盆栽條件下秸稈不同處理方式對土壤氮形態(tài)分布的影響

陸文龍，趙 標(biāo)

(1.吉林化工學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林吉林132022；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130000)

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要副產(chǎn)物，也是重要的生物質(zhì)資源，含有大量有機(jī)碳，秸稈粉碎、秸稈腐熟及秸稈炭化還田都是回收利用秸稈的重要方式，秸稈還田不僅能有效改善土壤養(yǎng)分狀況，而且對土壤氮具有吸附作用，可阻止土壤氮淋溶損失。秸稈還田雖然能改善土壤養(yǎng)分狀況，但在秸稈還田條件下如何進(jìn)行科學(xué)合理施肥，維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效和可持續(xù)發(fā)展已成為亟須解決的重要問題[1]。本研究利用盆栽試驗(yàn)了解不同施肥模式下秸稈還田對土壤氮形態(tài)分布的影響，對于確定最佳施肥模式、明確秸稈還田養(yǎng)分遷移規(guī)律具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和材料

試驗(yàn)用土壤采自遼河源頭區(qū)農(nóng)業(yè)耕地(125°25′42″E、42°56′32″N)，屬于暗棕壤，其基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)含量 4.36 g/kg，全氮含量2.56 g/kg，全磷含量504.95 mg/kg，全鉀含量163.08 mg/kg，陽離子交換量7.21 cmol/kg，pH值5.56。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用的是溫室盆栽試驗(yàn)，溫室面積220 m2，高 4 m，通過通風(fēng)換氣將溫度控制在22～25℃范圍內(nèi)，濕度為75%左右。試驗(yàn)所用自制玉米種植盆的盆口直徑為25 cm，高為 40 cm，種植盆底部封閉，以免養(yǎng)分流失[2]。盆栽用土全部過5 mm篩，裝土13 kg/盆，將不同處理方式的秸稈與土壤充分混勻后老化1周備用，種植土壤的含水率為75%[3]。每盆種植3粒玉米種子，出苗后根據(jù)長勢保留1株壯苗，玉米生長期用稱質(zhì)量法保持種植土壤含水率。

本試驗(yàn)設(shè)12個(gè)處理，傳統(tǒng)施肥和測土配方施肥模式下添加不同處理方式的秸稈[不加秸稈(CK)、破碎秸稈、腐熟秸稈、0.5%秸稈炭、1.0%秸稈炭和2.0%秸稈炭]，對研究區(qū)施肥量調(diào)查得到傳統(tǒng)施肥量為150 kg/hm2，傳統(tǒng)施肥方法施用化肥(復(fù)合肥含N 46%、P 16%、K 11%)，測土配方施肥的施肥量為：硝酸銨75 mg/kg、NaH2PO422 mg/kg、KCl 16 mg/kg。其中，破碎秸稈、腐熟秸稈和1.0%秸稈炭處理按等碳量(1 kg土添加3 g碳)添加，0.5%、2.0%秸稈炭處理按碳量 1.5、6.0 g/kg 添加。各處理重復(fù)3次，共計(jì)36盆。根據(jù)玉米生長的4個(gè)主要時(shí)期[7葉期(玉米生長至 28～32 d)、拔節(jié)期(59～62 d)、乳熟期(88～93 d)和成熟期(120～125 d)]確定4個(gè)采樣時(shí)間，即玉米植株生長到30、60、90、120 d時(shí)破土取樣，試驗(yàn)采用抖根法[4]取根際土樣約200 g。土壤樣品采集后，剔除雜質(zhì)，自然風(fēng)干，研磨過2 mm篩用于測定氮含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈不同處理方式對土壤銨態(tài)氮的影響

由圖1-a可知，傳統(tǒng)施肥模式下CK處理土壤的銨態(tài)氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長呈先升高后下降的趨勢。在玉米生長到30、60、90、120 d時(shí)，破碎秸稈、腐熟秸稈、0.5%秸稈炭、1.0%秸稈炭、2.0%秸稈炭處理土壤銨態(tài)氮含量明顯高于CK；在整個(gè)玉米生長期土壤銨態(tài)氮含量的大小順序?yàn)?.0%秸稈炭處理>1.0%秸稈炭處理>0.5%秸稈炭處理>腐熟秸稈處理>破碎秸稈處理>CK。由圖1-b可知，測土配方施肥條件下，破碎秸稈、0.5%秸稈炭處理的土壤銨態(tài)氮含量在玉米整個(gè)生長周期呈上升趨勢；在整個(gè)玉米生長期，破碎秸稈、腐熟秸稈、0.5%秸稈炭、1.0% 秸稈炭、2.0%秸稈炭處理的土壤銨態(tài)氮含量高于CK處理127.2%～600.9%，其中2.0%秸稈炭處理的土壤銨態(tài)氮含量最高。

2.2 秸稈不同處理方式對土壤硝態(tài)氮的影響

由圖2-a可知，傳統(tǒng)施肥模式下CK處理的土壤硝態(tài)氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長呈下降趨勢，腐熟秸稈處理的土壤硝態(tài)氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長呈先上升后下降趨勢，破碎秸稈、0.5%秸稈炭、1.0%秸稈炭土壤硝態(tài)氮含量隨玉米生長期延長呈上升趨勢，2.0%秸稈炭處理的土壤硝態(tài)氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長變化不明顯；在玉米生長至120 d時(shí)腐熟秸稈處理土壤硝態(tài)氮含量下降；秸稈炭處理的土壤硝態(tài)氮含量均高于破碎秸稈、腐熟秸稈處理，但0.5%、1.0%、2.0% 秸稈炭處理間的土壤硝態(tài)氮含量差異不明顯。由圖2-b可知，測土配方施肥條件下，破碎秸稈、腐熟秸稈處理的土壤硝態(tài)氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長呈先升高后降低趨勢，而0.5%、2.0%秸稈炭處理的土壤硝態(tài)氮含量則呈增加趨勢；其中2.0%秸稈炭處理的土壤硝態(tài)氮含量高于其他處理。

2.3 秸稈不同處理方式對土壤速效氮的影響

由圖3-a可知，傳統(tǒng)施肥模式下CK處理的土壤速效氮含量整體上隨玉米生長時(shí)間的延長呈下降趨勢。破碎秸稈處理的土壤速效氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長呈先上升后略下降的變化趨勢；腐熟秸稈處理的土壤速效氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長呈先增加后下降的變化趨勢。在整個(gè)玉米生長期，0.5%、1.0%、2.0%秸稈炭處理的土壤速效氮含量隨玉米生長期的延長變化不明顯。其中2.0%秸稈炭處理的土壤速效氮含量在整個(gè)玉米的生長期均高于其他處理。由圖3-b可知，測土配方施肥條件下，破碎秸稈和腐熟秸稈處理的土壤速效氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長呈先增加后下降的變化趨勢。0.5%、1.0%、2.0%秸稈炭處理的土壤速效氮含量整體上隨玉米生長時(shí)間的延長呈增加趨勢，其中2.0%秸稈炭處理的土壤速效氮含量在玉米的整個(gè)生長期均高于其他處理。

2.4 秸稈不同處理方式對土壤全氮的影響

由圖4-a可知，傳統(tǒng)施肥模式下對照處理土壤的全氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長呈下降趨勢。在整個(gè)玉米生長周期內(nèi)，腐熟秸稈處理的土壤全氮含量60 d時(shí)開始呈下降趨勢；破碎秸稈、0.5%秸稈炭、1.0%秸稈炭、2.0%秸稈炭處理的土壤全氮含量整體上均隨玉米生長期的延長略呈增加趨勢。在整個(gè)玉米生長期所有處理的土壤全氮含量均高于對照處理。

由圖4-b可知，測土配方施肥模式下腐熟秸稈處理的土壤全氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長呈下降趨勢；0.5%、1.0%、2.0%秸稈炭處理的土壤全氮含量整體上隨玉米生長時(shí)間的延長也略呈增加趨勢。在整個(gè)玉米生長期所有處理的土壤全氮含量均高于對照處理。

3 討論

不同施肥模式下破碎秸稈處理的土壤銨態(tài)氮含量隨玉米生長時(shí)間的延長變化趨勢不同，傳統(tǒng)施肥模式下腐熟秸稈處理土壤銨態(tài)氮含量高于測土配方施肥模式，這可能與土壤中銨態(tài)氮在不同施肥模式下的釋放程度不同有關(guān)[5]。Wang 等研究發(fā)現(xiàn)，秸稈腐解還田后在適合的氮磷鉀配比及一定的碳氮質(zhì)量比之下，土壤銨態(tài)氮含量增加[6]，而本試驗(yàn)腐熟秸稈的添加與秸稈炭處理的土壤銨態(tài)氮含量差異不明顯。測土配方施肥模式下秸稈炭處理的土壤銨態(tài)氮含量與傳統(tǒng)施肥土壤銨態(tài)氮含量差異不明顯，因此，測土配方施肥下秸稈炭處理的土壤銨態(tài)氮不僅能滿足農(nóng)作物的需求，還能提高肥料的利用率。另外由于銨態(tài)氮易發(fā)生淋溶作用[7]，因此在測土配方施肥模式下進(jìn)行秸稈炭處理對于減少銨態(tài)氮的流失更有利。

在整個(gè)玉米生長周期內(nèi)破碎秸稈處理的土壤硝態(tài)氮含量都高于CK處理，可能與破碎秸稈可增加土壤孔隙從而有利于土壤硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化有關(guān)，也可能與腐熟秸稈本身的硝態(tài)氮在土壤中的釋放有關(guān)。Lu等也得到相似結(jié)果，即在盆栽條件下添加秸稈能降低土壤容重，并增加土壤硝態(tài)氮含量[8]。Yuan等認(rèn)為，腐熟秸稈還田使土壤硝態(tài)氮含量升高與作物對硝態(tài)氮的吸收受到抑制有關(guān)[9]。在玉米的整個(gè)生長期內(nèi)，秸稈炭處理的土壤硝態(tài)氮含量高于CK、破碎秸稈、腐熟秸稈處理，這可能是秸稈炭增加了土壤的碳氮比導(dǎo)致的[10]，也可能與秸稈炭提高土壤的pH值有關(guān)[11]，Ussiri通過盆栽試驗(yàn)加入秸稈炭也得到相同結(jié)果[12]。硝態(tài)氮易發(fā)生淋溶，傳統(tǒng)施肥模式下土壤中的硝態(tài)氮含量較測土配方施肥模式明顯增加，可增加土壤硝態(tài)氮淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。由此表明，測土配方施肥是比較合理的施肥模式，可使土壤硝態(tài)氮淋溶損失風(fēng)險(xiǎn)降低。

土壤速效氮包括無機(jī)態(tài)氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)及易水解的有機(jī)態(tài)氮(氨基酸、酰胺和易水解蛋白質(zhì))，能反映土壤近期的氮素供應(yīng)情況。由圖1至圖3計(jì)算得到，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量之和占速效氮含量的59.3%～88.9%，無機(jī)態(tài)氮是本試驗(yàn)條件下土壤速效氮的主要形態(tài)。West等研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)玉米生長周期內(nèi)，破碎秸稈中的微生物可能與玉米植株?duì)帄Z土壤中的氮，導(dǎo)致土壤中的氮含量降低[13-14]。2種施肥模式下秸稈炭處理能明顯增加土壤中速效氮的含量，且隨著秸稈炭施加量的增加而增加，這與Martens的研究結(jié)果[15]一致。秸稈炭本身含有大量的氮元素，且秸稈炭的孔隙結(jié)構(gòu)還可以降低水分的滲濾速度，增強(qiáng)土壤對溶液中移動(dòng)性強(qiáng)和易淋失氮的吸附能力，從而增加土壤速效氮的含量[16]。

將秸稈炭加入到盆栽土壤中可引起土壤無機(jī)態(tài)氮與有機(jī)態(tài)氮的相互轉(zhuǎn)化。秸稈炭本身質(zhì)輕、多孔，施入土壤后首先對土壤的物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響，同時(shí)可促進(jìn)土壤硝化微生物的活性，抑制氮素的反硝化作用，從而減少NOx的形成和排放，進(jìn)而使得土壤中的全氮儲(chǔ)量增加[17]。

4 結(jié)論

在測土配方施肥模式下，2.0%秸稈炭處理可以抑制銨態(tài)氮流失，降低硝態(tài)氮的淋溶風(fēng)險(xiǎn)，增加土壤速效氮和全氮含量。

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