溫度對(duì)不同年限日光溫室土壤氮素礦化特性的影響

王士超， 周建斌， 陳竹君， 滿 俊

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

溫度對(duì)不同年限日光溫室土壤氮素礦化特性的影響

王士超， 周建斌*， 陳竹君， 滿 俊

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

【目的】日光溫室作為具有我國(guó)特色的一種高強(qiáng)度的栽培方式，過(guò)量施肥問(wèn)題突出。隨著溫室栽培在我國(guó)北方地區(qū)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，由此帶來(lái)的土壤退化和地下水污染問(wèn)題值得關(guān)注。不少研究表明，隨著日光溫室栽培年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量不斷增加；且溫室栽培中的土壤溫度與露地存在很大差異，其土壤氮素礦化特性如何，尚缺乏研究?！痉椒ā勘狙芯恳晕挥邳S土高原南部陜西省楊凌示范區(qū)不同栽培年限的日光溫室土壤為研究對(duì)象，采用室內(nèi)好氣培養(yǎng)法(84 d)測(cè)定不同培養(yǎng)溫度(20℃和30℃)對(duì)不同年限溫室(0_3年)土壤0—20 cm及20—40 cm土層氮素礦化量，采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合土壤氮素礦化曲線，根據(jù)土壤氮礦化勢(shì)(N0)評(píng)價(jià)不同栽培年限溫室土壤氮素礦化特性。【結(jié)果】 1)隨著日光溫室栽培年限的增加，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量和氮素累積礦化量隨之顯著增加。2)30℃的土壤氮素累積礦化量高于20℃的礦化累積量；栽培年限長(zhǎng)的日光溫室礦化作用對(duì)溫度的敏感程度高于年限短的溫室。3)若溫度和栽培年限同時(shí)增加，土壤氮素累積礦化量隨之增加，說(shuō)明溫度和栽培年限對(duì)土壤氮素凈礦化量有一定的交互作用，但差異不顯著(P>0.05)。4)日光溫室栽培年限越長(zhǎng)，土壤氮礦化勢(shì)(N0)越大；與種植前相比，第2a、3a溫室土壤氮礦化勢(shì)增加了5.59和11.48倍。5)回歸分析表明，0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量每增加1 g/kg，20℃和30℃條件下土壤氮礦化勢(shì)(No)分別增加2.70及3.18 mg/kg；土壤全氮含量每增加1 g/kg ， No分別增加37.28及43.12 mg/kg?！窘Y(jié)論】日光溫室土壤氮素礦化量隨其栽培年限的增加顯著增加；培養(yǎng)溫度由20℃增加到30℃，土壤氮素礦化量也明顯增加，日光溫室栽培年限和溫度對(duì)土壤氮礦化有一定的正交互效應(yīng)。因此，在日光溫室氮素管理中應(yīng)考慮栽培年限和溫度對(duì)土壤氮素礦化的影響，以采取針對(duì)性的氮素管理措施。

日光溫室； 溫度； 土壤氮素礦化； 栽培年限

西北地區(qū)具有溫差大、生態(tài)類(lèi)型多樣以及氣候干旱等特點(diǎn)，是發(fā)展節(jié)能型日光溫室的優(yōu)勢(shì)區(qū)域[1]。截至2011年底，西北地區(qū)節(jié)能型日光溫室的面積占全國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積的8%，陜西約為5.33×104hm2[2]；目前，以日光溫室為代表的設(shè)施栽培方式在西北地區(qū)還在不斷發(fā)展，以陜西省為例，2009年起實(shí)施了“百萬(wàn)畝設(shè)施蔬菜工程”。而農(nóng)民為獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，盲目過(guò)量施肥[3]，造成了土壤養(yǎng)分的大量累積，尤以氮的累積問(wèn)題突出[4-5]。日光溫室溫度較高，室內(nèi)土壤水分蒸發(fā)量相對(duì)較大，且隨著栽培年限的延長(zhǎng)，過(guò)量施肥后導(dǎo)致土壤中殘留肥料量越來(lái)越高[6-7]，由此也帶來(lái)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[8]。

土壤有機(jī)態(tài)氮約占土壤全氮量的90%以上，因此，其礦化特性是影響土壤氮素供應(yīng)的關(guān)鍵過(guò)程[9]。溫度是影響土壤氮礦化的最主要的環(huán)境因子之一[10]，在一定溫度范圍內(nèi)(-4_40℃)，土壤氮礦化速率隨溫度的升高而增加[11]。室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的研究表明，在5_35℃之間，氮礦化速率與溫度呈正相關(guān)[12]。升溫對(duì)土壤氮的礦化有利，同時(shí)也有利于作物吸收礦質(zhì)氮。土壤氮礦化量可反映氮的礦化能力，礦化量與土壤全氮和有機(jī)氮含量呈顯著正相關(guān)[13]。在不同區(qū)域，土壤類(lèi)型不同，氮礦化的溫度最適范圍也不相同。目前，關(guān)于土壤氮素礦化過(guò)程的影響因素的研究主要集中于農(nóng)田土壤[14-15]，對(duì)日光溫室土壤氮素礦化特性的研究很少，而且在日光溫室栽培條件下，相對(duì)封閉的栽培條件決定了溫室土壤溫度的變化規(guī)律與露地存在很大差異；且隨著栽培年限的增加，日光溫室土壤累積的有機(jī)質(zhì)量不斷增加，其氮素礦化特性如何，尚缺乏研究。因此，日光溫室栽培條件下溫度對(duì)土壤氮素礦化特性的影響，是值得研究的問(wèn)題。

本研究以陜西楊凌不同栽培年限的日光溫室土壤為研究對(duì)象，采用好氣培養(yǎng)法研究了日光溫室土壤氮素礦化特征，旨在為養(yǎng)分高效與溫室環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)和日光溫室蔬菜生產(chǎn)中氮肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自黃土高原南部陜西楊凌農(nóng)業(yè)高新科技示范區(qū)大寨、五泉兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，當(dāng)?shù)貙俅箨懶约撅L(fēng)氣候，海拔 520 m左右，年均降水量約 660 mm，集中于7_9月，年均溫度為12.9℃，土壤為土。當(dāng)?shù)厝展鉁厥医ㄅ飼r(shí)間在2009_2010年之間，建棚時(shí)將原農(nóng)田土壤的表層土移走用于堆砌保溫土墻，因此，溫室內(nèi)表層土壤養(yǎng)分含量較低。單個(gè)日光溫室面積多在350_700 m2之間，種植蔬菜種類(lèi)為番茄，一般每年10月份左右定植，第二年6月底拉秧；番茄產(chǎn)量在100_180 t/hm2之間，平均145 t/hm2 [4, 16]。該區(qū)域施用的有機(jī)肥以雞糞和牛糞為主，極少數(shù)農(nóng)戶施用豬糞、沼渣及羊糞，每年施用量為142 t/hm2。氮、磷、鉀化肥用量分別為690 kg/hm2、720 kg/hm2和759 kg/hm2，其中氮肥、鉀肥部分作基肥，其余的作追肥分 5_7次施用，磷肥和有機(jī)肥作基肥于整地前一次施入。

選擇3個(gè)2009年新建日光溫室作為研究對(duì)象，于種植前和種植后2年、3年(即2009、2011和2012年)，每年6月下旬在種植的蔬菜收獲后，分別采集0—20 cm和20—40 cm 土層土壤樣品，土樣剔除番茄根茬后風(fēng)干過(guò)1 mm篩，用于培養(yǎng)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)種植年限和溫度兩個(gè)因素，種植年限包括0年(0a)、2年(2a)和3年(3a)，溫度設(shè)20℃和30℃ ，共組成6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。

稱(chēng)取過(guò)1 mm孔篩的風(fēng)干土樣100.0 g于300 mL的塑料瓶中，按70%的田間持水量加水后，用已打孔的塑料薄膜封口，分別置于20℃和30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每3_4 d 稱(chēng)重1次，補(bǔ)充損失的水分。分別在培養(yǎng)的第0、3 d、7 d、14 d、28 d、42 d、56 d、70 d和84 d，從每個(gè)處理的各個(gè)重復(fù)中取出5.0 g新鮮土樣，測(cè)定土壤礦質(zhì)氮含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤氮素礦化量=培養(yǎng)后無(wú)機(jī)氮含量-培養(yǎng)前無(wú)機(jī)氮含量

土壤氮礦化單因素指數(shù)模型Nt=N0(1-ek0t)

式中：Nt是培養(yǎng)時(shí)間t時(shí)氮礦化量(mg/kg)；N0是礦化勢(shì)(mg/kg)；k0為礦化速率常數(shù)；t為礦化時(shí)間(d)。

用SASforWindows(version8.0)進(jìn)行方差分析和顯著性測(cè)驗(yàn)，Sigmaplot(version12.0)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培年限的土壤基本肥力性狀

表1表明，0—20cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量介于8.7_26.5g/kg，2a、3a分別比種植前土壤高 62.07%和204.60%；土壤全氮含量2a、3a比種植前土壤分別高0.38和1.22倍。可見(jiàn)，3a土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均顯著高于種植前土壤。

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)1%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 1% level.

2.2 土壤氮素累積礦化量

圖1顯示，0—20 cm 土壤中，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同栽培年限溫室土壤氮素累積礦化量均呈增加的趨勢(shì)，其中栽培年限越長(zhǎng)，土壤氮素累積礦化量越高。2a和3a分別比種植前高2.16倍和10.21倍；兩個(gè)溫度水平相比，30℃條件下土壤氮素累積礦化量高于20℃的礦化累積量，與種植前相比，栽培3a和2a的氮素累積礦化量在不同溫度間的差異均達(dá)到顯著水平(P<0.01)。栽培3a溫室在30℃時(shí)的氮素累積礦化量與20℃相比增加了4.68 mg/kg，2a和0a分別增加了1.59和0.91 mg/kg。表明栽培年限長(zhǎng)的日光溫室礦化作用對(duì)溫度的敏感程度高于栽培年限短的溫室；土壤溫度和栽培年限對(duì)凈氮礦化累積量有一定的正交互作用，但差異不顯著(P>0.05)。若溫度和栽培年限同時(shí)增加，土壤氮素累積礦化量隨之增加，在栽培年限長(zhǎng)的情況下，溫度的效果更為突出。

從圖1中還可以看出，在20℃和30℃培養(yǎng)條件下，土壤氮素礦化的趨勢(shì)基本一致。不同栽培年限溫室20—40 cm土層土壤氮素累積礦化量均低于0—20 cm土層，這與該土層土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低有關(guān)。

2.3 土壤氮素礦化模型

從單因素指數(shù)模型模擬結(jié)果(表2)可以看出，栽培年限越長(zhǎng)，0—20 cm土層土壤的氮礦化勢(shì)(N0)越大。與種植前相比，2a、3a土壤氮礦化勢(shì)(N0)分別增加了5.59和11.48倍。任意兩個(gè)年限之間的N0值差異均達(dá)到5%顯著水平。對(duì)于K0值，不同溫度之間差異不大；無(wú)論哪個(gè)栽培年限，隨著溫度的升高，氮礦化勢(shì)增大。同一年限兩個(gè)溫度處理間的N0差異未達(dá)到顯著水平。20—40 cm土壤氮礦化勢(shì)(N0)的變化趨勢(shì)與0—20 cm 土壤基本一致，同一栽培年限土壤N0為 0—20 cm >20—40 cm，說(shuō)明栽培年限長(zhǎng)的溫室土壤供氮能力高于栽培年限短的溫室土壤，提高溫度有利于土壤氮的礦化。

2.4 土壤氮礦化勢(shì)與有機(jī)質(zhì)及全氮含量的關(guān)系

由圖2可看出，不同溫度條件下土壤氮礦化勢(shì)(N0)與有機(jī)質(zhì)和全氮含量存在顯著的線性關(guān)系， 30℃條件下土壤氮礦化勢(shì)增加的幅度大于20℃。從回歸模型看，土壤有機(jī)質(zhì)含量每增加1 g/kg，20℃和30℃條件下土壤氮礦化勢(shì)(No)分別增加2.70 mg/kg和3.18 mg/kg；土壤全氮含量每增加1 g/kg，No分別增加37.28 mg/kg和43.12 mg/kg。

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同大寫(xiě)字母表示同一溫度不同年限土壤氮礦化勢(shì)差異達(dá)5%顯著水平，小寫(xiě)字母表示不同溫度同一年限土壤氮礦化勢(shì)差異達(dá)5%顯著水平Values followed by different capital letters in a column indicate in the same temperature of different cultivation years significant differences at the 5% level and different small letters indicate in the same cultivation year of different temperatures significant differences at the 5% level (Duncan’s multiple comparison test).

3 討論

3.1 溫度對(duì)土壤氮礦化的影響

有關(guān)溫度對(duì)土壤氮礦化的研究，國(guó)內(nèi)外已有大量報(bào)道。一般來(lái)說(shuō)，土壤溫度的升高對(duì)土壤氮素循環(huán)有促進(jìn)作用[17]。土壤氮素的礦化過(guò)程與土壤溫度密切相關(guān)[11]。趙長(zhǎng)盛等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在5_35℃范圍內(nèi)土壤氮素礦化速率與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系，而氨化作用隨著土壤溫度的升高而降低。對(duì)草地的研究發(fā)現(xiàn)，土壤氮素的礦化速率隨溫度的升高而增加[19]。Ineson等[20]利用野外增溫培養(yǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高增加了土壤氮礦化量。在5_35℃范圍內(nèi)，土壤氮素礦化速率與土壤溫度呈正相關(guān)[18, 21]。據(jù)張樹(shù)蘭等[22]的研究，20℃時(shí)，硝化作用進(jìn)程減慢，速率也隨之降低；而30℃是陜西土壤最適宜的硝化溫度。陳伏生等[23]對(duì)紅壤的研究表明，土壤溫度增加對(duì)提高土壤氨化速率和凈礦化速率有利。而關(guān)于溫度對(duì)不同年限日光溫室土壤氮礦化特性的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究結(jié)果表明，在20_30℃范圍內(nèi)，3個(gè)栽培年限的土壤氮礦化量隨著溫度的升高而增加，這是由于溫度升高增加了土壤微生物的數(shù)量[24]。相同栽培年限不同溫度處理對(duì)土壤氮礦化累積量的響應(yīng)差異未達(dá)顯著水平，而不同年限兩個(gè)溫度水平間土壤氮礦化累積量的變幅差異達(dá)到了極顯著水平，說(shuō)明溫度對(duì)栽培年限長(zhǎng)的日光溫室土壤氮礦化過(guò)程的影響更明顯。因此，在日光溫室氮素管理中應(yīng)考慮溫度對(duì)土壤氮素礦化作用的影響，如在溫度較低的冬季，土壤氮素礦化量低，為滿足作物對(duì)氮素的需要，可以適當(dāng)補(bǔ)充化肥氮；而在高溫的夏季，土壤氮素礦化量高，可適當(dāng)降低氮肥的用量。

3.2 栽培年限對(duì)土壤氮礦化的影響

利用長(zhǎng)期定位試驗(yàn)對(duì)水稻土(10℃、30℃培養(yǎng)56 d)的研究表明，長(zhǎng)期施肥明顯提高了土壤氮素含量，也可提高土壤累積礦化氮量和礦化速率[25]。本研究結(jié)果表明，栽培年限長(zhǎng)的溫室土壤氮礦化量高于年限短的土壤，這是因?yàn)橥寥赖V化量與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而隨著栽培年限的增加，氮素累積量也隨之增加[16, 26]。賀發(fā)云等[27]對(duì)菜地和糧田土壤的研究也表明，土壤氮素礦化量與全氮含量呈極顯著正相關(guān)。王簾里等[28]對(duì)旱地土壤(15_30℃培養(yǎng)15 d)研究表明，有機(jī)質(zhì)含量高的土壤累積凈氮礦化量高于低有機(jī)質(zhì)含量的土壤，且高有機(jī)質(zhì)含量的土壤氮礦化的溫度敏感性強(qiáng)，土壤累積礦化氮量與全氮和有機(jī)質(zhì)含量有顯著關(guān)系，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的含量是決定氮素礦化量的重要因素。

本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著栽培年限的增加，不僅提高了日光溫室土壤 0—20 cm土層土壤的礦化氮量，同時(shí)顯著提高了20—40 cm土層土壤的氮礦化量，無(wú)疑大大提高了土壤的供氮量。因此，隨著日光溫室栽培年限的增加，應(yīng)降低化學(xué)氮肥的用量，以避免氮素投入過(guò)量問(wèn)題。

4 結(jié)論

隨著培養(yǎng)溫度的增加，土壤氮礦化勢(shì)隨之增加；栽培年限長(zhǎng)的溫室土壤凈氮礦化累積量對(duì)溫度變化的響應(yīng)效果更為突出，栽培年限和溫度對(duì)土壤氮礦化有一定的正交互效應(yīng)。因此，在日光溫室氮素管理中應(yīng)考慮溫度對(duì)土壤氮素礦化的影響，以采取針對(duì)性的氮素管理措施。

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Effects of temperature on soil nitrogen mineralization in solar greenhouses with different cultivation years

WANG Shi-chao, ZHOU Jian-bin*, CHEN Zhu-jun, MAN Jun

(CollegeofNaturalResources&Environment，NorthwestA&FUniversity/KeyLaboratoryofPlantNutritionandtheAgri-environmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objectives】 Vegetables cultivated in solar greenhouse are under a very intensive and unique production system in China. However, over-application of fertilizers is very common. As the development of this system in north China, it results in a series of problems, including the degradation of soil properties, groundwater pollution. Many studies found that the content of soil organic matter was increased as the age of solar greenhouse. Unlike open fields, soil temperature in solar greenhouse is higher, and could affect nitrogen mineralization from the greenhouse soils. However, there is few research to study this topic. 【Methods】 Soil samples (0-20 cm and 20-40 cm layers) were collected from greenhouses with different ages (0, 2, and 3 years) in Yangling, Shaanxi which locates at the south edge of Loess Plateau. The contents of soil organic matter and total nitrogen were analyzed. An incubation method (84 d) was used to study effects of different temperatures (20℃ and 30℃) on soil nitrogen mineralization in the solar greenhouses. The first order reaction model was used to fit curve of soil N mineralization, and nitrogen mineralization potential (N0) was used to evaluate the soil N mineralization. 【Results】 1) The contents of soil organic matter, total N, and the accumulative mineralized N in different greenhouses are increased with the increase of greenhouse ages. 2) The soil mineralized N amount at 30 ℃ is higher than that at 20 ℃. The response of the mineralized N to temperature in soil with long cultivating history is higher than that in soil with short cultivating history. 3) As the increases of soil temperature and the cultivating history, the soil mineralized N amount is increased, and the soil N0is also increased. There is a positive interaction between soil temperature and the cultivating history, however, the difference is not significant. 4) Compared to the soil before planting crops, the N0values of soils with 2 and 3 years history are increased by 5.59 and 11.48 times, respectively. 5) The regression analysis indicates that the N0values of soils at 20 ℃ and 30 ℃ are increased by 2.70 and 3.18 mg/kg when soil organic matter is increased by 1 g/kg, and when soil total N content is increased by 1 g/kg, the N0values of soils at 20 ℃ and 30 ℃ are increased by 37.28 and 43.12 mg/kg, respectively. 【Conclusions】With the increase of cultivation year, the N mineralization from the greenhouses is increased significantly. When soil temperature increases from 20 ℃ to 30 ℃, the soil N mineralization is also increased. The accumulation of mineralized N of longer cultivated soil responses remarkably to the temperature changes. We conclude that when making sound N fertilizer recommendation for vegetable crops in solar greenhouses, the effects of temperature and cultivating history on the N mineralization from soil needs to be considered.

solar greenhouse; temperature；soil N mineralization；cultivation year

2013-12-31 接受日期： 2014-06-21

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題(2012BAD15B04)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(B12007)；中英農(nóng)業(yè)國(guó)際合作項(xiàng)目資助。

王士超(1978—)，女，河北保定人，博士，主要從事農(nóng)田物質(zhì)循環(huán)與環(huán)境研究。E-mail: wangschao@163.com * 通信作者 Tel: 029-87082793, E-mail: jbzhou@nwsuaf.edu.cn

S626.5；S135.6+1

A

1008-505X(2015)01-0121-07