冬牧70黑麥秸稈還田對煙田土壤氮素礦化的影響

吳元華++王永++石屹

摘要：采用田間原位培養法研究不同翻壓量的冬牧70黑麥秸稈對煙田土壤氮素礦化及無機氮釋放規律的影響。結果表明，翻壓后冬牧70黑麥的有機氮礦化釋放出銨態氮和硝態氮，并呈階段性動態變化；翻壓冬牧70黑麥的氮凈礦化量均高于未翻壓的處理，其中最大翻壓量為60 000 kg/hm2，該處理與未翻壓處理差異極顯著；翻壓12周后，無機氮釋放減緩，氮素礦化趨于平穩；土壤水分與氮素礦化速率呈顯著負相關，氮素礦化速率與培養前土壤初始礦質氮呈極顯著負相關；硝化速率與土壤硝態氮、有機質含量均呈極顯著負相關。

關鍵詞：冬牧70黑麥；秸稈還田；煙田；銨態氮；硝態氮；氮素礦化

中圖分類號： S572.06文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0506-03

由于長期大量施用化肥，我國黃淮煙區存在土壤板結、有機質含量下降等現象，不僅限制煙葉質量的提高，也不利于煙草的可持續發展。種植綠肥是煙田土壤改良的重要措施，還田后具有增加土壤有機質含量、更新土壤腐殖質組成、改善土壤結構、促進土壤養分循環、減少水土流失、改善生態環境等作用[1-5]。一年生冬牧70黑麥（Secale cerale）是禾本科綠肥，產量高，具有增加土壤有機質的作用，是適于黃淮煙區種植的綠肥作物[6-7]。

綠肥一般具有C/N值較低、翻壓后分解速度快的特點，但不同種類綠肥的養分含量及生物量不同，翻壓后養分釋放規律也不同。同種綠肥的翻壓量及翻壓后所處土壤環境不同，則礦化速率和規律不相同，所產生的改良效應也不同[8]。相關研究表明，綠肥翻壓后的分解礦化速率及規律直接影響煙株的生長發育和煙葉品質[9-11]，但尚無關于冬牧70黑麥壓青還田后礦化規律及無機氮釋放的報道。通過田間小區試驗研究冬牧70黑麥不同翻壓量還田后的氮素礦化特征及其影響因素，旨在為黃淮煙區種植冬牧70黑麥改良煙田土壤提供依據。

1材料與方法

1.1試驗基本情況

試驗于2013年在中國農業科學院煙草研究所即墨試驗站進行，該試驗站地處溫帶季風氣候區，年均氣溫12 ℃，年均日照時數2 540.1 h，年均降水量737 mm，降水豐富但季節分配不均，雨季集中在6—9月，雨熱同季。土壤類型為花崗巖發育的潮棕壤，供試土壤的基本理化性狀見表1。試驗地土壤肥力較貧瘠，按照中國土壤質地分類[13]可知，該試驗地土壤質地較疏松，屬于砂土質地組。

試驗地前茬作物為甘薯，于2012年11月9日施綠肥，之后播種冬牧70黑麥，播種量為150 kg/hm2，播種時表施撒可富三元復合肥150 kg/hm2。冬牧70黑麥于2012年4月28日翻壓，翻壓時生物量為39 000 kg/hm2，干質量（含根系）為 10 257 kg/hm2，C/N值為39.1。

1.2試驗設計

試驗采用田間原位埋設尼龍濾布包法，設CK、T1、T2、T3等4個翻壓量處理，翻壓量分別為0、20 000、40 000、60 000 kg/hm2，每個處理為1 m2微區，設3次重復，隨機區組排列。從長勢均勻的冬牧70黑麥地塊中劃出28 m2，將冬牧70黑麥連根拔出，沖洗干凈后稱質量并測生物量，然后剪為 3～5 cm的小段，按不同翻壓量水平換算出不同處理濾布包中需要的施用量。同時從試驗地塊中取0～30 cm耕層土壤，過2 mm篩并混勻，每份準確稱取100 g土，混勻后裝入300目尼龍包中密封。為防止地下昆蟲咬破尼龍網袋，再套裝大尼龍網袋，埋入相應處理的微區15～20 cm土層中，于翻壓后1、2、3、4、6、8、10、12、16周分別取出檢測。

1.3測定項目與方法

土壤中的總有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法[12]測定，全氮含量采用半微量凱氏法[12]測定，土壤粒徑采用Mstersizer 2000型激光粒度儀測定。

培養過程中，精確稱取10.00 g新鮮試驗土樣加入50 mL 2 mol/L KCl溶液，于25 ℃下恒溫振蕩30 min后過濾。分別采用紫外分光光度法、靛酚藍比色法[12]測定濾液中的硝態氮（NO-3-N）、銨態氮（NH4+-N）含量，并測定樣品含水量，計算樣品中各形態氮的含量。

采用Excel 2007、DPS 14.10軟件對試驗數據進行統計分析。

1.4計算方法

各指標的計算公式[13]為：

氮素凈礦化量（mg/kg）=培養后無機氮含量（mg/kg）-培養前無機氮含量（mg/kg）；

氮素凈礦化速率[mg/（kg·d）]=培養后無機氮含量（mg/kg）-培養前無機氮含量（mg/kg）培養時間（d）；

氮素凈硝化速率[mg/（kg·d）]=培養后硝態氮含量（mg/kg）-培養前硝態氮含量（mg/kg）培養時間（d）。

2結果與分析

2.1不同翻壓量處理中土壤銨態氮和硝態氮含量的動態變化

由圖1可知，在冬牧70黑麥翻壓后1～2周，各處理土壤的銨態氮（NH4+-N）含量均迅速增加，T3增幅最大，T2次之。所有處理的NH4+-N含量均于翻壓后2～8周下降，并于翻壓后8周達到最低，該階段T2與T3、CK與T1的變化基本一致。T1、CK處理的NH4+-N含量于翻壓后4～6周略有上升，但均低于翻壓前水平。翻壓后8周，所有處理的 NH4+-N含量開始快速增加，此時NH4+-N含量的從高到低依次為T3>T2>T1>CK。翻壓后12～16周，各處理的NH4+-N含量變化區域平緩，T1含量略增加，CK、T2、T3含量開始下降。在整個培養期間，所有處理的表現基本一致。

由圖2可知，不同處理間土壤NO-3-N含量的變化趨勢一致，均隨培養時間呈波浪形變化。自12周以后，所有處理土壤的NO-3-N含量變化均較為平緩，且均低于培養前含量。培養4～8周，土壤NO-3-N含量的變化幅度最大，并于培養后6周達到頂峰。培養后2～8周，土壤NO-3-N含量以CK最高，且CK>T3>T2>T1。

2.2不同翻壓量處理中土壤氮素硝化速率的動態變化

由圖3可知，不同冬牧70黑麥翻壓量處理對土壤氮素硝化速率具有一定影響。4個處理的變化趨勢基本一致，均呈“4峰”形波動變化特征，但CK、T1的變化幅度較大，T2、T3的變化幅度較小，在培養后4～10周表現尤為明顯?？梢姡敹?0黑麥翻壓量達到一定程度后，土壤氮素硝化速率的變化幅度較小。

2.3不同翻壓量處理中土壤氮素凈礦化量的變化

由各處理土壤氮素凈礦化量的動態（圖4）可知，4個處理的變化趨勢一致。培養后1～2周，礦化出的無機氮含量較多，其中T3處理的土壤氮素礦化量最高，T2處理次之；培養后2～4周礦化量下降，培養后4～6周小幅增長，培養后6～8周再次下降，培養8周以后緩慢增加并趨于平穩。在培養后4周，除T3外其余處理的凈礦化量均為負值，其中T1最低，僅為-2.51 mg/kg；T2次之，為-1.82 mg/kg。在培養后8周，4個處理的凈礦化量均為負值，其中CK最低，僅為-372 mg/kg；T1次之，為 -3.03 mg/kg。

經16周的原位培養，該時間段內各處理的凈氮素礦化總量見表2。T3處理的土壤無機氮釋放量最高，為4.14 mg/kg，T2、T1處理次之，CK處理的礦化量最低。T3處理與其他3個處理的差異均達到顯著水平，與T1、CK處理的差異均達到極顯著水平，T2、T1與CK處理的差異均不顯著。在研究時段內，鮮質量少于40 000 kg/hm2的冬牧70黑麥翻壓對土壤氮素凈礦化量并未產生顯著影響，且土壤氮素凈礦化量隨著冬牧70黑麥翻壓量的增加而增加。

2.4土壤溫度對礦化速率及硝化速率的影響

土壤氮礦化速率與土壤溫度的相關性見表3。在培養期間，氮素礦化量與不同層次土壤的溫度均呈正相關，但本研究中相關系數均未達到顯著水平，這可能與培養時段內土壤溫度的變化幅度（20～25 ℃）較窄、取樣次數有關。

2.5土壤理化性質對凈礦化速率及硝化速率的影響

由表4可知，土壤凈礦化速率與土壤的全氮、硝態氮、銨態氮、水分含量均呈顯著負相關，表明土壤中存在控制氮礦化的反饋機制，即較高的礦質氮初始值會限制土壤氮礦化，該機制與土壤微環境中“礦化-固化”過程有關[14-16]。凈硝化速表4土壤氮素礦化速率及硝化速率與土壤理化性狀的相關性速率均與C/N值呈負相關，但相關關系不顯著。

3討論

綠肥還田、作物吸收氮素、土壤氮素的礦化與固持等因素均可引起土壤銨態氮和硝態氮含量的變化[17-20]。本研究中冬牧70黑麥掩青還田后，土壤銨態氮、硝態氮的含量呈動態變化，這與王巖等提出的綠肥養分釋放規律[21]基本一致。在冬牧70黑麥掩青還田后2、12周，雨水充沛導致土壤通氣性差，一定程度淹水條件下主要以還原態的銨態氮為主，因此翻壓后2、12周土壤銨態氮含量出現高峰值。翻壓后的前期和后期以銨態氮為主，翻壓后3～6周以硝態氮為主，翻壓后期各處理硝態氮含量顯著降低，礦化氮可能參與了氮的固持、硝態氮的淋溶、反硝化、氨氣揮發等其他方面的損失。土壤銨態氮含量總體從翻壓后3周逐漸下降，在翻壓后3～8周相對穩定，可能是由于煙草開始進入快速生長階段，對土壤礦質氮的吸收量大，土壤有機氮礦化及肥料氮素轉化無法滿足煙草的吸收。與對照相比，加入外源有機氮均提高了各生育期銨態氮的含量。土壤硝態氮含量自冬牧70黑麥翻壓后3、6周出現高峰值，12周后趨于穩定，在翻壓初期（2～4周），不同翻壓量處理的土壤硝態氮含量均低于對照，這與朱春茂等的研究結論[22]一致。主要原因是土壤有機氮礦化的激發效應，化學氮肥多引起正激發效應，有機氮肥的凈激發量則為負值。冬牧70黑麥秸稈的易腐解部分迅速被微生物分解，導致處理間的土壤硝態氮含量顯著降低；隨著翻壓時間的延長和土壤通氣狀況的改善，處理間的土壤硝態氮含量與對照相比顯著增加；翻壓12周后，外源有機氮對硝態氮含量的影響均不顯著。在冬牧70黑麥翻壓處理期間，土壤凈礦化速率與土壤的全氮、硝態氮、銨態氮含量均呈顯著負相關，表明土壤中存在控制氮礦化的反饋機制，即較高的礦質氮初始值會限制土壤氮礦化，這一機制可能與土壤微環境中的“礦化-固化”過程有關。

4結論

在冬牧70黑麥田間原位培養期間，土壤無機氮呈階段性變化特征，表現出氮固持-礦化的相互轉化。

土壤理化性質對綠肥還田后土壤氮的轉化過程具有一定影響，全氮、銨態氮、硝態氮、土壤含水量均與凈氮礦化速率呈顯著負相關，土壤有機質、硝態氮含量均與土壤凈硝化速率呈顯著負相關。

冬牧70黑麥對土壤無機氮含量的影響分別在翻壓后 6、8、12周，即大部分冬牧70黑麥在翻壓后6周內分解。其中，翻壓量為60 000 kg/hm2的處理對土壤氮素礦化的影響最為明顯；翻壓量少于40 000 kg/hm2的處理對土壤氮素礦化量的影響不顯著。翻壓12周后，無機氮釋放減緩，氮素礦化速率趨于平穩，表明土壤中翻壓的冬牧70黑麥養分基本分解完全。

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