全 文 ：　 　 倡 中国科学院知识创新工程项目（KZCX３唱SW唱４２６） 、国家重点基础研究发展规划项目（２００２CB４１２５０３）和中国科学院知识创新工程领域
前沿项目 （０２２００２２００２０２２３）资助
　 　 倡倡 通讯作者
收稿日期 ：２００５唱０６唱２６ 　 改回日期 ：２００５唱１０唱１７
洞庭湖区不同土地利用方式耕作土壤氮素含量与循环 倡
黄伟生１ ，２ 　彭佩钦１ 倡倡 黄道友１ 　苏以荣１ 　朱奇宏３
（１畅 中国科学院亚热带农业生态研究所 　 长沙 　 ４１０１２５ ；２畅惠州大亚湾经济技术开发区环境
监测站 　 惠州 　 ５１６０８１ ；３畅华中农业大学资源环境学院 　 武汉 　 ４３００７０）
摘 　 要 　 通过对洞庭湖典型地区的密集采样分析和农户调查 ，研究了 ４ 种利用方式耕作土壤全 N 、微生物生物量
氮（MB唱N）含量 、两者关系和 N 素循环特征 。 结果表明 ：耕作土壤全 N 、MB唱N 含量平均值为 ３畅００ ± ０畅４８g／ kg 和
１０１畅４ ± ４９畅２mg／ kg 。双季稻 、一季稻 、水田旱作和旱地全 N 平均含量依次为 ３畅１２ ± ０畅４０g／ kg 、３畅０３ ± ０畅３９g／ kg 、２畅７９ ±
０畅４３g／ kg 、２畅１０ ± ０畅４６g／ kg 。 ４ 种利用方式的 MB唱N含量分别为 １２４畅０ ± ５６畅６mg／ kg 、９６畅４ ± ３９畅２mg／ kg 、１０８畅０ ± ４８畅６mg／ kg 、
７５畅２ ± ３０畅５mg／ kg 。除水田旱作外 ，MB唱N 与全 N 之间存在极显著的正相关关系（ P ＜ ０畅０１） 。 土壤 N 素盈余量依次
为双季稻（１０５畅０kg／ hm２ ·a） ＞ 一季稻（７５畅１kg／ hm２ ·a） ＞ 水田旱作油菜（６４畅５kg／ hm２ ·a） ＞旱地苎麻（５１畅９kg／ hm２ ·a） 。
关键词 　 洞庭湖区 　 土地利用方式 　 全 N 　 微生物生物量氮 　 N 循环 　 N 平衡
Nitrogen cycle and content in plowable soil layer under different land唱use types in Dongting Lake region ．HUANG Wei唱
Sheng１ ，２ ，PENG Pei唱Qin１ ，HUANG Dao唱You１ ， SU Yi唱Rong１ ，ZHU Qi唱Hong３ （１ ．Institute of Subtropical Agriculture ，
Chinese Academy of Sciences ，Changsha ４１０１２５ ，China ；２ ．Environmental Monitoring S tation of Huizhou Dayawan Eco唱
nomic Technological Development Zone ， Huizhou ５１６０８１ ，China ；３ ．College of Resources and Environment ，Huazhong A唱
gricultural University ，Wuhan ４３００７０ ，China） ，CJEA ，２００７ ，１５（４） ：４９ ～ ５２
Abstract 　 By high density sampling and farming household investigation ，total N conten t ，microbial biomass N（MB唱N）
content ， total N and MB唱N relationship ，and N cycle characteristics and N balance of plowable soil layer under different
land唱use types were studied in Dong ting Lake region ．Results show ３畅００ ± ０畅４８g／kg total N content and １０１畅４ ±
４９畅２mg／kg MB唱N content in farmlands respectively ．Total N contents for double cropping paddy fields ，single cropping
paddy fields ，dry farming paddy fields and dry lands are ３畅１２ ± ０畅４０g／kg ，３畅０３ ± ０畅３９g／kg ，２畅７９ ± ０畅４３g／kg and
２畅１０ ± ０畅４６g／kg ；and MB唱N contents are １２４畅０ ± ５６ ．６mg／kg ，９６畅４ ± ３９ ．２mg／kg ，１０８畅０ ± ４８ ．６mg／kg and ７５畅２ ±
３０ ．５mg／kg respectively ． Except for dry farming in paddy soils ，MB唱N and total N are significantly passively correlative
（ P ＜ ０ ．０１） for all other land唱use t ypes ．The order of N surplus for the different land唱use types is ：double cropping paddy
field（１０５畅０kg／hm２ ·a） ＞ single cropping paddy field （７５畅１kg／hm２ ·a） ＞ dry farming paddy soil （６４畅５kg／hm２ ·a） ＞ dry
land（５１ ．９kg／hm２·a） ．
Key words 　 Dongting Lake ， Land唱use types ， T otal N ， Microbial biomass N ，N cycle ，N balance
（Received June ２６ ，２００５ ；revised Oct ．１７ ，２００５）
土地利用变化一方面导致进入土壤中的肥料和植物残体的数量和性质各异 ，另一方面土壤水分管理 、
耕作方式等农艺措施的差异 ，影响土壤 N 素的矿化 、运输和植物的吸收与利用 ，因而造成土壤 N 素的差
异［１ ，２ ，１２］ 。 湖南省洞庭湖集约农业区包括 １９ 个县（市 、区）和 １５ 个国营农场 ，是湖南省主要的商品粮 、棉 、油
基地 ，在湖南省乃至全国的农业可持续发展中占有重要的地位［３］ 。 随着社会经济发展 ，洞庭湖地区土地利
用方式发生了重大变化 。 任可爱等［４］研究了不同耕作制度稻田有机质和 N 、P 、K 的变化 ，而对该区土壤全
N 、土壤微生物生物量氮（MB唱N）含量及其在 N 素循环的作用研究尚未见诸报道 。 本文选取洞庭湖典型样
区为研究对象 ，通过密集采样分析结合农户调查的方法 ，研究耕作土壤 N 素含量和循环特征 ，以期为科学管
理土地 ，维持和提高湖区土壤肥力提供依据 。
第 １５卷第 ４ 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 　 No ．４
２ ０ ０ ７ 年 ７ 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture July ，　 ２００７
1 　 研究区域概况与研究方法
研究区地处 １１２°１６′ ～ １１２°５６′ E 、２８°４２′ ～ ２９°１１′N 的湖南省沅江市 ，位于洞庭湖腹地 ，属于典型的中亚
热带湿润季风气候区 ，土壤为长江冲积物母质发育而成的水稻土和潮土 。 采样区耕作制度 １９７９ 年以前均为
稻唱稻唱肥 ，１９８１ 年实现联产承包责任制后 ，由于作物产量提高 、比较利益和农村劳动力转移等原因 ，耕作制度
发生了重大改变 ，大部分改为双季稻唱冬闲（简称双季稻 ，下同） ，部分改为一季稻唱冬闲（简称一季稻 ，下同） ，
部分水田改为旱作（简称水田旱作）和旱地 。 一季稻水田以中稻为主 ，水田旱作作物以油菜为主（改为旱作
不超过 ３ 年） ，旱地作物以苎麻为主 。 ２００４ 年 ３ 月在采样区选取 ３７０hm２ 的典型区域 ，采集双季稻 、一季稻 、
水田旱作 、旱地等利用方式的土壤表层样（０ ～ １５cm） ，按 ３ ～ ４ 个样／hm２ 的采样密度随机布点 ，采用“S”形取
样法采集土样 。 其采样数分别为 ３３１ 个 、２１１ 个 、２５ 个和 ５９ 个 ，共 ６２６ 个土样 。 采样过程中应用全球定位系
统（GPS）对每个土样点（地块）准确定位 ，并现场调查每个土样点（地块）的基本情况 ，如取样点的地（丘）块名
称 、面积 ，户主姓名 ，耕作制度 ，灌溉情况 ，近 ３ 年来的投入 、产出水平以及施肥的具体情况（包括肥料种类 、名
称与数量）等 。 土壤全 N 用元素分析仪（Vario MAX CN）测定 ，土壤微生物生物量氮采用氯仿熏蒸唱K２ SO４
提取方法测定［１２ ，１３］ ，转换系数 KN 取值为 ２畅２２［１２］ 。
2 　 结果与分析
2畅1 　 不同利用方式下土壤全 N含量
表 １ 表明 ，耕作土壤的全 N 平均含量为 ３畅００ ± ０畅４８g／kg ，但变化幅度较大（极差为 ３畅０５g／kg） 。 双季
稻 、一季稻 、水田旱作和旱地全N平均含量分别为３畅１２ ± ０畅４０ g／kg 、３畅０３ ± ０畅３９g／kg 、２畅７９ ± ０畅４３g／kg 、
表 1 　不同利用方式下土壤全 N 含量 倡
Tab ．１ 　 Contents of total N of soil under different land唱use types
土地利用类型
Land唱use
type
种植制度
Cropping
system
样本数
Sample
number
变幅 ／g·kg － １
Rang e
均值 ／g·kg － １
M ean
标准差
S TDEV
变异系数 ／ ％
C ．V ．
水田 双季稻 ３３１ １畅７５ ～ ４畅０６ ３畅１２Aa ０畅４０ １２畅９
一季稻 ２１１ １畅６６ ～ ３畅７７ ３畅０３Bb ０畅３９ １２畅９
水田旱作 油 　 菜 １６ １畅６８ ～ ３畅４９ ２畅７９Bb ０畅４３ １５畅４
旱地 苎 　 麻 ４５ １畅０１ ～ ３畅２２ ２畅１０Cd ０畅４６ ２１畅７
合计／平均 农用地 ６０３ １畅０１ ～ ４畅０６ ３畅００ ０畅４８ １６畅１
　 　 倡 大写字母不同表示差异达 ９９ ％ 显著水平 ，小写字母不同表示差异达 ９５ ％ 显 著水平 ，
下同 。
２畅１０ ± ０畅４６g／kg ，相应的变异系
数依次为 １２畅９ ％ 、１２畅９ ％ 、１５畅４ ％
和 ２１畅７ ％ （表 １） 。 除一季稻水田
与水田旱作土壤全 N 含量差异为
不显著水平（ P ＞ ０畅０５） 外 ，其余任
２种利用方式的全 N 含量差异均
达到极显著水平（ P ＜ ０畅０１）（表 １） 。
其含量差异主要与施肥（秸秆还田
的数量和性质 、N 肥的数量和种
类） 、植被类型以及土地管理方式
有关 ，而受土壤类型 、气候（温度 、
降雨量 、蒸发量） 、地势地貌等自然
图 1 　 不同利用方式耕作土壤全 N（a）和微生物生物量氮（b）的频率分布图
Fig ．１ 　 The frequency distribution of total N （a） and microbial biomass N （b） under different land唱use types
条件的影响较少（本研
究区内自然条件相对
较一致） 。
图 １a 表明 ，双季
稻 、一季稻 、水田旱作和
旱地全 N 含量的主要分
布区间依次为 ２畅５１ ～
４畅００g／kg 、２畅５１ ～ ３畅５０
g／kg 、２畅５１ ～ ３畅５０g／kg 、
１畅５１ ～ ２畅５０g／kg ，相应的
发生 频 率 为 ９１畅２ ％ 、
８３畅４ ％ 、８７畅５ ％ 、７１畅１ ％ 。
2畅2 　 不同利用方式的土壤微生物生物量氮（MB唱N）含量
表 ２ 表明 ，耕作土壤 MB唱N 含量平均值在 ７５畅２ ～ １２４畅０mg／kg 之间 ，平均为 １０１畅４ ± ４９畅２mg／kg 。 表 ２
还表明 ，MB唱N 含量平均值依次为双季稻 ＞ 水田旱作 ＞ 一季稻 ＞ 旱地 。 旱地与双季稻 、旱地与水田旱作 MB唱
N 含量差异均达到极显著水平（ P ＜ ０畅０１） ，旱地与一季稻 MB唱N 含量差异仅达到显著水平（ P ＜ ０畅０５） ，而一
５０　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
季稻与双季稻 MB唱N 含量差异达
到显著水平（ P ＜ ０畅０５）（表 ２） 。 土
壤 MB唱N 含量差异情况主要与植
被类型和秸秆还田量 、复种指数等
农业管理措施有关 。 图 １b 表明 ，
双季稻 、一季稻 、水田旱作和旱地
MB唱N 含量的主要分布区间分别
为 ３１ ～ １９０mg／kg 、３１ ～ １５０mg／kg 、
３１ ～ １９０mg／kg 、３１ ～ １１０mg／kg ，
表 2 　 不同利用方式土壤微生物生物量氮含量
Tab ．２ 　 Conten ts of soil microbial biomass N under differen t land唱use t ypes
土地利用类型
Land唱use
t ype
种植制度
Cropping
system
样本数
Sample
num ber
变幅／mg·kg － １
Range
均值 ／mg·kg － １
Mean
标准差
S T DEV
变异系数 ／ ％
C ．V ．
水田 双季稻 ５５ ３４畅９ ～ ２３４畅２ １２４畅０Aa ５６畅６ ４５畅７
一季稻 ３４ ３１畅３ ～ １７３畅４ ９６畅４ABb ３９畅２ ４０畅７
水田旱作 油 　 菜 １５ ６３畅０ ～ １９３畅９ １０８畅０Aab ４８畅６ ４５畅０
旱地 苎 　 麻 ４５ ３２畅３ ～ １４９畅７ ７５畅２Bc ３０畅５ ４０畅５
合计 ／平均 农用地 １４９ ３１畅３ ～ ２３４畅２ １０１畅４ ４９畅２ ４８畅５
相应的发生频率为 ８７畅３ ％ 、８８畅２ ％ 、８６畅７ ％ 、８６畅７ ％ 。
表 3 　 不同利用方式微生物生物量氮与全 N的关系
Tab ．３ 　 Relations of soil microbial biomass N and total N under
different land唱use types
土地利用类型
Land唱use
type
种植制度
Cropping
system
样本数
Sample
number
线性方程
Linear
model
相关系数 （ r）
Correlatio n
coeff icien t
水田 双季稻 ５５ Y ＝ ７４畅６４３ X － １０５畅２８ ０畅８０５ 倡 倡
一季稻 ３４ Y ＝ ３５畅７２３ X － ２畅９７３１ ０畅５４２ 倡
水田旱作 油 　 菜 １５ Y ＝ ４４畅８２５ X － １１畅１６８ ０畅５０８
旱地 苎 　 麻 ４５ Y ＝ ３２畅１６７ X ＋ １２畅０３１ ０畅５３６ 倡
合计 ／平均 农用地 １４９ Y ＝ ４９ ．９９２ X － ３２ ．０２７ ０ ．６９３ 倡 倡
2畅3 　 土壤微生物生物量氮与全 N 的关系
表 １ 和表 ２ 数据表明 ，农用地 MB唱N 占
全 N 的比例平均为 ３畅３８ ％ ，双季稻 、一季
稻 、水田旱作和旱地 MB唱N 占全 N 的比例
分别为 ３畅９７ ％ 、３畅１８ ％ 、３畅８７ ％ 、３畅５８ ％ 。
结果还表明 ，双季稻的 MB唱N（ Y ，mg／kg）与
全 N（ X ，g／kg）之间存在极显著的线性相关
（ r ＝ ０畅８０５ 倡 倡 ） ，一季稻和旱地则存在显著
的线性相关（ r ＝ ０畅５４２ 倡 和 r ＝ ０畅５３６ 倡 ） ，而
水田旱作不存在显著的线性相关（表 ３） 。
2畅4 　 N素的循环与平衡特征
土壤 N 素的平衡和动态取决于系统的输入量和输出量 ，其盈亏状况也决定了土壤的 N 素状况 。 以双季
稻水田 、一季稻水田 、水田旱作油菜和苎麻旱地作物系统为例 ，研究了 ４ 种利用方式土壤 N 素循环与平衡状
况（表 ４） 。 研究区秸秆产量以经济系数计算［５］ ，稻草还田量早稻 、晚稻和中稻分别为 ７５ ％ 、５０ ％ 和 ５０ ％ ；苎
麻秸秆还田量为 １００ ％ ，油菜秸秆随作物收获带走 。 有研究表明 ，根茬可作为土壤 N 素的内循环 ，水田灌溉
水中带入的 N 量和渗漏水带走的 N 量大体相当［６ ，７］ 。 因此 ，N 素循环的参数可以简化为计算种苗 、干湿沉
降 、非共生固氮 、化肥和有机肥等输入项 ，以及旱地的渗漏与排水 、N 肥的各种损失（氨挥发 、反硝化损失）和
作物移出量等输出项 。 其中 ，计算参数均参考有关研究结果［６ ，７］ 。
　 　 表 ４ 表明 ，在双季稻 、一季稻 、油菜和苎麻作物
系统中 ，化肥 N 占 N 素输入总量的比例分别为
７７畅５ ％ 、７３畅８ ％ 、８１畅４ ％ 、８７畅０ ％ ，而作物收获移出的
N 量占输出总量的比例分别为 ５９畅９ ％ 、５９畅９ ％ 、
５１畅９ ％ 、５６畅７ ％ 。土壤 N 素的盈余量依次为双季稻
（１０５畅０kg／hm２ ·a） ＞ 一季稻（７５畅１ kg／hm２·a） ＞ 油
菜（６４畅５kg／hm２·a） ＞ 苎麻（５１畅９kg／hm２ · a） 。 这
也印证了土壤全 N 含量差异的分析结果 。
3 　 小结与讨论
土壤 MB唱N 具有源和库的作用 ，其含量与周
转对土壤 N 素循环与平衡状况具有重要意义［９］ 。
大量的研究表明 ，土壤 MB唱N 含量差异主要受土
壤性质 、气候 、施肥 、耕作 、水分管理等因素影
响［９ ，１０ ，１２ ，１３］ 。 不同利用方式下 ，土壤 MB唱N 含量 、
土壤 MB唱N 与全 N 的相关关系表现出明显差
异 ，这主要与新鲜有机物（根荐和秸秆）的输入量
表 4 　不同利用方式的氮素循环与平衡状况 倡
Tab ．４ 　 Characteristics of N cycling and balance under different land唱use types
项 　 目
I tem
含 N 量／kg·hm － ２·a － １ N content
双季稻
Double rice
一季稻
One rice
油菜
Rape
苎麻
Ramie
输入 种子 （苗） ４畅５ ２畅３ ０畅５ －
干湿沉降 ３畅２ ３畅２ ３畅２ ３畅２
非共生固氮 ３７畅５ ３７畅５ ３７畅５ １５畅０
化 　 肥 ４０３畅３ ２１６畅７ １７９畅３ ３９８畅５
有机肥 ７１畅７ ３３畅９ － ４１畅２
合 　 计 ５２０畅２ ２９３畅５ ２２０畅４ ４５７畅８
输出 作物收获移出 N 量 ２４８畅５ １３０畅８ ８１畅０ ２３０畅０
各种损失 １６６畅７ ８７畅６ ７４畅９ １７４畅１
渗漏与排水 － － － １畅９
合 　 计 ４１５畅２ ２１８畅４ １５５畅９ ４０６畅０
平衡 输入唱输出 １０５畅０ ７５畅１ ６４畅５ ５１畅８
　 　 倡 养分含量数据来自 中国 有机肥 养分数 据集 ［８ ］ ；计 算的 参数参 考
鲁如坤等的结果［ ６ ，７ ］ 。
和还田方式（苎麻秆表面覆盖 、稻草翻压还田）有关 。 由植被类型和土壤水分管理引起的微生物群落和种类
第 ４期 黄伟生等 ：洞庭湖区不同土地利用方式耕作土壤氮素含量与循环 ５１　
的不同导致了微生物生物量的差异 。 此外 ，土壤 MB唱N 的季节性变化特点也是重要原因 。 采样时间是 ２００４
年 ３ 月 ，水田旱作的油菜正是盛花期 ，其根系产物（分泌物 、脱落细胞等）可以为微生物提供能源 ，维持较高的
微生物量 ，促进了 N 的微生物固持 。 而水田处于休闲期 ，苎麻也是刚刚在生长期 ，新鲜有机物进入量低 ，土
壤微生物活性低 。 据研究［１０］ ，湖南稻田 ６ 个长期定位试验点的土壤 MB唱N 含量在 ３３畅０ ～ １９３mg／kg ，占全 N
的比例为 ２ ％ ～ ５ ％ （平均为 ３畅６ ％ ） ，其关系达到极显著水平（ P ＜ ０畅０１） 。 本研究的结果与其十分接近 。
研究显示 ，虽然洞庭湖区 N 的投入量低于同纬度的太湖地区（５００ ～ ７５０kg／hm２·a） ，但土壤全 N 含量却
高于太湖地区（１畅６１g／kg）［１１］ 。 这可能与土壤性质 、秸秆还田的数量 、耕作制度和土地生产力有关 。 洞庭湖
区的 N 素循环特点表明 ，化肥与有机肥（主要是秸秆还田）配施不仅使 N 素盈余 ，也有效提高了土壤全 N 和
MB唱N 含量 ，土壤全 N 的平均含量已经高于一级农田的标准（ ＞ ２畅５０g／kg） 。 因此 ，恢复种植绿肥 ，增加土地
的复种指数 ，增施有机肥 ，尤其是强化秸秆还田 ，协调土壤水分和肥力的农业管理措施以维持和提高洞庭湖
区耕作土壤全 N 和 MB唱N 含量 ，是实现农业可持续发展的重要措施 。
致谢 　 汪汉林副研究员 、路鹏博士 、邹炎博士 、唐国勇博士 、宋变兰硕士等参加土样采集 、分析和农户调查工
作 ，谨表谢意 ！
参 　 考 　 文 　 献
１ 　 罗为检 ，王克林 ，刘 　 明 ．土地利用及其格局变化的环境生态效应研究进展 ．中国生态农业学报 ，２００３ ，１１（２） ：１５０ ～ １５２
２ 　 巨晓棠 ，刘学军 ，张福锁 ．不同氮肥施用后土壤各氮库的动态研究 ．中国生态农业学报 ，２００４ ，１２（１） ：９１ ～ ９４
３ 　 杨光立 ，李 　 林 ，叶桃林 ，等 ．略论洞庭湖集约农区耕作改制及农业可持续发展策略 ．作物研究 ，１９９７ （３） ：１ ～ ３
４ 　 任可爱 ，肖和艾 ，李 　 玲 ，等 ．洞庭湖区稻田土壤有机质和氮磷钾含量的变化 ．农业现代化研究 ，２００５ ，２６（２） ：１５０ ～ １５３
５ 　 钟华平 ，岳燕珍 ，樊江文 ．中国作物秸秆资源及其利用 ．资源科学 ，２００３ ，２５（４） ：６２ ～ ６７
６ 　 鲁如坤 ，刘鸿翔 ，闻大中 ，等 ．我国典型地区农业生态系统养分循环和平衡研究 ．Ⅰ ．农田养分支出参数 ．土壤通报 ，１９９６ ，２７（４） ：１４５
７ 　 鲁如坤 ，刘鸿翔 ，闻大中 ，等 ．我国典型地区农业生态系统养分循环和平衡研究 ．Ⅱ ．农田养分收入参数 ．土壤通报 ，１９９６ ，２７（５） ：１５１
８ 　 全国农业技术推广中心 ．中国有机肥养分数据集 ．北京 ：中国科技出版社 ，１９９９
９ 　 何振立 ．土壤微生物量及其在养分循环和环境质量评价中的意义 ．土壤 ，１９９７ （２） ：６１ ～ ６９
１０ 刘守龙 ，肖和艾 ，童成立 ，等 ．亚热带稻田土壤微生物生物量碳 、氮 、磷状况及其对施肥的反应特点 ．农业现代化研究 ，２００３ ，２４（４） ：２７８
１１ 高 　 超 ，张桃林 ，吴蔚东 ．太湖地区农田土壤养分动态及其启示 ．地理科学 ，２００１ ，２１（５） ：４２８ ～ ４３２
１２ Brookes P ． C ．， Land man A ．，P ruden G ．， et al ． Chlo rofo r m fumig ation and the release o f soil nit rogen ：a rapid direct ex traction method to
measure microbial biomass nitrogen in soil ． Soil Biol ．Biochem ．，１９８５ ，１７（６） ：８３７ ～ ８４２
１３ Wu J ．，Brookes P ．C ．， Jenkinson D ．S ．Formation and destruct ion o f microbial biomass during the decompositio n of g lucose and ry egrass in
soil ． Soil Biol ．Biochem ．，１９９３ ，２５（１０） ：１４３５ ～ １４４１
５２　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷