地膜覆盖和秸秆还田对半干旱区玉米地土壤氮素矿化的影响

刘小娥，苏世平，吴玉山，魏星星，张帅杰

(甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070)

中国半干旱区限制旱作农业发展的主要问题是水资源匮乏，该区年降水量少且分布不均匀，60%以上的降水主要集中在7～9月份，且四季分明，早春气温低，严重的限制了粮食作物的产量[1-2].地膜覆盖技术的应用显著的改善了半干旱区的这种现状，尤其是近年来的地膜覆盖和沟垄相结合的全膜双垄集雨沟播栽培技术，被认为是半干旱区提高土地生产力的创新技术[3].地膜覆盖增加土壤含水量[4-5]，提高表土层温度[4]，进而活化土壤养分[6]，提高养分的有效性和水分利用效率[7]，但这使土壤的水分和养分过度消耗，从而降低了土地的生产力[8].秸秆是农业生产系统中重要的生物资源，其中丰富的N/P/K等是农作物生长发育所必须的营养元素.秸秆还田能改善土壤的物理性质，增加土壤微生物量碳和氮的含量，增加土壤酶的活性[9]，增加土壤有机质，提高土壤肥力[10].Zhao等的研究表明，长期的秸秆还田对耕层土壤全氮含量的增加可达2%～16%[11].

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.前人的试验大多只研究地膜覆盖的方式或秸秆还田的方式对土壤氮素矿化的影响，而对地膜覆盖结合秸秆还田对土壤氮素矿化的研究较少.本研究采用地膜覆盖和秸秆还田相结合的模式，研究不同模式下土壤微生物量碳和氮，土壤氮素的净矿化速率、净消化速率和净铵化速率的变化规律，为探索土壤氮素循环影响机制和优化田间管理措施提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点在甘肃省榆中县小康营乡，N 104°05′，E 35°54′，海拔2 013 m.年平均气温6.6 ℃，最低气温出现在1月份，最高气温出现7月份；年降雨量为563.0 mm，年际间降雨不均，其中70%集中在7～9月份，属于降水偏多的年份.无霜期130 d，≥10 ℃积温2 134.0 ℃.试验地土壤为黄绵土，其中砂粒含量为6.5%，粉粒含量为71.2%，粘粒含量为22.3%.0～15 cm土壤pH值为8.4，土壤容重为1.19 g/cm3，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.

1.2 试验设计

大田试验采用随机区组，垄沟交替(分为大小2个垄面，小垄高15 cm，宽40 cm，大垄高10 cm，宽70 cm的种植方式，设4个处理，分别为裸地(CK)、秸秆还田(S)、地膜覆盖(M)、秸秆还田加地膜覆盖(MS)，每个处理3次重复，小区面积为39.6 m2(6.6 m×6.0 m).2018年4月初进行整地，基肥施尿素600 kg/hm2(含N 46%)，过磷酸钙750 kg/hm2(含P2O512%).秸秆还田处理将上一年小区中收获的玉米秸秆，全部粉碎后(0.25 mm)均匀的施于地表，还田量为5 400 kg/hm、翻耕、起垄、覆膜处理进行全膜覆盖，于4月26日播种，玉米品种为‘酒单4号’，种植密度为52 500株/hm2(株距为35 cm).

1.3 测定指标与方法

土壤温度的测定：在玉米生长发育的开花期(7月16日)左右，连续3 d(7月15、16、17日)测定每个小区的土壤温度，从早上8∶00到晚上18∶00，每隔2 h测定1次，每天6次的平均温度为当天日间平均温度，连续3 d日平均气温的平均值作为7月16日的土壤温度.

在玉米生长发育的开花期(7月16日)左右，每个小区采集土壤0～15 cm土壤样品，带回实验室，过2 mm筛，进行土壤样品的测定.

土壤含水量：采用烘干法测定；

土壤微生物量碳和氮：采用氯仿熏蒸法测定；

土壤无机氮(硝态氮和铵态氮)：采用凯氏定氮法测定.

土壤氮素矿化的试验：采用室内培养的方法测定.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 °C的恒温培养箱中培养，在整个过程中采用恒质量法加水.在培养的14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 不同处理对土壤温度和土壤含水量的影响

在玉米生长发育的开花期，地膜覆盖显著降低了土壤温度(P≤0.05)，秸秆还田对土壤温度的影响不显著(P>0.05)，而地膜覆盖和秸秆还田对土壤温度具有显著的交互作用(P≤0.05，表1).地膜覆盖处理(F)较裸地处理(CK)土壤温度降低了6.48%，地膜覆盖加秸秆还田处理(MS)较秸秆还田处理(S)降低了8.91%，处理之间差异显著(P≤0.05，表1)；单纯的地膜覆盖或秸秆还田较裸地对土壤含水量没有显著影响(P>0.05)，而地膜覆盖加秸秆还田(MS)显著的降低了土壤含水量(P≤0.05)，较地膜覆盖(F)、秸秆还田(S)和裸地(CK) 3个处理分别降低了14.01%、15.03%和13.96%，地膜覆盖和秸秆还田对土壤含水量有显著的交互作用(P≤0.05，表1).

表1 不同处理下土壤水分、温度、微生物量C、N、无机氮的变化

ns表示检验没有显著性，*表示在0.05水平上的显著性，**表示在0.01水平上的显著性，***表示在0.001水平上的显著性.

ns not significant； * Significant atP≤0.05；** significant atP≤0.01;*** significant atP≤0.001.

2.2 不同处理对土壤微生物量碳和微生物量氮含量的影响

地膜覆盖和秸秆还田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，且二者之间有交互作用(P≤0.05，表1).地膜覆盖处理较没有地膜覆盖土壤微生物量碳和微生物量氮含量分别增加了13.83%和23.38%，秸秆还田处理较没有秸秆还田处理土壤微生物量碳和微生物量氮含量分别增加了5.17%和8.81% (表1).

2.3 不同处理对土壤氮素净矿化量的影响

地膜覆盖和秸秆还田对土壤氮素的净氨化量均没有显著的影响，二者也没有交互作用(P>0.05，表2).

地膜覆盖和秸秆还田对土壤氮素的净硝化量和净矿化量均有显著的影响，且二者存在交互作用(P≤0.05)，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2).0～14 d培养期间，地膜覆盖处理较没有地膜覆盖土壤氮素净硝化量和净矿化量分别增加了122.17%和112.37%，秸秆还田处理较没有秸秆还田处理土壤氮素净硝化量和净矿化量分别增加了22.46%和21.32%(表2)；14～28 d培养期间，地膜覆盖处理较没有地膜覆盖土壤氮素净硝化量和净矿化量分别增加了83.34%和81.46%，在没有地膜覆盖时，秸秆还田处理和不还田处理土壤氮素净硝化量和净矿化量无显著差异，在有地膜覆盖时，秸秆还田处理较不还田处理土壤氮素净硝化量和净矿化量分别增加了64.86%和62.40%(表2).

表2 不同处理土壤氮素矿化量

ns表示检验没有显著性，*表示在0.05水平上的显著性，**表示在0.01水平上的显著性，***表示在0.001水平上的显著性.

ns not significant； * Significant atP≤0.05；** significant atP≤0.01;*** significant atP≤0.001.

2.4 不同处理对土壤氮素净矿化速率的影响

地膜覆盖和秸秆还田均对土壤氮素的净氨化速率没有显著的影响，二者也无交互作用(P>0.05，表3).地膜覆盖和秸秆还田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，且二者有显著的交互作用(P≤0.05)，其增加的幅度与土壤氮素硝化量和矿化量相同(表3)，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3 不同处理土壤氮素矿化速率

ns表示检验没有显著性，*表示在0.05水平上的显著性，**表示在0.01水平上的显著性，***表示在0.001水平上的显著性.

ns not significant； * Significant atP≤0.05；** significant atP≤0.01;*** significant atP≤0.001.

2.5 不同处理对土壤无机氮含量的影响

地膜覆盖和秸秆还田对土壤铵态氮含量均没有显著影响，且二者无交互作用(P>0.05)，土壤铵态氮的含量较低，不到土壤无机氮的5% (表1).地膜覆盖和秸秆还田对土壤的硝态氮和无机氮均有显著的影响(P≤0.05)，且二者存在交互作用(P≤0.05，表1).地膜覆盖处理较没有地膜覆盖土壤硝态氮和无机氮含量分别增加了109.44%和107.96%，秸秆还田处理较没有秸秆还田处理土壤硝态氮和无机氮含量分别增加了14.60%和14.38%(表1).

3 讨论

在玉米生长发育的开花期，地膜覆盖和秸秆还田较裸地土壤含水量和土壤温度没有显著差异，甚至有降低的趋势，是因为地膜覆盖在玉米生长发育的前期，能显著的提高土壤温度[12-15]和增加土壤含水量[4,16-20]，促进了玉米生长发育的进程，增加了玉米的地上和地下生物量[3-4]；秸秆还田抑制土壤水分的蒸发，改善土壤的持水特性[21-25]，并给土壤提供养分，促进了玉米的生长发育[26-27].在玉米生长发育的开花期，玉米的营养生长达到最大，地膜覆盖处理和秸秆还田处理均具有较高的地上和地下生物量，有较大的郁闭度并需要吸收利用了更多的土壤水分，所以增温保墒的效果不明显.

土壤微生物量碳和氮是土壤有机碳中最活跃的部分，能够调节土壤养分的矿化、固定，反映土壤的生物活性和土壤养分的有效性.地膜覆盖改变了土壤的水热条件，增加了土壤酶和微生物的活性[28-30]，增加了土壤氮素的矿化速率[31-34].秸秆还田为土壤微生物提供营养物质，显著增加土壤的微生物量[35]，促进土壤氮素的矿化[36-38]，已有研究结果表明，秸秆还田后土壤微生物量氮会在短期内迅速增加并达到峰值，之后逐渐减少并趋于稳定[39-40].朱春茂等通过对甜玉米/白三叶草秸秆还田碳氮矿化的研究，结果表明白三叶草秸秆还田能促进土壤氮素的矿化[38].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[41].李贵桐通过秸秆还田对土壤氮素转化的研究表明：秸秆还田提高了植物氮素利用率，促进了土壤硝化反应的进程，使得土壤硝态氮的含量增加，另外，秸秆还田引起土壤氮素矿化的正激发效应，从而增加了土壤无机氮的含量[42-43].

4 结论

地膜覆盖结合秸秆还田处理显著降低了土壤温度和土壤含水量；地膜覆盖和秸秆还田均增加了土壤微生物量碳和微生物量氮的含量；在室内培养的0～14 d和14～28 d，地膜覆盖和秸秆还田显著增加了土壤氮素的净硝化速率和净矿化速率，从而增加了土壤氮素的消化量和矿化量；地膜覆盖和秸秆还田处理下土壤矿化速率的增加增加了土壤无机氮的含量.