苜蓿草地土壤氮素有效性的化學(xué)與生物測(cè)試方法比較

賈世玉，韓方虎，沈禹穎

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 農(nóng)業(yè)部草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730020)

土壤礦質(zhì)氮是植物可以直接吸收利用的有效氮素，有效測(cè)定土壤礦質(zhì)氮量可以預(yù)測(cè)土壤供氮水平，為合理施氮和提高氮肥利用效率提供理論指導(dǎo)[1-2]。

為了更好地評(píng)價(jià)土壤的供氮能力，各種測(cè)定土壤礦質(zhì)氮的方法層出不窮[3-5]，而不同方法測(cè)得的土壤礦質(zhì)氮的含量也不盡相同。研究表明[6-9]，熱水和中性鹽(如KCl、CaCl2等)等溫和提取劑不會(huì)在浸取過(guò)程中引起土壤性質(zhì)的變化，提取得到的礦質(zhì)氮可更好地反映土壤礦質(zhì)氮的實(shí)際情況，應(yīng)用最為廣泛。中性鹽提取土壤中礦質(zhì)氮的方法有很多，最常見的是用1或2 mol/L KCl或0.01 mol/L CaCl2直接浸取。近年來(lái)，有人提出用KCl在100 ℃下煮沸土壤，浸提礦質(zhì)氮的方法[10-12]。用化學(xué)試劑直接浸取土壤礦質(zhì)氮的方法便捷、能反映土壤供氮能力[13-14]，但哪種提取方式測(cè)得的礦質(zhì)氮更能反映土壤真實(shí)的供氮能力，目前尚沒有統(tǒng)一定論。生物測(cè)試是在控制條件下以生物為受體開展的測(cè)試，其測(cè)定的植物吸氮量是土壤含氮量的真實(shí)反映，被廣泛應(yīng)用[15]。 研究表明，KCl提取的礦化氮與植物吸氮量之間達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系，沸水浸取的土壤全氮與植物吸氮量的相關(guān)性較低[16-17]。

本研究采用熱水、KCl、CaCl2三種提取劑測(cè)試5齡和9齡紫花苜蓿(Medicagosativacv.Longdong)草地土壤氮素有效性，并以多年生黑麥草(Loliumperenne)為受體測(cè)試植物吸氮量，分析3種提取劑提取的土壤礦質(zhì)氮量與植物吸氮量的相關(guān)關(guān)系，以期了解苜蓿草地土壤的供氮能力，并為苜蓿草地的氮素管理提供一定的借鑒。

1 材料與方法

1.1土樣采集 試驗(yàn)用土壤采自蘭州大學(xué)慶陽(yáng)黃土高原試驗(yàn)站(35°40′ N，107°51′ E，海拔1 298 m)，供試的9齡和5齡苜蓿草地分別為1998年和2002年播種建植的隴東紫花苜蓿草地，2006年于苜蓿始花期(6月10日)，分別在上述苜蓿草地0～30 cm土層取樣，3樣點(diǎn)混合，新鮮土樣剔除根茬，過(guò)2 mm篩，4 ℃下保存，用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)(表1)。

表1 5齡和9齡紫花苜蓿草地0～30 cm土壤理化性質(zhì)

1.2土壤礦質(zhì)氮的化學(xué)提取 土樣分別用80 ℃熱水、1 mol/L KCl溶液和0.01 mol/L CaCl2溶液(以下分別簡(jiǎn)稱為熱水、KCl和CaCl2)浸提，水土比5∶1，室溫下用往復(fù)式震蕩儀(200 r/min)震蕩1 h，將浸提液過(guò)濾，4 ℃保存，測(cè)定其硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量。

1.3生物試驗(yàn) 采用盆栽的方式，分別將5齡和9齡苜蓿土壤裝入高20 cm、直徑16 cm的塑料桶，每桶裝相當(dāng)于2.0 kg烘干土的風(fēng)干土。采用多年生黑麥草為指示植物，每桶播種10粒種子，株高5 cm 時(shí)定苗至每桶5株。完全隨機(jī)排列，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。

塑料桶于25 ℃溫室中進(jìn)行培養(yǎng)，期間稱量以保持每天土壤含水量相當(dāng)于田間飽和持水量的70%±5%，黑麥草生長(zhǎng)85 d后，將植物根系和地上部分分別收獲。洗凈植物上的泥土，在80 ℃烘干，粉碎，測(cè)定植物含氮量。

1.4樣品測(cè)定 土壤硝態(tài)氮用紫外分光光度法測(cè)定[18]，銨態(tài)氮用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[19]。植株含氮量用半微量凱氏定氮法測(cè)定[20]。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，最小顯著差數(shù)法(LSD檢驗(yàn)法)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1不同化學(xué)提取劑提取土壤礦質(zhì)氮的能力 不同化學(xué)提取劑提取不同礦質(zhì)氮含量的能力明顯不同，但不同提取劑提取的不同齡苜蓿土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的能力趨勢(shì)相同(表2)。3種提取劑獲得的5齡苜蓿土壤硝態(tài)氮含量無(wú)顯著差異(P>0.05)；熱水提取的銨態(tài)氮顯著高于KCl提取的(P<0.05),高出0.76 mg/kg。對(duì)9齡苜蓿土壤來(lái)說(shuō)，CaCl2提取的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均高于熱水和KCl，比提取量最低的KCl分別高出3.10和1.09 mg/kg，均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表2 3種提取劑提取的土壤礦質(zhì)氮含量

3種提取劑提取的9齡苜蓿土壤硝態(tài)氮含量均高于5齡苜蓿土壤，其中，以CaCl2提取的相差最大，為6.24 mg/kg。3種提取劑提取的5齡和9齡苜蓿土壤銨態(tài)氮的含量無(wú)顯著差異。

2.2苜蓿草地土壤供氮能力的生物測(cè)試 黑麥草在9齡苜蓿土壤上培養(yǎng)生長(zhǎng)85 d后，其吸氮量比生長(zhǎng)在5齡苜蓿土壤的黑麥草高34%，這一結(jié)果與化學(xué)提取劑提取獲得的供氮能力一致(圖1)。

圖1 黑麥草在兩個(gè)苜蓿草地土壤上生長(zhǎng)85 d的吸氮量

分別將3種提取劑提取的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量與黑麥草吸氮量的相關(guān)分析(圖2)。結(jié)果表明，3種提取劑提取的土壤硝態(tài)氮含量與植物吸氮量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)大小依次表現(xiàn)為CaCl2>KCl>熱水。

不同提取劑提取的土壤硝態(tài)氮的能力隨土壤硝態(tài)氮含量的不同而不同，隨著土壤硝態(tài)氮含量的增長(zhǎng)，KCl提取的土壤硝態(tài)氮對(duì)應(yīng)的植物吸氮量增長(zhǎng)速率最大，CaCl2次之，熱水提取土壤硝態(tài)氮對(duì)應(yīng)的植物吸氮量增長(zhǎng)速率最小。

當(dāng)土壤硝態(tài)氮含量<5.4 mg/kg時(shí)，黑麥草吸氮量與熱水提取的土壤硝態(tài)氮的吻合性優(yōu)于CaCl2和KCl提取的土壤硝態(tài)氮；而當(dāng)該值>5.4 mg/kg時(shí)，植物吸氮量與KCl提取的土壤硝態(tài)氮的吻合性最高，并保持快速穩(wěn)定增長(zhǎng)，當(dāng)此值>11.5 mg/kg時(shí)，熱水和CaCl2提取的土壤硝態(tài)氮含量與植物吸氮量吻合性相當(dāng)。說(shuō)明當(dāng)土壤硝態(tài)氮含量<5.4 mg/kg時(shí)，熱水提取的土壤硝態(tài)氮含量最能反映土壤的供氮能力；而當(dāng)土壤硝態(tài)氮含量>5.4 mg/kg時(shí)，KCl提取的土壤硝態(tài)氮含量與生物測(cè)試的吻合性更好。

圖2 不同提取劑提取的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量與植物吸氮量的關(guān)系

以CaCl2提取的土壤銨態(tài)氮與黑麥草吸氮量的相關(guān)系數(shù)為0.523 3(P<0.05)，其他兩種提取劑提取的土壤銨態(tài)氮含量與植物吸氮量間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

3 討論

本研究表明，不同提取劑提取紫花苜蓿草地土壤礦質(zhì)氮含量明顯不同，3種提取劑提取土壤硝態(tài)氮的能力無(wú)顯著差異，且與植物吸氮量有顯著相關(guān)關(guān)系，均可作為反映土壤供氮能力的指標(biāo)，這與李生秀等[7]的研究結(jié)果一致。硝態(tài)氮含量作為土壤供氮能力指標(biāo)具有一定的穩(wěn)定性。不僅是不同提取劑提取的硝態(tài)氮含量無(wú)顯著差別，李生秀等使用鮮土為提取對(duì)象，與本研究采用36 ℃風(fēng)干土進(jìn)行提取，得出了一致的結(jié)果。這些結(jié)果均表明利用土壤硝態(tài)氮的含量作為土壤供氮指標(biāo)來(lái)研究土壤氮素有效性有很重要的意義。但由于硝態(tài)氮易于隨水淋失，在多雨的季節(jié)或地區(qū)簡(jiǎn)單取樣不能反映大田的真實(shí)情況，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕邓闆r確定合理的取樣深度和取樣時(shí)間。

許多研究證明了不同提取劑提取土壤銨態(tài)氮的能力差異顯著，且與作物吸氮量關(guān)系不密切[7,21]，但在提取能力大小上，不同研究得出的結(jié)論不盡相同。本研究表明，3種提取劑在提取土壤銨態(tài)氮能力方面表現(xiàn)為1 mol/L KCl提取能力最小，而Curtin等[22]的研究結(jié)果表明熱水提取的銨態(tài)氮含量最高，原因是熱水釋放的氮主要以有機(jī)態(tài)氮為主，約80%，但同時(shí)有機(jī)氮的熱不穩(wěn)定性會(huì)在熱水中水解進(jìn)而伴隨大量銨態(tài)氮的釋放，因此熱水提取的銨態(tài)氮含量最高。

研究表明，1 mol/L KCl提取土壤礦質(zhì)氮的能力高于熱水和0.01 mol/L CaCl2[23-24]，但其提取能力受土壤預(yù)處理、浸提液保存方式、KCl濃度[8,25-26]和雜質(zhì)含量[9]等條件的限制。因此，不同研究者采用不同的方法測(cè)得的KCl提取土壤礦質(zhì)氮的能力也不盡相同。

從化學(xué)角度來(lái)說(shuō)，Ca2+是二價(jià)離子，而K+表面只有一個(gè)電子，因此Ca2+的凝聚力高于K+，即Ca2+能從土壤中置換出更多的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，這可能是0.01 mol/L CaCl2浸取土壤無(wú)機(jī)氮多于1 mol/L KCl的原因。但目前國(guó)內(nèi)外提取土壤礦質(zhì)氮應(yīng)用最廣泛的是1 mol/L KCl溶液，這也與1 mol/L KCl提取土壤硝態(tài)氮的能力穩(wěn)定且增長(zhǎng)速度較快有關(guān)。

此外，季節(jié)動(dòng)態(tài)對(duì)結(jié)果影響較大[9]。氣溫較低時(shí)，土壤礦化和硝化作用均較弱，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化率較低，表現(xiàn)出土壤硝態(tài)氮含量較低，銨態(tài)氮含量較高，此時(shí)銨態(tài)氮可以在一定程度上反映土壤的供氮水平；而隨著氣溫不斷升高，土壤有機(jī)氮的礦化和硝化作用越來(lái)越強(qiáng)，土壤中累積有大量的硝態(tài)氮，而銨態(tài)氮含量甚微，此時(shí)，銨態(tài)氮含量則無(wú)法反映土壤供氮水平。本研究對(duì)苜?；ㄆ诘难芯拷Y(jié)果與此理論相符。

4 結(jié)論

1)不同化學(xué)提取劑提取土壤礦質(zhì)氮的能力不同，提取土壤硝態(tài)氮的能力表現(xiàn)為0.01 mol/L CaCl2>熱水>1 mol/L KCl，提取銨態(tài)氮的能力表現(xiàn)為1 mol/L KCl的提取能力最弱。1 mol/L KCl提取土壤硝態(tài)氮的能力最穩(wěn)定，是化學(xué)提取劑的首選。3種提取劑提取土壤硝態(tài)氮的能力無(wú)顯著差異，且與植物吸氮量有顯著相關(guān)關(guān)系，均可作為反映土壤供氮能力的指標(biāo)。

2)苜蓿生長(zhǎng)9年比5年時(shí)土壤氮素有效性高1.5倍左右。

3)3種提取劑提取的土壤銨態(tài)氮含量均不能作為反映土壤供氮能力的指標(biāo)。

致謝：感謝楊晶、耿麗英、王希和周少平等同學(xué)的技術(shù)支持和幫助。

[1]王宇通,邵新慶,黃欣穎.植物根系氮吸收過(guò)程的研究進(jìn)展[J].草業(yè)科學(xué)，2010,27(7):105-111.

[2]王瑾,杜文華.不同施肥處理對(duì)紅三葉青干草品質(zhì)的影響[J].草業(yè)科學(xué)，2009,26(12):56-59.

[3]Keeny D R,Bremner J M.Comparison and evaluation of laboratory methods of obtaining an index of soil nitrogen availability[J].Agronomy Journal,1966,58(5):498-503.

[4]鄒亞麗,韓方虎,耿麗英,等.溫度和濕度對(duì)紫花苜蓿土壤氮礦化的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2010,19(4):101-107.

[5]Fox R H,Piekielek W P.A rapid method for estimating the nitrogen supplying capability of a soil[J].Soil Science Society of America Journal,1978,42(5):751-753.

[6]Smith K A,Li S X.Estimation of potentially mineralizable nitrogen in soil by KCl extraction[J].Plant and Soil,1993,157:167-174.

[7]李生秀,付會(huì)芳,肖俊璋,等.幾種測(cè)氮方法在反映旱地土壤供氮能力方面的效果[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，1992,10(2):72-81.

[8]蘇濤,司美茹,王朝輝,等.土壤礦質(zhì)氮分析方法的影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005,24(6):1238-1242.

[9]張英利，許安民，尚浩博，等.氯化鉀中雜質(zhì)銨含量及對(duì)土壤銨態(tài)氮測(cè)定的影響[J].土壤通報(bào)，2010，41(5)：1134-1137.

[10]Selmer-Olsen A R,Oien A,Baetrug R,etal.Evaluation of a KCl-hydrolyzing method for available nitrogen in soil by pot experiments[J].Acta Agriculturae Scandinavica，1981,31:251-255.

[11]Whitehead D C.An improved chemical extraction method for predicting the supp1y of available soil nitrogen[J].Journal of Food Agriculture and Environment，1981,32:3651-3659.

[12]Gianello C,Bremner J M.A simple method of assessing potentially available organic nitrogen in soil[J].Commun ications in Soil Science and Plant Analysis，1986,17(2):195-214.

[13]Okamoto M,Okada K.Available organic nitrogen in temperate,subtropical,and tropical soils extracted with different solutions[J].Biology and Fertility of Soils，2008,44:533-537.

[14]Kayser M,Muller J,Isselstein J.Nitrogen management in organic farming:comparison of crop rotation residual effects on yields,N leaching and soil conditions[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems，2010,87:21-31.

[15]Stevence F J.農(nóng)業(yè)土壤中的氮[M].閔久康，沈育芝，譯.北京：科學(xué)出版社，1989：284.

[16]金發(fā)會(huì)，李世清，盧紅玲，等.石灰性土壤供氮能力幾種化學(xué)測(cè)定方法的評(píng)價(jià)研究[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2007,13(6)：1040-1048.

[17]趙坤，李世清，李生秀.原狀土通氣培養(yǎng)法測(cè)定黃土高原土壤供氮能力的研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009,42(7)：2397-2406.

[18]Norman R J,Edberge J C,Stucdi J W.Determination of nitrate in soil extracts by dualwavelength ultraviolet apectrophotometry[J].Soil Science Sociey of America Journal,1985,49:1182-1185.

[19]Jackson M L.Soil Chemical Analysis[M].New Jersey:Prentice Hall,Englewood Cliffs,1958.

[20]中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所.土壤理化性質(zhì)分析[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1987：62-136.

[21]楊江龍,李生秀.土壤供氮能力測(cè)試方法與指標(biāo)[J].土壤通報(bào)，2005,36(6):959-964.

[22]Curtin D,Wright C E,Beare M H,etal.Hot water-extractable nitrogen as an indicator of soil nitrogen availablity[J].Soil Science Society of America Journal,2006,70:1512-1521.

[23]郭勝利，郝明德.黃土高原溝壑區(qū)不同施肥條件下土壤剖面中礦質(zhì)氮的分布特征[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2000，18：22-28.

[24]周順利，張福鎖，王興仁.土壤硝態(tài)氮時(shí)空變異與土壤氮素表觀盈虧Ⅱ.夏玉米[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，22(1)：48-53.

[25]樊軍，郝明德，黨廷輝.旱地長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤剖面硝態(tài)氮分布與累積的影響[J].土壤與環(huán)境，2000，9(1)：23-26.

[26]楊學(xué)云，張樹蘭，袁新民，等.長(zhǎng)期施肥對(duì)塿土硝態(tài)氮分布、累積和移動(dòng)的影響[J].植物影響與肥料學(xué)報(bào)，2001,7(2)：134-138.