不同施肥方式对北方稻田土壤氮矿化的影响

2014-10-20孙宇贺傅民杰

湖北农业科学 2014年16期

孙宇贺　傅民杰

摘要：利用PVC管原位培养连续取样法测定了吉林省延边地区生长季3种施肥方式（单施无机肥、单施有机肥、无机肥与有机肥配施）下稻田土壤氮素矿化、硝化的动态及氮矿化的空间分布格局。结果表明，3种施肥方式下稻田土壤氮素矿化存在明显的时空变异，稻田土壤在6～8月表现出较强的氮矿化过程，8月硝化作用较强，且上层土壤（0～10 cm）的氮素净矿（硝）化率整体上高于下层（10～20 cm）土壤。3种不同施肥方式下稻田土壤的氨化过程在氮矿化过程中占有重要地位，单施无机肥、单施有机肥和无机肥与有机肥配施处理的上层土壤NH4+-N含量在无机氮中的比例分别为47.3%～94.1%、16.5%～94.6%、56.5%～94.9%。单施无机肥或单施有机肥有利于土壤氮矿化过程。

关键词：施肥方式；稻田土壤；氮素净矿化率；氮素净硝化率

中图分类号：S147.2；S153 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）16-3765-05

Abstract： Tempo-spatial variations in soil net nitrogen（N） mineralization and nitrification of Yanbian growing season paddy with three fertilization methods（chemical fertilizers， chemical and organic fertilizers， organic fertilizer）were investigated with a PVC tube sequential coring and in-situ incubation method. The results showed that there were obvious spatial and temporal variability in three paddy soil nitrogen mineralization. Paddy soil in June to August showed a strong nitrogen mineralization， with a strong nitrification in August. Nitrogen net mineralization rates （nitrification rate） in the upper soil （0～10 cm） was significantly higher than that in the lower （10～20 cm） soil of three paddy fertilization methods ecosystems. Ammoniated process of three paddy soil occupied an important position in nitrogen mineralization process. Its NH4+-N ratio of inorganic nitrogen were 47.3%～94.1%（chemical fertilizers）， 16.5%～94.6%（organic fertilizers）， 56.5%～94.9%（chemical and organic fertilizers）. Chemical fertilizer or organic manure treatment had advantages for soil nitrogen mineralization.

Key words： fertilization methods； paddy soil； net nitrogen mineralization rates； net nitrogen nitrification rates

氮是农田生态系统净初级生产力重要的构成要素之一，也是作物生长发育的关键限制因子。高产水稻吸收的氮素中有50%～80%来源于土壤，可见稻田土壤中的氮素是水稻高产的基础[1，2]。施肥作为现代农业生产管理的重要物质输入手段，无疑会对土壤氮矿化和作物产生重要的影响，因此施肥对稻田土壤氮矿化的影响一直以来都是国内外研究的重要内容。Yan等[3]对亚热带稻田土壤研究发现，氮肥的施入增强了土壤氮矿化势，且矿化氮比例随施肥量增加而增大。一些学者对南方红壤稻田土壤的研究证实了Yan的结论[4，5]。同时，无机肥和有机肥配施可显著提高南方稻田土壤氮矿化速率[6]。此外，许多学者研究了热带、亚热带地区长期施肥对稻田土壤氮素积累与矿化的影响，发现长期施肥可显著增加0～20 cm土层全氮和有机碳含量，表层土壤在长期淹水条件下存在稳定的厌氧氮矿化过程[7-9]。Singh等[10]研究热带稻麦轮作体系发现，氮矿化具有明显的季节性，且受土壤水分和微生物量的影响显著。综合来看，目前稻田土壤氮矿化研究主要以亚热带和暖温带地区为主，北方温带地区因稻田面积较小，相关研究报道较少。而张玉玲等[11]研究发现，不同施肥方式对北方稻田氮矿化的影响与亚热带和暖温带地区的研究结果不同，表明北方地区特异的气候条件、土壤类型以及耕作制度对稻田土壤氮矿化和循环产生重要的影响。因此，从全球土壤氮循环来看，有必要对北方地区的稻田土壤氮矿化和循环过程进行深入研究。本研究以中国东北水稻种植历史最久的吉林省延边朝鲜族自治州稻田土壤为对象，采用原状土原地培养连续取样法测定了土壤氮素矿化率与硝化率，旨在了解温带稻田土壤的氮矿化特征及其土壤无机氮的时空变化格局，为北方地区稻田土壤生态系统管理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及设计

试验地位于吉林省龙井市开山屯镇（42°45′N，129°45′E）。该区属于温带大陆性气候，全年平均温度5.6 ℃、年平均降水量550 mm。试验选择了施肥方式不同的3种稻田土壤作为研究对象，施肥方式分别为：①单施无机肥（CF）：施肥量分别为N 120～160 kg/hm2、 P2O5 80～100 kg/hm2、 K2O 100～120 kg/hm2；②单施有机肥（OF）：施用粪肥15 000～20 000 kg/hm2；③无机肥和有机肥配施（CF+OF）：施用无机肥N 60～80 kg/hm2、P2O5 40～50 kg/hm2、K2O 50～60 kg/hm2；施用粪肥5 000～6 500 kg/hm2。试验施肥处理已进行多年，选取2012年6～12月数据进行分析。试验地土壤理化性质见表1。

1.2 测定项目与方法

在每种施肥方式的样地中，按对角线法选取5个原位培养点。采用原状土原位培养连续取样法[12]，在每一培养点将两根内径5 cm、长20 cm的PVC管打入土壤。小心取出两管后，一管土壤用于土壤分析，另一管的上下管口用塑料膜封口，埋回原位进行原位培养，每个培养时期约为30 d。培养结束时，取出培养管。同时将下一批管按上述方法布置于前一次培养点附近。将培养后的管分为0～10 cm和10～20 cm两层土样，以下简称上层和下层土壤，低温带回实验室做室内分析。

室内土壤分析包括土壤NH4+-N、NO3–-N含量的测定，其测定采用新鲜土样2 mol/L KCl浸提法[13]，滤液用连续流动分析仪（BRAN+LUEBBE-AA3，Germany）测定。氮素净矿（硝）化率计算公式如下：

NMR=（Ct-Ct■）/（t-t0）（1）

NNR=（C′t-C′t■）/（t-t0）（2）

式中，NMR和NNR分别为培养时段内土壤氮素的净矿化率和净硝化率，单位均为mg/（kg·d），C和C′分别代表无机氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3–-N）含量，单位均为mg/kg；t0和t分别表示培养前和培养后的时间，单位均为d。

2 结果与分析

2.1 施肥方式对土壤无机氮含量的影响

2.1.1 施肥方式对NH4+-N含量的影响由表2可知，3种施肥方式下稻田土壤的NH4+-N含量存在明显的生长季节变化，其上层土壤（0～10 cm） NH4+-N含量均在6月最高，CF、OF和CF+OF的NH4+-N含量分别为（19.7±1.3） mg/kg、（27.3±3.1）mg/kg和（26.6±3.0） mg/kg。虽然各施肥方式的下层土壤（10～20 cm）的NH4+-N峰值出现的时期与上层土壤不完全同步，但在6月仍表现出较高的NH4+-N含量。综合来看，3种施肥方式下稻田上、下层土壤在水稻生长季的末期（9～10月）NH4+-N含量较低。土壤NH4+-N含量在3种施肥方式间的差异随生长季节而异，上层土壤6月的CF+OF和OF施肥处理间差异不显著（P>0.05），但二者显著高于CF处理（P<0.05）；而8月CF处理的NH4+-N含量显著高于CF+OF和OF处理，这与在7月中期稻田追肥有关。

3种施肥方式下稻田土壤的NH4+-N含量均存在明显的空间垂直差异性，且这种空间的差异性随着生长季的延续而逐渐减小。3种施肥方式6～8月的上层土壤NH4+-N含量显著高于下层土壤（P<0.05），而9～10月上、下层土壤间NH4+-N含量差异缩小，多数未达显著水平。

2.1.2 施肥方式对NO3–-N含量的影响由表3可知，3种施肥方式下稻田土壤的NO3–-N含量同样存在明显的生长季节变化格局，但峰值出现的时期不同。除CF的下层土壤外，其他所有施肥处理的稻田土壤NO3–-N含量均在9月最高，且与其他月份间差异显著（P<0.05）。

相同生长季节不同施肥方式对同一层次稻田土壤NO3–-N含量产生不同的影响，CF和CF+OF处理各月的上层土壤NO3–-N含量间无显著差异（P>0.05），但二者8月和9月土壤NO3–-N含量显著低于OF处理。此外，CF处理的土壤在6月存在明显的NO3–-N积累期，而OF和CF+OF处理的土壤并未表现出相似规律。

不同施肥处理影响了上、下层土壤NO3–-N含量的空间分布，从表3可知，CF和CF+OF上、下层土壤间NO3+-N含量没有明显的空间分布规律，但OF的上层土壤NO3–-N含量高于同期下层。

此外，稻田土壤无机氮含量各个月份多以NH4+-N为主。CF、OF、CF+OF处理的3种稻田的上层土壤NH4+-N含量在无机氮中的比例变化范围分别为47.3%～94.1%、16.5%～94.6%和56.5%～94.9%；下层土壤分别为31.2%～89.6%、31.3%～84.7%和3.4%～90.9%。

2.2 施肥方式对土壤氮素净硝化率与净矿化率的影响

2.2.1 施肥方式对土壤氮素净硝化率的影响 3种施肥方式下稻田土壤氮素的净硝化存在明显的生长季节变化，但最适宜硝化的时期和硝化强度却因施肥方式而异（表4）。3种施肥方式上层土壤最适宜硝化的时期均出现在8月，且CF和OF两个处理在7月也存在较强的硝化过程。CF、OF、CF+OF上层的最大净硝化率分别为（0.52±0.04） mg/（kg·d）、（0.37±0.01） mg/（kg·d）和（0.03±0.01） mg/（kg·d）。而下层土壤硝化过程与上层土壤并不同步，其中CF下层土壤8月硝化作用最强烈，而OF下层土壤7月硝化作用最强烈。

统计分析表明，CF、OF处理的稻田上、下层土壤氮素在各个月份间的净硝化率均存在显著差异（P<0.05），而CF+OF处理仅个别月份间的净硝化率差异显著（P<0.05）。

稻田土壤氮素的净硝化空间垂直变异同样受到施肥方式的影响，其中，CF、OF两种施用化肥的处理上、下层土壤净硝化率存在明显的空间分异，CF处理的上层土壤氮素净硝化率在生长季的6～8月均显著高于下层土壤（P<0.05），OF处理在6、8、9月上、下层土壤间的氮素净硝化率存在显著差异（P<0.05）。此外，各施肥处理上层土壤多数月份表现出NO3–-N的净释放过程，而下层土壤的NO3–-N净固持过程逐渐增多。

2.2.2 施肥方式对土壤氮素净矿化率的影响从表5可以看出，3种施肥方式下稻田上层土壤氮素矿化的生长季节变化趋势基本一致，6～8月氮矿化过程强烈，生长季末期（9月）存在明显的氮固持效应，且最大氮素净矿化率均发生在7月，CF、OF、CF+OF上层的最大氮素净矿化率分别为（0.92±0.09） mg/（kg·d）、（0.81±0.10） mg/（kg·d）和（0.52±0.02） mg/（kg·d），下层土壤分别为（0.10±0.04） mg/（kg·d）、（0.37±0.02） mg/（kg·d）和（0.50±0.05） mg/（kg·d）。

同土壤氮素净硝化率相比，3种施肥方式的土壤氮素净矿化率垂直空间变异特征更为明显，除9月的CF和7、9月的CF+OF以外，3种施肥方式的上层与下层土壤氮素净矿化率之间均存在显著差异（P<0.05）。此外，在生长季中前期，CF的下层土壤氮素净矿化率明显低于OF，表明有机肥施用有利于深层土壤的氮矿化过程。

3 讨论

3种施肥方式下稻田土壤氮素净矿化率范围为-0.11～0.92 mg/（kg·d），与Westbrook等[14]以生长季中某一时段的研究结果不同，本研究结果变化范围较宽。造成这种结果的主要原因在于它涵盖了4个月的矿化特征，而其月份间环境条件变化悬殊。土壤温度升高有利于氮素矿化[15]，本研究结果表明，6～8月具有较高的氮素净矿化率，而9月氮素净矿化率较低，这是受到温度条件限制的结果。本研究中，3种施肥方式的稻田上层土壤生长季（6～8月）氮素净矿化率均大于零，表明土壤氮矿化过程比氮的固持过程更为活跃。虽然该稻田土壤尚未出现氮限制，但施肥方式不同，土壤氮矿化能力存在较大的差异，OF表现出较高的氮矿化能力，而CF+OF的氮矿化能力较弱。分析认为，3种施肥方式间氮矿化差异主要是由于土壤中肥料构成及其比例的差异导致的。从试验条件来看，3种施肥方式的稻田地具有相同的土壤类型与相同的稻田管理措施，且处于相同的气象环境条件下，最大的差异主要来源于土壤施肥的种类和肥料构成比例。施肥的不同导致土壤有机质含量、pH以及有效磷、有效钾等成分的差异，进而影响到微生物活性，最终影响到土壤氮的矿化过程。郝晓晖等[16]研究表明，无机肥和有机肥配施可显著提高南方稻田土壤氮矿化速率，这与本次研究结果不一致。

有研究表明，无机氮含量的季节变化一般规律是春、夏季升高，夏季后期下降，秋季略微升高，5、6月为矿化活跃期[17，18]。从本研究结果来看，生长季前期和中期（6～8月）是各施肥方式下稻田土壤有机氮矿化的矿化活跃期，与前人结果有所差异。稻田土壤生态环境与旱地和林地存在显著差异，整个生长季稻田一直处于多水的厌氧条件。在春秋季节，水稻根的通气能力有限，厌氧环境导致稻田土壤有机氮矿化过程受限，但在生长季中期，水稻根系强大的通气能力有利于土壤中氧气条件的改善，因此促进了有机氮的矿化过程。同时，该时期正值北方温度最高的季节，也利于好氧微生物活性提高。由此可见，温度与土壤空气条件是稻田土壤氮矿化季节变化格局重要的控制因子。

稻田土壤存在较大的垂直空间异质性。本试验中3种稻田生态系统（施用无机肥、施用有机肥、无机肥和有机肥配施）同质土壤的上、下各10 cm的两个土层中，无机氮的净矿化和净硝化过程都存在明显的差异，上层土壤的矿化作用明显强于下层土壤。一般来说，较高的氮素矿化速率是由于土壤具有较高的生物活性，而高生物学活性可归因于土壤中较高的有机碳和全氮含量[19-21]。本研究的3种稻田生态系统上层土壤具有较高的土壤有机碳、有机氮含量。丰富的有机质资源和大量的微生物数量为土壤氮矿化创造了良好的条件。这种层次间矿化的差异性表明，在研究土壤矿化过程时，土层深度的选择十分重要，培养管越长，土壤异质性越明显，矿化测定的结果会偏低，同时也相应增加了试验误差。

4 结论

1）3种施肥方式下稻田土壤氮矿化与硝化作用存在明显的生长季节特征。6～8月土壤氮矿化和硝化作用较强，该时期单施无机肥、单施有机肥、有机肥和无机肥配施处理的稻田最大矿化率分别为（0.92±0.09）mg/（kg·d）、（0.81±0.10）mg/（kg·d）和（0.52±0.02）mg/（kg·d）。

2）3种施肥方式下稻田土壤氮矿化、硝化过程存在明显的空间垂直变异，上层土壤氮矿（硝）化作用明显强于下层土壤。

3）3种施肥方式下稻田土壤的氮矿（硝）化作用强度存在明显差异。单施化肥或有机肥的氮矿化能力高于化肥与有机肥配施的稻田土壤。

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（责任编辑吕海霞）