干濕交替與秸稈添加對土壤氮動態的影響

摘要：為提高土壤氮肥力和秸稈綜合利用率，采用室內模擬控制試驗探討了干濕交替、秸稈添加及其交互作用對土壤有效氮含量及氮礦化速率的影響。結果表明：秸稈添加對土壤有效氮含量無顯著影響，但二者的交互作用顯著增加了土壤銨態氮、硝態氮及無機氮含量，分別約增加了67%，93%和86%；二者交互作用對土壤氨化速率和硝化速率影響顯著，對凈氮礦化速率無顯著影響。隨著干濕交替強度的增加，土壤銨態氮、無機氮含量及氨化速率顯著增加，但土壤硝態氮含量、硝化速率和凈氮礦化速率變化不顯著。方差分離結果表明，干濕交替強度、干濕交替循環次數、秸稈添加三者間的交互作用對土壤有效氮含量及氮礦化速率的方差解釋量最大，其次為秸稈添加。研究結果表明，干濕交替可能會促進秸稈添加下的土壤氮轉化過程，進而引起土壤氮肥力增加。

關 鍵 詞：棕壤； 秸稈綜合利用； 土壤氮轉化； 養分循環氧化鈷; 納米結構; 電容器; 電催化

中圖分類號：S153

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2024.04.006

Effects of drying-wetting cycles and straw addition on soil nitrogen dynamics

CUI Song^1，2， LYU Yan^1，2， CHEN Lanfeng^1，2QI Nan¹， SUN Guangji²， DING Zifan²， YANG Yang²， LIU Xiaoqing²， KONG Jianjian²

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）（1. Department of Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：To improve soil nitrogen fertility and utilization efficiency of straw， a lab incubation experiment was used to explore the effects of drying-wetting cycles， straw addition and their interaction on soil available nitrogen contents and nitrogen mineralization rates. Only straw addition did not significantly affect soil available nitrogen contents， but the interaction between drying-wetting cycles and straw addition significantly increased soil ammonium， nitrate and inorganic nitrogen contents by about 67%， 93% and 86%， respectively. Such interaction significantly affected ammonification and nitrification rates， but exerted no significant effect on net nitrogen mineralization rates. Increasing with drying-wetting intensity， soil ammonium， inorganic nitrogen contents and ammonification rates significantly increased， but soil nitrate contents and nitrification and net nitrogen mineralization rates did not significantly change. The variance separation analysis showed that the interaction of drying-wetting intensity， drying-wetting cycles times and straw addition explained the largest part of variance in the available nitrogen and nitrogen mineralization rates， followed by straw addition. The results indicate that drying-wetting cycles may promote the soil nitrogen transformation after straw addition， which in turn could increase soil nitrogen fertility.

Key words：brown soils; straw synthetic use; soil nitrogen transformation; nutrient cycling

氮素是土壤養分的主要組成成分之一，是限制植被生長發育的重要因素，也是提高農業生產力的主要限制因子^［1］。人類過度施肥及不科學的農業耕作方式已經導致土壤生態環境急劇惡化，土壤氮肥力下降^［2］。秸稈還田是培肥地力的有效措施之一，能夠補充土壤有機質含量和促進土壤養分循環，改善土壤物理化學性狀^［3］。然而，由于全球氣候變暖和人類對水資源的不合理開發利用，使得農田土壤干濕交替現象頻繁出現，這可能會在一定程度上影響還田秸稈的降解過程，進而影響土壤氮轉化過程和肥力供給能力^［4］。

目前，有很多研究關注了秸稈還田對土壤氮動態的影響，這些研究主要集中于秸稈還田量、還田方式及其與耕作方式的結合等對土壤氮轉化和氮肥力的影響^［5-7］。一些研究發現，秸稈全量還田能增加土壤有機質含量，對土壤氮肥力水平提高有顯著影響^［8］，但過量秸稈還田會增加土壤碳氮比，不利于秸稈歸還土壤養分^［9］。此外，一些學者研究了不同還田方式對土壤氮含量的影響，發現秸稈直接還田和腐解還田一般會增加土壤硝態氮含量，但卻會降低土壤有機氮含量^［10］，而長期過腹還田則能夠顯著提升土壤全氮含量^［11］。另有研究發現，秸稈還田與耕作方式的交互作用能夠有效提高土壤養分^［12］，還可以有效地改善土壤孔隙度和容重等重要理化性狀^［13］。秸稈還田是一個長期的過程，農業生態系統中干旱土壤的再濕潤現象的頻發會影響秸稈還田過程，進而影響土壤氮動態。而頻繁的干濕交替作用也會改變土壤理化性質，導致土壤顆粒的膨脹收縮，影響土壤孔隙的大小和穩定性，使土壤變得緊實，容重增加^［14］。干濕交替引起的土壤物理性質的改變會影響土壤氮礦化作用^［15］，并且干濕交替過程中土壤干燥后復水能激發微生物活性^［16］，增加土壤有效氮含量^［17］。盡管上述研究提高了人們對秸稈還田和干濕交替對土壤氮動態影響的認識，但氣候變化尤其是干濕交替現象對秸稈還田后的土壤氮轉化和氮動態的影響卻尚不明確。

東北地區是我國重要的商品糧生產基地，也是遭受氣候變暖和干濕交替較為嚴重的地區。該區域土壤正面臨著土壤衰退與退化等環境問題，如何遏制土壤退化、改善土壤環境、修復土壤質量已成為農業管理部分亟待解決的問題。基于此，本研究以東北棕壤土為供試對象，通過室內模擬培養試驗，研究干濕交替下秸稈添加對土壤氮動態的影響，以期能合理和有效地利用作物秸稈達到培肥地力及增加作物產量的效果，進而保障農業的可持續發展。

1 研究材料與方法

1.1 研究區概況

本研究所用的供試土樣來自遼寧省鞍山市臺安縣毛家村農田，該區域地處遼寧省中部，屬遼河三角洲腹地（122°11′～122°40′E，41°01′～41°34′N），地勢平坦，平均海拔為6～7 m。該區屬于溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為8.2 ℃，年均降水量為660 mm，降水多集中于每年的7-8月。

該區域土壤類型以棕壤為主，部分棕壤受沙化和鹽漬化影響，土壤肥力水平較低，保水保肥性差。作物種植以玉米和水稻為主，小麥為輔。農田管理方式為春季4月底至5月初土壤施肥淺耕，而后進行機械播種，秋季收獲后，秸稈均移出農田，沒有采取秸稈覆蓋保護措施。

1.2 試驗設計

土壤樣品于2022年8月采集。在采集區隨機采集0～20 cm耕層土壤，約50 kg，然后帶回實驗室放在干燥陰涼通風處自然風干；再將土壤樣品過2 mm篩，剔除其中的石頭、植物殘體和根系等雜物，用于室內培養模擬試驗。

干濕交替模擬的試驗條件：在25 ℃恒溫條件下進行培養試驗，設有2個干濕交替強度（100%～20%，60%～10%），恒定水分30%作為對照。在此基礎上設置了如下處理：添加秸稈和未添加秸稈，共進行6次循環（每次循環7天），每次處理有4次重復，共144個培養單元。每周取出各處理下的培養單元各8個（包括不添加秸稈和添加秸稈的各4個），進行相關指標的測定。

每個培養單元均加入150 g過2 mm篩的風干土。添加秸稈的培養單元還需加入3 g粉碎秸稈（依據每公頃農田秸稈全量還田計算），之后進行預試驗。在每個培養單元均加入一定量的去離子水調節土壤含水量至20%，然后用保鮮膜覆蓋瓶口防止水分蒸發，同時，在保鮮膜上扎10個小孔以保障培養單元的通氣性，最后放于25 ℃恒溫培養箱中預培養5 d。預培養結束后，在恒濕組加入去離子水調節土壤含水量，將其田間持水量調節為30%；在干濕交替組中向每個培養單元中加入適量去離子水調節田間持水量到相應水平（即100%和60%）；之后按照預試驗的方法進行培養單元通氣處理，然后放在恒溫培養箱中進行培養。在試驗周期內，恒濕組每個周期為7 d，每周取一次樣；在干濕交替組各個周期內，保持恒定水分2 d；之后去掉保鮮膜，打開恒溫培養箱的通風裝置，調節風速和通風時間使各培養單元在3 d 內土壤含水量干燥至相應水平（即100%～20%和60%～10%）；再次蓋上保鮮膜使其維持該濕度2 d。培養期間，每個培養單元通過稱重法保證培養單元內水分的恒定。

1.3 樣品測試分析方法

土壤無機氮：土壤銨態氮采用2 mol·L^-1 KCl 浸提-靛酚藍比色法測定^［18］；土壤硝態氮采用2 mol·L^-1 KCl浸提-紫外分光光度法測定^［18］，單位為mg·kg^-1。

1.4 數據處理

1）氨化速率、硝化速率、氮礦化速率的計算公式：

氨化速率（mg·kg^-1 soil·d^-1）=（培養后銨態氮含量－培養前銨態氮含量）/培養天數

硝化速率（mg·kg^-1 soil·d^-1）=（培養后硝態氮含量－培養前硝態氮含量）/培養天數

凈氮礦化速率（mg·kg^-1 soil·d^-1）=（培養后無機氮含量－培養前無機氮含量）/培養天數

2）統計分析方法：

采用單因素方差分析方法評價干濕交替作用、添加秸稈對土壤氮指標的影響；采用多因素方差分析方法檢驗不同處理（即干濕交替強度、干濕交替循環次數、添加秸稈）對土壤氮指標影響的交互影響；采用方差分離（variance partition）方法評價干濕交替強度、干濕交替循環次數、添加秸稈對土壤有效氮及氮礦化速率影響的相對重要性。本研究統計顯著性水平為0.05，所有數據分析在SPSS20.0和R4.1.0 中完成，最后采用Origin 64進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 干濕交替與秸稈添加對土壤有效氮含量及氮礦化速率的影響

從表1可見，秸稈添加對土壤有效氮含量和氮礦化速率無顯著影響，干濕交替僅對土壤銨態氮、無機氮和氨化速率影響顯著。干濕交替和秸稈添加的交互作用對土壤銨態氮、硝態氮、無機氮及氨化速率和硝化速率有顯著影響。相較恒定水分處理，在100%～20%強度下的銨態氮、無機氮和氨化速率分別增加了83%，57%和95%；在60%～10%強度處理下，各土壤性質指標間無顯著變化（表2）。

相對未添加秸稈的恒定水分處理，100%～20%強度下的干濕交替和秸稈添加的交互作用使得土壤銨態氮、硝態氮和無機氮分別增加了67%，93%和86%，使得土壤氨化速率和硝化速率分別增加了87%和85%（表3）。

2.2 干濕交替和秸稈添加對土壤有效氮含量及礦化速率影響的相對重要性

方差分析結果表明，干濕交替強度、干濕交替循環次數、秸稈添加及這些因素的交互作用對土壤有效氮含量的總方差解釋量均大于85%（圖1（a）、圖1（b）、圖1（c））。其中3個因素的交互作用對有效氮含量方差解釋量最大，分別為56%，37%和37%；秸稈添加與干濕交替循環次數的交互作用對土壤氨態氮的方差解釋量最小，干濕交替強度及其循環次數的交互作用對土壤硝態氮的方差解釋量最小，干濕交替循環次數對土壤無機氮的方差解釋量最小。這3個因素對土壤氮轉化速率的總方差解釋量約為95%，其中它們交互作用的方差解釋量最大，分別為82%，86%和83%，其次為秸稈添加的解釋量，分別為15%，6%和11%。最小的方差解釋量為干濕交替強度（圖1（d）、圖1（e）、圖1（f））。

3 討論

研究結果表明，在未添加秸稈時，在100%～20%干濕交替處理下土壤銨態氮和無機氮含量顯著增加，這與之前的研究相一致^［19］。其原因可能是培養初期水分條件良好，形成相對淹水密閉條件，適于厭氧微生物迅速繁殖活動，在此情況下微生物迅速分解易礦化有機氮，代謝產生銨態氮^［20］；同時，干濕交替環境有利于氮礦化過程的進行，使無機氮含量增加^［21］。在100%～20%干濕交替強度下，添加秸稈后土壤硝態氮含量顯著增加，原因可能是添加秸稈可增加土壤孔隙，這不僅有利于改善土壤通氣狀況，還有利于土壤水分存儲，從而增強土壤的硝化作用，導致硝態氮濃度增加^［22］。

研究結果顯示，在未添加秸稈時，100%～20%干濕交替處理下的土壤氨化速率顯著高于60%～10%干濕交替處理。這可能是因為隨著干濕交替強度的增加，高強度干濕交替處理能在每個干濕交替周期初始為微生物分解有機質及自身代謝繁殖提供更多的水分補給^［23-24］，從而使土壤氨化作用增強。在添加秸稈與100%～20%干濕交替的交叉作用下，硝化速率顯著提升。這可能是由于干濕交替會影響秸稈的腐解，加速養分釋放，隨著干濕交替的進行，秸稈分解使土壤發生了明顯的氮礦化作用，木質素等有機物和碳源底物逐漸增多，提高了土壤的氮礦化速率，促進氮素向銨的硝化作用進行^［25-26］，導致硝化速率升高。

方差分離結果表明，秸稈添加及其與干濕交替強度、循環次數的交互作用是影響有效氮含量的主要因素，三者間的交互作用也是土壤氮轉化速率的最主要影響因素。以上研究結果表明，單一的秸稈添加或干濕交替對土壤有效氮含量和氮礦化速率的影響較小，而它們間的交互作用對其影響較強。所以在農業生產過程中，實施秸稈還田措施要結合當地的氣候條件（如降水、氣溫、極端干旱天數、極端降水量）才能更為有效地修復土壤質量，提升土壤肥力水平，保障農業生產可持續發展。

4 結

論

本研究表明，單獨的秸稈添加對土壤氮動態的影響要小于干濕交替的單獨作用及其與秸稈添加交互作用的影響。區域頻繁出現干濕交替能顯著增加土壤無機氮含量，秸稈還田后土壤頻繁遭受干濕交替則可能會促進秸稈的降解和土壤的氮轉化過程，進而提高土壤氮肥力水平。因此，在氣候變暖的背景下，為更好地保障秸稈還田效果，修復退化土壤質量，迫切需要精準控制秸稈還田條件。

致謝 感謝沈陽師范大學重大孵化項目（ZD202301）的支持。

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【責任編輯：王瑞丹】