长期冬绿肥翻压对土壤有机氮组分的影响研究

代雪宾，田秀平，通信作者，赵秋，董家僖

（1. 天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300392；2. 天津市农业科学院 农业资源与环境研究所，天津 300192）

土壤退化是影响农业生产发展的重要问题，不仅影响了土壤肥力，也破坏了生态系统，导致环境恶化，危害人类健康[1]。土壤存在着多种退化，其中土壤养分流失是最主要的形式之一。潮土是我国华北地区主要的土壤类型，由于冬天气候干燥、不合理施肥等因素导致土壤养分失衡严重[2-3]。在我国绿肥种植已有几千年的历史，种植并翻压绿肥不仅可以增加土壤养分，减少化肥施入，降低环境污染，而且还可以改善土壤理化性质，提高土壤质量[4]，冬绿肥种植翻压一方面可以减少冬天裸露土壤的水土流失，增加土壤有机质，另一方面还可有效促进退化土壤得到修复，改善土壤养分状况[5-7]。

氮素是植物生长的必需营养元素[8]，土壤中氮含量不足，主要通过增施氮肥来满足植物生长的需要。目前关于土壤氮素的研究也主要集中在施肥、土壤氮素循环转化、氮素组成、氮矿化以及环境条件对其影响等方面[9-11]。氮素作为生态系统中植物的重要限制因子，其生物有效性受土壤氮化学形态的影响[12-13]。土壤氮素组成以有机态氮为主，按化学形态可分为酸解有机态氮和非酸解态氮。酸解态氮又分为氨基酸态氮、氨基糖态氮、酰胺态氮和未知态氮[14-17]。这些组分的构成比例直接或间接地影响土壤有机氮矿化的难易程度和氮素有效性[18]，与土壤供氮潜力相关。有机氮是土壤中矿质氮的源和库，在氮素养分循环过程中具有极其重要的作用[16]。本研究选取在华北潮土地区连续多年种植的冬绿肥并翻压，研究冬绿肥翻压对土壤有机氮组分的影响，对华北地区合理种植绿肥，提高氮素利用率具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在天津市武清区现代农业科技创新基地展开，供试土壤为潮土，0～20 cm 土层的基础性状见表1。

表1 基础土壤性状

1.2 试验设计

试验从2012 年开始进行，设7 个处理，分别是冬闲田（CK）、二月兰（OV）、毛叶苕子（VR）、黑麦草（RG）、黑麦（SC）、毛叶苕子二月兰混播（VR+OV）和毛叶苕子黑麦混播（VR+SC），每处理小区面积为18 m2，3 次重复，随机区组设计。每年9 月中下旬待玉米收获后播种绿肥，播种量依次为45.0、60.0、60.0、45.0、（30.0+22.5）、（30.0+30.0）kg/hm2。播种后灌出苗水，按30 t/hm2喷灌形式灌溉。冬绿肥生长期间不施肥料和农药，次年4 月中下旬将每小区内的冬绿肥（包括绿肥作物的根系部分）切碎成2～3 cm 小段后全部翻压到10～15 cm 土层中，OV、VR、RG、SC、VR+OV、VR+SC 各处理每小区冬绿肥翻压量分别为：11.97、8.98、9.99、13.07、10.47 和11.03 kg。翻压后播春玉米品种‘鑫1303’，每小区种植6 行，行距0.6 m，行长5 m，株距0.28 m，穴播，施肥量为K2O 225.00 kg/hm2、N 225.00 kg/hm2、P2O545.00 kg/hm2，氮肥为尿素（N 46%），2/3 氮肥在玉米小喇叭口期追施，1/3 作基肥，磷肥为磷酸二铵（N 18%、P2O546%），钾肥为氯化钾（K2O 60%），两者全部基肥施加，2013 和2020 年玉米收获后采集土壤样品，用于土壤养分的测定。

1.3 测定项目与方法

土壤基本理化性质测定参照土壤农化分析方法[19]，土壤有机氮组分测定采用Bremner 法[20]。

1.4 数据统计

采用SPSS13.0和Excel软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 供试土壤中氮素分布特征

从表2 可以看出，土壤中全氮（TN）含量在1.14～1.24 g/kg 之间，平均值为1.17 g/kg，碱解氮含量为0.09～0.11 g/kg，平均值为0.10 g/kg；土壤全氮中酸解总氮平均含量为0.87 g/kg，占全氮的74.81%，其余为非酸解氮，占全氮的25.19%。酸解总氮中各形态氮含量平均值大小排列为：未知态氮（0.25 g/kg，占土壤全氮的21.41%）＞氨基酸态氮（0.21 g/kg，占土壤全氮的18.27%）＞酰胺态氮（0.18 g/kg，占全氮的14.99%）＞氨基糖态氮（0.12 g/kg，占比最少，仅占土壤全氮的9.62%）。

表2 土壤中氮素组分及其含量

2.2 长期冬绿肥翻压对土壤有机态氮组分的影响

表3 中C值（绝对变化量）是2020 年不同处理土壤有机态氮各组分与2013 年的差值，R值（相对变化量）是不同处理土壤有机态氮各组分C值占2013 年该组分氮值的百分比含量。从表3 可以看出，翻压冬绿肥7 年后，各有机态氮组分发生了一些变化，不同处理酸解总氮和非酸解总氮都有不同程度的增加。酸解总氮增加顺序为：CK＜SC＜VR＜VR+SC＜RG＜OV＜VR+OV，非酸解总氮增加顺序为：CK＜SC＜OV＜VR+OV＜VR+SC＜VR＜RG。与CK 相比，翻压绿肥各处理酸解总氮增加较多，非酸解总氮增加较少，说明冬绿肥主要增加了土壤中酸解总氮的含量。不同冬绿肥中，RG、OV 和VR+OV 增加较多，与2013 年相比分别增加了15.93%、15.54%和15.80%；非酸解总氮以RG 增加最大，比2013 年增加了14.59%；其余绿肥处理相差不大，相对变化量范围在9.30%～9.99%之间，CK 仅增加了4.56%。酸解总氮中CK 氨基酸态氮和氨基糖态氮的C值和R值均为负值，而翻压绿肥各处理均为正值，其中，RG 和OV 增加最多，C值和R值分别为135.60、15.93%和137.38、15.54%，所有处理酰胺态氮和未知态氮的C和R值都是正值，且翻压绿肥的各处理均高于CK 处理。研究表明，土壤有效氮主要来自酸解氮的矿化分解，但非酸解氮由于成分复杂，难以矿化分解。酸解氮中，氨基酸态氮最易矿化分解，成为有效态氮，其次是氨基糖态氮，再次是酰胺态氮，未知态氮也较难成为有效态氮[21]。由此可以看出，翻压冬绿肥改变了土壤有机态氮的组成，提高了土壤酸解有机氮及其各形态氮的含量，增强了土壤供氮潜能。

表3 长期冬绿肥翻压土壤有机态氮组分的变化情况

2.3 长期绿肥翻压土壤中氮向各形态氮的转化情况

从图1 可见，长期冬绿肥翻压土壤中氮主要向酸解总氮转化，不同绿肥土壤中氮素转化率分别为OV 84.12%、VR 74.94%、RG 76.20%、（VR+OV）83.30%、（VR+SC）80.38%、SC 81.54%。其次是向氨基酸态氮转化，转化率分别为OV 26.93%、VR 26.10%、RG 21.31%、（VR+OV）18.88%、（VR+SC）22.79%、SC 13.39%。SC 翻压入土处理土壤中氮向未知态氮转化率最高，为20.82%，这与任金凤等[22]研究结果一致。土壤中氮向酰胺态氮和非酸解氮的转化率相差不大，均大于12.79%。向氨基糖态氮转化的较少。VR 和RG 处理土壤中各形态氮分布相差不大，主要转化为氨基酸态氮和非酸解氮，转化率分别为26.10%、21.31%和25.06%、23.80%。VR+OV 和VR+SC处理土壤中各形态氮向氨基酸态氮和未知态氮的转化率分别为18.88%、22.79%和21.46%、19.83%，转化成氨基糖态氮的比例最低，仅为8.06%和7.85%。

2.4 有机态氮的通径分析及相对有效性

相关分析表明（表4），土壤氨基酸态氮与碱解氮之间呈极显著正相关（r＝0.885），氨基糖态氮和未知态氮、碱解氮之间也显著正相关（r＝0.698，0.799），酰胺态氮与碱解氮之间相关不显著。此外，各有机态氮组分间也存在显著或极显著正相关，如氨基糖态氮与未知态氮的r值为0.864，说明有机态氮各组分含量的变化及其对土壤有效氮的影响是相互制约和相互促进的，仅按照相关系数来表述是不全面的。通径分析是以多元回归分析为基础检验因果关系模型的统计方法，以通径系数为表征，用通径系数的正负和大小来表示自变量作用的方向和大小。通径系数之间进行相互比较，可以比相关分析提供更多的信息。通径分析结果（表5）显示，4 种有机态氮组分对土壤碱解氮均产生一定的正效应，直接影响顺序为：氨基酸态氮（0.815）＞氨基糖态氮（0.284）＞未知态氮（0.209）＞酰胺态氮（0.064）。氨基酸态氮的直接通径系数最大，对碱解氮的直接效应最大，说明有机氮组分中氨基酸态氮是土壤碱解氮的主要来源，氨基糖态氮和未知态氮对碱解氮的贡献值较高，酰胺态氮贡献值较低。此外，氨基酸态氮通过氨基糖态氮以及氨基糖态氮通过酰胺态氮和未知态氮对碱解氮的间接通径系数均在0.4 以上，说明有些组分氮对碱解氮是通过互相作用影响的。

表5 土壤有机氮组分对碱解氮的通径系数

3 讨论与结论

本研究结果表明，长期冬绿肥翻压后土壤中全氮和有机氮各组分含量均有所提高。4 种翻压绿肥中以黑麦（SC）总生物产量最高，显著高于其他3 种绿肥，冬绿肥翻压有利于土壤氮素养分累积，这与MAIZI[9]的研究结果一致。不同冬绿肥翻压由于生物量及其氮素含量不同而带入土壤中的碳及氮素总量不同，造成土壤中碳氮比不同，为土壤微生物提供养分也不同，这也是不同绿肥供氮能力不同的主要原因[23]。大量研究表明，有机态氮是土壤氮素的主要存在形态，也是矿质氮的源和库，因此，土壤供氮能力是不同有机氮组分在土壤中矿化的综合表现[24]。土壤中最主要的有机氮形态是氨基糖态氮和氨基酸态氮，其含量与有机氮的矿化速率呈线性相关，是土壤易矿化有机氮的主要来源[25]。酸解氨基酸态氮是土壤微生物和当季植物吸收利用有效氮的主要来源，与微生物代谢活动紧密相关[26]，常被用于表征土壤的供氮潜力[27]。本研究发现，种植翻压冬绿肥可提高土壤酸解总氮及酸解氮中未知态氮和氨基酸态氮的含量，其中氨基酸态氮含量增加幅度最大，表明冬绿肥翻压可增加土壤的供氮潜力。

试验结果表明，长期冬绿肥翻压土壤中氮主要向酸解总氮转化，以黑麦草、二月兰和毛叶苕子二月兰混播增加较多；翻压冬绿肥增加了土壤水解总氮中各组分氮含量，其中氨基酸态氮和氨基糖态氮以翻压黑麦草和二月兰增加最多；相关分析表明，土壤氨基酸态氮与碱解氮呈极显著正相关，氨基糖氮与未知氮素呈显著正相关；通径分析得出4 种有机态氮组分对土壤碱解氮均产生一定的正效应，其影响顺序为：氨基酸态氮＞氨基糖态氮＞未知态氮＞酰胺态氮。