長期綠肥和秸稈還田替代部分化肥提升紅壤性水稻土酸解有機氮組分比例及供氮能力

吳多基，姚冬輝，范 釗，吳建富，魏宗強

（江西農業大學國土資源與環境學院，江西南昌 330045）

水稻是我國重要的糧食作物之一，氮是水稻生長不可或缺的營養元素，為保證水稻高產，大量氮肥施用使我國稻田系統出現供氮量提高、氮儲量增大的趨勢[1–2]，也導致了稻田氮肥利用效率低、氮素損失大和土壤供氮潛力降低等問題。有機肥替代部分化肥是保障國家糧食安全、生態環境安全和資源高效利用的重要措施[3]，長期有機物料循環利用顯著提高紅壤性稻田土壤耕層全氮含量，有機肥配施化肥處理對提高耕層土壤氮儲量作用顯著[4]。研究氮素對長期有機養分替代部分化肥的響應及其在土壤中的分布、遷移和轉化，對于制定合理的施肥配方、提升氮肥利用率等方面具有重要意義。土壤有機氮占土壤全氮的90%以上，其組分包括土壤酸解性氮(AHN)和非酸解性氮(NHN)，而酸解性氮組分包括酸解氨態氮(AMMN)、酸解氨基酸態氮(AAN)、酸解氨基糖態氮(ASN)和酸解未知氮(HUN)[5]，它們的結構和有效性在土壤氮素保持、礦化和氮素供應中起著關鍵作用。像氨基酸這樣的小分子直接被農作物吸收，然而，大多數土壤有機氮必須先通過礦化轉化為礦化氮，然后才能被作物吸收，直接或間接影響土壤氮素有效性[6]。申鳳敏等[7]和楊靜等[8]研究結果表明，化肥與有機肥配施可以更好地改善紅壤區各土層土壤的供氮能力，同時還能顯著提高作物產量及其氮吸收量。張雅蓉等[9]基于貴州省黃壤長期定位監測點發現，施用有機肥可顯著提高土壤有機氮含量，且土壤有機氮含量隨有機肥用量增加而顯著增加。吳漢卿等[10]研究發現，酸解氨態氮和酸解氨基酸態氮是設施土壤中最主要的有機氮形態，是土壤活性氮中的主要組分，亦是土壤供氮潛力的表征。土壤各形態氮素對不同施肥措施的響應已有諸多報道，但是關于稻田土壤有機氮組分對全氮、堿解氮和礦化氮的貢獻的研究還不夠。因此，我們利用長期定位試驗研究不同施肥模式下土壤氮素形態的轉化，探究施肥結構對土壤氮素轉化及供應的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于江西農業大學農業科技園(115°49′53″E，28°46′8″N)，屬亞熱帶季風濕潤氣候區，多年平均氣溫17.6℃，平均日照1895 h，平均降水量1522 mm，平均無霜期280天，以種植雙季稻為主，自1981年開始進行長期施肥微區定位試驗，供試土壤為第四紀紅色粘土發育的潴育性水稻土，其耕作層(0—20 cm)土壤基本性質為：pH 6.5、有機質含量33.55 g/kg、全氮含量 1.79 g/kg、堿解氮含量 111 mg/kg、速效磷 (P2O5) 含量 20.8 mg/kg、速效鉀 (K2O)含量87.0 mg/kg。

1.2 試驗設計

設4個處理：1）無肥；2）單施化肥(化肥是氮磷鉀化肥，下同)；3）翻壓紫云英做早稻基肥+追施化肥；4）翻壓紫云英+稻草還田做晚稻基肥+追施化肥。分別用CK、F、MF、MSF符號表示，3次重復，隨機排列，小區面積0.81 m2，小區間用水泥埂隔開，以防滲漏，獨立排灌。

除無肥處理外，各施肥處理氮、磷、鉀養分用量相等。1981—1986年，純N為225 kg/hm2、P2O5112.5 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2；1987—1991年，純N 為 240 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2；1992—2003年，純 N為 270 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 270 kg/hm2；2004—2006年，純 N 為300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 300 kg/hm2；2007年至今，純 N 為 360 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 360 kg/hm2，施肥處理 N、P2O5、K2O 養分用量早晚稻各占一半。化肥使用尿素(N 46%)、鈣鎂磷肥(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)，有機肥為紫云英和稻草。2019年供試紫云英干基養分平均含量為N 2.19%、P2O50.48%、K2O 2.01%、C 35.89%；稻草干基養分平均含量為N 0.61%、P2O50.15%、K2O 1.65%、C 32.52%。其中紫云英鮮草及稻草切碎后施用，紫云英(鮮草水分平均含量為88.75%)施用量為22500 kg/hm2，稻草 (折合干草)施用量為 3000 kg/hm2。有機肥、磷肥均作為基肥一次性施用，化肥氮、鉀肥均分基肥、分蘗肥、穗肥3次施用，施用比例為 5∶2∶3。有機肥料的養分輸入量按實際測定結果計算，不足部分用化肥補足。采用自來水灌溉，其他管理措施同大田生產。

1.3 測定指標與方法

2019年晚稻成熟期，每小區按“五點”取樣法取耕作層(0—20 cm)土壤混合樣品用于土壤氮素指標的測定。土壤全氮用全自動定氮儀測定；礦化氮采用厭氣培養法測定；堿解氮(包括供應容量、供應強度和釋放速率)采用堿解擴散法測定[11]，其中供應強度：每個處理的土壤分別做24個重復，按照堿解氮含量的測定方法進行，放到恒溫箱中進行堿解擴散，每隔2 h取出2個培養皿(+3個空白)進行滴定，測定土壤堿解氮含量，共測定12次，每次測定值即為供應強度，最后一次測定值(培養24 h)即為堿解氮供應容量，釋放速率=(后一次測定值?前一次測定值)/2 h；微生物量氮采用氯仿熏蒸浸提法[12]測定；土壤有機氮組分采用Bremner法[5]測定，其中：酸解總氮(THN)采用凱氏法測定；酸解氨態氮(AMMN)采用MgO氧化蒸餾法測定；酸解氨態氮+酸解氨基糖態氮(ASN)采用磷酸–硼砂緩沖液(pH 11.2)蒸餾法測定，而酸解氨基糖態氮(ASN)為酸解氨態氮及酸解氨基糖態氮與酸解氨態氮的差值；酸解氨基酸態氮(AAN)采用茚三酮氧化、磷酸–硼砂緩沖液蒸餾法測定；非酸解性氮(NHN)為土壤全氮與酸解總氮的差值；酸解未知態氮(HUN)為酸解總氮與AMMN、AAN和ASN的差值。

1.4 數據處理

采用 Excel 2016、Origin 2018和 IBM SPSS Statistics 25.0軟件進行數據處理和統計分析，并利用Duncan法進行顯著性檢驗，相關分析采用Pearson系數 (雙側)。

2 結果與分析

2.1 土壤全氮、礦化氮和微生物量氮含量

由表1可得，經過38年的長期定位施肥，與CK處理相比，無論是F處理，還是有機養分替代部分化肥處理(MF和MSF)的土壤全氮、礦化氮和微生物量氮含量均表現為MSF>MF>F>CK，且處理間差異顯著。在等量氮磷鉀養分投入條件下，相較于F處理，MF和MSF處理的土壤全氮含量增幅分別為15.03%和24.35%；土壤礦化氮含量增幅分別為35.73%和58.02%；微生物量氮含量增幅分別為21.73%和36.73%，且差異顯著。說明長期施肥對土壤氮素含量提升具有顯著效果，且有機養分替代部分化肥的效果優于單施化肥。

表1 不同處理土壤全氮、礦化氮和微生物量氮含量Table 1 Soil total N, mineralizable N and microbial biomass N content in different treatments

2.2 土壤有機氮組分含量及其在全氮中的占比

由表2可知，不同處理耕作層土壤酸解性總有機氮含量為1011～1519 mg/kg，與CK處理相比，各施肥處理的耕作層土壤酸解性總有機氮含量均有不同程度的增加，MF和MSF處理均顯著高于F和CK處理，與F處理相比分別增長了20.35%和30.14%；土壤非酸解性氮含量范圍為653～883 mg/kg，但處理間差異不顯著。說明土壤酸解性有機氮對長期有機養分替代部分化肥的響應更為敏感，含量提升更明顯。

表2 不同處理土壤各有機氮組分含量 (mg/kg)Table 2 Contents of various organic nitrogen components in different treatments

從表2還可以看出，長期有機養分替代部分化肥的處理(MF和MSF)對土壤有機氮組分含量增加效果明顯。MSF處理酸解氨態氮、酸解氨基酸態氮和酸解未知態氮含量均表現為最高，且均顯著高于F和CK處理，相較于F處理增幅分別為36.02%、33.52%和26.58%。酸解氨基糖態氮含量則表現為MF處理最高，顯著高于其他3個處理，而處理F、CK無明顯差異。總的來說，有機養分替代部分化肥對土壤有機氮組分含量的提升效果優于單施化肥。

由圖1可知，無論施肥與否，土壤各有機氮組分占全氮的比例大小均表現為：酸解未知態氮>非酸解性氮>酸解氨態氮>酸解氨基酸態氮>酸解氨基糖態氮，各處理土壤酸解性氮均以酸解未知態氮為主，占全氮比例約為41%；長期不同施肥模式對耕作層土壤酸解性總有機氮含量影響明顯，但對其占全氮比例的影響較小(60.63%～63.34%)，其中以MF處理的土壤酸解性總有機氮占全氮比例最大；各處理土壤非酸解性氮占全氮比例為36.66%～39.37%，其中以F處理為最大，分別高出MF和MSF處理2.71個百分點和2.60個百分點。相對與F處理，MF和MSF處理均能提高酸解有機氮組分中酸解氨態氮、酸解氨基酸態氮、酸解氨基糖態氮和酸解未知態氮占全氮的比例。但是對于非酸解性氮占全氮的比例，反而是單施化肥(F)處理最高。

圖1 不同處理土壤各有機氮組分含量占全氮的比例Fig. 1 The proportion of organic nitrogen components in total nitrogen in different treatments

2.3 土壤堿解氮的釋放特性

在24 h的培養過程中，各處理土壤堿解氮的供應強度變化趨勢基本相同(圖2)，培養2 h左右堿解氮釋放速率達到最大(圖3)，隨著培養的進行，釋放曲線逐漸趨于平緩。在整個培養過程中，各處理土壤堿解氮的供應強度均表現為MSF>MF>F>CK。培養初期，各處理的堿解氮供應強度比較接近，隨著培養時間的延續，處理間堿解氮的供應強度差異越來越大，MF和MSF處理土壤培養24 h堿解氮的供應容量均顯著高于F處理，增幅分別為19.01%和25.22%。說明長期有機養分替代部分化肥的處理能明顯提升土壤堿解氮的供應強度和供應容量。

圖2 不同處理土壤堿解氮的供應強度和容量Fig. 2 Supply intensity and capacity of soil available N in different treatments

圖3 不同處理土壤堿解氮釋放速率Fig. 3 Release rates of soil available N in different treatments

2.4 土壤全氮、礦化氮和堿解氮與不同有機氮的相關分析

相關分析結果(表3)表明，土壤有機氮各組分與土壤全氮、礦化氮和堿解氮都已達到顯著正相關(P<0.05)，其中酸解氨態氮和酸解未知態氮與三者的相關性最大。

土壤氮素組分之間相互影響，并不是完全獨立的變量。僅從相關關系并不能推測出氮素組分對礦化氮和堿解氮的貢獻能力。因此，為了進一步研究氮素組分對礦化氮和堿解氮的貢獻大小，分別以礦化氮和堿解氮為因變量，其他氮素指標為自變量，做逐步線性回歸分析，建立回歸方程分別為YMN=?63.456+1.982MBN+0.28AMMN+0.046NHN和TAN=63.824+2.891MBN，逐步回歸分析相關參數見表4。從方程YMN=–63.456+1.982MBN+0.28AMMN+0.046NHN可看出，MBN、AMMN和NHN含量對土壤礦化氮的變化均具有重要貢獻，其中以土壤微生物量氮貢獻最大。但從表3可知，AAN、ASN和HUN均與礦化氮呈顯著正相關，卻在逐步回歸中沒有被寫進方程，因此它們對礦化氮的貢獻需要通過通徑分析進一步核實。表5表明，雖然AAN、ASN和HUN與礦化氮的相關性顯著，但是直接通徑系數卻很小，甚至為負數，而它們通過AMMN對礦化氮的間接通徑系數卻很大(分別為0.471、0.303和0.478)，說明AAN、ASN和HUN對礦化氮的貢獻是其通過AMMN對礦化氮的間接貢獻。

由方程YAN=63.824+2.891MBN可知，土壤堿解氮僅與MBN有關，但是土壤各有機氮組分與堿解氮的相關性均達顯著水平(表3)，卻沒有在回歸方程中體現，通徑分析結果(表5)顯示，ASN、AMMN、AAN、HUN和NHN通過MBN對堿解氮的間接通徑系數很大，分別為0.570、0.768、0.744、0.843和0.487，說明ASN、AMMN、AAN、HUN和NHN與堿解氮的良好關系不在于它們對堿解氮的直接貢獻，而是通過影響MBN對堿解氮起間接作用。

表3 土壤全氮、礦化氮和堿解氮與不同有機氮組分的Pearson相關系數(雙尾)Table 3 Pearson coefficients of soil total N, mineralizable N, available N and different organic nitrogen (two-tailed)

表4 礦化氮和堿解氮與其他氮素組分關系的逐步回歸分析參數Table 4 Stepwise regression analysis of the relationship between mineralizable N and available N and various organic N components

表5 各氮素組分對礦化氮和堿解氮的貢獻Table 5 Contribution of each nitrogen component to mineralizable nitrogen and available nitrogen

3 討論

3.1 長期有機養分替代部分化肥對土壤堿解氮釋放的影響

土壤堿解氮作為評定土壤氮素供給能力的指標，可以反映近期土壤氮素的供應潛力，朱兆良[13]認為土壤氮堿解時NH3的釋放速率和釋放量可以作為植稻土壤氮素供應狀況的相對指標。本研究結果顯示，土壤堿解氮培養初期NH3釋放速率迅速增大，在培養2 h左右NH3的釋放速率達到高峰，土壤堿解氮供應強度均表現為MSF>MF>F>CK，隨后釋放速率總體慢慢降低，釋放曲線逐漸趨于平緩。

土壤堿解氮的含量與施肥存在較密切的關系，長期施用氮肥可提高土壤氮素水平[14]。土壤養分的供應容量作為一種土壤補給養分能力的指標，在一定程度上可以預測土壤養分的供應潛力，袁中友等[15]研究發現，同等施肥水平下，施用有機肥比施化肥能顯著改善土壤養分釋放情況，提高土壤養分供應容量，提升土壤綜合質量。本研究結果顯示，無論單施化肥還是有機養分替代部分化肥均能顯著提高土壤堿解氮供應容量，而且后者效果顯著高于前者，其主要原因可能是施用化肥可增加根茬、根系和根分泌物，從而增加土壤有機氮量；施用有機肥可直接提高土壤有機氮含量；有機養分替代部分化肥既能快速提高土壤速效養分含量，又能長久保持養分，提高土壤速效氮的供應能力。

3.2 長期有機養分替代部分化肥對土壤各形態氮素的影響

不同施肥措施對稻田耕作層土壤氮素含量有很重要的影響，有機肥替代部分化肥對土壤氮素養分含量具有正向促進效應[16]。本研究發現，隨著耕作年限的增加，不施肥地塊土壤全氮含量下降，平均每年降低3.68 mg/kg，而施肥處理土壤全氮含量都有不同程度的提高，并且在等量氮磷鉀養分投入條件下，有機養分替代部分化肥對耕作層土壤全氮的提高更顯著，這與大多數相關研究[16–18]結果一致。可能是因為稻草秸稈、紫云英等有機物料還田后其水解產物大部分轉化為固態氮，結合了部分土壤氮源，使土壤本身儲存的氮礦化分解速率降低，同時又防止其流失或者被反硝化作用消耗掉，從而增加了土壤全氮的含量[19–20]。

土壤微生物對土壤有機化合物的轉化和養分的釋放起著調控作用，是土壤不可或缺的組分[21]，其所進行的一系列活動均以碳、氮循環為中心[22]，土壤微生物量氮作為土壤活性有機氮庫，對施肥措施的響應具有很強的敏感性。本研究中，長期不施肥處理的土壤微生物量氮顯著低于其他施肥處理，可能是因為不論施用有機肥還是化肥均能夠促進植物光合作用，促進地上和地下部生物量積累，不僅可以增加根系殘茬的還田量，而且有利于根系分泌物的釋放，為微生物創造有利的生存環境，而不施肥處理沒有外源養分輸入，僅通過以水稻根系或根茬還田，造成土壤中有機碳、全氮含量最低，而微生物又以碳氮為營養來源，造成不施肥處理土壤微生物量氮含量也處在最低水平[23]。對比施肥處理的土壤微生物量氮含量，發現有機養分替代部分化肥處理(MF、MSF)顯著高于單施化肥處理，這與在其他土壤類型上的研究[22, 24–26]結果一致，這可能是因為施用有機物料之后還能為微生物提供外來的碳源和能源，增加土壤微生物活性，促進其新陳代謝，提高土壤的有效養分，同時也增加了對氮素的固持[23]，進一步提高土壤微生物量氮的含量。

在農田生態系統，施肥是調節土壤供氮狀況的重要措施，土壤氮素礦化是由微生物驅動的將有機氮轉化為無機氮的過程。本研究中，與不施肥相比，無論單施化肥還是有機養分替代部分化肥均可顯著提高土壤礦化氮含量，這與已報道的大多數研究[27–29]結果較為一致，而在施肥處理中，有機養分替代部分化肥土壤礦化氮含量顯著高于單施化肥處理。這可能與有機肥的長期投入有關，表明長期有機養分替代部分化肥明顯提高土壤氮素的礦化作用，增大土壤活性有機氮庫，同步實現提高土壤供氮容量和改善氮素品質，而不施肥導致土壤底物質量降低，在一定程度上弱化其供氮能力[27]。

氮素施入土壤中一部分經土壤生物(特別是微生物)和植物吸收同化后以有機氮形態殘留在土壤中，殘留在土壤中的部分有機氮又經微生物作用轉化形成土壤中較為穩定的有機氮[30]，因此，長期不同施肥措施對土壤有機態氮組分含量有著重要的影響。本研究結果表明，無論施肥與否，稻田耕作層土壤各有機氮組分含量大小均表現出酸解未知態氮>非酸解性氮>酸解氨態氮>酸解氨基酸態氮>酸解氨基糖態氮。長期不同施肥模式對稻田耕作層土壤酸解性有機氮組分含量占全氮的比例影響不大，但是對土壤酸解性有機氮組分含量都有不同程度的影響。與單施化肥相比，長期有機養分替代部分化肥可以顯著提高耕作層土壤酸解性有機氮組分含量，其中對酸解未知態氮的提高最明顯，但是單施化肥與不施肥處理在酸解氨態氮、酸解氨基酸態氮和酸解氨基糖態氮上均無明顯變化，這與任金鳳等[31]的研究結果相一致。說明有機養分替代部分化肥對土壤供氮能力及土壤肥力的提高效果最好，對土壤氮庫的影響主要表現在補充了酸解氨態氮、酸解氨基酸態氮等易礦化氮庫[32]，因此有機養分替代部分化肥對增加紅壤性稻田土壤中的易礦化有機氮庫具有重要作用，同時還增加了酸解未知態氮等難礦化氮庫庫容，既提高了土壤氮素的供應強度，又提高了土壤氮素的供應容量[33]。說明長期有機養分替代部分化肥對土壤氮素含量的提高具有顯著促進作用。

3.3 土壤各形態氮素對礦化氮和堿解氮的貢獻

土壤氮的礦化受到土壤有機質特性的影響，有機氮是土壤氮素的主要存在形式，是土壤礦質氮的源和庫[34]，土壤中有機氮的礦化分解過程是在土壤微生物作用下的生物降解過程。簡單分析其相關性可揭示土壤有機氮組分與礦化氮之間的關系。本研究發現，土壤有機氮各組分均與土壤礦化氮達到顯著正相關(P<0.05)，其中酸解氨態氮與礦化氮的相關系數最高，酸解未知態氮、酸解氨基酸態氮次之，非酸解性氮和酸解氨基糖態氮最低。逐步線性回歸分析和通徑分析結果表明，土壤微生物量氮和酸解氨態氮是礦化氮的主要貢獻者，而酸解氨基酸態氮和非酸解性氮主要是通過酸解氨態氮對礦化氮間接貢獻，這與叢耀輝等[35]的研究結果基本一致，而李文軍等[27]通過研究洞庭湖區水稻土發現，酸解氨基酸態氮是對礦化氮有直接重要貢獻的組分，是礦化氮的主要來源。導致這種差異的原因可能與供試土壤類型、氣候條件、施肥方式和試驗培養方法等不同有關。

土壤堿解氮含量分布與土壤有機質及微生物活動密切相關，土壤堿解氮包括無機態氮(銨態氮、硝態氮)及易水解的有機態氮(氨基酸、酰銨和易水解蛋白質)。土壤中氮素主要以有機氮態形式存在，用堿解擴散法測定的有效氮含量中，有機態氮對堿解氮總量的貢獻可能會高于無機氮的貢獻[14]。本研究發現，稻田耕作層土壤堿解氮與土壤微生物量氮相關性最高(R2=0.944)，與有機氮各組分均呈顯著正相關(P<0.05)，這與Wang等[36]的研究結果相一致。逐步線性回歸分析結果顯示，土壤微生物量氮對堿解氮具有重大貢獻。土壤微生物能分解有機質，從而提高土壤速效養分含量，而且土壤微生物量氮是易被植物吸收利用的有效性氮。而通過通徑分析，進一步明確了土壤有機氮的其他組分對堿解氮的直接貢獻很小，主要是通過土壤微生物量氮對堿解氮的間接貢獻，可見土壤微生物在土壤養分轉化和利用過程中具有重要作用。

4 結論

土壤微生物量氮、酸解氨態氮和非酸解性氮是土壤礦化氮的主要來源，土壤微生物量氮是土壤堿解氮的主要貢獻者。等氮磷鉀養分投入條件下，長期有機養分替代部分化肥顯著提高了土壤酸解性有機氮占全氮的比例，特別是提高了酸解氨態氮的比例，因而促進了有機氮的礦化和堿解氮含量的增加。等氮磷鉀養分投入條件下，長期有機養分替代部分化肥對土壤全氮、礦化氮和微生物量氮的提升效果顯著優于單施化肥，綠肥和秸稈聯合還田的效果又優于綠肥單獨還田。