典型植烟土壤氮素矿化研究

马兴华，荣凡番，苑举民，刘光亮，石 屹*

[1.农业部烟草类作物质量控制重点开放实验室，中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2.红云红河烟草（集团）责任有限公司，昆明 650022；3.江西省烟叶科学研究所，南昌 330029]

土壤中的氮素主要以有机氮的形式存在，约占土壤总氮的80%左右，有机氮基本上不能被植物直接吸收利用，只有在土壤微生物的作用下经过矿化作用转化为无机氮后才能被植物吸收利用。研究表明，烤烟生育期植株吸收的氮素50%以上来自于土壤的氮素矿化[1-4]，而且在相同的施氮量条件下，较高土壤肥力下烤烟吸收的土壤氮量显著高于较低土壤肥力条件下的[2]，说明肥力不同的土壤，土壤氮素供应能力存在差异。淹水培养法具有方法简单，条件容易控制等优点，1982年美国土壤学会建议在旱地上应用，经过多年的试验研究认为，淹水培养法与间歇淋洗法在测定土壤可矿化氮方面具有同样的效果[5]，并且与试验作物的吸氮量和产量有很高的相关性[6-7]，已成为一种可靠的测定土壤供氮能力的方法。因此本研究利用淹水培养法对我国具有代表性的植烟土壤进行培养，探讨不同类型土壤的有机氮矿化过程及其影响因素，评价土壤供氮能力，为合理施用氮肥，提高氮肥利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤为水稻土、黄棕壤、黄壤、红壤和褐土，其中水稻土、红壤和黄壤取自湖南邵阳烟区，黄棕壤分别取自湖北南漳烟区和利川烟区，褐土取自山东沂水烟区。采用多点混合方式采集表层0～20 cm土壤，样品风干后挑除石块、动植物残体等杂物，过2 mm筛。供试土壤的基本理化性状如表1所示。

表1 供试土壤性质Table1 Properties of soil samples

1.2 试验设计

室内培养采用 Warning等[8]的淹水培养法。称取过2 mm筛风干土样10.00 g倒入100 mL广口瓶中，每瓶加入20 mL蒸馏水，每种土壤装18瓶，放入 40 ℃恒温培养箱中培养，自培养之日起，在第 7、14、21、28、42和 56天，每个处理取出 3瓶，加水将土壤转移至100 mL三角瓶中至水土比5:1，按2.0 mol/L的KCl浓度加入结晶KCl，振荡30 min后过滤，滤液测定土壤硝态氮和铵态氮含量。

1.3 测定方法

铵态氮含量测定采用靛酚蓝比色法[9]，硝态氮含量测定采用紫外分光光度法[10]。土壤有机质测定采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法，全氮采用半微量凯式定氮法，土壤碱解氮用碱解扩散法，土壤机械组成采用比重计法[9]。

1.4 统计分析

数据采用Excel 2003分析，方程拟合采用SPSS 13.0，作图采用Sigmaplot 9.01。

2 结 果

2.1 土壤铵态氮含量变化

由图1可见，培养过程中，各土壤的铵态氮含量呈单峰曲线变化，水稻土、黄棕壤和黄壤的铵态氮含量在培养28 d后最高，红壤和褐土的铵态氮含量在培养14 d后最高。整个培养过程可分为3个阶段：土壤铵态氮含量快速升高期、土壤铵态氮含量变化平稳期、土壤铵态氮含量迅速降低期。培养开始至14 d为铵态氮含量迅速升高期，以水稻土增加幅度最大，与培养始期比较增加了1014.7%，黄棕壤（南漳）次之，增加了585.3%，黄壤、黄棕壤（利川）分别增加了557.5%、474.8%，红壤和褐土增加幅度较小，分别为221.0%和169.9%。培养14～28 d各土壤的铵态氮含量变化较小，铵态氮含量变化表现为：水稻土＞黄棕壤（南漳）＞黄壤＞黄棕壤（利川）＞红壤、褐土。培养28 d后土壤铵态氮含量迅速降低，其中以黄棕壤（南漳）降低幅度最大。在不同的培养时间，水稻土的铵态氮含量均高于其他土壤，红壤和褐土的铵态氮含量均处于较低的水平。

图1 培养过程中土壤铵态氮含量变化，误差棒为标准差，S1等代号参表1Fig.1 Changes of soil NH4+-N content during incubation

2.2 土壤硝态氮含量变化

由于淹水抑制了土壤硝化细菌的活动，因此培养后土壤硝态氮含量降低，而且在培养过程后硝态氮的含量维持在较低水平（图2）。在培养过程中，黄棕壤（南漳）硝态氮含量最高，水稻土次之，且变化较小；黄壤、黄棕壤（利川）、红壤和褐土在培养7～28 d变化较小，表现为黄棕壤（利川）＞黄壤＞褐土＞红壤；28 d后，黄棕壤（南漳）、黄棕壤（利川）、黄壤、红壤和褐土的硝态氮含量呈增加趋势。

图2 培养过程中土壤硝态氮含量变化Fig.2 Changes of soil NO3--N content during incubation

2.3 土壤氮素矿化速率和累积矿化速率

土壤氮素矿化速率反映的是土壤氮素在不同的培养时间段内单位时间的矿化量，由图3可以看出，培养0～7 d土壤氮素矿化速率最高，8～14 d的次之，这可能与风干处理过程中促进了氮素的释放有关[11]。在土壤培养0～7 d内，土壤的氮素矿化速率表现为水稻土＞黄棕壤（南漳）＞黄壤＞黄棕壤（利川）＞红壤＞褐土，且差异显著；培养8～14 d内，水稻土、黄棕壤（南漳）、黄壤、黄棕壤（利川）的氮素矿化速率差异较小且显著高于红壤和褐土的。培养29～42 d和43～56 d，各土壤的氮素矿化速率均为负值，表现为氮素的净固定，培养土壤的铵态氮含量迅速减少，而且在29～42 d，黄棕壤（南漳）单位时间的氮素净固定量显著高于其他土壤，其铵态氮含量降低最多。

图3 土壤氮素矿化速率变化Fig.3 Changes of N mineralization rate of different soils

土壤氮素累积矿化速率是指在整个培养期间内，自培养开始，不同的培养时间长度下单位时间的矿化量。由图4可见，随培养时间延长，土壤氮素累积矿化速率逐渐降低，当培养时间达到42 d时出现负值。水稻土的累积矿化速率最高，其次为黄棕壤（南漳）。在培养28 d内累积氮素矿化速率表现为黄棕壤（南漳）＞黄壤＞黄棕壤（利川）＞红壤＞褐土，且差异显著。随培养时间增加，到42 d时褐土的矿化量为负值，培养时间继续增加，黄棕壤（南漳）、黄棕壤（利川）、红壤和褐土的矿化量均为负值，表现为土壤矿质氮的净固定。总体来说，培养期间的土壤氮素累积矿化速率符合对数函数，函数方程如表2所示。

图4 土壤氮素累积矿化速率变化Fig.4 Changes of cumulative N mineralization rate of different soils

表2 培养过程中不同土壤氮素矿化动态的拟合方程，Y为氮素累积矿化速率/（mg·kg-1·d-1），X为培养时间/dTable2 Fitted regression of N mineralization during incubation

2.4 土壤氮矿化量与土壤理化性状的关系

相关分析表明（表3），培养7 d和14 d的氮矿化量与土壤有机质含量呈极显著正相关，相关系数分别为0.922和0.928；与土壤全氮也呈极显著正相关，相关系数分别为0.932和0.924。培养21 d和28 d的氮矿化量与土壤有机质含量及全氮含量呈显著正相关，相关系数分别为0.907、0.899、0.897和0.875。培养期间的氮矿化量与土壤 C/N相关不显著。培养7 d和14 d的氮矿化量与土壤粘粒含量相关不显著，但培养21d和28d的氮矿化量与土壤粘粒含量呈显著负相关，相关系数分别为 0.820和0.841。

表3 培养过程中土壤氮矿化量与部分土壤理化性状的关系Table3 Relationships between the accumulative mineralizable N and some soil physical and chemical properties

3 讨 论

本研究结果表明，淹水培养过程中，土壤铵态氮含量呈速增、平缓、速降3个阶段。淹水培养初期土壤铵态氮含量迅速升高，氮素矿化速率较高，这可能与干土效应有关，即在土壤风干过程中死亡微生物体的矿化，被保护的土壤有机氮的释放，以及一些死亡的原生动物促进了微生物的活性，从而增加了氮素的释放量[11]。在不同类型土壤中，以水稻土的铵态氮含量和矿化速率最高，黄棕壤（南漳）、黄壤、黄棕壤（利川）、红壤和褐土依次降低，这可能是因为水稻土有机质含量最高，加水培养后水稻土微生物（细菌、真菌、放线菌）数量增加最多[12]，更多的有机氮被矿化出来；而红壤和褐土由于有机质含量较低，所以氮矿化量较低。淹水条件下由于抑制了土壤硝化细菌的活性，有利于土壤的氨化，所以产物以铵态氮为主（图1）。土壤的氨化过程实质是微生物通过酶所促使的化学反应，随着培养时间的延长，铵态氮含量逐渐增多，但增幅已降低。逐渐累积的铵态氮影响了酶促反应，抑制了氨化微生物的活动，土壤微生物是一个多群体的组合，氨化微生物受到抑制，其他微生物就会大量繁殖起来，这些微生物以矿化的有机物为碳源，以矿化出的铵态氮为氮源，逐渐繁殖，导致了铵态氮含量降低（图1），所以随着培养时间的延长，各土壤的铵态氮含量降低，以黄棕壤（南漳）铵态氮含量下降速率最快，可能是由于黄棕壤（南漳）中含有较多的以铵态氮为氮源的微生物。

前人研究发现，土壤有机质含量及组成、全氮、土壤质地、土壤C/N比等对氮矿化有显著影响[13-15]，不同土壤类型由于土壤质地不同，导致水汽热状况的差异，从而影响氮矿化，土壤的C/N比反映着土壤有机质的矿化难易程度，其值越高，有机质越不易矿化。本研究结果表明，土壤氮矿化量与土壤C/N比相关不显著，培养7 d、14 d、21 d和28 d的土壤氮矿化量与土壤有机质含量和土壤全氮含量均呈极显著正相关或正相关关系，说明有机质和全氮含量越高的土壤其氮矿化量越高，土壤供氮能力越强，因此烤烟生产的施肥决策中应充分根据土壤的有机质和全氮含量制定施肥策略，充分利用土壤自身供氮潜力，使养分供应与烤烟营养需求规律相吻合，改善烟叶的品质。就本研究结果而言，在水稻土、黄棕壤和黄壤上种植烤烟的化学氮肥投入量应低于在红壤和褐土上种植烤烟的氮肥投入量。由于不同土壤的氮素供应能力与强度不同，在满足烤烟生长、烟叶适产优质特色的前提下，不同土壤氮肥基肥与追肥的投入量与追肥的施用时间还需要进一步研究。

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