预培养温度对稻田土壤氮素矿化影响

彭显龙，刘春艳，马　昕，梁　辰，于　刚，于彩莲（.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨　5000；2.黑龙江省粮食产能协同创新中心，哈尔滨　5000；.黑龙江八一农垦大学经济管理学院，黑龙江　大庆　69；.哈尔滨理工大学化学与环境工程学院，哈尔滨　5000）

预培养温度对稻田土壤氮素矿化影响

彭显龙1,2，刘春艳1，马昕1，梁辰1，于刚3，于彩莲4
（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨150030；2.黑龙江省粮食产能协同创新中心，哈尔滨150030；3.黑龙江八一农垦大学经济管理学院，黑龙江大庆163319；4.哈尔滨理工大学化学与环境工程学院，哈尔滨150040）

为明确预培养温度对氮素矿化影响，选择南北方典型稻田土壤，经12、25和35℃预培养2周后，与风干土一起恒温培养28 d（25℃），测定培养前后铵态氮含量，分析预培养过程中土壤有机氮组分变化。结果表明，随预培养温度升高，初始铵态氮含量逐渐增加，矿化氮含量逐渐减少，当预培养温度为35℃时，矿化氮含量甚至降为负值。虽然12和25℃预培养不会影响土壤总矿化氮含量，但模型拟合显示，风干土矿化过程与经预培养的土壤矿化过程明显不同。风干土直接培养2周或经25℃预培养2周后，可酸解氮含量均有所增加，难酸解氮含量明显降低；与风干土相比，12℃预培养有机氮组分变化不明显；而随预培养温度升高，酸解氮含量先增后减，难酸解氮先减后增。可见，难酸解氮在矿化过程中可能也发挥重要作用。35℃预培养温度会改变土壤供氮过程，12℃预培养后土壤有机氮组分变化较小，矿化过程更符合实际。因此，测定土壤氮素矿化应以12℃作为预培养条件。

稻田；土壤；氮素矿化；温度；有机氮

彭显龙,刘春艳,马昕,等.预培养温度对稻田土壤氮素矿化影响[J].东北农业大学学报,2016,47(4):49-56.

Peng Xianlong,Liu Chunyan,Ma Xin,et al.Effect of pre-incubated temperature on soil organic nitrogenmineralization in paddy field[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(4):49-56.(in Chinese with English abstract)

网络出版时间2016-4-22 10:01:13[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160422.1001.012.html

水稻生长发育过程所吸收氮有50%～80%来源于土壤[1]，土壤中90%以上氮以有机氮形式存在，多数有机氮须经矿化方可吸收利用[2]。研究土壤氮素矿化是确定稻田土壤供氮能力主要依据，也是确定合理施氮量重要参考。因此，科学准确评价土壤矿化过程具有重要意义。

目前测定土壤氮素矿化方法主要有无氮肥区植物吸收法、15N示踪法、田间原位培养法和室内培养法等[3]。无氮肥区植物吸收法和15N示踪法可评价土壤供氮能力客观指标[4]，但测定对象不仅含矿化氮量，还包括土壤已有无机氮和其他来源氮。因此，常用培养法测定土壤矿化氮量[5]。培养法又分为好气培养和淹水密闭培养法。淹水密闭培养法是测定稻田土壤氮素矿化量最常用方法[6]，这种方法简便、迅速，能反映土壤潜在供氮能力。土壤氮素矿化测定采用新鲜土样分析，能真实反映田间实际情况，但大量采集新鲜土样并保持田间水分难度大，因此培养试验通常采用风干土样。土壤样品经风干后，会引起土壤理化性质变化[7]，导致土壤有机物分解加速，影响土壤氮素矿化过程评估[8]。因此，风干土需预培养以恢复微生物生长条件[9]，减弱干土效应影响。研究显示预培养后土壤氮素矿化过程更符合有效积温方程[10]。但采用何种温度预培养，研究结论不一致。周建斌等研究认为采用25℃预培养，蔡贵信建议30～ 40℃预培养2周消除干土效应[11-12]。预培养温度与水稻插秧前温度条件相似可能有利减少干土效应。考虑寒地稻田和南方单季稻或早粳稻插秧前气温高于10℃，采用25℃及以上温度预培养与稻田实际情况差异较大，可能影响矿化过程评估准确性。

因此，本文比较不同预培养温度对土壤矿化过程影响，以期确定适宜预培养温度，为准确了解土壤氮素矿化过程提供依据。

1　试验设计

1.1供试土壤

试验采用3种土壤，南方土壤为采自江苏省的乌栅土（SS1）和潴育型勤沙土（SS2），北方土壤采自黑龙江省庆安草甸土型水稻土（NS）。每块稻田按对角线选择5个稻池，每个稻池内随机选择3点，采集0～20 cm土层土壤。将相同地点土壤样品混合均匀，挑出植物残体和根系，风干，过2mm筛备用。供试土壤基本理化性质见表1。

表1　供试土壤基本理化性质Table 1　Physical-chemical properties of tested soils

1.2预培养处理方法

室内培养试验于2013年10月在实验室内进行，培养时间共6周。称取过2mm筛风干土样10.00 g于20mL顶空瓶中，加入10mL蒸馏水并称重m1，使土壤全部湿润并驱出土中空气，形成淹水培养条件。将3种土样分别置于12、25和35℃下恒温开口培养两周（培养过程若液面下降，添加蒸馏水，保持淹水状态），每个温度下共计54个样品，3次重复，随机排列。培养两周后，加水至10mL（即加水至始重m1），螺纹盖拧紧瓶口。寒地水稻生产6～8月平均气温22～26℃，彭显龙等研究发现高温可能影响寒地稻田氮素矿化过程[13]，因此本研究预培养后培养温度选择25℃。然后把顶空瓶转入25℃下恒温密闭培养；另称取风干土样（DS）10.00 g，同样加水处理后不经预培养直接放入25℃下培养，作为对照。

1.3测定项目和方法

培养开始及培养后7、14、28 d取出一组顶空瓶，每个处理3次重复，加入90mL 2.0mol L-1的KCl溶液，震荡1 h，干过滤，收集上清液，AA3连续流动分析仪（Bran and Lube，Germany）测定；预培养结束及统一25℃培养14 d时，分别取出一组顶空瓶，每个处理3次重复，将上层水倒掉，玻璃棒搅拌均匀，取6.50 g样品于150mL三角瓶中，加20mL 1 ϑ 1盐酸、两滴正辛醇于300℃砂浴锅中回流水解12 h，砂芯漏斗抽滤制备水解液，采用Bremner法测定土壤有机氮组分[14]；其他肥力指标均采用常规分析方法测定[15]。

1.4矿化模型

1.4.1有效积温式

淹水条件下，氮矿化量与有效积温关系可用式（1）表示，该公式为有效积温式（Effective accu⁃mulated temperaturemodel，EATM）[16]：

式中，Y为土壤氮累积矿化量（mg·kg-1），T为培养温度（℃），T0为有效积温（℃，15℃为有效温度），D为培养时间（d），K和n为土壤氮矿化特征常数，K值反映土壤初始矿化速率，n值反映土壤后期矿化速率。

1.4.2One-pool模型（单一级指数方程）[17]

式中，Nt为累积矿化氮量（mg·kg-1）；N0为矿化势；k0为一级反应速率，t为培养时间（d）。

1.5统计分析

本文数据处理采用Excel 2007，土壤累积矿化氮有效积温式以及一级动力学模型拟合采用Sigma⁃Plot 12.0软件分析，数据间变异和方差分析均采用SAS 9.0软件完成[18]。

2　结果与分析

2.1预培养温度对土壤起始氨态氮含量影响

预培养温度对不同类型土壤初始铵态氮含量影响差异显著（见表2）。经预培养后土壤铵态氮含量均高于风干土，且预培养温度越高，铵态氮含量越高，差异显著（P<0.05）。与风干土相比，经12、25、35℃预培养后，铵态氮含量分别增加0.69～1.4、3.7～4.6和4.6～5.9倍；南方风干土（SS1）起始铵态氮含量显著高于北方土壤（见图1）。

2.2预培养温度对土壤矿化氮含量影响

预培养温度对不同类型土壤矿化氮含量有显著影响（见表2）。总体上，随培养时间增加，除35℃预培养外，土壤中氮素矿化量增加（见图2）。

表2　土壤矿化氮和铵态氮变异分析Table 2　Analysis of variance,cumulativemineralization N and NH+4-N concentration of soil

图1　土壤起始氨态氮含量Fig.1　Soil NH4+-N concentration before incubation

图2　不同处理下矿化氮含量变化Fig.2　Change ofmineralization N at different treatments

由图2可知，风干土矿化氮量最高，经预培养后，土壤氮素矿化量明显低于风干土，且随预培养温度升高，土壤矿化氮随之减少，主要是因为起始铵态氮显著提高；与风干土相比，12℃预培养后南方和北方土壤矿化氮含量分别降低18%～49%和2%～20%；25℃预培养对应矿化氮含量降低62%～ 90%；经35℃预培养，再转入25℃培养，两个土壤（除SS1外）矿化氮增加甚至为负（见图2D）。南方土壤SS1矿化氮显著高于其他土壤；另外两个土壤（除SS1外）间总矿化氮量相近。

2.3培养结束后铵态氮总量

培养28 d后，不同预培养温度及不同类型土壤间累积的铵态氮差异显著（见表2）。经35℃预培养后再培养28 d土壤总铵态氮含量降低。除35℃预培养外，是否经预培养对土壤总矿化氮含量影响不明显。相同预培养条件下，南方土壤SS1铵态氮总量最高，北方土壤铵态氮总量最低（见图3）。

2.4模型拟合

经25℃预培养，土壤矿化氮增加少；35℃预培养时，矿化氮增加量甚至为负值，因此无需拟合两个温度的土壤矿化过程。有效积温方程或一级动力学模型拟合土壤氮素矿化过程，效果均为良好（见表3）。经预培养后土壤氮素矿化特征常数发生变化。总体上，经12℃预培养后土壤初始矿化速率K值降低（除SS2外），后期矿化速率n值增加。一级动力学拟合结果显示，经预培养后矿化势N0和矿化速率常数k0明显增大或减小。

2.5预培养温度对土壤有机氮组分影响

由表4可知，除酸解未知氮，土壤和温度对有机氮其他组分影响具有交互作用，土壤和温度主效应均显著。

由表5可知，风干土培养14 d后，水解性全氮含量增加，可酸解有机氮组分存在不同程度提高，但难酸解氮含量下降；经预培养处理土壤再经14 d培养水解性全氮均有所降低，氨基酸态氮含量明显下降，难酸解氮增加，其他有机氮组分含量变化无规律可循；与风干土相比，经12℃预培养土壤水解性全氮含量和难酸解氮变化无规律可循，随预培养温度提高两个组分含量先增加，25℃预培养两个组分含量升高，温度增加含量降低。

图3　培养28 d后铵态氮含量Fig.3　Soil NH4+-N concentration at 28 d incubation

表3　运用有效积温式和One-pool模型处理得出的参数及土壤氮矿化量与培养时间决定系数Table 3　Correlation coefficients and index between cumulative of soilmineralization N and incubation days using effective accumulated temperaturemodel and the One-poolmodel at three temperatures

表4　有机氮组分变异分析Table 4　Analysis of variance organic nitrogen form of soil

表5　土壤有机氮组分变化Table 5　Change of soil organic nitrogen form content （mg·kg-1）

3　讨论

土壤供氮能力包括供氮总量和供氮过程两方面[19]。经预培养后土壤起始铵态氮增加，但矿化氮量变少。除35℃预培养会降低矿化氮总量（起始氮与矿化氮之和）外（见图3），土壤是否预培养对总矿化氮量影响较小。经35℃预培养后，经较长时间培养土壤矿化氮总量减少，研究发现长时间培养后矿化氮降低现象[20]。本试验测定土壤氮素矿化是氮素表观平衡，是矿化氮和有机无机固定氮差值。随培养时间延长矿化氮量降低，通过有机氮矿化产生铵态氮下降。当土壤中铵态氮较高时，土壤中微生物大量繁殖消耗一部分铵态氮（也可能有部分进入土壤固定铵库）。当矿化氮和微生物利用氮相同时矿化达到平衡[21]。随培养时间继续延长，过高铵态氮抑制氨氧化过程，而较多铵态氮存在促进微生物繁殖，当微生物利用的氮超过矿化氮量时，土壤表观矿化量降低[22]。其中原因尚需进一步研究。本试验中，35℃预培养后土壤铵态氮总量只有风干土矿化氮总量90%（见图3），可见土壤存在矿化潜力。由于矿化对温度敏感，温度较大变化会显著影响微生物活性。培养温度由35℃改为25℃使矿化的微生物活性受抑制，矿化氮产生受阻，打破矿化氮产生和消耗平衡，降低矿化氮含量。因此，培养时不宜采用高温转换为低温培养方法。

虽然风干土直接培养与12℃或者25℃预培养矿化氮总量无差异，但三者矿化过程差异显著。矿化过程差异与有机氮组分有关，可水解氮属易矿化氮，在矿化过程中首先分解，含量降低[23]。本试验中，风干土直接培养14 d或者预培养（25℃）14 d后，土壤水解性全氮和酸碱未知氮含量明显增加，难酸解氮含量明显减少（见表5）。表明矿化氮形成可能与难酸解氮减少有关，李菊梅等研究发现在矿化过程中难酸解氮减少现象[24]。经25℃预培养后，土壤培养14 d水解性全氮和氨基酸态氮大幅度减少，二者减少量远高于此阶段矿化出氮量。可见，水解性全氮并非全部矿化为铵态氮，可能有一部分转化为难酸解氮。结果表明，难酸解氮可能在矿化过程中发挥重要作用，这种有机氮组分变化受温度控制，随预培养温度提高，铵态氮量增加，对应难酸解氮量先减后增，而酸解氮先增后减。与风干土相比，经12℃预培养的土壤有机氮组分变化不明显（见表5）。说明此温度下难酸解有机氮转化较慢，可能未造成有机氮组分显著变化。随预培养温度提高（25℃），有更多的酸解性有机氮形成（难酸解氮分解），造成可酸解性有机氮增加。温度增加时有一部分可酸解氮矿化产生铵态氮，还有一部分转化为难酸解性氮。研究显示，可矿化氮主要来自酸解氮，特别是氨基酸态氮[25-27]，与本文研究结果一致；彭银燕等认为酸解未知氮是土壤可矿化氮主要来源，与土壤矿化势有显著正相关关系[28-29]。本研究证明，氮素矿化过程复杂，不仅可酸解氮与矿化关系密切，难酸解氮可能也在矿化过程中发挥重要作用。

土壤风干过程存在干土效应，增加土壤早期矿化量[30]。为消除干土效应、恢复微生物生存环境，风干土需经预培养过程。本研究显示选用25℃作为预培养温度，土壤发生显著矿化，土壤有机氮组分变化显著。35℃条件下预培，土壤矿化明显，起始铵态氮显著提高，抑制后期矿化，因此矿化氮量显著降低（见图3）。

这表明较高的预培养温度使土壤有机氮组分变化显著，改变土壤氮素矿化过程。相对较低的预培养温度下，土壤有机氮组分未发生明显改变。恢复微生物生长和淹水环境时，不会显著改变土壤供氮过程。因此，建议采用12℃温度作为预培养温度。

4　结论

除35℃预培养后再作25℃培养会降低土壤矿化氮总量外，其余预培养温度对土壤矿化度总量影响不明显。有机氮组分对温度敏感，经12℃预培养处理后土壤有机氮组分变化较小；较高预培养温度（25℃）下，土壤有机氮变化明显，改变土壤氮素矿化过程，建议采用12℃作为预培养温度。

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Effect of pre-incubated temperature on soil organic nitrogenmineraliza⁃tion in paddy field

PENG Xianlong1,2,LIU Chunyan1,MAXin1,LIANG Chen1,YU Gang3,YU Cailian4(1.School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Collaborative Innovation Center of Grain Production Capacity Improvement in Heilongjiang Province,Harbin 150030,China 3.School of Economic&Management,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing Heilongjiang 163319,China;4.Institute of Chemical and Environmental Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040,China)

This study was conducted to compare the effects of 12,25 and 35℃ pre-incubated on soil Nmineralization,soil after pre-incubated two weeks and air-dried soil sample were incubated under 25℃during 28 d.Ammonium nitrogen content of soil wasmeasured before and after incubation,the content of soil organic nitrogen components were analyzed in the process of incubation.The results showed that with the increase of pre-incubation temperature,the initial ammonium nitrogen increased,but themineralization N rate significantly reduced.Mineralization N rate was negative or a little when the pre-incubation temperature was increased to 35℃.Although the 12 and 25℃ pre-incubation temperature did not reduce the total amount of soilmineralization nitrogen,model fitting displayed themineralization process of air-driedsoil was different from soil after pre-incubation.The content of hydrolysamino acid N was increased and the acid insoluble nitrogen in soil was decreased after air-dried soil directly cultured for two weeks or after 25℃pre-culture.Compared with air-dried soil,the content of organic nitrogen for 12℃pre-incubation was not significantly different.With the increasing of pre-incubation temperature,the content of hydrolysamino acid N increased first and then decreased,the acid insoluble nitrogen decreased first and then increased.These results indicated that the acid insoluble nitrogenmay also play an important role in themineralization process,and the composition of organic nitrogenmade a significant change when the pre-incubation temperature was higher than 25℃.This resulted in changing of the process of soil nitrogenmineralization process.On the contrary,the organic nitrogen forms and soil Nmineralization process changed a little when pre-incubation temperature was 12℃.Therefore,12℃ should be used as pre-incubation temperature.

paddy field;soil;Nmineralization;temperature;organic N forms

S158.5

A

1005-9369（2016）04-0049-08

2015-12-22

国家自然科学基金项目（41101281）

彭显龙（1976-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为植物营养。E-mail:pxl0508@163.com