典型植煙土壤氮素礦化研究

馬興華，榮凡番，苑舉民，劉光亮，石 屹*

[1.農業部煙草類作物質量控制重點開放實驗室，中國農業科學院煙草研究所，青島 266101；2.紅云紅河煙草（集團）責任有限公司，昆明 650022；3.江西省煙葉科學研究所，南昌 330029]

土壤中的氮素主要以有機氮的形式存在，約占土壤總氮的80%左右，有機氮基本上不能被植物直接吸收利用，只有在土壤微生物的作用下經過礦化作用轉化為無機氮后才能被植物吸收利用。研究表明，烤煙生育期植株吸收的氮素50%以上來自于土壤的氮素礦化[1-4]，而且在相同的施氮量條件下，較高土壤肥力下烤煙吸收的土壤氮量顯著高于較低土壤肥力條件下的[2]，說明肥力不同的土壤，土壤氮素供應能力存在差異。淹水培養法具有方法簡單，條件容易控制等優點，1982年美國土壤學會建議在旱地上應用，經過多年的試驗研究認為，淹水培養法與間歇淋洗法在測定土壤可礦化氮方面具有同樣的效果[5]，并且與試驗作物的吸氮量和產量有很高的相關性[6-7]，已成為一種可靠的測定土壤供氮能力的方法。因此本研究利用淹水培養法對我國具有代表性的植煙土壤進行培養，探討不同類型土壤的有機氮礦化過程及其影響因素，評價土壤供氮能力，為合理施用氮肥，提高氮肥利用率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為水稻土、黃棕壤、黃壤、紅壤和褐土，其中水稻土、紅壤和黃壤取自湖南邵陽煙區，黃棕壤分別取自湖北南漳煙區和利川煙區，褐土取自山東沂水煙區。采用多點混合方式采集表層0～20 cm土壤，樣品風干后挑除石塊、動植物殘體等雜物，過2 mm篩。供試土壤的基本理化性狀如表1所示。

表1 供試土壤性質Table1 Properties of soil samples

1.2 試驗設計

室內培養采用 Warning等[8]的淹水培養法。稱取過2 mm篩風干土樣10.00 g倒入100 mL廣口瓶中，每瓶加入20 mL蒸餾水，每種土壤裝18瓶，放入 40 ℃恒溫培養箱中培養，自培養之日起，在第 7、14、21、28、42和 56天，每個處理取出 3瓶，加水將土壤轉移至100 mL三角瓶中至水土比5:1，按2.0 mol/L的KCl濃度加入結晶KCl，振蕩30 min后過濾，濾液測定土壤硝態氮和銨態氮含量。

1.3 測定方法

銨態氮含量測定采用靛酚藍比色法[9]，硝態氮含量測定采用紫外分光光度法[10]。土壤有機質測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，全氮采用半微量凱式定氮法，土壤堿解氮用堿解擴散法，土壤機械組成采用比重計法[9]。

1.4 統計分析

數據采用Excel 2003分析，方程擬合采用SPSS 13.0，作圖采用Sigmaplot 9.01。

2 結 果

2.1 土壤銨態氮含量變化

由圖1可見，培養過程中，各土壤的銨態氮含量呈單峰曲線變化，水稻土、黃棕壤和黃壤的銨態氮含量在培養28 d后最高，紅壤和褐土的銨態氮含量在培養14 d后最高。整個培養過程可分為3個階段：土壤銨態氮含量快速升高期、土壤銨態氮含量變化平穩期、土壤銨態氮含量迅速降低期。培養開始至14 d為銨態氮含量迅速升高期，以水稻土增加幅度最大，與培養始期比較增加了1014.7%，黃棕壤（南漳）次之，增加了585.3%，黃壤、黃棕壤（利川）分別增加了557.5%、474.8%，紅壤和褐土增加幅度較小，分別為221.0%和169.9%。培養14～28 d各土壤的銨態氮含量變化較小，銨態氮含量變化表現為：水稻土＞黃棕壤（南漳）＞黃壤＞黃棕壤（利川）＞紅壤、褐土。培養28 d后土壤銨態氮含量迅速降低，其中以黃棕壤（南漳）降低幅度最大。在不同的培養時間，水稻土的銨態氮含量均高于其他土壤，紅壤和褐土的銨態氮含量均處于較低的水平。

圖1 培養過程中土壤銨態氮含量變化，誤差棒為標準差，S1等代號參表1Fig.1 Changes of soil NH4+-N content during incubation

2.2 土壤硝態氮含量變化

由于淹水抑制了土壤硝化細菌的活動，因此培養后土壤硝態氮含量降低，而且在培養過程后硝態氮的含量維持在較低水平（圖2）。在培養過程中，黃棕壤（南漳）硝態氮含量最高，水稻土次之，且變化較小；黃壤、黃棕壤（利川）、紅壤和褐土在培養7～28 d變化較小，表現為黃棕壤（利川）＞黃壤＞褐土＞紅壤；28 d后，黃棕壤（南漳）、黃棕壤（利川）、黃壤、紅壤和褐土的硝態氮含量呈增加趨勢。

圖2 培養過程中土壤硝態氮含量變化Fig.2 Changes of soil NO3--N content during incubation

2.3 土壤氮素礦化速率和累積礦化速率

土壤氮素礦化速率反映的是土壤氮素在不同的培養時間段內單位時間的礦化量，由圖3可以看出，培養0～7 d土壤氮素礦化速率最高，8～14 d的次之，這可能與風干處理過程中促進了氮素的釋放有關[11]。在土壤培養0～7 d內，土壤的氮素礦化速率表現為水稻土＞黃棕壤（南漳）＞黃壤＞黃棕壤（利川）＞紅壤＞褐土，且差異顯著；培養8～14 d內，水稻土、黃棕壤（南漳）、黃壤、黃棕壤（利川）的氮素礦化速率差異較小且顯著高于紅壤和褐土的。培養29～42 d和43～56 d，各土壤的氮素礦化速率均為負值，表現為氮素的凈固定，培養土壤的銨態氮含量迅速減少，而且在29～42 d，黃棕壤（南漳）單位時間的氮素凈固定量顯著高于其他土壤，其銨態氮含量降低最多。

圖3 土壤氮素礦化速率變化Fig.3 Changes of N mineralization rate of different soils

土壤氮素累積礦化速率是指在整個培養期間內，自培養開始，不同的培養時間長度下單位時間的礦化量。由圖4可見，隨培養時間延長，土壤氮素累積礦化速率逐漸降低，當培養時間達到42 d時出現負值。水稻土的累積礦化速率最高，其次為黃棕壤（南漳）。在培養28 d內累積氮素礦化速率表現為黃棕壤（南漳）＞黃壤＞黃棕壤（利川）＞紅壤＞褐土，且差異顯著。隨培養時間增加，到42 d時褐土的礦化量為負值，培養時間繼續增加，黃棕壤（南漳）、黃棕壤（利川）、紅壤和褐土的礦化量均為負值，表現為土壤礦質氮的凈固定。總體來說，培養期間的土壤氮素累積礦化速率符合對數函數，函數方程如表2所示。

圖4 土壤氮素累積礦化速率變化Fig.4 Changes of cumulative N mineralization rate of different soils

表2 培養過程中不同土壤氮素礦化動態的擬合方程，Y為氮素累積礦化速率/（mg·kg-1·d-1），X為培養時間/dTable2 Fitted regression of N mineralization during incubation

2.4 土壤氮礦化量與土壤理化性狀的關系

相關分析表明（表3），培養7 d和14 d的氮礦化量與土壤有機質含量呈極顯著正相關，相關系數分別為0.922和0.928；與土壤全氮也呈極顯著正相關，相關系數分別為0.932和0.924。培養21 d和28 d的氮礦化量與土壤有機質含量及全氮含量呈顯著正相關，相關系數分別為0.907、0.899、0.897和0.875。培養期間的氮礦化量與土壤 C/N相關不顯著。培養7 d和14 d的氮礦化量與土壤粘粒含量相關不顯著，但培養21d和28d的氮礦化量與土壤粘粒含量呈顯著負相關，相關系數分別為 0.820和0.841。

表3 培養過程中土壤氮礦化量與部分土壤理化性狀的關系Table3 Relationships between the accumulative mineralizable N and some soil physical and chemical properties

3 討 論

本研究結果表明，淹水培養過程中，土壤銨態氮含量呈速增、平緩、速降3個階段。淹水培養初期土壤銨態氮含量迅速升高，氮素礦化速率較高，這可能與干土效應有關，即在土壤風干過程中死亡微生物體的礦化，被保護的土壤有機氮的釋放，以及一些死亡的原生動物促進了微生物的活性，從而增加了氮素的釋放量[11]。在不同類型土壤中，以水稻土的銨態氮含量和礦化速率最高，黃棕壤（南漳）、黃壤、黃棕壤（利川）、紅壤和褐土依次降低，這可能是因為水稻土有機質含量最高，加水培養后水稻土微生物（細菌、真菌、放線菌）數量增加最多[12]，更多的有機氮被礦化出來；而紅壤和褐土由于有機質含量較低，所以氮礦化量較低。淹水條件下由于抑制了土壤硝化細菌的活性，有利于土壤的氨化，所以產物以銨態氮為主（圖1）。土壤的氨化過程實質是微生物通過酶所促使的化學反應，隨著培養時間的延長，銨態氮含量逐漸增多，但增幅已降低。逐漸累積的銨態氮影響了酶促反應，抑制了氨化微生物的活動，土壤微生物是一個多群體的組合，氨化微生物受到抑制，其他微生物就會大量繁殖起來，這些微生物以礦化的有機物為碳源，以礦化出的銨態氮為氮源，逐漸繁殖，導致了銨態氮含量降低（圖1），所以隨著培養時間的延長，各土壤的銨態氮含量降低，以黃棕壤（南漳）銨態氮含量下降速率最快，可能是由于黃棕壤（南漳）中含有較多的以銨態氮為氮源的微生物。

前人研究發現，土壤有機質含量及組成、全氮、土壤質地、土壤C/N比等對氮礦化有顯著影響[13-15]，不同土壤類型由于土壤質地不同，導致水汽熱狀況的差異，從而影響氮礦化，土壤的C/N比反映著土壤有機質的礦化難易程度，其值越高，有機質越不易礦化。本研究結果表明，土壤氮礦化量與土壤C/N比相關不顯著，培養7 d、14 d、21 d和28 d的土壤氮礦化量與土壤有機質含量和土壤全氮含量均呈極顯著正相關或正相關關系，說明有機質和全氮含量越高的土壤其氮礦化量越高，土壤供氮能力越強，因此烤煙生產的施肥決策中應充分根據土壤的有機質和全氮含量制定施肥策略，充分利用土壤自身供氮潛力，使養分供應與烤煙營養需求規律相吻合，改善煙葉的品質。就本研究結果而言，在水稻土、黃棕壤和黃壤上種植烤煙的化學氮肥投入量應低于在紅壤和褐土上種植烤煙的氮肥投入量。由于不同土壤的氮素供應能力與強度不同，在滿足烤煙生長、煙葉適產優質特色的前提下，不同土壤氮肥基肥與追肥的投入量與追肥的施用時間還需要進一步研究。

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