有機物料還田對夏玉米田土壤氮素形態、轉化及利用的影響

陳 琳 杜海倫 劉 晴 李 騰 張學鵬 李金娜 陳興瓊 隋 鵬 劉 瑾 陳源泉

(中國農業大學 農學院，北京 100193)

氮肥是作物增產的重要保障，中國每年氮肥使用量達2.69×10t，占世界的25%。但中國氮肥利用率普遍偏低，玉米氮肥利用率僅26.1%，遠低于國際水平。化肥過量或不合理的施用是農業面源污染的重要根源之一。減少化肥使用、提高肥料利用效率已成為農業環境污染治理的重要研究領域。此外，農業生產產生的大量秸稈和畜禽糞便等有機廢棄物由于沒有得到合理的資源化利用，也是造成農業面源污染、資源浪費的重要問題。據估算，我國每年產生的作物秸稈達7億t以上，畜禽糞便超過10億 t，通過發展循環農業，促進農業有機廢棄物的肥料化循環利用，不僅可以促進農田生態系統固碳減排，還可以替代化肥、減少化肥的過量投入，可以有效減少氮損失，對提高氮肥利用率、降低環境污染具有重要意義。

秸稈、豬糞和沼渣等有機物料還田，能增加土壤氮素含量，提高土壤質量，但不同有機物料的組分會影響土壤氮素形態及氮素轉化。在不同有機物料還田對土壤N形態的影響方面，有研究表明，秸稈在還田前期能提高土壤銨態氮含量，而閆德智研究表明，添加秸稈后土壤微生物量氮顯著增加，而土壤礦質氮量在14 d迅速下降。段鵬鵬等研究表明，雞糞配施化肥可有效提高礦質氮含量；李春喜等研究表明，秸稈、豬糞和沼液均能提高小麥田土壤全氮含量；周元等研究表明，蠶豆秸稈、油菜秸稈和豬糞均能提高0～20 cm土層中全氮和微生物量氮含量，物料還田的土壤全氮和微生物量氮含量分別提高1.9%～33.0%和41.5%～98.7%。在不同有機物料還田對土壤N轉化的影響方面，閆德智等研究表明，秸稈添加后，土壤氮礦化速率顯著降低。Agomoh等研究表明，糞肥可提高土壤的氮礦化能力；但也有研究表明，糞肥施用對土壤的氮礦化沒有顯著影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于河北省滄州市吳橋縣中國農業大學吳橋實驗站(37°41′ N，116°37′ E)進行。該地區氣候為華北平原地區典型的暖溫帶季風氣候，年平均氣溫為12.6 ℃，年積溫(≥0 ℃)為4 862.9 ℃，年平均降雨量562 mm。降雨季節性明顯，主要分布在6—8月份，占到總降雨量的75%以上。全年光照時長2 724.8 h，無霜期201 d。試驗初始土壤性質，見表1。玉米品種選用‘鄭單958’，株行距為50 cm×30 cm。播種前有機物料還田，均勻還于地表，并旋地鎮壓。

表1 不同土層土壤基本理化性質
Table 1 Basic physicochemical properties of different soil layers

土層/cmSoil layer容重/(g/cm3)Bulk density全氮/(g/kg)Total nitrogen有機質/(g/kg)Organic matter有效磷/(mg/kg)Available phosphorus速效鉀/(mg/kg)Available potassium0～101.311.0316.078.28198.96>10～201.250.8912.997.32151.94

1.2 試驗設計

田間試驗于2020年6月進行，試驗共4個處理，包括3種有機物料：秸稈(ST)、豬糞(PM)、沼渣(BR)，以無機肥(CF)處理為對照。采用隨機區組設計，每個處理3次重復，小區面積7 m×5 m=35 m。作物種植模式采取當地普遍的冬小麥-夏玉米復種輪作模式。所有處理按“總氮量等氮量”原則施肥，即有機物料和無機肥投入的總氮量保持一致。秸稈處理按每年作物的實際秸稈產出全量還田，玉米季還田秸稈為小麥秸稈，根據秸稈還田量和含氮量計算有機氮量；豬糞和沼渣處理均按照有機氮∶無機氮氮素質量比=3∶1確定豬糞和沼渣的還田量；3種有機物料還田的處理分別于作物播種前施入；無機肥按基追肥質量比=1∶1分別施于每季作物生長的土壤中。N肥用量(每生長季用量)為150 kg/hm，有機物料按上述基施，無機肥按質量比=1∶1的底肥和追肥施入；P肥用量為26 kg/hm，K肥用量為124 kg/hm，P、K肥均在播種前和物料一起一次性施入。有機物料碳、氮含量，見表2；具體施肥量，見表3。有機物料均在玉米播前翻耕還田，物料還田前將物料烘干并測定有機物料養分含量。

表2 不同有機物料基本性質
Table 2 Properties of different organic materials

有機物料Organic materialC/(g/kg)N/(g/kg)C/N秸稈 Straw370.003.8097.37豬糞 Pig manure250.0025.109.96沼渣 Biogas residue260.0019.2013.54

表3 2020 年不同處理具體施肥方案
Table 3 Fertilization schemes for different treatments in 2020 kg/hm

處理Treatment有機物料Organic material底肥Base fertilizer追肥Top application投入量Application rate還氮量Nitrogenapplication rate尿素Urea磷酸二銨Phosham硫酸鉀Potassium sulfate尿素UreaCF0013957248161ST7 47428.02015724840PM6 395112.5185724840BR7 458112.5185724840

1.3 樣品采集及測定

樣品采集：分別于玉米季苗期(6月27日)、拔節期(7月28日)、揚花期(8月14日)和成熟期(10月1日)按“W”形5點取樣法對0～20 cm土層進行土樣采集。土樣去除植物殘根和石礫等雜質后分成2份，一份過2.00 mm篩于4 ℃下保存用于測定土壤微生物量氮和無機氮，另一份自然風干后粉碎過0.25 mm篩用于土壤全氮的測定。收獲時各小區單獨收獲測產并隨機取樣3株，粉碎后過0.25 mm篩備用。

氮素形態測定：土壤和植株全氮測定采用凱氏定氮法。土壤中和測定采用1 mol/L KCl浸提，濾液用連續流動分析儀測定。土壤微生物量氮(SMBN)采用氯仿熏蒸提取法測定。

土壤氮素礦化培養：稱取玉米季4個時期土壤樣品(相當于風干土樣60.0 g)放入250 mL培養瓶中，加蓋封口并在頂部穿孔以保證氧氣供給，黑暗處25 ℃恒溫培養。培養期間用稱重補水法保證土壤含水率基本維持在田間持水量的75%。播種期、拔節期、揚花期及收獲期所取土樣分別于培養0、14 d后破壞性取樣，測定土壤硝態氮和銨態氮含量。

1.4 指標計算

土壤氮素凈礦化速率計算公式為：

式中：NMR，土壤氮素凈礦化速率，mg/(kg·d)；Δ

T

，培養時間，和分別表示培養前土壤中銨態氮和硝態氮含量，和分別表示培養后土壤中銨態氮和硝態氮含量，mg/kg。

門簾掀開，所有人的目光投了過來，“嘩”地讓開一條道，一個火爐現出來，我把自己晾在爐火邊，頓時煙霧從腿往上蔓延，籠罩了我的全身。

氮肥吸收效率=成熟期植株氮素積累量/施氮量

1.5 數據分析

采用Excel 2019和SPSS 23.0進行數據處理和圖像處理。不同處理間差異性采用單因素ANOVA分析，采用LSD多重比較法進行差異顯著性分析(

P

<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同有機物料還田對玉米生育期土壤氮素形態的影響

2

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1

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1

對土壤全氮含量的影響由圖1可知，玉米全生育期內，各處理土壤全氮變化趨勢大體一致，總體表現為隨玉米生長而降低的趨勢，其中CF處理拔節期土壤全氮含量由于追施無機氮肥而略有增加。就不同處理而言，土壤全氮含量因添加氮肥不同而呈現差異，玉米4個生育期土壤全氮含量表現不同差異水平。ST、PM和BR處理苗期土壤全氮水平分別比CF處理提高2.26%、10.51%和14.20%，其中，CF和ST處理間無顯著差異，PM和BR處理均與CF處理間差異達到顯著性水平(

P

<0.05)。CF和BR處理拔節期的土壤全氮均顯著高于ST處理，也均顯著高于PM處理。揚花期PM和BR處理分別比CF處理提高11.22%和13.38%，同時，顯著高于ST處理。成熟期3組處理土壤全氮含量相較于對照，分別提高8.60%、16.62%和9.14%。其中PM處理土壤全氮水平(1.11 g/kg)顯著高于其他3組處理。

ST，秸稈配施無機肥；PM，豬糞配施無機肥；BR，沼渣配施無機肥；CF，單施無機肥。不同字母表示同時期不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。ST， straw with chemical fertilizer； PM， pig manure with chemical fertilizer； BR， biogas residue with chemical fertilizer； CF， apply chemical fertilizer only. Different letters indicate significant difference between different treatments in the same period (P<0.05). The same below.圖1 不同處理玉米生育期土壤全氮Fig.1 Soil total nitrogen content during maize growth period under different treatments

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對土壤無機氮的影響

由圖2可知，不同處理間全生育期土壤無機氮含量變化趨勢不一致，其中CF和ST處理土壤硝態氮含量呈現“降低-增加-降低”的趨勢，PM和BR處理土壤硝態氮含量隨玉米生長進程呈現“先增加后降低”的趨勢。由于ST和CF處理基肥無機氮肥施入量高，高于PM和BR處理，速效氮肥含量高，苗期CF和ST處理的土壤硝態氮含量分別為25.51和24.55 mg/kg，均顯著高于PM和BR處理，PM和BR處理施用等氮量無機氮肥和有機氮肥，苗期PM土壤硝態氮含量顯著高于BR處理。拔節期PM和BR處理土壤硝態氮含量分別比CF處理提高138.17%和220.34%，其中PM和BR處理均顯著高于CF處理，ST和CF處理間無顯著差異，BR處理顯著高于PM處理。揚花期ST處理的土壤硝態氮含量比CF降低12.24%，PM和BR處理比CF處理分別提高37.05%和36.04%。成熟期ST、PM和BR處理的土壤硝態氮含量分別比CF處理提高55.86%、75.86%和73.94%，同時PM和BR處理的硝態氮含量均顯著高于ST處理。

圖2 不同處理下土壤硝態氮(a)和銨態氮(b)含量Fig.2 Soil (b) content under different treatment

土壤銨態氮含量除CF處理呈“先降低再增加”趨勢外，其他3組處理呈“增加-降低-增加”趨勢。苗期CF處理土壤銨態氮含量分別比ST和PM處理高35.17%和29.70%。拔節期PM和BR處理土壤中銨態氮含量分別比CF處理高34.19%和23.19%。揚花期BR處理土壤銨態氮水平分別比CF、ST和PM高51.31%、60.92%和35.99%，成熟期不同處理間土壤銨態氮水平無顯著差異。

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3

對土壤微生物量氮的影響

由圖3可知，土壤微生物量氮在玉米全生育期內呈下降趨勢，施用不同有機物料土壤微生物量氮在各生育期內略有提高。相較于CF處理，苗期ST、PM和BR處理土壤微生物量氮水平分別提高22.11%、11.97%和21.04%。拔節期PM和BR處理微生物量氮分別比CF處理提高20.92%和4.36%，PM處理顯著高于CF和ST處理。揚花期不同處理間無顯著差異。成熟期ST、PM和BR處理相較于CF處理分別提高29.34%、6.95%和35.14%，其中BR處理土壤微生物量氮水平達17.5 mg/kg，顯著高于CF處理。

圖3 不同處理下土壤微生物量氮Fig.3 Soil microbial biomass nitrogen under different treatment

2.2 不同有機物料還田下玉米生育期土壤氮礦化速率

由圖4可知，除ST處理外，各處理在玉米不同生育期土壤氮礦化速率整體呈上升趨勢，CF和PM處理土壤氮礦化速率在玉米揚花期呈現下降趨勢，BR處理氮礦化速率隨玉米生育進程而不斷提高。相較于CF處理，ST處理顯著降低土壤氮礦化速率，且礦化速率隨生育期變化不斷地降低，苗期、拔節期、揚花期和成熟期4個時期土壤氮礦化速率分別比CF處理降低67.82%、72.15%、98.85%和98.10%，顯著低于同時期CF處理的土壤氮礦化速率。PM處理下4個生育期土壤氮礦化速率分別比CF處理提高85.74%、1.37%、21.92%和25.10%，其中苗期、揚花期和成熟期土壤氮礦化速率顯著高于CF處理同時期水平。與CF處理相比，BR處理除在玉米拔節期土壤氮礦化速率降低40.03%，在玉米苗期、揚花期和成熟期分別提高70.46%、8.34%和12.94%。

圖4 不同處理土壤氮礦化速率Fig.4 Soil nitrogen mineralization rate under different treatment

2.3 不同有機物料還田對玉米產量與氮素吸收效率的影響

由圖5可知，4個處理間，PM處理玉米產量最高，6 853.33 kg/hm，PM處理產量顯著高于ST處理(6 340 kg/hm)，CF、ST和BR處理間產量無顯著差異。PM、CF和BR處理間產量也無顯著差異。PM和BR處理玉米氮肥吸收效率顯著高于CF處理，ST與CF處理差異不顯著。其中PM處理玉米的氮肥吸收效率最高，為1.53 kg/kg。

圖5 不同處理下玉米產量及氮肥吸收效率Fig.5 Maize yield and nitrogen uptake efficiency under different treatments

從土壤全氮來看，有機物料還田均顯著增加土壤全氮含量，成熟期平均增幅由高到低為PM(16.62%)>BR(9.14%)>ST(8.60%)。從氮素形態來看，不同物料還田的差異主要體現在土壤硝態氮和微生物量氮上，有機物料還田顯著提高土壤硝態氮和微生物量氮含量，成熟期硝態氮增幅由高到低為PM(75.86%)>BR(73.94%)>ST(55.86%)，微生物量氮平均增幅由高到低為BR(35.14%)>ST(29.34%)>PM(6.95%)。通過玉米季土壤氮礦化速率變化，證明豬糞與沼渣還田促進土壤氮礦化過程，秸稈還田顯著削弱了土壤氮礦化作用。同時，PM增加了玉米產量和氮肥吸收效率，BR處理也提高了玉米季氮肥吸收效率。因此，不同物料由于特性不同，還田之后，土壤氮素形態與轉化產生了差異，豬糞有利于提高土壤全氮含量，提高了土壤氮礦化速率，提高土壤硝態氮含量，為玉米生長提供充足的氮素，從而提高了產量；沼渣還田增加了微生物量氮，也提高了氮肥吸收效率；秸稈在3種物料中表現較差。

3 討 論

3.1 不同有機物料還田對土壤氮素形態的影響

農田土壤氮素形態與含量受氮肥施用與作物生長的影響，氮素是作物干物質積累與光合作用的基礎，作物在生長過程中對養分需求逐漸增加，但由于化肥施用后養分釋放較快，能夠滿足作物生長前期對養分的需求，作物生長后期供氮能力下降，不能滿足作物生育后期對養分的需求。同時，玉米生育期需氮特點為“前輕后重”，生育后期植株氮素積累量對玉米產量形成具有決定作用，土壤供氮不足將導致玉米嚴重減產，因此生育后期充足的土壤速效氮水平是玉米獲得高產的前提。此外，土壤微生物量氮含量不高，但作為土壤有機養分的重要活性部分，很大程度上反映微生物數量，可用于表征土壤有效養分，是評價土壤肥力的重要指標。

本研究結果表明，隨著作物的生長與氮素的吸收，土壤全氮含量逐漸降低，CF處理由于基、追肥質量比為1∶1，追肥量為75 kg/hm，顯著高于其他3組處理，在拔節期土壤全氮含量略有提高。同時，成熟期3組有機物料還田處理土壤全氮含量都高于單施無機肥，這與張建軍等研究結論一致，因為化肥供氮多為速效氮，除作物吸收利用以外，還會以氣體形態損失或隨徑流而損失，從而降低土壤全氮水平。所有處理的玉米揚花期土壤硝態氮水平最高，原因是揚花期玉米進入生殖生長階段，主要進行的是氮素內部的轉移，根系從土壤中吸收的氮素減少，同時前期追施無機氮肥，促進了作物通過根系的分泌增加土壤有機物，從而增加了微生物活性，促進了土壤中有機質的礦化，增加土壤礦質氮的含量。同時，土壤銨態氮和硝態氮變化趨勢相反，這與黃容等研究結果一致，土壤中硝態氮和銨態氮含量呈現“此消彼長”的趨勢，玉米生長季高溫，土壤含水量較少，硝化作用強烈，土壤以硝態氮含量為主。本研究中苗期秸稈處理和無機肥處理施用化肥量均較高，而豬糞和沼渣氮素均以有機形態為主，故苗期CF和ST處理土壤硝態氮含量高于PM處理，也顯著高于BR處理，經過作物吸收利用與土壤氮素形態轉化，豬糞和沼渣還田促進氮素礦化，導致拔節期土壤硝態氮和銨態氮水平顯著提高，PM和BR處理土壤硝態氮水平顯著高于CF處理，ST處理土壤硝態氮水平與CF處理無顯著差異。隨后，氮礦化繼續進行，揚花期和成熟期PM和BR處理土壤硝態氮含量都顯著高于CF處理，因秸稈的高碳氮比對土壤中氮礦化產生負影響，故揚花期土壤硝態氮含量低于CF處理。

在本研究中，3種有機物料還田都可以提高土壤微生物量氮含量，這與周元等研究結果一致，有機物料還田后增加微生物生長所需的碳源和氮源，使微生物的同化作用加強。且有機物料還田后改善土壤理化性質，從而提高土壤微生物的生物量。在玉米季4個生育期內，土壤微生物量氮整體呈現下降趨勢，這是因為前期土壤溫、濕度更適宜土壤微生物的生長與繁殖，有利于氮固定，從而土壤微生物量氮顯著高于后期。同時，有機物料隨施用時間推移不斷減少，可利用的氮源減少，故相較于苗期，成熟期土壤微生物量氮有所降低。同時，不同有機物料因其成分差異對土壤微生物量氮影響不同。有機物料中碳的分解速率隨碳氮比增加而降低，隨氮濃度增加而上升，本研究中豬糞還田處理的土壤碳氮比最低，其次是沼渣，秸稈碳氮比最高。低碳氮比的豬糞還田后氮素快速釋放，促進根系生長與根系分泌物增加，故前期豬糞處理土壤微生物量氮含量高，后期降低。因秸稈高碳氮比，ST處理在玉米生長后期較拔節期微生物量氮有所提高。這也與周元等研究結果一致。但是在本研究中，有機物料還田后土壤微生物量氮含量增幅并不大，這可能與高溫干旱的氣候條件有關。

3.2 不同有機物料還田對土壤氮礦化的影響

有機物料施入農田后影響土壤氮素的礦化過程。張名豪等研究認為，高碳氮比的物料，如稻草、秸稈等還田后，會促進土壤氮素向氮固持方向進行轉化，土壤氮礦化與無機氮固持方向與速率取決于還田的有機物料碳氮比。本研究中，秸稈碳氮比最高，達97.37，顯著高于豬糞和沼渣物料中的碳氮比，導致土壤氮礦化速率顯著降低，低于其他3組處理，但轉化方向依舊向氮礦化方向進行。其原因是秸稈提供了豐富的碳源，促使微生物大量增殖，使土壤氮礦化速率顯著下降。而碳氮比低的豬糞還田后促使土壤氮礦化過程加速進行，從而導致其氮礦化速率顯著高于其他3組處理，這與胡立煌等研究結果一致。同時，沼渣亦為土壤提供了碳、氮源，促使土壤氮礦化速率提高，除拔節期外，其他時期都顯著高于CF處理，這與張名豪等研究結果一致。值得注意的是，拔節期進行追肥，CF處理僅施用無機肥，基追肥質量比為1∶1，故追肥量高于有機物料處理，為拔節期土壤補充了氮源，促使土壤中氮礦化過程加速，從而高于ST和BR處理。

同時，在本研究中，土壤氮礦化速率隨生育期推進而變化。秸稈處理僅在拔節期追肥補充無機氮肥后，土壤氮礦化速率有所增加，其他時期逐漸降低。這是因為隨著土壤中氮素的消耗，碳氮比不斷提高，從而導致土壤氮礦化速率降低。本研究還發現，拔節期后添加秸稈處理的土壤氮礦化速率降低，且趨近于零，這是由于秸稈腐解速度主要集中在有機物料還田前90 d，90 d之后腐解速度緩慢，因此不斷腐解的小麥秸稈為土壤微生物提供了碳源，提高了土壤碳氮比，降低了土壤氮礦化速率。其他3組處理苗期到成熟期土壤氮礦化速率整體呈增加趨勢，可能是因為在前期作物對氮素的吸收利用，土壤中礦質氮減少，導致土壤氮礦化速率相對較慢，后期土壤礦化過程為土壤提供充足的礦質氮，土壤礦化速率逐步提升。土壤中氮礦化過程受多因素影響，除碳氮比外，還有水分、溫度以及土壤pH等因素，是否產生影響還需進一步研究。

3.3 不同有機物料還田對玉米產量與氮肥吸收效率的影響

氮肥施用影響作物產量與氮肥吸收利用效率。本研究表明，相較于秸稈還田，豬糞施用可提高玉米產量，同時豬糞和沼渣可顯著提高玉米氮肥吸收效率。糞肥對提高作物產量、氮素吸收利用有促進作用，這與李春喜等研究結果一致。本研究結果表明，有機、無機配施在一定范圍內不僅可以達到增產目的，還可以提高氮肥吸收，降低其對環境的污染，降低土壤板結程度、增加土壤中膠體顆粒。有機物料還田可在提高產量的同時，提高土壤肥力，減少環境污染。

總體上，3種有機物料還田相比于無機肥均增加土壤全氮含量，且顯著提高玉米生長所需的氮素。特性不同的有機物料投入對土壤氮素形態與轉化影響不一致。3種有機物料中，豬糞在提高土壤全氮含量上表現最佳，且豬糞還田顯著提高玉米生育后期土壤氮礦化速率，同時提高了土壤硝態氮含量，玉米具有“喜硝”特性，土壤硝態氮含量對生長發育具有重要意義，豬糞為玉米生長提供了所需的速效氮，滿足了玉米的生長需求；沼渣在提高土壤全氮含量上表現不如豬糞，但在提高土壤微生物量氮含量與銨態氮水平上表現更好，微生物量氮是土壤活性氮的重要儲備庫，是表征土壤肥力的重要指標，施用沼渣可提供給作物良好的活性氮庫；秸稈在3種物料中提升效果相對較差。因此，在土壤速效氮含量低的大田選用豬糞還田，可實現無機肥的部分替代，且效果良好。

4 結 論

本試驗結果表明，有機物料還田顯著改變土壤氮素轉化與利用。秸稈、豬糞和沼渣還田后土壤全氮分別提高8.60%、16.62%和9.14%。豬糞和沼渣還田可使土壤氮礦化速率分別提高33.53%和12.93%，促進夏玉米對氮素的吸收，氮肥吸收效率分別提高8.88%和5.97%。在華北平原麥-玉兩熟種植模式條件下，豬糞配施無機肥是實現氮素高效利用和玉米高產的最優施氮方式。