施用秸稈對土壤可溶性有機(jī)碳氮及礦質(zhì)氮的影響

丁婷婷, 王百群,2,3, 何瑞清, 張 燕

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

施用秸稈對土壤可溶性有機(jī)碳氮及礦質(zhì)氮的影響

丁婷婷1, 王百群1,2,3, 何瑞清1, 張 燕1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

為了研究施用秸稈對土壤可溶性有機(jī)碳氮及礦質(zhì)態(tài)氮含量的影響，設(shè)置CK(對照)，M2，M4，M6共4個處理，處理中每100 g干土中加入秸稈量分別為0，2，4，6 g。在室溫為25℃、土壤含水量為田間持水量的70%的條件下進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)，分別在15，30，45，60，105，150 d時，采取各處理中的土壤樣品，觀測土壤可溶性有機(jī)碳氮及礦質(zhì)氮的動態(tài)變化。結(jié)果表明：4個處理的土壤可溶性有機(jī)碳、氮具有相同的變化趨勢，表現(xiàn)為隨著培養(yǎng)時間的推移，先增加，再減小，然后經(jīng)過一段時間的波動后趨于平穩(wěn)。在培養(yǎng)的整個過程中，M4與M6處理的土壤可溶性有機(jī)碳、氮明顯高于CK中的含量，表明了施用秸稈可以促進(jìn)土壤可溶性有機(jī)碳氮的累積。在相同時間段內(nèi)，各處理之間銨態(tài)氮含量無明顯差異，與對照相比，加入秸稈后，土壤中硝態(tài)氮的含量明顯下降。

可溶性有機(jī)碳; 可溶性有機(jī)氮; 礦物態(tài)氮; 秸稈; 培養(yǎng)試驗(yàn)

土壤可溶性有機(jī)碳、氮是土壤有機(jī)碳、氮中最活躍的組分之一，在不同的土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮遷移及轉(zhuǎn)化中具有重要的作用[1]。土壤可溶性有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon，DOC)和可溶性有機(jī)氮(Dissolved Organic Nitrogen，DON)的定義繁多，大多數(shù)研究者將其定義為土壤中能被水或鹽溶液浸提出來的有機(jī)態(tài)碳或氮[2-4]。研究表明，可溶性有機(jī)碳、氮影響著土壤的成土作用和固定作用、土壤生態(tài)系統(tǒng)中元素的生物地球化學(xué)循環(huán)及鋁、重金屬元素的毒性和遷移[5-7]。同時，可溶性有機(jī)碳作為土壤中最具動態(tài)特征的碳組分，不僅是土壤微生物的主要能源和物質(zhì)來源，而且自身也有一部分來自于死亡微生物的降解，與微生物生物量關(guān)系密切[8]。有研究表明DOC含量與土壤肥力有著顯著的相關(guān)關(guān)系，是土壤肥力的一個重要指標(biāo)[9]，也是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分,在陸地生態(tài)系統(tǒng)C，N循環(huán)、土壤形成以及污染物質(zhì)遷移中起著重要作用[10]，還有人研究發(fā)現(xiàn)DOC的生物降解與溫室氣體(CO2，CH4和N2O)的產(chǎn)生和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化有關(guān)[11-12]；土壤可溶性有機(jī)氮是土壤氮的一個有效養(yǎng)分庫,在土壤氮轉(zhuǎn)化過程中起承接作用[13]，即在氮的礦化過程中起著重要的作用。土壤可溶性有機(jī)氮(DON)是森林土壤溶液中N 的最主要存在形式和運(yùn)輸載體之一[14-15]，也是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的因素之一[1]，有學(xué)者認(rèn)為可溶性有機(jī)氮可能是植物可以吸收的一個重要的土壤氮素組分[16]，也有研究表明土壤溶液中的DON是生物體合成的有生物學(xué)意義的產(chǎn)物，如有機(jī)酸或酶[17]。趙滿興等的研究也表明可溶性有機(jī)碳、氮也容易隨水淋失，是一項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，對于研究碳氮循環(huán)與環(huán)境有重要的意義[18]。可溶性有機(jī)碳、氮可以作為反映土壤有機(jī)碳和氮素礦化的指標(biāo)[3]。因此，對可溶性有機(jī)碳、氮的研究對整個生態(tài)系統(tǒng)都有非常重要的意義。自20世紀(jì)90年代以來,伴隨著高溫催化氧化(HTCO)分析技術(shù)的發(fā)展,有關(guān)可溶性有機(jī)物(DOM)(可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮)的循環(huán)和作用的研究越來越多[19]，但大多集中于森林生態(tài)系統(tǒng)和水體中[20-22]的可溶性有機(jī)碳、氮的研究，主要包括DOM的來源、提取方法、組成[10]、結(jié)構(gòu)以及在土壤中的吸附解吸等[23]，在這些方面都取得了許多重要進(jìn)展[24]。在秸稈還田的研究中對DOC和DON的研究相對較少。本研究為了減少外界環(huán)境的影響，通過室內(nèi)培養(yǎng)，在控溫、控濕的條件下研究不同加入量的秸稈腐解過程中土壤可溶性有機(jī)碳、氮以及礦物態(tài)氮的變化，以期對秸稈腐解過程中土壤可溶性有機(jī)碳、氮及礦物態(tài)氮的動態(tài)變化提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和秸稈樣品的采集及性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程

將風(fēng)干的供試土樣剔除雜質(zhì)后過2 mm篩，妥善保存?zhèn)溆谩⒐┬←溄斩挊悠吩?0°C下烘干粉碎。設(shè)置4個處理：CK(對照)，M2，M4，M6，各處理中每100 g土分別加入秸稈量為0，2，4，6 g。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)稱取200 g的風(fēng)干土，在CK，M2，M4，M6處理中分別加入小麥秸稈0，4，8，12 g。將小麥秸稈與土壤充分混勻后放入培養(yǎng)盒中，然后加入蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含水量至因間持水量的70%，將培養(yǎng)盒置于溫度為25℃、空氣濕度為70%的恒溫室中進(jìn)行培養(yǎng)，在培養(yǎng)過程中，每隔1 d根據(jù)重量法補(bǔ)充水分，以此保持土壤水分含量相對穩(wěn)定。在培養(yǎng)15，30，45，60，105，150 d后，分別采集培養(yǎng)盒中的土樣，根據(jù)設(shè)計(jì)，測定相關(guān)指標(biāo)。

供試土壤及小麥秸稈的基本性狀測定采用常規(guī)方法[25]，土壤全氮用半微量開氏法測定；土壤總有機(jī)碳用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；小麥秸稈全氮用H2SO4—H2O2消煮法。

(1) 可溶性有機(jī)碳(DOC)。 稱取培養(yǎng)后土樣25 g于250 ml有蓋試劑瓶中，加0.5 mol/L的K2SO4100 ml，常溫下震蕩30 min，過濾后保留濾液。吸取濾液20 ml于小玻璃瓶中，在TOC-Vwp(日本)分析儀上測定[26](略有改動)。

(2) 可溶性氮(Dissolved Nitrogen，DN)。采用開氏法測定[28](參照《有機(jī)肥中可溶性有機(jī)碳、氮含量及其特性》略有改動)：吸取濾液10 ml于開氏管中，加0.25 ml 0.19 mol/L的CuSO4，加濃硫酸2.5 ml，蓋上漏斗，在365℃下消煮2.5 h左右，轉(zhuǎn)移至50 ml容量瓶，然后定容，在FIAStar 5000流動注射儀上測定。

(3) 礦物態(tài)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)參照楊絨等[3]的研究方法的測定(略有改動)：稱取新鮮土樣5 g，用1 mol/L的KCl 50 ml浸提，震蕩1 h，過濾。在Auto Analyzer3(德國)上測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 17.0和Excel 2003軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，作圖用Origin 9.0。用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中可溶性有機(jī)碳、氮含量的動態(tài)變化

從表1可以看出，加入秸稈后土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)除M2在15 d和45 d時低于CK處理外，其他各個處理在各個時期都比CK處理高。CK處理、M4處理以及M6處理隨時間的變化趨勢基本一致，都是先升高，再降低，再經(jīng)過一段平衡波動后再降低，然后達(dá)到平衡或略有升高，它們的最大值分別為109.2 mg/kg，195.1 mg/kg和360.3 mg/kg，最小值分別為52.29 mg/kg，124.6 mg/kg和177.1 mg/kg，M2處理是先大幅度增加，即在30 d時達(dá)到最大，并且是所有處理在所有時間段中的最大值415.55 mg/kg，然后大幅度下降，在45 d時甚至低于CK處理，然后再略有增加，到60 d以后和其他處理有相同的趨勢，即在達(dá)到平衡后略有升高。與土壤的本底值相比較(即0 d)，在15 d時，4個處理CK，M2，M4和M6土壤DOC分別增加了93.42%，46.40%，151.11%和399.16%；在150 d時CK處理在原來的基礎(chǔ)上降低了27.33%，M2，M4和M6處理分別增加了43.56%，177.87%和144.50%。

M4處理和M6處理的可溶性有機(jī)氮(DON)具有相同的變化趨勢，表現(xiàn)為先增加，再降低，在45 d時達(dá)到最大值，分別為27.94 mg/kg和30.67 mg/kg，然后再降低，再略有升高。CK的DON除15 d的變化趨勢與M4處理和M6處理的不同外，其他各個時期都有相同的變化趨勢，即CK的DON先緩慢升高，然后大幅度升高，在45 d時達(dá)最大值(25.48 mg/kg)，然后再降低，再略有升高。在整個變化過程中，M4和M6的DON在相同時間點(diǎn)的值都高于CK處理，表明施用一定量的秸稈可以有效地增加土壤中的DON。M2處理的DON表現(xiàn)為先增加，再降低，在45 d時達(dá)到最小值1.9 mg/kg，然后再增加，在105 d時達(dá)到最大值12.01 mg/kg，然后再降低。

由表1可以看出，在150 d的培養(yǎng)過程，M2處理的土壤DOC和DON的變化趨勢不同于其他處理，在30 d時，DOC達(dá)到最大值，其值為415.55 mg/kg，為所有處理在所有時間段中的最大值，而M2的DON含量在45 d時是所有處理在所有時間段中的最小值(3.97 mg/kg)。

表1 不同處理間土壤DOC，DON的含量差異性分析

注：同一列中相同字母表示各個處理之間差異不顯著(p<0.05)。

2.2 不同處理間土壤DOC，DON差異性分析

由表1可以看出，除0 d，15 d和60 d時CK處理的DOC和M2處理以及150 d時的M4處理和M6處理之間未達(dá)到顯著水平外，其他所有處理在相同的時間段內(nèi)各個處理之間都達(dá)到顯著水平。在15 d，45 d和105 d時，除CK處理外，其他處理的可溶性有機(jī)碳都是隨秸稈加入量的增加而增加。

除30 d的CK處理和M2處理、M4和M6處理、60 d時的CK處理和M4處理、105 d時的CK處理和M4處理以及150 d時的CK處理和M2處理、M4處理和M6處理土壤的DON含量未達(dá)到顯著水平外，其他所有處理在相同的時間段內(nèi)各個處理之間的DON含量差異均達(dá)到顯著水平。在150 d時，與對照相對，施肥秸稈明顯增加土壤中的DON含量，且表現(xiàn)出隨秸稈施量增加，土壤DON呈現(xiàn)增加的態(tài)勢。

2.3 土壤DOC/DON比值的動態(tài)變化

由表2可以看，出在整個培養(yǎng)過程中，DOC/DON的比值大小隨時間的變化具有波動。4個處理在培養(yǎng)結(jié)束時(150 d)的DOC/DON值為15.48～20.90，與初始時的比值比較，各處理的DOC/DON均提高。

表2 培養(yǎng)過程中土壤DOC/DON比值的變化

2.4 培養(yǎng)過程土壤可溶性氮的動態(tài)變化

2.4.1 土壤可溶性總氮的變化 由圖1可以看出，CK處理、M4處理及M6處理的可溶性總氮的變化趨勢是一致的，都是先降低，然后在45 d時略有升高，然后再降低，達(dá)到平衡或略有升高。CK處理可溶性氮在15 d時的降幅比較小，其降低了12.66%，而M2，M4和M6的降幅分別為84.25%，80.53%和72.75%。

2.4.2 培養(yǎng)過程中土壤硝態(tài)氮含量的變化 由表3可以看出，在土壤中施入秸稈(M2，M4和M6)后，經(jīng)過一段培養(yǎng)之后，土壤的硝態(tài)氮的陡然減少，其含量接近0。但是，在105 d和150 d時，施入秸稈的土壤

含有微量的硝態(tài)氮。CK處理土壤中的硝態(tài)氮在整個培養(yǎng)過程中表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢。

圖1 培養(yǎng)過程中不同處理土壤可溶性總氮的變化

表3 不同處理土壤中硝態(tài)氮含量的變化mg/kg

注：表中“±”之后數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)差，“—”表示未檢測到硝態(tài)氮。

2.4.3 土壤銨態(tài)氮含量的變化 由圖2可以看出在15 d時，M6與CK，M2，M4處理間的含量差異性達(dá)到顯著水平。在整個培養(yǎng)過程中，15 d時的M6與其他處理、30 d時的CK與M4和M2與M6處理、105 d時的M2與其他處理具有顯著差異,其余時段，各處理間的土壤銨態(tài)氮含量都沒有差異。CK中的銨態(tài)氮含量在前60 d內(nèi)變化幅度比較小，稍有上下浮動，在105 d時達(dá)到最大值，在150 d時又有所減小。CK，M4以及M6在前60 d有一個比較平緩的波動，在105 d時均達(dá)到最大值，分別為8.35 mg/kg，7.77 mg/kg和8.85 mg/kg，在150 d時又降低。M2處理變化一直比較平緩，在前60 d波動后開始增加，到150 d時達(dá)到該處理下的最大值(4.08 mg/kg)。

2.4.4 土壤可溶性總氮(TDN)中不同形態(tài)氮所占的比例 從表4可以看出，在起始時(0 d)，土壤硝態(tài)氮

占可溶性總氮的比例最大(88.37%)，其次為可溶性氮，占到8.96%，銨態(tài)氮占可溶性總氮的比例最小為1.73%。隨著時間的推移，CK中硝態(tài)氮的比例逐漸增加，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮減小，并且可溶性有機(jī)氮大于銨態(tài)氮。在15 d后，M2，M4和M6總體上所占比例的順序表現(xiàn)為可溶性有機(jī)氮>銨態(tài)氮>硝態(tài)氮。

圖2 培養(yǎng)過程中不同處理土壤銨態(tài)氮的變化

表4 不同氮組分占可溶性總氮的比例%

3 討 論

3.1 培養(yǎng)過程中DOC，DON含量動態(tài)變化及其效應(yīng)

土壤中的可溶性有機(jī)碳、氮是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動的中間產(chǎn)物,其含量的高低是土壤微生物對有機(jī)物分解與利用的綜合反映。秸稈中有機(jī)碳進(jìn)入土壤中，使土壤碳、氮礦化—固持過程的強(qiáng)度和時間發(fā)生重大變化，從而影響土壤可溶性有機(jī)碳、氮以及礦物態(tài)氮的動態(tài)變化。本研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過15 d的培養(yǎng)后，土壤可溶性有機(jī)碳、氮都升高，這可能是土壤含水量的增加提高了微生物生物量的固轉(zhuǎn)和微生物數(shù)量，同時土壤干濕交替的微弱變化引起了土壤水分環(huán)境的改變，使得原來被吸附的碳以DOC的形式釋放[29]。在150 d的培養(yǎng)過程中,發(fā)現(xiàn)土壤中DOC含量都是先升高，再降低，再經(jīng)過一段平衡波動后再降低，然后達(dá)到平衡或略有升高，這與薛菁芳等[30]在研究玉米秸稈加入棕壤后可溶性有機(jī)碳的變化趨勢基本一致。

可溶性有機(jī)氮在15 d時都有所增加，在30 d時略有下降，但是除M2處理外都高于初始值，這與前人研究土壤培養(yǎng)過程DON含量初始時呈明顯的增加趨勢相一致，而與后期相反[31]，這也可能是由于取樣時間以及培養(yǎng)條件不一致引起的，也可能是因?yàn)闇y定方法不一致。除M2處理外，其他各處理的可溶性有機(jī)氮前期增加都在45 d時達(dá)到最大值，然后降低，達(dá)到平衡，這與薛菁芳等的研究在時間上有所不同，但整體的變化趨勢是一致的，這也可能是因?yàn)椋袡C(jī)物料的施入激發(fā)了土壤微生物的繁殖，促進(jìn)了對秸稈的分解，DOC、DON作為有機(jī)物料的分解產(chǎn)物，含量逐漸升高，此后，又作為微生物可利用的碳、氮源被逐漸分解，含量降低趨于穩(wěn)定。

在表1中，土壤可溶性有機(jī)碳除0，15，60 d時的CK處理和M2處理以及150 d時的M4處理和M6處理之間未達(dá)到顯著水平外，其他所有處理在相同的時間段內(nèi)各個處理之間都達(dá)到顯著水平。在15，45，105 d時除CK處理外，其他處理的可溶性有機(jī)碳都是隨秸稈加入量的增加而增加，這說明秸稈還田能提高土壤DOC含量，這與其給土壤提供了豐富的有機(jī)物有關(guān)[32]。培養(yǎng)過程中土壤DOC/DON比值表現(xiàn)為，中間有一定的波動，但培養(yǎng)初始與結(jié)束相比較，4個處理的DOC/DON均變大，這表明土壤浸提液中有機(jī)氮相對于有機(jī)碳有較高的穩(wěn)定性[33]。

3.2 培養(yǎng)過程中礦質(zhì)態(tài)氮含量的變化

4 結(jié) 論

有機(jī)物料施入土壤后，經(jīng)過分解可以產(chǎn)生一些可溶性的有機(jī)物質(zhì)。秸稈的加入量對可溶性有機(jī)碳、氮具有明顯的影響，隨著秸稈施用量的增加，土壤可溶性有機(jī)碳氮呈現(xiàn)增加的趨勢，隨著培養(yǎng)時間的推進(jìn)，各處理中土壤可溶性碳氮表現(xiàn)為波動變化。施用秸稈對土壤礦質(zhì)態(tài)氮也有一定的影響，在施用不同秸稈量的處理中，隨著培養(yǎng)時間的推移，土壤中硝態(tài)氮的含量接近于0，在培養(yǎng)后期，在施用秸稈的處理中含有微量的硝態(tài)氮；各處理中土壤銨態(tài)氮在前期、中期、后期有明顯的增減，施用不同量的秸稈對土壤銨態(tài)氮的含量無明顯影響。還田秸稈是土壤中可溶解性有機(jī)碳氮的重要來源之一，因此,在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過秸稈還田可以增加土壤中的可溶性有機(jī)碳氮，為土壤微生物提供有效的碳氮源。

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EffectsofAdditionAmountsofStrawonSoilDissolvedOrganicCarbon,NitrogenandMineralNitrogen

DING Ting-ting1, WANG Bai-qun1,2,3, HE Rui-qing1, ZHANG Yan1

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to examine the effects of straw amendment on soil dissolved organic carbon, nitrogen and mineral nitrogen, 4 treatments were set up, which included CK (no straw), M2(2 g of straw in 100 g soil), M4(4 g of straw in 100 g soil) and M6(6 g of straw in 100 g soil). The straw and soil were mixed evenly, the soil water was kept 70% of water holding capacity, then the incubation experiment was conducted at room temperature (25℃), and soil moisture was controlled by weighing. Soil samples were taken in 15 d, 30 d, 45 d, 60 d, 105 d and 150 d, respectively. The results showed that the 4 treatments had the same change trend in terms of soil dissolved organic carbon(DOC) and dissolved organic nitrogen(DON), upward trend was observed at first, then DOC and DON went down, and leveled off after a period of fluctuation. The soil levels of DOC and DON of M4and M6treatments were significantly higher than CK. Ammonium nitrogen content had no obvious difference among all treatments in the same period. The contents of nitrate nitrogen significantly decreased after straw was added into soil compared with the CK.

dissolved organic carbon; dissolved organic nitrogen; mineral nitrogen; straw; incubation experiment

2014-10-22

：2014-11-03

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41330852);中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“應(yīng)對氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題”(XDA05050504);國家自然科學(xué)基金(40301024);黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(10502-T2)

丁婷婷(1988—),女,甘肅莊浪人,碩士研究生,主要從事土壤生態(tài)研究。E-mail:Dingtingting11@126.com

王百群(1968—),男,陜西渭南人,博士,副研究員,從事土壤有機(jī)碳氮循環(huán)研究。E-mail:bqwang@ms.iswc.ac.cn

S153.6

：A

：1005-3409(2014)06-0072-06