氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分及土壤微生物量的影響

趙 莉

(淄博職業學院 制藥與生物工程系, 山東 淄博 255314)

氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分及土壤微生物量的影響

趙 莉

(淄博職業學院 制藥與生物工程系, 山東 淄博 255314)

采用人工氮添加研究了紫花苜蓿根區土壤養分及微生物量對不同氮添加水平[CK；低氮LN，10 g/(m2·a)；中氮MN，20 g/(m2·a)；高氮HN，30 g/(m2·a)]的響應。結果表明：氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分及微生物量的影響表現為正的增加效應，對根區土壤全氮含量無明顯影響(P>0.05)；土壤養分及微生物量隨氮素的添加呈先增加后降低趨勢，均表現為MN>HN>LN>CK，以中水平的氮添加對紫花苜蓿根區土壤微生物量增加效應最為明顯；除了土壤全氮以外，不同水平的氮添加處理下土壤養分和微生物量均與CK達到差異顯著水平(P<0.05)；紫花苜蓿根區土壤微生物量對氮添加的敏感性高于土壤養分，其中土壤活性有機碳是不同水平氮添加處理后紫花苜蓿根區土壤養分變化的敏感指標。Pearson相關性分析表明，土壤微生物量和土壤養分與土壤含水量之間具有較強的正相關，二者與土壤pH有較強的負相關，表明了氮添加處理下紫花苜蓿根區土壤理化因子、養分和微生物量等地下生態系統各指標之間的統一性及相互作用和影響。

氮添加; 紫花苜蓿; 根區; 土壤養分; 土壤微生物量

氮素是植物所需的基本元素之一，在植物的生長過程有著重要作用[1-3]。植物—土壤系統是一個相互作用、相互影響的有機整體，一方面，植物的生長以土壤作為基礎支撐通過根系吸取養分，另一方面，植物生長及其覆蓋也在不斷改變著土壤理化性狀及微生態環境[4-5]，植物根系分泌有機物質不斷地進行呼吸，影響土壤理化性質及養分分布特征等[6-7]。

紫花苜蓿(Medicagosativa)屬多年生優質牧草，產量高、品質好、抗逆性強、適應性強、營養豐富、生態適應性廣、較好的固氮能力和保持水土功能等[8-10]，有利于調節氣候和改善農業生態環境，在生長發育過程中依靠土壤中的養分遠遠不夠，其中施氮是調節和控制紫花苜蓿營養物質平衡的一項重要措施[11-12]。由于紫花苜蓿是各部分協調的生命系統，氮添加會改變植物生長過程中各產物的分配與轉運以及根系的分泌等生理生態活動等，這些變化將對植物根區土壤生態環境產生一定的影響[8-10,13-14]。近年來，國內外學者對紫花苜蓿的研究多集中于施肥水平對其產量的影響，尚未涉及氮添加條件下紫花苜蓿根區土壤養分的響應情況。鑒于此，本試驗研究和探討了不同程度的氮素添加對紫花苜蓿根區土壤養分的影響，旨在了解氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分的影響，確定紫花苜蓿生長所需最佳氮素添加，從而為紫花苜蓿合理建設、高效生產以及可持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗場地位于山東農業大學校內農場，冬季少嚴寒，年均氣溫10～15℃，最冷月(1月)平均氣溫-6.0℃左右，最熱月(8月)平均氣溫28.6℃左右，年降雨量800～1 200 mm，無霜期200～250 d，適合紫花苜蓿生長。

1.2 試驗材料及樣地設置

供試材料為紫花苜蓿，根據紫花苜蓿基本生理特性和同類氮添加試驗及當地氮沉降量設置3個氮添加水平：低氮添加[LN，10 g/(m2·a)]、中氮添加[MN，20 g/(m2·a)]和高氮添加[HN，30 g/(m2·a)]，以無氮添加為對照(CK)，試驗地原作菜地，試驗前測定土壤養分及理化性質各指標，土壤pH值為8.2，含水量為9.23%，容重為1.47 g/cm3，電導率為69 μs/cm，有機碳含量為14.28 g/kg，活性有機碳含量為1.34 g/kg，全氮含量為2.16 g/kg，堿解氮含量為36.51 mg/kg，全磷含量為2.07 g/kg，有效磷含量為53.84 mg/kg，微生物量碳為57.81 mg/kg，微生物量氮為11.35 mg/kg，微生物量磷為8.27 mg/kg。

隨機區組設計(包括對照)12個小區，每個小區3 m×4 m=12 m2，各小區間保留10 m寬緩沖帶，2013年4月1日開始整地，4月中旬進行穴播，株距35 cm，行距45 cm，每穴3～5粒，待種子發芽后(5月下旬)進行首次施氮，添加氮素為NH4NO3，采用NH4NO3混合20 L自來水均勻噴灑，對照組沒有氮添加僅施加20 L自來水。于8月采用相同方法再次等量施加氮素，11月中旬采集紫花苜蓿根區土壤，每個小區重復3次，每次取樣分為2份，一份用塑封袋盛裝用于測定土壤含水量、理化性質及養分各指標，另一份迅速于4℃保溫箱保存測定土壤微生物量，并在取樣點附近取相應的環刀土測定土壤容重。

1.3 測定方法

新鮮土樣采用烘干法測定土壤含水量以后自然風干(20 d)去除有機碎片后過2 mm篩，pH采用電極電位法測定(1∶5.0土水比)；電導率EC采樣P4多功能測定儀(Multiline P4 Universal Meter，WTM公司，Germany)測定；然后研磨過0.5 mm篩用于土壤養分測定；有機碳采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；全磷采用NaOH堿溶—鉬銻抗比色法測定(日產UV-1601分光光度計)；有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定(意大利產DK6，UDK140分析儀)；堿解氮采用NaOH—H3BO3法測定[15]；4℃保存的新鮮土樣中采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法測定土壤微生物量碳、氮、磷，將浸提液解凍,過濾后直接在Multi N/ C3000(德國)上測定，其中氯仿熏蒸殺死的微生物體中的碳、氮被浸提出來的比例分別為0.38，0.45[16]。

統計分析：Excel 2003和SPSS 18.0進行數據統計和方差分析，LSD進行多重比較(顯著水平設置P<0.05)和單因素方差分析(One-way ANOVA)，Pearson相關系數檢驗土壤養分及微生物量與土壤理化性質之間的關系，Origin 7.5作圖。

2 結果與分析

2.1 氮添加對紫花苜蓿根區土壤理化性質的影響

土壤容重是土壤緊實度和土壤結構的評價指標，由圖1可知，隨氮素的添加紫花苜蓿根區土壤容重呈降低趨勢，說明氮添加減小了土壤容重，使得土壤緊實度增加，土壤結構變差，這與紫花苜蓿根系在土壤中的空間分布有關。

土壤含水量受大氣降水、地表蒸發、植物吸收蒸騰及土壤特性等影響，土壤含水量氮素的添加呈先增加后降低趨勢，并且各水平的氮添加均與對照達到顯著差異水平(P<0.05)，中度氮添加水平達到最大，表現為MN>HN>LN>CK，說明了氮添加在一定程度上增加了紫花苜蓿根區土壤入滲和持水能力，從而增加了土壤含水量。

土壤pH值受氮添加的影響則不顯著，整體來看，土壤pH值隨氮素的添加呈先降低后增加趨勢，并且均小于對照，中度氮添加水平最小，與對照達到顯著差異水平(P<0.05)，但低水平和高水平的氮添加與對照均為達到顯著差異水平(P>0.05)，說明了氮添加一定程度上降低了紫花苜蓿根區土壤pH，從而促進了根區養分的吸收和利用。

不同水平的氮添加顯著影響了紫花苜蓿根區土壤電導率，土壤電導率隨氮素的添加呈逐漸增加趨勢，增加的幅度逐漸減弱，并且各水平的氮添加均與對照達到顯著差異水平(P<0.05)，在高氮添加水平達到最大值，說明了氮添加在一定程度上增加了紫花苜蓿根區土壤可溶性離子數目，進而增加了根區土壤電導率。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

圖1氮添加對紫花苜蓿根區土壤理化性質的影響

2.2氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分含量的影響

由圖2可知，氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分具有較大影響，隨氮素含量的增加土壤各養分平均含量呈先上升后下降趨勢，總體表現為MN>HN>LN>CK，除了土壤全氮以外，不同水平的氮添加處理下土壤養分指標均與CK達到差異顯著水平(P<0.05)，說明氮添加能夠增加紫花苜蓿根區土壤養分含量，但對土壤全氮含量沒有顯著的增加效應，對土壤其他養分具有顯著增加效應，以中度水平的氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分含量增加效應最為明顯。綜合比較可知，氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分表現為迅速增加的過程，與對照相比，不同水平氮添加(LN，MN，HN)處理下土壤有機碳分別增加了27.45%，53.80%，41.18%；活性有機碳分別增加了33.57%，88.73%，66.20%；全氮分別增加了19.26%，16.06%，2.75%；堿解氮分別增加了34.6%，58.3%，51.7%；全磷分別增加了54.73%，64.21%，32.63%；有效磷分別增加了33.48%，50.54%，47.30%；其中土壤活性有機碳的增加幅度高于土壤其他養分指標，說明氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分含量具有明顯影響，這可能是由于氮添加后紫花苜蓿根區需要吸收較多的土壤養分以供生長繁殖，從而導致紫花苜蓿根區土壤養分明顯增加，然而對土壤活性有機碳的增加效應高于土壤其他養分指標，說明了土壤活性有機碳是不同水平氮添加處理后紫花苜蓿根區土壤養分變化的敏感指標。此外，通過不同水平氮添加處理后紫花苜蓿根區土壤各養分的均值及標準誤差計算可得，氮添加處理下土壤有效養分變異系數較高，說明氮添加對土壤有效養分的空間變異影響較大。

2.3 氮添加對紫花苜蓿根區土壤微生物量的影響

由圖3可知，氮添加對紫花苜蓿根區土壤微生物量的影響與土壤養分保持一致，也即隨氮素含量的增加土壤微生物量呈先上升后下降趨勢，總體表現為MN>HN>LN>CK，并且不同水平的氮添加處理下土壤微生物量均與CK達到差異顯著水平(P<0.05)，說明氮添加能夠增加紫花苜蓿根區土壤微生物量，對土壤微生物量具有顯著增加效應，以中度水平的氮添加對紫花苜蓿根區土壤微生物量增加效應最為明顯。與對照相比，不同水平氮添加(LN，MN，HN)土壤微生物量碳分別增加了62.80%，79.99%，62.85%；微生物量氮分別增加了69.23%，90.59%，75.21%；微生物量磷分別增加了86.96%，98.91%，79.35%。

圖2 氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分的影響

圖3 氮添加對紫花苜蓿根區土壤微生物量的影響

2.4紫花苜蓿根區土壤理化性質與土壤養分的相關關系

紫花苜蓿根區土壤理化性質與土壤養分和土壤微生物量的Pearson相關關系如表1所示，由表1的結果可知：土壤含水量與有機碳、活性有機碳、全氮、全磷、有效磷、微生物量碳和微生物量磷呈極顯著正相關(P<0.01)，與堿解氮和微生物量氮呈顯著正相關(P<0.05)；土壤容重有機碳、活性有機碳、有效磷、和微生物量碳呈極顯著負相關(P<0.01)，與全氮和微生物量氮呈顯著負相關(P<0.05)；土壤pH與活性有機碳和微生物量碳呈極顯著負相關(P<0.01)，與有機碳、全氮、有效磷、微生物量氮呈顯著負相關(P<0.05)；土壤電導率與活性有機碳呈極顯著正相關(P<0.01)，與有機碳、全氮、有效磷、微生物量碳和微生物量磷呈顯著正相關(P<0.05)。

表1 紫花苜蓿根區土壤理化性質與土壤養分的相關關系

**相關性在0.01水平上顯著(雙尾)，*相關性在0.05水平上顯著(雙尾)。

3 討論與結論

氮添加對紫花苜蓿根區土壤理化性質、土壤養分和土壤微生物量均具有一定的影響(圖1，2，3)，由此表明紫花苜蓿根區微環境對于氮添加較為敏感。圖1的結果表明氮素促進了紫花苜蓿根系的大量生長和繁殖，增加了根區土壤的孔隙，從而導致根區土壤容重的降低[17-19]；并且紫花苜蓿通過降低根區pH，增加根區土壤養分的溶解而提高土壤養分和有效養分含量[10,20-23]；結合表1的結果來看，氮素添加增加紫花苜蓿根區土壤養分和微生物量主要是由于增加了根區土壤含水量和降低了根區土壤pH的共同作用結果。

綜合圖2和3可知，氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分及微生物量的影響表現為正效應，不同水平的氮添加均能顯著提高紫花苜蓿根區土壤養分和微生物量，隨氮素的添加土壤養分和微生物量均呈先增加后降低趨勢，表現為MN>HN>LN>CK，對紫花苜蓿根區土壤全氮含量的影響不顯著(P>0.05)，但土壤全氮含量均高于對照，說明氮添加有利于紫花苜蓿根區土壤氮素的積累。從整體上來看，氮添加對紫花苜蓿根區土壤全氮影響也表現為正效應，主要是由于紫花苜蓿具有固氮作用，有利于提高土壤氮素含量，隨著生長的發育其根部形成大量的根瘤菌，固氮功能增強，將空氣中的氮素固定到土壤中，同時根系產生一些有機分泌物和部分腐爛根系，增加土壤中的養分[21,24-25]。通過進一步的分析可知，氮添加對紫花苜蓿根區土壤微生物量的增加幅度明顯高于土壤養分，也即土壤微生物量對于氮添加的敏感性高于土壤養分，說明紫花苜蓿根區土壤系統內部因子處于動態變化和平衡中，而不同水平的氮添加影響紫花苜蓿根區微生態環境[18,25]。由表1的結果可知，土壤微生物量和土壤養分與土壤含水量之間具有較強的正相關，二者與土壤pH有較強的負相關，表明了氮添加處理下紫花苜蓿根區土壤理化因子、養分和微生物量等地下生態系統各指標之間的統一性及相互作用和影響。

氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分影響的過程較為復雜，受施氮量、頻率、方式、時間、土壤特性以及環境因子等綜合影響[18,22-24]，本研究區保證了相同的土壤基質和環境條件，結果表明中水平的氮添加[20 g/(m2·a)]對紫花苜蓿根區土壤養分各指標的增加效應達到最大，pH也達到最低，促進了根區土壤養分的吸收和利用，而高水平的氮添加則導致紫花苜蓿根區土壤養分的微弱減小，降低了土壤容重和土壤養分。氮添加處理下紫花苜蓿在生長繁殖過程中，勢必會加大對土壤中有效養分的吸收利用[21,24-26]。因此氮素添加越多，紫花苜蓿對土壤有效養分的吸收越劇烈，但這種吸收作用在一定的氮素控制范圍內，高水平的氮添加[30 g/(m2·a)]可能會引起紫花苜蓿營養單一而生長受阻，超出了紫花苜蓿根區吸收養分的的閾限，導致土壤養分及理化性狀開始退化，造成其產量和品質的降低，也有可能造成試驗區土壤氮素飽和，引起土壤酸化等多種負面效應[10,18,21,27]。綜合來看，中水平氮添加[20 g/(m2·a)]對紫花苜蓿根區土壤養分影響最大，而土壤活性有機碳增加幅度最大，是氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分表現最為敏感的指標。本研究添加氮素后，紫花苜蓿根區土壤養分、理化性質及微生物量均顯著優于對照，表明了氮添加有利于紫花苜蓿根區土壤系統營養物質的循環和腐殖質的形成等，促進土壤有效養分的增加。

紫花苜蓿在生長過程中需要大量營養元素和水分，雖然其根系發達，耐干旱，保水固土效果顯著，但多年種植會引起土壤深層干燥化，最終導致紫花苜蓿的嚴重衰退，有報道稱多年種植紫花苜蓿會導致土壤干燥化和不可持續利用[19,22-23,27]，結合本試驗的研究結果，我們未來應在氮添加的基礎上長期研究紫花苜蓿種植年限及種植密度對其根區土壤養分的影響。綜上而言，氮添加對紫花苜蓿根區土壤生態學性質會造成一定影響，但關于其內在作用機制還不清楚，因此，關于此方面我們還需深入展開研究，重點研究氮添加對紫花苜蓿根區土壤養分、水分的需求動態、光合作用產物、根系分泌物的分配等方面的影響。

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EffectsofNitrogenAdditionontheSoilNutrientandMicrobialBiomassinRootZoneofMedicagosativa

ZHAO Li

(DepartmentofPharmaceuticalandBiologicalEngineering,ZiboVocationalInstitute,Zibo,Shandong255314,China)

By using a manual nitrogen addition method, the responses of the soil nutrient and microbial biomass in root zone of ofMedicagosativato different nitrogen addition levels such as CK, LN [10 g/(m2·a)], MN [20 g/(m2·a)], HN [30 g/(m2·a)] were examined. The results indicated that the nitrogen addition stimulated the soil nutrient and microbial biomass in root zone, but no significant effect of nitrogen addition on soil total nitrogen in the root zone was observed(P>0.05). The soil nutrient and microbial biomass in root ofMedicagosativafirst increased and then decreased with nitrogen additions which showed the order of MN>HN>LN>CK. In all treatments, the soil nutrient and microbial biomass in root zone ofMedicagosativaexcept the soil total nitrogen were significant higher than CK (P<0.05). The sensibility to nitrogen addition of soil microbial biomass in the root zone ofMedicagosativawas higher than that of soil nutrient, and soil active organic carbon was the sensitive indicator to change of soil nutrient in the root zone ofMedicagosativaof all treatments. Pearson correlation analysis showed that soil microbial biomass and nutrient had a significant positive correlation with soil moisture and negative correlation with soil pH which illustrated the uniformity of underground ecosystem such as soil physical and chemical factors, nutrient and microbial biomass or other various indicators.

nitrogen addition;Medicagosativa; root zone; soil nutrient; soil microbial biomass

2014-06-30

：2014-07-26

趙莉(1978—),女,黑龍江省伊春市人,講師,主要從事城市園林景觀設計。E-mail:zhaolee1978@163.com

S812.5

：A

：1005-3409(2014)06-0035-06