全 文 ：收稿日期：!""#$"%$!& 接受日期：!""&$"’$"(
基金项目：国家自然科学基金项目（(")"’"**，("#%’’’!）；国家“十一五”科技支撑计划（!""%+,-#%+’"）资助。
作者简介：曹良元（’&#*—），男，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事农业微生物及土壤氮素转化研究。./0123：415321678916:’!;< 450
! 通讯作者 ./0123：=2167>216=96: ?@9A BC9A 46
长期垄作免耕对不同大小土壤团聚体中
几种氮素形态分布的影响
曹良元，张 磊，蒋先军!，苏海锋，石 杰，李 楠
（西南大学资源环境学院，重庆 (""%’)）
摘要：在国家紫色土肥力定位监测点，研究了长期（’#年）垄作免耕和常规轮作两种耕作方式下，不同大小土壤团
聚体中几种形态氮素含量及脲酶活性分布模式。结果表明，两种轮作方式下全氮、微生物生物量氮、DE$* /D含量及 脲酶活性在水稳性土壤团聚体中具有相似的分布模式。全氮和微生物生物量氮含量主要分布在 F ") 00粒级<br的大团聚体中，其次是 ")—"<")* 00粒级的微团聚体中，粉砂与粘粒组分（ G "<")* 00）中分布最少；!<"—"<!)<br00粒级团聚体中脲酶活性最高，")—"<")* 00的微团聚体中脲酶活性最低；DHI( /D和 DE$* D在 F !<" 00粒级<br团聚体中的含量均比其他粒级高。垄作免耕下各级团聚体中全氮、微生物生物量氮、DE$* /D含量及脲酶活性均高
于常规轮作，其中 !<"—"!;<%J。表明垄作免耕下各团聚体中全氮、微生物生物量氮及脲酶活性显著高于常规轮作，但氮素含量及脲酶活性
在不同粒径大小的土壤水稳性团聚体中的分布模式决定于土壤结构体本身，耕作方式的影响不显著。
关键词：团聚体；免耕；脲酶活性；氮素形态；转化
中图分类号：K*()；K’)!<*<; I ’ 文献标识码：, 文章编号：’""#$)")L（!""&）"($"#!($"% !""#$%& ’" (’)*+%#,- ,./*# %.((0*# ’) /.&%,.12%.’)& ’" /.""#,#)% ).%,’*#) "’,-&
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!"# $%&’(：%((/,(%+,#；&!0+’11%(,；2/,%#, %*+’3’+4；&’+/!(,& )!/-#；+/%&#)!/- 土壤团聚体是土壤结构的基本单位，其特性、形 状和大小各异，并且具有高度复杂的空间分布与组 成，是形成土壤良好结构的物质基础，能够综合地反 映土壤整体的肥力状况［567］。已有研究发现，不同 粒径土壤团聚体中有机碳、细菌及真菌等因子分布 有明显差异，不同团聚体在土壤营养元素的保持、供 应及转化能力等方面发挥着不同的作用［869］。 土壤氮循环是氮素生物地球化学循环中的重要 环节［:］。它是一个集生物、物理和化学过程于一体 的复杂过程，对其研究有助于提高农业氮肥利用率、 防止或减轻环境污染。有机氮占土壤全氮的绝大部 分，需通过矿化作用转化成能被植物利用的有效氮， 而硝化作用消耗了铵态氮，减少了氨的挥发损失，但 形成的硝态氮极易遭淋失而污染水体；另一方面， 反硝化作用可使得铵态氮和硝态氮转化为 ;<、 ;7<、;7等气态形式的氮而损失，并对全球环境变化 产生影响。同时，土壤脲酶可使尿素等氮肥水解而 参与土壤氮素循环［=6>］。不同形态氮的存在和分布 正是这些过程的具体体现。各形态氮具有不同的化 学组成和化学性质，从而决定了各形态氮的转化特 征，生物有效性以及在土壤中移动性等方面的差 异［5?655］。了解不同形态氮在土壤不同粒级团聚体 中的分布和化学形态特征以及它们之间的相互作 用，可为揭示土壤自然肥力本质、阐明土壤养分循 环、转化提供必要的理论基础。目前国内外对不同 团聚体中氮研究的报道较少，涉及到的只是单一形 式氮在不同粒级团聚体中的分布［57］。 为此，对国家紫色土肥力定位监测点长期（5@ 年）垄作免耕和常规轮作条件下各氮素组分及脲酶 活性在不同大小土壤团聚体中的分布特点进行了研 究，以期深入揭示土壤团聚体与土壤氮素转化的关 系。 ) 材料与方法 )*) 试验设计 土壤样品来自于 5>>? 年建立的重庆市西南大 学国家紫色土肥力定位监测点。土壤为中生代侏罗 系沙溪庙组灰棕紫色沙泥岩母质上发育的中性紫色 水稻土，试验地在试验前一直采用一季中稻 A冬季 休闲的耕作方式。本试验供试土壤来自 7个处理： 5）常规轮作（B!&3,&+’!&%1 +’11%(,，BC），中稻—油菜， 按传统方法水稻平作，水稻收获后，放干田内的水翻 耕种油菜，油菜收获后灌水犁耙种水稻；7）垄作免 耕（D’"(, +’11%(,，DC），中稻—油菜，自 5>>?年作垄后 全年不翻不耕。作垄方法为：拉线起垄，将垄沟的 土壤抱在垄埂上，垄面不宜用手抹平，尽量保持土壤 结构，一垄一沟 99 *-，垄顶宽 79 *-，沟宽 8? *-，沟 深 89 *-，水稻植在垄埂的两侧，每垄栽两行，每小区 作 9垄，水稻收获后种油菜，油菜生长期间，降低垄 沟水位，保持浸润，第 7年油菜收获后灌水种水稻。 每个处理小区面积为 7? -7，E 次重复，随机区组排 列。每小区种水稻 :?? 穴。各处理的施肥量均为： 尿素 7=8F5 G( H$-7，过磷酸钙 9??F8 G( H $-7，氯化钾 59?F5 G( H$-7；油菜和水稻都是过磷酸钙作底肥一
次施用，尿素底肥施 7 H 8，追肥施 5 H 8，氯化钾底肥和
追肥各施 5 H 7。
)*+ 样品采集制备
分析样品于 7??=年 5?月采集，每个小区按“I”
形选取 E或 9个点［58］，采集（?—7? *-）表层土壤，尽
量避免挤压，以保持原状土壤结构，采回样品保存于
EJ的冰箱中。
将采回的湿土在室内沿自然结构将土块小心掰
成直径约 5 *-的小土块，除去植物残体，小石块以
及蚯蚓等动物。接着以湿筛法［5E］和离心法［59］对土
样进行处理：将分成小块的土样置于 7F? --分样
筛中，去离子水浸泡 9 -’&，然后小心地上下移动浸
在水中的筛子，移动幅度 8 *-，移动速度约每分钟
79次，保持 7 -’&，通过 7F? --筛的水土的混合物再
以同样操作依次通过 ?F79、?F?98 --的分样筛，将
保留在筛中的土收集起来，即为相应粒径土样。孔
径 K ?F?98 --的土样采用离心法（8??? / H -’&，离心
9 -’&）获得。最后得到粒径 L 7F? --、7F?!?F79
--、?F79!?F?98 --、K ?F?98 -- E种土样，各土样
充分混匀，样品风干后，采用四分法分取制样。
)*, 测定项目与方法
微生物生物量氮的测定方法：采用氯仿熏蒸浸
提—纳式比色法测定［58，5:］。称取 8 份每份相当于
79 (烘干土壤质量的新鲜湿润土壤置于培养皿中，
放入真空干燥器中，并放置盛有去乙醇氯仿的烧杯
7个，抽真空至氯仿沸腾后保持 5? -’&，关闭干燥器
阀门，将干燥器放在 79J的暗处 7E $，取出土样，放 在通风处 7—8小时使氯仿散尽。熏蒸的同时，另取 97@E期 曹良元，等：长期垄作免耕对不同大小土壤团聚体中几种氮素形态分布的影响 等量的土壤 !份，置于另一干燥器中但不熏蒸，作为 对照土壤。将土壤完全转移到 "##$%三角瓶中，以
& ’"土水比加入 #() $*+ , % -"./0溶液 )#$%，充分振
荡 !# $12后过滤，迅速测定滤液中含氮量。取滤液 &#$%于 )# $%容量瓶中，加少许去离子水，再加 &$%酒石酸钠，加水至一半，再加纳氏试剂 & $%，定 容，放置 &#$12，用分光光度计（03# 2$）比色测定。 微生物生物量氮 4（氯仿熏蒸土样氮 5未熏蒸 土样氮）, # (") 其他指标测定方法：全氮用半微量开氏蒸馏 法；铵态氮用靛酚蓝比色法［&!］；硝态氮用紫外分光 光度计法［&6］；脲酶活性用氨释放量比色法［&7］。 试验数据用 .8..&!(# 软件进行方差分析及其 显著性检验；9:;<+进行统计、分析作图。 ! 结果分析 !"# 不同团聚体土壤中全氮的分布 各粒级团聚体中全氮在两种耕作方式下具有相 同的分布模式，均呈现单峰分布（图 &）。"(#—#(")$$粒级团聚体中全氮含量最高，以下从高到低依 次分别为：= "(#$$、#(")—#(#)!$$、> #(#)!$$粒级。显著性分析显示，垄作免耕下，"(#—#(")$$粒级团聚体中全氮含量显著高于 = "(#$$粒级， #(")—#(#)!$$粒级团聚体中全氮含量与 = "(#$$粒级无显著差异，但显著高于 > #(#)!$$粒级 团聚体中全氮含量。常规轮作下，"(#—#(")$$粒 级团聚体中全氮含量显著高于 #(")—#(#)!$$和 > #(#)!$$粒级，但与 = "(#$$粒级无显著差异； 粒级 = "(#$$、#(")—#(#)!$$、> #(#)!$$中全氮 含量差异都不显著。与垄作免耕相比，常规轮作下 各团聚体之间全氮含量趋向均匀。另外，两种耕作 方式下，除 > #(#)!$$粒级外，垄作免耕下其他粒 级团聚体中全氮含量显著高于常规轮作。 !"! 不同团聚体土壤中矿质氮的分布 图 "表明，常规轮作下，团聚体中 ?@A0 B?量从 大到小依次为： = "(#$$、> #(#)!$$、"(#—#(")$$、#(")—#(#)!$$粒级，其含量分布图形呈 C字 形；垄作免耕下各团聚体中 ?@A0 B?量分布呈波浪 形，从大到小粒级依次为： = "(#$$、#(")— #(#)!$$、> #(#)!$$、"(#—#(")$$。显著性分析 看出，常规轮作下，= "(#$$粒级团聚体中 ?@A0 B? 含量显著高于其他各粒级，"(#—#(")$$粒级中 ?@A0 B?含量显著高于 #(")—#(#)!$$粒级。垄作 免耕下，团聚体 = "(#$$粒级 ?@A0 B?含量显著高 于 > #(#)!$$粒级，但与 #(")—#(#)!$$粒级间差 异不显著；#(")—#(#)!$$粒级 ?@A0 B? 含量显著 高于 "(#—#(")$$，但与 > #(#)!$$粒级差异不显 著，同时后二者间差异也不显著。两种耕作方式中， 常规轮作下团聚体 = "(#$$、"(#—#(")$$、> #(#)!$$粒级中 ?@A0 B?含量高于垄作免耕，#(")— #(#)!$$粒级小于垄作免耕。 图 # 不同耕作方式下土壤团聚体中全氮的分布$%&’# ()*+, - .%/*0%12*%)3 4+**503/ )6 /)%, 7+*50 /*+1,5
+&&05&+*5/ 23.50 .%665053* *%,,+&5 85*9)./
［注（?*D<）：不同字母表示最小显著极差达到 3)E的差异显著，下同。
F1GG图 ! 不同耕作方式下土壤团聚体中 -:;< =-的分布
$%&’! -:;< =- .%/*0%12*%)3 4+**503/ )6 /)%, 7+*50 /*+1,5 +&&05&+*5/ 23.50 .%665053* *%,,+&5 85*9)./ ?/5! B? 的变化范围为 S(03—""(66$L , TL（图
!）。0种不同团聚体中 ?/5! B?含量以 = "(# $$粒 级最高，"(#—#(")$$ 粒级最低；而 #(")—#(#)!
$$粒级中常规轮作低于 > #(#)!$$ 粒级，垄作免
耕高于 > #(#)! $$粒级。显著性分析显示，常规轮 作下，= "(#$$ 粒级 ?/5! B?含量显著高于其他粒
级；#(")—#(#)! $$粒级含量显著小于 > #(#)!$$
粒级，与 "(#!#(") $$粒级间差异不显著。垄作免 耕下，不同粒级团聚体中 = "(#$$ 粒级 ?/5! B?含
S"7 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 &)卷
量也显著高于其他粒级；!"#$—!"!$% && 与 ’
!"!$% &&粒级含量差异不显著，但显著高于 #"!— !"#$ &&。同时垄作免耕下各团聚体中 ()*% +( 含
量，除 ’ !"!$% &&粒级外，其他粒级均显著高于常 规轮作。 图 ! 不同耕作方式下土壤团聚体中 "#$! %"的分布
&’()! "#$! %" *’+,-’./,’01 23,,4-1 05 +0’6 73,4- +,3.64 3((-4(3,4+ /1*4- *’554-41, ,’663(4 84,90*+ :;! 不同团聚体土壤中微生物生物量氮的分布 垄作免耕和常规轮作下，微生物生物量氮在土 壤水稳性团聚体中的分布具有相同的模式，均在 #"!—!"#$ &&粒级土壤团聚体中含量最高，’ !"!$% &&粒级土壤粉砂与粘粒组分中含量最低，二者差 异显著；!"#$—!"!$% &&粒级团聚体中微生物生物 量氮与 , #"! &&和 ’ !"!$% &&粒级中微生物生物
量氮均无显著差异（图 -）。两种耕作方式下，垄作
免耕土壤团聚体中微生物生物量氮介于 $#".!%%"# &/ 0 1/之间，常规轮作土壤团聚体中微生物生物量 氮介于 #!"#!2"- &/ 0 1/ 之间，垄作免耕下各级土 壤团聚体中微生物生物量氮显著高于常规轮作。 :;< 不同团聚体土壤中脲酶活性的分布 脲酶存在于微生物和高等植物中，是一种酰胺 酶，能促进有机物分子中肽键水解，对尿素在土壤中 水解及作物对尿素氮的利用有重大影响；脲酶还能 够催化羟基脲、二羟基脲、半卡巴脲等化合物的水 解［34］。图$表明，脲酶活性在两种耕作方式下水稳
定性团聚体土壤中的分布具有较好的一致性，其大
小随团聚体粒径的减小呈现波浪式变化，先增大，后
减小再增大。#"!—!"#$&&粒级团聚体土壤中脲 酶活性最强，其次是 ’ !"!$% &&粒级，然后是 , #"!
&&粒级，!"#$—!"!$% &&粒级团聚体中脲酶活性
最小。方差分析显示，常规轮作下团聚体 #"!—!"#$&&与 ’ !"!$% &&粒级中脲酶活性差异不显著，但
均显著高于 , #"! &&和 !"#$—!"!$% &&粒级团聚
体中；, #"! &&与 !"#$—!"!$% &&粒级团聚体中
脲酶活性差异不显著。垄作免耕下，团聚体 #"!—
!"#$&&、’ !"!$% &&、, #"! &&粒级中脲酶活性差
异都不显著，但都显著的高于 !"#$—!"!$% && 粒
级。同时垄作免耕下各级团聚体中土壤脲酶活性高
于常规轮作，且差异都显著。
图 < 不同耕作方式下土壤团聚体中微生物生物量氮的分布
&’()< =’+,-’./,’01+ 05 8’>-0.’36 .’083++ 1’,-0(41 ’1 +0’6
3((-4(3,4+ /1*4- *’554-41, ,’663(4 84,90*+
图 ? 不同耕作方式下土壤团聚体中脲酶活性的分布
&’()? @-43+4 3>,’A’,B *’+,-’./,’01 23,,4-1+ 05 +0’6 73,4- +,3.64
3((-4(3,4+ /1*4- *’554-41, ,’663(4 84,90*+
! 讨论
!;C 几种形态氮素在土壤团聚体中分布模式
土壤颗粒的空间几何分布决定了孔隙的分布模
式以及孔隙内水分和空气分布，从而决定了生物的
生存空间，产生了不同形状、大小的土壤团聚体［#!］。
本研究结果表明，各级土壤团聚体中的几种形态氮
素含量及脲酶分布不同。全氮与微生物生物量氮在
土壤团聚体中的高低分布模式相似，主要分布在大
团聚体（ , !"#$&&）中，其次是 !"#$—!"!$% &&粒 级的微团聚体中，粉砂与粘粒组分（ ’ !"!$% &&）中
2#.-期 曹良元，等：长期垄作免耕对不同大小土壤团聚体中几种氮素形态分布的影响
含量最低。这与 !"#"［$%］等及郭菊花［$$］等研究结果 一致，即认为水稳性大团聚体是由小团聚体通过与 有机质相互作用而形成的。所以土壤中有机质量随 团聚体粒径的增加而增加，团聚体中氮也随粒级的 增大而增大；同时一些植物残体的半分解产物粒径 与$&’—’&$( ))粒径相当，可能造成这一粒级全氮 含量的增高。*+,-等［$.］和 /0#,1,203等［$4］认为，微 生物生物量氮是有机质中最活跃的成分，与有机碳 等密切相关。由于大团聚体含有更多的有机碳和易 分解的有机物质，所以大团聚体中微生物生物量氮 往往要高于小团聚体。 本研究结果中大团聚体（ 5 ’&$( ))）的脲酶活
性高于微团聚体（’&$(—’&’(. ))），粉砂与粘粒组 分中脲酶活性比$&’—’&$( ))粒级低，但比微团聚 体高。这可能是由于大团聚体结构疏松、孔隙度大， 通气良好，有利于微生物生长，微生物活性较高［$(］；
同时粉砂与粘粒组分中土壤颗粒较小，与外界接触
面大，也具备较好的通气条件。6/74 86 与 69:. 86
两者之间在不同粒级团聚体中分布具有一定的相关
性，但不同耕作方式下相关性并不一致。在垄作免
耕下显著相关（;$< ’&=($，, < 4），常规轮作下相关
性较小（;$< ’&>..，, < 4）。造成氮素在不同粒级团 聚体中分布的不一致原因，可能与团聚体中的硝化 作用及反硝化作用强度、土壤吸附能力的强弱、氮素 矿化作用的速率及植物吸收氮素的多少等原因有 关。如较好的通气条件有利于硝化作用发生，产生 69:. 86，可能由此使得 5$&’ )) 粒级中 69:. 86 含
量较高；粘粒受外界干扰较大，矿化作用较强，也许
是造成 6/74 86在 ? ’&’(. ))粒级含量较高的又一
原因。土壤颗粒表面带有负电荷，吸附 6/74 86，对
69:. 86有排斥作用，而不同团聚体的表面积及所带
电荷数并不一样，可能也会使得 6/74 86 与 69:. 86
相关性的不一致［$>:$=］。
!"# 垄作免耕对土壤不同大小团聚体中各形态氮
素分布的影响
垄作免耕有利于大团聚体的形成且土壤团聚体
稳定性高于常规轮作［.’］。这主要是由于耕作强度
增加可促进土壤有机质周转，减少土壤团聚作用的
发生［.%］；耕作方式会造成土壤性质的差异，而土壤
性质的差异又引起了土壤结构性的变化［$4］，而免耕 可促进土壤表层的生物活性，有助于在大团聚体内 部结合形成微粒有机质，增加其结构稳定性［(］。 本试验结果表明，垄作免耕和常规轮作两种耕 作方式下全氮、微生物生物量氮、69:. 86 含量及脲 酶活性在水稳性土壤团聚体中具有相似的分布模 式。垄作免耕下各团聚体中全氮、微生物生物量氮、 69:. 86含量及脲酶活性高于常规轮作；同时垄作免 耕下不同团聚体中的全氮含量差异较大，而常规轮 作下各团聚体中含量趋向一致，相差较小，这表明耕 作方式对全氮、微生物生物量氮、69:. 86 含量及脲 酶活性在团聚体中的分布影响不大。垄作免耕可提 高土壤团聚体中全氮、微生物生物量氮、69:. 86 含 量及脲酶活性。由于 6/74 86和 69:. 86分别是硝化 作用的初始反应物和产物，而垄作免耕下各团聚体 中 6/74 86含量除 ’&$(—’&’(. ))粒级外都小于常
规轮作，69:. 86含量都高于常规轮作，这一定程度
上反映了垄作免耕土壤中硝化作用较强，与田慧［.$］ 对免耕水稻土硝化强度的研究结果一致。常规轮作 经常扰动表层土壤团聚体的形成过程，其中有机质 矿化加剧，使得各团聚体中全氮趋于一致，这解释了 垄作免耕下不同团聚体土壤间全氮含量差异比常规 轮作大，与 ;+@2"等［..］和 A@@B+CC等［.4］的观点一致。 综上所述，垄作免耕可提高团聚体中全氮含量 及脲酶活性，保护土壤团聚体中全氮免遭矿化，有利 于微生物的硝化作用，增强团聚体的稳定性，改善土 壤结构。这主要是由于垄作免耕改善了土壤通气 性，使土壤物理、化学性状有明显的改善，提高了稻 田对水、热、光、肥、生物等自然资源的利用率［.(:.>］。 参 考 文 献： ［%］ DBE2"@@ F G，9"20E F GH 9#-",BI )"CC0# ",2 J"C0#8EC"K@0 "--#0-"C0E ［F］H F H !+B@ !IB H，@=L$，..：%4%:%>.&
［$］ M0B N O，P"+ G，QB0 R D !" #$ H !+B@ "--#0-"C0 ",2 BCE #0ES+,E0 C+
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