.2%，经3 天培养后测定其最大固铵含量为612 ～ 767 mg·kg-1，固铵容量为404 ～598 mg·kg-1，其占土壤全氮的比例为24.5% ～ 74.5%。由此可见，东北地区黑土相较于其他类型土壤，其具有较高的固定态铵含量。固铵容量可反映出土壤的固铵潜能，研究结果显示供试黑土的固铵容量高达404 ～ 598 mg·kg-1，说明海伦市前进乡胜利村的中厚层黑土具有较高的固铵潜能，土壤固定态铵是重要的潜在有效氮素过渡库，其在土壤氮素保持与供应中的作用不容忽视。同一施氮量不同土层间，固定态铵含量呈现递减趋势，但其最大固定态铵含量及其所占全氮比例均呈现递增趋势，可见深层土壤较之表层土壤固铵潜能更大。

本研究结果显示，化肥长期施用后，不同施氮量对秋季不同土层土壤固定态铵含量无显著影响，仅不同土层间土壤固定态铵含量差异较大，这可能是因为化肥施入土壤后，在作物生长当季新固定的固定态铵其有效性较高，在作物需氮高峰期会迅速释放出来供作物吸收利用，而秋季土壤中的固定态铵主要是活性较低的土壤固有的固定态铵，不受施肥量所影响。长期不同施氮量对土壤全氮和最大固铵能力的影响亦不显著，不同土层间土壤全氮含量依次为0 ～ 20 cm ＞20 ～ 40 cm＞40 ～ 60 cm＞60 ～ 80 cm＞80 ～ 100 cm，土壤最大固铵能力随土层的加深而显著增加。

据相关研究显示氮肥施入土壤后，约有50%被作物吸收利用，20% ～ 50%会残留在土壤中[24-25]。孙昭安等[26]在研究中表示作物会从土壤中吸收部分氮源，而未被作物吸收的肥料氮一部分可以补给土壤氮库的消耗，剩余部分会通过不同途径发生氮素损失。 结合N0P0K0 与4 组不同施氮量相对照，5 个处理间土壤最大固铵能力和全氮含量差异性并不显著，说明单独施加化学氮肥时，未被作物吸收利用的氮素并不会大量补给土壤氮库消耗，对土壤的最大固铵能力不会产生显著影响，不会显著提高土壤的供氮保氮能力。梁国庆等[27]的研究也发现施用氮肥后，与不施加氮肥相对比，其剖面中各土层各形态氮含量并无明显变化。其主要原因可能是，氮肥施入土壤后，一部分氮素被作物吸收利用，另一部分残留在表层土壤中，残留的氮素多以地表径流、淋溶作用或气态途径产生氮损失，仅一小部分被土壤氮库所利用，本实验结果所显示未被作物利用的氮素对该地区黑土土壤氮库消耗补给作用甚微，对土壤固定态铵库亦无显著影响。刘沥阳等[28]研究发现，化肥配施有机肥的施肥方式不仅可以提高作物产量，还可培肥土壤，降低氮肥向下淋失，减少淋溶的损失，增加土壤中固定态铵的含量[29]。秸秆还田同样可以抑制铵态氮的硝化作用，减少土壤中硝态氮含量，从而降低土壤潜在的氮素淋溶损失，增加铵态氮向固定态铵库的转化[7]。所以在东北黑土区农业生产中，可采用化肥配施有机肥及秸秆还田的方式，增强土壤的供氮保氮能力，提高氮素利用效率，降低氮素损失风险和保障粮食综合生产能力。

4 结论

化肥长期施用条件下，不同施氮量对黑土农田秋季土壤固定态铵含量、最大固铵能力和固铵容量的影响均不显著。不同土层土壤最大固铵能力和固铵容量明显不同，随着土层的加深，土壤最大固铵能力和固铵容量显著增加。土壤固定态铵占全氮的比例变化在11.8% ～ 23.2%之间，土壤固铵容量占全氮的比例在24.5% ～ 74.5%之间，说明东北黑土农田土壤具有较高的固定态铵含量和固铵容量，土壤固定态铵作为重要的“潜在有效氮素过渡库”，其在黑土农田土壤保氮和供氮中的作用不容忽视。