施氮對小麥根-冠及土壤碳氮特征的影響

王麗芳，劉世潔，康 娟，馬 耕，王晨陽

(河南農業大學農學院/省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南鄭州 450046)

農田生態系統是陸地生態系統中受人類活動影響較大的綜合體，其土壤的碳氮庫存能力與土壤肥力直接或者間接決定農作物產量。農田生態系統中，碳存儲與作物地上、地下部生物量和土壤有機質的形式密切相關。植株固碳能力隨光合特性、凈初級生產力的改變而變化，其碳儲量亦隨植株的不斷生長而提高。施氮是農作物生產中常見的增產措施，影響植株地上部的光合特性及同化能力，但對作物碳庫的增加是否存在閾值效應尚不明確。土壤碳儲量增加對農田碳循環具有重要影響，能夠在微生物和酶的作用下促進營養循環釋放更多的養分和能量，并綜合影響土壤的物理和化學特性，有利于植株生產力的增加，并提高植株地上部凋落物及地下部根系殘體輸入農田碳循環，進而在各種因素的作用下影響農田土壤碳的含量及固持能力。關于農田碳氮儲量的施氮效應研究結果仍存在爭議，如氮添加10年后，土壤總有機碳和氮含量無顯著變化。英國洛桑試驗農田中土壤有機碳對150多年氮肥單施沒有顯著響應，而土壤中氮含量提高了0.02%左右。一些其他研究發現氮肥施用可顯著提高土壤中0～30 cm土層的碳儲量。許多長期試驗表明，化肥與有機物料配施可顯著提高土壤碳和全氮含量。Alvarez認為，在秸稈還田的條件下，施氮才能增加土壤有機碳含量，農田生態系統中施用氮肥對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。

黃淮南片是我國主要的中高產小麥生產區，施氮是該地區增加小麥產量的主要途徑。此地區農田以小麥-玉米輪作的集約制管理為主，施肥已成為影響農業生態系統中碳氮庫特征的常規農藝措施。隨當前氮肥投入量的增加，該地區的作物產量大幅度提高，然而長期氮肥施用對小麥主產區農田碳氮特征影響的研究亟待加強。農田生態系統中土壤有機碳的變化較為緩慢，短期氮添加試驗很難監測土壤碳庫的變化，作物根系和地上部分秸稈則是輸入土壤影響碳氮循環的主要植株殘體。本研究以長期定位試驗田為對象，通過模擬氮沉降(氮添加)試驗，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量對氮添加的響應機制，以期了解氮添加對麥田土壤碳氮相關生態過程的影響，以及為評估該區在施氮量持續增加背景下農田生態系統碳氮固持能力提供數據支持及理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與設計

長期定位試驗自2012年7月在河南省許昌市建安區張潘鎮(33°59′N,113°58′E)進行。該地區屬于黃淮區域典型冬麥區，2017-2018年小麥生長季降雨量和溫度分別為295.0 mm 和 11.8 ℃，屬于溫帶季風氣候。試驗前供試土壤的pH值為 7.11，全氮含量為0.72 g·kg，有機質含量為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域廣泛種植的高產品種矮抗58。試驗采用隨機區組試驗設計，設0、180、240和300 kg·hm4個施氮水平(分別用N0、N180、 N240和 N300代表)，3個重復，小區面積為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。小麥播種時肥料全部基施，各小區均施PO66 kg·hm和KO 72 kg·hm。采用常規的大田耕作方式，秸稈全部粉碎還田，小麥播前翻耕，生長季無追肥并根據土壤墑情進行灌溉。各處理不同土層水分特征見 圖1。

1.2 土壤及植株樣品采集

2018年5月28日冬小麥收獲后，清除地表凋落物，使用內徑4.5 cm的土鉆取0～60 cm土樣(20 cm一層)，每個施氮水平下隨機取3個樣點混合作為一個樣本，重復3次。土樣中植株殘留物和雜質清理干凈后，將所取土樣放入寫有編號的自封袋帶回實驗室，自然風干后粉碎、過孔徑2 mm的篩備用，用于土壤碳氮含量測定。

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

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

1.3 土壤及植株樣品分析

土壤容重采用環刀法測定，根據環刀體積和土樣所得干重計算土壤容重；采用外加熱、重鉻酸鉀容量法測定土壤及植株樣品的有機碳含量；采用凱氏定氮法(2300全自動定氮儀，Sweden)測定土壤及植株樣品的全氮含量。

1.4 土壤碳氮儲量計算

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

1.5 數據分析

采用單因素的方差分析法(One-way ANOVA)，對同一土層土壤碳氮含量和儲量的施氮效應進行分析，并比較不同氮處理下根-冠的碳氮特征，通過多重比較分析不同處理間的差異顯著性。依據本試驗目的，文中地上部分的生物量和碳氮特征分析均不包括籽粒。

2 結果與分析

2.1 冬小麥根-冠生物量及碳氮含量對施氮量的響應

施用氮肥顯著影響小麥根-冠生物量，對根-冠有機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 土壤有機碳含量和儲量對施氮量的響應

土壤有機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土層有機碳含量最高，不同處理間無顯著差異；N240處理下20～40 cm土層土壤有機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處理的有機碳含量最高，且與N300處理差異顯著。從0～60 cm土層有機碳含量平均值看，不同處理間差異均不顯著。這說明施氮對土壤有機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字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)。下圖同。

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

圖3 施氮量對不同土層土壤碳儲量的影響

2.3 土壤氮含量和儲量對施氮量的響應

施氮對0～20 cm土層的氮含量和氮儲量影響不顯著，但顯著影響20～40和40～60 cm土層的氮含量和氮儲量(圖 4、圖5)。在20～40 cm土層，N240處理的氮含量和氮儲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量均顯著高于其他處理。從0～60 cm土層的氮含量和氮儲量平均值看，施氮效應均不明顯。

圖4 施氮量對不同土層土壤氮含量的影響

圖5 施氮量對不同土層土壤氮儲量的影響

2.4 土壤碳氮比對施氮量的響應

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，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)，說明施氮對土壤碳氮之間的平衡無明顯影響。

圖6 施氮量對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，但過量施氮會降低植株的光合同化能力。作物根系生物量及其分泌物對土壤中碳和氮含量具有直接作用，根系殘體在微生物和其他酶作用下，經過土壤有機質礦化過程融入土壤，成為土壤碳氮營養的主要物質來源，根系殘體分解難易程度受植株碳氮比高低的影響。本研究結果表明，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，施氮可促進植株地上部的碳氮積累和地下部的氮轉運，為土壤微生物作用提供更多的能源，進一步增加土壤有機碳和全氮含量。

土壤有機碳含量的增減反映了植物殘體的腐解輸入和土壤呼吸、淋溶等輸出碳的動態平衡。相同施氮水平下，土壤有機碳含量和儲量隨土層增加而逐漸降低。本研究中0～20 cm土層有機碳含量最高，可能是植株凋落物較大量輸入土壤上層，加之根系中細根具有較快的周轉速率，有效氮可短期內被根系大量吸收，因此有機質輸入到土壤中較多，導致表層土壤有機碳可短期內明顯增加。隨著施氮水平的增加，0～60 cm土層總碳儲量先升后降，但處理間差異不顯著，這與Raun等的研究結果相似，與鐘楊權威在秸稈不還田下的研究結果不一致。這可能與本研究的秸稈還田有關，因為根系生物量的增加相對于秸稈還田對土壤有機碳歸還的作用要小得多。

土壤中氮含量是調控有機碳的關鍵限制因子，土壤微生物對有機碳的分解速度通常會隨著土壤氮含量的增高而加速。本研究結果顯示，施氮對不同土層的全氮含量和土壤氮儲量影響不同，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土壤氮含量和儲量，這與Jagadamma等認為30 cm土層下土壤氮儲量不受氮添加的影響的研究結果不一致，這可能與處理條件、土壤分層和地理位置等因素有關。然而，不同施氮處理間0～60 cm土層氮含量平均值和氮儲量均差異不顯著，這與陳磊等研究結果一致，這可能因為施氮會提高土壤微生物利用率，加速土壤有機質礦化進程，促進植株對土壤氮素等營養的吸收利用，從而導致土壤氮庫受影響較小。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導致土壤氮儲量的減少。

土壤碳氮比的變化可以反映微生物群落對氮的固持能力，也能夠反映碳與氮循環的相互作用及其土壤中有機質的穩定程度。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，說明7年氮肥施用后土壤下層中碳氮由于淋溶作用產生了一定的變化。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果一致。土壤碳氮比低表明農田系統中碳不足，這可能會影響土壤微生物對氮素的固定，造成氮素損失較多。因此，通過優化田間施肥制度，提高土壤中有機碳含量，發揮土壤固氮潛力尤為重要。本研究有助于黃淮麥區在保證產量的同時選擇適宜施氮量提高作物和土壤的碳氮固持能力。

4 結 論

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