長期施肥下洞庭湖水稻土氮素礦化及其溫度敏感性研究

李文軍 楊奇勇 楊基峰 肖 燁 黃志剛 彭保發(fā)

(1.湖南文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院， 常德 415000； 2.洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 常德 415000；3.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所， 桂林 541004； 4.湖南文理學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院， 常德 415000)

長期施肥下洞庭湖水稻土氮素礦化及其溫度敏感性研究

李文軍1,2楊奇勇3楊基峰2,4肖 燁1,2黃志剛1,2彭保發(fā)1,2

(1.湖南文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院， 常德 415000； 2.洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 常德 415000；3.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所， 桂林 541004； 4.湖南文理學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院， 常德 415000)

基于長期定位試驗(yàn)，設(shè)置系列溫度(5、15、25、35℃)短期(42 d)淹水培養(yǎng)試驗(yàn)，以不施肥處理為對(duì)照(CK)，研究農(nóng)戶習(xí)慣施氮磷鉀肥(CF)、施氮鉀肥(NK)、均衡施氮磷鉀肥(NPK)及氮磷鉀肥配施有機(jī)肥(HOM)對(duì)洞庭湖區(qū)水稻土氮素礦化及其溫度敏感性的影響。結(jié)果表明，長期不同施肥均顯著增加土壤培養(yǎng)42 d累積礦化氮量(Plt;0.05)，其增幅隨溫度升高由32.7%～80.4%逐漸降至14.9%～59.7%； 與CK處理相比，施肥土壤氮礦化勢(shì)(No)和可礦化氮比例分別增大22.4%～72.4%和7.8%～39.0%(Plt;0.05)， 25～35℃范圍內(nèi)土壤初期供氮強(qiáng)度(K)和后期礦化速率(n)分別提高2.7%～39.5%和4.0%～21.3%，該效應(yīng)均以HOM處理表現(xiàn)最優(yōu)。5～35℃范圍內(nèi)土壤氮礦化溫度敏感系數(shù)(Q10)和氮礦化活化能(Ea)在長期不同施肥后分別降低9.6% ～15.3%和9.2%～22.7% (Plt;0.05)，其值在不同處理間由大到小均表現(xiàn)為 CK、CF、NK、NPK、HOM；不論施肥與否，土壤氮素礦化對(duì)溫度響應(yīng)最敏感的范圍均在5～15℃之間。研究表明，長期不同施肥后，HOM處理提升土壤氮素礦化能力及降低其溫度敏感性的效應(yīng)更為突出，是更優(yōu)的稻田施氮模式。

長期施肥; 洞庭湖區(qū); 水稻土; 淹水培養(yǎng); 氮素礦化; 溫度敏感性

引言

氮是限制農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力最為重要的營養(yǎng)元素[1]，土壤有機(jī)氮礦化向植物提供可利用態(tài)氮素，在很大程度上決定著土壤供氮能力，因此深化認(rèn)識(shí)土壤有機(jī)氮礦化對(duì)優(yōu)化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤供氮和阻控氮素環(huán)境損失有重要意義[2]。

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，施肥是調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤供氮和作物氮素營養(yǎng)的普遍措施[1,3]。當(dāng)前，長期施肥對(duì)農(nóng)田土壤氮素礦化的影響因受施肥制度、肥料及土壤特性等差異尚存在較大的差異和不確定性：研究表明，有機(jī)肥施用并非總能提升土壤氮素礦化能力，高碳氮比作物秸稈單施或配施化肥可能在短期內(nèi)抑制土壤有機(jī)氮的礦化[4]，或促進(jìn)土壤無機(jī)氮的同化[5]；化肥施用對(duì)土壤氮素礦化的影響則更為復(fù)雜，單施化肥對(duì)土壤氮素礦化可能無明顯影響[6]，抑或產(chǎn)生促進(jìn)[7]、抑制效應(yīng)[8]。這表明關(guān)于長期不同施肥措施對(duì)土壤氮素礦化的影響效應(yīng)及機(jī)理尚需進(jìn)行深入研究[5]。溫度是影響土壤氮循環(huán)過程的重要環(huán)境因子，全球升溫背景下，溫度變化對(duì)土壤氮素礦化的調(diào)控效應(yīng)受到高度重視[9-10]，然而當(dāng)前對(duì)長期施肥影響下農(nóng)田土壤氮素礦化的溫度響應(yīng)研究卻鮮有報(bào)道[11]，尤其是缺少長期施肥土壤氮素礦化溫度敏感性的研究。洞庭湖區(qū)是我國重要的糧區(qū)，當(dāng)前水稻生產(chǎn)中面臨著突出的氮肥施用過量及環(huán)境負(fù)荷加劇的生態(tài)問題。因此，本研究基于野外長期定位試驗(yàn)和室內(nèi)培養(yǎng)相結(jié)合的方法，研究長期不同施肥影響下洞庭湖區(qū)典型水稻土氮素礦化特征及其溫度敏感性，為區(qū)域水稻土科學(xué)施肥及氮素優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

國家級(jí)稻田肥力與肥料效應(yīng)長期定位試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在湖南省漢壽縣龍陽鎮(zhèn)(111°51′20″E、28°55′48″N)，屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年均降水量1 342.2 mm，多年平均氣溫16.7℃，全年無霜期274 d，代表江南洞庭湖平原復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)類型區(qū)。供試土壤為第四紀(jì)紅粘土發(fā)育形成的潴育型水稻土，俗稱紅黃泥，是洞庭湖平原區(qū)典型的水稻土類型。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稻田長期施肥試驗(yàn)始于1986年，實(shí)行“早稻-晚稻-冬閑”的耕作制度，本研究選擇其中5個(gè)處理，各處理小區(qū)均按國家土壤肥力長期定位監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)置為66.7 m2(10 m×6.67 m)，隨機(jī)排列，未設(shè)重復(fù)。小區(qū)之間設(shè)置高出田間水面30 cm、下至犁底層以下5 cm，寬度為25 cm的水泥田埂，并設(shè)置排水溝，各小區(qū)單灌單排。選取處理信息為：CK(空白不施肥)、CF(農(nóng)戶習(xí)慣施氮磷鉀肥)、NK(施氮鉀肥)、NPK(基于測(cè)土配方施氮磷鉀肥)、HOM(有機(jī)肥與化學(xué)氮磷鉀肥配施，有機(jī)肥氮占總施氮量的60%)。供試肥料為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀和有機(jī)肥(早稻季為紫云英，晚稻季為豬糞)。有機(jī)肥和磷肥一次性基施，氮肥按7:3的基追比例施用，鉀肥作為追肥施用。各處理除CK和CF外，施氮量均一致，具體施肥信息見文獻(xiàn)[12]描述。2013年各處理表層(0～20 cm)土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試表層土壤基本理化性狀Tab.1 Basic properties of tested soils in 0～20 cm layer

1.3 室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

1.3.1樣品采集及預(yù)處理

于2012年11月晚稻收獲后用土鉆按“S”形采集各處理小區(qū)表層土壤10～12個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)混合土樣，重復(fù)3次，獲得3個(gè)混合樣品。所采土樣迅速帶回室內(nèi)，去除動(dòng)、植物殘?bào)w及石礫，風(fēng)干，碾磨過2 mm土篩并混勻后儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2土壤氮素礦化淹水培養(yǎng)

1.4 氮素礦化參數(shù)的動(dòng)力學(xué)模型擬合

1.4.1單一級(jí)指數(shù)模型

不同培養(yǎng)溫度下各處理土壤氮素礦化過程用單一級(jí)指數(shù)模型擬合[9]，該模型在描述土壤氮素礦化動(dòng)力學(xué)特征時(shí)應(yīng)用最為廣泛[14]，公式為

Nt=No(1-e-kt)

(1)

式中Nt——t時(shí)間內(nèi)累積凈礦化氮量，mg/kg

No——氮礦化勢(shì)，mg/kg

k——氮素礦化一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，mg/(kg·d)

t——培養(yǎng)時(shí)間，d

1.4.2有效積溫模型

淹水條件下，氮素礦化量與有效積溫的關(guān)系亦可用有效積溫模型表示[11]，該模型是一個(gè)以溫度為主導(dǎo)因素的礦化模型，在我國南方地區(qū)及日本水稻土或淹水土壤氮素礦化模擬時(shí)應(yīng)用較多[24]，公式為

Nt=K[(T-T0)t]n

(2)

式中T——培養(yǎng)溫度，℃

T0——基點(diǎn)溫度，取15℃

K、n——土壤氮礦化特征常數(shù)，K值反映培養(yǎng)前期土壤氮礦化強(qiáng)度、n值表示培養(yǎng)后期土壤氮素礦化速率

1.5 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

可礦化氮比例(Mineralizable N ratio, MNR, %)為

MNR=No/(1 000TN)×100%

(3)

式中TN——土壤全氮質(zhì)量比，g/kg

土壤氮素礦化與溫度之間的關(guān)系采用指數(shù)模型模擬[9]，國際上一般將溫度與表達(dá)礦化過程的一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)聯(lián)系起來[9,19,21]

k=αeβT

(4)

圖1 不同處理土壤氮礦化量累積曲線Fig.1 Accumulated curves of mineralized soil N under different treatments

式中α——基質(zhì)質(zhì)量指數(shù)，表示溫度為0℃時(shí)的土壤氮素礦化反應(yīng)速率常數(shù)，mg/(kg·d)

β——溫度反應(yīng)系數(shù)

用溫度效應(yīng)系數(shù)(Q10)表征氮素礦化一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)對(duì)溫度變化的敏感性，該指標(biāo)是反映土壤氮有效性對(duì)氣候變暖響應(yīng)特征的重要參數(shù)[19,25]。公式為[26]

Q10-total=e10β

(5)

Q10-partial=(k2/k1)10/(T2-T1)

(6)

式中Q10-total——整體培養(yǎng)溫度范圍(5～35℃)下土壤氮素礦化的溫度效應(yīng)系數(shù)

Q10-partial——培養(yǎng)溫度間隔差為10℃(515℃、1525℃和2535℃)下土壤氮素礦化的溫度效應(yīng)系數(shù)

T1、T2——間隔差為10℃的2個(gè)培養(yǎng)溫度(T2高于T1)，℃

k1、k2——培養(yǎng)溫度為T1、T2下的氮素礦化一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，mg/(kg·d)

土壤氮素礦化所需活化能由阿累尼烏斯方程經(jīng)形式轉(zhuǎn)換計(jì)算[10]

Ea=RTaln(Ce/k)

(7)

式中Ea——土壤氮素礦化所需活化能，kJ/mol

R——常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)

Ta——熱力學(xué)溫度，K

Ce——阿累尼烏斯常數(shù)，mg/(kg·d)

利用SigmaPlot 10.0進(jìn)行作圖并對(duì)土壤氮素礦化參數(shù)進(jìn)行模型擬合。利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和多重比較(Duncan法，Plt;0.05)。圖表中數(shù)據(jù)的表達(dá)形式為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)土壤氮素礦化特性的影響

2.1.1土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)

在各個(gè)培養(yǎng)時(shí)段內(nèi)，土壤累積礦化氮量均隨培養(yǎng)溫度升高而增加(圖1)。土壤累積礦化氮量-時(shí)間曲線顯示，各處理土壤氮素礦化過程基本相同，累積礦化氮量均隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而逐漸增加。在整個(gè)培養(yǎng)過程中，各處理累積礦化氮量由大到小順序總體表現(xiàn)為HOM、NK、CF和 NPK、CK。培養(yǎng)初期，處理間的累積礦化氮量較為接近，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長，其差異總體呈增大趨勢(shì)。分析不同培養(yǎng)溫度下氮素礦化曲線的差異可知，隨培養(yǎng)溫度升高，各處理礦化曲線在培養(yǎng)初期(培養(yǎng)7 d前)趨于陡峭，土壤氮素礦化在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，在培養(yǎng)中后期礦化曲線的變化則明顯趨緩。

2.1.2土壤培養(yǎng)42 d累積礦化氮、氮礦化勢(shì)及可礦化氮比例

溫度是調(diào)控土壤氮素礦化的重要環(huán)境因素。表2顯示，培養(yǎng)42 d土壤累積礦化氮量隨溫度的升高而明顯增加，尤其是由5℃升溫到15℃和由15℃升溫到25℃時(shí)，各處理累積礦化氮量增幅均達(dá)顯著水平(Plt;0.05)。同一溫度下，施肥各處理土壤培養(yǎng)42 d累積礦化氮量(Nmin-42)均顯著高于CK處理(Plt;0.05)。計(jì)算得知，在5、15、25、35℃下，施肥處理土壤Nmin-42值分別較CK處理提高32.7%～80.4%、31.3%～97.1%、22.1%～67.4%、14.9%～59.7%，施肥后土壤Nmin-42值增幅隨溫度升高總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。單施化肥各處理(CF、NK、NPK處理)土壤Nmin-42值較HOM處理始終顯著降低(Plt;0.05)，但其相互間的差異僅只有在35℃培養(yǎng)時(shí)NK處理Nmin-42值顯著高于CF和NPK處理。

氮礦化勢(shì)和可礦化氮比例是表征土壤礦化供氮的重要特征參數(shù)，表2結(jié)果顯示，No和MNR值在不同處理間均由小到大表現(xiàn)為CK、NPK、CF、NK、HOM的順序。長期施肥均顯著提高土壤No和MNR值(Plt;0.05)，其提高幅度分別達(dá)22.4%～72.4%和7.8%～39.0%。

表2 不同處理培養(yǎng)42 d累積礦化氮量、礦化勢(shì)和可礦化氮比例Tab.2 Accumulated mineralized soil N for incubation of 42 d, potentially mineralizable N and mineralizableN ratio under different treatments

注：同一列不同大寫字母表示不同處理間差異顯著(Plt;0.05)，同一行中不同小寫字母表示不同溫度間差異顯著(Plt;0.05)，下同。

2.1.3土壤氮素礦化一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)和有效積溫模型擬合參數(shù)

土壤氮素礦化一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)(k)是衡量土壤有機(jī)氮素礦化快慢的參數(shù)。表3顯示，固定No取值后，利用單一級(jí)指數(shù)方程擬合土壤氮素礦化過程均有很好的效果(R2為0.83～0.99,Plt;0.01)。隨溫度升高，各處理k值均顯著增大(Plt;0.05)，其變化范圍在0.005 6～0.110 1 mg/(kg·d)之間。與CK相比，總體上施肥各處理k值在5℃和15℃下顯著增大(Plt;0.05)，卻在25℃和35℃下顯著降低。

表3 運(yùn)用單一級(jí)指數(shù)方程擬合氮素礦化過程得到的不同溫度下土壤氮素礦化速率常數(shù)Tab.3 Values of soil N mineralization rate constant obtained from fitting of net N mineralization dynamicsto one-pool model at different temperatures

注：** 表示差異顯著性達(dá)Plt;0.01水平，*** 表示差異顯著性達(dá)Plt;0.001水平，下同。

有效積溫模型對(duì)25℃和35℃下土壤氮礦化過程亦有很好的擬合效果(R2為0.91～0.97,Plt;0.001) (表4)。各處理土壤氮素礦化的K值和n值均隨溫度升高分別增大和降低，但其數(shù)值在同溫度下始終是施肥各處理高于CK處理。進(jìn)一步計(jì)算得知，隨培養(yǎng)溫度升高，施肥各處理K值較CK處理的增幅均有所降低，增幅由25℃時(shí)的5.0%～39.5%降至35℃時(shí)的2.7%～21.3%；相反，增溫后施肥各處理n值較CK處理的增幅均有所增加，其增幅由25℃時(shí)的4.0%～8.0%升至35℃時(shí)的5.1%～21.3%。不同處理間HOM處理始終具有最高的K值和n值，其結(jié)果顯著高于CK處理(Plt;0.05)；而施化肥處理間，NPK處理較NK和CF處理始終具有較低的K值和較高的n值。

表4 運(yùn)用有效積溫模型擬合25℃和35℃下氮礦化過程得到的氮素礦化特征參數(shù)Tab.4 Values of N mineralization parameters obtained from fitting of net N mineralization dynamicsto effective accumulated temperature model at 25℃ and 35℃

2.2 施肥對(duì)土壤氮素礦化溫度敏感性的影響

2.2.15～35℃范圍內(nèi)土壤氮礦化溫度敏感系數(shù)和氮礦化活化能

表5 土壤氮素礦化一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)的指數(shù)模型參數(shù)及活化能Tab.5 Model parameters of exponential function and activation energy for soil N mineralization rate constantsfitted by one-pool model

注：*表示差異顯著性達(dá)Plt;0.05水平。

Q10-total、Ea、α間的相關(guān)性結(jié)果顯示(表6)，Q10-total、Ea均與α具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(Plt;0.01)，Q10-total與Ea之間則呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(Plt;0.01)。說明土壤氮素的基質(zhì)質(zhì)量越高，其礦化所需的活化能愈低，對(duì)環(huán)境升溫的敏感性

表6 土壤氮素礦化Q10-total、α及Ea間的Perason相關(guān)系數(shù)Tab.6 Pearson’s correlation coefficients amongQ10-total, α and Ea for soil N mineralization

愈低。

2.2.2不同溫度區(qū)間土壤氮素礦化的溫度敏感性

以土壤氮素礦化一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)為參數(shù)計(jì)算各處理不同溫度區(qū)間土壤氮素礦化的Q10值(Q10-partial)，結(jié)果見表7。Q10-partial反映溫度每升高10℃，土壤氮素礦化一級(jí)速率常數(shù)增加的倍數(shù)。不同溫度區(qū)間Q10-partial在1.3～3.5之間。當(dāng)溫度每升高10℃時(shí)，各處理Q10-partial均表現(xiàn)出完全一致的變化規(guī)律，即：在5℃升高到15℃最高，15℃升高到25℃次之，25℃升高到35℃最低，顯示該紅壤性水稻土氮素礦化對(duì)溫度響應(yīng)最敏感的范圍在5～15℃之間。與CK處理相比，施肥處理土壤Q10-partial在5～15℃、15～25℃、25～35℃均有所降低，平均降低幅度分別達(dá)4.4%、16.2%和16.9%。

表7 不同溫度區(qū)間土壤氮素礦化的Q10-paritial結(jié)果Tab.7 Values of Q10-partial for soil N mineralizationat different temperature ranges

3 討論

3.1 土壤氮素礦化特性

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，施肥是調(diào)節(jié)土壤供氮狀況的重要措施。本研究中，長期施肥特別是氮磷鉀肥配施有機(jī)肥顯著提高各溫度下土壤累積礦化氮量、氮礦化勢(shì)及可礦化氮比例，這與秦子?jì)沟萚15]在中性紫色水稻土的研究結(jié)果較為一致。這表明長期施肥同步實(shí)現(xiàn)提高土壤供氮容量和改善氮素品質(zhì)，而不施肥土壤底物質(zhì)量降低在一定程度上弱化其供氮能力[32]。各施肥處理增加土壤累積礦化氮的效應(yīng)隨溫度升高而降低，表明本研究條件下長期不同施肥有利于緩解低溫對(duì)土壤氮礦化的限制效應(yīng)，施肥各處理土壤氮礦化速率常數(shù)在5℃和15℃下顯著高于不施肥處理亦證明了這一效應(yīng)，這在生產(chǎn)實(shí)踐中有利于改善試驗(yàn)土壤向越冬作物的氮素供應(yīng)。礦化模型擬合參數(shù)是描述土壤氮素礦化特性的重要指標(biāo)。一階指數(shù)模型擬合結(jié)果顯示，在5～35℃范圍內(nèi)，氮素礦化一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度升高而顯著增加，這主要是由升溫后土壤易礦化氮庫的快速分解所致[33]。有效積溫模型擬合結(jié)果顯示，施肥各處理土壤的K和n值在25℃和35℃下均高于CK處理，表明長期施肥改善土壤礦化供氮特性，土壤礦化供氮更為迅速和持久。培養(yǎng)溫度由25℃升至35℃，施肥處理土壤的K值和n值較CK處理的增幅分別呈降低和增加趨勢(shì)，這反映出升溫后施肥與不施肥土壤在開始階段的礦化潛力趨于接近，但施肥土壤后期供氮潛力優(yōu)勢(shì)更加突出，礦化過程達(dá)到穩(wěn)定需較長時(shí)間[11]，施肥土壤這種氮素釋放特征與水稻吸氮更為協(xié)調(diào)，對(duì)提升土壤礦化氮素的作物利用效率有利。評(píng)價(jià)施肥對(duì)土壤礦化供氮能力的影響時(shí)，既要考慮土壤礦化供氮快慢也要考慮其礦化潛力[15]。本研究中，長期實(shí)行化學(xué)氮磷鉀肥配施有機(jī)肥在提升土壤礦化供氮容量及改善土壤供氮特性方面具有最優(yōu)的效果，這應(yīng)該與施用有機(jī)肥直接向土壤補(bǔ)充大量活性氮素和相對(duì)單施化肥而言可更優(yōu)地增強(qiáng)微生物活性、提高水稻殘茬氮素還田量等多因素綜合影響有關(guān)[12,34]。

3.2 土壤氮素礦化溫度敏感性

土壤氮素礦化的溫度敏感系數(shù)表征適宜溫度范圍內(nèi)，溫度升高10℃時(shí)，氮素礦化速率常數(shù)增加的倍數(shù)[19]。本研究中，在5～35℃范圍內(nèi)，由式(5)計(jì)算出的不同處理間土壤Q10值(1.77～2.09)同DESSUREAULT-ROMPé等[29]的研究結(jié)果(1.88～2.06)接近，但明顯低于一些高緯地區(qū)土壤的Q10值(2.46～3.33)[35]，這表明低緯地區(qū)土壤微生物群系可能更加適應(yīng)較高的環(huán)境溫度[10]，不同條件下研究結(jié)果的差異也可能由礦化底物特性差異所引起[29]。針對(duì)同類型土壤氮素礦化Q10的差異，活化能理論認(rèn)為其由底物質(zhì)量差異所引起，即：土壤有機(jī)物質(zhì)分解(礦化)的Q10取決于酶促反應(yīng)過程中底物的質(zhì)量，低質(zhì)量基質(zhì)(惰性有機(jī)物質(zhì))一般具有較高的活化能，其分解(礦化)具有更高的溫度敏感性[32]。但近年來的一些研究表明除土壤氮庫質(zhì)量外，土壤氮庫數(shù)量亦對(duì)Q10有重要影響[10,25]，這符合土壤氮素礦化的酶促反應(yīng)本質(zhì)，即：底物濃度亦決定氮礦化的速度及其溫度敏感性。本研究中，Q10-total不僅與Ea和土壤基質(zhì)指數(shù)(α)存在極顯著相關(guān)關(guān)系(表6)，其亦與土壤全氮含量顯著地負(fù)相關(guān)(R=-0.911,Plt;0.05)。先前在相同試驗(yàn)地上開展的工作已發(fā)現(xiàn)長期單施化肥及配施有機(jī)肥可有效促進(jìn)土壤氮素積累，并顯著提升其活性[12]，這表明增加氮庫容量和改善氮庫質(zhì)量可能是本研究長期施肥后土壤氮素礦化Q10-total顯著降低的重要原因。

早期的研究常認(rèn)為土壤氮礦化的Q10較為固定，但實(shí)際上土壤氮礦化的溫度敏感性在時(shí)空上具有很大的變異性，固定Q10取值并不能有效揭示土壤氮礦化與溫度間的動(dòng)態(tài)關(guān)系[9]。本研究發(fā)現(xiàn)，在5～35℃范圍內(nèi)，溫度每升高10℃時(shí)，Q10-partial逐漸降低，這與先前的一些研究結(jié)果相似[27-28]。土壤氮素礦化在5～15℃之間對(duì)溫度變化最敏感，這與石薇等[28]的結(jié)果一致，但高俊琴等[36]的研究顯示若爾蓋高寒濕地土壤氮礦化對(duì)溫度響應(yīng)最敏感的范圍在15～25℃之間；TIAN等[37]對(duì)青藏高原土壤氮礦化的研究結(jié)果則顯示，林地和灌叢土壤的氮礦化Q10-partial由25℃升至35℃時(shí)表現(xiàn)最高，而濕草地和干草原土壤氮礦化的Q10-partial則分別是土溫由15℃升至25℃和由5℃升至15℃時(shí)表現(xiàn)最高。這說明不同生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素礦化對(duì)溫度變化的敏感程度也有一定差異，其原因可能在于不同條件下參與礦化的有機(jī)氮組分和微生物群落存在差異[10,37]，也可能與碳(氮)底物調(diào)控微生物活性的有效性不同有關(guān)[38]。

本研究中，不論是以5～35℃整體溫度范圍還是以5～15℃、15～25℃及25～35℃不同溫度區(qū)間計(jì)，長期不同施肥后土壤氮礦化速率常數(shù)的Q10均明顯降低，顯示長期施肥可有效降低紅壤性水稻土氮素礦化的溫度敏感性，這有助于控制環(huán)境升溫背景特別是高溫環(huán)境下土壤氮素的快速礦化和流失。長期實(shí)行化學(xué)氮磷鉀肥配施有機(jī)肥在提升土壤礦化供氮能力及降低氮素礦化溫度敏感性方面具有較化肥單施更優(yōu)的效果，預(yù)示在研究區(qū)水稻施氮實(shí)踐中應(yīng)重視有機(jī)肥與化肥的配合施用。單施化肥處理中，NPK處理提升土壤No及其比例的能力雖略弱于CF和NK處理，但其在平衡土壤前后期礦化供氮分配及弱化氮素礦化對(duì)溫度變化的敏感性響應(yīng)方面表現(xiàn)出較后者更好的效應(yīng)，在生產(chǎn)實(shí)踐中亦表現(xiàn)出較CF和NK處理更好的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效應(yīng)[12]，說明在當(dāng)前有機(jī)肥投入不足或缺施的條件下，實(shí)行基于測(cè)土配方的NPK平衡施肥可更好地提升資源利用效率，亦可作為研究區(qū)可取的施氮模式。

4 結(jié)論

(1)長期不同施肥提升土壤培養(yǎng)42 d累積礦化氮量的效應(yīng)隨溫度升高而趨于減弱(Plt;0.05)，說明施肥對(duì)低溫(5～15℃)條件下土壤氮礦化具有更加突出的提升效應(yīng)。施肥后土壤氮礦化勢(shì)和可礦化氮比例均有顯著提高(Plt;0.05)，該效應(yīng)以HOM處理表現(xiàn)最優(yōu)；長期施肥后土壤初期供氮強(qiáng)度和后期礦化速率均有不同程度提高，表征施肥土壤供氮更為迅速和持久；施肥提升土壤初期供氮強(qiáng)度和后期礦化速率的效應(yīng)隨溫度升高分別趨于降低和增高，顯示升溫后施肥與不施肥土壤初期供氮潛力趨于接近，但施肥土壤后期供氮潛力提升優(yōu)勢(shì)更加趨于突出。

(2) 不論是以5～35℃整體溫度范圍還是以5～15℃、15～25℃及25～35℃不同溫度區(qū)間計(jì)，CK處理土壤氮礦化速率常數(shù)的溫度敏感系數(shù)(Q10)均為最高，說明長期施肥降低土壤氮素礦化的溫度敏感性；不論施肥與否，土壤氮素礦化均在5～15℃范圍內(nèi)對(duì)溫度變化最敏感。

(3)從不同施肥提升土壤礦化供氮能力、優(yōu)化供氮過程及降低氮素礦化的溫度敏感性效應(yīng)來看，長期氮磷鉀肥配施有機(jī)肥均明顯優(yōu)于化學(xué)肥料單施，表明在研究區(qū)水稻生產(chǎn)施氮實(shí)踐中應(yīng)重視有機(jī)肥與化肥的配合施用。

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NitrogenMineralizationandAssociatedTemperatureSensitivityinPaddySoilsinDongtingLakeRegionofChinaunderLong-termFertilization

LI Wenjun1，2YANG Qiyong3YANG Jifeng2，4XIAO Ye1，2HUANG Zhigang1，2PENG Baofa1，2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentandTourism,HunanUniversityofArtsandScience,Changde415000,China
2.HunanProvinceCooperativeInnovationCenterfortheConstructionamp;DevelopmentofDongtingLakeEcologicalEconomyZone,Changde415000,China3.InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin541004,China4.CollegeofChemistryandMaterialsEngineering,HunanUniversityofArtsandScience,Changde415000,China)

Soil nitrogen (N) mineralization is a critical ecological process of N cycling that plays an important role in determining soil N-supplying capacity. Based on a long-term fertilization experiment on paddy field in the Dongting Lake region, China, the responses of organic N mineralization in 0～20 cm soil layer and associated temperature sensitivity to different fertilization were studied. The experiment included five treatments: CK (without fertilization), CF (farmers’ practice of applying chemical fertilizer NPK), NK (application of chemical fertilizer NK), NPK (balanced application of chemical fertilizer NPK), HOM (combined application of chemical fertilizer NPK and organic fertilizer). All sampled soils were waterlogged incubated for 42 d at different temperatures (5℃, 15℃, 25℃ and 35℃), and accumulated mineralized N was analyzed. Compared with CK treatment, the accumulated mineralized N produced during 42 d incubation increased significantly (Plt;0.05) under different fertilization treatments while the increases gradually decreased from 32.7%～80.4% to 14.9%～59.7% along with the increment of temperature. The relationship between cumulative mineralization and effective accumulated temperature well fitted the effective accumulated temperature model (EATM) in all treatments at 25℃ and 30℃, and the values ofKandnassociated parameters in EATM in all fertilization treatments were higher by 2.7%39.5% and 4.0%21.3% than those in CK treatments, respectively, suggesting long-term fertilization presented obvious increased effects on both soil N supplying intensity at initial stage and later N mineralization rate. Moreover, the potentially mineralizable N (No) and mineralizable ratio of soil N were significantly (Plt;0.05) increased by 22.4%72.4% and 7.8%39.0%, respectively, when fertilization was adopted, and the HOM treatment presented the best results. The values of temperature sensitive coefficient (Q10) of soil N mineralization rate constant was ranged from 1.77 to 2.09 within the temperature range of 535℃; the values ofQ10and activation energy (Ea) for soil N mineralization were significantly (Plt;0.05) lower in all fertilization treatments than those of no fertilizer treatment, which followed the descending order of CK, CF, NK, NPK and HOM. TheQ10value for each treatment was higher from 5℃ to 15℃ than that from 15℃ to 25℃ and from 25℃ to 35℃, indicating that the most sensitive scope for response of N mineralization to soil temperature was at 515℃. It can be concluded that HOM treatment presented better effects in improving soil N mineralization capacity, optimizing N mineralization process and decreasing associated temperature sensitivity as compared with any other chemical fertilizer treatment, suggesting combined application of chemical N, P, K and organic fertilizer should be proposed for the rice production in the studied area.

long-term fertilization; Dongting Lake region; paddy soil; waterlogged incubation; nitrogen mineralization; temperature sensitivity

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.032

S158.5； S147.21+2

A

1000-1298(2017)11-0261-10

2017-08-08

2017-09-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201297)、湖南文理學(xué)院學(xué)科骨干人才項(xiàng)目(14XKGG07)、廣西區(qū)科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(桂科攻1598016-11)和湖南文學(xué)學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目

李文軍(1982—)，男，副教授，博士，主要從事農(nóng)田與濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮循環(huán)及環(huán)境效應(yīng)研究,E-mail: wenjunli0736@163.com

楊奇勇(1976—)，男，研究員，博士，主要從事水土資源持續(xù)高效利用研究,E-mail: yangqiyong0739@163.com