添加尿素和秸稈對三熟制水旱輪作土壤各形態(tài)氮素的影響①

張 麗，張 磊，魯劍巍，李小坤，任 濤，叢日環(huán)

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070)

添加尿素和秸稈對三熟制水旱輪作土壤各形態(tài)氮素的影響①

張 麗，張 磊，魯劍巍，李小坤，任 濤，叢日環(huán)*

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070)

添加不同外源氮對土壤中不同形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化具有十分重要的影響。選取長期耕作土壤，設(shè)置對照、添加尿素N 150 kg/hm2(U150)、添加秸稈(相當于添加N 38 kg/hm2，Straw)、添加尿素N 150 kg/hm2+秸稈(相當于添加N 188 kg/hm2，U150+Straw)和添加尿素N 188 kg/hm2(U188)5個處理進行室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究了添加不同外源氮對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機氮、微生物生物量氮含量的影響。結(jié)果表明，土壤銨態(tài)氮隨著培養(yǎng)時間的延長表現(xiàn)為先增后減的趨勢，添加尿素的兩個處理其土壤銨態(tài)氮較 Straw、U150+Straw處理能夠更快地達到峰值；而土壤硝態(tài)氮則表現(xiàn)為逐步增加的趨勢。添加尿素處理能夠顯著提高土壤礦質(zhì)氮的含量，在添加等量氮素的條件下，U188處理礦質(zhì)氮含量在培養(yǎng)期間始終高于U150+Straw處理；此外，U150+Straw處理礦質(zhì)氮含量在培養(yǎng)前期均低于U150處理，至培養(yǎng)30天后其含量略高于U150處理。與對照相比，培養(yǎng)結(jié)束時添加不同外源氮素處理的土壤礦質(zhì)氮含量能夠提高169.61% ~ 496.75%。對于微生物生物量氮和可溶性有機氮而言，添加不同外源氮素分別在培養(yǎng)10天和30天達到峰值，此后逐漸降低。不同處理而言，添加秸稈+尿素、添加秸稈處理的微生物生物量氮和可溶性有機氮含量在培養(yǎng)前期明顯高于僅添加尿素的兩個處理，說明添加有機物料氮源主要有益于提高土壤有機態(tài)的氮素含量。

秸稈；尿素；銨態(tài)氮；礦質(zhì)氮；可溶性有機氮；微生物生物量氮

不同形態(tài)的氮在土壤中的轉(zhuǎn)化是極其復(fù)雜的過程。土壤礦質(zhì)氮、可溶性有機氮和微生物生物量氮是植物生長可利用氮素的直接或間接來源，也是氮儲存庫中較活躍的組分[1–3]。礦質(zhì)氮在土壤中的固定方式短期內(nèi)主要是生物同化作用，微生物通過同化作用將礦質(zhì)氮轉(zhuǎn)化為微生物生物量氮，經(jīng)過短期儲存后再以礦質(zhì)氮形式釋放出來，這種過程對土壤氮素變化影響較大[4]。微生物生物量氮也是可溶性有機氮的潛在來源，微生物死亡后，其微生物生物量氮部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄杂袡C氮[5–6]。與施用化肥相比，秸稈還田是培肥土壤的有效措施之一[7]。有研究表明，碳(如秸稈等)、氮的種類和數(shù)量能影響微生物對施入氮素的固持與釋放[8]。土壤氮素的固持是生物與非生物因素綜合作用的結(jié)果。Accoe 等[9]和廖繼佩等[10]研究表明，微生物對加入土壤的硝酸銨的固持迅速，施入土壤的銨態(tài)氮的晶格固定是其主要的非生物固持作用，施入土壤的硝態(tài)氮則通過異化性硝酸鹽還原作用轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮被土壤固持[11–12]。秸稈配施尿素處理能顯著提高土壤的礦質(zhì)態(tài)氮和微生物生物量氮[13]，土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量較高時，作物首先利用礦質(zhì)態(tài)氮，而在土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量處于較低水平時，微生物固持的氮素可能會釋放出來供作物吸收利用[14]。梁斌等[15]研究表明，秸稈覆蓋能提高土壤微生物生物量氮含量，顯著降低小麥拔節(jié)期和灌漿期土壤可溶性有機氮含量，小麥生長后期適量施化學(xué)氮肥(120 kg/hm2)能提高微生物生物量氮含量，而過量施用(240 kg/hm2)則降低其含量。有研究指出，農(nóng)作物根茬在改善土壤理化性質(zhì)上有明顯作用[16]，由于大量根茬的殘留，實行稻–稻–油輪作模式的長期定位試驗土壤其基礎(chǔ)理化性質(zhì)將發(fā)生改變，本研究采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗的方法(不種植作物)，排除作物影響因素，選取稻–稻–油輪作模式下長期單施化肥的定位試驗點土壤，采用室內(nèi)模擬的方法研究添加不同外源氮對于土壤不同形態(tài)氮素的影響，旨在比較不同外源氮對長期定位試驗土壤氮素供應(yīng)特征的影響，為合理調(diào)控氮素提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自湖北省武穴市大金鎮(zhèn)(29°59￠10.262N，115°37￠9.722E)，該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候區(qū)。年平均氣溫16.9℃，以7月份氣溫最高，平均29.1℃，1月份氣溫最低，平均為 4.1℃。年平均降雨量1 489 mm(1985—2014年30年平均值)，年蒸發(fā)量1 361 mm。境內(nèi)無霜期約為262 d，日照輻射平均為12.2 MJ/(m2· d)，年均日照時數(shù)為1 913 h。地帶性土壤為黏性水稻土。

供試土壤選取的是長期施用化肥土壤。該試驗區(qū)每季早稻施肥量為N 150 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2；晚稻施肥量為N 150 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2；油菜施肥量為 N 210 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2、硼砂15 kg/hm2，所用肥料為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)和硼砂(B 12%)。2014年油菜收獲后采集耕層土壤樣品(0 ~ 20 cm)，一部分新鮮土壤樣品置于冰箱冷藏(4℃)用于測定土壤初始理化性質(zhì)，其中有機質(zhì)和pH采用干土測定；另一部分土壤風(fēng)干、過篩后(2 mm)作為培養(yǎng)試驗使用。供試土壤各形態(tài)氮含量及有機質(zhì)、微生物生物量碳、pH見表1。

表1 供試土壤不同形態(tài)氮含量及基礎(chǔ)理化性質(zhì)(0 ~ 20 cm)Table 1 Different form N contents and basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗設(shè)計

室內(nèi)培養(yǎng)試驗設(shè)置5個處理：①對照(CK)、②添加尿素N 150 kg/hm2(U150)、③添加水稻秸稈(相當于添加N 38 kg/hm2，Straw)、④添加尿素N 150 kg/hm2+水稻秸稈(相當于添加N 188 kg/hm2，U150+Straw)、⑤添加尿素N 188 kg/hm2(U188)，各處理設(shè)4次重復(fù)。添加秸稈處理相當于田間秸稈還田量為7 500 kg/hm2(按照耕層土壤重量2 500 t/hm2換算)。秸稈風(fēng)干后剪成0.5 cm左右，秸稈中碳、氮含量分別為40.32%、0.51%，碳氮比為79.5。

稱取100.0 g風(fēng)干土樣(過2 mm篩)，與外源氮(秸稈或化學(xué)氮肥)混勻后裝瓶，調(diào)整土壤含水量為30%，無菌封口膜封口，膜上留10個小孔。25 ℃ 恒溫培養(yǎng)，每兩天稱重補加水分，保證培養(yǎng)期間土壤含水量恒定。

1.3 測定項目與方法

礦質(zhì)氮取樣時間：添加尿素處理(即U150、U150+ Straw、U188處理)為培養(yǎng)后第1，2，3，4，5，6，8，10，15，20，30，50，70天采樣；未添加尿素處理(即CK、Straw處理)為培養(yǎng)后第5，10，20，30，50，70天采樣。全氮、可溶性有機氮及微生物生物量氮取樣時間為培養(yǎng)后第5、10、20、30、50天。各重復(fù)每次取一瓶土壤進行取樣分析。

全氮測定采用凱氏定氮法[17]；礦質(zhì)氮使用流動分析儀測定[18]；土壤可溶性有機氮用0.5 mol/L K2SO4浸提土樣(水土比4︰1)，浸提液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，濾液中可溶性總氮(TSN)用過硫酸鉀氧化比色法測定[19]，濾液中的可溶性有機氮(SON)為可溶性總氮與礦質(zhì)態(tài)氮之差[20]。土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸法浸提，以熏蒸和未熏蒸的有機碳、全氮[21–22]含量之差分別除以轉(zhuǎn)換系數(shù)kEC和kEN得到，其中kEC= 0.45[23]，kEN= 0.54[24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9.0和SPSS軟件進行制圖和統(tǒng)計分析，最小顯著法(LSD)檢驗試驗數(shù)據(jù)的差異顯著性水平(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加不同外源氮對土壤銨態(tài)氮含量的影響

由圖1可知，試驗中不同外源氮處理均能提高土壤銨態(tài)氮含量，整體表現(xiàn)為：CK處理

2.2 添加不同外源氮對土壤硝態(tài)氮含量的影響

圖1 添加不同外源氮對土壤銨態(tài)氮的影響Fig. 1 Effects of different exogenous N sources on soil ammonium N

圖2 添加不同外源氮對土壤硝態(tài)氮的影響Fig. 2 Effects of different exogenous N sources on soil nitrate N

由圖2可知，在培養(yǎng)10天內(nèi)，各處理的硝態(tài)氮含量均較低且無顯著差異，10天后迅速提升，至30天基本達到平衡，且添加不同外源氮均能顯著提高土壤硝態(tài)氮含量，以U188處理效果最好，Straw處理最低。至培養(yǎng)結(jié)束，Straw處理硝態(tài)氮含量較CK提高264.46%；U150處理較Straw處理提高14.30%；U150+ Straw處理硝態(tài)氮含量與U150和Straw處理相比分別增加 38.49% 和 58.30%；而在添加等氮量條件下，U188處理硝態(tài)氮含量則顯著高于U150+Straw處理，提高幅度為42.32%。

2.3 添加不同外源氮對土壤礦質(zhì)氮含量的影響

如圖3所示，各施氮處理土壤礦質(zhì)氮含量在培養(yǎng)期間均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。添加不同外源氮對土壤礦質(zhì)氮的影響差異明顯。至培養(yǎng)結(jié)束，土壤礦質(zhì)氮表現(xiàn)為U188處理 > U150+Straw處理 > U150處理> Straw處理 > CK。其中，Straw處理在培養(yǎng)5天前礦質(zhì)氮含量與 CK處理持平，隨后逐漸高于后者。U150+Straw處理在培養(yǎng)30天內(nèi)礦質(zhì)氮含量低于U150處理，30天后前者逐漸表現(xiàn)出優(yōu)勢。以上結(jié)果表明與添加尿素相比，秸稈配施尿素對礦質(zhì)氮的提高效應(yīng)表現(xiàn)在30天之后。在等氮投入的情況下，U188處理礦質(zhì)氮含量顯著高于U150+Straw處理，U188處理最大值較后者提高38.95%，較U150處理提高91.31%。

圖3 添加不同外源氮對土壤礦質(zhì)氮的影響Fig. 3 Effects of different exogenous N sources on soil mineral N

2.4 添加不同外源氮對土壤可溶性有機氮含量的影響

如圖4所示，添加不同外源氮均能提高土壤可溶性有機氮含量，在培養(yǎng)前期各處理間差異較大，隨著培養(yǎng)時間的延長處理間可溶性有機氮差異逐漸減小?？傮w來看，土壤可溶性有機氮含量表現(xiàn)為U150+Straw處理>Straw處理>U188處理>U150處理>CK。Straw處理和U150+Straw處理均在培養(yǎng)第30天達到峰值且顯著高于其他處理。培養(yǎng)第30天時，U150+ Straw處理較U150處理可溶性有機氮含量提高141.93%，較Straw處理提高 45.16%，較等氮量投入的 U188處理提高98.35%，說明與添加尿素或秸稈相比，秸稈配施尿素能顯著提高土壤可溶性有機氮含量，而添加秸稈處理對可溶性有機氮的提升作用優(yōu)于尿素。培養(yǎng)至第 70天時，不同外源氮處理間差異程度顯著降低，土壤可溶性有機氮含量介于25.19 ~ 34.70 mg/kg。

圖4 添加不同外源氮對土壤可溶性有機氮的影響Fig. 4 Effects of different exogenous N sources on soil dissolved organic N

2.5 添加不同外源氮對土壤微生物生物量氮含量的影響

添加秸稈能夠顯著提高土壤微生物生物量氮含量(圖5)，其中Straw處理和U150+Straw處理在第10天時微生物生物量氮含量達到最大值，10天后迅速下降并小幅波動，而U150和U188處理則在第30天時達到峰值。這可能是由于微生物受到秸稈中碳源刺激后迅速建立種群，而尿素對微生物種群的影響遠小于秸稈所致。U150處理在培養(yǎng)前期(10天和30天)對微生物生物量氮含量有提升作用，到50天后與CK差異不顯著，Straw處理、U150+Straw處理和U188處理在整個培養(yǎng)期間均能顯著提高土壤微生物生物量氮含量。培養(yǎng)第10天時，U150+Straw處理微生物生物量氮含量顯著高于其他處理，較U150處理微生物生物量氮含量提高139.32%，較等氮量投入的U188處理提高104.06%；Straw處理較U150處理和U188處理則分別提高128.21% 和94.60%。至培養(yǎng)第70天時，Straw處理和 U150+Straw處理較 U150處理提高 154.79% 和87.65%，較U188處理提高 104.72% 和 50.78%。

圖5 添加不同外源氮對土壤微生物生物量氮的影響Fig. 5 Effects of different exogenous N sources on soil microbial N

3 討論

前人研究表明，施入有機物料的碳、氮比越高，土壤微生物對肥料氮的固持量越大，釋放率降低[25]，添加外源有機物料對土壤微生物生物量碳、氮和可溶性有機碳、氮的影響遠大于化肥的施用，特別是有機無機肥配合施用影響效果更明顯[26–27]。本試驗結(jié)果表明，U180處理對土壤礦質(zhì)氮的提升效果最好，U150+Straw處理和U150處理次之，Straw處理和CK效果最差。Straw處理的礦質(zhì)氮含量在培養(yǎng)前5天低于CK，第5天開始逐漸高于后者，而第10天時Straw處理的微生物生物量氮含量顯著高于CK，10天后迅速下降。這可能是由于秸稈還田初期，土壤 C/N發(fā)生急劇變化，秸稈前10天的腐解速率最快[28]，微生物利用礦質(zhì)氮大量繁殖，導(dǎo)致添加秸稈的土壤礦質(zhì)氮含量低于對照[29–32]；腐解10天后，秸稈中可溶性有機物逐漸減少，微生物活性迅速降低[33]，Straw處理的微生物生物量氮含量隨之降低，且微生物生物量氮部分轉(zhuǎn)化為礦質(zhì)氮。而 U150+Straw處理礦質(zhì)氮含量顯著高于CK，是由于尿素中的氮不僅能作為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，使本試驗中 U150+Straw處理微生物生物量氮含量顯著高于不添加秸稈處理，且能部分轉(zhuǎn)化為土壤中的礦質(zhì)氮[34]。在培養(yǎng) 30天前，U150+Straw處理礦質(zhì)氮含量低于U150處理，培養(yǎng)30天開始呈現(xiàn)為U150處理

本試驗中各外源氮處理均能提高土壤可溶性有機氮含量，在30天左右達到最大值，30天后逐漸下降，這一研究結(jié)果與李亞娟等[36]的研究結(jié)果相似，其中以Straw處理和U150+Straw處理效果最好，U180處理和U150處理次之，CK效果最差。這可能是由于加入水和秸稈后，土壤微生物活化且數(shù)量高于其他處理，一方面微生物代謝產(chǎn)物的增加促進了可溶性有機物的積累[37]；另一方面微生物將土壤有機氮礦化，而可溶性有機氮作為礦化的中間物質(zhì)大量積累并顯著高于不施秸稈處理，隨著礦化加深，各處理可溶性有機氮含量均逐漸降低[36]。從試驗結(jié)果可知，Straw處理和U150+Straw處理微生物生物量氮在第10天達到最大值，可溶性有機氮在第30天達到最大值，微生物代謝產(chǎn)物作為可溶性有機氮重要來源[5–6]。由此推測，可能是微生物種群大量增加后代謝產(chǎn)物隨之迅速積累，導(dǎo)致在之后的20天中可溶性有機氮含量大幅增加，在第30天達到最大值，30天后隨微生物種群的減少而降低。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，添加不同氮源(尿素和秸稈)對土壤各形態(tài)氮含量影響不同。其中，添加尿素的兩個處理其土壤銨態(tài)氮較Straw、U150+ Straw處理能夠更快地達到峰值；而各處理土壤硝態(tài)氮則表現(xiàn)為逐步增加的趨勢。在添加等量化學(xué)氮素的條件下，U150+Straw 處理礦質(zhì)氮含量在培養(yǎng)前期均低于 U150處理，至培養(yǎng)30天后其含量略高于U150處理。此外，添加有機物料氮源更有利于提高土壤微生物生物量氮和可溶性有機氮的含量。

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Effects of Urea and Straw on Soil Different Nitrogen Forms Under Paddy-Upland Rotation of Triple Cropping System

ZHANG Li, ZHANG Lei, LU Jianwei, LI Xiaokun, REN Tao, CONG Rihuan*
(College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University / Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River), Ministry of Agriculture, Wuhan 430070, China)

Adding different exogenous nitrogen (N) sources is essential for soil N transformation. In this study, soil under long-term cultivation was selected to conduct the indoor incubation experiment, in which five treatments were designed in order to analyze the effects of adding different exogenous N sources on soil ammonium N (NH4+), nitrate N (NO3–), dissolved organic N (DON), and microbial biomass N (MBN), the designed treatments were as follows: 1) control(CK), 2) adding Urea at N 150 kg/hm2(U150), 3) adding rice straw (equal to adding N 38 kg/hm2, Straw), 4) adding urea and straw (equal to adding N 188 kg/hm2, U150+Straw), and 5) adding urea at N 188 kg/hm2(U188). The results showed that soil NH4+increased first and then decreased during the incubation period, soil NH4+of treatments adding with urea reached the peak value more rapidly than those adding with straw. Soil NO3–content increased with time. Total mineral N of U188treatment was higher than that of U150+Straw treatment during the period of incubation. Compared with U150treatment, soil mineral N content was lower in U150+Straw treatment but became a little higher after 30 days of incubation. Compared with CK, adding different exogenous N source increased soil mineral N by 169.61% – 496.75% at the end of incubation. MBN and DON of treatments with adding different exogenous N sources reached maximum values at 10 days or 30 days after incubation and then decreased with time. MBN and DON of treatments with adding straw and/or straw+urea were higher than those with adding urea only during the prior stage of incubation. The results demonstrated that adding exogenous N sources of organic material mainly increased soil organic N.

Straw; Urea; Soil ammonium N; Soil mineral N; Dissolved organic N; Microbial biomass N

S565.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.003

國家自然科學(xué)基金項目(41301319)、湖北省自然科學(xué)基金項目(2013CFB203)和湖北省耕地保護與質(zhì)量提升補貼項目(鄂土肥2015-8)資助。

* 通訊作者(congrh@mail.hzau.edu.cn)

張麗(1989—)，女，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事土壤肥力培育與養(yǎng)分平衡管理方面研究。E-mail: zhangli1@webmail.hzau.edu.cn