0 引言
【研究意义】氮素是作物生长的必需营养元素,施用氮肥是提高农作物产量的重要措施。但是,当氮肥投入超过了农作物和土壤微生物对氮的需求时,不仅对提高产量无益,反而会降低氮肥利用率,同时大量盈余的氮素很容易通过径流、淋溶、氨挥发和反硝化等途径损失,引发地下水硝酸盐污染、水体富营养化及温室效应等一系列负面环境问题[1-3]。有机无机配施及秸秆还田等措施已被证实在提高农作物产量、增强土壤肥力、降低氮素淋失风险等方面具有良好的应用效果[4-5]。然而,关于长期增施有机肥尤其是高量增施有机肥以及低量秸秆还田措施对作物产量以及氮素淋失风险的研究较少。华北地区是中国重要的小麦、玉米粮食生产地,农田土壤是典型的低碳含量土壤,作物氮肥利用率较低,土壤硝态氮（NO3--N）易于流失[1,6-7]。明确长期增施有机肥、秸秆还田等措施对作物产量、土壤肥力以及土壤氮素淋失风险的影响,对确定农田合理施肥措施,实现华北地区粮食高产及降低农业面源污染风险,具有重要的实际应用价值。【前人研究进展】国内外****关于长期施用有机肥及秸秆还田对作物产量的影响,已做了大量相关研究。WEI等[8]研究表明,32年长期有机无机配施显著提高了3种作物（小麦、玉米和水稻）的产量,平均产量比单施有机肥处理提高29%,比单施化肥处理提高8%。ZHAO等[9]通过9年田间试验结果发现,秸秆还田后作物产量提高7%,尤其对缺水缺肥旱地农田作物的增产效果更佳。由此可见,长期施用有机肥或者秸秆还田措施可以通过提升土壤肥力、提高作物养分吸收效率[10]等途径影响作物产量。此外,有机肥及秸秆还田还一直被提倡和实践用来改善土壤肥力、提升土壤碳氮库容[11-12]。15年长期定位试验表明,与单施化肥相比,增施有机肥及秸秆还田均提高了表层（0—15 cm）土壤有机碳（SOC）含量,两处理间差异不显著,提升幅度均达23%[13]。ZHAO等[14]研究发现,长期秸秆还田对耕层土壤SOC和全氮（TN）含量的增加幅度分别可达2%—19%和2%—16%。有机肥及秸秆还田等外源碳的添加对土壤碳氮库的提升潜力一方面归因于自身带入的碳、氮增加,另一方面为外源碳含有氮磷等养分,其缓慢释放特点可认为施入了额外的肥料,通过作物根系、残落物等途径增加碳、氮投入[4,15]。有机肥及秸秆还田在提高作物产量、改善土壤肥力的同时,还会影响氮素的淋失风险。如有机肥的施用可以通过增加反硝化过程中气态氮损失[16]、增强异养微生物与氨氧化菌对铵态氮（NH4+-N）的竞争能力[17]等途径,降低NO3--N在土壤中的累积。但是过多施用有机肥会增加氮损失的风险[18]。MASAKA等[19]发现,有机肥施用量超过15 t·hm-2时,淋溶液（深度为40 cm）中硝态氮（NO3--N）浓度就超过饮用水标准（10 mg·L-1）的15%以上。而MAEDA等[20]发现有机肥在短期内可以减少NO3--N淋溶损失,长期施用下会与化学氮肥一样导致大量NO3--N淋溶损失。王敬等[21]的研究结果表明,长期施用有机肥对自养硝化作用的刺激作用明显高于化肥,会导致土壤中NO3--N的积累。此外,有机肥还能促进土壤中可溶性有机碳氮的淋洗[22]。【本研究切入点】施用有机肥、秸秆还田等外源碳材料是增加土壤碳氮库容、提高土壤氮素固持能力,减少氮素损失风险的有效手段[5,14,23],成为目前主推的提高土壤肥力、降低农业面源污染风险的重要措施。但是目前有关长期增施有机肥尤其高量增施有机肥以及低量秸秆还田对低肥力潮褐土的肥力提升潜力及氮素淋失风险研究较少。【拟解决的关键问题】以北京昌平国家褐潮土肥力与肥料效益长期监测试验基地的长期肥料试验为平台,探讨长期增施有机肥/秸秆还田对作物产量及土壤氮素淋失风险的影响,为提升作物产量、降低氮素淋失风险,更好地培肥土壤提供科学依据。1 材料与方法
1.1 试验区概况与试验设计
本研究在国家褐潮土肥力与肥料效益长期监测基地的长期肥料试验中进行。监测基地位于北京市昌平区,北纬40°13′,东经116°14′,海拔高度43.5 m,年平均温度11℃,≥10℃积温4 500℃,年降雨量600 mm,年蒸发量1 065 mm,无霜期210 d,灾害性天气主要是春旱和夏季暴雨。长期肥料定位试验始于1990年,种植制度主要为冬小麦（Triticum aestivum L.）-夏玉米（Zea mays L.）。土壤母质为黄土性物质,属褐潮土。试验开始时表层（0—20 cm）土壤理化性质为：有机质含量12.9 g·kg-1,全氮0.5 g·kg-1,全磷0.6 g·kg-1,碱解氮49.7 mg·kg-1,速效磷3.8 mg·kg-1,有效钾 65.3 mg·kg-1,缓效钾503.7 mg·kg-1,pH 8.12。
试验设有5个处理：（1）对照（CK）;（2）氮磷钾（NPK）;（3）氮磷钾+有机肥（NPKM）;（4）氮磷钾+过量有机肥（NPKM+）;（5）氮磷钾+秸秆还田（NPKS）。每处理小区选取3个作物长势均匀一致的试验区域3 m2 （2.0 m×1.5 m）作为试验微区,试验共15个微区,在微区周围设置30 cm缓冲区域,在作物采收前,严禁进入微区进行试验操作。处理中N、P、K 分别代表每季作物施N 150 kg·hm-2、P2O5 75 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2;M为猪粪肥（含水量28%）;M+为过量猪粪肥（含水量28%）;S为玉米秸秆或小麦秸秆,其中猪粪肥含N为1.5%（干基）,小麦秸秆中含N为4.9%（干基）、玉米秸秆含N为9.1%（干基）,各处理施肥量如表1所示。氮、磷、钾化肥于播种前一次性施入,猪粪肥和秸秆还田每年施用1次,于小麦播种前做基肥。氮肥为尿素,磷肥为过磷酸钙,钾肥为氯化钾。田间管理按大田丰产要求进行。
Table 1
表1
表1各处理施肥量
Table 1Fertilization amount in each treatment
| 处理 Treatments | 小麦 Wheat (kg·hm-2·a-1) | 玉米 Maize (kg·hm-2·a-1) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N | P2O5 | K2O | 有机肥 Manure | 小麦秸秆Wheat straw | N | P2O5 | K2O | 有机肥 Manure | 玉米秸秆 Maize straw | |
| CK | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NPK | 150 | 75 | 45 | 0 | 0 | 150 | 75 | 45 | 0 | 0 |
| NPKM | 150 | 75 | 45 | 22500 | 0 | 150 | 75 | 45 | 0 | 0 |
| NPKM+ | 150 | 75 | 45 | 33750 | 0 | 150 | 75 | 45 | 0 | 0 |
| NPKS | 150 | 75 | 45 | 0 | 2170 | 150 | 75 | 45 | 0 | 2170 |
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1.2 取样及样品处理
土壤样品：于2016年6月小麦季收获后,在各处理微区均随机取3点采集0—200 cm（间隔20 cm）土壤样品,剔除石砾和植物残根等杂物,混合制样,过2 mm筛后,放入4 ℃冰箱内保存,并测定其土壤硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）,样品风干后过0.25 mm筛测定土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）等。此外,将以上0—200 cm土层样品,除0—20 cm、20—40 cm土层外,其余土层采用相邻两土层均匀混合的方法得到40—80 cm、80—120 cm、120—160 cm、160—200 cm（间隔40 cm）样品,用于测定土壤氮矿化速率和硝化潜势等微生物学过程相关指标及可溶性碳氮养分含量。植物样品：分别于2016年6月小麦收获时、10月玉米收获时将各微区全部收获测产。
有机肥及秸秆样品：将新鲜猪粪及秸秆自然风干后,采用H2SO4-H2O2消煮,凯氏定氮法测定猪粪及秸秆中的全氮含量。
1.3 土壤样品的测定方法及计算
土壤pH、有机碳（SOC）、TN、NH4+-N、NO3--N均采用常规分析方法[24]。土壤pH采用pH计（Mettler Toledo Delta 320）测定（水﹕土为5﹕1）;SOC测定采用重铬酸钾-外加热容量法;土壤TN采用浓H2SO4消煮-半微量开氏法,采用全自动开氏定氮仪（KDY-9830, 北京）;土壤NH4+-N、NO3--N采用0.01 mol·L-1 CaCl2浸提,流动分析仪（AA3）测定。土壤氮矿化速率的测定[25]：称取50 g新鲜样品于塑料杯中,将其含水量调节到田间持水量的60%。在25℃恒温培养箱中培养14 d,并于培养过程中每3 d称重、补水。分别测定培养前后土样中NO3--N 和NH4+-N浓度,通过单位时间内NO3--N和NH4+-N含量的变化计算土壤氮矿化量。计算公式如下：
ΔNH4+-N = NH4+-Nt - NH4+-N0
ΔNO3--N= NO3--Nt - NO3--N0
氮矿化速率=（ΔNH4+-N + ΔNO3--N）/ t
式中,NH4+-N0和NO3--N0为土壤初始时NH4+-N和NO3--N的含量,NH4+-Nt和NO3--Nt为培养后土壤中NH4+-N和NO3--N的含量。
土壤硝化潜势的测定：通过摇浆法测定[26],该方法主要评价土壤样品的最大NO3--N产生速率。具体方法是：15 g新鲜土样与100 mL含1.5 mmol·L-1 NH4+的1 mmol·L-1 PO43-缓冲液（pH=7.2）混合;25℃黑暗环境下摇荡24 h （180 r/min）;在第2、6、12、22和24 h各吸取5 mL溶液,每部分离心后过滤储存于-20℃;NO3--N浓度使用流动分析仪测定（AA3）;土壤硝化潜势通过NO3--N浓度与时间的线性回归斜率表示（μg NO3--Ng-1·h-1）。
分别计算2016年6月小麦收获时和10月玉米收获时两种作物的氮盈余和氮肥偏生产力,计算公式如下：
氮盈余=投入氮量-作物携出氮量[27]
氮肥偏生产力（partial factor productivity of nitrogen, PFPN, kg·kg-1）=施氮区产量/施氮量,指投入单位氮肥所生产的作物产量。
1.4 数据分析
采用OriginLab 8.1软件作图,所有数据采用SAS软件进行（version 9.1）单因素方差分析（one-way ANOVA）,统计分析长期不同施肥处理对作物产量及氮素淋失风险的影响,多重比较采用Duncan法（P=0.05）,平均值在P<0.05水平下的任何差异具有统计学意义。2 结果
2.1 作物产量、氮盈余和氮肥偏生产力
方差分析结果显示（表2）,长期增施有机肥（NPKM、NPKM+）/秸秆还田（NPKS）均能够提高小麦和玉米的产量及生物量。其中,过量增施有机肥（NPKM+）处理的小麦产量和生物量最高,分别达到5.1和9.1 t·hm-2,比NPK处理的小麦产量和生物量增加50%和44%,其次为NPKM和NPKS处理,两处理间呈显著性差异水平（P<0.05）,和NPK处理相比,分别提高小麦产量达41%、24%,分别提高生物量达37%、8%。NPKM和NPKM+处理玉米产量较高,为8.2—8.3 t·hm-2,显著高于NPKS、NPK和CK 3个处理（P<0.05）,但两处理间差异不显著（P>0.05）。与NPK处理相比,增产幅度分别达到32%和30%。同时,NPKS处理玉米产量略高于NPK处理,但两处理间差异不显著（P>0.05）。不同处理的小麦和玉米地上部含氮量与籽粒产量变化趋势基本一致。由此可以看出,长期增施有机肥/秸秆还田能够增加作物产量和地上部吸氮量,且长期增施有机肥的效果高于秸秆还田。采用投入氮量与作物携出氮量之差作为衡量氮盈余的指标发现,对于小麦季而言,NPKM、NPKM+、处理氮盈余比NPK处理提高118%、189%;NPKS处理比NPK处理降低3%;玉米季土壤氮盈余变化与小麦季相似,表现为NPKM、NPKM+处理氮盈余比NPK处理提高312%、1 037%;NPKS处理比NPK处理降低92%。可见,长期增施有机肥大大提高了小麦和玉米季的氮盈余,且NPKM+处理氮盈余在两季作物中均达最大值;但秸秆还田呈现固氮作用。
和单施化肥相比,长期增施有机肥明显降低了小麦和玉米季不同施肥模式下氮肥偏生产力（PFPN）,具体地说,与NPK处理相比,NPKM、NPKM+处理降低小麦季PFPN分别为22%、32%;降低玉米季PFPN分别为27%、41%,这与有机肥本身带入大量氮素有关。但是,秸秆还田能够显著增加小麦季PFPN,达216%;显著降低玉米季PFPN,达40%。
Table 2
表2
表2长期增施有机肥/秸秆还田对作物产量、氮盈余和氮肥偏生产力的影响
Table 2Effects of long-term additional application of organic manure/straw incorporation on crop yield, nitrogen surplus and partial factor productivity of nitrogen
| 作物 Crop type | 处理 Treatments | 投入氮量 N input (kg·hm-2) | 产量 Yield (t·hm-2) | 生物量 Crop biomass (t·hm-2) | 作物携出氮量 N content in upper part of crop (kg·hm-2) | 氮盈余 N surplus (kg·hm-2) | 氮肥偏生产力 PFPN (kg·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 小麦 Wheat | CK | 0 | 2.3±0.075 e | 4.1±0.11 d | 54.0±8.41 d | -54.0±8.41 d | -- |
| NPK | 150.0 | 3.4±0.10 d | 6.3±0.38 cd | 90.5±10.20 cd | 59.5±10.20 c | 22.5±0.67 b | |
| NPKM | 271.3 | 4.8±0.63 b | 8.6±0.60 b | 141.8±6.75 b | 129.5±6.75 b | 17.5±2.32 c | |
| NPKM+ | 331.9 | 5.1±0.61 a | 9.1±0.22 a | 160.0±11.38 a | 171.9±11.38 a | 15.4±1.83 c | |
| NPKS | 165.1 | 4.2±0.61 c | 6.8±0.39 c | 107.4±12.50 c | 57.7±6.50 c | 71.1±10.33 a | |
| 玉米 Maize | CK | 0 | 4.9±0.80 c | 10.8±2.65 d | 83.3±25.60 c | -83.3±25.60 e | -- |
| NPK | 150.0 | 6.3±1.76 bc | 12.1±0.60 c | 136.9±7.50 b | 13.1±7.50 c | 41.7±11.75 a | |
| NPKM | 271.3 | 8.3±0.67 a | 17.1±0.75 a | 217.4±16.47 a | 53.9±16.47 b | 30.6±2.49 b | |
| NPKM+ | 331.9 | 8.2±1.57 a | 16.4±2.22 a | 183.0±26.70 ab | 148.9±26.70 a | 24.6±4.74 c | |
| NPKS | 165.1 | 6.7±1.71 b | 14.9±1.92 b | 164.1±32.85 ab | 1±0.25 d | 25.2±3.66 c |
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2.2 有机碳和可溶性碳的剖面分布
由图1-a可以看出,经过27年的不同施肥处理,0—20 cm土层SOC含量显著高于20—200 cm土层,说明不同施肥处理对SOC含量的影响主要发生在表层。同时,随着土层的加深,SOC含量总体呈现降低趋势,且在20—40 cm、60—100 cm土层各施肥处理对SOC含量的影响均达到了差异显著水平（P<0.01）。以SOC含量较高的0—20 cm土层为例,各施肥处理SOC含量表现为NPKM+>NPKM>NPKS>NPK>CK,且处理间达到极显著差异水平（P<0.01）。与NPK（10.6 g·kg-1 ）相比,NPKM、NPKM+、NPKS处理SOC含量增幅为62%、121%和9%,说明长期增施有机肥及秸秆还田能够显著增加表层SOC含量,且增施有机肥对SOC的提升效果强于秸秆还田。由图1-b可以看出,长期不同施肥处理土壤可溶性碳（DOC）含量的最高值均出现在0—20 cm土层,说明表层土壤是施肥对土壤DOC含量影响的主要发生层。随着土层的加深,土壤DOC含量逐渐降低,在0—100 cm土层范围内,各施肥处理表现为NPKM+>NPKM>NPKS,处理间达到差异显著水平（P<0.05）。在100—200 cm的土层内,DOC含量降低,处理间差异不显著（P>0.05）。以DOC含量最高的0-20 cm土层为例,NPKM处理对DOC含量的提升效果最大,达544.4 mg·kg-1。与NPK（457.5 mg·kg-1）处理相比,NPKM+、NPKM、NPKS处理土壤DOC含量增幅为7%、19%和7%,说明长期增施有机肥及秸秆还田能够显著增加表层土壤DOC含量。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1长期增施有机肥/秸秆还田对有机碳（a）和可溶性碳（b）剖面分布的影响
-->Fig. 1Effects of long-term additional application of organic manure/straw incorporation on soil organic carbon (a) and dissolved organic carbon (b) in the soil profile
-->
2.3 对土壤氮素的剖面分布
由图2-a可以看出,长期不同施肥处理土壤硝态氮（NO3--N）含量的最高值均出现在0—20 cm土层,说明不同施肥处理对土壤NO3--N含量的影响主要发生在表层。随着土层的加深,尤其在40—100 cm土层范围内,各施肥处理土壤NO3--N含量较低,说明NO3--N在土体中有明显向下迁移的趋势。在0—200 cm土层内,NPKM和NPKM+处理NO3--N含量先降低后升高,NPKM处理能够显著增加100—200 cm深层土壤中NO3--N含量,土壤NO3--N的含量为17.8—26.1 mg·kg-1,峰值出现在100—120 cm,且NPKM+处理底层NO3--N含量要高于NPKM处理,表明NPKM处理能够促进NO3--N向深层土壤的迁移,增加了NO3--N淋失的风险,NPKM+处理存在更大的NO3--N淋失风险。NPKS处理0—100 cm土层NO3--N含量（3.6—13.4 mg·kg-1）明显高于100—200 cm土层（3.1—7.1 mg·kg-1）,说明秸秆还田对土壤NO3--N具有一定的固持作用。由图2-b可以看出, 0—200 cm土壤剖面中铵态氮（NH4+-N）含量较低,各施肥处理NH4+-N含量介于0—4 mg·kg-1。随着土层的加深,尤其是在40—100 cm范围内,NPKM、NPKM+、NPKS处理NH4+-N含量高于0—40 cm,表明增施有机肥/秸秆还田处理NH4+-N具有向下迁移的趋势。在100—200 cm土层内,5个处理均表现为NH4+-N含量随土层的加深而增加,且秸秆还田处理>配施有机肥处理>化肥处理,除160—180 cm范围内,处理间均达到差异显著水平,表明长期增施有机肥及秸秆还田处理均可促进土壤
NH4+-N的向下迁移。
由图2-c可以看出,长期不同施肥处理0—20 cm土层全氮（TN）含量显著高于20—200 cm土层,说明施肥处理对土壤TN含量的影响主要发生在表层。与SOC变化趋势相似,各处理土壤TN含量均随剖面深度的增加呈持续下降的趋势,一定范围内施用有机肥,能够有效提高较深层土壤TN含量,且各施肥处理在100—200 cm的土壤TN含量（0.12—0.90 g·kg-1）下降趋势明显高于40—100 cm （0.5—1.1 g·kg-1）,说明氮素在土体中具有明显的向下迁移的趋势。以土壤TN含量较高的0—20 cm土层为例,NPKM、NPKM+、NPKS处理的土壤TN含量比NPK处理分别增加107%、187%、97%,说明长期增施有机肥及秸秆还田能够显著增加表层土壤TN含量,且增施有机肥对TN的提升效果强于秸秆还田。
由图2-d可以看出,长期不同施肥处理下的可溶性氮（DON）含量在表层0—20 cm土壤中最高,说明不同施肥处理对土壤DON含量的影响主要发生在表层。随着土层的加深,CK、NPK、NPKS处理DON含量先降低后保持稳定;NPKM和NPKM+处理DON含量呈现为先降低后逐渐升高的变化趋势,尤其是在120—200 cm的土层内,NPKM和NPKM+处理DON含量显著高于秸秆还田和化肥处理,表明长期NPKM和NPKM+处理促进了DON向深层土壤迁移,显著增加了DON的淋溶风险。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2长期增施有机肥/秸秆还田对土壤硝态氮（a）、铵态氮（b）、全氮（c）和可溶性氮（d）剖面分布的影响
-->Fig. 2Effects of long-term additional application of organic manure/straw incorporation on soil NO3--N(a), NH4+-N (b), TN(c) and dissolved organic nitrogen (DON, d) in the soil profile
-->
2.4 土壤氮矿化速率和硝化潜势的剖面分布
由图3可以看出,长期不同施肥处理0—20 cm土层土壤矿化速率和硝化潜势均显著高于20—200 cm土层,表明0—20 cm表层是长期不同施肥处理对土壤氮矿化速率与硝化潜势的主要发生层。对表层土壤氮矿化速率而言（图4-a）,NPKM、NPKM+处理能够增加氮矿化速率,NPKS处理则表现为降低氮矿化速率。对表层土壤硝化潜势而言（图4-b）,长期增施有机肥及秸秆还田均能够提高土壤硝化潜势,有机肥处理对土壤硝化潜势的提升效果强于秸秆还田。随着土层的加深,土壤氮矿化速率和硝化潜势均呈现逐渐降低的趋势,尤其是在>80 cm土层中,有机肥及秸秆还田处理均降低了土壤氮矿化速率,表明深层土壤氮素可能发生氮固持或反硝化作用。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3长期增施有机肥/秸秆还田对土壤氮矿化速率和硝化潜势剖面分布的影响
-->Fig. 3Effects of long-term excess application of organic manure/straw incorporation on soil nitrogen mineralization rate (a) and nitrification potential (b) in the soil profile
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3 讨论
3.1 增施有机肥/秸秆还田对作物产量及土壤肥力的影响
长期增施有机肥及秸秆还田等外源碳的添加能够显著提高昌平地区小麦和玉米产量（P<0.05）,这与以往的研究报道相一致。李娟等[28]在同一试验点采用15年的长期定位施肥试验数据表明,在施用NPK的基础上配施有机物料（有机肥或作物秸秆）,能够显著提高小麦产量,且长期施用化肥+过量有机肥处理小麦产量最高。ZHANG等[29]在15年长期定位试验中发现,NPK配施有机肥的小麦、玉米平均产量均显著高于NPK处理,增幅达到25%、43%。李玮等[30]通过连续4年的小麦-玉米连作长期定位试验发现,630、696 kg N·hm-2·a-1配施21 000 kg·hm-2秸秆还田,可获得最高的小麦和玉米产量。在本研究中,连续27年的长期定位施肥试验结果发现,和NPK相比,NPKM、NPKM+及NPKS均能够显著增加土壤SOC和TN含量,增幅分别为62%、121%、24%和107%、187%、6%,且增施有机肥对土壤SOC和TN含量的提升效果强于秸秆还田,这与LI等[12]的研究结果相一致,发现在玉米-大豆-小麦轮作体系中连续27年的长期施肥表明,和NPK处理相比,NPK+秸秆还田（4.5 t·hm-2·a-1）、NPK+有机肥（22.5 t·hm-2·a-1）提升土壤SOC分别为4%、19%;提升TN含量分别为4%、31%。SUN等[31]通过30年的长期定位试验表明NPK+秸秆还田（3.75—7.5 t·hm-2·a-1）、NPK+有机肥（15—30 t·hm-2·a-1）与NPK处理相比提升土壤全碳含量分别为26%—42%、55%—143%;提升TN含量分别为23%—62%、78%—134%。秸秆还田配施化肥有利于提高土壤SOC和TN含量,单施化肥土壤氮含量却逐年降低,难以维持农田系统生产力和土壤肥力。因此,说明长期增施有机肥及秸秆还田能够显著增强土壤肥力。
长期施用有机肥或秸秆还田等外源有机物料能够促进作物增产：一方面是由于外源碳的添加,提升了土壤碳氮库容,增强了土壤肥力,这与WEI等[8]的研究结果相一致;另一方面,是由于外源碳的投入能够补充有机碳,促进微生物的活性,从而提高养分的有效性[32]。但由于有机肥或秸秆等外源碳类型在养分含量方面存在差异,导致其在改善土壤性质、促进作物生长发育方面存在差异[5,12]。本研究中,增施有机肥对作物产量、作物含氮量以及土壤碳、氮养分的提升作用优于秸秆还田,其原因可能为有机肥中有机质含量高且含有较丰富的糖等易利用有机碳,对土壤微生物的促进作用大于秸秆,从而增加了土壤微生物的活性[32-33],提升对土壤碳氮养分的固持,提高产量。
3.2 增施有机肥/秸秆还田对土壤剖面养分含量、氮素分布及氮素淋失风险的影响
土壤碳氮养分是表征土壤肥力的重要指标,其含量和分布是土壤母质、气候条件、碳氮投入等各种因素综合影响的结果。在本文中,随着土层的加深,各施肥处理SOC和TN含量均呈现逐渐降低的趋势,深层土壤SOC含量较低的原因可归结为根系生物量、根系分泌物和植物残体的积累量较少的缘故[34]。农田土壤外源碳投入量及其有效性为土壤氮素固持提供必要的能源,一方面,集中在耕层土壤的根系碳和地上部残茬碳经过微生物作用固定的氮可能是表层土壤氮素含量高于剖面深层土壤氮素的主要原因;另一方面,深层土壤TN含量较低,可能是底层土壤凋落物输入较少导致的[4]。NO3--N是旱地土壤作物吸收的主要无机氮形态,其在土壤剖面的分布和累积随施氮量的增加而增加[35]。多项研究也表明,长期大量施肥会造成NO3--N在土壤中的累积,土体NO3--N含量随施氮量的增加显著增加[36]。在本研究中,土壤NO3--N主要集中在 0—20 cm 表层土壤,表层土壤中肥料氮素施入形成了无机态氮富集的微域,同时无机态氮可随降雨等水分作用向下层迁移,从而造成随着土层加深,土壤中NO3--N含量升高的趋势。这种特征与HUANG等[1]、李彦等[37]研究结论一致。在本文中,与NPK相比,NPKM、NPKM+处理能够促进NO3--N向深层土壤的迁移,增加了NO3--N淋溶的风险,且NPKM+处理存在更大的NO3--N淋溶风险;但NPKS处理对土壤NO3--N具有一定的固持作用。李彦等[37]在小麦-玉米轮作的潮土中发现,连续20年施用20—25 t·hm-2有机肥,80—100 cm土层NO3--N累积量最大可达240 kg·hm-2,具有一定的硝态氮淋失风险。邵兴芳等[38]认为高量有机肥配施化肥处理中多余的矿化氮不能完全被作物根系吸收,造成土壤表面NO3--N的累积和土壤剖面NO3--N的淋溶,增加环境污染风险。有研究表明,秸秆还田与化肥配施处理的微生物量氮和矿质态氮数量均高于仅施等量化肥的处理,说明秸秆还田促进了土壤中氮素的转化与固持[39-40],这归因于秸秆还田碳氮比较高,对NO3--N的固持能力较强,阻止了NO3--N向下迁移,从而减少了氮素淋失的风险[41]。
随着土层的加深,土壤氮矿化速率和硝化潜势均呈现逐渐降低的趋势,尤其是在>80 cm土层中,NPKM、NPKM+及NPKS处理均降低了土壤氮矿化速率和硝化潜势,同时深层土壤SOC含量降低,深层土壤环境中微生物活性较低,呼吸作用较弱,土壤氮矿化速率和硝化潜势降低,但土壤NO3--N、NH4+-N与DON含量增加,尤其是增施有机肥处理显著增加了深层土壤NO3--N、NH4+-N和DON含量,这说明深层次氮主要来自土壤氮素的向下淋溶和上层DON的淋溶。有研究表明,长期增施有机肥促进了土壤DON的向下迁移[22,42]。土壤DON是土壤氮库中最活跃的组分之一,其淋溶损失是氮素的重要损失途径之一[43-44]。施用有机肥本身含有一定数量的矿质氮和可溶性有机氮,其含有的有机氮也会不断地进行矿化释放矿质氮和可溶性有机氮[45]。随着降雨的进行,能够引起土壤中可溶性有机氮的向下迁移,会引起潜在的环境污染风险。
值得注意的是,本研究是在常规化肥的基础上添加有机肥/秸秆还田,未考虑氮肥同等替代情况。有研究表明,有机无机推荐施肥处理是降低NO3--N在土壤中的累积、减轻NO3--N淋失风险的有效措施。沈灵凤等[46]的研究结果表明在同等施氮水平下,单施化肥更易造成NO3--N的淋溶,有机肥与化肥配施可减少NO3--N向深层土壤的淋溶迁移,降低NO3--N对地下水的污染风险。QIU等[5]在黑土中开展的22年的长期定位试验表明,当NPKM、NPKM+处理中所含总氮量从165 kg·hm-2升高到247.5 kg·hm-2时,会造成土壤NO3--N淋失,并得到这一地区最佳施氮量为140—210 kg·hm-2,秸秆还田最佳还田量为5.0 t·hm-2。因此,化肥与有机肥、秸秆还田的配合施用应该充分考虑基于当地气候条件下其对作物产量及淋失风险的综合效应。
4 结论
4.1
中国华北平原小麦-玉米轮作模式下,27年长期增施有机肥/秸秆还田能够提高作物产量、提升土壤有机碳、全氮等土壤肥力指标,且长期施用有机肥的作用效果强于秸秆还田,具体表现为和NPK处理相比,NPKM、NPKM+、NPKS处理增加0—20 cm表层土壤有机碳含量分别为62%、121%、24%,全氮含量分别为107%、187%、6%。增施有机肥降低了氮肥偏生产力。4.2
长期增施有机肥/秸秆还田等外源碳的添加对土壤碳氮养分及矿化作用、硝化潜势等微生物学过程的影响主要发生在0—20 cm表层土壤中。4.3
在150 kg N·hm-2化学氮肥基础上配施15—22.5 t·hm-2有机肥会促进土壤NO3--N的向下迁移,增加100—200 cm深层土壤中NO3--N含量,为17.8—26.1 mg·kg-1,氮盈余量比NPK处理增加312%—1 037%,增加了氮素淋失风险,且氮素淋失风险NPKM+高于NPKM。而NPKS处理在一定程度上能够增加0—100 cm土层NO3--N含量,为3.6—13.4 mg·kg-1,对土壤NO3--N具有一定的固持作用。The authors have declared that no competing interests exist.
