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(1.中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農業(yè)生態(tài)重點實驗室，吉林 長春 130102；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國水利水電科學研究院，北京100038)

0 引 言

東北地區(qū)的糧食總產量約占全國糧食總產量的15%左右[1]，是我國重要的糧食生產基地，被譽為中國的糧倉。黑土是該區(qū)主要的農業(yè)土壤，由于所處地區(qū)緯度較高，氣候寒冷，黑土有機質分解速度緩慢，容易在地表積累，形成深色腐殖質層，土壤中全氮含量較高。

氮是作物生長所必需的礦質營養(yǎng)元素[2-4]，土壤中的全氮含量與土壤的糧食生產能力和潛力密切相關。充足的土壤氮含量不僅能夠為植物提供養(yǎng)分，促進植物的生長，提高作物產量，還能維持土壤生態(tài)系統的穩(wěn)定。當前主要的農田養(yǎng)分管理措施就是向農田土壤中施入大量的速效氮肥，此方法雖然在一定程度上提高了當季作物的產量，但長期施用氮肥會導致土壤酸化[5-6]，且積累大量的NO-3-N，增大了環(huán)境污染風險[7]；未被作物吸收利用及在土壤中累積的氮肥能夠通過徑流和深層滲漏淋洗進入地表水和地下水從而污染水環(huán)境，還能夠通過氨揮發(fā)、硝化-反硝化損失進入大氣污染大氣環(huán)境等[8-12]。因此，了解土壤中全氮含量的多少及其變化對指導農業(yè)生產和可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

現階段，為了減少化肥的使用，節(jié)約資源，保護環(huán)境，并且維持或提高作物的產量、提高土壤的可持續(xù)發(fā)展力，在農業(yè)生產中開始推廣保護性耕作。20世紀60年代，保護性耕作技術從美國逐漸發(fā)展起來并且在全世界范圍內被廣泛推行。保護性耕作是指在田間秸稈覆蓋度達到30%以上，且最大限度減少土壤擾動[12]。與傳統性耕作相比，保護性耕作技術不僅能夠明顯提高土壤有機質含量，改良土壤的結構，提升土壤的質量和土壤肥力，還起到保護土壤資源和水資源，維護生態(tài)環(huán)境，減少CO2排放，緩解全球氣候變暖及重建土壤肥力的重要作用，同時可以減少成本和勞動投入，為農民帶來經濟效益[12-16]。免耕(No tillage,NT)是保護性耕作的極端形式。保護性耕作除了包括免耕外，還包括壟作(Ridge tillage,RT，保護性耕作的一種類型，即秸稈還田條件下的少耕)、帶耕和冪作等。哪一種耕作方式能夠更好的提高土壤全氮含量，保護土壤和環(huán)境，促進作物的產量形成，尚沒有明確的答案。因此，本文旨在分析長期的免耕(No tillage,NT)、壟作(Ridge tillage,RT)和秋翻(Mouldboard plough，MP)作業(yè)下，不同土層土壤中全氮含量的變化，為進一步指導農業(yè)生產，提高作物產量和土壤肥力，降低化肥的使用，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于吉林省長春市米沙子鄉(xiāng)的黑土農業(yè)試驗示范基地(44°12′N，125°33′E)，該基地由中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所承建。研究地點所在區(qū)域氣候為溫帶大陸性季風氣候，全年平均氣溫為4.4℃，全年平均降水量為520 mm，且超過全年降水量的70%的都集中在夏季的6月、7月和8月。試驗區(qū)內0～20 cm 土層的土壤 pH 值為6.5左右，屬于中性或微酸性；土壤類型為中層典型黑土，壤質粘土。保護性耕作定位試驗開始于2001年9月，試驗區(qū)內不同深度土壤的物理化學性質如表1所示。試驗點所在的地面坡度<1°。在試驗開始前，該區(qū)已連續(xù)進行了多年的傳統方式種植，即地上作物在根莖以上全部移除，不進行還田，春播前進行整地，播種后進行鏟地、起壟等中耕作業(yè)。種植作物為玉米。

表1 2001年試驗小區(qū)土壤物理化學性質Table 1 Soil physical and chemical properties in 2001 prior to the tillage experiment

注：平均值±標準差，n=4。

Note:average value ± SE，n=4。

1.2 試驗設計

耕作試驗包括免耕(No tillage，NT)、壟作(Ridge tillage，RT)和秋翻(Mouldboard plough，MP)處理，每個小區(qū)面積是104 m×4 m=416 m2，4次重復。試驗小區(qū)采取單因素裂區(qū)、4個重復的隨機區(qū)組設計，單因素為耕作方式：免耕、壟作和秋翻，主處理裂分為玉米和大豆輪作，且每個耕作處理每年都有玉米和大豆種植，試驗小區(qū)一共有48個。每個區(qū)組間有間隔，整個試驗田的面積為7 800 m2。秋翻包括在收獲玉米后，對土壤進行一次翻耕(大約20 cm深)，次年春季再對土壤進行旋地起壟和平整。壟作是利用蹚地機在6月進行起壟。免耕除了使用免耕播種機進行播種施肥一次性完成外，不再對土壤進行任何擾動。所有處理都采用免耕播種機進行播種，2002-2009年采用四行KINZE-3000播種機(Williamsburg,IA,USA)，2010年開始使用兩行John Deere-7200 NT播種機(Moline,IL,USA)進行播種。在所有的處理中，作物收獲后秸稈均被留在土壤表面。并且玉米秸稈被人為切碎成約30～35 cm長，然后施撒在土壤表面上。大豆殘體則直接還田到土壤表面[17]。

種植玉米小區(qū)施用N肥200 kg·hm-2、P肥70 kg·hm-2和K肥90 kg·hm-2的底肥，并且在6片葉生長階段[18]追施135 kg·hm-2的N肥。所有小區(qū)的底肥在播種時一起施入土壤中(施肥深度為7～10 cm，距種子的距離為8 cm)；大豆小區(qū)，所有的肥料都作為底肥施入土壤中，包括N肥40 kg·hm-2、P肥60 kg·hm-2和K肥80 kg·hm-2。施肥是混合施肥，既有宏福緩釋摻混肥(27%N-12%P2O5-13%K2O)，也有硝酸銨(NH4NO3)、過磷酸鈣(CaP2H4O8)和硫酸鉀(K2SO4)。

1.3 土壤樣品的采集和測定

2001-2014年，每年在作物收獲后(10月中旬左右)進行土壤樣品采集。采樣深度為30 cm，并分為0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm，每個小區(qū)7次重復，S型采樣，并按照相同深度混合均勻。土壤樣品帶回實驗室后風干，挑除肉眼可見的植物和動物殘體。土壤全氮用元素分析儀(Flash EA1112，Thermo-Finnigan，Italy)測定：風干土壤經過研磨過100 目篩，用百萬分之一天平稱取一定質量的土樣，置于錫鉑中，封口，放進自動進樣轉盤中測定，并且每隔10個樣品放置一個土壤的標樣進行校對。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel和SPSS進行統計分析和相關性分析，并用Origin進行作圖。

采用公式(1)和公式(2)對數據進行標準化處理，以消除本底差異和年際間的溫度和降雨等的影響。

(1)

(2)

式中：i和j分別代表耕作措施和采樣年限；Yij代表在i種耕作措施下，第j年的采樣數據(g·kg-1)。標準化后的Y*能夠消除本底的影響(g·kg-1)；標準化后的Y**即能夠消除本底的影響，又能夠消除年際間的影響。

2 結果與分析

2.1 耕作措施對土壤全氮垂直分布的影響

長期耕作方式對土壤全氮的長期影響差異主要表現在0～10 cm土層，見圖1。長期的免耕措施下，土壤表層(0～5 cm)的全氮含量顯著增加了33.2%(P<0.05)。5～10 cm的土層中全氮的含量反而略有降低。壟作下土壤表層0～5 cm的全氮含量由1.5 g·kg-1顯著增加到1.8 g·kg-1，增加量為20.9%(P<0.05)。5～10 cm土層全氮含量也有所增加，但增加量并不顯著。秋翻下表層0～ 5 cm和5～10 cm土層中全氮的含量都沒有發(fā)生明顯的變化，但與2001年相比，全氮含量仍然表現出增加趨勢。

3種耕作方式下10～30 cm土層全氮含量較2001年均呈現出不同程度的降低。壟作和秋翻下10～20 cm和20～30 cm土層全氮含量降低趨勢一致，但沒有達到顯著性水平。免耕下10～20 cm土層全氮含量低于2001年土層全氮含量，但20～30 cm幾乎沒有變化。總體來看，無論是2001年還是2014年，單從耕作方式的影響來看，土壤全氮含量由下而上均隨著深度的減少而遞增，且免耕的增加幅度最大，秋翻的增加幅度最小，壟作的增加幅度居中。

注：*表示在0.05水平上存在顯著性差異，NS表示沒有顯著性差異。圖中誤差棒是標準差，n=4。Note:*means significant differences between treatments at P=0.05 level and NS means no significance.The vertical bars indicate SE(n=4).圖1 2001年和2014年不同耕作方式下土壤全氮含量比較Fig.1 Comparison of soil total nitrogen concent under different tillage practices in 2001 and 2014

2.2 土壤全氮在不同耕作方式下的年際變化

免耕、壟作和秋翻下0～5 cm土層中全氮含量均隨著耕作年份的增加表現出先增加后降低的趨勢，且增加幅度為免耕>壟作>秋翻，見圖2。壟作和秋翻下0～5 cm土壤全氮含量持續(xù)增加，且均在處理10年后達到峰值后開始下降，而免耕下則在處理12年后達到峰值開始下降。3種耕作方式下0～5 cm土層全氮含量僅在個別年份出現顯著差異，大部分差異不顯著。壟作和秋翻耕作措施下5～10 cm的土層全氮含量隨著時間的增加有輕微的增加，但增加幅度不明顯且增加幅度壟作>秋翻，而免耕下全氮含量呈現出持續(xù)平緩的降低趨勢。10～20 cm土層壟作和秋翻下全氮含量隨年限增加有增減波動，但沒有明顯差異，而免耕仍然表現出平緩降低趨勢。20～30 cm土層中，3種耕作方式下土壤全氮含量隨耕作年限的延長幾乎沒有發(fā)生變化。

2.3 土壤全氮年變化量隨時間的變化

0～5 cm土層土壤全氮含量在3種耕作方式下變化幅度較大，尤其在耕作試驗開始的前4年，之后隨著試驗的進行，3種耕作措施下該層土壤全氮的增加量有增有減，但均值在逐漸趨于穩(wěn)定，尤以免耕最為穩(wěn)定，見圖3。5～10 cm和10～20 cm土層全氮的變化幅度均在試驗進行10年后才出現較大波動，之前變化較為平緩。20～30 cm免耕和壟作下土壤全氮含量變化量幾乎一致，且在試驗進行5年后變化量由降低趨勢變?yōu)榉浅Ｆ骄彽某制节厔?，而秋翻則剛好相反，在試驗5年后由增加趨勢變?yōu)槠骄彽某制綘顟B(tài)。

圖1中20～30 cm土層土壤全氮的2014年結果與2001年結果相比基本沒有變化，表明了試驗開始與試驗結束時，土壤全氮含量沒有發(fā)生變化；圖2中20～30 cm土層中土壤全氮的含量在開始試驗的第一年有所增加，試驗進行的下一年又略有降低，但相比試驗開始時，仍然是增加的，試驗進行的后幾年，全氮含量基本沒有發(fā)生變化，這也正好符合了圖3中所表達的增量先減小而后幾乎不變的趨勢。這可能是由于當我們把開墾多年的農田變?yōu)槊飧?，第一年還田的秸稈和不對土壤進行擾動的行為還是能夠稍微下滲增加20～30 cm土層中土壤的全氮含量，但在統計學上不明顯。

圖2 不同的耕作措施下土壤全氮的變化(2001-2014)Fig.2 Dynamics of soil total nitrogen under different tillage practices

免耕、壟作和秋翻都能夠增加0～5 cm土層中的全氮含量，但免耕和壟作在0～5 cm土層中增加的全氮含量比秋翻在0～5 cm土層中增加的全氮含量要多；即0～5 cm土層中，全氮含量的增量為免耕>壟作>秋翻。壟作和秋翻能夠增加5～10 cm土層中全氮的含量，免耕中全氮含量在5～10 cm維持不變；即5～10 cm土層中壟作和秋翻的全氮含量的增量為正值，免耕的全氮含量的增量為零。壟作和秋翻在10～30 cm的兩層土層中全氮含量都保持不變，免耕在10～20 cm的土層中全氮含量降低，而且免耕在20～30 cm的土層中全氮含量不變；即壟作和秋翻在10～30 cm全氮含量的增量為零，免耕在10～20 cm的土層中全氮含量的增量為負值，并且免耕在20～30 cm的土層中全氮含量的增量為零。壟作能夠更加平穩(wěn)顯著的增加土壤表層的全氮含量，由1.50 g·kg-1顯著增加到1.80 g·kg-1；緩慢的增加土壤5～10 cm的全氮含量，由1.46 g·kg-1增加到1.56 g·kg-1；維持土壤底層的全氮含量。

圖3 土壤全氮年增量的標準化值隨年限的變化Fig.3 Dynamics of the normalized value of annual increment of soil total nitrogen

3 討 論

相關試驗研究表明，隨著土壤翻耕程度的逐漸降低，土壤養(yǎng)分含量會逐漸增加[19]，且保護性耕作措施下土壤有機質含量較翻耕土壤有機質含量年均提高0.03%～0.05%[20]。免耕條件下，表層0～5 cm土壤全氮含量較其他耕作方式高，這是由于作物收獲以后，秸稈和根系全部還田，且不對土壤進行擾動，使得真菌生長效率以及真菌與細菌的活性比率增加，降低有機質的礦化分解[21]，進而促進了有機氮在表層的積累。研究表明，免耕條件下土壤養(yǎng)分積累主要體現在土壤表層[22]，且大量秸稈覆蓋地表，使得表層0～5 cm微生物數量增加，活性提高[23-24]，從而導致0～5 cm土層全氮含量變幅較大。隨著耕作年限的增加，0～5 cm土層全氮含量依然在逐漸增大，但增加量趨于平緩，且在試驗進行12年后有下降的趨勢，這與Felipe等[25]、Fischer等[26]和Kuzyakov等[27]的研究結果相似。他們認為這一結果表明外源有機物質輸入后對土壤的激發(fā)效應隨時間的延續(xù)而逐漸降低，并且會抑制微生物對土壤有機質的礦化分解，使土壤氮含量變化處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。同時，在試驗進行的12年后，表層土壤中的全氮雖然呈現出了下降的趨勢，但亞表層的土壤中的全氮卻有輕微的增加，這可能是由于表層的全氮向下層遷移所造成的。

然而，壟作和秋翻措施下，雖然壟作也是保護性耕作的一種，但由于作業(yè)過程中進行了翻耕，使得秸稈還田增加的有機物質的輸入量小于翻耕導致的有機質的損失量，從而使得在壟作和秋翻進行的前幾年，表層0～5 cm土壤全氮為降低趨勢，之后隨著有機物料輸入量的逐漸增多，全氮含量開始逐漸增加，直到試驗進行到第10年開始降低。這一結果說明有機物料的輸入對土壤有機質的補充也存在一定的時間限制，并不會隨著輸入量的增加而持續(xù)增加[25-27]。壟作和秋翻表層0～5 cm土層中全氮的含量開始出現降低的年限要比免耕早2年，原因可能是免耕表層的秸稈要明顯多于壟作和秋翻，秸稈不僅可以改良土壤結構[28]，還可增加微生物數量[23-24]和土壤酶活性[29]，提高土壤肥力[30]；秸稈還田不僅能顯著地提高各類微生物的數量，為微生物提供新的能源[31]，且還田的秸稈本身也帶入大量活的微生物[32]。免耕措施條件下土壤的微生物量、酶活性等也都顯著高于傳統耕作[33]，從而使表層土壤可以承受的全氮濃度也是高于壟作和秋翻，致使免耕出現全氮降低的濃度要高于壟作和秋翻，年限長于壟作和秋翻。

免耕下5～10 cm土層，雖然土壤未經任何擾動，但是還田的表層秸稈中的有機氮和其經礦化分解形成的無機氮還是會隨降水等下滲到該土層中，且殘留的根系也會在該土層中分解釋放有機氮和無機氮，使得該層全氮含量維持穩(wěn)定。3種耕作方式下0～5 cm和5～10 cm土層全氮含量的變化體現了秸稈還田和土壤翻耕產生的土壤擾動是引起土壤有機質變化的主要原因。

3種耕作方式下10～20 cm土層全氮含量的變化主要源于輸入的秸稈影響。土壤氮素固持與釋放在調節(jié)土壤氮素平衡方面具有重要作用[34]，土壤中氮素的固持分為生物固持和非生物固持[35]，土壤微生物的繁殖，增加了其對土壤氮素的固持，Mueller 等的試驗[36]表明施入有機物料后固持的氮部分可能會以未知的微生物殘留物形式存在或者在非生物的其它因素作用下發(fā)生固持。氮的非生物固持包括銨態(tài)氮的晶格固定[37]、酚類物質與銨態(tài)氮或氨基酸的物理縮合反應[38]、有機物質的吸附[39]和在化學作用下轉化為可溶性有機氮[38,40]等。在土壤中氮素會發(fā)生大量積累，致使礦質氮含量在相對增加的條件下，也相應地提高了土壤中的淋失氮源[41]。

免耕措施下10～20 cm土壤沒有受到擾動，表層覆蓋的秸稈其養(yǎng)分的補充對該層的影響也不明顯，使得該層全氮含量沒有顯著變化，而壟作和秋翻下秸稈在翻耕的作用下與土壤進行混合和充分接觸，便于微生物對秸稈的分解礦化進而輸入給土壤，使得土壤全氮含量增加，氮素在土壤中被固持，但由于土壤呼吸、動植物的消耗等，又會造成該土層中氮的減少，氮素被釋放，所以整體來看該層全氮增加量的大幅上升也是在有機物質輸入量累積到一定的程度的10年后。劉四義[42]研究指出，秸稈覆蓋還田下玉米秸稈的分解速率較慢，對土壤養(yǎng)分的輸入量有限，使得覆蓋還田下土壤全氮含量顯著低于秸稈翻埋還田。20～30 cm土層受地表和植物等外界環(huán)境的影響較小，在3種耕作方式下全氮含量隨試驗年限的增加變化平緩，但由于秋翻在秋收后或者春播前對土壤的擾動幅度大于壟作和免耕，所以秸稈與土壤的混合深度較深，源自秸稈的養(yǎng)分對土壤的輸入深度可以滲透到該層，所以秋翻下該層全氮的增加量要大于其他兩種耕作方式。

總體來看，與常規(guī)耕作相比，保護性耕作對土壤全氮的影響在10年以上出現明顯差異。West和Post[43]對比研究了免耕耕作措施和常規(guī)耕作措施后認為，免耕條件下可以有效地減緩土壤有機物質的礦化率，并且有利于土壤中有機質的積累，但是這一固碳作用存在一定的滯后效應，需要5～10年后才能有明顯反應。我們認為，對于黑土而言，可能10年是一個更為明顯的轉折點。壟作對土壤的擾動處于免耕和秋翻之間，孔隙分布等物理性狀也介于兩者之間，更加有利于良好的土壤結構的形成和土壤生物的生長發(fā)育。

4 結 論

與2001年相比，13年的保護性耕作和常規(guī)耕作都顯著增加了表層0～5 cm土壤全氮含量，尤其是免耕和壟作兩種保護性耕作下下全氮含量增加更多；5～10 cm土層全氮含量在壟作和秋翻下均有所增加，而免耕下變化不大。壟作和秋翻下10～30 cm土層中全氮含量都保持不變，而免耕下則是10～20 cm土層中全氮含量降低，20～30 cm土層中全氮含量不變。從3種耕作方式下土壤全氮含量隨年限的變化情況來看，壟作下各層全氮含量始終處于一個更平穩(wěn)增加的趨勢，而免耕和秋翻下全氮含量在不同土層表現出有增有減，甚至較大的波動趨勢。總體來看，在耕作試驗進行10年以上，3種耕作方式下土壤全氮含量的變化出現較為明顯的差異。保護性耕作與常規(guī)耕作相比，采用壟作能夠更好的提高和維持土壤中的全氮含量，在長期的耕作下，能夠促進土壤向更好的方向發(fā)展，而且能夠提高土壤中的養(yǎng)分，促進土壤的可持續(xù)發(fā)展，減少肥料的使用，節(jié)約能源，降低環(huán)境污染，是更為合理有效的耕作措施。

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