石冰潔，李世清，2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

氮素是限制作物生長的關(guān)鍵養(yǎng)分因子，也是禾本科作物從土壤中吸收量最大的營養(yǎng)元素[1]。土壤中90%以上氮素以有機(jī)態(tài)存在，而作物吸收形態(tài)主要是礦質(zhì)態(tài)氮，作物吸收氮素50%以上源于作物生長期間土壤有機(jī)氮礦化產(chǎn)生的礦質(zhì)氮[2]。微生物在不斷進(jìn)行礦化作用形成礦質(zhì)氮的同時也吸收固持部分礦質(zhì)氮[3]，礦化作用和固持作用之間的平衡決定了土壤礦質(zhì)氮的流向和可利用性，直接影響農(nóng)田土壤氮素有效性和作物對氮素的吸收利用[4]。影響土壤氮素礦化的因子包括土壤溫度、含水量、土壤pH值、分解物C/N、土壤微生物量和活性等[5-6]。土壤溫度和水分是影響土壤氮素礦化重要的環(huán)境因素[7]。水資源短缺和養(yǎng)分供應(yīng)不足是限制旱地作物生產(chǎn)的兩大主要限制因素[8]，針對水分對春玉米生產(chǎn)的限制，秸稈覆蓋[9]、砂礫覆蓋[10]和地膜覆蓋[11]等集雨節(jié)水技術(shù)被廣泛應(yīng)用。地表覆蓋對土壤溫度與水分產(chǎn)生不同程度的影響，進(jìn)而改變土壤有機(jī)氮礦化速率[12-13]，該觀點是本研究假設(shè)的基礎(chǔ)。

目前在田間條件下測定土壤凈氮礦化的主要方法有埋袋法、頂蓋埋管法和樹脂芯方法(Resin-core technique，RCT)。與其它兩種方法相比，RCT法允許土芯中水分自由流動，礦化產(chǎn)物(旱地土壤主要是硝態(tài)氮)也會水隨時離開土芯，不會因礦質(zhì)氮在土壤中的大量累積而抑制有機(jī)氮礦化，測定結(jié)果更接近田間實際情況。目前這一方法已被國內(nèi)外廣泛用于土壤氮素礦化研究[14-15]，然而應(yīng)用到地表覆蓋農(nóng)田測定土壤氮素礦化的研究比較少見。過去有關(guān)土壤環(huán)境因子對氮素礦化影響的研究多限于室內(nèi)培養(yǎng)試驗[16-17]，但由于室內(nèi)培養(yǎng)條件與田間實際情況存在很大差異，室內(nèi)培養(yǎng)結(jié)果并不能反映田間真實氮素礦化規(guī)律?；谝陨蟽蓚€問題，本試驗依托地表覆蓋長期定位試驗，采用RCT 法研究旱作農(nóng)田地表覆蓋條件下土壤氮素礦化規(guī)律，以期為準(zhǔn)確評價旱作農(nóng)田土壤有機(jī)氮礦化和合理施氮提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

地表覆蓋長期定位試驗始于2012年，于2016年玉米生育期進(jìn)行土壤氮素礦化測定。田間試驗安排在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站。試驗站位于陜西省咸陽市長武縣洪家鎮(zhèn)王東村(北緯35°12′，東經(jīng)107°40′，海拔1 220 m)，屬典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，地貌屬高原溝壑區(qū)，地帶性土壤為黑壚土，系統(tǒng)分類名稱是簡育干潤均腐土。試區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候(半濕潤易旱區(qū))，近10年(2006-2016年)平均降水545 mm，其中70%左右分布于5-9月(春玉米生長季)；年均氣溫9.9℃，5-10月為17.7℃，無霜期171 d。年蒸發(fā)量高達(dá)1 565 mm，PE干燥度為2.7。2016年和多年平均(2006-2016年)玉米生育期降雨量與氣溫如圖1所示；供試土壤(0～20 cm土層)基本理化性質(zhì)見表1。

圖1 2016年及多年平均(2006-2016年)降雨量和大氣溫度的月變化Fig.1 Monthly variations of precipitation and temperatures in 2016 and average ones from 2006 to 2016

表1 試驗前土壤基本理化性狀(0～20 cm)Tab 1 The basic properties of the topsoil prior to the experiment

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)3個處理，分別為對照不覆蓋處理(BP)，秸稈覆蓋處理(SM)、地膜覆蓋處理(FM)，每個處理重復(fù)3次，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。SM處理采用長度20 cm左右的玉米秸稈，在玉米拔節(jié)初期將秸稈均勻覆蓋在玉米行間和株間，覆蓋厚度約5 cm；FM處理采用1.2 m 寬的白色透明地膜覆蓋整個小區(qū)；各處理均無補充灌溉。小區(qū)面積為45 m2(9 m×5 m)。

各處理播種方式采用寬窄行平作，寬行60 cm，窄行40 cm。供試玉米品種為先玉335，種植密度65 000 株·hm-2。本試驗保證生育期內(nèi)玉米養(yǎng)分的充足供應(yīng)，每公頃施純氮250 kg、純磷40 kg、純鉀80 kg；分別以尿素(含氮量為46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 45%)為氮源、磷源和鉀源。氮肥分別作為播種肥(40%)、拔節(jié)期追肥(30%)和抽雄期追肥(30%)分3 次施入；磷、鉀肥作為基肥與種肥播前一次施入。播種日期為2016年4月18日，追肥日期為2016年6月23日和7月27日。

1.3 土壤氮素礦化測定

圖2 礦化裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of mineralization device

土壤礦質(zhì)氮的測定方法：稱取上述新鮮土壤樣品5.0 g，加入50 mL 2 mol·L-1KCl 振蕩1 h后過濾，用連續(xù)流動分析儀 (FOLOWS, Italy)測定濾液中的銨、硝態(tài)氮。陰陽離子混合型交換樹脂吸附礦質(zhì)氮測定方法：將每個樹脂袋放入50 mL濃度為2 mol·L-1的KCl振蕩 1 h，再用相同濃度的KCl淋洗2次，最后用去離子水沖洗樹脂袋定容至200 mL，然后測定礦質(zhì)氮含量。

1.4 土壤水分、溫度測定

各處理在同一區(qū)組0～20 cm土層每5 cm安裝地溫計，在玉米生育期內(nèi)每天08∶00和14∶00測定，兩次讀數(shù)的平均值表征當(dāng)天平均溫度，每7 d平均溫度代表該周平均溫度；試驗期間以每周一次的頻率采集0～20 cm土層土壤樣品，用烘干法測定水分含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

氮素礦化量及礦化速率按以下公式計算：

RN=(NB硝+NB銨+NE硝+NE銨)-(NA硝+NA銨)/t

R硝=(NB硝+NE硝-NA硝)/t

R銨=(NB銨+NE銨-NA銨)/t

式中：NB硝為培養(yǎng)后土壤硝態(tài)氮含量；NB銨為培養(yǎng)后土壤銨態(tài)氮含量；NE硝為樹脂吸附硝態(tài)氮含量；NE銨為樹脂吸附銨態(tài)氮含量；NA硝為培養(yǎng)前土壤硝態(tài)氮含量；NA銨為培養(yǎng)前土壤銨態(tài)氮含量；RN為土壤凈氮礦化速率；R硝為土壤凈硝化速率；R銨為土壤凈銨化速率；t為培養(yǎng)時間。培養(yǎng)前的土壤硝銨態(tài)氮含量由埋礦化裝置后采取附近0～20 cm土壤測定而得，培養(yǎng)后的土壤硝銨態(tài)氮含量由測定礦化裝置中的土芯而得。

試驗數(shù)據(jù)用 SPSS 22.0 軟件和EXCEL 2007進(jìn)行分析，各培養(yǎng)階段不同覆蓋處理間差異顯著性用單因素方差分析比較，顯著性水平為P<0.05。采用SigmaPlot 12.5軟件繪圖，圖表中的數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋條件下0～20 cm土層土壤水分含量

與不覆蓋對照(BP)相比，秸稈覆蓋(SM)和地膜覆蓋(FM)明顯提高了0～20 cm土層土壤含水量(圖3)，分別增加5.7%和17.2%，從全生育期看，土壤水分含量表現(xiàn)為FM>SM>BP，地膜覆蓋在不同階段的影響程度不同：在PT～V10時期，F(xiàn)M處理土壤含水量顯著高于BP處理，但在以后生育階段二者沒有顯著差異；V10～R3時期處于黃土高原雨熱同期階段(7、8月)，此時雖然降雨量大，但因分布不勻，導(dǎo)致土壤含水量波動劇烈，覆蓋效果也相應(yīng)減弱。R3～R6時期，3個處理間土壤含水量差距進(jìn)一步縮小，基本趨于一致，由于較多的降雨導(dǎo)致土壤含水量呈升高趨勢。

2.2 不同覆蓋條件下0～20 cm土層土壤溫度

與BP相比，SM處理和FM處理明顯影響0～20 cm土層土壤溫度(圖4)。覆蓋材料不同，影響效果也不同：SM處理土壤平均溫度下降2.24%，而FM處理增加1.79%。在不同生育階段，覆蓋對土壤溫度影響的效果也不同。在PT～V10生育階段，3個處理土壤溫度變化幅度較大，SM處理溫度波動尤其劇烈，F(xiàn)M處理耕層溫度顯著高于BP處理和SM處理；V10～R3時期隨著氣溫升高，各個處理土壤溫度均有所升高，但不同處理間仍然表現(xiàn)為FM>BP>SM，SM處理的溫度基本維持在22℃～24℃間，顯著低于BP和FM處理；在R3～R6生育階段3個處理土壤溫度變化基本一致，且各處理之間差異不顯著，這可能主要與玉米植株遮擋有關(guān)。

圖3 不同處理0～20 cm土層土壤含水量Fig. 3 The average soil water content of different treatments in 0～20 cm

圖4 不同處理0～20 cm土層平均土壤溫度Fig. 4 The average soil temperature of different treatments in 0～20 cm

2.3 不同覆蓋條件下0～20 cm土層土壤氮素凈礦化量與凈礦化速率

地表覆蓋顯著影響玉米生育期間土壤氮素礦化量(表2)。從全生育期看，3個處理的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和礦質(zhì)氮均表現(xiàn)為凈固持，但不同處理，礦質(zhì)氮固持量不同，表現(xiàn)為FM(43.1 mg·kg-1)>BP(27.4 mg·kg-1)>SM(20.9 mg·kg-1)，SM處理生育期礦質(zhì)氮凈固持量相比BP處理低23.9%，F(xiàn)M處理相比BP處理增加57.1%，且FM處理與BP處理差異顯著(p<0.05)，SM處理與BP處理差異不顯著。與BP處理相比，SM處理生育期硝態(tài)氮凈固持量減少26.1%，F(xiàn)M處理增加64.4%。3個處理間銨態(tài)氮凈固持量無顯著差異，且固持量基本一致，這主要與石灰性旱地土壤礦質(zhì)氮主要形態(tài)為硝態(tài)氮，銨態(tài)氮含量低而穩(wěn)定有關(guān)。

表2 不同處理各培養(yǎng)階段土壤氮凈礦化量Table 2 Net N mineralization of different treatments in each culture stage

地表覆蓋也顯著影響土壤氮素礦化速率，影響趨勢與對土壤氮素礦化量的影響基本一致(圖5)。在PT～V10生育階段，各處理凈氮礦化均為負(fù)值，表現(xiàn)為土壤礦質(zhì)氮凈固持；隨著生育期推進(jìn)固持速率加快，在V10時期達(dá)到最大，這顯然與肥料氮被土壤微生物固定有關(guān)，該生育階段3個處理間礦質(zhì)氮的凈氮固持速率無顯著差異；在V10～R1生育階段，除FM處理表現(xiàn)為固持外，SM、BP處理均表現(xiàn)為氮素凈礦化，且凈氮礦化速率表現(xiàn)為SM(0.5 mg·kg-1d-1)>BP(0.3 mg·kg-1d-1)；在R1～R3生育階段，SM處理氮素凈礦化速率顯著高于BP(p<0.05)，F(xiàn)M處理與BP并無顯著差異，3個處理表現(xiàn)為SM(0.62 mg·kg-1d-1)>FM(0.34 mg·kg-1d-1)>BP(0.28 mg·kg-1d-1)；在R3～R6生育階段，與BP處理相比，SM處理和FM處理的氮素凈礦化速率均顯著降低。

2.4 培養(yǎng)期間0～20 cm土層土壤硝態(tài)氮淋失量

由于PVC管內(nèi)礦質(zhì)氮，特別是硝態(tài)氮可以隨水向下移動，因此可以用管內(nèi)樹脂吸附的硝態(tài)氮含量估算培養(yǎng)階段0～20 cm土層土壤硝態(tài)氮的淋失量。本試驗結(jié)果顯示(圖6)，不同覆蓋顯著影響玉米生育期樹脂吸附硝態(tài)氮含量。整個生育期各處理樹脂硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為SM(10.5 mg·kg-1)>BP(9.4 mg·kg-1)>FM(2.0 mg·kg-1)，并且樹脂吸附硝態(tài)氮含量與降雨量強(qiáng)度和降雨量高度吻合。

圖5 不同處理各培養(yǎng)階段土壤氮凈礦化速率Fig. 5 Net N mineralization rate of different treatments in each culture stage

圖6 不同處理各培養(yǎng)階段離子交換樹脂硝態(tài)氮含量和降雨量Fig.6 -N in ion exchange resin of different treatments in each culture stage and precipitation

3 討 論

本研究利用RCT法對旱地玉米農(nóng)田土壤0～20 cm土層土壤氮素礦化的研究表明，從全生育期看，各覆蓋處理土壤礦質(zhì)氮均呈現(xiàn)凈氮固持，這主要與PT～V10生育階段氮素凈固持量顯著大于之后生育階段的凈氮礦化量有關(guān)，地膜覆蓋、秸稈覆蓋和不覆蓋總固持量分別為43.1、20.9 mg·kg-1和27.4 mg·kg-1。大量試驗均已表明，土壤水分和溫度條件與土壤氮素礦化和積累有密切的相關(guān)性，且氮素礦化對溫度的敏感性強(qiáng)于濕度[18-19]，玉米生育前期(PT～V10)土壤溫度和水分波動較大，溫度變化范圍為16℃～24℃，土壤含水量變化范圍為12%～25%，這使得土壤中微生物的數(shù)量和活性較高，但此時玉米處于苗期，對礦質(zhì)氮的需求量較少，使得微生物將大量的礦質(zhì)氮固持，地膜覆蓋由于增加了土壤溫度和水分，這會更有利于促進(jìn)土壤礦質(zhì)氮的微生物固持；同時有研究表明，土壤初始礦質(zhì)氮含量與培養(yǎng)期間礦化氮呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[20]，在PT～V10生育階段，土壤礦質(zhì)氮初始值較高，這會顯著限制土壤氮素礦化，上述兩方面的原因會導(dǎo)致玉米生育前期土壤氮素礦化表現(xiàn)為強(qiáng)烈的凈氮固持。由試驗結(jié)果可以看出，在全生育期內(nèi)不同地表覆蓋對硝態(tài)氮的凈礦化影響較大，對銨態(tài)氮基本無影響。礦化量的變化主要是由硝化量的變化引起的，這與楊小紅等[21]的研究結(jié)果基本一致，與石灰性旱地土壤礦質(zhì)氮主要存在形式是硝態(tài)氮，銨態(tài)氮含量低而穩(wěn)定有關(guān)。

V10～R3生育階段也是降雨量大、溫度高的季節(jié)(7、8月)，這一個階段秸稈覆蓋的凈氮礦化量和凈氮礦化速率顯著高于對照處理，而地膜覆蓋與對照處理相比并無顯著差異，這可能主要與秸稈腐解產(chǎn)生的有機(jī)碳會為微生物提供比較充分的能源物質(zhì)，有利于微生物對固持有機(jī)氮的礦化有關(guān)[22]；而地膜覆蓋導(dǎo)致較高的土壤溫度可能不利于有機(jī)氮礦化[23]，另外，秸稈覆蓋土壤頻繁的干濕交替可能也會促進(jìn)土壤有機(jī)氮的氮礦化[24]。

在R3～R6生育階段，不覆蓋處理土壤氮礦化量和礦化速率顯著高于秸稈覆蓋和地膜覆蓋，主要原因可能在于相比秸稈覆蓋和地膜覆蓋，不覆蓋處理玉米根系死亡較快，增加了微生物活動可利用碳源，從而導(dǎo)致氮素礦化量和礦化速率增加。

土壤氮素凈礦化決定著礦質(zhì)氮的實際有效性。土壤微生物通過礦化作用形成礦質(zhì)氮的同時也吸收固持部分礦質(zhì)氮。本研究結(jié)果表明，在玉米生育前期(PT～V10)，土壤礦質(zhì)氮變化以凈固持為主，之后各生育階段均為凈礦化，且礦化速率在玉米吐絲期前后達(dá)到最大(R1時期)。這與Zhang等研究結(jié)果基本一致[25]。溫度和水分對土壤氮素礦化存在明顯的交互作用[26]，本試驗研究表明，與不覆蓋對照處理相比，雖然覆膜處理提高了土壤溫度和水分，但土壤氮素礦化速率并未增加，反而低于對照，這一結(jié)果與Hai等[27]的研究不同，但與董放等[28]的結(jié)果相似，導(dǎo)致這種差異的原因可能主要與試驗條件不同有關(guān)，但這仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

1)旱作玉米全生育期不同地表覆蓋條件下0～20 cm土層土壤氮素均呈凈固持。但分生育階段看，生育前期以固持為主，地膜覆蓋、秸稈覆蓋和不覆蓋對照處理凈固持量分別為56.7、52.7 mg·kg-1和53.7 mg·kg-1，在生育后期均表現(xiàn)為氮素凈礦化，凈礦化量分別為13.7、31.8 mg·kg-1和26.3 mg·kg-1。

2)秸稈覆蓋的氮素凈礦化量顯著高于不覆蓋對照，較高的礦化量同時也增加了秸稈覆蓋0～20 cm土壤礦質(zhì)氮淋失的風(fēng)險；地膜覆蓋雖然顯著提高了0～20 cm土層土壤溫度和水分，但土壤氮素凈礦化量和氮素凈礦化速率并未顯著增加。