徐英德,丁雪麗,李雙異,孫良杰,高曉丹,謝檸檜,金鑫鑫,白樹彬,孫海巖,汪景寬

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室和農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽 110866

不同肥力棕壤全氮和微生物量氮對外源玉米殘?bào)w氮的響應(yīng)

徐英德,丁雪麗,李雙異,孫良杰,高曉丹,謝檸檜,金鑫鑫,白樹彬,孫海巖,汪景寬*

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室和農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽 110866

以棕壤玉米長期連作定位試驗(yàn)(27a)形成的高低兩種肥力水平土壤為研究對象,采用15N標(biāo)記的玉米植株為試驗(yàn)試材,分別向兩種土壤中加入玉米根、莖、葉(共8個(gè)處理),采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)與15N同位素示蹤技術(shù),旨在弄清玉米根、莖、葉添加后不同肥力土壤全氮含量及微生物量氮的變化規(guī)律。結(jié)果表明：(1)添加玉米根、莖、葉后低肥力棕壤全氮含量提升幅度分別比高肥力棕壤高5.75%、4.77%和3.75%,外源新氮的貢獻(xiàn)率分別比高肥力棕壤高3.54%、3.28%和2.49%,說明不同肥力土壤對玉米殘?bào)w添加的響應(yīng)程度不同,低肥力棕壤對外源新氮施入后的響應(yīng)更敏感,固定能力更強(qiáng)。(2)在添加玉米殘?bào)w的56d培養(yǎng)時(shí)間內(nèi),低肥力棕壤中微生物量氮平均增加0.83—0.98倍,高肥力棕壤中微生物量氮平均增加0.87—1.56倍,可以看出不同部位玉米植株添加后均能顯著促進(jìn)土壤微生物量氮的積累,說明外源有機(jī)物輸入是刺激土壤微生物數(shù)量和活性的重要因素,并且在高肥力土壤中刺激作用更加顯著。此外,高肥力土壤添加莖和葉處理微生物量氮顯著高于根添加處理,但低肥力土壤中根、莖和葉添加處理土壤中微生物量氮之間無顯著差異。外源有機(jī)氮輸入對土壤氮庫的貢獻(xiàn)與土壤的肥力水平及不同殘?bào)w部位自身的物質(zhì)組成特性密切相關(guān)。

土壤肥力；玉米殘?bào)w；δ15N；土壤全氮；微生物量氮

氮素是土壤肥力中最為活躍、最為關(guān)鍵的因素之一[1],也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的限制因子,因此氮肥施用一直是提高作物產(chǎn)量最重要的措施[2]。作物殘?bào)w是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳的主要來源,同時(shí)也是氮素重要的“源”和“庫”[3],因此作物殘?bào)w還田對促進(jìn)土壤氮循環(huán)、減少化肥施用、維持農(nóng)田地力具有非常重要的作用[4]。已有研究表明秸稈還田對土壤養(yǎng)分和土壤生物學(xué)特性的影響是一個(gè)十分復(fù)雜的過程[5]。還田后秸稈的腐解是在土壤微生物驅(qū)動(dòng)下的生物化學(xué)過程,促進(jìn)氮的微生物固持也是減少氮素?fù)p失的有效途徑之一[6]。微生物在外源氮的同化和有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中起主導(dǎo)作用[7],因此明確微生物量氮的相應(yīng)變化對了解作物殘?bào)w氮素的生物有效性至關(guān)重要。作物殘?bào)w各部分(根、莖、葉)因成分間存在顯著的差異性[8],導(dǎo)致不同部位有機(jī)成分組成、尤其是有機(jī)碳與氮含量的不同[9],影響了其在土壤中腐解的進(jìn)程[10]。有研究發(fā)現(xiàn)水稻秸稈來源氮素會(huì)隨著分解過程的進(jìn)行進(jìn)入不同的土壤氮庫[11],還有報(bào)道指出秸稈腐解期間等量秸稈較根茬更有利于補(bǔ)充土壤活性碳與氮的數(shù)量[12]。謝檸檜等[13]則證明玉米不同部位殘?bào)w在土壤中的殘留與分配對土壤有機(jī)碳的固定起到關(guān)鍵作用。然而關(guān)于作物殘?bào)w不同部位來源氮素在不同肥力水平土壤中的分配及其對土壤氮庫的貢獻(xiàn)尚鮮見報(bào)道。本研究以長期玉米連作體系下兩種不同施肥水平棕壤為基礎(chǔ),利用15N穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù),通過室內(nèi)培養(yǎng)方法,研究添加不同部位玉米殘?bào)w(根、莖、葉)后不同肥力棕壤中“新”“老”全氮的動(dòng)態(tài)變化及微生物量氮的響應(yīng),探索秸稈腐解過程中在不同土壤肥力水平下外源新氮分配與貢獻(xiàn)機(jī)制,以期為構(gòu)建合理的秸稈還田與施肥措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤采自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤長期定位試驗(yàn)站。該試驗(yàn)站始建于1987年春天,位于41°49′N,123°34′E,土壤為發(fā)育在黃土性母質(zhì)上的壤質(zhì)棕壤。試驗(yàn)站長期種植作物為玉米,每年4月中下旬播種,9月中下旬收獲,具體試驗(yàn)布置與施肥處理詳見安婷婷等[14]。本研究所采用的低肥棕壤為連續(xù)27a未施用任何肥料的處理(LF),高肥棕壤為多年施用高量有機(jī)肥的處理(折合年施用有機(jī)肥中含純N 270 kg/hm2,HF)。于2014年秋季玉米收獲后采集耕層(0—20 cm)土壤。樣品采回后在室溫條件下自然風(fēng)干,挑出土壤樣品中根系、石塊等雜質(zhì),過2 mm篩后備用。供試土壤樣品主要理化性質(zhì)詳見表1。

表1 不同肥力水平棕壤基本理化性質(zhì)(2014年)

1.1.2 供試有機(jī)物料

供試有機(jī)物料為氮穩(wěn)定同位素(15N)標(biāo)記的玉米殘?bào)w。標(biāo)記的主要過程為：待標(biāo)記玉米于2014年4月25日播種,在玉米生長進(jìn)入拔節(jié)期開始標(biāo)記,用豐度為98%的(15NH4)2SO4配成0.2 mol/L溶液后分2次注入根部[15]。玉米殘?bào)w收獲后,在105℃下殺青30 min,然后在60℃下烘8 h。將根、莖和葉分開,并剪成2 cm小段,用秸稈粉碎機(jī)粉碎,過40目篩后備用。試驗(yàn)所需玉米殘?bào)w主要理化性質(zhì)詳見表2。

表2 15N標(biāo)記玉米殘?bào)w基本理化性質(zhì)(2014年)

1.2 研究方法

本試驗(yàn)采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)法,共設(shè)8個(gè)處理：①低肥力土壤添加玉米根(低肥+根)；②低肥力土壤添加玉米莖(低肥+莖)；③低肥力土壤添加玉米葉(低肥+葉)；④高肥力土壤添加玉米根(高肥+根)；⑤高肥力土壤添加玉米莖(高肥+莖)；⑥高肥力土壤添加玉米葉(高肥+葉),同時(shí)以不添加秸稈的2種肥力土壤作為對照(低肥、高肥),每個(gè)處理3次重復(fù)。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)稱取相當(dāng)于120 g烘干土重的風(fēng)干土樣,加蒸餾水調(diào)節(jié)含水量至7%左右,在25℃下預(yù)培養(yǎng)7 d。之后將土樣分別與玉米根、莖、葉充分混勻,有機(jī)物料加入比例為烘干土重量的1%。調(diào)節(jié)土壤含水量至田間持水量的60%,放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng),每5 d補(bǔ)充1次水分。分別于培養(yǎng)后1、7、28、56、180 d和360 d進(jìn)行取樣,然后將一部分鮮樣進(jìn)行微生物量氮的測定,另一部分風(fēng)干,用研缽研磨并過100目篩,進(jìn)行全氮及其δ15N值的測定。

1.3 測定方法

微生物量氮的測定：采用氯仿熏蒸浸提的方法[16]。稱取相當(dāng)于10 g烘干土重的新鮮土樣放入培養(yǎng)皿中,將培養(yǎng)皿置于真空干燥器中,同時(shí)將已經(jīng)提純的氯仿放入真空干燥器中,之后用真空泵抽氯仿至沸騰,并保持5 min,之后將抽真空的干燥器放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中24 h。熏蒸結(jié)束后,將土壤轉(zhuǎn)移到100 mL震蕩瓶,加入0.5 mol/L K2SO4溶液(水土比為1∶4),在25℃下恒溫震蕩30 min,之后將上清液用0.45 μm濾膜過濾。在氯仿熏蒸的同時(shí)做不熏蒸的對照處理。提取液的全氮含量采用High-TOC II(Elementar II, Germany)分析儀測定。

微生物量氮的計(jì)算公式[17]：

式中,EN為熏蒸土樣與未熏蒸土樣全氮之差,KEN=0.54。

全氮及其δ15N值的測定：利用元素分析-穩(wěn)定同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀(EA-IRMS, IsoPrime100, Germany)測定。其基本原理和測定過程為：樣品經(jīng)高溫燃燒后(燃燒管溫度為920℃,還原管溫度為600℃),通過TCD(Thermal Conductivity Detecor)檢測器測定全氮含量,剩余氣體經(jīng)CO2/N2排出口(Vent)通過稀釋器進(jìn)入質(zhì)譜儀,在質(zhì)譜儀上測定δ15N值[14]。

1.4 計(jì)算方法

δ15N值的計(jì)算公式[18](標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為純凈大氣氮)：

式中，Rsample為樣品15N/14N原子比值；Rstandard=0.0036765。

土壤全氮中外源新氮貢獻(xiàn)率(外源新氮所占比例)計(jì)算公式：

式中，δ15Nsample為添加玉米根、莖、葉處理土壤全氮的δ15N值；δ15Nbackground為裸土對照處理土壤全氮的δ15N值；δ15Nmaize為玉米根、莖、葉的δ15N值。

1.5 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

應(yīng)用Origin 8軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖,用SPSS 19.0軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,不同處理間的差異顯著性水平采用Duncan法進(jìn)行多重比較,顯著水平為P<0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤全氮含量的變化

不同肥力棕壤添加玉米殘?bào)w后全氮含量發(fā)生顯著變化。由表3可以看出,未添加玉米殘?bào)w的低肥力和高肥力棕壤全氮平均含量分別為(1.16±0.03) g/kg和(1.85±0.02) g/kg。添加玉米殘?bào)w后全氮含量顯著提升(P<0.05)。而且,添加殘?bào)w對低肥力棕壤全氮含量的提升效果更顯著,其中低肥+根、低肥+莖、低肥+葉提升幅度分別為9.88%、10.21%和9.56%,而高肥+根、高肥+莖、高肥+葉分別提升4.13%、5.44%和5.81%。在秸稈腐解過程中,各處理隨培養(yǎng)時(shí)間的延長未發(fā)生明顯規(guī)律性的變化,且不同部位間整體上沒有明顯差異。

表3 添加15N標(biāo)記玉米殘?bào)w后不同肥力土壤全氮含量變化

表中的值為平均值±SD,大寫字母表示同一處理不同培養(yǎng)時(shí)期差異顯著性(P<0.05),小寫字母表示同一時(shí)期不同處理組合(肥力水平(低肥力、高肥力)×添加玉米殘?bào)w部位(不添加、根、莖、葉))差異顯著性(P<0.05).

2.2土壤全氮δ15N值變化

低肥力棕壤和高肥力棕壤對照處理在整個(gè)培養(yǎng)過程中土壤全氮δ15N值平均為(10.48±1.39)‰和(8.90±0.35)‰,波動(dòng)較小(數(shù)據(jù)未列出)。2種肥力棕壤添加不同部位玉米殘?bào)w后全氮δ15N值隨培養(yǎng)時(shí)間延長的變化情況如圖1所示。從圖1可以看出,添加玉米殘?bào)w后,土壤全氮δ15N值顯著升高(P<0.05)。在培養(yǎng)前期添加根的處理δ15N值較添加莖和葉的處理波動(dòng)大,之后均較為平穩(wěn),在兩種肥力棕壤中δ15N值表現(xiàn)為低肥>高肥(P<0.05)。對于玉米殘?bào)w不同部位,土壤全氮δ15N值在兩種肥力棕壤整體表現(xiàn)為莖高于根和葉,到培養(yǎng)360 d時(shí),低肥力棕壤中添加莖處理的土壤全氮δ15N值分別是添加根和葉的1.12倍和1.58倍,而高肥土壤中三者差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同肥力棕壤添加15N標(biāo)記玉米殘?bào)w后土壤全氮δ15N值變化Fig.1 Dynamic changes of δ15N values in total nitrogen in different fertility brown earth added with 15N-labeled maize resdiues大寫字母表示同一處理不同培養(yǎng)時(shí)期差異顯著性(P<0.05),小寫字母表示同一時(shí)期不同殘?bào)w部位差異顯著性(P<0.05)

2.3 土壤全氮中外源新氮貢獻(xiàn)率的變化

兩種肥力棕壤添加不同部位玉米殘?bào)w后,外源新氮貢獻(xiàn)率隨培養(yǎng)時(shí)間和土壤全氮δ15N值變化趨勢總體一致(圖2)。在整個(gè)培養(yǎng)過程中,低肥+根、低肥+莖、低肥+葉、高肥+根、高肥+莖、高肥+葉處理外源新氮貢獻(xiàn)率的均值分別為9.09%、9.87%、8.62%、5.55%、6.59%和6.13%。外源新氮貢獻(xiàn)率同樣表現(xiàn)出培養(yǎng)前期添加根的處理,較添加莖和葉的處理波動(dòng)大,之后均較為平穩(wěn)。在不同肥力水平下,低肥力棕壤外源新氮貢獻(xiàn)率顯著高于高肥力棕壤(P<0.05)。培養(yǎng)到360 d時(shí),低肥力棕壤中添加根、莖、葉后土壤外源新氮貢獻(xiàn)率分別為10.26%、11.29%和8.49%,高肥力棕壤外源新氮貢獻(xiàn)率分別為6.13%、6.74%和7.34%。

圖2 不同肥力棕壤添加15N標(biāo)記玉米殘?bào)w后土壤全氮中外源新氮貢獻(xiàn)率的變化Fig.2 Dynamic changes of contributions of exogenous new nitrogen to total nitrogen in different fertility soils added with 15N-labeled maize residues大寫字母表示同一處理不同培養(yǎng)時(shí)期差異顯著性(P<0.05),小寫字母表示同一時(shí)期不同殘?bào)w部位差異顯著性(P<0.05)

2.4 土壤微生物量氮?jiǎng)討B(tài)變化

在培養(yǎng)初期,土壤微生物量氮逐漸上升,第7天達(dá)到最大值,以后逐漸降低(圖3)。兩種肥力棕壤添加玉米殘?bào)w后土壤微生物量氮較對照處理含量明顯增加(P<0.05),在56 d的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi),低肥力棕壤微生物量氮平均增加0.83—0.98倍,高肥力棕壤微生物量氮平均增加0.87—1.56倍。添加秸稈后,除第1天和第56天添加根的處理外,其余各時(shí)期,土壤微生物量氮含量均為高肥力水平>低肥力水平。低肥力水平各處理中,第1天土壤微生物量氮含量為低肥+根>低肥+葉>低肥+莖,以后的各培養(yǎng)時(shí)期三者無顯著差異。在培養(yǎng)的1—56 d,高肥力水平各處理中微生物量氮含量均為高肥+莖、高肥+葉高于高肥+根處理。添加秸稈各處理均在培養(yǎng)的初期微生物量氮含量迅速增加,低肥中,在培養(yǎng)的前28 d,低肥+根、低肥+莖、低肥+葉均出現(xiàn)了不同程度的下降,下降幅度分別為32.98%、11.75%和16.64%；在28—56 d微生物氮含量有所上升,上升幅度分別為22.26%、23.13%和16.81%。高肥力水平各處理均表現(xiàn)為前7 d迅速上升并達(dá)到峰值,7—28 d下降,28—56 d趨于穩(wěn)定的趨勢。培養(yǎng)56 d時(shí)與開始時(shí)相比,低肥+根、高肥+莖、高肥+葉出現(xiàn)了明顯的下降,低肥+莖略有上升,其他處理則差異不明顯。

圖3 不同肥力土壤添加15N標(biāo)記玉米殘?bào)w后土壤微生物量氮含量的變化Fig.3 Dynamic changes of microbial biomass nitrogen in different fertility level soils added with 15N-labeled maize residues大寫字母表示同一處理不同培養(yǎng)時(shí)期差異顯著性(P<0.05),小寫字母表示同一時(shí)期不同殘?bào)w部位差異顯著性(P<0.05)

3 討論

3.1土壤全氮及其δ15N值含量的變化

δ15N標(biāo)記玉米殘?bào)w加入土壤后明顯提高了土壤全氮含量及其δ15N值,這與王淑平[19]和Chaves[20]的研究結(jié)果一致,本研究在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步突出了肥力水平及殘?bào)w部位的影響。在低肥力棕壤中,玉米殘?bào)w對土壤全氮的提升效果更明顯,表明秸稈在兩種肥力棕壤中腐解有差異,從而影響了秸稈氮對土壤氮的補(bǔ)充。在本研究中δ15N值波動(dòng)的幅度表明進(jìn)入土壤的外源新氮整體在前56 d周轉(zhuǎn)較快,這一階段可能處于作物殘?bào)w中易分解化合物的快速分解階段[21]。一些研究[13,22]發(fā)現(xiàn)外源新碳在土壤中的分配呈現(xiàn)土壤初始有機(jī)碳含量越低,分配越多的趨勢。本試驗(yàn)通過δ15N值的變化進(jìn)一步表明外源新氮在不同肥力棕壤的分配呈現(xiàn)出初始土壤全氮含量越低貢獻(xiàn)率越大的相似規(guī)律。Aita等也指出15N與13C兩種外源同位素在土壤中的分布和動(dòng)力學(xué)過程相似[23]。低肥力水平各處理的δ15N值均明顯高于高肥力水平各處理,表明低肥力棕壤對殘?bào)w氮的固定能力要高于高肥力棕壤。在本試驗(yàn)站低肥力棕壤較高肥力棕壤含有更多的粘粒含量[24],很多無機(jī)膠體沒有與有機(jī)膠體結(jié)合,當(dāng)有機(jī)物加入時(shí),這些無機(jī)膠體(粘粒)與有機(jī)物緊密結(jié)合,形成比較穩(wěn)定的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體,從而固定更多的有機(jī)碳,使土壤有機(jī)質(zhì)含量提高,與此同時(shí)也就提高了土壤全氮含量。王佳佳等[25]和吳景貴等[9]分別研究表明作物殘?bào)w葉片的腐解速率和氮素釋放速率大于莖稈,而本研究中添加不同部位玉米殘?bào)w后δ15N值在不同肥力棕壤中的總體表現(xiàn)為莖>葉>根,主要是因?yàn)楦休^多的木質(zhì)素等難分解物質(zhì),而莖和葉中含有更多的糖類、纖維素和半纖維素等易分解物質(zhì)[26],并且在試驗(yàn)材料中莖的碳氮比最低而全氮含量最高,尤其是在低肥力水平處理的培養(yǎng)后期,莖的低碳氮比優(yōu)勢發(fā)揮明顯。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)(360 d),低肥力水平處理較高肥力水平處理不同部位殘?bào)w間的差異更明顯。這主要是由于秸稈中氮素的分解受到土壤結(jié)構(gòu)和秸稈自身組成特性的影響[27]。研究表明作物殘?bào)w各部分性質(zhì)的差異主要取決于是否是支撐組織(莖),傳導(dǎo)組織(葉)或保護(hù)組織(根)[28],且殘?bào)w各個(gè)部位化學(xué)組成存在很大的差異[9],低肥力土壤較高的粘粒含量以及較少的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體含量擴(kuò)大了秸稈自身組成及碳氮比所導(dǎo)致的與粘粒結(jié)合成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的差異性。而在髙肥力水平處理中,培養(yǎng)前期和中期(1 d—180 d)不同殘?bào)w氮的固定存在差異,而在培養(yǎng)一年后差異不明顯,可見隨培養(yǎng)時(shí)間的延長,高肥力棕壤的肥力背景和趨于飽和的高有機(jī)質(zhì)含量掩蓋了不同部位玉米殘?bào)w之間的差異。由此結(jié)果可見,秸稈自身組成和碳氮比的差異以及土壤肥力水平的差異會(huì)共同導(dǎo)致培養(yǎng)的各個(gè)時(shí)期不同殘?bào)w氮的固定出現(xiàn)差異。

3.2 土壤外源新氮貢獻(xiàn)率的變化

添加玉米殘?bào)w后外源新氮占土壤全氮的比例反映出了外源新氮貢獻(xiàn)率的大小。在本試驗(yàn)中殘?bào)w氮對低肥力棕壤全氮的貢獻(xiàn)率高于高肥力棕壤,低肥力棕壤中全氮含量較低,新加入的玉米殘?bào)w進(jìn)入到土壤里,含有15N的物質(zhì)增多,使15N比例增大,隨著秸稈的腐解,秸稈氮的貢獻(xiàn)比有不同程度的增加,在低肥力棕壤中貢獻(xiàn)率增加幅度莖>根>葉,高肥力棕壤中葉>根>莖,呈現(xiàn)完全相反的趨勢,因?yàn)楦叩头柿ψ厝乐g存在著微生物種群和生物多樣性的較大差異[29],并且不同部位玉米殘?bào)w在不同肥力土壤會(huì)產(chǎn)生不同程度的激發(fā)效應(yīng)[30-31],致使土壤的碳氮比[23]以及土壤中微生物的區(qū)系發(fā)生變化,從而使不同部位氮素的分解產(chǎn)生差異。培養(yǎng)到360 d時(shí),從不同部位玉米殘?bào)w在棕壤貢獻(xiàn)率的差異可以看出,莖的氮素貢獻(xiàn)率在高低兩種肥力土壤中差異更大,這表明棕壤中微生物群落對莖的外源氮加入反應(yīng)最敏感。

3.3 土壤微生物量氮的變化

作物殘?bào)w的腐解是微生物主導(dǎo)的生化過程,向土壤中添加植物殘?bào)w能夠改變土壤微環(huán)境以及微生物所利用的碳源,進(jìn)而影響土壤中微生物的數(shù)量和活性[3,32]。

通過本試驗(yàn)可以看出,添加玉米殘?bào)w不同部位均能刺激土壤微生物的生長,增加微生物對氮素的同化,有利于土壤氮的協(xié)調(diào)供應(yīng)。促進(jìn)土壤微生物量增加的原因主要是原有土壤有機(jī)質(zhì)的進(jìn)一步分解引起(利用土壤腐殖質(zhì)所含能源和養(yǎng)分)[33]以及秸稈添加增加環(huán)境可利用氮素含量[11]。微生物量的大小通常與土壤的肥力水平呈正相關(guān)[34],本試驗(yàn)結(jié)果表明土壤肥力水平也會(huì)影響不同部位玉米殘?bào)w添加后微生物量氮的動(dòng)態(tài)變化。兩種肥力棕壤均在培養(yǎng)前期微生物氮含量較對照有顯著的增加。秸稈還田后只有當(dāng)?shù)爻渥銜r(shí)微生物才更容易繁殖[35],高肥力棕壤含有更多的微生物可利用氮源,從長遠(yuǎn)來看更有利于微生物的繁殖。本試驗(yàn)中土壤微生物氮含量一般為高肥力水平>低肥力水平,不僅因?yàn)楦叻柿ψ厝赖耐寥牢⑸锪康镜字蹈遊29],而且高肥力棕壤微生物量氮對玉米殘?bào)w加入后的響應(yīng)更明顯。高肥力水平處理表現(xiàn)為前7 d顯著上升并達(dá)到峰值,之后下降并趨于穩(wěn)定,而閆德智等[11]研究發(fā)現(xiàn)烏柵土添加水稻秸稈后微生物量氮在14 d時(shí)才達(dá)到最大值,這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)所用玉米秸稈(C/N 31.85)相對于水稻秸稈(C/N 55.64)較低的碳氮比所導(dǎo)致。在低肥力水平處理中,土壤微生物量氮總體上呈現(xiàn)前28 d下降,28 d后上升的趨勢。這主要是由于低肥力棕壤較高肥力棕壤有機(jī)質(zhì)含量低,微生物本身活性較弱,玉米殘?bào)w施入土壤后激發(fā)效應(yīng)會(huì)更強(qiáng)烈,氮素在培養(yǎng)前期就很快被固持在微生物體,之后隨著微生物的死亡被固定的氮被重新釋放到土壤中。由于前兩次取樣的時(shí)間相隔7 d,不排除在這7 d之間出現(xiàn)峰值的情況,而高低肥力水平處理微生物量氮達(dá)到最大峰值的時(shí)間不一致,可能是由于土壤肥力和秸稈加入引起的土壤微環(huán)境的變化綜合作用的結(jié)果。低肥+根處理在第1天微生物量氮就達(dá)到很高水平,原因比較復(fù)雜,不溶性化合物含量多的作物殘?bào)w更易引起激發(fā)效應(yīng)[31]。在培養(yǎng)的后期,低肥力水平處理穩(wěn)中有升,而高肥力水平處理穩(wěn)中有降,可能受棕壤不同施肥模式的影響,也可能是因?yàn)殡S著培養(yǎng)時(shí)間的延長,秸稈腐解后成分發(fā)生變化,微生物群落也會(huì)發(fā)生更替,微生物量氮可能會(huì)出現(xiàn)周期性的變化[36]。綜合來看玉米殘?bào)w施入土壤后的1個(gè)月是土壤微生物量氮?jiǎng)討B(tài)變化的高峰期。綜上,土壤肥力水平和殘?bào)w部位化學(xué)組分的差異性均會(huì)導(dǎo)致土壤微生物量氮含量對殘?bào)w氮添加后的反饋機(jī)制的差異性。

4 結(jié)論

(1) 外源新氮對土壤氮庫的貢獻(xiàn)受初始土壤肥力水平的顯著影響,低肥力棕壤全氮對外源新氮施入后的響應(yīng)更敏感。外源氮素對土壤氮庫的貢獻(xiàn)與土壤的肥力水平及不同殘?bào)w部位自身的組成特性密切相關(guān)。

(2)高肥力棕壤微生物量氮對作物殘?bào)w輸入后的響應(yīng)更敏感,且相對于低肥力棕壤更能擴(kuò)大微生物氮含量在施入不同部位殘?bào)w后的差異性。玉米莖葉還田更有利于增加土壤微生物量氮含量。

(3)本研究只探討了外源新氮在棕壤全土中的分配與固定,而關(guān)于不同部位玉米殘?bào)w氮在土壤不同團(tuán)聚體組分中的去向與分配機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

[1] 陸景陵. 植物營養(yǎng)學(xué)(第二版). 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2003: 23- 23.

[2] 張文, 周廣威, 閔偉, 馬麗娟, 侯振安. 應(yīng)用15N示蹤法研究咸水滴灌棉田氮肥去向. 土壤學(xué)報(bào), 2015, 52(2): 372- 380.

[3] Dinnes D L, Karlen D L, Jaynes D B, Kaspar T C, Hatfield J L, Colvin T S, Cambardella C A. Nitrogen management strategies to reduce nitrate leaching in tile-drained midwestern soils. Agronomy Journal, 2002, 94(1): 153- 171.

[4] 潘劍玲, 代萬安, 尚占環(huán), 郭瑞英. 秸稈還田對土壤有機(jī)質(zhì)和氮素有效性影響及機(jī)制研究進(jìn)展. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(5): 526- 535.

[5] 李娟, 趙秉強(qiáng), 李秀英, Hwat B S. 長期有機(jī)無機(jī)肥料配施對土壤微生物學(xué)特性及土壤肥力的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 41(1): 144- 152.

[6] 艾娜. 不同處理土壤微生物量對氮素的固持及其調(diào)控研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2008.

[7] Burger M, Jackson L E. Microbial immobilization of ammonium and nitrate in relation to ammonification and nitrification rates in organic and conventional cropping systems. Soil Biology and Biochemistry, 2003, 35(1): 29- 36.

[8] Abiven S, Recous S, Reyes V, Oliver R. Mineralisation of C and N from root, stem and leaf residues in soil and role of their biochemical quality. Biology and Fertility of Soils, 2005, 42(2): 119- 128.

[9] 吳景貴, 陳麗榮, 王明輝, 姜亦梅, 耿玉暉. 玉米植株殘?bào)w腐解過程的化學(xué)分析. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 22(3): 61- 66.

[10] Nicolardot B, Recous S, Mary B. Simulation of C and N mineralisation during crop residue decomposition: A simple dynamic model based on the C: N ratio of the residues. Plant and Soil, 2001, 228(1): 83- 103.

[11] 閆德智, 王德建, 張剛, 查書平.15N標(biāo)記秸稈在太湖地區(qū)水稻土上的氮素礦化特征研究. 土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(1): 77- 85.

[12] 把余玲, 田霄鴻, 萬丹, 李錦, 王淑娟. 玉米植株不同部位還田土壤活性碳、氮的動(dòng)態(tài)變化. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2013, 19(5): 1166- 1173.

[13] 謝檸檜, 安婷婷, 李雙異, 孫良杰, 裴久渤, 丁凡, 徐英德, 付時(shí)豐, 高曉丹, 汪景寬. 外源新碳在不同肥力土壤中的分配與固定. 土壤學(xué)報(bào), 2016, 53(4): 942- 950.

[14] 安婷婷, 汪景寬, 李雙異, 付時(shí)豐, 裴久渤, 李慧. 用13C脈沖標(biāo)記方法研究施肥與地膜覆蓋對玉米光合碳分配的影響. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(5): 948- 955.

[15] An T T, Schaeffer S, Li S Y, Fu S F, Pei J B, Li H, Zhuang J, Radosevich M, Wang J K. Carbon fluxes from plants to soil and dynamics of microbial immobilization under plastic film mulching and fertilizer application using13C pulse-labeling. Soil Biology and Biochemistry, 2015, 80: 63- 61.

[16] Brookes P C, Landman A, Pruden G, Jenkinson D S. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: a rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil. Soil Biology and Biochemistry, 1985, 17(6): 837- 842.

[17] 薛菁芳, 高艷梅, 汪景寬. 長期施肥與地膜覆蓋對土壤微生物量碳氮的影響. 中國土壤與肥料, 2007, (3): 55- 58.

[18] Robinson D.δ15N as an integrator of the nitrogen cycle. Trends in Ecology & Evolution, 2001, 16(3): 152- 162.

[19] 王淑平, 周廣勝, 姜巖, 劉孝義. 添加玉米殘?bào)w對土壤——植物系統(tǒng)中氮素轉(zhuǎn)化的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 15(3): 449- 452.

[20] Chaves B, De Neve S, Boeckx P, Berko C, Van Cleemput O, Hofman G. Manipulating the N release from15N labelled celery residues by using straw and vinasses. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(8): 2244- 2254.

[21] Wang W J, Baldock J A, Dalal R C, Moody P W. Decomposition dynamics of plant materials in relation to nitrogen availability and biochemistry determined by NMR and wet-chemical analysis. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(12): 2045- 2058.

[22] 呂元春, 薛麗佳, 尹云鋒, 高人, 馬紅亮, 楊玉盛. 外源新碳在不同類型土壤團(tuán)聚體中的分配規(guī)律. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(3): 534- 539.

[23] Aita C, Recous S, Angers D A. Short-term kinetics of residual wheat straw C and N under field conditions: characterization by13C15N tracing and soil particle size fractionation. European Journal of Soil Science, 1997, 48(2): 283- 294.

[24] Pei J B, Li H, Li S Y, An T T, Farmer J, Fu S F, Wang J K. Dynamics of maize carbon contribution to soil organic carbon in association with soil type and fertility level. PLoS One, 10(3): e0120825, doi: 10.1371/journal.pone.0120825.

[25] 王佳佳, 奚永蘭, 常志州, 王暝琰, 張榮. 麥秸不同部位生物降解速率差異. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 32(1): 74- 80.

[26] Clemente J S, Simpson M J, Simpson A J, Yanni S F, Whalen J K. Comparison of soil organic matter composition after incubation with maize leaves, roots, and stems. Geoderma, 2013, 192(1): 86- 96.

[27] Chivenge P, Vanlauwe B, Gentile R, Six J. Comparison of organic versus mineral resource effects on short-term aggregate carbon and nitrogen dynamics in a sandy soil versus a fine textured soil. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2011, 140(3/4): 361- 371.

[28] Machinet G E, Bertrand I, Chabbert B, Recous S. Decomposition in soil and chemical changes of maize roots with genetic variations affecting cell wall quality. European Journal of Soil Science, 2009, 60(2): 176- 185.

[29] 李世朋, 蔡祖聰, 楊浩, 汪景寬. 長期定位施肥與地膜覆蓋對土壤肥力和生物學(xué)性質(zhì)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(5): 2489- 2498.

[30] Asmar F, Eiland F, Nielsen N E. Interrelationship between extracellular enzyme activity, ATP content, total counts of bacteria and CO2evolution. Biology and Fertility of Soils, 1992, 14(4): 288- 292.

[31] Fontaine S, Mariotti A, Abbadie L. The priming effect of organic matter: A question of microbial competition? Soil Biology and Biochemistry, 2003, 35(6): 837- 843.

[32] Tu C, Ristaino J, Hu S J. Soil microbial biomass and activity in organic tomato farming systems: Effects of organic inputs and straw mulching. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(2): 247- 255.

[33] 王志明, 朱培立, 黃東邁.14C、15N雙標(biāo)記秸稈對土壤微生物量碳、氮?jiǎng)討B(tài)變化的影響. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 1999, 15(3): 173- 176.

[34] Witter E, M?rtensson A M, Garcia F V. Size of the soil microbial biomass in a long-term field experiment as affected by different N-fertilizers and organic manures. Soil Biology and Biochemistry, 1993, 25(6): 659- 669.

[35] 劉驍蒨, 涂仕華, 孫錫發(fā), 辜運(yùn)富, 張先琴, 張小平. 秸稈還田與施肥對稻田土壤微生物生物量及固氮菌群落結(jié)構(gòu)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(17): 5210- 5218.

[36] 張成娥, 王栓全. 作物秸稈腐解過程中土壤微生物量的研究. 水土保持學(xué)報(bào), 2000, 14(3): 96- 99.

Effectofmaize-derivednitrogensupplementationonthetotalandmicrobialbiomassnitrogenofbrownearthswithdifferentfertilitylevels

XU Yingde, DING Xueli, LI Shuangyi, SUN Liangjie, GAO Xiaodan, XIE Ninghui, JIN Xinxin, BAI Shubin, SUN Haiyan, WANG Jingkuan*

NationalEngineeringLaboratoryforEfficientUtilizationofSoilandFertilizerResources,LaboratoryofArableLandConservation(NortheastChina),MinistryofAgriculture,CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China

In order to investigate the effect of adding plant residues on total and microbial biomass nitrogen, an incubation experiment was carried out by adding15N-labeled maize (ZeamaysL.) leaves, stems, or roots to brown earths with different fertility levels. The soil samples were collected from a long-term fertilization experiment site (27 years) that had both low fertility (LF) and high fertility soil (HF). The15N stable isotope labeling technique has been used to monitor the accumulation dynamics of maize-derived N in different fertility soils. Our results showed that (1) the addition of roots, leaves, and stems increased the total N content of LF soils by 5.75, 4.77, and 3.75%, respectively, when compared to that of corresponding HF soils. Moreover, the proportion of the total N derived from maize was significantly higher in the LF soils supplemented with roots (3.54%), stems (3.28%), and leaves (2.49%) than in the HF soils. These results suggested that low fertility soil was more sensitive to organic input and had a greater ability to sequester extraneous N. (2) During the 56-day incubation period, the microbial biomass N of the LF soils increased by 0.83—0.98, and that of the HF soils increased by 0.87—1.56 times, which indicated that the addition of maize residues stimulated microbial biomass, especially in HF soils. In addition, there was no significant difference in the microbial biomass of the LF soils supplemented with different maize parts. However, in the HF soils, the addition of stems and leaves had a more pronounced effect on microbial biomass compared than the addition of roots. We conclude that the contribution of exogenous organic N to the total pool of soil N is dependent on both the initial soil fertility and the biochemical composition of the plant residues.

soil fertility; maize residue;δ15N value; soil total nitrogen; microbial biomass nitrogen

國家自然基金項(xiàng)目(31330011,41671293)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200304)

2016- 08- 03; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 06- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: j-kwang@163.com

10.5846/stxb201608031602

徐英德,丁雪麗,李雙異,孫良杰,高曉丹,謝檸檜,金鑫鑫,白樹彬,孫海巖,汪景寬.不同肥力棕壤全氮和微生物量氮對外源玉米殘?bào)w氮的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(20):6818- 6826.

Xu Y D, Ding X L, Li S Y, Sun L J, Gao X D, Xie N H, Jin X X, Bai S B, Sun H Y, Wang J K.Effect of maize-derived nitrogen supplementation on the total and microbial biomass nitrogen of brown earths with different fertility levels.Acta Ecologica Sinica,2017,37(20):6818- 6826.