施肥对羊草草原土壤氮素转化的影响

秦燕，何峰，仝宗永，谢开云，王栋，Gammal，权国玲，宋谦，王虎，张威震，李向林*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.齐齐哈尔大学，黑龙江 齐齐哈尔 161006；3.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070；4.河北大学，河北 保定 071002)



施肥对羊草草原土壤氮素转化的影响

秦燕1,2，何峰1，仝宗永1，谢开云1，王栋1，Gammal1，权国玲1，宋谦3，王虎1，张威震4，李向林1*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.齐齐哈尔大学，黑龙江 齐齐哈尔 161006；3.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070；4.河北大学，河北 保定 071002)

施肥是常用的草地管理方式之一，对维持草地生产力和草地生态系统健康至关重要。本文以河北沽源羊草草原为对象，设置了5种施肥处理，研究了施肥对半干旱羊草草原土壤氮素形态及转化特征的影响。结果表明：在牧草整个生长季，氮磷配施处理土壤铵态氮和硝态氮含量低于相应的单施氮肥处理。氮肥施入改变了草地土壤氮矿化模式。在5-8月氮素添加各处理的土壤硝化作用强烈，明显高于其他处理，氮素添加处理土壤净氮矿化量在5-7月较大，其矿化量占整个生长季的57.58%～68.97%。土壤铵态氮含量与土壤硝态氮含量、净硝化量、净矿化量、土壤温度和土壤水分均存在显著正相关关系(P<0.05)，土壤硝态氮含量与土壤温度有极显著正相关关系(r=0.491，P<0.01)。高氮添加处理增加了硝态氮淋溶损失和污染环境的风险。

净氮矿化量；净氮硝化量；施肥；羊草草原

氮素是各种植物生长发育所需的大量营养元素之一[1]，是牧草从土壤吸收最多的矿质元素，也是草原生态系统在内的各种生态系统(森林、农田，荒漠、苔原等)生产力高低的主要限制因子[2]。有机氮是土壤氮存在的主要形式，在土壤微生物参与下通过矿化作用转化为植物可吸收的无机氮[3]。土壤氮素矿化与硝化、反硝化和氨化作用共同构成了草地生态系统土壤氮素循环的主要过程和途径[4]。其中氮矿化和硝化作用是影响铵态氮和硝态氮浓度及其被植物吸收和利用的主要过程[5]。因此，土壤氮素矿化是反映土壤供氮能力的重要因素之一，净氮矿化速率对生态系统中植物氮的可利用性有着指示作用，直接影响着生态系统生产力，已成为目前国内外土壤生态学研究的热点之一[6-8]。

施肥是维持草原生态系统养分平衡的重要管理措施。合理施肥可提高牧草产量和品质[9-10]，改变土壤pH值等，影响土壤微生物活性和N转化过程[11-12]，施肥增加土壤净氮矿化速率和总矿化速率[13]，但长期施肥则有降低土壤的氮矿化速率的可能[14]。不同类型草地的土壤氮矿化和硝化对氮素增加的反应各异。沙化草地和高寒草甸土壤净氮矿化速率与硝化速率与氮素添加量显著正相关[15-16]，但在内蒙古典型草原低氮处理显著增加了土壤净氮矿化，而高氮处理则会导致土壤净氮矿化速率降低[17]。因此，施肥对土壤氮素转化的影响不尽相同，与施肥数量、方式、草地植被类型及其位点因素有密切关系[18-19]。

羊草(Leymuschinensis)草原是我国主要草地类型之一，由于长期割草和放牧利用，系统养分大量输出，导致草原普遍存在严重的退化现象[20]，恢复和提高草原生产力成为该地区草原畜牧业发展中亟须解决的问题。本试验探讨了施肥对半干旱草原土壤氮素形态及转化特征的影响，旨在揭示牧草生长过程中土壤矿质氮、硝化、矿化动态特征及其影响因素，为该地区草场管理和氮循环评价提供理论依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

研究地点位于河北省张家口市塞北管理区(地理坐标为41°45′57″ N, 115°39′48″ E, 海拔1400 m)，濒临锡林郭勒草原南缘，是中国农牧交错带半干旱区典型羊草草原。大陆性季风气候，年均温4.2 ℃，≥0 ℃年积温2629.5 ℃，无霜期141 d，年均降雨量403 mm(主要集中在7-9月)，年蒸发量1785 mm，年均风速2.6 m/s。研究区的降雨和气温见图1。

图1　研究区逐月降水量和气温Fig.1　Monthly rainfall and air temperature of the study site

试验样地位于沽源牧场天然草原，每年8月初割草一次。植被类型为草甸草原，草地已退化，禾本科植物种类减少，植被群落发生改变,羊草，克氏针茅(Stipakrylovii)为主要建群种，并伴有冷蒿(Artemisiafrigida)，南牡蒿(Artemisiaeriopoda)，阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)，糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)，柴胡(Bupleurumchinense)，扁蓿豆(Medicagoruthenica)等杂类草。土壤以栗钙土、草甸土为主，土壤部分理化性质见表1。

1.2试验设计

试验设置施肥和切根等7个处理，施肥量和肥料种类如表2所示。试验为随机区组设计，每处理4次重复，共计28个样地，每样地面积为4 m×5 m，样地间设置3 m缓冲带。肥料分两次于2014年5月(牧草返青期)和7月(牧草生长旺盛期)施入，每次将尿素溶于1 L水中喷洒，为实验保持一致性，无肥料添加处理中仅喷洒1 L水，磷肥撒施。

表1　试验地土壤养分

表2　试验处理

1.3研究方法

采用离子交换树脂吸附袋法[21]进行原位培养，研究施肥和切根对牧草生长季土壤氮矿化的影响。首先，用剪刀齐地剪去地上植被，快速用力将一只PVC管(长12 cm,内径7.5 cm)砸入土壤至上端与地面齐平，然后将PVC管取出，用土钻刀剥离底部2 cm土壤，依次将滤纸(直径7 cm)、吸附袋(阴离子交换树脂10 g，氯型，强碱性，天津市福晨化学试剂厂717#树脂)、滤纸(直径7 cm)、具孔石膏垫(直径7.5 cm,厚度0.5 cm), 最后将安装好的PVC管放回原处培养。滤纸避免了树脂和土壤的直接接触，石膏垫用以阻止吸附袋对PVC管下方土壤中NO3--N的吸附，石膏垫上的小孔保证PVC管中土壤水分与周围土壤交换并保持一致。在安装好的PVC管周围取3钻土，混匀过2 mm筛，装入自封保鲜袋，用具生物冰袋的保温箱带回实验室，矿质氮(铵态氮NH4+-N，硝态氮NO3--N)测量结果作为土壤氮转化培养的初始值。30 d后取出PVC管，测定氮素矿化结果，同时安装新的PVC管并取其周围土壤作为培养初始值，以此重复进行直至牧草枯黄期，即从2014年5月8日开始，10月5日结束。土壤温度、湿度记录仪(BL121W)埋入土壤动态监测土壤水热状况。

双波长紫外分光光度法测定土壤硝态氮含量[22]，靛蓝比色法测定土壤铵态氮含量；环刀法测定土壤容重，电位法测定土壤pH值；重铬酸钾氧化滴定法测定土壤有机碳，全自动凯氏定氮仪(UDK 159, VELP Scientifica, Italy)测定土壤全氮，流动注射分析仪(FLA star 5000 Analyzer, Foss, Denmark)测定土壤全磷。

1.4数据处理

每30 d培养前后土壤NO3--N含量之差即为土壤氮素的月净硝化量；每30 d培养前后土壤NH4+-N、NO3--N含量之差即月净矿化量。使用SPSS 21.0软件进行数据统计分析，单因素方差分析模块(One-way ANOVA)进行不同处理各指标间的差异显著性分析，相关分析使用Pearson’s相关分析法。

2　结果与分析

2.1不同管理措施作用下牧草生长季土壤矿质氮动态

2.1.1牧草生长季土壤铵态氮动态与5月牧草返青期相比，无氮添加处理土壤铵态氮含量在牧草枯黄期(10月)均表现出不同程度的降低，CK 和P处理分别降低了62.41%(P<0.05)和23.92%(P>0.05)。在5和7月进行氮素添加处理，LN、HN、LNP、HNP处理土壤铵态氮含量均相应增大，但均表现为氮磷配施小于相应的单施氮肥处理。氮肥施入后土壤铵态氮含量增加，HN样地5和7月土壤铵态氮含量显著高于LN样地(P<0.05)，而在其他月份无显著差异。从整个生长季看，施氮肥后草地土壤铵态氮含量均增加，LN、LNP、HN和HNP样地土壤铵态氮含量分别为对照样地(CK)的2.2，1.3，2.8和1.8倍；施磷肥使土壤铵态氮含量降低，HNP样地土壤铵态氮含量为HN样地的62.3%，LNP样地土壤铵态氮含量为LN样地的57.8%。样地LNP、HNP、CK和P的土壤铵态氮含量在牧草生长季呈现先升高后降低的趋势，表现为HN(13.46 mg/kg)>HNP(11.96 mg/kg)>LN(9.31 mg/kg)>LNP(7.13 mg/kg)>CK(6.66 mg/kg)>P(6.17 mg/kg)，其中HN与HNP无显著差异，但均显著高于LNP、CK和P(P<0.05)。在牧草生长旺季期(7月)土壤铵态氮含量出现高峰(表3)。各处理7月土壤铵态氮含量可达10月的5.0～17.5倍。

表3　施肥对草地生长季土壤铵态氮含量的影响

小写和大写字母分别表示同一行和列各数值在P<0.05水平差异显著；数据为平均值±标准误；下同。

Values (mean±SE) followed by the different uppercase letters within same columns or lowercase within same row are significantly different (P<0.05). The same below.

2.1.2牧草生长季土壤硝态氮动态与5月牧草返青期相比，各处理土壤硝态氮含量在牧草枯黄期10月均有不同程度提高(表4)，其中P处理提高程度最多为352.1%(P<0.05)，LNP、LN最低为56.72%和34.40%(P>0.05)。除P处理(10月份达到最大值，为4.11 mg/kg外，其他各处理土壤硝态氮都在7月达到最大值，表现为HN (14.54 mg/kg)>HNP(10.86 mg/kg)>LN(9.37 mg/kg)>LNP(5.80 mg/kg)>CK(5.59 mg/kg)>P(3.38 mg/kg)，除单施磷肥P外，其他处理土壤硝态氮含量都比CK高，HN是CK的2.6倍(P<0.05)，P处理比CK处理低了39.55%(P<0.05)，LN和LNP之间差异不显著(P>0.05)，但与HN、HNP和LN差异显著。高氮施入极大提高了土壤中硝态氮含量，除5和6月，高氮施入样地(HN)土壤硝态氮含量均高于低氮(LN)和无氮(CK，P)添加样地，其中7和8月差异尤其显著。磷肥施入导致土壤硝态氮含量降低，表现为样地LNP、HNP和P土壤硝态氮含量均低于相应的单施氮肥样地，分别为样地LN、HN、和CK土壤硝态氮含量的74.2%、77.0%和89.1%。在牧草枯黄期，各处理土壤硝态氮含量范围在2.69～7.19 mg/kg之间，样地HN土壤硝态氮含量最高，为对照样地的2.60倍(P<0.05)，但与样地HNP和 LN差异不显著(P>0.05)。

表4　施肥对草地生长季土壤硝态氮含量的影响

2.2不同管理措施作用下牧草生长季土壤氮素转化动态

2.2.1牧草生长季土壤月硝化量动态氮肥施入使草地土壤硝化作用增强，且在施肥后的90 d内(5-8月)硝化作用最为强烈(图2)。施肥后90 d内，HN处理累计硝化量达到81.84 mg/kg，为对照样地(29.65 mg/kg)的2.76倍(P<0.05)。施肥90 d后(8-10月)硝化作用减弱且趋于平稳定。施用磷肥后土壤净氮硝化量降低。与CK、LN和HN相比，施用磷肥样地P、LNP和HNP试验期内土壤净氮硝化量分别降低了7.44，16.07和24.38 mg/kg，分别占各处理净氮硝化量的15.7%、20.4%和25.2%。试验期内各处理净氮累计硝化量大小顺序为HN>LN>HNP>LNP>CK>P，HN与其他处理间差异均显著(P<0.05)；HNP与LN和LNP差异不显著，但均与CK和P差异显著(P<0.05)。

2.2.2牧草生长季土壤月矿化量动态氮素添加处理土壤净氮矿化量在施肥后90 d内最大(5-7月)(图3)，变化范围为17.22～43.13 mg/kg，其矿化量占整个生长季的57.58%～68.97%，无氮素添加处理土壤净氮矿化量矿化速率都表现为施肥初期(5月份)最低，施肥后第2个月(30～60 d)净氮矿化量矿化速率达到峰值。试验期内累计矿化量顺序为HN>HNP>LN>LNP>CK>P，HN与HNP无显著差异(P>0.05)，但均显著高于LN、LNP、CK和P(P<0.05)。

图2　施肥后牧草生长季土壤净氮硝化量变化动态Fig.2　Dynamic of soil net nitrogen nitrification in the forage growing season after fertilization

图3　施肥后牧草生长季土壤净氮矿化量变化动态Fig.3　Dynamic of soil net nitrogen mineralization in the forage growing season after fertilization

不同小写字母表示处理间在P<0.05水平差异显著；误差线为标准误；下同。Bars (means±SE) with different lowercase letters denote significant differences (P<0.05) among treatments. The same below.

2.3影响氮素转化因素分析

草地土壤铵态氮、硝态氮、硝化量和矿化量受到温度和水分的影响(表5)，土壤铵态氮含量与土壤硝态氮含量、净硝化量、净矿化量、土壤温度和土壤水分均存在显著正相关关系(P<0.05)，其中土壤净氮硝化量与土壤铵态氮含量相关系数最高(r=0.523)。土壤硝态氮含量受土壤温度影响较大，两者存在极显著正相关关系(r=0.491，P<0.01)。土壤净氮矿化量与土壤净氮硝化量存在极显著正相关关系(r=0.818，P<0.01)。通过对土壤净氮硝化量(NetN)与土壤铵态氮含量(AN)、土壤净氮矿化量(NetM)、土壤温度(ST)和土壤水分(SM)进行多元逐步回归分析，发现土壤净氮硝化量与土壤铵态氮含量及净氮矿化量间关系可用如下回归方程表示：NetN=AN×0.659+NetM×0.567+2.584 (R2=0.955，P<0.001)。

3　讨论

土壤中氮素转化及有效氮含量是植物吸收、微生物活性、含氮物质挥发和氮淋溶等综合作用的结果，而温度和水分是这些过程的主要环境因子[23]。本研究中，内蒙古羊草草原整个生长季无氮肥施入,土壤矿质氮含量、氮素转化变化趋势一致，表现为先升高后降低，且最大值都出现在7月份，与土壤温度和水分变化趋于一致。这可能与土壤氮素转化受土壤温度和含水量变化直接影响有关[24]，且温度和湿度对土壤氮矿化作用存在显著互作[25]。刘杏认等[26]在锡林河流域的贝加尔针茅(Stipabaicalensis)草原和羊草草原的研究也表明土壤净硝化量最大值出现在雨水充沛的7、8月份。7月份是本研究区羊草草原草地植被生长旺盛期，温度高且降水集中，土壤氮素矿化、硝化等过程活跃，土壤各种形态的氮通过植物吸收、挥发、淋溶等过程损失[27-28]，也是导致牧草生长后期表层土壤矿质氮含量下降的原因之一。

表5　影响氮素转化因素间相关性分析

*和**分别表示相关性在P<0.05和P<0.01水平显著。* Correlation is significant at theP<0.05 level. ** Correlation is significant at theP<0.01 level.AN: 铵态氮Ammonium nitrogen; NN: 硝态氮Nitrate nitrogen; NetN: 净硝化量Net nitrogen nitrification; NetM: 净矿化量Net nitrogen mineralization; ST: 土壤温度Soil temperature; SM:水分Soil moisture.

氮肥施入初期土壤矿质氮(铵态氮和硝态氮)含量较高，尤其是铵态氮含量明显增加，在雨季过量的氮肥施入可能会导致氮损失风险增加。尿素施入土壤后，少量以分子态溶于土壤溶液中被土壤吸附，大部分在脲酶的催化作用下水解成碳酸铵。刘学军等[29]研究发现将尿素作为基肥施入土壤，土壤中铵态氮4 d后达到高峰，随后的10 d内迅速下降至对照水平，并不受施氮水平影响保持在较低水平。另外打草场经过6～7个月的休闲期，在牧草返青期(5月)土壤中矿质氮有一定的积累，随着试验地温度的升高，土壤氮素矿化作用强烈，贡献于土壤中硝态氮的积累。随着牧草的返青，植物大量吸收利用土壤矿质氮，加上部分因铵态氮挥发、硝态氮淋溶的损失，6月份土壤中的矿质氮表现为降低损耗。枯黄期，氮磷配施处理(HNP、LNP)土壤铵态氮含量明显高于单施氮、磷肥处理(HN、LN、P)，这可能是因为过磷酸钙肥料含有少量游离的磷酸，其与尿素混合有固氮的效果，从而减少了氮的损失。在轻度碱化水稻土进行试验表明过磷酸钙尿素混施使铵态氮挥发损失率降低了27.62%～33.46%，过磷酸钙与尿素混施可以降低铵态氮挥发提高氮素利用率[30]；土壤硝态氮含量表现为高氮添加处理(HN、HNP)大于低氮和单施磷肥(LN、LNP、P)处理，可能是因为大量尿素施用为硝化作用提供了丰富的底物，从而促进硝化作用加大了硝酸根淋溶的可能性，增加了环境风险。

施肥在补充植物养分需要的同时也影响到土壤的元素平衡，氮和磷肥的施入也可能改变土壤氮和磷元素的转化过程，并最终影响到这些元素的循环模式。本研究中氮肥施入增强土壤硝化和矿化作用，但施用磷肥后草地土壤净氮硝化量下降。吕殿青等[31]采用C14和N15标记外源碳氮的方法证实了外源碳氮能促进土壤氮的矿化，不同碳氮源加入草甸土培养后土壤矿化氮增量为3.0～12.0 mg，且这种正激发效应表现为低肥力土壤高于高肥力土壤。本试验结果也表明氮添加初期改变了草地土壤氮转化模式，在5-8月氮素添加各处理的土壤硝化作用强烈，明显高于其他处理(CK，P)，这是因为氮素的添加为硝化作用提供了丰富的基质。氮素添加处理土壤净氮矿化量在5-7月较大，变化范围为17.22～43.13 mg/kg，其矿化量占整个生长季的57.58%～68.97%，表明施肥处理土壤的供氮能力集中体现在这两个月。但关于氮素添加土壤转化的影响的研究结果也不尽相同，如张璐等[17]对已进行3年施氮肥处理的内蒙古典型草原土壤矿化能力的研究结果表明，高氮添加导致pH降低，可溶有机质随之减少，使得微生物生命活动能量物质减少从而抑制土壤氮矿化。Zhang等[32]采用PVC管原位培养的方法调查了玉米(Zeamays)整个生长期土壤氮素转化对施氮肥量的响应，两年的研究结果表明土壤净氮矿化量、硝化量均随施氮量增加而增加。这与我们的研究结果一致，因为尿素的添加为土壤氮素转化相关微生物提供了丰富的养分和基质,直接影响土壤氮素转化，而因此根生物量也随之增加,间接促进了氮素的转化。国内外学者的研究结果表明土壤硝化作用和氮素矿化主要受土壤温度、湿度、pH、有机质含量、管理方式等因素的影响[25, 33-34]，余泺等[35]采用室内恒温通气培养法研究不同耕作方式下土壤氮素转化情况，结果表明，不同耕作方式土壤氮素矿化和硝化作用都随着温度的升高而增强。用盖顶PVC管原位培养法对锡林河流域草甸草原的研究表明温度升高促进土壤净氨化、硝化和矿化速率[33]。本试验中土壤铵态氮与土壤硝态氮、硝化量、矿化量、温度以及水分均呈显著正相关关系，表明影响土壤氮素转化因素的复杂性，对其作用机理有待进一步研究。

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Influence of fertilizer use on nitrogen transformation in soils of the Leymus chinensis steppe

QIN Yan1,2, HE Feng1, TONG Zong-Yong1, XIE Kai-Yun1, WANG Dong1, Gammal1, QUAN Guo-Ling1, SONG Qian3, WANG Hu1, ZHANG Wei-Zhen4, LI Xiang-Lin1*

1.Institute of Animal Science of Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100193, China; 2.Qiqihar University, Qiqihar 161006, China; 3.Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 4.Hebei University, Baoding 071002, China

Fertilizer application is a common grassland management technique and plays an important role in the maintenance of grassland productivity and the health of its ecosystems. In this study, five kinds of fertilizer treatment were applied to determine their effects on soil nitrogen forms and transformations in theLeymuschinensisgrasslands of Guyuan, Hebei Province. The results showed that, during the whole forage-growing season, the soil nitrate and ammonium nitrogen contents in grassland fertilized with both nitrogen and phosphorus were lower than that in grassland fertilized only with nitrogen. The application of nitrogen fertilizer changed the process of soil nitrogen mineralization. Grasslands with nitrogen fertilization showed stronger soil nitrification than the other treatments during the period from May to August, and higher net nitrogen mineralization during the period from May to July, which accounted for 57.58%-68.97% of total net nitrogen mineralization over the whole forage-growing season. Positive correlations were observed between soil ammonium nitrogen content, soil nitrate nitrogen content, net nitrogen nitrification, net nitrogen mineralization, soil temperature and soil moisture (r=0.491,P<0.01). High levels of nitrogen fertilizer application could increase the loss of nitrate nitrogen by leaching and thus the risk of environmental pollution.

net nitrogen mineralization; net nitrogen nitrification; fertilizer use;Leymuschinensissteppe

10.11686/cyxb2015561

2015-12-09；改回日期：2016-01-12

国家自然科学基金(31302015),公益性行业(农业)科研专项经费(201303060),国家牧草产业技术体系课题(CARS-35)和草地农业生态系统国家重点实验室开放课题(SKLGAE201506)资助。

秦燕(1981-)，女，黑龙江齐齐哈尔人，在读博士。E-mail：mule119@163.com

Corresponding author. E-mail：lxl@caas.cn

http://cyxb.lzu.edu.cn

秦燕, 何峰, 仝宗永, 谢开云, 王栋, Gammal, 权国玲, 宋谦, 王虎, 张威震, 李向林. 施肥对羊草草原土壤氮素转化的影响. 草业学报, 2016, 25(10): 48-55.

QIN Yan, HE Feng, TONG Zong-Yong, XIE Kai-Yun, WANG Dong, Gammal, QUAN Guo-Ling, SONG Qian, WANG Hu, ZHANG Wei-Zhen, LI Xiang-Lin. Influence of fertilizer use on nitrogen transformation in soils of theLeymuschinensissteppe. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(10): 48-55.