地表覆盖对西北旱地土壤有机氮累积及矿化的影响.pdf

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1、中国农业科学 2010,43(3):507-513 Scientia Agricultura Sinica doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2010.03.009 收稿日期：2009-05-12；接受日期：2009-08-31 基金项目：国家自然科学基金资助项目（40671107）、国家“十一五”科技支撑项目（2008BADA4B09;2006BAD25B09）作者简介：谢驾阳，硕士。Tel：15811169740；E-mail：mirror-。通信作者王朝辉，教授，博士。Tel：029-87082234；E-mail：w- 地表覆盖对西北旱地土壤有机氮累积及矿化的影

2、响 谢驾阳，王朝辉，李生秀，田霄鸿（西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100）摘要：【目的】认识土壤氮素的转化和供应过程，是优化作物栽培和氮素养分管理的关键。【方法】本文采用 5 年田间长期定位试验的土壤，研究了地表覆草和覆膜栽培对旱地土壤氮素矿化和供氮能力的影响。【结果】与常规栽培相比，地表长期覆草会提高土壤氮素矿化势，降低矿化速率；覆膜则会降低土壤氮素矿化势，提高矿化速率，覆草、覆膜和常规栽培的矿化势分别为 25.029.7、23.225.9、23.326.2 mgkg-1。不施氮时，覆草和覆膜均能提高土壤有机氮含量，增加土壤轻质有机氮含量；施氮后，覆草能增加土壤有机氮和轻质有

3、机氮含量，但覆膜却降低了土壤有机氮和轻质有机氮含量。施氮 240 kghm-2时，地表覆草、覆膜和常规栽培土壤的有机氮含量分别为 1.03、0.95 和 0.96 gkg-1，轻质有机氮分别为 51、35 和 37 mgkg-1。【结论】作物生长过程中，地表覆草栽培能使土壤将较多的矿质氮转化形成可矿化有机氮；覆膜栽培则不利于土壤的有机氮累积。因此，覆草栽培虽增加了土壤氮素供应能力，但为实现作物增产，需增加氮肥投入或在作物需氮较多的生长阶段补充氮肥，覆膜栽培则需要注意配施有机肥。关键词：覆草；覆膜；氮矿化势；轻质有机氮 Effects of Different Surface Mulching

4、on Soil Organic Nitrogen Accumulation and Mineralization in Dryland of Northwestern China XIE Jia-yang,WANG Zhao-hui,LI Sheng-xiu,TIAN Xiao-hong(College of Resources and Environmental Science,Northwest Agricultural and Forestry University,Yangling 712100,Shaanxi)Abstract:【Objective】Understanding soi

5、l nitrogen transformation and supplying process is the key for optimizing crop cultivation and nitrogen managements.【Method】In this paper,soils were sampled from a 5-year-long field experiment to study the effects of different soil surface mulching on soil organic nitrogen accumulation and mineraliz

6、ation in dryland of northwestern China.【Result】The results showed that compared to conventional cultivation,long term surface mulching with straw increased soil nitrogen mineralization potential but decreased mineralization rate.Mulching with plastic-film decreased nitrogen mineralization potential,

7、but increased mineralization rate.The nitrogen mineralization potential for the conventional cultivation,straw mulching and plastic film mulching was 25.0-29.7,23.2-25.9 and 23.3-26.2 mgkg-1,respectively.Without N application,straw and plastic-film mulching increased soil organic nitrogen and light

8、fraction organic nitrogen contents.When N was fertilized,straw mulching could increase soil organic nitrogen and light fraction organic nitrogen contents,while plastic-film mulching decreased their contents.At N rate of 240 kghm-2,the organic nitrogen content was 1.03,0.95 and 0.96 gkg-1,and the lig

9、ht fraction organic nitrogen content was 51,35 and 37 mgkg-1 for the conventional cultivation,straw mulching and plastic film mulching,respectively.【Conclusion】It is concluded that surface mulching with straw causes soil to immobilize more mineral N into mineralisable organic N,while with plastic fi

10、lm is not beneficial to organic nitrogen accumulation.Therefore,in order to increase crop yield,more nitrogen fertilizer is needed or supplemental N fertilizer should be applied at the key nitrogen requirement stage under straw mulching cultivation as it could increase soil N supply capacity.For pla

11、stic film mulching,more attention should be paid to application of organic fertilizer.Key words:straw mulching;plastic-film mulching;nitrogen mineralization potential;light fraction organic nitrogen 508 中 国 农 业 科 学 43 卷 0 引言【研究意义】地表覆盖是一项有效的旱作农业技术，是用人工方法在土壤表面设置一道物理阻隔层，使其产生对农作物有益作用的一项栽培技术措施。近些年来，地表覆盖技

12、术在中国，尤其在中国北方旱作农业地区的推广应用进展迅速。覆盖物质主要有砂砾、秸秆、作物残茬、地膜等1，其中最有应用价值的是地膜和秸秆覆盖。研究二者作用的特点及差异，有利于在农业生产中根据实际情况合理选择和应用。【前人研究进展】农田地表覆盖通过影响太阳光能对地表的直接辐射以及土壤和大气之间的水、气、热交换，直接影响土壤的水、气、热状况，进而影响土壤的生物活性、土壤有机质的分解以及土壤中养分物质的转化与释放，最终影响土壤的肥力水平2。覆膜能提高作物的水分利用效率，使有限的降水得到合理有效地利用，改善土壤生态环境，即水、热状况3，活化土壤养分4，有利于增加作物对养分的吸收利用5，提高养分有效性和水分

13、利用效率6。但塑料地膜的抗分解特性及广泛使用，使得用后的地膜很难回收和再利用，残存于土壤中的地膜很难自然降解，造成“白色污染”；而且地表全部覆膜不利于降水下渗7，也会改变地表水分入渗的特性，继而影响地区水文状 况8。秸秆覆盖，尽管无明显的增温效果，但稳温效果明显，具有培肥改土、协调养分供应、调节地温、增加降水入渗和减少地表径流等作用9，同时也实现了农业废弃物的资源化利用。但是，秸秆覆盖也存在不足，比如秸秆覆盖后前期土壤温度偏低，影响养分的供给；在肥力低或不施肥时，幼苗生长欠佳，导致作物生长发育延迟；在较大面积上长期实施秸秆覆盖技术，会使许多常见病虫害加重10。【本研究切入点】已有的研究，多是地

14、膜或秸秆覆盖与不覆盖对照的比较，直接比较二者的研究较少，而且主要集中在地表覆盖对土壤水分、温度的影响2-10，本研究以旱地不同地表覆盖栽培长期定位试验的土壤为研究对象，对地表覆草和覆膜栽培旱地土壤有机氮及其组分、土壤供氮过程的差异进行了比较。【拟解决的关键问题】从土壤氮素的转化和供应过程入手，了解覆草和覆膜栽培条件下土壤的氮素矿化和供应特性，为改进旱地地表覆盖保水栽培技术，提高作物产量和维持土壤生产力提供理论依据。1 材料与方法 1.1 试验地点 试验地位于陕西杨凌西北农林科技大学农作一站。该站位于黄土高原南部，海拔 520 m 左右，年均气温 12.9，年均降水量 632 mm 左右，降水主

15、要集中在 79 月，年均蒸发量 1 400 mm，属半湿润易干旱地区，土壤类型为土垫旱耕人为土。供试田块耕层（020 cm）土壤的基本理化性状为土壤容重 1.35 gcm-3，有机质含量为 13.79 gkg-1，全氮 1.07 gkg-1，硝态氮 5.4 mgkg-1，铵态氮 2.4 mgkg-1，有效磷（Olsen-P）15.0 mgkg-1，速效钾 182.4 mg.kg-1，pH 8.25。1.2 试验设计 种植作物为冬小麦，品种为小偃 22。2002 年 10 月旋耕整地后人工播种第一季小麦，播量 135 kghm-2，行距 20 cm。试验设 3 种栽培模式，常规（裸地无灌溉，当地

16、农民常用方式）；覆草（出苗后行间覆盖麦秸，覆草量为 4 500 kghm-2）；覆膜（出苗后小麦行间覆盖地膜）。3 个栽培模式在施磷（P2O5）100 kghm-2的基础上，分别设置 3 个氮水平：0、120、240 kghm-2，氮、磷肥均在播前基施。氮肥采用尿素，含 N 为 46%；磷肥采用普通过磷酸钙，含 P2O5为 12%。试验为完全随机区组设计，重复 4 次，小区面积 28.8 m2。每年 6 月上旬收获小麦，夏季免耕休闲，10 月中旬继续采用上述设计播种冬小麦。1.3 土壤样品采集 2007 年 9 月 15 日在各小区以“S”布点法随机选定 10 个点采集 010 cm 土层的土

17、样，同一小区的土样混合作为一个样本，立即带回实验室，捏碎大土块，混匀，室温（25）下风干。风干后去除根茬过2 mm 筛后备用。1.4 测定项目及方法 1.4.1 轻质有机氮的提取与测定 称取 25.00 g 过 2 mm 筛的土壤，置于 100 mL 离心管中，加入比重 1.70 gmL-1的NaI溶液50 mL，于200 r/min转速下振荡1 h，然后在 1 000g 下离心 20 min，将浮在 NaI 表面的轻质有机质倾倒于装有 0.45 m 纤维滤膜的容器过滤器中进行抽滤，依次用总量 100 mL 的 0.01 molL-1 CaCl2和100 mL的蒸馏水冲洗纤维滤膜上轻质有机质至

18、少3次。再向离心管中加入 50 mL 比重为 1.70 gmL-1的NaI 溶液进行第 2 次浸提，步骤同上。将 2 次浸提的轻质有机质转移至烧杯，在 60下烘干、称重11。烘干的轻质有机质用玛瑙研钵研细，过 0.15 mm 筛后，用浓硫酸消煮-凯氏定氮仪法测定轻质有机氮含量及土壤有机氮。3 期 谢驾阳等：地表覆盖对西北旱地土壤有机氮累积及矿化的影响 509 1.4.2 土壤有机氮的矿化 采用 Stanford 等12提出的间歇淋洗好气培养法测定土壤氮素矿化势。称 25.00 g 过 2 mm 筛的风干土壤和等量石英砂（12 mm）置于 150 mL 烧杯中，加少量蒸馏水湿润后用玻璃棒充分混匀

19、，使其形成具有良好通气结构的土、砂混合物。然后，小心地转入预先铺有一层玻璃丝和 25 g 石英砂的 50 mL 淋洗管中，再在其上铺少量玻璃丝，以免淋洗时，淋洗液直接冲击土、砂混合物，使其分离。装好后轻振数次，然后用 100 mL 0.01 molL-1 CaCl2 溶液以 510 mL 增量淋洗土壤中起始矿质氮，淋洗后加入 40 mL 无氮营养液（2.5 mmolL-1 K2SO4,2 mmolL-1 CaSO4,2 mmolL-1 MgSO47H2O 和0.5 mmolL-1 CaHPO42H2O），多余水分在 80 kPa 负压下抽去。然后管口用塑料膜密封，再扎一个小孔，保持试管内良好通

20、气。将淋洗管放入恒温培养箱中在（351）条件下进行培养。在培养的 1、2、3、4、6、8、10 和12 周取出淋洗管，用 100 mL 0.01 molL-1CaCl2 溶液淋洗移去培养期间土壤产生的矿质氮，加入无氮营养液并抽去多余水分。每次淋洗液用 100 mL 容量瓶接收，定容后，即时用流动分析仪测定淋洗液中 NH4+-N和 NO3-N 含量。1.5 统计方法 所有数据均采用 Excel 2003 和 SAS6.1 处理，方程拟合采用 Prism3.2。2 结果 2.1 不同栽培模式土壤有机氮矿化的动力学过程 土壤氮素矿化是由微生物驱动的将有机氮转化为 无机氮的过程。在一段时间内，矿化产生

21、的无机氮数量不仅取决于有机氮源和碳源的多少，而且与微生物活动的外部条件，诸如温度、有效水分、氧气的补充等因素有关。Stanford 等12的长期间歇淋洗培养法，采用在 35下培养土样，不断淋洗矿化生成的矿质氮来模拟作物吸收。35的培养温度被认为是接近硝化作用而低于氨化作用的最适温度，其它条件均处于最适水平。所获得的累积净矿化氮量与时间的关系用一级动力学方程来描述：Nt=N0 1-exp(-kt)式中，Nt为时间 t 时累积的净矿化氮量，k 为矿化速率常数，N0为矿化势，t 为培养时间。矿化势是指在一定条件，土壤有机氮矿化可释放的最大氮量。众多的研究者用各自的试验数据对一级动力学模型的适用性进行

22、了检验，发现它可以很好地描述土壤氮素矿化特征13。用一级动力学方程，结合 Prism3.2 模型对试验数据进行模拟（图），结果发现，不同地表覆盖土壤累积矿化氮量有明显差异，覆草土壤的累积矿化氮量要显著高于对照，而覆膜土壤与对照相近。从总的矿化趋势来看，土壤累积矿化氮量可以分为两个阶段。一个是培养初期的快速增长阶段；二是随后的缓慢、稳定矿化阶段，但不同地表覆盖土壤的矿化氮累积过程不同。从培养开始到第二周，虽然土壤有机氮矿化速率较快，但不同栽培模式土壤的矿化氮累积量无差异，施氮 0、120、240 kghm-2时分别介于 1314、1516、1516 mgkg-1。此后不同栽培模式间的差异逐渐明显

23、，12 周培养结束后，不施氮时，覆草、覆膜和对照 N0,N120,N240 分别表示施氮水平为 0,120,240 kghm-2 N0,N120 and N240 means that the nitrogen rate is 0,120 and 240 kghm-2,respectively 图 不同施氮水平下 3 种地表覆盖模式土壤在培养期间的有机氮矿化量 Fig.Accumulation of mineral N during 12 weeks of incubation of soils from different surface mulching cultivations unde

24、r three nitrogen rates 510 中 国 农 业 科 学 43 卷 的氮素矿化累积量分别达到 25、23、23 mgkg-1；施氮 120 kghm-2时，分别达到 27、26、26 mgkg-1；施氮 240 kghm-2时，分别达到 29、24、26 mgkg-1。可见，覆草条件下，在作物生长过程中，土壤将较多的矿质氮转化形成了可矿化有机氮；覆膜栽培则不利于土壤的有机氮累积。施氮 240 kghm-2时，覆草栽培土壤矿化出的矿质氮数量明显高于其它模式，说明覆草土壤固定了更多的土壤矿质氮。2.2 不同栽培模式的土壤氮矿化参数 作物生长过程中，土壤有机氮矿化是土壤矿质态氮的

25、主要来源，而土壤氮素矿化势反映了土壤中易矿化有机氮释放的最大潜力13。用一级动力学方程拟合求得的土壤氮素矿化特征参数列于表 1。结果表明，经过 5 年栽培后，不同栽培模式土壤氮素矿化势（N0）差异明显：覆草常规覆膜。不同栽培模式的土壤氮素矿化势在施入氮肥后均有明显的增加；而在同一施氮水平下，不同地表覆盖对土壤的矿化势值的影响同样明显，覆草高于对照，覆膜则低于对照。在施氮 240 kghm-2时，地表覆盖对土壤的氮素矿化势影响最为明显，覆草比对照增加了 16%，覆膜则减少了 6%。这进一步说明，经过覆草栽培，在前季作物生长过程中，土壤固定了较多的矿质态氮，形成活性有机氮，它可以通过矿化作用再释放

26、出来供下季作物利用；而覆膜栽培由于改善了土壤的水、热条件，促进了土壤的氮素矿化，减少了土壤对矿质氮的固定，从而降低了土壤的供氮能力。土壤氮素矿化速率常数（k）的大小表示土壤矿化快慢，是土壤供氮的强度指标。在表征土壤供氮规律时，必须同时考虑 N0和 k13。经过 5 年栽培之后，不同栽培模式土壤的 k 值有明显差异：覆膜常规覆草。其中以施氮 240 kghm-2时最为明显，覆草、覆膜和常规的 k 值分别为 0.056、0.072、0.063，说明可矿化氮每天以 5.6%、7.2%、6.3%的平均速率矿化释放。而在施氮 120 kghm-2时差异最小，各模式的 k 值的变化范围在 0.0610.0

27、62 d-1。随 N0的增大，k 值减小，进一步说明对于矿化潜力低的覆膜栽培土壤来说，随时间的增加，可迅速达到最大矿化量，缺乏对作物持续、长久、大量供氮的能力；而对于覆草栽培的土壤情况却相反。矿化比率=土壤氮素矿化势/土壤有机氮100%，是土壤有机氮生物分解性的一个相对指标。表 1 表明，覆草栽培土壤的矿化比率最高，覆膜栽培的矿化比率最低，证明不同栽培模式土壤中有机氮的抗分解能力不同。究其原因，土壤覆膜后促进了有机氮的矿化，较易分解的含碳、氮有机物在作物的长期栽培过程中已分解殆尽，可供微生物使用的碳、氮少，微生物的活性相对较弱，故其矿化比率低；覆草栽培的土壤获得了新鲜的有机物料，微生物活性增加

28、，有利于促进土壤固定更多的氮素，减缓了土壤中原有含氮有机物的分解或对土壤含氮有机物具有更新作用，也增加了土壤可再分解矿化的有机氮数量。2.3 不同栽培模式下土壤的有机氮和轻质有机氮 经过 5 年栽培后，不同地表覆盖模式对土壤有机氮的累积有显著影响（表 2）。无论施氮与否，或施氮量高低，覆草栽培土壤的有机氮含量均显著高于常规栽培，在施氮 0、120、240 kghm-2时，分别比常规高出7%、3%、7%；而地表覆膜与常规相比无显著差异。轻质有机质主要指尚未完全腐殖化的土壤有机质 表 1 不同栽培模式对土壤氮矿化势和矿化速率常数的影响 Table 1 The nitrogen mineraliza

29、tion parameters of soils from different surface mulching cultivations 施氮水平 N rate (kghm-2)栽培模式 Cultivation models 氮矿化势(N0)Nitrogen mineralization potential(mgkg-1)速率常数(k)Nitrogen mineralization velocity constant(d-1)矿化比率(N0/TON)Percentages of mineralizedN(%)0 覆草 Straw mulch 25.0 0.053 2.52 0 覆膜 Plas

30、tic-film mulch 23.2 0.058 2.37 0 常规 No mulch 23.3 0.057 2.51 120 覆草 Straw mulch 26.7 0.062 2.61 120 覆膜 Plastic-film mulch 25.9 0.061 2.62 120 常规 No mulch 26.2 0.061 2.64 240 覆草 Straw mulch 29.7 0.056 2.89 240 覆膜 Plastic-film mulch 24.1 0.072 2.53 240 常规 No mulch 25.7 0.063 2.67 3 期 谢驾阳等：地表覆盖对西北旱地土壤有

31、机氮累积及矿化的影响 511 部分，具有明显的易变性，是土壤有机质的活性部 分14。与轻质有机质相对应，存在于土壤轻质有机质部分的氮称轻质有机氮，也称为活性有机氮。栽培模式对土壤轻质有机氮影响同样显著。无论施氮与否，或施氮量高低，覆草栽培土壤的轻质有机氮含量均显著高于常规栽培，在施氮 0、120、240 kghm-2时，分别比常规高出 19%、29%、39%。而地表覆膜与常规相比则无显著差异。表 2 不同栽培模式连续种植 5 年后的土壤有机氮和轻质有机氮 Table 2 Organic nitrogen and light fraction organic nitrogen of soils

32、from different surface mulching cultivations for 5 years 施氮水平 N rate(kghm-2)栽培模式 Cultivation models 有机氮 Total organic N(gkg-1)有机质碳、氮比 C/N ratios of organic matter 轻质有机氮 Light fraction organic N(mgkg-1)轻质碳、氮比 C/N ratios of light fraction organic matter 0 覆草 Straw mulch 0.99a 10 39a 21 0 覆膜 Plastic-fi

33、lm mulch 0.98ab 10 33ab 21 0 常规 No mulch 0.93b 11 32b 19 120 覆草 Straw mulch 1.02a 9 47a 19 120 覆膜 Plastic-film mulch 0.98b 9 38b 18 120 常规 No mulch 0.99b 10 36b 18 240 覆草 Straw mulch 1.03a 9 51a 18 240 覆膜 Plastic-film mulch 0.95b 10 35b 16 240 常规 No mulch 0.96b 10 37b 17 数据后的不同小写字母表示同一施氮水平下同列栽培模式之间差

34、异显著（P0.05）Values followed by different small letters showed significant difference(P0.05)between cultivations at the same nitrogen rates 3 讨论 本试验条件下，经过 5 年的小麦栽培，不同地表覆盖的土壤有机氮及轻质有机氮含量有了明显改变，而且土壤中活性有机氮的比例也有了明显变化。覆草虽然有明显的稳温保水效果9，但是降低了土壤的温度，从而抑制了作物生长期间的土壤微生物的活 性15。在土壤表面覆盖 C/N 比值较大的小麦秸秆时，丝状真菌可以将施于表层土中的氮肥固

35、定到覆盖层中，从而减小了表层土中无机氮的数量，增强秸秆分解过程中微生物对矿质氮的固持作用，使土壤对作物供应的氮素量相对减少16。而覆膜具有增温保墒的效果，提高了土壤微生物的活性17，促进了对土壤原有有机氮的矿化和对作物的矿质氮供应。因此，覆草土壤有机氮及轻质有机氮含量明显增加，覆膜则无此效果，甚至加速了土壤有机氮及轻质有机氮的分解，从而使得覆草土壤的氮素矿化率要高于对照，而覆膜则低于对照，即覆草提高了土壤中活性有机氮的比例，而覆膜则降低了土壤中活性有机氮的比例。这可以解释其他研究者观察到的不同地表覆盖条件下作物产量变化的原因2,18。同土壤有机质相比，轻质有机质有较宽的 C/N 比 值，与土壤

36、颗粒的结合较松散，降解的速度明显高于土壤中的腐殖质部分，是土壤微生物极易分解的基 质19-20。因此这部分有机质的性质、数量和组成反映了土壤中动植物残体物质的投入、固持与分解之间的平衡程度与水平，是土壤有机质周转和作物有效养分的暂时存贮库，可以敏感地反映外界环境因素或人为耕作变化对土壤有机质的影响21。在本研究中，土壤的轻质有机氮对栽培模式的响应与有机氮对栽培模式的响应相一致。说明轻质有机氮能够较好地指示栽培模式对土壤质量的影响，反映土壤供氮能力的变化。本研究结果表明，覆草的供氮强度（k）虽较小，但供氮容量（N0）较大，供氮缓慢而持久，可在小麦的生长发育过程中长期不断地向作物补充氮素；覆膜栽培

37、土壤的供氮强度（k）很大，但由于土壤的供氮容量（N0）小，可供矿化的有机态氮的数量不多，因此覆膜土壤的供氮特点是可供有机氮量少且供应时间短暂。地表覆草会固定土壤中的氮素，形成易矿化有机氮，有利于下一季作物的生长。但是对于当季作物来说，可供作物吸收的氮素会因此而减少，即出现覆草后土壤微生物与作物争氮的情况。有研究者发现，覆草有时不会出现增产，甚至减产22，这应该与作物生长期间，作为覆盖材料的秸秆固持土壤矿质氮素，与512 中 国 农 业 科 学 43 卷 当季作物争氮有关。覆膜虽能为当季作物生长提供更多的氮素，从而实现增产，但是也会使土壤有机氮出现过分耗竭，而不利于下一季作物的生长以及土壤肥力提

38、升，无法实现农作物的持续高产。其他研究者也有类似的结果23。可见，覆草栽培虽可增加土壤氮素供应能力，但为实现作物增产，需增加氮肥投入或在作物生长需氮较多的阶段补充氮肥，覆膜栽培需注意配施有机肥。4 结论 从培肥地力的角度，覆草能够增加土壤有机氮及轻质有机氮含量，而覆膜处理没有此效果；同时，覆草土壤的供氮能力明显增强，而覆膜则有一定程度的减弱。为提高土壤肥力，实现西北旱作农业的可持续发展，应多采用覆草。从本研究的结果来看，覆草之后应注意在小麦增产的关键时期投入适量化肥，来满足小麦生长的需要；覆膜则应注意投入有机肥，以增加土壤的肥力。References 1 梁银丽.黄土区地面覆盖的主要类型及其保

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