调节碳氮比对甘蔗叶还田后土壤无机氮、微生物量氮、水溶性有机碳含量和脲酶活性的影响

单颖 田路园 邹雨坤 赵凤亮 李光义 侯宪文 李勤奋

摘 要 秸秆还田条件下如何合理配施氮肥是影响秸秆还田效果的关键问题。以甘蔗叶还田条件下配施氮肥调节C/N为切入点，设置6个添加不同甘蔗叶与氮肥比例的处理：CK（不施入甘蔗叶和氮肥）、T1（15 ∶ 1）、T2（20 ∶ 1）、T3（25 ∶ 1）、T4（30 ∶ 1）和T5（35 ∶ 1），利用土柱模拟试验的方法测试分析了试验过程中土壤不同形态氮素和水溶性有机碳含量的变化。结果表明，甘蔗叶还田配施氮肥可以有效增加土壤中氮素的含量，试验初期配施较高比例氮肥的处理土壤全氮含量更高，随着时间的延长，C/N在25 ∶ 1～35 ∶ 1范围时，土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量更高。甘蔗叶还田施氮还提高了土壤微生物量氮的含量和脲酶活性。综合来看，甘蔗叶还田配施氮肥调节C/N为25 ∶ 1，对于提高土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量的效果最佳。

关键词 甘蔗叶还田；氮肥；C/N；土壤氮素

中图分类号 S566.1 文献标识码 A

Abstract How to scientifically apply N fertilizer is a key problem when straw returning. Based on C/N ratio， a laboratory experiment was conducted to study the effects of different C/N ratios mediated by sugarcane leaves returning plus nitrogen fertilizer on soil total nitrogen， ammonium nitrogen， nitrate nitrogen， microbial biomass nitrogen， water-soluble organic carbon content and urease activity. Six treatments were set： CK（sugarcane leaves removal without fertilizer）， T1（C/N ratio 15 ∶ 1）， T2（20 ∶ 1）， T3（25 ∶ 1）， T4（30 ∶ 1） and T5（35 ∶ 1）. The results showed that sugarcane leaves returning amended with N fertilizer significantly increased soil nitrogen content. At the beginning of the test， there was an increasing trend of soil total nitrogen content with N fertilizer application proportion. With the extension of time， an adjusted C/N ratio of 25 ∶ 1-35 ∶ 1 increased soil total nitrogen， ammonium nitrogen and nitrate nitrogen content. Sugarcane leaves returning amended with N fertilizer also increased soil microbial nitrogen content and urease activity. We concluded that applying N fertilizer plus sugarcane leaves returning and adjusting C/N ratio to 25 ∶ 1 was more suitable for increasing soil nitrogen content.

Key words Sugarcane leaves returning； nitrogen fertilizer； C/N ratio； soil nitrogen

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.11.002

我國是世界上秸秆资源最丰富的国家之一，每年的秸秆资源量占全世界总量的30%[1]。秸秆还田作为秸秆合理利用的一种方式，能够有效改善土壤理化性质，补充土壤养分，是促进农业可持续发展的重要途径[2-4]。已有研究表明，秸秆还田可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤结构的稳定性，增加土壤的持水保水能力[5-7]。劳秀荣[8]、张亚丽等[9]研究表明，秸秆还田可以显著促进土壤有机质积累，提高速效氮磷钾的生物有效性和脲酶活性，改善土壤肥力及质量状况，对于提高作物产量和品质具有重要意义。

氮是土壤肥力中最活跃的因素，也是作物生长发育所必需的大量元素和关键限制因子[10]。研究表明，秸秆还田可以有效提高农田土壤氮素的供应率，增加农田土壤表层无机氮的含量，促进氮素矿化的正激发效应，从而有效减少土壤氮素的损失量和氮肥的使用量[11]。但秸秆碳氮比（C/N）一般较高，在土壤中降解较慢，难以作为当季作物的有效肥源。同时，微生物在降解秸秆时还会与作物争夺氮素，影响作物的正常生长[12]。关于秸秆还田配施氮肥对土壤肥力和作物生长的影响已有报道，伍玉鹏等[13]研究表明，秸秆还田时配施一定量的氮肥，将C/N调节至合适的范围，不仅可以有效地加速秸秆的分解和腐熟，还能有效地维持土壤肥力。秸秆还田时通过配施氮肥调节土壤C/N，还能增加土壤中微生物的数量和活性，近而影响土壤中氮素的转化[14-15]。但秸秆还田补施氮肥对土壤肥力和作物生长的影响会受气候条件和土壤类型的影响[16]。甘蔗作为世界上最重要的糖料作物，在我国热带、亚热带地区广泛种植，甘蔗收获后蔗叶还田作为农业废弃物资源化利用的有效途径已得到广泛关注[17]。甘蔗叶还田能够提高土壤pH，增加有机质、速效氮磷钾的含量，提高作物产量[18]。但目前关于甘蔗叶还田施氮调节C/N对土壤氮素转化的影响报道较少，因此，本研究通过土柱试验，在土壤中添加甘蔗叶的同时配施氮肥，以设置不同C/N为切入点，通过分析土壤全氮、铵态氮、硝态氮、微生物量氮、脲酶以及水溶性有机碳随时间的变化情况，研究添加甘蔗叶配施氮肥调节C/N对土壤氮素转化的影响，以期为甘蔗叶还田合理配施氮肥和高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤质地为中壤，采自中国热带农业科学院儋州试验基地，其基本理化性质为：pH为4.03，有机质含量5.77 g/kg，全氮0.31 g/kg，速效磷53.96 mg/kg，速效钾63.13 mg/kg。试验所用秸秆为完全腐熟甘蔗叶，C含量40.39%，N含量1.40%；将甘蔗叶切成2～3 cm小段，按7 500 kg/hm2还田量添加至供试土壤中。试验所用氮肥为尿素。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验采用室内土柱模拟方法进行，土柱使用直径16 cm、横截面积0.020 1 m2的PVC管制成，每个土柱填装过筛风干土壤6.5 kg，土层深度为30 cm，甘蔗叶埋入深15 cm土层。按照甘蔗叶配施氮肥以调节的C/N，共设6个处理，分别为甘蔗叶和氮肥添加量均为零的对照（CK）、甘蔗叶还田配施氮肥调节C/N为15 ∶ 1（T1）、20 ∶ 1（T2）、25 ∶ 1（T3）、30 ∶ 1（T4）和35 ∶ 1（T5），每个处理设3个重复。试验在28 ℃、相对湿度70%的室内进行，根据儋州市年降雨量設定浇水量，分别于试验开始后的第5、15、30天各浇水1 100 mL，后期每30 d浇水1次，1次浇水量为1 300 mL。

1.2.2 样品采集与测定 在试验开始后的第5、15、30、60、120、180和240天采集0～15 cm的土壤样品，每个土样均为多点采集混合而成，用于测定土壤不同形态氮素、水溶性有机碳含量以及脲酶活性。土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定，NH4+-N和NO3--N用1 mol/L KCl浸提，经0.45 μm滤膜过滤后，采用靛酚蓝比色法测定土壤NH4+-N含量，酚二磺酸比色法测定土壤NO3--N含量；土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸提取法测定；土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法测定；土壤水溶性有机碳采用K2SO4溶液浸提，总有机碳分析仪测定。

1.3 数据分析

数据整理和统计分析采用Excel 2007软件进行，数据多重比较使用Ducan法，图件绘制使用Origin 9.0软件。

2 结果与分析

2.1 对土壤全氮的影响

向土壤中添加甘蔗叶配施氮肥调节C/N对土壤全氮的影响如图1所示，CK处理土壤全氮含量在前90 d缓慢升高，后期逐渐下降，试验结束时，与土壤本底值相近。各处理土壤全氮含量整体均高于CK，但在同一取样时期内，各处理组土壤全氮含量差异不显著。前30 d，土壤全氮含量变化较小，随后迅速增加，T1处理土壤全氮含量在90 d时达到最大值，高于CK处理60.63%，其他各处理土壤全氮含量在180 d时达到最高值，分别高于CK处理1.35、1.58、1.65和1.57倍。240 d取样结束时，各处理土壤全氮含量较CK处理高0.91、1.03、1.16、1.04和1.11倍。

2.2 对土壤铵态氮的影响

试验过程中土壤铵态氮含量的变化如图2所示，尿素添加至土壤中会发生水解反应提高土壤铵态氮的含量，5 d时，各处理铵态氮含量均已显著高于对照组（p<0.05），增加量分别为23.73、13.45、24.42、13.97和2.62 mg/kg。随着硝化作用的发生，各处理的铵态氮含量呈下降趋势，至60 d时降至最低值，各处理间差异不显著。随后，各处理铵态氮含量开始逐渐升高，120 d时，各处理含量达到最大值，且处理间差异显著，分别比对照高77.71%、58.88%、131.29%、188.59%和171.73%。这与甘蔗叶的降解，以及添加尿素缓解微生物对氮素的固持有关。同时，铵态氮带正电荷，容易被土壤胶体吸附，不易随水分流失，但部分铵态氮在微生物的作用下也会转变成氨挥发掉，当浇水量大于土壤持水量时，铵态氮也会发生淋失[19]。试验结束时，各处理土壤铵态氮含量与CK相比，分别高41.61%、33.21%、86.86%、84.67%和83.58%。

2.3 对土壤硝态氮的影响

土壤硝态氮含量变化如图3所示，5 d时，各处理硝态氮含量分别高于对照组64.66%、21.05%、111.26%、131.35%和89.16%。随后各处理土壤硝态氮含量开始下降，15 d取样时，T2处理硝态氮含量最高，为26.08 mg/kg，比对照组高110.92%，其他各处理硝态氮含量分别高于对照组70.68%、54.69%、82.30%和56.95%。30 d后，各处理土壤硝态氮含量开始下降，90 d后，土壤硝态氮含量变化平缓，且各处理间差异不显著（p>0.05）。取样结束时，各处理土壤硝态氮含量均略高于对照组。甘蔗叶还田配施氮肥可以增加土壤表层无机氮的含量，随着有机氮的矿化和铵态氮的硝化作用，硝态氮含量也会随之增加，试验结束时，处理组的硝态氮含量均高于对照组。但试验后期，硝态氮含量下降至一定值后变化平缓，分析由于硝态氮易溶于水而流失，多次浇水后，各试验组的硝态氮含量都有所下降，而施入甘蔗叶的处理组，因甘蔗叶的阻滞作用，硝态氮损失相对较少。另一方面，可能是甘蔗叶分解过程中消耗氧气加速了反硝化作用。

2.4 对土壤微生物量氮的影响

添加甘蔗叶配施氮肥对土壤微生物量氮的影响如图4所示，土壤微生物量氮含量整体呈现上升-下降-上升-下降的变化趋势，各处理在90 d时达到峰值，在120 d时降至最低值，后期略有增加。5 d取样时，各处理微生物量氮均高于对照组，还田的腐熟甘蔗叶本身带入大量微生物。30 d取样时，T4处理土壤微生物量氮含量最高，为29.21 mg/kg，比CK高3.14倍。90 d时，CK处理土壤微生物量氮含量为10.60 mg/kg，各处理分别比CK高2.61、2.31、2.48、0.92和1.70倍。120 d取样时，各处理土壤微生物量氮含量均降至最低值，但处理间差异不显著。240 d取样时，各处理间差异显著，T1、T2、T3和T5处理分别比CK高121.73%、56.07%、46.96%和71.08%，T4处理比CK低45.32%。甘蔗叶还田不仅可以带入一定量的微生物，同时氮肥还为土壤微生物提供了充足的氮素和碳素，各处理土壤微生物量氮的含量均要高于对照组，而不同C/N对于微生物活性的影响也较为显著，适宜的C/N对于微生物的增殖更加有利，进而影响到微生物量氮的含量[20]。

2.5 对土壤脲酶的影响

如图5所示，试验过程中各处理土壤脲酶的活性整体呈现升高-下降的变化趋势，在下降的过程中略有波动。5 d取样时，各处理土壤脲酶活性差异显著（p<0.05），T3处理土壤脲酶活性最高，CK脲酶活性最低，各处理土壤脲酶活性分别比CK高57.30%、36.83%、71.82%、53.37%和45.92%。15 d取样时，各处理土壤脲酶活性达到峰值。30 d时，各处理土壤脲酶活性分别比对照组高33.52%、32.79%、63.63%、78.12%和32.06%。取样结束时，各处理之间差异显著（p<0.05），土壤脲酶活性分别比CK高2.12%、42.95%、37.80%、19.65%和38.00%。脲酶主要参与酰胺态有机氮化物水解转化为无机氮化物的过程[21]，甘蔗叶还田时配施氮肥，可以提高脲酶的活性，而随着甘蔗叶降解程度越来越高，酰胺态有机氮化物的含量开始减少，进而使脲酶活性随之降低。

2.6 对土壤水溶性有机碳的影响

甘蔗叶还田配施氮肥对土壤水溶性有机碳的影响如图6所示，30 d取样时，各处理间差异显著（p<0.05），分别高于CK处理118.83%、98.34%、88.18%、84.72%和79.02%。180 d取样时，T5含量最高，为162.87 mg/kg，T3次之，为161.98 mg/kg，CK含量最低，为106.47 mg/kg。240 d取样结束时，各处理土壤水溶性有机碳含量均降至最低值，但处理间差异不显著。甘蔗叶被微生物降解后，为土壤提供了一定碳源，所以处理组的水溶性有机碳含量要高于对照组，且C/N高的处理土壤中水溶性有机碳的含量更高。各处理土壤中微生物的数量和活性不同，也进一步影响土壤中水溶性有机碳的含量。

3 讨论

本研究结果表明，添加甘蔗叶配施氮肥调节C/N显著影响土壤无机氮、微生物量氮、水溶性有机碳的含量和脲酶活性。添加甘蔗叶同时配施氮肥，各处理土壤全氮含量均显著高于CK。试验前期，尿素施入土壤后水解生成銨态氮，各处理土壤铵态氮含量均显著高于CK，且C/N低的处理含量更高。甘蔗叶施入土壤后，添加氮肥缓解了土壤微生物对氮素的固持，其降解受到C/N影响，随着试验时间的延长，各处理土壤铵态氮和硝态氮的积累有所差异。综合来看，甘蔗叶还田配施氮肥后C/N在25 ∶ 1～35 ∶ 1范围时，土壤铵态氮和硝态氮含量更高。秸秆的自身组成不易改变，施加氮肥可以促进秸秆降解，提高无机氮的含量，且一般认为秸秆C/N为25 ∶ 1是决定其还田后是否固持土壤氮素的关键拐点[22]，这与本研究的结论一致。秸秆还田后，氮素的可利用性决定了土壤微生物生物量[23]。甘蔗叶作为一种有机物料还田可以提高土壤有机质含量，改善土壤理化性质，为微生物提供良好的生存环境，配施氮肥可以为微生物生长提供丰富的碳源和氮源，提高微生物量氮的含量[24]。本研究中，各处理土壤微生物量氮含量显著高于CK，试验后期，土壤无机氮含量降低，土壤微生物氮含量同样下降，试验结束时，C/N为15 ∶ 1的处理土壤微生物量氮含量最高，C/N为30 ∶ 1的处理最低。本试验不同的施氮量也可能导致不同处理土壤铵态氮和硝态氮含量的不同， 进而影响微生物量氮和脲酶活性。甘蔗叶还田不仅为微生物提供了碳氮源，可以刺激微生物的活性，还增加了土壤酶的来源，均对于提高土壤酶活性具有重要意义。本研究表明，甘蔗叶还田时，土壤脲酶活性在前期比后期高，且C/N较低时，脲酶活性更高，120 d后，不同C/N处理对脲酶活性的影响相差不大。由于脲酶主要参与酰胺态有机氮化物水解转化为无机氮化物的过程，甘蔗叶还田时配施氮肥，显著提高了脲酶的活性，而当甘蔗叶被逐步降解后，脲酶的活性随之降低。李涛等[25]研究认为，秸秆还田施氮有降低脲酶活性的趋势，铵态氮含量过高会抑制土壤脲酶的活性。甘蔗叶还田配施氮肥有效增加了土壤中氮素的含量，不同处理间比较，T3（C/N为25 ∶ 1）的效果最好，T3土壤中的水溶性有机碳的含量和脲酶的活性也相对较高，综上，甘蔗叶还田时配施氮肥调节碳氮比例为25 ∶ 1时，对于提高土壤无机氮、微生物量氮、溶解性有机碳含量和脲酶活性的效果最佳。关于在大田环境条件下，甘蔗叶还田及配施氮肥调节C/N对土壤氮素转化和肥力的影响仍需要进一步研究。

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