華北馬鈴薯連作土壤微生物殘體氮對氮肥用量的響應

關鍵詞： 馬鈴薯； 土壤礦質氮； 微生物殘體氮； 田間氮平衡； 養分專家系統

氮是陸地生態系統中植物和微生物生長所必需的大量營養元素之一[1]。在農田生態系統，施氮可以改變土壤養分化學計量和肥力、影響土壤微生物群落結構和功能[2]；同時，碳氮磷化學計量也可以影響土壤氮的轉化，如硝化和反硝化過程[3]。研究表明，過量施氮導致低的氮肥利用效率和高的土壤氮盈余，威脅土壤質量和環境健康，且當施氮量超過N250 kg/hm2 時，作物產量并沒有顯著提高，反而降低了生產效益[4]。因此，平衡施肥是維持土壤健康和農業可持續生產的重要措施[5]。農作物秸稈含有大量營養物質，是一種重要的有機肥料資源[6]。化肥減施結合秸稈還田是實現農業發展可持續性的國家行動，實現這一目標的關鍵是探索并優化與氮固持和供應有關的土壤功能。

土壤氮素形態顯著影響其轉化、有效性和貯存，微生物為氮的轉化和循環提供了驅動力。土壤微生物對無機氮的同化是氮在土壤中固持的關鍵生化過程[7]。微生物生長中固持的氮在其死亡后以微生物殘體形式存在[8]。微生物殘體有助于碳和氮的長期儲存，微生物殘體氮較礦質氮穩定，是土壤氮庫的重要組分，但在土壤氮素缺乏時可礦化供作物利用，對農田土壤氮肥力和有效性具有重要意義 [9]。作物秸稈還田帶入大量的易分解有機碳，可以刺激微生物增殖和提高礦質氮的微生物固定，從而增加微生物殘體氮積累和提高土壤肥力[10]。Ma 等[9]指出，玉米秸稈還田條件下，微生物殘體氮對土壤氮庫的貢獻率達到61%。然而，近年來研究主要集中在微生物殘體碳的變化上，而在不同的施氮條件下，微生物殘體氮轉化很少受到關注。

馬鈴薯是我國重要的糧食作物，內蒙古自治區的馬鈴薯產量約占全國馬鈴薯總產量的10%。陰山北麓是內蒙古馬鈴薯主要產區之一，該地區年降雨量相對較少，土壤為砂質栗鈣土，不利于礦質氮的積累，因此，通過施肥管理提高土壤氮素肥力是保證馬鈴薯高產的必要條件。然而，該區域秸稈還田下馬鈴薯田土壤礦物氮和微生物殘體氮對氮肥不同用量的響應尚不清楚。為此，基于在內蒙古地區進行了6 年的馬鈴薯種植田間試驗，研究不同施氮量對馬鈴薯連作土壤礦質氮（NH4+-N 和NO3?-N） 和微生物殘體氮的影響，為該區馬鈴薯生產中實現作物高產和土壤培肥的優化氮肥管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗點概況

田間試驗始于2017 年5 月，位于中國內蒙古自治區武川旱作試驗站（41°14′N，111°30′E）。該地區為典型的中溫帶半干旱大陸性季風氣候，為一年一熟制。年平均氣溫3.0℃，年均降雨量280 mm，土壤類型為栗鈣土，含砂粒74.2%、粉粒17.3%、黏粒8.8%。2017 年初始土壤（0—20 cm） 的化學性質如下：pH 7.91 （水∶土壤=2.5∶1），有機質19.0 g/kg，全氮1.31 g/kg，NH4+-N 0.5 mg/kg，NO3?-N 15.1 mg/kg，有效磷29.8 mg/kg 和速效鉀150 mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗在馬鈴薯連作農田開展，設置4 個不同氮肥用量處理：NE （馬鈴薯養分專家系統的推薦施肥[ 1 1 ] ）、NE?N （不施氮肥）、NE?1/2N （氮肥用量較NE 處理減少1/2） 和NE+1/2N （氮肥用量較NE 處理增加1/2）。所有處理隨機區組排列，3 次重復，小區面積為30 m2 （7.5 m×4 m）。本試驗采用NE 系統推薦了氮、磷、鉀肥料用量。養分專家系統（ N E ，Nutrient Expert） 是基于單位產量養分吸收量、作物產量反應與農學效率之間的關系，利用計算機技術建立的推薦施肥系統。它可以根據農田肥力和產量水平推薦施肥。與傳統施肥方法相比，基于NE 系統的施肥可以優化養分利用，提高養分利用效率，保持或提高作物產量[12?14]。不同處理的氮肥用量如表1 所示。2017 至2023 年，磷肥用量分別為P2O5 150、180、91、84、89、85、86 kg/hm2，鉀肥用量分別為K2O 234、270、238、134、135、140、135 kg/hm2。基肥氮與追肥氮的比例為3∶7。播種前撒施基礎氮肥，然后翻土。追施氮采用滴灌，在播種期、開花期和淀粉積累期分別隨灌溉水施用20.0%、25.0% 和2 5 . 0% 的氮肥。氮、磷、鉀肥料分別為尿素（ N46%）、過磷酸鈣（P2O5 14%） 和氯化鉀（K2O 60%）。

馬鈴薯品種為‘華松7 號’，采用高壟滴灌栽培。馬鈴薯一般在每年5 月初種植，行距100 cm，單脊單列，株距20 cm，每行37 株，9 月中旬收獲。在整個生長期內灌溉5～6 次，總灌溉量為1500 m3/hm2。在馬鈴薯生長過程中及時控制病蟲害。成熟時，收獲馬鈴薯塊莖，并將馬鈴薯植株的殘留物翻入土壤。

1.3 樣品采集與分析

2023 年9 月，從每個小區中隨機選擇5 株馬鈴薯。地上和地下塊莖部分在105°C 殺青30 min 后在75°C 下烘至恒重，測定植物的干生物量。將烘干的樣品研磨成粉末（顆粒直徑≤0.25 mm），用H2SO4?H2O2 消煮后用定氮儀測定全氮含量。

同時，在每小區選5 個樣點，分別采集0—20和20—40 cm土層土壤樣品。將每小區相同深度的土樣混合為一個混合樣品，然后過2 mm 篩。新鮮土壤樣品立即分析NH4+-N 和NO3?-N 含量，剩余樣品風干后用于分析土壤全氮和微生物殘體氮含量。

1.4 土壤化學性質和微生物殘體氮分析

采用1 mol/L KCl 提取土壤礦物氮，并使用流動注射分析儀（SEAL Auto analyzer，德國） 測定。使用元素分析儀（Vario MACRO，Elementar AnalysensystemeGmbH，德國） 分析風干土壤全氮。

根據Zhang 等[15]的方法測定土壤氨基糖（如葡糖胺、半乳糖胺、甘露糖胺和胞壁酸）。將約0.5 g 凍干土壤用10 mL 6 mol/L HCl 在105℃ 下水解8 h。冷卻后，加入100 μg 肌醇作為回收標準。然后過濾水解產物，在52℃ 減壓下蒸發至干，并使用0.4 mol/L氫氧化鉀溶液將其重新溶解在5 mL MilliQ 水中，pH調節至6.6～6.8。離心后將上清液冷凍干燥。將氨基糖重新溶解在甲醇中，并通過離心與鹽分離。加入定量標準品（甲基葡糖胺） 后，通過在含有32 mg/mL鹽酸羥胺和40 mg/mL 4-（二甲基氨基） 吡啶的0.3 mL衍生試劑吡啶和甲醇混合物（4∶1， v∶v） 中在75℃下加熱30 min，將氨基糖轉化為醛縮腈衍生物。將衍生物用1 mL 乙酸酐在75℃～80℃ 下進一步乙酰化20 min，冷卻后與1.5 mL 二氯甲烷混合。通過用1 mol/L HCl 和MilliQ 水萃取去除過量的衍生試劑，同時在定量前在氮氣下干燥含有氨基糖衍生物的二氯甲烷相。

使用配備DB-5 柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm） 的氣相色譜儀（GC-2014C，Shimadzu，Japan） 分離氨基糖衍生物。根據方程（1） 和（2） 分別計算真菌和細菌殘體氮[16]。

式（1） 中：179.2 和251.2 分別是葡糖胺和胞壁酸的分子量；1.4 和6.67 分別是從真菌葡糖胺到真菌殘體氮和從細菌胞壁酸到細菌殘體氮的轉化值[17]。微生物殘體氮為細菌殘體氮和真菌殘體氮的總和。

1.5 田間土壤氮素平衡計算

田間土壤氮素平衡=肥料氮投入+馬鈴薯秸稈氮投入?馬鈴薯地上部氮吸收量。

1.6 統計分析

利用SPSS 24.0 統計軟件對土壤礦物氮、微生物殘體氮和作物氮吸收的每個變量進行單因素方差分析，使用最小顯著性差異（LSD） 進行多重比較，以評估不同施肥處理之間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥用量對土壤無機氮的影響

馬鈴薯連作6 年后，不同施肥處理對土壤無機氮的影響顯著（圖1）。與NE?N 處理相比，施氮顯著增加了0—20 和20—40 cm 土層的土壤全氮含量，但3個施氮處理之間沒有顯著差異。與NE?N 處理相比，0—20 和20—40 cm 土層的NO3?-N 含量隨著施氮量的增加而增加。所有處理0—20 cm 土層NH4+-N沒有顯著差異，而NE+1/2N 與NE 處理20—40 cm土層NH4+ -N 含量分別較NE?N 處理增加了21.4%和25.9%。

2.2 不同氮肥用量對土壤微生物殘體氮的影響

施氮對土壤微生物殘體氮有顯著影響 （圖2）。細菌、真菌和總微生物殘體量氮隨施氮量的增加而增加，并且在0—20 cm 土層NE 和NE+1/2N 處理間無顯著差異。

在同一處理下，同一土層中真菌殘體氮的含量高于細菌殘體氮，并且0—20 和20—40 cm 土層中真菌殘體氮與細菌殘體氮的比值隨著氮肥施用量的增加呈下降趨勢（0—20 cm 土層中為3.22～2.97，20—40 cm 土層中為3.48～3.11）。不同氮肥施用量對0—20 cm 土層微生物殘體氮與土壤總氮的比值影響不顯著（62.1%～66.5%），但與20—40 cm 土層的NE 處理相比，施氮量增加（NE+1/2N） 或減少（NE?N和NE?1/2N） 均降低了這一比值，NE?N、NE?1/2N、NE+1/2N 處理20—40 cm 土層土壤微生物殘體氮與土壤全氮的比值較NE 處理降低了 4.1%～13.2%。在所有處理中，微生物殘體氮與土壤全氮的比值達64.2%～73.2%。

2.3 不同氮肥用量對馬鈴薯氮素吸收及田間氮素平衡的影響

馬鈴薯對氮素的吸收隨著施氮量的增加而增加（圖3），但在施氮量超過NE 處理用量（N 178 kg/hm2）時，作物氮吸收量并沒有持續增加。NE 處理氮平衡為N 32 kg/hm2 的盈余，而在NE+1/2N 中出現極大的氮盈余（N 125.6 kg/hm2）。

3 討論

研究結果表明，不同施氮量顯著增加了土壤NO3?-N，但對土壤NH4+-N 和全氮的影響較小，Zhao等[18]報道了不同施氮量下的相似結果。因為尿素在施入土壤后很快（2～7 天） 水解為NH4+-N，而NH4+-N在堿性條件下很容易以NH3 揮發損失，并在良好的土壤通氣條件下通過硝化過程迅速轉化為NO3?-N[19?20]。施氮量對0—20 cm 土層土壤NH4+ -N 含量沒有影響，但相對于NE?N 和NE?1/2N 處理，高施氮量顯著增加了20—40 cm 土層的NH4+-N 含量。這是因為表層土壤豐富的砂粒具有良好土壤通透性，有利于硝化作用[21]，而底土中黏土顆粒和含水量的增加增強了對NH4+-N 的吸附，減弱了NH3 的揮發。不同處理土壤全氮沒有顯著變化，因為氮肥引起的土壤礦物質氮的變化遠小于土壤總氮儲存量[22]。

NO3?-N 是旱地土壤礦質氮的主要形式，土壤礦質氮含量通常與施氮量呈正相關[20]。盡管NE+1/2N處理的氮輸入量高，導致土壤NO3?-N 殘留量高，但NE+1/2N 處理的馬鈴薯氮吸收量并沒有較NE 處理增加；此外，頻繁灌溉促進了NO3? -N 向深層的淋洗，NE+1/2N 處理中20—40 cm 土層的NO3?-N 含量略高于表層，并顯著高于其他處理的深層。這些結果與Li 等[23]的報道一致，高氮肥投入導致底土NO3?-N大量積累。這些結果表明，在高氮施用和施肥不平衡的情況下，灌溉條件下NO3? -N 容易淋到深層土壤，從而增加硝酸鹽污染風險[24]。

土壤微生物、真菌和細菌殘體氮均隨施氮量的增加而增加（除NE+1/2N 處理的20—40 cm 土層）。這一方面因為增施的氮肥增加了馬鈴薯產量和秸稈生物量（圖4），馬鈴薯秸稈還田增加了有機碳輸入，同時增加的氮肥施用量增加了土壤礦質氮供應，而有機碳和礦質氮為微生物生長所必需的能量和養分，增加的有機碳和氮投入促進了微生物生長，增強了微生物對礦質氮的固持，從而將肥料氮轉化為微生物殘體氮[25]。此外，微生物可以為氮循環和轉化提供驅動力[26]，高氮有效性增加了微生物的底物有效性，減少了活的微生物對微生物殘體氮的再利用[27?28]。

真菌殘體氮與細菌殘體氮的比值（2.9～3.5） 隨施氮量的增加呈下降趨勢，且隨土層深度的增加而增加；此外，在低氮用量（NE?N 和NE?1/2N） 處理中，這種增加更為明顯。這些結果表明，真菌對土壤中微生物殘體氮積累的貢獻大于細菌，并且真菌在低氮土壤中的貢獻大于高氮土壤，但細菌殘體氮含量隨氮肥用量的增加幅度高于真菌殘體氮，因為高肥力土壤有利于細菌的生長[2]。Ma 等[9]和Wang 等[29]研究指出，豐富的氮素營養有助于微生物殘體氮，尤其細菌殘體氮的積累。此外，在土壤?作物系統氮限制條件下，細菌殘體氮比真菌殘體氮更容易降解，而真菌殘體氮具有難降解性，有助于土壤氮庫的穩定[30?32]，因此低氮處理中真菌殘體氮與細菌殘體氮的比值升高。

微生物殘體氮占土壤全氮的64.2%～73.2%，證實了微生物殘體在土壤氮儲存中的重要作用。同時，微生物殘體是一種重要的有機氮資源，有助于緩解高量易分解有機碳輸入下的微生物氮缺乏[33]。結果表明，除NE+1/2N 處理外，0—20 cm 土層微生物殘體氮對土壤全氮的貢獻低于20—40 cm 土層。可以解釋為表層土接受了大量的馬鈴薯秸稈還田（C/N 值高），通過微生物殘體分解來補償微生物對速效氮的需求，相反，低量的馬鈴薯秸稈投入降低了底土微生物殘體氮的消耗。Huang 等[34]還報道了微生物源的碳和氮在底土的碳氮儲存中占主導地位。

根據不同施肥處理的礦質氮和微生物殘體氮的變化，優化施肥對土壤氮平衡和微生物穩定氮積累具有重要意義。在內蒙古馬鈴薯生產中，基于NE 系統推薦的氮肥施用量（N 178 kg/m2） 適合維持土壤肥力、土壤健康和馬鈴薯塊莖產量（圖4）。

與NE 處理相比，NE+1/2N 處理兩個土層的土壤礦質氮相似或更高，NE 和NE+1/2N 處理的作物秸稈還田量（圖4） 相似；然而，與NE 處理相比，NE+1/2N 處理中的微生物殘體氮沒有增加，甚至在底土層中含量減少，這可能與土壤微生物群落組成有關。土壤微生物是土壤氮轉化的關鍵驅動因素，其豐度和群落組成受到施肥和秸稈還田引起的土壤理化性質變化的影響，從而影響土壤氮組分的轉化、組成和積累[35?36]。因此，需要進一步研究土壤微生物群落組成、功能和土壤氮組分變化之間的關系，以揭示施氮調節微生物殘體固氮的機制。

4 結論

與最優氮肥量（NE 推薦量） 相比，減少施氮降低了土壤礦物氮供應，增施氮肥導致土壤氮過剩盈余和NO3?-N 顯著積累。與優化施氮量相比，減少施氮量降低了微生物殘體氮含量，增加施氮量并沒有提高微生物殘體氮含量。土壤微生物源氮儲存以真菌殘體氮為主，其對微生物殘體氮的貢獻隨著施氮量和土層深度的增加而增加。與其他施氮量相比，最佳施氮量能維持更高的微生物殘體氮儲存量。總之，基于NE 系統推薦的氮用量能夠較好地平衡土壤養分供應和維持較高微生物殘體氮儲存，是維持土壤肥力和馬鈴薯高產的最佳施氮量。