2021, Vol. 29
2. 辽宁省稳定同位素技术重点实验室 沈阳 110016;
3. 中国科学院大学 北京 100049;
4. 辽宁省现代保护性耕作与生态农业重点实验室 沈阳 110016
,
CHEN Xin1,
LYU Liping1,3,
MA Jian1,
SHI Yi1,
JIA Jingchao1,3,
XIE Hongtu1,4,
ZHANG Xudong1,
HE Hongbo1,
LIANG Chao1,
LU Caiyan1,2
2. Key Laboratory of Stable Isotope Techniques and Applications, Shenyang 110016, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Key Laboratory of Conservation Tillage and Ecological Agriculture, Liaoning Province, Shenyang 110016, China
东北黑土区是我国重要的商品粮基地, 保持该区粮食综合生产能力对于保障国家粮食安全战略具有重大意义。氮肥施用一直是农业增产增收的重要措施, 但过度依赖氮肥增产的同时致使氮肥利用率降低, 氮素损失严重已成为制约该区农业高产高效和可持续发展的重要因素之一; 且氮素养分富集与高风险区域显著增加, 氮素污染对大气、水体等生态系统和人类健康的危害日趋加重。因此, 作物生产中提高氮素利用效率对解决粮食安全、环境退化和气候变化的三重挑战至关重要。
土壤中的矿质氮(交换性铵和硝态氮)既是作物可直接吸收利用的速效氮, 又是各种氮素损失过程的共同的源[1]。土壤中适量矿质氮的存在无疑是必须的, 但过量存在必将增加氮素的损失。目前, 东北黑土区80%的农民、60%~75%的玉米(Zea mays)种植面积采用一次性施肥方式, 该方式下常规用量氮肥[约200~300 kg(N)∙hm-2]的利用效率为27%~50%, 变化幅度较大, 氨挥发损失小于5%, N2O排放量不足氮肥施用量的4%, 而在0~100 cm土壤剖面中积累的矿质氮含量为90~150 kg(N)∙hm-2(主要是硝态氮)[2-6]。说明一次性常规用量氮肥的施用导致东北黑土农田土壤剖面中矿质氮的高残留, 淋溶损失可能成为氮素损失的主要途径。
免(少)耕秸秆覆盖还田的现代耕作技术体系在保障东北黑土区粮食安全生产和可持续发展中发挥了重要作用。免耕秸秆覆盖措施可优化土壤结构, 提高团聚性能; 加速有机质积累, 改善土壤肥力; 增强土壤贮水供水能力及养分利用效率[7-11]。免耕条件下土壤结构、团聚性能、肥力水平和水分利用效率等微环境的变化必然会对土壤的孔隙特性和水分运移规律产生影响, 进而引起肥料氮和土壤氮在剖面中积累特征、迁移转化规律和淋失风险的改变[12-20]。目前, 针对东北黑土免耕农田, 缺乏外源碳输入(秸秆覆盖)对土壤矿质氮的剖面积累特征、垂直运移过程及其阻控机制的系统研究。为此, 本研究以黑土春玉米(Zea mays)田为研究对象, 依托连续运行9年的中国科学院保护性耕作技术研发基地的长期免耕定位试验, 设置15N同位素示踪的田间原位微区试验, 准确量化了免耕秸秆覆盖措施条件下土壤氮和肥料氮的剖面累积特征、迁移转化过程及其淋溶风险与阻控机制, 为东北黑土免耕农田氮素转化的合理调控与高效利用及免耕施肥技术体系的完善和推广提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验在吉林省西南部的四平市梨树县中国科学院保护性耕作技术研发基地的长期免耕定位实验研究平台进行(43°19′N, 124°14′E)。长期免耕定位试验开始于2007年4月, 试验开始前土壤经历了多年传统耕作, 且以玉米连作为主。试验区土壤类型为黑钙土, 壤质黏土, 0~20 cm土层本底土壤总有机碳含量为11.3 g∙kg-1, 全氮1.2 g∙kg-1, 全磷0.38 g∙kg-1, 全钾24.3 g∙kg-1, pH 7.10。试验区气候属于温带半湿润大陆性季风气候, 年平均气温6.9 ℃, 年平均降水量614 mm左右, 且主要集中在6—9月[21-23]。
1.2 试验设计长期田间原位试验采用随机区组设计, 共设置3个处理, 分别为常规垄作(RT, 对照)、免耕无秸秆覆盖(NT0)和免耕100%玉米秸秆覆盖(NT100), 每个处理3次重复, 每个试验小区面积为8.7 m×30 m。常规垄作处理为秋季收获留茬约15 cm, 不进行秸秆覆盖, 灭茬旋耕(深度约18~25 cm), 起垄作业, 垄高15 cm, 垄距60 cm, 垄作除播种、施肥外, 不再扰动土壤。秸秆覆盖处理为每年秋季收获留茬约30 cm, 其他秸秆覆盖还田(NT100处理秸秆覆盖还田量约为7500 kg∙hm-2, 无秸秆覆盖为移走全部秸秆), 还田时要求人工将整株秸秆沿着与垄向垂直的方向均匀覆盖地表, 播种前不再整地, 直接播种, 播种所用机械为吉林康达农业机械有限公司生产的免耕播种机(2BMZF-4), 可以在秸秆覆盖地表的情况下一次性完成精确播种、施肥和镇压作业, 免耕播种机配备的刀具首先将整株秸秆切断, 然后施肥器以条施的方式施肥, 深度为15 cm, 播种深度为7~10 cm, 此外, 全年不再搅动土壤。试验小区施用肥料种类为中科虹稳定性复合肥(N:P2O5:K2O=26:12:12), 肥料用量为920 kg∙hm-2, 折纯氮240 kg∙hm-2, P2O5和K2O均为110 kg∙hm-2。
2016年在连续运行9年的常规垄作、免耕无秸秆覆盖和免耕全量秸秆覆盖处理的小区内设置15N同位素示踪的微区试验, 由PVC板密闭焊接独立围成PVC框, PVC框埋入土壤深度为60 cm, 露出地表 10 cm, 每个微区面积为4 m2, 即2 m×2 m。微区试验处理、施肥量和施肥方式均与小区相同, 施肥种类不同, 氮肥为标记尿素(上海化工研究院, 丰度为9.80%), 磷肥为重过磷酸钙, 钾肥为氯化钾。氮、磷、钾肥料均以基肥进行条施, 2016年5月10日进行播种施肥。
1.3 样品采集与测定于2015年10月20日玉米成熟收获后在田间小区内, 采用直径为2.5 cm的土钻通过五点取样法采集0~300 cm剖面样品, 分层间隔为20 cm。
在15N同位素示踪的田间微区内, 采用直径为2.5 cm的土钻通过五点取样法分别于2016年5月27日(玉米苗期)和7月20日(玉米抽雄期)采取0~20 cm和20~40 cm土层的土壤样品, 于10月13日(玉米成熟期)采取0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm和80~100 cm土层的土壤样品。
鲜土样品立即带回实验室去除大的砾石和作物残体, 过2 mm筛, 混合均匀备用。其中约50 g左右的鲜土样品用来测定土壤矿质氮(NH4+-N和NO3--N)含量和含水量; 通过四分法另取约100 g左右的鲜土样品风干, 磨碎过0.15 mm筛, 用于测定土壤全氮和固定态铵含量。
土壤含水量采用105 ℃烘干法测定; 土壤矿质氮含量采用Bremner氯化钾(2 mol∙L-1 KCl)法浸提, AMS间断化学分析仪(Smartchem 200, AMS Systea, Italy)分析测定; 土壤全氮采用元素分析仪(Elementar vario MACRO cube, Germany)测定; 土壤固定态铵采用KOBr-KOH方法测定[24]。土壤和植物中的全氮和固定态铵的15N丰度采用稳定同位素比例质谱仪(Delta plus XP, Thermo Finnigan, USA)测定。土壤浸提液中相应NH4+-N和NO3--N形态的15N丰度采用扩散法制备待测的15N固体样品, 然后通过稳定同位素比例质谱仪测定[23, 25-26]。
1.4 数据计算与分析尿素氮施入土壤后, 玉米不同生育期在土壤中的残留量[15Nresidue, kg(N)∙hm-2]及经过不同途径转化后以NH4+-N[15NNH4, kg(N)∙hm-2]、NO3--N[15NNO3, kg(N)∙hm-2]、固定态铵[15Nf, kg(N)∙hm-2]和有机氮[15No, kg(N)∙hm-2]的形态存在于土壤中的含量可通过下列公式计算:
| ${ }^{15} \mathrm{~N}_{\text {residue }}\left({ }^{15} \mathrm{~N}_{\mathrm{NH}_{4}}, { }^{15} \mathrm{~N}_{\mathrm{NO}_{3}}, { }^{15} \mathrm{~N}_{\mathrm{f}}\right)=N_{j} \times(a-c) /(b-c)$ | (1) |
| $N_{i}=\left(W \times D \times 10000 \times 10000 \times \rho_{\mathrm{b}} / 1000\right) / 1000 / 1000$ | (2) |
| ${ }^{15} \mathrm{~N}_{\mathrm{O}}={ }^{15} \mathrm{~N}_{\text {residue }}-{ }^{15} \mathrm{~N}_{\mathrm{NH}_{4}}-{ }^{15} \mathrm{~N}_{\mathrm{NO}_{3}}-{ }^{15} \mathrm{~N}_{\mathrm{f}}$ | (3) |
| ${ }^{15} \mathrm{~N}_{\text {mineral }}={ }^{15} \mathrm{~N}_{\mathrm{NH}_{4}}+{ }^{15} \mathrm{~N}_{\mathrm{NO}_{3}}$ | (4) |
式中: Nj指土壤总氮、NH4+-N、NO3--N或固定态铵的含量[kg(N)∙hm-2], a指每个土层的全氮、NH4+-N、NO3--N或固定态铵的15N丰度值(%), b指所施用标记尿素的15N丰度值(%, 即9.80%), c指15N的自然丰度值(%, 即0.3663%), W指土壤中总氮、NH4+-N、NO3--N或固定态铵的质量分数(mg∙kg-1), D指每个土层的深度(cm), ρb指每个土层的容重(g∙cm-3), 15Nresidue指尿素氮在土壤中的残留量[kg(N)∙hm-2], 15NNH4或15NNO3指尿素来源NH4+-N和NO3--N的含量[kg(N)∙hm-2], 15Nf或15No指尿素来源的固定态铵或有机氮的含量[kg(N)∙hm-2], 15Nmineral指尿素来源的矿质氮的含量[kg(N)∙hm-2]。
所有图表中的试验数据(平均值+标准差)均采用Microsoft Excel 2016进行整理分析, 采用SigmaPlot 10.0软件作图。不同处理间参数的差异显著性通过SPSS 16.0软件中的One-way variance(ANOVA)进行方差分析, 并利用LSD方法(P < 0.05)进行不同处理间的差异显著性比较。
2 结果与分析 2.1 黑土春玉米田土壤氮素的累积分布与淋溶损失风险土壤中所积累的矿质氮(NH4+-N和NO3--N)既是作物所吸收利用的速效氮源, 又是各种氮素损失的共同的源。2015年东北黑土春玉米成熟期玉米收获后0~300 cm剖面土壤矿质氮的累积和分布如图 1所示。在0~300 cm土壤剖面, 常规垄作处理(RT)、免耕无秸秆覆盖处理(NT0)和免耕全量秸秆覆盖处理(NT100)在各土层铵态氮含量基本相当, 为4~8 kg(N)∙hm-2, 0~300 cm剖面累积的铵态氮总量分别为73.1 kg(N)∙hm-2、92.2 kg(N)∙hm-2和80.7 kg(N)∙hm-2 (图 1A)。与铵态氮含量相比, RT、NT0和NT100处理在0~300 cm剖面各土层中累积的硝态氮含量显著增加, 且整个剖面均呈先降后增再降趋势, 0~300 cm剖面累积的硝态氮总量分别为388.5 kg(N)∙hm-2、358.4 kg(N)∙hm-2和359.0 kg(N)∙hm-2 (图 1B)。上述结果说明:在农民常规施肥量下, 常规垄作和免耕不同量秸秆还田处理均已导致东北黑土春玉米田深层土壤剖面中累积了相当数量的矿质氮, 以硝态氮为主, 存在着氮素淋溶损失风险。RT处理土壤矿质氮含量在260~280 cm土层达最大值, NT0和NT100处理在180~200 cm土层达最大, 说明与常规垄作处理相比, 免耕不同量秸秆覆盖还田处理减缓了土壤矿质氮向深层土壤剖面的淋溶运移速率, 但仍存在着氮素的淋溶损失风险。
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图 1 不同处理下2015年玉米成熟期0~300 cm土壤剖面矿质氮的含量变化 Fig. 1 Content of mineral nitrogen in 0-300 cm soil profile at maturity of maize under different treatments in 2015 RT:常规垄作; NT0:免耕无秸秆覆盖; NT100:免耕100%玉米秸秆覆盖。RT: ridge tillage; NT0: no-tillage without maize stover mulching; NT100: no-tillage with 100% maize stover mulching. |
玉米不同生育期不同土层各处理土壤矿质氮含量明显不同, 0~20 cm和20~40 cm土层, 玉米不同生育期土壤铵态氮含量均相对较低, 为1.9~21.6 kg(N)∙hm-2 (图 2A, 2B)。玉米苗期, 20~40 cm土层铵态氮含量显著高于0~20 cm土层; 玉米抽雄期和成熟期, 两个土层土壤铵态氮含量基本相当; 玉米成熟期, 与RT处理相比, NT100处理显著降低了两个土层土壤铵态氮含量。与铵态氮含量变化不同, 两个土层不同采样期土壤硝态氮含量显著增加, 为11.7~124.6 kg(N)∙hm-2, 其含量约是铵态氮含量的2~34倍左右(图 2C, 2D)。玉米苗期, 0~20 cm土层各处理土壤硝态氮含量显著高于20~40 cm土层, 而玉米抽雄期结果相反。在玉米苗期, 与RT处理相比, NT0和NT100处理显著降低0~20 cm土层硝态氮的含量; 而同时期20~40 cm土层NT0处理土壤硝态氮含量显著高于其余两个处理。
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图 2 不同处理下玉米不同生育期土壤矿质氮含量的动态变化 Fig. 2 Dynamics of mineral N contents in soil at different growth stages of maize under different treatments RT:常规垄作; NT0:免耕无秸秆覆盖; NT100:免耕100%秸秆覆盖。不同小写字母表示同一生育期各处理间在P < 0.05水平差异显著。RT: ridge tillage; NT0: no-tillage without maize stover mulching; NT100: no-tillage with 100% maize stover mulching. Different lowercase letters mean significant differences at P < 0.05 level among different treatments at the same growth stage. |
土壤中的矿质氮, 一是来自于土壤有机氮的矿化作用, 二是来自于当季所施用的肥料氮的转化。图 3显示, 玉米苗期肥料来源的铵态氮对土壤总铵态氮库的贡献率比较高, 0~20 cm土层各处理的平均贡献率为13.7%, 20~40 cm土层平均约为45.2%;之后随着玉米生育期的延长, 各土层不同处理肥料来源铵态氮对土壤总铵态氮库的贡献率逐渐降低(图 3A, 3B), 至玉米成熟期, 0~100 cm剖面各土层不同处理肥料来源铵态氮对土壤总铵态氮库的贡献率均小于1.0%(图 4A)。对于硝态氮, 在玉米苗期和抽雄期, 肥料来源硝态氮对土壤总硝态氮库的贡献率均非常高, 0~20 cm土层各处理肥料来源硝态氮对土壤总硝态氮库的平均贡献率分别为64.2%和29.3%, 20~40 cm土层各处理的平均贡献率分别达56.9%和69.1% (图 3C, 3D); 至玉米成熟期, 0~60 cm各土层不同处理的贡献率基本相当, 平均达8%左右, 而60~80 cm和80~100 cm土层各处理贡献率显著增加, 平均分别达17.1%和50.3% (图 4B)。上述结果说明, 当季所施入肥料氮对整个玉米生育期土壤总硝态氮库的累积及其淋溶损失风险的贡献率均较高, 尤其是在作物氮素需求相对较低的玉米苗期, 氮肥的损失风险会更高。
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图 3 玉米不同生育期尿素来源矿质氮占土壤总矿质氮的比例 Fig. 3 Percentages of fertilizer-derived mineral N to total mineral N at different growth stages of maize under different treatments RT:常规垄作; NT0:免耕无秸秆覆盖; NT100:免耕100%秸秆覆盖。不同小写字母表示同一生育期各处理间在P < 0.05水平差异显著。RT: ridge tillage; NT0: no-tillage without maize stover mulching; NT100: no-tillage with 100% maize stover mulching. Different lowercase letters mean significant differences at P < 0.05 level among different treatments at the same growth stage. |
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图 4 玉米成熟期0~100 cm剖面尿素来源矿质氮占土壤总矿质氮的比例 Fig. 4 Percentages of fertilizer-derived mineral N to total mineral N in the 0-100 cm soil profile at maize maturity stage under different treatments RT:常规垄作; NT0:免耕无秸秆覆盖; NT100:免耕100%秸秆覆盖。RT: ridge tillage; NT0: no-tillage without maize stover mulching; NT100: no-tillage with 100% maize stover mulching. |
苗期因玉米对氮素的需求相对较低, 会导致大量矿质氮在土壤剖面积累, 并在条件适宜时向深层剖面运移进而发生淋溶损失, 因此, 调控玉米苗期氮肥在土壤不同形态氮库中的转化过程, 尽可能降低肥料氮在土壤矿质氮库中的大量积累是降低氮肥淋溶损失风险的关键。玉米苗期肥料氮在土壤不同形态氮库中的转化特征如图 5所示。0~20 cm土层, 肥料氮主要向土壤矿质氮库转化, 各处理平均有27.4%的肥料氮转化成矿质氮; 其次是黏土矿物固定态铵和有机氮, 各平均约占所施入肥料氮的7.1%和6.5%。与RT处理相比, NT0和NT100处理显著降低了0~20 cm土层肥料氮向矿质氮库的转化, 增加了肥料氮向固定态铵和有机氮库的转化, 其中, NT100处理达显著差异(P < 0.05)。在20~40 cm土层中, 肥料氮主要转化为黏土矿物固定态铵, 各处理占所施入肥料氮的比例平均为20.7%;其次是矿质氮和有机氮, 平均比例分别为19.3%和11.7%。与RT处理相比, NT100处理肥料氮向固定态铵库的转化比例达显著性水平。
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图 5 不同处理下玉米苗期尿素氮在土壤不同形态氮库中的转化特征 Fig. 5 Transformation of ferilizer nitrogen into soil different N pools at maize seedling stage under different treatments RT:常规垄作; NT0:免耕无秸秆覆盖; NT100:免耕100%秸秆覆盖。不同小写字母表示同一形态氮库各处理间在P < 0.05水平差异显著。RT: ridge tillage; NT0: no-tillage without maize stover mulching; NT100: no-tillage with 100% maize stover mulching. Different lowercase letters mean significant differences at P < 0.05 level among different treatments in the same N pool. |
肥料氮在土壤-作物系统中的分配与去向研究结果表明, 至玉米成熟期, 各处理当季所施入的肥料氮平均有35.3%残留于0~100 cm土壤剖面中, 48.8%被作物吸收利用, 15.9%通过氨挥发和硝化-反硝化途径发生气态损失(图 6A)。与RT处理相比, NT100处理显著提高了作物对肥料氮的利用效率, 降低了气态损失。各处理玉米产量为12 038~13 206 kg∙hm-2, 与RT处理相比, NT0和NT100处理玉米产量平均提高5.0%和9.7%, 但差异未达显著性水平(图 6B)。
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图 6 不同处理下玉米成熟期尿素氮在土壤-作物系统中的分配与去向(A)和玉米产量(B) Fig. 6 Distribution and fate of fertilizer nitrogen in soil-crop systems at maize ripening stage (A) and maize yields under different treatments (B) RT:常规垄作; NT0:免耕无秸秆覆盖; NT100:免耕100%秸秆覆盖。不同小写字母表示不同处理间P < 0.05水平差异显著。RT: ridge tillage; NT0: no-tillage without maize stover mulching; NT100: no-tillage with 100% maize stover mulching. Different lowercase letters mean significant differences at P < 0.05 level among different treatments. |
经过玉米一个生长季对氮肥的吸收利用后, 肥料来源矿质氮在土壤剖面中的分布特征如图 7所示, 在0~100 cm剖面中, 各土层各处理肥料来源铵态氮占所施入肥料氮的比例均小于0.03%;而肥料来源硝态氮占所施入肥料氮的比例相对较高, 0~100 cm土层的累计比例平均为9.6%。在0~80 cm土层中, 各处理各土层肥料来源矿质氮占所施入肥料氮的比例基本相当, 均小于1.5%; 80~100 cm土层则显著增加, 平均为7.4%。与RT处理相比, NT0和NT100处理肥料来源矿质氮占所施入肥料氮的比例分别降低了9.8%和14.8%。
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图 7 玉米成熟期0~100 cm剖面肥料来源矿质氮占所施用肥料氮的比例 Fig. 7 Percentage of fertilizer-derived mineral N to applied fertilizer N in the 0-100 cm soil profile at maize ripening stage RT:常规垄作; NT0:免耕无秸秆覆盖; NT100:免耕100%秸秆覆盖。RT: ridge tillage; NT0: no-tillage without maize stover mulching; NT100: no-tillage with 100% maize stover mulching. |
如何实现农田氮素养分高效利用并预防其向深层土壤剖面运移, 一直是土壤学和环境科学领域研究的热点问题。研究已表明:土壤中氮素养分的淋溶损失必须同时具备两个条件, 一是土壤中有氮素养分积累可供淋失; 二是有下渗水流, 使得氮素养分可随之向深层土壤剖面移动进而发生淋溶损失[27-28]。土壤氮素的剖面积累是造成其淋溶损失的首要条件, 因此尽可能降低剖面中土壤矿质氮的过量积累是不同养分管理措施阻控氮素淋溶损失的关键。目前, 关于不同耕作措施对土壤氮素剖面积累与淋溶损失风险的系统研究均采用常规的差减法进行, 且研究结果也不尽一致。胡立峰等[12]系统研究了华北平原农田不同耕作措施对0~180 cm土层硝态氮累积与淋失的影响, 发现翻耕土壤硝态氮的淋失风险最大, 旋耕次之, 免耕的淋溶风险最低。时秀焕等[29]对吉林省德惠市中层黑土农田0~100 cm土层硝态氮累积特征的研究表明, 6年的短期免耕和秋季翻耕均未导致玉米地硝态氮在60~100 cm底层土壤的富集, 大豆(Glycine max)地硝态氮有深层土层富集的表现。Liu等[30]室内培养与模型相关分析结果表明, 与常规耕作相比, 长期免耕可能增加硝态氮的淋溶损失。本研究针对东北黑土免耕农田, 运用田间原位15N示踪技术, 量化了免耕及秸秆覆盖对剖面土壤氮和肥料氮积累特征及淋溶运移规律的影响, 结果表明, 在农民常规施肥条件下, 常规垄作和免耕不同量秸秆覆盖均会导致深层土壤剖面硝态氮的大量累积, 存在着氮素的淋溶损失风险; 经过1个玉米生长季后, 当季所施入的肥料氮平均有7.4%以硝态氮的形态垂直运移至80~100 cm土层, 其占本土层总硝态氮累积量的50.3%, 说明当季所施入肥料氮对深层土壤总硝态氮库的累积及其淋溶损失风险的贡献率均较高。与常规垄作处理相比, 免耕秸秆全量覆盖降低了剖面中土壤氮和肥料氮的累积量, 80~100 cm土层降低比例可达37.8%和14.8%。
土壤中不同形态氮素的迁移转化特征与更新过程决定着土壤对氮素的截留。土壤中黏土矿物对铵的固定作用和微生物对矿质氮的固持作用可将速效氮暂存于固定态铵和有机氮的“过渡库”中, 这不仅能减少矿质氮过度积累所造成的氮素损失, 同时还可后续逐渐释放供作物吸收利用, 提高氮素的利用效率[31-35]。土壤中2:1型的黏土矿物可将铵固定于矿物晶格中, 土壤的母质类型及其风化程度决定着黏土矿物的组成、数量及其固铵能力[36]。Lu等[32]的盆栽试验结果表明, 吉林省公主岭市的中层黑土具有较强的固铵能力, 且被黏土矿物新固定的铵具有较高的活性, 在作物生育后期能快速释放, 以便供作物后续进一步吸收利用。对于本研究的供试土壤, 0~20 cm和20~40 cm土层中的黏粒含量分别为32.9%和32.4%, 且70%以上均属于2:1型的黏土矿物类型, 因此, 该试验土壤应该具有一定的固铵能力。本研究通过田间原位15N示踪微区试验, 量化了所施入肥料氮在土壤不同形态氮库间的转化更新特征, 玉米苗期0~20 cm和20~40 cm土层各处理平均27.8%的肥料氮转化成了黏土矿物固定态铵, 证明本研究的黑土春玉米田土壤具有较强的固铵能力, 可通过黏土矿物对铵的固定作用提高氮素在土壤的保持和高效利用, 进而降低氮素的各种损失[32]。
免耕条件下秸秆覆盖还田可以为微生物提供充足的碳源以进行微生物对矿质氮的固持作用, 尽量降低土壤中矿质氮的积累及其向深层剖面的淋溶运移。本研究结果表明, 0~20 cm土层中, 与RT和NT0处理相比, NT100处理显著增加了肥料氮向有机氮库的转化, 提高比例分别为89.2%和65.6%。Sugihara等[37-38]发现, 高C/N有机物料的施用有利于微生物的固持作用进而减少肥料氮和土壤氮的淋溶损失, 通过促进微生物固持作用每年可减少氮素淋失15~30 kg(N)·hm-2 [39-40]。20~40 cm土层中, 3个处理所施入肥料氮向有机氮库转化的比例基本相当, 全量秸秆覆盖并没有显著增加肥料氮向有机氮库的转化, 这可能是因为本研究为秸秆地表覆盖, 20~40 cm土层中的土壤微生物不能与秸秆近距离接触, 因此不会显著提高微生物的活性及其对氮素的固持作用。Lu等[33]和Pan等[34]的盆栽试验结果表明, 通过粉碎玉米秸秆与土壤进行充分混匀, 使玉米秸秆与土壤微生物紧密接触, 从而可改变肥料氮向土壤不同形态氮库的转化过程, 即肥料氮主要是通过微生物的固持作用转化成有机氮, 进而保持在土壤中供作物进一步吸收利用。上述结果说明, 免耕秸秆覆盖还田通过调控肥料氮向有机氮库转化, 可提高矿质氮在土壤中的保持和作物后续的氮素供应, 外源碳输入的数量及其与土壤微生物的接触程度共同决定着氮素在土壤中的保持能力和高效利用潜能, 针对本研究的免耕秸秆覆盖农田, 因秸秆进行地表覆盖, 微生物对氮素转化过程的调控作用并没有得到充分发挥, 因此在未来的深入研究中, 可考虑免耕秸秆覆盖还田一定时间后要对土壤进行一次深翻, 使得地表覆盖的玉米秸秆能够翻入深层土壤中, 进而提高深层剖面土壤微生物的活性及其对氮素的固持作用, 避免土壤矿质氮的过量积累及其向深层土壤剖面的淋溶运移。
不同施肥和耕作措施可通过调控土壤和肥料氮的转化过程, 达到提高氮素利用率和减少氮素损失的目的, 但实现这一目的的前提条件是不能造成作物的减产。如果是以作物产量下降为代价达到减少氮素损失的目的, 则所采取的管理措施的实践指导意义不大, 也很难推广被农民采用。Dalal等[41]进行的田间原位试验研究表明, 免耕6年以上处理显著增加了作物植株、籽实的氮素利用率和小麦(Triticum aestivum)产量。本研究结果表明, 与常规垄作处理相比, 10年免耕全量秸秆覆盖通过调控矿质氮向黏土矿物固定态铵库和有机氮库的转化, 既可提高氮肥利用效率, 降低氮肥的气态损失和向深层剖面淋溶运移的速率, 同时提高玉米产量。
4 结论本研究以东北黑土春玉米免耕农田为研究对象, 首次运用田间原位15N示踪技术, 准确量化了土壤氮和肥料氮在土壤剖面中的累积特征、在不同形态氮库中的转化更新过程及其淋溶损失风险, 明确了不同耕作措施对氮素积累与淋溶损失的阻控机制, 得出以下结论:
1) 在农民常规施肥量条件下, 东北黑土春玉米田无论是常规垄作还是免耕农田, 深层土壤剖面中均累积了相当数量的矿质氮, 主要为硝态氮, 存在着氮素的淋溶损失风险。当季所施入肥料氮对整个玉米生育期土壤总硝态氮库的累积及其淋溶损失风险的贡献率均较高。
2) 与常规垄作处理相比, 免耕全量秸秆覆盖处理降低了0~20 cm和20~40 cm土层肥料氮向矿质氮的转化, 促进了肥料氮向黏土矿物固定态铵和有机氮库的转化。
3) 经过1个玉米生长季后, 当季所施入肥料氮约35.3%残留于0~100 cm的土壤剖面中, 48.8%被作物吸收利用, 15.9%通过氨挥发和硝化-反硝化途径发生气态损失。
4) 与常规垄作处理相比, 免耕全量秸秆覆盖处理提高了玉米的产量和肥料氮的利用效率, 降低了肥料氮向深层土壤剖面淋溶运移的速率。
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