秸稈還田施氮調(diào)節(jié)碳氮比對(duì)土壤無機(jī)氮、酶活性及作物產(chǎn)量的影響*

李 濤 何春娥 葛曉穎 歐陽竹

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秸稈還田施氮調(diào)節(jié)碳氮比對(duì)土壤無機(jī)氮、酶活性及作物產(chǎn)量的影響*

李 濤1,2何春娥1葛曉穎1歐陽竹1**

(1. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

秸稈的質(zhì)量, 特別是C/N是影響秸稈分解速率和養(yǎng)分釋放的重要因素。在秸稈還田條件下, 如何科學(xué)合理地施用氮肥是秸稈利用和優(yōu)化施肥研究的關(guān)鍵問題。本研究以秸稈還田施入碳氮的C/N為切入點(diǎn), 于2012—2013年通過田間試驗(yàn)(設(shè)秸稈不還田不施肥、秸稈還田不施氮、秸稈還田施用無機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為10∶1、16∶1和25∶1以及秸稈還田施用有機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為25∶1處理), 研究秸稈還田不同氮輸入對(duì)小麥-玉米輪作田土壤無機(jī)氮、土壤微生物量氮、酶活性以及作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明: 1)在C/N為25∶1下, 施用有機(jī)氮肥和無機(jī)氮肥對(duì)土壤無機(jī)氮含量無顯著影響; 在施用無機(jī)氮肥的情況下, C/N越低土壤無機(jī)氮含量越高。2)秸稈還田施氮提高了土壤微生物量氮含量, 但是各秸稈還田施氮處理之間差異不顯著; 秸稈還田不同施氮處理對(duì)脲酶活性無顯著影響; 秸稈還田施氮提高了FDA水解酶活性, 并隨C/N降低呈升高趨勢(shì), 施用無機(jī)氮肥的效果強(qiáng)于施用有機(jī)氮肥的。3)秸稈還田施用無機(jī)氮肥顯著提高了小麥和玉米地上部生物量, 施用無機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為10∶1和16∶1相比于C/N為25∶1提高了小麥和玉米的苗期和成熟期地上部生物量; 施用有機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為25∶1相比秸稈還田不施氮對(duì)地上部生物量無顯著影響。秸稈還田施用無機(jī)氮肥提高了作物產(chǎn)量, 施用無機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為16∶1產(chǎn)量最高, 而施用有機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為25∶1有降低作物產(chǎn)量的趨勢(shì)。綜合以上結(jié)果來看, 施用無機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為16∶1較為合理。

秸稈還田 有機(jī)氮肥 無機(jī)氮肥 C/N 土壤酶 土壤微生物量氮 作物產(chǎn)量

秸稈是農(nóng)作物的主要副產(chǎn)品, 是含碳豐富的有機(jī)資源。隨著時(shí)代的發(fā)展, 秸稈由生活能源和動(dòng)物飼料變成了一種廢棄物被大量廢棄或焚燒, 造成了環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)[1]。隨著機(jī)械化水平的提高, 秸稈還田作為提高土壤肥力和改善土壤生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)重要措施已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可[2-3]。秸稈還田后在土壤微生物參與下被逐漸分解, 除環(huán)境因素外, 秸稈的質(zhì)量, 如: C/N、可溶性有機(jī)物含量、氮素含量以及木質(zhì)素含量等是影響秸稈還田后分解和營(yíng)養(yǎng)元素釋放的重要因子[4]。由于微生物自身的C/N含量比較低, 因此低C/N、木質(zhì)素和難降解有機(jī)物含量低的秸稈施入土壤后往往降解比較快, 并且能夠提高土壤氮素礦化量以及微生物生物量和活性[5-6]; 相反, 高C/N和木質(zhì)素含量以及難降解有機(jī)物含量高的低質(zhì)量秸稈, 施入土壤后分解緩慢并且導(dǎo)致土壤氮素固持, 影響氮素供給[7-8]。所以, 還田秸稈的質(zhì)量對(duì)土壤微生物和土壤氮素的礦化-固持過程具有重要的影響。土壤微生物參與土壤多種生物化學(xué)反應(yīng), 是有機(jī)物轉(zhuǎn)化以及土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)力, 穩(wěn)定和活躍的土壤微生物群落是保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力[9-10]。禾本科作物(如小麥和玉米)秸稈一般C/N較高, 因此還田后腐解過程中往往出現(xiàn)微生物和作物爭(zhēng)奪氮素的現(xiàn)象, 造成作物不同程度的減產(chǎn), 因此還田后需補(bǔ)施氮肥以彌補(bǔ)秸稈降解過程中土壤微生物對(duì)氮素的固持, 從而保證氮素的供給[11]。

一般認(rèn)為秸稈C/N為25︰1是決定秸稈還田后對(duì)土壤氮素固持與否的關(guān)鍵拐點(diǎn)[12], 秸稈的自身組成是不容易改變的, 添加氮肥可促進(jìn)秸稈降解, 提高了無機(jī)氮含量和土壤微生物生物量[13-15]。關(guān)于秸稈還田與氮肥配施調(diào)節(jié)C/N對(duì)作物產(chǎn)量、土壤肥力和土壤微生物等方面的影響已有不少報(bào)道[16-18], 但結(jié)果表明在不同土壤類型以及氣候下, 秸稈還田補(bǔ)施氮肥調(diào)節(jié)施入的C/N對(duì)作物產(chǎn)量和土壤微生物的影響并不相同[19-20]。氮素是植物生長(zhǎng)的最大限制性影響因子, 我國(guó)氮肥使用量逐年增加, 而利用率卻逐漸降低; 由于大規(guī)模施用氮肥和肥料利用率的降低, 大多數(shù)養(yǎng)分隨徑流、滲漏和揮發(fā)等途徑損失, 不僅增加了生產(chǎn)成本, 更造成了環(huán)境污染和土壤質(zhì)量的下降[21-22]。黃淮海地區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū), 秸稈資源豐富, 秸稈還田普及率較高, 近年來為了提高作物產(chǎn)量肥料投入不斷增加[23]。因此, 本試驗(yàn)在田間條件下以秸稈還田施入碳氮的C/N為切入點(diǎn), 通過改變氮肥施用量, 調(diào)節(jié)秸稈直接還田輸入碳氮的C/N對(duì)黃淮海平原土壤供氮能力(無機(jī)氮含量)、土壤微生物生物量氮、土壤酶和作物產(chǎn)量的影響, 并比較無機(jī)氮和有機(jī)氮配施秸稈還田在同一C/N(25︰1)對(duì)土壤供氮能力(無機(jī)氮含量)、土壤微生物生物量氮、土壤酶和作物產(chǎn)量的影響, 為黃淮海地區(qū)秸稈還田合理施氮提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院禹城綜合試驗(yàn)站(山東省禹城市)進(jìn)行, 土壤以潮土為主, 年均溫度13.1 ℃, 降水偏少且集中, 年均降水量593.2 mm, 降水季節(jié)差異明顯, 主要集中在夏季(6—8月)。試驗(yàn)開始前0~20 cm土層土壤基本理化性質(zhì)為: 有機(jī)質(zhì)16.77 g·kg-1, 全氮0.95 g·kg-1, 全磷0.97 g·kg-1, 全鉀20.92 g·kg-1, pH 8.60。種植制度為冬小麥-夏玉米輪作, 一年兩熟。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)于2012年玉米季和2012—2013年小麥季進(jìn)行。共設(shè)6個(gè)處理: 秸稈不還田不施肥(CK)、秸稈還田不施氮(S)、秸稈還田+常規(guī)施氮(SF, 碳氮比約為10︰1)、秸稈還田+配施氮肥調(diào)節(jié)碳氮比為25︰1 (SCN)、秸稈還田+配施氮肥調(diào)節(jié)碳氮比約為16︰1 (SCTN)和秸稈還田+配施牛糞調(diào)節(jié)碳氮比為25︰1 (SM); 每個(gè)小區(qū)3次重復(fù), 18個(gè)小區(qū), 每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)10.3 m, 寬7.7 m, 面積為79.3 m2。

玉米季施肥方案: SF施氮量為270 kg·hm-2, 基肥、追肥的比例為1︰2, 追肥在玉米大喇叭口期施用; SCN施氮量為90 kg·hm-2, 全部用作基肥; SCTN施氮量為180 kg·hm-2, 其中90 kg用做基肥, 90 kg作為追肥在玉米大喇叭口期施用; 牛糞經(jīng)過堆肥化腐熟后使用, 牛糞施用量為12 360 kg·hm-2, 全部用做基肥。所用氮肥均為尿素。

小麥季施肥方案: SF施氮量為270 kg·hm-2, 基肥、追肥的比例為4︰6, 追肥在小麥拔節(jié)期施用; SCN施氮量為56 kg·hm-2, 全部用作基肥; SCTN施氮量為112 kg·hm-2, 其中56 kg用做基肥, 56 kg作為追肥小麥拔節(jié)期施用; 牛糞施用量為8 000 kg·hm-2,全部用做基肥。所用氮肥均為尿素。

除不施肥處理外, 磷鉀肥的施入量同SF處理, 即180 kg·hm-2P2O5和90 kg·hm-2K2O, 全部用作基肥, 所用磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣和硫酸鉀鎂肥。作物收獲后使用秸稈還田機(jī)全部粉碎還田, 其中玉米季秸稈還田量約為7 000 kg·hm-2, 小麥季秸稈還田量約為7 500 kg·hm-2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

分別在玉米、小麥的苗期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期, 采用五點(diǎn)法, 采集耕層(0~20 cm)土樣進(jìn)行分析。

稱取一定質(zhì)量的新鮮土壤, 按照水土比為10︰1用2 mol·L-1KCl溶液浸提, 振蕩30 min, 過濾。濾液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量根據(jù)魯如坤[24]的方法測(cè)定。土壤微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定[25]。土壤脲酶活性根據(jù)Kandeler和Gerber[26]的方法測(cè)定, 以μg(NH4+-N)?g-1(soil)·(2h)-1表示。FDA水解酶活性根據(jù)Sánchez-Monedero等[27]的方法測(cè)定, 以μg(fluorescen)?g-1(soil)?h-1表示。

在玉米和小麥的苗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期采樣分析地上部生物量。小麥取樣量為隨機(jī)在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)采集3個(gè)長(zhǎng)度為20 cm的地上部植株, 玉米的采樣量為隨機(jī)在每個(gè)小區(qū)采集3株地上部植株。樣品在75 ℃下烘干至恒重, 稱量干重質(zhì)量。

在小麥成熟期, 每個(gè)小區(qū)采集4 m2小麥植株樣品, 自然風(fēng)干后測(cè)定小麥籽粒產(chǎn)量。在玉米成熟期, 每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集20株玉米, 自然風(fēng)干后測(cè)定玉米籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Duncan檢驗(yàn)比較不同處理對(duì)土壤無機(jī)氮、微生物量氮、酶活性、地上部生物量和產(chǎn)量的影響, 并采用重復(fù)測(cè)量方差分析法分析不同處理對(duì)上述指標(biāo)的影響。采用Person相關(guān)分析法分析土壤無機(jī)氮含量與微生物量氮、酶活性和地上部生物量的相關(guān)性。所用分析均利用SPSS軟件(SPSS 14.0, Chicago, USA)分析, 顯著性水平為<0.05。數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel整理后, 用Sigmaplot軟件(Sigmaplot 12.5, California, USA)作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)土壤無機(jī)氮含量的影響

秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)土壤無機(jī)氮含量(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和)的影響見表1。秸稈還田不同施氮調(diào)節(jié)C/N顯著影響了土壤無機(jī)氮含量(<0.05)。玉米季, 各采樣時(shí)期均是SF處理土壤無機(jī)氮含量最高, 且顯著高于S處理; 苗期和拔節(jié)期SCTN和SCN處理無機(jī)氮含量無顯著差異, 灌漿期和成熟期SCTN處理無機(jī)氮含量顯著高于SCN處理;除拔節(jié)期外, SCN處理和SM處理無機(jī)氮含量差異不顯著。各處理無機(jī)氮含量的動(dòng)態(tài)變化并不一致, 從苗期至拔節(jié)期S、SCN和SM處理無機(jī)氮含量升高, 但在灌漿期達(dá)到最低值; 而SF和SCTN處理無機(jī)氮含量從苗期至灌漿期一直在升高。

小麥季, 苗期和拔節(jié)期SF處理無機(jī)氮含量顯著高于其他處理, 而灌漿期和成熟期各處理無機(jī)氮含量無顯著差異。各處理無機(jī)氮含量隨生育期呈先降低后升高的變化規(guī)律,除SF處理外，各處理無機(jī)氮含量均在拔節(jié)期達(dá)到最低。綜合來看,處理和取樣時(shí)間均顯著地影響了土壤無機(jī)氮含量(<0.05),各處理無機(jī)氮含量大小順序?yàn)镾F>SCTN>SCN>SM≥S≥CK。施用無機(jī)氮調(diào)節(jié)碳氮比的3個(gè)處理土壤無機(jī)氮含量顯著不同, 碳氮比越低無機(jī)氮含量越高, 而無機(jī)氮配施與有機(jī)氮配施無機(jī)氮間無顯著差異。

表1 不同處理對(duì)小麥-玉米輪作土壤無機(jī)氮含量的影響

CK: 秸稈不還田不施肥; S: 秸稈還田不施氮; SF: 秸稈還田常規(guī)施氮(碳氮比約為10︰1); SCTN: 秸稈還田施用無機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為16︰1; SCN: 秸稈還田施用無機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為25︰1; SM: 秸稈還田施用有機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為25︰1。同行不同字母表示不同處理在<0.05水平差異顯著。下同。CK: straw removal and no fertilizer; S: straw retention and no N fertilizer; SF: straw retention and conventional N fertilizer (C/N is 10︰1); SCTN: straw retention with C/N ratio of 16︰1 adjusted through mineral N fertilizer; SCN: straw retention with C/N ratio of 25︰1 adjusted through mineral N fertilizer; SM: straw retention and with C/N ratio of 25︰1 adjusted through organic N fertilizer (cattle manure). Different letters in the same row indicate significant differences among treatments at<0.05. The same below.

2.2 秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)土壤微生物生物量氮的影響

秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)土壤MBN含量的影響見圖1。從圖1可知, 玉米季秸稈還田各處理微生物生物量氮的變化趨勢(shì)大致相同, 表現(xiàn)為先降低再升高再降低, 均在灌漿期達(dá)到最高。與秸稈還田不施氮相比, 秸稈還田配施無機(jī)氮肥或有機(jī)氮肥提高了作物各生育期的微生物生物量氮, 表現(xiàn)為施用無機(jī)氮調(diào)節(jié)C/N為25︰1最高, 但差異不顯著。小麥季秸稈還田各處理微生物生物量氮表現(xiàn)為先降低后升高再降低, 施氮同樣提高了微生物生物量氮, 與玉米季不同, 秸稈還田配施無機(jī)氮肥的處理中, 除苗期外, C/N為10︰1處理高于其他兩種配施氮肥處理, 這可能是由于隨著時(shí)間的推進(jìn)秸稈中難降解的部分越來越多, 施用氮肥為微生物提供了更多的氮源, 從而促進(jìn)了微生物對(duì)氮素的同化。綜合來看, SCN處理具有最高的MBN含量, 顯著高于S處理, 其次是SM處理, 各處理MBN含量大小順序?yàn)镾CN≥SM≥SCTN≥SF≥CK≥S(圖1 B), 但是各處理之間MBN含量差異不顯著。

MSS: 玉米苗期; MJS: 玉米拔節(jié)期; MFS: 玉米灌漿期; MMS: 玉米成熟期; WSS: 小麥苗期; WJS: 小麥拔節(jié)期; WFS: 小麥灌漿期; WMS: 小麥成熟期。不同字母表示不同處理在<0.05水平差異顯著。下同。MSS: Maize seedling stage; MJS: Maize jointing stage; MFS: Maize filling stage; MMS: Maize maturing stage; WSS: Wheat seedling stage; WJS: Wheat jointing stage; WFS: Wheat filling stage; WMS: Wheat maturing stage. Different letters indicate significant differences among all treatments at< 0.05. The same below.

2.3 秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)土壤酶活性的影響

秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)土壤脲酶活性的影響在玉米季和小麥季表現(xiàn)規(guī)律不盡相同(圖2)。玉米季, 各處理脲酶活性呈先降低后逐漸升高的趨勢(shì), 相比于對(duì)照, 秸稈還田降低了脲酶活性, 特別是在苗期; 苗期、拔節(jié)期和灌漿期, 秸稈還田施氮與否均對(duì)土壤脲酶活性無顯著影響; 成熟期, 相比于秸稈還田不施氮肥, 秸稈還田施用無機(jī)氮肥顯著提高了脲酶活性, 施用有機(jī)氮肥對(duì)脲酶活性無顯著影響。小麥季, 各處理脲酶活性呈逐漸升高的趨勢(shì), 除苗期外, 秸稈還田相比于秸稈不還田均降低了脲酶活性; 秸稈還田施氮與否對(duì)脲酶活性的影響主要表現(xiàn)在苗期和拔節(jié)期, 苗期SCTN和SM處理顯著提高了脲酶活性, 拔節(jié)期SF和SCTN處理顯著提高了脲酶活性。方差分析表明, CK處理脲酶活性高于其他處理, 但各處理之間脲酶活性差異不顯著, 各處理脲酶活性大小順序?yàn)镃K≥SF≥SCTN≥SCN≥S≥SM, 取樣時(shí)間以及取樣時(shí)間和處理的交互性對(duì)土壤脲酶活性具有顯著影響。

不同處理對(duì)FDA水解酶活性的影響見圖3。由圖3可知, 玉米季, 苗期不同處理對(duì)FDA水解酶活性無顯著影響; 拔節(jié)期, 秸稈還田施氮提高了FDA水解酶活性, 相比于S處理, SF、SCTN和SM處理分別提高1.12%、26.19%和3.27%, SCN處理使FDA水解酶活性顯著降低7.74%; 灌漿期, 除SCN處理外, 秸稈還田施氮降低了FDA水解酶活性, SF、SCTN和SM處理較S處理分別降低13.56%、17.26%和9.45%, SCN處理較S處理使FDA水解酶活性顯著降低39.56%; 成熟期, SF處理和SM處理較S處理使FDA水解酶活性顯著升高81.09%和43.33%, SCTN處理較S處理提高11.38%, SCN處理較S處理顯著降低35.49%。小麥季, 苗期不同處理對(duì)FDA水解酶活性無顯著影響; 拔節(jié)期, 秸稈還田施氮提高了FDA水解酶活性, 相比于S處理, SF、SCTN、SCN和SM處理分別提高16.80%、43.42%、14.50%和32.19%; 灌漿期, 相比于秸稈還田不施氮, 秸稈還田施氮顯著降低FDA水解酶活性; 成熟期, 秸稈還田施氮顯著提高了FDA水解酶活性, 相比于S處理, SCN、SCTN和SM處理分別顯著提高62.40%、68.36%和76.02%, SF處理顯著提高47.32%。方差分析表明, 除SCN處理外, 秸稈還田施氮相比于秸稈還田不施氮提高了FDA水解酶活性, 施用無機(jī)氮的效果強(qiáng)于施用有機(jī)氮, 各處理順序?yàn)镾F≥SCTN≥SM≥S≥SCN≥CK。

2.4 秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)玉米和小麥地上部生物量和產(chǎn)量的影響

不同處理對(duì)作物地上部生物量的影響見表2。玉米季, 苗期, 相比于S處理, SF、SCTN和SCN處理顯著提高了地上部生物量, SM處理對(duì)地上部生物量無顯著影響; S處理相比于CK處理顯著降低了地上部生物量, 在秸稈施用無機(jī)氮的3處理中, SF和SCTN處理地上部生物量顯著高于SCN處理。拔節(jié)期, 秸稈還田施氮處理相比于S處理顯著提高了地上部生物量, 各施氮處理之間地上部生物量差異不顯著。灌漿期, SF、SCTN和SCN處理相比于S處理顯著提高了地上部生物量, SM處理與S處理之間差異不顯著。成熟期, 相比于S處理, SF、SCTN和SCN處理顯著提高了地上部生物量, 而SM處理顯著降低了地上部生物量, SF和SCTN處理顯著高于SCN處理。

表2 不同處理對(duì)玉米和小麥地上部生物量的影響

小麥季苗期, 相比于S處理, SF、SCTN處理顯著提高了地上部生物量, SCN和SM處理對(duì)地上部生物量無顯著影響。拔節(jié)期和灌漿期各處理小麥地上部生物量差異不顯著。成熟期小麥地上部生物量表現(xiàn)為S處理最低, SCTN處理最高, C/N為25︰1的兩個(gè)處理中, SCN處理的地上部生物量最低, 但各施氮處理間地上部生物量差異不顯著。綜合玉米季和小麥季的情況來看, 秸稈還田調(diào)節(jié)C/N施氮對(duì)作物生長(zhǎng)的苗期和成熟期地上部生物量影響較大, SCTN處理和SF處理對(duì)地上部生物量影響差異不顯著。

不同處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響見表3。玉米季, SCTN處理產(chǎn)量最高, CK最低; 秸稈還田的5個(gè)處理中, SM處理產(chǎn)量最低, 顯著低于SF和SCTN處理; 施用無機(jī)氮肥的3個(gè)處理小麥產(chǎn)量無顯著差異; 施用無機(jī)氮和施用有機(jī)氮調(diào)節(jié)C/N為25︰1對(duì)小麥產(chǎn)量無顯著影響。小麥季, SCN處理產(chǎn)量最高, CK最低; 秸稈還田的5個(gè)處理中, SM處理顯著低于其他處理; 施用無機(jī)氮肥的3個(gè)處理對(duì)小麥產(chǎn)量無顯著影響, 但均顯著高于秸稈還田不施氮處理。根據(jù)玉米和小麥產(chǎn)量, 比較投入和產(chǎn)出來看, SCTN處理最為適宜。

表3 不同處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響

同列不同小寫字母表示處理在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at< 0.05.

3 討論

3.1 秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)土壤無機(jī)氮含量的影響

秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N顯著影響了土壤無機(jī)氮含量(<0.05)。秸稈施入土壤后, 其降解速率受秸稈自身化學(xué)組成的影響, 一般認(rèn)為C/N為25︰1是決定秸稈施入土壤后對(duì)土壤氮素固持與否的關(guān)鍵拐點(diǎn)[12], 由于玉米和小麥秸稈碳氮比皆高于25︰1, 因此玉米、小麥秸稈施入土壤后必然導(dǎo)致土壤微生物對(duì)氮素的固持, 因此需要補(bǔ)施氮肥來緩解氮素的固持作用, 滿足秸稈降解和作物生長(zhǎng)對(duì)氮素的需求。綜合小麥-玉米季的情況來看, 施用無機(jī)氮調(diào)節(jié)不同C/N下土壤無機(jī)氮含量顯著不同, C/N越低無機(jī)氮含量越高, 這表明在秸稈還田時(shí)低C/N有利于土壤氮素的供應(yīng)[14]。另外, 本試驗(yàn)通過改變外源氮施入量來實(shí)現(xiàn)不同C/N施入的目的, 因此不同的施氮量也可能導(dǎo)致不同處理無機(jī)氮含量的不同, 進(jìn)而影響微生物量氮、酶活性和作物產(chǎn)量。一般認(rèn)為施用有機(jī)氮相比于施用無機(jī)氮更有利于土壤氮素的礦化[28]。而本研究結(jié)果表明, 無機(jī)氮和有機(jī)氮配施調(diào)節(jié)C/N間土壤無機(jī)氮含量無顯著差異, 這可能與牛糞施入前的堆肥過程消耗了有機(jī)物料的易分解氮, 剩余的多是不容易降解的部分有關(guān)。此外, 從土壤無機(jī)氮含量的動(dòng)態(tài)變化來看, 玉米季各處理無機(jī)氮含量的變化并不一致, S、SCN和SM處理在灌漿期無機(jī)氮含量達(dá)到最低值, 而SF和SCTN處理無機(jī)氮含量在升高, 這可能與玉米季的二次追肥有關(guān), 追肥為土壤提供了速效氮, 提高了土壤無機(jī)氮含量。在本研究中, 施用無機(jī)氮調(diào)節(jié)碳氮比的3個(gè)處理土壤無機(jī)氮含量顯著不同, 碳氮比越低無機(jī)氮含量越高, 這對(duì)滿足作物生長(zhǎng)時(shí)對(duì)氮素的利用是有利的, 但另一方面同時(shí)也可能增加了土壤氮素的損耗。

3.2 秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)土壤微生物量氮和酶活性的影響

秸稈還田后, 氮素的可利用性決定了土壤微生物生物量[14]。本試驗(yàn)中秸稈還田補(bǔ)施氮肥提高了土壤無機(jī)氮含量, 施用無機(jī)氮肥越高, 土壤中無機(jī)氮含量越高, 而施氮量增加帶來的無機(jī)氮含量的提高并未導(dǎo)致微生物生物量氮的提高。Shaukat等[15]在室內(nèi)培養(yǎng)條件下的研究也表明, 秸稈還田施氮后微生物量氮的增加并不隨施入無機(jī)氮量的增加而增加, 秸稈還田碳氮輸入C/N為18︰1時(shí), 微生物量氮最高,而低C/N(9︰1)輸入?yún)s顯著降低了整個(gè)培養(yǎng)過程中的微生物量氮。在本試驗(yàn)中, 微生物量氮的增加不與施氮量增加呈線性增加, 可能與本試驗(yàn)樣地連續(xù)多年秸稈還田土壤微生物生物量已經(jīng)達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡的飽和狀態(tài)有關(guān)[29]。因此土壤微生物量氮在秸稈還田施氮處理之間差異不顯著。微生物生物量氮在玉米、小麥苗期, 因小麥、玉米秸稈的施入刺激了微生物的生長(zhǎng), 提高了微生物生物量氮, 拔節(jié)期時(shí)秸稈中易分解組分逐漸消耗完畢, 微生物量氮逐漸降低, 而灌漿期作物生長(zhǎng)加快, 分泌大量根系分泌物, 刺激了微生物的生長(zhǎng), 作物成熟期對(duì)氮素的需求增加, 減少了微生物對(duì)氮素的同化, 使微生物量氮降低[30]。綜合來看, 秸稈還田施氮提高了土壤微生物量氮含量, SCN處理最高, 其次是SM處理, 各秸稈還田施氮處理之間差異并不顯著。這表明秸稈還田后施氮量的增加并沒有提高微生物量氮。秸稈還田調(diào)節(jié)輸入的C/N為25︰1對(duì)微生物量氮的提高最為有利, 在同一C/N (25︰1)下, 施用無機(jī)氮處理的微生物量氮更高, 這表明同為C/N(25︰1)下輸入，相比于有機(jī)氮肥, 施入無機(jī)氮肥對(duì)微生物量氮增加的貢獻(xiàn)更大[30]。

秸稈還田后土壤微生物對(duì)氮素的礦化-固持過程對(duì)土壤氮素供給和減少氮素?fù)p失具有重要影響[31-32]。本試驗(yàn)中, 從玉米生長(zhǎng)季微生物量氮含量和土壤無機(jī)氮含量的動(dòng)態(tài)變化看, 從苗期—拔節(jié)期和灌漿期—成熟期, 微生物量氮含量降低而土壤無機(jī)氮含量升高, 而拔節(jié)期至灌漿期微生物量氮含量升高但土壤無機(jī)氮含量降低(SF和SCTN處理由于追肥除外)。相關(guān)性分析表明土壤無機(jī)氮含量與微生物量氮含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4), 這表明微生物量氮與土壤無機(jī)氮含量存在著相互制約的關(guān)系, 固持在土壤微生物中的氮可作為活性氮被重新礦化, 供作物吸收利用[33]。

表4 土壤無機(jī)氮含量與微生物量氮含量、脲酶和FDA水解酶活性和作物地上部生物量的相關(guān)分析

**表示在<0.01水平極顯著相關(guān)。** indicates significant correlation at< 0.01.

土壤酶在土壤養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用, 其活性可以作為衡量土壤微生物活性和土壤肥力的指標(biāo)[34]。土壤酶主要由土壤微生物分泌并釋放到土壤中, 與土壤微生物活性密切相關(guān), 因此土壤微生物生物量與土壤酶活性之間呈正相關(guān)關(guān)系[35-36]。秸稈還田為土壤微生物提供了碳氮源和能源, 刺激了微生物的生長(zhǎng), 提高了土壤酶活性[37]。土壤脲酶是一種專一性水解酶, 能將尿素水解為銨態(tài)氮供植物吸收利用。本試驗(yàn)表明秸稈還田不同施氮并沒有提高土壤脲酶活性, 與秸稈不還田相比有降低脲酶活性的趨勢(shì), Wu等[38]在室內(nèi)培養(yǎng)的研究也發(fā)現(xiàn)秸稈還田降低了土壤脲酶活性, 他們認(rèn)為脲酶活性的降低是由于培養(yǎng)試驗(yàn)開始時(shí)土壤無機(jī)氮含量過低所致; 也有研究表明施氮會(huì)降低土壤脲酶活性。因?yàn)橥寥乐羞^高的銨態(tài)氮含量會(huì)抑制土壤脲酶活性[39-40]。本試驗(yàn)也表明, 土壤無機(jī)氮含量與土壤脲酶活性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4), 因此秸稈還田施氮帶來的無機(jī)氮含量的升高可能導(dǎo)致脲酶活性降低。FDA的水解反應(yīng)是在土壤脂肪酶、蛋白酶和酯酶等催化下完成的, FDA水解酶活性能夠代表土壤微生物活性并與土壤微生物生物量有顯著的相關(guān)性[24]。本試驗(yàn)表明, 秸稈還田提高了FDA水解酶活性, 并且FDA水解酶活性隨C/N降低呈升高趨勢(shì), 這可能由于低C/N增加了土壤無機(jī)氮含量, 提高了土壤微生物活性, 進(jìn)而提高了FDA水解酶活性。同時(shí)本試驗(yàn)也表明, 土壤無機(jī)氮含量與FDA水解酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表4), 但在秸稈還田施用無機(jī)氮調(diào)節(jié)C/N為25︰1卻降低了FDA水解酶活性, 特別是在玉米季, 其原因還有待研究。

3.3 秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)作物地上部生物量和產(chǎn)量的影響

本試驗(yàn)表明, 秸稈還田施氮提高了作物地上部生物量。SF處理地上部生物量最高, 其次是SCTN處理，秸稈還田施用無機(jī)氮顯著提高了地上部生物量, 但3個(gè)處理間差異不顯著; 秸稈還田施用有機(jī)氮相比于秸稈還田不施氮對(duì)地上部生物量沒有顯著影響。相關(guān)性分析表明土壤無機(jī)氮含量與地上部生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表4), 這表明無機(jī)氮含量的提高能夠增加作物地上部生物量。蔡紅光等[41]的研究也表明施氮量增加提高了無機(jī)氮含量、地上部生物量以及作物吸氮量, 而作物地上部生物量的提高與吸氮量增加密切相關(guān)[33]。在本試驗(yàn)中, 秸稈還田施用無機(jī)氮的3個(gè)處理對(duì)地上部生物量影響差異不顯著, 但對(duì)作物地上部生物量的影響卻不相同, 特別是在作物苗期和成熟期, SF和SCTN處理相比于SCN處理提高了地上部生物量, 而SF和SCTN 處理之間卻差異不顯著, 原因可能在于過量施氮并不能增加作物對(duì)氮素的吸收并降低氮素利用率[42]。對(duì)作物產(chǎn)量來說, 秸稈還田施用無機(jī)氮提高了作物產(chǎn)量, 特別是在小麥季, 而秸稈還田施用有機(jī)氮在輸入C/N為25︰1的情況下有降低作物產(chǎn)量的趨勢(shì)。由于玉米、小麥秸稈C/N較高, 還田往往造成對(duì)土壤氮素的固持, 使得土壤無機(jī)氮含量降低, 從而影響了作物生長(zhǎng), 使作物產(chǎn)量降低[43-44]。在本文中施用無機(jī)氮的3個(gè)處理均提高了作物產(chǎn)量, 但是土壤無機(jī)氮含量與作物產(chǎn)量之間不存在顯著的相關(guān)性(=0.043,=0.759)。雖然, SCN處理和SM處理輸入C/N一致, 并且兩個(gè)處理的無機(jī)氮含量差異不顯著, 但SCN處理產(chǎn)量卻高于SM處理產(chǎn)量, 特別是在小麥季, 顯著提高小麥產(chǎn)量, 這可能與不同處理下作物吸收氮的強(qiáng)度有關(guān)。苗峰等[45]的研究表明, 秸稈還田有增加小麥產(chǎn)量的趨勢(shì), 這種增加可能與地上部的吸氮量有關(guān)。但是我們?cè)诒驹囼?yàn)中沒有測(cè)定不同處理下作物地上部含氮量, 因此不能判斷有機(jī)氮施入相比于無機(jī)氮施入降低了作物吸氮量, 從而影響了作物產(chǎn)量。另外, 地上部生物量并不與作物產(chǎn)量具有一致性, 原因可能在于秸稈還田調(diào)節(jié)C/N施氮影響了作物的吸收氮量, 并且吸收氮素在籽粒和莖葉中分配比例不同[46], 從而使得作物產(chǎn)量和地上部生物量規(guī)律不一致。

4 結(jié)論

1)秸稈還田配施無機(jī)氮肥下土壤無機(jī)氮含量顯著不同, C/N越低無機(jī)氮含量越高, 無機(jī)氮肥配施與有機(jī)氮肥配施之間土壤無機(jī)氮含量無顯著差異。

2)秸稈還田施氮提高了土壤微生物量氮含量, 但是各秸稈還田施氮處理之間差異不顯著。秸稈還田施氮調(diào)節(jié)C/N對(duì)土壤脲酶活性無顯著影響, 相比于秸稈不還田不施肥有降低脲酶活性的趨勢(shì)。除SCN處理外, 秸稈還田施氮提高了FDA水解酶活性, 并隨著C/N的降低有升高的趨勢(shì)。

3)秸稈還田調(diào)節(jié)C/N施氮對(duì)作物苗期和成熟期地上部生物量影響較大, SCTN(C/N為16︰1)處理和SF(C/N為10︰1)處理對(duì)地上部生物量影響差異不顯著。秸稈還田施用無機(jī)氮肥顯著提高了地上部生物量, 施氮量越大地上部生物量越大; 施用有機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為25︰1相比秸稈還田不施氮對(duì)地上部生物量無顯著影響。秸稈還田施用無機(jī)氮肥提高了作物產(chǎn)量, 無機(jī)氮肥施用量不同對(duì)作物產(chǎn)量的影響無顯著差異。綜合來看, 施用無機(jī)氮肥調(diào)節(jié)C/N為 16︰1較為合理。由于本試驗(yàn)結(jié)果僅為1年的試驗(yàn)結(jié)果, 還有待多年的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

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Responses of soil mineral N contents, enzyme activities and crop yield to different C/N ratio mediated by straw retention and N fertilization*

LI Tao1,2, HE Chun’e1, GE Xiaoying1, OUYANG Zhu1**

(1. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The quality of straw affects N release after straw retention. As straw with high C/N ratio could result in N immobilization, additional N is needed to compensate N demand of crop. More and more N fertilizer is applied to soil for high crop yields in China. Therefore, how to scientifically apply N fertilizer is a key problem after straw retention. Based on C/N ratio, we carried out a field experiment to study the effects of different C/N ratios on soil mineral N content, microbial parameters and crop yields during the period of 2012-2013 in a winter wheat-summer maize double cropping system. The field experiment consisted of six treatments: 1) straw removal without fertilizer; 2) straw retention without N fertilizer; 3) straw retention with conventional N fertilizer (C/N ratio 10︰1); 4)straw retention with mineral N fertilizer (adjusted C/N ratio of 16︰1); 5) straw retention with mineral N fertilizer (adjusted C/N ratio of 25︰1); 6) straw retention with an adjusted C/N ratio of 25︰1 using organic N fertilizer (cattle manure). The results showed that: 1) there was no difference between the addition of mineral N fertilizer and organic N fertilizer on soil mineral N content under the same C/N ratio (25︰1) input. In the case of straw retention amended with mineral N fertilizer, C/N ratio of straw retention had significant influence on soil mineral N content, and C/N ratio was negatively related to soil mineral N content. 2) Straw retention amendment with N fertilizer increased soil microbial biomass N content, while no difference in soil microbial biomass N content among different N fertilizer inputs treatments. Straw retention amended with N fertilizer with sitting in integrated judgment, the urease activity had no remarkably different. Straw retention amended with N fertilizer increased FDA hydrolyase activity, and there was an increasing tendency with the decreasing of C/N ratio. 3) Straw retention amended with miner N fertilizer significantly increased crop above-ground biomass. Compared to straw retention and with an adjusted C/N ratio of 25︰1, straw retention with an adjusted C/N ratio of 10︰1 and 16︰1 increased above-ground biomass in both seedling and maturing stage. Compared to straw retention, straw retention amendment with organic N fertilizer had no influence on crop above-ground biomass. Straw retention amendment with miner N fertilizer increased crop yield, especially under the C/N ratio 16︰1 input; however, there was a decreased tendency at straw retention amendment with organic N fertilizer under the C/N ratio 25︰1. We concluded that applying mineral N fertilizer and adjusting C/N ration to 16︰1 may be more suitable N fertilizer practices after straw retention.

Straw retention; Organic N fertilizer; inorganic N fertilizer; C/N ratio; Soil enzyme; Soil microbial biomass N; Crop yield

10.13930/j.cnki.cjea.160357

S154.1

A

1671-3990(2016)12-1633-10

2016-04-17 接受日期: 2016-10-28

* 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA102903)資助

* Supported by the National High-tech Research and Development Program of China (863 Program) (2013AA102903)

**通訊作者:歐陽竹, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理。E-mail: ouyz@igsnrr.ac.cn 李濤, 主要從事土壤微生物生態(tài)方面的研究。E-mail: tllcu@126.com

**Corresponding author, E-mail: ouyz@igsnrr.ac.cn

Received Apr. 17, 2016; accepted Oct. 28, 2016