秸稈和秸稈炭對黑土肥力及氮素礦化過程的影響

朱興娟，李桂花，涂書新，楊俊誠，郭康莉，冀拯宇，劉 曉，張建峰*，姜慧敏*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081）

氮素在土壤氮庫中的轉(zhuǎn)化是微生物驅(qū)動下的生物化學(xué)過程[1]，而土壤微生物的生存與繁衍主要由土壤有機碳提供碳源和能源，所以氮素養(yǎng)分在土壤氮庫中的轉(zhuǎn)化主要受土壤有機碳的調(diào)控。東北黑土區(qū)以有機碳含量高、土壤肥沃而著稱，但近幾十年來，隨著黑土的過度墾殖與耕作，土壤有機碳儲量銳減[2]，土壤質(zhì)量退化嚴(yán)重，進而表現(xiàn)為土壤對氮素養(yǎng)分的調(diào)控能力減弱，最終導(dǎo)致氮素利用率下降。利用有機培肥提高土壤有機碳的輸入量，通過土壤C/N調(diào)控肥料氮在土壤有機氮庫中的有效轉(zhuǎn)化是提高氮素利用率的新途徑[3]。許多研究已表明，玉米秸稈還田是土壤有機培肥的主要措施之一，能夠增加耕層土壤有機碳含量，提高肥料氮素利用效率[4-5]。目前，秸稈還田的方法呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢，其中秸稈炭還田研究正受到越來越多的關(guān)注，如有許多研究表明，秸稈炭含有一定量的礦質(zhì)養(yǎng)分，可以增加土壤中氮、磷、鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分含量，秸稈炭用于農(nóng)業(yè)可改良和培肥土壤，提高作物生產(chǎn)率，促進土壤可持續(xù)利用，因此，秸稈炭還田可能會成為東北大量秸稈資源有效還田的新途徑。在合理的氮肥施用條件下，添加秸稈和秸稈炭對土壤肥力影響的研究較多，但多是短期模擬實驗，真正在田間原位上連續(xù)開展秸稈和秸稈炭對土壤綜合肥力的影響研究較少。

從“土壤學(xué)”角度看，為實現(xiàn)肥料氮素的高效利用，必須明確殘留肥料氮在土壤有機氮庫中的潛在礦化能力。Deng等[6]研究發(fā)現(xiàn)，作物生長所需要的氮素主要源于施入肥料氮和土壤中有機氮的礦化，土壤氮素礦化很大程度上反映了土壤的供氮能力[7]。馬力等[8]對紅壤水稻土長期施肥和秸稈還田的研究表明，秸稈還田能明顯促進土壤氮礦化量的提高；唐淦海等[9]研究表明，土壤氮礦化作用因土壤及秸稈類型的不同而不同。目前，關(guān)于秸稈和秸稈炭還田對殘留外源化肥氮的潛在礦化研究還鮮有報道。

鑒于此，本研究以東北黑土區(qū)春玉米為對象，在田間連續(xù)定位試驗條件下，系統(tǒng)研究秸稈和秸稈炭還田配施化肥對土壤綜合肥力和殘留化肥氮素礦化的影響，以期為東北黑土區(qū)秸稈有效還田和氮素養(yǎng)分高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

本研究定位試驗設(shè)在黑龍江省哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園。該研究基地位于松花江南岸的沖積平原上，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 126°48′55.64″～126°51′26.50″，北緯 45°49′44.33″～45°51′01.60″，海拔130～150 m，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.6℃，年降水量486.4～543.6 mm。試驗前土壤耕層（0～20 cm）的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗處理及供試材料

試驗共設(shè)5個處理：對照，單施化肥（N1），N1+50%玉米秸稈（N2）、N1+100%玉米秸稈（N3）、N1+相當(dāng)于50%玉米秸稈還田的玉米秸稈炭（N4）、N1+相當(dāng)于100%玉米秸稈還田的玉米秸稈炭（N5）。

供試玉米秸稈炭由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，是將玉米秸稈在500℃厭氧條件下熱解而成的高度芳香化產(chǎn)物，其性質(zhì)較為穩(wěn)定，且含有一定的養(yǎng)分。供試生物炭主要性質(zhì)見表2。將當(dāng)?shù)厣夏晔斋@的玉米秸稈經(jīng)鍘草機鍘碎成2 cm左右的小段作為供試秸稈。

1.3 樣品采集、測定項目及方法

1.3.1 土壤樣品采集

2016年10月玉米收獲后，采集各微區(qū)0～20 cm表層土樣。將采集的土樣去除動、植物殘體，混勻成兩份，一份土樣用于測定微生物量碳、氮，另一份風(fēng)干后過2 mm篩，用于測定土壤基本理化性狀和氮素礦化指標(biāo)。

1.3.2 測定項目及方法

土壤基本理化性質(zhì)的測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[10]。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法；土壤全氮采用凱氏定氮法；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法；土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉法（Olsen法）；土壤速效鉀采用火焰光度計法；土壤微生物量碳（SMC）、氮（SMN）采用熏蒸浸提法測定。

土壤總氮礦化量（Nt）的測定采用淹水培養(yǎng)法[11]：稱取20 g風(fēng)干土樣于100 mL離心管，加入30 mL蒸餾水，將離心管密封后放入40℃的培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d，然后加入 50 mL 3.2 mol·L-1KCl溶液振蕩 30 min，過濾后的濾液用流動分析儀測定其銨態(tài)氮，將培養(yǎng)后土樣的銨態(tài)氮含量減去培養(yǎng)前土樣的銨態(tài)氮含量即為總氮礦化量。同時，培養(yǎng)前后的差值即為外源15N肥料的礦化量。

1.4 數(shù)據(jù)計算

1.4.1 總氮礦化率

式中：Nt為總氮礦化量，mg·kg-1；TN 為土壤全氮含量，g·kg-1；Nt/TN為礦化率，%；

1.4.2 外源15N肥料的礦化率

式中：15Nt為外源15N 肥料礦化量，mg·kg-1；T15N為土壤15N 標(biāo)記氮素含量，mg·kg-1；15Nt/T15N 為外源15N肥料礦化率，%。

1.4.3 土壤綜合肥力

土壤綜合肥力利用內(nèi)梅羅指數(shù)法計算[13]，計算公式如下：

式中：IFI為土壤綜合肥力；IFIi平均與 IFIi最小分別為土壤各屬性分肥力均值與最小值；n為評價指標(biāo)個數(shù)。本研究選取土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值等6個指標(biāo)作為參評的化學(xué)指標(biāo)，反映土壤肥力狀況。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel進行數(shù)據(jù)的相關(guān)計算，采用SAS 9.1統(tǒng)計分析軟件進行方差分析及相關(guān)分析，采用Origin 9.0進行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈和秸稈炭還田對土壤肥力指標(biāo)的影響

如表3所示，與N1處理相比，秸稈和秸稈炭還田均提高了土壤有機質(zhì)、土壤全氮、土壤堿解氮、土壤速效鉀、土壤速效磷含量，其中N3處理下土壤有機質(zhì)、土壤全氮、土壤堿解氮、土壤速效鉀含量分別顯著提高了18.0%、11.2%、10.8%和15.4%（P＜0.05），N5處理土壤速效鉀含量顯著提高了14.2%（P＜0.05）。與N1相比，N2、N3處理下pH值無顯著差異，而N4、N5處理下pH分別顯著提高了1.5%、2.7%（P＜0.05）。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physiochemical properties of soil

表2 供試玉米秸稈炭基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physicochemical properties of the biochar for test

表3 秸稈、秸稈炭對土壤養(yǎng)分指標(biāo)的影響Table 3 Effect of straw and straw biochar on soil fertility index

應(yīng)用修正的內(nèi)梅羅指數(shù)計算4年不同秸稈、秸稈炭還田處理方式下土壤綜合肥力（圖1），結(jié)果表明，不同秸稈還田處理下IFI值由高到低依次為N3＞N5＞N4=N2＞N1，N1處理分別較N2、N3、N4和N5處理顯著降低了2.1%、8.4%、2.3%和4.4%（P＜0.05）。

圖1 秸稈、秸稈炭對土壤綜合肥力指數(shù)的影響Figure 1 Effect of straw and straw biochar on IFI

2.2 秸稈和秸稈炭還田對土壤微生物指標(biāo)的影響

經(jīng)過4年的秸稈和秸稈炭還田后，土壤微生物量碳、氮含量均有不同程度的提高（圖2）。與N1處理相比較，N2、N3、N4和N5處理下土壤微生物量碳含量分別提高了2.2%、15.1%、0.8%和2.3%（圖2A），其中N3處理顯著提高（P＜0.05）；N3處理土壤微生物量碳含量顯著高于N2處理12.6%（P＜0.05），不同秸稈炭還田量之間無顯著差異。土壤微生物量氮含量由高到低依次為N3＞N2＞N5＞N4＞N1（圖2B），且 N2、N3和N5較N1處理顯著提高了12.9%、23.1%和11.8%（P＜0.05），N3較 N2處理顯著提高了9.0%（P＜0.05），N5較N4處理土壤微生物量氮顯著升高11.3%（P＜0.05）。

圖2 秸稈、秸稈炭對微生物量碳、氮的影響Figure 2 The effect of straw and straw biochar on microbial biomass carbon and nitrogen

2.3 秸稈和秸稈炭還田對土壤氮素礦化特征的影響

與N1處理相比，N2、N3處理下土壤總氮素礦化量分別顯著提高了23.4%和53.0%（P＜0.05），且隨著秸稈還田量的增加而顯著增加（圖3A）；N4、N5處理下土壤總氮素礦化量分別提高了5.3%和16.3%，且隨著秸稈炭還田量的增加而增加，但均沒有達到顯著水平。與N1處理相比，N2、N3、N4、N5 處理下外源肥料15N的礦化量分別顯著提高了66.5%、213.3%、39.4%和92.0%（P＜0.05），且隨著秸稈和秸稈炭還田量的增加而顯著增加（圖3B）。N1、N2、N3、N4、N5 處理外源肥料15N的礦化量分別占土壤總氮礦化量的2.2%、2.9%、4.4%、2.9%和3.6%。

與N1處理相比，N2、N3處理下土壤總氮素礦化率顯著提高了22.9%和35.8%（P＜0.05），且隨著秸稈還田量的增加而顯著增加（圖4A）；N4、N5處理下土壤總氮素礦化率分別提高了3.3%和5.3%，且隨著秸稈炭還田量的增加而增加，但無顯著差異。與N1處理相比，N2、N3、N4、N5 處理外源肥料15N的礦化率分別顯著提高了50.0%、279.0%、36.3%和40.0%（P＜0.05），且隨著秸稈和秸稈炭還田量的增加而顯著增加（圖4B）。

圖3 秸稈、秸稈炭還田對土壤總氮和外源化肥氮礦化量的影響Figure 3 The effect of straw and straw biochar on mineralization amount

相關(guān)性分析結(jié)果表明（表4），土壤總氮礦化量與土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、微生物量氮含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性（P＜0.01），與微生物量碳含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性（P＜0.05），外源肥料15N的礦化量與堿解氮、微生物量氮含量存在極顯著正相關(guān)性（P＜0.01），與有機質(zhì)、全氮、微生物量碳呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性（P＜0.05）。總氮礦化率與外源肥料15N的礦化率與土壤有機質(zhì)、全氮、微生物量碳、氮含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

圖4 秸稈、秸稈炭還田對土壤總氮和外源化肥氮礦化率的影響Figure 4 Effect of straw and straw biochar on mineralization rate

表4 氮素礦化特征與土壤養(yǎng)分指標(biāo)和生物指標(biāo)的相關(guān)性Table 4 Correlations between nitrogen mineralization characteristics and soil nutrient and biomass index

3 討論

秸稈直接還田與化肥配合施用是提高土壤肥力的有效措施之一[12]。楊敏芳等[13]研究表明，秸稈還田下的土壤養(yǎng)分均高于秸稈不還田。且羅宜賓[14]的研究表明，秸稈配施化肥較單施化肥可有效提高土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量；洪春來等[15]研究表明，秸稈全量直接還田能促進土壤有機質(zhì)的積累，迅速提高土壤中速效磷、速效鉀的含量，緩慢提高速效氮和全氮水平，有效提高土壤肥力；張亞麗等[16]研究也表明，秸稈直接還田有助于提高土壤養(yǎng)分含量，且基本上都是隨著秸稈還田量的增加而增加。本研究也得到相同的結(jié)果，即50%玉米秸稈和100%玉米秸稈直接還田與化肥配施均能提高土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，4年土壤綜合肥力指數(shù)均高于單施化肥處理，且100%秸稈直接還田對土壤肥力的提高更明顯。主要原因是秸稈中富含植物生長所需要的碳、氮、磷、鉀和微量元素等，秸稈還田腐解的過程中，秸稈周圍會有大量微生物進行繁殖，形成土壤微生物活動層，這些營養(yǎng)物質(zhì)被逐漸釋放出來，秸稈還田量越多，養(yǎng)分的釋放量相對增加，從而提高土壤肥力[17]。

許多反映土壤供氮能力的指標(biāo)均直接或間接地與土壤微生物的數(shù)量和活動有關(guān)。土壤微生物量與土壤有機碳含量密切相關(guān)，而土壤微生物量碳轉(zhuǎn)化迅速，能在檢測到土壤總碳變化之前表現(xiàn)出較大的差異，是更具敏感性的土壤肥力指標(biāo)。張靜等[18]研究還表明，9000 kg·hm-2玉米秸稈還田量下土壤微生物固持碳、氮的效果最好，高于6000 kg·hm-2玉米秸稈還田量，能有效提高土壤肥力。

關(guān)于秸稈和秸稈炭還田對土壤肥力的研究報道較少，許毛毛[19]利用室內(nèi)培養(yǎng)試驗得到的結(jié)果是，秸稈炭對土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分指標(biāo)的提升效果優(yōu)于秸稈。本研究對秸稈和秸稈炭連續(xù)4年還田后土壤的綜合肥力指數(shù)進行了分析，IFI值由高到低依次為N3＞N5＞N4=N2＞N1，說明100%秸稈全量直接還田土壤綜合肥力指數(shù)高于相當(dāng)于100%玉米秸稈還田量的玉米秸稈炭還田處理，可能是由于玉米秸稈炭比玉米秸稈具有更高的養(yǎng)分含量且具有較大的比表面積和復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)以及多種官能團，增強了對土壤中離子的吸附能力，從而減少了土壤營養(yǎng)物質(zhì)的流失，但同時由于秸稈炭結(jié)構(gòu)特異性，具有更好的穩(wěn)定性，降低了秸稈炭的分解率[20-21]，其他可能的原因還有待于進一步分析。

土壤氮素礦化水平直接影響土壤氮素供應(yīng)狀況，室內(nèi)培養(yǎng)結(jié)果也可以用于評價土壤氮素礦化的礦化潛勢[22]。有研究表明，秸稈添加對不同地區(qū)、不同類型土壤均有增強土壤礦化作用的功能[8，23]，水稻秸稈生物炭與水稻秸稈相比，其土壤有機氮的礦化速率及礦化量明顯降低[24]。本研究結(jié)論與此一致，在秸稈、秸稈炭還田處理下，土壤總氮礦化量、礦化率以及外源15N肥料礦化量、礦化率都高于單施化肥處理，且礦化的外源肥料15N占總礦化氮素的比例也比單施化肥處理高，促進了化肥氮的有效轉(zhuǎn)化，其中，又以秸稈的影響更為明顯。礦化作用的增強主要是由于玉米秸稈中含有大量易分解物質(zhì)，使得土壤微生物活性增強，提高了對有機氮的分解速率；另外由于秸稈炭具有孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的表面積可吸附氮素物質(zhì)，且秸稈熱解形成秸稈炭過程中，營養(yǎng)物質(zhì)大多轉(zhuǎn)化成高穩(wěn)定性的芳香環(huán)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，施加到土壤中可以改變土壤理化性質(zhì)，直接或間接影響土壤微生物多樣性及其活性，進而影響土壤氮素循環(huán)[25-26]。此外，Deenik等[27]研究表明秸稈炭中也含有揮發(fā)性物質(zhì)可刺激微生物活動，降低了土壤氮素的礦化過程。因此，玉米秸稈炭還田后與秸稈還田相比具有較低的氮素礦化速率[28]。

很多研究證明土壤中氮素礦化與土壤全氮和有機質(zhì)含量有較好的相關(guān)性[29]。本研究結(jié)果表明土壤氮素礦化與土壤有機質(zhì)、總氮、微生物量碳、氮呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，標(biāo)記尿素礦化量、礦化率與有機質(zhì)、全氮、微生物量碳、氮呈現(xiàn)顯著相關(guān)性。張恒等[30]和邵興芳等[31]研究發(fā)現(xiàn)土壤氮素礦化與土壤有機質(zhì)、全氮含量呈線性相關(guān)，而礦化率與有機質(zhì)、全氮含量呈指數(shù)性相關(guān)。

4 結(jié)論

（1）化肥配施秸稈、秸稈炭均可提高土壤養(yǎng)分含量和微生物量碳、氮含量，其中100%秸稈還田處理顯著提高土壤綜合肥力且對土壤微生物固持碳、氮的效果最明顯。

（2）化肥配施秸稈、秸稈炭均可協(xié)同提高土壤總氮以及外源肥料氮的礦化作用，提高土壤和外源肥料氮的潛在供氮能力，其中，以100%秸稈還田處理下的影響更為顯著。