劉小娥，蘇世平，孟慶海，楊娥女，盧昊鵬

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

北方旱作農(nóng)業(yè)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的地位，主要分布在低山丘陵區(qū)，早春氣溫低、熱量不足，降雨量少且分布集中，影響作物的出苗和苗期的形態(tài)建成，進(jìn)而影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成[1-2].近年來，全膜雙壟集雨溝播技術(shù)較其它地膜覆蓋方式更有效的增加土壤溫度、能夠?qū)⑸倭康慕邓谧魑锔鶇^(qū)富集疊加[3]，有效的解決了半干旱區(qū)長期以來作物產(chǎn)量低下的問題，被認(rèn)為是提高土地生產(chǎn)力的新型技術(shù)[4]，廣泛的應(yīng)用于玉米的種植[1,5-6].

氮素是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素之一，植物主要吸收土壤中的無機(jī)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)，而土壤中95%以上的氮素是以有機(jī)氮的形式存在，因此，必須經(jīng)過礦化作用將土壤中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成為無機(jī)氮才能夠被植物吸收利用.很多研究表明地膜覆蓋能增加土壤氮素的礦化量[7-9]， Clarkson等[10]研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋增加了土壤無機(jī)氮的含量從而降低了其淋洗的風(fēng)險(xiǎn)，Zhang等[9]在對(duì)花生地的研究表明地膜覆蓋增加了土壤氮素的礦化；Wang等[11]對(duì)半干旱區(qū)玉米的研究發(fā)現(xiàn)土壤水熱條件的改善，增加了土壤的微生物活性，從而增加了氮素的礦化速率.但對(duì)于全膜雙壟溝播技術(shù)增加土壤氮素礦化的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究.因此，本研究在前人的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法，研究土壤氮素的礦化過程，探討地膜覆蓋下土壤的供氮能力，為優(yōu)化田間氮肥管理措施提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅省蘭州市榆中縣小康營鄉(xiāng)小康營村N 35°54′,E 104°05′，海拔2 013 m.2018年該地區(qū)年平均氣溫6.6 ℃，年降水量為563.0 mm，其中70%集中在7～9月份，屬于降水偏多的年份.≥10 ℃積溫2 134.0 ℃，無霜期130 d.供試土壤為黃綿土(砂粒占6.3%，粉粒占72.1%，粘粒占21.2%)，其中表層0～15 cm土壤全氮含量為1.0 g/kg，土壤有機(jī)碳含量為9.8 g/kg，土壤無機(jī)氮含量為24.4 mg/kg，速效磷含量為13.6 mg/kg，土壤容重為1.23 g/cm，pH 值為8.4.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用全膜雙壟溝播的種植方式(大壟寬70 cm，高10 cm，小壟寬40 cm，高15 cm，壟面之間為播種溝)，共設(shè)4個(gè)處理，分別為不覆膜不種玉米 (CK)、覆膜不種玉米 (F)、不覆膜種玉米 (M)、覆膜種玉米 (MF)，每個(gè)處理3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列.小區(qū)面積為39.6 m2(6.6 m × 6 m).覆膜處理采用120 cm寬、厚度為0.008 mm的聚乙烯農(nóng)用塑料薄膜全膜覆蓋.供試的玉米品種為‘酒單4號(hào)’，種植密度為52 500株/hm2(株距為35 cm).試驗(yàn)地施入尿素600 kg/hm(含N 46%)，過磷酸鈣750 kg/hm2(含P2O512%)，全部用作基肥.播種日期為2018年4月28日，收獲日期為2018年10月8日.

1.3 土壤樣品的采集與測定

在玉米生長發(fā)育最旺盛的時(shí)期(孕穗期，2018年7月15日)進(jìn)行土壤樣品的采集，每個(gè)小區(qū)選取10個(gè)點(diǎn)(其中壟上5個(gè)點(diǎn)，種植溝5個(gè)點(diǎn))，采集0～15 cm土壤樣品，將土壤混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，過2 mm的篩，進(jìn)行土壤樣品的測定：土壤含水量的測定采用烘干法；土壤微生物量碳和氮采用氯仿熏蒸提取法；土壤無機(jī)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)采用凱氏法.

在玉米生長發(fā)育最旺盛的時(shí)期，連續(xù)3 d(7月14日、15日、16日)測定土壤的溫度(從8∶00到20∶00，每隔2 h測定1次，計(jì)算日平均氣溫)，連續(xù)3 d日平均氣溫的平均值作為7月15日的土壤溫度.

土壤氮素礦化的試驗(yàn)采用室內(nèi)培養(yǎng)[12]的方法測定.稱取20 g新鮮土樣放入100 mL的三角瓶中，均勻的加入6 mL的蒸餾水，用封口膜封口(用牙簽扎幾個(gè)小孔，保持通氣)，放入25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，在整個(gè)過程中采用恒重法加水.在培養(yǎng)的14 d和28 d，取出三角瓶，進(jìn)行硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測定.通過下列公式計(jì)算土壤氮素的礦化量和凈礦化速率：

土壤氮素凈礦化量(mg/kg)=培養(yǎng)后的土壤無機(jī)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和)-培養(yǎng)前的土壤無機(jī)氮

土壤氮素的凈礦化速率(mg/kg/d)=土壤氮素凈礦化量/培養(yǎng)天數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行分析，采用單因素方差分析對(duì)比各處理之間的差異.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤含水量和土壤溫度

地膜覆蓋對(duì)土壤含水量和土壤溫度的影響與是否種植玉米有關(guān)(圖1).在不種玉米的條件下，覆膜處理(F)的土壤含水量為20.78%，較不覆膜處理(CK)增加了35.22%(P<0.05)；在有玉米種植的條件下，覆膜處理(MF)的土壤含水量為16.19%，與不覆膜處理(M)之間沒有差異(P>0.05) (圖1).在不種玉米的條件下，覆膜處理(F)的土壤溫度為30.72 ℃，較不覆膜處理(CK)增加了15.47%(P<0.05)；在有玉米種植的條件下，覆膜處理(MF)的土壤溫度為22.58 ℃，與不覆膜處理(CK)之間沒有差異(P>0.05).

圖1 不同處理的土壤含水量和土壤溫度Figure 1 Soil moisture content and soil temperature in different treatments

2.2 不同處理土壤微生物量碳和微生物量氮

地膜覆蓋和種植玉米均不同程度的增加了土壤微生物量碳和土壤微生物量氮的含量(P<0.05)(圖2).覆膜處理(F和MF)的土壤微生物量碳分別為220.03 mg/kg和232.86 mg/kg，較不覆膜處理(CK和M)分別增加了10.95%和7.43% (P≤0.05)；種植玉米處理(M和MF)的土壤微生物量碳分別為216.75 mg/kg和232.86 mg/kg，較不種植玉米處理(CK和F)分別增加了9.30%和5.83% (P<0.05)(圖2).覆膜處理(F和MF)的土壤微生物量氮分別為56.73 mg/kg和62.58 mg/kg，較不覆膜處理(CK和M)分別增加了12.67%和19.26%(P<0.05)；，MF較M增加了10.31% (P<0.05)，在不覆膜處理下(F和CK)差異不顯著(P>0.05，圖2).

2.3 不同處理土壤氮素凈礦化

2.3.1 不同處理土壤凈氮素礦化量 土壤氮素凈礦化量表征土壤中的有機(jī)氮向無機(jī)氮轉(zhuǎn)化過程的強(qiáng)弱，若土壤氮素凈礦化量為正，表明土壤氮素的礦化作用大于固持作用，為負(fù)則表示固持作用大于礦化作用.不管是地膜覆蓋和種植玉米，還是培養(yǎng)時(shí)間對(duì)土壤氮素的凈氨化量都沒有顯著的影響(P>0.05，表1).

地膜覆蓋、種植玉米和培養(yǎng)時(shí)間對(duì)土壤氮素的凈硝化量和凈礦化量均有顯著的影響(P<0.05，表1).各處理0～14 d培養(yǎng)的土壤氮素凈硝化量和凈礦化量均顯著大于14～28 d培養(yǎng)的(P<0.05，表1).0～14 d培養(yǎng)期間，覆膜處理(F和MF)較不覆膜處理(CK和M)，土壤凈硝化量分別增加了22.60%和49.32%(P<0.05)，土壤凈礦化量分別增加了21.85%和44.75%(P<0.05)；種植玉米對(duì)土壤氮素凈硝化量和凈礦化量的影響只在覆膜處理下(MF和M)顯著，MF較M土壤氮素凈硝化量和凈礦化量分別增加了17.78%和12.07%(P<0.05)，在不覆膜處理下(F和CK)差異不顯著(P>0.05，表1)；14～28 d培養(yǎng)期間，覆膜處理(F和MF)較不覆膜處理(CK和M)，土壤凈硝化量分別增加了134.13%和176.42%(P<0.05)，土壤凈礦化量分別增加了150.55%和194.99%(P<0.05)；種植玉米對(duì)土壤氮素凈硝化量和凈礦化量的影響只在覆膜處理下(MF和M)顯著，MF較M土壤氮素凈硝化量和凈礦化量分別增加了29.95%和31.10%(P<0.05)，在不覆膜處理下(F和CK)差異不顯著(P> 0.05，表1).

圖2 不同處理土壤微生物量碳和微生物量氮含量Figure 2 Microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen in different treatments

表1 不同處理土壤氮素礦化量

不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05).

Different lowercase letters show sighificant difference between different treatment.

2.3.2 不同處理土壤氮素凈礦化速率 地膜覆蓋、種植玉米和培養(yǎng)時(shí)間均對(duì)土壤氮素的凈氨化速率沒有顯著的影響(P>0.05，表2).地膜覆蓋、種植玉米和培養(yǎng)時(shí)間不同程度的顯著增加了土壤氮素的凈硝化速率和凈礦化速率的含量(P<0.05)，其增加的幅度與土壤氮素硝化量和礦化量相同(表2)，是因?yàn)樵谂囵B(yǎng)的過程中土壤氮素的銨化量不到總礦化量的10%.

表2 不同處理土壤氮素礦化速率

不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05).

Different lowercase letters show sighificant difference between different treatment.

2.4 不同處理土壤無機(jī)氮

土壤銨態(tài)氮的含量較低，占土壤無機(jī)氮含量的比例不到10%(圖3)，地膜覆蓋對(duì)土壤銨態(tài)氮沒有顯著的影響(圖3)，種植玉米增加了土壤銨態(tài)氮的含量(P<0.05，圖3).

地膜覆蓋和種植玉米對(duì)土壤的硝態(tài)氮和無機(jī)氮均有顯著的影響(P<0.05，圖3).覆膜處理(F和MF)較不覆膜處理(CK和M)，土壤硝態(tài)氮分別增加了123.89%和115.74% (P<0.05)，土壤無機(jī)氮分別增加了118.88%和110.98%(P<0.05)；種植玉米處理(M和MF)較不種植玉米處理(CK和F)，土壤硝態(tài)氮分別增加了29.25%和24.54%(P<0.05)，土壤無機(jī)氮分別增加了29.32%和24.65%(P<0.05，圖3).

圖3 不同處理土壤無機(jī)氮含量Figure 3 Soil inorganic nitrogen content in different treatments

3 討論

本研究結(jié)果表明：地膜覆蓋顯著的增加了土壤溫度，其主要原因是覆膜降低了太陽短波輻射的反射率[13]，并阻擋了來自于地面的長波輻射，從而增加了地面的凈輻射量[14]，達(dá)到增溫的效果.種植玉米后，達(dá)到地面的太陽輻射隨著玉米的生長發(fā)育而變化，在玉米生長的旺盛時(shí)期(取樣的時(shí)間)，較大的玉米冠層對(duì)太陽光的短波輻射反射和攔截較多，從而減少了地面的凈輻射量[15-16]，所以覆膜種玉米處理增溫效果不明顯.地膜覆蓋增加土壤含水量，地膜覆蓋溝壟栽培模式最大限度的抑制了土壤蒸發(fā)，并能將無效降水(小雨)重新分配疊加到播種溝被作物吸收而變成有效降水[3-4,17-18]；種植玉米后地膜覆蓋對(duì)土壤含水量的影響不顯著，是因?yàn)楦材ぜ涌炝擞衩咨L發(fā)育的速度，地上和地下生物量顯著增加，從而顯著的增加了蒸騰量[11,19-21].地膜覆蓋下土壤溫度和含水量的增加有效的改變了黃土高原早春氣溫低和降雨量少導(dǎo)致的出苗難和成活難的問題，從而有利于糧食高產(chǎn)的形成[4,21].

本研究結(jié)果表明：在玉米生長發(fā)育最旺盛的時(shí)期，地膜覆蓋和種植玉米均促進(jìn)土壤氮素的礦化，是因?yàn)榈啬じ采w改善了土壤的水熱條件(圖1)，增加了土壤的微生物量(圖2).有研究表明地膜覆蓋增加了土壤微生物量和相關(guān)酶的活性[11,22-23]，從而加快了土壤有機(jī)氮向無機(jī)氮轉(zhuǎn)化的速度[24-26].另外，土壤溫度升高會(huì)導(dǎo)致微生物群落成分向土壤中有效氮轉(zhuǎn)化功能的轉(zhuǎn)變[27]，因此，地膜覆蓋處理較不覆膜處理土壤微生物活性的增加和微生物群落組成的變化可能會(huì)加速土壤中的有機(jī)氮的礦化.本結(jié)果說明土壤氮素的轉(zhuǎn)化對(duì)土壤水熱條件的變化較為敏感，也有可能是在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤具有較低的碳氮比[28].土壤氮素礦化速率的增加，在一定程度上增加了土壤的氮素的有效性[8,22,29].種植玉米增加了土壤的微生物量碳和氮的含量，是因?yàn)橛衩赘翟诖x的過程中根際產(chǎn)生了分泌物，為土壤微生物的生長提供了豐富的能量與營養(yǎng)，促進(jìn)了土壤微生物數(shù)量的增加，加快了土壤氮素的礦化量和礦化速率[30-32].Jensen等[33]對(duì)大麥的研究表明：在大麥播種6 d后，根際土壤的微生物量氮較非根際的含量高33%～97%，另外，根系分泌物能夠增加根際微生物的多樣性[34].

4 結(jié)論

地膜覆蓋增加了土壤含水量和土壤溫度；地膜覆蓋和種植玉米均增加了土壤微生物量碳和微生物量氮的含量；在室內(nèi)培養(yǎng)的0～14和14～28 d，地膜覆蓋和種植玉米顯著增加了土壤氮素的凈硝化速率和凈礦化速率，從而增加了土壤氮素的消化量和礦化量；地膜覆蓋和種植玉米處理下土壤礦化速率的增加增加了土壤無機(jī)氮的含量.