長期施用化肥和有機肥下潮土干團聚體有機氮組分特征*

李 嬌 信秀麗 朱安寧? 楊文亮 侯 瀅 鄒文萱 徐琳雅

（1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室/封丘農業生態實驗站（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

（2 中國科學院大學，北京 100049）

（3 南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095）

團聚體是土壤結構的重要組成，其形成及穩定與施肥管理密切相關［1］。劉哲等［2］研究發現有機肥施入能提高溫室和農田土壤中大團聚體含量及穩定性；施用生物肥料有利于濱海鹽堿地有機碳的積累和大團聚體的形成［3］，但也有研究表明禽畜糞便對團聚體穩定性影響較小［4］。土壤中不同粒級團聚體對氮素的吸附和保護能力存在一定差異，進而對各形態氮素的分布和組成產生影響［5-6］。

土壤有機氮是土壤氮素的主要存在形態，也是礦質態氮的源和庫，在土壤養分保蓄、氮素循環及糧食生產中發揮重要作用［7］，長久以來受到國內外學者的廣泛關注。Karamjit等［8］對稻麥輪作下氮素形態研究表明，單施化肥顯著提高了土壤中全氮和有機氮含量；李萌等［9］報道，豬糞代替化肥能顯著增加酸解有機氮含量，由高到低依次為非酸解有機氮、氨基酸態氮、酸解銨態氮、酸解未知氮、氨基糖態氮。不同輪作模式下，周年氮肥施用量超過300 kg·hm-2時，土壤全氮及有機氮各組分含量均有所增加［10］。Kaur和Singh［11］對黏壤土中有機氮分析發現，有機無機肥配施下酸解有機氮較單施化肥進一步提高了7%～34%，Xu等［12］分析了壤黏土不同顆粒中有機氮含量，發現有機無機肥配施主要增加氨基糖態氮及大于2 μm粒徑中氨基酸態氮含量，隨著有機肥施用量的增加，以小于2 μm粒級中酸解有機氮含量最高［13］。

黃淮海平原被譽為中國的糧倉，該地區土壤砂粒含量高、結構較差，較大程度地影響了土壤氮素的保蓄與供應能力。因此，開展長期不同施肥措施對潮土團聚體形成及其有機氮組分變化的研究，對于深入探究施肥對潮土供氮能力及氮素轉化過程的影響具有重要意義。本研究基于黃淮海平原長期定位施肥試驗，研究長期不同施肥措施下潮土團聚結構變化特征，明確施肥對團聚體氮素形態含量與組成的影響，為制定合理的施肥措施、提升土壤肥力提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在中國科學院封丘農業生態實驗站（35°00′N，114°24′E）內進行。該地區主要氣候類型為半干旱半濕潤的暖溫帶季風氣候，年均氣溫為13.9 °C，多年平均降水量約605 mm，無霜期220 d左右。土壤類型為黃河沖積物發育形成的典型潮土，耕層土壤質地為砂壤土。

1.2 試驗設計

長期定位施肥試驗始于1989年秋季，冬小麥/夏玉米輪作一年兩熟制，試驗開始前耕層土壤（0～20 cm）的理化性質為：有機質5.83 g·kg-1、全氮0.445 g·kg-1、有效磷1.93 mg·kg-1、速效鉀78.8 mg·kg-1、pH 8.65，其他理化性質及試驗設計參見文獻［14］。為探究長期均衡施肥對土壤團聚體形成及其有機氮組分的影響，本研究選取：不施肥（CK）、化肥氮磷鉀（NPK）、1/2有機肥氮+1/2化肥氮（1/2OM）、有機肥（OM）四個處理，肥料品種分別為：尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀，施肥量見表1。

表1 各處理年施肥量Table 1 Fertilizer application rate in the experiment relative to treatment/(kg·hm-2)

1.3 樣品采集與分析

2016年10月夏玉米收獲后，采集0～20 cm土壤樣品，每個小區以“S”形多點取樣，將大塊土樣沿自然裂縫掰開，于室內避光處自然風干。采用沙維諾夫干篩法［15］對土樣進行篩分，分離獲得3種粒徑的團聚體，分別為大于2 mm、2～0.25 mm、小于0.25 mm。

土壤有機氮分級測定采用Bremner法［16］，其中，酸解有機氮（Total acidolyzable nitrogen）用凱氏蒸餾法測定，酸解銨態氮（Acidolyzable ammonia nitrogen）用氧化鎂蒸餾法測定，銨態氮和氨基糖態氮（Amino sugar nitrogen）的總量用磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸汽蒸餾法測定，氨基酸態氮（Amino acid nitrogen）用茚三酮氧化/磷酸鹽-硼酸鹽氧化法測定，差減法獲得非酸解性氮（Non-acidolyzable nitrogen）、氨基糖態氮、酸解未知態氮（Unknown-acidolyzable nitrogen）含量（見式（1）、式（2）、式（3））。土壤全氮采用半微量凱氏法測定［17］。

1.4 數據處理

供試土壤各級團聚體的質量比例及其對養分的貢獻率的計算公式如下：

試驗數據采用Excel 2010 和SPSS 21.0進行計算和單因素方差分析，利用最小顯著差異（LSD）法進行顯著性檢驗。

2 結 果

2.1 不同施肥處理土壤團聚體及全氮

各處理中大于2 mm團聚體質量比例范圍在39%～54%（圖1），1/2OM、OM顯著提高了大于2 mm團聚體質量比例（P＜0.05），較CK分別提高了13%～14%，較NPK分別增加了17%～18%，而2～0.25 mm團聚體質量比例無顯著變化。同時，施肥使耕層土壤中小于0.25 mm團聚體質量比例降低19%～37%。

圖1 不同施肥處理下土壤團聚體的質量比例Fig. 1 Mass proportion of aggregates relative to treatment

連續施肥27 a后，耕層土壤團聚體中全氮含量顯著增加（圖2 a）。與CK相比，長期單施化肥顯著提高團聚體中全氮含量，隨著團聚體粒徑減小，增加率分別為60%、68%、60%；施用有機肥進一步促進了團聚體中全氮的積累，且OM處理效果優于1/2OM，隨著團聚體粒徑減小，較1/2OM處理分別增加16%、26%、20%。各施肥處理下，不同粒徑團聚體中全氮含量由高到低依次為2～0.25 mm、大于2 mm、小于0.25 mm。

不同施肥處理中團聚體對氮素的貢獻率有所不同，如圖2b所示。施用有機肥顯著提高了大于2 mm團聚體對全氮的貢獻率，較CK增加了36%～40%，較NPK增加了21%～24%。與不施肥相比，施肥降低了小于0.25 mm團聚體對全氮的貢獻，1/2OM處理效果最為顯著。

2.2 不同團聚體有機氮含量及組成

各施肥處理下團聚體內酸解有機氮含量為147.9～837.7 mg·kg-1，占土壤全氮的36%～72%（表2）。施肥顯著增加團聚體中酸解有機氮含量，以OM處理效果最佳，較CK提高4倍（P＜0.05），較NPK提高94%（P＜0.05），且有機氮主要賦存于大于0.25 mm團聚體中。非酸解有機氮含量為253.2～497.6 mg·kg-1，占土壤全氮的28%～64%，以2～0.25 mm團聚體中分布最多。

經過27 a的培肥過程，NPK處理氨基酸態氮含量顯著高于CK，1/2OM、OM處理較NPK分別提高了27%～52%、45%～95%（表2）。CK處理中小于0.25 mm團聚體中氨基酸態氮含量最高，2～0.25 mm團聚體中含量最低，NPK、1/2OM、OM處理與之相反。團聚體中氨基酸態氮占土壤全氮的11%～23%，與單施化肥相比，有機肥主要提高了大于0.25 mm團聚體氨基酸態氮含量及分配比例。

圖2 土壤團聚體中全氮含量（a）及其對土壤全氮的貢獻率（b）Fig. 2 Content of total nitrogen in soil aggregates (a) and contribution to TN (b) of the soil relative to fraction of aggregates and treatment

酸解銨態氮含量為70.3～265.8 mg·kg-1，占全氮的15%～24%。NPK、1/2OM、OM與CK 相比分別提高了0.8倍～1.2倍、1.4倍～1.9倍、2.0倍～2.8倍，1/2OM、OM處理較NPK分別增加28%～33%、57%～73%。與其他施肥處理相比，長期單施化肥主要提高了大于2 mm團聚體中酸解銨態氮比例。

團聚體中氨基糖態氮含量最低（3.9～15.0 mg·kg-1），在土壤氮素中分配比例僅為1%～2%。各施肥處理均顯著提高了團聚體中氨基糖態氮含量，以1/2OM處理含量最高，占土壤全氮的1.1%～1.4%。團聚體中氨基糖態氮含量由高到低依次為2～0.25 mm、大于2 mm、小于0.25 mm。

酸解未知態氮含量范圍為14.4～271.6 mg·kg-1，占全氮的4%～27%。與CK相比，NPK處理酸解未知態氮含量顯著提高1.6倍～5.5倍，以大于0.25 mm團聚體酸解未知態氮含量居高；1/2OM、OM處理較NPK進一步提高了0.53倍～1.84倍。

表2 不同施肥處理下團聚體有機氮各組分含量及組成Table 2 Content and proportion of organic nitrogen in soil aggregates relative to fraction and treatment

3 討 論

3.1 長期單施化肥對潮土團聚體及其有機氮組分的影響

土壤質量的優劣與土壤團聚體數量及組成密切相關。與不施肥相比，長期施用化肥提高了耕層土壤中大于2 mm團聚體含量，與Chen等［18］結果相似。作物根系及真菌生物量是影響土壤大團聚體形成的主要生物因素［19］，化肥氮的施入有效提高作物根系和真菌數量［20］，進而影響土壤大團聚體的形成。同時，土壤中大于2 mm團聚體對全氮貢獻率最高，表明大團聚在養分保蓄方面發揮重要作用。

與其他處理相比，長期單施化肥主要提高了大于2 mm團聚體中酸解銨態氮比例。酸解銨態氮有部分源自土壤中無機態的交換性銨和部分固定態銨［21］，施用化肥增加了土壤中固定態銨的含量，有利于酸解銨態氮的累積。此外，有研究表明，化肥氮對土壤大團聚體的影響更大［20］。叢耀輝［22］研究報道：在大于2 mm團聚體中，酸解銨態氮與該粒級團聚體組成關系密切，可能是由于大于2 mm團聚體中具有較多的吸附性銨和固定態銨。1/2OM、OM處理中酸解銨態氮含量雖然增加，但是其比例低于NPK處理。

3.2 長期施用有機肥對團聚體及其有機氮組分的影響

有機質作為土壤團聚體的重要膠結物質，在其形成過程中發揮了重要作用。長期施用有機肥使土壤有機質含量大幅度提高［23］，同時增加了作物殘茬的殘留，有利于土壤團聚體的形成。本研究中，施用有機肥顯著增加了耕層土壤大于2 mm團聚體比例（圖1），改善了土壤物理性質。但是，劉中良等［24］研究表明，連續8 a大量施用有機肥減少了＞2 mm團聚體的分布，可能是由于以下兩個方面原因：一是土壤本身性質產生的差異，本研究中所用的砂性潮土，砂粒含量高、有機質含量較低，而劉中良等［24］研究所用的潮棕壤有機質含量高達191.8 g·kg-1；另一方面是施肥量不同，土壤固定有機碳的能力有限，過量輸入有機肥導致大于2 mm團聚體中有機碳更新速度加快，從而不利于大于2 mm團聚體的形成。

有機肥處理顯著提高潮土耕層土壤中氨基酸態氮和酸解未知態氮含量及分配比例。氨基酸態氮主要為蛋白質分解產物，受到土壤腐殖質和無機物（如黏土礦物和鐵鋁氧化物）的保護［25］。施用有機肥顯著增加團聚體中氨基酸態氮占全氮比例，主要是通過影響微生物“礦化-固持”改變有機氮組分結構［26］。土壤中的可礦化氮主要來自酸解有機氮，尤其是氨基酸態氮和酸解銨態氮［7,27］，施用有機肥增加了土壤中易礦化氮含量，增強土壤氮素的供應能力［28］。

3.3 長期有機無機肥配施對團聚體及其有機氮組分的影響

有機無機肥配施對團聚體的影響與OM處理相似，均促進了土壤大團聚體的形成。駱坤等［29］研究顯示，有機無機配施尤其有利于提高耕層土壤有機碳氮的活性；也有研究認為有機無機肥配施有可能加速有機物質的分解，從而影響團聚作用，這可能與有機無機肥的配比有關［30］。

本研究中，有機肥無機肥配施能顯著提高大團聚體中氨基糖態氮含量，且在大團聚體中的含量高于微團聚體，與Ding等［31］研究結果相似。主要是由于氨基糖態氮主要源于微生物細胞壁的殘留物［10］，而高有機物質投入后直接增強了多數微生物活性以及提高代謝物（包括微生物細胞壁殘留物）的產量［32］。徐陽春等［33］認為，肥料配施條件下，土壤氨基糖態氮在氮素循環轉化過程中具有較強的穩定性；也有研究［22］表明，氨基糖態氮在由黏粒向大團聚體團聚過程中起著重要的膠結作用。總體而言，氨基糖態氮含量雖然少，但是其在土壤團聚體結構形成的過程中發揮著重要作用。

4 結 論

長期施用有機肥顯著提高了潮土耕層大于2 mm團聚體的比例，同時降低小于0.25 mm團聚體質量比例，改善了土壤結構。施肥顯著影響團聚體中氮素形態及含量分布，各級團聚體中酸解有機氮組分由高到低依次為酸解銨態氮、氨基酸態氮、酸解未知態氮、氨基糖態氮。其中，長期單施化肥主要提高了大于2 mm團聚體中酸解銨態氮比例，施用有機肥顯著增加了氨基酸態氮和酸解未知態氮含量及分配比例，可有效提高土壤氮素的供應能力。