劉海林，雷 菲，貝美容，林清火，茶正早，羅 微*

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所/中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料中心，海南 儋州 571737；2.海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與土壤研究所，海南 ?？?571100)

【研究意義】海南是我國重要植膠區(qū)，植膠土壤多為磚紅壤[1]，其特殊氣候條件及土壤類型，導(dǎo)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(nóng)作物中積累的氮素約有50 %來自土壤，在有些土壤中甚至達(dá)70 %以上[6]。因此，膠園土壤氮素肥力管理對橡膠樹生產(chǎn)尤為重要。而土壤氮素供應(yīng)主要是通過礦化作用將難被作物吸收的有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為可被植物直接吸收利用的無機(jī)態(tài)氮[7]，礦化作用是供給作物生長所需氮素和其他養(yǎng)分的關(guān)鍵過程[8]。【前人研究進(jìn)展】許多學(xué)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(jìn)行了研究。如彭顯龍等[9]研究發(fā)現(xiàn)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?yàn)楹谕?潮土>紅壤，且高有機(jī)質(zhì)土壤大于低有機(jī)質(zhì)土壤；陸琳等[11]研究不同質(zhì)地植煙土壤發(fā)現(xiàn)，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(guān)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】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(fā)出來的，成土母質(zhì)多為花崗巖、玄武巖、片麻巖等風(fēng)化發(fā)育而來，其成土母質(zhì)差異較大，而且橡膠樹具有其長周期經(jīng)濟(jì)林木的特殊性。為此，本研究以淺海沉積物發(fā)育磚紅壤、花崗巖發(fā)育磚紅壤、砂頁巖發(fā)育磚紅壤、片麻巖發(fā)育磚紅壤、玄武巖發(fā)育磚紅壤五種膠園土壤為供試土壤，采用室內(nèi)恒溫好氣培養(yǎng)試驗(yàn)，在25和35 ℃下培養(yǎng)70 d，測定培養(yǎng)前后土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，分析不同母質(zhì)膠園土壤氮素礦化量。【擬解決關(guān)鍵問題】明確海南植膠區(qū)五種母質(zhì)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(jù)。

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(fā)育磚紅壤Q、花崗巖發(fā)育磚紅壤H、砂頁巖發(fā)育磚紅壤S、片麻巖發(fā)育磚紅壤P、玄武巖發(fā)育磚紅壤X，土壤具體理化性質(zhì)見表1。

1.2 磚紅壤室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)

采用室內(nèi)恒溫好氣培養(yǎng)法，試驗(yàn)前100 g供試土壤裝入塑料培養(yǎng)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(yǎng)箱中培養(yǎng)。分別于第1、3、7、14、21、35、49、70天進(jìn)行破壞性取樣。每次每個處理各取3個重復(fù)，將每杯土壤混勻，取鮮土，浸提，過濾，用連續(xù)流動分析儀(SEAL AutoAnalyzer3-AA3，德國生產(chǎn))測定提取液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。培養(yǎng)期間采用稱重法定期補(bǔ)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(jìn)行擬合，方程如下：

表1 供試土壤理化性質(zhì)

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(yǎng)溫度(℃)，To為有效積溫(℃)(15 ℃為有效積溫)，D為培養(yǎng)時間(d)，k和n為土壤氮素礦化特征常數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

土壤氮素有效積溫方程采用SPSS 軟件進(jìn)行擬合，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft office Excel軟件和SPSS 軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠園土壤銨態(tài)氮含量變化

由圖1可知，在25和35 ℃培養(yǎng)下，各膠園土壤中銨態(tài)氮含量均表現(xiàn)為先升高后減小趨勢。在25 ℃培養(yǎng)下，淺海沉積物磚紅壤和砂頁巖磚紅壤的銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)21 d時達(dá)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(tài)氮含量在培養(yǎng)14 d時達(dá)峰值，分別為19.38、16.66 mg/kg；而玄武巖磚紅壤的銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)7 d時最高，為17.84 mg/kg。其中，花崗巖磚紅壤的銨態(tài)氮含量從培養(yǎng)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(yǎng)7 d之后銨態(tài)氮含量迅速下降，當(dāng)培養(yǎng)至21 d時銨態(tài)氮含量僅為5.13 mg/kg，片麻巖磚紅壤從培養(yǎng)14 d后銨態(tài)氮含量快速下降，當(dāng)培養(yǎng)至35 d時銨態(tài)氮含量僅為4.20 mg/kg。在35 ℃培養(yǎng)下，淺海沉積物磚紅壤的銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)21 d時達(dá)最大值，花崗巖磚紅壤和砂頁巖磚紅壤的銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)14 d時達(dá)最高，片麻巖磚紅壤和玄武巖磚紅壤的銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)7 d時達(dá)最大值；比較膠園土壤銨態(tài)氮含量最大值發(fā)現(xiàn)，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(dāng)各膠園土壤銨態(tài)氮含量達(dá)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(tài)氮含量迅速下降，其中玄武巖磚紅壤的銨態(tài)氮含量下降最快，在培養(yǎng)14 d時銨態(tài)氮含量降至4.59 mg/kg。另外，對比25和35 ℃培養(yǎng)下各膠園土壤銨態(tài)氮含量可知，溫度升高能夠增加膠園土壤中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，增加土壤中銨態(tài)氮含量。

2.2 膠園土壤硝態(tài)氮含量變化

由圖2可知，在25和35 ℃培養(yǎng)下，各膠園土壤中硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為隨培養(yǎng)時間增加而升高趨勢。在25 ℃培養(yǎng)下，玄武巖磚紅壤的硝態(tài)氮曲線為拋物線型，即前期硝態(tài)氮含量快速增加，當(dāng)培養(yǎng)至35 d之后，硝態(tài)氮含量緩慢增加，整個培養(yǎng)期間內(nèi)，硝態(tài)氮含量均大于其他膠園土壤；而其余4種膠園土壤培養(yǎng)前期硝態(tài)氮含量均維持平穩(wěn)或略微增加，當(dāng)培養(yǎng)至21 d之后硝態(tài)氮含量快速增加；培養(yǎng)至70 d時，各膠園土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)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(tài)氮含量為41.61 mg/kg，為淺海沉積物磚紅壤硝態(tài)氮含量的2.12倍。在35 ℃培養(yǎng)下，玄武巖磚紅壤和片麻巖磚紅壤的硝態(tài)氮曲線均為拋物線型，整個培養(yǎng)期間內(nèi)，玄武巖磚紅壤的硝態(tài)氮含量均大于其他膠園土壤；而其余3種膠園土壤的硝態(tài)氮含量在0～14 d均無明顯增加，培養(yǎng)14 d之后硝態(tài)氮含量迅速增加；比較各膠園土壤第70 天時硝態(tài)氮含量發(fā)現(xiàn)，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(tài)氮含量接近。另外，對比25和35 ℃培養(yǎng)下各膠園土壤硝態(tài)氮含量可知，溫度升高能夠加快膠園土壤中銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，增加土壤中硝態(tài)氮含量。

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

圖2 膠園土壤硝態(tài)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(zhì)氮量(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和)之差，是影響土壤氮素供應(yīng)量的重要因素[7]。由表2可知，在25 ℃培養(yǎng)下，各膠園土壤氮素礦化量表現(xiàn)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(dāng)35℃培養(yǎng)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?？梢?，在25和35 ℃培養(yǎng)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(qiáng)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(huán)境因素之一[12]，由表2可知，當(dāng)培養(yǎng)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(yǎng)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(dāng)培養(yǎng)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?。欢鴾\海沉積物磚紅壤則相反，當(dāng)培養(yǎng)溫度從25 ℃升高到35 ℃時，有效積溫方程k值減小，n值增大?？梢?，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(biāo)，是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[13]。有研究表明，海南植膠區(qū)施肥嚴(yán)重不足，橡膠樹生長和產(chǎn)膠所需的大量養(yǎng)分由土壤供應(yīng)[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(yǎng)分供應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn)，在25和35 ℃培養(yǎng)下，各膠園土壤中銨態(tài)氮含量均表現(xiàn)為先升高后減小趨勢，各膠園土壤中硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為隨培養(yǎng)時間增加而升高趨勢。在25 ℃培養(yǎng)下，各膠園土壤氮素礦化量(70 d)表現(xiàn)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(dāng)35 ℃培養(yǎng)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?？梢?，在25和35 ℃培養(yǎng)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(guān)系數(shù)達(dá)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(zhì)差異而不同，如土壤速效磷[14]、土壤水分含量[15]、pH[14]、土壤質(zhì)地[16]、土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)氮[17]等。其中，土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)氮含量是最主要因素[15]，土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量有良好的相關(guān)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(jī)質(zhì)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(jié)論基本一致。

溫度是影響土壤氮素礦化的一個重要環(huán)境因素[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)論一致，通過對比25和35 ℃培養(yǎng)下各膠園土壤銨態(tài)氮含量可知，溫度升高能夠增加膠園土壤中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，增加土壤中銨態(tài)氮含量。同時，溫度升高能夠加快膠園土壤中銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，增加土壤中硝態(tài)氮含量。當(dāng)培養(yǎng)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(yǎng)增加倍數(shù)發(fā)現(xiàn)，淺海沉積物磚紅壤在35 ℃下氮素礦化量為25 ℃培養(yǎng)下的1.87倍，表現(xiàn)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(jī)械組成(表1)和美國農(nóng)部制土壤質(zhì)地三角圖可知，淺海沉積物磚紅壤和砂頁巖磚紅壤為砂質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(jié)果一致。另外，當(dāng)培養(yǎng)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??；而淺海沉積物磚紅壤則相反，當(dāng)培養(yǎng)溫度從25 ℃升高35 ℃時，有效積溫方程k值減小，n值增大。

4 結(jié) 論

25和35 ℃培養(yǎng)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(jī)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)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(dāng)培養(yǎng)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)。