温度对不同年限日光温室土壤氮素矿化特性的影响

王士超， 周建斌， 陈竹君， 满 俊

(西北农林科技大学资源环境学院， 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室， 陕西杨凌 712100)

温度对不同年限日光温室土壤氮素矿化特性的影响

王士超， 周建斌*， 陈竹君， 满 俊

(西北农林科技大学资源环境学院， 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室， 陕西杨凌 712100)

【目的】日光温室作为具有我国特色的一种高强度的栽培方式，过量施肥问题突出。随着温室栽培在我国北方地区规模的不断扩大，由此带来的土壤退化和地下水污染问题值得关注。不少研究表明，随着日光温室栽培年限的增加，土壤有机质含量不断增加；且温室栽培中的土壤温度与露地存在很大差异，其土壤氮素矿化特性如何，尚缺乏研究。【方法】本研究以位于黄土高原南部陕西省杨凌示范区不同栽培年限的日光温室土壤为研究对象，采用室内好气培养法(84 d)测定不同培养温度(20℃和30℃)对不同年限温室(0_3年)土壤0—20 cm及20—40 cm土层氮素矿化量，采用一级动力学方程拟合土壤氮素矿化曲线，根据土壤氮矿化势(N0)评价不同栽培年限温室土壤氮素矿化特性。【结果】 1)随着日光温室栽培年限的增加，土壤有机质、全氮含量和氮素累积矿化量随之显著增加。2)30℃的土壤氮素累积矿化量高于20℃的矿化累积量；栽培年限长的日光温室矿化作用对温度的敏感程度高于年限短的温室。3)若温度和栽培年限同时增加，土壤氮素累积矿化量随之增加，说明温度和栽培年限对土壤氮素净矿化量有一定的交互作用，但差异不显著(P>0.05)。4)日光温室栽培年限越长，土壤氮矿化势(N0)越大；与种植前相比，第2a、3a温室土壤氮矿化势增加了5.59和11.48倍。5)回归分析表明，0—20 cm土层土壤有机质含量每增加1 g/kg，20℃和30℃条件下土壤氮矿化势(No)分别增加2.70及3.18 mg/kg；土壤全氮含量每增加1 g/kg ， No分别增加37.28及43.12 mg/kg。【结论】日光温室土壤氮素矿化量随其栽培年限的增加显著增加；培养温度由20℃增加到30℃，土壤氮素矿化量也明显增加，日光温室栽培年限和温度对土壤氮矿化有一定的正交互效应。因此，在日光温室氮素管理中应考虑栽培年限和温度对土壤氮素矿化的影响，以采取针对性的氮素管理措施。

日光温室； 温度； 土壤氮素矿化； 栽培年限

西北地区具有温差大、生态类型多样以及气候干旱等特点，是发展节能型日光温室的优势区域[1]。截至2011年底，西北地区节能型日光温室的面积占全国设施农业面积的8%，陕西约为5.33×104hm2[2]；目前，以日光温室为代表的设施栽培方式在西北地区还在不断发展，以陕西省为例，2009年起实施了“百万亩设施蔬菜工程”。而农民为获得最大的经济效益，盲目过量施肥[3]，造成了土壤养分的大量累积，尤以氮的累积问题突出[4-5]。日光温室温度较高，室内土壤水分蒸发量相对较大，且随着栽培年限的延长，过量施肥后导致土壤中残留肥料量越来越高[6-7]，由此也带来了一系列的生态环境问题[8]。

土壤有机态氮约占土壤全氮量的90%以上，因此，其矿化特性是影响土壤氮素供应的关键过程[9]。温度是影响土壤氮矿化的最主要的环境因子之一[10]，在一定温度范围内(-4_40℃)，土壤氮矿化速率随温度的升高而增加[11]。室内培养实验的研究表明，在5_35℃之间，氮矿化速率与温度呈正相关[12]。升温对土壤氮的矿化有利，同时也有利于作物吸收矿质氮。土壤氮矿化量可反映氮的矿化能力，矿化量与土壤全氮和有机氮含量呈显著正相关[13]。在不同区域，土壤类型不同，氮矿化的温度最适范围也不相同。目前，关于土壤氮素矿化过程的影响因素的研究主要集中于农田土壤[14-15]，对日光温室土壤氮素矿化特性的研究很少，而且在日光温室栽培条件下，相对封闭的栽培条件决定了温室土壤温度的变化规律与露地存在很大差异；且随着栽培年限的增加，日光温室土壤累积的有机质量不断增加，其氮素矿化特性如何，尚缺乏研究。因此，日光温室栽培条件下温度对土壤氮素矿化特性的影响，是值得研究的问题。

本研究以陕西杨凌不同栽培年限的日光温室土壤为研究对象，采用好气培养法研究了日光温室土壤氮素矿化特征，旨在为养分高效与温室环境的协同效应和日光温室蔬菜生产中氮肥的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自黄土高原南部陕西杨凌农业高新科技示范区大寨、五泉两个乡镇，当地属大陆性季风气候，海拔 520 m左右，年均降水量约 660 mm，集中于7_9月，年均温度为12.9℃，土壤为土。当地日光温室建棚时间在2009_2010年之间，建棚时将原农田土壤的表层土移走用于堆砌保温土墙，因此，温室内表层土壤养分含量较低。单个日光温室面积多在350_700 m2之间，种植蔬菜种类为番茄，一般每年10月份左右定植，第二年6月底拉秧；番茄产量在100_180 t/hm2之间，平均145 t/hm2 [4, 16]。该区域施用的有机肥以鸡粪和牛粪为主，极少数农户施用猪粪、沼渣及羊粪，每年施用量为142 t/hm2。氮、磷、钾化肥用量分别为690 kg/hm2、720 kg/hm2和759 kg/hm2，其中氮肥、钾肥部分作基肥，其余的作追肥分 5_7次施用，磷肥和有机肥作基肥于整地前一次施入。

选择3个2009年新建日光温室作为研究对象，于种植前和种植后2年、3年(即2009、2011和2012年)，每年6月下旬在种植的蔬菜收获后，分别采集0—20 cm和20—40 cm 土层土壤样品，土样剔除番茄根茬后风干过1 mm筛，用于培养试验。

1.2 试验设计

试验设种植年限和温度两个因素，种植年限包括0年(0a)、2年(2a)和3年(3a)，温度设20℃和30℃ ，共组成6个处理，每个处理重复3次。

称取过1 mm孔筛的风干土样100.0 g于300 mL的塑料瓶中，按70%的田间持水量加水后，用已打孔的塑料薄膜封口，分别置于20℃和30℃恒温培养箱中培养。每3_4 d 称重1次，补充损失的水分。分别在培养的第0、3 d、7 d、14 d、28 d、42 d、56 d、70 d和84 d，从每个处理的各个重复中取出5.0 g新鲜土样，测定土壤矿质氮含量。

1.3 测定项目与方法

土壤氮素矿化量=培养后无机氮含量-培养前无机氮含量

土壤氮矿化单因素指数模型Nt=N0(1-ek0t)

式中：Nt是培养时间t时氮矿化量(mg/kg)；N0是矿化势(mg/kg)；k0为矿化速率常数；t为矿化时间(d)。

用SASforWindows(version8.0)进行方差分析和显著性测验，Sigmaplot(version12.0)绘图。

2 结果与分析

2.1 不同栽培年限的土壤基本肥力性状

表1表明，0—20cm土层土壤有机质含量介于8.7_26.5g/kg，2a、3a分别比种植前土壤高 62.07%和204.60%；土壤全氮含量2a、3a比种植前土壤分别高0.38和1.22倍。可见，3a土壤有机质和全氮含量均显著高于种植前土壤。

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达1%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 1% level.

2.2 土壤氮素累积矿化量

图1显示，0—20 cm 土壤中，随着培养时间的延长，不同栽培年限温室土壤氮素累积矿化量均呈增加的趋势，其中栽培年限越长，土壤氮素累积矿化量越高。2a和3a分别比种植前高2.16倍和10.21倍；两个温度水平相比，30℃条件下土壤氮素累积矿化量高于20℃的矿化累积量，与种植前相比，栽培3a和2a的氮素累积矿化量在不同温度间的差异均达到显著水平(P<0.01)。栽培3a温室在30℃时的氮素累积矿化量与20℃相比增加了4.68 mg/kg，2a和0a分别增加了1.59和0.91 mg/kg。表明栽培年限长的日光温室矿化作用对温度的敏感程度高于栽培年限短的温室；土壤温度和栽培年限对净氮矿化累积量有一定的正交互作用，但差异不显著(P>0.05)。若温度和栽培年限同时增加，土壤氮素累积矿化量随之增加，在栽培年限长的情况下，温度的效果更为突出。

从图1中还可以看出，在20℃和30℃培养条件下，土壤氮素矿化的趋势基本一致。不同栽培年限温室20—40 cm土层土壤氮素累积矿化量均低于0—20 cm土层，这与该土层土壤有机质含量相对较低有关。

2.3 土壤氮素矿化模型

从单因素指数模型模拟结果(表2)可以看出，栽培年限越长，0—20 cm土层土壤的氮矿化势(N0)越大。与种植前相比，2a、3a土壤氮矿化势(N0)分别增加了5.59和11.48倍。任意两个年限之间的N0值差异均达到5%显著水平。对于K0值，不同温度之间差异不大；无论哪个栽培年限，随着温度的升高，氮矿化势增大。同一年限两个温度处理间的N0差异未达到显著水平。20—40 cm土壤氮矿化势(N0)的变化趋势与0—20 cm 土壤基本一致，同一栽培年限土壤N0为 0—20 cm >20—40 cm，说明栽培年限长的温室土壤供氮能力高于栽培年限短的温室土壤，提高温度有利于土壤氮的矿化。

2.4 土壤氮矿化势与有机质及全氮含量的关系

由图2可看出，不同温度条件下土壤氮矿化势(N0)与有机质和全氮含量存在显著的线性关系， 30℃条件下土壤氮矿化势增加的幅度大于20℃。从回归模型看，土壤有机质含量每增加1 g/kg，20℃和30℃条件下土壤氮矿化势(No)分别增加2.70 mg/kg和3.18 mg/kg；土壤全氮含量每增加1 g/kg，No分别增加37.28 mg/kg和43.12 mg/kg。

注(Note): 同列数据后不同大写字母表示同一温度不同年限土壤氮矿化势差异达5%显著水平，小写字母表示不同温度同一年限土壤氮矿化势差异达5%显著水平Values followed by different capital letters in a column indicate in the same temperature of different cultivation years significant differences at the 5% level and different small letters indicate in the same cultivation year of different temperatures significant differences at the 5% level (Duncan’s multiple comparison test).

3 讨论

3.1 温度对土壤氮矿化的影响

有关温度对土壤氮矿化的研究，国内外已有大量报道。一般来说，土壤温度的升高对土壤氮素循环有促进作用[17]。土壤氮素的矿化过程与土壤温度密切相关[11]。赵长盛等[18]研究发现，在5_35℃范围内土壤氮素矿化速率与土壤温度呈正相关关系，而氨化作用随着土壤温度的升高而降低。对草地的研究发现，土壤氮素的矿化速率随温度的升高而增加[19]。Ineson等[20]利用野外增温培养试验研究发现，温度升高增加了土壤氮矿化量。在5_35℃范围内，土壤氮素矿化速率与土壤温度呈正相关[18, 21]。据张树兰等[22]的研究，20℃时，硝化作用进程减慢，速率也随之降低；而30℃是陕西土壤最适宜的硝化温度。陈伏生等[23]对红壤的研究表明，土壤温度增加对提高土壤氨化速率和净矿化速率有利。而关于温度对不同年限日光温室土壤氮矿化特性的研究尚未见报道。本研究结果表明，在20_30℃范围内，3个栽培年限的土壤氮矿化量随着温度的升高而增加，这是由于温度升高增加了土壤微生物的数量[24]。相同栽培年限不同温度处理对土壤氮矿化累积量的响应差异未达显著水平，而不同年限两个温度水平间土壤氮矿化累积量的变幅差异达到了极显著水平，说明温度对栽培年限长的日光温室土壤氮矿化过程的影响更明显。因此，在日光温室氮素管理中应考虑温度对土壤氮素矿化作用的影响，如在温度较低的冬季，土壤氮素矿化量低，为满足作物对氮素的需要，可以适当补充化肥氮；而在高温的夏季，土壤氮素矿化量高，可适当降低氮肥的用量。

3.2 栽培年限对土壤氮矿化的影响

利用长期定位试验对水稻土(10℃、30℃培养56 d)的研究表明，长期施肥明显提高了土壤氮素含量，也可提高土壤累积矿化氮量和矿化速率[25]。本研究结果表明，栽培年限长的温室土壤氮矿化量高于年限短的土壤，这是因为土壤氮矿化量与土壤有机质和全氮含量呈显著正相关关系，而随着栽培年限的增加，氮素累积量也随之增加[16, 26]。贺发云等[27]对菜地和粮田土壤的研究也表明，土壤氮素矿化量与全氮含量呈极显著正相关。王帘里等[28]对旱地土壤(15_30℃培养15 d)研究表明，有机质含量高的土壤累积净氮矿化量高于低有机质含量的土壤，且高有机质含量的土壤氮矿化的温度敏感性强，土壤累积矿化氮量与全氮和有机质含量有显著关系，说明土壤有机质和全氮的含量是决定氮素矿化量的重要因素。

本研究同时发现，随着栽培年限的增加，不仅提高了日光温室土壤 0—20 cm土层土壤的矿化氮量，同时显著提高了20—40 cm土层土壤的氮矿化量，无疑大大提高了土壤的供氮量。因此，随着日光温室栽培年限的增加，应降低化学氮肥的用量，以避免氮素投入过量问题。

4 结论

随着培养温度的增加，土壤氮矿化势随之增加；栽培年限长的温室土壤净氮矿化累积量对温度变化的响应效果更为突出，栽培年限和温度对土壤氮矿化有一定的正交互效应。因此，在日光温室氮素管理中应考虑温度对土壤氮素矿化的影响，以采取针对性的氮素管理措施。

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Effects of temperature on soil nitrogen mineralization in solar greenhouses with different cultivation years

WANG Shi-chao, ZHOU Jian-bin*, CHEN Zhu-jun, MAN Jun

(CollegeofNaturalResources&Environment，NorthwestA&FUniversity/KeyLaboratoryofPlantNutritionandtheAgri-environmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objectives】 Vegetables cultivated in solar greenhouse are under a very intensive and unique production system in China. However, over-application of fertilizers is very common. As the development of this system in north China, it results in a series of problems, including the degradation of soil properties, groundwater pollution. Many studies found that the content of soil organic matter was increased as the age of solar greenhouse. Unlike open fields, soil temperature in solar greenhouse is higher, and could affect nitrogen mineralization from the greenhouse soils. However, there is few research to study this topic. 【Methods】 Soil samples (0-20 cm and 20-40 cm layers) were collected from greenhouses with different ages (0, 2, and 3 years) in Yangling, Shaanxi which locates at the south edge of Loess Plateau. The contents of soil organic matter and total nitrogen were analyzed. An incubation method (84 d) was used to study effects of different temperatures (20℃ and 30℃) on soil nitrogen mineralization in the solar greenhouses. The first order reaction model was used to fit curve of soil N mineralization, and nitrogen mineralization potential (N0) was used to evaluate the soil N mineralization. 【Results】 1) The contents of soil organic matter, total N, and the accumulative mineralized N in different greenhouses are increased with the increase of greenhouse ages. 2) The soil mineralized N amount at 30 ℃ is higher than that at 20 ℃. The response of the mineralized N to temperature in soil with long cultivating history is higher than that in soil with short cultivating history. 3) As the increases of soil temperature and the cultivating history, the soil mineralized N amount is increased, and the soil N0is also increased. There is a positive interaction between soil temperature and the cultivating history, however, the difference is not significant. 4) Compared to the soil before planting crops, the N0values of soils with 2 and 3 years history are increased by 5.59 and 11.48 times, respectively. 5) The regression analysis indicates that the N0values of soils at 20 ℃ and 30 ℃ are increased by 2.70 and 3.18 mg/kg when soil organic matter is increased by 1 g/kg, and when soil total N content is increased by 1 g/kg, the N0values of soils at 20 ℃ and 30 ℃ are increased by 37.28 and 43.12 mg/kg, respectively. 【Conclusions】With the increase of cultivation year, the N mineralization from the greenhouses is increased significantly. When soil temperature increases from 20 ℃ to 30 ℃, the soil N mineralization is also increased. The accumulation of mineralized N of longer cultivated soil responses remarkably to the temperature changes. We conclude that when making sound N fertilizer recommendation for vegetable crops in solar greenhouses, the effects of temperature and cultivating history on the N mineralization from soil needs to be considered.

solar greenhouse; temperature；soil N mineralization；cultivation year

2013-12-31 接受日期： 2014-06-21

国家“十二五”科技支撑计划项目课题(2012BAD15B04)；高等学校学科创新引智计划(B12007)；中英农业国际合作项目资助。

王士超(1978—)，女，河北保定人，博士，主要从事农田物质循环与环境研究。E-mail: wangschao@163.com * 通信作者 Tel: 029-87082793, E-mail: jbzhou@nwsuaf.edu.cn

S626.5；S135.6+1

A

1008-505X(2015)01-0121-07