摘 要： 为探究氮源和施氮量对土壤理化性质的影响,2006—2016年,在美国堪萨斯州进行了10 a的试验研究。每年在春季耕种前采集土壤样本,样本采集深度为0～15 cm。结果表明:耕种期间的土壤酸碱度、土壤全氮量、土壤磷、钾量均受氮源、施氮量和采样时间的影响,施有机氮肥地块比施无机氮肥地块的土壤全氮量均高19%。免耕地块15 cm以上土层的土壤全氮量比传统耕作地块均高9%。2016年测得的土壤磷含量比2006年增加约401%。同样,与施无机氮肥相比,大量施用有机氮肥的地块土壤磷和钾含量分别增加约331%和43%,少量施用有机氮肥的地块土壤磷和钾含量分别增加约66%和20%。观测到的土壤磷、钾含量的变化主要与有机氮肥的添加有关。氮肥施用量可影响土壤电导率与土壤硝酸盐之间的关系,尤其是施无机氮肥地块的土壤电导率的变化程度是施有机氮肥地块的2.8倍。
关键词： 氮源; 施氮量; 养分管理; 土壤性质; 耕作;
20世纪30年代，实验区发生过重大沙尘暴，导致该地区耕种方式发生变化。在连续耕作和风蚀天气影响下，该地区农田失去表土层和生产力。因此，一些被侵蚀的农田，正逐步实施如免耕和添加肥料改良剂等可提高土壤生产力和可持续性的管理措施。对该地区土地来说，免耕要比传统耕作更适合，免耕可以提高土壤保水性，改善土壤物理性质，增加土壤有机质(SOC)量和土壤有效养分，维持土壤微生物活性和功能以及降低土壤可蚀性。
本研究的目的是:1)在两种施肥量[6 7kg/(hm2·a)和134 kg/(hm2·a)]及10 a研究期基础上，确定氮源(有机氮肥和无机氮肥)、免耕(NT)和传统耕作(CT)对土壤化学性质的影响;2)依据研究期间每年的土壤养分动态时间变化分析量化每年的氮肥施用量。
1 、材料和方法
1.1、 实验设计
本项研究在美国中部堪萨斯州哈斯附近的堪萨斯州立大学农业研究中心进行。实验区海拔约606m，位于西经99°19'，北纬38°52'，坡度为1%～3%，该地区年均降水量约为560 mm。实验区总面积约为0.85 hm2。平均分为4个区块，每个区块长13.7m，宽64 m，各个区块间用9.7 m的区域隔开。每个区块又分为10个长13.7 m，宽6.4 m的地块。
实验处理措施包括两种耕作方式，为免耕(NT)和传统耕作(CT);两种氮源分别为由尿素组成的无机氮肥(F)和由牛粪组成的有机氮肥(M);两种施肥量分别为67 kg/(hm2·a)的低氮量(FL和ML)和134 kg/(hm2·a)的高氮量(FH和MH)。每种耕作方式均包括不添加氮肥的对照地块。每年春季耕作前施有机氮肥，耕深为15～16 cm。作物种植前，需先将土壤表层处理平整。在NT种植模式中，为减少土壤扰动，施肥方式采用撒播形式。研究期间，有机氮肥中含有磷元素，施用时会增加土壤全磷量，但无机氮肥中不含有任何磷元素，施用时不会增加土壤全磷量。
1.2、 土壤样本的采集与分析
每年的3月份，在每个地块0～15 cm土层随机采集3个样本。复合样本用于土壤养分分析，单独样本用于评估土壤密度。样本采集工具为直径为2.5 cm的土钻。考虑到实验区土壤的钙化性质和酸碱度(7.8～8.1)，使用奥尔森碳酸氢钠提取法测定土壤磷浓度。
1.3 、统计分析
将耕作处理的整块样地，随机分为4个重复地块，并使用PROC MIXED of SAS ver.9.2分析法进行方差分析(ANOVA)。每个地块分别随机采取5种氮处理措施。所有结果在p<0.05时为显着。对土壤硝态氮和土壤电导率进行线性回归和其他相关性分析。
2、 结果与讨论
氮肥、耕作制度、时间和氮源均对0～15 cm土层的土壤参数有显着性影响。耕作制度对土壤全氮量和全磷量影响显着。耕作制度对土壤密度的影响不明显。在不同的时间和耕作制度下，有机氮肥和无机氮肥的施用对所有测得的土壤性质都有显着影响。在不同的时间和氮肥条件下，除土壤酸碱度外的其他土壤特性均有显着变化。耕作制度对土壤全氮(p=0.0336)和全磷(p=0.0218)有显着影响，对土壤密度、酸碱度、钾影响不明显。
2.1、 土壤pH值
在耕作制度和氮肥影响下，2008—2010年土壤pH比2006年下降了0.06。2011年土壤p H比2006年下降了0.1。氮肥对土壤酸碱度的影响程度比耕作制度要大。施肥地块与未施肥对照地块比较得知，实验开展的前5 a，在氮肥中酸化阳离子作用下，土壤酸碱度下降幅度较大。然而，2016年较比2006年，土壤pH却上升了0.16。土壤酸碱度的增加很可能是2015年降雨量较低导致的土壤有机质矿化率低造成的。土壤酸碱度随着施氮量的增加而降低，土壤酸碱度的下降与有机氮肥的酸化反应和无机氮肥的硝化反应有关。耕作制度引起的土壤酸碱度降低幅度很小，可忽略。钙质土壤中，土壤上层覆盖碳酸盐，土壤酸碱度降低可改善土壤养分动态和作物吸收养分的有效性。研究表明，高施氮量可降低土壤酸碱度。
2.2、 土壤密度
0～15 cm土层土壤的土壤密度不受时间和耕作方式影响，但氮肥施用对其有显着影响(p=0.005 4)。时间和氮肥的联合作用对土壤密度影响显着(p=0.006 3)。研究发现，在免耕或少耕条件下，土壤密度变化缓慢。实验开展5 a或10 a测得的数据中，施有机氮肥的地块土壤密度降低程度要比施无机氮肥地块高。研究中测得的土壤密度降低可能与多年施氮肥有关，氮肥改变了土壤团聚体的稳定性和土壤孔隙度以及增加了土壤有机质含量，进而改变土壤质量从而影响土壤密度。
2.3 、土壤全氮量
有机氮肥施用量高的地块0～15 cm土层土壤全氮量比施无机氮肥地块和对照地块均高19%，比有机氮肥施用量低的地块均高9%。多年施用氮肥条件下，土壤全氮量显着增加。施无机氮肥地块与未施肥地块的土壤全氮量随时间变化不大。不同耕作制度下，施用无机氮肥地块的土壤全氮量与未施肥地块无差别。这表明有机氮肥可增加土壤有机质含量，进而提高土壤全氮量。一般来说，施无机氮肥地块增加的土壤有机质来自作物地上残留物和植物根，同时有机氮肥的添加会产生额外的有机质。时间、氮源和耕种制度相结合对土壤总氮量有显着影响(p=0.040 7)，其中NT地块的土壤全氮量增加幅度比CT地块高8%。由于NT地块的土壤扰动性小以及有机氮肥和作物残茬少，导致该地块有机质分解率低。NT具有保护土壤表层免受风蚀和水蚀以及增强土壤结构的特性，可降低土壤有机质和团聚体等有机物分解速率。
2.4 、土壤磷
施氮量、时间和施氮量相结合以及耕作制度对0～15 cm土层土壤磷含量都有显着影响。时间对施有机氮肥地块土壤磷含量影响比施无机氮肥地块和对照地块更显着。时间对施无机氮肥地块和对照地块的土壤磷含量的影响无差异。因为施无机氮肥地块和对照地块都没有新增的磷元素。在氮肥处理和耕作过程中，2016年土壤磷含量比2006年增加了约401%，比2011年增加了约119%。有机氮肥高施用量地块增加的土壤磷含量比施无机氮肥和对照地块高出约331%，比有机氮肥低施用量地块高出约66%。有机氮肥低施用量地块增加的土壤磷量比施无机氮肥和对照地块高约159%。随着有机氮肥施用量的增加，土壤磷含量也增加。磷元素在土壤表层积累，应预防地表径流引起的磷流失。本研究中，为满足作物生长需求施有机氮肥，导致土壤可提取磷含量增加。为防止土壤磷积累和避免磷流失，可适量降低有机氮肥施用的频率和用量。
2.5、 土壤速效钾
时间因素对于土壤速效钾量影响显着。2016年测得的土壤速效钾量比2006年高约59%，比2008年和2011年高约48%。施有机氮肥地块的土壤速效钾量随时间变化幅度比施无机氮肥和对照地块大。施有机氮肥的地块，在时间和氮肥的双重作用下对土壤速效钾的影响十分显着。无机氮肥中不含钾元素，因此2006—2016年间，施无机氮肥和对照地块的土壤速效钾量无差异。研究中，2016年施无机氮肥和对照地块的土壤速效钾量的增加与超过作物需求的钾元素的常年累积有关。有机氮肥高施肥量地块增加的土壤速效钾量比施无机氮肥和对照地块高约43%，比有机氮肥低施用量地块高约19%。有机氮肥低施用量地块增加的土壤速效钾量比施无机氮肥和对照地块高约20%。研究表明，有机氮肥施肥量与土壤速效钾量呈正相关。
2.6 、土壤电导率(EC)和硝态氮的关系
根据2006年、2008年和2009年的数据，分析土壤电导率和土壤硝态氮的关系，土壤电导率和土壤硝态氮存在显着的正相关关系。这种关系很大程度上受所施氮肥的影响。土壤电导率和土壤硝态氮的正相关与土壤溶液中硝态氮含量高于其他负离子有关，由于硝态氮为负电荷，很难被土壤基质吸收，故硝态氮浓度是影响土壤溶液分解的主要原因。因无机氮肥内仅含氮素，而有机氮肥内还有影响土壤电导率的钙、镁和氯等元素，故施无机氮肥地块的土壤硝态氮对土壤电导率影响比施有机氮肥地块大。随着无机氮肥和有机氮肥施入引起土壤氮量增加，土壤电导率也增加。为了解肥料的相关元素对土壤有机碳的影响，需进一步研究有机碳和硝态氮之间的关系。
3、 结论
除了土壤密度，其它大部分参数都随时间有显着变化。研究期间，与施无机氮肥和对照地块相比，施有机氮肥可极大地提高土壤养分状态以及降低土壤密度。增加施肥量可降低土壤酸碱度。基于作物对氮元素的需求，无论有机氮肥施用量高低，土壤磷含量均增加。土壤电导率与土壤硝态氮呈正相关。因有机氮肥中除硝态氮外的其他元素对土壤电导率有一定影响，故上述关系在施无机氮肥地块要比施有机氮肥地块更显着。研究表明，施有机氮肥地块的土壤电导率变化与肥料中多种元素有关。与无机氮肥相比，有机氮肥对于土壤养分动态的影响更显着。为预防土壤磷的过量积累，需控制有机氮肥的用量和频率，尤其是在满足作物生长所需添加有机氮肥时。建议减少有机氮肥施用频率及用量，以预防土壤氮、磷和钾元素过量，同时降低土壤养分流失及淋溶的风险。
参考文献
[1] Mikha M M,Obour A K,Kumar V,etal.. Soil physicochemical properties influenced by nitrogen sources and rates in the central Great Plains K[J],Journal of Soil and Water Conservation[J]. 2019,74,(6):
[2] 丁宏宇，刘宝勇，连明慧．露天矿废弃地不同植被修复下土壤肥力的差异性研究[J]．水土保持应用技术，2020(1):5-6.
