胶园土壤氮素矿化特性研究

刘海林，雷 菲，贝美容，林清火，茶正早，罗 微*

(1.中国热带农业科学院橡胶研究所/中国热带农业科学院土壤肥料中心，海南 儋州 571737；2.海南省农业科学院农业环境与土壤研究所，海南 海口 571100)

【研究意义】海南是我国重要植胶区，植胶土壤多为砖红壤[1]，其特殊气候条件及土壤类型，导致其土壤氮素更容易损失[2-4]，而且由于橡胶树吸收、胶乳带走及氮素淋失等，土壤氮素肥力普遍下降[5]。研究表明，即使在大量施用氮肥的情况下，农作物中积累的氮素约有50 %来自土壤，在有些土壤中甚至达70 %以上[6]。因此，胶园土壤氮素肥力管理对橡胶树生产尤为重要。而土壤氮素供应主要是通过矿化作用将难被作物吸收的有机态氮转化为可被植物直接吸收利用的无机态氮[7]，矿化作用是供给作物生长所需氮素和其他养分的关键过程[8]。【前人研究进展】许多学者已对寒地稻田土壤、植烟土、黑土、潮土等土壤的氮素矿化进行了研究。如彭显龙等[9]研究发现寒地稻田土壤氮素矿化前期较慢，后期较快；邵兴芳等；王帘里等[10]研究表明土壤累积净矿化氮量的顺序为黑土>潮土>红壤，且高有机质土壤大于低有机质土壤；陆琳等[11]研究不同质地植烟土壤发现，砂粒占比高、黏粒占比低的土壤，氮素矿化量高，且土壤粗砂粒占比分别与烤烟苗期、旺长初期、采收期和收后土壤氮素矿化量呈极显著正相关。【本研究切入点】虽然前人已在稻田土、植烟土等土壤开展了氮素矿化研究，但是海南植胶土壤大多是从丘陵次生林或灌木丛中开发出来的，成土母质多为花岗岩、玄武岩、片麻岩等风化发育而来，其成土母质差异较大，而且橡胶树具有其长周期经济林木的特殊性。为此，本研究以浅海沉积物发育砖红壤、花岗岩发育砖红壤、砂页岩发育砖红壤、片麻岩发育砖红壤、玄武岩发育砖红壤五种胶园土壤为供试土壤，采用室内恒温好气培养试验，在25和35 ℃下培养70 d，测定培养前后土壤铵态氮、硝态氮含量，分析不同母质胶园土壤氮素矿化量。【拟解决关键问题】明确海南植胶区五种母质胶园土壤氮素矿化特性，以期为海南胶园土壤氮素肥力管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试胶园土壤分别为浅海沉积物发育砖红壤Q、花岗岩发育砖红壤H、砂页岩发育砖红壤S、片麻岩发育砖红壤P、玄武岩发育砖红壤X，土壤具体理化性质见表1。

1.2 砖红壤室内培养试验

采用室内恒温好气培养法，试验前100 g供试土壤装入塑料培养杯中，加去离子水 (60 % WHC)，然后加盖有10个透气孔的塑料盖，分别放置在25、35 ℃的恒温培养箱中培养。分别于第1、3、7、14、21、35、49、70天进行破坏性取样。每次每个处理各取3个重复，将每杯土壤混匀，取鲜土，浸提，过滤，用连续流动分析仪(SEAL AutoAnalyzer3-AA3，德国生产)测定提取液中铵态氮和硝态氮含量。培养期间采用称重法定期补充水分。

1.3 有效积温方程拟合

各胶园土壤氮素矿化过程可用有效积温方程进行拟合，方程如下：

表1 供试土壤理化性质

Y=k[(T-To)D]n

式中，Y为土壤氮素累积矿化量(mg/kg)，T为培养温度(℃)，To为有效积温(℃)(15 ℃为有效积温)，D为培养时间(d)，k和n为土壤氮素矿化特征常数。

1.4 数据分析处理

土壤氮素有效积温方程采用SPSS 软件进行拟合，试验数据采用Microsoft office Excel软件和SPSS 软件进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 胶园土壤铵态氮含量变化

由图1可知，在25和35 ℃培养下，各胶园土壤中铵态氮含量均表现为先升高后减小趋势。在25 ℃培养下，浅海沉积物砖红壤和砂页岩砖红壤的铵态氮含量在培养21 d时达最大值，分别为17.07、15.43 mg/kg；花岗岩砖红壤和片麻岩砖红壤的铵态氮含量在培养14 d时达峰值，分别为19.38、16.66 mg/kg；而玄武岩砖红壤的铵态氮含量在培养7 d时最高，为17.84 mg/kg。其中，花岗岩砖红壤的铵态氮含量从培养14至49 d均维持较高含量，且均大于其他胶园土壤，而玄武岩砖红壤从培养7 d之后铵态氮含量迅速下降，当培养至21 d时铵态氮含量仅为5.13 mg/kg，片麻岩砖红壤从培养14 d后铵态氮含量快速下降，当培养至35 d时铵态氮含量仅为4.20 mg/kg。在35 ℃培养下，浅海沉积物砖红壤的铵态氮含量在培养21 d时达最大值，花岗岩砖红壤和砂页岩砖红壤的铵态氮含量在培养14 d时达最高，片麻岩砖红壤和玄武岩砖红壤的铵态氮含量在培养7 d时达最大值；比较胶园土壤铵态氮含量最大值发现，花岗岩砖红壤>浅海沉积物砖红壤>玄武岩砖红壤>片麻岩砖红壤>砂页岩砖红壤；而当各胶园土壤铵态氮含量达最大值之后，花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤和玄武岩砖红壤的铵态氮含量迅速下降，其中玄武岩砖红壤的铵态氮含量下降最快，在培养14 d时铵态氮含量降至4.59 mg/kg。另外，对比25和35 ℃培养下各胶园土壤铵态氮含量可知，温度升高能够增加胶园土壤中有机氮转化为铵态氮，增加土壤中铵态氮含量。

2.2 胶园土壤硝态氮含量变化

由图2可知，在25和35 ℃培养下，各胶园土壤中硝态氮含量均表现为随培养时间增加而升高趋势。在25 ℃培养下，玄武岩砖红壤的硝态氮曲线为抛物线型，即前期硝态氮含量快速增加，当培养至35 d之后，硝态氮含量缓慢增加，整个培养期间内，硝态氮含量均大于其他胶园土壤；而其余4种胶园土壤培养前期硝态氮含量均维持平稳或略微增加，当培养至21 d之后硝态氮含量快速增加；培养至70 d时，各胶园土壤硝态氮含量表现为：玄武岩砖红壤>花岗岩砖红壤>片麻岩砖红壤>砂页岩砖红壤>浅海沉积物砖红壤，其中玄武岩砖红壤硝态氮含量为41.61 mg/kg，为浅海沉积物砖红壤硝态氮含量的2.12倍。在35 ℃培养下，玄武岩砖红壤和片麻岩砖红壤的硝态氮曲线均为抛物线型，整个培养期间内，玄武岩砖红壤的硝态氮含量均大于其他胶园土壤；而其余3种胶园土壤的硝态氮含量在0～14 d均无明显增加，培养14 d之后硝态氮含量迅速增加；比较各胶园土壤第70 天时硝态氮含量发现，玄武岩砖红壤最大，为49.55 mg/kg，其次为花岗岩砖红壤，而片麻岩砖红壤、砂页岩砖红壤和浅海沉积物砖红壤的硝态氮含量接近。另外，对比25和35 ℃培养下各胶园土壤硝态氮含量可知，温度升高能够加快胶园土壤中铵态氮转化为硝态氮，增加土壤中硝态氮含量。

图1 胶园土壤铵态氮变化Fig.1 The ammonium nitrogen variation of rubber plantation soils

图2 胶园土壤硝态氮含量变化Fig.2 The nitrate nitrogen variation of rubber plantation soils

2.3 温度和胶园土壤类型对土壤氮素矿化量的影响

土壤氮素矿化量为土壤培育前后的矿质氮量(铵态氮和硝态氮之和)之差，是影响土壤氮素供应量的重要因素[7]。由表2可知，在25 ℃培养下，各胶园土壤氮素矿化量表现为：花岗岩砖红壤>玄武岩砖红壤>砂页岩砖红壤>片麻岩砖红壤>浅海沉积物砖红壤，其中花岗岩砖红壤的氮素矿化量为33.91 mg/kg，为浅海沉积物砖红壤氮素矿化量的2.10倍，为片麻岩砖红壤氮素矿化量的1.75倍，为砂页岩砖红壤氮素矿化量的1.39倍，而与玄武岩砖红壤差异不显著，但两者氮素矿化量均显著大于浅海沉积物砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤。当35℃培养时，浅海沉积物砖红壤、花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤和玄武岩砖红壤氮素矿化量分别为30.19、38.93、30.29、23.57、40.29 mg/kg，玄武岩砖红壤氮素矿化量为片麻岩砖红壤的1.71倍；玄武岩砖红壤与花岗岩砖红壤氮素矿化量差异不显著，但显著大于其余3种胶园土壤；而浅海沉积物砖红壤与砂页岩砖红壤的氮素矿化量差异不显著，但显著大于片麻岩砖红壤的氮素矿化量。可见，在25和35 ℃培养下，均为花岗岩砖红壤、玄武岩砖红壤矿化量最大，两者供氮能力强于其他三种胶园土壤。

表2胶园土壤氮素矿化量差异分析

Table 2 Variance analysis with cumulative mineralization N of rubber plantation soils

土壤Soil氮素矿化量 (mg/kg)Cumulative mineralization N25(℃)35(℃)Q16.14±0.41d30.19±0.48b*H33.91±0.69a38.93±1.36a*S24.37±0.80b30.29±1.53b*P19.36±0.22c23.57±0.91c*X32.70±0.02a40.29±0.55a*

注：小写字母不同是处理间差异显著，“*”表示温度间差异显著P<0.05。

Notes: The different small letters indicate difference, and ‘*’ indicate significant difference at the 5 % level.

温度是决定土壤氮素矿化过程重要环境因素之一[12]，由表2可知，当培养温度从25 ℃增至35 ℃后，各胶园土壤氮素矿化量均显著增加。其中，浅海沉积物砖红壤增加最为明显，35 ℃下氮素矿化量为25 ℃培养下的1.87倍，花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤、玄武岩砖红壤分别为1.15、1.24、1.22、1.23倍。表明温度可加快各胶园土壤氮素矿化，以浅海沉积物砖红壤最为明显。

2.4 胶园土壤氮素矿化有效积温方程拟合

由表3可知，有效积温方程能够较好地拟合各胶园土壤氮素矿化过程。有效积温方程中k值反映土壤初始矿化速率，n值反映土壤后期矿化速率[9]，当培养温度从25 ℃升高到35 ℃时，花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤、玄武岩砖红壤的k值均增大，n值减小；而浅海沉积物砖红壤则相反，当培养温度从25 ℃升高到35 ℃时，有效积温方程k值减小，n值增大。可见，温度升高，增加了花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤、玄武岩砖红壤前期矿化速度，而加快了浅海沉积物砖红壤氮素后期矿化速度。

3 讨 论

土壤氮素矿化是衡量土壤氮素肥力的重要指标，是影响作物产量的关键因素[13]。有研究表明，海南植胶区施肥严重不足，橡胶树生长和产胶所需的大量养分由土壤供应[1]。而胶园土壤氮素矿化特性及矿化量影响胶园土壤速效氮养分供应。本研究发现，在25和35 ℃培养下，各胶园土壤中铵态氮含量均表现为先升高后减小趋势，各胶园土壤中硝态氮含量均表现为随培养时间增加而升高趋势。在25 ℃培养下，各胶园土壤氮素矿化量(70 d)表现为：花岗岩砖红壤>玄武岩砖红壤>砂页岩砖红壤>片麻岩砖红壤>浅海沉积物砖红壤，其中花岗岩砖红壤的氮素矿化量为33.91 mg/kg，为浅海沉积物砖红壤氮素矿化量的2.10倍，为片麻岩砖红壤氮素矿化量的1.75倍，为砂页岩砖红壤氮素矿化量的1.39倍，而与玄武岩砖红壤差异不显著。当35 ℃培养时，浅海沉积物砖红壤、花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤和玄武岩砖红壤氮素矿化量分别为30.19、38.93、30.29、23.57、40.29 mg/kg，玄武岩砖红壤与花岗岩砖红壤氮素矿化量差异不显著，但显著大于其余3种胶园土壤。可见，在25和35 ℃培养下，均为花岗岩砖红壤、玄武岩砖红壤矿化量最大。

表3 有效积温方程拟合

注：** 表示相关系数达极显著水平(n=8时，r0.01=0.834)。

Notes: ** indicates a significant level of correlation coefficient.

有研究表明，土壤氮素矿化量会因土壤自身性质差异而不同，如土壤速效磷[14]、土壤水分含量[15]、pH[14]、土壤质地[16]、土壤有机质、有机氮[17]等。其中，土壤有机质和有机氮含量是最主要因素[15]，土壤有机质和全氮显著影响累积矿化氮含量[10]，且土壤供氮潜力与土壤全氮和有机质含量有良好的相关性[13，18]。而本研究中的花岗岩砖红壤、玄武岩砖红壤的全氮含量、有机质含量均大于其他胶园土壤，并且在5种土壤中花岗岩砖红壤、玄武岩砖红壤矿化量更大，这也与前人研究结论基本一致。

温度是影响土壤氮素矿化的一个重要环境因素[12]。有研究发现，随着温度增加，土壤累积矿化量和矿化势增加[17]。这与本研究结论一致，通过对比25和35 ℃培养下各胶园土壤铵态氮含量可知，温度升高能够增加胶园土壤中有机氮转化为铵态氮，增加土壤中铵态氮含量。同时，温度升高能够加快胶园土壤中铵态氮转化为硝态氮，增加土壤中硝态氮含量。当培养温度从25 ℃增至35 ℃后，各胶园土壤氮素矿化量均显著增加。分析35 ℃下氮素矿化量较25 ℃培养增加倍数发现，浅海沉积物砖红壤在35 ℃下氮素矿化量为25 ℃培养下的1.87倍，表现为浅海沉积物砖红壤>砂页岩砖红壤>玄武岩砖红壤>片麻岩砖红壤>花岗岩砖红壤。Deddureault等[19]研究表明，耕地土壤氮矿化速率的Q10高于森林土壤，耕地土壤中砂壤土高于粘土。而从海南胶园土壤机械组成(表1)和美国农部制土壤质地三角图可知，浅海沉积物砖红壤和砂页岩砖红壤为砂质壤土，所以土壤氮素矿化量受温度影响更为明显。另外，本研究发现有效积温方程能够较好地拟合各胶园土壤氮素矿化过程，这与彭显龙[9]、马力[12]等研究结果一致。另外，当培养温度从25 ℃升高35 ℃时，花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤、玄武岩砖红壤的k值均增大，n值减小；而浅海沉积物砖红壤则相反，当培养温度从25 ℃升高35 ℃时，有效积温方程k值减小，n值增大。

4 结 论

25和35 ℃培养下，玄武岩砖红壤与花岗岩砖红壤氮素矿化量差异不显著，但均显著大于浅海沉积物砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤。升高温度加速胶园土壤中有机氮转化为铵态氮，加快各胶园土壤氮素矿化过程，且以浅海沉积物砖红壤最为明显。另外，有效积温方程能够较好地拟合各胶园土壤氮素矿化过程，且当培养温度从25 ℃升高到35 ℃时，增加了花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、片麻岩砖红壤、玄武岩砖红壤前期矿化速度(k值增加)，而加快了浅海沉积物砖红壤氮素后期矿化速度(n值增大)。