玉米秸秆添加量对温室土壤氨挥发及辣椒氮素吸收的影响

2022-11-04吴红艳于淼高晓梅

农业环境科学学报 2022年10期

吴红艳，于淼，高晓梅

（辽宁省微生物科学研究院，辽宁朝阳 122000）

蔬菜是人们日常饮食中必不可少的食物之一，可提供人体所必需的多种维生素和矿物质等营养物质，人体必需的90% VC、60% VA来自于蔬菜，这些营养物质是有效预防慢性、退行性疾病风险的重要因素。我国蔬菜种植面积占整个种植业面积的12.9%[1]，主要分为露地栽培和设施栽培两种类型，设施蔬菜种植具有高投入、高产出的特点，在农产品供给和农业农村经济发展方面发挥了重要作用[2]。近年来，我国设施蔬菜面积不断扩大，种植面积已达340万hm2，占我国蔬菜种植面积的18%[3]。大部分蔬菜根系浅，因此养分和水分吸收能力弱、需肥量大。我国蔬菜生产系统中肥料用量高，单位面积蔬菜的单季总养分投入量是粮食作物总养分投入量的2倍[4]。土壤氨（NH3）挥发速率随着施氮量的增加而增大，进而使累积氨挥发量显著增加[5-6]。氨作为大气中唯一的碱性气体，是大气中二次气溶胶的重要前驱物，对大气细颗粒物PM2.5的形成起重要作用，是使我国重污染地区、重污染时段PM2.5持续处于高位的关键因素之一[7]。据统计，设施蔬菜生产产生的氨排放量约占我国农业源氨排放量的33%[8]，氨与大气中硫氧化物、氮氧化物结合形成的铵态氮达到一定浓度时会沉降于地表，因此氨挥发会降低氮素利用率，造成严重的农业面源污染[9]。

随着蔬菜连作时间延长及复种指数提高，土壤障碍问题越来越严重。张新俊等[10]的研究表明，施用生物炭对连作菊花土壤性质改善和菊花生长、产品品质提高具有促进作用，是缓解连作菊花栽培中土壤障碍问题的有效手段；高晶霞等[11]的研究表明，长期连作对辣椒生长和光合特性产生负面影响，显著降低作物株高和茎粗等生物量指标，辣椒产量和经济效益连年降低。

近年来，为了提高土壤肥力使其可持续利用，促进作物的优质高产，秸秆还田成为研究热点。有研究表明，秸秆还田能有效增强微生物活性、增加土壤有机质、促进离子交换、改善土壤理化性质、改良土壤耕性、培肥地力，且有利于硝化作用和有机氮固持[12-13]，对土壤氮素循环转化过程产生深刻影响[14-15]，另外还可减轻或免除因大量施用肥料而造成的污染。农业发达国家非常重视秸秆还田，我国的传统农业亦很重视秸秆还田，且设施土壤秸秆还田技术也在逐步完善[16]。

蔬菜秸秆携带大量病原体无法直接还田，而辽西地区干旱少雨，大田广泛种植玉米，玉米秸秆具有良好的物理化学性质，因此成为设施土壤还田的主要材料。但玉米秸秆还田显著影响土壤碳氮比，进而影响作物对氮素的吸收利用，由此带来许多环境和生态问题。因此，探索有效的秸秆添加量，对减少农田土壤氨挥发、降低土壤氮素损失率、提高氮肥利用效率至关重要，且降低氮素对减少环境污染具有重要意义[17-18]。

本研究以辽西地区设施蔬菜土壤为研究对象，选取北方广泛种植的辣椒作为试验材料，利用室内盆栽试验进行不同玉米秸秆添加量对设施土壤氨挥发及辣椒氮素吸收的影响研究，揭示常规施肥条件下不同秸秆添加量设施土壤的氨挥发规律，为减少氨挥发、提高作物氮素吸收响应力和氮肥利用率、优化秸秆还田配套措施和合理施肥提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试蔬菜为北方地区广泛种植的辣椒，品种为寒椒99。

玉米秸秆主要养分：全氮含量7.42 g·kg-1，有机碳含量423.79 g·kg-1。

供试土壤为褐土，取自辽宁省微生物科学研究院试验基地种植辣椒的日光温室耕层（0～20 cm）土壤，其基本理化性质如表1所示。

表1 供试土壤理化性质Table 1 The physical and chemical properties of tested soil

1.2 试验设计

供试土壤去除腐叶等杂质，风干，过2 mm筛后备用。试验于2021年9月20日开始，至11月20日结束。在温室条件下采用盆栽的方法，选用直径为17 cm、高为30 cm的塑料花盆，每盆装土7.5 kg，装土高度为20 cm，每次每个处理取样3盆，即为3次重复。肥料为市售化肥，N、P2O5和K2O的用量分别100、70 kg·hm-2和80 kg·hm-2。试验设置4个处理：化肥+不添加秸秆（CK），化肥+秸秆4 500 kg·hm-2（S1），化肥+秸秆9 000 kg·hm-2（S2），化肥+秸秆13 500 kg·hm-2（S3）。将玉米秸秆制成长度小于3 cm的秸秆段，按试验设置所述，将不同干质量的秸秆与花盆中0～15 cm土壤混合均匀后上层覆土约5 cm，采用常规穴栽方式，所有处理均将尿素、磷和钾肥按常规施肥方法作为基肥一次性施入，不再追肥，施肥方法为播种前施入定植植株底部2～3 cm处，各处理均按日光温室大棚辣椒常规管理方式一致性管理。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤氨挥发的测定[19]

本试验采用通气法监测氨挥发。用PVC管（聚乙烯硬质塑料管）制成内径为8 cm、高为12 cm的氨气捕获装置，将两块厚度为2 cm、直径为10 cm的海绵均匀浸以5 mL磷酸甘油溶液（50 mL磷酸加40 mL丙三醇，定容至1 000 mL）后置于PVC管中，下层海绵距管底5 cm，用于吸收土壤挥发出来的氨，上层海绵与管顶相平，用于防止外界气体污染。施肥后第1周每天固定时间更换下层海绵作为样品，样品立即放入样品袋中密封；第2周更换2～3次，第3、4周每周更换1次，此后第6周及第60天结束期时分别取样一次。整个监测过程氨挥发装置保持固定位置，每天仅更换海绵。下层海绵样品置于300 mL（1 mol·L-1）氯化钾溶液中浸提1 h，利用iFIA7全自动流动注射分析仪MAC3（北京吉天仪器有限公司）测定浸提液中铵态氮含量。

1.3.2 土壤样品无机氮测定

将3盆土壤混合均匀，采用四分法取样，保留约200 g土壤样品，常温下阴干，过筛（0.25 mm）后置于-20℃冰箱保存备用。将土壤样品用1 mol·L-1氯化钾溶液浸提后，利用iFIA7全自动流动注射分析仪MAC3测定土壤铵态氮和硝态氮含量。

1.3.3 辣椒采收计产及样品总氮的测定

辣椒产量为连续采收后于结束期合并计产，所有果实与定植60 d植株合计测定氮素累积量。辣椒定植21、42 d和60 d时，贴近土壤表面将地上部分剪下，置于105℃烘箱杀青30 min后，80℃烘干至质量恒定，进行称量，作为植株样品。辣椒及植株样品干燥粉碎过筛（0.25 mm），用H2SO4-H2O2消煮，利用iFIA7全自动流动注射分析仪MAC3测定总氮含量。

1.4 数据统计分析

氨挥发量（kg·hm-2，以N计）=样品中铵态氮含量（NH+4-N，mg）/捕获装置的横截面积（m2）×10-2

氨挥发速率（kg·hm-2·d-1，以N计）=氨挥发量（kg·hm-2）/每次连续捕获的时间（d）

氨挥发累积量（kg·hm-2，以N计）=每次采样的氨挥发量之和

茎叶氮累积量（g）=茎叶总氮含量（g·g-1）×茎叶干物质质量（g）

果实氮累积量（g）=果实总氮含量（g·g-1）×果实干物质质量（g）

植株地上部氮素累积量（g）=茎叶氮累积量（g）+果实氮累积量（g）

利用Excel 2007进行数据整理与计算，采用SPSS 25.0进行单因素方差分析，选用LSD（P＜0.05）进行多重比较、差异显著性及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆添加量对土壤氨挥发效应的影响

2.1.1 对土壤氨挥发量的影响

由图1可以看出，在整个监测期内，S1、S2和S3的氨挥发量动态变化趋势与CK相近，S1、S2、S3和CK均在第7天达到峰值，分别为3.683、3.210、3.910 kg·hm-2和5.632 kg·hm-2，之后总体呈下降趋势，第28天降至较低水平，并稳定在0.532～0.243 kg·hm-2之间；S1、S2、S3的氨挥发量峰值分别较CK减少了34.6%、43.0%和30.6%；S2的氨挥发量峰值较CK、S1、S3分别显著减少了43.0%、12.8%、17.9%。可见，在同一施肥条件下，秸秆添加量为9 000 kg·hm-2时的氨挥发量与其他3个处理相比存在显著差异（P＜0.05）。

图1 秸秆添加量对土壤氨挥发量的影响Figure 1 Effects of straw addition on NH3 volatilization in soil

2.1.2 对土壤氨挥发速率的影响

由图2可以看出，在整个监测期内CK、S1、S3的土壤氨挥发速率动态变化趋势无明显差异，均在第7天达到峰值，CK、S1、S2、S3的氨挥发速率平均值分别为2.29、1.73、1.60、2.00 kg·hm-2·d-1，由高到低依次为CK＞S3＞S1＞S2，S2较CK、S1、S3分别显著降低30.0%、7.5%、20.0%。因此，在同一施肥条件下，秸秆添加量为9 000 kg·hm-2时氨挥发速率最低。

图2 秸秆添加量对土壤氨挥发速率的影响Figure 2 Effects of straw addition on NH3 volatilization rate in soil

2.1.3 对土壤氨挥发累积量的影响

图3显示，在整个监测期内各处理氨挥发累积量表现为CK＞S3＞S1＞S2，S2最小，为24.35 kg·hm-2，CK最大，为35.96 kg·hm-2，S1、S2、S3的氨挥发累积量与CK相比分别减少了22.2%、32.3%、6.2%，且S2显著低于CK、S1、S3（P＜0.05），原因可能是秸秆适量还田增强了土壤对NH+4的吸附能力，或是将NH+4转变为其他形态氮素降低了土壤NH+4浓度，从而显著减少了土壤氨挥发累积量。

图3 秸秆添加量对土壤氨挥发累积量的影响Figure 3 Effects of straw addition on NH3 volatilization accumulation in soil

2.2 秸秆添加量对土壤无机氮含量的影响

2.2.1 对土壤铵态氮含量的影响

图4显示，在整个监测期内各处理土壤铵态氮含量整体动态变化趋势基本一致，且与氨挥发速率的变化趋势相近，即在第7天达到最大峰值，此时S2较CK、S1、S3分别减少了24.2%、11.5%、14.8%，且与CK差异极显著；第28天降至较低水平，并趋于平稳。监测期内CK、S1、S2、S3的铵态氮含量平均值分别为158.62、141.01、120.04、161.62 mg·kg-1，S2显著低于CK和S3，而与S1差异未达到显著水平；第21天降至较低点时，S2与CK、S1、S3相比差异显著（P＜0.05）。由此可知，不同秸秆添加量对土壤中铵态氮的残留量具有直接影响，适量秸秆还田能够有效降低土壤铵态氮含量。

图4 秸秆添加量对土壤铵态氮含量的影响Figure 4 Effects of straw addition on soil ammonium nitrogen content

2.2.2 对土壤硝态氮含量的影响

图5显示，在整个监测期内CK、S1、S2、S3的硝态氮含量变化趋势基本相同，前21 d呈逐渐上升趋势，变化范围分别为2.26～12.54、3.02～25.02、2.84～33.74、2.88～17.83 mg·kg-1，S2增加量最大为30.90 mg·kg-1；第21天达到峰值，此时S2较CK、S1、S3分别增加62.8%、25.8%、47.2%，且处理间差异显著；第42天降至较低水平，其中S2显著高于其他3个处理（P＜0.05）。可见，秸秆适量还田能够有效提高土壤硝态氮含量。

图5 秸秆添加量对土壤硝态氮含量的影响Figure 5 Effects of straw addition on soil nitrate nitrogen content

2.3 秸秆添加量对辣椒地上部氮累积量的影响

由表2可知，在整个监测期内不同取样时间各处理植株氮素吸收量均呈现逐渐增加的趋势。第21天时各处理间无显著差异；第42天时S1、S2、S3与CK之间均差异显著（P＜0.05），而S1、S2、S3之间未达到显著差异水平；第60天时，与CK相比，S1、S2、S3分别增加了13.7%、19.1%、9.3%，均达到显著差异水平（P＜0.05）。可见，在同一施肥条件下，秸秆添加量为9 000 kg·hm-2时，对设施蔬菜辣椒地上部氮素累积量的提高具有明显促进作用。

表2 秸秆添加量对植株氮素累积量的影响（g·株-1）Table 2 Effects of straw addition on plant nitrogen accumulation（g·plant-1）

2.4 秸秆添加量对辣椒产量的影响

图6显示辣椒产量为S2＞S1＞S3＞CK，S2处理辣椒产量较S1、S3和CK分别增加7.7%、11.8%和14.3%，说明秸秆添加量为9 000 kg·hm-2时辣椒产量最高。通过差异性分析发现，S2与CK达到显著差异水平（P＜0.05），与S1和S3相比无显著差异。

图6 秸秆添加量对辣椒产量的影响Figure 6 Effects of straw addition on pepper yield

2.5 Pearson相关性分析

由于地上部氮素累积量、辣椒产量及土壤无机氮之间存在一定关联，可能会影响到彼此与土壤氨挥发累积量的相关性分析结果，因此选取整个监测期内数据对每个变量与氨挥发速率进行相关性分析。

由表3可以看出，在监测期内土壤氨挥发累积量与植株地上部氮素累积量和辣椒产量均呈显著负相关（P＜0.01），与土壤铵态氮、硝态氮含量分别呈弱的正、负相关；辣椒产量与植株氮素累积量呈显著正相关（P＜0.05），而与铵态氮含量呈负相关。在相同施肥条件下，土壤氨挥发累积量减少时，植株地上部氮素累积量和辣椒产量显著增加，表明氨挥发累积量是影响植株地上部氮素累积量及产量的重要因素。

表3 土壤氨挥发累积量、植株地上部氮素累积量、辣椒产量与土壤无机氮的Pearson相关性分析Table 3 Pearson correlation analysis between NH3 volatilization accumulation，plant nitrogen accumulation，pepper yield，and soil inorganic nitrogen

3 讨论

3.1 玉米秸秆添加量对设施土壤氨挥发及有机氮含量的影响

相关研究发现，适量秸秆还田可减少设施土壤氨挥发量，降低氨挥发速率。王朝旭等[20]的室内静态土壤培养试验结果显示，添加秸秆可有效抑制氨挥发；郭茜[21]研究发现，一次性施入生物质炭降低了空心菜季土壤的氨挥发量；徐聪[22]的研究表明，相比不添加秸秆，长期秸秆还田可增加土壤（0～2 m）氮累积量34～112 kg·hm-2·a-1。冯敏等[23]研究结果显示，适量秸秆还田可显著影响土壤氨化和硝化强度。本研究土壤铵态氮含量呈下降趋势，而硝态氮含量明显上升，可能是由于秸秆适量添加将NH+4转变为其他形态氮素并促进了辣椒对氮素的吸收，降低了土壤铵态氮含量。本试验结果显示，在同一施肥条件下，第7天达到峰值时，S2相较于CK、S1和S3，氨挥发量平均值分别减少43.0%、12.8%和17.9%，氨挥发速率平均值分别降低30.0%、7.5%和20.0%，铵态氮含量平均值分别减少24.2%、11.5%和14.8%。本研究发现，随着土壤铵态氮含量增加，氨挥发量增加，氨挥发量与土壤铵态氮含量呈正相关，与硝态氮含量呈负相关，但均未达到显著水平。在常规施入氮肥的同时添加一定量的玉米秸秆，可以增加土壤有机碳含量，改善土壤理化性状和土壤表面环境，促进微生物对氮肥水解形成的氨固持和再矿化作用，持续供应可利用的氮素，激发了土壤微生物和酶在分解秸秆过程中将无机氮固定转化为有机氮。但高量秸秆添加不仅大幅度增加了土壤团聚组分有机碳含量，同时也带入大量的土壤外源微生物，改变了土壤群落结构，削弱了微生物对氮素的固持等积极作用，对氨挥发及有机氮的转化产生负面影响[24]。因此，秸秆添加量为9 000 kg·hm-2时能够降低氨分压和氨挥发速率，减少氨挥发。

3.2 玉米秸秆添加量对植株地上部氮素累积量和产量的影响

张磊[25]的研究结果表明，高粱秸秆还田灌水覆膜连作使番茄产量和生物量分别显著增加113.26%和165.63%，添加高粱根茬根际土改善了黄瓜生长发育状况，提高了植株的存活率。本试验结果表明，在同一化肥施用量条件下，60 d时辣椒地上部氮素累积量，与CK相比，S1、S2、S3分别增加13.7%、19.1%、9.3%，达到显著差异水平（P＜0.05）；S2的辣椒产量较S1、S3、CK分别增加7.7%、11.8%、14.3%。

本研究发现，当土壤氨挥发增强时，植株地上部氮素累积量则减少，作物产量也显著减少，即土壤氨挥发与地上部氮素累积量和产量均呈显著负相关（P＜0.01）。秸秆还田能够改善土壤结构，使土壤疏松、孔隙度增加、容重减轻，有效增加土壤通气性，对植株根系生长发育具有很好的促进作用，为土壤微生物的生存与繁殖提供了适宜的环境，提高了土壤微生物的丰富度和多样性[26]，秸秆在微生物作用下，将有机氮转化成无机氮，成为可吸收态氮；随着秸秆降解，其所含养分也随之返还土壤，使土壤肥力有效提升[27]；同时秸秆中的有机物及营养物质与土壤充分混合，在作物需求时解吸以供作物吸收利用，秸秆还田能够促进土壤氮素向作物果实转移，使蔬菜氮素累积量明显增加，在矿化分解过程中能更持续、稳定地提供作物生长所需的营养元素，增加蔬菜产量。