长期秸秆还田下土壤铵态氮的吸附解吸特征

丛日环，张丽，鲁艳红，黄庆海，石孝均，李小坤，任涛，鲁剑巍*

（1 华中农业大学资源与环境学院/农业部长江中下游耕地保育重点实验室，武汉 430070；2 湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙 410125；3 江西省红壤研究所，江西进贤 331717；4 西南大学资源环境学院，重庆 400716）

长期秸秆还田下土壤铵态氮的吸附解吸特征

丛日环1，张丽1，鲁艳红2，黄庆海3，石孝均4，李小坤1，任涛1，鲁剑巍1*

（1 华中农业大学资源与环境学院/农业部长江中下游耕地保育重点实验室，武汉 430070；2 湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙 410125；3 江西省红壤研究所，江西进贤 331717；4 西南大学资源环境学院，重庆 400716）

【目的】研究长期秸秆还田对不同轮作区域耕层和亚耕层的土壤铵态氮 (NH4+) 的吸附、解吸特征差异，通过 Langmuir 等温吸附方程拟合得 到 NH4+最大吸附量 (qmax) 和吸附系数 (b)，分析长期秸秆还田对不同土壤 NH4+的吸附、解吸特征差异及影响因素。 【方法】2015 年 10 月水稻收获后，在湖南望城 (稻-稻轮作)、江西 进 贤 (稻- 稻 轮 作)、 重 庆 北 碚 (稻-麦 轮 作) 三 个 长 期 定 位 试 验 点 (25 年) 采 集 不 施 肥 (CK)、 长 期 施 用 化 肥(NPK) 和长期秸秆还田配施化肥 (NPKS) 三个处理、0—20 cm 和 20—40 cm 两个土层的土样，进行土壤 NH4+的吸附-解吸室内试验，吸附试验为添加不同浓度的 NH4Cl 溶液振荡、离心后，测定滤液 NH4+浓度；解吸试验采用吸附试验后的土壤样品，经无水乙醇淋洗至无 NH4+后，再加入 0.01 mol/L 的 KCl 溶液振荡、离心后测定滤液NH4+浓度。 【结果】长期秸秆还田对不同试验点土壤 NH4+吸附-解吸特征的影响差异较大。处理间的差异主要表现在耕层土壤。当平衡溶液 NH4+浓度 ＜ 400 mg/L 时，不同试验点耕层和亚耕层处理间差异均不明显；当平衡溶液浓度 ＞ 400 mg/L 时，处理间耕层土壤对 NH4+吸附表现出差异，其中望城试验点土壤对 NH4+的吸附表现为 CK ＞ NPK ＞ NPKS，北碚试验点则表现为 CK ＞ NPKS ＞ NPK，且北碚试验点的紫色土对 NH4+的吸附显著高于望城和进贤试验点的红壤性水稻土。进贤试验点不同处理间差异不明显，且土壤对 NH4+的吸附量最低。 通过相关性分析发现，qmax和土壤 pH、阳离子交换量 CEC 呈显著正相关，而与土壤有机质和全氮含量呈显著负相关；b 与土壤性质的相关性与 qmax则相反。从土壤对 NH4+的解吸曲线来看，耕层和亚耕层土壤对 NH4+的解吸在各试验点不同处理间均表现为差异不显著，其中望城和进贤试验点的红壤性水稻土 NH4+的最大解吸量高于其吸附量，而北碚试验点的紫色土 NH4+的最大解吸量 (541.89～742.38 mg/kg) 则远低于其吸附量 (1003.83～2014.79 mg/kg)。 【结论】长期秸秆还田对不同土壤 NH4+的吸附-解吸作用影响不同，对于土壤吸附位点较多且钾离子含量丰富的紫色土而言，长期秸秆还田有利于土壤对氮的吸附；而对于土壤偏酸性的红壤性水稻土而言，长期秸秆还田则可能因为增加了土壤有机质含量而减少了土壤对铵态氮的吸附位点，从而降低了土壤对氮的吸附保持能力。

长期秸秆还田；NH4+的吸附-解吸；双季稻轮作；稻麦轮作；土壤 pH

铵态氮 (NH4+) 是植物吸收氮素营养的主要来源，也是土壤氮素转化过程中的重要产物。土壤对NH4

+的吸附主要是静电引力，吸附量的多少受土壤胶体数量和负电荷数量的影响[1]。其吸附能力决定了土壤供氮保氮能力。我国关于土壤对 NH4+的吸附解吸特征及规律研究较早。李庆逵[2]、陈家坊等[3]、谢鹏等[1]分别通过等温吸附的试验结果发现，Langmuir和 Freundlich 方程均能够很好的拟合出土壤/土壤胶体对 NH4

+的吸附量与平衡溶液中的 NH4+浓度。随后不同的研究者通过研究发现，Langmuir 适用于各种浓度的离子吸附，而 Freundlich 方程则更适合于中等浓度的离子吸附，且土壤对 NH4+的吸附以简单的Langmuir 等温方程与试验数据的吻合度最高[4]。李慧琳等[5]研究发现离子强度、土壤 pH、温度影响水稻土对 NH4+的吸附。姜桂华[6]、徐义军等[7]探讨了 NH4+在土壤中的吸附性能，研究发现土壤对 NH4+的吸附强弱与土壤粘粒含量正相关。作物秸秆是重要的有机肥源之一。据估计，我国目前秸秆直接还田量和残留还田量可达到 28000 多万吨，秸秆还田面积达到 2676 万公顷[8]。随着国家有机质提升项目的实施力度不断加大，我国秸秆还田的面积还会继续扩大，且长期秸秆还田成为一种趋势。秸秆还田在加强作物持续供氮能力的同时对提高氮肥利用率具有重要的作用[9-10]。秸秆配施氮肥是培肥土壤的有效途径之一[11-13]。由于秸秆自身的特性使其在提高土壤有机质的同时，对土壤 pH、土壤胶体等均产生影响[14-16]，从而改变氮的吸持、库容及其循环转化。因此，研究秸秆还田后土壤氮的固持与释放特征及其机制，对于了解农田土壤氮循环的规律以及秸秆还田条件下氮肥的合理施用具有非常重要的意义。

本研究选取湖南望城 (稻-稻轮作)、江西进贤(稻-稻轮作)、重庆北碚 (稻-麦轮作) 三个长期定位试验点 0—20 cm 和 20—40 cm 两个土层的三个试验处理 (不施肥、长期施用化肥和长期施用化肥配合秸秆还田) 土壤样品，分析长期秸秆还田对土壤 NH4+吸附、解吸的影响，旨在比较长期秸秆还田对不同轮作模式和土壤类型的 NH4+吸附、解吸特征差异，为秸秆还田影响土壤氮吸持机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本研究选取的 3 个长期定位试验点分别位于长江流域的湖南望城 (28°30′N、112°38′E，简称望城)、江西进贤 (28°15′N、110°20′E，简称进贤)、重庆北碚 (30°26′N、106°26′E，简称北碚)。3 个长期定位试验点始于 1981 年，至取样时均已超过 25 年，代表了我国长江流域典型的水稻土类型和种植制度。研究区域的自然和农业利用概况如表 1 所示。2015 年采集的不同层次土壤理化性质见表 2。其中望城试验点的土壤类型为第四纪红土发育的水稻土，质地为轻黏土，主要黏土矿物类型为高岭石；进贤试验点的土壤类型为第四纪红粘土发育的中度潴育型水稻土，质地为轻壤土，主要黏土矿物类型为高岭石；北碚试验点的土壤类型为侏罗纪沙溪庙组紫色泥岩发育而成的经水耕熟化而形成的紫色水稻土，质地为重壤土，主要黏土矿物类型为蒙脱石、云母-蒙脱石混层层间矿物。

1.2 试验设计

本研究选取的是在以上 3 个试验点的 3 个试验处理:1) 不施肥 CK；2) 施氮磷钾肥 (NPK)；3) 施氮磷钾肥 + 水稻秸秆 (NPKS)。其中，望城试验点氮肥施入量为早稻 N 150 kg/hm2和晚稻 N 180 kg/hm2，磷肥施入量为早、晚稻每季 P2O545 kg/hm2，钾肥施入量为早、晚稻每季 K2O 120 kg/hm2。稻草还田每季一次，还田量为早、晚稻每季 2100 kg/hm2。进贤试验点每季作物施用量分别为 N 90 kg/hm2、P2O545 kg/hm2和 K2O 75 kg/hm2，早稻施用紫云英 2.25 t/hm2，晚稻秸秆还田 (4500 kg/hm2)。北碚试验点在 1991～1996 年每季作物施用量分别为氮肥 N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2和钾肥 K2O 75 kg/hm2。1996 年秋季起，磷、钾肥用量均降为 60 kg/hm2；小麦氮肥用量降为 N 135 kg/hm2，秸秆还田每年一次 (小麦播种前还田)，还田量为7500 kg/hm2。秸秆还田方式为粉碎 10—20 cm 翻压还田。施用化肥类型均为尿素、过磷酸钙和氯化钾。

1.3 测试项目及方法

1.3.1土壤基础理化性状 各试验点于 2015 年春季早稻或单季稻种植前分别采集不同层次土壤样品(0—20 cm、20—40 cm)，每个小区随机选择 15 个取样点 (直径 5 cm)，之后用手轻轻混匀成 1 个混合土样。手动剔除可见根系等物质，将新鲜土壤样品密封于自封袋内带回实验室。风干磨细过筛后 (无机氮除外) 按照实验室常规方法测定各项指标[17]，具体为pH 按照水土比 2.5∶1，电位法测定；有机质用外加热重铬酸钾容量法；全氮用半微量开氏法，标准酸滴 定 ； 无 机 氮 使 用 流 动 分 析 仪 测 定[18]； 有 效 磷 用0.5 moL/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法；速效钾用1 mol/L NH4OAc 浸提—火焰光度法；阳离子交换量(CEC) 采用乙酸铵法测定。

1.3.2土壤NH4+的吸附、解吸曲线 土壤对 NH4

+吸附:称取 1.5 g 过0.5 mm 筛的风干土样 7 份，分别加入含 0、10、20、50、100、200、400 μg/mL 铵态氮(NH4Cl 配制而成) 溶液 15 mL，20℃ 条件下振荡 1 h，5000 r/min 离心 5 min，过滤，流动注射分析仪测定滤液中的铵态氮，以此计算土壤吸附量。以吸附量为纵坐标，平衡液浓度为横坐标绘制吸附曲线。

表1 研究地点水稻土基本概况Table 1 Basic information of the paddy soil in the three long-term experimental sites

表2 2015 年各试验点耕层 (0—20 cm) 和亚耕层 (20—40 cm) 土壤理化性质Table 2 Soil basic physical and chemical properties in the surface (0-20 cm) and subsurface (20-40 cm) depth of the long-term experiment sites in 2015

土壤对 NH4+解吸:上述吸附试验后的土壤样品，经无水乙醇淋洗至无 NH4+后，再加入 0.01 mol/L的 KCl 溶液 15 mL，在 20℃ 条件下连续恒温振荡 1 h，5000 r/min 离心 5 min，过滤，流动注射分析仪 (德国SEAL，AA3) 测定滤液中的 NH4+，计算 NH4

+的解吸量，作出 NH4+的等温解吸曲线[19]。1.3.3 数据分析本文采用 Langmuir 吸附等温模型进行不同处理土壤对 NH4+的吸附特征的拟合。

Langmuir 吸附等温模型为:

式 中 ，qmax为 单 位 质 量 土 壤 对 NH4+的 饱 和 吸 附量 (mg/kg)，为容量因子；b 为与吸附热有关的吸附系数，为强度因子，其值越大表示吸附能力越强；qmax与 b 的乘积代表土壤的最大缓冲容量 MBC (mg/kg)，是吸附 NH4+的容量和强度两个因子的综合参数，一般认为它能较好的表征土壤吸附的特性；qe为平衡时单位质量土壤对 NH4+的吸附量 (mg/kg)；Ce为平衡时溶液中的 NH4+质量浓度 (mg/L)。

采用 Origin9.0 进行制图和非线形拟合分析。变量之间的相关显著性用 person 系数和 F 检验。

2 结果与分析

2.1 长期秸秆还田对土壤 NH4+吸附特征的影响

图1 不同处理土壤 NH4+吸附量的动力学Fig. 1 Dynamic of soil NH4+adsorption affected by different treatments

如图 1 所示，土壤对 NH4+的吸附均随着添加NH4+浓度的提高而增加，但不同试验处理对耕层土壤氮的吸附影响差异较大。就望城试验点而言，耕层土壤对 NH4+的吸附表现为 CK ＞ NPK ＞ NPKS。当加入的 NH4+浓度低于 400 mg/L 时，各处理间 NH4+吸附量差异较小；随着添加 NH4+浓度的增加，其吸附量逐渐增大，处理间差异逐渐明显。当添加的NH4+浓度达到 400 mg/L 时，NPK 和 NPKS 处理对NH4+的 吸 附 达 到 饱 和 ， 分 别 为 472.42 mg/kg 和383.41 mg/kg；而 CK 处理则在 NH4+浓度 800 mg/L时达到饱和 (756.44 mg/kg)。20—40 cm 土层各处理均在平衡溶液 NH4+浓度为 200 mg/L 时达到吸附饱和点 (365.68～427.14 mg/kg)，其中 CK 处理的 NH4+吸附量略高于 NPK 和 NPKS 处理。北碚试验点与望城类似，当平衡溶液 NH4+浓度低于 400 mg/L 时，各处理间耕层土壤 NH4+吸附量差异较小；当平衡溶液浓度 ＞ 400 mg/L 时，处理间差异较大，表现为 CK ＞NPKS ＞ NPK。至添加浓度为 1000 mg/L，CK 和NPKS 处理耕层土壤 NH4+吸附量仍未达到饱和，吸附量达到 2014.79 mg/kg 和 1531.39 mg/kg，而 NPK处 理 在 浓 度 为800 mg/L 时 达 到 最 大 吸 附 量(1003.83 mg/kg)；亚耕层不同处理则均在 400 mg/L达到吸附饱和 (846.15～1184.12 mg/kg)。进贤定位试验点添加不同浓度的 NH4+其处理间差异均不明显，且饱和吸附量最小，耕层和亚耕层的吸附饱和点分别为 215.09～267.68 mg/kg (添加 NH4+浓度为200 mg/L) 和 444.64～576.33 mg/kg (添加 NH4+浓度为 400 mg/L)。

2.2 土壤对 NH4+的吸附等温线的平衡模拟及其影响因素

如表 3 所示，Langmuir 等温吸附方程对耕层土壤 NH4

+的吸附等温线的拟合更为准确，相关系数 R2在 0.9073～0.9938 范围内，且不同处理的拟合均达到显著水平。对于亚耕层土壤而言，采用方程并不能很好的描述土壤 NH4+的吸附。由 Langmuir 等温吸附方程得出的 qmax表示土壤对 NH4+的最大吸附量，其大小能反映出不同处理的土壤中 NH4+的容量。其中，北碚试验点土壤的值最高 (1207.54～4696.18 mg/kg)，进贤试验点的值最低 (272.96～533.57 mg/kg)。不同处理间同样表现为望城、北碚试验点 CK 处理值高于 NPK 和 NPKS 处理，而进贤试验点则表现为处理间差异不明显。长期秸秆还田处理的 qmax值仅在稻麦轮作的北碚试验点高于 NPK 处理。比较耕层土壤的最大缓冲容量 (MBC) 发现，望城和北碚试验点处理间差异较大，且 CK 处理的 MBC 值仅为 0.57～0.94；而进贤试验点各处理间的 MBC 值则差异不明显 (5.02～6.02 mg/kg)，其 CK 处理 MBC 值远高于望城和北碚试验点。

分析耕层土壤 NH4+最大吸附量 qmax、b 值与土壤理化性质的相关性 (表 4) 发现，耕层土壤 qmax值与土壤 pH、CEC 成显著正相关，而与土壤有机质、全氮成显著负相关。而耕层土壤 b 值则呈现相反的规律，其与土壤 pH、CEC 成显著负相关，而与土壤有机质、全氮成显著正相关。即土壤 pH 越高，CEC验点的土壤 NH4+解吸量均高于其吸附量。北碚试验点两个土层的土壤 NH4+解吸量均显著低于其吸附量，不同处理 NH4

表3 运用 Langmuir 等温吸附方程模拟的土壤对 NH4+的吸附参数和决定系数 R2Table 3 Simulated NH4+adsorption and determination coefficient R2using the estimated Langmuir model

表4 耕层土壤 NH4+最大吸附量 (qmax) 与土壤性质的相关性 (r，n = 9)Table 4 Correlation analysis of maximum NH4+adsorption (qmax) and soil properties in the 0-20 cm soils

+解吸量表现为 CK ＞ NPK ＞ NPKS。在上述添加 1000 mg NH4+/L 吸附的耕层土壤样品中，其添加KCl 溶液解吸得到的 NH4+量为 541.89～742.38 mg/kg。与其吸附量相比，NH4+解吸量减少了 379.19～1272.41 mg/kg，减少幅度为 38.0%～64.6%，减幅最高和最低的分别为 NPKS 和 NPK 处理。研究结果表明，与长期施用化肥相比，长期秸秆还田配施化肥处理的土壤对外源 NH4+的吸附保持作用更强。值越大，则最大吸附量越大，而吸附强度越低；耕层有机质和全氮含量越高，则最大吸附量值越低，而吸附强度越高。

2.3 长期秸秆还田对土壤 NH4+解吸特征的影响

与吸附曲线相比，各长期定位试验点不同处理间的 NH4

+解吸曲线差异较小 (图 2)。不同处理土壤的NH4+解吸量随加入铵态氮浓度的增加而变大。对于同一处理，其吸附量越大则解吸量越大。望城和进贤试验点两个土层的不同处理间 NH4+解吸量均差异较小，且表现为 NPKS 处理略高于 CK 和 NPK 处理。两个试

图2 不同处理土壤 NH4+解吸量的动力学Fig. 2 Dynamic of soil NH4+desorption affected by different treatments

3 讨论

土壤对 NH4+的吸附解吸能力受到土壤性质 (黏土矿物类型、母质、质地土壤阳离子交换量、土壤水溶性钾含量、黏土矿物层间钾饱和度、土壤 pH值、土壤有机质)、环境因素 (温度、湿度) 和人为因素 (施肥等) 的共同影响[20-23]。

3.1 黏土矿物类型和土壤母质

土壤胶体的表面性质决定了在土壤中 NH4+的吸附特性。谢鹏等[1]通过对我国不同地带的五种主要土类的土壤胶体 NH4+的吸附特征研究发现，土壤吸附NH4+的等温吸附方程的吸附系数与黏土矿物组成有关，其吸附量与阳离子交换量 CEC 表现为正相关。黏粒矿物组成的差异决定土壤胶体表面电荷性质的差别。本试验中，进贤试验点和望城试验点同属于红壤性水稻土，黏土矿物类型以高岭石为主。两个试验点的 NH4+最大吸附量均低于北碚试验点的紫色土 (黏土矿物类型以水云母和蛭石为主)。

3.2 土壤质地

姜桂华等[6]对关中河漫滩、阶地、山前洪积扇等地区浅部土壤的吸附研究中发现，NH4+的吸附更符合 Langmuir 等温吸附模型，并表明土壤颗粒越细，粒径 ≥ 0.01 mm 的砂粉粒百分含量越低，粒径 ＜0.005 mm 的粘粒百分含量越高, 吸附性就越强。薛泉宏 等[24]对 陕 西 省 五 种 不 同 质 地 的 土 壤 进 行 NH4+吸附、解吸动力学性质研究，发现吸附量主要受粘粒含量的影响，即:粘土 ＞ 壤土 ＞ 砂土。本研究中，土壤对的吸附量表现为望城试验点 (轻黏土) ＞ 进贤试验点 (轻壤土)，也符合这一规律。

3.3 土壤阳离子交换量

通过 Langmuir 方程拟合得到的 qmax反映土壤对NH4

+的最大物理吸附量，反映土壤胶体吸附点位的多少，是土壤吸附的数量指标；b 为吸附常数，反映土壤胶体与 NH4+亲和力的大小，在一定程度上代表土壤对 NH4+的结合能。当 b 值为正值，说明反应在常温下能自发进行，b 值的大小反映其自发程度，b越大，反应的自发程度越强，生成物越稳定。薛泉宏 等[24]通 过 研 究 陕 西 省 五 种 代 表 性 土 壤 吸 附 、 解 吸NH4

+的动力学特征发现，NH4+的吸附、解吸平衡时的吸附、解吸量均随着土壤粘粒含量和 CEC 的增加而不同程度的提高。本研究发现 qmax与 CEC 呈显著正相关，而 b 与 CEC 呈显著负相关，即土壤 CEC 值越大，土壤胶体吸附点位越多，土壤对 NH4+的最大吸附量值越大，土壤胶体与 NH4+的亲和力越小。

3.4 土壤 pH

土壤对 NH4+的吸附可分为电性吸附和专性吸附，而 pH 对这两类吸附都有影响。在电性吸附中，pH 通过对离子形态、氧化物表面性质和离子竞争作用的影响，增加土壤对 NH4+的吸附。而专性吸附通过影响水解作用、氢离子的作用、氧化物及其水合物表面羟基的形态等改变 NH4+吸附。一般认为土壤对 NH4+的吸附以电性吸附为主。总之，土壤 pH 对于 NH4+吸附的影响无论是对专性吸附还是电性吸附，其趋势基本一致，即土壤 pH 升高将增加土壤对NH4+的吸附[23]。对于在低浓度范围内土壤对 NH4+的吸附随 pH 的改变基本无变化，可认为是溶液中的NH4+被土壤表面不饱和位点迅速吸附。本研究通过相关性分析发现，最大吸附量 qmax与 pH 呈显著正相关。本研究中北碚试验点土壤 pH 值显著高于湖南望城和江西进贤试验点，属于碱性土壤，从而使得土壤对 NH4+的吸附、解吸量均明显高于后者，且重庆北碚定位试验点的 NH4+吸附量远高于其解吸量，表明紫色土中存在更多的吸附位点[25]。

3.5 土壤有机质含量

多数研究者认为土壤固定铵量随着土壤有机质的增加而降低[26-27]。有研究表明，土壤 NH4+吸附量会随着有机质含量的提高而降低，原因可能是土壤有机质的提高而降低了 NH4+的吸附位点[26]。刘敏等发现沉积物对 NH4+的吸附系数有较好的正相关关系，反映了对于富含有机质的沉积物而言，有机质是控制沉积物对 NH4+吸附行为的主要因素[28]。本研究同样发现，对于不同母质、轮作制度的土壤而言，土壤有机质与土壤对 NH4+的吸附系数 b 显著正相关，而与 NH4+最大吸附量 qmax呈显著负相关。望城和进贤试验点主要粘土矿物类型均为高岭石，然而土壤对 NH4+的吸附能力表现为进贤试验点最低，且不同处理间差异不明显。其原因可能与其土壤较低 的pH (5.05～ 5.23) 和 较 高 的 土 壤 有 机 质 含 量(33.62～38.03 g/kg) 有关。

3.6 施肥

在双季稻轮作的望城试验点，NPKS 处理的NH4+吸附量低于 NPK 处理；而在稻麦轮作的北碚试验点则表现为 NPKS 处理的 NH4+吸附量低于 NPK处理。两个试验点表现出的差异可能与两者差异较大的土壤性质有关。有研究指出，施用化肥所带入的 NH4+可以快速的被土壤中的粘土矿物层间截获固定，当土壤水分增加后固定的 NH4+又将很快从矿物层间释放出来[21]。而秸秆还田以及有机肥料的投入则导致被截获存留在矿物层间的 NH4+被有机物质分解后的低分子量有机酸等大分子阻止，从而影响其扩散及释放的行为，导致粘土矿物的层间收缩[27]。Qiu等[22]通过15N 标记试验证实，秸秆还田显著减少了水稻土新固定的 NH4+。

4 结论

不同试验点土壤对 NH4+的吸附、解吸影响不同。从土壤对 NH4+的解吸曲线来看，耕层和亚耕层土壤对 NH4

+的解吸在各试验点不同处理间均表现为差异不明显，其中望城和进贤试验点的红壤性水稻土 NH4+的最大解吸量高于其吸附量，而北碚试验点的紫色土 NH4+的最大解吸量 (541.89～742.38 mg/kg)则远低于其吸附量 (1003.83～2014.79 mg/kg)。吸附的处理间差异主要表现在耕层土壤。当平衡溶液NH4

+浓度 ＜ 400 mg/L 时，不同试验点耕层和亚耕层处理间差异均不明显；当平衡溶液浓度 ＞ 400 mg/L时，处理间耕层土壤对 NH4+吸附表现出差异，其中望城试验点土壤对 NH4+的吸附表现为 CK ＞ NPK ＞NPKS，北碚试验点则表现为 CK ＞ NPKS ＞ NPK，且北碚试验点的紫色土对 NH4+的吸附显著高于望城和进贤试验点的红壤性水稻土。进贤试验点不同处理间差异不明显，且土壤对 NH4+的吸附量最低。通过Langmuir 等温吸附方程拟合发现，耕层土壤最大吸附量与土壤 pH、CEC 呈显著正相关，与土壤有机质和全氮呈显著负相关；而吸附系数则表现为相反的相关关系。研究结果表明，长期秸秆还田对不同土壤氮的吸附-解吸作用影响不同，对于土壤吸附位点较多的紫色土而言，长期秸秆还田有利于土壤对氮的吸附；而对于土壤偏酸性的红壤性水稻土而言，长期秸秆还田则可能因为增加了土壤有机质含量而减少了土壤对铵态氮的吸附位点，从而降低了土壤对氮的吸附保持能力。

致谢：感谢长期坚守和奋斗在湖南望城，江西进贤和重庆北碚长期定位试验点的工作人员对本研究给予的大力支持和帮助。

[1]谢鹏, 蒋剑敏, 熊 毅. 我 国 几 种 主要土壤胶体的NH4+吸 附 特 征[J].土壤学报, 1988, 25(2)： 175-183. Xie P, Jiang J M, Xiong Y. Characteristics of ammonium adsorption by colloids of some main soils in China[J]. Acta Pedologica Sinica, 1988, 25(2)： 175-183.

[2]李 庆 逵. 中 国 各 主要 土类 固 定 硫 酸铵 之程 度[J]. 土 壤特 刊 乙 种, 1938, 4.Li Q K. The degree of fixed ammonium sulfate in the main soil types of China[J]. Soil(special issue 4), 1938.

[3]陈 家 坊, 蒋佩 弦. 几 种水稻土 对 铵 离 子的吸附 特 性[J]. 土壤学报, 1963, 11： 171. Chen J F, Jiang P X. Adsorption characteristics of ammonium ion in several kinds of paddy soil [J]. Acta Pedologica Sinica, 1963, 11：171.

[4]付海曼, 贾黎明. 土壤对氮、磷 吸附/解吸附特性研究进展[J]. 中国农学通报, 2009, 25(21)： 198-203. Fu H M, Jia L M. Study progress of nitrogen and phosphate adsorption and desorption in soils [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2009, 25(21)： 198-203.

[5]李慧琳, 韩勇, 蔡祖聪. 不同反应 条件下太湖地区水稻 土对NH4+的等温吸附特性[J]. 土壤通报, 2009, 40(1)： 89-95. Li H L, Han Y, Cai Z C. Equilibrium of ammonium adsorption in paddy soils of Taihu Region of China under different reaction conditions [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(1)： 89-95.

[6]姜 桂 华. 铵态氮在土壤中吸 附 性 能探讨[J]. 长 安大学学报(建筑与环境科学版), 2004, 21(2)： 32-38. Jiang G H. Discussion about NH4+-N adsorptive ability in soils[J]. Journal of Chang'an University (Arch. & Envir. Science Edition), 2004, 21 (2)： 32-38.

[7]徐义军, 吴文勇, 刘洪禄, 等. 再生水灌溉条件下典型土壤铵氮吸附解吸试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2008, 27(4)： 14-17, 24. Xu Y J, Wu W Y, Liu H L, et al. Adsorption and desorption of NH+-

4N of reclaimed water in representative soils[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2008, 27(4)： 14-17, 24.

[8]毕于运. 秸秆资源评价与 利用研 究[D]. 北京： 中国农业科学院博士论文, 2010. Bi Y Y. Study on straw resources evaluation and utilization in China[D]. Beijing： PhD Dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2010.

[9]杨 宪龙, 路永莉, 同延 安, 等. 长期施氮和秸秆 还 田对小麦-玉米轮作体系土壤氮素平衡的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(1)：65-73. Yang X L, Lu Y L, Tong Y A, et al. Effects of long-term N application and straw returning on N budget under wheat-maize rotation system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(1)： 65-73.

[10]苏伟. 稻草还田对油菜生长、土壤肥力的综合效应及其机制研究[D]. 武汉： 华中农业大学博士论文, 2014. Su W. The effects and mechanism of straw retaining on winter oilseed rape growth and soil fertility [D]. Wuhan： PhD Dissertation of Huazhong Agricultural University, 2014.

[11]Yang H, Yang B, Dai Y, et al. Soil nitrogen retention is increased by ditch-buried straw return in a rice-wheat rotation system[J]. European Journal of Agronomy, 2015, 69, 52-58.

[12]Wang X, Yang H, Liu J, et al. Effects of ditch-buried straw return on soil organic carbon and rice yields in a rice-wheat rotation system[J]. CATENA, 2015, 127, 56-63.

[13]Zhou P, Sheng H, Li Y, et al. Lower C sequestration and N use efficiency by straw incorporation than manure amendment on paddy soils[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016, 219, 93-100.

[14]Blanco-Canqui H, Lal R. Corn stover removal for expanded uses reduces soil fertility and structural stability [J]. Soil Science Society of America Journal, 2009, 73： 418-426.

[15]Govaerts B, Sayre K D, Lichter K, et al. Influence of permanent raised bed planting and residue management on physical and chemical soil quality in rain fed maize/wheat systems[J]. Plant and Soil, 2007, 291： 39-54.

[16]Fuentes M, Govaerts B, De León F, et al. Fourteen years of applying zero and conventional tillage, crop rotation and residue management systems and its effect on physical and chemical soil quality[J]. European Journal of Agronomy, 2009, 30： 228-237.

[17]鲍士旦. 土壤农化分析(第三版) [M]. 北京： 中国农业出版社, 2000. Bao S D. Soil and agricultural chemistry analysis (3rd ed.) [M]. Beijing： China Agriculture Press, 2000.

[18]化党领, 张诗卉, 王瑞, 等. 施氮量对植烟土壤不同土层无机氮质量含量的调控[J]. 中国水土保持科学, 2012, 10(6)： 86-91. Hua D L, Zhang S H, Wang R, et al. Regulation of soil inorganic nitrogen by applying different nitrogen rate on flue-cured tobaccoplanting soil[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2012, 10(6)：86-91.

[19]谢红梅, 朱 波, 朱钟麟. 紫色土NH4+、NO3-的吸附-解吸特性研究[J]. 土壤肥料, 2006, (2)： 19-22. Xie H M, Zhu B, Zhu Z L. Research on the adsorption and desorption characteristics of ammonia and nitrate in purple soil[J]. Soil Fertilizer, 2006(2)： 19-22.

[20]Karlen D L, Hunt P G and Campbell R B. Crop residue removal effects on corn yield and fertility of a Norfolk sandy loam[J]. Soil Science Society of America Journal, 1984, 48： 868-872.

[21]Nieder R, Benbi D K, Scherer H W. Fixation and defixation of ammonium in soils： a review[J]. Biology and Fertility of Soils, 2011, 47： 1-14.

[22]Qiu S J, Peng P Q, Li L, et al. Effects of applied urea and straw on various nitrogen fractions in two Chinese paddy soils with differing clay mineralogy[J]. Biology and Fertility of Soils, 2012, 48(2)：161-172.

[23]雷婷. 鄱阳湖南矶山湿地土壤对氮的吸附与释放特性初步研究[D]. 南昌： 南昌大学硕士论文, 2008. Lei T. Study on nitrogen adsorption and release of wetland soils in the Nanjishan nature reserve of Poyang Lake[D]. Nanchang： MS Thesis of Nanchang University, 2008.

[24]薛泉宏, 尉庆丰, 高彦, 等. 陕西省几种代表性土壤NH4+吸附、解吸动力学特征研究[J]. 土壤学报, 1996, 33(2)： 129-137. Xue Q H, Wei Q F, Gao Y, et al. Kinetic characteristics of NH+4adsorption-desorption for five major soils in Shaanxi Province[J]. Acta Pedologica Sinica, 1996, 33(2)： 129-137.

[25]何毓蓉. 中国紫色土： 下篇[M]. 北京： 科学出版社, 2003. 47-91. He Y R. Purple soils in China： II [M]. Beijing： Science Press, 2003. 47-91.

[26]Kowalenko C G, Yu S. Solution. Exchangeable and clay-fixed ammonium in south coast British Columbia soils[J]. Canadian Journal of Soil Science, 1996, 76： 473-478.

[27]Sarathchandra S U, Ghani A, Yeates G W, et al. Effect of nitrogen and phosphate fertilizers on microbial and nematode diversity in pasture soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33： 953-964.

[28]刘敏, 候立军, 许世远, 等. 长江河口潮滩表层沉积物对NH4+-N的吸附特征[J]. 海洋学报, 2005, 27(5)： 60-65. Liu M, Hou L Y, Xu S Y, et al. The characteristics of NH4+-N adsorption on intertidal sediments of the Changjiang Estuary in China [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2005, 27(5)： 60-65.

Adsorption-desorption characteristics of soil ammonium under long-term straw returning condition

CONG Ri-huan1, ZHANG Li1, LU Yan-hong2, HUANG Qing-hai3, SHI Xiao-jun4, LI Xiao-kun1, REN Tao1, LU Jian-wei1*
[ 1 Resources and Environment College, Huazhong Agricultural University /Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangte River), Ministry of Agriculture, Wuhan 430070, China; 2 Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Changsha 410125, China; 3 Research Institute of Red Soil of Jiangxi Province, Jinxian, Jiangxi 331717, China; 4 College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China ]

【Objectives】The experiment was to study the effects of long-term straw incorporation on soil ammonium (NH4+) adsorption-desorption characteristics under the surface and subsurface soil level across different cropping systems. Langmuir equation was used to find the maximum adsorption amount (qmax) and adsorption index (b) in order to explore the NH4+adsorption-desorption difference among different soil types andthe relevant impact factors. 【Methods】Soil samples of 0-20 cm and 20-40 cm depth were taken from the long-term fertilization experiments in Wangcheng (Hunan Province, double rice rotation), Jinxian (Jiangxi Province, double rice rotation), and Beibei (Chongqing City, rice-wheat rotation) after rice/late rice harvest in October, 2015. The treatments included were CK (no fertilization), NPK (chemical fertilizers only) and NPKS (straw returning with chemical fertilization), and soil ammonium N (NH4+) adsorption-desorption experiment using the sampled soils was conducted in the laboratory. For the NH4+adsorption experiment, different concentrations of NH4Cl solution were added in the soil samples. After oscillation and centrifugation, the amount of NH4+adsorption was the NH4+content in the filtrate. The above soil samples were then eluted by anhydrous ethanol until no NH4+could be tested. Adding 0.01 mol/L KCl solution with oscillation and centrifugation, and then we analyzed the NH4+content in the filtrate as NH4+desorption amount. 【Result】Effects of long-term straw returning on soil N adsorption and desorption characters were different across the three sites. NH4+adsorption difference was mainly detected in the surface soil. There was no difference of NH4+adsorption among the treatments and soil layers when NH4+＜ 400 mg/L in the balanced solution. However, NH4+adsorption in the surface layer showed difference among the treatment when NH4+＞ 400 mg/L in the balanced solution. At Wangcheng site, N adsorption showed as CK ＞ NPK ＞ NPKS. However, at Beibei, N adsorption showed as CK ＞NPKS ＞ NPK. N adsorption was found significant higher in the purple soil at Beibei than that in the red soil at Wangcheng or Jinxian sites. NH4+adsorption was not different among the treatments at Jinxian, where was showed the lowest N adsorption among the three sites. Based on the correlation analysis, qmaxwas showed significant positive correlation with soil pH and soil cation exchange capacity (CEC), but negative correlation with soil organic matter and total nitrogen. Whereas the correlation of b value and soil properties was opposite to qmax. For the NH4+desorption, there was no significant difference among the samples with different treatment from all three sites. NH4+desorption was higher than the NH4+adsorption at Wangcheng and Jinxian, whereas maximum NH4+desorption (541.89-742.38 mg/kg) was much lower than NH4+adsorption (1003.83-2014.79 mg/kg) at Beibei. 【Conclusions】Long-term straw returning shows different impact on soil N adsorption-desorption in different soil types. As the straw returning increase the organic matter content and decrease the adsorption point of a soil, the N adsorption will be improved by long-term straw returning in purple soil on which there are more adsorption spots and higher potassium ion content, but that will be reduced in the red soil where the soil pH is lower and soil organic matter content is higher.

long-term straw returning; NH4+adsorption-desorption; double rice cropping rotation; rice-wheat cropping rotation; soil pH

2016-08-10 接受日期：2016-12-16

国家自然科学基金项目（41301319）；湖北省自然科学基金项目（2013CFB203）资助。

丛日环（1982—），女，辽宁丹东人，博士，讲师，主要从事土壤肥力培育与养分综合管理研究。

Tel:027-87288589，E-mail:congrh@mail.hzau.edu.cn。* 通信作者 Tel:027-87288589，E-mail:lunm@mail.hzau.edu.cn