土壤活性氮動態變化及氮素可利用性對紫云英翻壓量的響應

程會丹，魯艷紅，聶軍，3，朱啟東，聶鑫，曹衛東，高雅潔，廖育林，3*

（1.湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125；2.湖南大學研究生院隆平分院，長沙 410125；3.農業農村部湖南耕地保育科學觀測實驗站，長沙 410125；4.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

肥料施用在維持糧食作物生產力方面發揮了重要作用，為保障國家糧食安全提供了重要支撐，然而大量施用化肥而忽視有機肥的施用是我國糧食生產中的突出問題。我國目前的化肥施用強度約為世界平均水平的3.9 倍[1]，但化肥對糧食增長的貢獻率從20 世紀80 年代的30%～40%下降到目前的10%左右[2]?；实拇罅渴┯貌粌H使農業生產成本增加，而且造成了肥料養分利用率偏低、環境負荷增大等問題日趨突出。綠肥是我國傳統農業的精華，已有3 000多年的種植歷史，然而在過去30年間我國綠肥的種植卻嚴重縮減。近年來政府、社會和廣大種植戶對綠肥重視度不斷提高，推動了綠肥的恢復發展，這也提升了綠肥在農業可持續發展中的作用。

紫云英作為綠肥還田具有替代部分化肥、培肥土壤、改善生態環境等作用[3]。紫云英通過生物固氮可以減少化肥氮的施用和氮素損失，對提高土壤氮素利用效率具有重要意義[4]。

國內外研究表明，紫云英翻壓還田由于直接向土壤中輸入了大量的氮素養分，能明顯提高土壤活性氮含量[5]。張帆等[6]比較了3 種綠肥對土壤微生物量氮（MBN）的影響，結果表明紫云英能明顯提高土壤MBN 含量。Yu 等[7]研究表明施用綠肥紫云英有利于提高MBN 和可溶性有機氮（DON）的含量。陳春蘭等[8]也發現紫云英與化肥配施能明顯增加土壤活性氮含量。萬水霞等[9]研究表明減量化肥與不同量紫云英配施均提高了土壤MBN 含量，其中紫云英翻壓量為22.5 t·hm-2時效果最好。然而，這些研究主要集中在土壤MBN、DON 含量方面，而對土壤氮素可利用性研究較少。另外，不同的耕作、施肥模式以及水稻不同生育時期的土壤溫度和土壤含水量均有很大差異，對土壤活性氮周年變化具有一定的影響[10]。然而目前對減量化肥紫云英不同翻壓量下土壤活性氮的動態變化研究較少。因此，本研究利用田間定位試驗，研究了紫云英不同翻壓量下土壤活性氮含量的動態變化及氮素可利用性，探討了紫云英替代化肥的生態效應和適宜翻壓量，為雙季稻田合理施用紫云英和氮肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于湖南省南縣三仙湖鄉萬元橋村（29°11′29″N，112°18′20″E），海拔30 m，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，成土母質為河湖沉積物發育的紫潮泥。該地區年降水量約1 238 mm，年平均氣溫約16.6 ℃，年日照時數約1 775 h。

1.2 試驗設計

試驗按隨機區組排列，共設7 個處理，如表1 所示。各處理紫云英翻壓前（2018 年4 月10 日）土壤基本理化性質見表2。小區面積20 m2，寬4 m，長5 m，每個處理設3 次重復。紫云英于每年晚稻收獲后播種，供試品種為湘紫1 號，播種量為22.5 kg·hm-2，盛花期測定各小區鮮草產量，并將其全部混勻后按照各處理用量進行翻壓。紫云英年均干基養分含量為N 37.5 g·kg-1、P 3.50 g·kg-1、K 37.2 g·kg-1，含水量為88.9%。施用化肥為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、氯化鉀（K2O 60%）。全量化肥用量早晚稻均為N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2。減施化肥的處理中僅氮、鉀肥減施40%。磷肥、鉀肥均作基肥施入，氮肥按基肥和追肥1∶1 施入。早稻品種為“湘早秈45號”，晚稻品種為“黃華占”。

1.3 樣品的采集與測定

土壤樣品于2018年共采集5次，分別是紫云英翻壓前10 d（S1，紫云英盛花期）、早稻分蘗盛期（S2）、早稻成熟期（S3）、晚稻分蘗盛期（S4）及晚稻成熟期（S5）。按“S”形采集0～20 cm 的耕層土壤，在每個小區中取7 點，混勻后分取一半保存于4 ℃冰箱中以測定土壤MBN和DON，剩余的土樣通風陰干，用于測定土壤全氮（TN）含量。另外，晚稻成熟期土壤樣品用于測定土壤銨態氮（-N）和硝態氮（-N）含量。早晚稻成熟后每小區單打單曬，分別測質量計產。

利用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定土壤MBN，其計算方法為熏蒸與未熏蒸土壤TN含量之差除以轉換系數KN（0.45）[11]。土壤-N、-N 用0.5 mol·L-1K2SO4浸提，過濾后使用FIAstar 5000（瑞典福斯）流動注射儀測定。土壤DON 為未熏蒸土樣浸提液中的TN 與-N 含量的差值，未熏蒸土樣浸提液TN 與-N 含量的總和即為土壤可溶性全氮（TDN）。土壤TN測定采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法[12]。

1.4 土壤活性氮及氮素有效性的計算方法

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0 軟件進行數據的處理和統計分析，對土壤TN、-N、N、MBN、DON、TDN+MBN 含量及MBN/TN、DON/TN 通過Duncan 新復極差法進行方差多重比較，在α=0.05 水平下檢驗差異顯著性；利用Pearson 相關分析檢驗水稻產量、氮素有效性及土壤活性氮之間的相關性。繪圖用Microsoft Excel 2010完成。

2 結果與分析

2.1 紫云英不同翻壓量下土壤全氮周年變化特征

不同時期各處理土壤TN 含量如圖1 所示。從各個時期分析，與CK 處理相比，除S2、S3 階段差異未達到顯著水平外，其他時期各施肥處理土壤TN 含量較CK 顯著提高，與100%CF 處理相比，不同時期紫云英與化肥配施處理均提高了土壤TN 含量，且隨紫云英翻壓量增加呈先增加后降低的變化趨勢，除S5 階段，其他時期紫云不同翻壓量處理間差異均不顯著。

表2 紫云英翻壓前土壤基本理化性質Table 2 The basic soil properties before the Chinese milk vetch application

同一處理不同時期土壤TN 含量有明顯波動，除CK 處理外，其他各處理不同時期土壤TN 含量均呈先降低后升高再降低的變化趨勢。即S1至S2時期各處理土壤TN 含量均有所降低，其中100%CF 處理及減量化肥配施紫云英22.5、37.5 t·hm-2處理差異達顯著水平；S2 至S4 時期各處理土壤TN 含量均顯著增加；S4 至S5 時期除60%CF+GM22.5處理外，其他各處理土壤TN含量均呈下降的趨勢。

2.2 紫云英不同翻壓量下土壤微生物量氮周年變化特征

施肥處理不同程度地提高了土壤MBN 含量。與100%CF 處理相比，除S1 時期紫云英翻壓量15.0 t·hm-2和S3時期紫云英翻壓量37.5 t·hm-2處理外，其他各時期紫云英不同翻壓量處理均提高了土壤MBN 含量。S3、S4 及S5 階段土壤MBN 含量均隨紫云英翻壓量增加呈先增加后降低的趨勢，但最高值處理不同，S3、S5 階段以60%CF+GM22.5處理為最高，S4 階段以60%CF+GM30.0處理為最高。

各處理不同時期土壤MBN 含量均有明顯變化，除100%CF 處理外，其他各處理不同時期土壤MBN含量呈先降低后升高再降低的變化趨勢。即S1至S2時期各施肥處理土壤MBN 含量均顯著降低；S2 至S3時期除60%CF+GM37.5處理外，其他處理均有所增加，其中CK、GM22.5、100%CF 處理差異達顯著水平；S3 至

圖1 不同施肥處理土壤全氮（TN）的動態變化Figure 1 Dynamic of soil total nitrogen（TN）under different fertilizer treatments

圖2 所示為稻-稻-紫云英輪作體系典型時期土壤MBN 含量。從各個時期來看，與CK 處理相比，各S4 時期60%CF+GM30.0和60%CF+GM37.5處理呈上升趨勢，其他處理土壤MBN 含量均呈下降趨勢；至S5 時期除100%CF 處理外，其他各處理土壤MBN 含量持續降低。

圖2 不同施肥處理土壤微生物量氮（MBN）的動態變化Figure 2 Dynamic of soil microbial biomass nitrogen（MBN）under different fertilizer treatments

2.3 紫云英不同翻壓量下土壤可溶性有機氮周年變化特征

圖3 所示為不同時期各處理土壤DON 含量。從各個時期來看，與CK處理相比，不同時期紫云英各翻壓量處理均顯著提高了土壤DON 含量（P＜0.05），但S1、S2和S5時期各紫云英翻壓量處理間差異不顯著。S3、S4 及S5 時期各紫云英翻壓量處理土壤DON 含量與100%CF 相比有所提高，S3 時期土壤DON 含量隨紫云英翻壓量增加而增加，以60%CF+GM37.5處理為最高；S4、S5時期土壤DON 含量隨紫云英翻壓量增加呈先增加后降低的趨勢，但最高值處理不同，S4 階段以翻壓量30.0 t·hm-2為最高，S5 階段以翻壓量22.5 t·hm-2為最高。

圖3 不同施肥處理土壤可溶性有機氮（DON）的動態變化Figure 3 Dynamic of soil dissolved organic nitrogen（DON）under different fertilizer treatments

各處理不同時期土壤DON 含量有明顯波動，除60%CF+GM30.0和60%CF+GM37.5處理呈先降低后升高再降低的變化趨勢外，其他各處理不同時期土壤DON含量均呈先降低后升高的變化趨勢。即S1至S3時期各處理土壤DON 含量均呈下降趨勢，除60%CF+GM22.5和60%CF+GM37.5處理差異不顯著外，其他各施肥處理均顯著降低；S3 至S4 時期除GM22.5處理外，其他各處理均增加了土壤DON 含量，其中紫云英與化肥配施各處理差異顯著；至S5 時期除60%CF+GM30.0和60%CF+GM37.5處理呈下降的趨勢外，其他各處理均有所增加，其中CK、GM22.5處理差異顯著。

2.4 土壤全氮和活性氮對紫云英翻壓量的響應

由表3 可知，與CK 處理相比，各施肥處理不同程度地提高了土壤TN、NH+4-N和NO-3-N含量，增幅分別為10.4%～21.2%、10.3%～44.1%和14.7%～52.9%。與100%CF 相比，減施40%化肥下各紫云英不同翻壓量處理均提高土壤TN、NO-3-N 含量，且隨紫云英翻壓量增加呈先增加后降低的變化趨勢，均以60%CF+GM22.5處理為最高。與100%CF 處理相比，紫云英與化肥配施處理提高了土壤MBN、DON、TDN+MBN 含量，增幅分別為7.0%～28.7%、8.5%～22.5% 和5.8%～26.6%。MBN和TDN+MBN含量以60%CF+GM22.5處理為最高，DON含量在60%CF+GM30.0處理最高。

表3 不同施肥處理土壤各形態氮含量Table 3 Soil nitrogen contents of various forms under different fertilizer treatments

2.5 土壤微生物量氮和可溶性有機氮占全氮的比例

由表4 可以看出，土壤微生物量氮與全氮比值（MBN/TN）在各個時期的變化與土壤MBN類似，即S1至S2 階段各處理MBN/TN 急劇下降，至S3 階段除60%CF+GM37.5處理外，其他各處理均有所回升，S4 階段又逐漸降低，至S5 階段除100%CF、60%CF+GM15.0及60%CF+GM37.5處理，其他各處理持續下降。本試驗中MBN/TN 在2.24%～8.00%之間變化。從全年各處理均值來看，與CK 相比，各施肥處理顯著提高了MBN/TN（P＜0.05），增加1.19～2.30 個百分點。除60%CF+GM15.0處理，其他紫云英翻壓量處理MBN/TN均顯著高于100%CF 的全年平均水平（4.20%），以60%CF+GM22.5處理為最高。

由表5 可以看出，土壤可溶性有機氮與土壤全氮比值（DON/TN）各個時期的變化與土壤DON 類似，即S1 至S3 階段降至最低，S4 階段除GM22.5處理外，其他各處理均有所回升，至S5 階段除60%CF+GM30.0、60%CF+GM37.5處理外，其他處理持續上升。本試驗中DON/TN在0.22%～0.56%之間變化。從全年各處理均值來看，與CK 相比，各施肥處理顯著提高了DON/TN（P＜0.05），增加了0.15～0.19 個百分點。紫云英各翻壓量處理DON/TN 均高于100%CF 的全年平均水平（0.42%），其中60%CF+GM30.0處理差異達顯著水平（P＜0.05），但紫云英各翻壓量處理間差異不顯著。

2.6 水稻產量、氮素有效性與土壤活性氮的相關性

圖4 表明土壤MBN 和DON 均隨著土壤TN 的增加呈線性增加趨勢，兩者呈極顯著正相關（P＜0.01）。從表6可以看出，-N和-N與土壤TN顯著相關（P＜0.05），MBN、DON、TDN+MBN、MBN/TN、DON/TN之間均極顯著正相關（P＜0.01）。早、晚稻及全年兩季稻谷產量與土壤TN、MBN、DON、TDN+MBN含量及氮素有效性均極顯著相關（P＜0.01），從相關系數來看，土壤TDN+MBN 與產量相關程度最高，說明土壤活性氮含量變化與產量的關系更為密切。

3 討論

劉春增等[15]研究表明，與單施化肥相比，單施紫云英及紫云英與化肥配施均提高了土壤TN 含量，且紫云英中氮素養分較化肥氮對土壤TN的提升效果更明顯。本研究亦表明，減施40%化肥下各紫云英翻壓量處理土壤TN 含量均高于100%CF 處理。單施紫云英也提高土壤TN 年度平均值，且略高于100%CF處理，但單施紫云英處理全年氮的投入量（101.9 kg·hm-2）遠低于100%CF處理（300 kg·hm-2），也證明了施用紫云英較化肥氮更有利于增加土壤TN含量這一結論。前人研究表明，與單施化肥相比，長期化肥配施紫云英能顯著提高土壤MBN 和DON 含量[8，16]。楊曾平等[17]研究表明長期冬種綠肥能有效提高土壤MBN含量。本研究亦表明，與100%CF 處理相比，減量化肥紫云英各翻壓量處理提高了土壤MBN 和DON 含量，這一方面可能是由于紫云英是豆科綠肥，與根瘤菌共生形成根瘤，能夠從空氣中固定氮素，翻壓還田后增加了土壤全氮含量，且相關性分析表明土壤MBN 和DON 含量與土壤TN 呈極顯著正相關關系；另一方面，紫云英與化肥配施增強了土壤微生物固定無機氮的能力，從而促進了無機氮轉化為MBN 和其他形式有機氮[18]。

表5 不同時期各處理土壤可溶性有機氮占全氮的比例（DON/TN，%）Table 5 Seasonal variation of the ratio of soil dissolved organic nitrogen to total nitrogen under different treatments（DON/TN，%）

圖4 土壤微生物量氮（MBN）、可溶性有機氮（DON）與全氮（TN）的關系Figure 4 Relationships between soil microbial biomass nitrogen（MBN），dissolved organic nitrogen（DON）and total nitrogen（TN）

表6 水稻產量、氮素有效性及土壤各形態氮的相關性Table 6 Correlation between rice yield，nitrogen availability and soil nitrogen of various forms

在本研究中，紫云英翻壓量從15.0 t·hm-2增加至22.5 t·hm-2時顯著提高了土壤MBN含量，但翻壓量超過22.5 t·hm-2時MBN 含量有降低的趨勢，原因可能是翻壓量增加的同時作物對養分的需求也提高了，從而會與土壤微生物爭奪養分。萬水霞等[9]研究發現，除70%化肥配施7.5 t·hm-2紫云英外，其他紫云英翻壓量處理土壤MBN 含量均顯著高于單施化肥處理，且隨紫云英翻壓量的增加而提高。本研究結果與前人研究結果的差異可能與氣候條件、土壤基礎肥力及化肥用量等不同有關。單施紫云英也顯著增加土壤DON 含量，且略高于100%CF 處理。這一方面是由于紫云英具有固氮作用，生長期間可吸收休閑季土壤中殘留氮素，翻壓還田后可釋放大量的DON，同時紫云英C/N 較低，還田后導致的“激發效應”也有利于提高土壤DON 含量；另一方面可能是由于外源有機物料的添加增加了土壤養分的投入，提高了微生物數量，促進作物生長，增加了根茬和凋落物，從而提高DON含量[17]。

張帆等[6]研究了紫云英還田后水稻不同生育期土壤MBN 動態變化，結果表明，土壤MBN 含量6月中旬降至最低，8 月中旬達到峰值，8 月中旬至9 月中旬逐漸減少，至晚稻成熟期（10 月中旬）又開始逐漸增加。本研究中土壤MBN 含量變化趨勢為早稻分蘗盛期最低、早稻成熟期有所回升、晚稻成熟期又逐漸降低，這與張帆等[6]研究結果有差異，可能與土壤類型、紫云英與化肥的施用量及取樣時期等不同有關。陳春蘭等[8]研究表明紫云英與化肥配施處理土壤DON含量從水稻生育期初期（4月）至7月顯著降低，7月至8 月逐漸上升，隨后又逐漸降低。與上述研究結果[8]類似，在本研究中土壤DON 含量變化趨勢為早稻成熟期（7 月中旬）最低、晚稻分蘗盛期有所回升、晚稻成熟期又逐漸降低。

本研究中土壤MBN 含量從紫云英翻壓前至早稻分蘗盛期明顯降低，主要由于分蘗盛期是水稻氮素營養需求量較大的時期，肥料釋放的可供水稻吸收的氮素不能滿足水稻生長的需求，需從土壤中吸收更多的氮素，而土壤MBN 成為植物有效氮的重要儲備庫[19]。另一方面可能是由于隨著紫云英腐解速率的降低，微生物可利用的碳源和氮源減少，導致微生物固氮量減少[20]。隨后早稻成熟期有所回升，主要是由于早稻成熟后，地下根系逐漸衰老死亡，水稻根系分泌物和殘體增加了土壤微生物可利用的碳源和氮源，促進微生物生長[21]。而晚稻分蘗盛期水稻與微生物爭奪養分，導致MBN 含量降低。但60%CF+GM30.0和60%CF+GM37.5處理土壤MBN 含量卻有所增加，這一方面可能是由于早稻生物量大，凋落物及根茬的腐解為微生物繁殖提供了新的碳源和氮源，進而提高了微生物活性；另一方面可能是由于養分供應量不同造成水稻生育期略有差異，進而對養分的需求也不同，從土壤氮素養分來看，紫云英翻壓30.0～37.5 t·hm-2時，土壤供氮量仍能夠滿足水稻對氮素的需求。至晚稻成熟期雖然有凋落物還田，但是受氣溫的影響，微生物活性較低，從而導致MBN 的含量持續降低。從紫云英盛花期至早稻分蘗盛期土壤DON 含量明顯降低，至早稻成熟期持續降低，這與MBN 的變化趨勢有所不同，可能是由于DON 含量與土壤含水量有關[8]，且MBN和DON 之間存在一定的消長動態關系[22]。至晚稻成熟期有所回升，主要是由于早稻收獲后根茬的逐漸腐解增加了DON 的溶出，溫度的升高也降低了土壤對DON的吸附。

在本研究中，減量化肥紫云英各翻壓量處理MBN/TN、DON/TN 年度平均值均高于100%CF 處理，這與劉春增等[15]研究得到的紫云英與化肥配施更有利于提高土壤氮素可利用性的結論一致。土壤MBN/TN 和DON/TN 在一定范圍內隨紫云英翻壓量的增加而提高，超過一定量時呈降低趨勢，可能是由于綠肥紫云英翻壓還田提高了微生物的數量和活性，通過同化作用使較多的氮素進入土壤活性有機氮庫中[23-24]。說明過量施用紫云英可能會降低土壤氮素的可利用性，而適量的紫云英與化肥配施更有利于提高土壤氮素可利用性。

4 結論

（1）各處理不同時期土壤TN、MBN、DON 含量及MBN/TN、DON/TN 均有明顯的季節變化，但變化趨勢有所不同。土壤TN、MBN 含量及MBN/TN 在早稻分蘗盛期明顯降低，隨后早稻成熟期有所回升，至晚稻成熟期又下降；土壤DON含量及DON/TN在早稻成熟期降至最低，至晚稻成熟期再次上升。

（2）不同紫云英翻壓量對土壤TN、MBN、DON 及MBN/TN、DON/TN 的影響趨勢一致，均呈先上升后下降的變化趨勢，但最高值處理不同。從全年平均來看，土壤TN、MBN及MBN/TN 以60%CF+GM22.5處理為最高，DON及DON/TN以60%CF+GM30.0處理為最高。

（3）在本試驗減量40%化肥基礎上，建議施用紫云英22.5～30.0 t·hm-2，可提高土壤活性氮含量和氮素可利用性。

長期稻-稻-紫云英輪作能提高氮素利用效率可能是由于增加了土壤及根際微生物的數量，改善土壤微生物群落結構，從而減少氮素養分的損失。今后還需要進一步研究長期施用紫云英對土壤及根際微生物的影響，將研究層面推向土壤-植物-微生物互作水平。