冬牧70黑麥秸稈還田對煙田土壤氮素礦化的影響

吳元華++王永++石屹

摘要：采用田間原位培養(yǎng)法研究不同翻壓量的冬牧70黑麥秸稈對煙田土壤氮素礦化及無機(jī)氮釋放規(guī)律的影響。結(jié)果表明，翻壓后冬牧70黑麥的有機(jī)氮礦化釋放出銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，并呈階段性動態(tài)變化；翻壓冬牧70黑麥的氮凈礦化量均高于未翻壓的處理，其中最大翻壓量為60 000 kg/hm2，該處理與未翻壓處理差異極顯著；翻壓12周后，無機(jī)氮釋放減緩，氮素礦化趨于平穩(wěn)；土壤水分與氮素礦化速率呈顯著負(fù)相關(guān)，氮素礦化速率與培養(yǎng)前土壤初始礦質(zhì)氮呈極顯著負(fù)相關(guān)；硝化速率與土壤硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：冬牧70黑麥；秸稈還田；煙田；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；氮素礦化

中圖分類號： S572.06文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0506-03

由于長期大量施用化肥，我國黃淮煙區(qū)存在土壤板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量下降等現(xiàn)象，不僅限制煙葉質(zhì)量的提高，也不利于煙草的可持續(xù)發(fā)展。種植綠肥是煙田土壤改良的重要措施，還田后具有增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、更新土壤腐殖質(zhì)組成、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)、減少水土流失、改善生態(tài)環(huán)境等作用[1-5]。一年生冬牧70黑麥（Secale cerale）是禾本科綠肥，產(chǎn)量高，具有增加土壤有機(jī)質(zhì)的作用，是適于黃淮煙區(qū)種植的綠肥作物[6-7]。

綠肥一般具有C/N值較低、翻壓后分解速度快的特點(diǎn)，但不同種類綠肥的養(yǎng)分含量及生物量不同，翻壓后養(yǎng)分釋放規(guī)律也不同。同種綠肥的翻壓量及翻壓后所處土壤環(huán)境不同，則礦化速率和規(guī)律不相同，所產(chǎn)生的改良效應(yīng)也不同[8]。相關(guān)研究表明，綠肥翻壓后的分解礦化速率及規(guī)律直接影響煙株的生長發(fā)育和煙葉品質(zhì)[9-11]，但尚無關(guān)于冬牧70黑麥壓青還田后礦化規(guī)律及無機(jī)氮釋放的報(bào)道。通過田間小區(qū)試驗(yàn)研究冬牧70黑麥不同翻壓量還田后的氮素礦化特征及其影響因素，旨在為黃淮煙區(qū)種植冬牧70黑麥改良煙田土壤提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)基本情況

試驗(yàn)于2013年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所即墨試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫12 ℃，年均日照時數(shù)2 540.1 h，年均降水量737 mm，降水豐富但季節(jié)分配不均，雨季集中在6—9月，雨熱同季。土壤類型為花崗巖發(fā)育的潮棕壤，供試土壤的基本理化性狀見表1。試驗(yàn)地土壤肥力較貧瘠，按照中國土壤質(zhì)地分類[13]可知，該試驗(yàn)地土壤質(zhì)地較疏松，屬于砂土質(zhì)地組。

試驗(yàn)地前茬作物為甘薯，于2012年11月9日施綠肥，之后播種冬牧70黑麥，播種量為150 kg/hm2，播種時表施撒可富三元復(fù)合肥150 kg/hm2。冬牧70黑麥于2012年4月28日翻壓，翻壓時生物量為39 000 kg/hm2，干質(zhì)量（含根系）為 10 257 kg/hm2，C/N值為39.1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用田間原位埋設(shè)尼龍濾布包法，設(shè)CK、T1、T2、T3等4個翻壓量處理，翻壓量分別為0、20 000、40 000、60 000 kg/hm2，每個處理為1 m2微區(qū)，設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。從長勢均勻的冬牧70黑麥地塊中劃出28 m2，將冬牧70黑麥連根拔出，沖洗干凈后稱質(zhì)量并測生物量，然后剪為 3～5 cm的小段，按不同翻壓量水平換算出不同處理濾布包中需要的施用量。同時從試驗(yàn)地塊中取0～30 cm耕層土壤，過2 mm篩并混勻，每份準(zhǔn)確稱取100 g土，混勻后裝入300目尼龍包中密封。為防止地下昆蟲咬破尼龍網(wǎng)袋，再套裝大尼龍網(wǎng)袋，埋入相應(yīng)處理的微區(qū)15～20 cm土層中，于翻壓后1、2、3、4、6、8、10、12、16周分別取出檢測。

1.3測定項(xiàng)目與方法

土壤中的總有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法[12]測定，全氮含量采用半微量凱氏法[12]測定，土壤粒徑采用Mstersizer 2000型激光粒度儀測定。

培養(yǎng)過程中，精確稱取10.00 g新鮮試驗(yàn)土樣加入50 mL 2 mol/L KCl溶液，于25 ℃下恒溫振蕩30 min后過濾。分別采用紫外分光光度法、靛酚藍(lán)比色法[12]測定濾液中的硝態(tài)氮（NO-3-N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）含量，并測定樣品含水量，計(jì)算樣品中各形態(tài)氮的含量。

采用Excel 2007、DPS 14.10軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4計(jì)算方法

各指標(biāo)的計(jì)算公式[13]為：

氮素凈礦化量（mg/kg）=培養(yǎng)后無機(jī)氮含量（mg/kg）-培養(yǎng)前無機(jī)氮含量（mg/kg）；

氮素凈礦化速率[mg/（kg·d）]=培養(yǎng)后無機(jī)氮含量（mg/kg）-培養(yǎng)前無機(jī)氮含量（mg/kg）培養(yǎng)時間（d）；

氮素凈硝化速率[mg/（kg·d）]=培養(yǎng)后硝態(tài)氮含量（mg/kg）-培養(yǎng)前硝態(tài)氮含量（mg/kg）培養(yǎng)時間（d）。

2結(jié)果與分析

2.1不同翻壓量處理中土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的動態(tài)變化

由圖1可知，在冬牧70黑麥翻壓后1～2周，各處理土壤的銨態(tài)氮（NH4+-N）含量均迅速增加，T3增幅最大，T2次之。所有處理的NH4+-N含量均于翻壓后2～8周下降，并于翻壓后8周達(dá)到最低，該階段T2與T3、CK與T1的變化基本一致。T1、CK處理的NH4+-N含量于翻壓后4～6周略有上升，但均低于翻壓前水平。翻壓后8周，所有處理的 NH4+-N含量開始快速增加，此時NH4+-N含量的從高到低依次為T3>T2>T1>CK。翻壓后12～16周，各處理的NH4+-N含量變化區(qū)域平緩，T1含量略增加，CK、T2、T3含量開始下降。在整個培養(yǎng)期間，所有處理的表現(xiàn)基本一致。

由圖2可知，不同處理間土壤NO-3-N含量的變化趨勢一致，均隨培養(yǎng)時間呈波浪形變化。自12周以后，所有處理土壤的NO-3-N含量變化均較為平緩，且均低于培養(yǎng)前含量。培養(yǎng)4～8周，土壤NO-3-N含量的變化幅度最大，并于培養(yǎng)后6周達(dá)到頂峰。培養(yǎng)后2～8周，土壤NO-3-N含量以CK最高，且CK>T3>T2>T1。

2.2不同翻壓量處理中土壤氮素硝化速率的動態(tài)變化

由圖3可知，不同冬牧70黑麥翻壓量處理對土壤氮素硝化速率具有一定影響。4個處理的變化趨勢基本一致，均呈“4峰”形波動變化特征，但CK、T1的變化幅度較大，T2、T3的變化幅度較小，在培養(yǎng)后4～10周表現(xiàn)尤為明顯?？梢姡?dāng)冬牧70黑麥翻壓量達(dá)到一定程度后，土壤氮素硝化速率的變化幅度較小。

2.3不同翻壓量處理中土壤氮素凈礦化量的變化

由各處理土壤氮素凈礦化量的動態(tài)（圖4）可知，4個處理的變化趨勢一致。培養(yǎng)后1～2周，礦化出的無機(jī)氮含量較多，其中T3處理的土壤氮素礦化量最高，T2處理次之；培養(yǎng)后2～4周礦化量下降，培養(yǎng)后4～6周小幅增長，培養(yǎng)后6～8周再次下降，培養(yǎng)8周以后緩慢增加并趨于平穩(wěn)。在培養(yǎng)后4周，除T3外其余處理的凈礦化量均為負(fù)值，其中T1最低，僅為-2.51 mg/kg；T2次之，為-1.82 mg/kg。在培養(yǎng)后8周，4個處理的凈礦化量均為負(fù)值，其中CK最低，僅為-372 mg/kg；T1次之，為 -3.03 mg/kg。

經(jīng)16周的原位培養(yǎng)，該時間段內(nèi)各處理的凈氮素礦化總量見表2。T3處理的土壤無機(jī)氮釋放量最高，為4.14 mg/kg，T2、T1處理次之，CK處理的礦化量最低。T3處理與其他3個處理的差異均達(dá)到顯著水平，與T1、CK處理的差異均達(dá)到極顯著水平，T2、T1與CK處理的差異均不顯著。在研究時段內(nèi)，鮮質(zhì)量少于40 000 kg/hm2的冬牧70黑麥翻壓對土壤氮素凈礦化量并未產(chǎn)生顯著影響，且土壤氮素凈礦化量隨著冬牧70黑麥翻壓量的增加而增加。

2.4土壤溫度對礦化速率及硝化速率的影響

土壤氮礦化速率與土壤溫度的相關(guān)性見表3。在培養(yǎng)期間，氮素礦化量與不同層次土壤的溫度均呈正相關(guān)，但本研究中相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到顯著水平，這可能與培養(yǎng)時段內(nèi)土壤溫度的變化幅度（20～25 ℃）較窄、取樣次數(shù)有關(guān)。

2.5土壤理化性質(zhì)對凈礦化速率及硝化速率的影響

由表4可知，土壤凈礦化速率與土壤的全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、水分含量均呈顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤中存在控制氮礦化的反饋機(jī)制，即較高的礦質(zhì)氮初始值會限制土壤氮礦化，該機(jī)制與土壤微環(huán)境中“礦化-固化”過程有關(guān)[14-16]。凈硝化速表4土壤氮素礦化速率及硝化速率與土壤理化性狀的相關(guān)性速率均與C/N值呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系不顯著。

3討論

綠肥還田、作物吸收氮素、土壤氮素的礦化與固持等因素均可引起土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的變化[17-20]。本研究中冬牧70黑麥掩青還田后，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量呈動態(tài)變化，這與王巖等提出的綠肥養(yǎng)分釋放規(guī)律[21]基本一致。在冬牧70黑麥掩青還田后2、12周，雨水充沛導(dǎo)致土壤通氣性差，一定程度淹水條件下主要以還原態(tài)的銨態(tài)氮為主，因此翻壓后2、12周土壤銨態(tài)氮含量出現(xiàn)高峰值。翻壓后的前期和后期以銨態(tài)氮為主，翻壓后3～6周以硝態(tài)氮為主，翻壓后期各處理硝態(tài)氮含量顯著降低，礦化氮可能參與了氮的固持、硝態(tài)氮的淋溶、反硝化、氨氣揮發(fā)等其他方面的損失。土壤銨態(tài)氮含量總體從翻壓后3周逐漸下降，在翻壓后3～8周相對穩(wěn)定，可能是由于煙草開始進(jìn)入快速生長階段，對土壤礦質(zhì)氮的吸收量大，土壤有機(jī)氮礦化及肥料氮素轉(zhuǎn)化無法滿足煙草的吸收。與對照相比，加入外源有機(jī)氮均提高了各生育期銨態(tài)氮的含量。土壤硝態(tài)氮含量自冬牧70黑麥翻壓后3、6周出現(xiàn)高峰值，12周后趨于穩(wěn)定，在翻壓初期（2～4周），不同翻壓量處理的土壤硝態(tài)氮含量均低于對照，這與朱春茂等的研究結(jié)論[22]一致。主要原因是土壤有機(jī)氮礦化的激發(fā)效應(yīng)，化學(xué)氮肥多引起正激發(fā)效應(yīng)，有機(jī)氮肥的凈激發(fā)量則為負(fù)值。冬牧70黑麥秸稈的易腐解部分迅速被微生物分解，導(dǎo)致處理間的土壤硝態(tài)氮含量顯著降低；隨著翻壓時間的延長和土壤通氣狀況的改善，處理間的土壤硝態(tài)氮含量與對照相比顯著增加；翻壓12周后，外源有機(jī)氮對硝態(tài)氮含量的影響均不顯著。在冬牧70黑麥翻壓處理期間，土壤凈礦化速率與土壤的全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量均呈顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤中存在控制氮礦化的反饋機(jī)制，即較高的礦質(zhì)氮初始值會限制土壤氮礦化，這一機(jī)制可能與土壤微環(huán)境中的“礦化-固化”過程有關(guān)。

4結(jié)論

在冬牧70黑麥田間原位培養(yǎng)期間，土壤無機(jī)氮呈階段性變化特征，表現(xiàn)出氮固持-礦化的相互轉(zhuǎn)化。

土壤理化性質(zhì)對綠肥還田后土壤氮的轉(zhuǎn)化過程具有一定影響，全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、土壤含水量均與凈氮礦化速率呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮含量均與土壤凈硝化速率呈顯著負(fù)相關(guān)。

冬牧70黑麥對土壤無機(jī)氮含量的影響分別在翻壓后 6、8、12周，即大部分冬牧70黑麥在翻壓后6周內(nèi)分解。其中，翻壓量為60 000 kg/hm2的處理對土壤氮素礦化的影響最為明顯；翻壓量少于40 000 kg/hm2的處理對土壤氮素礦化量的影響不顯著。翻壓12周后，無機(jī)氮釋放減緩，氮素礦化速率趨于平穩(wěn)，表明土壤中翻壓的冬牧70黑麥養(yǎng)分基本分解完全。

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