2023, Vol. 60
2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
耕层是作物根系分布与吸收养分的主要层次，良好的耕层结构对作物生长及产量形成至关重要，决定着土地的生产能力[1]。华北平原是中国的粮食主产区之一，长期采用小麦季旋耕和玉米季免耕的耕作模式导致耕层变浅在该区域已十分普遍[2]，制约着土壤碳、氮、磷等养分库容的提升，不利于作物的生长及其对养分的吸收利用[3-4]。明确耕层厚度对潮土中化肥氮素保蓄与供给的影响，对提高潮土氮肥利用率、保障该区域农业可持续发展意义重大。
耕层厚度主要受耕作方式的影响，其在调控土壤团聚结构形成、水肥保蓄与作物生长等方面发挥着重要作用[5-7]。通过深松与深耕增加耕层厚度可提高土壤水分含量与碳氮等养分库容，促进作物的生长及其对水分与氮素的吸收利用[8-9]。也有研究[10-11]认为单纯通过深耕增加耕层厚度并不利于土壤碳氮等养分的累积以及作物产量的提升。石彦琴等[12]以褐土为研究对象，认为耕层厚度为20 cm时土壤有机碳储量最高，而梁海等[13]发现深松35 cm更有利于潮棕壤中氮、磷养分的累积。可见，前人研究多集中于耕层厚度对碳氮等养分库容与养分平衡的影响，很少关注氮肥在土壤中的转化过程，耕层厚度对潮土中化肥氮素保蓄与供给的影响更是鲜有报道。
土壤质地也是影响土壤氮素保蓄与释放的重要因素之一[14-15]。与砂质土相比，黏质土通过黏土矿物对含氮化合物的化学吸附作用以及形成团聚体为有机氮提供更好的物理保护，从而提高对外源氮素的保蓄能力[15-17]，同时也降低了化肥氮的淋溶与挥发损失[18-19]。潮土的成土母质为黄河多次泛滥冲积产物，土壤质地层次在水平和垂直空间上表现出高度的变异性，影响着土壤水肥贮存与供给能力[20-21]。耕层厚度对潮土中化肥氮素保蓄与供给的影响是否因土壤质地的不同而存在差异尚需要进一步明确。
氮肥施入土壤后在土壤生物化学过程的驱动下转化为有机氮、无机氮、固定态铵等不同形态，影响着氮肥的保蓄与供给[22]。本文在前期对封丘县域内农田土壤耕层结构与养分含量调查的基础上[4]，利用历经3个作物生长季的15N标记田间土柱模拟试验，进一步探究在不同质地潮土中，耕层厚度对外源化肥氮在土壤各氮库的转化及其在土壤-作物系统中去向的影响，以期为采取适宜的施肥、耕作等农田管理措施及提高氮肥利用率提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况田间土柱模拟试验位于中国科学院封丘农田生态系统国家野外科学观测研究站（35°00′N，114°24′E）。该地区气候类型为半干旱半湿润的暖温带大陆性季风气候，年均降水量为615 mm，年均气温13.9℃。种植制度以冬小麦-夏玉米为主。
1.2 试验设计本研究供试土壤为潮土，于2017年5月分别选取河南省封丘县境内0~40 cm土层土壤质地分别为砂壤土、砂黏壤土与壤黏土（按国际制）农田，分耕层（0-20 cm）与亚耕层（20-40 cm）采集土壤，风干后过2 mm筛，剔除根系与石砾后用于田间土柱模拟试验的填装。同时测定各层土壤容重作为装填土柱的依据。土柱装填前，将试验地中直径为40 cm、深度为40 cm的土体取出，置入内径为39 cm，高为50 cm的聚氯乙烯（PVC）管，然后根据设计的耕层厚度将采集的土壤样品分亚耕层与耕层依次填装于PVC管中，土柱埋深40 cm。各处理土柱耕层土壤填装容重为1.35 g·cm–3，亚耕层土壤填装容重为1.55 g·cm–3，土柱不封底。采用完全随机设计，包含土壤质地和耕层厚度2种试验因子，其中土壤质地包括砂壤土、砂黏壤土和壤黏土；耕层厚度为15 cm（PLT-15）和25 cm（PLT-25）两种，共6个处理，每处理3次重复。土柱模拟试验田间排列与土柱设计如图 1所示。为使耕层土壤与亚耕层土壤充分融合，形成稳定的土壤结构，于2017年6月—2018年9月作物生长季内在田间自然条件下进行培育，在此期间的施肥量均为常规施肥量的1/2。
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图 1 土柱田间排列（a）及不同耕层厚度处理实验设计（b）示意图 Fig. 1 Field arrangement (a) and experimental design of the soil columns with different plough layer thickness (b) |
15N标记试验于2018年10月至2020年6月作物生长季内进行，供试土壤理化性质和矿物组成见表 1与表 2。在小麦种植季，所有处理的化肥施用量均为N 2.39 g·Pot–1（N 200 kg·hm–2）、P2O5 1.43 g·Pot–1（P2O5 120 kg·hm–2）和K2O 1.38 g·Pot–1（K2O 120 kg·hm–2）。其中60%的氮肥和全部磷钾肥作为基肥在播种前施入，40%的氮肥于小麦返青期随灌水施入土壤。在玉米种植季，化肥施用量为N 2.39 g·Pot–1（N 200 kg·hm–2）、P2O5 0.72 g·Pot–1（P2O5 60 kg·hm–2）和K2O 0.69 g·Pot–1（K2O 60 kg·hm–2）。其中40%的氮肥和全部磷钾肥作为基肥在播种前施入，60%的氮肥于玉米大喇叭口期随灌水施入。基肥的施用均随播种前翻地进行，即将耕层土壤小心取出，与基肥混匀后倒回原PVC管。所用磷钾肥为重过磷酸钙和硫酸钾，在2018年10月至2019年6月冬小麦生长季所施氮肥为15N标记尿素（丰度20.19%，上海化工研究院），在随后的2个作物生长季内所施氮肥均为普通尿素。试验期间，所有处理采用相同的田间管理措施。
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表 1 试验开始前0~40 cm土层的土壤基础理化性质（2018年10月） Table 1 Basic soil properties of the tested soils before the experiment(Oct. 2018) |
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表 2 供试土壤矿物组成 Table 2 Soil mineral composition of the tested soils/% |
分别于2019年6月4日冬小麦成熟期、2019年9月26日夏玉米成熟期与2020年6月3日冬小麦成熟期采集土壤与地上部植株样品。土壤样品分为耕层土壤与亚耕层土壤分别采集，用内径为1.9 cm、外径为2 cm的不锈钢土钻在每个PVC管中随机采集3钻组成一个混合土样。亚耕层土样采集后用直径为2 cm的尼龙棒将取样孔堵上，以防止耕层土壤落入亚耕层，以及水分、肥料通过取样孔流失。新鲜土壤过筛后分为2部分，一部分用于测定土壤含水量，无机氮（NH4+-N与NO3–-N）含量及其15N丰度；一部分风干后过0.15 mm筛，用于土壤全氮与固定态铵含量及其15N丰度的测定。采集的植株样品在65℃下烘干至恒重，粉碎后过0.25 mm筛，用于植株全氮与15N丰度的测定。所有土壤养分数据均以0~40 cm土层中总的储量来计算。
新鲜土壤用2 mol·L–1 KCl溶液浸提后用比色法测定土壤NH4+-N与NO3–-N含量[23]，用N2O产生法测定其15N丰度[24]。土壤固定态铵的测定采用KOBr-KOH法[23]。用氢氟酸修正的凯氏法测定土壤全氮含量[23]，该方法测定的土壤全氮包括有机氮、NH4+-N和固定态铵，但不包括NO3–-N和NO2–-N。植株全氮含量用凯氏法测定。测定固定态铵、土壤与植株全氮的硼酸吸收液，经硫酸固定、浓缩后用同位素比例质谱仪（IsoPrime 100，Elementar，德国）测定其15N丰度。
1.4 数据计算与处理利用Lu等[22]与Ma等[25]中的公式来计算化肥氮在土壤各氮库中的分配以及化肥氮在土壤-作物系统中的去向。
土壤全氮（Ns，g·Pot–1）、NH4+-N（NNH4，mg·Pot–1）、NO3–-N（NNO3，mg·Pot–1）、固定态铵（Nf，mg·Pot–1）或植株全氮（Np，g·Pot–1）中来自15N标记尿素的氮储量：
| $ {M_{{\text{Ndff}}}} = {M_{\text{N}}} \times \frac{{{E_{\text{a}}}}}{{{E_{{\text{FN}}}}}} $ | (1) |
式中，MNdff为土壤全氮、NH4+-N、NO3–-N、固定态铵或植株全氮中来自15N标记尿素的氮储量；MN为土壤全氮、NH4+-N、NO3–-N、固定态铵和植株全氮储量；Ea和 EFN分别为对应氮库与标记尿素15N原子百分超，即实测丰度值与自然丰度值的差值。
肥料来源的无机氮（Nm，mg·Pot–1）与有机氮（No，g·Pot–1）储量：
| $ {N_{\text{m}}} = {N_{{\text{NH4}}}} + {N_{{\text{NO3}}}} $ | (2) |
| $ N{\text{o}} = {N_{\text{s}}} - \left( {{N_{{\text{NH4}}}} + {N_{\text{f}}}} \right) $ | (3) |
15N标记化肥氮在土壤中的总残留量（Nr，g·Pot–1）：
| $ {N_{\text{r}}} = {N_{\text{o}}} + {N_{\text{f}}} + {N_{\text{m}}} $ | (4) |
15N标记化肥氮在作物（PR-Ncrop，%）和土壤（PR-Nsoil，%）的回收率与损失率（PL-N，%）：
| $ {\text{PR - Ncrop}} = \frac{{{N_{\text{p}}}}}{{{N_{{\text{FN}}}}}} $ | (5) |
| $ {\text{PR - Nsoil}} = \frac{{{N_{\text{r}}}}}{{{N_{{\text{FN}}}}}} $ | (6) |
采用Excel 2016进行数据处理与分析，使用Origin 2020软件进行数据作图。采用SPSS 21.0软件进行统计分析，根据最小显著性差异法（LSD），采用单因素方差分析检验不同土壤质地之间的显著性差异；配对样本t检验用于分析两种耕层厚度处理之间的显著性差异；两因素方差分析用于检验土壤质地、耕层厚度以及二者之间的交互作用对化肥氮在土壤-作物系统的去向以及化肥氮在土壤各氮库中分布的显著性影响。
2 结果 2.1 化肥氮在土壤-作物系统中的去向从图 2可以看出，作物对化肥氮的吸收与化肥氮的损失主要发生在施肥当季，在2019年6月冬小麦收获季，占施肥量37.4%~44.8%的化肥氮被作物吸收，26.5%~36.3%的化肥氮损失至环境中。随后，作物对化肥氮的吸收与化肥氮的损失量逐渐降低。在第2与第3个作物生长季，有7.1%~12.3%的化肥氮从土壤中释放出来，其中有4.3%~5.0%被作物吸收。耕层厚度与土壤质地均显著影响化肥氮在土壤-作物系统中的去向，但两者无明显交互作用。增加耕层厚度可显著（P<0.05）提高施肥当季与第2个作物生长季内作物与土壤中化肥氮的回收率（图 2）。在施肥当季与第2个作物生长季，PLT-25处理下不同质地潮土中作物对化肥氮利用率的平均值分别较PLT-15处理高7.4%与8.5%；经过3个作物生长季后，PLT-25处理下作物对化肥氮累积利用率的平均值较PLT-15处理高7.6%（图 2，表 3）。PLT-25处理下，不同质地潮土中化肥氮在施肥当季的损失量（图 2g）与累积损失量（表 2）平均较PLT-15处理低12.3%和9.1%，且差异显著（P<0.05）。
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注：不同小写字母表示在同一耕层厚度处理下不同质地处理间差异显著（P<0.05），*与**分别表示不同耕层厚度处理间差异达0.05与0.01显著水平。PLT-15：耕层厚度15 cm；PLT-25：耕层厚度25 cm，下同。 Note: Different lowercase letters indicate significant differences(P<0.05)between different soil textures within the same plough layer thickness. * and ** indicate the difference between the two plough layer thickness treatments at 0.05 and 0.01 significant levels. PLT-15:plough layer thickness 15 cm; PLT-25:plough layer thickness 25 cm. The same below. 图 2 不同耕层厚度与土壤质地处理下化肥氮在土壤-作物系统中的去向 Fig. 2 Fate of applied fertilizer N in soil-crop systems under different plough layer thickness treatments in soils with different textures |
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表 3 经过3个作物生长季后不同处理下化肥氮的总体去向 Table 3 The fate of fertilizer N under different treatments after three continuous crop cultivations |
在前2个作物生长季，砂黏壤土与壤黏土处理下作物中化肥氮的回收率高于砂壤土，而在第3个作物生长季则是砂黏壤土中作物对化肥氮的回收率最高，砂壤土次之（图 2a~图 2c）。由表 3可知，砂壤土中作物对化肥氮的累积利用率较砂黏壤土与壤黏土均低11.1%。砂壤土中化肥氮的回收率也显著（P<0.05）低于砂黏壤土与壤黏土（图 2d~图 2f）。而砂壤土中化肥氮的累积损失率分别较砂黏壤土与壤黏土高18.8%与20.8%（表 3）。在施肥当季，砂壤土中化肥氮损失率最大，而在第2个作物生长季则是壤黏土的损失率最大（图 2g，图 2h）。
2.2 化肥氮在土壤不同氮库中的转化化肥氮在土壤中的残留量随作物生长季的延续逐渐降低（表 4）。在前2个作物生长季，相对于PLT-15处理，增加耕层厚度至25 cm后土壤中化肥氮的总残留量分别提高了5.7%与4.5%。砂壤土中化肥氮的总残留量较砂黏壤土和壤黏土低6.1%~23.8%。耕层厚度与土壤质地对土壤中化肥氮残留量的影响无交互作用。由表 4和图 3数据计算可知，肥料来源有机氮、固定态铵和无机氮占土壤中化肥氮总残留量的比例分别为83.0%~95.8%、0.9%~6.6%与3.3%~10.9%。随着作物生长季的延续，肥料来源固定态铵与无机氮占化肥氮总残留量的比例降低，而肥料来源有机氮的占比升高。增加耕层厚度可提高施肥当季肥料来源有机氮占化肥氮总残留量的比例，以及前2个作物生长季内肥料来源无机氮占化肥氮总残留量的比例。而PLT-25处理下肥料来源固定态铵占总残留化肥氮的比例则始终低于PLT-15处理。
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表 4 在3个作物生长季内不同处理下0~40 cm土层中化肥氮的总残留量 Table 4 The residual amount of fertilizer N/(g·Pot–1)in 0-40 cm layer under different treatments among three continuous crop cultivations |
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注：***表示不同耕层厚度处理间差异达0.001显著水平。 Note: *** indicate the difference between the two plough layer thickness treatments at a 0.001significant level. 图 3 耕层厚度与土壤质地对0~40 cm土层中化肥来源有机氮、无机氮与固定态铵储量的影响 Fig. 3 The effects of plough layer thickness and soil texture on the stocks of fertilizer-derived organic N, mineral N and fixed NH4+ in 0-40 cm soil layer among three continuous crop cultivations |
从图 3可以看出，耕层厚度与土壤质地均会影响化肥氮在土壤各氮库中的分配，但除在施肥当季耕层厚度对0~40 cm土层中肥料来源无机氮储量的影响在不同质地潮土中有所差异外，耕层厚度与土壤质地对肥料来源有机氮、无机氮与固定态铵储量的影响均无明显交互作用。
增加耕层厚度会降低化肥氮向潮土固定态铵库中的转化。在施肥当季，PLT-25处理下不同质地潮土中肥料来源固定态铵储量的平均值为PLT-15处理下的47.8%，不同耕层厚度处理间的差异随作物种植季的增多而减小（图 3a~图 3c）。不同质地潮土中化肥来源固定态铵的储量随土壤黏重程度的增大而降低（图 3a~图 3c）。
在不同质地潮土中，耕层厚度对化肥来源无机氮储量的影响在不同作物生长季的表现不同。在施肥当季，化肥来源无机氮储量的最大值与最小值分别出现在PLT-25处理下的砂壤土与砂黏壤土，为60.5 mg·Pot–1与39.1 mg·Pot–1，但总体而言，PLT-25处理下不同质地潮土中肥料来源无机氮储量显著（P<0.05）高于PLT-15处理（图 3d）。在第2个作物生长季，不同耕层厚度处理下的无机氮储量表现出与施肥当季相同的变化趋势，而第3个作物生长季的变化趋势则与前2个作物生长季相反（图 3e，图 3f）。
残留在土壤中的化肥氮主要以有机氮的形式存在，随着作物种植季的增多，化肥来源有机氮的释放量逐渐降低（图 3g~图 3i）。提高耕层厚度可提高化肥氮向有机氮库的转化，这在施肥当季尤为明显（图 3g），PLT-25处理下砂壤土、砂黏壤土与壤黏土中肥料来源有机氮储量较PLT-15处理分别提高了8.3%、11.3%与7.0%。同时也可以看出，砂壤土中的化肥来源有机氮储量始终低于砂黏壤土与壤黏土。
3 讨论 3.1 化肥氮在潮土有机氮、无机氮与固定态铵库中的转化化肥氮施入土壤后转化为有机氮、无机氮、固定态铵等不同形态的土壤氮，它们在氮素的保蓄与供给中发挥着不同的功能，其中有机氮与固定态铵可作为化肥氮的暂时贮存库，先将土壤中盈余的化肥氮进行固定，然后在有效氮不足时释放出来供作物吸收利用[22]。本试验中，施肥当季肥料来源有机氮占土壤中化肥氮总残留量的83.0%~90.8%，其在后茬作物中的释放量占土壤中残留化肥氮总减少量的77.6%（表 4，图 3），表明土壤微生物对化肥氮的生物固持是潮土中化肥氮素保蓄与供给的一个主要影响机制[22]。耕层厚度显著影响化肥氮向有机氮、无机氮与固定态铵库的转化，且在不同质地潮土中具有相同的作用效果（图 3）。
增加耕层厚度可提高化肥氮向不同质地潮土有机氮库的转化，提高肥料来源无机氮的供应。在施肥当季PLT-25处理下，不同质地潮土中的肥料来源有机氮储量均高于PLT-15处理（图 3g~图 3i）。本课题组前期研究结果表明，增加耕层厚度可提高土壤团聚体的形成与稳定[4]，为新合成的有机氮提供更好的物理保护[17]。增加耕层厚度后，有机碳与养分储量也相应提高（表 1），可为土壤微生物提供更多的碳源和养分，提高微生物活性及其对化肥氮的固持[26-27]。土壤微生物对化肥氮素固持的增加也会促进黏土矿物中肥料来源固定态铵的释放[25]，这在一定程度上也解释了PLT-25处理下的肥料来源固定态铵储量低于PLT-15处理（图 3a~图 3c）。在第2个作物生长季，与PLT-15处理相比，PLT-25处理下肥料来源有机氮的释放量（图 3），以及作物中化肥氮的回收率（图 2b）和肥料来源无机氮储量及其占土壤总残留氮的比例（图 3e）均较高，表明化肥氮在有机氮库中的暂时储存与后续释放有利于提高化肥氮的有效性[22]。
固定态铵含量主要取决于土壤中伊利石、水云母、蛭石和蒙脱石等2：1型黏土矿物含量[16，28]。在本试验中，蒙脱石、蛭石与水云母的总含量随土壤黏重程度的增大而增多（表 2），固定态铵总储量表现为由高到低依次为壤黏土、砂壤黏土、砂壤土（数据未列出），但肥料来源固定态铵储量呈相反的变化趋势。这可能是因为壤黏土中较高的K+（表 1）会与NH4+竞争矿物晶格或表面吸附位点，同时，较高的有机质含量（表 1）会导致更多的有机小分子吸附在矿物晶格表面阻碍NH4+的进出，从而降低了壤黏土中新旧固定态铵的更替[29]。此外，与壤黏土相比，砂壤土的肥料来源无机氮储量处于较高水平（图 3d~图 3f），这是因为土壤中肥料来源无机氮含量易受作物吸收、土壤水分等环境因素的影响[30]，在前2个作物生长季，砂壤土中作物对化肥氮吸收量较低（图 2a，图 2b），在一定程度上促进了成熟期砂壤土中肥料来源无机氮的累积。而在第3个作物生长季，砂壤土中肥料来源有机氮和固定态铵的释放量均较高，也促进了成熟期肥料来源无机氮的积累。
3.2 化肥氮在土壤-作物系统中的去向被作物吸收、残留于土壤中以及通过淋溶或气体挥发损失是化肥氮施入农田土壤后的3个基本去向[22，27]。增加耕层厚度有利于化肥氮在施肥当季向有机氮库的转化（图 3g），提高土壤中化肥氮的回收率（图 2）和化肥氮的有效性（图 3d，图 3e），同时，增加耕层厚度可使土壤结构更为疏松，有利于作物形成良好的根系结构，促进作物对水肥的吸收[4]。因而，PLT-25处理下前2个作物生长季内作物对化肥氮的利用率（图 2a，图 2b）以及作物对化肥氮的累积利用率（表 3）显著高于PLT-15处理。随着作物生长季的延续，新合成的有机氮通过土壤有机质的腐殖化过程逐渐转化为较难分解的化合物[31]，土壤中残留化肥氮的释放量减少，化肥来源无机氮的供应量也降低（图 3f），在第3个作物生长季，耕层厚度对作物中化肥氮的回收率已无显著影响（图 2c）。增加耕层厚度也避免了因化肥氮在表层土壤聚集而导致氨挥发损失的加剧[32]，显著降低了化肥氮的当季损失率（图 2g）与化肥氮的累积损失率（表 2）。由此可见，在不同质地潮土中，增加耕层厚度均可提高土壤对化肥氮的保蓄与供给能力，降低化肥氮的损失。
砂粒含量高制约着化肥氮向有机氮的转化，导致砂壤土中化肥氮的总残留量始终低于砂黏壤土与壤黏土（表 4）。砂黏壤土与壤黏土可将更多的化肥氮暂时固定，之后释放出来供作物吸收利用，因而在施肥当季与第2个作物生长季，砂黏壤土与壤黏土中作物对化肥氮的利用率高于砂壤土（图 2a~图 2b，表 2）。随着时间的延长，土壤残留化肥氮的释放量降低，以及黏土矿物或团聚体对有机氮的保护作用[22，33]导致壤黏土中残留化肥氮的有效性不及砂壤土与砂黏壤土（图 3f），所以在第3个作物生长季壤黏土中作物对化肥氮的利用率较低。土壤质地对潮土中化肥氮素损失的影响在前2个作物生长季的表现不同（图 2g，图 2h）。这可能是在施用氮肥后的冬小麦季，砂壤土中的氨挥发与淋溶损失最多，导致其氮素损失量最大[18-19]。在夏玉米季，残留化肥氮的氨挥发损失大幅减少[34]，而较高的温度与降雨量，以及壤黏土较差的通气性能，增大了壤黏土中残留化肥氮的反硝化损失[35]。
4 结论化肥氮施入潮土后主要以有机氮的形式存在，其在氮素保蓄与供给过程中发挥着重要作用。砂粒含量高不利于化肥来源有机氮的保蓄，制约着潮土对化肥氮的保蓄与供给能力的提升，增大了化肥氮的损失。在不同质地潮土中，增加耕层厚度均可显著提高化肥氮向有机氮库中的转化，增大肥料来源无机氮的供给，提高化肥氮的当季利用率，降低化肥氮的损失。化肥氮在有机氮库中的蓄积提高了化肥氮在土壤中的残留量，而残留于土壤中的化肥氮可为后茬作物持续提供有效氮，进一步提高作物对化肥氮的吸收利用。因此，提高耕层厚度、培育肥沃耕层可作为促进典型潮土区氮肥资源高效利用的有效措施。
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