秸秆与氮肥配施对黑钙土氮素矿化和硝化作用的影响

郭 策，李宜联，郭 媛，曹雪枫，赵兴敏，王鸿斌

（吉林农业大学资源与环境学院，吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，长春 130118）

黑钙土是农业和畜牧业宝贵的自然资源，但近年来由于过度施用化肥和不合理利用土地导致黑钙土区土壤退化，有机质含量逐年下降，氮素有效性不足，使农作物生产遭遇瓶颈[1]。研究表明，秸秆还田既可调控黑钙土养分供应，又可实现秸秆资源化利用，促进绿色生态农业发展[2]。还田后秸秆在植物根系和微生物作用下分解，逐渐转变为腐殖质沉积在土壤中，有效提升土壤有机质含量[3]。

秸秆还田后腐解速率受温度、水分、秸秆还田量、外源氮素、腐解时间等因素影响[4]。农业生产中，外源氮素对秸秆腐解影响较大。添加外源氮素，可提高土壤有效氮含量，减小作物生长的氮争夺，加快微生物繁殖，加速秸秆矿化过程，促进秸秆分解[5]。同时，外源氮素通过微生物矿化作用将土壤中有机氮转化为无机氮供植物吸收利用[6]。

有机氮矿化速率决定土壤中用于植物生长和微生物同化所需氮素可利用性，对维持土壤氮素供应具有重要意义[7]。硝化作用是指硝化细菌将土壤中铵态氮氧化成硝态氮的过程。硝化作用减少氨挥发，但由此形成的硝态氮可能因淋溶和地表径流损失而污染水源，还可能通过反硝化作用导致温室气体排放，致使全球变暖[8]。因此，研究土壤中氮素矿化和硝化作用对于提升土壤肥力和保护环境具有双重意义。

目前，关于秸秆还田对土壤氮素矿化的影响[2]、施肥对土壤氮素矿化和硝化作用的影响[9]报道较多，而关于秸秆与氮肥配施对黑钙土氮素矿化和硝化作用的研究却鲜有报道。

本文以吉林省典型黑钙土为研究对象，采用室内培养试验，研究不同秸秆添加量与氮肥配施对黑钙土氮素矿化和硝化作用的影响，为完善黑钙土地区秸秆还田技术，合理调控土壤氮素循环提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为黑钙土，于2019年5月采自吉林省长春市农安县华家镇袁家屯（125°7′E，44°18′N），采用蛇形布点、多点混合方法采样，取土深度为0～20 cm。样品自然风干，去除肉眼可见秸秆等有机残体，过2 mm 筛混匀备用。土壤pH为8.68，速效磷为4.83 mg·kg-1，速效钾为134 mg·kg-1，碱解氮为46.27 mg·kg-1，有机碳为14.49 g·kg-1，全氮为1.27 g·kg-1，C/N 为11.41。供试玉米秸秆取自吉林农业大学试验田，样品自然风干，去除杂物后粉碎过1 mm 筛备用。该玉米秸秆含有机碳486.15 g·kg-1，全氮5.29 g·kg-1，C/N为91.9。

1.2 试验设计

本试验采用两因素随机区组设计，分别为秸秆还田量和施肥两个因素。结合相关文献和当地生产实际，秸秆还田深度为0～20 cm 耕层土壤，其重量约为2 250 t·hm-2。玉米秸秆全量还田为14 400 kg·hm-2，1 kg 土壤添加6.4 g 玉米秸秆。秸秆添加量共设5个水平，每个水平按照还田倍数添加：不加秸秆、秸秆半量、秸秆全量、秸秆2 倍、秸秆5 倍处理分别称取0、3.2、6.4、12.8、32 g 玉米秸秆与1 kg土混匀。氮肥添加量按照当地化肥施用量氮素占比折算，1 kg耕层土壤施用0.2478 g尿素或0.5448 g磷酸氢二铵。按照秸秆添加量及施加氮肥种类不同，试验共设15种处理（见表1），每种处理重复3次。

称取1 kg 土壤，加蒸馏水调节样品含水量至20%，装入长×宽×高为21.3 cm×15.6 cm×8.3 cm，体积为2 700 mL 长方形带盖（侧上方有通气孔）塑料盒中，称重后放于25 ℃恒温培养箱中预培养一周，以激活土壤微生物。按试验设计加入秸秆及化肥，混匀后于25 ℃恒温培养箱中培养120 d，期间每隔4 d通过称重补充水分以弥补蒸发损失量。

在第0、2、4、6、10、20、30、45、60、120天取出盒中部分样品，测定土壤NH4+-N和NO3--N 含量。具体操作方法如下：称取新鲜土样12 g，加100 mL 0.01 mol·L-1CaCl2浸提液，25 ℃水浴下振荡浸提60 min，将混合液过滤于100 mL塑料瓶内，连续流动分析仪AA3立即测定或储存于冷冻室。另外称取10 g新鲜土样于锡纸中计算含水量（105 ℃下烘干8 h）。

1.3 数据处理与分析

矿质氮含量按照公式（1）计算：

式中，M为矿质氮含量（mg·kg-1）；（NH4+-N）t和（NO3--N）t分别为培养td时铵态氮含量和硝态氮含量（mg·kg-1）。

净氮矿化量、净氮矿化速率按照公式（2）和（3）计算：

式中，NP为净氮矿化量（mg N·kg-1）；[（NH4+-N）+（NO3--N）]t为培养td时铵态氮和硝态氮含量之和（mg N·kg-1）；[（NH4+-N）+（NO3--N）]t0为培养0 d时铵态氮和硝态氮含量之和（mg N·kg-1）；Nm为净氮矿化速率（mg N·kg-1·d-1）；t为培养天数；t0为0 d。

净硝化速率按照公式（4）计算：

式中，Nx净硝化速率（mg NO3--N·kg-1·d-1）；（NO3--N）t和（NO3--N）t0分别为培养td 和0 d 时NO3--N含量（mg NO3--N·kg-1）。

试验数据均为3 次重复平均值。采用Excel 2010 和Origin 8.5 整理数据及绘图，使用SPSS 22.0分析试验数据单因素方差，LSD方法分析处理间平均数P＜0.05水平差异显著性。

表1 不同处理土壤编号Table 1 Soil numbers of different treatments

2 结果与分析

2.1 秸秆及氮肥添加条件下黑钙土矿质氮含量动态变化

图1 为不同秸秆添加量黑钙土分别在不加氮肥、施加尿素和施加磷酸氢二铵条件下矿质氮含量（铵态氮和硝态氮含量之和）动态变化。随培养时间增加，各处理矿质氮含量表现为先升后降，再缓慢上升，最后趋于稳定（CK 除外）。而CK 处理矿质氮含量培养前4 d迅速上升，4～60 d则缓慢上升，最后趋于平稳。

不加氮肥条件下（见图1a），4 种处理（1/2MS、MS、2MS、5MS）矿质氮含量变化规律相同。培养前4 d，4 种处理矿质氮含量均呈上升趋势，变化范围为1.12～24.78 mg·kg-1，2MS 和5MS 矿质氮含量上升幅度显著高于1/2MS和MS。培养4～10 d，4种处理矿质氮含量迅速下降，其中1/2MS 下降幅度最小（92.57%），5MS最大（96.33%）。而培养10～60 d 则出现不同程度上升。至培养结束时，不加氮肥土壤中，CK 矿质氮含量为50.85 mg·kg-1，1/2MS、MS、2MS、5MS 矿质氮含量分别为31.43、20.63、2.47、0.99 mg·kg-1，分别比CK降低38.19%、59.43%、95.14%、98.05%。

施加尿素条件下（见图1b），培养前20 d，N、N-1/2MS和N-MS矿质氮含量呈相同变化趋势：培养第4 天达到峰值，培养4～20 d 出现不同程度下降。而N-2MS 和N-5MS 在培养前20 d一直呈下降趋势。培养20～60 d，5种处理矿质氮含量呈不同程度上升，且各处理单位时间内累积矿质氮含量逐渐减少。随培养时间增加，不同处理间土壤矿质氮含量差异显著（P＜0.05），表现为N＞N-1/2MS＞N-MS＞N-2MS＞N-5MS。培养60～120 d，N 和N-1/2MS 矿质氮含量不增加，其矿化速率接近于0，N-MS 和N-2MS仍有一定矿化速率（0.14～0.22 mg·kg-1·d-1），而N-5MS矿质氮含量出现负增长。

施加磷酸氢二铵条件下（见图1c），P、P-1/2MS 和P-MS 矿质氮含量均在培养第2天达到峰值，培养2～10 d则迅速下降。而P-2MS和P-5MS培养前10 d呈下降趋势。培养10～60 d，5种处理矿质氮含量出现不同程度上升，且差异显著（P＜0.05），表现为P＞P-1/2MS＞P-MS＞P-2MS＞P-5MS。培养60～120 d，P处理矿质氮含量不增长，P-1/2MS、P-MS和P-2MS 仍有一定矿化速率（0.06～0.26 mg·kg-1·d-1），而P-5MS矿质氮含量出现负增长。

图1 秸秆及氮肥添加对黑钙土矿质氮含量的影响Fig.1 Effects of straw and nitrogen fertilizer on mineral nitrogen content of chernozem

由图1可见，秸秆全量还田条件下，施加氮肥处理矿质氮含量显著高于不加氮肥处理，施加尿素处理矿质氮含量显著高于施加磷酸氢二铵处理（P＜0.05），表现为N-MS＞P-MS＞MS。尿素施加量相同条件下，矿质氮含量随秸秆施加量增加而降低，表现为：N＞N-1/2MS＞N-MS＞N-2MS＞N-5MS。磷酸氢二铵施加量相同条件下，矿质氮含量随秸秆施加量增加而降低，表现为P＞P-1/2MS＞PMS＞P-2MS＞P-5MS。

2.2 秸秆及氮肥添加对黑钙土氮素矿化作用的影响

图2为秸秆及氮肥添加对黑钙土净氮矿化量和平均净氮矿化速率的影响。对于CK处理，净氮矿化量随培养时间增加逐渐升高。不加氮肥条件下（见图2a），4 种处理（1/2MS、MS、2MS、5MS）净氮矿化量在培养初期均呈上升趋势，第4天时达峰值，之后随培养时间增加急剧下降。黑钙土有机氮矿化受秸秆添加量影响较大，培养前4 d，4种处理净氮矿化量随秸秆添加量增加而升高，且差异显著（P＜0.05）。培养6～45 d，4 种处理净氮矿化量均为负值，且1/2MS＜MS＜2MS＜5MS，这是因为秸秆碳氮比较高，微生物对无机氮固持作用大于有机氮矿化作用[6]。培养60～120 d，1/2MS 和MS净氮矿化量均呈增长趋势，而2MS 和5MS 呈负增长，说明过量秸秆添加促进土壤矿质氮同化。经120 d培养，1/2MS、MS、2MS、5MS净氮矿化量分别为11.49、9.30、-0.25、-0.93 mg N·kg-1，分别比CK 降低58.20%、66.17%、100.91%、103.38%。说明秸秆添加量越多，微生物对无机氮固持量也越多。

施加尿素条件下（见图2b），N、N-1/2MS 和N-MS呈相同变化趋势：随培养时间增加，出现两次高峰，一次低谷。其中，最高峰出现在培养第4天，黑钙土净氮矿化量达32.53～59.66 mg N·kg-1，随后逐渐降低，培养第20 天降到低谷。之后逐渐上升，培养第120天升至第二个小高峰。N-2MS和N-5MS 培养期间黑钙土净矿化氮含量均为负值，N-MS 培养20～45 d 为负值。虽添加一定量尿素，但对于秸秆添加量较高处理来说，氮素仍缺乏，从而表现为微生物对无机氮大量固定，使净氮矿化量为负值。

施加磷酸氢二铵条件下（见图2c），P、P-1/2MS 和P-MS 呈相同变化趋势：随培养时间增加，出现两次高峰和一次低谷。培养第2天即出现最高峰，黑钙土净氮矿化量达22.53～53.62 mg N·kg-1，之后逐渐降低，培养第10 天降到低谷。10 d 后呈阶梯状上升，培养第120天达到次高峰。P-2MS和P-5MS 培养期间黑钙土净矿化氮含量均为负值，P-MS 培养6～60 d 为负值。P 处理净氮矿化量培养10 d后呈阶梯状上升，而N处理培养20 d后才逐渐上升。且培养第20 天时，N 处理净氮矿化量为14.15 mg N·kg-1，而P 处理净氮矿化量为28.18 mg N·kg-1，是N处理1.99倍。说明氮素添加量相同条件下，磷元素引入在培养初期促进土壤氮矿化。

不加氮肥时（见图2d），各处理之间平均净氮矿化速率差异显著，表现为CK＞1/2MS＞MS＞2MS＞5MS（P＜0.05）。不加秸秆时（见图2e、f），各处理之间平均净氮矿化速率差异显著，表现为N＞P＞CK（P＜0.05）。

图2 秸秆及氮肥添加对黑钙土净氮矿化量和平均净氮矿化速率的影响Fig.2 Effects of straw and nitrogen fertilizer on net nitrogen mineralization and average net nitrogen mineralization rate in chernozem

2.3 秸秆及氮肥添加对黑钙土氮素硝化作用的影响

不同秸秆添加量及施肥对黑钙土氮素硝化作用影响如图3 所示。不加氮肥条件下（见图3a），CK净硝化速率培养2～6 d呈上升趋势，第6天时达到峰值1.25 mg NO3--N kg-1·d-1，培养6～120 d 逐渐降低。1/2MS、MS、2MS和5MS处理净硝化速率培养2～45 d均为负值，说明培养前45 d，仅添加秸秆处理反硝化作用大于硝化作用，而培养45 d后，4种处理净硝化速率呈正向增长。

施加尿素条件下（见图3b），N、N-1/2MS 和N-MS净硝化速率均随培养时间增加呈下降趋势。N-2MS净硝化速率2～10 d内逐渐降低，培养10 d后逐渐增强。N-5MS 净硝化速率均为负值，但呈逐渐增强趋势。培养前10 d，黑钙土净硝化速率表现为N＞N-1/2MS＞N-MS＞N-2MS＞N-5MS。随后至培养结束，前3 种处理净硝化速率依然满足N＞N-1/2MS＞N-MS，而N-2MS和N-5MS净硝化速率无明显差异。

施加磷酸氢二铵条件下（见图3c），P、P-1/2MS 和P-MS 净硝化速率随培养时间增加呈逐渐下降趋势。P-2MS 净硝化速率在2～6 d 内逐渐降低，培养6 d 后逐渐增强。P-5MS 净硝化速率均为负值，但呈逐渐增强规律。培养前20 d，黑钙土净硝化速率表现为P＞P-1/2MS＞P-MS＞P-2MS＞P-5MS。此后，前3种处理净硝化速率仍满足P＞P-1/2MS＞PMS，而P-2MS和P-5MS净硝化速率则无明显差异。

不添加秸秆条件下，各处理之间平均净硝化速率（0～120 d 净硝化速率即为平均净硝化速率）差异显著，表现为N＞P＞CK（P＜0.05）。

图3 秸秆及氮肥添加对黑钙土净硝化速率的影响Fig.3 Effects of straw and nitrogen fertilizer on net nitrification rate of chernozem

3 讨论与结论

土壤中有机氮仅通过微生物矿化作用转化为无机氮才能被植物吸收利用，氮矿化是土壤中氮素转化重要环节[10]。秸秆添加使土壤产生激发效应，这是因为秸秆向土壤中提供生物质碳等碳源，改变土壤中微生物生命活动，从而加速土壤有机质分解，刺激土壤氮矿化启动[11]。黑钙土中有机氮矿化作用与秸秆添加量及施氮种类密切相关，其实质在于向黑钙土中施加秸秆及氮肥时，改变其C/N 比，黑钙土氮矿化速率和时间发生变化，从而影响黑钙土矿质氮含量动态变化[12]。一般认为，C/N比大于30时，微生物对无机氮固持作用大于有机氮矿化作用，表现为无机氮净同化；当C/N比小于30时，有机氮矿化作用大于无机氮生物固持作用，表现为有机氮净矿化。本研究中添加秸秆C/N比较高（91.9），秸秆为黑钙土中异养微生物大量繁殖提供丰富碳源，而氮源匮乏使土壤中矿质氮被迅速同化[13]。

从图1可看出，不加氮肥条件下（见图1a），培养期间黑钙土矿质氮含量表现为CK＞1/2MS＞MS＞2MS＞5MS，这是因为秸秆加入黑钙土后，微生物吸收土壤中矿质氮维持其适宜C/N比，使土壤中矿质氮含量减少，且秸秆添加量越高，即C/N 比越高，黑钙土中矿质氮含量降幅越大[8]。同时，N-2MS、N-5MS、P-2MS和P-5MS 4种处理矿质氮含量在培养前期持续下降，因为高C/N比秸秆施入黑钙土后，微生物可能利用土壤中矿质氮满足其氮素需求，固持土壤中一定比例氮素，同时秸秆腐解过程中消耗一部分氮素，致使黑钙土中矿质氮含量持续下降[14]。此外，秸秆还田配施氮肥（包括尿素和磷酸氢二铵）处理中矿质氮累积量远高于仅添加秸秆处理，原因是：一方面，秸秆被微生物降解后，其所含氮素回归土壤，加之配施氮肥使土壤中氮素投入量远大于流失量；另一方面，微生物生命周期较短，其死亡后再次向土壤归还氮素，增加土壤中氮素含量[15]。

净矿化氮是指一定时间内土壤矿化氮量与微生物固持氮量差值，是土壤氮素供应容量指标，指总矿化氮中超出微生物需要，还供植物吸收利用的矿质氮，可反映土壤总供氮能力。利用室内培养试验研究土壤中氮素矿化量时，通常采用培养后矿质氮增加量作为矿化程度量度[16]。从图2可看出，MS培养第2天净氮矿化量为3.54 mg N·kg-1，而N-MS 和P-MS 培养第2 天净氮矿化量分别为18.80和22.53 mg N·kg-1。研究结果表明，与低氮浓度和高C/N比秸秆添加处理相比，高氮浓度和低C/N比秸秆添加处理可加速初始氮矿化，原因是土壤微生物生命活动主要取决于可矿化底物数量和氮有效性[17]。另外，添加氮肥处理氮矿化程度高于不加氮肥处理，高C/N 比秸秆添加到土壤中影响分解，而氮肥配施为微生物提供充足氮源，促使黑钙土中微生物大量繁殖，加速有机氮矿化作用[18]。本研究还发现与CK相比，施加尿素显著提升黑钙土矿质氮含量和平均净氮矿化速率，因尿素中主要成分是碳酰二胺[CO（NH2）2]，为低分子质量有机氮，易被异养微生物吸收利用，为有机氮矿化提供原料[19]。P 处理在培养第20 天净氮矿化量是N 处理1.99倍，说明氮素添加量相同条件下，磷元素引入在培养初期促进土壤氮矿化，与陈修晓等研究结果一致[20]。

土壤硝化作用是提供植物生长所需氮素重要步骤。研究表明，不加秸秆条件下，施用氮肥处理黑钙土平均净硝化速率远高于未施氮肥处理，说明黑钙土中氮素含量是影响硝化细菌活性关键因素之一。同时，土壤中施用氮肥明显增加硝化细菌数量和活性，增强黑钙土硝化速率[9]。N-MS平均净硝化速率最高，可能由于尿素为硝化细菌生长提供更有利生活条件。培养前期，仅添加秸秆4 种处理净硝化速率表现为1/2MS＜MS＜2MS＜5MS，与土壤有机质含量增加程度有关，有机质经黑钙土矿化作用产生铵根离子是硝化过程原料[21]。故秸秆添加量越多，硝化作用越强。同一秸秆添加量条件下，施加氮肥处理平均净硝化速率远高于不加氮肥处理，施加尿素处理平均净硝化速率远高于施加磷酸氢二铵处理。因为尿素和磷酸氢二铵经矿化作用产生NH4+-N 是硝化过程所需底物来源，有利于硝化作用。同时，尿素还促进土壤中硝化微生物繁殖, 增强硝化活性，提高硝化速率[8]。另外，赵浩淳等研究结果表明，施磷降低硝化细菌数量，致使施加磷酸氢二铵处理平均净硝化速率降低[22]。

本试验结果表明，培养前45 d，仅添加秸秆黑钙土处理反硝化作用大于硝化作用，可能因玉米秸秆为厌氧微生物提供丰富有机质，导致黑钙土反硝化作用增强[17]。另一方面，玉米秸秆C/N比较高，微生物需吸收土壤中原有矿质氮满足其需要，故玉米秸秆添加促进氮同化并导致硝化底物减少[23]。而氮肥施入削弱微生物对无机氮生物固持作用，增加NH4+-N 浓度，加速硝化作用，这也是本研究中施加氮肥处理平均净硝化速率远高于不加氮肥处理的原因[1]。

综上所述，秸秆与两种氮肥配施对黑钙土氮素的矿化和硝化作用均有显著影响。本试验于室内培养条件下开展，与田间实际情况存在较大差异，尤其是没有硝态氮水溶淋失和植物吸收土壤氮素的干扰。另外，本研究仅考虑黑钙土表层氮素转化，未探讨矿质氮在深度上分布规律。因此，关于秸秆与氮肥配施对黑钙土矿化和硝化作用的影响还需开展田间试验以详细探索。