旱地夏闲期间土壤氮素矿化特性的变化

马乐乐，夏梦洁，蒋永吉，周建斌

(西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室， 陕西 杨凌 712100)



旱地夏闲期间土壤氮素矿化特性的变化

马乐乐，夏梦洁，蒋永吉，周建斌

(西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室， 陕西 杨凌 712100)

摘要：采用间歇淋洗好气培养法测定了黄土区旱地不同土壤及施氮量下夏季休闲前后土壤氮素矿化累积量，分析了旱地夏休闲期间土壤氮素矿化特性的变化。结果表明：与休闲前相比，休闲后土壤氮素矿化累积量显著降低，长武及杨凌试点土壤分别降低了29.52%及7.15%；长期不施氮肥处理休闲后土壤累积矿化氮量显著降低，而长期施用氮肥处理休闲前后土壤累积矿化氮量间的差异未达显著水平。相关分析表明，休闲前土壤氮素矿化累积量与土壤有机质、全氮含量间有显著正相关关系。采用双组分一级动力学方程拟合的土壤易矿化氮矿化势休闲前后长武及杨凌试点土壤分别降低了85%及66%，可见夏季休闲显著促进了旱地土壤易矿化氮的矿化。

关键词：夏休闲；旱地；氮素矿化累积量；氮矿化势

但夏季休闲期间气温高、降雨量充足，养分特别是氮素容易发生损失[5-6]。自20世纪80年代以来，随着农业生产中氮肥用量的增加，作物收获后残留在土壤中的肥料氮随之增加，夏季休闲期间氮素的淋溶损失已引起一些研究者的关注[7-8]。应该看到，休闲期间的高温与多雨也会促进土壤有机氮库的矿化，释放的氮素可能增加氮素损失的风险，但关于夏季休闲前后对土壤有机氮矿化特性的定量研究还少见报道。因此，本研究采用评价土壤氮素矿化特性的常用方法——Stanford间歇淋洗法[9]，研究了旱地冬小麦夏季休闲前后耕层土壤有机氮矿化特性的变化以及施肥量对它的影响，旨在为旱地土壤氮素管理提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试土壤

供试土样分别于2013年小麦收获后及夏季休闲结束后采集于陕西省长武县洪家镇王东村和陕西杨凌西北农林科技大学农作一站。陕西省长武县王东村(东经107°40′、北纬35°14′)位于黄土高原中南部典型旱作农业区。该地区海拔1 227 m，地势平坦，多年平均降雨量为580 mm，季节间差异较大，降水主要集中在7—9月，年均蒸发量1 500 mm；年均气温9.1℃，无霜期171 d。土壤为黄盖粘黑垆土。小麦收获后在该村不同位置随机选取5个田块(分别用A、B、C、D及E表示)，旨在代表研究区域土壤肥力及施肥状况；同一田块多点采集耕层土壤样品，组成混合样；休闲结束后再采集相应田块土壤样品。休闲前后的土样采集时间分别为2013年7月8日及9月5日。休闲期间(2013-07-08—2013-09-05)的降雨量为287.1 mm。

陕西杨凌西北农林科技大学农作一站位于黄土高原南部，地处渭河三级阶地，海拔520 m左右，年平均气温12.9℃，降雨量632 mm左右，且主要集中于7、8、9三个月，年均蒸发量为1 400 mm，属于半湿润易干旱地区，土壤类型为土垫旱耕人为土。本试验以连续11年的肥料及栽培模式长期定位试验不同处理土壤为研究对象，采集该试验常规栽培模式下3个施氮水平(即0，120 kg·hm-2和240 kg·hm-2)的耕层土壤为供试土样。休闲前后的采样时间分别为2013年6月12日及9月27日。休闲期间(2013-06-12—2013-09-27)的降雨量为207.4 mm。

土样采回后采用常规方法处理，测定土壤有机质及全氮含量(表1)。

表1　供试土样耕层土壤有机质、全氮含量

1.2好气培养试验

以上述供试土壤为对象，采用Stanford 和Smith[10]提出的好气培养法测定土壤矿化氮含量。具体方法为：称取15 g风干土样与等量石英砂混合，用玻璃棒搅拌均匀后，将此混合物放在预先内置一个玻璃球、15 g石英砂、上垫一层玻璃丝的50 ml培养管内。混合物加入后，再在上面盖一层玻璃丝和石英砂，以防淋洗时冲溅土壤，装好后轻震几下。用100 ml 0.01 mol·L-1的CaCl2分4次淋洗土壤中起始矿质氮。此后加入25 ml无氮营养液(0.002 mol·L-1CaSO4·2H2O；0.002 mol·L-1MgSO4；0.005 mol·L-1Ca(H2PO4)2；0.0025 mol·L-1K2SO4的混合液)。培养管口用塑料膜密封，多余水分在6 kPa负压下抽去。然后，在塑料膜上扎两个小孔，保持试管良好通气。培养管置35℃±1℃恒温培养箱中，预培养1周后，如上法淋洗矿化氮、加无氮营养液和抽气，然后继续培养，并于设定时间再次淋洗其矿化氮。各次淋洗液分别收集，测定其中的矿化氮(NO3--N+NH4+-N)，测定结果分别记录。

本试验分别于培养后1、2、4、6、8、10、14、16、20、24、28周和32周进行淋洗，并收集淋洗液，用连续流动分析仪测定其中NO3--N和NH4+-N的含量。

1.3数据处理

采用Richter与Nuske(1980)提出的双组分模型拟合，将土壤氮素矿化过程分为易矿化及难矿化两部分，即：

Nt=N1[1-exp(-k1t)]+N2[1-exp(-k2t)]

式中，N1与N2分别为易矿化氮矿化势和难矿化氮矿化势；k1、k2分别为易、难矿化速率[11-12]。易矿化氮矿化势N1指土壤易矿化氮部分最大矿化量，其矿化速率k1较高，表征土壤在较短时间内的供氮能力，对于评价土壤氮素矿化损失量有重要价值；难矿化氮矿化势N2表征土壤难矿化氮部分最大矿化量，其矿化量较高但矿化速率k2很小，表征土壤在较长时间内的供氮能力[13]。

所有数据采用Excel 2007、Sigmaplot12.5及SAS Version 8.1 for Windows 软件进行计算和统计分析。

2结果与分析

2.1夏休闲对长武试点旱地农田土壤氮素矿化的影响

由图1可以看出，五块农田休闲前土壤培养32周氮素矿化累积量在95.60～140.60 mg·kg-1之间，平均107.42 mg·kg-1，休闲前土壤矿化累积量较高，约占土壤全氮的12.79%；休闲后为63.66～97.97 mg·kg-1，平均75.71 mg·kg-1，占土壤全氮的9.01%，比休闲前降低了31.71 mg·kg-1，降低幅度为29.52%。各培养时期土壤氮素矿化累积量均为休闲前高于休闲后，方差分析显示各样地氮素矿化累积量休闲前与休闲后均达到显著差异(P<0.05)。

图1夏季休闲前后长武试点不同田块土壤氮素矿化累积量的变化

Fig.1Changes of cumulative mineralized N in different farmlands soil during the summer fallow season(Changwu)

利用双组分模型对休闲前后土壤氮素矿化累积量拟合的氮素矿化参数见表2。可以看出，双组分模型可以很好地拟合土壤氮素矿化过程，模拟方程及参数均达到显著水平(R2为0.993～0.997)。休闲后各田块土壤易矿化氮矿化势均明显降低，休闲前在10.57～44.03 mg·kg-1范围，休闲后降低到0～5.45 mg·kg-1，其中田块D的降低最多，从40.02 mg·kg-1降低到5.31 mg·kg-1；而休闲后各田块土壤难矿化氮矿化势均明显增加，平均由休闲前的151.62 mg·kg-1增加到170.44 mg·kg-1。

2.2夏休闲对不同施氮量下土壤氮素矿化的影响

由图2可以看出，夏季休闲对不同施氮处理土壤氮素累积矿化量的影响不同，长期未施氮肥处理(N0)休闲后土壤氮素累积矿化量显著降低，降低幅度达24.98%；而长期施用氮肥处理(N120和N240)休闲前后土壤氮素矿化累积量无显著变化。与N120相比，N240处理土壤氮素累积矿化量也未表现出增加的趋势。

表2　长武试点不同田块土壤氮素矿化的一级动力学方程参数

图2夏季休闲前后杨凌试点不同施氮量土壤氮素矿化累积量的变化

Fig.2Changes of cumulative mineralized N in different soils during the summer fallow season (Yangling)

由双组分模型拟合的休闲前后土壤氮素矿化参数(表3)可以看出，休闲后不同施氮处理土壤易矿化氮矿化势明显降低，其中N0处理降低幅度显著高于其它处理，休闲前其易矿化氮矿化势为11.86 mg·kg-1，休闲后则降为0； N240和N120处理休闲后较之休闲前分别降低了5.30 mg·kg-1和0.47 mg·kg-1；而休闲后各处理土壤难矿化氮矿化势均明显增加，N240、N120和N0处理分别增加了63.74、11.99 mg·kg-1和46.04 mg·kg-1，N240处理增加幅度最大。与N120相比，N240处理土壤易矿化氮矿化势及难矿化氮矿化势均有不同程度增加。

表3　不同氮肥处理土壤氮素矿化的一级动力学方程参数(杨凌)

2.3土壤氮素矿化累积量与土壤有机质、全氮间的相关性

相关分析发现(图3)，休闲前土壤氮素矿化累积量与土壤有机质、全氮含量呈显著正相关关系，而休闲后土壤氮素矿化累积量与土壤有机质、全氮含量的相关性未达显著水平。

图3休闲前后土壤氮素矿化累积量与土壤有机质、全氮的相关性

Fig.3Correlation between cumulative mineralized N and SOM, TN during the summer fallow

3讨论

3.1旱地夏休闲前后土壤氮素矿化特性

本研究发现，与休闲前相比，休闲后土壤氮素累积矿化量多不同程度降低，这与夏季休闲期间高温多雨，利于土壤有机氮矿化有关，说明采用夏季休闲，会增加土壤有效氮含量，改善土壤氮素供应，这与前人的研究结果一致[5-6]。与前人相比，本研究应用Richter与Nuske[11-12]提出的双组分一级动力学模型拟合了休闲前后土壤氮素矿化特性。该模型将土壤有机氮分为易矿化和难矿化两部分，易矿化氮矿化势指土壤易矿化氮部分最大矿化量，表征土壤在较短时间内的供氮能力，对于评价土壤氮素矿化损失量有重要价值；难矿化氮矿化势指土壤难矿化氮部分最大矿化量，可以表征土壤在较长时期内的潜在供氮能力[13]。可以看出，夏季休闲主要降低了土壤易矿化氮的矿化势。

本研究同时发现，休闲前土壤氮素矿化累积量与土壤有机质、全氮含量呈显著正相关关系，这与其他学者的研究结果一致[14-15]，说明土壤有机质含量越高，土壤氮素矿化累积量越高。而休闲后土壤氮素矿化累积量与土壤有机质、全氮含量的相关性未达显著水平，这与休闲后土壤易矿化氮的矿化释放有关。

与休闲前相比，除杨凌试点长期施用氮肥处理(N120及N240)外，其他土样休闲后土壤氮素累积矿化量降低幅度在25%～30%之间。矿化的氮素转化为矿质氮，一方面改善了土壤有效氮的含量；另外一方面，由于夏闲期间高温多雨，土壤矿质氮含量的大量增加也增大了氮素损失的风险。赵伟[18]的研究发现，黄土高原南部不同肥力旱地土壤夏季休闲期间损失的氮素占小麦收获后残留肥料氮量的比例在19%～48%之间。一些研究发现[19-20]，休闲期地表覆盖或种植一些生长期较短填闲植物可以减少水分入渗，从而减少氮素淋失。因此，有必要进一步研究黄土区旱地夏季休闲期间矿化氮的去向及调控技术。

3.2夏休闲对不同施氮量下土壤氮素矿化的影响

王媛等[21]对陕西关中地区小麦-玉米轮作一年两熟体系土壤氮素矿化特性的研究发现，与长期未施肥土壤相比，长期施用NPK肥显著提高了这一体系土壤供氮强度。而本研究中，与长期未施用氮肥处理相比，长期施用氮肥处理(N120及N240)并未显著增加土壤氮素矿化累积量，这可能与小麦-玉米轮作体系一年两熟，归还土壤有机物含量高有关[7]值得注意的是，长期未施用氮肥处理(N0)夏闲后土壤氮素矿化累积量明显降低，而长期施用氮肥处理(N120及N240)，休闲前后土壤氮素矿化累积量无显著差异；双组分一级动力学模型的拟合结果表明，休闲后N120及N240处理土壤易矿化氮的含量虽然有所降低，但其值仍然高于长期未施氮肥处理(N0)，说明长期施用氮肥在一定程度上改善了土壤供氮能力，提高了土壤氮库的缓冲能力，相应的机理值得进一步研究。

3.3好气培养法与双组分一级动力学模型应用效果

本研究是在室内特定条件下进行的培养试验，其温度和湿度均利于微生物的活动，促进氮素的矿化，氮素矿化累积量要高于田间实际情况，但其对氮素矿化性能的测定是有价值的。李生秀研究表明[9]Stanford间歇淋洗法培养所矿化的氮素与作物吸氮量或对氮肥反应有非常密切关系，可以较好地体现土壤的供氮能力。模型拟合结果表明，双组分模型可以很好地拟合土壤氮素矿化过程，模拟方程及参数均达到显著水平，R2均在0.99以上。模型拟合只能预测土壤氮素矿化总的趋势，并不能反映某一阶段矿化量的变化，但能在种植作物以前估计出土壤氮素净矿化量确定土壤氮素矿化潜势[22]；同时双组分模型拟合得到的氮素矿化势可以反映土壤有机氮库各组分矿化动态[11-12]，许多研究表明双组分模型对氮素矿化累积有更好的模拟效果，特别是对全氮含量较高的黄土地区土垫旱耕人为土氮素矿化过程拟合效果相对较好[14,16]。所以本研究通过培养试验得到休闲前后土壤氮素矿化特性，可以在一定程度反映黄土区旱地农田夏闲期氮素的矿化情况以及影响因素，了解夏休闲对土壤氮素养分活化的作用，为该地区田间氮素管理提供一定的理论依据。

4结论

休闲前土壤氮素矿化累积量与土壤有机质、全氮呈显著正相关关系。与休闲前相比，休闲后土壤氮素累积矿化量多不同程度降低，这与夏季休闲期间高温多雨，利于土壤有机氮矿化有关；采用双组分一级动力学模型拟合结果表明，夏季休闲主要降低了土壤易矿化氮的矿化势。黄土区旱地夏季休闲期间矿化氮的去向问题值得关注。

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Change of soil nitrogen mineralization in dryland during the summer fallow

MA Le-le, XIA Meng-jie, JIANG Yong-ji, ZHOU Jian-bin

(CollegeofNaturalResourceandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,KeyLaboratoryofPlantNutritionand

theAgri-environmentinNorthwestChina,MOA,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：The Stanford and Smith aerobic incubation method was used to study the changes of nitrogen (N) mineraization from soils from farmer's fields and by nitrogen application treatments before and after summer fallow in the Loess Plateau. Compared to that before summer fallow, soil N mineralization after summer fallow in Changwu and Yangling was decreased by 29.52% and 7.15%, respectively. The cumulative mineralized N also was decreased significantly in long-term non-N fertilization after summer fallow. However, significant differences were detected for the two different N fertilization treatments. Correlation analysis showed significant positive correlations between the cumulative mineralized N and soil organic matter and total N before summer fallow. Two pools of first-order kinetic equation were used to model the curves of N mineralization from different soils. The results indicated that mineralized N potential (N1) in soils of Changwu and Yangling after summer fallow were decreased by 85% and 66%, respectively. Therefore, summer fallow significantly reduced the mineralization of N in soil.

Keywords:summer fallow; dry land; cumulative mineralized N; N mineralization potential

中图分类号：S153.6; S158.2

文献标志码：A

通信作者：周建斌(1964—)，男，教授，主要从事植物营养与旱地水肥调控研究。 E-mail:jbzhou@nwsuaf.edu.cn。

作者简介：马乐乐(1988—)，女，甘肃礼县人，硕士研究生，研究方向为植物营养与调控。E-mail: malelemml@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(31372137)及国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAD15B04)

收稿日期：2015-01-08

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.14

文章编号：1000-7601(2016)01-0087-06