施氮量和土壤含水量对黑麦草还田红壤氮素矿化的影响

王晓维，徐健程，龙昌智，朱树伟，鲁美娟，杨文亭*

（1 江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，南昌 330045；2 江西农业大学农学院，南昌 330045；3 江西农业大学国土资源与环境学院，南昌 330045）

氮素是植物生长必需的大量元素之一[1]，涉及植物生长发育的诸多方面[2]。有研究表明，即使在大量施用氮肥的条件下，作物所需的氮素仍有50%以上来自土壤有机氮的矿化[3]。植物能直接利用的土壤氮素主要来源于土壤有机氮通过微生物作用转化的无机氮 (主要是硝态氮和铵态氮)。氮矿化量是反映土壤供氮能力的重要指标，也是国内外研究土壤氮素有效性的热点之一[4–5]。前人研究发现土壤含水量[6]、温度[7]、氮添加量[8]、土壤酶活[9]等因素对土壤氮矿化有重要影响。在一定范围内，土壤氮矿化量与土壤含水量呈显著正相关，但超过限度，氮矿化速率显著下降[10]。通过“以水调氧”增加根际溶氧量能够提升土壤硝化势和氧化还原电位，刺激土壤氮的矿化作用[11]。有研究表明，在中亚热带地带性森林红壤的饱和土壤水分条件下，(NH4)2SO4处理的净硝化量在氮水平66.7 mg/kg条件下为负值[12]，当土壤水分较低时(15%) 能够限制土壤氮矿化作用[13]。温度能通过制约土壤微生物和酶活性达到调控土壤氮矿化。通过对紫花苜蓿土壤室内培养结果表明，温度是影响紫花苜蓿草地氮净矿化速率的主效因子[14]。以亚热带地区天然林、格氏栲人工林和杉木人工林为对象，采取PVC管原位培养连续取样法，结果表明温度和水分是影响土壤矿质库及氮矿化速率的重要因素[15]。氮素添加在调节土壤的氮转化方面也起着重要作用。添加外源氮素，可以提高脲酶活性，从而增加氨化作用形成从而增加净氨化量[16]。以紫色土为研究对象，通过90 d的室内恒温 (25℃) 好气培养，土壤含水量增加和外源氮添加均促进了土壤氮矿化，增加了土壤矿质氮含量[17]。

红壤是我国南方重要的土地资源，面临着降水时空分配不均[18]、水土流失严重[19]、土地质量退化[20–21]、酸化加剧[22]等诸多问题。同时，南方红壤区属于亚热带地区，冬季有较好的光、热等自然资源，非常适合冬季作物的种植。大量研究表明，绿肥的种植有利于保持水土[23–24]，改善土壤有机质[25]，提高土壤质量[26]。黑麦草耐寒性好、生物量大、营养价值高，特别是近年来政府非常重视牛羊等养殖业的发展[27]，黑麦草需求量越来越大。同时黑麦草本身氮磷钾养分含量高，根系发达，是一种优良的绿肥作物，中山大学杨忠艺教授对广东稻田冬种黑麦草进行了深入研究，黑麦草残茬还田对后茬水稻增产和土壤改良都有一定的促进作用[28–29]。土壤氮矿化量是土壤氮素可利用性的重要标志，黑麦草作为绿肥在还田过程中，由于温度、湿度、水分等环境因素对微生物活性的影响，同时添加黑麦草后可能引发土壤氮素的激发效应，发生土壤氮的矿化或固持现象[30]。但土壤含水量和氮素添加对黑麦草还田过程中土壤氮矿化的影响尚不清楚。本研究以红壤地黑麦草还田为研究对象，探讨土壤含水量和氮肥输入对黑麦草还田过程中红壤氮矿化的影响，以期为南方红壤区黑麦草还田后土壤水肥优化管理提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试绿肥

供试绿肥为一年生多花黑麦草 (Lolium perenneL.)赣选1号，于2013年11月20日播种，2014年3月18日收获，于80℃烘干恒重后用粉碎机 (DE-100 g，浙江红景天工贸有限公司，中国) 粉碎后干燥保存备用。黑麦草干物质中碳、氮、磷、钾含量分别为 531.52 g/kg、27.62 g/kg、21.08 g/kg、67.17 g/kg。

1.2 供试土壤及培养土

供试土壤采自江西农业大学科技园表层 (0—20 cm) 红壤，于室内风干后剔除可见的植物根系，过2 mm筛备用。取上述土壤和黑麦草按100∶2.5比例混合均匀后制成培养土后留300 g测定基本养分，剩下的立即分装。供试土壤及培养土基本养分特征见表1。

1.3 试验设计

本试验于2014年5月11日至8月8日进行。设置3个土壤含水量：15%(W1)、30%(W2)、45%(W3)。3 个施氮水平：0 (N1)、60 mg/kg (N2)、120 mg/kg (N3)(以0、150 mg/kg和300 mg/kg纯氮施用量用表层土质量换算)，以硫酸铵 (NH4)2SO4(分析纯，分子质量132.14) 进行调节。土壤含水量和施氮量的组合采用双因素随机区组设计，共9个处理，每个处理3次重复。

培养土混匀后称取35.88 g(干基计) 装入50 mL塑料离心管中，每个处理制备30个离心管，共分装270个离心管，以不同含水量配制的硫酸铵[(NH4)2SO4，氮含量21%]溶液调节土壤含水量和施氮量，将离心管置于人工气候箱恒温 (25℃) 避光培养91 d，培养期间每隔3 d对离心管通气一次，并用称重法补充含水量。于培养的第1、3、7、13、21、31、43、57、73、91 d进行破坏性取样。每个处理每次取3个重复。培养土取出后立即测定土壤硝态氮和铵态氮含量，其中硝态氮采用紫外分光光度法，铵态氮采用靛酚蓝比色法测定[31]。

1.4 数据处理与分析

矿化指标计算[32]：

净硝化量 (mg/kg) = 培养后土壤硝态氮含量-本底培养土硝态氮含量

净氨化量 (mg/kg ) = 培养后土壤铵态氮含量-本底培养土铵态氮含量

净矿化量 (mg/kg) = 净硝化量 + 净氨化量

用Microsoft Excel 2007进行数据整理，SPSS 19.0统计软件进行数据分析，采用Duncan法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 施氮量和土壤含水量对黑麦草还田土壤净硝化量的影响

施氮量和土壤含水量对黑麦草还田过程中土壤净硝化量有较明显的影响。从图1看，在W1条件下，三个施氮水平下的净硝化量在前7 d都表现较低，且N2水平下的土壤净硝化量出现负值。培养第13 d时，三个施氮水平下的净硝化量出现峰值，且施氮 (N2和N3) 条件下的均显著高于不施氮 (N1)的。第21 d和31 d时均出现负值，土壤净硝化量显著降低，但施氮水平之间无显著差异。自43 d起，N2和N3处理的净硝化量迅速增加，并维持正值到91 d，N1则从57 d起也进入正值阶段。91 d时，土壤净硝化量表现为N2 ＞ N1 ＞ N3，且N1和N2的净硝化量均显著高于N3。W2条件下，N1和N3水平下土壤净硝化量第3 d时出现第一次负值，N2则从

表 1 土壤基本养分特征Table 1 Basic soil nutrient characteristics

图 1 各试验处理土壤净硝化量Fig. 1 Soil net nitrification

培养第7 d出现负值，从第13 d起均转为正值，但第21 d时都急剧下降，出现负值，N1、N2水平下持续至第57 d，而N3水平则持续至培养43 d，第73 d后均出现正值。培养91 d时，净硝化量表现为N1 ＞ N2 ＞ N3，且三个施氮水平间差异显著。W3条件下，三个施氮水平均自培养第3 d起，土壤净硝化量迅速下降，出现第一次负值，施氮处理下净硝化量显著高于不施氮处理。至培养第13 d时成为正值，三个施氮水平之间无显著差异。培养第21 d时出现第二次负值，且负值状态下不施氮处理下的土壤净硝化量显著高于施氮处理，N2处理在第43 d，N1和N3处理则在57 d后均为正值。培养91 d时，净硝化量表现为N2 ＞ N1 ＞ N3，且三个施氮水平差异显著。从三个土壤含水量水平来看，土壤含水量的增加降低了红壤地黑麦草还田过程中前期 (1～43 d)的土壤净硝化量，但促进了黑麦草还田后期 (73～91 d)的净硝化量，且N1条件下的净硝化量均显著高于N3条件下。

从双因素方差分析的结果来看 (表2)，红壤地黑麦草还田过程中，施氮量对土壤净硝化量除第1 d外都产生了显著影响，土壤含水量除第21、43和91 d外都对土壤净硝化量产生极显著影响，施氮量和土

表 2 土壤净硝化量的双因素方差分析 (F)Table 2 Two-way analysis of variance on soil net nitrification

壤含水量的交互作用也极显著影响了黑麦草还田过程中的土壤净硝化量。

2.2 施氮量与土壤含水量对黑麦草还田土壤净氨化量的影响

图 2 各试验处理土壤净氨化量Fig. 2 Soil net ammonification

从图2可以看出，黑麦草还田过程中土壤净氨化量呈现多峰波动变化，但净氨化量一直维持正值。土壤含水量W1条件下，三个施氮水平第一次氨化高峰出现在培养第7 d时，第二次高峰出现在培养第31 d时，第三次高峰出现在培养第73 d，N3水平下的净氨化量除第1 d外，都显著高于N2和N1。91 d 时，净氨化量表现为 N2 ＞ N3 ＞ N1，其中N2较N1和N3处理净氨化量分别显著提高了109.6%和45.6%。W2条件下，N1处理第一次氨化高峰出现在培养第7 d时，而N2和N3的第一次高峰出现在培养第13 d，而N1处理此时反而降低了24.4%。三个施氮水平处理第二次氨化高峰都出现在培养第31 d，此时表现为N3 ＞ N1 ＞ N2，且三个处理间差异显著。第三次氨化高峰N1和N3处理均出现在培养第57 d，而N2处理则出现在培养第73 d。培养91 d时，土壤净氨化量表现为N1 ＞ N2 ＞ N3，且N1和N2处理较N3处理净氨化量显著提高了13.5%和11.9%。W3条件下，N1和N2处理的氨化高峰仅出现在培养第13 d，而N3处理的氨化高峰则出现在培养第7d和13d。接下来三个施氮处理的土壤净氨化量均呈现持续下降趋势，且施氮处理的净氨化量均显著高于不施氮处理。培养91 d时，土壤净氨化量表现为N3 ＞ N1 ＞ N2，且N3处理较N1和N2处理净氨化量分别显著提高了259.1%和266.8%。总的来看，红壤地黑麦草还田过程中，施氮水平显著影响了土壤净氨化量，施氮量的增加有利于增加土壤净氨化量。土壤含水量的增加也有利于增加高氮处理下黑麦草还田中期土壤的氨化作用，但是土壤含水量W3降低了黑麦草还田后期土壤净氨化量。

从双因素方差分析的结果 (表3) 来看，红壤地黑麦草还田过程中，施氮量对土壤净氨化量在73 d前均产生了极显著影响，土壤含水量在除第3 d和43 d外都对土壤净氨化量产生极显著影响，施氮量和土壤含水量的交互作用也极显著影响了黑麦草还田过程中土壤净氨化，一定程度上说明黑麦草还田过程中土壤净氨化量的变化与施氮量和土壤含水量密切相关。

2.3 施氮量与土壤含水量对黑麦草还田土壤净氮矿化量的影响

从图3可以看出，红壤地黑麦草还田过程中，施氮和土壤含水量对土壤氮矿化均产生了明显影响。土壤含水量W1条件下，三个施氮水平均在第3 d出现土壤净氮矿化量下降，同时施氮显著增加了土壤净氮矿化量，N2和N3水平下的净氮矿化量较N1分别增加了92.3%和30.1%。N3水平下净氮矿化量在培养第7～73 d时都显著高于N2和N1水平

表 3 土壤净氨化量的双因素方差分析 (F)Table 3 Two-way analysis of variance on soil net ammonification

的，N2水平下的净氮矿化量仅在13和31 d时显著高于N1水平。三个施氮水平在第21 d时净氮矿化量都出现了明显的下降，达到整个91 d的最低值。培养91 d时，N2的土壤净氮矿化量较N1和N3水平下的显著增加了97.8%和47.8%。W2条件下，三个施氮水平下的土壤净氮矿化量呈现多峰现象，增施氮肥提高了黑麦草还田过程中土壤氮素矿化量。第13 d时，各施氮水平的净氮矿化量出现第一次高峰，且N3和N2显著高于N1。第31d时，各施氮水平出现第二次矿化高峰，三个施氮水平净氮矿化量顺序为N3 ＞ N2 ＞ N1，且三者之间存在显著差异。N3在培养第57 d时出现第三次高峰，而N2和N1在第73 d时才出现，且N2 ＞ N3 ＞ N1。在91 d时，N1水平下的土壤氮素矿化量显著高于N2和N3水平。W3条件下，氮素的添加显著提高了土壤净氮矿化量。在培养第1 d，N3水平下的土壤净氮矿化量显著高于N2和N1。第13 d时，三个施氮水平的土壤净氮矿化量出现第一次峰值，且N3和N2均显著高于N1。培养第31 d时，三个施氮水平的土壤净氮矿化量出现第二次峰值，土壤净氮矿化量顺序为N3 ＞ N2 ＞ N1，且三者之间存在显著差异。第43和57 d时，N2水平下的土壤净氮矿化量显著高于N3和N1水平。91 d时，土壤净氮矿化量在N2和N3水平下均显著高于N1水平，且N3水平下显著高于N2。

图 3 各试验处理土壤净氮矿化量Fig. 3 Soil net nitrogen mineralization

从双因素方差分析结果 (表4) 来看，施氮量和土壤含水量在黑麦草还田过程中不同时期均对土壤净矿化量均有极显著的影响。从F值可以看出，施氮量和土壤含水量的交互作用也对土壤氮矿化有极显著的影响。

表 4 土壤净氮矿化量的双因素方差分析 (F)Table 4 Two-way analysis of variance on soil net nitrogen mineralization

3 讨论

本研究表明，施氮有利于提高土壤含水量15%时黑麦草还田初期土壤硝态氮含量，但抑制了还田后期土壤硝化作用。土壤含水量30%时，施氮抑制了黑麦草还田后期土壤硝化作用。土壤含水量45%时抑制了黑麦草还田初期不同施氮水平下土壤净硝化量，但增加了黑麦草还田后期 (91 d) 土壤硝化量，施氮量60 mg/kg下的净硝化量显著高于120 mg/kg水平下的。土壤含水量的增加抑制了黑麦草还田初期的土壤硝化作用，但提高了黑麦草还田后期土壤净硝化量。化学氮肥多引起土壤有机氮的正激发效应，有机氮肥的净激发量为负值[33]。在黑麦草还田初期，黑麦草的易降解部分迅速被微生物分解吸收，导致土壤硝态氮含量显著降低。张树兰等[34]研究表明施用尿素可显著提高土壤的矿化作用。同时，土壤水分是影响土壤矿化作用的重要环境因子。土壤水分将通过改变土壤通气状况，改变微生物群落结构及活性[35]，进而影响氮素矿化过程中的硝化、氨化和反硝化作用。土壤含水量较低，会限制土壤微生物的生长，抑制土壤氮矿化；而土壤含水量太高，嫌气的土壤环境反硝化作用较强，可降低土壤氮矿化速率[36]。适宜的水分范围有利于养分的释放，增加氨氧化细菌的种群数量和活性[37]，研究表明，稻田土壤水分为田间持水量的60%～65%时是最适宜硝化作用的水分状态[38]。钱琛等[39]研究发现，向红壤添加尿素并保证O2供应的情况下，硝化速率随着水分的增加而递增，足够的水分有利于硝化作用的发生。合适的土壤含水量有利于土壤硝化作用的发生。

在本研究中，施氮和土壤含水量显著影响了土壤净氨化量。土壤净氨化量在整个黑麦草还田过程中均为正值，且呈现多次先增加后降低的动态变化。土壤含水量30%有利于促进黑麦草还田中期土壤的氨化作用，土壤含水量45%降低了黑麦草还田后期土壤净氨化量。土壤净氨化量保持正值可能是由于试验中添加的氮素为硫酸铵，可以增加氨化作用形成其次黑麦草还田降解过程中释放的主要也是铵态氮[40]。有研究表明种植黑麦草的烟田释放的氨气显著高于种植油菜的烟田[41]。赵长盛等[42]研究表明黄棕壤的氨化速率基本随含水量的增加而增加。土壤含水量45%，还田后期净氨化量下降的原因可能是土壤含水量过高时土壤中O2含量下降，从而导致厌氧微生物如反硝化细菌的作用加强，使部分无机氮以气体形式散失[43]。

施氮和土壤含水量显著影响了土壤净氮矿化量。相比不施氮，三个含水量条件下的施氮处理在黑麦草还田过程中的大部分阶段都显著增加了土壤净氮矿化量，土壤含水量30%条件下土壤净氮矿化量的变化最大。卢萍等[44]研究表明在无机氮充足的情况下，碳氮比低的绿肥腐熟分解，使土壤矿质氮增加。黑麦草还田过程中土壤净氮矿化量表现出升高—降低—升高—降低往复振荡的态势。这种情况在小麦和玉米秸秆还田过程中也存在[45]，可能与土壤中微生物生长动态及黑麦草化学组成和分解程度不同有关。在培养73和91 d时，30%土壤含水量条件下施氮量60 mg/kg显著高于施氮量120 mg/kg的。这与罗亲普等[46]研究结果类似，在内蒙古温带典型草原，培养末期低氮处理 [≤5 g N/(m2·a)] 可以促进氮矿化作用，而高氮处理 [25 g N/(m2·a)] 一定程度上抑制了土壤氮矿化。相比土壤含水量15%，30%含水量促进了黑麦草还田中期 (13～57 d) 土壤净氮矿化量的增加，45%含水量抑制了黑麦草还田后期 (73～91 d)土壤净氮矿化量。不同的土壤含水量对土壤氮矿化过程影响差异很大[47]。陈伏生等[48]在对中亚热带丘陵红壤氮素矿化的研究中也发现，只有适宜的土壤水分含量才有利于土壤氮素的矿化。水分和施氮量可能通过影响土壤微生物数量和活性，调控了土壤硝化和氨化作用的发生强度，导致了土壤氮素的动态变化。

4 结论

双因素方差分析结果表明，土壤含水量和施氮量显著影响了红壤旱地黑麦草还田过程中的土壤氮矿化。红壤地黑麦草还田初期，施氮量的增加提高了土壤中氮素的硝化和氨化作用；土壤含水量30%提高了土壤氨化作用，但土壤含水量达到45%时，一定程度上抑制了土壤硝化和氨化作用。黑麦草还田中期，土壤中矿化作用变化较大，施氮促进了土壤氨化作用但施氮量120 mg/kg明显抑制了土壤硝化作用；土壤含水量30%提高了土壤氨化作用，但土壤含水量达到45%时，一定程度上抑制了土壤硝化和氨化作用。黑麦草还田末期，土壤氮氨化作用显著降低，且施氮抑制了土壤硝化作用的发生；土壤含水量30%有利于土壤硝化和氨化作用，土壤含水量达到45%时，一定程度上抑制了土壤硝化和氨化作用。

综合来看，从促进作物生长和节约化肥资源来考虑，红壤旱地黑麦草还田时应进行合理施氮 (60 mg/kg)，还田初期应该保持较高的土壤含水量(45%)，抑制土壤的氮矿化作用，减少氮素的淋溶或挥发，还田中后期应该适当降低土壤含水量 (30%)，增加土壤氮素的矿化，有利于作物对氮素养分的吸收，提高氮素利用效率。

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