添加不同外源氮对长期秸秆还田土壤中氮素转化的影响

丛日环，张 丽，鲁艳红，聂 军，李小坤，任 涛，鲁剑巍*

（1 华中农业大学资源与环境学院/农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室，武汉 430070；2 湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125）

作物秸秆含有丰富的氮素[1]，长期秸秆还田有利于土壤氮素的积累，提高作物氮肥利用率，同时能有效培肥土壤[2]。铵态氮 (NH4+-N) 和硝态氮 (NO3

--N)是土壤无机态氮的主要形态，能够被作物直接吸收利用，在土壤氮素循环中具有不可替代的作用[3]。土壤微生物氮和可溶性有机氮作为高活性有机氮，是土壤氮储存库中最为活跃的氮源[4]，是植物生长可利用氮素的重要来源[5-6]，也是农田生态系统氮素流失的主要形式[7]。还田秸秆进入土壤中受到土壤微生物的作用分解释放氮素，同时还田秸秆促进土壤团聚体的形成从而提高土壤吸附氮素的能力。有研究表明，有机物料的施用显著影响土壤可溶性有机氮的固持与释放及其在土壤中的含量[8-10]，并影响土壤微生物量氮的含量[11]。练成燕等[12]研究发现添加稻草降低了土壤可溶性有机氮和硝态氮含量，但没有显著影响土壤铵态氮含量。Recous等[13]的研究同样显示，玉米秸秆还田能够增加土壤无机氮累积量、碳素固持和矿化率，促进微生物氮循环。化肥氮对作物增产具有重要作用，但对土壤肥力的提升效果不大，且大量施用化肥氮增加了氮素流失的风险，给环境带来危害[14]。秸秆配施化肥既通过微生物调节土壤矿质态氮的固持释放，又提高土壤有机氮含量，最终达到提升土壤肥力的效果[15-17]。田间秸秆分解和养分转化是个缓慢过程，施用秸秆对作物产量和土壤肥力的影响在短期内难以体现，而长期秸秆还田定位试验则能弥补其不足之处，较好地体现它在提高作物产量、改善土壤肥力状况和促进养分转化方面的优势[18-21]。土壤中的氮转化是十分复杂的过程，目前大部分研究主要集中在短期秸秆还田对无机氮等单一形态氮素的影响，而对秸秆还田下土壤氮库组成的变化并不清楚，关于长期秸秆还田条件下不同外源氮素对几种形态氮素的综合分析鲜有报道。

本研究在长期定位试验的基础上，通过室内恒温培养试验的方法分析添加不同外源氮对土壤中不同形态氮素的影响及相互关系，旨在明确长期秸秆还田和不同外源氮对土壤氮素含量和转化的影响，揭示长期秸秆还田对氮素供应的影响机制。

1 材料与方法

1.1 长期定位试验点概况

长期定位施肥试验点位于湖南省望城县黄金乡(112°80′ N、28°37′ E，海拔高度 100 m)。试验开始于1981年，1981—2015年的年均降雨量1370 mm，年平均气温17℃，年平均无霜期大约为300 天。轮作制度为稻—稻—冬闲，小区面积为66.7 m2，每个小区之间用30 cm宽水泥埂隔开，区组之间的排水沟宽度为50 cm，区组之间用水泥埂隔开。小区为区组排列，3次重复。在1981—2014年期间，早稻和晚稻氮肥施入量分别为N 150 kg/hm2、180 kg/hm2，磷肥各P 38.7 kg/hm2，钾肥各K 99.6 kg/hm2，稻草还田量各2100 kg/hm2。氮、磷和钾化肥品种分别是尿素、过磷酸钙和氯化钾。早、晚稻品种分别为常规早稻和杂交晚稻，田间管理措施与当地农民保持一致。

供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，土壤分类为普通简育水耕人为土。试验开始前耕层土壤 (0—20 cm) 基本性状为：pH 6.6、土壤有机碳20.13 g/kg、全氮2.05 g/kg、碱解氮151 mg/kg、有效磷10.2 mg/kg、速效钾62.3 mg/kg。2014年晚稻收获后采集耕层土壤样品 (0—20 cm)，其土壤基本性质见表1。

表1 供试土壤理化性质及不同形态氮素含量 (0—20 cm)Table 1 Chemical properties and contents of different N forms in the tested soils

1.2 试验设计

本研究选择了长期定位试验中单施NPK和NPK配合秸秆还田 (NPKS) 2 个处理的土壤样品，风干、过2 mm筛后用于室内培养。

供试两个土壤样品分别设置灭菌和不灭菌两组主处理。各组主处理下分别设置4个副处理：对照(CK)；添加尿素 (N 150 kg/hm2，U)；添加水稻秸秆(根据秸秆N含量换算为N 150 kg/hm2，S)；添加尿素+水稻秸秆 (尿素和秸秆添加量各为N 150 kg/hm2，共300 kg/hm2，U +S)。各处理重复4次。

供试秸秆风干后磨碎，其碳、氮含量分别为41.55%、0.50%，碳氮比为83.1。尿素和水稻秸秆氮素添加量按照每公顷2500 t土壤换算。

土壤和秸秆培养处理采用环氧乙烷法灭菌，培养所用塑料瓶等采用高温灭菌后用70%乙醇擦拭。

具体操作步骤：称取30.0 g风干土样 (过2 mm筛)，与外源氮 (秸秆或尿素) 充分混匀后装瓶，去离子水调整土壤含水量至25%，用无菌封口膜封口，膜上留10个小孔。于25℃下恒温培养，每四天称重补加水分，保证培养期间土壤含水量恒定。灭菌与非灭菌培养处理分别放置培养箱中恒温培养。

1.3 测定项目与方法

在25℃下恒温培养5、10、20、30、50、90、130天后分别取各处理试验土样测定土壤铵态氮、硝态氮、微生物碳氮和可溶性有机氮含量。试验采用破坏性取样，各重复每次取一瓶土壤进行取样分析。

全氮测定采用凯氏定氮法[22]，无机氮使用流动分析仪测定[23]。土壤可溶性有机氮用0.5 mol/L K2SO4浸提 (水土比4∶1) 土样，浸提液经0.45 μm滤膜过滤后，滤液中可溶性总氮 (TSN) 用过硫酸钾氧化比色法测定[24]，滤液中的可溶性有机氮(DON) 为可溶性总氮与矿质态氮之差[25]。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法[26-27]，土壤微生物量碳、氮含量以熏蒸和未熏蒸的有机碳、全氮含量之差分别除以转换系数kEC和kEN得到，其中kEC=0.45[28]，kEN= 0.54[29]。土壤基础理化性质按照实验室常规方法测定各项指标[22]，具体为土壤pH按照水土比2.5∶1，电位法测定。有机质含量的测定采用K2Cr2O7-H2SO4外加热-容量法测定。有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定。速效钾采用1.0 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法测定。

1.4 数据处理

采用Origin 9.0和SARS软件进行制图和统计分析，最小显著法 (LSD) 检验特定时段内不同处理间数据的差异显著性水平 (P〈 0.05)。

2 结果与分析

2.1 土壤铵态氮

如图1所示，两个供试土壤灭菌、非灭菌条件下，培养期间四个副处理间的土壤铵态氮含量差异均达到显著水平 (P〈 0.05)，整体表现为 U 〉 U + S 〉S 〉 CK。

不灭菌培养条件下，NPK与NPKS处理土壤的铵态氮变化趋势一致 (图1-a、b)。NPK土壤的U和U + S处理土壤铵态氮在前10 d迅速增加 (125.09～186.52 mg/kg，增幅67.36～100.92倍)，而S处理土壤铵态氮增幅较小，培养10天内土壤铵态氮达到75.60 mg/kg (增幅40.37倍)。U处理在培养30天达到峰值 (219.72 mg/kg)，而U + S和S处理则在培养第50天达到峰值，土壤铵态氮分别增加到156.70 mg/kg和104.82 mg/kg。培养50天后，添加不同外源氮处理铵态氮含量均呈下降趋势，至培养结束，土壤铵态氮含量降至9.89～38.38 mg/kg。其中S与CK的土壤铵态氮含量无显著性差异。

在灭菌培养条件下，各处理土壤铵态氮均表现为增加/持续增加的趋势 (图1-c、d)。至培养结束时，NPK土壤添加不同外源氮处理 (U、S、U + S)其土壤铵态氮含量达到平衡 (204.92～277.60 mg/kg)，而NPKS土壤铵态氮则仍表现出持续增加的趋势，其中U和U + S处理的土壤铵态氮含量达到 264.00～334.33 mg/kg，增幅达到 71.13～90.35倍。两种培养模式下，长期秸秆还田土壤铵态氮含量与长期不还田土壤相比均略有增加的趋势 (图1)。

图1 添加不同外源氮下长期秸秆还田土壤的铵态氮含量Fig. 1 Soil ammonium-N contents in different N resource treatments under long-term straw incorporation

2.2 土壤硝态氮

非灭菌培养条件下，两个供试土壤培养期间四个副处理土壤硝态氮含量差异显著 (P〈 0.05)，表现为 U 〉 U +S 〉 S 〉 CK。培养 0～50 天期间内不同处理的土壤硝态氮均呈缓慢增加趋势且低于20 mg/kg。而培养50 天后则表现出迅速增加，至培养结束土壤硝态氮达最大值117.43～243.17 mg/kg (图2-a) 和132.82～225.42 mg/kg (图2-b)，长期NPK处理与长期NPKS处理土壤硝态氮含量差异不明显。

而在灭菌培养条件下，土壤硝态氮在0～90 d内缓慢增加，90 d后U和U + S处理硝态氮含量迅速提高但最高值低于50 mg/kg，而CK和S无显著变化 (图2-c、d)。至培养结束 (第130天)，NPKS土壤的U和U + S土壤硝态氮较NPK土壤的相应处理分别降低7.30%和2.96%，而CK和S分别增加13.11%和7.03%。

2.3 土壤微生物氮

微生物量氮是土壤微生物量的重要表征形式，是土壤养分转化中不可或缺的重要组成。非灭菌条件下 (图3-a、b) 添加不同外源氮处理土壤的微生物氮含量均呈现先增加后降低最后保持平稳的趋势，于20天左右达到峰值 (106.72～244.01 mg/kg，增幅117.54%～397.37%)。至培养结束，长期NPKS土壤各处理的微生物氮含量均高于长期NPK土壤。灭菌培养条件下 (图3-c、d)，添加不同外源氮的长期NPK和长期NPKS土壤微生物氮分别在培养90天内和50天内保持较低水平，此后迅速增加。至培养结束，长期NPK和长期NPKS土壤的各处理微生物氮较非灭菌相应处理分别提高了0.55～2.16 (图3-a、c)和2.14～4.75倍 (图3-b、d)，且长期NPKS土壤添加尿素 (U) 处理的土壤微生物氮含量最高，达到797.54 mg/kg。

图2 添加不同外源氮下长期秸秆还田土壤的硝态氮含量Fig. 2 Soil nitrate-N contents in different N resource treatments under long-term straw incorporation

图3 添加不同外源氮下长期秸秆还田土壤的微生物氮含量Fig. 3 Soil microbial N contents in different N resource treatments under long-term straw incorporation

2.4 土壤可溶性有机氮

本研究中，不同培养方式的土壤可溶性有机氮(DON) 含量变化特征 (图4) 与微生物氮特征 (图3) 一致。非灭菌条件下 (图4-a、b) 添加不同外源氮处理(U、S、U + S) 的DON变化趋势均呈现培养30天达到峰值 (95.76～138.70 mg/kg和120.71～140.63 mg/kg)，与CK相比，DON增幅达到286.80%～460.28%和283.01%～346.20%。此后降低并于50天后逐渐维持平衡。不同处理DON含量表现为U + S 〉S 〉 U 〉 CK。而在灭菌培养条件下 (图 4-c、d)，添加外源氮处理均在前90天维持在20 mg/kg左右变化，90天后迅速增加，至培养结束，DON分别达到71.96～76.20 mg/kg (图 4-c) 和 87.59～132.75 mg/kg(图4-d)，长期NPK土壤中添加不同外源氮处理(U、S、U + S) 间DON含量差异不显著，而长期秸秆还田土壤中U + S处理显著高于其他处理。

图4 添加不同外源氮下长期秸秆还田土壤的可溶性有机氮含量Fig. 4 Soil dissolved organic N contents in different N resource treatments under long-term straw incorporation

3 讨论

3.1 长期秸秆还田条件下添加不同外源氮对土壤无机氮的影响

铵态氮和硝态氮是植物直接吸收利用的主要氮形态，能直接反映氮素供应水平，且对氨挥发和硝态氮的淋洗或反硝化造成一定影响[30-31]。本研究中，连续30年的长期秸秆还田土壤铵态氮含量明显高于长期秸秆不还田土壤 (表1)。土壤中铵态氮含量受温度、有机质含量、pH和施肥等因素的影响[32]。土壤pH值对微生物生长和有机质矿化具有重要作用，而长期秸秆还田配施化肥能增加土壤有机质和速效氮含量，使土壤pH值保持相对稳定的水平[33]，有机质含量的增加，大大增加了土壤中生物有效性碳的含量，使土壤C/N维持在适宜土壤微生物生长的范围，极大地促进了土壤氮素的矿化过程[34-35]。正常培养条件下 (不灭菌)，添加尿素、秸秆和秸秆配施尿素处理均能提高土壤含量，以添加尿素效果最好。至培养结束，添加尿素处理的土壤含量分别较添加其他氮源提高72.41%～455.25%和13.45%～36.80%。其中，添加尿素配施秸秆处理在输入生物有效性碳的同时，通过尿素增加了土壤氮素的含量，C/N适宜，较大限度地促进了矿化作用[20]，其含量仅次于单施尿素处理。本试验所选用的长期定位试验点土壤有机质含量较高，而添加秸秆处理是在有机质本底值较高的土壤中继续增加有机碳组分，且秸秆添加量较大，折算成纯氮后相当于N 150 kg /hm2，而微生物的生长也需要消耗大量氮，因此，其铵态氮和硝态氮低于另外两个外源氮处理[13,33]。

3.2 长期秸秆还田条件下添加不同外源氮对土壤微生物氮和可溶性有机氮的影响

本研究中，添加尿素、秸秆或秸秆配施尿素均能提高土壤微生物氮含量 (图3)。在培养0～20天期间，微生物氮迅速增加，这可能是由于微生物在水分和外源氮的刺激下大量繁殖造成[4]。培养第20天时，以添加尿素和秸秆配施尿素处理的微生物氮含量最高，添加秸秆处理次之，研究结果可能与土壤有机质本底值及C/N的变化有关[17]。与NPK相比，在NPKS基础上各处理在培养130 天时的微生物氮含量均显著增加。研究表明，随着秸秆还田年限的增加，土壤微生物量的增加也会更加稳定[36]，具体原因可能是，秸秆还田后使土壤质量得到改善，秸秆中的养分为微生物提供了丰富的碳源和能源，细菌大量繁殖并充分利用秸秆中的有机态氮[37]。

土壤可溶性有机氮在培养期间的变化趋势与微生物氮变化趋势相似，且添加尿素配施秸秆处理含量最高，各外源氮处理土壤可溶性有机氮均在培养30天时达到峰值，而微生物氮则提前至20天左右达到最高值。这是由于微生物通过分解有机物料、提供代谢产物和自身残体提高土壤可溶性有机氮含量，同时土壤可溶性有机氮可作为促进微生物生长的氮源[38]。此外，NPKS土壤添加不同外源氮处理的可溶性有机氮含量均高于NPK土壤，主要是秸秆中的有机氮含量较高，有机氮在矿化过程中产生了大量的小分子含氮化合物如氨基酸、氨基糖、蛋白质等，增加了土壤中可溶性有机氮含量[39]。

4 结论

与长期单施化肥相比，长期秸秆还田配施化肥更有利于提高土壤铵态氮储量。与添加秸秆N 150 kg/hm2和秸秆配施尿素N 300 kg/hm2相比，添加尿素N 150 kg/hm2更有利于提高土壤铵态氮、硝态氮含量。在长期秸秆还田配施化肥的土壤上，添加秸秆和尿素更有利于土壤微生物氮和可溶性有机氮的提高。长期秸秆还田有利于提升土壤活性氮库尤其是土壤有机态氮库的容量，进而保障土壤氮素供应。