蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土氮素礦化和硝化特征的影響

劉 陽(yáng)，習(xí)向銀*，袁尚鵬，袁秀梅，王秀斌

（1．西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

綠肥是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華，也是當(dāng)今生態(tài)農(nóng)業(yè)不可或缺的組成部分。其中豆科綠肥由于其具有固氮吸碳作用和豐富的種質(zhì)資源，把其納入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，是保證氮素持續(xù)、均衡地供應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)有利措施［1-2］。氮素是植物需求最多、土壤供應(yīng)較少、供求之間存在矛盾的礦質(zhì)元素［3］。土壤中氮素主要以有機(jī)氮形式存在，同時(shí)豆科綠肥帶入土壤中的氮也以有機(jī)態(tài)為主。但是，植物一般不能直接利用有機(jī)態(tài)氮，須通過礦化作用轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)氮才能被植物吸收利用［4］。此外，硝化作用也是影響土壤氮素供應(yīng)和損失的另外一個(gè)重要過程［5］。因此，研究豆科綠肥利用對(duì)土壤氮素礦化及硝化作用的影響對(duì)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)而采取的一個(gè)重要管理措施，對(duì)維持農(nóng)田土壤生產(chǎn)力和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康至關(guān)重要［6］。有機(jī)肥合理利用可提高土壤肥力及其生產(chǎn)力［7］，改變土壤pH值等，影響微生物活性和氮素轉(zhuǎn)化過程等［8-9］。研究表明，稻草覆蓋減緩了土壤有機(jī)態(tài)氮向無(wú)機(jī)態(tài)氮的轉(zhuǎn)化速率［10］，但有機(jī)廢棄物堆肥卻能促進(jìn)土壤中有機(jī)氮的礦化［11］。又有研究表明，有機(jī)肥與土壤混勻利用時(shí)土壤氮素的礦化為凈固持，而覆蓋在土壤表層利用時(shí)土壤氮素礦化為凈礦化［12］。類似研究表明，2和3 g/kg辣椒殘?bào)w施用量下的土壤氮素表現(xiàn)為凈固持，5 g/kg施用量下的土壤氮素表現(xiàn)出凈礦化［13］。此外，不同土壤種類下土壤氮礦化和硝化對(duì)氮素增加的反應(yīng)各異［14］。因此，有機(jī)肥對(duì)土壤氮素的礦化和硝化的影響不盡相同，與有機(jī)肥本身特性、用量、利用方式、土壤質(zhì)地、溫度、pH值、水分等因素密切相關(guān)［15］。

紫色土是川、渝地區(qū)一類重要的農(nóng)業(yè)土壤資源，以丘陵和低山地貌為主，墾殖指數(shù)、復(fù)雜指數(shù)高，侵蝕嚴(yán)重，并且紫色土具有成土快，發(fā)育淺，氮素含量普遍低的特點(diǎn)［7，16］。因此，提高和維持紫色土氮素含量是紫色土分布區(qū)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切要求。近年來(lái)，綠肥利用對(duì)紫色土坡耕地改良的研究已有開展［7］，但是，就不同綠肥利用方式對(duì)紫色土氮素礦化和硝化影響的研究很少。本研究選用川、渝兩地常見的豆科綠肥蠶豆為研究材料，通過室內(nèi)恒溫恒濕好氣培養(yǎng)法開展試驗(yàn)，研究綠肥翻壓和覆蓋兩種利用方式對(duì)紫色土氮素礦化和硝化作用的影響，以期為提高和維持紫色土氮素含量及紫色土區(qū)域綠肥合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：取自重慶市西南大學(xué)竹園后山試驗(yàn)基地，土壤類型為中性紫色土，土壤取回后置于室內(nèi)風(fēng)干磨細(xì)過2 mm篩后供培養(yǎng)試驗(yàn)用，其理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤物理化學(xué)性質(zhì)

供試綠肥：蠶豆，為重慶、四川常種的冬季綠肥。蠶豆綠肥于2013年11月1日播種，2014年3月1日蠶豆盛花期收獲，同時(shí)測(cè)量蠶豆綠肥鮮生物量為4.05×104kg/hm2。然后對(duì)蠶豆綠肥進(jìn)行殺青處理，最后在65℃下烘干磨碎過2 mm篩后備用，其化學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 供試蠶豆綠肥化學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與培養(yǎng)

試驗(yàn)以蠶豆綠肥翻壓（FY）和覆蓋（FG）兩種利用方式為研究對(duì)象，每種利用方式均設(shè)置3種綠肥添加量，按添加量0.6%、1.8%、3%（相當(dāng)于鮮 綠 肥 10 400、31 200、52 000 kg/hm2） 把 蠶 豆 綠肥分別添加到100 g風(fēng)干土中，充分混勻，并以無(wú)綠肥添加空白土壤作為對(duì)照，共7個(gè)處理，依次分別記為FG0.6、FG1.8、FG3.0、FY0.6、FY1.8、FY3.0、CK。模擬田間綠肥還田的方式、用量及田間含水量等條件，采用室內(nèi)恒溫（25±0.5）℃好氣培養(yǎng)法［10，17-19］進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)容器為 150 mL 燒杯。該試驗(yàn)具體培養(yǎng)過程如下：

礦化試驗(yàn)：稱取過2 mm篩的風(fēng)干土壤100 g于150 mL燒杯中，加水至田間持水量的30%，用保鮮膜將燒杯口密封，并用針在保鮮膜上均勻扎幾個(gè)小孔以創(chuàng)造好氣環(huán)境。置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中避光進(jìn)行1周的預(yù)培養(yǎng)，以達(dá)到激活土壤微生物活性的目的。1周后第一次取樣，記為第0 d取樣。隨后對(duì)預(yù)培養(yǎng)后的土壤按試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行處理，通過稱重調(diào)節(jié)含水量，使土壤含水量為田間持水量的65%，用保鮮膜密封，扎上小孔，將燒杯放入25℃的培養(yǎng)箱避光培養(yǎng)。在培養(yǎng)期間每隔1 d采用稱重法補(bǔ)充失去的水分，使土壤水分保持恒定狀態(tài)。每個(gè)處理分別在培養(yǎng)后的1、3、5、7、14、21、28、35、42、49、56、63 d隨機(jī)取3個(gè)重復(fù)試樣，測(cè)定其NH4+-N、NO3--N、全氮、有機(jī)質(zhì)。

硝化試驗(yàn)：培養(yǎng)方法同礦化試驗(yàn)類似，但每個(gè)處理留3個(gè)燒杯不加硫酸銨，其余燒杯加入硫酸銨溶液（添加量為 120 mg/kg）［20］。同樣在培養(yǎng)后的 1、3、5、7、14、21、28、35、42、49、56、63 d 隨機(jī)取3個(gè)重復(fù)試樣，測(cè)定其NH4+-N、NO3--N的含量。不加硫酸銨的處理在第63 d取樣，用于測(cè)定氨氧化潛勢(shì)、硝化強(qiáng)度。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與數(shù)據(jù)計(jì)算

土壤和綠肥的基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》常規(guī)方法測(cè)定［21］。土壤pH值采用酸度計(jì)法測(cè)定（液土比為2.5∶1），田間持水量采用威爾科克斯法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。土壤全氮采用半微量凱氏法測(cè)定，土壤全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬藍(lán)比色法測(cè)定，土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定。土壤有效磷采用Olsen法測(cè)定，土壤速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定。土壤NH4+-N采用靛酚藍(lán)比色法［21］，NO3--N采用紫外分光光度法測(cè)定［22］，土壤氨氧化潛勢(shì)的測(cè)定參考Kurola等［23］的方法，土壤硝化強(qiáng)度采用懸液培養(yǎng)法測(cè)定［24］。綠肥全碳采用重鉻酸鉀容量法，綠肥全氮采用半微量凱氏法，綠肥全磷采用釩鉬黃比色法，綠肥全鉀采用火焰光度法。數(shù)據(jù)計(jì)算方法如下：

土壤氮礦化量=培養(yǎng)后的礦質(zhì)氮總量-培養(yǎng)前的初始礦質(zhì)氮總量［20］

硝化率（%）=NO3--N/（NH4+-N+NO3--N）×100（硫酸銨培養(yǎng)后土壤中硝態(tài)氮與礦質(zhì)氮之比）［20］

氨氧化潛勢(shì)［μg/（g·h）］=培養(yǎng)后濾液中NO2-含量 ×25/（5×65%×24）［23］

硝化強(qiáng)度（%）=（原始培養(yǎng)基中NO2-量-培養(yǎng)后培養(yǎng)基中NO2-量）/原始培養(yǎng)基中NO2-量×100［24］

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，多重比較采用LSD最小極差法。Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤氮素礦化的影響

2.1.1 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤凈氮礦化量的影響

凈氮礦化量是指一定時(shí)間內(nèi)土壤礦化氮量與微生物固持氮量的差值，它是土壤氮素供應(yīng)的容量指標(biāo)［25］。圖1為不同蠶豆綠肥利用方式下紫色土土壤凈氮礦化量的時(shí)間曲線。與對(duì)照相比，在14～63 d內(nèi)添加綠肥顯著增加了土壤凈氮礦化量（P＜0.05），說明綠肥利用促進(jìn)了土壤氮的礦化。CK處理除第1 d外，其余時(shí)間的土壤凈氮礦化量都為負(fù)值，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)礦化量最小，為-20.28 mg/kg，表明在培養(yǎng)過程中，礦質(zhì)氮不斷被微生物固持。總體而言，所有綠肥處理的土壤凈氮礦化量在0～21 d 變化較大，21～ 63 d相對(duì)穩(wěn)定。

當(dāng)蠶豆綠肥覆蓋時(shí)，在1～42 d內(nèi)，土壤凈氮礦化量隨綠肥覆蓋量增加而增加，其中，在3～14 d，各綠肥覆蓋處理間差異顯著（P＜0.05）；在49～63 d，土壤凈氮礦化量隨綠肥覆蓋量增加而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中，F(xiàn)G1.8和FG3.0無(wú)顯著差異，但均顯著高于CK和FG0.6（P＜0.05）。FG0.6處理凈氮礦化量在第49 d出現(xiàn)最大值，F(xiàn)G1.8和FG3.0處理均在第3 d出現(xiàn)最大值，依次分別較對(duì)照增加了 28.04、128.79、203.48 mg/kg。由圖1還可看出，所有綠肥覆蓋處理（除FG0.6處理外）的土壤凈氮礦化量在1～21 d均呈現(xiàn)先迅速上升后迅速下降，21 d后土壤凈氮礦化量保持緩慢變化趨勢(shì)。當(dāng)蠶豆綠肥翻壓時(shí)，在1～3 d內(nèi)，土壤凈氮礦化量隨綠肥翻壓量增加而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；在5～63 d，土壤凈氮礦化量隨著綠肥翻壓量的增加而增加，其中，5～21 d各綠肥處理間差異顯著（P＜0.05）；在28～63 d內(nèi)，各綠肥處理間差異不顯著。FY0.6和FY1.8峰值出現(xiàn)在第1 d，F(xiàn)Y3.0 峰值出現(xiàn)在第 5 d，峰值分別為 110.98、304.21 和 174.27 mg/kg，均顯著高于 CK（P＜0.05）?？梢?，與對(duì)照相比，蠶豆綠肥翻壓均有利于紫色土土壤凈氮礦化量增加。由圖1還可知，在第1 d時(shí)，相同綠肥用量下，綠肥翻壓顯著大于綠肥覆蓋（P＜0.05）；在5～7 d，相同綠肥用量下，綠肥翻壓大于綠肥覆蓋，但處理間差異不顯著；14～63 d，相同綠肥用量下，綠肥覆蓋和翻壓呈現(xiàn)不同趨勢(shì)。所有綠肥翻壓處理均在0～5 d內(nèi)達(dá)到一個(gè)最大值，然后在5～21 d迅速下降，21 d后保持緩慢變化的趨勢(shì)?？傊?，蠶豆綠肥覆蓋或者翻壓均有利于紫色土土壤凈氮礦化量增加，且在一定時(shí)間范圍內(nèi)有隨綠肥施用量增加而增加的趨勢(shì)。

圖1 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤凈氮礦化量動(dòng)態(tài)變化的影響

2.1.2 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的影響

如表3所示，與對(duì)照相比，所有綠肥翻壓量和中高量綠肥覆蓋量均不同程度顯著提高了紫色土土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的含量，F(xiàn)Y0.6、FY1.8、FY3.0、FG1.8和FG3.0增幅依次分別為0.17、0.23、0.24、0.63、0.92 g/kg和 1.51、1.84、4.43、11.57、19.15 g/kg；另外，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)均隨著綠肥翻壓或覆蓋量的增加而增加。對(duì)于綠肥翻壓處理而言，F(xiàn)Y0.6、FY1.8和FY3.0處理的全氮含量分別是CK的1.83、3.17和4.17倍，且處理間達(dá)到了顯著差異（P＜0.05）；類似地，F(xiàn)Y0.6、FY1.8和FY3.0處理的有機(jī)質(zhì)含量分別是對(duì)照的1.93、3.44和5.03倍，且處理間也達(dá)到了顯著差異（P＜0.05）。對(duì)于綠肥覆蓋處理而言，F(xiàn)G0.6、FG1.8和FG3.0全氮含量分別是CK的1.14、1.59和1.79倍，其中FG1.8和FG3.0處理與對(duì)照和FG0.6達(dá)到了顯著差 異（P＜0.05）；FG0.6、FG1.8、FG3.0處 理 的 有機(jī)質(zhì)含量分別是對(duì)照的1.18、1.32、1.39倍，且處理間無(wú)顯著差異?？梢姡谙嗤G肥施用量下，綠肥翻壓對(duì)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的提高效應(yīng)明顯高于綠肥覆蓋，且綠肥用量越大提高作用更為明顯。

表3 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的影響（63 d）

2.2 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤硝化的影響

2.2.1 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤硝化率的影響

如圖2可知，蠶豆綠肥覆蓋或翻壓后，紫色土土壤的硝化率在整個(gè)培養(yǎng)過程中總體變化規(guī)律比較類似，大致呈“S”形變化，可分為3個(gè)階段：緩慢階段、迅速上升階段和平穩(wěn)階段。在1～7 d，所有處理的土壤硝化率均比較低，綠肥覆蓋處理的土壤硝化率變幅在13.03%～35.55%之間，綠肥翻壓處理的土壤硝化率變幅在3.82%～11.58%之間。可見，在1～7 d，相同綠肥用量下，綠肥覆蓋處理的土壤硝化率顯著高于綠肥翻壓處理，除FG0.6和FG1.8處理外，其他綠肥處理土壤硝化率均顯著低于CK（P＜0.05）。說明在1～7 d內(nèi)所有綠肥翻壓處理和高覆蓋量處理均顯著抑制了土壤硝化作用，且在相同綠肥用量下，綠肥翻壓大于綠肥覆蓋。由圖2還可知，在3～7 d時(shí)，各綠肥覆蓋處理間差異顯著（P＜0.05），土壤硝化率隨著綠肥覆蓋量的增加而下降。同樣地，在1～7 d，所有綠肥翻壓處理對(duì)土壤硝化率有明顯抑制作用，而且有隨綠肥用量增加而增強(qiáng)的趨勢(shì)。7 d之后土壤硝化率開始迅速上升，在21 d時(shí)，各綠肥處理間硝化率達(dá)到了顯著差異（P＜0.05）。其中，F(xiàn)G0.6、FG1.8和FG3.0的硝化率分別為89.50%、93.22%和81.17%，F(xiàn)Y0.6、FY1.8和FY3.0的硝化率分別為79.67%、81.31%和71.14%，除FY3.0處理外，所有綠肥處理土壤硝化率均顯著高于CK（P＜0.05）。相同綠肥用量下，蠶豆綠肥覆蓋比翻壓更能促進(jìn)紫色土的硝化作用。在培養(yǎng)28 d后，各處理土壤硝化率均達(dá)到90%左右。從28 d到培養(yǎng)結(jié)束，綠肥覆蓋或翻壓均顯著提高了土壤硝化率，且35 d后土壤硝化率均表現(xiàn)為 FG3.0＞FG1.8＞FG0.6，F(xiàn)Y3.0＞FY1.8＞FY0.6，且差異顯著（P＜0.05）。

圖2 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤硝化率動(dòng)態(tài)變化的影響

2.2.2 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤氨氧化潛勢(shì)和土壤硝化強(qiáng)度的影響

氨氧化（也稱亞硝化）作用是硝化作用的第一個(gè)過程，氨氧化潛勢(shì)也稱硝化速率，可以用來(lái)表征土壤氨氧化能力［3］。從表4可知，與CK相比，豆科綠肥顯著促進(jìn)了紫色土土壤氨氧化作用，氨氧化潛勢(shì)變幅在0.11～ 0.17 μ g/（g·h）之間。其中，各綠肥翻壓處理之間達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），綠肥覆蓋中高量間也達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），均有隨用量增加而增加的趨勢(shì)。由表4還可知，F(xiàn)Y3.0氨氧化潛勢(shì)最高，比CK增加了142.86%，而且，F(xiàn)G3.0的氨氧化潛勢(shì)比CK增加了128.57%；在相同綠肥用量下，綠肥翻壓比綠肥覆蓋更有利于氨氧化作用?？傊?，蠶豆綠肥顯著提高了土壤氨氧化能力，且綠肥翻壓優(yōu)于綠肥覆蓋，并在一定范圍內(nèi)隨綠肥用量增加而增加。

亞硝酸氧化作用是硝化作用的第二個(gè)過程，亞硝酸氧化細(xì)菌將NO2--N氧化成NO3--N 的作用可以用硝化強(qiáng)度表示［3］。從表4可知，與CK相比，豆科綠肥對(duì)土壤硝化強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)作用，硝化強(qiáng)度在63.38%～95.79%之間變動(dòng)。其中，綠肥翻壓低中用量之間達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），綠肥覆蓋3個(gè)用量之間均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），而且均有隨用量增加而增加的趨勢(shì)。由表4還可看出，F(xiàn)Y3.0、FY1.8和FG3.0的土壤硝化強(qiáng)度分別是CK的1.60、1.59和1.59倍，均顯著高于對(duì)照和其他綠肥處理；在相同綠肥用量下，綠肥翻壓比綠肥覆蓋更有利于硝化強(qiáng)度的增強(qiáng)?？傊?，蠶豆綠肥顯著提高了紫色土土壤硝化強(qiáng)度，且綠肥翻壓好于綠肥覆蓋，并在一定范圍內(nèi)有隨綠肥翻壓量增加而增加的趨勢(shì)。

表4 蠶豆綠肥利用方式對(duì)紫色土土壤氨氧化潛勢(shì)和硝化強(qiáng)度的影響

2.3 土壤礦化和硝化與紫色土土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系

土壤中的氮礦化是有機(jī)氮首先通過氨化作用礦化成NH4+-N，再進(jìn)一步經(jīng)過硝化作用轉(zhuǎn)化成NO3--N的過程，土壤氮礦化量與NH4+-N、NO3--N含量密切相關(guān)［11］。運(yùn)用Pearson雙側(cè)檢驗(yàn)對(duì)土壤氮素礦化特征進(jìn)行相關(guān)性分析（表5），在培養(yǎng)過程中，土壤凈氮礦化量分別與全氮和有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.38和0.41。由表5還可知，土壤凈氮礦化量與土壤銨態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與硝態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.98和-0.46。

土壤pH值是影響土壤硝化作用的主要因素之一［26］。對(duì)在25℃培養(yǎng)條件下培養(yǎng)結(jié)束時(shí)所有處理的土壤氮素硝化率和土壤pH值進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)土壤的硝化率與土壤pH值存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.80**）。諸多研究也表明硝化率與土壤pH值呈顯著正相關(guān)，在pH值為5.6～8.0時(shí)硝化率隨土壤pH值的上升而升高，這是由于自養(yǎng)硝化菌適宜在pH值6.6～8.0或更高的范圍內(nèi)生長(zhǎng)［27-28］。此外，通過相關(guān)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有處理土壤pH值與土壤氨氧化潛勢(shì)和土壤硝化強(qiáng)度之間也存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.86**，r=0.85**）。

表5 影響氮素礦化的關(guān)鍵因子之間的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 蠶豆綠肥利用方式與紫色土的氮素礦化

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤氮同時(shí)進(jìn)行2個(gè)過程轉(zhuǎn)化：一是礦化作用，在微生物作用下將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮；另一個(gè)是腐質(zhì)化過程，即已礦化的氮被土壤中微生物同化而形成有機(jī)氮，被稱為礦化氮的固持作用。其中，土壤氮的礦化對(duì)作物供氮起著非常重要的作用［10］。綠肥還田土壤后，通過改變土壤濕度、溫度、水分等環(huán)境因素，從而對(duì)微生物活性產(chǎn)生影響，同時(shí)綠肥還田后可能引起土壤氮素的激發(fā)效應(yīng)，發(fā)生氮的礦化或固持現(xiàn)象［29］。

本研究結(jié)果表明，土壤凈氮礦化量在0～21 d內(nèi)變化較大，在21～63 d內(nèi)變化緩慢，這與吳元華等［30］的研究結(jié)果類似。其中，0～21 d為綠肥養(yǎng)分快速釋放期，綠肥中易腐解部分被微生物快速礦化分解［31-32］，有機(jī)物礦化分解向土壤中不斷釋放礦質(zhì)氮，同時(shí)微生物獲得充足的碳源，導(dǎo)致一部分礦質(zhì)氮被微生物固持，這一階段礦化和固持過程都很強(qiáng)；21～63 d為養(yǎng)分緩慢釋放期，綠肥中易分解的有機(jī)物被分解殆盡，并且土壤中易被微生物利用的碳源減少，微生物對(duì)礦質(zhì)氮的固持也相對(duì)較少，土壤微生物固持-釋放過程處于一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)［33-35］。CK處理除第1 d外，其余時(shí)間的土壤凈氮礦化量都為負(fù)值，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)礦化量最小，這可能是因?yàn)槲⑸镌鲋尺^程消耗一定量的礦質(zhì)氮，導(dǎo)致氮礦化速率相對(duì)較慢［14］。在1～42 d內(nèi)，土壤凈氮礦化量隨綠肥覆蓋量增加而增加，在49～63 d，土壤凈氮礦化量隨綠肥覆蓋量增加而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；在1～3 d內(nèi)，土壤凈氮礦化量隨綠肥翻壓量增加而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在5～63 d內(nèi)，土壤凈氮礦化量隨綠肥翻壓量增加而增加?？梢?，綠肥覆蓋或翻壓在整個(gè)培養(yǎng)過程中隨綠肥施用量增加而呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，這需要進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。與對(duì)照相比，蠶豆綠肥覆蓋或者翻壓均有利于紫色土土壤凈氮礦化量增加，其凈礦化量在培養(yǎng)期間基本都是正值（圖1）。導(dǎo)致上述結(jié)果的原因可能有兩個(gè)，一是綠肥的添加滿足了微生物對(duì)氮素的大量需求［25］，進(jìn)而促進(jìn)了紫色土的礦化作用；二是綠肥釋放了大量無(wú)機(jī)氮所致。具體原因有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。本文結(jié)果還初步表明，在培養(yǎng)第1 d和第5～7 d，在相同綠肥用量下，土壤凈氮礦化量表現(xiàn)出綠肥翻壓大于綠肥覆蓋（圖1），這主要是因?yàn)榫G肥翻壓與土壤顆粒充分接觸，為微生物提供了大量的有機(jī)物質(zhì)，為土壤氮礦化奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

土壤氮礦化與土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮有密切關(guān)系［36-37］。本文的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)（表5）。由表5可知，土壤凈氮礦化量與土壤銨態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與硝態(tài)氮極顯著負(fù)相關(guān)。這與前人的研究結(jié)果不同［11］，這可能與供試有機(jī)物料性質(zhì)［14］、用量［13］以及土壤類型［14］有關(guān)，這也表明土壤氮礦化影響因素復(fù)雜多樣，其作用機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。本文的研究還表明，綠肥利用均顯著提高了土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量（除低用量之外，表3），且綠肥翻壓明顯高于綠肥覆蓋處理（表3）。這主要是因?yàn)?，綠肥腐解將自身一部分有機(jī)碳釋放到土壤中，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)也提高了土壤全氮含量［7］。另外，綠肥覆蓋導(dǎo)致作物殘?bào)w本身含水量降低，與土壤微生物及水分接觸機(jī)會(huì)少，有機(jī)物殘?bào)w的分解速率低于綠肥翻壓處理［38］，從而導(dǎo)致綠肥翻壓對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的提高作用大于綠肥覆蓋。

3.2 蠶豆綠肥利用方式與紫色土的氮素硝化

本研究表明，土壤硝化率在培養(yǎng)過程中隨時(shí)間呈“S”型變化，分為緩慢階段、迅速上升階段和平穩(wěn)階段（圖2），這與前人的研究結(jié)果相吻合［39-40］。硝化作用主要是由硝化微生物作用進(jìn)行的，起初土壤中硝化菌的數(shù)量相對(duì)較少，但當(dāng)銨態(tài)氮施入土壤后硝化菌迅速生長(zhǎng)，其中，緩慢階段是硝化菌的生長(zhǎng)時(shí)期，迅速上升階段和平穩(wěn)階段主要是由銨態(tài)氮的衰退引起的［41］。在1～7 d，所有綠肥翻壓處理和高覆蓋量處理土壤硝化率均顯著低于CK（圖2），這可能是因?yàn)榫G肥翻壓和高覆蓋量處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的增加作用更為顯著，而有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí)對(duì)土壤自養(yǎng)硝化細(xì)菌具有抑制作用［42］。7 d之后土壤硝化率開始迅速上升，在培養(yǎng)28 d后，各處理土壤硝化率均達(dá)到90%左右，這可能是因?yàn)橄趸焖俜敝?，?dǎo)致硝化作用增強(qiáng)（圖2）。從35 d到培養(yǎng)結(jié)束，綠肥覆蓋或翻壓均顯著提高了土壤硝化率，且隨綠肥施用量增加而增加，這可能是因?yàn)榫G肥施用量的增加導(dǎo)致分解礦化產(chǎn)生的銨態(tài)氮相對(duì)增多，因而對(duì)硝化作用的刺激作用增強(qiáng)［43］。硝化作用分兩個(gè)階段完成，即氨氧化和亞硝酸氧化過程。本研究還表明，綠肥利用均顯著提高了土壤氨氧化潛勢(shì)和土壤硝化強(qiáng)度，且隨綠肥施用量增加而增加，這與辜運(yùn)富等［44］和宋三多等［45］的研究結(jié)果類似，可能是因?yàn)榫G肥腐解為硝化有關(guān)微生物群落生長(zhǎng)繁殖提供了可利用的碳源或氮源，從而提高了紫色土硝化微生物數(shù)量，增強(qiáng)了硝化細(xì)菌活性［3］，而且綠肥礦化作用產(chǎn)生大量的銨態(tài)氮有利于硝化作用［46］。但何飛飛等［47］發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥降低了土壤氨氧化潛勢(shì)，這可能是因?yàn)椴煌N類有機(jī)肥C/N不同，對(duì)土壤硝化作用的影響不同［48］。相同綠肥用量下，綠肥翻壓處理的氨氧化潛勢(shì)和土壤硝化強(qiáng)度高于綠肥覆蓋處理，這說明綠肥翻壓比綠肥覆蓋更有利于促進(jìn)土壤硝化作用，更有利于土壤氮素供給。這可能是因?yàn)榫G肥翻壓對(duì)土壤銨態(tài)氮含量和pH值增加作用更為明顯些，具體原因有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。范曉輝等［49］的研究表明，土壤硝化作用與土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)。這意味著綠肥翻壓比綠肥覆蓋更有利于提高土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量，從而有利于土壤的硝化作用。此證據(jù)有待于進(jìn)一步證實(shí)。

由于本試驗(yàn)采用室內(nèi)恒溫好氣培養(yǎng)法來(lái)初步探索蠶豆綠肥對(duì)紫色土氮素轉(zhuǎn)化特征的影響，然而室內(nèi)培養(yǎng)條件與田間實(shí)際狀況有一定的差距。此外，在本試驗(yàn)中，無(wú)法區(qū)分添加豆科綠肥后土壤無(wú)機(jī)氮大量增加是來(lái)自土壤氮素礦化還是蠶豆綠肥腐解。因此，關(guān)于蠶豆綠肥如何影響紫色土土壤氮素礦化和硝化作用，還需要開展進(jìn)一步試驗(yàn)進(jìn)行深入探究。

4 結(jié)論

蠶豆綠肥覆蓋和翻壓均有利于紫色土土壤凈氮礦化量、土壤硝化率的增加，且在一定范圍內(nèi)有隨綠肥施用量增加而增加的趨勢(shì)。與對(duì)照相比，施用綠肥均提高了土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量、土壤的氨氧化潛勢(shì)和土壤硝化強(qiáng)度。相同綠肥用量下，綠肥翻壓對(duì)土壤礦化和硝化作用明顯強(qiáng)于綠肥覆蓋。相關(guān)分析表明，土壤凈氮礦化量與銨態(tài)氮、全氮和有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與硝態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤硝化率、土壤氨氧化潛勢(shì)和土壤硝化強(qiáng)度與土壤pH值之間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。可見，適量蠶豆綠肥翻壓或覆蓋均可促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化過程，其對(duì)紫色土氮素轉(zhuǎn)化的影響因其利用方式和施用量的不同而異。