不同形態氮素對玉米秸稈腐解與養分釋放的影響

石琳，金夢燦，單旭東，高敏，陳曦，郜紅建

（農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽農業大學資源與環境學院，合肥 230036）

我國是農業大國，農作物秸稈資源豐富[1]，綜合利用總量約為8.76 億t[2]。作為一種重要養分資源[3]，農作物秸稈含有大量有機質和植物生長所必需的氮、磷、鉀及其他中微量元素[4]。秸稈還田是循環利用養分資源最有效的方式，不僅可以部分代替化肥、培肥地力[5]和提高作物產量，而且可促進養分資源循環利用和農業可持續發展。在農業生產中，農作物秸稈還田量大，微生物與作物爭氮導致作物缺氮，不利于秸稈腐解和養分利用[6]。因此，加速秸稈腐解是秸稈養分循環利用的關鍵環節[7]。

秸稈腐解受秸稈自身化學組成、外界環境和微生物種群等多種因素的影響[8-10]。李昌明等[9]發現，秸稈氮素和磷素的釋放與氣候和土壤條件變化有關，而鉀素釋放則與秸稈本身屬性有關。C/N 是影響秸稈腐解的重要因素，一般認為秸稈腐解的最適C/N 在20～30 之間。李帆等[11]研究表明，當C/N 為25 時，秸稈腐解較快，而當C/N＜20 時，秸稈腐解變慢。王大慶等[12]利用回歸模型分析得出，玉米秸稈降解最優C/N 為20，纖維素降解率可達66.54%。趙聰等[13]發現，C/N為25 時玉米秸稈的腐解率最高。Zhang 等[14]研究表明，C/N為30的情況下，C和N的損耗最小。

由于秸稈本身C/N 較高，玉米秸稈的C/N 一般在50 左右，外源添加氮素是調節秸稈C/N 最常用的方法，但外源添加氮素對秸稈腐解的影響結果不一致。Li 等[15]研究發現，碳與氮的分解緊密耦合，施尿素抑制了玉米秸稈的腐解。Knorr 等[16]通過整合分析發現，外源氮素的添加抑制了木質素含量較高的凋落物的分解。卞景陽等[17]研究發現，施氮會促進秸稈的腐解。張學林等[18]研究發現，增施氮肥會抑制玉米秸稈的分解而促進小麥秸稈的分解。前人的研究多集中在土壤氮素和利用氮肥調節C/N 對秸稈腐解的影響[19]，而有關不同形態的氮素對秸稈腐解的影響還缺乏深入系統研究。

本研究利用尼龍網袋法進行室內模擬秸稈堆腐試驗，通過添加不同形態氮素調節玉米秸稈C/N（25∶1），探討不同形態氮素對玉米秸稈腐解及氮磷鉀等養分釋放的影響，遴選能夠促進作物秸稈腐解的最佳氮素形態，為加快秸稈腐解提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤樣品采集于安徽省宿州市埇橋區付湖新村安徽農業大學皖北綜合試驗站（東經117°15′33″，北緯31°51′41″），為華北暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均降雨量857.1 mm，土壤類型為砂姜黑土，有機質含量6.21 g·kg-1，全氮含量0.941 g·kg-1，有效磷含量28.8 mg·kg-1，速效鉀含量241 mg·kg-1，pH值7.2。選取玉米秸稈覆蓋還田2 年的0～20 cm 表層土壤，將采集后的新鮮土壤去除植物根系、石塊等，用四分法取出土樣并過2 mm篩，存于-4 ℃冰箱備用（保存時間不超過1周）。將過篩后的新鮮土壤以水土比為5∶1進行浸泡，每隔30 min用玻璃棒攪拌1次，每次攪拌5 min，浸泡2 h并靜置后，取上清液，即為土壤懸液。土壤懸液全氮含量1.821 mg·L-1，全磷含量0.21 mg·L-1，置于-4 ℃冰箱備用（保存時間不超過1周）。

供試玉米秸稈于2018 年玉米籽粒收獲時采集，自然風干后用粉碎機粉碎，先過10 目網篩，再過100目網篩，取長度介于10～100 目網篩的秸稈，混合均勻后備用。取少量粉碎秸稈于75 ℃烘干，用元素分析儀測定其碳和氮含量分別為421.98、13.78 g·kg-1；C/N為30.62。供試氮素為碳酸氫銨、硫酸銨、硝酸鈣、尿素和谷氨酸，均由國藥集團化學試劑有限公司生產。

1.2 試驗設計

稱取20 g粉碎的玉米秸稈于圓形塑料桶中，分別加入35 mL 制備好的已經添加碳酸氫銨、硫酸銨、硝酸鈣、尿素和谷氨酸的土壤懸液，攪拌均勻后再轉移至300 目的尼龍網帶內（網袋長12 cm、寬10 cm），每個處理為24個尼龍網袋。試驗共設置6個處理，分別為：碳酸氫銨、硫酸銨、硝酸鈣、尿素、谷氨酸和無氮素添加（CK）。每個處理的秸稈C/N 均為25∶1，3 個重復。將裝有玉米秸稈的尼龍網袋分別放入25 ℃的恒溫箱中，在秸稈培養的前15 d內，每3 d補水一次。在秸稈培養的15 d 之后，每6 d 補水一次。在玉米秸稈堆腐試驗開始后的第1、7、15、30、60、90、120 d 和180 d取樣分析。

1.3 測定方法

取樣時，每個處理隨機取3 個尼龍網袋，于65 ℃下烘干至質量恒定，計算玉米秸稈殘留率。烘干后的玉米秸稈分別測定其全氮、全磷、全鉀、全碳含量。全碳和全氮采用元素分析儀（Elementar，德國）測定。秸稈采用H2SO4-H2O2法進行消煮，消煮液用鉬銻抗比色法測定秸稈樣品中全磷的含量，用火焰分光光度計測定秸稈樣品中的全鉀含量[20]。

1.4 數據處理

式中：m0為玉米秸稈腐解前的初始質量；mt為腐解時間為t時秸稈剩余質量。

秸稈質量腐解規律用帶常數項的一級衰減指數方程[21]進行擬合：

式中：y0、a和k是常數；y為玉米秸稈質量殘留率，%；k為腐解速率常數，d-1，其數值大小表明秸稈腐解質量減少快慢；t為腐解時間，d；a為損失的量占初始量的比例；y0為當t無窮大時y趨向的值。

式中：D0為初始秸稈的養分含量；Dt為腐解時間為t時秸稈養分含量。其中，t時秸稈氮素質量=測出氮素質量-添加的氮素的質量。

秸稈養分釋放規律用一級衰減指數方程計算[9]：

式中：y1為玉米秸稈養分殘留率，%；t為腐解時間，d；b為衰減方程常數；k1為養分釋放速率常數，d-1。

1.5 統計分析

本研究統計分析采用SPSS 19.0 完成，顯著性水平α=0.05，方差分析用于檢測氮添加處理的影響，Duncan 法用于多重比較。Microsoft Excel 2010 進行繪圖處理，Origin 8.0 進行方程擬合。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈殘留質量變化

在添加不同外源氮的條件下，玉米秸稈質量殘留率隨培養時間延長呈現逐漸下降的趨勢（圖1），且在0～60 d 下降較快，之后（60～180 d）逐漸減緩。外源添加谷氨酸處理的玉米秸稈質量殘留率低于其他處理。培養至60 d時，外源添加谷氨酸和硫酸銨處理的玉米秸稈殘留質量分別是其初始質量39.2%和47.9%，顯著低于CK處理（P＜0.05）；而外源添加碳酸氫銨、硝酸鈣和尿素處理的玉米秸稈質量殘留率與CK處理相比無顯著差異。培養到180 d 時，玉米秸稈殘留質量是其初始添加質量的22.6%～34.1%，外源添加谷氨酸處理的玉米秸稈質量殘留率為22.6%，顯著低于CK 處理（P＜0.05）。其余氮素處理的玉米秸稈質量殘留率與CK相比無顯著差異。這說明外源添加谷氨酸能夠顯著促進玉米秸稈的腐解。

圖1 玉米秸稈腐解質量殘留特征Figure 1 Residual characteristics of corn straw mass at different decomposition time

玉米秸稈腐解過程中質量殘留率隨時間的變化可以用衰減指數方程擬合（表1），擬合度均很高，決定系數R2為0.985～0.995。外源添加尿素和CK 處理的玉米秸稈腐解速率常數均為1.7×10-2d-1，說明外源添加尿素對玉米秸稈腐解無明顯影響。外源添加谷氨酸處理的腐解速率常數最大，為2.8×10-2d-1，其次為硫酸銨和碳酸氫銨，其腐解速率常數分別為2.1×10-2d-1和1.8×10-2d-1，均高于CK 處理（1.7×10-2d-1），這說明外源添加谷氨酸、硫酸銨和碳酸氫銨均能促進玉米秸稈的降解。外源添加硝酸鈣處理的玉米秸稈腐解速率常數最低，為1.4×10-2d-1，低于CK 處理，這說明外源添加硝酸鈣一定程度上減緩了玉米秸稈的腐解。

表1 玉米秸稈殘留質量與腐解時間關系的擬合Table 1 Fitting of the relationship between corn straw residual mass and decomposition time

2.2 玉米秸稈殘留碳素變化

在添加不同外源氮的條件下，玉米秸稈中碳素殘留率隨著培養時間延長呈現逐漸降低的趨勢（圖2），且在0～60 d 內下降較快，之后（60～180 d）逐漸減緩。外源添加谷氨酸處理的玉米秸稈碳素殘留率低于其他處理。培養至60 d時，外源添加谷氨酸和硫酸銨處理的碳素殘留質量分別是其初始質量的28.7%和34.7%，顯著低于CK 處理（P＜0.05）；而外源添加碳酸氫銨、硝酸鈣和尿素處理的碳素殘留率與CK 處理相比無顯著差異。培養到180 d 時，各處理玉米秸稈碳素殘留質量是其初始質量的16.9%～24.8%，外源添加谷氨酸處理的碳素殘留率為16.9%，顯著低于添加硫酸銨處理（P＜0.05），其余氮處理的碳素殘留率與CK處理相比并無顯著差異。這說明外源添加谷氨酸和硫酸銨能夠顯著提高玉米秸稈腐解前期碳素的釋放，而對后期秸稈碳素釋放無顯著影響。

圖2 玉米秸稈腐解碳素殘留特征Figure 2 Residual characteristics of corn straw carbon mass at different decomposition time

玉米秸稈腐解過程中碳素殘留率隨時間的變化可以用衰減指數方程擬合（表2），擬合度較好，R2為0.615～0.904。外源添加尿素和CK 處理的玉米秸稈碳素釋放速率常數均為8.2×10-3d-1，表明外源添加尿素對玉米秸稈碳素的釋放無明顯影響；外源添加谷氨酸處理的碳素釋放速率常數最大，為1.37×10-2d-1，其次為硝酸鈣和硫酸銨，其碳素釋放速率常數分別為9.9×10-3d-1和8.3×10-3d-1，均高于CK 處理，這說明外源添加谷氨酸、硝酸鈣和硫酸銨均能促進玉米秸稈碳素的釋放。外源添加碳酸氫銨處理玉米秸稈碳素釋放速率常數為7.7×10-3d-1，低于CK 處理，這說明外源添加碳酸氫銨在一定程度上減緩了玉米秸稈碳素的釋放速率。

表2 玉米秸稈殘留碳素與腐解時間關系的擬合Table 2 Fitting of the relationship between corn straw residual carbon and decomposition time

2.3 玉米秸稈殘留氮素變化

圖3 玉米秸稈腐解氮素殘留特征Figure 3 Residual characteristics of corn straw nitrogen mass at different decomposition time

在添加不同外源氮的條件下，玉米秸稈氮素殘留率隨著培養時間的延長總體呈現逐漸下降的趨勢（圖3），其中在0～7 d 內快速釋放，15～90 d 緩慢釋放，90～180 d 又快速釋放。30～90 d 和120～180 d 內，外源添加谷氨酸處理的玉米秸稈氮素殘留率低于其他處理，而外源添加硫酸銨處理的玉米秸稈氮素殘留率與CK處理相比無顯著差異。培養至第7 d 時，外源添加尿素、碳酸氫銨、硝酸鈣和谷氨酸處理的氮素殘留質量分別是初始質量的57.4%、63.7%、69.7%和75.6%，顯著低于CK 處理（P＜0.05）；而外源添加硫酸銨處理與CK 相比差異不顯著。培養至30 d 時，外源添加碳酸氫銨、硝酸鈣和尿素處理的氮素殘留率分別為70.2%、59.4%和63.1%，顯著低于CK 處理（P＜0.05）。培養至90 d時，外源添加碳酸氫銨、硝酸鈣、尿素和谷氨酸處理的氮素殘留質量是其初始質量的61.4%、50.1%、71.7%和60.3%，顯著低于CK 處理（P＜0.05）。培養至180 d 時，玉米秸稈殘余物中氮素殘留質量是其初始質量的21.6%～51.3%，外源添加硝酸鈣和谷氨酸處理的氮素殘留質量是其初始質量的27.08%和21.57%，顯著低于CK處理（P＜0.05）；外源添加尿素處理的氮素殘留質量是初始質量的47.44%，顯著高于CK 處理（P＜0.05）。這說明外源添加谷氨酸能促進玉米秸稈中氮素的釋放，而外源添加尿素會減緩玉米秸稈中氮素的釋放速率。

玉米秸稈腐解過程中氮素殘留率隨時間的變化可以用衰減指數方程擬合（表3），擬合度較好，R2為0.579～0.895。外源添加谷氨酸處理的氮素釋放速率常數最大，為7.15×10-3d-1，其次為硝酸鈣、硫酸銨、碳酸氫銨和尿素，其氮素釋放速率常數分別為6.12×10-3、4.51×10-3、4.24×10-3d-1和4.21×10-3d-1，均高于CK處理。這說明外源添加氮素均能促進玉米秸稈氮素的釋放，其中谷氨酸促進作用最強。

2.4 玉米秸稈殘留磷素分析

在添加不同外源氮的條件下，玉米秸稈磷素殘留率隨著培養時間的延長而呈現逐漸下降的趨勢（圖4），且在前30 d 內下降較快，之后（30～180 d）逐漸減緩。在15～180 d，外源添加谷氨酸處理的玉米秸稈磷素殘留率高于其他氮素處理。培養至30 d時，外源添加谷氨酸處理的磷素殘留質量是初始質量的72.1%，顯著高于CK處理（P＜0.05）；其余氮素處理與CK相比差異未達到顯著水平（P＜0.05）。培養至180 d時，外源添加谷氨酸、硝酸鈣和碳酸氫銨處理的玉米秸稈磷素殘留質量是其初始質量的59.0%、47.1%和46.5%，顯著高于CK處理（P＜0.05）。這說明外源添加谷氨酸、硝酸鈣和碳酸氫銨會減緩玉米秸稈中磷素的釋放速率。

表3 玉米秸稈殘留氮素與腐解時間關系的擬合Table 3 Fitting of the relationship between corn straw residual nitrogen and decomposition time

玉米秸稈腐解過程中磷素殘留率隨時間的變化可以用衰減指數方程擬合（表4），擬合度較好，R2為0.311～0.859。外源添加谷氨酸、碳酸氫銨、硝酸鈣和尿素處理的磷素釋放速率常數分別為2.72×10-3、4.43×10-3、5.08×10-3d-1和5.46×10-3d-1，均比CK處理低，說明外源添加谷氨酸、碳酸氫銨、硝酸鈣和尿素均會在一定程度上減緩玉米秸稈磷素的釋放。外源添加硫酸銨處理的磷素釋放速率常數為7.94×10-3d-1，高于CK 處理，這說明外源添加硫酸銨能促進玉米秸稈磷素的釋放。

2.5 玉米秸稈殘留鉀素分析

圖4 玉米秸稈腐解磷素殘留特征Figure 4 Residual characteristics of corn straw phosphorus mass at different decomposition time

表4 玉米秸稈殘留磷素與腐解時間關系的擬合Table 4 Fitting of the relationship between corn straw residual phosphorus and decomposition time

在添加不同外源氮的條件下，玉米秸稈鉀素殘留率隨著培養時間的延長呈現逐漸下降的趨勢（圖5），且在0～60 d 內下降較快，而后（60～180 d）逐漸減緩。在0～60 d 內，外源添加尿素處理的玉米秸稈鉀素殘留率低于其他氮素處理。培養至60 d時，外源添加碳酸氫銨處理的鉀素殘留質量是其初始質量的89.8%，顯著高于CK 處理（P＜0.05）；外源添加尿素處理的鉀素殘留質量是其初始質量的60.8%，顯著低于CK 處理（P＜0.05）；而其余氮素處理的玉米秸稈鉀素殘留量與CK處理之間差異不顯著。培養至120 d時，外源添加碳酸氫銨、硫酸銨、硝酸鈣和尿素處理的鉀素殘留質量是其初始質量的86.2%、72.6%、69.8%和65.4%，顯著高于CK處理（P＜0.05）。培養至180 d時，玉米秸稈殘余物中鉀素殘留質量是其初始質量的24.9%～54.5%。外源添加碳酸氫銨處理的鉀素殘留量是其初始質量的54.48%，顯著高于CK 處理（P＜0.05）；其余氮素處理的鉀素殘留率與CK處理無顯著差異。這說明外源添加碳酸氫銨會減緩玉米秸稈鉀素的釋放速率。

圖5 玉米秸稈腐解鉀素殘留特征Figure 5 Residual characteristics of corn straw potassium mass at different decomposition time

表5 玉米秸稈殘留鉀素與腐解時間關系的擬合Table 5 Fitting of the relationship between corn straw residual potassium and decomposition time

玉米秸稈腐解過程中鉀素殘留率隨時間的變化可以用衰減指數方程擬合（表5），擬合度很高，R2為0.858～0.949。外源添加谷氨酸、硝酸鈣和尿素處理的鉀素釋放速率常數分別為5.62×10-3、5.60×10-3d-1和4.92×10-3d-1，均高于CK 處理，這說明外源添加谷氨酸、硝酸鈣和尿素均能促進玉米秸稈鉀素的釋放；外源添加碳酸氫銨和硫酸銨處理的鉀素釋放速率常數分別為3.04×10-3d-1和3.94×10-3d-1，均低于CK 處理，這說明外源添加碳酸氫銨和硫酸銨會在一定程度上減緩玉米秸稈中鉀素的釋放速率。

3 討論

3.1 不同形態氮素對玉米秸稈腐解的影響

本研究結果表明，外源添加谷氨酸、硫酸銨和碳酸氫銨能促進玉米秸稈的降解和養分釋放，這和前人的研究結果一致。丁雪麗等[22]研究發現，硫酸銨對玉米秸稈腐解有促進作用，且添加的硫酸銨越多秸稈腐解越快；李曉韋等[23]研究發現，施用有機氮會促進油菜秸稈的腐解。這可能是因為外源添加谷氨酸和硫酸銨可以影響微生物群落結構和生物酶活性，進而促進了作物秸稈腐解。添加氮素提高了好氣性纖維素分解微生物的活性與數量[24]，主要是提高了細菌的數量和豐度，而細菌群落中纖維素降解菌豐度與秸稈中纖維素和半纖維素的分解、代謝呈正相關[25]。Keeler等[26]認為，氮對凋落物中纖維素降解酶和聚磷酶的活性有促進作用，氮的添加還可刺激微生物活性，增加對磷和碳的需求，導致碳和磷獲取酶的能力增加。朱遠芃等[27]的研究表明，氮肥通過提高中性木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等水解酶的活性促進秸稈腐解。

本研究結果還表明，外源添加有機氮（谷氨酸）對玉米秸稈腐解的促進作用高于無機氮（如硫酸銨等），可能是因為在添加谷氨酸等有機氮時，不僅調節了秸稈的C/N，而且直接為微生物提供了有機氮源，增加了微生物群落結構多樣性和數量，促進微生物分泌生物酶，進而加快玉米秸稈的腐解。微生物結構聚合物主要由氨基糖構成，外源添加的有機氮可能是微生物合成蛋白質聚合物的主要來源[28]。耿麗平等[29]發現，有機氮產酶量高于無機氮。張悅等[30]發現，纖維素降解菌對硫酸銨和有機氮（蛋白胨）的利用率相對較高，所產酶活力較強，顯著促進玉米秸稈腐解。

3.2 外源氮對秸稈養分釋放的影響

本研究表明，在腐解過程中玉米秸稈養分釋放率為鉀＞磷＞氮，添加外源氮促進了秸稈中碳、氮、鉀的釋放，而抑制了磷素的釋放。碳、氮釋放規律與腐解規律相似，這可能是因為秸稈中的碳、氮養分是微生物繁殖所需的能源，微生物所需的碳、氮養分隨著秸稈腐解而增加[30-31]，而鉀在玉米秸稈中主要以離子形態存在，鉀離子隨秸稈腐解而逐漸釋放[32]，谷氨酸和硫酸銨促進了秸稈腐解，進而加速了秸稈中碳素、氮素和鉀離子釋放。而秸稈中磷以有機磷和無機磷形態存在，秸稈在被微生物礦化分解過程中，釋放出一定數量的可被微生物和植物吸收利用的有效磷成分，隨著培養時間延長，秸稈釋放的有效磷可參與有機物的再合成（腐殖化作用），或者被微生物同化為微生物生物量磷，仍以有機態磷形式存在[33]。同時秸稈腐解殘留物對游離有效磷的吸附固定作用，也可使秸稈釋放的有效磷轉化為緩效磷或無效態磷賦存于秸稈表面[34]。微生物在秸稈腐解過程中可利用有機磷礦化獲取磷素來維持自身生命代謝[35]。Dai 等[36]發現，氮素的輸入降低微生物磷吸收轉運基因和解磷基因的豐度，削弱關鍵磷素轉化基因之間的聯系，并降低放線菌、γ-變形桿菌、α-變形桿菌等解磷微生物的豐度，減少了秸稈磷素的釋放。細菌是分泌磷酸酶的主要微生物，氮素添加抑制了磷酸酶的活性，進而降低了秸稈磷素釋放，提高了秸稈中磷素的殘留率[37]。Wang 等[38]研究發現，施氮會顯著降低酸性磷酸酶的活性，導致秸稈中磷素釋放減少。

3.3 不同形態氮肥的經濟成本

目前硫酸銨市場價約500 元·t-1，碳酸氫銨市場價約700 元·t-1，尿素市場價約1 750 元·t-1，聚谷氨酸氮肥市場價約2 000元·t-1，硝酸銨市場價約1 800元·t-1；每畝（667 m2）玉米秸稈量約為0.47 t，需要添加氮素為1.24×10-3t[7]。每畝（667 m2）地玉米秸稈C/N 調節為25∶1 需要添加硫酸銨、碳酸氫銨、尿素、聚谷氨酸和硝酸銨的成本分別約為0.62、0.87、2.17、2.48 元和2.23 元。因此，硫酸銨不僅能加速秸稈腐解速率，還能降低經濟成本。

4 結論

（1）谷氨酸、硫酸銨、碳酸氫銨會促進玉米秸稈的腐解，尿素對玉米秸稈腐解無明顯影響，硝酸鈣會減緩玉米秸稈的腐解。

（2）玉米秸稈腐解過程中，谷氨酸、尿素、硝酸鈣會促進碳、氮、鉀養分的釋放，但會減緩磷素的釋放；硫酸銨會促進碳、氮、磷養分的釋放，但會減緩鉀素的釋放；碳酸氫銨會促進氮素的釋放，但會減緩碳、磷、鉀養分的釋放。

（3）谷氨酸對玉米秸稈腐解的促進作用強于硫酸銨和其他無機氮。從加快玉米秸稈腐解速率角度考慮，谷氨酸是最佳氮源；從加快玉米秸稈腐解速率和投入成本兩方面綜合考慮，硫酸銨是最佳氮源。