地表覆盖对西北旱地土壤有机氮累积及矿化的影响

中国农业科学2010,43(3):507-513ScientiaAgriculturaSinicadoi: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：[phone]；E-mail：[e-mail]。通信作者王朝辉，教授，博士。Tel：[phone]；E-mail：[e-mail]地表覆盖对西北旱地土壤有机氮累积及矿化的影响谢驾阳，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25.0—29.7、23.2—25.9、23.3—26.2mg·kg-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240kg·hm-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0.96g·kg-1，轻质有机氮分别为51、35和37mg·kg-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EffectsofDifferentSurfaceMulchingonSoilOrganicNitrogenAccumulationandMineralizationinDrylandofNorthwesternChinaXIEJia-yang,WANGZhao-hui,LISheng-xiu,TIANXiao-hong(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NorthwestAgriculturalandForestryUniversity,Yangling712100,Shaanxi)Abstract:【Objective】Understandingsoilnitrogentransformationandsupplyingprocessisthekeyforoptimizingcropcultivationandnitrogenmanagements.【Method】Inthispaper,soilsweresampledfroma5-year-longfieldexperimenttostudytheeffectsofdifferentsoilsurfacemulchingonsoilorganicnitrogenaccumulationandmineralizationindrylandofnorthwesternChina.【Result】Theresultsshowedthatcomparedtoconventionalcultivation,longtermsurfacemulchingwithstrawincreasedsoilnitrogenmineralizationpotentialbutdecreasedmineralizationrate.Mulchingwithplastic-filmdecreasednitrogenmineralizationpotential,butincreasedmineralizationrate.Thenitrogenmineralizationpotentialfortheconventionalcultivation,strawmulchingandplasticfilmmulchingwas25.0-29.7,23.2-25.9and23.3-26.2mg·kg-1,respectively.WithoutNapplication,strawandplastic-filmmulchingincreasedsoilorganicnitrogenandlightfractionorganicnitrogencontents.WhenNwasfertilized,strawmulchingcouldincreasesoilorganicnitrogenandlightfractionorganicnitrogencontents,whileplastic-filmmulchingdecreasedtheircontents.AtNrateof240kg·hm-2,theorganicnitrogencontentwas1.03,0.95and0.96g·kg-1,andthelightfractionorganicnitrogencontentwas51,35and37mg·kg-1fortheconventionalcultivation,strawmulchingandplasticfilmmulching,respectively.【Conclusion】ItisconcludedthatsurfacemulchingwithstrawcausessoiltoimmobilizemoremineralNintomineralisableorganicN,whilewithplasticfilmisnotbeneficialtoorganicnitrogenaccumulation.Therefore,inordertoincreasecropyield,morenitrogenfertilizerisneededorsupplementalNfertilizershouldbeappliedatthekeynitrogenrequirementstageunderstrawmulchingcultivationasitcouldincreasesoilNsupplycapacity.Forplasticfilmmulching,moreattentionshouldbepaidtoapplicationoforganicfertilizer.Keywords:strawmulching;plastic-filmmulching;nitrogenmineralizationpotential;lightfractionorganicnitrogen508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520m左右，年均气温12.9℃，年均降水量632mm左右，降水主要集中在7—9月，年均蒸发量1400mm，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（0—20cm）土壤的基本理化性状为土壤容重1.35g·cm-3，有机质含量为13.79g·kg-1，全氮1.07g·kg-1，硝态氮5.4mg·kg-1，铵态氮2.4mg·kg-1，有效磷（Olsen-P）15.0mg·kg-1，速效钾182.4mg.kg-1，pH8.25。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135kg·hm-2，行距20cm。试验设3种栽培模式，常规（裸地无灌溉，当地农民常用方式）；覆草（出苗后行间覆盖麦秸，覆草量为4500kg·hm-2）；覆膜（出苗后小麦行间覆盖地膜）。3个栽培模式在施磷（P2O5）100kg·hm-2的基础上，分别设置3个氮水平：0、120、240kg·hm-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28.8m2。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0—10cm土层的土样，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2mm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25.00g过2mm筛的土壤，置于100mL离心管中，加入比重1.70g·mL-1的NaI溶液50mL，于200r/min转速下振荡1h，然后在1000×g下离心20min，将浮在NaI表面的轻质有机质倾倒于装有0.45µm纤维滤膜的容器过滤器中进行抽滤，依次用总量100mL的0.01mol·L-1CaCl2和100mL的蒸馏水冲洗纤维滤膜上轻质有机质至少3次。再向离心管中加入50mL比重为1.70g·mL-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0.15mm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5091.4.2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25.00g过2mm筛的风干土壤和等量石英砂（1—2mm