地表覆盖对旱作玉米农田土壤氮素矿化的影响

石冰洁，李世清，2

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)

氮素是限制作物生长的关键养分因子，也是禾本科作物从土壤中吸收量最大的营养元素[1]。土壤中90%以上氮素以有机态存在，而作物吸收形态主要是矿质态氮，作物吸收氮素50%以上源于作物生长期间土壤有机氮矿化产生的矿质氮[2]。微生物在不断进行矿化作用形成矿质氮的同时也吸收固持部分矿质氮[3]，矿化作用和固持作用之间的平衡决定了土壤矿质氮的流向和可利用性，直接影响农田土壤氮素有效性和作物对氮素的吸收利用[4]。影响土壤氮素矿化的因子包括土壤温度、含水量、土壤pH值、分解物C/N、土壤微生物量和活性等[5-6]。土壤温度和水分是影响土壤氮素矿化重要的环境因素[7]。水资源短缺和养分供应不足是限制旱地作物生产的两大主要限制因素[8]，针对水分对春玉米生产的限制，秸秆覆盖[9]、砂砾覆盖[10]和地膜覆盖[11]等集雨节水技术被广泛应用。地表覆盖对土壤温度与水分产生不同程度的影响，进而改变土壤有机氮矿化速率[12-13]，该观点是本研究假设的基础。

目前在田间条件下测定土壤净氮矿化的主要方法有埋袋法、顶盖埋管法和树脂芯方法(Resin-core technique，RCT)。与其它两种方法相比，RCT法允许土芯中水分自由流动，矿化产物(旱地土壤主要是硝态氮)也会水随时离开土芯，不会因矿质氮在土壤中的大量累积而抑制有机氮矿化，测定结果更接近田间实际情况。目前这一方法已被国内外广泛用于土壤氮素矿化研究[14-15]，然而应用到地表覆盖农田测定土壤氮素矿化的研究比较少见。过去有关土壤环境因子对氮素矿化影响的研究多限于室内培养试验[16-17]，但由于室内培养条件与田间实际情况存在很大差异，室内培养结果并不能反映田间真实氮素矿化规律。基于以上两个问题，本试验依托地表覆盖长期定位试验，采用RCT 法研究旱作农田地表覆盖条件下土壤氮素矿化规律，以期为准确评价旱作农田土壤有机氮矿化和合理施氮提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

地表覆盖长期定位试验始于2012年，于2016年玉米生育期进行土壤氮素矿化测定。田间试验安排在西北农林科技大学水土保持研究所长武黄土高原农业生态试验站。试验站位于陕西省咸阳市长武县洪家镇王东村(北纬35°12′，东经107°40′，海拔1 220 m)，属典型的旱作农业区，地貌属高原沟壑区，地带性土壤为黑垆土，系统分类名称是简育干润均腐土。试区属暖温带半湿润大陆性季风气候(半湿润易旱区)，近10年(2006-2016年)平均降水545 mm，其中70%左右分布于5-9月(春玉米生长季)；年均气温9.9℃，5-10月为17.7℃，无霜期171 d。年蒸发量高达1 565 mm，PE干燥度为2.7。2016年和多年平均(2006-2016年)玉米生育期降雨量与气温如图1所示；供试土壤(0～20 cm土层)基本理化性质见表1。

图1 2016年及多年平均(2006-2016年)降雨量和大气温度的月变化Fig.1 Monthly variations of precipitation and temperatures in 2016 and average ones from 2006 to 2016

表1 试验前土壤基本理化性状(0～20 cm)Tab 1 The basic properties of the topsoil prior to the experiment

1.2 试验设计

试验共设3个处理，分别为对照不覆盖处理(BP)，秸秆覆盖处理(SM)、地膜覆盖处理(FM)，每个处理重复3次，采用随机区组设计。SM处理采用长度20 cm左右的玉米秸秆，在玉米拔节初期将秸秆均匀覆盖在玉米行间和株间，覆盖厚度约5 cm；FM处理采用1.2 m 宽的白色透明地膜覆盖整个小区；各处理均无补充灌溉。小区面积为45 m2(9 m×5 m)。

各处理播种方式采用宽窄行平作，宽行60 cm，窄行40 cm。供试玉米品种为先玉335，种植密度65 000 株·hm-2。本试验保证生育期内玉米养分的充足供应，每公顷施纯氮250 kg、纯磷40 kg、纯钾80 kg；分别以尿素(含氮量为46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和硫酸钾(含K2O 45%)为氮源、磷源和钾源。氮肥分别作为播种肥(40%)、拔节期追肥(30%)和抽雄期追肥(30%)分3 次施入；磷、钾肥作为基肥与种肥播前一次施入。播种日期为2016年4月18日，追肥日期为2016年6月23日和7月27日。

1.3 土壤氮素矿化测定

图2 矿化装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of mineralization device

土壤矿质氮的测定方法：称取上述新鲜土壤样品5.0 g，加入50 mL 2 mol·L-1KCl 振荡1 h后过滤，用连续流动分析仪 (FOLOWS, Italy)测定滤液中的铵、硝态氮。阴阳离子混合型交换树脂吸附矿质氮测定方法：将每个树脂袋放入50 mL浓度为2 mol·L-1的KCl振荡 1 h，再用相同浓度的KCl淋洗2次，最后用去离子水冲洗树脂袋定容至200 mL，然后测定矿质氮含量。

1.4 土壤水分、温度测定

各处理在同一区组0～20 cm土层每5 cm安装地温计，在玉米生育期内每天08∶00和14∶00测定，两次读数的平均值表征当天平均温度，每7 d平均温度代表该周平均温度；试验期间以每周一次的频率采集0～20 cm土层土壤样品，用烘干法测定水分含量。

1.5 数据处理

氮素矿化量及矿化速率按以下公式计算：

RN=(NB硝+NB铵+NE硝+NE铵)-(NA硝+NA铵)/t

R硝=(NB硝+NE硝-NA硝)/t

R铵=(NB铵+NE铵-NA铵)/t

式中：NB硝为培养后土壤硝态氮含量；NB铵为培养后土壤铵态氮含量；NE硝为树脂吸附硝态氮含量；NE铵为树脂吸附铵态氮含量；NA硝为培养前土壤硝态氮含量；NA铵为培养前土壤铵态氮含量；RN为土壤净氮矿化速率；R硝为土壤净硝化速率；R铵为土壤净铵化速率；t为培养时间。培养前的土壤硝铵态氮含量由埋矿化装置后采取附近0～20 cm土壤测定而得，培养后的土壤硝铵态氮含量由测定矿化装置中的土芯而得。

试验数据用 SPSS 22.0 软件和EXCEL 2007进行分析，各培养阶段不同覆盖处理间差异显著性用单因素方差分析比较，显著性水平为P<0.05。采用SigmaPlot 12.5软件绘图，图表中的数据均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖条件下0～20 cm土层土壤水分含量

与不覆盖对照(BP)相比，秸秆覆盖(SM)和地膜覆盖(FM)明显提高了0～20 cm土层土壤含水量(图3)，分别增加5.7%和17.2%，从全生育期看，土壤水分含量表现为FM>SM>BP，地膜覆盖在不同阶段的影响程度不同：在PT～V10时期，FM处理土壤含水量显著高于BP处理，但在以后生育阶段二者没有显著差异；V10～R3时期处于黄土高原雨热同期阶段(7、8月)，此时虽然降雨量大，但因分布不匀，导致土壤含水量波动剧烈，覆盖效果也相应减弱。R3～R6时期，3个处理间土壤含水量差距进一步缩小，基本趋于一致，由于较多的降雨导致土壤含水量呈升高趋势。

2.2 不同覆盖条件下0～20 cm土层土壤温度

与BP相比，SM处理和FM处理明显影响0～20 cm土层土壤温度(图4)。覆盖材料不同，影响效果也不同：SM处理土壤平均温度下降2.24%，而FM处理增加1.79%。在不同生育阶段，覆盖对土壤温度影响的效果也不同。在PT～V10生育阶段，3个处理土壤温度变化幅度较大，SM处理温度波动尤其剧烈，FM处理耕层温度显著高于BP处理和SM处理；V10～R3时期随着气温升高，各个处理土壤温度均有所升高，但不同处理间仍然表现为FM>BP>SM，SM处理的温度基本维持在22℃～24℃间，显著低于BP和FM处理；在R3～R6生育阶段3个处理土壤温度变化基本一致，且各处理之间差异不显著，这可能主要与玉米植株遮挡有关。

图3 不同处理0～20 cm土层土壤含水量Fig. 3 The average soil water content of different treatments in 0～20 cm

图4 不同处理0～20 cm土层平均土壤温度Fig. 4 The average soil temperature of different treatments in 0～20 cm

2.3 不同覆盖条件下0～20 cm土层土壤氮素净矿化量与净矿化速率

地表覆盖显著影响玉米生育期间土壤氮素矿化量(表2)。从全生育期看，3个处理的硝态氮、铵态氮和矿质氮均表现为净固持，但不同处理，矿质氮固持量不同，表现为FM(43.1 mg·kg-1)>BP(27.4 mg·kg-1)>SM(20.9 mg·kg-1)，SM处理生育期矿质氮净固持量相比BP处理低23.9%，FM处理相比BP处理增加57.1%，且FM处理与BP处理差异显著(p<0.05)，SM处理与BP处理差异不显著。与BP处理相比，SM处理生育期硝态氮净固持量减少26.1%，FM处理增加64.4%。3个处理间铵态氮净固持量无显著差异，且固持量基本一致，这主要与石灰性旱地土壤矿质氮主要形态为硝态氮，铵态氮含量低而稳定有关。

表2 不同处理各培养阶段土壤氮净矿化量Table 2 Net N mineralization of different treatments in each culture stage

地表覆盖也显著影响土壤氮素矿化速率，影响趋势与对土壤氮素矿化量的影响基本一致(图5)。在PT～V10生育阶段，各处理净氮矿化均为负值，表现为土壤矿质氮净固持；随着生育期推进固持速率加快，在V10时期达到最大，这显然与肥料氮被土壤微生物固定有关，该生育阶段3个处理间矿质氮的净氮固持速率无显著差异；在V10～R1生育阶段，除FM处理表现为固持外，SM、BP处理均表现为氮素净矿化，且净氮矿化速率表现为SM(0.5 mg·kg-1d-1)>BP(0.3 mg·kg-1d-1)；在R1～R3生育阶段，SM处理氮素净矿化速率显著高于BP(p<0.05)，FM处理与BP并无显著差异，3个处理表现为SM(0.62 mg·kg-1d-1)>FM(0.34 mg·kg-1d-1)>BP(0.28 mg·kg-1d-1)；在R3～R6生育阶段，与BP处理相比，SM处理和FM处理的氮素净矿化速率均显著降低。

2.4 培养期间0～20 cm土层土壤硝态氮淋失量

由于PVC管内矿质氮，特别是硝态氮可以随水向下移动，因此可以用管内树脂吸附的硝态氮含量估算培养阶段0～20 cm土层土壤硝态氮的淋失量。本试验结果显示(图6)，不同覆盖显著影响玉米生育期树脂吸附硝态氮含量。整个生育期各处理树脂硝态氮含量表现为SM(10.5 mg·kg-1)>BP(9.4 mg·kg-1)>FM(2.0 mg·kg-1)，并且树脂吸附硝态氮含量与降雨量强度和降雨量高度吻合。

图5 不同处理各培养阶段土壤氮净矿化速率Fig. 5 Net N mineralization rate of different treatments in each culture stage

图6 不同处理各培养阶段离子交换树脂硝态氮含量和降雨量Fig.6 -N in ion exchange resin of different treatments in each culture stage and precipitation

3 讨 论

本研究利用RCT法对旱地玉米农田土壤0～20 cm土层土壤氮素矿化的研究表明，从全生育期看，各覆盖处理土壤矿质氮均呈现净氮固持，这主要与PT～V10生育阶段氮素净固持量显著大于之后生育阶段的净氮矿化量有关，地膜覆盖、秸秆覆盖和不覆盖总固持量分别为43.1、20.9 mg·kg-1和27.4 mg·kg-1。大量试验均已表明，土壤水分和温度条件与土壤氮素矿化和积累有密切的相关性，且氮素矿化对温度的敏感性强于湿度[18-19]，玉米生育前期(PT～V10)土壤温度和水分波动较大，温度变化范围为16℃～24℃，土壤含水量变化范围为12%～25%，这使得土壤中微生物的数量和活性较高，但此时玉米处于苗期，对矿质氮的需求量较少，使得微生物将大量的矿质氮固持，地膜覆盖由于增加了土壤温度和水分，这会更有利于促进土壤矿质氮的微生物固持；同时有研究表明，土壤初始矿质氮含量与培养期间矿化氮呈负相关关系[20]，在PT～V10生育阶段，土壤矿质氮初始值较高，这会显著限制土壤氮素矿化，上述两方面的原因会导致玉米生育前期土壤氮素矿化表现为强烈的净氮固持。由试验结果可以看出，在全生育期内不同地表覆盖对硝态氮的净矿化影响较大，对铵态氮基本无影响。矿化量的变化主要是由硝化量的变化引起的，这与杨小红等[21]的研究结果基本一致，与石灰性旱地土壤矿质氮主要存在形式是硝态氮，铵态氮含量低而稳定有关。

V10～R3生育阶段也是降雨量大、温度高的季节(7、8月)，这一个阶段秸秆覆盖的净氮矿化量和净氮矿化速率显著高于对照处理，而地膜覆盖与对照处理相比并无显著差异，这可能主要与秸秆腐解产生的有机碳会为微生物提供比较充分的能源物质，有利于微生物对固持有机氮的矿化有关[22]；而地膜覆盖导致较高的土壤温度可能不利于有机氮矿化[23]，另外，秸秆覆盖土壤频繁的干湿交替可能也会促进土壤有机氮的氮矿化[24]。

在R3～R6生育阶段，不覆盖处理土壤氮矿化量和矿化速率显著高于秸秆覆盖和地膜覆盖，主要原因可能在于相比秸秆覆盖和地膜覆盖，不覆盖处理玉米根系死亡较快，增加了微生物活动可利用碳源，从而导致氮素矿化量和矿化速率增加。

土壤氮素净矿化决定着矿质氮的实际有效性。土壤微生物通过矿化作用形成矿质氮的同时也吸收固持部分矿质氮。本研究结果表明，在玉米生育前期(PT～V10)，土壤矿质氮变化以净固持为主，之后各生育阶段均为净矿化，且矿化速率在玉米吐丝期前后达到最大(R1时期)。这与Zhang等研究结果基本一致[25]。温度和水分对土壤氮素矿化存在明显的交互作用[26]，本试验研究表明，与不覆盖对照处理相比，虽然覆膜处理提高了土壤温度和水分，但土壤氮素矿化速率并未增加，反而低于对照，这一结果与Hai等[27]的研究不同，但与董放等[28]的结果相似，导致这种差异的原因可能主要与试验条件不同有关，但这仍需进一步研究。

4 结 论

1)旱作玉米全生育期不同地表覆盖条件下0～20 cm土层土壤氮素均呈净固持。但分生育阶段看，生育前期以固持为主，地膜覆盖、秸秆覆盖和不覆盖对照处理净固持量分别为56.7、52.7 mg·kg-1和53.7 mg·kg-1，在生育后期均表现为氮素净矿化，净矿化量分别为13.7、31.8 mg·kg-1和26.3 mg·kg-1。

2)秸秆覆盖的氮素净矿化量显著高于不覆盖对照，较高的矿化量同时也增加了秸秆覆盖0～20 cm土壤矿质氮淋失的风险；地膜覆盖虽然显著提高了0～20 cm土层土壤温度和水分，但土壤氮素净矿化量和氮素净矿化速率并未显著增加。