地膜覆盖对旱作玉米农田土壤氮素矿化的影响

2019-07-22刘小娥苏世平孟庆海杨娥女卢昊鹏

甘肃农业大学学报 2019年3期

刘小娥，苏世平，孟庆海，杨娥女，卢昊鹏

(甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070)

北方旱作农业在我国农业生产中具有十分重要的地位，主要分布在低山丘陵区，早春气温低、热量不足，降雨量少且分布集中，影响作物的出苗和苗期的形态建成，进而影响作物的生长发育和产量的形成[1-2].近年来，全膜双垄集雨沟播技术较其它地膜覆盖方式更有效的增加土壤温度、能够将少量的降水在作物根区富集叠加[3]，有效的解决了半干旱区长期以来作物产量低下的问题，被认为是提高土地生产力的新型技术[4]，广泛的应用于玉米的种植[1,5-6].

氮素是植物生长发育必需的营养元素之一，植物主要吸收土壤中的无机氮(硝态氮和铵态氮)，而土壤中95%以上的氮素是以有机氮的形式存在，因此，必须经过矿化作用将土壤中的有机氮转化成为无机氮才能够被植物吸收利用.很多研究表明地膜覆盖能增加土壤氮素的矿化量[7-9]， Clarkson等[10]研究发现地膜覆盖增加了土壤无机氮的含量从而降低了其淋洗的风险，Zhang等[9]在对花生地的研究表明地膜覆盖增加了土壤氮素的矿化；Wang等[11]对半干旱区玉米的研究发现土壤水热条件的改善，增加了土壤的微生物活性，从而增加了氮素的矿化速率.但对于全膜双垄沟播技术增加土壤氮素矿化的机理还有待进一步研究.因此，本研究在前人的基础上，采用室内培养的方法，研究土壤氮素的矿化过程，探讨地膜覆盖下土壤的供氮能力，为优化田间氮肥管理措施提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于甘肃省兰州市榆中县小康营乡小康营村N 35°54′,E 104°05′，海拔2 013 m.2018年该地区年平均气温6.6 ℃，年降水量为563.0 mm，其中70%集中在7～9月份，属于降水偏多的年份.≥10 ℃积温2 134.0 ℃，无霜期130 d.供试土壤为黄绵土(砂粒占6.3%，粉粒占72.1%，粘粒占21.2%)，其中表层0～15 cm土壤全氮含量为1.0 g/kg，土壤有机碳含量为9.8 g/kg，土壤无机氮含量为24.4 mg/kg，速效磷含量为13.6 mg/kg，土壤容重为1.23 g/cm，pH 值为8.4.

1.2 试验设计

试验采用全膜双垄沟播的种植方式(大垄宽70 cm，高10 cm，小垄宽40 cm，高15 cm，垄面之间为播种沟)，共设4个处理，分别为不覆膜不种玉米 (CK)、覆膜不种玉米 (F)、不覆膜种玉米 (M)、覆膜种玉米 (MF)，每个处理3次重复，采用随机区组排列.小区面积为39.6 m2(6.6 m × 6 m).覆膜处理采用120 cm宽、厚度为0.008 mm的聚乙烯农用塑料薄膜全膜覆盖.供试的玉米品种为‘酒单4号’，种植密度为52 500株/hm2(株距为35 cm).试验地施入尿素600 kg/hm(含N 46%)，过磷酸钙750 kg/hm2(含P2O512%)，全部用作基肥.播种日期为2018年4月28日，收获日期为2018年10月8日.

1.3 土壤样品的采集与测定

在玉米生长发育最旺盛的时期(孕穗期，2018年7月15日)进行土壤样品的采集，每个小区选取10个点(其中垄上5个点，种植沟5个点)，采集0～15 cm土壤样品，将土壤混合均匀后带回实验室，过2 mm的筛，进行土壤样品的测定：土壤含水量的测定采用烘干法；土壤微生物量碳和氮采用氯仿熏蒸提取法；土壤无机氮(硝态氮和铵态氮)采用凯氏法.

在玉米生长发育最旺盛的时期，连续3 d(7月14日、15日、16日)测定土壤的温度(从8∶00到20∶00，每隔2 h测定1次，计算日平均气温)，连续3 d日平均气温的平均值作为7月15日的土壤温度.

土壤氮素矿化的试验采用室内培养[12]的方法测定.称取20 g新鲜土样放入100 mL的三角瓶中，均匀的加入6 mL的蒸馏水，用封口膜封口(用牙签扎几个小孔，保持通气)，放入25 ℃的恒温培养箱中培养，在整个过程中采用恒重法加水.在培养的14 d和28 d，取出三角瓶，进行硝态氮和铵态氮的测定.通过下列公式计算土壤氮素的矿化量和净矿化速率：

土壤氮素净矿化量(mg/kg)=培养后的土壤无机氮(硝态氮和铵态氮之和)-培养前的土壤无机氮

土壤氮素的净矿化速率(mg/kg/d)=土壤氮素净矿化量/培养天数

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2007和SPSS 19.0进行分析，采用单因素方差分析对比各处理之间的差异.

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤含水量和土壤温度

地膜覆盖对土壤含水量和土壤温度的影响与是否种植玉米有关(图1).在不种玉米的条件下，覆膜处理(F)的土壤含水量为20.78%，较不覆膜处理(CK)增加了35.22%(P<0.05)；在有玉米种植的条件下，覆膜处理(MF)的土壤含水量为16.19%，与不覆膜处理(M)之间没有差异(P>0.05) (图1).在不种玉米的条件下，覆膜处理(F)的土壤温度为30.72 ℃，较不覆膜处理(CK)增加了15.47%(P<0.05)；在有玉米种植的条件下，覆膜处理(MF)的土壤温度为22.58 ℃，与不覆膜处理(CK)之间没有差异(P>0.05).

图1 不同处理的土壤含水量和土壤温度Figure 1 Soil moisture content and soil temperature in different treatments

2.2 不同处理土壤微生物量碳和微生物量氮

地膜覆盖和种植玉米均不同程度的增加了土壤微生物量碳和土壤微生物量氮的含量(P<0.05)(图2).覆膜处理(F和MF)的土壤微生物量碳分别为220.03 mg/kg和232.86 mg/kg，较不覆膜处理(CK和M)分别增加了10.95%和7.43% (P≤0.05)；种植玉米处理(M和MF)的土壤微生物量碳分别为216.75 mg/kg和232.86 mg/kg，较不种植玉米处理(CK和F)分别增加了9.30%和5.83% (P<0.05)(图2).覆膜处理(F和MF)的土壤微生物量氮分别为56.73 mg/kg和62.58 mg/kg，较不覆膜处理(CK和M)分别增加了12.67%和19.26%(P<0.05)；，MF较M增加了10.31% (P<0.05)，在不覆膜处理下(F和CK)差异不显著(P>0.05，图2).

2.3 不同处理土壤氮素净矿化

2.3.1 不同处理土壤净氮素矿化量土壤氮素净矿化量表征土壤中的有机氮向无机氮转化过程的强弱，若土壤氮素净矿化量为正，表明土壤氮素的矿化作用大于固持作用，为负则表示固持作用大于矿化作用.不管是地膜覆盖和种植玉米，还是培养时间对土壤氮素的净氨化量都没有显著的影响(P>0.05，表1).

地膜覆盖、种植玉米和培养时间对土壤氮素的净硝化量和净矿化量均有显著的影响(P<0.05，表1).各处理0～14 d培养的土壤氮素净硝化量和净矿化量均显著大于14～28 d培养的(P<0.05，表1).0～14 d培养期间，覆膜处理(F和MF)较不覆膜处理(CK和M)，土壤净硝化量分别增加了22.60%和49.32%(P<0.05)，土壤净矿化量分别增加了21.85%和44.75%(P<0.05)；种植玉米对土壤氮素净硝化量和净矿化量的影响只在覆膜处理下(MF和M)显著，MF较M土壤氮素净硝化量和净矿化量分别增加了17.78%和12.07%(P<0.05)，在不覆膜处理下(F和CK)差异不显著(P>0.05，表1)；14～28 d培养期间，覆膜处理(F和MF)较不覆膜处理(CK和M)，土壤净硝化量分别增加了134.13%和176.42%(P<0.05)，土壤净矿化量分别增加了150.55%和194.99%(P<0.05)；种植玉米对土壤氮素净硝化量和净矿化量的影响只在覆膜处理下(MF和M)显著，MF较M土壤氮素净硝化量和净矿化量分别增加了29.95%和31.10%(P<0.05)，在不覆膜处理下(F和CK)差异不显著(P> 0.05，表1).

图2 不同处理土壤微生物量碳和微生物量氮含量Figure 2 Microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen in different treatments

表1 不同处理土壤氮素矿化量

不同小写字母表示处理之间差异显著(P<0.05).

Different lowercase letters show sighificant difference between different treatment.

2.3.2 不同处理土壤氮素净矿化速率地膜覆盖、种植玉米和培养时间均对土壤氮素的净氨化速率没有显著的影响(P>0.05，表2).地膜覆盖、种植玉米和培养时间不同程度的显著增加了土壤氮素的净硝化速率和净矿化速率的含量(P<0.05)，其增加的幅度与土壤氮素硝化量和矿化量相同(表2)，是因为在培养的过程中土壤氮素的铵化量不到总矿化量的10%.

表2 不同处理土壤氮素矿化速率

不同小写字母表示处理之间差异显著(P<0.05).

Different lowercase letters show sighificant difference between different treatment.

2.4 不同处理土壤无机氮

土壤铵态氮的含量较低，占土壤无机氮含量的比例不到10%(图3)，地膜覆盖对土壤铵态氮没有显著的影响(图3)，种植玉米增加了土壤铵态氮的含量(P<0.05，图3).

地膜覆盖和种植玉米对土壤的硝态氮和无机氮均有显著的影响(P<0.05，图3).覆膜处理(F和MF)较不覆膜处理(CK和M)，土壤硝态氮分别增加了123.89%和115.74% (P<0.05)，土壤无机氮分别增加了118.88%和110.98%(P<0.05)；种植玉米处理(M和MF)较不种植玉米处理(CK和F)，土壤硝态氮分别增加了29.25%和24.54%(P<0.05)，土壤无机氮分别增加了29.32%和24.65%(P<0.05，图3).

图3 不同处理土壤无机氮含量Figure 3 Soil inorganic nitrogen content in different treatments

3 讨论

本研究结果表明：地膜覆盖显著的增加了土壤温度，其主要原因是覆膜降低了太阳短波辐射的反射率[13]，并阻挡了来自于地面的长波辐射，从而增加了地面的净辐射量[14]，达到增温的效果.种植玉米后，达到地面的太阳辐射随着玉米的生长发育而变化，在玉米生长的旺盛时期(取样的时间)，较大的玉米冠层对太阳光的短波辐射反射和拦截较多，从而减少了地面的净辐射量[15-16]，所以覆膜种玉米处理增温效果不明显.地膜覆盖增加土壤含水量，地膜覆盖沟垄栽培模式最大限度的抑制了土壤蒸发，并能将无效降水(小雨)重新分配叠加到播种沟被作物吸收而变成有效降水[3-4,17-18]；种植玉米后地膜覆盖对土壤含水量的影响不显著，是因为覆膜加快了玉米生长发育的速度，地上和地下生物量显著增加，从而显著的增加了蒸腾量[11,19-21].地膜覆盖下土壤温度和含水量的增加有效的改变了黄土高原早春气温低和降雨量少导致的出苗难和成活难的问题，从而有利于粮食高产的形成[4,21].

本研究结果表明：在玉米生长发育最旺盛的时期，地膜覆盖和种植玉米均促进土壤氮素的矿化，是因为地膜覆盖改善了土壤的水热条件(图1)，增加了土壤的微生物量(图2).有研究表明地膜覆盖增加了土壤微生物量和相关酶的活性[11,22-23]，从而加快了土壤有机氮向无机氮转化的速度[24-26].另外，土壤温度升高会导致微生物群落成分向土壤中有效氮转化功能的转变[27]，因此，地膜覆盖处理较不覆膜处理土壤微生物活性的增加和微生物群落组成的变化可能会加速土壤中的有机氮的矿化.本结果说明土壤氮素的转化对土壤水热条件的变化较为敏感，也有可能是在农田生态系统中土壤具有较低的碳氮比[28].土壤氮素矿化速率的增加，在一定程度上增加了土壤的氮素的有效性[8,22,29].种植玉米增加了土壤的微生物量碳和氮的含量，是因为玉米根系在代谢的过程中根际产生了分泌物，为土壤微生物的生长提供了丰富的能量与营养，促进了土壤微生物数量的增加，加快了土壤氮素的矿化量和矿化速率[30-32].Jensen等[33]对大麦的研究表明：在大麦播种6 d后，根际土壤的微生物量氮较非根际的含量高33%～97%，另外，根系分泌物能够增加根际微生物的多样性[34].