綠肥填閑種植和施氮對旱作冬小麥農(nóng)田土壤氮組分的影響

關(guān)鍵詞： 綠肥；施氮量；旱作冬小麥；土壤氮組分

黃土高原是我國重要的旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，該地區(qū)農(nóng)田土壤普遍缺氮，持續(xù)的化肥投入在維持產(chǎn)量的同時也不可避免地帶來了氮肥利用效率下降[1]以及淋溶污染問題[2]。尋求一種農(nóng)田管理措施，在穩(wěn)定提高作物產(chǎn)量的同時兼顧生態(tài)環(huán)境效益，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。研究表明，在夏季休閑期種植綠肥具有增加地表覆蓋面積、減少水分蒸散和土壤侵蝕[3?4]等作用，綠肥翻壓返田后還能補(bǔ)充土壤養(yǎng)分供應(yīng)，有效提高土壤肥力[5]。常用的綠肥主要包括豆科和非豆科兩類，其中豆科作物可以通過根瘤菌從大氣中固定氮，從而提供土壤有機(jī)氮含量，減少后茬主糧作物對化肥的需求[6]。而非豆科綠肥通常具有更快速的生物量積累，能顯著提高有機(jī)質(zhì)的輸入[7]。與豆科或非豆科綠肥各自單播相比，二者混播還能通過作物間的協(xié)同作用來提高土壤固氮能力[7]。

作物吸收的氮素有54%～83% 來自土壤氮庫[8]，土壤全氮（STN） 是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，但因其庫存量大且變異系數(shù)小，通常對農(nóng)田管理措施的響應(yīng)時間較長，因此單獨對這一指標(biāo)的測定并不能準(zhǔn)確反映土壤供氮能力的變化情況[9]。相較于STN，土壤潛在礦化氮（PMN） 能夠更準(zhǔn)確地反映土壤的供氮潛力。土壤氮礦化主要依賴微生物驅(qū)動[10]，土壤微生物直接參與土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解過程，并形成自身的微生物生物量氮（MBN），二者共同構(gòu)成土壤氮素中重要的源和庫，且均能在一個生長季內(nèi)快速地對農(nóng)田管理措施做出響應(yīng)[11?12]。此外，土壤顆粒有機(jī)氮（PON） 被認(rèn)為是介于活性有機(jī)氮和惰性有機(jī)氮之間的中間組分，是土壤微生物的重要基質(zhì)[13]。Wang等[14]研究表明，在適當(dāng)施氮條件下，綠肥殘體等有機(jī)物返田能促進(jìn)土壤氮礦化過程，提高土壤氮素有效性。吳多基等[15]研究表明，長期有機(jī)養(yǎng)分替代部分化肥有效提高了紅壤性水稻土微生物量氮含量，促進(jìn)了土壤有機(jī)氮的礦化，且綠肥和秸稈聯(lián)合還田的效果優(yōu)于綠肥單獨還田。Yao 等[16]研究表明，在不同綠肥作物中，豆科綠肥主要通過提升粗顆粒土壤中的氮含量進(jìn)而增加土壤有機(jī)氮庫。但目前不同綠肥填閑種植對土壤供氮潛力的影響研究大多圍繞土壤全氮，而不同施氮量下種植豆科或非豆科綠肥時土壤PON、PMN 和MBN 等中活性或活性氮組分如何變化尚待進(jìn)一步深入探討。本研究基于1個為期6年的旱作冬小麥?夏季填閑種植田間定位試驗，比較分析了不同施氮量下種植豆科和非豆科綠肥對農(nóng)田土壤氮組分的影響，以期為有效提升旱地綠肥填閑種植系統(tǒng)土壤供氮潛力、促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

冬小麥?夏季綠肥種植田間定位試驗在中國科學(xué)院陜西長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站（107°44′E， 35°12′N） 進(jìn)行。該地屬于暖溫帶半濕潤大陸性易旱區(qū)，海拔1220 m，無霜期171 天，年平均氣溫9.1℃，多年平均降水量584 mm，其中超過一半的降水發(fā)生在夏季休閑期（6月下旬至9月下旬），該地區(qū)冬小麥?zhǔn)窃谟牮B(yǎng)條件下種植的。供試土壤為粉砂質(zhì)粘壤土，試驗開始時0—20 cm 土層土壤有機(jī)碳為8.3 g/kg、全氮0.8 g/kg、全磷0.66 g/kg、速效磷24.6 mg/kg、速效鉀161.39mg/kg、土壤pH 8.11、土壤容重1.3 g/cm³。

1.2 試驗設(shè)計

田間定位試驗開始于2017 年6 月，采用夏季綠肥和氮肥雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，其中綠肥作物為主處理，包括長武懷豆（SB）、蘇丹草（SG）、懷豆與蘇丹草混播（MIX） 3種綠肥處理和裸地休閑對照（CK），副處理氮肥用量設(shè)計0、60 和120 kg/hm² 3個水平，總計12個處理。每個處理重復(fù)3 次，共計36 個小區(qū)。小區(qū)寬6.7 m、長10 m，小區(qū)間距1 m。

綠肥在每年6 月底前冬小麥?zhǔn)斋@后播種，其中SB處理中長武懷豆播種量為70 kg/hm²，SG 處理中蘇丹草播種量為35 kg/hm²，MIX 處理中長武懷豆和蘇丹草播種量分別為35 和17.5 kg/hm²。氮肥（尿素） 在每年9 月底小麥播種時隨種子一起撒入，同時所有處理均施入磷肥（P2O5） 90 kg/hm² 作為底肥?？紤]到本地土壤鉀素豐富，本試驗中未配施鉀肥。本研究中的氮肥用量（120 kg/hm²） 低于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶氮肥平均用量（240 kg/hm²）[17]。所有綠肥在每年9 月中旬收割，并使用旋耕機(jī)翻壓入土，兩周后進(jìn)行小麥播種。供試冬小麥為本地常規(guī)品種‘長武134’，種植方法為旱地壟作，小麥和綠肥生長期間均無灌溉，采用人工除草以控制雜草，必要時使用殺蟲劑來控制害蟲。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 土壤樣品采集于2023 年6 月底小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行，采用“S”形5 點取樣法在各小區(qū)分別采集0—10、10—20 和20—40 cm 土層樣品，土芯直徑為2.5 cm，然后按土層分別進(jìn)行混合，將樣品儲存在密封的塑料袋中，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，風(fēng)干后去除植物殘茬、根系物質(zhì)和石礫后過2 mm 篩備用。在試驗開始后的每年9 月中旬，采用樣方法對綠肥地上生物量進(jìn)行采樣，采樣時將1 m×1 m 的樣方隨機(jī)放置于小區(qū)內(nèi)，沿地表2 cm 左右刈割地上部分，帶回實驗室于105℃ 殺青30 min，然后70℃烘干至恒重。

1.3.2 STN、PON、PMN、MBN 的測定方法

1） STN 含量采用元素分析儀法[18]進(jìn)行測定。將風(fēng)干后的土樣過0.15 mm 篩，然后使用EA3000 元素分析儀測定STN 含量。

2） PON 含量采用六偏磷酸鈉分散法[19]測定。稱取10 g 土樣置于小白瓶中，加入30 mL 5 g/L 的六偏磷酸鈉溶液，在往復(fù)式震蕩儀上震蕩分散16 h。取出溶液過0.053 mm 篩，用清水沖洗直至瀝濾液澄清；將篩上的土樣用水沖洗至燒杯中，在55℃ 烘干至恒重，使用EA3000 元素分析儀測定氮含量，將烘干樣品中氮含量換算為單位質(zhì)量土樣對應(yīng)的有機(jī)氮含量，即為PON 含量[19]。

3） PMN 含量采用密閉培養(yǎng)法[20]測定。取10 g 土樣置于小白瓶中，用小滴管加入1～1.5 mL 蒸餾水調(diào)節(jié)土壤濕度至50% 的田間持水量，并用小刀刮勻，置于盛有20 mL 蒸餾水的廣口瓶中，在25℃ 下密閉培養(yǎng)10 天；10 天后取出小白瓶，加入2 mol/L 氯化鉀溶液50 mL 在搖床上震蕩1 h，使用Cleverchem 200間斷元素分析儀測定浸提液中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量之和在密閉培養(yǎng)前后的差值乘以換算系數(shù)5，即為PMN 含量[20]。

4） MBN 含量采用氯仿熏蒸法[21]測定。取10 g 土樣按照上述密閉培養(yǎng)法培養(yǎng)10天后，取出土樣使用氯仿熏蒸24 h，然后再將其置于盛有20 mL 蒸餾水的廣口瓶中，在25℃ 下繼續(xù)密封培養(yǎng)10天。10天后采用與PMN 相同的方法浸提土樣并上機(jī)測定。銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量之和在熏蒸前后的差值乘以換算系數(shù)5，即為MBN 含量[21]。

1.3.3 年均氮輸入 年均氮輸入采用Sainju[22]提出的方法進(jìn)行計算，包括施氮量和生物固氮量。生物固氮量使用豆科作物氮素吸收量的70% 來計算，MIX 處理的生物固氮量是通過測定其中豆科作物地上生物量來計算的。各處理的綠肥地上生物量全部歸還土壤情況下，對于含有長武懷豆的處理，生物固氮量計算公式如下：

生物固氮量= 0.7×1.33×長武懷豆氮濃度×地上生物量

式中，根據(jù)前期測定結(jié)果[23]，長武懷豆的氮濃度為28.9 g/kg。

不同處理下年均氮輸入計算結(jié)果見表1。

1.3.4 氮組分儲量 土壤氮組分儲量計算公式如下：

氮組分儲量=氮組分含量×h×ρ×10

式中，h 為土層厚度，單位為cm；ρ 為土壤容重，0—10、10—20 和20—40 cm 土層容重分別為1.24、1.43和 1.38 g/cm³[23]；10 為轉(zhuǎn)化系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 處理數(shù)據(jù)以及繪制圖表，用Origin 2021 軟件制圖，運(yùn)用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，處理間差異采用鄧肯法（Duncan） 進(jìn)行分析，顯著性差異水平設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮

綠肥種植對各土層STN 含量均沒有顯著影響，而施氮顯著影響了10—20 cm 土層STN 含量（表2）。與不施氮相比，10—20 cm 土層STN 含量在施氮60 kg/hm2 下顯著提高了6.30% （圖1）。

2.2 土壤顆粒有機(jī)氮

綠肥種植對0—10 和20— 40cm 土層土壤PON 含量及其相對含量具有顯著影響，施氮對10—20 cm 土層土壤PON 含量及其相對含量有顯著影響（表2）。

在0—10 cm 土層，與CK 處理相比，SB、SG和MIX 處理PON 含量分別顯著提高了54.8%、25.8%和54.8%，且SB 和MIX 處理較SG 均顯著提高了23.1%；在20—40 cm 土層，與CK 處理相比，SB和MIX 處理PON 含量分別顯著提高了42.8% 和38.1%，而SG 處理沒有顯著提高PON 含量。與不施氮和施氮60 kg/hm² 相比，施氮120 kg/hm² 10—20 cm土層土壤PON 含量分別顯著提高了13.8% 和17.9%。隨著土層的加深，所有處理PON 含量均呈下降趨勢（圖2）。

供試土壤PON 占STN 的19.0%～34.1%。在0—10 cm 土層，與CK 處理相比，SB、SG 和MIX處理PON/STN 分別顯著提高了53.9%、32.9% 和59.2%，且SB 和MIX 處理較SG 分別顯著提高了15.8% 和19.8%；在20—40 cm 土層，與CK 處理相比，SB、SG 和MIX 處理PON/STN 分別顯著提高了31.2%、20.6% 和42.5%，且MIX 處理較SG 顯著提高了18.2%。與施氮60 kg/hm² 處理相比，施氮120 kg/hm² 處理10—20 cm 土層土壤PON/STN 顯著提高了20.9% （圖2）。

2.3 土壤潛在礦化氮

綠肥種植對各土層土壤PMN 含量均有顯著影響，而施氮僅影響了0—10 cm 土層PMN 含量（表2）。在0—10 和10—20 cm 土層，與CK 處理相比，種植綠肥PMN 含量分別顯著提高了9.7%～14.1% 和11.2%～13.7%，且不同綠肥處理間差異不顯著。在20—40 cm 土層，與CK 處理相比，SB 和MIX 處理PMN 含量分別顯著提高了9.8% 和10.7%，而SG 處理與CK 處理相比差異不顯著。在0—10 cm 土層，PMN 含量隨著施氮量的增加而增加。與不施氮相比，施氮60 和120 kg/hm² PMN 含量分別顯著提高了7.8% 和10.8%。隨著土層加深，各處理PMN 含量均呈下降趨勢 （圖3）。

供試土壤PMN 占STN 的1.52%～1.93%。綠肥種植對0—10和10—20 cm 土層PMN/STN 均有顯著影響，而施氮僅影響了0—10 cm 土層PMN/STN（表2）。在0—10cm 土層，與CK 相比，種植綠肥PMN/STN 顯著提高了11.7～16.2%，且不同綠肥處理間沒有顯著差異；在10—20 cm 土層，與CK 相比，SG 處理PMN/STN 顯著提高了14.5%。在0—10cm 土層，PMN/STN 隨著施氮量的增加而增加，其中施氮120 kg/hm² 較不施氮PMN/STN 顯著提高了10.4% （圖3）。

2.4 土壤微生物量氮

綠肥種植對0—40 cm 各土層土壤MBN 含量及其相對含量均有顯著影響，而施氮的影響僅體現(xiàn)在0—10 和10—20 cm 土層（表2）。

在0—10 和20—40 cm 土層，與CK 處理相比，種植綠肥MBN 含量分別顯著提高了15.1%～24.1%和22.3%～32.5%，且SB 處理較SG 分別顯著提高了7.79% 和8.31%；在10—20 cm 土層，與CK 處理相比，SB、SG 和MIX 處理MBN 含量分別顯著提高了28.8%、18.2% 和21.0%，且SB 處理較SG 和MIX 分別顯著提高了8.93% 和7.62%。在0—10 和10—20 cm 土層，MBN 含量隨著施氮量的增加而增加，其中施氮120 kg/hm² 處理較不施氮分別顯著提高了9.94% 和10.72%。隨著土層加深，MBN 含量呈逐漸下降趨勢 （圖4）。

供試土壤MBN 占STN 的1.54%～2.16%。在0—10、10—20 和20—40 cm 土層，與CK 處理相比，種植綠肥MBN/STN 分別顯著提高了20.6%～21.9%、21.4%～27.9% 和23.0%～30.9%，且不同綠肥處理間沒有顯著差異。與不施氮和施氮60 kg/hm²處理相比，在0—10 cm 土層，施氮120 kg/hm² 處理MBN/STN 分別顯著提高了9.77% 和9.14%，在10—20 cm 土層，MBN/STN 分別顯著提高了7.91%和8.52% （圖4）。

2.5 相關(guān)性分析

STN 與年均氮輸入在3 個土層均不存在線性相關(guān)關(guān)系，而PON、MBN 與年均氮輸入在各土層均呈顯著正相關(guān)。除在10—20 cm 土層外，PMN 也與年均氮輸入呈顯著正相關(guān)（圖5）。STN、PON、PMN、M BN 兩兩之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（表3 ）。與PMN 和MBN 相比，PON 與STN 的相關(guān)系數(shù)最大，表明PON 可以更好地指示STN 的早期變化。

3 討論

與傳統(tǒng)裸地休閑相比，夏閑期種植綠肥并未使旱作冬小麥農(nóng)田STN 含量增加（圖1），這與姚致遠(yuǎn)等[24]在黃土高原地區(qū)的研究結(jié)果一致，表明土壤全氮這一指標(biāo)對綠肥種植管理的響應(yīng)并不顯著。施用氮肥可以影響微生物的數(shù)量、組成和活性，加快分解土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤供氮能力[25]，本研究中施用氮肥后10—20 cm 土層STN 含量顯著增加證實了這一點（圖1）。

PON 是土壤中的半活性氮組分，對表層土壤植物殘體的積累非常敏感，可作為土壤有機(jī)氮庫變化的早期指示指標(biāo)[26]。本研究中，綠肥種植較裸地休閑顯著提高了0—10 和20—40 cm 土層土壤PON 含量，且SB 和MIX 處理顯著高于SG 處理（圖2）。黃璐等[27]在黃土高原東南部的研究也表明，與其他綠肥作物相比，冬小麥休閑期種植翻壓大豆使得土壤PON 含量增加了31%。這可能是因為富氮、低碳氮比的綠肥殘體以及根系分泌物的輸入可以有效促進(jìn)土壤團(tuán)聚作用，加強(qiáng)土壤團(tuán)聚體對有機(jī)氮的保護(hù)，從而提高PON 含量[16]。施氮也能通過刺激作物根系生長，促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成進(jìn)而提高PON 含量[28]。本研究中施用氮肥顯著提高了10—20 cm 土層土壤PON 含量也證實了這一點（圖2）。PON/STN 可以反映土壤中有機(jī)氮可礦化比例大小[29]，其值越大，土壤供氮能力越強(qiáng)。本文PON/STN 變化范圍為19.0%～34.1%，與龔偉等[30]報道的20.8%～28.5% 相似。Qiu 等[31]在中國東北地區(qū)玉米地的研究表明，與CK 相比，施氮顯著增加了PON 含量以及PON/STN。本研究中，綠肥種植和施氮均顯著提高了PON/STN（圖2），表明綠肥配施氮肥能夠有效提高冬小麥農(nóng)田土壤供氮能力。

PMN 是衡量微生物對土壤有機(jī)氮礦化潛力的指標(biāo)，其占土壤全氮的比例越大，表明有機(jī)氮的穩(wěn)定性越差。根據(jù)Liu 等[32]的研究，我國農(nóng)田土壤平均氮潛在礦化量為30.8 mg/g，略高于本結(jié)果，這可能是因為本研究供試土壤pH 偏堿性所致。根據(jù)前人報道，土壤氮礦化率與pH 呈顯著負(fù)相關(guān)[32?33]，高pH環(huán)境會抑制土壤氮礦化，降低土壤潛在礦化能力[34]。與裸地休閑相比，不同綠肥處理顯著提高了0—10、10—20 cm 土層PMN 含量，這可能是因為綠肥翻壓入土后，殘體腐解釋放了大量氮素，氮輸入使得PMN增加[35]。施氮顯著增加了表層土壤PMN 含量（圖3），這與Hu 等[36]的研究結(jié)果一致。本研究中，綠肥種植和施氮均顯著提高了0—20 cm 土層PMN/STN （圖3），這可能是因為微生物是土壤氮礦化過程中的主要驅(qū)動因子[37?38]，而新鮮殘茬與無機(jī)氮的輸入可以刺激微生物活動，進(jìn)而提高了土壤全氮中可礦化部分所占比例。

MBN 能夠指示土壤中被微生物所固定的氮，與PMN 一起被認(rèn)為是土壤有機(jī)氮庫的活性組分[39]。與裸地休閑相比，綠肥種植均顯著提高了0—40 cm 所有土層土壤MBN 含量（圖4）。近期的一項Meta 分析結(jié)果也表明，綠肥填閑種植使土壤MBN 含量提高了51%[40]。這可能是因為綠肥翻壓入土后能為微生物群落提供穩(wěn)定的底物供應(yīng)， 使微生物快速增殖[41]。本研究中SB 較SG 處理顯著增加了MBN 含量，這可能是豆科綠肥較非豆科綠肥增加了年均氮輸入所致。施氮顯著提高了0—20 cm 土層MBN 含量（圖4），這與葉子壯等[42]的報道一致。本試驗中最高施氮量低于旱作農(nóng)田常規(guī)施氮量（240 kg/hm² ），Treseder[43]研究亦表明，在氮負(fù)荷較低和持續(xù)時間較短的研究中，施氮使得MBN顯著提高。本試驗中MBN/STN 變化范圍為1.54%～2.16%，這與羅雪梅等[44]報道的1.32%～2.45% 相近。與裸地休閑或不施氮相比，綠肥種植顯著提高了所有土層MBN/STN，施氮顯著提高了0—10 cm以及10—20 cm 土層MBN/STN （圖4），表明綠肥翻壓入土和施氮均刺激了微生物代謝活動[1，45]，使得微生物更多地將氮素固定在自身體內(nèi)，增加了微生物的氮固持。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的裸地休閑相比，在黃土高原冬小麥夏季休閑期種植綠肥并未顯著影響土壤全氮含量，但通過提高系統(tǒng)年均氮輸入進(jìn)而提高了土壤顆粒有機(jī)氮、潛在礦化氮和微生物量氮及其相對含量，有效提高了土壤供氮潛力。與非豆科綠肥相比，豆科綠肥顯著提高了耕層土壤顆粒有機(jī)氮以及微生物量氮含量。氮肥施用提高了耕層土壤氮組分含量及其相對含量，但施氮與綠肥種植之間對氮組分的影響不存在交互作用。土壤全氮與其余氮組分兩兩間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中顆粒有機(jī)氮較其它組分更能指示土壤供氮能力變化。綜合來看，在黃土高原冬小麥單作系統(tǒng)中，引種豆科綠肥作物（例如長武懷豆） 和施氮120 kg/hm² 能顯著提高農(nóng)田土壤氮組分含量和供氮潛力，促進(jìn)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展。