王曉維，徐健程，龍昌智，朱樹偉，魯美娟，楊文亭*

（1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室，南昌 330045；2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南昌 330045；3 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌 330045）

氮素是植物生長必需的大量元素之一[1]，涉及植物生長發(fā)育的諸多方面[2]。有研究表明，即使在大量施用氮肥的條件下，作物所需的氮素仍有50%以上來自土壤有機氮的礦化[3]。植物能直接利用的土壤氮素主要來源于土壤有機氮通過微生物作用轉(zhuǎn)化的無機氮 (主要是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)。氮礦化量是反映土壤供氮能力的重要指標，也是國內(nèi)外研究土壤氮素有效性的熱點之一[4–5]。前人研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量[6]、溫度[7]、氮添加量[8]、土壤酶活[9]等因素對土壤氮礦化有重要影響。在一定范圍內(nèi)，土壤氮礦化量與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，但超過限度，氮礦化速率顯著下降[10]。通過“以水調(diào)氧”增加根際溶氧量能夠提升土壤硝化勢和氧化還原電位，刺激土壤氮的礦化作用[11]。有研究表明，在中亞熱帶地帶性森林紅壤的飽和土壤水分條件下，(NH4)2SO4處理的凈硝化量在氮水平66.7 mg/kg條件下為負值[12]，當(dāng)土壤水分較低時(15%) 能夠限制土壤氮礦化作用[13]。溫度能通過制約土壤微生物和酶活性達到調(diào)控土壤氮礦化。通過對紫花苜蓿土壤室內(nèi)培養(yǎng)結(jié)果表明，溫度是影響紫花苜蓿草地氮凈礦化速率的主效因子[14]。以亞熱帶地區(qū)天然林、格氏栲人工林和杉木人工林為對象，采取PVC管原位培養(yǎng)連續(xù)取樣法，結(jié)果表明溫度和水分是影響土壤礦質(zhì)庫及氮礦化速率的重要因素[15]。氮素添加在調(diào)節(jié)土壤的氮轉(zhuǎn)化方面也起著重要作用。添加外源氮素，可以提高脲酶活性，從而增加氨化作用形成從而增加凈氨化量[16]。以紫色土為研究對象，通過90 d的室內(nèi)恒溫 (25℃) 好氣培養(yǎng)，土壤含水量增加和外源氮添加均促進了土壤氮礦化，增加了土壤礦質(zhì)氮含量[17]。

紅壤是我國南方重要的土地資源，面臨著降水時空分配不均[18]、水土流失嚴重[19]、土地質(zhì)量退化[20–21]、酸化加劇[22]等諸多問題。同時，南方紅壤區(qū)屬于亞熱帶地區(qū)，冬季有較好的光、熱等自然資源，非常適合冬季作物的種植。大量研究表明，綠肥的種植有利于保持水土[23–24]，改善土壤有機質(zhì)[25]，提高土壤質(zhì)量[26]。黑麥草耐寒性好、生物量大、營養(yǎng)價值高，特別是近年來政府非常重視牛羊等養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[27]，黑麥草需求量越來越大。同時黑麥草本身氮磷鉀養(yǎng)分含量高，根系發(fā)達，是一種優(yōu)良的綠肥作物，中山大學(xué)楊忠藝教授對廣東稻田冬種黑麥草進行了深入研究，黑麥草殘茬還田對后茬水稻增產(chǎn)和土壤改良都有一定的促進作用[28–29]。土壤氮礦化量是土壤氮素可利用性的重要標志，黑麥草作為綠肥在還田過程中，由于溫度、濕度、水分等環(huán)境因素對微生物活性的影響，同時添加黑麥草后可能引發(fā)土壤氮素的激發(fā)效應(yīng)，發(fā)生土壤氮的礦化或固持現(xiàn)象[30]。但土壤含水量和氮素添加對黑麥草還田過程中土壤氮礦化的影響尚不清楚。本研究以紅壤地黑麥草還田為研究對象，探討土壤含水量和氮肥輸入對黑麥草還田過程中紅壤氮礦化的影響，以期為南方紅壤區(qū)黑麥草還田后土壤水肥優(yōu)化管理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試綠肥

供試綠肥為一年生多花黑麥草 (Lolium perenneL.)贛選1號，于2013年11月20日播種，2014年3月18日收獲，于80℃烘干恒重后用粉碎機 (DE-100 g，浙江紅景天工貿(mào)有限公司，中國) 粉碎后干燥保存?zhèn)溆?。黑麥草干物質(zhì)中碳、氮、磷、鉀含量分別為 531.52 g/kg、27.62 g/kg、21.08 g/kg、67.17 g/kg。

1.2 供試土壤及培養(yǎng)土

供試土壤采自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園表層 (0—20 cm) 紅壤，于室內(nèi)風(fēng)干后剔除可見的植物根系，過2 mm篩備用。取上述土壤和黑麥草按100∶2.5比例混合均勻后制成培養(yǎng)土后留300 g測定基本養(yǎng)分，剩下的立即分裝。供試土壤及培養(yǎng)土基本養(yǎng)分特征見表1。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗于2014年5月11日至8月8日進行。設(shè)置3個土壤含水量：15%(W1)、30%(W2)、45%(W3)。3 個施氮水平：0 (N1)、60 mg/kg (N2)、120 mg/kg (N3)(以0、150 mg/kg和300 mg/kg純氮施用量用表層土質(zhì)量換算)，以硫酸銨 (NH4)2SO4(分析純，分子質(zhì)量132.14) 進行調(diào)節(jié)。土壤含水量和施氮量的組合采用雙因素隨機區(qū)組設(shè)計，共9個處理，每個處理3次重復(fù)。

培養(yǎng)土混勻后稱取35.88 g(干基計) 裝入50 mL塑料離心管中，每個處理制備30個離心管，共分裝270個離心管，以不同含水量配制的硫酸銨[(NH4)2SO4，氮含量21%]溶液調(diào)節(jié)土壤含水量和施氮量，將離心管置于人工氣候箱恒溫 (25℃) 避光培養(yǎng)91 d，培養(yǎng)期間每隔3 d對離心管通氣一次，并用稱重法補充含水量。于培養(yǎng)的第1、3、7、13、21、31、43、57、73、91 d進行破壞性取樣。每個處理每次取3個重復(fù)。培養(yǎng)土取出后立即測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，其中硝態(tài)氮采用紫外分光光度法，銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法測定[31]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

礦化指標計算[32]：

凈硝化量 (mg/kg) = 培養(yǎng)后土壤硝態(tài)氮含量-本底培養(yǎng)土硝態(tài)氮含量

凈氨化量 (mg/kg ) = 培養(yǎng)后土壤銨態(tài)氮含量-本底培養(yǎng)土銨態(tài)氮含量

凈礦化量 (mg/kg) = 凈硝化量 + 凈氨化量

用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用Duncan法進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量和土壤含水量對黑麥草還田土壤凈硝化量的影響

施氮量和土壤含水量對黑麥草還田過程中土壤凈硝化量有較明顯的影響。從圖1看，在W1條件下，三個施氮水平下的凈硝化量在前7 d都表現(xiàn)較低，且N2水平下的土壤凈硝化量出現(xiàn)負值。培養(yǎng)第13 d時，三個施氮水平下的凈硝化量出現(xiàn)峰值，且施氮 (N2和N3) 條件下的均顯著高于不施氮 (N1)的。第21 d和31 d時均出現(xiàn)負值，土壤凈硝化量顯著降低，但施氮水平之間無顯著差異。自43 d起，N2和N3處理的凈硝化量迅速增加，并維持正值到91 d，N1則從57 d起也進入正值階段。91 d時，土壤凈硝化量表現(xiàn)為N2 ＞ N1 ＞ N3，且N1和N2的凈硝化量均顯著高于N3。W2條件下，N1和N3水平下土壤凈硝化量第3 d時出現(xiàn)第一次負值，N2則從

表 1 土壤基本養(yǎng)分特征Table 1 Basic soil nutrient characteristics

圖 1 各試驗處理土壤凈硝化量Fig. 1 Soil net nitrification

培養(yǎng)第7 d出現(xiàn)負值，從第13 d起均轉(zhuǎn)為正值，但第21 d時都急劇下降，出現(xiàn)負值，N1、N2水平下持續(xù)至第57 d，而N3水平則持續(xù)至培養(yǎng)43 d，第73 d后均出現(xiàn)正值。培養(yǎng)91 d時，凈硝化量表現(xiàn)為N1 ＞ N2 ＞ N3，且三個施氮水平間差異顯著。W3條件下，三個施氮水平均自培養(yǎng)第3 d起，土壤凈硝化量迅速下降，出現(xiàn)第一次負值，施氮處理下凈硝化量顯著高于不施氮處理。至培養(yǎng)第13 d時成為正值，三個施氮水平之間無顯著差異。培養(yǎng)第21 d時出現(xiàn)第二次負值，且負值狀態(tài)下不施氮處理下的土壤凈硝化量顯著高于施氮處理，N2處理在第43 d，N1和N3處理則在57 d后均為正值。培養(yǎng)91 d時，凈硝化量表現(xiàn)為N2 ＞ N1 ＞ N3，且三個施氮水平差異顯著。從三個土壤含水量水平來看，土壤含水量的增加降低了紅壤地黑麥草還田過程中前期 (1～43 d)的土壤凈硝化量，但促進了黑麥草還田后期 (73～91 d)的凈硝化量，且N1條件下的凈硝化量均顯著高于N3條件下。

從雙因素方差分析的結(jié)果來看 (表2)，紅壤地黑麥草還田過程中，施氮量對土壤凈硝化量除第1 d外都產(chǎn)生了顯著影響，土壤含水量除第21、43和91 d外都對土壤凈硝化量產(chǎn)生極顯著影響，施氮量和土

表 2 土壤凈硝化量的雙因素方差分析 (F)Table 2 Two-way analysis of variance on soil net nitrification

壤含水量的交互作用也極顯著影響了黑麥草還田過程中的土壤凈硝化量。

2.2 施氮量與土壤含水量對黑麥草還田土壤凈氨化量的影響

圖 2 各試驗處理土壤凈氨化量Fig. 2 Soil net ammonification

從圖2可以看出，黑麥草還田過程中土壤凈氨化量呈現(xiàn)多峰波動變化，但凈氨化量一直維持正值。土壤含水量W1條件下，三個施氮水平第一次氨化高峰出現(xiàn)在培養(yǎng)第7 d時，第二次高峰出現(xiàn)在培養(yǎng)第31 d時，第三次高峰出現(xiàn)在培養(yǎng)第73 d，N3水平下的凈氨化量除第1 d外，都顯著高于N2和N1。91 d 時，凈氨化量表現(xiàn)為 N2 ＞ N3 ＞ N1，其中N2較N1和N3處理凈氨化量分別顯著提高了109.6%和45.6%。W2條件下，N1處理第一次氨化高峰出現(xiàn)在培養(yǎng)第7 d時，而N2和N3的第一次高峰出現(xiàn)在培養(yǎng)第13 d，而N1處理此時反而降低了24.4%。三個施氮水平處理第二次氨化高峰都出現(xiàn)在培養(yǎng)第31 d，此時表現(xiàn)為N3 ＞ N1 ＞ N2，且三個處理間差異顯著。第三次氨化高峰N1和N3處理均出現(xiàn)在培養(yǎng)第57 d，而N2處理則出現(xiàn)在培養(yǎng)第73 d。培養(yǎng)91 d時，土壤凈氨化量表現(xiàn)為N1 ＞ N2 ＞ N3，且N1和N2處理較N3處理凈氨化量顯著提高了13.5%和11.9%。W3條件下，N1和N2處理的氨化高峰僅出現(xiàn)在培養(yǎng)第13 d，而N3處理的氨化高峰則出現(xiàn)在培養(yǎng)第7d和13d。接下來三個施氮處理的土壤凈氨化量均呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，且施氮處理的凈氨化量均顯著高于不施氮處理。培養(yǎng)91 d時，土壤凈氨化量表現(xiàn)為N3 ＞ N1 ＞ N2，且N3處理較N1和N2處理凈氨化量分別顯著提高了259.1%和266.8%。總的來看，紅壤地黑麥草還田過程中，施氮水平顯著影響了土壤凈氨化量，施氮量的增加有利于增加土壤凈氨化量。土壤含水量的增加也有利于增加高氮處理下黑麥草還田中期土壤的氨化作用，但是土壤含水量W3降低了黑麥草還田后期土壤凈氨化量。

從雙因素方差分析的結(jié)果 (表3) 來看，紅壤地黑麥草還田過程中，施氮量對土壤凈氨化量在73 d前均產(chǎn)生了極顯著影響，土壤含水量在除第3 d和43 d外都對土壤凈氨化量產(chǎn)生極顯著影響，施氮量和土壤含水量的交互作用也極顯著影響了黑麥草還田過程中土壤凈氨化，一定程度上說明黑麥草還田過程中土壤凈氨化量的變化與施氮量和土壤含水量密切相關(guān)。

2.3 施氮量與土壤含水量對黑麥草還田土壤凈氮礦化量的影響

從圖3可以看出，紅壤地黑麥草還田過程中，施氮和土壤含水量對土壤氮礦化均產(chǎn)生了明顯影響。土壤含水量W1條件下，三個施氮水平均在第3 d出現(xiàn)土壤凈氮礦化量下降，同時施氮顯著增加了土壤凈氮礦化量，N2和N3水平下的凈氮礦化量較N1分別增加了92.3%和30.1%。N3水平下凈氮礦化量在培養(yǎng)第7～73 d時都顯著高于N2和N1水平

表 3 土壤凈氨化量的雙因素方差分析 (F)Table 3 Two-way analysis of variance on soil net ammonification

的，N2水平下的凈氮礦化量僅在13和31 d時顯著高于N1水平。三個施氮水平在第21 d時凈氮礦化量都出現(xiàn)了明顯的下降，達到整個91 d的最低值。培養(yǎng)91 d時，N2的土壤凈氮礦化量較N1和N3水平下的顯著增加了97.8%和47.8%。W2條件下，三個施氮水平下的土壤凈氮礦化量呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象，增施氮肥提高了黑麥草還田過程中土壤氮素礦化量。第13 d時，各施氮水平的凈氮礦化量出現(xiàn)第一次高峰，且N3和N2顯著高于N1。第31d時，各施氮水平出現(xiàn)第二次礦化高峰，三個施氮水平凈氮礦化量順序為N3 ＞ N2 ＞ N1，且三者之間存在顯著差異。N3在培養(yǎng)第57 d時出現(xiàn)第三次高峰，而N2和N1在第73 d時才出現(xiàn)，且N2 ＞ N3 ＞ N1。在91 d時，N1水平下的土壤氮素礦化量顯著高于N2和N3水平。W3條件下，氮素的添加顯著提高了土壤凈氮礦化量。在培養(yǎng)第1 d，N3水平下的土壤凈氮礦化量顯著高于N2和N1。第13 d時，三個施氮水平的土壤凈氮礦化量出現(xiàn)第一次峰值，且N3和N2均顯著高于N1。培養(yǎng)第31 d時，三個施氮水平的土壤凈氮礦化量出現(xiàn)第二次峰值，土壤凈氮礦化量順序為N3 ＞ N2 ＞ N1，且三者之間存在顯著差異。第43和57 d時，N2水平下的土壤凈氮礦化量顯著高于N3和N1水平。91 d時，土壤凈氮礦化量在N2和N3水平下均顯著高于N1水平，且N3水平下顯著高于N2。

圖 3 各試驗處理土壤凈氮礦化量Fig. 3 Soil net nitrogen mineralization

從雙因素方差分析結(jié)果 (表4) 來看，施氮量和土壤含水量在黑麥草還田過程中不同時期均對土壤凈礦化量均有極顯著的影響。從F值可以看出，施氮量和土壤含水量的交互作用也對土壤氮礦化有極顯著的影響。

表 4 土壤凈氮礦化量的雙因素方差分析 (F)Table 4 Two-way analysis of variance on soil net nitrogen mineralization

3 討論

本研究表明，施氮有利于提高土壤含水量15%時黑麥草還田初期土壤硝態(tài)氮含量，但抑制了還田后期土壤硝化作用。土壤含水量30%時，施氮抑制了黑麥草還田后期土壤硝化作用。土壤含水量45%時抑制了黑麥草還田初期不同施氮水平下土壤凈硝化量，但增加了黑麥草還田后期 (91 d) 土壤硝化量，施氮量60 mg/kg下的凈硝化量顯著高于120 mg/kg水平下的。土壤含水量的增加抑制了黑麥草還田初期的土壤硝化作用，但提高了黑麥草還田后期土壤凈硝化量?；瘜W(xué)氮肥多引起土壤有機氮的正激發(fā)效應(yīng)，有機氮肥的凈激發(fā)量為負值[33]。在黑麥草還田初期，黑麥草的易降解部分迅速被微生物分解吸收，導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量顯著降低。張樹蘭等[34]研究表明施用尿素可顯著提高土壤的礦化作用。同時，土壤水分是影響土壤礦化作用的重要環(huán)境因子。土壤水分將通過改變土壤通氣狀況，改變微生物群落結(jié)構(gòu)及活性[35]，進而影響氮素礦化過程中的硝化、氨化和反硝化作用。土壤含水量較低，會限制土壤微生物的生長，抑制土壤氮礦化；而土壤含水量太高，嫌氣的土壤環(huán)境反硝化作用較強，可降低土壤氮礦化速率[36]。適宜的水分范圍有利于養(yǎng)分的釋放，增加氨氧化細菌的種群數(shù)量和活性[37]，研究表明，稻田土壤水分為田間持水量的60%～65%時是最適宜硝化作用的水分狀態(tài)[38]。錢琛等[39]研究發(fā)現(xiàn)，向紅壤添加尿素并保證O2供應(yīng)的情況下，硝化速率隨著水分的增加而遞增，足夠的水分有利于硝化作用的發(fā)生。合適的土壤含水量有利于土壤硝化作用的發(fā)生。

在本研究中，施氮和土壤含水量顯著影響了土壤凈氨化量。土壤凈氨化量在整個黑麥草還田過程中均為正值，且呈現(xiàn)多次先增加后降低的動態(tài)變化。土壤含水量30%有利于促進黑麥草還田中期土壤的氨化作用，土壤含水量45%降低了黑麥草還田后期土壤凈氨化量。土壤凈氨化量保持正值可能是由于試驗中添加的氮素為硫酸銨，可以增加氨化作用形成其次黑麥草還田降解過程中釋放的主要也是銨態(tài)氮[40]。有研究表明種植黑麥草的煙田釋放的氨氣顯著高于種植油菜的煙田[41]。趙長盛等[42]研究表明黃棕壤的氨化速率基本隨含水量的增加而增加。土壤含水量45%，還田后期凈氨化量下降的原因可能是土壤含水量過高時土壤中O2含量下降，從而導(dǎo)致厭氧微生物如反硝化細菌的作用加強，使部分無機氮以氣體形式散失[43]。

施氮和土壤含水量顯著影響了土壤凈氮礦化量。相比不施氮，三個含水量條件下的施氮處理在黑麥草還田過程中的大部分階段都顯著增加了土壤凈氮礦化量，土壤含水量30%條件下土壤凈氮礦化量的變化最大。盧萍等[44]研究表明在無機氮充足的情況下，碳氮比低的綠肥腐熟分解，使土壤礦質(zhì)氮增加。黑麥草還田過程中土壤凈氮礦化量表現(xiàn)出升高—降低—升高—降低往復(fù)振蕩的態(tài)勢。這種情況在小麥和玉米秸稈還田過程中也存在[45]，可能與土壤中微生物生長動態(tài)及黑麥草化學(xué)組成和分解程度不同有關(guān)。在培養(yǎng)73和91 d時，30%土壤含水量條件下施氮量60 mg/kg顯著高于施氮量120 mg/kg的。這與羅親普等[46]研究結(jié)果類似，在內(nèi)蒙古溫帶典型草原，培養(yǎng)末期低氮處理 [≤5 g N/(m2·a)] 可以促進氮礦化作用，而高氮處理 [25 g N/(m2·a)] 一定程度上抑制了土壤氮礦化。相比土壤含水量15%，30%含水量促進了黑麥草還田中期 (13～57 d) 土壤凈氮礦化量的增加，45%含水量抑制了黑麥草還田后期 (73～91 d)土壤凈氮礦化量。不同的土壤含水量對土壤氮礦化過程影響差異很大[47]。陳伏生等[48]在對中亞熱帶丘陵紅壤氮素礦化的研究中也發(fā)現(xiàn)，只有適宜的土壤水分含量才有利于土壤氮素的礦化。水分和施氮量可能通過影響土壤微生物數(shù)量和活性，調(diào)控了土壤硝化和氨化作用的發(fā)生強度，導(dǎo)致了土壤氮素的動態(tài)變化。

4 結(jié)論

雙因素方差分析結(jié)果表明，土壤含水量和施氮量顯著影響了紅壤旱地黑麥草還田過程中的土壤氮礦化。紅壤地黑麥草還田初期，施氮量的增加提高了土壤中氮素的硝化和氨化作用；土壤含水量30%提高了土壤氨化作用，但土壤含水量達到45%時，一定程度上抑制了土壤硝化和氨化作用。黑麥草還田中期，土壤中礦化作用變化較大，施氮促進了土壤氨化作用但施氮量120 mg/kg明顯抑制了土壤硝化作用；土壤含水量30%提高了土壤氨化作用，但土壤含水量達到45%時，一定程度上抑制了土壤硝化和氨化作用。黑麥草還田末期，土壤氮氨化作用顯著降低，且施氮抑制了土壤硝化作用的發(fā)生；土壤含水量30%有利于土壤硝化和氨化作用，土壤含水量達到45%時，一定程度上抑制了土壤硝化和氨化作用。

綜合來看，從促進作物生長和節(jié)約化肥資源來考慮，紅壤旱地黑麥草還田時應(yīng)進行合理施氮 (60 mg/kg)，還田初期應(yīng)該保持較高的土壤含水量(45%)，抑制土壤的氮礦化作用，減少氮素的淋溶或揮發(fā)，還田中后期應(yīng)該適當(dāng)降低土壤含水量 (30%)，增加土壤氮素的礦化，有利于作物對氮素養(yǎng)分的吸收，提高氮素利用效率。

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