膠園土壤氮素礦化特性研究

劉海林，雷 菲，貝美容，林清火，茶正早，羅 微*

(1.中國熱帶農業科學院橡膠研究所/中國熱帶農業科學院土壤肥料中心，海南 儋州 571737；2.海南省農業科學院農業環境與土壤研究所，海南 海口 571100)

【研究意義】海南是我國重要植膠區，植膠土壤多為磚紅壤[1]，其特殊氣候條件及土壤類型，導致其土壤氮素更容易損失[2-4]，而且由于橡膠樹吸收、膠乳帶走及氮素淋失等，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況下，農作物中積累的氮素約有50 %來自土壤，在有些土壤中甚至達70 %以上[6]。因此，膠園土壤氮素肥力管理對橡膠樹生產尤為重要。而土壤氮素供應主要是通過礦化作用將難被作物吸收的有機態氮轉化為可被植物直接吸收利用的無機態氮[7]，礦化作用是供給作物生長所需氮素和其他養分的關鍵過程[8]。【前人研究進展】許多學者已對寒地稻田土壤、植煙土、黑土、潮土等土壤的氮素礦化進行了研究。如彭顯龍等[9]研究發現寒地稻田土壤氮素礦化前期較慢，后期較快；邵興芳等；王簾里等[10]研究表明土壤累積凈礦化氮量的順序為黑土>潮土>紅壤，且高有機質土壤大于低有機質土壤；陸琳等[11]研究不同質地植煙土壤發現，砂粒占比高、黏粒占比低的土壤，氮素礦化量高，且土壤粗砂粒占比分別與烤煙苗期、旺長初期、采收期和收后土壤氮素礦化量呈極顯著正相關。【本研究切入點】雖然前人已在稻田土、植煙土等土壤開展了氮素礦化研究，但是海南植膠土壤大多是從丘陵次生林或灌木叢中開發出來的，成土母質多為花崗巖、玄武巖、片麻巖等風化發育而來，其成土母質差異較大，而且橡膠樹具有其長周期經濟林木的特殊性。為此，本研究以淺海沉積物發育磚紅壤、花崗巖發育磚紅壤、砂頁巖發育磚紅壤、片麻巖發育磚紅壤、玄武巖發育磚紅壤五種膠園土壤為供試土壤，采用室內恒溫好氣培養試驗，在25和35 ℃下培養70 d，測定培養前后土壤銨態氮、硝態氮含量，分析不同母質膠園土壤氮素礦化量。【擬解決關鍵問題】明確海南植膠區五種母質膠園土壤氮素礦化特性，以期為海南膠園土壤氮素肥力管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試膠園土壤分別為淺海沉積物發育磚紅壤Q、花崗巖發育磚紅壤H、砂頁巖發育磚紅壤S、片麻巖發育磚紅壤P、玄武巖發育磚紅壤X，土壤具體理化性質見表1。

1.2 磚紅壤室內培養試驗

采用室內恒溫好氣培養法，試驗前100 g供試土壤裝入塑料培養杯中，加去離子水 (60 % WHC)，然后加蓋有10個透氣孔的塑料蓋，分別放置在25、35 ℃的恒溫培養箱中培養。分別于第1、3、7、14、21、35、49、70天進行破壞性取樣。每次每個處理各取3個重復，將每杯土壤混勻，取鮮土，浸提，過濾，用連續流動分析儀(SEAL AutoAnalyzer3-AA3，德國生產)測定提取液中銨態氮和硝態氮含量。培養期間采用稱重法定期補充水分。

1.3 有效積溫方程擬合

各膠園土壤氮素礦化過程可用有效積溫方程進行擬合，方程如下：

表1 供試土壤理化性質

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

式中，Y為土壤氮素累積礦化量(mg/kg)，T為培養溫度(℃)，To為有效積溫(℃)(15 ℃為有效積溫)，D為培養時間(d)，k和n為土壤氮素礦化特征常數。

1.4 數據分析處理

土壤氮素有效積溫方程采用SPSS 軟件進行擬合，試驗數據采用Microsoft office Excel軟件和SPSS 軟件進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 膠園土壤銨態氮含量變化

由圖1可知，在25和35 ℃培養下，各膠園土壤中銨態氮含量均表現為先升高后減小趨勢。在25 ℃培養下，淺海沉積物磚紅壤和砂頁巖磚紅壤的銨態氮含量在培養21 d時達最大值，分別為17.07、15.43 mg/kg；花崗巖磚紅壤和片麻巖磚紅壤的銨態氮含量在培養14 d時達峰值，分別為19.38、16.66 mg/kg；而玄武巖磚紅壤的銨態氮含量在培養7 d時最高，為17.84 mg/kg。其中，花崗巖磚紅壤的銨態氮含量從培養14至49 d均維持較高含量，且均大于其他膠園土壤，而玄武巖磚紅壤從培養7 d之后銨態氮含量迅速下降，當培養至21 d時銨態氮含量僅為5.13 mg/kg，片麻巖磚紅壤從培養14 d后銨態氮含量快速下降，當培養至35 d時銨態氮含量僅為4.20 mg/kg。在35 ℃培養下，淺海沉積物磚紅壤的銨態氮含量在培養21 d時達最大值，花崗巖磚紅壤和砂頁巖磚紅壤的銨態氮含量在培養14 d時達最高，片麻巖磚紅壤和玄武巖磚紅壤的銨態氮含量在培養7 d時達最大值；比較膠園土壤銨態氮含量最大值發現，花崗巖磚紅壤>淺海沉積物磚紅壤>玄武巖磚紅壤>片麻巖磚紅壤>砂頁巖磚紅壤；而當各膠園土壤銨態氮含量達最大值之后，花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤和玄武巖磚紅壤的銨態氮含量迅速下降，其中玄武巖磚紅壤的銨態氮含量下降最快，在培養14 d時銨態氮含量降至4.59 mg/kg。另外，對比25和35 ℃培養下各膠園土壤銨態氮含量可知，溫度升高能夠增加膠園土壤中有機氮轉化為銨態氮，增加土壤中銨態氮含量。

2.2 膠園土壤硝態氮含量變化

由圖2可知，在25和35 ℃培養下，各膠園土壤中硝態氮含量均表現為隨培養時間增加而升高趨勢。在25 ℃培養下，玄武巖磚紅壤的硝態氮曲線為拋物線型，即前期硝態氮含量快速增加，當培養至35 d之后，硝態氮含量緩慢增加，整個培養期間內，硝態氮含量均大于其他膠園土壤；而其余4種膠園土壤培養前期硝態氮含量均維持平穩或略微增加，當培養至21 d之后硝態氮含量快速增加；培養至70 d時，各膠園土壤硝態氮含量表現為：玄武巖磚紅壤>花崗巖磚紅壤>片麻巖磚紅壤>砂頁巖磚紅壤>淺海沉積物磚紅壤，其中玄武巖磚紅壤硝態氮含量為41.61 mg/kg，為淺海沉積物磚紅壤硝態氮含量的2.12倍。在35 ℃培養下，玄武巖磚紅壤和片麻巖磚紅壤的硝態氮曲線均為拋物線型，整個培養期間內，玄武巖磚紅壤的硝態氮含量均大于其他膠園土壤；而其余3種膠園土壤的硝態氮含量在0～14 d均無明顯增加，培養14 d之后硝態氮含量迅速增加；比較各膠園土壤第70 天時硝態氮含量發現，玄武巖磚紅壤最大，為49.55 mg/kg，其次為花崗巖磚紅壤，而片麻巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤和淺海沉積物磚紅壤的硝態氮含量接近。另外，對比25和35 ℃培養下各膠園土壤硝態氮含量可知，溫度升高能夠加快膠園土壤中銨態氮轉化為硝態氮，增加土壤中硝態氮含量。

圖1 膠園土壤銨態氮變化Fig.1 The ammonium nitrogen variation of rubber plantation soils

圖2 膠園土壤硝態氮含量變化Fig.2 The nitrate nitrogen variation of rubber plantation soils

2.3 溫度和膠園土壤類型對土壤氮素礦化量的影響

土壤氮素礦化量為土壤培育前后的礦質氮量(銨態氮和硝態氮之和)之差，是影響土壤氮素供應量的重要因素[7]。由表2可知，在25 ℃培養下，各膠園土壤氮素礦化量表現為：花崗巖磚紅壤>玄武巖磚紅壤>砂頁巖磚紅壤>片麻巖磚紅壤>淺海沉積物磚紅壤，其中花崗巖磚紅壤的氮素礦化量為33.91 mg/kg，為淺海沉積物磚紅壤氮素礦化量的2.10倍，為片麻巖磚紅壤氮素礦化量的1.75倍，為砂頁巖磚紅壤氮素礦化量的1.39倍，而與玄武巖磚紅壤差異不顯著，但兩者氮素礦化量均顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤。當35℃培養時，淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤和玄武巖磚紅壤氮素礦化量分別為30.19、38.93、30.29、23.57、40.29 mg/kg，玄武巖磚紅壤氮素礦化量為片麻巖磚紅壤的1.71倍；玄武巖磚紅壤與花崗巖磚紅壤氮素礦化量差異不顯著，但顯著大于其余3種膠園土壤；而淺海沉積物磚紅壤與砂頁巖磚紅壤的氮素礦化量差異不顯著，但顯著大于片麻巖磚紅壤的氮素礦化量。可見，在25和35 ℃培養下，均為花崗巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤礦化量最大，兩者供氮能力強于其他三種膠園土壤。

表2膠園土壤氮素礦化量差異分析

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

土壤Soil氮素礦化量 (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：小寫字母不同是處理間差異顯著，“*”表示溫度間差異顯著P<0.05。

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

溫度是決定土壤氮素礦化過程重要環境因素之一[12]，由表2可知，當培養溫度從25 ℃增至35 ℃后，各膠園土壤氮素礦化量均顯著增加。其中，淺海沉積物磚紅壤增加最為明顯，35 ℃下氮素礦化量為25 ℃培養下的1.87倍，花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤分別為1.15、1.24、1.22、1.23倍。表明溫度可加快各膠園土壤氮素礦化，以淺海沉積物磚紅壤最為明顯。

2.4 膠園土壤氮素礦化有效積溫方程擬合

由表3可知，有效積溫方程能夠較好地擬合各膠園土壤氮素礦化過程。有效積溫方程中k值反映土壤初始礦化速率，n值反映土壤后期礦化速率[9]，當培養溫度從25 ℃升高到35 ℃時，花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤的k值均增大，n值減小；而淺海沉積物磚紅壤則相反，當培養溫度從25 ℃升高到35 ℃時，有效積溫方程k值減小，n值增大。可見，溫度升高，增加了花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤前期礦化速度，而加快了淺海沉積物磚紅壤氮素后期礦化速度。

3 討 論

土壤氮素礦化是衡量土壤氮素肥力的重要指標，是影響作物產量的關鍵因素[13]。有研究表明，海南植膠區施肥嚴重不足，橡膠樹生長和產膠所需的大量養分由土壤供應[1]。而膠園土壤氮素礦化特性及礦化量影響膠園土壤速效氮養分供應。本研究發現，在25和35 ℃培養下，各膠園土壤中銨態氮含量均表現為先升高后減小趨勢，各膠園土壤中硝態氮含量均表現為隨培養時間增加而升高趨勢。在25 ℃培養下，各膠園土壤氮素礦化量(70 d)表現為：花崗巖磚紅壤>玄武巖磚紅壤>砂頁巖磚紅壤>片麻巖磚紅壤>淺海沉積物磚紅壤，其中花崗巖磚紅壤的氮素礦化量為33.91 mg/kg，為淺海沉積物磚紅壤氮素礦化量的2.10倍，為片麻巖磚紅壤氮素礦化量的1.75倍，為砂頁巖磚紅壤氮素礦化量的1.39倍，而與玄武巖磚紅壤差異不顯著。當35 ℃培養時，淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤和玄武巖磚紅壤氮素礦化量分別為30.19、38.93、30.29、23.57、40.29 mg/kg，玄武巖磚紅壤與花崗巖磚紅壤氮素礦化量差異不顯著，但顯著大于其余3種膠園土壤。可見，在25和35 ℃培養下，均為花崗巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤礦化量最大。

表3 有效積溫方程擬合

注：** 表示相關系數達極顯著水平(n=8時，r0.01=0.834)。

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

有研究表明，土壤氮素礦化量會因土壤自身性質差異而不同，如土壤速效磷[14]、土壤水分含量[15]、pH[14]、土壤質地[16]、土壤有機質、有機氮[17]等。其中，土壤有機質和有機氮含量是最主要因素[15]，土壤有機質和全氮顯著影響累積礦化氮含量[10]，且土壤供氮潛力與土壤全氮和有機質含量有良好的相關性[13，18]。而本研究中的花崗巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤的全氮含量、有機質含量均大于其他膠園土壤，并且在5種土壤中花崗巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤礦化量更大，這也與前人研究結論基本一致。

溫度是影響土壤氮素礦化的一個重要環境因素[12]。有研究發現，隨著溫度增加，土壤累積礦化量和礦化勢增加[17]。這與本研究結論一致，通過對比25和35 ℃培養下各膠園土壤銨態氮含量可知，溫度升高能夠增加膠園土壤中有機氮轉化為銨態氮，增加土壤中銨態氮含量。同時，溫度升高能夠加快膠園土壤中銨態氮轉化為硝態氮，增加土壤中硝態氮含量。當培養溫度從25 ℃增至35 ℃后，各膠園土壤氮素礦化量均顯著增加。分析35 ℃下氮素礦化量較25 ℃培養增加倍數發現，淺海沉積物磚紅壤在35 ℃下氮素礦化量為25 ℃培養下的1.87倍，表現為淺海沉積物磚紅壤>砂頁巖磚紅壤>玄武巖磚紅壤>片麻巖磚紅壤>花崗巖磚紅壤。Deddureault等[19]研究表明，耕地土壤氮礦化速率的Q10高于森林土壤，耕地土壤中砂壤土高于粘土。而從海南膠園土壤機械組成(表1)和美國農部制土壤質地三角圖可知，淺海沉積物磚紅壤和砂頁巖磚紅壤為砂質壤土，所以土壤氮素礦化量受溫度影響更為明顯。另外，本研究發現有效積溫方程能夠較好地擬合各膠園土壤氮素礦化過程，這與彭顯龍[9]、馬力[12]等研究結果一致。另外，當培養溫度從25 ℃升高35 ℃時，花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤的k值均增大，n值減小；而淺海沉積物磚紅壤則相反，當培養溫度從25 ℃升高35 ℃時，有效積溫方程k值減小，n值增大。

4 結 論

25和35 ℃培養下，玄武巖磚紅壤與花崗巖磚紅壤氮素礦化量差異不顯著，但均顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤。升高溫度加速膠園土壤中有機氮轉化為銨態氮，加快各膠園土壤氮素礦化過程，且以淺海沉積物磚紅壤最為明顯。另外，有效積溫方程能夠較好地擬合各膠園土壤氮素礦化過程，且當培養溫度從25 ℃升高到35 ℃時，增加了花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、片麻巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤前期礦化速度(k值增加)，而加快了淺海沉積物磚紅壤氮素后期礦化速度(n值增大)。