玉米秸稈添加量對溫室土壤氨揮發(fā)及辣椒氮素吸收的影響

吳紅艷，于淼，高曉梅

（遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧 朝陽 122000）

蔬菜是人們?nèi)粘ｏ嬍持斜夭豢缮俚氖澄镏?，可提供人體所必需的多種維生素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，人體必需的90% VC、60% VA來自于蔬菜，這些營養(yǎng)物質(zhì)是有效預(yù)防慢性、退行性疾病風(fēng)險的重要因素。我國蔬菜種植面積占整個種植業(yè)面積的12.9%[1]，主要分為露地栽培和設(shè)施栽培兩種類型，設(shè)施蔬菜種植具有高投入、高產(chǎn)出的特點，在農(nóng)產(chǎn)品供給和農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[2]。近年來，我國設(shè)施蔬菜面積不斷擴大，種植面積已達(dá)340萬hm2，占我國蔬菜種植面積的18%[3]。大部分蔬菜根系淺，因此養(yǎng)分和水分吸收能力弱、需肥量大。我國蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)中肥料用量高，單位面積蔬菜的單季總養(yǎng)分投入量是糧食作物總養(yǎng)分投入量的2倍[4]。土壤氨（NH3）揮發(fā)速率隨著施氮量的增加而增大，進(jìn)而使累積氨揮發(fā)量顯著增加[5-6]。氨作為大氣中唯一的堿性氣體，是大氣中二次氣溶膠的重要前驅(qū)物，對大氣細(xì)顆粒物PM2.5的形成起重要作用，是使我國重污染地區(qū)、重污染時段PM2.5持續(xù)處于高位的關(guān)鍵因素之一[7]。據(jù)統(tǒng)計，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)產(chǎn)生的氨排放量約占我國農(nóng)業(yè)源氨排放量的33%[8]，氨與大氣中硫氧化物、氮氧化物結(jié)合形成的銨態(tài)氮達(dá)到一定濃度時會沉降于地表，因此氨揮發(fā)會降低氮素利用率，造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染[9]。

隨著蔬菜連作時間延長及復(fù)種指數(shù)提高，土壤障礙問題越來越嚴(yán)重。張新俊等[10]的研究表明，施用生物炭對連作菊花土壤性質(zhì)改善和菊花生長、產(chǎn)品品質(zhì)提高具有促進(jìn)作用，是緩解連作菊花栽培中土壤障礙問題的有效手段；高晶霞等[11]的研究表明，長期連作對辣椒生長和光合特性產(chǎn)生負(fù)面影響，顯著降低作物株高和莖粗等生物量指標(biāo)，辣椒產(chǎn)量和經(jīng)濟效益連年降低。

近年來，為了提高土壤肥力使其可持續(xù)利用，促進(jìn)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，秸稈還田成為研究熱點。有研究表明，秸稈還田能有效增強微生物活性、增加土壤有機質(zhì)、促進(jìn)離子交換、改善土壤理化性質(zhì)、改良土壤耕性、培肥地力，且有利于硝化作用和有機氮固持[12-13]，對土壤氮素循環(huán)轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生深刻影響[14-15]，另外還可減輕或免除因大量施用肥料而造成的污染。農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家非常重視秸稈還田，我國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)亦很重視秸稈還田，且設(shè)施土壤秸稈還田技術(shù)也在逐步完善[16]。

蔬菜秸稈攜帶大量病原體無法直接還田，而遼西地區(qū)干旱少雨，大田廣泛種植玉米，玉米秸稈具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)，因此成為設(shè)施土壤還田的主要材料。但玉米秸稈還田顯著影響土壤碳氮比，進(jìn)而影響作物對氮素的吸收利用，由此帶來許多環(huán)境和生態(tài)問題。因此，探索有效的秸稈添加量，對減少農(nóng)田土壤氨揮發(fā)、降低土壤氮素?fù)p失率、提高氮肥利用效率至關(guān)重要，且降低氮素對減少環(huán)境污染具有重要意義[17-18]。

本研究以遼西地區(qū)設(shè)施蔬菜土壤為研究對象，選取北方廣泛種植的辣椒作為試驗材料，利用室內(nèi)盆栽試驗進(jìn)行不同玉米秸稈添加量對設(shè)施土壤氨揮發(fā)及辣椒氮素吸收的影響研究，揭示常規(guī)施肥條件下不同秸稈添加量設(shè)施土壤的氨揮發(fā)規(guī)律，為減少氨揮發(fā)、提高作物氮素吸收響應(yīng)力和氮肥利用率、優(yōu)化秸稈還田配套措施和合理施肥提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試蔬菜為北方地區(qū)廣泛種植的辣椒，品種為寒椒99。

玉米秸稈主要養(yǎng)分：全氮含量7.42 g·kg-1，有機碳含量423.79 g·kg-1。

供試土壤為褐土，取自遼寧省微生物科學(xué)研究院試驗基地種植辣椒的日光溫室耕層（0～20 cm）土壤，其基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 The physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗設(shè)計

供試土壤去除腐葉等雜質(zhì)，風(fēng)干，過2 mm篩后備用。試驗于2021年9月20日開始，至11月20日結(jié)束。在溫室條件下采用盆栽的方法，選用直徑為17 cm、高為30 cm的塑料花盆，每盆裝土7.5 kg，裝土高度為20 cm，每次每個處理取樣3盆，即為3次重復(fù)。肥料為市售化肥，N、P2O5和K2O的用量分別100、70 kg·hm-2和80 kg·hm-2。試驗設(shè)置4個處理：化肥+不添加秸稈（CK），化肥+秸稈4 500 kg·hm-2（S1），化肥+秸稈9 000 kg·hm-2（S2），化肥+秸稈13 500 kg·hm-2（S3）。將玉米秸稈制成長度小于3 cm的秸稈段，按試驗設(shè)置所述，將不同干質(zhì)量的秸稈與花盆中0～15 cm土壤混合均勻后上層覆土約5 cm，采用常規(guī)穴栽方式，所有處理均將尿素、磷和鉀肥按常規(guī)施肥方法作為基肥一次性施入，不再追肥，施肥方法為播種前施入定植植株底部2～3 cm處，各處理均按日光溫室大棚辣椒常規(guī)管理方式一致性管理。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤氨揮發(fā)的測定[19]

本試驗采用通氣法監(jiān)測氨揮發(fā)。用PVC管（聚乙烯硬質(zhì)塑料管）制成內(nèi)徑為8 cm、高為12 cm的氨氣捕獲裝置，將兩塊厚度為2 cm、直徑為10 cm的海綿均勻浸以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，下層海綿距管底5 cm，用于吸收土壤揮發(fā)出來的氨，上層海綿與管頂相平，用于防止外界氣體污染。施肥后第1周每天固定時間更換下層海綿作為樣品，樣品立即放入樣品袋中密封；第2周更換2～3次，第3、4周每周更換1次，此后第6周及第60天結(jié)束期時分別取樣一次。整個監(jiān)測過程氨揮發(fā)裝置保持固定位置，每天僅更換海綿。下層海綿樣品置于300 mL（1 mol·L-1）氯化鉀溶液中浸提1 h，利用iFIA7全自動流動注射分析儀MAC3（北京吉天儀器有限公司）測定浸提液中銨態(tài)氮含量。

1.3.2 土壤樣品無機氮測定

將3盆土壤混合均勻，采用四分法取樣，保留約200 g土壤樣品，常溫下陰干，過篩（0.25 mm）后置于-20℃冰箱保存?zhèn)溆?。將土壤樣品? mol·L-1氯化鉀溶液浸提后，利用iFIA7全自動流動注射分析儀MAC3測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.3.3 辣椒采收計產(chǎn)及樣品總氮的測定

辣椒產(chǎn)量為連續(xù)采收后于結(jié)束期合并計產(chǎn)，所有果實與定植60 d植株合計測定氮素累積量。辣椒定植21、42 d和60 d時，貼近土壤表面將地上部分剪下，置于105℃烘箱殺青30 min后，80℃烘干至質(zhì)量恒定，進(jìn)行稱量，作為植株樣品。辣椒及植株樣品干燥粉碎過篩（0.25 mm），用H2SO4-H2O2消煮，利用iFIA7全自動流動注射分析儀MAC3測定總氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

氨揮發(fā)量（kg·hm-2，以N計）=樣品中銨態(tài)氮含量（NH+4-N，mg）/捕獲裝置的橫截面積（m2）×10-2

氨揮發(fā)速率（kg·hm-2·d-1，以N計）=氨揮發(fā)量（kg·hm-2）/每次連續(xù)捕獲的時間（d）

氨揮發(fā)累積量（kg·hm-2，以N計）=每次采樣的氨揮發(fā)量之和

莖葉氮累積量（g）=莖葉總氮含量（g·g-1）×莖葉干物質(zhì)質(zhì)量（g）

果實氮累積量（g）=果實總氮含量（g·g-1）×果實干物質(zhì)質(zhì)量（g）

植株地上部氮素累積量（g）=莖葉氮累積量（g）+果實氮累積量（g）

利用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與計算，采用SPSS 25.0進(jìn)行單因素方差分析，選用LSD（P＜0.05）進(jìn)行多重比較、差異顯著性及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈添加量對土壤氨揮發(fā)效應(yīng)的影響

2.1.1 對土壤氨揮發(fā)量的影響

由圖1可以看出，在整個監(jiān)測期內(nèi)，S1、S2和S3的氨揮發(fā)量動態(tài)變化趨勢與CK相近，S1、S2、S3和CK均在第7天達(dá)到峰值，分別為3.683、3.210、3.910 kg·hm-2和5.632 kg·hm-2，之后總體呈下降趨勢，第28天降至較低水平，并穩(wěn)定在0.532～0.243 kg·hm-2之間；S1、S2、S3的氨揮發(fā)量峰值分別較CK減少了34.6%、43.0%和30.6%；S2的氨揮發(fā)量峰值較CK、S1、S3分別顯著減少了43.0%、12.8%、17.9%?？梢姡谕皇┓蕳l件下，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時的氨揮發(fā)量與其他3個處理相比存在顯著差異（P＜0.05）。

圖1 秸稈添加量對土壤氨揮發(fā)量的影響Figure 1 Effects of straw addition on NH3 volatilization in soil

2.1.2 對土壤氨揮發(fā)速率的影響

由圖2可以看出，在整個監(jiān)測期內(nèi)CK、S1、S3的土壤氨揮發(fā)速率動態(tài)變化趨勢無明顯差異，均在第7天達(dá)到峰值，CK、S1、S2、S3的氨揮發(fā)速率平均值分別為2.29、1.73、1.60、2.00 kg·hm-2·d-1，由高到低依次為CK＞S3＞S1＞S2，S2較CK、S1、S3分別顯著降低30.0%、7.5%、20.0%。因此，在同一施肥條件下，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時氨揮發(fā)速率最低。

圖2 秸稈添加量對土壤氨揮發(fā)速率的影響Figure 2 Effects of straw addition on NH3 volatilization rate in soil

2.1.3 對土壤氨揮發(fā)累積量的影響

圖3顯示，在整個監(jiān)測期內(nèi)各處理氨揮發(fā)累積量表現(xiàn)為CK＞S3＞S1＞S2，S2最小，為24.35 kg·hm-2，CK最大，為35.96 kg·hm-2，S1、S2、S3的氨揮發(fā)累積量與CK相比分別減少了22.2%、32.3%、6.2%，且S2顯著低于CK、S1、S3（P＜0.05），原因可能是秸稈適量還田增強了土壤對NH+4的吸附能力，或是將NH+4轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌螒B(tài)氮素降低了土壤NH+4濃度，從而顯著減少了土壤氨揮發(fā)累積量。

圖3 秸稈添加量對土壤氨揮發(fā)累積量的影響Figure 3 Effects of straw addition on NH3 volatilization accumulation in soil

2.2 秸稈添加量對土壤無機氮含量的影響

2.2.1 對土壤銨態(tài)氮含量的影響

圖4顯示，在整個監(jiān)測期內(nèi)各處理土壤銨態(tài)氮含量整體動態(tài)變化趨勢基本一致，且與氨揮發(fā)速率的變化趨勢相近，即在第7天達(dá)到最大峰值，此時S2較CK、S1、S3分別減少了24.2%、11.5%、14.8%，且與CK差異極顯著；第28天降至較低水平，并趨于平穩(wěn)。監(jiān)測期內(nèi)CK、S1、S2、S3的銨態(tài)氮含量平均值分別為158.62、141.01、120.04、161.62 mg·kg-1，S2顯著低于CK和S3，而與S1差異未達(dá)到顯著水平；第21天降至較低點時，S2與CK、S1、S3相比差異顯著（P＜0.05）。由此可知，不同秸稈添加量對土壤中銨態(tài)氮的殘留量具有直接影響，適量秸稈還田能夠有效降低土壤銨態(tài)氮含量。

圖4 秸稈添加量對土壤銨態(tài)氮含量的影響Figure 4 Effects of straw addition on soil ammonium nitrogen content

2.2.2 對土壤硝態(tài)氮含量的影響

圖5顯示，在整個監(jiān)測期內(nèi)CK、S1、S2、S3的硝態(tài)氮含量變化趨勢基本相同，前21 d呈逐漸上升趨勢，變化范圍分別為2.26～12.54、3.02～25.02、2.84～33.74、2.88～17.83 mg·kg-1，S2增加量最大為30.90 mg·kg-1；第21天達(dá)到峰值，此時S2較CK、S1、S3分別增加62.8%、25.8%、47.2%，且處理間差異顯著；第42天降至較低水平，其中S2顯著高于其他3個處理（P＜0.05）。可見，秸稈適量還田能夠有效提高土壤硝態(tài)氮含量。

圖5 秸稈添加量對土壤硝態(tài)氮含量的影響Figure 5 Effects of straw addition on soil nitrate nitrogen content

2.3 秸稈添加量對辣椒地上部氮累積量的影響

由表2可知，在整個監(jiān)測期內(nèi)不同取樣時間各處理植株氮素吸收量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。第21天時各處理間無顯著差異；第42天時S1、S2、S3與CK之間均差異顯著（P＜0.05），而S1、S2、S3之間未達(dá)到顯著差異水平；第60天時，與CK相比，S1、S2、S3分別增加了13.7%、19.1%、9.3%，均達(dá)到顯著差異水平（P＜0.05）。可見，在同一施肥條件下，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時，對設(shè)施蔬菜辣椒地上部氮素累積量的提高具有明顯促進(jìn)作用。

表2 秸稈添加量對植株氮素累積量的影響（g·株-1）Table 2 Effects of straw addition on plant nitrogen accumulation（g·plant-1）

2.4 秸稈添加量對辣椒產(chǎn)量的影響

圖6顯示辣椒產(chǎn)量為S2＞S1＞S3＞CK，S2處理辣椒產(chǎn)量較S1、S3和CK分別增加7.7%、11.8%和14.3%，說明秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時辣椒產(chǎn)量最高。通過差異性分析發(fā)現(xiàn)，S2與CK達(dá)到顯著差異水平（P＜0.05），與S1和S3相比無顯著差異。

圖6 秸稈添加量對辣椒產(chǎn)量的影響Figure 6 Effects of straw addition on pepper yield

2.5 Pearson相關(guān)性分析

由于地上部氮素累積量、辣椒產(chǎn)量及土壤無機氮之間存在一定關(guān)聯(lián)，可能會影響到彼此與土壤氨揮發(fā)累積量的相關(guān)性分析結(jié)果，因此選取整個監(jiān)測期內(nèi)數(shù)據(jù)對每個變量與氨揮發(fā)速率進(jìn)行相關(guān)性分析。

由表3可以看出，在監(jiān)測期內(nèi)土壤氨揮發(fā)累積量與植株地上部氮素累積量和辣椒產(chǎn)量均呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分別呈弱的正、負(fù)相關(guān)；辣椒產(chǎn)量與植株氮素累積量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與銨態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)。在相同施肥條件下，土壤氨揮發(fā)累積量減少時，植株地上部氮素累積量和辣椒產(chǎn)量顯著增加，表明氨揮發(fā)累積量是影響植株地上部氮素累積量及產(chǎn)量的重要因素。

表3 土壤氨揮發(fā)累積量、植株地上部氮素累積量、辣椒產(chǎn)量與土壤無機氮的Pearson相關(guān)性分析Table 3 Pearson correlation analysis between NH3 volatilization accumulation，plant nitrogen accumulation，pepper yield，and soil inorganic nitrogen

3 討論

3.1 玉米秸稈添加量對設(shè)施土壤氨揮發(fā)及有機氮含量的影響

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，適量秸稈還田可減少設(shè)施土壤氨揮發(fā)量，降低氨揮發(fā)速率。王朝旭等[20]的室內(nèi)靜態(tài)土壤培養(yǎng)試驗結(jié)果顯示，添加秸稈可有效抑制氨揮發(fā)；郭茜[21]研究發(fā)現(xiàn)，一次性施入生物質(zhì)炭降低了空心菜季土壤的氨揮發(fā)量；徐聰[22]的研究表明，相比不添加秸稈，長期秸稈還田可增加土壤（0～2 m）氮累積量34～112 kg·hm-2·a-1。馮敏等[23]研究結(jié)果顯示，適量秸稈還田可顯著影響土壤氨化和硝化強度。本研究土壤銨態(tài)氮含量呈下降趨勢，而硝態(tài)氮含量明顯上升，可能是由于秸稈適量添加將NH+4轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌螒B(tài)氮素并促進(jìn)了辣椒對氮素的吸收，降低了土壤銨態(tài)氮含量。本試驗結(jié)果顯示，在同一施肥條件下，第7天達(dá)到峰值時，S2相較于CK、S1和S3，氨揮發(fā)量平均值分別減少43.0%、12.8%和17.9%，氨揮發(fā)速率平均值分別降低30.0%、7.5%和20.0%，銨態(tài)氮含量平均值分別減少24.2%、11.5%和14.8%。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤銨態(tài)氮含量增加，氨揮發(fā)量增加，氨揮發(fā)量與土壤銨態(tài)氮含量呈正相關(guān)，與硝態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平。在常規(guī)施入氮肥的同時添加一定量的玉米秸稈，可以增加土壤有機碳含量，改善土壤理化性狀和土壤表面環(huán)境，促進(jìn)微生物對氮肥水解形成的氨固持和再礦化作用，持續(xù)供應(yīng)可利用的氮素，激發(fā)了土壤微生物和酶在分解秸稈過程中將無機氮固定轉(zhuǎn)化為有機氮。但高量秸稈添加不僅大幅度增加了土壤團聚組分有機碳含量，同時也帶入大量的土壤外源微生物，改變了土壤群落結(jié)構(gòu)，削弱了微生物對氮素的固持等積極作用，對氨揮發(fā)及有機氮的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生負(fù)面影響[24]。因此，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時能夠降低氨分壓和氨揮發(fā)速率，減少氨揮發(fā)。

3.2 玉米秸稈添加量對植株地上部氮素累積量和產(chǎn)量的影響

張磊[25]的研究結(jié)果表明，高粱秸稈還田灌水覆膜連作使番茄產(chǎn)量和生物量分別顯著增加113.26%和165.63%，添加高粱根茬根際土改善了黃瓜生長發(fā)育狀況，提高了植株的存活率。本試驗結(jié)果表明，在同一化肥施用量條件下，60 d時辣椒地上部氮素累積量，與CK相比，S1、S2、S3分別增加13.7%、19.1%、9.3%，達(dá)到顯著差異水平（P＜0.05）；S2的辣椒產(chǎn)量較S1、S3、CK分別增加7.7%、11.8%、14.3%。

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤氨揮發(fā)增強時，植株地上部氮素累積量則減少，作物產(chǎn)量也顯著減少，即土壤氨揮發(fā)與地上部氮素累積量和產(chǎn)量均呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。秸稈還田能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤疏松、孔隙度增加、容重減輕，有效增加土壤通氣性，對植株根系生長發(fā)育具有很好的促進(jìn)作用，為土壤微生物的生存與繁殖提供了適宜的環(huán)境，提高了土壤微生物的豐富度和多樣性[26]，秸稈在微生物作用下，將有機氮轉(zhuǎn)化成無機氮，成為可吸收態(tài)氮；隨著秸稈降解，其所含養(yǎng)分也隨之返還土壤，使土壤肥力有效提升[27]；同時秸稈中的有機物及營養(yǎng)物質(zhì)與土壤充分混合，在作物需求時解吸以供作物吸收利用，秸稈還田能夠促進(jìn)土壤氮素向作物果實轉(zhuǎn)移，使蔬菜氮素累積量明顯增加，在礦化分解過程中能更持續(xù)、穩(wěn)定地提供作物生長所需的營養(yǎng)元素，增加蔬菜產(chǎn)量。

4 結(jié)論

（1）同一施肥條件下，氨揮發(fā)累積量為CK＞S3＞S1＞S2；地上部氮素累積量為S2＞S1＞S3＞CK；銨態(tài)氮平均含量為S3＞CK＞S1＞S2；硝態(tài)氮平均含量為S2＞S1＞S3＞CK。

（2）同一施肥條件下氨揮發(fā)量與植株地上部氮素累積量和產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別呈正、負(fù)相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平。

（3）同一施肥條件下，秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時辣椒增產(chǎn)幅度最高，與對照相比具有顯著差異，與其他兩個處理差異不顯著。

（4）秸稈添加量為9 000 kg·hm-2時能夠顯著減少設(shè)施蔬菜土壤氨揮發(fā)量，降低氨揮發(fā)速率，有效降低銨態(tài)氮含量，提高硝態(tài)氮含量，在一定程度上抑制農(nóng)田土壤氨揮發(fā)效應(yīng)，減少農(nóng)業(yè)面源污染，并對植株地上部氮累積量具有顯著的促進(jìn)作用。