旱地夏閑期間土壤氮素礦化特性的變化

馬樂樂，夏夢潔，蔣永吉，周建斌

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

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旱地夏閑期間土壤氮素礦化特性的變化

馬樂樂，夏夢潔，蔣永吉，周建斌

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

摘要：采用間歇淋洗好氣培養(yǎng)法測定了黃土區(qū)旱地不同土壤及施氮量下夏季休閑前后土壤氮素礦化累積量，分析了旱地夏休閑期間土壤氮素礦化特性的變化。結(jié)果表明：與休閑前相比，休閑后土壤氮素礦化累積量顯著降低，長武及楊凌試點(diǎn)土壤分別降低了29.52%及7.15%；長期不施氮肥處理休閑后土壤累積礦化氮量顯著降低，而長期施用氮肥處理休閑前后土壤累積礦化氮量間的差異未達(dá)顯著水平。相關(guān)分析表明，休閑前土壤氮素礦化累積量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量間有顯著正相關(guān)關(guān)系。采用雙組分一級動力學(xué)方程擬合的土壤易礦化氮礦化勢休閑前后長武及楊凌試點(diǎn)土壤分別降低了85%及66%，可見夏季休閑顯著促進(jìn)了旱地土壤易礦化氮的礦化。

關(guān)鍵詞：夏休閑；旱地；氮素礦化累積量；氮礦化勢

但夏季休閑期間氣溫高、降雨量充足，養(yǎng)分特別是氮素容易發(fā)生損失[5-6]。自20世紀(jì)80年代以來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥用量的增加，作物收獲后殘留在土壤中的肥料氮隨之增加，夏季休閑期間氮素的淋溶損失已引起一些研究者的關(guān)注[7-8]。應(yīng)該看到，休閑期間的高溫與多雨也會促進(jìn)土壤有機(jī)氮庫的礦化，釋放的氮素可能增加氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)，但關(guān)于夏季休閑前后對土壤有機(jī)氮礦化特性的定量研究還少見報(bào)道。因此，本研究采用評價(jià)土壤氮素礦化特性的常用方法——Stanford間歇淋洗法[9]，研究了旱地冬小麥夏季休閑前后耕層土壤有機(jī)氮礦化特性的變化以及施肥量對它的影響，旨在為旱地土壤氮素管理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試土壤

供試土樣分別于2013年小麥?zhǔn)斋@后及夏季休閑結(jié)束后采集于陜西省長武縣洪家鎮(zhèn)王東村和陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站。陜西省長武縣王東村(東經(jīng)107°40′、北緯35°14′)位于黃土高原中南部典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。該地區(qū)海拔1 227 m，地勢平坦，多年平均降雨量為580 mm，季節(jié)間差異較大，降水主要集中在7—9月，年均蒸發(fā)量1 500 mm；年均氣溫9.1℃，無霜期171 d。土壤為黃蓋粘黑壚土。小麥?zhǔn)斋@后在該村不同位置隨機(jī)選取5個(gè)田塊(分別用A、B、C、D及E表示)，旨在代表研究區(qū)域土壤肥力及施肥狀況；同一田塊多點(diǎn)采集耕層土壤樣品，組成混合樣；休閑結(jié)束后再采集相應(yīng)田塊土壤樣品。休閑前后的土樣采集時(shí)間分別為2013年7月8日及9月5日。休閑期間(2013-07-08—2013-09-05)的降雨量為287.1 mm。

陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站位于黃土高原南部，地處渭河三級階地，海拔520 m左右，年平均氣溫12.9℃，降雨量632 mm左右，且主要集中于7、8、9三個(gè)月，年均蒸發(fā)量為1 400 mm，屬于半濕潤易干旱地區(qū)，土壤類型為土墊旱耕人為土。本試驗(yàn)以連續(xù)11年的肥料及栽培模式長期定位試驗(yàn)不同處理土壤為研究對象，采集該試驗(yàn)常規(guī)栽培模式下3個(gè)施氮水平(即0，120 kg·hm-2和240 kg·hm-2)的耕層土壤為供試土樣。休閑前后的采樣時(shí)間分別為2013年6月12日及9月27日。休閑期間(2013-06-12—2013-09-27)的降雨量為207.4 mm。

土樣采回后采用常規(guī)方法處理，測定土壤有機(jī)質(zhì)及全氮含量(表1)。

表1　供試土樣耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量

1.2好氣培養(yǎng)試驗(yàn)

以上述供試土壤為對象，采用Stanford 和Smith[10]提出的好氣培養(yǎng)法測定土壤礦化氮含量。具體方法為：稱取15 g風(fēng)干土樣與等量石英砂混合，用玻璃棒攪拌均勻后，將此混合物放在預(yù)先內(nèi)置一個(gè)玻璃球、15 g石英砂、上墊一層玻璃絲的50 ml培養(yǎng)管內(nèi)?；旌衔锛尤牒?，再在上面蓋一層玻璃絲和石英砂，以防淋洗時(shí)沖濺土壤，裝好后輕震幾下。用100 ml 0.01 mol·L-1的CaCl2分4次淋洗土壤中起始礦質(zhì)氮。此后加入25 ml無氮營養(yǎng)液(0.002 mol·L-1CaSO4·2H2O；0.002 mol·L-1MgSO4；0.005 mol·L-1Ca(H2PO4)2；0.0025 mol·L-1K2SO4的混合液)。培養(yǎng)管口用塑料膜密封，多余水分在6 kPa負(fù)壓下抽去。然后，在塑料膜上扎兩個(gè)小孔，保持試管良好通氣。培養(yǎng)管置35℃±1℃恒溫培養(yǎng)箱中，預(yù)培養(yǎng)1周后，如上法淋洗礦化氮、加無氮營養(yǎng)液和抽氣，然后繼續(xù)培養(yǎng)，并于設(shè)定時(shí)間再次淋洗其礦化氮。各次淋洗液分別收集，測定其中的礦化氮(NO3--N+NH4+-N)，測定結(jié)果分別記錄。

本試驗(yàn)分別于培養(yǎng)后1、2、4、6、8、10、14、16、20、24、28周和32周進(jìn)行淋洗，并收集淋洗液，用連續(xù)流動分析儀測定其中NO3--N和NH4+-N的含量。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Richter與Nuske(1980)提出的雙組分模型擬合，將土壤氮素礦化過程分為易礦化及難礦化兩部分，即：

Nt=N1[1-exp(-k1t)]+N2[1-exp(-k2t)]

式中，N1與N2分別為易礦化氮礦化勢和難礦化氮礦化勢；k1、k2分別為易、難礦化速率[11-12]。易礦化氮礦化勢N1指土壤易礦化氮部分最大礦化量，其礦化速率k1較高，表征土壤在較短時(shí)間內(nèi)的供氮能力，對于評價(jià)土壤氮素礦化損失量有重要價(jià)值；難礦化氮礦化勢N2表征土壤難礦化氮部分最大礦化量，其礦化量較高但礦化速率k2很小，表征土壤在較長時(shí)間內(nèi)的供氮能力[13]。

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007、Sigmaplot12.5及SAS Version 8.1 for Windows 軟件進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1夏休閑對長武試點(diǎn)旱地農(nóng)田土壤氮素礦化的影響

由圖1可以看出，五塊農(nóng)田休閑前土壤培養(yǎng)32周氮素礦化累積量在95.60～140.60 mg·kg-1之間，平均107.42 mg·kg-1，休閑前土壤礦化累積量較高，約占土壤全氮的12.79%；休閑后為63.66～97.97 mg·kg-1，平均75.71 mg·kg-1，占土壤全氮的9.01%，比休閑前降低了31.71 mg·kg-1，降低幅度為29.52%。各培養(yǎng)時(shí)期土壤氮素礦化累積量均為休閑前高于休閑后，方差分析顯示各樣地氮素礦化累積量休閑前與休閑后均達(dá)到顯著差異(P<0.05)。

圖1夏季休閑前后長武試點(diǎn)不同田塊土壤氮素礦化累積量的變化

Fig.1Changes of cumulative mineralized N in different farmlands soil during the summer fallow season(Changwu)

利用雙組分模型對休閑前后土壤氮素礦化累積量擬合的氮素礦化參數(shù)見表2。可以看出，雙組分模型可以很好地?cái)M合土壤氮素礦化過程，模擬方程及參數(shù)均達(dá)到顯著水平(R2為0.993～0.997)。休閑后各田塊土壤易礦化氮礦化勢均明顯降低，休閑前在10.57～44.03 mg·kg-1范圍，休閑后降低到0～5.45 mg·kg-1，其中田塊D的降低最多，從40.02 mg·kg-1降低到5.31 mg·kg-1；而休閑后各田塊土壤難礦化氮礦化勢均明顯增加，平均由休閑前的151.62 mg·kg-1增加到170.44 mg·kg-1。

2.2夏休閑對不同施氮量下土壤氮素礦化的影響

由圖2可以看出，夏季休閑對不同施氮處理土壤氮素累積礦化量的影響不同，長期未施氮肥處理(N0)休閑后土壤氮素累積礦化量顯著降低，降低幅度達(dá)24.98%；而長期施用氮肥處理(N120和N240)休閑前后土壤氮素礦化累積量無顯著變化。與N120相比，N240處理土壤氮素累積礦化量也未表現(xiàn)出增加的趨勢。

表2　長武試點(diǎn)不同田塊土壤氮素礦化的一級動力學(xué)方程參數(shù)

圖2夏季休閑前后楊凌試點(diǎn)不同施氮量土壤氮素礦化累積量的變化

Fig.2Changes of cumulative mineralized N in different soils during the summer fallow season (Yangling)

由雙組分模型擬合的休閑前后土壤氮素礦化參數(shù)(表3)可以看出，休閑后不同施氮處理土壤易礦化氮礦化勢明顯降低，其中N0處理降低幅度顯著高于其它處理，休閑前其易礦化氮礦化勢為11.86 mg·kg-1，休閑后則降為0； N240和N120處理休閑后較之休閑前分別降低了5.30 mg·kg-1和0.47 mg·kg-1；而休閑后各處理土壤難礦化氮礦化勢均明顯增加，N240、N120和N0處理分別增加了63.74、11.99 mg·kg-1和46.04 mg·kg-1，N240處理增加幅度最大。與N120相比，N240處理土壤易礦化氮礦化勢及難礦化氮礦化勢均有不同程度增加。

表3　不同氮肥處理土壤氮素礦化的一級動力學(xué)方程參數(shù)(楊凌)

2.3土壤氮素礦化累積量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮間的相關(guān)性

相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(圖3)，休閑前土壤氮素礦化累積量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而休閑后土壤氮素礦化累積量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量的相關(guān)性未達(dá)顯著水平。

圖3休閑前后土壤氮素礦化累積量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的相關(guān)性

Fig.3Correlation between cumulative mineralized N and SOM, TN during the summer fallow

3討論

3.1旱地夏休閑前后土壤氮素礦化特性

本研究發(fā)現(xiàn)，與休閑前相比，休閑后土壤氮素累積礦化量多不同程度降低，這與夏季休閑期間高溫多雨，利于土壤有機(jī)氮礦化有關(guān)，說明采用夏季休閑，會增加土壤有效氮含量，改善土壤氮素供應(yīng)，這與前人的研究結(jié)果一致[5-6]。與前人相比，本研究應(yīng)用Richter與Nuske[11-12]提出的雙組分一級動力學(xué)模型擬合了休閑前后土壤氮素礦化特性。該模型將土壤有機(jī)氮分為易礦化和難礦化兩部分，易礦化氮礦化勢指土壤易礦化氮部分最大礦化量，表征土壤在較短時(shí)間內(nèi)的供氮能力，對于評價(jià)土壤氮素礦化損失量有重要價(jià)值；難礦化氮礦化勢指土壤難礦化氮部分最大礦化量，可以表征土壤在較長時(shí)期內(nèi)的潛在供氮能力[13]?？梢钥闯?，夏季休閑主要降低了土壤易礦化氮的礦化勢。

本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，休閑前土壤氮素礦化累積量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[14-15]，說明土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤氮素礦化累積量越高。而休閑后土壤氮素礦化累積量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量的相關(guān)性未達(dá)顯著水平，這與休閑后土壤易礦化氮的礦化釋放有關(guān)。

與休閑前相比，除楊凌試點(diǎn)長期施用氮肥處理(N120及N240)外，其他土樣休閑后土壤氮素累積礦化量降低幅度在25%～30%之間。礦化的氮素轉(zhuǎn)化為礦質(zhì)氮，一方面改善了土壤有效氮的含量；另外一方面，由于夏閑期間高溫多雨，土壤礦質(zhì)氮含量的大量增加也增大了氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)。趙偉[18]的研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原南部不同肥力旱地土壤夏季休閑期間損失的氮素占小麥?zhǔn)斋@后殘留肥料氮量的比例在19%～48%之間。一些研究發(fā)現(xiàn)[19-20]，休閑期地表覆蓋或種植一些生長期較短填閑植物可以減少水分入滲，從而減少氮素淋失。因此，有必要進(jìn)一步研究黃土區(qū)旱地夏季休閑期間礦化氮的去向及調(diào)控技術(shù)。

3.2夏休閑對不同施氮量下土壤氮素礦化的影響

王媛等[21]對陜西關(guān)中地區(qū)小麥-玉米輪作一年兩熟體系土壤氮素礦化特性的研究發(fā)現(xiàn)，與長期未施肥土壤相比，長期施用NPK肥顯著提高了這一體系土壤供氮強(qiáng)度。而本研究中，與長期未施用氮肥處理相比，長期施用氮肥處理(N120及N240)并未顯著增加土壤氮素礦化累積量，這可能與小麥-玉米輪作體系一年兩熟，歸還土壤有機(jī)物含量高有關(guān)[7]值得注意的是，長期未施用氮肥處理(N0)夏閑后土壤氮素礦化累積量明顯降低，而長期施用氮肥處理(N120及N240)，休閑前后土壤氮素礦化累積量無顯著差異；雙組分一級動力學(xué)模型的擬合結(jié)果表明，休閑后N120及N240處理土壤易礦化氮的含量雖然有所降低，但其值仍然高于長期未施氮肥處理(N0)，說明長期施用氮肥在一定程度上改善了土壤供氮能力，提高了土壤氮庫的緩沖能力，相應(yīng)的機(jī)理值得進(jìn)一步研究。

3.3好氣培養(yǎng)法與雙組分一級動力學(xué)模型應(yīng)用效果

本研究是在室內(nèi)特定條件下進(jìn)行的培養(yǎng)試驗(yàn)，其溫度和濕度均利于微生物的活動，促進(jìn)氮素的礦化，氮素礦化累積量要高于田間實(shí)際情況，但其對氮素礦化性能的測定是有價(jià)值的。李生秀研究表明[9]Stanford間歇淋洗法培養(yǎng)所礦化的氮素與作物吸氮量或?qū)Φ史磻?yīng)有非常密切關(guān)系，可以較好地體現(xiàn)土壤的供氮能力。模型擬合結(jié)果表明，雙組分模型可以很好地?cái)M合土壤氮素礦化過程，模擬方程及參數(shù)均達(dá)到顯著水平，R2均在0.99以上。模型擬合只能預(yù)測土壤氮素礦化總的趨勢，并不能反映某一階段礦化量的變化，但能在種植作物以前估計(jì)出土壤氮素凈礦化量確定土壤氮素礦化潛勢[22]；同時(shí)雙組分模型擬合得到的氮素礦化勢可以反映土壤有機(jī)氮庫各組分礦化動態(tài)[11-12]，許多研究表明雙組分模型對氮素礦化累積有更好的模擬效果，特別是對全氮含量較高的黃土地區(qū)土墊旱耕人為土氮素礦化過程擬合效果相對較好[14,16]。所以本研究通過培養(yǎng)試驗(yàn)得到休閑前后土壤氮素礦化特性，可以在一定程度反映黃土區(qū)旱地農(nóng)田夏閑期氮素的礦化情況以及影響因素，了解夏休閑對土壤氮素養(yǎng)分活化的作用，為該地區(qū)田間氮素管理提供一定的理論依據(jù)。

4結(jié)論

休閑前土壤氮素礦化累積量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系。與休閑前相比，休閑后土壤氮素累積礦化量多不同程度降低，這與夏季休閑期間高溫多雨，利于土壤有機(jī)氮礦化有關(guān)；采用雙組分一級動力學(xué)模型擬合結(jié)果表明，夏季休閑主要降低了土壤易礦化氮的礦化勢。黃土區(qū)旱地夏季休閑期間礦化氮的去向問題值得關(guān)注。

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Change of soil nitrogen mineralization in dryland during the summer fallow

MA Le-le, XIA Meng-jie, JIANG Yong-ji, ZHOU Jian-bin

(CollegeofNaturalResourceandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,KeyLaboratoryofPlantNutritionand

theAgri-environmentinNorthwestChina,MOA,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：The Stanford and Smith aerobic incubation method was used to study the changes of nitrogen (N) mineraization from soils from farmer's fields and by nitrogen application treatments before and after summer fallow in the Loess Plateau. Compared to that before summer fallow, soil N mineralization after summer fallow in Changwu and Yangling was decreased by 29.52% and 7.15%, respectively. The cumulative mineralized N also was decreased significantly in long-term non-N fertilization after summer fallow. However, significant differences were detected for the two different N fertilization treatments. Correlation analysis showed significant positive correlations between the cumulative mineralized N and soil organic matter and total N before summer fallow. Two pools of first-order kinetic equation were used to model the curves of N mineralization from different soils. The results indicated that mineralized N potential (N1) in soils of Changwu and Yangling after summer fallow were decreased by 85% and 66%, respectively. Therefore, summer fallow significantly reduced the mineralization of N in soil.

Keywords:summer fallow; dry land; cumulative mineralized N; N mineralization potential

中圖分類號：S153.6; S158.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：周建斌(1964—)，男，教授，主要從事植物營養(yǎng)與旱地水肥調(diào)控研究。 E-mail:jbzhou@nwsuaf.edu.cn。

作者簡介：馬樂樂(1988—)，女，甘肅禮縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹参餇I養(yǎng)與調(diào)控。E-mail: malelemml@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31372137)及國家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD15B04)

收稿日期：2015-01-08

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.14

文章編號：1000-7601(2016)01-0087-06