土地利用方式對寧夏平原土壤氮素含量及其硝化作用的影響

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(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，寧夏 銀川 750002； 2.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

土壤不同形態(tài)氮素含量及轉(zhuǎn)化直接影響著作物的氮素吸收，及其在土壤-植物系統(tǒng)中的累積和損失[1]。影響土壤氮素含量的有氣候條件、土壤母質(zhì)、土壤肥力等因素，而土地不同利用方式也是影響土壤氮素含量的一個重要因素[2]。土地利用方式一方面通過田間管理、灌溉施肥、耕作方式等農(nóng)藝措施的差異導(dǎo)致土壤中營養(yǎng)元素的礦化、運移，作物的吸收和利用等不同；另一方面通過改變土壤理化性質(zhì)而影響土壤氮素含量及硝化、反硝化過程，進而影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)。目前，針對不同林地和草地土壤氮素含量及硝化作用的研究較多[3-6]。農(nóng)田土壤氮素累積受到土壤質(zhì)地、耕作制度、肥料種類和施用量等多種因素影響，變化幅度較大。研究指出，不同土地利用方式硝態(tài)氮損失依次為小麥地>白菜地>玉米地>葵花地>小麥-玉米地，說明作物結(jié)構(gòu)多樣性有助于抑制氮素淋洗損失，從而增加氮在土壤中的累積[7-8]。關(guān)于寧夏玉米不同施肥處理下土壤氮素含量的變化有個別報道，但對不同土地利用方式下土壤氮素含量及其硝化特征變化的研究較少[7-9]。近年來，由于寧夏平原地區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和土壤鹽堿化程度加劇，農(nóng)田不斷向經(jīng)濟林地、稻田等類型轉(zhuǎn)化，水稻、枸杞、葡萄、玉米、小麥和蔬菜成為主要的種植作物類型。目前，關(guān)于寧夏地區(qū)不同施肥處理對土壤氮素影響的研究大多集中在土壤硝態(tài)氮淋溶方面[9-10]，而對不同土地利用方式中土壤氮素形態(tài)及硝化、反硝化等氮素轉(zhuǎn)化方面還缺乏系統(tǒng)的研究，因此，研究不同土地利用方式對土壤氮素累積及其轉(zhuǎn)化的影響，旨在為寧夏平原土地評價和高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于寧夏銀川市及周邊區(qū)域。海拔1 107～1 117 m，年均降水量172.5 mm，7—9月降水量占全年降水量的63%，年平均蒸發(fā)量1 755 mm，年平均日照時數(shù)2 800～3 200 h ，年均氣溫8.8 ℃，日照充足，晝夜溫差大，區(qū)域內(nèi)農(nóng)田引黃自流灌溉，土壤結(jié)構(gòu)以灌淤土為主，伴有少量淡灰鈣土和鹽土[11]。供試不同土地利用方式土壤pH值在8.01～8.55，屬于弱堿性土壤。土壤全鹽含量在0.35～2.15 g/kg，葡萄地和玉米地屬輕度鹽化土壤。耕層土壤有機質(zhì)在不同土地利用方式間介于11.53～13.91 g/kg。土壤全氮含量在不同土地利用方式之間變化不大，介于0.78～0.94 g/kg。0～20 cm土層，不同土地利用方式土壤堿解氮含量介于47.8～90.4 g/kg，玉米地土壤堿解氮含量約為小麥地的2倍。葡萄地土壤有效磷含量明顯高于其他5種土地利用方式，蔬菜地土壤有效磷含量嚴重不足。土壤速效鉀含量以玉米地最高，達到288 mg/kg，葡萄地、水稻地和小麥地土壤速效鉀含量在170 mg/kg左右，高于蔬菜地和枸杞地。

1.2 試驗方法

在試驗區(qū)選取6種典型土地利用方式：水稻地、小麥地、玉米地、蔬菜地、葡萄地、枸杞地，研究土壤氮素不同形態(tài)含量、氮素硝化潛力、微生物多樣性等特性。每種土地利用方式選取3個田塊作為重復(fù)，每個田塊按“S”型路線隨機選取5個點，每個點分別取0～20 cm和20～40 cm土層土壤，均勻混合、分別分裝成2份放入無菌自封塑料袋中，置于冰桶中迅速帶回實驗室。1份土樣于4 ℃冰箱內(nèi)保存，用于分析土壤硝化潛勢和硝化活性；另一份土樣風(fēng)干過篩后，用于測定土壤氮素含量。

1.3 土壤氮素含量的測定

土壤樣品風(fēng)干后對其全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量進行測定。土壤全氮含量采用半微量凱氏法測定，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量采用連續(xù)流動分析儀測定[12]，無機氮含量為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的總和，有機氮含量為全氮減去無機氮的差值。

1.4 土壤硝化潛勢和硝化活性的測定

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析在SPSS 18.0中進行，采用方差分析和LSD法比較差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤氮素含量的影響

2.1.1 對土壤硝態(tài)氮含量的影響 不同土地利用方式下土壤硝態(tài)氮含量見圖1。土壤硝態(tài)氮含量在不同土地利用方式間變化較大。在0～20 cm土層，土壤硝態(tài)氮含量大小依次排序為蔬菜地>玉米地>枸杞地>水稻地>葡萄地>小麥地，并且蔬菜地土壤硝態(tài)氮含量顯著高于其他土地利用方式，其土壤硝態(tài)氮含量分別是葡萄地、枸杞地、玉米地、水稻地、小麥地的7.4、5.5、4.7、5.7、12.5倍，說明蔬菜地土壤硝態(tài)氮累積較多，與蔬菜生長季施用大量化肥有一定的關(guān)系；小麥地土壤硝態(tài)氮含量最低，且顯著低于蔬菜地和玉米地，說明小麥地土壤硝態(tài)氮累積不明顯；葡萄地、枸杞地、玉米地、水稻地土壤硝態(tài)氮含量之間差異不顯著。在20～40 cm土層，土壤硝態(tài)氮含量大小依次排序為葡萄地>蔬菜地>玉米地>水稻地>枸杞地>小麥地，葡萄地土壤硝態(tài)氮含量顯著高于其他土地利用方式，其土壤硝態(tài)氮含量分別是枸杞地、水稻地、玉米地、小麥地的1.4、2.5、2.0、2.1、2.9倍。枸杞地、玉米地、水稻地之間土壤硝態(tài)氮含量差異不顯著。

不同小寫字母表示不同土地利用方式之間差異顯著(P<0.05)，下同

2.1.2 對土壤銨態(tài)氮含量的影響 不同土地利用方式土壤銨態(tài)氮含量見圖2。在0～20 cm土層，蔬菜地土壤銨態(tài)氮含量顯著高于其他土地利用方式，其銨態(tài)氮含量分別是其他土地利用方式的1.2～1.6倍；小麥地土壤銨態(tài)氮含量顯著低于其他土地利用方式；葡萄地、枸杞地、水稻地、玉米地土壤銨態(tài)氮含量之間差異不顯著。在20～40 cm土層，葡萄地和玉米地土壤銨態(tài)氮含量顯著高于小麥地，小麥地土壤銨態(tài)氮含量最低，而蔬菜地、枸杞地、水稻地土壤銨態(tài)氮含量與小麥地沒有顯著差異。

圖2 不同土地利用方式土壤銨態(tài)氮含量變化Fig.2 Content change of in soil of different land utilization

2.1.3 對土壤無機氮含量的影響 不同土地利用方式土壤無機氮含量見圖3，土壤無機氮含量在不同土地利用方式間變化較大。在0～20 cm土層，土壤無機氮含量平均值為46.71 mg/kg，大小依次排序為蔬菜地>玉米地>枸杞地>水稻地>葡萄地>小麥地，蔬菜地土壤無機氮含量顯著高于其他5種土地利用方式，葡萄地、枸杞地、玉米地、水稻地土壤無機氮含量之間差異不顯著并顯著高于小麥地。在20～40 cm土層，小麥地土壤無機氮含量最低，為22.94 mg/kg，顯著低于其他5種土地利用方式；葡萄地土壤無機氮含量顯著高于其他5種土地利用方式，達46.06 mg/kg；土壤無機氮含量大小依次排序為葡萄地>蔬菜地>玉米地>水稻地>枸杞地>小麥地，枸杞地和水稻地土壤無機氮含量之間差異不顯著，并與其他土地利用方式之間差異顯著。

圖3 不同土地利用方式土壤無機氮含量變化Fig.3 Content change of inorganic nitrogen in soil of different land utilization

2.1.4 對土壤有機氮含量的影響 不同土地利用方式土壤有機氮含量見圖4。在0～20 cm土層，土壤有機氮含量大小依次排序為水稻地>枸杞地>葡萄地>小麥地>玉米地>蔬菜地，水稻地、葡萄地和枸杞地土壤有機氮含量之間差異不顯著，但顯著高于蔬菜地、玉米地和小麥地。不同土地利用方式土壤有機氮含量介于0.69～0.90 g/kg。在20～40 cm土層，土壤有機氮含量大小依次排序為葡萄地>枸杞地>蔬菜地>水稻地>小麥地>玉米地，葡萄地和枸杞地土壤有機氮含量顯著高于其他土地利用方式，玉米地土壤有機氮含量最低，與其他5個土地利用方式差異顯著，蔬菜地、水稻地和小麥地土壤有機氮含量之間差異不顯著。

圖4 不同土地利用方式土壤有機氮含量變化Fig.4 Content change of organic nitrogen in soil of different land utilization

2.2 不同土地利用方式對土壤硝化作用的影響

2.2.1 對土壤硝化潛勢的影響 不同土地利用方式土壤硝化潛勢見圖5。在0～20 cm土層，土壤硝化潛勢依次排序為蔬菜地>枸杞地>玉米地>小麥地>水稻地>葡萄地，蔬菜地土壤硝化潛勢顯著高于其他土地利用方式，枸杞地與玉米地土壤硝化潛勢之間差異不顯著，玉米地、水稻地和小麥地土壤硝化潛勢之間差異不顯著。在20～40 cm土層，水稻地土壤硝化潛勢顯著高于其他土地利用方式；蔬菜地、枸杞地、葡萄地土壤硝化潛勢與玉米地、小麥地之間差異顯著，蔬菜地、枸杞地、葡萄地土壤硝化潛勢之間差異不顯著，小麥地與玉米地土壤硝化潛勢之間差異不顯著。

圖5 不同土地利用方式土壤硝化潛勢變化Fig.5 Nitrification potential change in soil of different land utilization

2.2.2 對土壤硝化活性的影響 不同土地利用方式土壤硝化活性見圖6。在0～20 cm土層，土壤硝化活性介于93.13%～96.96%，大小依次排序為蔬菜地>枸杞地>玉米地>葡萄地>水稻地>小麥地。在20～40 cm土層，土壤硝化活性大小依次排序為葡萄地>蔬菜地>枸杞地>玉米地>水稻地>小麥地。

圖6 不同土地利用方式土壤硝化活性變化Fig.6 Nitrification activity change in soil of different land utilization

3 結(jié)論與討論

3.1 不同土地利用方式對土壤氮素含量的影響

氮素形態(tài)及其可利用性影響植物對土壤氮素的利用效率，并直接影響生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。土壤中的無機態(tài)氮含量反映土壤的氮素供應(yīng)狀況和對施用氮肥的響應(yīng)。本研究中，因施肥等管理措施的影響，0～20 cm土層蔬菜地土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和無機氮含量顯著高于葡萄地、枸杞地、玉米地、水稻地和小麥地；小麥地土壤銨態(tài)氮和無機氮含量均低于其他5種土地利用方式。20～40 cm土層葡萄地土壤硝態(tài)氮、無機氮和有機氮含量均高于其他5種土地利用方式。0～20 cm土層水稻地土壤有機氮含量高于其他土地利用方式,這與水稻地長期秸稈還田有關(guān)。0～20 cm土層蔬菜地土壤無機氮含量最高，這與陳春瑜等[13]在滇池流域土壤，李慧等[14]在潮土上的研究結(jié)果一致。土壤無機氮累積與施肥方式有重要的關(guān)系，蔬菜地的高氮肥投入是導(dǎo)致土壤無機氮殘留增加和累積的主要原因[10，15-18]。

土壤中硝態(tài)氮的累積和遷移受施肥方法、施肥量、灌溉方式等多種因素的影響。而且長期施用有機肥和化肥，均會造成硝態(tài)氮在土壤中大量累積。本研究中土壤硝態(tài)氮含量對土地利用方式的響應(yīng)與無機氮基本一致。葡萄地和小麥地20～40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量高于0～20 cm土層，與紀德智等[19]的研究結(jié)論一致?；逝涫┯袡C肥可減少硝態(tài)氮淋溶遷移，因此，建議農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中配合秸稈還田多施有機肥，同時減少化肥的使用量，從而降低硝態(tài)氮對地下水的污染。

土壤有機氮是無機氮的源和庫。0～20 cm土層土壤有機氮含量以水稻地最高，這是因為水稻收獲后，種植戶習(xí)慣于將稻草秸稈直接原位深耕壓埋還田，長期的秸稈還田對土壤有機氮累積有明顯的促進作用；小麥、玉米和蔬菜施肥多以化學(xué)肥料為主，土壤有機氮含量相對較低。

3.2 不同土地利用方式對土壤硝化作用的影響

硝化作用是土壤氮素轉(zhuǎn)化的主要過程之一，硝化過程消耗了銨態(tài)氮形成的硝態(tài)氮，極易淋失而污染水體。本研究中，0～20 cm土層蔬菜地土壤硝化潛勢和硝化活性高于葡萄地、枸杞地、小麥地、玉米地、水稻地，說明高產(chǎn)出、高收益的蔬菜地大量施用化學(xué)氮肥，促進了土壤硝化，也加速了土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致土壤氮素損失嚴重。小麥地土壤硝化活性低于其他土地利用方式，這與小麥生育期較短、生育期內(nèi)施肥量較少有一定的關(guān)系[20-23]。本研究中20～40 cm土層水稻地土壤硝化潛勢顯著高于其他土地利用方式，可能是因為長期連作水稻，致使土壤氮素向下淋溶，使得20～40 cm土層土壤氮素明顯聚集，從而增加了土壤硝化潛勢。蔡祖聰?shù)萚5]研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下土壤硝化率具有顯著差異，森林和灌叢土壤的硝化率顯著低于農(nóng)田利用的旱地、水稻地和茶園土壤。除了土地利用方式外，人類干擾活動對土壤硝化潛勢也有顯著影響，且干擾和管理程度越大，土壤硝化潛勢越大[4]。