不同施肥方式對北方稻田土壤氮礦化的影響

2014-10-20 11:37孫宇賀傅民杰

湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年16期

孫宇賀　傅民杰

摘要：利用PVC管原位培養(yǎng)連續(xù)取樣法測定了吉林省延邊地區(qū)生長季3種施肥方式（單施無機(jī)肥、單施有機(jī)肥、無機(jī)肥與有機(jī)肥配施）下稻田土壤氮素礦化、硝化的動態(tài)及氮礦化的空間分布格局。結(jié)果表明，3種施肥方式下稻田土壤氮素礦化存在明顯的時空變異，稻田土壤在6～8月表現(xiàn)出較強(qiáng)的氮礦化過程，8月硝化作用較強(qiáng)，且上層土壤（0～10 cm）的氮素凈礦（硝）化率整體上高于下層（10～20 cm）土壤。3種不同施肥方式下稻田土壤的氨化過程在氮礦化過程中占有重要地位，單施無機(jī)肥、單施有機(jī)肥和無機(jī)肥與有機(jī)肥配施處理的上層土壤NH4+-N含量在無機(jī)氮中的比例分別為47.3%～94.1%、16.5%～94.6%、56.5%～94.9%。單施無機(jī)肥或單施有機(jī)肥有利于土壤氮礦化過程。

關(guān)鍵詞：施肥方式；稻田土壤；氮素凈礦化率；氮素凈硝化率

中圖分類號：S147.2；S153 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）16-3765-05

Abstract： Tempo-spatial variations in soil net nitrogen（N） mineralization and nitrification of Yanbian growing season paddy with three fertilization methods（chemical fertilizers， chemical and organic fertilizers， organic fertilizer）were investigated with a PVC tube sequential coring and in-situ incubation method. The results showed that there were obvious spatial and temporal variability in three paddy soil nitrogen mineralization. Paddy soil in June to August showed a strong nitrogen mineralization， with a strong nitrification in August. Nitrogen net mineralization rates （nitrification rate） in the upper soil （0～10 cm） was significantly higher than that in the lower （10～20 cm） soil of three paddy fertilization methods ecosystems. Ammoniated process of three paddy soil occupied an important position in nitrogen mineralization process. Its NH4+-N ratio of inorganic nitrogen were 47.3%～94.1%（chemical fertilizers）， 16.5%～94.6%（organic fertilizers）， 56.5%～94.9%（chemical and organic fertilizers）. Chemical fertilizer or organic manure treatment had advantages for soil nitrogen mineralization.

Key words： fertilization methods； paddy soil； net nitrogen mineralization rates； net nitrogen nitrification rates

氮是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力重要的構(gòu)成要素之一，也是作物生長發(fā)育的關(guān)鍵限制因子。高產(chǎn)水稻吸收的氮素中有50%～80%來源于土壤，可見稻田土壤中的氮素是水稻高產(chǎn)的基礎(chǔ)[1，2]。施肥作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的重要物質(zhì)輸入手段，無疑會對土壤氮礦化和作物產(chǎn)生重要的影響，因此施肥對稻田土壤氮礦化的影響一直以來都是國內(nèi)外研究的重要內(nèi)容。Yan等[3]對亞熱帶稻田土壤研究發(fā)現(xiàn)，氮肥的施入增強(qiáng)了土壤氮礦化勢，且礦化氮比例隨施肥量增加而增大。一些學(xué)者對南方紅壤稻田土壤的研究證實(shí)了Yan的結(jié)論[4，5]。同時，無機(jī)肥和有機(jī)肥配施可顯著提高南方稻田土壤氮礦化速率[6]。此外，許多學(xué)者研究了熱帶、亞熱帶地區(qū)長期施肥對稻田土壤氮素積累與礦化的影響，發(fā)現(xiàn)長期施肥可顯著增加0～20 cm土層全氮和有機(jī)碳含量，表層土壤在長期淹水條件下存在穩(wěn)定的厭氧氮礦化過程[7-9]。Singh等[10]研究熱帶稻麥輪作體系發(fā)現(xiàn)，氮礦化具有明顯的季節(jié)性，且受土壤水分和微生物量的影響顯著。綜合來看，目前稻田土壤氮礦化研究主要以亞熱帶和暖溫帶地區(qū)為主，北方溫帶地區(qū)因稻田面積較小，相關(guān)研究報(bào)道較少。而張玉玲等[11]研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥方式對北方稻田氮礦化的影響與亞熱帶和暖溫帶地區(qū)的研究結(jié)果不同，表明北方地區(qū)特異的氣候條件、土壤類型以及耕作制度對稻田土壤氮礦化和循環(huán)產(chǎn)生重要的影響。因此，從全球土壤氮循環(huán)來看，有必要對北方地區(qū)的稻田土壤氮礦化和循環(huán)過程進(jìn)行深入研究。本研究以中國東北水稻種植歷史最久的吉林省延邊朝鮮族自治州稻田土壤為對象，采用原狀土原地培養(yǎng)連續(xù)取樣法測定了土壤氮素礦化率與硝化率，旨在了解溫帶稻田土壤的氮礦化特征及其土壤無機(jī)氮的時空變化格局，為北方地區(qū)稻田土壤生態(tài)系統(tǒng)管理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于吉林省龍井市開山屯鎮(zhèn)（42°45′N，129°45′E）。該區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，全年平均溫度5.6 ℃、年平均降水量550 mm。試驗(yàn)選擇了施肥方式不同的3種稻田土壤作為研究對象，施肥方式分別為：①單施無機(jī)肥（CF）：施肥量分別為N 120～160 kg/hm2、 P2O5 80～100 kg/hm2、 K2O 100～120 kg/hm2；②單施有機(jī)肥（OF）：施用糞肥15 000～20 000 kg/hm2；③無機(jī)肥和有機(jī)肥配施（CF+OF）：施用無機(jī)肥N 60～80 kg/hm2、P2O5 40～50 kg/hm2、K2O 50～60 kg/hm2；施用糞肥5 000～6 500 kg/hm2。試驗(yàn)施肥處理已進(jìn)行多年，選取2012年6～12月數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)見表1。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

在每種施肥方式的樣地中，按對角線法選取5個原位培養(yǎng)點(diǎn)。采用原狀土原位培養(yǎng)連續(xù)取樣法[12]，在每一培養(yǎng)點(diǎn)將兩根內(nèi)徑5 cm、長20 cm的PVC管打入土壤。小心取出兩管后，一管土壤用于土壤分析，另一管的上下管口用塑料膜封口，埋回原位進(jìn)行原位培養(yǎng)，每個培養(yǎng)時期約為30 d。培養(yǎng)結(jié)束時，取出培養(yǎng)管。同時將下一批管按上述方法布置于前一次培養(yǎng)點(diǎn)附近。將培養(yǎng)后的管分為0～10 cm和10～20 cm兩層土樣，以下簡稱上層和下層土壤，低溫帶回實(shí)驗(yàn)室做室內(nèi)分析。

室內(nèi)土壤分析包括土壤NH4+-N、NO3–-N含量的測定，其測定采用新鮮土樣2 mol/L KCl浸提法[13]，濾液用連續(xù)流動分析儀（BRAN+LUEBBE-AA3，Germany）測定。氮素凈礦（硝）化率計(jì)算公式如下：

NMR=（Ct-Ct■）/（t-t0）（1）

NNR=（C′t-C′t■）/（t-t0）（2）

式中，NMR和NNR分別為培養(yǎng)時段內(nèi)土壤氮素的凈礦化率和凈硝化率，單位均為mg/（kg·d），C和C′分別代表無機(jī)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3–-N）含量，單位均為mg/kg；t0和t分別表示培養(yǎng)前和培養(yǎng)后的時間，單位均為d。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥方式對土壤無機(jī)氮含量的影響

2.1.1 施肥方式對NH4+-N含量的影響由表2可知，3種施肥方式下稻田土壤的NH4+-N含量存在明顯的生長季節(jié)變化，其上層土壤（0～10 cm） NH4+-N含量均在6月最高，CF、OF和CF+OF的NH4+-N含量分別為（19.7±1.3） mg/kg、（27.3±3.1）mg/kg和（26.6±3.0） mg/kg。雖然各施肥方式的下層土壤（10～20 cm）的NH4+-N峰值出現(xiàn)的時期與上層土壤不完全同步，但在6月仍表現(xiàn)出較高的NH4+-N含量。綜合來看，3種施肥方式下稻田上、下層土壤在水稻生長季的末期（9～10月）NH4+-N含量較低。土壤NH4+-N含量在3種施肥方式間的差異隨生長季節(jié)而異，上層土壤6月的CF+OF和OF施肥處理間差異不顯著（P>0.05），但二者顯著高于CF處理（P<0.05）；而8月CF處理的NH4+-N含量顯著高于CF+OF和OF處理，這與在7月中期稻田追肥有關(guān)。

3種施肥方式下稻田土壤的NH4+-N含量均存在明顯的空間垂直差異性，且這種空間的差異性隨著生長季的延續(xù)而逐漸減小。3種施肥方式6～8月的上層土壤NH4+-N含量顯著高于下層土壤（P<0.05），而9～10月上、下層土壤間NH4+-N含量差異縮小，多數(shù)未達(dá)顯著水平。

2.1.2 施肥方式對NO3–-N含量的影響由表3可知，3種施肥方式下稻田土壤的NO3–-N含量同樣存在明顯的生長季節(jié)變化格局，但峰值出現(xiàn)的時期不同。除CF的下層土壤外，其他所有施肥處理的稻田土壤NO3–-N含量均在9月最高，且與其他月份間差異顯著（P<0.05）。

相同生長季節(jié)不同施肥方式對同一層次稻田土壤NO3–-N含量產(chǎn)生不同的影響，CF和CF+OF處理各月的上層土壤NO3–-N含量間無顯著差異（P>0.05），但二者8月和9月土壤NO3–-N含量顯著低于OF處理。此外，CF處理的土壤在6月存在明顯的NO3–-N積累期，而OF和CF+OF處理的土壤并未表現(xiàn)出相似規(guī)律。

不同施肥處理影響了上、下層土壤NO3–-N含量的空間分布，從表3可知，CF和CF+OF上、下層土壤間NO3+-N含量沒有明顯的空間分布規(guī)律，但OF的上層土壤NO3–-N含量高于同期下層。

此外，稻田土壤無機(jī)氮含量各個月份多以NH4+-N為主。CF、OF、CF+OF處理的3種稻田的上層土壤NH4+-N含量在無機(jī)氮中的比例變化范圍分別為47.3%～94.1%、16.5%～94.6%和56.5%～94.9%；下層土壤分別為31.2%～89.6%、31.3%～84.7%和3.4%～90.9%。

2.2 施肥方式對土壤氮素凈硝化率與凈礦化率的影響

2.2.1 施肥方式對土壤氮素凈硝化率的影響 3種施肥方式下稻田土壤氮素的凈硝化存在明顯的生長季節(jié)變化，但最適宜硝化的時期和硝化強(qiáng)度卻因施肥方式而異（表4）。3種施肥方式上層土壤最適宜硝化的時期均出現(xiàn)在8月，且CF和OF兩個處理在7月也存在較強(qiáng)的硝化過程。CF、OF、CF+OF上層的最大凈硝化率分別為（0.52±0.04） mg/（kg·d）、（0.37±0.01） mg/（kg·d）和（0.03±0.01） mg/（kg·d）。而下層土壤硝化過程與上層土壤并不同步，其中CF下層土壤8月硝化作用最強(qiáng)烈，而OF下層土壤7月硝化作用最強(qiáng)烈。

統(tǒng)計(jì)分析表明，CF、OF處理的稻田上、下層土壤氮素在各個月份間的凈硝化率均存在顯著差異（P<0.05），而CF+OF處理僅個別月份間的凈硝化率差異顯著（P<0.05）。

稻田土壤氮素的凈硝化空間垂直變異同樣受到施肥方式的影響，其中，CF、OF兩種施用化肥的處理上、下層土壤凈硝化率存在明顯的空間分異，CF處理的上層土壤氮素凈硝化率在生長季的6～8月均顯著高于下層土壤（P<0.05），OF處理在6、8、9月上、下層土壤間的氮素凈硝化率存在顯著差異（P<0.05）。此外，各施肥處理上層土壤多數(shù)月份表現(xiàn)出NO3–-N的凈釋放過程，而下層土壤的NO3–-N凈固持過程逐漸增多。

2.2.2 施肥方式對土壤氮素凈礦化率的影響從表5可以看出，3種施肥方式下稻田上層土壤氮素礦化的生長季節(jié)變化趨勢基本一致，6～8月氮礦化過程強(qiáng)烈，生長季末期（9月）存在明顯的氮固持效應(yīng)，且最大氮素凈礦化率均發(fā)生在7月，CF、OF、CF+OF上層的最大氮素凈礦化率分別為（0.92±0.09） mg/（kg·d）、（0.81±0.10） mg/（kg·d）和（0.52±0.02） mg/（kg·d），下層土壤分別為（0.10±0.04） mg/（kg·d）、（0.37±0.02） mg/（kg·d）和（0.50±0.05） mg/（kg·d）。

同土壤氮素凈硝化率相比，3種施肥方式的土壤氮素凈礦化率垂直空間變異特征更為明顯，除9月的CF和7、9月的CF+OF以外，3種施肥方式的上層與下層土壤氮素凈礦化率之間均存在顯著差異（P<0.05）。此外，在生長季中前期，CF的下層土壤氮素凈礦化率明顯低于OF，表明有機(jī)肥施用有利于深層土壤的氮礦化過程。

3 討論

3種施肥方式下稻田土壤氮素凈礦化率范圍為-0.11～0.92 mg/（kg·d），與Westbrook等[14]以生長季中某一時段的研究結(jié)果不同，本研究結(jié)果變化范圍較寬。造成這種結(jié)果的主要原因在于它涵蓋了4個月的礦化特征，而其月份間環(huán)境條件變化懸殊。土壤溫度升高有利于氮素礦化[15]，本研究結(jié)果表明，6～8月具有較高的氮素凈礦化率，而9月氮素凈礦化率較低，這是受到溫度條件限制的結(jié)果。本研究中，3種施肥方式的稻田上層土壤生長季（6～8月）氮素凈礦化率均大于零，表明土壤氮礦化過程比氮的固持過程更為活躍。雖然該稻田土壤尚未出現(xiàn)氮限制，但施肥方式不同，土壤氮礦化能力存在較大的差異，OF表現(xiàn)出較高的氮礦化能力，而CF+OF的氮礦化能力較弱。分析認(rèn)為，3種施肥方式間氮礦化差異主要是由于土壤中肥料構(gòu)成及其比例的差異導(dǎo)致的。從試驗(yàn)條件來看，3種施肥方式的稻田地具有相同的土壤類型與相同的稻田管理措施，且處于相同的氣象環(huán)境條件下，最大的差異主要來源于土壤施肥的種類和肥料構(gòu)成比例。施肥的不同導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH以及有效磷、有效鉀等成分的差異，進(jìn)而影響到微生物活性，最終影響到土壤氮的礦化過程。郝曉暉等[16]研究表明，無機(jī)肥和有機(jī)肥配施可顯著提高南方稻田土壤氮礦化速率，這與本次研究結(jié)果不一致。

有研究表明，無機(jī)氮含量的季節(jié)變化一般規(guī)律是春、夏季升高，夏季后期下降，秋季略微升高，5、6月為礦化活躍期[17，18]。從本研究結(jié)果來看，生長季前期和中期（6～8月）是各施肥方式下稻田土壤有機(jī)氮礦化的礦化活躍期，與前人結(jié)果有所差異。稻田土壤生態(tài)環(huán)境與旱地和林地存在顯著差異，整個生長季稻田一直處于多水的厭氧條件。在春秋季節(jié)，水稻根的通氣能力有限，厭氧環(huán)境導(dǎo)致稻田土壤有機(jī)氮礦化過程受限，但在生長季中期，水稻根系強(qiáng)大的通氣能力有利于土壤中氧氣條件的改善，因此促進(jìn)了有機(jī)氮的礦化過程。同時，該時期正值北方溫度最高的季節(jié)，也利于好氧微生物活性提高。由此可見，溫度與土壤空氣條件是稻田土壤氮礦化季節(jié)變化格局重要的控制因子。

稻田土壤存在較大的垂直空間異質(zhì)性。本試驗(yàn)中3種稻田生態(tài)系統(tǒng)（施用無機(jī)肥、施用有機(jī)肥、無機(jī)肥和有機(jī)肥配施）同質(zhì)土壤的上、下各10 cm的兩個土層中，無機(jī)氮的凈礦化和凈硝化過程都存在明顯的差異，上層土壤的礦化作用明顯強(qiáng)于下層土壤。一般來說，較高的氮素礦化速率是由于土壤具有較高的生物活性，而高生物學(xué)活性可歸因于土壤中較高的有機(jī)碳和全氮含量[19-21]。本研究的3種稻田生態(tài)系統(tǒng)上層土壤具有較高的土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮含量。豐富的有機(jī)質(zhì)資源和大量的微生物數(shù)量為土壤氮礦化創(chuàng)造了良好的條件。這種層次間礦化的差異性表明，在研究土壤礦化過程時，土層深度的選擇十分重要，培養(yǎng)管越長，土壤異質(zhì)性越明顯，礦化測定的結(jié)果會偏低，同時也相應(yīng)增加了試驗(yàn)誤差。

4 結(jié)論

1）3種施肥方式下稻田土壤氮礦化與硝化作用存在明顯的生長季節(jié)特征。6～8月土壤氮礦化和硝化作用較強(qiáng)，該時期單施無機(jī)肥、單施有機(jī)肥、有機(jī)肥和無機(jī)肥配施處理的稻田最大礦化率分別為（0.92±0.09）mg/（kg·d）、（0.81±0.10）mg/（kg·d）和（0.52±0.02）mg/（kg·d）。

2）3種施肥方式下稻田土壤氮礦化、硝化過程存在明顯的空間垂直變異，上層土壤氮礦（硝）化作用明顯強(qiáng)于下層土壤。

3）3種施肥方式下稻田土壤的氮礦（硝）化作用強(qiáng)度存在明顯差異。單施化肥或有機(jī)肥的氮礦化能力高于化肥與有機(jī)肥配施的稻田土壤。

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（責(zé)任編輯呂海霞）