秸秆与不同水平氮素配施对陇中黄土高原旱作农田土壤氮素矿化的影响

贺永岩，武 均，2，张仁陟，2，3*，张世汉，郭万里

（1甘肃农业大学资源与环境学院，兰州730070；2甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州730070；3甘肃省节水农业工程技术研究中心，兰州730070）

氮素在土壤氮库中的转化是微生物驱动下的生物化学过程［1］，而土壤微生物的生存与繁衍主要由土壤有机碳提供碳源和能源，所以氮素养分在土壤氮库中的转化主要受土壤有机碳的调控［2］。陇中黄土高原雨养农业区干旱缺水，土壤有机碳储量较低，土壤对氮素养分的调控能力弱。当地农民为提高作物产量不断增大氮素添加量，这种氮素不合理的施用现象加速了温室气体排放以及硝态氮的淋溶，使该区生态环境受到严重威胁［3］。如何提高陇中黄土高原区农田生产力，减少环境污染，是一个亟待解决的问题。

秸秆还田是我国目前普遍推广的土壤培肥措施，不仅能有效提高土壤有机质含量、改善土壤理化性质和培肥土壤［4］，同时还能增强土壤微生物的作用［5］，提高作物秸秆的有效利用，进而促进农业生产的良性循环［6］。宋庆妮等［7］研究发现，作物生长所需要的氮素主要源于施入肥料氮和土壤中有机氮的矿化，土壤氮素矿化很大程度上反映了土壤的供氮能力。秸秆还田能明显促进土壤氮素累积矿化量的提高［8］；土壤氮素矿化水平因土壤及秸秆类型的不同而不同［9］，但秸秆配施氮素是否能够显著提高土壤氮素矿化水平尚存争议。鉴于此，本试验基于2014年布设于甘肃省定西市李家堡镇麻子川村的甘肃农业大学旱作农业综合试验站秸秆配施氮素田间定位试验，采用Stanford间歇淋洗培养法，进行土壤氮素矿化的研究，旨在探明陇中黄土高原旱作农田下秸秆配施氮素对土壤氮素矿化的影响，为提升该区域农田生产力，解决环境污染提供科学依据。

1 试验设计与方法

1.1 试验区概况

试验区位于陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的甘肃省定西市李家堡镇麻子川村（35°28′N，104°44′E）。试区干旱少雨，属中温带半干旱区，农田土壤为典型的黄绵土，质地均匀，土质绵软。平均海拔2000 m，无霜期140 d，年均日照时数2476.6 h，年均太阳辐射594.7 kJ/cm2，年均气温6.4℃，≥0℃积温2933.5℃，≥10℃积温2239.1℃；多年平均降水量390.9 mm，年蒸发量1531 mm，80%保证率的降水量为365 mm，变异系数为24.3%，为典型的雨养农业区。

1.2 试验设计

土样采自甘肃农业大学旱作农业综合试验站2014年布设于甘肃省定西市李家堡镇麻子川村的秸秆配施氮素试验。2018年春播前利用5点法依次采集0～30 cm土壤500 g左右，分别混匀，然后按层次装于自封袋内。土样采回后置于室内风干，挑去细根，磨细过2 mm筛后，用于培养试验。

试验涉及氮素、秸秆2个因素。小麦秸秆于每年收获后利用铡草机切割为3～5 cm长小段均匀散布于还田小区内，并利用旋耕机将其翻埋入土壤（三耕两耱，耕深18±2 cm）。各处理于每年播种前均施入 P2O5105 kg/hm2（过磷酸钙，P2O5含量14%）。试验中所添加氮素为尿素（纯氮含量46%），于每年播种前根据各处理所需用量同磷肥一并均匀撒施于各小区后，迅速利用播种机播种（播深7±2 cm），待肥料与土壤混合，利用耙耱将地耱平。供试小麦秸秆含碳量384.9 g/kg，含氮量为5.5 g/kg。试验设4个处理，具体情况见表1。

表1 处理描述Table 1 Treatments description in the experiment

试验采用Standford间歇淋洗培养法［10］：

（1）在淋洗管底端铺三层玻璃丝和两层滤纸；

（2）称取20 g过2mm筛的风干土，与等量粒状石英砂充分混合；

（3）将混合物小心转入准备好的淋洗管中，充分混匀，其上铺少量玻璃丝以避免淋洗液的直接冲击；

（4）在装有混合物的淋洗管中加入100 mL 2 mol/L KCl溶液以淋洗土壤起始矿质氮；

（5）淋洗后加入25 mL无氮营养液（0.002 mol/L CaSO4·2H2O，0.002 mol/L MgSO4，0.005 mol/L Ca（H2PO4）2·2H2O，0.0025 mol/L K2SO4）；

（6）在60 cm汞柱的负压下用真空抽气泵抽提多余的营养液，以保持良好通气；

（7）加盖橡皮塞，放入28℃恒温培养箱中暗培养。培养期间用重量法维持土壤水分在田间持水量的65%不变，并每天通气5 min；

（8）培养的 7、15、22、30、45、60、90、120 d，取出淋洗管按上述（4）～（7）方法进行淋洗并收集淋洗液；

（9）测定全氮、铵态氮、硝态氮和有机氮组分。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤无机氮的测定

（1）硝态氮：KCl浸提，全自动间断化学分析仪测定（Smart chemH140，Italy）。

（2）铵态氮：KCl浸提，全自动间断化学分析仪测定（Smart chemH140，Italy）。

1.3.2 土壤有机氮的测定

Bremner酸解法［11］。根据性质的不同，有机氮可以分成两部分，一部分是可以酸解的，另一部分是不可以酸解的。

酸解液的制备：称取约含10 mg氮的土壤样品（过100目筛）放入磨口三角瓶中，加2滴正辛醇和6 mol HCl 20 mL，摇动瓶子使土壤样品和试剂充分混合。在电热板上水解回流12 h，温度始终控制在120±3℃，然后过滤，过滤液总体积不超过60 mL。过滤液用1 mol和5 mol NaOH以及6 mol HCl调至pH为6.5±0.3，定容至100 mL，放入冰箱备用。

用凯氏法分别测定酸解总氮、酸解氨态氮和氨基糖氮、酸解氨基酸态氮。

1.4 数据整理及统计方法

利用 Microsoft Excel 2013作图制表，采用SPSS19.0进行统计分析，多重比较采用新复极差法。

各时段氨化速率 =CT（NH4+-N）/T；

酸解氨基糖态氮：酸解氨态氮和氨基糖氮与酸解氨态氮的差值；

非酸解态氮为土壤全氮与酸解态氮和无机态氮总量的差值；

式中：C—含量，C0—0 d的含量，T—观测时段（T≥1）。

2 结果与分析

2.1 秸秆在不同氮素添加水平下对土壤氮素矿化速率的影响

各处理土壤氨化速率均呈现出0～7 d缓慢增大，7～15 d迅速增大，15～120 d逐渐降低并稳定的趋势；硝化速率则呈现出0～7 d迅速增大，7～15 d迅速减小，15～45 d缓慢降低，45～120 d逐步稳定的趋势。在不同培养时期，秸秆在不同水平氮素添加下对氨化速率的影响均未达到显著水平；对硝化速率的影响仅在0～7 d的培养阶段达到显著水平，与N0处理比较，SN0处理土壤硝化速率显著降低48.54%。在120 d的培养期内，氨态氮仅在0～30 d内产生，而硝态氮在整个培养期均有产生（表 2）。

表2 各处理的土壤氮素矿化速率比较 m g/kg·dTable 2 Effects of straw on soil nitrogen m ineralization rate under different nitrogen levels

2.2 秸秆在不同氮素添加水平下对土壤氮素累积矿化量的影响

与N0处理相比，SN0、SN50、SN100处理土壤氮素累积矿化量分别下降了19.14%、17.22%、13.47%，且与SN0、SN50处理间差异达到显著水平（表3）。

表3 不同氮素添加水平下的土壤氮素累积矿化量 mg/kg Table 3 Effect of straw on soil inorganic nitrogen accumulation at different nitrogen levels

经检验，氮素添加对土壤氮素累积矿化量未发挥显著效应（F=0.374；S=0.699），而秸秆对其发挥了显著效应（F=8.234；S=0.021）。

2.3 土壤有机氮组分含量变化

经过120 d的培养，土壤酸解总有机氮、酸解氨基酸态氮、酸解氨基糖态氮、酸解氨态氮和酸解未知态氮含量降低，而未酸解态氮含量增加。各处理的酸解态有机氮组分表现出基本相同的降低趋势，即酸解氨基酸态氮＞酸解未知态氮＞酸解氨态氮＞酸解氨基糖态氮，且酸解总氮的降低量大于无机氮的累积量，但均未达到显著差异（表4）。

表4 土壤有机氮组分变化 mg/kgTable 4 Changes of soil organic nitrogen com position

3 讨论

土壤氮素矿化可以在通气条件下进行，也可以在淹水条件下进行。通气培养既可矿化易分解有机氮，又可矿化难分解有机氮，而淹水培养仅可使易分解的有机氮得到矿化［12］。本研究发现，培养初期（0～7 d）氨化速率、硝化速率显著提高，培养中期（7～45 d）氨化速率、硝化速率逐渐降低，培养后期（45～120 d）氨化速率、硝化速率逐步稳定，这与袁瑞娜等［13］研究结果吻合。该变化趋势出现的原因有可能是：①氮素添加使得土壤中活性氮素含量升高，在培养前期尿素作为小分子的有机氮被优先分解矿化，显著提高了培养前期土壤氮素矿化速率。②随着培养时间的延长，施用秸秆为微生物提供了大量碳、氮等元素，使其快速繁殖，铵态氮和硝态氮通过同化作用被固定到微生物体内，降低了培养后期土壤有机氮矿化速率［14］。

石冰洁等［15］研究表明，土壤氮素累积矿化量的变化主要是由硝化量的变化引起的。本研究结果表明，铵态氮仅在0～30 d内产生；在培养中后期（30～120 d），土壤氮素累积矿化量取决于硝态氮的含量，与石冰洁等的研究结果一致。这主要是由于：①易氨化的小分子有机物含量随着时间的延长减少，微生物活动加强致使大量氮素被微生物固定，产生的减少，在通气良好的旱地中，土壤温度在30±2℃时完全转化为所 导 致 的［16］。②气态氮的损失也可能导致土壤中铵态氮含量的下降。

张娟霞等［17］研究表明，秸秆配施氮素提高了土壤氮素累积矿化量，本研究结果与其相反。这可能是由以下原因引起的：①张娟霞等的氮素添加水平为 0、168、252 kg/hm2，本研究则是 0、50、100 kg/hm2，氮素添加量的不同降低了土壤氮素矿化累积量。②供试秸秆以及秸秆添加量的不同。③前者的研究结果是以2年的定位试验为基础建立的，而本研究则是基于4年的定位试验建立的，秸秆还田年限的不同降低了土壤氮素累积矿化量。

沈其荣等［18］研究指出，随着培养时间的延长，酸解总氮中酸解氨态氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖态氮和酸解未知态氮都有不同程度的减少，而未酸解态氮却增加，本研究结果与其一致。这可能是因为：①未酸解态氮主要以杂环态存在于高度缩合且稳定性较高的腐殖质组分中难以分解［19］。②酸解性氮中较不稳定的物质转化成更稳定的物质进入了非酸解性部分。

综上所述，秸秆配施氮素能够降低土壤氮素矿化水平，且SN100处理下土壤氮素更易矿化。