旱地土壤有机碳氮和供氮能力对长期不同氮肥用量的响应

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王慧, 刘金山, 惠晓丽, 戴健, 王朝辉. 旱地土壤有机碳氮和供氮能力对长期不同氮肥用量的响应[J]. , 2016, 49(15): 2988-2998 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.15.013
WANG Hui, LIU Jin-shan, HUI Xiao-li, DAI Jian, WANG Zhao-hui. Responses of Soil Organic Carbon, Organic Nitrogen and Nitrogen Supply Capacity to Long-Term Nitrogen Fertilization Practices in Dryland Soil[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2016, 49(15): 2988-2998 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.15.013

0 引言

【研究意义】黄土高原旱地是中国西北主要的旱作农业区,主要粮食作物小麦的高产稳产对维持地区粮食安全、农业可持续发展有重要意义。但是该地区土壤有机质含量低,氮素供应能力较差,农民习惯施用大量氮肥以保证获得较高作物产量^[1],而长期大量氮肥施用一方面导致氮素的大量残留^[2-3],另一方面可能导致土壤理化性质的变化,如土壤有机碳^[4]和pH^[5]降低等。因此,研究长期施氮对土壤有机碳氮及氮素矿化供应能力的影响作用有利于了解和提高该地区旱地土壤肥力,对氮肥管理具有重要的生产指导意义。【前人研究进展】作物吸收的氮素主要以无机态氮素为主,而土壤中氮素主要以有机态氮形式存在（约占全氮的92%—98%）,故该部分氮素不能被作物直接吸收利用,需通过土壤微生物驱动的矿化过程来释放无机态氮^[6]。而土壤氮素矿化是一个复杂的过程,同时受到很多因素影响。在农田生产系统中,主要影响因素有土壤有机质的质量和成分、土壤理化性质、微生物活性^[7]以及施肥等管理措施^[8]。REICH等^[9]的研究表明同一土壤中不同形态有机质的分解、矿化程度可能相差数倍,土壤pH升高促进氮素矿化、盐碱度却降低总氮矿化量^[7],且微生物的种类、数量也与氮素矿化密切相关^[10]。巨晓棠等^[11]、鲁彩艳等^[12]的研究表明无论是单施氮肥还是氮肥与有机肥配施都能提高土壤氮素矿化能力,且有机肥配施化肥效果优于单施化肥。也有研究发现,在东北黑土玉米地,单施氮肥对氮素矿化量无显著影响,但配施有机肥后,氮素矿化量显著提高^[13]。在稻田土壤中,一些****也得出相似的结论^[14-15]。【本研究切入点】目前有关长期不同氮肥用量对土壤有机碳氮和氮素矿化的研究主要集中于华北、东北和华南地区,且多是基于全国农田土壤肥力的长期试验,但这些定位试验缺乏长期不同氮肥用量处理。在西北旱地,施不同用量氮肥对土壤氮素矿化特征、有机碳、有机氮、微生物量碳氮含量影响如何?氮肥施用是否可以提高土壤有机碳、有机氮组分含量,继而影响氮素矿化和氮素供应能力?目前关于这些方面的研究依然缺乏。【拟解决的关键问题】研究基于2004年开始的长期不同用量氮肥定位试验,采用农化分析和培养试验方法分析不同施氮水平下不同土层土壤有机碳、有机氮含量变化及氮素矿化特征,探明长期施用不同用量氮肥对土壤有机碳、有机氮和氮素矿化的影响,以期为黄土高原南部地区的旱地农田氮素可持续管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

田间长期定位试验于2004年10月至2014年6月在陕西省杨凌区西北农林科技大学农作一站（34°17′59″N, 108°4′12″E）进行。该地处于黄土高原南部的渭河三级阶地,海拔525 m,1957—2013年的年平均气温12.9℃,降雨量581 mm,蒸发量1 400 mm,属于半湿润易干旱地区。试验区地势平坦,供试土壤为土垫旱耕人为土（

土）,试验开始前（2004年9月）耕层土壤（0—20 cm）基本理化性状为：pH 8.25、容重1.24 g·cm^-3、有机碳7.94 g·kg^-1、全氮1.07 g·kg^-1、有效磷（Olsen-P）15.0 mg·kg^-1、速效钾182.4 mg·kg^-1、硝态氮5.4 mg·kg^-1。

1.2 试验设置与设计

试验在施100 kg P₂O₅·hm^-2·a^-1的基础上,设5个氮水平,施氮量分别为0（N0）、80（N80）、160（N160）、240（N240）、320（N320）kg N·hm^-2·a^-1,采用随机区组试验设计,重复4次,小区面积为4 m×10 m=40 m²。氮肥为尿素（N,46%）,磷肥为重过磷酸钙（P₂O₅,46%）,所用肥料在每年小麦播前（10月初）一次性施入土壤。供试作物为冬小麦,品种为小偃22,采用机播方式,播量为135 kg·hm^-2,沿小区长边成行,行距为20 cm,整个生育期（10月上旬至次年6月上旬）无灌溉,管理方式与当地农户一致,冬小麦收获后,夏休闲。试验从2004年开始,施肥数量、施肥方式、小麦品种、农田管理方式均保持一致。本研究涉及2013—2014年年度田间试验,选取5个氮处理中的N0、N160、N320三个处理,其中160 kg N·hm^-2·a^-1是当地推荐小麦氮肥用量,而320 kg N·hm^-2·a^-1是过量施氮水平,以此分析长期施氮对土壤氮素矿化和有机碳、有机氮的影响作用。

1.3 样品采集与测定

在小麦播种前（2013年10月2日）、收获期（2014年6月9日）,分别采用土钻在各小区选定5个点采集土层0—10、10—20、20—40 cm的土样,混匀后立即带回实验室。分为两部分：其中一部分鲜土用来测定土壤微生物量碳、微生物量氮和土壤矿质氮（硝态氮和铵态氮）;另一部分土样经过风干后过筛,用于土壤有机氮和有机碳含量等的测定。
土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定^[16]。土壤有机氮（TON）采用差减法计算,即土壤全氮含量减去矿质氮（硝态氮和铵态氮）含量,其中土壤全氮采用凯氏定氮法测定,矿质氮采用1.0 mol·L^-1 KCl溶液浸提后连续流动分析仪（AA3,Bran+Luebbe,Germany）测定^[16]。土壤微生物量氮和微生物量碳采用氯仿熏蒸-K₂SO₄提取法测定^[17-18],采用碳自动分析仪（岛津TOC-V_CPH,日本岛津公司）测定提取液的有机碳含量,高压锅氧化法^[19]测定提取液中的有机氮含量。以熏蒸土样与不熏蒸土样提取的有机碳、有机氮的差值分别乘以转换系数K_C（2.22）或K_N（1.85）计算土壤微生物量碳和微生物量氮含量。
土壤氮素累积矿化量、矿化势、矿化速率常数采用间歇淋洗好气培养法^[20-21]测定,供试土壤为小麦播前土壤（2013年10月2日采集）。主要方法如下：称25.00 g过2 mm筛的风干土壤和等量石英砂（1—2 mm）混匀,使其形成具有良好通气结构的土、砂混合物。然后,小心地转入预先铺有一层玻璃丝和25 g石英砂的50 mL淋洗管（塑料注射器）中,再在其上铺少量玻璃丝,以免淋洗时,淋洗液直接冲击土、砂混合物,使其分离。装好后轻振数次,然后用100 mL 0.01 mol·L^-1 CaCl₂溶液淋洗土壤中起始矿质氮,淋洗后加入 40 mL 无氮营养液（2.5 mmol·L^-1 K₂SO₄、2 mmol·L^-1 CaSO₄、2 mmol·L^-1 MgSO₄·7H₂O和0.5 mmol·L^-1 CaHPO₄·2H₂O）,多余水分在 80 kPa 负压下抽去。然后管口用塑料膜密封,再扎一个小孔,保持管内良好通气。将淋洗管放入恒温培养箱中在（35±1）℃条件下进行培养。在培养的第1、2、3、5、7、9、12和15周取出淋洗管,用100 mL 0.01 mol·L^-1 CaCl₂ 溶液淋洗移去培养期间土壤产生的矿质氮,加入无氮营养液并抽去多余水分。每次淋洗液用 100 mL容量瓶接收,定容后,即时用流动分析仪测定淋洗液中NH₄⁺-N和NO₃^--N含量。培养所获得的净矿化氮量与时间的关系用一级动力学方程来描述：
Nt=N₀[1-exp(-kt)]
式中,Nt为时间t时的净矿化氮量,k为矿化速率常数,N₀为矿化势,t为培养时间。根据以上动力学方程求出氮素矿化势、矿化速率常数。

1.4 数据处理与统计

数据采用Excel 2010、DPS（v7.05）以及SigmaPlot（v12.5）处理,多重比较采用LSD法,显著性水平为a=0.05。

2 结果

2.1 长期施氮后土壤有机碳含量变化

与N0相比,两个时期（小麦播前和收获期）监测数据的平均值表明施氮显著提高了0—10、10—20、20—40以及0—40 cm不同土层土壤有机碳含量（表1）,以0—40 cm 土层为例,有机碳含量增幅达9.5%（N160）和12.9%（N320）,N160和N320处理之间差异不显著。不同土层的土壤有机碳含量在2个时期表现不一致。在0—10 cm土层,N160和N320处理显著提高了小麦播前和收获期土壤有机碳含量;在10—20、20—40 cm 土层,小麦播前3个氮肥处理之间有机碳含量差异不显著,而收获期N320处理显著高于N0处理。随着土层深度的增加,土壤有机碳含量降低,由0—10、10—20 cm增加到20—40 cm 时,有机碳含量显著下降,但0—10、10—20 cm土层之间无显著差异。
Table 1
表1
表1长期施氮对不同土层土壤有机碳含量的影响
Table 1Effects of long-term N fertilization on soil organic carbon (SOC) concentrations in different soil layers (g·kg^-1)

	土层 Soil depth (cm)	N0	N160	N320	平均 Mean
小麦播前 Wheat pre-sowing 2013年10月 October, 2013	0—10	8.00bA	9.37aA	9.20aA	8.86A
	10—20	8.62aA	9.27aA	9.45aA	9.11A
	20—40	6.32aB	6.84aB	6.92aB	6.69B
小麦收获期 Wheat harvest 2014年6月 June, 2014	0—10	8.72bA	9.71aA	9.83aA	9.42A
	10—20	8.72bA	9.64aA	10.18aA	9.51A
	20—40	6.87bB	7.39abB	7.87aB	7.38B
平均 Mean	0—10	8.37bA	9.54aA	9.51aA	9.14A
	10—20	8.67bA	9.46aA	9.82aA	9.31A
	20—40	6.59bB	7.11aB	7.40aB	7.04B
	0—40	7.37b	8.07a	8.32a	7.92

Different lowercase letters in a row indicate significant differences (P<0.05) among different N fertilization treatments. Different uppercase letters in a column indicate significant differences (P<0.05) among different soil layers. The same as below表内行中小写字母表示不同氮肥处理之间差异显著性（P<0.05）,列中大写字母表示不同土层之间差异显著性（P<0.05）。下同

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2.2 长期施氮后土壤有机氮含量变化

与N0相比,两个时期的平均值表明仅有N320处理显著提高了0—40 cm土层土壤有机氮含量（表2）,N160和N320处理均显著提高了0—10 cm土层有机氮含量,此外,N320处理也显著提高了10—20、20—40 cm土层有机氮含量。不同土层的有机氮含量在2个时期表现不尽一致。在0—10 cm土层,N320处理仅显著提高了小麦播前有机氮含量,收获期N160、N320处理均显著提高有机氮含量;在10—20、20—40 cm土层,N320显著提高了播前有机氮含量,而小麦收获期3个氮肥处理间差异不显著。此外,随着土层深度的增加,土壤有机氮含量降低,由0—10、10—20 cm增加到20—40 cm 时,有机氮含量显著下降,但0—10、10—20 cm土层间无显著差异。

2.3 长期施氮后土壤微生物量碳含量变化

与N0处理相比,两个时期的平均值表明,N320处理显著提高了0—40 cm土层土壤微生物量碳含量（表3）,N160和N320处理之间无显著性差异;仅N160处理显著提高了10—20 cm土层微生物量碳含量,而在0—10、20—40 cm土层,施氮处理均未显著提高微生物量碳含量。土壤微生物量碳含量在2个时期表现不一致。在0—10 cm土层,小麦播前和收获期3个氮肥处理之间差异不显著;在10—20 cm土层,小麦播前3个氮肥处理之间差异不显著,但N320处理显著提高了收获期微生物量碳含量;在20—40 cm土层,N320处理显著提高小麦播前微生物量碳含量,而收获期3个处理间无显著差异。整体而言,随着土层深度增加,微生物量碳含量显著下降,尽管小麦收获期不同土层之间无显著差异。
Table 2
表2
表2长期施氮对不同土层土壤有机氮含量的影响
Table 2Effects of long-term N fertilization on soil organic nitrogen (SON) concentrations in different soil layers (g·kg^-1)

	土层 Soil depth (cm)	N0	N160	N320	平均 Mean
小麦播前 Wheat pre-sowing 2013年10月 October, 2013	0—10	0.91bA	0.95bA	1.05aA	0.97A
	10—20	0.91bA	1.00abA	1.03aA	0.98A
	20—40	0.76bB	0.74bB	0.88aB	0.79B
小麦收获期 Wheat harvest 2014年6月 June, 2014	0—10	0.97bA	1.07aA	1.08aA	1.04A
	10—20	0.96aA	0.98aAB	1.03aAB	0.99A
	20—40	0.84aB	0.90aB	0.89aB	0.88B
平均 Mean	0—10	0.94cA	1.01bA	1.06aA	1.00A
	10—20	0.94bA	0.99abA	1.03aA	0.99A
	20—40	0.80bB	0.82abB	0.89aB	0.84B
	0—40	0.85b	0.89b	0.95a	0.90

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Table 3
表3
表3长期施氮对不同土层土壤微生物量碳的影响
Table 3Effects of long-term N fertilization on soil microbial biomass carbon (MBC) concentrations in different soil layers (mg·kg^-1)

	土层Soil depth (cm)	N0	N160	N320	平均Mean
小麦播前 Wheat pre-sowing 2013年10月 October, 2013	0—10	241.6aA	254.0aA	248.8aA	248.1A
	10—20	195.2aB	244.8aA	205.3aAB	215.1A
	20—40	123.4bC	117.5bB	169.0aB	136.6B
小麦收获期 Wheat harvest 2014年6月 June, 2014	0—10	91.1aA	93.0aA	83.1aB	89.1A
	10—20	74.1bA	86.7abAB	103.0aA	87.9A
	20—40	74.4aA	69.2aB	73.4aB	72.3A
平均Mean	0—10	166.3aA	173.5aA	166.0aA	168.6A
	10—20	134.7bAB	165.7aA	154.1abA	151.5A
	20—40	98.9abB	93.3bB	121.1aB	104.5B
	0—40	119.1b	123.8ab	136.5a	126.4

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2.4 长期施氮后土壤微生物量氮含量变化

与N0相比,N320处理显著提高了20—40、0—40 cm土层土壤微生物量氮含量（表4）,N160和N320处理之间差异不显著,且两个施氮处理对0—10、10—20 cm土层微生物量氮含量均无显著性影响。不同土层的微生物量氮含量在2个采样时期表现也不一致。在0—10、10—20 cm土层,小麦播前和收获期3个处理之间微生物量氮含量无显著差异;20—40 cm 土层,小麦播前N160和N320显著提高土壤微生物量氮含量,而到了收获期3个处理之间无显著差异。随着土层深度增加,土壤微生物量氮含量显著下降,但在小麦收获期10—20 cm土层的微生物量氮含量显著高于0—10、20—40 cm土层。

2.5 长期施氮后土壤氮素矿化能力变化

基于氮素矿化量的实测数据,用一级动力学方程拟合结果（图1）表明,0—10 cm土层（图1-a）,培养到105 d时,N320处理氮素矿化累积量（65.58 mg·kg^-1）显著高于N0处理（50.80 mg·kg^-1）,但与N160处理（60.05 mg·kg^-1）无显著性差异;氮素矿化势（N₀）则为 N0（115.05 mg·kg^-1）、N160（122.74 mg·kg^-1）处理显著低于N320处理（202.03 mg·kg^-1）,而各处理矿化速率常数（k）为0.0058、0.0066、0.0033·d^-1。10—20 cm土层（图1-b）,在培养的35 d后均表现为N160和N320均显著高于N0处理,培养结束时（N160：65.73 mg·kg^-1;N320：69.80 mg·kg^-1）分别较N0（51.63 mg·kg^-1）提高27.3%和35.2%;N0、N160和N320各处理的氮素矿化势（107.33、137.44、193.36 mg·kg^-1）、矿化速率常数（0.0065、0.0063、0.0044·d^-1）变化规律与0—10 cm土层一致。20—40 cm土层（图1-c）,整个培养期各处理的氮素矿化量都显著低于0—10、10—20 cm土壤,培养结束时（105 d）N320处理（46.45 mg·kg^-1）显著高于N0（39.65 mg·kg^-1）、N160（38.73 mg·kg^-1）处理,提高幅度分别达17.2%和20.0%;此外,N160处理氮素矿化势（101.06 mg·kg^-1）显著高于N0（64.67 mg·kg^-1）和N320（78.44 mg·kg^-1）处理,而矿化速率则相反,分别为0.0049、0.0094和0.0088·d^-1。
Table 4
表4
表4长期施氮对不同土层土壤微生物量氮的影响
Table 4Effects of long-term N fertilization on soil microbial biomass nitrogen (MBN) concentrations in different soil layers (mg·kg^-1)

	土层 Soil depth (cm)	N0	N160	N320	平均 Mean
小麦播前 Wheat pre-sowing 2013年10月 October, 2013	0—10	77.1aAB	91.7aA	87.7aA	85.5A
	10—20	86.2aA	86.3aB	86.4aA	86.4A
	20—40	54.7cB	68.4bC	76.6aB	66.6B
小麦收获期 Wheat harvest 2014年6月 June, 2014	0—10	15.3aB	15.8aA	15.2aA	15.4B
	10—20	19.2aA	21.6aA	24.5aA	21.8A
	20—40	15.4aB	13.0aA	15.3aA	14.6B
平均Mean	0—10	46.2aAB	53.7aA	51.4aAB	50.5A
	10—20	52.7aA	54.0aA	55.5aA	54.0A
	20—40	35.1bB	40.7abB	46.0aB	40.6B
	0—40	41.0b	46.0ab	49.0a	45.3

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图1长期施氮对不同土层土壤氮素累积矿化量的影响
-->Fig. 1Effects of long-term N fertilization on soil cumulative mineralized N in different soil layers
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2.6 土壤氮素矿化与施氮量、有机氮和有机碳的关系

相关分析表明土壤的氮素矿化特征参数与施氮量、微生物量氮、微生物量碳、有机氮、有机碳含量关系密切（表5）。0—10 cm土层,氮素累积矿化量与施氮量呈显著的正相关,氮素矿化势与施氮量、有机氮含量呈显著的正相关,而矿化速率常数与施氮量、有机氮含量呈显著的负相关。10—20 cm土层,氮素累积矿化量与施氮量、有机碳含量呈显著的正相关,氮素矿化势与有机碳含量呈显著的正相关,而矿化速率与施氮量、有机氮、有机碳呈显著的负相关。20—40 cm土层,氮素累积矿化量与微生物量碳、有机氮含量呈显著的正相关,而氮素矿化势、矿化速率与施氮量、微生物量氮、微生物量碳、有机氮、有机碳含量均无显著相关。由此说明氮肥的施入提高了0—10、10—20 cm土层氮素矿化潜力,降低了氮素矿化速率,有利于土壤氮素的持久供应,且有机氮、有机碳作为氮素矿化的底物分别在0—10、10—20 cm土层土壤氮素矿化中起决定作用,而20—40 cm土层受微生物活性影响较大。
Table 5
表5
表5土壤氮素累积矿化量、矿化势、矿化速率与施氮量、有机氮和有机碳的相关系数
Table 5The Pearson’s correlation coefficient between soil cumulative mineralized N, potentially mineralizable N, mineralization rate and soil organic N or C

土层 Soil depth (cm)	项目 Items	施氮量 N rate	微生物量氮 Microbial biomass nitrogen	微生物量碳 Microbial biomass carbon	有机氮 Soil organic nitrogen	有机碳 Soil organic carbon
0—10	累积矿化量 Cumulative mineralized N	0.80**	0.39	-0.04	0.61	0.46
	矿化势 Potentially mineralizable N (N₀)	0.84*	0.29	0.23	0.91**	0.1
	速率常数 Mineralization rate (k)	-0.87*	-0.32	-0.04	-0.84*	-0.23
10—20	累积矿化量 Cumulative mineralized N	0.85**	0.13	0.33	0.63	0.71*
	矿化势 Potentially mineralizable N (N₀)	0.77	0.74	0.1	0.74	0.95**
	速率常数 Mineralization rate (k)	-0.86*	-0.62	-0.36	-0.94**	-0.92**
20—40	累积矿化量 Cumulative mineralized N	0.66	0.55	0.90**	0.74*	-0.09
	矿化势 Potentially mineralizable N (N₀)	0.12	0.16	-0.04	0.09	-0.01
	速率常数 Mineralization rate (k)	0.44	0.39	0.65	0.58	0.04

**极显著相关（P<0.01）;*显著相关（P<0.05） ** Extremely significant correlation (P<0.01); * Significant correlation (P<0.05)

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3 讨论

3.1 长期氮肥施用对土壤有机碳、有机氮含量的影响

基于10年定位试验的测定表明,氮肥施用显著提高了旱地0—10、10—20、20—40 cm土层土壤有机碳含量,而洛坤等^[22]等在东北黑土研究发现,施氮并未提高土壤有机碳含量,其原因可能是两个试验点的有机碳含量差异较大,东北黑土有机碳含量为15.4 g·kg^-1,本试验点有机碳含量仅7.94 g·kg^-1。对于高有机碳含量的黑土而言,长期单施化肥无法维持其原有的有机碳水平^[23],而对于有机碳含量低的西北旱地土壤而言,氮肥施用增加了小麦产量、生物量^[24]和进入土壤中的小麦秸秆、根系等有机物料,进而导致土壤有机碳不断累积。在华北平原,长期氮肥施用亦可增加有机质含量较低（10.0 g·kg^-1）的玉米-小麦轮作体系土壤有机碳的含量^[25]。说明在不同生态区域和种植制度下,长期氮肥施用对土壤有机碳累积作用并不一致。
与土壤有机碳含量变化不同,长期施氮仅显著提高了0—10 cm土层土壤有机氮含量,但10—20、20—40 cm土层只有高氮处理（N320）显著提高有机氮含量。同样,有研究发现长期施氮可提高华北平原玉米-小麦轮作体系潮土^[26]、黄土高原灌区玉米-小麦轮作体系

土^[27]土壤有机氮含量,也有研究发现长期氮肥施用对湖南水稻土^[28]、黑龙江黑土^[29]有机氮含量无影响。说明受气候、种植制度等因素的制约,长期氮肥施用对土壤有机氮含量影响不一。

3.2 长期氮肥施用对土壤微生物量碳、微生物量氮含量的影响

小麦播前和收获期监测数据的平均值表明0—10、10—20 cm土层土壤微生物量碳、微生物量氮含量显著高于20—40 cm土层,但小麦播前的土壤微生物量碳、微生物量氮含量显著高于收获期,主要原因：一是水分和温度的影响,小麦播前土壤水分含量较高（0—10 cm：15.0%,10—20 cm：18.0%,20—40 cm：18.3%）且温度适宜（最高温25℃,平均19℃左右）,而到了小麦收获时,土壤水分含量较低（0—10 cm：9.9%,10—20 cm：10.6%,20—40 cm：11.3%）且温度较高（最高温32℃,平均25℃左右）,限制了土壤微生物的活性和生长;二是夏闲期间小麦秸秆被还田,为微生物提供了丰富的碳源,同时雨热资源充沛,土壤微生物活性较强,繁殖较快。
氮肥施用对土壤微生物量碳、微生物量氮的影响不一。本研究表明长期氮肥施用并未显著影响到0—10、10—20 cm土层土壤微生物量碳、微生物量氮含量,与臧逸飞等^[30]研究结果一致,其研究发现在黄土高原旱塬区连续26年单施氮肥处理的微生物量碳与不施氮处理并无显著差异,同样在湖南水稻土上,氮肥施用未显著提高或降低土壤微生物量碳、微生物量氮含量^[28]。然而在东北连续多年的定位试验表明施氮显著提高了黑土0—20 cm土层土壤微生物量碳^[31],以及高、中、低肥力土壤（冲积土、黑土和风沙土）0—20 cm土层土壤微生物量氮和微生物量碳含量^[32]。不仅如此,氮肥施用也显著提高了控制灌溉和正常灌溉模式下的淮河中游水稻土^[33]和黄淮海平原种植玉米与裸地条件下的潮土^[34]土壤微生物量碳、微生物量氮含量。导致差异的主要原因是西北地区土壤基础肥力较低,特别是土壤全氮（有机氮）含量低,长期施氮肥虽然增加了植物根茬、秸秆等的残留量,但导致土壤的C/N比增大,不利于土壤微生物的活动。

3.3 长期氮肥施用对土壤氮素矿化作用的影响

本研究表明,在10—20、20—40 cm土层,与不施氮对照（N0）相比,N160、N320显著增加了土壤氮素矿化累积量。同样,长期氮肥施用增加了江苏省镇江小麦-水稻轮作系统不同粒径水稻土（马肝土）土壤氮素累积矿化量^[35],说明施氮可提高土壤氮素累积矿化量,原因是氮肥施用增加了作物产量^{[15, 24, 36]},使回到土壤中的有机物质增加,为矿化过程提供了底物^[37];不施氮肥处理由于持续种植小麦会消耗土壤有机氮,微生物活性降低,最终导致不施氮肥处理累积矿化量较低。然而,连续16年长期定位试验表明,与不施氮肥相比,单施氮肥极显著降低了辽河平原水稻土（水耕暗色潮湿雏形土）氮素累积矿化量^[38]。由此可知氮肥施用对不同类型土壤氮素累积矿化量影响不一。
土壤氮素矿化势表示有机氮矿化的最大潜力,而矿化速率表示矿化速度的快慢。本研究结果表明在0—10、10—20 cm土层,施用氮肥能明显提高土壤氮素矿化势,但在20—40 cm 土层,只有N160处理显著提高氮素矿化势。巨晓棠等^[11]研究表明,在华北平原经过15年的培肥和轮作（冬小麦-玉米）后,无论是单施氮肥区,还是氮肥与有机肥配合施用区,氮素矿化势N₀均有不同程度的增加（由56.6 mg·kg^-1增加到163.3 mg·kg^-1）,k值变化范围为0.0046—0.0131·d^-1。说明随着施氮量的增加,土壤潜在供应氮素能力增加,而氮素矿化的速度变缓,可为作物生长长久、稳定地提供氮素营养。但是在东北,与不施氮肥相比,单施氮肥使水稻土氮素矿化势下降、矿化速率加快^[23]。可见,在不同农业生产生态系统中,氮肥施用对土壤氮素矿化影响作用不一。
本研究发现,0—10 cm土层,氮素矿化势与施氮量、有机氮含量呈显著的正相关关系,而矿化速率常数与施氮量、有机氮含量呈显著的负相关关系。10—20 cm土层,氮素矿化势与有机碳含量呈显著的正相关关系,而矿化速率与施氮量、有机氮、有机碳与呈显著的负相关关系。王媛等^[39]对玉米-小麦轮作土壤的培养试验也发现土壤氮素矿化势还与多种有机氮组分,如氨基酸氮、氨基糖态氮、氨态氮、酸解未知氮及非酸解氮呈现显著正相关关系,与绍兴芳等^[13]在吉林省公主岭市进行的黑土长期定位试验研究结果一致,该研究表明土壤氮素矿化量与土壤有机质、全氮储量、活性碳、氮组分均呈极显著线性相关,但氮素的矿化率（氮矿化量/全氮）随着有机质和全氮含量的提高而提高,至0.4%后基本稳定。说明土壤有机氮含量增加,土壤氮素矿化潜力变大,有利于土壤为作物生长持续、稳定地供应氮素。较深层的土壤,如20—40 cm土层,氮素累积矿化量与微生物量碳、有机氮含量呈显著的正相关关系,而氮素矿化势、矿化速率与施氮量、微生物量氮、微生物量碳、有机氮、有机碳含量均无显著相关关系,说明该层土壤氮素矿化潜力受到有机碳氮和微生物活性影响较小。

4 结论

长期施用氮肥促进了旱地不同土层土壤有机碳、有机氮积累,但对土壤微生物量碳、微生物量氮影响较小,且土壤微生物量碳、微生物量氮含量在小麦生长的不同时期变异较大。氮肥施用显著增加了0—10、10—20 cm土层土壤氮素累积矿化量和矿化势,施氮量越高则土壤供氮潜力越强,而土壤氮素矿化速率则降低。不同土层土壤氮素矿化特征参数与施氮量、有机碳、有机氮、微生物量碳含量关系密切。因此,在旱地上,合理施氮肥可提高土壤氮素矿化供氮潜力,是提高土壤有机氮和有机碳含量的有效途径。
（责任编辑赵伶俐）
The authors have declared that no competing interests exist.