秸稈與氮肥配施對黑鈣土氮素礦化和硝化作用的影響

郭 策，李宜聯，郭 媛，曹雪楓，趙興敏，王鴻斌

（吉林農業大學資源與環境學院，吉林省商品糧基地土壤資源可持續利用重點實驗室，長春 130118）

黑鈣土是農業和畜牧業寶貴的自然資源，但近年來由于過度施用化肥和不合理利用土地導致黑鈣土區土壤退化，有機質含量逐年下降，氮素有效性不足，使農作物生產遭遇瓶頸[1]。研究表明，秸稈還田既可調控黑鈣土養分供應，又可實現秸稈資源化利用，促進綠色生態農業發展[2]。還田后秸稈在植物根系和微生物作用下分解，逐漸轉變為腐殖質沉積在土壤中，有效提升土壤有機質含量[3]。

秸稈還田后腐解速率受溫度、水分、秸稈還田量、外源氮素、腐解時間等因素影響[4]。農業生產中，外源氮素對秸稈腐解影響較大。添加外源氮素，可提高土壤有效氮含量，減小作物生長的氮爭奪，加快微生物繁殖，加速秸稈礦化過程，促進秸稈分解[5]。同時，外源氮素通過微生物礦化作用將土壤中有機氮轉化為無機氮供植物吸收利用[6]。

有機氮礦化速率決定土壤中用于植物生長和微生物同化所需氮素可利用性，對維持土壤氮素供應具有重要意義[7]。硝化作用是指硝化細菌將土壤中銨態氮氧化成硝態氮的過程。硝化作用減少氨揮發，但由此形成的硝態氮可能因淋溶和地表徑流損失而污染水源，還可能通過反硝化作用導致溫室氣體排放，致使全球變暖[8]。因此，研究土壤中氮素礦化和硝化作用對于提升土壤肥力和保護環境具有雙重意義。

目前，關于秸稈還田對土壤氮素礦化的影響[2]、施肥對土壤氮素礦化和硝化作用的影響[9]報道較多，而關于秸稈與氮肥配施對黑鈣土氮素礦化和硝化作用的研究卻鮮有報道。

本文以吉林省典型黑鈣土為研究對象，采用室內培養試驗，研究不同秸稈添加量與氮肥配施對黑鈣土氮素礦化和硝化作用的影響，為完善黑鈣土地區秸稈還田技術，合理調控土壤氮素循環提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為黑鈣土，于2019年5月采自吉林省長春市農安縣華家鎮袁家屯（125°7′E，44°18′N），采用蛇形布點、多點混合方法采樣，取土深度為0～20 cm。樣品自然風干，去除肉眼可見秸稈等有機殘體，過2 mm 篩混勻備用。土壤pH為8.68，速效磷為4.83 mg·kg-1，速效鉀為134 mg·kg-1，堿解氮為46.27 mg·kg-1，有機碳為14.49 g·kg-1，全氮為1.27 g·kg-1，C/N 為11.41。供試玉米秸稈取自吉林農業大學試驗田，樣品自然風干，去除雜物后粉碎過1 mm 篩備用。該玉米秸稈含有機碳486.15 g·kg-1，全氮5.29 g·kg-1，C/N為91.9。

1.2 試驗設計

本試驗采用兩因素隨機區組設計，分別為秸稈還田量和施肥兩個因素。結合相關文獻和當地生產實際，秸稈還田深度為0～20 cm 耕層土壤，其重量約為2 250 t·hm-2。玉米秸稈全量還田為14 400 kg·hm-2，1 kg 土壤添加6.4 g 玉米秸稈。秸稈添加量共設5個水平，每個水平按照還田倍數添加：不加秸稈、秸稈半量、秸稈全量、秸稈2 倍、秸稈5 倍處理分別稱取0、3.2、6.4、12.8、32 g 玉米秸稈與1 kg土混勻。氮肥添加量按照當地化肥施用量氮素占比折算，1 kg耕層土壤施用0.2478 g尿素或0.5448 g磷酸氫二銨。按照秸稈添加量及施加氮肥種類不同，試驗共設15種處理（見表1），每種處理重復3次。

稱取1 kg 土壤，加蒸餾水調節樣品含水量至20%，裝入長×寬×高為21.3 cm×15.6 cm×8.3 cm，體積為2 700 mL 長方形帶蓋（側上方有通氣孔）塑料盒中，稱重后放于25 ℃恒溫培養箱中預培養一周，以激活土壤微生物。按試驗設計加入秸稈及化肥，混勻后于25 ℃恒溫培養箱中培養120 d，期間每隔4 d通過稱重補充水分以彌補蒸發損失量。

在第0、2、4、6、10、20、30、45、60、120天取出盒中部分樣品，測定土壤NH4+-N和NO3--N 含量。具體操作方法如下：稱取新鮮土樣12 g，加100 mL 0.01 mol·L-1CaCl2浸提液，25 ℃水浴下振蕩浸提60 min，將混合液過濾于100 mL塑料瓶內，連續流動分析儀AA3立即測定或儲存于冷凍室。另外稱取10 g新鮮土樣于錫紙中計算含水量（105 ℃下烘干8 h）。

1.3 數據處理與分析

礦質氮含量按照公式（1）計算：

式中，M為礦質氮含量（mg·kg-1）；（NH4+-N）t和（NO3--N）t分別為培養td時銨態氮含量和硝態氮含量（mg·kg-1）。

凈氮礦化量、凈氮礦化速率按照公式（2）和（3）計算：

式中，NP為凈氮礦化量（mg N·kg-1）；[（NH4+-N）+（NO3--N）]t為培養td時銨態氮和硝態氮含量之和（mg N·kg-1）；[（NH4+-N）+（NO3--N）]t0為培養0 d時銨態氮和硝態氮含量之和（mg N·kg-1）；Nm為凈氮礦化速率（mg N·kg-1·d-1）；t為培養天數；t0為0 d。

凈硝化速率按照公式（4）計算：

式中，Nx凈硝化速率（mg NO3--N·kg-1·d-1）；（NO3--N）t和（NO3--N）t0分別為培養td 和0 d 時NO3--N含量（mg NO3--N·kg-1）。

試驗數據均為3 次重復平均值。采用Excel 2010 和Origin 8.5 整理數據及繪圖，使用SPSS 22.0分析試驗數據單因素方差，LSD方法分析處理間平均數P＜0.05水平差異顯著性。

表1 不同處理土壤編號Table 1 Soil numbers of different treatments

2 結果與分析

2.1 秸稈及氮肥添加條件下黑鈣土礦質氮含量動態變化

圖1 為不同秸稈添加量黑鈣土分別在不加氮肥、施加尿素和施加磷酸氫二銨條件下礦質氮含量（銨態氮和硝態氮含量之和）動態變化。隨培養時間增加，各處理礦質氮含量表現為先升后降，再緩慢上升，最后趨于穩定（CK 除外）。而CK 處理礦質氮含量培養前4 d迅速上升，4～60 d則緩慢上升，最后趨于平穩。

不加氮肥條件下（見圖1a），4 種處理（1/2MS、MS、2MS、5MS）礦質氮含量變化規律相同。培養前4 d，4 種處理礦質氮含量均呈上升趨勢，變化范圍為1.12～24.78 mg·kg-1，2MS 和5MS 礦質氮含量上升幅度顯著高于1/2MS和MS。培養4～10 d，4種處理礦質氮含量迅速下降，其中1/2MS 下降幅度最小（92.57%），5MS最大（96.33%）。而培養10～60 d 則出現不同程度上升。至培養結束時，不加氮肥土壤中，CK 礦質氮含量為50.85 mg·kg-1，1/2MS、MS、2MS、5MS 礦質氮含量分別為31.43、20.63、2.47、0.99 mg·kg-1，分別比CK降低38.19%、59.43%、95.14%、98.05%。

施加尿素條件下（見圖1b），培養前20 d，N、N-1/2MS和N-MS礦質氮含量呈相同變化趨勢：培養第4 天達到峰值，培養4～20 d 出現不同程度下降。而N-2MS 和N-5MS 在培養前20 d一直呈下降趨勢。培養20～60 d，5種處理礦質氮含量呈不同程度上升，且各處理單位時間內累積礦質氮含量逐漸減少。隨培養時間增加，不同處理間土壤礦質氮含量差異顯著（P＜0.05），表現為N＞N-1/2MS＞N-MS＞N-2MS＞N-5MS。培養60～120 d，N 和N-1/2MS 礦質氮含量不增加，其礦化速率接近于0，N-MS 和N-2MS仍有一定礦化速率（0.14～0.22 mg·kg-1·d-1），而N-5MS礦質氮含量出現負增長。

施加磷酸氫二銨條件下（見圖1c），P、P-1/2MS 和P-MS 礦質氮含量均在培養第2天達到峰值，培養2～10 d則迅速下降。而P-2MS和P-5MS培養前10 d呈下降趨勢。培養10～60 d，5種處理礦質氮含量出現不同程度上升，且差異顯著（P＜0.05），表現為P＞P-1/2MS＞P-MS＞P-2MS＞P-5MS。培養60～120 d，P處理礦質氮含量不增長，P-1/2MS、P-MS和P-2MS 仍有一定礦化速率（0.06～0.26 mg·kg-1·d-1），而P-5MS礦質氮含量出現負增長。

圖1 秸稈及氮肥添加對黑鈣土礦質氮含量的影響Fig.1 Effects of straw and nitrogen fertilizer on mineral nitrogen content of chernozem

由圖1可見，秸稈全量還田條件下，施加氮肥處理礦質氮含量顯著高于不加氮肥處理，施加尿素處理礦質氮含量顯著高于施加磷酸氫二銨處理（P＜0.05），表現為N-MS＞P-MS＞MS。尿素施加量相同條件下，礦質氮含量隨秸稈施加量增加而降低，表現為：N＞N-1/2MS＞N-MS＞N-2MS＞N-5MS。磷酸氫二銨施加量相同條件下，礦質氮含量隨秸稈施加量增加而降低，表現為P＞P-1/2MS＞PMS＞P-2MS＞P-5MS。

2.2 秸稈及氮肥添加對黑鈣土氮素礦化作用的影響

圖2為秸稈及氮肥添加對黑鈣土凈氮礦化量和平均凈氮礦化速率的影響。對于CK處理，凈氮礦化量隨培養時間增加逐漸升高。不加氮肥條件下（見圖2a），4 種處理（1/2MS、MS、2MS、5MS）凈氮礦化量在培養初期均呈上升趨勢，第4天時達峰值，之后隨培養時間增加急劇下降。黑鈣土有機氮礦化受秸稈添加量影響較大，培養前4 d，4種處理凈氮礦化量隨秸稈添加量增加而升高，且差異顯著（P＜0.05）。培養6～45 d，4 種處理凈氮礦化量均為負值，且1/2MS＜MS＜2MS＜5MS，這是因為秸稈碳氮比較高，微生物對無機氮固持作用大于有機氮礦化作用[6]。培養60～120 d，1/2MS 和MS凈氮礦化量均呈增長趨勢，而2MS 和5MS 呈負增長，說明過量秸稈添加促進土壤礦質氮同化。經120 d培養，1/2MS、MS、2MS、5MS凈氮礦化量分別為11.49、9.30、-0.25、-0.93 mg N·kg-1，分別比CK 降低58.20%、66.17%、100.91%、103.38%。說明秸稈添加量越多，微生物對無機氮固持量也越多。

施加尿素條件下（見圖2b），N、N-1/2MS 和N-MS呈相同變化趨勢：隨培養時間增加，出現兩次高峰，一次低谷。其中，最高峰出現在培養第4天，黑鈣土凈氮礦化量達32.53～59.66 mg N·kg-1，隨后逐漸降低，培養第20 天降到低谷。之后逐漸上升，培養第120天升至第二個小高峰。N-2MS和N-5MS 培養期間黑鈣土凈礦化氮含量均為負值，N-MS 培養20～45 d 為負值。雖添加一定量尿素，但對于秸稈添加量較高處理來說，氮素仍缺乏，從而表現為微生物對無機氮大量固定，使凈氮礦化量為負值。

施加磷酸氫二銨條件下（見圖2c），P、P-1/2MS 和P-MS 呈相同變化趨勢：隨培養時間增加，出現兩次高峰和一次低谷。培養第2天即出現最高峰，黑鈣土凈氮礦化量達22.53～53.62 mg N·kg-1，之后逐漸降低，培養第10 天降到低谷。10 d 后呈階梯狀上升，培養第120天達到次高峰。P-2MS和P-5MS 培養期間黑鈣土凈礦化氮含量均為負值，P-MS 培養6～60 d 為負值。P 處理凈氮礦化量培養10 d后呈階梯狀上升，而N處理培養20 d后才逐漸上升。且培養第20 天時，N 處理凈氮礦化量為14.15 mg N·kg-1，而P 處理凈氮礦化量為28.18 mg N·kg-1，是N處理1.99倍。說明氮素添加量相同條件下，磷元素引入在培養初期促進土壤氮礦化。

不加氮肥時（見圖2d），各處理之間平均凈氮礦化速率差異顯著，表現為CK＞1/2MS＞MS＞2MS＞5MS（P＜0.05）。不加秸稈時（見圖2e、f），各處理之間平均凈氮礦化速率差異顯著，表現為N＞P＞CK（P＜0.05）。

圖2 秸稈及氮肥添加對黑鈣土凈氮礦化量和平均凈氮礦化速率的影響Fig.2 Effects of straw and nitrogen fertilizer on net nitrogen mineralization and average net nitrogen mineralization rate in chernozem

2.3 秸稈及氮肥添加對黑鈣土氮素硝化作用的影響

不同秸稈添加量及施肥對黑鈣土氮素硝化作用影響如圖3 所示。不加氮肥條件下（見圖3a），CK凈硝化速率培養2～6 d呈上升趨勢，第6天時達到峰值1.25 mg NO3--N kg-1·d-1，培養6～120 d 逐漸降低。1/2MS、MS、2MS和5MS處理凈硝化速率培養2～45 d均為負值，說明培養前45 d，僅添加秸稈處理反硝化作用大于硝化作用，而培養45 d后，4種處理凈硝化速率呈正向增長。

施加尿素條件下（見圖3b），N、N-1/2MS 和N-MS凈硝化速率均隨培養時間增加呈下降趨勢。N-2MS凈硝化速率2～10 d內逐漸降低，培養10 d后逐漸增強。N-5MS 凈硝化速率均為負值，但呈逐漸增強趨勢。培養前10 d，黑鈣土凈硝化速率表現為N＞N-1/2MS＞N-MS＞N-2MS＞N-5MS。隨后至培養結束，前3 種處理凈硝化速率依然滿足N＞N-1/2MS＞N-MS，而N-2MS和N-5MS凈硝化速率無明顯差異。

施加磷酸氫二銨條件下（見圖3c），P、P-1/2MS 和P-MS 凈硝化速率隨培養時間增加呈逐漸下降趨勢。P-2MS 凈硝化速率在2～6 d 內逐漸降低，培養6 d 后逐漸增強。P-5MS 凈硝化速率均為負值，但呈逐漸增強規律。培養前20 d，黑鈣土凈硝化速率表現為P＞P-1/2MS＞P-MS＞P-2MS＞P-5MS。此后，前3種處理凈硝化速率仍滿足P＞P-1/2MS＞PMS，而P-2MS和P-5MS凈硝化速率則無明顯差異。

不添加秸稈條件下，各處理之間平均凈硝化速率（0～120 d 凈硝化速率即為平均凈硝化速率）差異顯著，表現為N＞P＞CK（P＜0.05）。

圖3 秸稈及氮肥添加對黑鈣土凈硝化速率的影響Fig.3 Effects of straw and nitrogen fertilizer on net nitrification rate of chernozem

3 討論與結論

土壤中有機氮僅通過微生物礦化作用轉化為無機氮才能被植物吸收利用，氮礦化是土壤中氮素轉化重要環節[10]。秸稈添加使土壤產生激發效應，這是因為秸稈向土壤中提供生物質碳等碳源，改變土壤中微生物生命活動，從而加速土壤有機質分解，刺激土壤氮礦化啟動[11]。黑鈣土中有機氮礦化作用與秸稈添加量及施氮種類密切相關，其實質在于向黑鈣土中施加秸稈及氮肥時，改變其C/N 比，黑鈣土氮礦化速率和時間發生變化，從而影響黑鈣土礦質氮含量動態變化[12]。一般認為，C/N比大于30時，微生物對無機氮固持作用大于有機氮礦化作用，表現為無機氮凈同化；當C/N比小于30時，有機氮礦化作用大于無機氮生物固持作用，表現為有機氮凈礦化。本研究中添加秸稈C/N比較高（91.9），秸稈為黑鈣土中異養微生物大量繁殖提供豐富碳源，而氮源匱乏使土壤中礦質氮被迅速同化[13]。

從圖1可看出，不加氮肥條件下（見圖1a），培養期間黑鈣土礦質氮含量表現為CK＞1/2MS＞MS＞2MS＞5MS，這是因為秸稈加入黑鈣土后，微生物吸收土壤中礦質氮維持其適宜C/N比，使土壤中礦質氮含量減少，且秸稈添加量越高，即C/N 比越高，黑鈣土中礦質氮含量降幅越大[8]。同時，N-2MS、N-5MS、P-2MS和P-5MS 4種處理礦質氮含量在培養前期持續下降，因為高C/N比秸稈施入黑鈣土后，微生物可能利用土壤中礦質氮滿足其氮素需求，固持土壤中一定比例氮素，同時秸稈腐解過程中消耗一部分氮素，致使黑鈣土中礦質氮含量持續下降[14]。此外，秸稈還田配施氮肥（包括尿素和磷酸氫二銨）處理中礦質氮累積量遠高于僅添加秸稈處理，原因是：一方面，秸稈被微生物降解后，其所含氮素回歸土壤，加之配施氮肥使土壤中氮素投入量遠大于流失量；另一方面，微生物生命周期較短，其死亡后再次向土壤歸還氮素，增加土壤中氮素含量[15]。

凈礦化氮是指一定時間內土壤礦化氮量與微生物固持氮量差值，是土壤氮素供應容量指標，指總礦化氮中超出微生物需要，還供植物吸收利用的礦質氮，可反映土壤總供氮能力。利用室內培養試驗研究土壤中氮素礦化量時，通常采用培養后礦質氮增加量作為礦化程度量度[16]。從圖2可看出，MS培養第2天凈氮礦化量為3.54 mg N·kg-1，而N-MS 和P-MS 培養第2 天凈氮礦化量分別為18.80和22.53 mg N·kg-1。研究結果表明，與低氮濃度和高C/N比秸稈添加處理相比，高氮濃度和低C/N比秸稈添加處理可加速初始氮礦化，原因是土壤微生物生命活動主要取決于可礦化底物數量和氮有效性[17]。另外，添加氮肥處理氮礦化程度高于不加氮肥處理，高C/N 比秸稈添加到土壤中影響分解，而氮肥配施為微生物提供充足氮源，促使黑鈣土中微生物大量繁殖，加速有機氮礦化作用[18]。本研究還發現與CK相比，施加尿素顯著提升黑鈣土礦質氮含量和平均凈氮礦化速率，因尿素中主要成分是碳酰二胺[CO（NH2）2]，為低分子質量有機氮，易被異養微生物吸收利用，為有機氮礦化提供原料[19]。P 處理在培養第20 天凈氮礦化量是N 處理1.99倍，說明氮素添加量相同條件下，磷元素引入在培養初期促進土壤氮礦化，與陳修曉等研究結果一致[20]。

土壤硝化作用是提供植物生長所需氮素重要步驟。研究表明，不加秸稈條件下，施用氮肥處理黑鈣土平均凈硝化速率遠高于未施氮肥處理，說明黑鈣土中氮素含量是影響硝化細菌活性關鍵因素之一。同時，土壤中施用氮肥明顯增加硝化細菌數量和活性，增強黑鈣土硝化速率[9]。N-MS平均凈硝化速率最高，可能由于尿素為硝化細菌生長提供更有利生活條件。培養前期，僅添加秸稈4 種處理凈硝化速率表現為1/2MS＜MS＜2MS＜5MS，與土壤有機質含量增加程度有關，有機質經黑鈣土礦化作用產生銨根離子是硝化過程原料[21]。故秸稈添加量越多，硝化作用越強。同一秸稈添加量條件下，施加氮肥處理平均凈硝化速率遠高于不加氮肥處理，施加尿素處理平均凈硝化速率遠高于施加磷酸氫二銨處理。因為尿素和磷酸氫二銨經礦化作用產生NH4+-N 是硝化過程所需底物來源，有利于硝化作用。同時，尿素還促進土壤中硝化微生物繁殖, 增強硝化活性，提高硝化速率[8]。另外，趙浩淳等研究結果表明，施磷降低硝化細菌數量，致使施加磷酸氫二銨處理平均凈硝化速率降低[22]。

本試驗結果表明，培養前45 d，僅添加秸稈黑鈣土處理反硝化作用大于硝化作用，可能因玉米秸稈為厭氧微生物提供豐富有機質，導致黑鈣土反硝化作用增強[17]。另一方面，玉米秸稈C/N比較高，微生物需吸收土壤中原有礦質氮滿足其需要，故玉米秸稈添加促進氮同化并導致硝化底物減少[23]。而氮肥施入削弱微生物對無機氮生物固持作用，增加NH4+-N 濃度，加速硝化作用，這也是本研究中施加氮肥處理平均凈硝化速率遠高于不加氮肥處理的原因[1]。

綜上所述，秸稈與兩種氮肥配施對黑鈣土氮素的礦化和硝化作用均有顯著影響。本試驗于室內培養條件下開展，與田間實際情況存在較大差異，尤其是沒有硝態氮水溶淋失和植物吸收土壤氮素的干擾。另外，本研究僅考慮黑鈣土表層氮素轉化，未探討礦質氮在深度上分布規律。因此，關于秸稈與氮肥配施對黑鈣土礦化和硝化作用的影響還需開展田間試驗以詳細探索。