宋 摯于彩蓮，2劉智蕾劉 洋劉小慧彭顯龍，3?

（1 東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

（2 哈爾濱理工大學化學與環(huán)境工程學院，哈爾濱 150040）

（3 黑龍江糧食產(chǎn)能協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱 150030）

階段培養(yǎng)法測定稻田氮素礦化量的效果評價*

宋 摯1于彩蓮1，2劉智蕾1劉 洋1劉小慧1彭顯龍1，3?

（1 東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

（2 哈爾濱理工大學化學與環(huán)境工程學院，哈爾濱 150040）

（3 黑龍江糧食產(chǎn)能協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱 150030）

傳統(tǒng)原位培養(yǎng)法測定的氮素礦化量與無氮區(qū)水稻吸氮相關性不高。為此對傳統(tǒng)培養(yǎng)方法進行改進，以期為準確測定土壤供氮提供方法。傳統(tǒng)培養(yǎng)方法是在插秧前取土，按水土比約1∶1裝入自封袋中于田間原位連續(xù)培養(yǎng)，每隔約30 d取樣測定土壤無機氮含量。改進培養(yǎng)方法則采取階段培養(yǎng)的方法，在插秧前取土，同上法裝入自封袋，再將自封袋放入裝滿水的離心管中于田間培養(yǎng)，在下次取土樣（約30 d后）的同時取出上次培養(yǎng)的土袋，并測定土壤無機氮含量。2013―2015年的試驗結(jié)果表明，隨著培養(yǎng)時間的延長，傳統(tǒng)培養(yǎng)方法測定的礦化氮先增加后降低，與最高值相比，礦化氮下降了6.7%～28.6%；而改進的階段原位培養(yǎng)法測定礦化氮未出現(xiàn)下降情況，因此傳統(tǒng)方法測定的礦化氮較改進方法降低了30.0%～67.7%（p＜0.05）。培養(yǎng)時間對礦化氮量影響顯著，土樣在田間連續(xù)培養(yǎng)約40 d就有抑制氮素礦化的風險，因此，每次培養(yǎng)時間不宜過長。改進培養(yǎng)方法測定的礦化氮量與田間無氮區(qū)水稻吸氮量之間具有正相關關系，決定系數(shù)R2為0.621（p＜0.01）。在測定稻田土壤礦化氮時，應采用階段培養(yǎng)法，每次培養(yǎng)時間不宜超過40 d。該方法測定礦化氮量可以作為評價土壤供氮能力的指標。

土壤供氮；原位培養(yǎng)法；稻田；礦化氮；吸氮量

水稻吸收的氮50%以上源于土壤，土壤供氮在稻田氮素供應中發(fā)揮著重要作用。稻田土壤供氮包括水稻種植前已經(jīng)存在的礦質(zhì)氮和水稻生長期間礦化出的氮。通常土壤起始礦質(zhì)氮含量不高，且其含量與水稻收獲時礦質(zhì)氮含量基本相當［1］。因此，稻田土壤供氮主要取決于有機氮的礦化。

淹水培養(yǎng)法是測定土壤氮素礦化的基本方法［2］，采用該方法測定的礦化氮量與盆栽試驗無氮區(qū)作物吸氮量之間有很高的相關性［3］。雖然測定的礦化氮與田間無氮區(qū)水稻吸氮的相關也達到顯著水平，但是決定系數(shù)R2較低［4-5］。這是因為該方法的培養(yǎng)條件與田間實際條件差異較大，不僅忽視了水稻生長、銨的固定和損失對氮素礦化的影響，還未考慮土壤結(jié)構(gòu)和耕作措施等因素的影響［6-7］。因此，室內(nèi)淹水培養(yǎng)法很難準確確定土壤實際的氮素礦化量。在此基礎上，朱兆良［8］提出了原位培養(yǎng)法，是目前稻田淹水期間測定土壤氮素礦化量較好的方法。但稻田中期需排水曬田，水稻抽穗后采用間歇灌溉方式，稻田并未一直處于淹水狀態(tài)，因而限制了該方法的廣泛應用。

許多研究者發(fā)現(xiàn)，長時間的連續(xù)培養(yǎng)后，銨態(tài)氮大量積累會抑制礦化過程，造成測定的礦化氮量較低［9-11］，這可能是測定的礦化氮與無氮區(qū)水稻吸氮相關性差的原因之一，也是傳統(tǒng)原位培養(yǎng)法的主要缺點。室內(nèi)培養(yǎng)試驗采用間隔不同時間淋洗的方法［11］，或采用間隔不同時間離心的方法分離土壤與培養(yǎng)液［12］，均可移去累積的礦化氮，避免長時間培養(yǎng)對氮素礦化的抑制。但是在田間條件下，無論是間隔淋洗還是間隔離心的方式均難以應用。針對上述問題，本研究對傳統(tǒng)的田間原位培養(yǎng)法進行了兩點改進：（1）將過去1次取樣―連續(xù)長時間培養(yǎng)改為多次間隔取樣短期培養(yǎng)，通過采集種植過水稻的鮮土來培養(yǎng)，一方面可以降低培養(yǎng)過程中銨態(tài)氮積累的影響，還可以減少水稻生長的影響并使培養(yǎng)的土樣更符合實際；（2）在排水曬田或者間歇灌溉條件下，稻田處于無水層狀態(tài)，無法保持淹水培養(yǎng)條件。為此，在培養(yǎng)過程中將土袋放入裝滿水的離心管中，以保持淹水培養(yǎng)條件并防止土袋損壞。本研究比較了階段培養(yǎng)法和連續(xù)培養(yǎng)法測定的礦化量，并分析改進方法測定的礦化氮和無氮區(qū)水稻吸氮的相關性，以期改進稻田原位培養(yǎng)方法，為準確測定土壤供氮提供方法。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

2013年，在黑龍江省五常市（S1）和哈爾濱市阿城區(qū)（S2）進行試驗，五常該地塊（S1）的試驗重復3年（2013―2015年）；2014年，在五常市另一地點（S3）、阿城區(qū)另一地點（S4）和黑龍江農(nóng)墾建三江分局兩地點（S5，S6）新增四個試驗地點；2015年在黑龍江農(nóng)墾建三江分局另一地點（S7）進行試驗。供試土壤基本理化性狀見下表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physico-chemical properties of tested soil

1.2 無氮肥區(qū)試驗設計

每個試驗地點均設不施氮肥只施磷鉀肥處理。磷肥均為重過磷酸鈣（含P2O544%），鉀肥均為氯化鉀（含K2O 60%），全部磷肥和50%鉀肥在整地前撒施，然后旋耕土壤，剩余50%鉀肥在拔節(jié)期人工撒施。詳細施肥量見表2。五常和阿城試驗點（S1、S2、S3和S4）均為河水灌溉，建三江試驗點（S5、S6和S7）均為井水灌溉。無氮肥區(qū)面積均在100 m2以上，3次重復。供試品種均是當?shù)刂髟云贩N，具體品種及插秧時間、密度等見表2。

表2 各試驗地點基本情況Table 2 Basic situation of each site

1.3 原位培養(yǎng)試驗

2013年S1、S2點，以及2014年S3點分別采用連續(xù)和階段培養(yǎng)方法測定礦化氮量；2014―2015年，除S3點外其他試驗點采用階段培養(yǎng)方法測定土壤氮素礦化量。

連續(xù)培養(yǎng)方法［8］：在水稻插秧前取0～20 cm土層新鮮土樣，去除雜物混勻。稱取約12 g鮮土放入自封袋，加10 ml蒸餾水，混勻后封口，將土袋放入另一個自封袋埋入土壤（深約5 cm）培養(yǎng)。每個點埋3個位置，每處埋12個土袋。分別于埋后約30（分蘗期）、60（拔節(jié)前后）、90（抽穗期）和115（抽穗后25 d）d取出每個位置的3個土袋，測定無機氮含量。

階段培養(yǎng)方法：改插秧前1次取樣連續(xù)培養(yǎng)為多次取樣分段培養(yǎng)。分別在水稻插秧前、分蘗期（插秧后約30 d）、拔節(jié)期前后（插秧后約60 d）和抽穗期（插秧后約90 d）取樣，稱取約12 g鮮土，放入自封袋中，加10 ml蒸餾水，混勻后封口。為防止土袋損壞以及保持淹水狀態(tài)，將土袋放入100 ml具塞塑料離心管內(nèi)，并向管內(nèi)注滿水。同連續(xù)培養(yǎng)法埋入3個位置培養(yǎng)，并在每次培養(yǎng)約30 d后取出每個位置的3個土袋，測定土壤中無機氮。

因抽穗后30 d即停止灌溉，稻田很長時間處于非淹水狀態(tài)。在抽穗后25 d取樣后（2013年），挑出根茬混合均勻，稱取約12 g放入直徑為2 cm、高10 cm的有機玻璃柱中，參照旱田的方法進行培養(yǎng)［12］。2014―2015年，在抽穗后25 d取樣后仍按照階段培養(yǎng)法進行培養(yǎng)，并測定無機氮含量。

原位培養(yǎng)法的條件試驗：2015年，在五常（S1）和建三江（S7）兩地，在插秧前和拔節(jié)期分別取0～20 cm土層新鮮土樣，同上述改進培養(yǎng)方法進行處理，每地埋入12個土袋進行原位培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)后約30、40、50、60 d時取出，每次取3個土袋作為重復，測定無機氮含量。

1.4 樣品采集與測試

將每次插秧前采集的鮮土混勻后，一部分放入田間原位培養(yǎng)，另一部分放入便攜式冰箱，帶回實驗室。取約10 g土樣2份，1份用于測定土壤含水量；另一份加入100 ml 2.0 mol L-1的KCl溶液，震蕩30 min，過濾后收集上清液，用德國Bran Luebbe AA3流動分析儀測定NH4+-N和NO3--N含量。

2013年和2014年，于分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、抽穗后25 d和成熟期，按平均分蘗取水稻植株，將莖葉和穗分開，于105℃殺青，80℃烘干，稱重。用靛酚藍比色法測定植株全氮含量，并計算氮素積累量。2015年未分析該指標。

1.5 數(shù)據(jù)處理

氮素礦化量=培養(yǎng)后土壤無機氮－培養(yǎng)前土壤無機氮

累積礦化氮量=各階段氮素礦化量之和

土壤供氮量=（成熟期水稻無機氮－插秧期土壤無機氮）+累積礦化氮量

數(shù)據(jù)間方差分析均采用SAS 9.0軟件，圖表制作以及數(shù)據(jù)間相關分析均用Excel 2010軟件進行。

2 結(jié) 果

2.1 不同培養(yǎng)方法測定的礦化氮量

隨著培養(yǎng)時間延長，階段培養(yǎng)法測定的土壤礦化氮一直增加，在培養(yǎng)后期連續(xù)培養(yǎng)法測定的礦化氮則表現(xiàn)出了下降趨勢（圖1）。在S1、S2和S3分別培養(yǎng)至76、64和84 d時，階段培養(yǎng)法測定的礦化氮分別占總礦化氮量的74.7%（S1）、87.7% （S2）和48.3%（S3），而連續(xù)培養(yǎng)法測定礦化氮量均已達到最大值。與礦化最高點相比，連續(xù)培養(yǎng)法測定的礦化氮量下降了6.7%～28.6%；與階段培養(yǎng)法比，連續(xù)培養(yǎng)法測定的總礦化氮量降低了30.0%～67.7%（p＜0.05）。這說明，連續(xù)培養(yǎng)會抑制氮素礦化，而改進的階段培養(yǎng)法則能減輕或者避免這種氮素礦化受抑制的問題。

圖1 連續(xù)和階段培養(yǎng)法測得的土壤累積礦化氮量Fig. 1 Cumulative mineralized N in the soil relative to measuring method

2.2 培養(yǎng)時間對礦化氮的影響

因長時間培養(yǎng)會抑制氮素礦化，試驗分析了培養(yǎng)時間與氮素礦化的關系（圖2）。在插秧時取樣培養(yǎng)，隨著培養(yǎng)時間延長礦化氮含量增加（圖2A）；在拔節(jié)期取樣培養(yǎng)，隨著培養(yǎng)時間的延長礦化氮有明顯降低的趨勢（圖2B），兩個地點分別在培養(yǎng)后35 d和42 d達到最高值。與礦化量最高值相比，培養(yǎng)約60 d時的礦化氮下降了4.5%～8.7%。

圖2 插秧期（A）和拔節(jié)期（B）培養(yǎng)時間對土壤氮素礦化的影響Fig. 2 Effects of duration of the incubation on N mineralization at the transplanting（A）and jointing stages（B）

2.3 無氮區(qū)水稻吸氮與礦化氮量的關系

2015年沒有無氮區(qū)水稻吸氮數(shù)據(jù)，因此只對S1～S6點的數(shù)據(jù)進行了相關分析。同一地點，無氮區(qū)水稻吸氮曲線與土壤礦化氮曲線變化趨勢相似，不同地點間水稻吸氮量和礦化量存在較大差異（圖3）。水稻吸氮量和土壤礦化氮量均呈現(xiàn)出前期較慢，中間較快，后期又變慢的特點。2年7個點次（S1點試驗進行了2年）無氮區(qū)水稻吸氮總量為52.83～95.92 kg hm-2，平均值75.10 kg hm-2；土壤礦化氮量39.00～111.7 kg hm-2，平均值81.43 kg hm-2。各地點的土壤礦化氮量和水稻吸氮有較高的相關性（R2=0.796～0.997，p＜0.05）（圖3）；所有地點數(shù)據(jù)放在一起分析，土壤礦化氮和水稻吸氮也為顯著正相關關系（R2=0.621，p＜0.01）（圖3）。即土壤氮素礦化可以解釋水稻吸氮變異的60%以上。

2.4 插秧期和成熟期土壤無機氮含量

不同年份、地點間的土壤起始無機氮（插秧期）和成熟期無機氮含量差異較大（圖4）。連續(xù)三年（圖4A），S1點土壤起始無機氮和收獲時無機氮含量互有高低，差異不顯著。其他5個地點（圖4B）的土壤起始無機氮和收獲時無機氮含量也互有高低，絕大多數(shù)差異不顯著（S6點除外）。如果僅分析成熟期水稻吸氮量與土壤供氮量或者與土壤礦化氮的相關性，二者均呈顯著正相關關系（圖5），決定系數(shù)R2分別為0.857和0.827 （p＜0.01），前者稍高于后者。

3 討 論

本研究表明，連續(xù)培養(yǎng)約60 d后，累積礦化氮量會出現(xiàn)不同程度的下降。張玉玲等［11］也發(fā)現(xiàn)，水田土壤培養(yǎng)一段時間后其累積礦化量會下降。其主要原因是：連續(xù)培養(yǎng)法未能及時移去礦化氮，使礦化氮不斷累積，過高的礦化氮會抑制礦化過程。氮素礦化過程主要由微生物驅(qū)動［13］，當?shù)V化氮累積到一定程度就會抑制氨化微生物繁殖，導致其他微生物大量繁殖，這些微生物以未礦化的有機物為碳源，消耗礦化出來的銨態(tài)氮［14］，當銨態(tài)氮的消耗量大于礦化量時，土壤表觀礦化氮量則開始降低。本試驗分析了培養(yǎng)時間與氮素礦化的關系，在插秧后即使培養(yǎng)接近60 d，礦化氮也不會降低（圖2A），而拔節(jié)后培養(yǎng)約40 d就會有礦化氮降低的風險。插秧后培養(yǎng)約40 d，礦化氮只有約10 mg kg-1（圖2A），而拔節(jié)后對應值則高于20 mg kg-1（圖2B）。插秧后40 d礦化量低，因此無明顯的抑制作用，拔節(jié)后40 d礦化氮量高是其抑制氮素礦化的原因。此外，長時間培養(yǎng)是否抑制氮素礦化可能也與氣溫變化有關：水稻插秧后氣溫一直升高，而拔節(jié)后氣溫先升高后降低，溫度一直增加礦化氮量隨之提高；但是，溫度由高變低可能會抑制氮素礦化［10］，這可能是拔節(jié)后40 d礦化氮降低的原因之一。同樣道理，抽穗后25 d以后氣溫開始降低，隨著培養(yǎng)時間增加，礦化氮含量也表現(xiàn)出降低或者增加不明顯的趨勢（圖3）。雖然生育前期連續(xù)培養(yǎng)60 d礦化氮未降低，但是其礦化量卻低于階段培養(yǎng)法測定的礦化氮量（圖1），這說明長時間培養(yǎng)仍抑制了氮素礦化過程。由此可見，每次培養(yǎng)時間不宜超過40 d。

圖3 土壤累積礦化氮與無氮區(qū)水稻吸氮的關系Fig. 3 Relationships between cumulative mineralized N and rice N uptake in Treatment N0

圖4 插秧期和成熟期土壤無機氮含量Fig. 4 Soil inorganic N content at the transplanting and mature stages

圖5 成熟期無氮區(qū)水稻吸氮與累積礦化氮量和土壤供氮量的關系Fig. 5 Relationships of rice N uptake with cumulative mineralized N and soil N supply in Treatment N0 at the maturing stage

以往的研究中，無論是培養(yǎng)法測定的礦化氮量，還是各種氮素有效性的化學指標，僅與盆栽試驗無氮區(qū)水稻吸氮具有較好的相關性，上述指標與田間無氮區(qū)水稻吸氮間即使達到顯著相關，其決定系數(shù)也只有0.3左右［4-5］。本研究中，改進的原位培養(yǎng)法測定的礦化氮與無氮區(qū)水稻吸氮顯著相關，且決定系數(shù)R2超過0.6（圖3）。相關性明顯提高的原因有：（1）培養(yǎng)溫度與田間水稻生長溫度一致。溫度是影響氮素礦化最重要的因子，溫度不同，氮素礦化量和礦化過程將明顯不同［15-17］。室內(nèi)培養(yǎng)法的培養(yǎng)溫度一般是30～40℃，這與田間溫度并不一致。因此，室內(nèi)培養(yǎng)法測定的是土壤供氮潛力［18］，而不是土壤實際供應的氮量［19-21］。而改進的培養(yǎng)方法培養(yǎng)溫度與無氮區(qū)水稻生長的溫度一致，測定的是土壤實際的礦化量，這部分氮是水稻實際吸收的主要氮源，因此，相關性較高。（2）減少了較高銨態(tài)氮對氮素礦化的抑制作用。長時間連續(xù)培養(yǎng)形成的銨態(tài)氮會抑制氮素礦化過程，造成礦化氮含量降低（圖1）。其他研究者也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象［9-11］。為了減少這種影響，試驗改連續(xù)培養(yǎng)為階段培養(yǎng)。無氮區(qū)水稻生長過程中吸收了大部分礦化氮，當采集無氮區(qū)鮮土進行培養(yǎng)時，土壤銨態(tài)氮含量并不高，從而能有效減輕過高銨態(tài)氮對礦化的抑制作用。（3）稻田根層變淺，養(yǎng)分供應主要集中在0～20 cm土層。過去研究［3］顯示，20 cm以下土層供氮占較大比例，這是測定的土壤氮和無氮區(qū)水稻吸氮相關性差的原因之一。小農(nóng)戶經(jīng)營模式下，稻田耕作一直以旋耕為主，長時間旋耕后形成了障礙性層次，土壤20 cm以下土層質(zhì)地堅硬，阻礙了水稻根系的下扎。因此，20 cm以下土層供氮比例變小，在無氮區(qū)水稻吸氮中所占比例降低。因此，試驗測定0～20 cm土層供氮與無氮區(qū)水稻相關性較高。本研究中決定系數(shù)R2也只達到0.62，這可能與非土壤來源氮較高有關。田間條件下非土壤來源氮（包括水稻的聯(lián)合固氮、降雨、灌溉水及秧苗帶入的氮）占稻田自然供氮量的28%～42%［3］。如能定量非土壤來源的氮并加上礦化氮，可能會進一步提高測定指標與無氮區(qū)水稻吸氮的相關性。

4 結(jié) 論

本研究所提出的階段原位培養(yǎng)方法，克服了連續(xù)培養(yǎng)過程中礦化氮下降的情況。測定的氮素礦化進程與無氮區(qū)水稻吸氮進程基本一致，通過本方法測定的礦化氮量與田間無氮區(qū)水稻吸氮量之間具有很好的相關性，決定系數(shù)R2超過了0.6。該方法測定的礦化氮量可以作為評價稻田土壤供氮能力的指標。

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Effectiveness Evaluation of the Use of Phase Incubation Method to Determine N Mineralization in Paddy Soil

SONG Zhi1YU Cailian1，2LIU Zhilei1LIU Yang1LIU Xiaohui1PENG Xianlong1，3?
（1 School of Resources and Environmental Sciences，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）
（2 Institute of Chemical and Environmental Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China）
（3 Collaborative Innovation Center of Grain Production Capacity Improvement in Heilongjiang Province，Harbin 150030，China）

As not much correlation was observed between rice N uptake in Treatment N0（No N fertilizer applied）and N mineralization rate measured with the traditional in situ incubation method，modification was made of this method in an attempt to improve its accuracy in measuring soil N supplying capacity. The traditional one is a continuous incubation method，which goes like this：collect some soil from a paddy field before seedling transplanting，mix it with water at 1∶1 in volume，pack the mixture in ziplock bags，put the bags back into the field for in situ incubation，and then sample the soil in the bag once every 30 days for measurement of inorganic N. The modified one adopts phase incubation and goes almost the same as the traditional one in preparation for incubation，and then put the bags in centrifuge tubes full of water and the tubes back into the field for incubation in situ and sample the soil in the bag for analysis of inorganic Nonce every 30 days，while removing the ziglock bags of the last phase of incubation. Results of the 2013-2015 experiment show that with the incubation going on，mineralized N content rose first and fell as was measured with the traditional method. Compared with the maximum value，cumulative mineralized N dropped by 6.7%～28.6%. However，the modified one did not see any decline. So the measurement using the traditional method was 30.0%～67.7%（p＜0.05）lower than that using the modified one. Duration of the incubation is a major factor affecting the content of mineralized N. When incubation went on continuously over 40 days，it might pose a risk of inhibiting N mineralization. So，each incubation should not last too long or over 40 days. The content of mineralized N measured with the modified method was found to be closely and positively related to rice N uptake measured in Treatment N0，with R2being 0.621（p＜0.01）. Therefore，it is suggested that when measuring soil mineralized N in paddy field，measurements using the modified one be cited as an indicator to evaluate soil N supplying capacity.

Soil N supply；In situ incubation method；Paddy；Mineralized N；N uptake

S131+.1；S158.2

A

（責任編輯：陳榮府）

* 國家自然科學基金項目（41101281）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No.41101281）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：pxl0508@163.com

宋 摯（1 9 9 1—），男，山東曲阜人，碩士研究生，主要從事寒地稻田土壤供氮研究。E-m a i l：songzhi5263@163.com

2016-08-17；

2016-10-08；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-11-14

10.11766/trxb201608170302