秸稈與不同水平氮素配施對隴中黃土高原旱作農田土壤氮素礦化的影響

賀永巖，武 均，2，張仁陟，2，3*，張世漢，郭萬里

（1甘肅農業大學資源與環境學院，蘭州730070；2甘肅農業大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州730070；3甘肅省節水農業工程技術研究中心，蘭州730070）

氮素在土壤氮庫中的轉化是微生物驅動下的生物化學過程［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，所以氮素養分在土壤氮庫中的轉化主要受土壤有機碳的調控［2］。隴中黃土高原雨養農業區干旱缺水，土壤有機碳儲量較低，土壤對氮素養分的調控能力弱。當地農民為提高作物產量不斷增大氮素添加量，這種氮素不合理的施用現象加速了溫室氣體排放以及硝態氮的淋溶，使該區生態環境受到嚴重威脅［3］。如何提高隴中黃土高原區農田生產力，減少環境污染，是一個亟待解決的問題。

秸稈還田是我國目前普遍推廣的土壤培肥措施，不僅能有效提高土壤有機質含量、改善土壤理化性質和培肥土壤［4］，同時還能增強土壤微生物的作用［5］，提高作物秸稈的有效利用，進而促進農業生產的良性循環［6］。宋慶妮等［7］研究發現，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。秸稈還田能明顯促進土壤氮素累積礦化量的提高［8］；土壤氮素礦化水平因土壤及秸稈類型的不同而不同［9］，但秸稈配施氮素是否能夠顯著提高土壤氮素礦化水平尚存爭議。鑒于此，本試驗基于2014年布設于甘肅省定西市李家堡鎮麻子川村的甘肅農業大學旱作農業綜合試驗站秸稈配施氮素田間定位試驗，采用Stanford間歇淋洗培養法，進行土壤氮素礦化的研究，旨在探明隴中黃土高原旱作農田下秸稈配施氮素對土壤氮素礦化的影響，為提升該區域農田生產力，解決環境污染提供科學依據。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區的甘肅省定西市李家堡鎮麻子川村（35°28′N，104°44′E）。試區干旱少雨，屬中溫帶半干旱區，農田土壤為典型的黃綿土，質地均勻，土質綿軟。平均海拔2000 m，無霜期140 d，年均日照時數2476.6 h，年均太陽輻射594.7 kJ/cm2，年均氣溫6.4℃，≥0℃積溫2933.5℃，≥10℃積溫2239.1℃；多年平均降水量390.9 mm，年蒸發量1531 mm，80%保證率的降水量為365 mm，變異系數為24.3%，為典型的雨養農業區。

1.2 試驗設計

土樣采自甘肅農業大學旱作農業綜合試驗站2014年布設于甘肅省定西市李家堡鎮麻子川村的秸稈配施氮素試驗。2018年春播前利用5點法依次采集0～30 cm土壤500 g左右，分別混勻，然后按層次裝于自封袋內。土樣采回后置于室內風干，挑去細根，磨細過2 mm篩后，用于培養試驗。

試驗涉及氮素、秸稈2個因素。小麥秸稈于每年收獲后利用鍘草機切割為3～5 cm長小段均勻散布于還田小區內，并利用旋耕機將其翻埋入土壤（三耕兩耱，耕深18±2 cm）。各處理于每年播種前均施入 P2O5105 kg/hm2（過磷酸鈣，P2O5含量14%）。試驗中所添加氮素為尿素（純氮含量46%），于每年播種前根據各處理所需用量同磷肥一并均勻撒施于各小區后，迅速利用播種機播種（播深7±2 cm），待肥料與土壤混合，利用耙耱將地耱平。供試小麥秸稈含碳量384.9 g/kg，含氮量為5.5 g/kg。試驗設4個處理，具體情況見表1。

表1 處理描述Table 1 Treatments description in the experiment

試驗采用Standford間歇淋洗培養法［10］：

（1）在淋洗管底端鋪三層玻璃絲和兩層濾紙；

（2）稱取20 g過2mm篩的風干土，與等量粒狀石英砂充分混合；

（3）將混合物小心轉入準備好的淋洗管中，充分混勻，其上鋪少量玻璃絲以避免淋洗液的直接沖擊；

（4）在裝有混合物的淋洗管中加入100 mL 2 mol/L KCl溶液以淋洗土壤起始礦質氮；

（5）淋洗后加入25 mL無氮營養液（0.002 mol/L CaSO4·2H2O，0.002 mol/L MgSO4，0.005 mol/L Ca（H2PO4）2·2H2O，0.0025 mol/L K2SO4）；

（6）在60 cm汞柱的負壓下用真空抽氣泵抽提多余的營養液，以保持良好通氣；

（7）加蓋橡皮塞，放入28℃恒溫培養箱中暗培養。培養期間用重量法維持土壤水分在田間持水量的65%不變，并每天通氣5 min；

（8）培養的 7、15、22、30、45、60、90、120 d，取出淋洗管按上述（4）～（7）方法進行淋洗并收集淋洗液；

（9）測定全氮、銨態氮、硝態氮和有機氮組分。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤無機氮的測定

（1）硝態氮：KCl浸提，全自動間斷化學分析儀測定（Smart chemH140，Italy）。

（2）銨態氮：KCl浸提，全自動間斷化學分析儀測定（Smart chemH140，Italy）。

1.3.2 土壤有機氮的測定

Bremner酸解法［11］。根據性質的不同，有機氮可以分成兩部分，一部分是可以酸解的，另一部分是不可以酸解的。

酸解液的制備：稱取約含10 mg氮的土壤樣品（過100目篩）放入磨口三角瓶中，加2滴正辛醇和6 mol HCl 20 mL，搖動瓶子使土壤樣品和試劑充分混合。在電熱板上水解回流12 h，溫度始終控制在120±3℃，然后過濾，過濾液總體積不超過60 mL。過濾液用1 mol和5 mol NaOH以及6 mol HCl調至pH為6.5±0.3，定容至100 mL，放入冰箱備用。

用凱氏法分別測定酸解總氮、酸解氨態氮和氨基糖氮、酸解氨基酸態氮。

1.4 數據整理及統計方法

利用 Microsoft Excel 2013作圖制表，采用SPSS19.0進行統計分析，多重比較采用新復極差法。

各時段氨化速率 =CT（NH4+-N）/T；

酸解氨基糖態氮：酸解氨態氮和氨基糖氮與酸解氨態氮的差值；

非酸解態氮為土壤全氮與酸解態氮和無機態氮總量的差值；

式中：C—含量，C0—0 d的含量，T—觀測時段（T≥1）。

2 結果與分析

2.1 秸稈在不同氮素添加水平下對土壤氮素礦化速率的影響

各處理土壤氨化速率均呈現出0～7 d緩慢增大，7～15 d迅速增大，15～120 d逐漸降低并穩定的趨勢；硝化速率則呈現出0～7 d迅速增大，7～15 d迅速減小，15～45 d緩慢降低，45～120 d逐步穩定的趨勢。在不同培養時期，秸稈在不同水平氮素添加下對氨化速率的影響均未達到顯著水平；對硝化速率的影響僅在0～7 d的培養階段達到顯著水平，與N0處理比較，SN0處理土壤硝化速率顯著降低48.54%。在120 d的培養期內，氨態氮僅在0～30 d內產生，而硝態氮在整個培養期均有產生（表 2）。

表2 各處理的土壤氮素礦化速率比較 m g/kg·dTable 2 Effects of straw on soil nitrogen m ineralization rate under different nitrogen levels

2.2 秸稈在不同氮素添加水平下對土壤氮素累積礦化量的影響

與N0處理相比，SN0、SN50、SN100處理土壤氮素累積礦化量分別下降了19.14%、17.22%、13.47%，且與SN0、SN50處理間差異達到顯著水平（表3）。

表3 不同氮素添加水平下的土壤氮素累積礦化量 mg/kg Table 3 Effect of straw on soil inorganic nitrogen accumulation at different nitrogen levels

經檢驗，氮素添加對土壤氮素累積礦化量未發揮顯著效應（F=0.374；S=0.699），而秸稈對其發揮了顯著效應（F=8.234；S=0.021）。

2.3 土壤有機氮組分含量變化

經過120 d的培養，土壤酸解總有機氮、酸解氨基酸態氮、酸解氨基糖態氮、酸解氨態氮和酸解未知態氮含量降低，而未酸解態氮含量增加。各處理的酸解態有機氮組分表現出基本相同的降低趨勢，即酸解氨基酸態氮＞酸解未知態氮＞酸解氨態氮＞酸解氨基糖態氮，且酸解總氮的降低量大于無機氮的累積量，但均未達到顯著差異（表4）。

表4 土壤有機氮組分變化 mg/kgTable 4 Changes of soil organic nitrogen com position

3 討論

土壤氮素礦化可以在通氣條件下進行，也可以在淹水條件下進行。通氣培養既可礦化易分解有機氮，又可礦化難分解有機氮，而淹水培養僅可使易分解的有機氮得到礦化［12］。本研究發現，培養初期（0～7 d）氨化速率、硝化速率顯著提高，培養中期（7～45 d）氨化速率、硝化速率逐漸降低，培養后期（45～120 d）氨化速率、硝化速率逐步穩定，這與袁瑞娜等［13］研究結果吻合。該變化趨勢出現的原因有可能是：①氮素添加使得土壤中活性氮素含量升高，在培養前期尿素作為小分子的有機氮被優先分解礦化，顯著提高了培養前期土壤氮素礦化速率。②隨著培養時間的延長，施用秸稈為微生物提供了大量碳、氮等元素，使其快速繁殖，銨態氮和硝態氮通過同化作用被固定到微生物體內，降低了培養后期土壤有機氮礦化速率［14］。

石冰潔等［15］研究表明，土壤氮素累積礦化量的變化主要是由硝化量的變化引起的。本研究結果表明，銨態氮僅在0～30 d內產生；在培養中后期（30～120 d），土壤氮素累積礦化量取決于硝態氮的含量，與石冰潔等的研究結果一致。這主要是由于：①易氨化的小分子有機物含量隨著時間的延長減少，微生物活動加強致使大量氮素被微生物固定，產生的減少，在通氣良好的旱地中，土壤溫度在30±2℃時完全轉化為所 導 致 的［16］。②氣態氮的損失也可能導致土壤中銨態氮含量的下降。

張娟霞等［17］研究表明，秸稈配施氮素提高了土壤氮素累積礦化量，本研究結果與其相反。這可能是由以下原因引起的：①張娟霞等的氮素添加水平為 0、168、252 kg/hm2，本研究則是 0、50、100 kg/hm2，氮素添加量的不同降低了土壤氮素礦化累積量。②供試秸稈以及秸稈添加量的不同。③前者的研究結果是以2年的定位試驗為基礎建立的，而本研究則是基于4年的定位試驗建立的，秸稈還田年限的不同降低了土壤氮素累積礦化量。

沈其榮等［18］研究指出，隨著培養時間的延長，酸解總氮中酸解氨態氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖態氮和酸解未知態氮都有不同程度的減少，而未酸解態氮卻增加，本研究結果與其一致。這可能是因為：①未酸解態氮主要以雜環態存在于高度縮合且穩定性較高的腐殖質組分中難以分解［19］。②酸解性氮中較不穩定的物質轉化成更穩定的物質進入了非酸解性部分。

綜上所述，秸稈配施氮素能夠降低土壤氮素礦化水平，且SN100處理下土壤氮素更易礦化。