淹水培養(yǎng)條件下不同作物秸稈對水稻土壤碳氮變化的影響

崔子英，張雅倩，胡 良，閆 穎，楊雅君，呂家瓏

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/ 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊陵 712100)

水稻是我國的主要糧食作物之一，然而，近年來稻田土壤肥力下降已經(jīng)成為制約我國水稻高產(chǎn)的重要原因[1]，因此，探索稻田土壤提質(zhì)增效的措施具有重要意義。秸稈富含氮、磷、鉀等多種營養(yǎng)元素，還田后可通過自身腐解促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)[2]，因此，秸稈還田被認(rèn)為是改善土壤性質(zhì)、提升土壤肥力的重要措施。一般認(rèn)為，秸稈還田作為一種有效的土壤碳固定途徑[3]，可以提高土壤有機(jī)碳含量，但是其過程是緩慢的[4]。大量研究發(fā)現(xiàn)秸稈等有機(jī)物料對土壤中活性有機(jī)養(yǎng)分的影響要大于對土壤中全量養(yǎng)分的影響，因此，土壤中活性養(yǎng)分更能表征秸稈對土壤性質(zhì)的影響[5-6]。微生物生物量碳氮作為土壤活性碳氮的重要組成，主導(dǎo)著土壤中外源氮的同化和有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程[2]，對于表征土壤微生物活性和衡量土壤肥力具有重要意義[7]。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以顯著提高土壤微生物量，增加微生物生物量碳氮含量[8]。秸稈還田后，微生物的作用促進(jìn)了秸稈分解，大量可溶性有機(jī)碳氮進(jìn)入土壤，增加了其在土壤中的含量，可溶性有機(jī)碳氮還可以被微生物利用，參與到土壤的碳氮循環(huán)中[9]。MA等[10]研究發(fā)現(xiàn)，淹水條件下，土壤可溶性有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳礦化具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，同時，微生物群落組成也會影響可溶性有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳礦化之間的關(guān)系。易氧化有機(jī)碳作為土壤活性碳的重要組成部分，在土壤中轉(zhuǎn)化循環(huán)較快，相較土壤有機(jī)碳對土壤管理措施的響應(yīng)更加敏感，可作為評價土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)[11]。李婧等[12]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田可顯著提高土壤中易氧化有機(jī)碳含量。

有研究發(fā)現(xiàn)，外源有機(jī)物料對土壤有機(jī)氮影響可分為正激發(fā)效應(yīng)和負(fù)激發(fā)效應(yīng)[13]，其影響機(jī)理與有機(jī)物料的C/N關(guān)系密切。如果有機(jī)物料C/N高于微生物C/N，微生物會吸收氮素滿足自身需求而不會釋放氮素；相反，如果有機(jī)物料C/N低于微生物C/N，微生物會釋放氮素，通過礦化作用提高土壤無機(jī)氮含量[14]。土壤礦質(zhì)態(tài)氮作為土壤無機(jī)氮的重要組成，是作物生長過程中重要的氮素來源，對土壤氮的循環(huán)轉(zhuǎn)化具有重要意義[15]。單施秸稈會使土壤C/N升高，進(jìn)而引起微生物競爭吸氮，導(dǎo)致土壤中礦質(zhì)態(tài)氮含量降低[16]。

已有大量研究揭示了有機(jī)物料對土壤碳氮的影響，但不同作物秸稈還田對淹水的水稻土壤碳氮的影響報道較少。為此，筆者通過室內(nèi)淹水培養(yǎng)試驗研究紫云英秸稈、小麥秸稈和油菜秸稈等碳量還田對土壤碳氮的影響，以期揭示不同作物秸稈對水稻土壤碳氮的影響，為大田生產(chǎn)和水稻土壤提質(zhì)增效提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與秸稈

供試土壤采集于陜西省漢中市南鄭縣新集鎮(zhèn)富民農(nóng)場(33°0′16″ N，108°48′44″ E)。該區(qū)域?qū)俦眮啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為14.4 ℃，年平均降水量為923.5 mm。該地以水稻-油菜種植模式為主，土壤類型為潴育型水稻土，母質(zhì)發(fā)育于湖相沉積，土壤樣品采集深度為0～20 cm。供試土壤基本理化性質(zhì)：土壤有機(jī)碳含量為20.55 g·kg-1，全氮含量為1.73 g·kg-1，全磷含量為14.25 mg·kg-1，全鉀含量為104.35 mg·kg-1，pH為7.31。

供試秸稈為紫云英秸稈、小麥秸稈和油菜秸稈。秸稈在70 ℃條件下烘干至恒重，磨碎后過0.850 mm孔徑篩。供試秸稈基本性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

采用室內(nèi)淹水恒溫恒濕培養(yǎng)。將采集的新鮮土壤去除石粒、根系等雜物后過5 mm孔徑篩。試驗共設(shè)置不添加外源有機(jī)物料(CK)，外源添加紫云英秸稈(ZYY)、小麥秸稈(XM)和油菜秸稈(YC)4個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。具體操作如下：每個培養(yǎng)瓶中稱取700 g過篩鮮土壤，按m(C)∶m(干土)=1∶100的比例添加不同作物秸稈，將土壤和粉碎后的秸稈于塑料盒中混合均勻后置于容積為1 L的廣口瓶中，每瓶加蒸餾水以沒過土壤2 cm為標(biāo)準(zhǔn)，置于恒溫恒濕(25 ℃，85%濕度)培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)80 d。

1.3 樣品采集與測定方法

培養(yǎng)期間，分別于培養(yǎng)開始后20、40、60和80 d采集土壤樣品。每次采集土壤樣品150 g，采集的一部分新鮮土壤樣品于-20 ℃冰箱中冷凍待測，另一部分樣品風(fēng)干研磨過篩后測定相關(guān)指標(biāo)。

土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-濃硫酸外加熱法測定。土壤全氮含量采用凱氏法消解、AA3型流動分析儀測定。土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量之和，硝態(tài)氮采用1 mol·L-1KCl溶液浸提、AA3型流動分析儀測定。土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)、可溶性有機(jī)氮(DON)采用V(水)∶m(土)=5∶1的比例添加超純水浸提，25 ℃條件下振蕩1 h，按3 500 r·min-1離心10 min(離心半徑為16.5 cm)，用0.45 μm孔徑濾膜抽濾，利用TOC儀測定DOC含量，利用AA3型流動分析儀測定DON含量[17]。土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸，0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提后，微生物生物量碳含量用TOC-VCPH有機(jī)碳分析儀測定，微生物生物量氮含量用AA3型流動分析儀測定[18]。土壤易氧化有機(jī)碳采用333 mmol·L-1KMnO4溶液氧化，25 ℃條件下振蕩1 h，按4 000 r·min-1離心5 min(離心半徑為16.5 cm)，取上清液，加去離子水，按1∶250的比例稀釋至50 mL，用紫外分光光度計在565 nm條件下，測定稀釋后樣品吸光度，然后根據(jù)消耗的KMnO4體積，計算土壤易氧化有機(jī)碳含量[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016和SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析及作圖，單因素方差分析采用多重比較LSD法(P<0.05)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響

不同秸稈處理對土壤有機(jī)碳(SOC)含量的影響見表2，培養(yǎng)期間，添加秸稈處理SOC含量均顯著(P<0.05)高于CK處理。培養(yǎng)結(jié)束時，YC處理土壤有機(jī)碳含量最高，顯著(P<0.05)高于其他處理；ZYY和XM處理土壤SOC含量較CK處理顯著(P<0.05)提高。與培養(yǎng)初始相比，添加秸稈處理SOC含量有所降低。

不同秸稈添加后對土壤全氮(TN)含量的影響見表2，培養(yǎng)期間，CK處理TN含量呈隨培養(yǎng)時間逐漸增加的趨勢，與CK處理的變化趨勢不同，添加秸稈處理TN含量于培養(yǎng)60 d時達(dá)到最大值后減小。培養(yǎng)至中期(40 d)，添加秸稈處理TN含量均顯著(P<0.05)高于CK處理，不同秸稈處理間差異不顯著(P>0.05)；培養(yǎng)60 d時，YC處理TN含量顯著(P<0.05)高于CK處理，其他處理間差異不顯著(P>0.05)。培養(yǎng)結(jié)束時，YC處理TN含量最高，顯著(P<0.05)高于XM處理，CK分別與ZYY、XM處理間無顯著差異(P>0.05)。與培養(yǎng)初始相比，除XM處理TN含量降低外，其他處理TN含量均增加。

2.2 不同處理對土壤活性碳含量的影響

不同作物秸稈添加對土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量的影響見圖1。CK處理土壤DOC含量在培養(yǎng)20 d時達(dá)最大值，為703.26 mg·kg-1，培養(yǎng)80 d時達(dá)最低值，為125.52 mg·kg-1；施用不同秸稈的3個處理變化趨勢相同，均呈現(xiàn)20 d時達(dá)到最大值、然后降低再升高的變化。培養(yǎng)20 d時，ZYY處理DOC含量最高，顯著(P<0.05)高于CK和XM處理；40 d時，添加秸稈處理顯著(P<0.05)高于CK處理，添加秸稈處理間差異不顯著(P>0.05)；60 d時，ZYY和XM處理DOC含量顯著(P<0.05)高于CK和YC處理；培養(yǎng)結(jié)束(80 d)時，ZYY、XM和YC處理DOC含量顯著(P<0.05)高于CK處理，分別為CK處理的4.18、5.08和5.44倍，XM和YC處理顯著(P<0.05)高于ZYY處理，XM和YC處理間差異不顯著(P>0.05)。

各處理微生物生物量碳(MBC)含量變化趨勢基本一致，呈先增加再緩慢降低的趨勢，其中，各處理在培養(yǎng)40 d時達(dá)到整個培養(yǎng)期的最大值，且ZYY和YC處理MBC含量顯著(P<0.05)高于CK處理(圖2)；培養(yǎng)60 d時，各處理MBC含量有所降低；培養(yǎng)結(jié)束(80 d)時各處理MBC含量由高到低依次為ZYY、YC、XM和CK，ZYY、XM和YC處理MBC含量顯著(P<0.05)高于CK處理，分別較CK處理增加63.85%、27.03%和60.67%。ZYY和YC處理顯著(P<0.05)高于XM處理。

由圖3可知，培養(yǎng)20 d時，ZYY處理易氧化有機(jī)碳(EOC)含量為整個培養(yǎng)期間最大值，顯著(P<0.05)高于其他處理；培養(yǎng)40 d時，相較于CK處理，YC處理土壤EOC含量顯著(P<0.05)提高；培養(yǎng)60 d時，XM處理EOC含量顯著(P<0.05)高于CK處理；培養(yǎng)結(jié)束(80 d)時，ZYY、XM和YC處理土壤EOC含量較CK處理分別提高20.34%、9.36%和10.53%，其中，ZYY處理顯著(P<0.05)高于CK處理，其他處理間差異不顯著(P>0.05)。

CK為不添加外源有機(jī)物料，ZYY、XM 和YC分別為添加紫云英秸稈、小麥秸稈和油菜秸稈。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間EOC含量差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同處理對土壤活性氮含量的影響

由表3可知，不同處理對土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的影響較大。培養(yǎng)初始，各處理間礦質(zhì)態(tài)氮含量差異顯著(P<0.05)，其含量由高到低依次為ZYY、XM、YC和CK；與培養(yǎng)初始相比，培養(yǎng)20 d時添加秸稈處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量急劇降低，CK處理礦質(zhì)態(tài)氮含量降低，且顯著(P<0.05)低于添加秸稈處理；培養(yǎng)40 d時，所有處理礦質(zhì)態(tài)氮含量有較大幅度降低；培養(yǎng)后期(40～80 d)，不同處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量處于小幅波動變化，培養(yǎng)結(jié)束(80 d)時，ZYY處理礦質(zhì)態(tài)氮含量最高，顯著(P<0.05)高于XM和YC處理，與CK處理差異不顯著(P>0.05)，YC處理礦質(zhì)態(tài)氮含量最低。

表3 不同處理對土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的影響Table 3 Effects of different treatments on mineral nitrogen

如圖4所示，不同處理對土壤可溶性有機(jī)氮(DON)含量的影響變化趨勢呈先升高后降低。培養(yǎng)20 d時，添加秸稈處理DON含量顯著(P<0.05)低于CK處理；培養(yǎng)40 d時，添加秸稈處理DON含量有所升高，ZYY處理DON含量最高，與CK處理無顯著差異(P>0.05)；培養(yǎng)60 d時，添加秸稈處理DON含量分別達(dá)到培養(yǎng)期間的最大值，ZYY處理顯著(P<0.05)高于其他處理，XM處理顯著(P<0.05)高于CK處理；培養(yǎng)結(jié)束時，各處理DON含量由高到低依次為ZYY、XM、YC和CK，ZYY處理顯著(P<0.05)高于其他處理，CK、XM和YC處理間差異不顯著(P>0.05)。

CK為不添加外源有機(jī)物料，ZYY、XM 和YC分別為添加紫云英秸稈、小麥秸稈和油菜秸稈。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間DON含量差異顯著(P<0.05)。

圖5顯示，不同處理土壤微生物生物量氮(MBN)含量變化趨勢呈先升高后降低，培養(yǎng)40 d時各處理MBN含量達(dá)到培養(yǎng)期間最大值，而后開始降低。

CK為不添加外源有機(jī)物料，ZYY、XM 和YC分別為添加紫云英秸稈、小麥秸稈和油菜秸稈。同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間MBN含量差異顯著(P<0.05)。

培養(yǎng)期間，添加秸稈處理MBN含量均顯著(P<0.05)高于CK處理；培養(yǎng)結(jié)束(80 d)時，添加秸稈處理MBN含量較CK處理提高1.43～2.10 mg·kg-1，各處理MBN含量由高到低依次為ZYY、YC、XM和CK，添加秸稈處理均顯著(P<0.05)高于CK處理，ZYY和YC處理顯著(P<0.05)高于XM處理。

3 討論

3.1 不同作物秸稈對水稻土壤不同形態(tài)有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳一般處于動態(tài)變化過程中，有機(jī)物料的輸入，各有機(jī)碳組分的分解轉(zhuǎn)化及相互作用影響著土壤有機(jī)碳的積累，有機(jī)物料的輸入是土壤SOC積累的前提[20]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，在淹水培養(yǎng)條件下，不同作物秸稈均顯著提高水稻土壤SOC含量，這與楊敏芳等[21]研究結(jié)果一致。這是因為秸稈的輸入帶入了大量碳源，有效增加了土壤碳庫[19]。培養(yǎng)結(jié)束后，油菜秸稈對水稻土壤SOC的提升要高于紫云英秸稈和小麥秸稈，這可能與油菜秸稈的C/N較高有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，秸稈C/N越高，其分解礦化越難[22]。相較于培養(yǎng)初始，培養(yǎng)結(jié)束后土壤SOC含量降低的原因是一部分碳以CO2和CH4形式損失。

活性碳組分與作物生長和微生物活動密切相關(guān)，對評價土壤肥力狀況具有重要意義。DOC作為微生物代謝的中間產(chǎn)物，其含量的高低可用來反映微生物對有機(jī)物的分解和利用。筆者研究中，所有添加秸稈處理均顯著增加土壤DOC含量，這與裴鵬剛等[23]的研究結(jié)果一致。培養(yǎng)期間，DOC含量的變化趨勢表現(xiàn)為培養(yǎng)初期最高，而后降低，培養(yǎng)后期再增高。這是因為秸稈添加到土壤中后，微生物分解秸稈，DOC作為有機(jī)物料的分解產(chǎn)物，其含量增高，隨著秸稈分解的減慢，微生物的生命活動消耗DOC，其含量降低[16]，同時MBC含量升高；培養(yǎng)后期DOC含量上升，是由于隨著秸稈易分解組分的分解，難分解組分比例上升，微生物活動減弱，對DOC消耗減緩，造成DOC積累，同時MBC含量有所降低。另外可能的原因是，由于鐵的還原和鐵氧化物的溶解導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體分散，促使團(tuán)聚體結(jié)合SOC溶解[10]。培養(yǎng)結(jié)束時，XM和YC處理DOC含量顯著高于ZYY處理，可能的原因是紫云英秸稈DOC含量低于小麥秸稈和油菜秸稈。

3.2 不同作物秸稈對水稻土壤不同形態(tài)氮的影響

土壤TN作為衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，可用來評價土壤氮素的儲存和供氮能力[28]。筆者研究中，培養(yǎng)初始，TN含量處于動態(tài)波動變化之中，各處理對土壤TN含量的影響不顯著，這與張雅潔等[29]研究結(jié)果有差異；可能的原因是在未添加外源氮的情況下，添加秸稈造成微生物大量繁殖，微生物需要從環(huán)境中吸收氮素來維持自身的生命代謝活動，微生物分解秸稈釋放氮，同時又大量吸收氮素，造成土壤處于氮缺乏狀態(tài)，故相較于CK，添加秸稈未提高土壤TN含量。

筆者研究中，培養(yǎng)20 d時，添加秸稈處理DON含量顯著低于CK處理，這可能是因為在培養(yǎng)初期，微生物活動劇烈，從土壤中吸收大量氮以維持其生命活動，MBN含量增加；隨著秸稈中易分解組分的分解，微生物對DON的吸收利用減緩，土壤中DON積累，DON含量逐漸升高，MBN含量開始降低。至培養(yǎng)后期，各處理DON含量開始降低，這與丁婷婷等[16]的研究結(jié)果一致；可能是因為隨著秸稈易分解組分的不斷分解，難分解組分占比上升，秸稈腐解進(jìn)入緩慢階段[30]，DON的積累速度不足以滿足微生物的活動需求，導(dǎo)致DON含量開始降低。

土壤礦質(zhì)態(tài)氮以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮為主，屬于有效氮[23]。閆德智等[31]以15N標(biāo)記秸稈的研究發(fā)現(xiàn)，添加秸稈后，土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量降低主要是由于微生物的固持作用及土壤原有氮素的損失引起。有研究表明，大約有55%～89%的無機(jī)氮由微生物氮礦化而來[32]。筆者試驗以等碳量添加不同秸稈，未添加外源氮來調(diào)節(jié)土壤碳氮比，故微生物為維持其生命代謝，需要從土壤環(huán)境中吸收礦質(zhì)態(tài)氮。添加秸稈處理微生物活動強度要高于CK處理，故在培養(yǎng)初期，ZYY、XM和YC處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量急劇降低，對比圖5可知，培養(yǎng)前期，MBN大量積累的時期正是礦質(zhì)態(tài)氮急劇降低的時期。培養(yǎng)結(jié)束時，添加紫云英秸稈、小麥秸稈和油菜秸稈的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量差異顯著，可能的原因是土壤碳氮比的差異所致。有研究發(fā)現(xiàn)，碳氮比較高的土壤會加速氮的固定，導(dǎo)致土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量降低[33]。

4 結(jié)論

(1)秸稈還田可以增加土壤碳含量，從增加土壤碳儲存角度來看，油菜秸稈效果最好。因秸稈中含有大量碳素，僅添加秸稈可能會導(dǎo)致微生物競爭吸收氮素，導(dǎo)致土壤全氮含量提升不明顯，降低土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量。

(2)小麥秸稈和油菜秸稈對土壤DOC含量的提升效果顯著優(yōu)于紫云英秸稈，紫云英秸稈和油菜秸稈對土壤MBC和MBN含量的提升效果顯著優(yōu)于小麥秸稈。

(3)紫云英秸稈對土壤EOC和DON含量的提升效果顯著，小麥秸稈和油菜秸稈對壤EOC和DON含量的提升效果不顯著。

綜上，油菜秸稈對提高土壤碳儲存、培肥土壤效果最好；紫云英秸稈對土壤活性碳氮含量的提升效果最好，油菜秸稈和小麥秸稈次之。