玉米秸稈添加量對溫室土壤氨揮發及辣椒氮素吸收的影響

吳紅艷，于淼，高曉梅

（遼寧省微生物科學研究院，遼寧 朝陽 122000）

蔬菜是人們日常飲食中必不可少的食物之一，可提供人體所必需的多種維生素和礦物質等營養物質，人體必需的90% VC、60% VA來自于蔬菜，這些營養物質是有效預防慢性、退行性疾病風險的重要因素。我國蔬菜種植面積占整個種植業面積的12.9%[1]，主要分為露地栽培和設施栽培兩種類型，設施蔬菜種植具有高投入、高產出的特點，在農產品供給和農業農村經濟發展方面發揮了重要作用[2]。近年來，我國設施蔬菜面積不斷擴大，種植面積已達340萬hm2，占我國蔬菜種植面積的18%[3]。大部分蔬菜根系淺，因此養分和水分吸收能力弱、需肥量大。我國蔬菜生產系統中肥料用量高，單位面積蔬菜的單季總養分投入量是糧食作物總養分投入量的2倍[4]。土壤氨（NH3）揮發速率隨著施氮量的增加而增大，進而使累積氨揮發量顯著增加[5-6]。氨作為大氣中唯一的堿性氣體，是大氣中二次氣溶膠的重要前驅物，對大氣細顆粒物PM2.5的形成起重要作用，是使我國重污染地區、重污染時段PM2.5持續處于高位的關鍵因素之一[7]。據統計，設施蔬菜生產產生的氨排放量約占我國農業源氨排放量的33%[8]，氨與大氣中硫氧化物、氮氧化物結合形成的銨態氮達到一定濃度時會沉降于地表，因此氨揮發會降低氮素利用率，造成嚴重的農業面源污染[9]。

隨著蔬菜連作時間延長及復種指數提高，土壤障礙問題越來越嚴重。張新俊等[10]的研究表明，施用生物炭對連作菊花土壤性質改善和菊花生長、產品品質提高具有促進作用，是緩解連作菊花栽培中土壤障礙問題的有效手段；高晶霞等[11]的研究表明，長期連作對辣椒生長和光合特性產生負面影響，顯著降低作物株高和莖粗等生物量指標，辣椒產量和經濟效益連年降低。

近年來，為了提高土壤肥力使其可持續利用，促進作物的優質高產，秸稈還田成為研究熱點。有研究表明，秸稈還田能有效增強微生物活性、增加土壤有機質、促進離子交換、改善土壤理化性質、改良土壤耕性、培肥地力，且有利于硝化作用和有機氮固持[12-13]，對土壤氮素循環轉化過程產生深刻影響[14-15]，另外還可減輕或免除因大量施用肥料而造成的污染。農業發達國家非常重視秸稈還田，我國的傳統農業亦很重視秸稈還田，且設施土壤秸稈還田技術也在逐步完善[16]。

蔬菜秸稈攜帶大量病原體無法直接還田，而遼西地區干旱少雨，大田廣泛種植玉米，玉米秸稈具有良好的物理化學性質，因此成為設施土壤還田的主要材料。但玉米秸稈還田顯著影響土壤碳氮比，進而影響作物對氮素的吸收利用，由此帶來許多環境和生態問題。因此，探索有效的秸稈添加量，對減少農田土壤氨揮發、降低土壤氮素損失率、提高氮肥利用效率至關重要，且降低氮素對減少環境污染具有重要意義[17-18]。

本研究以遼西地區設施蔬菜土壤為研究對象，選取北方廣泛種植的辣椒作為試驗材料，利用室內盆栽試驗進行不同玉米秸稈添加量對設施土壤氨揮發及辣椒氮素吸收的影響研究，揭示常規施肥條件下不同秸稈添加量設施土壤的氨揮發規律，為減少氨揮發、提高作物氮素吸收響應力和氮肥利用率、優化秸稈還田配套措施和合理施肥提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試蔬菜為北方地區廣泛種植的辣椒，品種為寒椒99。

玉米秸稈主要養分：全氮含量7.42 g·kg-1，有機碳含量423.79 g·kg-1。

供試土壤為褐土，取自遼寧省微生物科學研究院試驗基地種植辣椒的日光溫室耕層（0～20 cm）土壤，其基本理化性質如表1所示。

表1 供試土壤理化性質Table 1 The physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗設計

供試土壤去除腐葉等雜質，風干，過2 mm篩后備用。試驗于2021年9月20日開始，至11月20日結束。在溫室條件下采用盆栽的方法，選用直徑為17 cm、高為30 cm的塑料花盆，每盆裝土7.5 kg，裝土高度為20 cm，每次每個處理取樣3盆，即為3次重復。肥料為市售化肥，N、P2O5和K2O的用量分別100、70 kg·hm-2和80 kg·hm-2。試驗設置4個處理：化肥+不添加秸稈（CK），化肥+秸稈4 500 kg·hm-2（S1），化肥+秸稈9 000 kg·hm-2（S2），化肥+秸稈13 500 kg·hm-2（S3）。將玉米秸稈制成長度小于3 cm的秸稈段，按試驗設置所述，將不同干質量的秸稈與花盆中0～15 cm土壤混合均勻后上層覆土約5 cm，采用常規穴栽方式，所有處理均將尿素、磷和鉀肥按常規施肥方法作為基肥一次性施入，不再追肥，施肥方法為播種前施入定植植株底部2～3 cm處，各處理均按日光溫室大棚辣椒常規管理方式一致性管理。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤氨揮發的測定[19]

本試驗采用通氣法監測氨揮發。用PVC管（聚乙烯硬質塑料管）制成內徑為8 cm、高為12 cm的氨氣捕獲裝置，將兩塊厚度為2 cm、直徑為10 cm的海綿均勻浸以5 mL磷酸甘油溶液（50 mL磷酸加40 mL丙三醇，定容至1 000 mL）后置于PVC管中，下層海綿距管底5 cm，用于吸收土壤揮發出來的氨，上層海綿與管頂相平，用于防止外界氣體污染。施肥后第1周每天固定時間更換下層海綿作為樣品，樣品立即放入樣品袋中密封；第2周更換2～3次，第3、4周每周更換1次，此后第6周及第60天結束期時分別取樣一次。整個監測過程氨揮發裝置保持固定位置，每天僅更換海綿。下層海綿樣品置于300 mL（1 mol·L-1）氯化鉀溶液中浸提1 h，利用iFIA7全自動流動注射分析儀MAC3（北京吉天儀器有限公司）測定浸提液中銨態氮含量。

1.3.2 土壤樣品無機氮測定

將3盆土壤混合均勻，采用四分法取樣，保留約200 g土壤樣品，常溫下陰干，過篩（0.25 mm）后置于-20℃冰箱保存備用。將土壤樣品用1 mol·L-1氯化鉀溶液浸提后，利用iFIA7全自動流動注射分析儀MAC3測定土壤銨態氮和硝態氮含量。

1.3.3 辣椒采收計產及樣品總氮的測定

辣椒產量為連續采收后于結束期合并計產，所有果實與定植60 d植株合計測定氮素累積量。辣椒定植21、42 d和60 d時，貼近土壤表面將地上部分剪下，置于105℃烘箱殺青30 min后，80℃烘干至質量恒定，進行稱量，作為植株樣品。辣椒及植株樣品干燥粉碎過篩（0.25 mm），用H2SO4-H2O2消煮，利用iFIA7全自動流動注射分析儀MAC3測定總氮含量。

1.4 數據統計分析

氨揮發量（kg·hm-2，以N計）=樣品中銨態氮含量（NH+4-N，mg）/捕獲裝置的橫截面積（m2）×10-2

氨揮發速率（kg·hm-2·d-1，以N計）=氨揮發量（kg·hm-2）/每次連續捕獲的時間（d）

氨揮發累積量（kg·hm-2，以N計）=每次采樣的氨揮發量之和

莖葉氮累積量（g）=莖葉總氮含量（g·g-1）×莖葉干物質質量（g）

果實氮累積量（g）=果實總氮含量（g·g-1）×果實干物質質量（g）

植株地上部氮素累積量（g）=莖葉氮累積量（g）+果實氮累積量（g）

利用Excel 2007進行數據整理與計算，采用SPSS 25.0進行單因素方差分析，選用LSD（P＜0.05）進行多重比較、差異顯著性及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈添加量對土壤氨揮發效應的影響

2.1.1 對土壤氨揮發量的影響

由圖1可以看出，在整個監測期內，S1、S2和S3的氨揮發量動態變化趨勢與CK相近，S1、S2、S3和CK均在第7天達到峰值，分別為3.683、3.210、3.910 kg·hm-2和5.632 kg·hm-2，之后總體呈下降趨勢，第28天降至較低水平，并穩定在0.532～0.243 kg·hm-2之間；S1、S2、S3的氨揮發量峰值分別較CK減少了34.6%、43.0%和30.6%；S2的氨揮發量峰值較CK、S1、S3分別顯著減少了43.0%、12.8%、17.9%?？梢?，在同一施肥條件下，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時的氨揮發量與其他3個處理相比存在顯著差異（P＜0.05）。

圖1 秸稈添加量對土壤氨揮發量的影響Figure 1 Effects of straw addition on NH3 volatilization in soil

2.1.2 對土壤氨揮發速率的影響

由圖2可以看出，在整個監測期內CK、S1、S3的土壤氨揮發速率動態變化趨勢無明顯差異，均在第7天達到峰值，CK、S1、S2、S3的氨揮發速率平均值分別為2.29、1.73、1.60、2.00 kg·hm-2·d-1，由高到低依次為CK＞S3＞S1＞S2，S2較CK、S1、S3分別顯著降低30.0%、7.5%、20.0%。因此，在同一施肥條件下，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時氨揮發速率最低。

圖2 秸稈添加量對土壤氨揮發速率的影響Figure 2 Effects of straw addition on NH3 volatilization rate in soil

2.1.3 對土壤氨揮發累積量的影響

圖3顯示，在整個監測期內各處理氨揮發累積量表現為CK＞S3＞S1＞S2，S2最小，為24.35 kg·hm-2，CK最大，為35.96 kg·hm-2，S1、S2、S3的氨揮發累積量與CK相比分別減少了22.2%、32.3%、6.2%，且S2顯著低于CK、S1、S3（P＜0.05），原因可能是秸稈適量還田增強了土壤對NH+4的吸附能力，或是將NH+4轉變為其他形態氮素降低了土壤NH+4濃度，從而顯著減少了土壤氨揮發累積量。

圖3 秸稈添加量對土壤氨揮發累積量的影響Figure 3 Effects of straw addition on NH3 volatilization accumulation in soil

2.2 秸稈添加量對土壤無機氮含量的影響

2.2.1 對土壤銨態氮含量的影響

圖4顯示，在整個監測期內各處理土壤銨態氮含量整體動態變化趨勢基本一致，且與氨揮發速率的變化趨勢相近，即在第7天達到最大峰值，此時S2較CK、S1、S3分別減少了24.2%、11.5%、14.8%，且與CK差異極顯著；第28天降至較低水平，并趨于平穩。監測期內CK、S1、S2、S3的銨態氮含量平均值分別為158.62、141.01、120.04、161.62 mg·kg-1，S2顯著低于CK和S3，而與S1差異未達到顯著水平；第21天降至較低點時，S2與CK、S1、S3相比差異顯著（P＜0.05）。由此可知，不同秸稈添加量對土壤中銨態氮的殘留量具有直接影響，適量秸稈還田能夠有效降低土壤銨態氮含量。

圖4 秸稈添加量對土壤銨態氮含量的影響Figure 4 Effects of straw addition on soil ammonium nitrogen content

2.2.2 對土壤硝態氮含量的影響

圖5顯示，在整個監測期內CK、S1、S2、S3的硝態氮含量變化趨勢基本相同，前21 d呈逐漸上升趨勢，變化范圍分別為2.26～12.54、3.02～25.02、2.84～33.74、2.88～17.83 mg·kg-1，S2增加量最大為30.90 mg·kg-1；第21天達到峰值，此時S2較CK、S1、S3分別增加62.8%、25.8%、47.2%，且處理間差異顯著；第42天降至較低水平，其中S2顯著高于其他3個處理（P＜0.05）?？梢?，秸稈適量還田能夠有效提高土壤硝態氮含量。

圖5 秸稈添加量對土壤硝態氮含量的影響Figure 5 Effects of straw addition on soil nitrate nitrogen content

2.3 秸稈添加量對辣椒地上部氮累積量的影響

由表2可知，在整個監測期內不同取樣時間各處理植株氮素吸收量均呈現逐漸增加的趨勢。第21天時各處理間無顯著差異；第42天時S1、S2、S3與CK之間均差異顯著（P＜0.05），而S1、S2、S3之間未達到顯著差異水平；第60天時，與CK相比，S1、S2、S3分別增加了13.7%、19.1%、9.3%，均達到顯著差異水平（P＜0.05）?？梢姡谕皇┓蕳l件下，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時，對設施蔬菜辣椒地上部氮素累積量的提高具有明顯促進作用。

表2 秸稈添加量對植株氮素累積量的影響（g·株-1）Table 2 Effects of straw addition on plant nitrogen accumulation（g·plant-1）

2.4 秸稈添加量對辣椒產量的影響

圖6顯示辣椒產量為S2＞S1＞S3＞CK，S2處理辣椒產量較S1、S3和CK分別增加7.7%、11.8%和14.3%，說明秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時辣椒產量最高。通過差異性分析發現，S2與CK達到顯著差異水平（P＜0.05），與S1和S3相比無顯著差異。

圖6 秸稈添加量對辣椒產量的影響Figure 6 Effects of straw addition on pepper yield

2.5 Pearson相關性分析

由于地上部氮素累積量、辣椒產量及土壤無機氮之間存在一定關聯，可能會影響到彼此與土壤氨揮發累積量的相關性分析結果，因此選取整個監測期內數據對每個變量與氨揮發速率進行相關性分析。

由表3可以看出，在監測期內土壤氨揮發累積量與植株地上部氮素累積量和辣椒產量均呈顯著負相關（P＜0.01），與土壤銨態氮、硝態氮含量分別呈弱的正、負相關；辣椒產量與植株氮素累積量呈顯著正相關（P＜0.05），而與銨態氮含量呈負相關。在相同施肥條件下，土壤氨揮發累積量減少時，植株地上部氮素累積量和辣椒產量顯著增加，表明氨揮發累積量是影響植株地上部氮素累積量及產量的重要因素。

表3 土壤氨揮發累積量、植株地上部氮素累積量、辣椒產量與土壤無機氮的Pearson相關性分析Table 3 Pearson correlation analysis between NH3 volatilization accumulation，plant nitrogen accumulation，pepper yield，and soil inorganic nitrogen

3 討論

3.1 玉米秸稈添加量對設施土壤氨揮發及有機氮含量的影響

相關研究發現，適量秸稈還田可減少設施土壤氨揮發量，降低氨揮發速率。王朝旭等[20]的室內靜態土壤培養試驗結果顯示，添加秸稈可有效抑制氨揮發；郭茜[21]研究發現，一次性施入生物質炭降低了空心菜季土壤的氨揮發量；徐聰[22]的研究表明，相比不添加秸稈，長期秸稈還田可增加土壤（0～2 m）氮累積量34～112 kg·hm-2·a-1。馮敏等[23]研究結果顯示，適量秸稈還田可顯著影響土壤氨化和硝化強度。本研究土壤銨態氮含量呈下降趨勢，而硝態氮含量明顯上升，可能是由于秸稈適量添加將NH+4轉變為其他形態氮素并促進了辣椒對氮素的吸收，降低了土壤銨態氮含量。本試驗結果顯示，在同一施肥條件下，第7天達到峰值時，S2相較于CK、S1和S3，氨揮發量平均值分別減少43.0%、12.8%和17.9%，氨揮發速率平均值分別降低30.0%、7.5%和20.0%，銨態氮含量平均值分別減少24.2%、11.5%和14.8%。本研究發現，隨著土壤銨態氮含量增加，氨揮發量增加，氨揮發量與土壤銨態氮含量呈正相關，與硝態氮含量呈負相關，但均未達到顯著水平。在常規施入氮肥的同時添加一定量的玉米秸稈，可以增加土壤有機碳含量，改善土壤理化性狀和土壤表面環境，促進微生物對氮肥水解形成的氨固持和再礦化作用，持續供應可利用的氮素，激發了土壤微生物和酶在分解秸稈過程中將無機氮固定轉化為有機氮。但高量秸稈添加不僅大幅度增加了土壤團聚組分有機碳含量，同時也帶入大量的土壤外源微生物，改變了土壤群落結構，削弱了微生物對氮素的固持等積極作用，對氨揮發及有機氮的轉化產生負面影響[24]。因此，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時能夠降低氨分壓和氨揮發速率，減少氨揮發。

3.2 玉米秸稈添加量對植株地上部氮素累積量和產量的影響

張磊[25]的研究結果表明，高粱秸稈還田灌水覆膜連作使番茄產量和生物量分別顯著增加113.26%和165.63%，添加高粱根茬根際土改善了黃瓜生長發育狀況，提高了植株的存活率。本試驗結果表明，在同一化肥施用量條件下，60 d時辣椒地上部氮素累積量，與CK相比，S1、S2、S3分別增加13.7%、19.1%、9.3%，達到顯著差異水平（P＜0.05）；S2的辣椒產量較S1、S3、CK分別增加7.7%、11.8%、14.3%。

本研究發現，當土壤氨揮發增強時，植株地上部氮素累積量則減少，作物產量也顯著減少，即土壤氨揮發與地上部氮素累積量和產量均呈顯著負相關（P＜0.01）。秸稈還田能夠改善土壤結構，使土壤疏松、孔隙度增加、容重減輕，有效增加土壤通氣性，對植株根系生長發育具有很好的促進作用，為土壤微生物的生存與繁殖提供了適宜的環境，提高了土壤微生物的豐富度和多樣性[26]，秸稈在微生物作用下，將有機氮轉化成無機氮，成為可吸收態氮；隨著秸稈降解，其所含養分也隨之返還土壤，使土壤肥力有效提升[27]；同時秸稈中的有機物及營養物質與土壤充分混合，在作物需求時解吸以供作物吸收利用，秸稈還田能夠促進土壤氮素向作物果實轉移，使蔬菜氮素累積量明顯增加，在礦化分解過程中能更持續、穩定地提供作物生長所需的營養元素，增加蔬菜產量。

4 結論

（1）同一施肥條件下，氨揮發累積量為CK＞S3＞S1＞S2；地上部氮素累積量為S2＞S1＞S3＞CK；銨態氮平均含量為S3＞CK＞S1＞S2；硝態氮平均含量為S2＞S1＞S3＞CK。

（2）同一施肥條件下氨揮發量與植株地上部氮素累積量和產量呈顯著負相關（P＜0.01），與銨態氮和硝態氮分別呈正、負相關，但均未達到顯著水平。

（3）同一施肥條件下，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時辣椒增產幅度最高，與對照相比具有顯著差異，與其他兩個處理差異不顯著。

（4）秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時能夠顯著減少設施蔬菜土壤氨揮發量，降低氨揮發速率，有效降低銨態氮含量，提高硝態氮含量，在一定程度上抑制農田土壤氨揮發效應，減少農業面源污染，并對植株地上部氮累積量具有顯著的促進作用。