秸秆还田配施氮肥对黑钙土有机碳及微生物量碳氮的影响

郭策， 赵兴敏， 王楠， 臧金宇， 郭媛， 李宜联

(吉林农业大学资源与环境学院，吉林 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氮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]。在农业生产实际中，外源氮素对秸秆腐解影响较大。添加外源氮素后，可提高土壤有效氮含量，加快土壤微生物的繁殖，进而促进秸秆分解[3]。

土壤微生物量是土壤养分转化的促进者，也是土壤碳、氮等元素循环利用的主要作用者。土壤微生物量的多少及其变化是评价土壤肥力高低的重要依据[4]。土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon,SMBC)能反映土壤有效养分状况和生物活性，在土壤的养分循环和能量转换中起重要作用，是土壤养分转化过程中重要的源和库[5]。同时，SMBC是组成土壤腐殖质的重要碳源，SMBC的增加能促进土壤形成新的腐殖质，对提高土壤肥力和改善土壤生态环境具有重要意义[6]。土壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen,SMBN)是土壤有机质中封存氮素的主要形式，参与调控土壤中的养分循环和能量转化[7]。许多反映土壤供氮能力的指标均与土壤微生物的数量和活性密切相关，土壤微生物本身也是土壤氮素转化的重要因素，研究土壤SMBN的变化能揭示黑钙土中外源氮素的生物固持和释放的本质[8]。同时，SMBN是反映土壤被干扰程度的早期敏感指示者，在农业生态系统中其数量受许多管理措施的影响[9]，特别是秸秆等有机物料的输入和化学肥料的施用能显著影响SMBN含量的变化[10]。

目前，关于秸秆还田对土壤微生物量碳氮的影响[11]，氮肥施用对土壤微生物量碳氮的影响[12]报道较多，而关于不同秸秆添加量及氮肥配施对黑钙土SMBC、SMBN及SMBC/SMBN值的研究却鲜有报道。本研究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有机碳及微生物量碳氮的影响，为提高黑钙土可持续生产能力，以及发展绿色生态农业提供理论依据。

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(44°18′N,125°7′E)，采用蛇形布点、多点混合的方法进行采样，取土深度为0～20 cm。样品自然风干，去除肉眼可见的秸秆等有机残体，过2 mm 筛混匀备用，其基本理化性质如表1所示。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。该玉米秸秆有机碳含量为486.15 g·kg-1，全氮含量为5.29 g·kg-1，C/N值为91.9。

表1 供试黑钙土的基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of the tested chernozem

1.2 试验设计

本试验分为秸秆添加量和施肥两个因素。结合相关文献和当地生产实际，秸秆还田深度为0～20 cm的耕层土壤，其质量约为2 250 t·hm-2。玉米秸秆全量还田为14 400 kg·hm-2，约为1 kg土壤添加玉米秸秆6.4 g。秸秆添加量共设5个水平，每个水平按照还田倍数进行添加：不加秸秆(CK)、秸秆半量(1/2MS)、秸秆全量(MS)、秸秆2倍(2MS)、秸秆5倍(5MS)处理分别称取玉米秸秆0、3.2、6.4、12.8、32 g与1 kg土混匀。当地化肥施用量为1 000 kg·hm-2，氮素添加量按照当地化肥施用量的氮素占比26%计算，折合尿素施用量为557.46 kg·hm-2，磷酸二铵施用量为1 225.84 kg·hm-2，约为1 kg耕层土壤施用0.247 8 g尿素或 0.544 8 g磷酸二铵。按照秸秆添加量及施加化肥种类的不同，试验共设15种处理(表2)，每种处理重复3次。

表2 两因素随机区组设计处理组合

称取1 kg黑钙土，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)的塑料盒中，称其质量后放在25 ℃的恒温培养箱中预培养7 d以激活土壤微生物。之后按试验设计加入秸秆及化肥，混匀后于25 ℃的恒温培养箱中培养180 d，其间每隔4 d通过称质量补充水分以弥补蒸发损失量。

在0、2、4、6、10、20、30、45、60、120、180 d分别取样，取部分新鲜样本放于4 ℃的冰箱内，用于SMBC和SMBN的测定，剩余土样自然风干，研磨过筛后用于有机碳(soil organic carbon,SOC)测定。

1.3 分析方法

土壤主要指标的测定方法：土壤SOC测定采用重铬酸钾氧化法；TN测定采用硫酸消煮—凯式定氮法；土壤pH值测定采用复合电极法；速效磷测定采用钼锑抗比色法；速效钾测定采用火焰光度法。

SMBC和SMBN的测定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[13]。具体操作如下：称取相当于12.5 g干土的新鲜土样于50 mL烧杯中(熏蒸)，再称取对照(不熏蒸)。将熏蒸组和不熏蒸组分别放入2个干燥器，熏蒸组放入1杯氯仿，抽真空，氯仿开始沸腾时计时5 min。关闭干燥器的阀门，在25 ℃的黑暗条件下放置24 h，再次抽真空至完全去除土壤中残留氯仿，之后用50 mL 0.5 mol·L-1的K2SO4溶液振荡浸提30 min。用重铬酸钾氧化法测定SMBC，凯氏定氮法测定SMBN。

1.4 数据统计与分析方法

SMBC含量按照公式(1)计算[14]：

SMBC=EC/KEC

(1)

式中：EC为熏蒸与未熏蒸土壤总有机碳的差值/(mg·kg-1);KEC为转换系数，取值0.45。

SMBN含量按照公式(2)计算[14]：

SMBN=EN/KEN

(2)

式中：EN为熏蒸与未熏蒸土壤总氮的差值/(mg·kg-1);KEN为转换系数，取值0.54。

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。SOC、SMBC、SMBN和SMBC/SMBN值的相关性采用Pearson检验法。

2 结果与分析

2.1 秸秆配施氮肥对黑钙土SOC含量的影响

图1为不同秸秆添加量的黑钙土分别在不加氮肥、施加尿素和施加磷酸二铵条件下SOC含量的动态变化。整体来看，无论是否施加氮肥，SOC含量均随玉米秸秆添加量的增加而增加。不施加氮肥条件下(图1-a)，CK处理的SOC含量随时间的延长呈逐渐下降的趋势。1/2MS、MS、2MS和5MS4种处理的SOC含量在培养前6 d均呈下降趋势。之后逐渐上升，在30 d达到峰值，其大小顺序为5MS>2MS>MS>1/2MS。在培养30～60 d，4种处理的SOC含量呈现不同程度的降低，变化范围为14.19～19.26 g·kg-1，而培养60～180 d则出现不同程度的上升。

施加尿素条件下(图1-b)，5种处理的SOC含量在0～2 d出现短暂的上升。N、N-1/2MS、N-MS和N-2MS在2～4 d降低，而N-5MS在2～6 d降低。之后各处理SOC含量逐渐上升，在30 d达到峰值，其大小顺序为N-5MS>N-2MS>N-MS>N-1/2MS>N。N-1/2MS、N-MS、N-2MS和N-5MS的SOC含量在培养30～60 d逐渐下降，在60～180 d则出现不同程度的上升，而N处理自30 d之后一直呈下降趋势。

图1 秸秆配施氮肥对黑钙土SOC含量的影响

施加磷酸二铵条件下，P、P-1/2MS、P-MS和P-2MS的SOC含量在0～4 d缓慢上升，4～10 d逐渐下降(图1-c)。而P-5MS在0～2 d出现短暂的上升，2～6 d逐渐下降。之后各处理的SOC含量迅速升高，在第20天达到峰值，其大小顺序为P-5MS>P-2MS>P-MS>P-1/2MS>P。在培养20～60 d，各处理SOC含量呈现不同程度的降低，其中P下降幅度最小(1.13%)，P-2MS最大(13.28%)。在60～180 d，P-1/2MS、P-MS、P-2MS和P-5MS的SOC含量出现不同程度的升高，变化范围为13.95～18.64 g·kg-1，而P处理自20 d之后一直呈下降趋势。

培养180 d后，不同处理间SOC含量变化趋势各异。与培养初始SOC含量相比，培养结束时CK处理由14.49 g·kg-1降低至13.88 g·kg-1，降低了4.21%。与CK、N、P处理相比，添加秸秆的处理SOC含量出现不同程度的升高：1/2MS、MS、2 MS、5 MS分别比CK处理增加了6.27%、12.03%、18.30%、31.84%。N-1/2MS、N-MS、N-2MS、N-5MS分别比N处理增加了6.90%、11.93%、19.11%、31.82%。P-1/2MS、P-MS、P-2MS和P-5MS分别比P处理增加了7.17%、12.04%、19.43%、33.62%。其中，以5倍秸秆添加量的处理增幅最大，5MS、N-5MS和P-5MS的SOC含量分别比CK显著增加了31.84%、32.20%和34.29%(P<0.05)。另外，N和P处理的SOC含量分别比CK显著增加了0.29%和0.50%(P<0.05)。

2.2 秸秆配施氮肥对黑钙土SMBC含量的影响

图2为不同秸秆添加量的黑钙土分别在不加氮肥、施加尿素和施加磷酸二铵条件下SMBC含量的动态变化。整体来看，无论是否施加氮肥，SMBC含量均随玉米秸秆添加量的增加而增加。不加氮肥条件下(图2-a)，CK处理的SMBC含量在0～4 d上升，之后随时间的延长呈缓慢下降的趋势。1/2MS的SMBC含量在0～6 d上升，6～10 d下降。MS、2MS和5MS在0～10 d持续下降。之后，1/2MS、MS、2MS和5MS4种处理的SMBC含量上升，于30 d达到峰值，其大小顺序为5MS>2MS>MS>1/2MS。在30～60 d，4种处理的SMBC含量呈现不同程度的降低，而60～180 d则呈现不同程度的上升。

施加尿素条件下，N、N-1/2MS、N-MS和N-2MS 4种处理的SMBC含量在0～4 d下降，4～10 d上升，而N-5MS在0～6 d下降，6～10 d上升(图2-b)。5种处理的SMBC含量均在第10天达到峰值，其大小顺序为N-5MS>N-2MS>N-MS>N-1/2MS>N。在10～60 d，5种处理的SMBC含量呈现不同程度的降低。在60～180 d，N处理的SMBC含量缓慢下降，N-1/2MS、N-MS、N-2MS和N-5MS4种处理呈上升趋势，变化范围为251.44～526.76 mg·kg-1。

施加磷酸二铵条件下，P处理的SMBC含量在0～10 d持续下降，10～20 d上升(图2-c)。P-1/2MS、P-MS和P-2MS在0～4 d下降，4～20 d上升。P-5MS在0～6 d下降，6～20 d上升。5种处理的SMBC含量均在第20天达到峰值，其大小顺序为P-5MS>P-2MS>P-MS> P-1/2MS>P。在20～60 d，5种处理的SMBC含量呈现不同程度的降低。在60～180 d，P处理的SMBC含量缓慢下降，P-1/2MS、P-MS、P-2MS和P-5MS呈上升趋势，变化范围为251.29～529.83 mg·kg-1。

图2 秸秆配施氮肥对黑钙土SMBC含量的影响

培养180 d后，不同处理间SMBC含量变化趋势各异。与培养初始SMBC含量相比，培养结束时CK处理由193.07 mg·kg-1降低至170.76 mg·kg-1，降低了11.56%。与CK、N、P处理相比，添加秸秆的处理SMBC含量出现不同程度的升高：1/2MS、MS、2MS、5MS分别比CK处理增加了64.66%、99.52%、120.84%、196.46%。N-1/2MS、N-MS、N-2MS、N-5MS分别比N处理增加了63.14%、102.16%、137.49%、197.02%。P-1/2MS、P-MS、P-2MS和P-5MS分别比P处理增加了62.40%、109.38%、144.15%、195.45%。其中,以5倍秸秆添加量增幅最大，5MS、N-5MS和P-5MS的SMBC含量分别比CK显著增加了196.46%、208.48%和210.28%(P<0.05)。另外，N和P处理的SMBC含量分别比CK显著增加了3.86%和5.02%(P<0.05)。

2.3 秸秆配施氮肥对黑钙土SMBN含量的影响

图3展现了不同秸秆添加量的黑钙土分别在不加氮肥、施加尿素和施加磷酸二铵条件下SMBN含量的动态变化。整体来看，无论是否施加氮肥，SMBN含量均随玉米秸秆添加量的增加而增加。不加氮肥条件下，CK处理的SMBN含量在0～4 d上升，之后随时间的延长呈缓慢下降的趋势(图3-a)。1/2MS、MS、2MS和5MS4种处理的SMBN含量在0～4 d上升，并于第4天达到峰值，其大小顺序为5MS>2MS>MS>1/2MS>CK。1/2MS和MS的SMBN含量在4～20 d下降，2MS和5MS的SMBN含量在4～30 d下降，变化范围为16.19～44.20 mg·kg-1。之后，4种处理的SMBN含量持续上升并趋于稳定。

施加尿素条件下，5种处理的SMBN含量在0～6 d持续上升，在第6天达到峰值，其大小顺序为N-5MS>N-2MS>N-MS>N-1/2MS>N(图3-b)。N-1/2MS、N-MS、N-2MS和N-5MS 4种处理的SMBN含量在6～30 d下降，30～45 d上升，于第45天到达次高峰。之后，4种处理在45～60 d下降，60 d后逐渐上升并趋于稳定。而N处理自第6天之后一直呈下降趋势。

施加磷酸二铵条件下，5种处理的SMBN含量在0～6 d下降，6～20 d上升，在第20天达到峰值，此时大小顺序为P-5MS>P-2MS>P-MS>P-1/2MS>P(图3-c)。之后，P-1/2MS、P-MS、P-2MS和P-5MS 4种处理在20～30 d下降，30 d后逐渐上升并趋于稳定。而P处理自第20天之后一直呈下降趋势。

图3 秸秆配施氮肥对黑钙土SMBN含量的影响

培养180 d后，不同处理间SMBN含量变化趋势各异。与CK、N、P处理相比，添加秸秆的处理SMBN含量出现不同程度的升高：1/2MS、MS、2MS、5MS分别比CK处理增加了102.58%、137.07%、165.50%、195.84%。N-1/2MS、N-MS、N-2MS、N-5MS分别比N处理增加了54.45%、74.94%、108.26%、142.21%。P-1/2MS、P-MS、P-2MS和P-5MS分别比P处理增加了47.44%、77.43%、115.51%、137.15%。其中，以5倍秸秆添加量处理增幅最大，5MS、N-5MS和P-5MS的SMBN含量分别比CK显著增加了195.84%、248.71%和285.20%(P<0.05)。另外，N和P处理的SMBN含量分别比CK显著增加了43.97%和62.43%(P<0.05)。

2.4 秸秆配施氮肥对黑钙土SMBC/SMBN值的影响

各时期黑钙土SMBC/SMBN值表现出一定的波动。不加氮肥条件下，CK、1/2MS、MS、2MS和5MS处理11次取样的平均值分别为11.70、11.84、12.56、12.83、16.01，表现为秸秆添加量越大，其比值越高(图4-a)。CK处理下SMBC/SMBN值较为稳定，为11.02～13.20。1/2MS和MS的SMBC/SMBN值在前4 d表现为MS>1/2MS，而4～180 d无显著差异。2MS和5MS的SMBC/SMBN值呈同步性变化，均在0～6 d和30～60 d下降，6～30 d上升，在第60天分别达到稳定值11和14左右。培养第180天，5种处理的SMBC/SMBN值大小顺序表现为5MS>MS>2MS>1/2MS>CK。

图4 秸秆配施氮肥对黑钙土SMBC/SMBN比值的影响

施加尿素条件下，N、N-1/2MS、N-MS、N-2MS和N-5MS处理11次取样的平均值分别为10.40、10.62、12.28、12.41、13.75(图4-b)。N和N-1/2MS的SMBC/SMBN值在0～20 d和45～120 d无显著差异，而在20～45 d和120～180 d表现为N-1/2MS>N。N-MS、N-2MS和N-5MS的SMBC/SMBN值均在0～6 d快速下降，45～180 d缓慢上升。在6～45 d，N-MS和N-2MS的SMBC/SMBN值较为稳定，分别为10.54～13.06和9.73～13.28，而N-5MS为10.89～16波动剧烈。培养第180天，5种处理的SMBC/SMBN值大小顺序表现为N-5MS>N-MS>N-2MS>N-1/2MS>N。

施加磷酸二铵条件下，各处理的SMBC/SMBN值随时间延长表现相对稳定(图4-c)。P、P-1/2MS、P-MS、P-2MS和P-5MS处理11次取样的平均值分别为8.79、10.74、11.62、11.65、12.78。P处理的SMBC/SMBN值一直较低，180 d时仍为9.18。P-MS和P-2MS的SMBC/SMBN值呈同步性变化，均在0～6、10～30和60～180 d上升，6～10和30～60 d下降，在第60天均达到稳定值10左右。P-5MS的SMBC/SMBN值在0～60 d逐渐降低，60～180 d缓慢上升并趋于稳定。培养第180天，5种处理的SMBC/SMBN值大小顺序表现为P-5MS>P-MS>P-2MS>P-1/2MS>P。

3 讨论

黑钙土SOC含量的阶段性变化与秸秆及土壤中原有SOC的分解规律密切相关。外源秸秆的加入促进土壤微生物数量上升，微生物向土壤中释放更多的胞外酶来分解土壤中原有SOC，导致4种处理的SOC含量在培养前6 d持续下降[15]。伴随秸秆碳的分解，释放出C、N、P等养分元素满足了微生物的生长需求，微生物减弱对土壤中有机质的分解，同时秸秆分解后的产物与土壤物质结合，形成新的有机质，从而增加了黑钙土中SOC含量[16]。尿素的添加使不同秸秆添加量的处理在培养前2 d出现短暂升高，这是因为氮素的加入调节了土壤的C/N值，微生物大量繁殖，加速了秸秆的腐解速率[17]。之后又出现短暂降低，可能是因为尿素的水解使氮的输入量增多，微生物为达到其生长适宜的C/N值，会优先通过分解土壤中的有机质来获取更多的碳素[18]。而施加磷酸二铵处理的SOC含量更早达到峰值的主要原因是磷素的施入能够改善土壤结构，促进微生物生长繁殖，有利于秸秆快速分解[19]。

本研究结果表明，秸秆全量还田较半量还田相比，SOC含量提升率达5.76%，这一点与袁晓明等[20]研究结果一致。还有研究结果表明，秸秆2倍还田量显著增加了土壤SOC含量，比对照增加了49%，而本研究秸秆2倍还田量比CK增加了18.30%，这可能是由于土壤自身性质的差异所导致[21]。本研究玉米秸秆5倍还田量远高于全量秸秆还田量的平均值，但偶然情况下土壤局部的秸秆比例可能达到此量，使得局部SOC含量的增幅较大，这一结果可能是对秸秆分布密集的区域SOC积累过程的揭示[22]。同样在部分区域内可能无秸秆等有机物质输入，故SOC含量降低是必然趋势，而CK处理的SOC含量明显降低恰好印证了这一观点。另外，1/2MS、MS、2MS和5MS的SOC含量相比CK并未实现成倍增长，这是因为秸秆添加量增多，土壤碳排放量也随之升高[23]。

添加秸秆的4种处理SMBC含量在30～60 d降低，60～180 d升高。出现这一变化趋势的原因是秸秆还田后，容易腐解的小分子有机物首先被一些发酵性微生物所同化利用，微生物数量快速增加，随着小分子有机物的消耗殆尽，微生物数量下降。之后能够分解大分子有机物的土生性微生物开始大量繁殖，微生物数量又开始略微增加[14]。培养结束后，施加秸秆的各处理中SMBC含量显著增加可能是由于秸秆分解过程中释放了大量养分和水溶性有机质，从而促进微生物的生长繁殖[24]。同时，添加秸秆对土温有“削高填低”的调节作用，为各种酶促反应提供适宜的温度，进而促进土壤微生物数量的增加[11]。另外，施加尿素和磷酸二铵显著提高了黑钙土的SMBC含量，这是因为施氮加速了秸秆腐解，从而生成足够多的碳氮组分，满足土壤微生物所需的物质和能量来源，极大地促进微生物的活性，同化进程加强，从而使黑钙土中SMBC含量增多[25]。

施加尿素的5种处理SMBN含量在培养前6 d持续上升，这说明秸秆还田配施尿素对腐解前期有促进作用，尿素氮的分解转化促进了微生物的繁殖，大量易分解有机物被分解，从而促使SMBN含量上升[26]。另外，研究结果表明，秸秆配施尿素或磷酸二铵比单施秸秆更能提高黑钙土SMBN含量，一方面是因为氮肥与秸秆配施，有较多的氮素通过同化作用转入微生物体内固定，增强了黑钙土氮素的持续性供给[27]。另一方面是因为氮肥与秸秆配施提高了土壤养分的有效性和保水能力，为土壤微生物创造了适宜的生存环境[28]。

SMBC/SMBN值可用来表征土壤微生物的群落组成和结构信息[29]。一般认为，细菌碳氮比值在5∶1左右，放线菌在6∶1左右，而真菌在10∶1左右。本试验结果中，CK处理的SMBC/SMBN值较大，维持在11.02～13.20，说明此黑钙土中微生物群落以真菌为主[30]。同时，SMBC/SMBN值还可以反映土壤氮素的供应能力，其比值较小时土壤氮素的生物有效性较高，表明土壤氮素利用率高[31]。培养结束后，施加尿素和磷酸二铵降低了不同秸秆添加量处理的SMBC/SMBN值，这是因为外源氮素的输入提高了可利用氮的含量，促进了黑钙土氮素的矿化作用，从而对黑钙土微生物区系有明显的促进作用[32]。

4 结论

(1)黑钙土SOC含量随秸秆添加量的增加而增加。尿素和磷酸二铵配施显著提高了黑钙土SOC含量，且磷酸二铵的提升效果更好。

(2)秸秆还田增加了黑钙土SMBC和SMBN含量，且添加量越高，SMBC和SMBN含量增幅越大。氮肥配施显著提高了黑钙土的SMBC含量和SMBN含量，且磷酸二铵的提升效果优于尿素的。根据SMBC/SMBN值，判断黑钙土中微生物群落以真菌为主。氮素配施降低了黑钙土的SMBC/SMBN值，说明施氮有利于提高黑钙土微生物区系。