有机物料还田对夏玉米田土壤氮素形态、转化及利用的影响

陈 琳 杜海伦 刘 晴 李 腾 张学鹏 李金娜 陈兴琼 隋 鹏 刘 瑾 陈源泉

(中国农业大学 农学院，北京 100193)

氮肥是作物增产的重要保障，中国每年氮肥使用量达2.69×10t，占世界的25%。但中国氮肥利用率普遍偏低，玉米氮肥利用率仅26.1%，远低于国际水平。化肥过量或不合理的施用是农业面源污染的重要根源之一。减少化肥使用、提高肥料利用效率已成为农业环境污染治理的重要研究领域。此外，农业生产产生的大量秸秆和畜禽粪便等有机废弃物由于没有得到合理的资源化利用，也是造成农业面源污染、资源浪费的重要问题。据估算，我国每年产生的作物秸秆达7亿t以上，畜禽粪便超过10亿 t，通过发展循环农业，促进农业有机废弃物的肥料化循环利用，不仅可以促进农田生态系统固碳减排，还可以替代化肥、减少化肥的过量投入，可以有效减少氮损失，对提高氮肥利用率、降低环境污染具有重要意义。

秸秆、猪粪和沼渣等有机物料还田，能增加土壤氮素含量，提高土壤质量，但不同有机物料的组分会影响土壤氮素形态及氮素转化。在不同有机物料还田对土壤N形态的影响方面，有研究表明，秸秆在还田前期能提高土壤铵态氮含量，而闫德智研究表明，添加秸秆后土壤微生物量氮显著增加，而土壤矿质氮量在14 d迅速下降。段鹏鹏等研究表明，鸡粪配施化肥可有效提高矿质氮含量；李春喜等研究表明，秸秆、猪粪和沼液均能提高小麦田土壤全氮含量；周元等研究表明，蚕豆秸秆、油菜秸秆和猪粪均能提高0～20 cm土层中全氮和微生物量氮含量，物料还田的土壤全氮和微生物量氮含量分别提高1.9%～33.0%和41.5%～98.7%。在不同有机物料还田对土壤N转化的影响方面，闫德智等研究表明，秸秆添加后，土壤氮矿化速率显著降低。Agomoh等研究表明，粪肥可提高土壤的氮矿化能力；但也有研究表明，粪肥施用对土壤的氮矿化没有显著影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于河北省沧州市吴桥县中国农业大学吴桥实验站(37°41′ N，116°37′ E)进行。该地区气候为华北平原地区典型的暖温带季风气候，年平均气温为12.6 ℃，年积温(≥0 ℃)为4 862.9 ℃，年平均降雨量562 mm。降雨季节性明显，主要分布在6—8月份，占到总降雨量的75%以上。全年光照时长2 724.8 h，无霜期201 d。试验初始土壤性质，见表1。玉米品种选用‘郑单958’，株行距为50 cm×30 cm。播种前有机物料还田，均匀还于地表，并旋地镇压。

表1 不同土层土壤基本理化性质
Table 1 Basic physicochemical properties of different soil layers

土层/cmSoil layer容重/(g/cm3)Bulk density全氮/(g/kg)Total nitrogen有机质/(g/kg)Organic matter有效磷/(mg/kg)Available phosphorus速效钾/(mg/kg)Available potassium0～101.311.0316.078.28198.96>10～201.250.8912.997.32151.94

1.2 试验设计

田间试验于2020年6月进行，试验共4个处理，包括3种有机物料：秸秆(ST)、猪粪(PM)、沼渣(BR)，以无机肥(CF)处理为对照。采用随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积7 m×5 m=35 m。作物种植模式采取当地普遍的冬小麦-夏玉米复种轮作模式。所有处理按“总氮量等氮量”原则施肥，即有机物料和无机肥投入的总氮量保持一致。秸秆处理按每年作物的实际秸秆产出全量还田，玉米季还田秸秆为小麦秸秆，根据秸秆还田量和含氮量计算有机氮量；猪粪和沼渣处理均按照有机氮∶无机氮氮素质量比=3∶1确定猪粪和沼渣的还田量；3种有机物料还田的处理分别于作物播种前施入；无机肥按基追肥质量比=1∶1分别施于每季作物生长的土壤中。N肥用量(每生长季用量)为150 kg/hm，有机物料按上述基施，无机肥按质量比=1∶1的底肥和追肥施入；P肥用量为26 kg/hm，K肥用量为124 kg/hm，P、K肥均在播种前和物料一起一次性施入。有机物料碳、氮含量，见表2；具体施肥量，见表3。有机物料均在玉米播前翻耕还田，物料还田前将物料烘干并测定有机物料养分含量。

表2 不同有机物料基本性质
Table 2 Properties of different organic materials

有机物料Organic materialC/(g/kg)N/(g/kg)C/N秸秆 Straw370.003.8097.37猪粪 Pig manure250.0025.109.96沼渣 Biogas residue260.0019.2013.54

表3 2020 年不同处理具体施肥方案
Table 3 Fertilization schemes for different treatments in 2020 kg/hm

处理Treatment有机物料Organic material底肥Base fertilizer追肥Top application投入量Application rate还氮量Nitrogenapplication rate尿素Urea磷酸二铵Phosham硫酸钾Potassium sulfate尿素UreaCF0013957248161ST7 47428.02015724840PM6 395112.5185724840BR7 458112.5185724840

1.3 样品采集及测定

样品采集：分别于玉米季苗期(6月27日)、拔节期(7月28日)、扬花期(8月14日)和成熟期(10月1日)按“W”形5点取样法对0～20 cm土层进行土样采集。土样去除植物残根和石砾等杂质后分成2份，一份过2.00 mm筛于4 ℃下保存用于测定土壤微生物量氮和无机氮，另一份自然风干后粉碎过0.25 mm筛用于土壤全氮的测定。收获时各小区单独收获测产并随机取样3株，粉碎后过0.25 mm筛备用。

氮素形态测定：土壤和植株全氮测定采用凯氏定氮法。土壤中和测定采用1 mol/L KCl浸提，滤液用连续流动分析仪测定。土壤微生物量氮(SMBN)采用氯仿熏蒸提取法测定。

土壤氮素矿化培养：称取玉米季4个时期土壤样品(相当于风干土样60.0 g)放入250 mL培养瓶中，加盖封口并在顶部穿孔以保证氧气供给，黑暗处25 ℃恒温培养。培养期间用称重补水法保证土壤含水率基本维持在田间持水量的75%。播种期、拔节期、扬花期及收获期所取土样分别于培养0、14 d后破坏性取样，测定土壤硝态氮和铵态氮含量。

1.4 指标计算

土壤氮素净矿化速率计算公式为：

式中：NMR，土壤氮素净矿化速率，mg/(kg·d)；Δ

T

，培养时间，和分别表示培养前土壤中铵态氮和硝态氮含量，和分别表示培养后土壤中铵态氮和硝态氮含量，mg/kg。

门帘掀开，所有人的目光投了过来，“哗”地让开一条道，一个火炉现出来，我把自己晾在炉火边，顿时烟雾从腿往上蔓延，笼罩了我的全身。

氮肥吸收效率=成熟期植株氮素积累量/施氮量

1.5 数据分析

采用Excel 2019和SPSS 23.0进行数据处理和图像处理。不同处理间差异性采用单因素ANOVA分析，采用LSD多重比较法进行差异显著性分析(

P

<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同有机物料还田对玉米生育期土壤氮素形态的影响

2

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1

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1

对土壤全氮含量的影响由图1可知，玉米全生育期内，各处理土壤全氮变化趋势大体一致，总体表现为随玉米生长而降低的趋势，其中CF处理拔节期土壤全氮含量由于追施无机氮肥而略有增加。就不同处理而言，土壤全氮含量因添加氮肥不同而呈现差异，玉米4个生育期土壤全氮含量表现不同差异水平。ST、PM和BR处理苗期土壤全氮水平分别比CF处理提高2.26%、10.51%和14.20%，其中，CF和ST处理间无显著差异，PM和BR处理均与CF处理间差异达到显著性水平(

P

<0.05)。CF和BR处理拔节期的土壤全氮均显著高于ST处理，也均显著高于PM处理。扬花期PM和BR处理分别比CF处理提高11.22%和13.38%，同时，显著高于ST处理。成熟期3组处理土壤全氮含量相较于对照，分别提高8.60%、16.62%和9.14%。其中PM处理土壤全氮水平(1.11 g/kg)显著高于其他3组处理。

ST，秸秆配施无机肥；PM，猪粪配施无机肥；BR，沼渣配施无机肥；CF，单施无机肥。不同字母表示同时期不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。ST， straw with chemical fertilizer； PM， pig manure with chemical fertilizer； BR， biogas residue with chemical fertilizer； CF， apply chemical fertilizer only. Different letters indicate significant difference between different treatments in the same period (P<0.05). The same below.图1 不同处理玉米生育期土壤全氮Fig.1 Soil total nitrogen content during maize growth period under different treatments

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2

对土壤无机氮的影响

由图2可知，不同处理间全生育期土壤无机氮含量变化趋势不一致，其中CF和ST处理土壤硝态氮含量呈现“降低-增加-降低”的趋势，PM和BR处理土壤硝态氮含量随玉米生长进程呈现“先增加后降低”的趋势。由于ST和CF处理基肥无机氮肥施入量高，高于PM和BR处理，速效氮肥含量高，苗期CF和ST处理的土壤硝态氮含量分别为25.51和24.55 mg/kg，均显著高于PM和BR处理，PM和BR处理施用等氮量无机氮肥和有机氮肥，苗期PM土壤硝态氮含量显著高于BR处理。拔节期PM和BR处理土壤硝态氮含量分别比CF处理提高138.17%和220.34%，其中PM和BR处理均显著高于CF处理，ST和CF处理间无显著差异，BR处理显著高于PM处理。扬花期ST处理的土壤硝态氮含量比CF降低12.24%，PM和BR处理比CF处理分别提高37.05%和36.04%。成熟期ST、PM和BR处理的土壤硝态氮含量分别比CF处理提高55.86%、75.86%和73.94%，同时PM和BR处理的硝态氮含量均显著高于ST处理。

图2 不同处理下土壤硝态氮(a)和铵态氮(b)含量Fig.2 Soil (b) content under different treatment

土壤铵态氮含量除CF处理呈“先降低再增加”趋势外，其他3组处理呈“增加-降低-增加”趋势。苗期CF处理土壤铵态氮含量分别比ST和PM处理高35.17%和29.70%。拔节期PM和BR处理土壤中铵态氮含量分别比CF处理高34.19%和23.19%。扬花期BR处理土壤铵态氮水平分别比CF、ST和PM高51.31%、60.92%和35.99%，成熟期不同处理间土壤铵态氮水平无显著差异。

2

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1

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3

对土壤微生物量氮的影响

由图3可知，土壤微生物量氮在玉米全生育期内呈下降趋势，施用不同有机物料土壤微生物量氮在各生育期内略有提高。相较于CF处理，苗期ST、PM和BR处理土壤微生物量氮水平分别提高22.11%、11.97%和21.04%。拔节期PM和BR处理微生物量氮分别比CF处理提高20.92%和4.36%，PM处理显著高于CF和ST处理。扬花期不同处理间无显著差异。成熟期ST、PM和BR处理相较于CF处理分别提高29.34%、6.95%和35.14%，其中BR处理土壤微生物量氮水平达17.5 mg/kg，显著高于CF处理。

图3 不同处理下土壤微生物量氮Fig.3 Soil microbial biomass nitrogen under different treatment

2.2 不同有机物料还田下玉米生育期土壤氮矿化速率

由图4可知，除ST处理外，各处理在玉米不同生育期土壤氮矿化速率整体呈上升趋势，CF和PM处理土壤氮矿化速率在玉米扬花期呈现下降趋势，BR处理氮矿化速率随玉米生育进程而不断提高。相较于CF处理，ST处理显著降低土壤氮矿化速率，且矿化速率随生育期变化不断地降低，苗期、拔节期、扬花期和成熟期4个时期土壤氮矿化速率分别比CF处理降低67.82%、72.15%、98.85%和98.10%，显著低于同时期CF处理的土壤氮矿化速率。PM处理下4个生育期土壤氮矿化速率分别比CF处理提高85.74%、1.37%、21.92%和25.10%，其中苗期、扬花期和成熟期土壤氮矿化速率显著高于CF处理同时期水平。与CF处理相比，BR处理除在玉米拔节期土壤氮矿化速率降低40.03%，在玉米苗期、扬花期和成熟期分别提高70.46%、8.34%和12.94%。

图4 不同处理土壤氮矿化速率Fig.4 Soil nitrogen mineralization rate under different treatment

2.3 不同有机物料还田对玉米产量与氮素吸收效率的影响

由图5可知，4个处理间，PM处理玉米产量最高，6 853.33 kg/hm，PM处理产量显著高于ST处理(6 340 kg/hm)，CF、ST和BR处理间产量无显著差异。PM、CF和BR处理间产量也无显著差异。PM和BR处理玉米氮肥吸收效率显著高于CF处理，ST与CF处理差异不显著。其中PM处理玉米的氮肥吸收效率最高，为1.53 kg/kg。

图5 不同处理下玉米产量及氮肥吸收效率Fig.5 Maize yield and nitrogen uptake efficiency under different treatments

从土壤全氮来看，有机物料还田均显著增加土壤全氮含量，成熟期平均增幅由高到低为PM(16.62%)>BR(9.14%)>ST(8.60%)。从氮素形态来看，不同物料还田的差异主要体现在土壤硝态氮和微生物量氮上，有机物料还田显著提高土壤硝态氮和微生物量氮含量，成熟期硝态氮增幅由高到低为PM(75.86%)>BR(73.94%)>ST(55.86%)，微生物量氮平均增幅由高到低为BR(35.14%)>ST(29.34%)>PM(6.95%)。通过玉米季土壤氮矿化速率变化，证明猪粪与沼渣还田促进土壤氮矿化过程，秸秆还田显著削弱了土壤氮矿化作用。同时，PM增加了玉米产量和氮肥吸收效率，BR处理也提高了玉米季氮肥吸收效率。因此，不同物料由于特性不同，还田之后，土壤氮素形态与转化产生了差异，猪粪有利于提高土壤全氮含量，提高了土壤氮矿化速率，提高土壤硝态氮含量，为玉米生长提供充足的氮素，从而提高了产量；沼渣还田增加了微生物量氮，也提高了氮肥吸收效率；秸秆在3种物料中表现较差。

3 讨 论

3.1 不同有机物料还田对土壤氮素形态的影响

农田土壤氮素形态与含量受氮肥施用与作物生长的影响，氮素是作物干物质积累与光合作用的基础，作物在生长过程中对养分需求逐渐增加，但由于化肥施用后养分释放较快，能够满足作物生长前期对养分的需求，作物生长后期供氮能力下降，不能满足作物生育后期对养分的需求。同时，玉米生育期需氮特点为“前轻后重”，生育后期植株氮素积累量对玉米产量形成具有决定作用，土壤供氮不足将导致玉米严重减产，因此生育后期充足的土壤速效氮水平是玉米获得高产的前提。此外，土壤微生物量氮含量不高，但作为土壤有机养分的重要活性部分，很大程度上反映微生物数量，可用于表征土壤有效养分，是评价土壤肥力的重要指标。

本研究结果表明，随着作物的生长与氮素的吸收，土壤全氮含量逐渐降低，CF处理由于基、追肥质量比为1∶1，追肥量为75 kg/hm，显著高于其他3组处理，在拔节期土壤全氮含量略有提高。同时，成熟期3组有机物料还田处理土壤全氮含量都高于单施无机肥，这与张建军等研究结论一致，因为化肥供氮多为速效氮，除作物吸收利用以外，还会以气体形态损失或随径流而损失，从而降低土壤全氮水平。所有处理的玉米扬花期土壤硝态氮水平最高，原因是扬花期玉米进入生殖生长阶段，主要进行的是氮素内部的转移，根系从土壤中吸收的氮素减少，同时前期追施无机氮肥，促进了作物通过根系的分泌增加土壤有机物，从而增加了微生物活性，促进了土壤中有机质的矿化，增加土壤矿质氮的含量。同时，土壤铵态氮和硝态氮变化趋势相反，这与黄容等研究结果一致，土壤中硝态氮和铵态氮含量呈现“此消彼长”的趋势，玉米生长季高温，土壤含水量较少，硝化作用强烈，土壤以硝态氮含量为主。本研究中苗期秸秆处理和无机肥处理施用化肥量均较高，而猪粪和沼渣氮素均以有机形态为主，故苗期CF和ST处理土壤硝态氮含量高于PM处理，也显著高于BR处理，经过作物吸收利用与土壤氮素形态转化，猪粪和沼渣还田促进氮素矿化，导致拔节期土壤硝态氮和铵态氮水平显著提高，PM和BR处理土壤硝态氮水平显著高于CF处理，ST处理土壤硝态氮水平与CF处理无显著差异。随后，氮矿化继续进行，扬花期和成熟期PM和BR处理土壤硝态氮含量都显著高于CF处理，因秸秆的高碳氮比对土壤中氮矿化产生负影响，故扬花期土壤硝态氮含量低于CF处理。

在本研究中，3种有机物料还田都可以提高土壤微生物量氮含量，这与周元等研究结果一致，有机物料还田后增加微生物生长所需的碳源和氮源，使微生物的同化作用加强。且有机物料还田后改善土壤理化性质，从而提高土壤微生物的生物量。在玉米季4个生育期内，土壤微生物量氮整体呈现下降趋势，这是因为前期土壤温、湿度更适宜土壤微生物的生长与繁殖，有利于氮固定，从而土壤微生物量氮显著高于后期。同时，有机物料随施用时间推移不断减少，可利用的氮源减少，故相较于苗期，成熟期土壤微生物量氮有所降低。同时，不同有机物料因其成分差异对土壤微生物量氮影响不同。有机物料中碳的分解速率随碳氮比增加而降低，随氮浓度增加而上升，本研究中猪粪还田处理的土壤碳氮比最低，其次是沼渣，秸秆碳氮比最高。低碳氮比的猪粪还田后氮素快速释放，促进根系生长与根系分泌物增加，故前期猪粪处理土壤微生物量氮含量高，后期降低。因秸秆高碳氮比，ST处理在玉米生长后期较拔节期微生物量氮有所提高。这也与周元等研究结果一致。但是在本研究中，有机物料还田后土壤微生物量氮含量增幅并不大，这可能与高温干旱的气候条件有关。

3.2 不同有机物料还田对土壤氮矿化的影响

有机物料施入农田后影响土壤氮素的矿化过程。张名豪等研究认为，高碳氮比的物料，如稻草、秸秆等还田后，会促进土壤氮素向氮固持方向进行转化，土壤氮矿化与无机氮固持方向与速率取决于还田的有机物料碳氮比。本研究中，秸秆碳氮比最高，达97.37，显著高于猪粪和沼渣物料中的碳氮比，导致土壤氮矿化速率显著降低，低于其他3组处理，但转化方向依旧向氮矿化方向进行。其原因是秸秆提供了丰富的碳源，促使微生物大量增殖，使土壤氮矿化速率显著下降。而碳氮比低的猪粪还田后促使土壤氮矿化过程加速进行，从而导致其氮矿化速率显著高于其他3组处理，这与胡立煌等研究结果一致。同时，沼渣亦为土壤提供了碳、氮源，促使土壤氮矿化速率提高，除拔节期外，其他时期都显著高于CF处理，这与张名豪等研究结果一致。值得注意的是，拔节期进行追肥，CF处理仅施用无机肥，基追肥质量比为1∶1，故追肥量高于有机物料处理，为拔节期土壤补充了氮源，促使土壤中氮矿化过程加速，从而高于ST和BR处理。

同时，在本研究中，土壤氮矿化速率随生育期推进而变化。秸秆处理仅在拔节期追肥补充无机氮肥后，土壤氮矿化速率有所增加，其他时期逐渐降低。这是因为随着土壤中氮素的消耗，碳氮比不断提高，从而导致土壤氮矿化速率降低。本研究还发现，拔节期后添加秸秆处理的土壤氮矿化速率降低，且趋近于零，这是由于秸秆腐解速度主要集中在有机物料还田前90 d，90 d之后腐解速度缓慢，因此不断腐解的小麦秸秆为土壤微生物提供了碳源，提高了土壤碳氮比，降低了土壤氮矿化速率。其他3组处理苗期到成熟期土壤氮矿化速率整体呈增加趋势，可能是因为在前期作物对氮素的吸收利用，土壤中矿质氮减少，导致土壤氮矿化速率相对较慢，后期土壤矿化过程为土壤提供充足的矿质氮，土壤矿化速率逐步提升。土壤中氮矿化过程受多因素影响，除碳氮比外，还有水分、温度以及土壤pH等因素，是否产生影响还需进一步研究。

3.3 不同有机物料还田对玉米产量与氮肥吸收效率的影响

氮肥施用影响作物产量与氮肥吸收利用效率。本研究表明，相较于秸秆还田，猪粪施用可提高玉米产量，同时猪粪和沼渣可显著提高玉米氮肥吸收效率。粪肥对提高作物产量、氮素吸收利用有促进作用，这与李春喜等研究结果一致。本研究结果表明，有机、无机配施在一定范围内不仅可以达到增产目的，还可以提高氮肥吸收，降低其对环境的污染，降低土壤板结程度、增加土壤中胶体颗粒。有机物料还田可在提高产量的同时，提高土壤肥力，减少环境污染。

总体上，3种有机物料还田相比于无机肥均增加土壤全氮含量，且显著提高玉米生长所需的氮素。特性不同的有机物料投入对土壤氮素形态与转化影响不一致。3种有机物料中，猪粪在提高土壤全氮含量上表现最佳，且猪粪还田显著提高玉米生育后期土壤氮矿化速率，同时提高了土壤硝态氮含量，玉米具有“喜硝”特性，土壤硝态氮含量对生长发育具有重要意义，猪粪为玉米生长提供了所需的速效氮，满足了玉米的生长需求；沼渣在提高土壤全氮含量上表现不如猪粪，但在提高土壤微生物量氮含量与铵态氮水平上表现更好，微生物量氮是土壤活性氮的重要储备库，是表征土壤肥力的重要指标，施用沼渣可提供给作物良好的活性氮库；秸秆在3种物料中提升效果相对较差。因此，在土壤速效氮含量低的大田选用猪粪还田，可实现无机肥的部分替代，且效果良好。

4 结 论

本试验结果表明，有机物料还田显著改变土壤氮素转化与利用。秸秆、猪粪和沼渣还田后土壤全氮分别提高8.60%、16.62%和9.14%。猪粪和沼渣还田可使土壤氮矿化速率分别提高33.53%和12.93%，促进夏玉米对氮素的吸收，氮肥吸收效率分别提高8.88%和5.97%。在华北平原麦-玉两熟种植模式条件下，猪粪配施无机肥是实现氮素高效利用和玉米高产的最优施氮方式。