長期不同施氮量對黑土農(nóng)田土壤固定態(tài)銨含量和最大固銨能力的影響

牛明芬 ，黃彬 ，苗賀 ，陳欣 ，魯彩艷 ，朱向明

（1.沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院, 遼寧 沈陽110168； 2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所, 遼寧 沈陽 110016；3.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 黑龍江 哈爾濱 150081）

0 引言

如何科學(xué)管理農(nóng)田氮素養(yǎng)分的高效利用并預(yù)防其向大氣和深層土壤剖面遷移進(jìn)而污染環(huán)境，一直是土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點問題[1-3]。已有研究表明，土壤中礦質(zhì)氮的過量積累是造成其向大氣和深層剖面運移進(jìn)而發(fā)生損失的首要條件[4-6]。值得注意的是，土壤中一些生物和非生物過程可調(diào)控礦質(zhì)氮向有機(jī)氮或固定態(tài)銨等臨時的“有效氮素過渡庫”轉(zhuǎn)化，進(jìn)而避免氮素因過量積累而造成的損失。微生物固持作用和黏土礦物固定作用是這兩個過程的重要形式，其不僅可減少氮素過度積累所造成的損失，還可通過有機(jī)氮的再礦化以及固定態(tài)銨的釋放作用供作物持續(xù)吸收利用，進(jìn)而提高氮素的利用效率[7-10]。

土壤固定態(tài)銨是指存在于2∶1 型黏土礦物層間、不能被中性鹽所替換出來的銨離子[11]。研究表明，我國不同母質(zhì)發(fā)育的土壤其表層固定態(tài)銨含量占土壤全氮含量的比例波動在4.5% ～ 30%之間[12-13]，在土壤保氮和供氮中發(fā)揮著重要的作用。前人關(guān)于暗棕壤、黑土和黑鈣土帶土壤剖面的結(jié)果顯示，0 ～ 20 cm土層土壤固定態(tài)銨含量在230 ～ 558 kg·hm-2，占土壤全氮的比例約為4.5% ～ 9.8%之間，0 ～ 100 cm 土層固定態(tài)銨含量在826 ～ 2 440 kg·hm-2，占土壤全氮的比例為9.7% ～ 14.4%[14]?；诶鏄浔Ｗo(hù)性耕作研發(fā)基地的相關(guān)結(jié)果表明：供試黑鈣土0 ～ 40 cm 土層中具有較高的黏粒含量（占33%）和2∶1 型黏土礦物組成（占73%），土壤固定態(tài)銨含量約占全氮含量的20%；同時，運用15N 示蹤原位微區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，尿素氮施入土壤后，發(fā)生了明顯的向固定態(tài)銨庫轉(zhuǎn)化，玉米苗期的轉(zhuǎn)化比例達(dá)25%以上，且肥料來源固定態(tài)銨的當(dāng)季釋放率非常高（達(dá)95%以上），這些結(jié)果說明黑土區(qū)農(nóng)田土壤具有較強(qiáng)的固銨能力，其在保氮和供氮中發(fā)揮著不可忽視的重要作用[15]。

東北黑土區(qū)是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和商品糧基地，保持該區(qū)糧食綜合生產(chǎn)能力對于保證東北地區(qū)糧食生產(chǎn)和保障國家糧食安全戰(zhàn)略具有重大意義，構(gòu)建該區(qū)域農(nóng)田土壤科學(xué)合理的氮素養(yǎng)分高效利用技術(shù)，對于提高氮素利用效率、降低氮素?fù)p失風(fēng)險和保障糧食綜合生產(chǎn)能力是至關(guān)重要的[16]，而目前關(guān)于該區(qū)域土壤固定態(tài)銨占土壤全氮比例及其在氮素保持與供應(yīng)中發(fā)揮作用的相關(guān)研究較少。本研究依托于黑龍江省海倫市中厚層黑土的20 年長期施肥試驗，探究長期不同施氮量對土壤1 m 剖面固定態(tài)銨含量及其占全氮比例的影響，闡明不同施肥處理土壤的最大固銨潛能，為該區(qū)域氮肥科學(xué)高效利用、減少氮素?fù)p失及其對環(huán)境的危害提供理論依據(jù)[17]。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況

試驗樣地位于黑龍江省中部的海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)勝利村（47°25'N，126°46'E）。該區(qū)域無霜期為125 d，年降水量550 mm，年平均溫度1.5 ℃，有效積溫2 500 ℃，年日照時數(shù)2 500 h[18]。供試土壤類型為中厚層黑土，0 ～ 20 cm 耕層土壤有機(jī)質(zhì)50.5 g·kg-1、全氮2.42 g·kg-1、全鉀22.46 g·kg-1、速效氮209.8 mg·kg-1、速效磷24.2 mg·kg-1、速效鉀252.6 mg·kg-1。

1.2 試驗處理與設(shè)計

化肥不同施用量定位試驗開始于2002 年5 月，共設(shè)13 個處理（4 個氮肥水平、3 個磷肥水平、2 個鉀肥水平和不施肥對照處理），至2021 年底已連續(xù)運行20 年，試驗為多年傳統(tǒng)壟作，種植方式為玉米-大豆輪作，2021 年種植玉米，供試玉米采用當(dāng)?shù)刂髟云贩N寧單51，保苗6 萬株·hm-2。本文主要選取目前農(nóng)民常規(guī)量磷肥和鉀肥施用水平下的5 個不同氮肥施用量處理進(jìn)行相關(guān)試驗，具體包括為：N0P0K0、N1P2K1、N2P2K1、N3P2K1 和N4P2K1，每個處理3 次重復(fù)，每個重復(fù)小區(qū)面積為32.2m2。玉米季4 個氮肥水平的施用量分別為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 個氮肥水平的施用量分別為15 kg(N)·hm-2、35 kg(N)·hm-2、55 kg(N)·hm-2和75 kg(N)·hm-2，磷肥施用量為玉米季和大豆季均為60 kg(P2O5)·hm-2，鉀肥施用量為玉米季30 kg(K2O)·hm-2、大豆季20 kg(K2O)·hm-2，試驗樣地不施有機(jī)肥，氮肥為尿素（N% 46%），磷肥為含P2O546%的重過磷酸鈣，鉀肥為含K2O 50%的硫酸鉀?；蕿椴シN前一次性全量作為底肥施入，為防止化肥燒種、燒苗，采用壟側(cè)開溝深施的辦法。

1.3 樣品采集與處理

于2021 年10 月21 日至23 日玉米收獲后，采集上述5 個試驗處理0 ～ 100 cm 土層的土壤樣品，采樣間隔為20 cm，采完后帶回實驗室立即風(fēng)干，去除作物殘茬，過2 mm 篩混勻備用。通過四分法另取混勻的風(fēng)干樣品（約20 克）研磨，過100 目篩，用于秋季土壤樣品全氮和固定態(tài)銨含量的分析測定。

土壤最大固銨能力試驗：以2021 年10 月21 日采取的0 ～ 100 cm 剖面土壤樣品作為供試樣品，進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗，按照Allison 和孫艷等人[19-20]測定最大固銨量的方法進(jìn)行：稱取20 g 過2 mm 篩的風(fēng)干土樣置于離心管中，按液土比0.7 的比例加入1 mol·L-1的氯化銨溶液，在25 ℃條件下浸泡土壤樣品3 天，3 天后風(fēng)干土樣，過100 目篩，用于測定土壤固定態(tài)銨的含量。

土壤固定態(tài)銨含量采用Silva 和Bremner[21]提出的KOBr-KOH 方法測定，即稱取經(jīng)研細(xì)過140 目篩的土壤樣品約1 g，先用20 ml KOBr-KOH 溶液去除交換性銨根離子及有機(jī)化合物，棄去上清液；再用40 ml 0.5 mol·L-1KCl 溶液洗滌土樣3 次，傾棄上清液，加入20 ml 氫氟酸-鹽酸（HF-HCL）溶液(HF 為5 mol·L-1，HCL 為1 mol·L-1)于振蕩器上振蕩24 h；振蕩后的殘留液加入20 ml KOH（10 mol·L-1）進(jìn)行蒸餾滴定，計算固定態(tài)銨量。土壤全氮采用元素分析儀（Elementar Vario MACRO cube, Germany）進(jìn)行測定。土壤固定態(tài)銨含量、最大固銨含量以及土壤固銨容量之間的轉(zhuǎn)化可通過下列公式進(jìn)行計算：

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

利用Microsoft Excel 2016 將所有圖表的試驗數(shù)據(jù)整理為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式，通過SPSS 19.0 軟件方差分析檢驗不同土層和不同施氮量對土壤固定態(tài)銨含量和最大固銨能力的影響，當(dāng)P＜ 0.05 表示該統(tǒng)計參數(shù)在處理之間達(dá)到顯著差異水平，采用SigmaPlot 10.0 軟件進(jìn)行相關(guān)圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施氮量條件下黑土農(nóng)田秋季土壤固定態(tài)銨的累積特征

2021 年秋季土壤固定態(tài)銨含量的結(jié)果表明，不同土層、不同施氮量處理土壤固定態(tài)銨含量變化在177 ～ 205 mg·kg-1之間（圖1），長期不同施氮量對秋季土壤固定態(tài)銨含量的影響不顯著，不同采樣層次間土壤固定態(tài)銨含量明顯不同（P＜ 0.05）。0 ～ 20 cm 土層各處理土壤固定態(tài)銨含量顯著高于20 ～ 100 cm各土層（P＜ 0.05），但20 ～ 100 cm 各土層間土壤固定態(tài)銨含量差異不顯著。在0 ～ 80 cm 各土層中，不同施氮量處理土壤固定態(tài)銨含量差異不顯著；80 ～ 100 cm 土層中，N2P2K1 處理土壤固定態(tài)銨含量顯著高于N1P2K1、N3P2K1 和 N4P2K 1 處理，分別高4.4%，4.9%和2.9%（P＜ 0.05），N0P0K0 處理較N1P2K1 和N3P2K1 處理顯著增加2.9%和3.4%（P＜ 0.05）。

2021 年秋季土壤全氮含量的結(jié)果表明：不同土層、不同施氮量處理土壤全氮含量變化在0.78 ～1.65 g·kg-1之間（圖2），長期不同施氮水平對土壤全氮含量影響不顯著，但不同土層間土壤全氮含量差異顯著（P＜ 0.05），不同土層間土壤全氮含量變化依次為0 ～ 20 cm ＞ 20 ～ 40 cm ＞ 40 ～ 60 cm ＞ 60 ～ 80 cm ＞80 ～ 100 cm（P＜ 0.05）。秋季土壤固定態(tài)銨占全氮的比例變化在11.8% ～ 23.2%之間，化肥不同施氮量對土壤固定態(tài)銨占全氮比例的影響也不顯著，但不同土層間土壤固定態(tài)銨占全氮的比例明顯不同，隨著土層的加深，土壤固定態(tài)銨占全氮的比例顯著增加（P＜ 0.05）。

圖2 長期不同施氮量對土壤全氮含量和固定態(tài)銨占全氮比例的影響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 長期不同施氮量條件下土壤的最大固銨能力

通過3 天室內(nèi)培養(yǎng)試驗分析測定了不同施氮水平下不同土層土壤的最大固定態(tài)銨含量，研究結(jié)果表明：不同土層各處理土壤最大固定態(tài)銨含量變化在612 ～ 767 mg·kg-1之間（圖3）?；什煌┑繉ν寥雷畲蠊潭☉B(tài)銨含量沒有顯著影響，但不同土層間土壤最大固定態(tài)銨含量明顯不同，不同土層間土壤最大固定態(tài)銨含量依次為0 ～ 20 cm ＜ 20 ～ 40 cm ＜ 40 ～ 60 cm ＜ 60 ～ 80 cm ＜ 80 ～ 100 cm（P＜ 0.05）。

圖3 長期不同施氮量條件下土壤的最大固銨能力Fig. 3 The maximum ammonium fixation capacity of black soil under long-term different fertilizer N application rates

通過土壤最大固定態(tài)銨含量與土壤固定態(tài)銨含量計算可獲得土壤固銨容量，其研究結(jié)果表明：不同土層、不同施氮量處理土壤固銨容量變化在404 ～ 598 mg·kg-1之間，其占土壤全氮的比例變化在24.5% ～74.5%之間（圖4）?；什煌┑刻幚黹g土壤固銨容量及其占全氮比例的差異不顯著，但不同土層間土壤的固銨容量及其占全氮的比例明顯不同（P＜ 0.05），表現(xiàn)為隨著土層的加深，土壤的固銨容量及其占全氮的比例顯著增加（P＜ 0.05）。

圖4 長期不同施氮量對土壤固銨容量及其占土壤全氮比例的影響Fig. 4 Effects of long-term different fertilizer N application rates on soil ammonium fixation capacity and its proportion to soil total N

3 討論

土壤固定態(tài)銨是土壤氮素的重要儲存庫，對減少氮素?fù)p失、提高氮肥利用率起著重要的作用[22]，固定態(tài)銨一般占土壤無機(jī)氮總量的80%以上，占土壤全氮含量的10%以上[23]。文啟孝等[14]研究發(fā)現(xiàn)，全國除高山土帶和亞高山土帶外各土帶土壤中，黃棕壤的固定態(tài)銨含量最高，可達(dá)到257 mg·kg-1，磚紅壤帶內(nèi)的土壤最低，僅為48 mg·kg-1，0 ～ 20 cm 的表層土壤中，土壤固定態(tài)銨的儲量占全氮儲量的全國平均值為15%左右。本研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥措施下該區(qū)不同黑土土層間固定態(tài)銨含量為177 ～ 205 mg·kg-1，占全氮的比例為11.8% ～ 23.2%，經(jīng)3 天培養(yǎng)后測定其最大固銨含量為612 ～ 767 mg·kg-1，固銨容量為404 ～598 mg·kg-1，其占土壤全氮的比例為24.5% ～ 74.5%。由此可見，東北地區(qū)黑土相較于其他類型土壤，其具有較高的固定態(tài)銨含量。固銨容量可反映出土壤的固銨潛能，研究結(jié)果顯示供試黑土的固銨容量高達(dá)404 ～ 598 mg·kg-1，說明海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)勝利村的中厚層黑土具有較高的固銨潛能，土壤固定態(tài)銨是重要的潛在有效氮素過渡庫，其在土壤氮素保持與供應(yīng)中的作用不容忽視。同一施氮量不同土層間，固定態(tài)銨含量呈現(xiàn)遞減趨勢，但其最大固定態(tài)銨含量及其所占全氮比例均呈現(xiàn)遞增趨勢，可見深層土壤較之表層土壤固銨潛能更大。

本研究結(jié)果顯示，化肥長期施用后，不同施氮量對秋季不同土層土壤固定態(tài)銨含量無顯著影響，僅不同土層間土壤固定態(tài)銨含量差異較大，這可能是因為化肥施入土壤后，在作物生長當(dāng)季新固定的固定態(tài)銨其有效性較高，在作物需氮高峰期會迅速釋放出來供作物吸收利用，而秋季土壤中的固定態(tài)銨主要是活性較低的土壤固有的固定態(tài)銨，不受施肥量所影響。長期不同施氮量對土壤全氮和最大固銨能力的影響亦不顯著，不同土層間土壤全氮含量依次為0 ～ 20 cm ＞20 ～ 40 cm＞40 ～ 60 cm＞60 ～ 80 cm＞80 ～ 100 cm，土壤最大固銨能力隨土層的加深而顯著增加。

據(jù)相關(guān)研究顯示氮肥施入土壤后，約有50%被作物吸收利用，20% ～ 50%會殘留在土壤中[24-25]。孫昭安等[26]在研究中表示作物會從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補(bǔ)給土壤氮庫的消耗，剩余部分會通過不同途徑發(fā)生氮素?fù)p失。 結(jié)合N0P0K0 與4 組不同施氮量相對照，5 個處理間土壤最大固銨能力和全氮含量差異性并不顯著，說明單獨施加化學(xué)氮肥時，未被作物吸收利用的氮素并不會大量補(bǔ)給土壤氮庫消耗，對土壤的最大固銨能力不會產(chǎn)生顯著影響，不會顯著提高土壤的供氮保氮能力。梁國慶等[27]的研究也發(fā)現(xiàn)施用氮肥后，與不施加氮肥相對比，其剖面中各土層各形態(tài)氮含量并無明顯變化。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，另一部分殘留在表層土壤中，殘留的氮素多以地表徑流、淋溶作用或氣態(tài)途徑產(chǎn)生氮損失，僅一小部分被土壤氮庫所利用，本實驗結(jié)果所顯示未被作物利用的氮素對該地區(qū)黑土土壤氮庫消耗補(bǔ)給作用甚微，對土壤固定態(tài)銨庫亦無顯著影響。劉瀝陽等[28]研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施有機(jī)肥的施肥方式不僅可以提高作物產(chǎn)量，還可培肥土壤，降低氮肥向下淋失，減少淋溶的損失，增加土壤中固定態(tài)銨的含量[29]。秸稈還田同樣可以抑制銨態(tài)氮的硝化作用，減少土壤中硝態(tài)氮含量，從而降低土壤潛在的氮素淋溶損失，增加銨態(tài)氮向固定態(tài)銨庫的轉(zhuǎn)化[7]。所以在東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可采用化肥配施有機(jī)肥及秸稈還田的方式，增強(qiáng)土壤的供氮保氮能力，提高氮素利用效率，降低氮素?fù)p失風(fēng)險和保障糧食綜合生產(chǎn)能力。

4 結(jié)論

化肥長期施用條件下，不同施氮量對黑土農(nóng)田秋季土壤固定態(tài)銨含量、最大固銨能力和固銨容量的影響均不顯著。不同土層土壤最大固銨能力和固銨容量明顯不同，隨著土層的加深，土壤最大固銨能力和固銨容量顯著增加。土壤固定態(tài)銨占全氮的比例變化在11.8% ～ 23.2%之間，土壤固銨容量占全氮的比例在24.5% ～ 74.5%之間，說明東北黑土農(nóng)田土壤具有較高的固定態(tài)銨含量和固銨容量，土壤固定態(tài)銨作為重要的“潛在有效氮素過渡庫”，其在黑土農(nóng)田土壤保氮和供氮中的作用不容忽視。