施氮對(duì)小麥根-冠及土壤碳氮特征的影響

王麗芳，劉世潔，康 娟，馬 耕，王晨陽(yáng)

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450046)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中受人類活動(dòng)影響較大的綜合體，其土壤的碳氮庫(kù)存能力與土壤肥力直接或者間接決定農(nóng)作物產(chǎn)量。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，碳存儲(chǔ)與作物地上、地下部生物量和土壤有機(jī)質(zhì)的形式密切相關(guān)。植株固碳能力隨光合特性、凈初級(jí)生產(chǎn)力的改變而變化，其碳儲(chǔ)量亦隨植株的不斷生長(zhǎng)而提高。施氮是農(nóng)作物生產(chǎn)中常見(jiàn)的增產(chǎn)措施，影響植株地上部的光合特性及同化能力，但對(duì)作物碳庫(kù)的增加是否存在閾值效應(yīng)尚不明確。土壤碳儲(chǔ)量增加對(duì)農(nóng)田碳循環(huán)具有重要影響，能夠在微生物和酶的作用下促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)釋放更多的養(yǎng)分和能量，并綜合影響土壤的物理和化學(xué)特性，有利于植株生產(chǎn)力的增加，并提高植株地上部凋落物及地下部根系殘?bào)w輸入農(nóng)田碳循環(huán)，進(jìn)而在各種因素的作用下影響農(nóng)田土壤碳的含量及固持能力。關(guān)于農(nóng)田碳氮儲(chǔ)量的施氮效應(yīng)研究結(jié)果仍存在爭(zhēng)議，如氮添加10年后，土壤總有機(jī)碳和氮含量無(wú)顯著變化。英國(guó)洛桑試驗(yàn)農(nóng)田中土壤有機(jī)碳對(duì)150多年氮肥單施沒(méi)有顯著響應(yīng)，而土壤中氮含量提高了0.02%左右。一些其他研究發(fā)現(xiàn)氮肥施用可顯著提高土壤中0～30 cm土層的碳儲(chǔ)量。許多長(zhǎng)期試驗(yàn)表明，化肥與有機(jī)物料配施可顯著提高土壤碳和全氮含量。Alvarez認(rèn)為，在秸稈還田的條件下，施氮才能增加土壤有機(jī)碳含量，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中施用氮肥對(duì)土壤碳氮的影響程度受田間管理、土壤類型以及氣候條件的影響。

黃淮南片是我國(guó)主要的中高產(chǎn)小麥生產(chǎn)區(qū)，施氮是該地區(qū)增加小麥產(chǎn)量的主要途徑。此地區(qū)農(nóng)田以小麥-玉米輪作的集約制管理為主，施肥已成為影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳氮庫(kù)特征的常規(guī)農(nóng)藝措施。隨當(dāng)前氮肥投入量的增加，該地區(qū)的作物產(chǎn)量大幅度提高，然而長(zhǎng)期氮肥施用對(duì)小麥主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田碳氮特征影響的研究亟待加強(qiáng)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳的變化較為緩慢，短期氮添加試驗(yàn)很難監(jiān)測(cè)土壤碳庫(kù)的變化，作物根系和地上部分秸稈則是輸入土壤影響碳氮循環(huán)的主要植株殘?bào)w。本研究以長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田為對(duì)象，通過(guò)模擬氮沉降(氮添加)試驗(yàn)，分析小麥根系和冠層碳氮特征(籽粒除外)及土壤碳氮含量和儲(chǔ)量對(duì)氮添加的響應(yīng)機(jī)制，以期了解氮添加對(duì)麥田土壤碳氮相關(guān)生態(tài)過(guò)程的影響，以及為評(píng)估該區(qū)在施氮量持續(xù)增加背景下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮固持能力提供數(shù)據(jù)支持及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)自2012年7月在河南省許昌市建安區(qū)張潘鎮(zhèn)(33°59′N,113°58′E)進(jìn)行。該地區(qū)屬于黃淮區(qū)域典型冬麥區(qū)，2017-2018年小麥生長(zhǎng)季降雨量和溫度分別為295.0 mm 和 11.8 ℃，屬于溫帶季風(fēng)氣候。試驗(yàn)前供試土壤的pH值為 7.11，全氮含量為0.72 g·kg，有機(jī)質(zhì)含量為13.04 g·kg，全磷含量為0.79 g·kg，全鉀含量為6.58 g·kg，容重為1.39 g·cm。

供試冬小麥為黃淮區(qū)域廣泛種植的高產(chǎn)品種矮抗58。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)0、180、240和300 kg·hm4個(gè)施氮水平(分別用N0、N180、 N240和 N300代表)，3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為110 m(10 m×11 m)，播種量為187.5 kg·hm。冬小麥于2017年10月上旬播種，第2年5月下旬收獲。小麥播種時(shí)肥料全部基施，各小區(qū)均施PO66 kg·hm和KO 72 kg·hm。采用常規(guī)的大田耕作方式，秸稈全部粉碎還田，小麥播前翻耕，生長(zhǎng)季無(wú)追肥并根據(jù)土壤墑情進(jìn)行灌溉。各處理不同土層水分特征見(jiàn) 圖1。

1.2 土壤及植株樣品采集

2018年5月28日冬小麥?zhǔn)斋@后，清除地表凋落物，使用內(nèi)徑4.5 cm的土鉆取0～60 cm土樣(20 cm一層)，每個(gè)施氮水平下隨機(jī)取3個(gè)樣點(diǎn)混合作為一個(gè)樣本，重復(fù)3次。土樣中植株殘留物和雜質(zhì)清理干凈后，將所取土樣放入寫(xiě)有編號(hào)的自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后粉碎、過(guò)孔徑2 mm的篩備用，用于土壤碳氮含量測(cè)定。

在小麥成熟期，每小區(qū)取20個(gè)植株用于地上部測(cè)定，人工挖掘柱形土柱法(20 × 20 × 30 cm)挖取根系用于地下部測(cè)定。地上部和地下部樣分別于105 ℃殺青30 min，85 ℃烘至恒重，測(cè)定其干物質(zhì)量，并分別粉碎過(guò)100目篩，用于地上和地下部碳氮含量測(cè)定。

圖1 不同施氮水平下0～60 cm土層土壤水儲(chǔ)量(a)和累積土壤水儲(chǔ)量(b)

1.3 土壤及植株樣品分析

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，根據(jù)環(huán)刀體積和土樣所得干重計(jì)算土壤容重；采用外加熱、重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤及植株樣品的有機(jī)碳含量；采用凱氏定氮法(2300全自動(dòng)定氮儀，Sweden)測(cè)定土壤及植株樣品的全氮含量。

1.4 土壤碳氮儲(chǔ)量計(jì)算

采用下列公式分別計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(Cs)和全氮儲(chǔ)量(Ns)：Cs=SOC×BD×D/10；Ns=TN×BD×D/10。式中，Cs為有機(jī)碳儲(chǔ)量(Mg·hm)；BD為容重(g·cm)；SOC 為有機(jī)碳含量(g·kg)；D為土層深度(cm)；Ns為全氮儲(chǔ)量(Mg·hm)；BD為容重 (g·cm)；TN為全氮含量(g·kg)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用單因素的方差分析法(One-way ANOVA)，對(duì)同一土層土壤碳氮含量和儲(chǔ)量的施氮效應(yīng)進(jìn)行分析，并比較不同氮處理下根-冠的碳氮特征，通過(guò)多重比較分析不同處理間的差異顯著性。依據(jù)本試驗(yàn)?zāi)康模闹械厣喜糠值纳锪亢吞嫉卣鞣治鼍话ㄗ蚜！?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥根-冠生物量及碳氮含量對(duì)施氮量的響應(yīng)

施用氮肥顯著影響小麥根-冠生物量，對(duì)根-冠有機(jī)碳含量影響均不顯著(表 1)。施氮均顯著增加了根-冠生物量，地上部和地下部生物量分別以N180和N240處理最高，但三個(gè)施氮處理間根-冠生物量差異不顯著。施氮可顯著增加根-冠全氮含量，尤其是對(duì)地下部全氮含量影響較顯著，但施氮均顯著降低根-冠碳氮比，其中地上部碳氮比明顯高于地下部。在三個(gè)施氮處理間地上部全氮含量及根-冠碳氮比差異也均不顯著。

表1 施氮量對(duì)小麥根-冠生物量及碳氮特征的影響Table 1 Influence of different nitrogen treatments on the root-shoot biomass,organic carbon and total nitrogen characteristics of wheat

2.2 土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量對(duì)施氮量的響應(yīng)

土壤有機(jī)碳含量在相同施氮水平下整體隨土層增加而逐漸降低(圖 2)。0～20 cm土層有機(jī)碳含量最高，不同處理間無(wú)顯著差異；N240處理下20～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量低于其他處理，且與N0和N180處理差異顯著，而40～60 cm土層N240處理的有機(jī)碳含量最高，且與N300處理差異顯著。從0～60 cm土層有機(jī)碳含量平均值看，不同處理間差異均不顯著。這說(shuō)明施氮對(duì)土壤有機(jī)碳含量有一定的影響，但影響 較小。

同一土層圖柱上不同小寫(xiě)字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)。下圖同。

長(zhǎng)期施氮條件下，土壤碳儲(chǔ)量與有機(jī)碳含量表現(xiàn)出相似趨勢(shì)(圖 3)。相同施氮水平下，隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量也呈下降趨勢(shì)。在0～20和40～60 cm 土層，不同施氮水平間土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異均不顯著。在20～40 cm 土層，N240處理的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最低，且與N0和N180處理間差異顯著。從0～60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量平均值看，不同處理間差異也均不顯著。這說(shuō)明施氮對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量也較小。

圖3 施氮量對(duì)不同土層土壤碳儲(chǔ)量的影響

2.3 土壤氮含量和儲(chǔ)量對(duì)施氮量的響應(yīng)

施氮對(duì)0～20 cm土層的氮含量和氮儲(chǔ)量影響不顯著，但顯著影響20～40和40～60 cm土層的氮含量和氮儲(chǔ)量(圖 4、圖5)。在20～40 cm土層，N240處理的氮含量和氮儲(chǔ)量均顯著低于其他處理，其他處理間差異均不顯著，而在40～60 cm土層，N180和N240處理的氮含量和氮儲(chǔ)量均顯著高于其他處理。從0～60 cm土層的氮含量和氮儲(chǔ)量平均值看，施氮效應(yīng)均不明顯。

圖4 施氮量對(duì)不同土層土壤氮含量的影響

圖5 施氮量對(duì)不同土層土壤氮儲(chǔ)量的影響

2.4 土壤碳氮比對(duì)施氮量的響應(yīng)

相同施氮水平下，土壤碳氮比總體上隨土層深度增加呈降低趨勢(shì)，但同一土層的碳氮比在不同氮肥處理間差異均不顯著(圖6)，說(shuō)明施氮對(duì)土壤碳氮之間的平衡無(wú)明顯影響。

圖6 施氮量對(duì)不同土層土壤碳氮比的影響

3 討 論

小麥根-冠生物量隨著施氮量的增加而增加，但過(guò)量施氮會(huì)降低植株的光合同化能力。作物根系生物量及其分泌物對(duì)土壤中碳和氮含量具有直接作用，根系殘?bào)w在微生物和其他酶作用下，經(jīng)過(guò)土壤有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程融入土壤，成為土壤碳氮營(yíng)養(yǎng)的主要物質(zhì)來(lái)源，根系殘?bào)w分解難易程度受植株碳氮比高低的影響。本研究結(jié)果表明，地上和地下部生物量分別在施氮180和240 kg·hm處理下最高；施氮可顯著增加小麥根-冠全氮含量，尤其對(duì)地下部全氮含量影響較顯著；但施氮均顯著降低根-冠碳氮比，其中地上部的碳氮比明顯高于地下部碳氮比，施氮可促進(jìn)植株地上部的碳氮積累和地下部的氮轉(zhuǎn)運(yùn)，為土壤微生物作用提供更多的能源，進(jìn)一步增加土壤有機(jī)碳和全氮含量。

土壤有機(jī)碳含量的增減反映了植物殘?bào)w的腐解輸入和土壤呼吸、淋溶等輸出碳的動(dòng)態(tài)平衡。相同施氮水平下，土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量隨土層增加而逐漸降低。本研究中0～20 cm土層有機(jī)碳含量最高，可能是植株凋落物較大量輸入土壤上層，加之根系中細(xì)根具有較快的周轉(zhuǎn)速率，有效氮可短期內(nèi)被根系大量吸收，因此有機(jī)質(zhì)輸入到土壤中較多，導(dǎo)致表層土壤有機(jī)碳可短期內(nèi)明顯增加。隨著施氮水平的增加，0～60 cm土層總碳儲(chǔ)量先升后降，但處理間差異不顯著，這與Raun等的研究結(jié)果相似，與鐘楊權(quán)威在秸稈不還田下的研究結(jié)果不一致。這可能與本研究的秸稈還田有關(guān)，因?yàn)楦瞪锪康脑黾酉鄬?duì)于秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳?xì)w還的作用要小得多。

土壤中氮含量是調(diào)控有機(jī)碳的關(guān)鍵限制因子，土壤微生物對(duì)有機(jī)碳的分解速度通常會(huì)隨著土壤氮含量的增高而加速。本研究結(jié)果顯示，施氮對(duì)不同土層的全氮含量和土壤氮儲(chǔ)量影響不同，其中0～20 cm土層各處理差異不顯著，而施氮顯著影響20～40 cm和40～60 cm土壤氮含量和儲(chǔ)量，這與Jagadamma等認(rèn)為30 cm土層下土壤氮儲(chǔ)量不受氮添加的影響的研究結(jié)果不一致，這可能與處理?xiàng)l件、土壤分層和地理位置等因素有關(guān)。然而，不同施氮處理間0～60 cm土層氮含量平均值和氮儲(chǔ)量均差異不顯著，這與陳磊等研究結(jié)果一致，這可能因?yàn)槭┑獣?huì)提高土壤微生物利用率，加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化進(jìn)程，促進(jìn)植株對(duì)土壤氮素等營(yíng)養(yǎng)的吸收利用，從而導(dǎo)致土壤氮庫(kù)受影響較小。N180和N240處理在 40～60 cm土層的土壤氮含量和氮儲(chǔ)量均顯著高于其他處理，可能在更高氮水平下微生物活性的增加會(huì)導(dǎo)致土壤氮儲(chǔ)量的減少。

土壤碳氮比的變化可以反映微生物群落對(duì)氮的固持能力，也能夠反映碳與氮循環(huán)的相互作用及其土壤中有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定程度。土壤碳氮比在相同施氮水平下隨土層深度增加呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明7年氮肥施用后土壤下層中碳氮由于淋溶作用產(chǎn)生了一定的變化。N300處理在各土層的碳氮比較低，這與以往研究中氮肥施用量的增加降低土壤碳氮比的結(jié)果一致。土壤碳氮比低表明農(nóng)田系統(tǒng)中碳不足，這可能會(huì)影響土壤微生物對(duì)氮素的固定，造成氮素?fù)p失較多。因此，通過(guò)優(yōu)化田間施肥制度，提高土壤中有機(jī)碳含量，發(fā)揮土壤固氮潛力尤為重要。本研究有助于黃淮麥區(qū)在保證產(chǎn)量的同時(shí)選擇適宜施氮量提高作物和土壤的碳氮固持能力。

4 結(jié) 論

在定位試驗(yàn)條件下，施氮增加了小麥的根-冠生物量和全氮含量，對(duì)根-冠有機(jī)碳含量影響不顯著，降低了根-冠碳氮比，但過(guò)量施氮時(shí)，根-冠生物量、碳氮比及地上部氮含量變化不明顯。施氮對(duì)0～60 cm土層土壤碳氮含量和儲(chǔ)量影響較小。