淹水培养条件下不同作物秸秆对水稻土壤碳氮变化的影响

2022-02-15崔子英张雅倩杨雅君吕家珑

生态与农村环境学报 2022年1期

崔子英，张雅倩，胡良，闫颖，杨雅君，吕家珑

(西北农林科技大学资源环境学院/ 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨陵 712100)

水稻是我国的主要粮食作物之一，然而，近年来稻田土壤肥力下降已经成为制约我国水稻高产的重要原因[1]，因此，探索稻田土壤提质增效的措施具有重要意义。秸秆富含氮、磷、钾等多种营养元素，还田后可通过自身腐解促进农田生态系统的碳氮循环[2]，因此，秸秆还田被认为是改善土壤性质、提升土壤肥力的重要措施。一般认为，秸秆还田作为一种有效的土壤碳固定途径[3]，可以提高土壤有机碳含量，但是其过程是缓慢的[4]。大量研究发现秸秆等有机物料对土壤中活性有机养分的影响要大于对土壤中全量养分的影响，因此，土壤中活性养分更能表征秸秆对土壤性质的影响[5-6]。微生物生物量碳氮作为土壤活性碳氮的重要组成，主导着土壤中外源氮的同化和有机质的转化过程[2]，对于表征土壤微生物活性和衡量土壤肥力具有重要意义[7]。研究发现，秸秆还田可以显著提高土壤微生物量，增加微生物生物量碳氮含量[8]。秸秆还田后，微生物的作用促进了秸秆分解，大量可溶性有机碳氮进入土壤，增加了其在土壤中的含量，可溶性有机碳氮还可以被微生物利用，参与到土壤的碳氮循环中[9]。MA等[10]研究发现，淹水条件下，土壤可溶性有机碳含量与土壤有机碳矿化具有显著的正相关关系，同时，微生物群落组成也会影响可溶性有机碳和土壤有机碳矿化之间的关系。易氧化有机碳作为土壤活性碳的重要组成部分，在土壤中转化循环较快，相较土壤有机碳对土壤管理措施的响应更加敏感，可作为评价土壤质量的敏感指标[11]。李婧等[12]研究发现秸秆还田可显著提高土壤中易氧化有机碳含量。

有研究发现，外源有机物料对土壤有机氮影响可分为正激发效应和负激发效应[13]，其影响机理与有机物料的C/N关系密切。如果有机物料C/N高于微生物C/N，微生物会吸收氮素满足自身需求而不会释放氮素；相反，如果有机物料C/N低于微生物C/N，微生物会释放氮素，通过矿化作用提高土壤无机氮含量[14]。土壤矿质态氮作为土壤无机氮的重要组成，是作物生长过程中重要的氮素来源，对土壤氮的循环转化具有重要意义[15]。单施秸秆会使土壤C/N升高，进而引起微生物竞争吸氮，导致土壤中矿质态氮含量降低[16]。

已有大量研究揭示了有机物料对土壤碳氮的影响，但不同作物秸秆还田对淹水的水稻土壤碳氮的影响报道较少。为此，笔者通过室内淹水培养试验研究紫云英秸秆、小麦秸秆和油菜秸秆等碳量还田对土壤碳氮的影响，以期揭示不同作物秸秆对水稻土壤碳氮的影响，为大田生产和水稻土壤提质增效提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与秸秆

供试土壤采集于陕西省汉中市南郑县新集镇富民农场(33°0′16″ N，108°48′44″ E)。该区域属北亚热带大陆性季风气候区，年平均气温为14.4 ℃，年平均降水量为923.5 mm。该地以水稻-油菜种植模式为主，土壤类型为潴育型水稻土，母质发育于湖相沉积，土壤样品采集深度为0～20 cm。供试土壤基本理化性质：土壤有机碳含量为20.55 g·kg-1，全氮含量为1.73 g·kg-1，全磷含量为14.25 mg·kg-1，全钾含量为104.35 mg·kg-1，pH为7.31。

供试秸秆为紫云英秸秆、小麦秸秆和油菜秸秆。秸秆在70 ℃条件下烘干至恒重，磨碎后过0.850 mm孔径筛。供试秸秆基本性质见表1。

1.2 试验设计

采用室内淹水恒温恒湿培养。将采集的新鲜土壤去除石粒、根系等杂物后过5 mm孔径筛。试验共设置不添加外源有机物料(CK)，外源添加紫云英秸秆(ZYY)、小麦秸秆(XM)和油菜秸秆(YC)4个处理，每个处理设置3个重复。具体操作如下：每个培养瓶中称取700 g过筛鲜土壤，按m(C)∶m(干土)=1∶100的比例添加不同作物秸秆，将土壤和粉碎后的秸秆于塑料盒中混合均匀后置于容积为1 L的广口瓶中，每瓶加蒸馏水以没过土壤2 cm为标准，置于恒温恒湿(25 ℃，85%湿度)培养箱中黑暗培养80 d。

1.3 样品采集与测定方法

培养期间，分别于培养开始后20、40、60和80 d采集土壤样品。每次采集土壤样品150 g，采集的一部分新鲜土壤样品于-20 ℃冰箱中冷冻待测，另一部分样品风干研磨过筛后测定相关指标。

土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-浓硫酸外加热法测定。土壤全氮含量采用凯氏法消解、AA3型流动分析仪测定。土壤矿质态氮含量为硝态氮和铵态氮含量之和，硝态氮采用1 mol·L-1KCl溶液浸提、AA3型流动分析仪测定。土壤可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)采用V(水)∶m(土)=5∶1的比例添加超纯水浸提，25 ℃条件下振荡1 h，按3 500 r·min-1离心10 min(离心半径为16.5 cm)，用0.45 μm孔径滤膜抽滤，利用TOC仪测定DOC含量，利用AA3型流动分析仪测定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有机碳分析仪测定，微生物生物量氮含量用AA3型流动分析仪测定[18]。土壤易氧化有机碳采用333 mmol·L-1KMnO4溶液氧化，25 ℃条件下振荡1 h，按4 000 r·min-1离心5 min(离心半径为16.5 cm)，取上清液，加去离子水，按1∶250的比例稀释至50 mL，用紫外分光光度计在565 nm条件下，测定稀释后样品吸光度，然后根据消耗的KMnO4体积，计算土壤易氧化有机碳含量[19]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016和SPSS 26.0软件进行数据处理分析及作图，单因素方差分析采用多重比较LSD法(P<0.05)进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤有机碳和全氮含量的影响

不同秸秆处理对土壤有机碳(SOC)含量的影响见表2，培养期间，添加秸秆处理SOC含量均显著(P<0.05)高于CK处理。培养结束时，YC处理土壤有机碳含量最高，显著(P<0.05)高于其他处理；ZYY和XM处理土壤SOC含量较CK处理显著(P<0.05)提高。与培养初始相比，添加秸秆处理SOC含量有所降低。

不同秸秆添加后对土壤全氮(TN)含量的影响见表2，培养期间，CK处理TN含量呈随培养时间逐渐增加的趋势，与CK处理的变化趋势不同，添加秸秆处理TN含量于培养60 d时达到最大值后减小。培养至中期(40 d)，添加秸秆处理TN含量均显著(P<0.05)高于CK处理，不同秸秆处理间差异不显著(P>0.05)；培养60 d时，YC处理TN含量显著(P<0.05)高于CK处理，其他处理间差异不显著(P>0.05)。培养结束时，YC处理TN含量最高，显著(P<0.05)高于XM处理，CK分别与ZYY、XM处理间无显著差异(P>0.05)。与培养初始相比，除XM处理TN含量降低外，其他处理TN含量均增加。

2.2 不同处理对土壤活性碳含量的影响

不同作物秸秆添加对土壤可溶性有机碳(DOC)含量的影响见图1。CK处理土壤DOC含量在培养20 d时达最大值，为703.26 mg·kg-1，培养80 d时达最低值，为125.52 mg·kg-1；施用不同秸秆的3个处理变化趋势相同，均呈现20 d时达到最大值、然后降低再升高的变化。培养20 d时，ZYY处理DOC含量最高，显著(P<0.05)高于CK和XM处理；40 d时，添加秸秆处理显著(P<0.05)高于CK处理，添加秸秆处理间差异不显著(P>0.05)；60 d时，ZYY和XM处理DOC含量显著(P<0.05)高于CK和YC处理；培养结束(80 d)时，ZYY、XM和YC处理DOC含量显著(P<0.05)高于CK处理，分别为CK处理的4.18、5.08和5.44倍，XM和YC处理显著(P<0.05)高于ZYY处理，XM和YC处理间差异不显著(P>0.05)。

各处理微生物生物量碳(MBC)含量变化趋势基本一致，呈先增加再缓慢降低的趋势，其中，各处理在培养40 d时达到整个培养期的最大值，且ZYY和YC处理MBC含量显著(P<0.05)高于CK处理(图2)；培养60 d时，各处理MBC含量有所降低；培养结束(80 d)时各处理MBC含量由高到低依次为ZYY、YC、XM和CK，ZYY、XM和YC处理MBC含量显著(P<0.05)高于CK处理，分别较CK处理增加63.85%、27.03%和60.67%。ZYY和YC处理显著(P<0.05)高于XM处理。

由图3可知，培养20 d时，ZYY处理易氧化有机碳(EOC)含量为整个培养期间最大值，显著(P<0.05)高于其他处理；培养40 d时，相较于CK处理，YC处理土壤EOC含量显著(P<0.05)提高；培养60 d时，XM处理EOC含量显著(P<0.05)高于CK处理；培养结束(80 d)时，ZYY、XM和YC处理土壤EOC含量较CK处理分别提高20.34%、9.36%和10.53%，其中，ZYY处理显著(P<0.05)高于CK处理，其他处理间差异不显著(P>0.05)。

CK为不添加外源有机物料，ZYY、XM 和YC分别为添加紫云英秸秆、小麦秸秆和油菜秸秆。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间EOC含量差异显著(P<0.05)。

2.3 不同处理对土壤活性氮含量的影响

由表3可知，不同处理对土壤矿质态氮含量的影响较大。培养初始，各处理间矿质态氮含量差异显著(P<0.05)，其含量由高到低依次为ZYY、XM、YC和CK；与培养初始相比，培养20 d时添加秸秆处理土壤矿质态氮含量急剧降低，CK处理矿质态氮含量降低，且显著(P<0.05)低于添加秸秆处理；培养40 d时，所有处理矿质态氮含量有较大幅度降低；培养后期(40～80 d)，不同处理土壤矿质态氮含量处于小幅波动变化，培养结束(80 d)时，ZYY处理矿质态氮含量最高，显著(P<0.05)高于XM和YC处理，与CK处理差异不显著(P>0.05)，YC处理矿质态氮含量最低。

表3 不同处理对土壤矿质态氮含量的影响Table 3 Effects of different treatments on mineral nitrogen

如图4所示，不同处理对土壤可溶性有机氮(DON)含量的影响变化趋势呈先升高后降低。培养20 d时，添加秸秆处理DON含量显著(P<0.05)低于CK处理；培养40 d时，添加秸秆处理DON含量有所升高，ZYY处理DON含量最高，与CK处理无显著差异(P>0.05)；培养60 d时，添加秸秆处理DON含量分别达到培养期间的最大值，ZYY处理显著(P<0.05)高于其他处理，XM处理显著(P<0.05)高于CK处理；培养结束时，各处理DON含量由高到低依次为ZYY、XM、YC和CK，ZYY处理显著(P<0.05)高于其他处理，CK、XM和YC处理间差异不显著(P>0.05)。

CK为不添加外源有机物料，ZYY、XM 和YC分别为添加紫云英秸秆、小麦秸秆和油菜秸秆。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间DON含量差异显著(P<0.05)。

图5显示，不同处理土壤微生物生物量氮(MBN)含量变化趋势呈先升高后降低，培养40 d时各处理MBN含量达到培养期间最大值，而后开始降低。

CK为不添加外源有机物料，ZYY、XM 和YC分别为添加紫云英秸秆、小麦秸秆和油菜秸秆。同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间MBN含量差异显著(P<0.05)。

培养期间，添加秸秆处理MBN含量均显著(P<0.05)高于CK处理；培养结束(80 d)时，添加秸秆处理MBN含量较CK处理提高1.43～2.10 mg·kg-1，各处理MBN含量由高到低依次为ZYY、YC、XM和CK，添加秸秆处理均显著(P<0.05)高于CK处理，ZYY和YC处理显著(P<0.05)高于XM处理。

3 讨论

3.1 不同作物秸秆对水稻土壤不同形态有机碳的影响

土壤有机碳一般处于动态变化过程中，有机物料的输入，各有机碳组分的分解转化及相互作用影响着土壤有机碳的积累，有机物料的输入是土壤SOC积累的前提[20]。笔者研究发现，在淹水培养条件下，不同作物秸秆均显著提高水稻土壤SOC含量，这与杨敏芳等[21]研究结果一致。这是因为秸秆的输入带入了大量碳源，有效增加了土壤碳库[19]。培养结束后，油菜秸秆对水稻土壤SOC的提升要高于紫云英秸秆和小麦秸秆，这可能与油菜秸秆的C/N较高有关。有研究发现，在一定范围内，秸秆C/N越高，其分解矿化越难[22]。相较于培养初始，培养结束后土壤SOC含量降低的原因是一部分碳以CO2和CH4形式损失。

活性碳组分与作物生长和微生物活动密切相关，对评价土壤肥力状况具有重要意义。DOC作为微生物代谢的中间产物，其含量的高低可用来反映微生物对有机物的分解和利用。笔者研究中，所有添加秸秆处理均显著增加土壤DOC含量，这与裴鹏刚等[23]的研究结果一致。培养期间，DOC含量的变化趋势表现为培养初期最高，而后降低，培养后期再增高。这是因为秸秆添加到土壤中后，微生物分解秸秆，DOC作为有机物料的分解产物，其含量增高，随着秸秆分解的减慢，微生物的生命活动消耗DOC，其含量降低[16]，同时MBC含量升高；培养后期DOC含量上升，是由于随着秸秆易分解组分的分解，难分解组分比例上升，微生物活动减弱，对DOC消耗减缓，造成DOC积累，同时MBC含量有所降低。另外可能的原因是，由于铁的还原和铁氧化物的溶解导致土壤团聚体分散，促使团聚体结合SOC溶解[10]。培养结束时，XM和YC处理DOC含量显著高于ZYY处理，可能的原因是紫云英秸秆DOC含量低于小麦秸秆和油菜秸秆。

3.2 不同作物秸秆对水稻土壤不同形态氮的影响

土壤TN作为衡量土壤肥力的重要指标，可用来评价土壤氮素的储存和供氮能力[28]。笔者研究中，培养初始，TN含量处于动态波动变化之中，各处理对土壤TN含量的影响不显著，这与张雅洁等[29]研究结果有差异；可能的原因是在未添加外源氮的情况下，添加秸秆造成微生物大量繁殖，微生物需要从环境中吸收氮素来维持自身的生命代谢活动，微生物分解秸秆释放氮，同时又大量吸收氮素，造成土壤处于氮缺乏状态，故相较于CK，添加秸秆未提高土壤TN含量。

笔者研究中，培养20 d时，添加秸秆处理DON含量显著低于CK处理，这可能是因为在培养初期，微生物活动剧烈，从土壤中吸收大量氮以维持其生命活动，MBN含量增加；随着秸秆中易分解组分的分解，微生物对DON的吸收利用减缓，土壤中DON积累，DON含量逐渐升高，MBN含量开始降低。至培养后期，各处理DON含量开始降低，这与丁婷婷等[16]的研究结果一致；可能是因为随着秸秆易分解组分的不断分解，难分解组分占比上升，秸秆腐解进入缓慢阶段[30]，DON的积累速度不足以满足微生物的活动需求，导致DON含量开始降低。

土壤矿质态氮以硝态氮和铵态氮为主，属于有效氮[23]。闫德智等[31]以15N标记秸秆的研究发现，添加秸秆后，土壤矿质态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损失引起。有研究表明，大约有55%～89%的无机氮由微生物氮矿化而来[32]。笔者试验以等碳量添加不同秸秆，未添加外源氮来调节土壤碳氮比，故微生物为维持其生命代谢，需要从土壤环境中吸收矿质态氮。添加秸秆处理微生物活动强度要高于CK处理，故在培养初期，ZYY、XM和YC处理土壤矿质态氮含量急剧降低，对比图5可知，培养前期，MBN大量积累的时期正是矿质态氮急剧降低的时期。培养结束时，添加紫云英秸秆、小麦秸秆和油菜秸秆的土壤矿质态氮含量差异显著，可能的原因是土壤碳氮比的差异所致。有研究发现，碳氮比较高的土壤会加速氮的固定，导致土壤矿质态氮含量降低[33]。