秸秆和秸秆炭对黑土肥力及氮素矿化过程的影响

朱兴娟，李桂花，涂书新，杨俊诚，郭康莉，冀拯宇，刘 晓，张建峰*，姜慧敏*

（1.华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

氮素在土壤氮库中的转化是微生物驱动下的生物化学过程[1]，而土壤微生物的生存与繁衍主要由土壤有机碳提供碳源和能源，所以氮素养分在土壤氮库中的转化主要受土壤有机碳的调控。东北黑土区以有机碳含量高、土壤肥沃而著称，但近几十年来，随着黑土的过度垦殖与耕作，土壤有机碳储量锐减[2]，土壤质量退化严重，进而表现为土壤对氮素养分的调控能力减弱，最终导致氮素利用率下降。利用有机培肥提高土壤有机碳的输入量，通过土壤C/N调控肥料氮在土壤有机氮库中的有效转化是提高氮素利用率的新途径[3]。许多研究已表明，玉米秸秆还田是土壤有机培肥的主要措施之一，能够增加耕层土壤有机碳含量，提高肥料氮素利用效率[4-5]。目前，秸秆还田的方法呈现多元化的发展趋势，其中秸秆炭还田研究正受到越来越多的关注，如有许多研究表明，秸秆炭含有一定量的矿质养分，可以增加土壤中氮、磷、钾等矿质养分含量，秸秆炭用于农业可改良和培肥土壤，提高作物生产率，促进土壤可持续利用，因此，秸秆炭还田可能会成为东北大量秸秆资源有效还田的新途径。在合理的氮肥施用条件下，添加秸秆和秸秆炭对土壤肥力影响的研究较多，但多是短期模拟实验，真正在田间原位上连续开展秸秆和秸秆炭对土壤综合肥力的影响研究较少。

从“土壤学”角度看，为实现肥料氮素的高效利用，必须明确残留肥料氮在土壤有机氮库中的潜在矿化能力。Deng等[6]研究发现，作物生长所需要的氮素主要源于施入肥料氮和土壤中有机氮的矿化，土壤氮素矿化很大程度上反映了土壤的供氮能力[7]。马力等[8]对红壤水稻土长期施肥和秸秆还田的研究表明，秸秆还田能明显促进土壤氮矿化量的提高；唐淦海等[9]研究表明，土壤氮矿化作用因土壤及秸秆类型的不同而不同。目前，关于秸秆和秸秆炭还田对残留外源化肥氮的潜在矿化研究还鲜有报道。

鉴于此，本研究以东北黑土区春玉米为对象，在田间连续定位试验条件下，系统研究秸秆和秸秆炭还田配施化肥对土壤综合肥力和残留化肥氮素矿化的影响，以期为东北黑土区秸秆有效还田和氮素养分高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

本研究定位试验设在黑龙江省哈尔滨市道外区民主乡黑龙江省农业科学院现代农业科技示范园。该研究基地位于松花江南岸的冲积平原上，地理坐标为东经 126°48′55.64″～126°51′26.50″，北纬 45°49′44.33″～45°51′01.60″，海拔130～150 m，属于寒温带大陆性季风气候，年平均气温3.6℃，年降水量486.4～543.6 mm。试验前土壤耕层（0～20 cm）的基本理化性质见表1。

1.2 试验处理及供试材料

试验共设5个处理：对照，单施化肥（N1），N1+50%玉米秸秆（N2）、N1+100%玉米秸秆（N3）、N1+相当于50%玉米秸秆还田的玉米秸秆炭（N4）、N1+相当于100%玉米秸秆还田的玉米秸秆炭（N5）。

供试玉米秸秆炭由黑龙江省农业科学院提供，是将玉米秸秆在500℃厌氧条件下热解而成的高度芳香化产物，其性质较为稳定，且含有一定的养分。供试生物炭主要性质见表2。将当地上年收获的玉米秸秆经铡草机铡碎成2 cm左右的小段作为供试秸秆。

1.3 样品采集、测定项目及方法

1.3.1 土壤样品采集

2016年10月玉米收获后，采集各微区0～20 cm表层土样。将采集的土样去除动、植物残体，混匀成两份，一份土样用于测定微生物量碳、氮，另一份风干后过2 mm筛，用于测定土壤基本理化性状和氮素矿化指标。

1.3.2 测定项目及方法

土壤基本理化性质的测定方法参照《土壤农化分析》[10]。土壤有机质采用重铬酸钾容量法；土壤全氮采用凯氏定氮法；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法；土壤速效磷含量采用碳酸氢钠法（Olsen法）；土壤速效钾采用火焰光度计法；土壤微生物量碳（SMC）、氮（SMN）采用熏蒸浸提法测定。

土壤总氮矿化量（Nt）的测定采用淹水培养法[11]：称取20 g风干土样于100 mL离心管，加入30 mL蒸馏水，将离心管密封后放入40℃的培养箱培养7 d，然后加入 50 mL 3.2 mol·L-1KCl溶液振荡 30 min，过滤后的滤液用流动分析仪测定其铵态氮，将培养后土样的铵态氮含量减去培养前土样的铵态氮含量即为总氮矿化量。同时，培养前后的差值即为外源15N肥料的矿化量。

1.4 数据计算

1.4.1 总氮矿化率

式中：Nt为总氮矿化量，mg·kg-1；TN 为土壤全氮含量，g·kg-1；Nt/TN为矿化率，%；

1.4.2 外源15N肥料的矿化率

式中：15Nt为外源15N 肥料矿化量，mg·kg-1；T15N为土壤15N 标记氮素含量，mg·kg-1；15Nt/T15N 为外源15N肥料矿化率，%。

1.4.3 土壤综合肥力

土壤综合肥力利用内梅罗指数法计算[13]，计算公式如下：

式中：IFI为土壤综合肥力；IFIi平均与 IFIi最小分别为土壤各属性分肥力均值与最小值；n为评价指标个数。本研究选取土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、pH值等6个指标作为参评的化学指标，反映土壤肥力状况。

1.5 数据分析

用Excel进行数据的相关计算，采用SAS 9.1统计分析软件进行方差分析及相关分析，采用Origin 9.0进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 秸秆和秸秆炭还田对土壤肥力指标的影响

如表3所示，与N1处理相比，秸秆和秸秆炭还田均提高了土壤有机质、土壤全氮、土壤碱解氮、土壤速效钾、土壤速效磷含量，其中N3处理下土壤有机质、土壤全氮、土壤碱解氮、土壤速效钾含量分别显著提高了18.0%、11.2%、10.8%和15.4%（P＜0.05），N5处理土壤速效钾含量显著提高了14.2%（P＜0.05）。与N1相比，N2、N3处理下pH值无显著差异，而N4、N5处理下pH分别显著提高了1.5%、2.7%（P＜0.05）。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Physiochemical properties of soil

表2 供试玉米秸秆炭基本理化性质Table 2 Basic physicochemical properties of the biochar for test

表3 秸秆、秸秆炭对土壤养分指标的影响Table 3 Effect of straw and straw biochar on soil fertility index

应用修正的内梅罗指数计算4年不同秸秆、秸秆炭还田处理方式下土壤综合肥力（图1），结果表明，不同秸秆还田处理下IFI值由高到低依次为N3＞N5＞N4=N2＞N1，N1处理分别较N2、N3、N4和N5处理显著降低了2.1%、8.4%、2.3%和4.4%（P＜0.05）。

图1 秸秆、秸秆炭对土壤综合肥力指数的影响Figure 1 Effect of straw and straw biochar on IFI

2.2 秸秆和秸秆炭还田对土壤微生物指标的影响

经过4年的秸秆和秸秆炭还田后，土壤微生物量碳、氮含量均有不同程度的提高（图2）。与N1处理相比较，N2、N3、N4和N5处理下土壤微生物量碳含量分别提高了2.2%、15.1%、0.8%和2.3%（图2A），其中N3处理显著提高（P＜0.05）；N3处理土壤微生物量碳含量显著高于N2处理12.6%（P＜0.05），不同秸秆炭还田量之间无显著差异。土壤微生物量氮含量由高到低依次为N3＞N2＞N5＞N4＞N1（图2B），且 N2、N3和N5较N1处理显著提高了12.9%、23.1%和11.8%（P＜0.05），N3较 N2处理显著提高了9.0%（P＜0.05），N5较N4处理土壤微生物量氮显著升高11.3%（P＜0.05）。

图2 秸秆、秸秆炭对微生物量碳、氮的影响Figure 2 The effect of straw and straw biochar on microbial biomass carbon and nitrogen

2.3 秸秆和秸秆炭还田对土壤氮素矿化特征的影响

与N1处理相比，N2、N3处理下土壤总氮素矿化量分别显著提高了23.4%和53.0%（P＜0.05），且随着秸秆还田量的增加而显著增加（图3A）；N4、N5处理下土壤总氮素矿化量分别提高了5.3%和16.3%，且随着秸秆炭还田量的增加而增加，但均没有达到显著水平。与N1处理相比，N2、N3、N4、N5 处理下外源肥料15N的矿化量分别显著提高了66.5%、213.3%、39.4%和92.0%（P＜0.05），且随着秸秆和秸秆炭还田量的增加而显著增加（图3B）。N1、N2、N3、N4、N5 处理外源肥料15N的矿化量分别占土壤总氮矿化量的2.2%、2.9%、4.4%、2.9%和3.6%。

与N1处理相比，N2、N3处理下土壤总氮素矿化率显著提高了22.9%和35.8%（P＜0.05），且随着秸秆还田量的增加而显著增加（图4A）；N4、N5处理下土壤总氮素矿化率分别提高了3.3%和5.3%，且随着秸秆炭还田量的增加而增加，但无显著差异。与N1处理相比，N2、N3、N4、N5 处理外源肥料15N的矿化率分别显著提高了50.0%、279.0%、36.3%和40.0%（P＜0.05），且随着秸秆和秸秆炭还田量的增加而显著增加（图4B）。

图3 秸秆、秸秆炭还田对土壤总氮和外源化肥氮矿化量的影响Figure 3 The effect of straw and straw biochar on mineralization amount

相关性分析结果表明（表4），土壤总氮矿化量与土壤有机质、全氮、碱解氮、微生物量氮含量呈现极显著正相关性（P＜0.01），与微生物量碳含量呈现显著正相关性（P＜0.05），外源肥料15N的矿化量与碱解氮、微生物量氮含量存在极显著正相关性（P＜0.01），与有机质、全氮、微生物量碳呈现显著正相关性（P＜0.05）。总氮矿化率与外源肥料15N的矿化率与土壤有机质、全氮、微生物量碳、氮含量存在极显著正相关关系（P＜0.01）。

图4 秸秆、秸秆炭还田对土壤总氮和外源化肥氮矿化率的影响Figure 4 Effect of straw and straw biochar on mineralization rate

表4 氮素矿化特征与土壤养分指标和生物指标的相关性Table 4 Correlations between nitrogen mineralization characteristics and soil nutrient and biomass index

3 讨论

秸秆直接还田与化肥配合施用是提高土壤肥力的有效措施之一[12]。杨敏芳等[13]研究表明，秸秆还田下的土壤养分均高于秸秆不还田。且罗宜宾[14]的研究表明，秸秆配施化肥较单施化肥可有效提高土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量；洪春来等[15]研究表明，秸秆全量直接还田能促进土壤有机质的积累，迅速提高土壤中速效磷、速效钾的含量，缓慢提高速效氮和全氮水平，有效提高土壤肥力；张亚丽等[16]研究也表明，秸秆直接还田有助于提高土壤养分含量，且基本上都是随着秸秆还田量的增加而增加。本研究也得到相同的结果，即50%玉米秸秆和100%玉米秸秆直接还田与化肥配施均能提高土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量，4年土壤综合肥力指数均高于单施化肥处理，且100%秸秆直接还田对土壤肥力的提高更明显。主要原因是秸秆中富含植物生长所需要的碳、氮、磷、钾和微量元素等，秸秆还田腐解的过程中，秸秆周围会有大量微生物进行繁殖，形成土壤微生物活动层，这些营养物质被逐渐释放出来，秸秆还田量越多，养分的释放量相对增加，从而提高土壤肥力[17]。

许多反映土壤供氮能力的指标均直接或间接地与土壤微生物的数量和活动有关。土壤微生物量与土壤有机碳含量密切相关，而土壤微生物量碳转化迅速，能在检测到土壤总碳变化之前表现出较大的差异，是更具敏感性的土壤肥力指标。张静等[18]研究还表明，9000 kg·hm-2玉米秸秆还田量下土壤微生物固持碳、氮的效果最好，高于6000 kg·hm-2玉米秸秆还田量，能有效提高土壤肥力。

关于秸秆和秸秆炭还田对土壤肥力的研究报道较少，许毛毛[19]利用室内培养试验得到的结果是，秸秆炭对土壤氮、磷、钾养分指标的提升效果优于秸秆。本研究对秸秆和秸秆炭连续4年还田后土壤的综合肥力指数进行了分析，IFI值由高到低依次为N3＞N5＞N4=N2＞N1，说明100%秸秆全量直接还田土壤综合肥力指数高于相当于100%玉米秸秆还田量的玉米秸秆炭还田处理，可能是由于玉米秸秆炭比玉米秸秆具有更高的养分含量且具有较大的比表面积和复杂的孔隙结构以及多种官能团，增强了对土壤中离子的吸附能力，从而减少了土壤营养物质的流失，但同时由于秸秆炭结构特异性，具有更好的稳定性，降低了秸秆炭的分解率[20-21]，其他可能的原因还有待于进一步分析。

土壤氮素矿化水平直接影响土壤氮素供应状况，室内培养结果也可以用于评价土壤氮素矿化的矿化潜势[22]。有研究表明，秸秆添加对不同地区、不同类型土壤均有增强土壤矿化作用的功能[8，23]，水稻秸秆生物炭与水稻秸秆相比，其土壤有机氮的矿化速率及矿化量明显降低[24]。本研究结论与此一致，在秸秆、秸秆炭还田处理下，土壤总氮矿化量、矿化率以及外源15N肥料矿化量、矿化率都高于单施化肥处理，且矿化的外源肥料15N占总矿化氮素的比例也比单施化肥处理高，促进了化肥氮的有效转化，其中，又以秸秆的影响更为明显。矿化作用的增强主要是由于玉米秸秆中含有大量易分解物质，使得土壤微生物活性增强，提高了对有机氮的分解速率；另外由于秸秆炭具有孔隙结构和巨大的表面积可吸附氮素物质，且秸秆热解形成秸秆炭过程中，营养物质大多转化成高稳定性的芳香环状结构物质，施加到土壤中可以改变土壤理化性质，直接或间接影响土壤微生物多样性及其活性，进而影响土壤氮素循环[25-26]。此外，Deenik等[27]研究表明秸秆炭中也含有挥发性物质可刺激微生物活动，降低了土壤氮素的矿化过程。因此，玉米秸秆炭还田后与秸秆还田相比具有较低的氮素矿化速率[28]。

很多研究证明土壤中氮素矿化与土壤全氮和有机质含量有较好的相关性[29]。本研究结果表明土壤氮素矿化与土壤有机质、总氮、微生物量碳、氮呈现显著相关性，标记尿素矿化量、矿化率与有机质、全氮、微生物量碳、氮呈现显著相关性。张恒等[30]和邵兴芳等[31]研究发现土壤氮素矿化与土壤有机质、全氮含量呈线性相关，而矿化率与有机质、全氮含量呈指数性相关。

4 结论

（1）化肥配施秸秆、秸秆炭均可提高土壤养分含量和微生物量碳、氮含量，其中100%秸秆还田处理显著提高土壤综合肥力且对土壤微生物固持碳、氮的效果最明显。

（2）化肥配施秸秆、秸秆炭均可协同提高土壤总氮以及外源肥料氮的矿化作用，提高土壤和外源肥料氮的潜在供氮能力，其中，以100%秸秆还田处理下的影响更为显著。