調(diào)節(jié)碳氮比對甘蔗葉還田后土壤無機(jī)氮、微生物量氮、水溶性有機(jī)碳含量和脲酶活性的影響

單穎 田路園 鄒雨坤 趙鳳亮 李光義 侯憲文 李勤奮

摘 要 秸稈還田條件下如何合理配施氮肥是影響秸稈還田效果的關(guān)鍵問題。以甘蔗葉還田條件下配施氮肥調(diào)節(jié)C/N為切入點，設(shè)置6個添加不同甘蔗葉與氮肥比例的處理：CK（不施入甘蔗葉和氮肥）、T1（15 ∶ 1）、T2（20 ∶ 1）、T3（25 ∶ 1）、T4（30 ∶ 1）和T5（35 ∶ 1），利用土柱模擬試驗的方法測試分析了試驗過程中土壤不同形態(tài)氮素和水溶性有機(jī)碳含量的變化。結(jié)果表明，甘蔗葉還田配施氮肥可以有效增加土壤中氮素的含量，試驗初期配施較高比例氮肥的處理土壤全氮含量更高，隨著時間的延長，C/N在25 ∶ 1～35 ∶ 1范圍時，土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量更高。甘蔗葉還田施氮還提高了土壤微生物量氮的含量和脲酶活性。綜合來看，甘蔗葉還田配施氮肥調(diào)節(jié)C/N為25 ∶ 1，對于提高土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的效果最佳。

關(guān)鍵詞 甘蔗葉還田；氮肥；C/N；土壤氮素

中圖分類號 S566.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Abstract How to scientifically apply N fertilizer is a key problem when straw returning. Based on C/N ratio， a laboratory experiment was conducted to study the effects of different C/N ratios mediated by sugarcane leaves returning plus nitrogen fertilizer on soil total nitrogen， ammonium nitrogen， nitrate nitrogen， microbial biomass nitrogen， water-soluble organic carbon content and urease activity. Six treatments were set： CK（sugarcane leaves removal without fertilizer）， T1（C/N ratio 15 ∶ 1）， T2（20 ∶ 1）， T3（25 ∶ 1）， T4（30 ∶ 1） and T5（35 ∶ 1）. The results showed that sugarcane leaves returning amended with N fertilizer significantly increased soil nitrogen content. At the beginning of the test， there was an increasing trend of soil total nitrogen content with N fertilizer application proportion. With the extension of time， an adjusted C/N ratio of 25 ∶ 1-35 ∶ 1 increased soil total nitrogen， ammonium nitrogen and nitrate nitrogen content. Sugarcane leaves returning amended with N fertilizer also increased soil microbial nitrogen content and urease activity. We concluded that applying N fertilizer plus sugarcane leaves returning and adjusting C/N ratio to 25 ∶ 1 was more suitable for increasing soil nitrogen content.

Key words Sugarcane leaves returning； nitrogen fertilizer； C/N ratio； soil nitrogen

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.11.002

我國是世界上秸稈資源最豐富的國家之一，每年的秸稈資源量占全世界總量的30%[1]。秸稈還田作為秸稈合理利用的一種方式，能夠有效改善土壤理化性質(zhì)，補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[2-4]。已有研究表明，秸稈還田可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加土壤的持水保水能力[5-7]。勞秀榮[8]、張亞麗等[9]研究表明，秸稈還田可以顯著促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累，提高速效氮磷鉀的生物有效性和脲酶活性，改善土壤肥力及質(zhì)量狀況，對于提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。

氮是土壤肥力中最活躍的因素，也是作物生長發(fā)育所必需的大量元素和關(guān)鍵限制因子[10]。研究表明，秸稈還田可以有效提高農(nóng)田土壤氮素的供應(yīng)率，增加農(nóng)田土壤表層無機(jī)氮的含量，促進(jìn)氮素礦化的正激發(fā)效應(yīng)，從而有效減少土壤氮素的損失量和氮肥的使用量[11]。但秸稈碳氮比（C/N）一般較高，在土壤中降解較慢，難以作為當(dāng)季作物的有效肥源。同時，微生物在降解秸稈時還會與作物爭奪氮素，影響作物的正常生長[12]。關(guān)于秸稈還田配施氮肥對土壤肥力和作物生長的影響已有報道，伍玉鵬等[13]研究表明，秸稈還田時配施一定量的氮肥，將C/N調(diào)節(jié)至合適的范圍，不僅可以有效地加速秸稈的分解和腐熟，還能有效地維持土壤肥力。秸稈還田時通過配施氮肥調(diào)節(jié)土壤C/N，還能增加土壤中微生物的數(shù)量和活性，近而影響土壤中氮素的轉(zhuǎn)化[14-15]。但秸稈還田補(bǔ)施氮肥對土壤肥力和作物生長的影響會受氣候條件和土壤類型的影響[16]。甘蔗作為世界上最重要的糖料作物，在我國熱帶、亞熱帶地區(qū)廣泛種植，甘蔗收獲后蔗葉還田作為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的有效途徑已得到廣泛關(guān)注[17]。甘蔗葉還田能夠提高土壤pH，增加有機(jī)質(zhì)、速效氮磷鉀的含量，提高作物產(chǎn)量[18]。但目前關(guān)于甘蔗葉還田施氮調(diào)節(jié)C/N對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響報道較少，因此，本研究通過土柱試驗，在土壤中添加甘蔗葉的同時配施氮肥，以設(shè)置不同C/N為切入點，通過分析土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物量氮、脲酶以及水溶性有機(jī)碳隨時間的變化情況，研究添加甘蔗葉配施氮肥調(diào)節(jié)C/N對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響，以期為甘蔗葉還田合理配施氮肥和高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤質(zhì)地為中壤，采自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院儋州試驗基地，其基本理化性質(zhì)為：pH為4.03，有機(jī)質(zhì)含量5.77 g/kg，全氮0.31 g/kg，速效磷53.96 mg/kg，速效鉀63.13 mg/kg。試驗所用秸稈為完全腐熟甘蔗葉，C含量40.39%，N含量1.40%；將甘蔗葉切成2～3 cm小段，按7 500 kg/hm2還田量添加至供試土壤中。試驗所用氮肥為尿素。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗采用室內(nèi)土柱模擬方法進(jìn)行，土柱使用直徑16 cm、橫截面積0.020 1 m2的PVC管制成，每個土柱填裝過篩風(fēng)干土壤6.5 kg，土層深度為30 cm，甘蔗葉埋入深15 cm土層。按照甘蔗葉配施氮肥以調(diào)節(jié)的C/N，共設(shè)6個處理，分別為甘蔗葉和氮肥添加量均為零的對照（CK）、甘蔗葉還田配施氮肥調(diào)節(jié)C/N為15 ∶ 1（T1）、20 ∶ 1（T2）、25 ∶ 1（T3）、30 ∶ 1（T4）和35 ∶ 1（T5），每個處理設(shè)3個重復(fù)。試驗在28 ℃、相對濕度70%的室內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)儋州市年降雨量設(shè)定澆水量，分別于試驗開始后的第5、15、30天各澆水1 100 mL，后期每30 d澆水1次，1次澆水量為1 300 mL。

1.2.2 樣品采集與測定 在試驗開始后的第5、15、30、60、120、180和240天采集0～15 cm的土壤樣品，每個土樣均為多點采集混合而成，用于測定土壤不同形態(tài)氮素、水溶性有機(jī)碳含量以及脲酶活性。土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定，NH4+-N和NO3--N用1 mol/L KCl浸提，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，采用靛酚藍(lán)比色法測定土壤NH4+-N含量，酚二磺酸比色法測定土壤NO3--N含量；土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸提取法測定；土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定；土壤水溶性有機(jī)碳采用K2SO4溶液浸提，總有機(jī)碳分析儀測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析采用Excel 2007軟件進(jìn)行，數(shù)據(jù)多重比較使用Ducan法，圖件繪制使用Origin 9.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤全氮的影響

向土壤中添加甘蔗葉配施氮肥調(diào)節(jié)C/N對土壤全氮的影響如圖1所示，CK處理土壤全氮含量在前90 d緩慢升高，后期逐漸下降，試驗結(jié)束時，與土壤本底值相近。各處理土壤全氮含量整體均高于CK，但在同一取樣時期內(nèi)，各處理組土壤全氮含量差異不顯著。前30 d，土壤全氮含量變化較小，隨后迅速增加，T1處理土壤全氮含量在90 d時達(dá)到最大值，高于CK處理60.63%，其他各處理土壤全氮含量在180 d時達(dá)到最高值，分別高于CK處理1.35、1.58、1.65和1.57倍。240 d取樣結(jié)束時，各處理土壤全氮含量較CK處理高0.91、1.03、1.16、1.04和1.11倍。

2.2 對土壤銨態(tài)氮的影響

試驗過程中土壤銨態(tài)氮含量的變化如圖2所示，尿素添加至土壤中會發(fā)生水解反應(yīng)提高土壤銨態(tài)氮的含量，5 d時，各處理銨態(tài)氮含量均已顯著高于對照組（p<0.05），增加量分別為23.73、13.45、24.42、13.97和2.62 mg/kg。隨著硝化作用的發(fā)生，各處理的銨態(tài)氮含量呈下降趨勢，至60 d時降至最低值，各處理間差異不顯著。隨后，各處理銨態(tài)氮含量開始逐漸升高，120 d時，各處理含量達(dá)到最大值，且處理間差異顯著，分別比對照高77.71%、58.88%、131.29%、188.59%和171.73%。這與甘蔗葉的降解，以及添加尿素緩解微生物對氮素的固持有關(guān)。同時，銨態(tài)氮帶正電荷，容易被土壤膠體吸附，不易隨水分流失，但部分銨態(tài)氮在微生物的作用下也會轉(zhuǎn)變成氨揮發(fā)掉，當(dāng)澆水量大于土壤持水量時，銨態(tài)氮也會發(fā)生淋失[19]。試驗結(jié)束時，各處理土壤銨態(tài)氮含量與CK相比，分別高41.61%、33.21%、86.86%、84.67%和83.58%。

2.3 對土壤硝態(tài)氮的影響

土壤硝態(tài)氮含量變化如圖3所示，5 d時，各處理硝態(tài)氮含量分別高于對照組64.66%、21.05%、111.26%、131.35%和89.16%。隨后各處理土壤硝態(tài)氮含量開始下降，15 d取樣時，T2處理硝態(tài)氮含量最高，為26.08 mg/kg，比對照組高110.92%，其他各處理硝態(tài)氮含量分別高于對照組70.68%、54.69%、82.30%和56.95%。30 d后，各處理土壤硝態(tài)氮含量開始下降，90 d后，土壤硝態(tài)氮含量變化平緩，且各處理間差異不顯著（p>0.05）。取樣結(jié)束時，各處理土壤硝態(tài)氮含量均略高于對照組。甘蔗葉還田配施氮肥可以增加土壤表層無機(jī)氮的含量，隨著有機(jī)氮的礦化和銨態(tài)氮的硝化作用，硝態(tài)氮含量也會隨之增加，試驗結(jié)束時，處理組的硝態(tài)氮含量均高于對照組。但試驗后期，硝態(tài)氮含量下降至一定值后變化平緩，分析由于硝態(tài)氮易溶于水而流失，多次澆水后，各試驗組的硝態(tài)氮含量都有所下降，而施入甘蔗葉的處理組，因甘蔗葉的阻滯作用，硝態(tài)氮損失相對較少。另一方面，可能是甘蔗葉分解過程中消耗氧氣加速了反硝化作用。

2.4 對土壤微生物量氮的影響

添加甘蔗葉配施氮肥對土壤微生物量氮的影響如圖4所示，土壤微生物量氮含量整體呈現(xiàn)上升-下降-上升-下降的變化趨勢，各處理在90 d時達(dá)到峰值，在120 d時降至最低值，后期略有增加。5 d取樣時，各處理微生物量氮均高于對照組，還田的腐熟甘蔗葉本身帶入大量微生物。30 d取樣時，T4處理土壤微生物量氮含量最高，為29.21 mg/kg，比CK高3.14倍。90 d時，CK處理土壤微生物量氮含量為10.60 mg/kg，各處理分別比CK高2.61、2.31、2.48、0.92和1.70倍。120 d取樣時，各處理土壤微生物量氮含量均降至最低值，但處理間差異不顯著。240 d取樣時，各處理間差異顯著，T1、T2、T3和T5處理分別比CK高121.73%、56.07%、46.96%和71.08%，T4處理比CK低45.32%。甘蔗葉還田不僅可以帶入一定量的微生物，同時氮肥還為土壤微生物提供了充足的氮素和碳素，各處理土壤微生物量氮的含量均要高于對照組，而不同C/N對于微生物活性的影響也較為顯著，適宜的C/N對于微生物的增殖更加有利，進(jìn)而影響到微生物量氮的含量[20]。

2.5 對土壤脲酶的影響

如圖5所示，試驗過程中各處理土壤脲酶的活性整體呈現(xiàn)升高-下降的變化趨勢，在下降的過程中略有波動。5 d取樣時，各處理土壤脲酶活性差異顯著（p<0.05），T3處理土壤脲酶活性最高，CK脲酶活性最低，各處理土壤脲酶活性分別比CK高57.30%、36.83%、71.82%、53.37%和45.92%。15 d取樣時，各處理土壤脲酶活性達(dá)到峰值。30 d時，各處理土壤脲酶活性分別比對照組高33.52%、32.79%、63.63%、78.12%和32.06%。取樣結(jié)束時，各處理之間差異顯著（p<0.05），土壤脲酶活性分別比CK高2.12%、42.95%、37.80%、19.65%和38.00%。脲酶主要參與酰胺態(tài)有機(jī)氮化物水解轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮化物的過程[21]，甘蔗葉還田時配施氮肥，可以提高脲酶的活性，而隨著甘蔗葉降解程度越來越高，酰胺態(tài)有機(jī)氮化物的含量開始減少，進(jìn)而使脲酶活性隨之降低。

2.6 對土壤水溶性有機(jī)碳的影響

甘蔗葉還田配施氮肥對土壤水溶性有機(jī)碳的影響如圖6所示，30 d取樣時，各處理間差異顯著（p<0.05），分別高于CK處理118.83%、98.34%、88.18%、84.72%和79.02%。180 d取樣時，T5含量最高，為162.87 mg/kg，T3次之，為161.98 mg/kg，CK含量最低，為106.47 mg/kg。240 d取樣結(jié)束時，各處理土壤水溶性有機(jī)碳含量均降至最低值，但處理間差異不顯著。甘蔗葉被微生物降解后，為土壤提供了一定碳源，所以處理組的水溶性有機(jī)碳含量要高于對照組，且C/N高的處理土壤中水溶性有機(jī)碳的含量更高。各處理土壤中微生物的數(shù)量和活性不同，也進(jìn)一步影響土壤中水溶性有機(jī)碳的含量。

3 討論

本研究結(jié)果表明，添加甘蔗葉配施氮肥調(diào)節(jié)C/N顯著影響土壤無機(jī)氮、微生物量氮、水溶性有機(jī)碳的含量和脲酶活性。添加甘蔗葉同時配施氮肥，各處理土壤全氮含量均顯著高于CK。試驗前期，尿素施入土壤后水解生成銨態(tài)氮，各處理土壤銨態(tài)氮含量均顯著高于CK，且C/N低的處理含量更高。甘蔗葉施入土壤后，添加氮肥緩解了土壤微生物對氮素的固持，其降解受到C/N影響，隨著試驗時間的延長，各處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的積累有所差異。綜合來看，甘蔗葉還田配施氮肥后C/N在25 ∶ 1～35 ∶ 1范圍時，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量更高。秸稈的自身組成不易改變，施加氮肥可以促進(jìn)秸稈降解，提高無機(jī)氮的含量，且一般認(rèn)為秸稈C/N為25 ∶ 1是決定其還田后是否固持土壤氮素的關(guān)鍵拐點[22]，這與本研究的結(jié)論一致。秸稈還田后，氮素的可利用性決定了土壤微生物生物量[23]。甘蔗葉作為一種有機(jī)物料還田可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)，為微生物提供良好的生存環(huán)境，配施氮肥可以為微生物生長提供豐富的碳源和氮源，提高微生物量氮的含量[24]。本研究中，各處理土壤微生物量氮含量顯著高于CK，試驗后期，土壤無機(jī)氮含量降低，土壤微生物氮含量同樣下降，試驗結(jié)束時，C/N為15 ∶ 1的處理土壤微生物量氮含量最高，C/N為30 ∶ 1的處理最低。本試驗不同的施氮量也可能導(dǎo)致不同處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的不同， 進(jìn)而影響微生物量氮和脲酶活性。甘蔗葉還田不僅為微生物提供了碳氮源，可以刺激微生物的活性，還增加了土壤酶的來源，均對于提高土壤酶活性具有重要意義。本研究表明，甘蔗葉還田時，土壤脲酶活性在前期比后期高，且C/N較低時，脲酶活性更高，120 d后，不同C/N處理對脲酶活性的影響相差不大。由于脲酶主要參與酰胺態(tài)有機(jī)氮化物水解轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮化物的過程，甘蔗葉還田時配施氮肥，顯著提高了脲酶的活性，而當(dāng)甘蔗葉被逐步降解后，脲酶的活性隨之降低。李濤等[25]研究認(rèn)為，秸稈還田施氮有降低脲酶活性的趨勢，銨態(tài)氮含量過高會抑制土壤脲酶的活性。甘蔗葉還田配施氮肥有效增加了土壤中氮素的含量，不同處理間比較，T3（C/N為25 ∶ 1）的效果最好，T3土壤中的水溶性有機(jī)碳的含量和脲酶的活性也相對較高，綜上，甘蔗葉還田時配施氮肥調(diào)節(jié)碳氮比例為25 ∶ 1時，對于提高土壤無機(jī)氮、微生物量氮、溶解性有機(jī)碳含量和脲酶活性的效果最佳。關(guān)于在大田環(huán)境條件下，甘蔗葉還田及配施氮肥調(diào)節(jié)C/N對土壤氮素轉(zhuǎn)化和肥力的影響仍需要進(jìn)一步研究。

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