盆栽條件下秸稈不同處理方式對土壤氮形態分布的影響

陸文龍，趙 標

(1.吉林化工學院資源與環境工程學院，吉林吉林132022；2.吉林大學環境與資源學院，吉林長春 130000)

秸稈是農業生產的重要副產物，也是重要的生物質資源，含有大量有機碳，秸稈粉碎、秸稈腐熟及秸稈炭化還田都是回收利用秸稈的重要方式，秸稈還田不僅能有效改善土壤養分狀況，而且對土壤氮具有吸附作用，可阻止土壤氮淋溶損失。秸稈還田雖然能改善土壤養分狀況，但在秸稈還田條件下如何進行科學合理施肥，維持農業生產的高效和可持續發展已成為亟須解決的重要問題[1]。本研究利用盆栽試驗了解不同施肥模式下秸稈還田對土壤氮形態分布的影響，對于確定最佳施肥模式、明確秸稈還田養分遷移規律具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和材料

試驗用土壤采自遼河源頭區農業耕地(125°25′42″E、42°56′32″N)，屬于暗棕壤，其基本理化性質為有機質含量 4.36 g/kg，全氮含量2.56 g/kg，全磷含量504.95 mg/kg，全鉀含量163.08 mg/kg，陽離子交換量7.21 cmol/kg，pH值5.56。

1.2 試驗設計

本研究采用的是溫室盆栽試驗，溫室面積220 m2，高 4 m，通過通風換氣將溫度控制在22～25℃范圍內，濕度為75%左右。試驗所用自制玉米種植盆的盆口直徑為25 cm，高為 40 cm，種植盆底部封閉，以免養分流失[2]。盆栽用土全部過5 mm篩，裝土13 kg/盆，將不同處理方式的秸稈與土壤充分混勻后老化1周備用，種植土壤的含水率為75%[3]。每盆種植3粒玉米種子，出苗后根據長勢保留1株壯苗，玉米生長期用稱質量法保持種植土壤含水率。

本試驗設12個處理，傳統施肥和測土配方施肥模式下添加不同處理方式的秸稈[不加秸稈(CK)、破碎秸稈、腐熟秸稈、0.5%秸稈炭、1.0%秸稈炭和2.0%秸稈炭]，對研究區施肥量調查得到傳統施肥量為150 kg/hm2，傳統施肥方法施用化肥(復合肥含N 46%、P 16%、K 11%)，測土配方施肥的施肥量為：硝酸銨75 mg/kg、NaH2PO422 mg/kg、KCl 16 mg/kg。其中，破碎秸稈、腐熟秸稈和1.0%秸稈炭處理按等碳量(1 kg土添加3 g碳)添加，0.5%、2.0%秸稈炭處理按碳量 1.5、6.0 g/kg 添加。各處理重復3次，共計36盆。根據玉米生長的4個主要時期[7葉期(玉米生長至 28～32 d)、拔節期(59～62 d)、乳熟期(88～93 d)和成熟期(120～125 d)]確定4個采樣時間，即玉米植株生長到30、60、90、120 d時破土取樣，試驗采用抖根法[4]取根際土樣約200 g。土壤樣品采集后，剔除雜質，自然風干，研磨過2 mm篩用于測定氮含量。

2 結果與分析

2.1 秸稈不同處理方式對土壤銨態氮的影響

由圖1-a可知，傳統施肥模式下CK處理土壤的銨態氮含量隨玉米生長時間的延長呈先升高后下降的趨勢。在玉米生長到30、60、90、120 d時，破碎秸稈、腐熟秸稈、0.5%秸稈炭、1.0%秸稈炭、2.0%秸稈炭處理土壤銨態氮含量明顯高于CK；在整個玉米生長期土壤銨態氮含量的大小順序為2.0%秸稈炭處理>1.0%秸稈炭處理>0.5%秸稈炭處理>腐熟秸稈處理>破碎秸稈處理>CK。由圖1-b可知，測土配方施肥條件下，破碎秸稈、0.5%秸稈炭處理的土壤銨態氮含量在玉米整個生長周期呈上升趨勢；在整個玉米生長期，破碎秸稈、腐熟秸稈、0.5%秸稈炭、1.0% 秸稈炭、2.0%秸稈炭處理的土壤銨態氮含量高于CK處理127.2%～600.9%，其中2.0%秸稈炭處理的土壤銨態氮含量最高。

2.2 秸稈不同處理方式對土壤硝態氮的影響

由圖2-a可知，傳統施肥模式下CK處理的土壤硝態氮含量隨玉米生長時間的延長呈下降趨勢，腐熟秸稈處理的土壤硝態氮含量隨玉米生長時間的延長呈先上升后下降趨勢，破碎秸稈、0.5%秸稈炭、1.0%秸稈炭土壤硝態氮含量隨玉米生長期延長呈上升趨勢，2.0%秸稈炭處理的土壤硝態氮含量隨玉米生長時間的延長變化不明顯；在玉米生長至120 d時腐熟秸稈處理土壤硝態氮含量下降；秸稈炭處理的土壤硝態氮含量均高于破碎秸稈、腐熟秸稈處理，但0.5%、1.0%、2.0% 秸稈炭處理間的土壤硝態氮含量差異不明顯。由圖2-b可知，測土配方施肥條件下，破碎秸稈、腐熟秸稈處理的土壤硝態氮含量隨玉米生長時間的延長呈先升高后降低趨勢，而0.5%、2.0%秸稈炭處理的土壤硝態氮含量則呈增加趨勢；其中2.0%秸稈炭處理的土壤硝態氮含量高于其他處理。

2.3 秸稈不同處理方式對土壤速效氮的影響

由圖3-a可知，傳統施肥模式下CK處理的土壤速效氮含量整體上隨玉米生長時間的延長呈下降趨勢。破碎秸稈處理的土壤速效氮含量隨玉米生長時間的延長呈先上升后略下降的變化趨勢；腐熟秸稈處理的土壤速效氮含量隨玉米生長時間的延長呈先增加后下降的變化趨勢。在整個玉米生長期，0.5%、1.0%、2.0%秸稈炭處理的土壤速效氮含量隨玉米生長期的延長變化不明顯。其中2.0%秸稈炭處理的土壤速效氮含量在整個玉米的生長期均高于其他處理。由圖3-b可知，測土配方施肥條件下，破碎秸稈和腐熟秸稈處理的土壤速效氮含量隨玉米生長時間的延長呈先增加后下降的變化趨勢。0.5%、1.0%、2.0%秸稈炭處理的土壤速效氮含量整體上隨玉米生長時間的延長呈增加趨勢，其中2.0%秸稈炭處理的土壤速效氮含量在玉米的整個生長期均高于其他處理。

2.4 秸稈不同處理方式對土壤全氮的影響

由圖4-a可知，傳統施肥模式下對照處理土壤的全氮含量隨玉米生長時間的延長呈下降趨勢。在整個玉米生長周期內，腐熟秸稈處理的土壤全氮含量60 d時開始呈下降趨勢；破碎秸稈、0.5%秸稈炭、1.0%秸稈炭、2.0%秸稈炭處理的土壤全氮含量整體上均隨玉米生長期的延長略呈增加趨勢。在整個玉米生長期所有處理的土壤全氮含量均高于對照處理。

由圖4-b可知，測土配方施肥模式下腐熟秸稈處理的土壤全氮含量隨玉米生長時間的延長呈下降趨勢；0.5%、1.0%、2.0%秸稈炭處理的土壤全氮含量整體上隨玉米生長時間的延長也略呈增加趨勢。在整個玉米生長期所有處理的土壤全氮含量均高于對照處理。

3 討論

不同施肥模式下破碎秸稈處理的土壤銨態氮含量隨玉米生長時間的延長變化趨勢不同，傳統施肥模式下腐熟秸稈處理土壤銨態氮含量高于測土配方施肥模式，這可能與土壤中銨態氮在不同施肥模式下的釋放程度不同有關[5]。Wang 等研究發現，秸稈腐解還田后在適合的氮磷鉀配比及一定的碳氮質量比之下，土壤銨態氮含量增加[6]，而本試驗腐熟秸稈的添加與秸稈炭處理的土壤銨態氮含量差異不明顯。測土配方施肥模式下秸稈炭處理的土壤銨態氮含量與傳統施肥土壤銨態氮含量差異不明顯，因此，測土配方施肥下秸稈炭處理的土壤銨態氮不僅能滿足農作物的需求，還能提高肥料的利用率。另外由于銨態氮易發生淋溶作用[7]，因此在測土配方施肥模式下進行秸稈炭處理對于減少銨態氮的流失更有利。

在整個玉米生長周期內破碎秸稈處理的土壤硝態氮含量都高于CK處理，可能與破碎秸稈可增加土壤孔隙從而有利于土壤硝態氮的轉化有關，也可能與腐熟秸稈本身的硝態氮在土壤中的釋放有關。Lu等也得到相似結果，即在盆栽條件下添加秸稈能降低土壤容重，并增加土壤硝態氮含量[8]。Yuan等認為，腐熟秸稈還田使土壤硝態氮含量升高與作物對硝態氮的吸收受到抑制有關[9]。在玉米的整個生長期內，秸稈炭處理的土壤硝態氮含量高于CK、破碎秸稈、腐熟秸稈處理，這可能是秸稈炭增加了土壤的碳氮比導致的[10]，也可能與秸稈炭提高土壤的pH值有關[11]，Ussiri通過盆栽試驗加入秸稈炭也得到相同結果[12]。硝態氮易發生淋溶，傳統施肥模式下土壤中的硝態氮含量較測土配方施肥模式明顯增加，可增加土壤硝態氮淋溶的風險。由此表明，測土配方施肥是比較合理的施肥模式，可使土壤硝態氮淋溶損失風險降低。

土壤速效氮包括無機態氮(銨態氮、硝態氮)及易水解的有機態氮(氨基酸、酰胺和易水解蛋白質)，能反映土壤近期的氮素供應情況。由圖1至圖3計算得到，銨態氮和硝態氮含量之和占速效氮含量的59.3%～88.9%，無機態氮是本試驗條件下土壤速效氮的主要形態。West等研究發現，在整個玉米生長周期內，破碎秸稈中的微生物可能與玉米植株爭奪土壤中的氮，導致土壤中的氮含量降低[13-14]。2種施肥模式下秸稈炭處理能明顯增加土壤中速效氮的含量，且隨著秸稈炭施加量的增加而增加，這與Martens的研究結果[15]一致。秸稈炭本身含有大量的氮元素，且秸稈炭的孔隙結構還可以降低水分的滲濾速度，增強土壤對溶液中移動性強和易淋失氮的吸附能力，從而增加土壤速效氮的含量[16]。

將秸稈炭加入到盆栽土壤中可引起土壤無機態氮與有機態氮的相互轉化。秸稈炭本身質輕、多孔，施入土壤后首先對土壤的物理結構產生直接影響，同時可促進土壤硝化微生物的活性，抑制氮素的反硝化作用，從而減少NOx的形成和排放，進而使得土壤中的全氮儲量增加[17]。

4 結論

在測土配方施肥模式下，2.0%秸稈炭處理可以抑制銨態氮流失，降低硝態氮的淋溶風險，增加土壤速效氮和全氮含量。

[2]Hamdan R，El-Rifai H M，Cheesman A W，et al.Linking phosphorus sequestration to carbon humification in wetland soils by31P and13C NMR spectroscopy[J].Environmental Science & Technology，2012，46(9)：4775-4782.

[3]Steiner C，Das K C，Melear N，et al.Reducing nitrogen loss during poultry litter composting using biochar[J].Journal of Environmental Quality，2010，39(4)：1236-1242.

[4]Taghizadeh-Toosi A，Clough T J，Sherlock R R，et al.Biochar adsorbed ammonia is bioavailable[J].Plant and Soil，2012，350(1/2)：57-69.

[5]Wang X，Cai D，Hoogmoed W B，et al.Regional distribution of nitrogen fertilizer use and N-saving potential for improvement of food production and nitrogen use efficiency in China[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，2011，91(11)：2013-2023.

[6]Wang Z Y，Zheng H，Luo Y，et al.Characterization and influence of biochars on nitrous oxide emission from agricultural soil[J].Environmental Pollution，2013，174：289-296.

[7]Yuan J H，Xu R K.Progress of the research on the properties of biochars and their influence on soil environmental functions[J].Ecology and Environmental Sciences，2011，20(4)：779-785.

[8]Lu W L，Kang C L，Wang Y X，et al.Influence of biochar on the moisture of dark brown soil and yield of maize in northern China[J].International Journal of Agriculture & Biology，2015，17(5)：1007-1012.

[9]Yuan J H，Xu R K，Zhang H.The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J].Bioresource Technology，2011，102(3)：3488-3497.

[10]Zhang G X，Zhang Q，Sun K，et al.Sorption of simazine to corn straw biochars prepared at different pyrolytic temperatures[J].Environmental Pollution，2011，159(10)：2594-2601.

[11]Daum D，Schenk M K.Influence of nutrient solution pH on N2O and N2emissions from a soilless culture system[J].Plant and Soil，1998，203(2)：279-288.

[12]Ussiri D A，Lal R，Jarecki M K.Nitrous oxide and methane emissions from long-term tillage under a continuous corn cropping system in Ohio[J].Soil & Tillage Research，2009，104(2)：247-255.

[13]West T O，Marland G.A synthesis of carbon sequestration，carbon emissions，and net carbon flux in agriculture：comparing tillage practices in the United States[J].Agriculture Ecosystems & Environment，2002，91(1/2/3)：217-232.

[14]Xia D J，Ren Y L，Shi L F.Measurement of life-cycle carbon equivalent emissions of coal-energy chain[J].Statistical Research，2010，27(8)：82-89.

[15]Martens D A.Plant residue biochemistry regulates soil carbon cycling and carbon sequestration[J].Soil & Tillage Research，2000，32 (3)：361-369.

[16]He R，Ruan A，Jiang C，et al.Responses of oxidation rate and microbial communities to methane in simulated landfill cover soil microcosms[J].Bioresource Technology，2008，99(15)：7192-7199.

[17]Reth S，Reichstein M，Falge E.The effect of soil water content，soil temperature，soil pH-value and the root mass on soil CO2efflux-a modified modes[J].Plant and Soil，2005，268(1)：21-33.