氮肥管理和秸秆腐熟剂对15N标记玉米秸秆氮有效性与去向的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

丁文成, 李书田, 黄绍敏. 氮肥管理和秸秆腐熟剂对¹⁵N标记玉米秸秆氮有效性与去向的影响[J]. , 2016, 49(14): 2725-2736 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.14.007
DING Wen-cheng, LI Shu-tian, HUANG Shao-min. Bioavailability and Fate of Nitrogen from ¹⁵N-labeled Corn Straw as Affected by Nitrogen Management and Straw Microbial Inoculants[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2016, 49(14): 2725-2736 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.14.007

0 引言

【研究意义】作物秸秆作为农业生态系统中重要的氮素来源,其还田是现代农业实践中的一项重要举措^[1]。中国秸秆资源丰富,据统计,目前秸秆年总量约为8.1亿吨,占有机肥资源总量的16.4%,可提供约747万吨N、228万吨P₂O₅和1 190万吨K₂O^[2]。2010年,中国玉米秸秆产量达到2.2亿吨,约占中国农作物秸秆总产量的28.57%^[3]。冬小麦-夏玉米轮作作为一种重要的种植体系,该体系的秸秆还田对农田土壤是一项重要的氮素补充。玉米秸秆具有较高的碳/氮比,合理的氮肥管理以及适当的秸秆腐熟剂添加是保证其氮素作物有效性的关键。研究冬小麦-玉米轮作体系中氮肥管理和秸秆腐熟剂对秸秆氮素转化和供应的影响,对科学合理地实施秸秆还田具有重要意义。【前人研究进展】大量研究表明^[4-7],秸秆还田不仅能够提供氮素养分、提高土壤有机质含量以及改善土壤理化性状,同时作物秸秆与氮肥配合施用,具有提高农田养分循环利用效率及氮肥利用率的作用^[8-9]。但是秸秆还田存在腐解速率慢、养分释放延迟的问题^[10],添加秸秆腐熟剂是加速秸秆腐解的重要措施之一。连续两季稻田试验表明,施用秸秆腐熟剂可以显著增加水稻的氮素回收率,每公顷可节省43 kg N并增产270 kg籽粒^[11];另据报道^[12-14],施用秸秆腐熟剂可以促进秸秆腐解,缩短腐解转化时间,增加养分释放量;但也有报道称腐熟剂对冬小麦秸秆腐解无明显效果^[15]。秸秆碳/氮比是最常用作预测秸秆分解过程中氮素固定或矿化的一项指标^[16],碳/氮比越高,秸秆初期分解越慢,这是由于其高于微生物同化所需碳氮比而减缓了矿化速率^[17],而玉米和冬小麦等作物秸秆的碳/氮比大多在30/1以上,因此,在生产中秸秆还田往往需要配施一定数量的氮肥。有研究报道高碳/氮比的玉米秸秆通过与氮肥配施,可以调节氮素的矿化与固定进程以减少氮素的损失^[18]。有机无机配合施用是提高氮素利用率措施之一,有机肥可以替代部分化肥,从而可以减少化肥的施用^[19]。【本研究切入点】目前,有关秸秆供氮的研究大多集中在碳/氮比的变化,而氮肥管理与秸秆腐熟剂结合,以及施用有机肥条件下秸秆氮素转化和有效性研究较少。对秸秆氮素当季有效性的研究较多,对其后效及在土壤中的转化和去向,尚无明确结论。【拟解决的关键问题】本研究采用盆栽试验,利用¹⁵N同位素示踪技术研究氮肥用量、化肥氮配施有机肥氮和添加腐熟剂对¹⁵N标记玉米秸秆氮的当季作物有效性和后效的影响及其去向,明确秸秆氮的供应特点及影响因素,为秸秆还田下的氮肥科学施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤：试验土壤类型为轻壤质潮土,取自河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地（N34°47',E113°40'）。土壤有机质含量9.47 g·kg^-1、全氮0.62 g·kg^-1、碱解氮22.35 mg·kg^-1、有效磷10.20 mg·kg^-1、速效钾112.96 mg·kg^-1,pH 8.35。
¹⁵N标记玉米秸秆和未标记冬小麦秸秆：在温室条件下利用盆栽试验标记秸秆。称取5 kg潮土装入5 L的塑料桶中,氮、磷、钾用量分别为N 0.2 g·kg^-1、P₂O₅ 0.1 g·kg^-1和K₂O 0.2 g·kg^-1,氮肥用¹⁵N丰度为60%的(NH₄)₂SO₄,磷肥用过磷酸钙,钾肥用氯化钾。把肥料溶于1 000 mL水中,加入土壤中,第二天播种玉米种子,每盆6粒,出苗后定植4株。以不施氮为对照,等对照出现缺氮后收获（播后60 d）,烘干、粉碎、过0.5 mm筛后备用。标记后玉米秸秆¹⁵N丰度为43.21%。冬小麦秸秆采用大田成熟期冬小麦秸秆,未标记¹⁵N。其他理化性状见表1。
秸秆腐熟剂：采用北京市京圃园生物工程有限公司生产的有机废物发酵菌曲,包含芽孢菌、米根菌和酵母菌等菌株及载体,有效活性菌含量大于0.5亿/g。
供试作物：试验种植一季冬小麦（2013.10—2014.6）和两茬夏玉米（2014.6—2014.9）。供试冬小麦品种为郑麦7698,供试玉米品种为郑单958。
Table 1
表1
表1供试秸秆的性质
Table 1The properties of straws used in experiments

材料 Material	全碳 Total C (%)	全氮 Total N (g·kg^-1)	全磷 Total P (g·kg^-1)	全钾 Total K (g·kg^-1)	¹⁵N丰度 ¹⁵N abundance (%)	C/N
玉米秸秆 Corn straw	41.18	12.66	1.89	27.11	43.21	32.53
冬小麦秸秆 Winter wheat straw	40.53	8.08	0.88	31.52	0.37	50.16

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1.2 试验设计

试验设4个氮水平：（1）不施氮（CK）,（2）100%化肥氮（100%N）,（3）80%化肥氮（80%N）,（4）80%化肥氮+20%有机肥氮（80%N20%M）。各氮水平下设添加和不添加秸秆腐熟剂,共8个处理,4次重复。施氮量按田间推荐施氮量210 kg·hm^-2,约相当于0.1 g N·kg^-1土,氮肥用尿素。磷肥用过磷酸钙（120 kg·hm^-2,约0.05 g P₂O₅·kg^-1土）,钾肥用氯化钾（90 kg·hm^-2,约0.04 g K₂O·kg^-1土）,有机肥氮用腐熟猪粪（含N 1.86%、P₂O₅ 3.11%、K₂O 0.85%）。秸秆腐熟剂按0.1 g·kg^-1土的用量掺入。

1.3 盆栽试验

于2013—2014年在河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地进行。用无底漏的陶瓷盆装土,每盆装5 kg风干土,粉碎过0.5 mm筛后的¹⁵N标记的玉米秸秆用量按3.0 g·kg^-1土计（相当于秸秆还田量6 750 kg·hm^-2）,按处理与粉碎后的猪粪和腐熟剂一起均匀掺入土壤中。尿素和氯化钾基施50%、返青期追施50%,磷肥则全部基施。所有化肥都溶于水中后,以溶液的形式施入,使土壤水分含量为20%。把施肥和灌水后的瓷盆随机排列埋入土中。2013年10月16日播种,每盆播15粒小麦,覆土,出苗后每盆定植10株。生育期间保持土壤水分维持在最大持水量60%左右,定量浇水。2014年6月5日收获冬小麦,植株按籽粒、秸秆和根系分开,全部于105℃杀青30 min,65℃烘干至恒重,粉碎后过0.25 mm筛。
冬小麦收获后把土壤全部倒出、分散,再重新过2 mm筛,混匀后取50 g土壤样品,大部分鲜样用于矿质氮和微生物量氮测定,少量土壤风干后过0.15 mm筛,用于全氮测定。把取样后的土壤全部重新装入盆中,按冬小麦试验设计和方案把秸秆、猪粪或腐熟剂均匀掺入土壤。不同的是秸秆用无¹⁵N标记的冬小麦秸秆,用量按3.0 g·kg^-1土计（相当于秸秆还田量6 750 kg·hm^-2）,氮、磷、钾化肥用量为210-75-90 kg N-P₂O₅-K₂O·hm^-2,约相当于0.1-0.03-0.04 g N-P₂O₅-K₂O·kg^-1土,氮、磷、钾肥品种与冬小麦试验相同,按冬小麦试验的方法全部基施。2014年6月6日播种玉米,每盆播6粒,出苗后每盆定植4株。2014年8月1日收获,分地上部和根系,全部于105℃杀青30 min,65℃烘干至恒重,粉碎后过0.25 mm筛。收获后按照以上方法处理和采集土壤样品后重新装盆,再按以上方法种植玉米,并于2014年9月25日收获。

1.4 测定项目及计算方法

植株和土壤全氮含量及¹⁵N丰度：用ISOPRIME100·VARIO PYRD/CUBE稳定同位素质谱仪测定。
土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N测定：12.0 g新鲜土样用100 mL 1 mol·L^-1 KCl溶液浸提,用SEALAA3流动注射分析仪测定,提取液酸化并真空冷冻干燥后,用ISOPRIME100稳定同位素质谱仪测定矿质氮¹⁵N丰度。
土壤微生物量氮：用氯仿熏蒸法测定^[20],将氯仿熏蒸24 h的20.0 g土壤样品用80 mL 0.5 mol·L^-1 K₂SO₄提取,同时以不熏蒸为对照,浸提液过滤后用ANALYTIKJENA multi N/C 3100仪测定有机氮,土壤微生物量氮含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有机氮之差除以k_EN（0.54）得到,提取液酸化并真空冷冻干燥后,用ISOPRIME100稳定同位素质谱仪测定微生物量氮^I5N丰度。
作物吸收氮来源于¹⁵N标记玉米秸秆的比例%= 100×（作物¹⁵N丰度-自然丰度）/（标记秸秆的¹⁵N丰度-自然丰度）
土壤中矿质氮来源于¹⁵N标记玉米秸秆的比例%= 100×（矿质氮¹⁵N丰度-自然丰度）/（标记秸秆的¹⁵N丰度-自然丰度）
土壤中微生物量氮来源于¹⁵N标记玉米秸秆的比例%=100×[熏蒸微生物量氮浓度×（熏蒸微生物量氮¹⁵N丰度-自然丰度）-未熏蒸微生物量氮浓度×（未熏蒸微生物量氮¹⁵N丰度-自然丰度）]/（熏蒸微生物量氮浓度-未熏蒸微生物量氮浓度）/（标记秸秆¹⁵N丰度-自然丰度）
土壤中残留氮来源于¹⁵N标记玉米秸秆的比例%=100×（土壤¹⁵N丰度-自然丰度）/（标记秸秆的¹⁵N丰度-自然丰度）
¹⁵N标记玉米秸秆氮素的利用率%=100×作物吸收¹⁵N标记秸秆中氮量/ ¹⁵N标记秸秆总氮量
土壤中¹⁵N标记玉米秸秆氮素的残留率%=100×（土壤总氮含量×土壤中残留氮来源¹⁵N标记玉米秸秆氮比例）/ ¹⁵N标记玉米秸秆总氮量
¹⁵N标记玉米秸秆氮素的损失率%=100-¹⁵N标记玉米秸秆氮素的利用率%-土壤中¹⁵N标记玉米秸秆氮素的残留率%

1.5 数据统计

试验数据利用SAS9.1软件进行方差分析和LSD多重比较,用Excel 2016软件进行图表制作。

2 结果

2.1 冬小麦和玉米干物质产量

对冬小麦来说,氮肥管理和添加秸秆腐熟剂显著（P<0.01或P<0.001）影响籽粒、秸秆和根系生物量以及总生物量（表2）。施氮比不施氮显著增加籽粒、秸秆和根系生物量以及总生物量,不同施氮处理对籽粒和总生物量的影响无显著差异。添加腐熟剂显著增加籽粒产量和生物量。
对后茬玉米来说,氮肥管理显著（P<0.01或P<0.001）影响两茬玉米秸秆和根系生物量和总生物量,而秸秆腐熟剂对第一茬玉米影响显著（P<0.05或P<0.01）,而对第二茬影响不显著（表3）。施氮比不施氮显著增加两茬玉米生物量,而第一茬玉米上不同施氮处理的影响差异不显著,但第二茬玉米上化肥氮与有机肥氮配施比单施化肥氮降低生物量。添加腐熟剂显著增加第一茬玉米生物量,但不影响第二茬玉米的生物量。
Table 2
表2
表2氮肥管理和腐熟剂对冬小麦生物量（g/盆）的影响
Table 2The effect of N management and microbial inoculants on biomass of winter wheat (g/pot)

项目 Item		籽粒 Grain	秸秆 Straw	根系 Root	总量 Total
方差分析Pr>F^a Analysis of variance Pr>F^a :
腐熟剂Microbial inoculants		**	***	**	***
N管理N management		***	***	***	***
腐熟剂×N管理Microbial inoculants×N management		NS	NS	NS	NS
平均值比较 The average value contrast:
腐熟剂 Microbial inoculants	–	6.36b	7.62b	2.38b	16.35b
腐熟剂 Microbial inoculants	+	8.43a	9.89a	2.84a	21.16a
N管理 N management	0	3.64b	3.96c	1.25b	8.85b
	100%N	8.72a	10.90a	3.26a	22.88a
	80%N	8.95a	10.29ab	3.04a	22.29a
	80%N20%M	8.26a	9.86b	2.90a	21.02a

Values followed by different letters within a same column are statistically significantly different between treatments at 5% level, *,**, *** and NS indicate significance at 5%, 1%, 0.1% level and no significance, respectively. –indicates no addition of microbial inoculants,+indicates addition of microbial inoculants. The same as below同列数值后的不同字母表示处理间在5%水平差异显著。*、**、***和NS分别代表达到5%、1%、0.1%显著水平与不显著。–表示不添加腐熟剂,+表示添加腐熟剂。下同

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Table 3
表3
表3氮肥管理和腐熟剂对玉米生物量（g/盆）的影响
Table 3The effect of N management and microbial inoculants on biomass of corn (g/pot)

项目 Item		第一茬The first-season corn			第二茬 The second-season corn
项目 Item		秸秆 Straw	根系 Root	总量 Total	秸秆 Straw	根系 Root	总量 Total
方差分析 Pr>F^aAnalysis of variance Pr>F^a :
腐熟剂Microbial inoculants		*	**	**	NS	NS	NS
N管理 N management		**	***	***	***	***	***
腐熟剂×N管理Microbial inoculants×N management		NS	NS	NS	NS	NS	NS
平均值比较 The average value contrast:
腐熟剂 Microbial inoculants	–	25.61b	12.56b	38.17b	22.71a	5.92a	28.63a
腐熟剂 Microbial inoculants	+	38.97a	16.65a	55.63a	27.30a	6.34a	33.64a
N管理 N management	0	10.59b	5.27b	15.86b	5.23c	1.65c	6.89c
	100%N	36.34a	18.98a	55.32a	36.05a	7.24b	43.29a
	80%N	41.42a	17.89a	59.31a	33.47a	9.63a	43.10a
	80%N20%M	40.83a	16.28a	57.10a	25.25b	6.01b	31.26b

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2.2 ¹⁵N标记玉米秸秆氮对作物吸收氮的贡献

冬小麦籽粒、秸秆、根系和整株吸收的氮中来源于¹⁵N-玉米的比例（%Ndfs）平均分别为6.12%—14.45%、5.66%—11.91%、8.26%—12.62%和6.30%—14.25%,氮肥管理影响显著（P<0.001）。施氮比不施氮减少各部位的%Ndfs,有机无机配施比100%化肥氮处理增加秸秆和根系的%Ndfs,比80%化肥氮处理增加地上部的%Ndfs。添加秸秆腐熟剂增加秸秆的%Ndfs,对整株的%Ndfs影响不显著（表4）。
对于¹⁵N-秸秆氮的后效来说（表5）,第一茬和第二茬玉米整株吸收氮的%Ndfs分别为1.13%—3.73%和1.67%—5.97%,不施氮高于施氮处理,施氮处理间无差异,添加腐熟剂降低¹⁵N-秸秆氮对后茬玉米的贡献。
Table 4
表4
表4冬小麦吸收的氮来源于¹⁵N标记玉米秸秆氮的比例
Table 4The percentage of winter wheat nitrogen derived from ¹⁵N-labeled corn straw (%Ndfs)

项目 Item		%Ndfs
项目 Item		籽粒 Grain	秸秆 Straw	根系 Root	整株 Whole plant
方差分析 Pr>F^aAnalysis of variance Pr>F^a:
腐熟剂Microbial inoculants		NS	*	NS	NS
N管理 N management		***	***	***	***
腐熟剂×N管理Microbial inoculants×N management		NS	NS	***	NS
平均值比较 The average value contrast:
腐熟剂 Microbial inoculants	–	8.45a	7.22b	10.00a	8.62a
腐熟剂 Microbial inoculants	+	9.06a	8.10a	10.15a	8.96a
N管理 N management	0	14.45a	11.91a	12.62a	14.25a
	100%N	6.67bc	5.93c	8.26c	6.73bc
	80%N	6.12c	5.66c	9.79b	6.30c
	80%N20%M	7.77b	7.15b	9.62b	7.87b

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Table 5
表5
表5玉米吸收的氮来源于¹⁵N标记玉米秸秆氮的比例
Table 5The percentage of corn nitrogen derived from ¹⁵N-labeled corn straw (%Ndfs)

项目 Item		%Ndfs
		第一茬玉米 The first-season corn			第二茬玉米 The second-season corn
		秸秆 Straw	根系 Root	整株 Whole plant	秸秆 Straw	根系 Root	整株 Whole plant
方差分析 Pr>F^aAnalysis of variance Pr>F^a :
腐熟剂Microbial inoculants		NS	NS	*	**	**	**
N管理 N management		***	***	***	***	***	***
腐熟剂×N管理Microbial inoculants×N management		NS	*	**	NS	NS	NS
平均值比较 The average value contrast:
腐熟剂 Microbial inoculants	–	1.73a	3.53a	2.40a	3.20a	3.39a	3.25a
腐熟剂 Microbial inoculants	+	1.38a	3.30a	1.57b	2.38b	2.95b	2.45b
N管理 N management	0	2.78a	5.82a	3.73a	6.00a	5.62a	5.97a
	100%N	1.11b	2.67bc	1.51b	1.59b	2.08a	1.67b
	80%N	1.38b	2.92b	1.57b	1.56b	2.49a	1.67b
	80%N20%M	0.94b	2.26c	1.13b	2.00b	2.48a	2.08b

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2.3 作物对¹⁵N标记玉米秸秆氮的利用率

冬小麦对¹⁵N-秸秆氮的当季利用率平均为7.14%—10.32%,第一茬玉米和第二茬玉米对残留的¹⁵N-秸秆氮的利用率分别平均为3.75%—5.51%和2.28%—3.18%,三茬累计13.13%—18.60%。施氮比不施氮提高三茬作物对¹⁵N-秸秆氮的利用率,不同施氮处理对当季利用率没有影响,氮肥减量（80%推荐氮）降低¹⁵N-秸秆氮第一茬后效和总利用率,但有机无机配施则提高¹⁵N-秸秆氮的利用率。添加腐熟剂提高当季冬小麦和第一茬玉米对¹⁵N-秸秆氮利用率和三茬总利用率（表6）。

2.4 ¹⁵N标记玉米秸秆氮的去向

2.4.1 残留率和损失率除被作物吸收外,经过冬小麦和两茬玉米,平均有55.63%—69.16%的¹⁵N-秸秆氮残留在土壤中,17.26%—26.09%损失在体系外（表6）。腐熟剂与氮肥管理及其交互作用显著（P<0.05或P<0.001）影响¹⁵N-秸秆氮的残留率和损失率。不施氮处理的残留率最高,损失率最低,施氮越多¹⁵N-秸秆氮的残留率越低,损失率越高。添加腐熟剂可显著降低¹⁵N-秸秆氮素的残留率和损失率,提高秸秆氮的有效性。
2.4.2 土壤矿质氮冬小麦收获后土壤矿质氮（N_min,NH₄⁺-N+NO₃^--N）平均为4.87—6.37 mg·kg^-1,施氮处理间差异不显著,添加腐熟剂没有显著影响。N_min中来源于¹⁵N-秸秆氮比例为0.51%—2.80%,随化肥氮用量增加而降低,添加腐熟剂增加其来源于¹⁵N-秸秆氮的比例（表7）。
第一茬玉米收获后,土壤N_min含量平均为88.63—105.01 mg·kg^-1,100%化肥氮处理的矿质氮含量显著低于其他处理,添加腐熟剂显著降低土壤N_min。其来源于¹⁵N-秸秆氮的比例为0.66%—0.78%,有机无机配施比其他施氮处理降低¹⁵N-秸秆氮的比例,而添加腐熟剂增加¹⁵N-秸秆氮的比例。
Table 6
表6
表6氮肥管理和腐熟剂对¹⁵N标记玉米秸秆氮素利用率（NUE）、残留率和损失率的影响
Table 6The effect of N management and microbial inoculants on NUE, residual rate and loss rate of ¹⁵N-labeled corn straw N

项目 Item		冬小麦利用率 NUE by winter wheat (%)	第一茬玉米利用率 NUE by 1^st corn (%)	第二茬玉米利用率 NUE by 2^nd corn (%)	总利用率 Total NUE (%)	残留率 Residual rate (%)	损失率 Loss rate (%)
方差分析 Pr>F^a Analysis of variance Pr>F^a :
腐熟剂Microbial inoculants		***	***	NS	***	***	*
N管理N management		***	***	*	***	***	***
腐熟剂×N管理 Microbial inoculants×N management		NS	NS	NS	NS	***	***
平均值比较 The average value contrast:
腐熟剂 Microbial inoculants	–	7.82b	4.38b	2.98a	15.21b	60.93a	23.94a
腐熟剂 Microbial inoculants	+	10.50a	5.43a	2.75a	18.24a	58.68b	22.41b
N管理 N management	0	7.14b	3.75c	2.28b	13.13c	69.16a	17.26c
	100%N	9.69a	5.51a	2.93a	17.71ab	55.63c	26.09a
	80%N	9.50a	5.03b	3.07a	17.45b	58.47b	23.91b
	80%N20%M	10.32a	5.32ab	3.18a	18.60a	55.96c	25.44ab

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Table 7
表7
表7作物收获后土壤矿质氮含量（N_min, mg·kg^-1）及来源于¹⁵N标记玉米秸秆矿化的比例
Table 7Soil mineral N（N_min, mg·kg^-1）and the percentage derived from ¹⁵N-labeled corn straw after crop harvests (%Ndfs)

项目 Item		冬小麦 Winter wheat		第一茬玉米 The first-season corn		第二茬玉米 The second-season corn
项目 Item		N_min	%Ndfs	N_min	%Ndfs	N_min	%Ndfs
方差分析Pr>F^a Analysis of variance Pr>F^a :
腐熟剂Microbial inoculants		NS	**	***	*	**	NS
N管理N management		***	***	***	*	***	*
腐熟剂×N管理Microbial inoculants×N management		**	***	**	*	NS	*
平均值比较 The average value contrast:
腐熟剂 Microbial inoculants	–	5.30a	1.84b	105.30a	0.71b	40.92b	0.67a
腐熟剂 Microbial inoculants	+	5.35a	2.29a	89.58b	0.76a	46.33a	0.74a
N管理 N management	0	6.37a	0.51b	104.15a	0.78a	21.01c	1.16a
	100%N	5.12b	0.64b	88.63b	0.77a	47.46b	0.61b
	80%N	4.87b	2.76a	105.01a	0.73a	52.15ab	0.60b
	80%N20%M	4.94b	2.80a	98.68a	0.66b	53.88a	0.45b

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第二茬玉米收获后,土壤N_min含量平均为21.01—53.88 mg·kg^-1,不施氮处理的N_min含量显著低于施氮处理,有机无机配施处理N_min含量相对较高,添加腐熟剂显著增加土壤N_min含量。N_min来源于¹⁵N-秸秆氮的比例平均为0.45%—1.16%,施氮处理间差异不明显,腐熟剂影响不显著。
2.4.3 土壤微生物量氮冬小麦收获后土壤微生物量氮（microbial biomass nitrogen,MBN）含量平均为15.77—22.76 mg·kg^-1,100%化肥氮处理土壤MBN高于80%化肥氮处理和有机无机配施处理,添加腐熟剂对土壤MBN影响不显著（表8）。MBN中来源于¹⁵N-秸秆氮的比例平均为2.43%—2.54%,施氮处理间无显著差异,添加秸秆腐熟剂降低来源于¹⁵N-秸秆氮的比例。
第一茬玉米收获后,土壤MBN含量平均为40.46—54.7 mg·kg^-1,施氮处理间差异不显著,添加腐熟剂无影响。MBN中来自¹⁵N-秸秆氮的比例平均为1.97%—2.18%,施氮处理小于不施氮处理,施氮处理间无差异,添加腐熟剂减少MBN中¹⁵N-秸秆氮的比例。
第二茬玉米收获后,土壤MBN的含量平均为12.49—20.99 mg·kg^-1,80%化肥氮处理最高,腐熟剂的影响不显著。MBN中来源于¹⁵N-秸秆氮的比例为1.32%—1.73%,施氮处理间无明显差异,腐熟剂影响不显著。
Table 8
表8
表8作物收获后土壤微生物量氮（MBN, mg·kg^-1）及来源于¹⁵N标记玉米秸秆氮素的比例
Table 8Soil microbial biomass N (MBN, mg·kg^-1) and the percentage derived from ¹⁵N-labeled corn straw after crop harvests (%Ndfs)

项目 Item		冬小麦 Winter wheat		第一茬玉米 The first-season corn		第二茬玉米 The second-season corn
项目 Item		MBN	%Ndfs	MBN	%Ndfs	MBN	%Ndfs
方差分析 Pr>F^a Analysis of variance Pr>F^a :
腐熟剂Microbial inoculants		NS	***	NS	**	NS	NS
N管理 N management		***	NS	*	*	***	*
腐熟剂×N管理Microbial inoculants×N management		**	NS	NS	**	***	NS
平均值比较 The average value contrast:
腐熟剂 Microbial inoculants	–	19.71a	2.62a	48.60a	2.13a	16.74a	1.60a
腐熟剂 Microbial inoculants	+	19.08a	2.35b	50.87a	1.96b	15.18a	1.43a
N管理 N management	0	20.79a	2.51a	40.46b	2.18a	16.58b	1.73a
	100%N	22.76a	2.45a	49.13ab	2.04b	12.49c	1.32b
	80%N	18.26b	2.43a	54.77a	1.97b	20.99a	1.42b
	80%N20%M	15.77c	2.54a	54.58a	2.00b	13.78c	1.59ab

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3 讨论

本研究表明,在连续种植和秸秆还田条件下,与100%化肥氮施用相比,80%化肥氮与20%有机肥氮配施不影响当季冬小麦的籽粒产量和生物量及第一茬玉米的生物量,但降低第二茬玉米生物量（表2和表3）。原因可能与持续添加秸秆尤其后两茬加入C/N高（50﹕1）的冬小麦秸秆,提高了土壤C/N,增加秸秆分解过程微生物对速效氮的固定^[21-22],影响作物生长。梁斌等^[23]在盆栽试验中用秸秆氮替代50%的化肥氮的处理,冬小麦产量显著低于单施尿素处理的结果也间接证明了这一点。因此,秸秆连续还田和有机无机配合施用下,应适当增加氮肥推荐量,以保证秸秆矿化和作物吸收所需的有效氮。
¹⁵N标记玉米秸秆对当季冬小麦吸收氮的贡献平均为6.20%—14.25%,其当季回收率为7.14%—10.32%,这一研究结果与其他研究结果有异同。HAYNES^[24]田间土柱法研究指出,不施化肥氮条件下第一季冬小麦吸收氮来源于黑麦草/三叶草秸秆（7﹕3混合）氮的比例为14%,当季回收率为10%,与本研究结果类似,但秸秆种类不同。单鹤翔等^[25]的盆栽试验结果指出,氮肥用量为150和300 kg·hm^-2时冬小麦籽粒氮素来源于成熟玉米秸秆的比例为8%—11%,这一点与本研究基本一致,但对玉米秸秆氮素的当季回收率达到22.8%—33.1%,远高于本研究结果。黄婷苗等^[26]田间试验表明,施氮量为200 kg N·hm^-2时,未添加腐熟剂条件下,还田成熟玉米秸秆氮素对冬小麦籽粒吸收氮的贡献为0.7%,回收率仅为1.9%,远低于本试验。CHEN等^[27]田间微区试验指出, 不添加腐熟剂与不施氮情况下¹⁵N标记水稻秸秆氮对第一季冬小麦吸收氮的贡献为12%,与本试验相似,当季回收率为4.48%,低于本试验。这些差异可能与土壤特性、秸秆种类及粉碎程度、C/N比、氮肥管理、是否添加腐熟剂等有关,但有待进一步研究。
当季作物对秸秆氮的利用率很低,大部分仍残留在土壤中,因此,研究秸秆氮的后效对充分认识其转化和有效性十分必要。本研究表明,第一茬和第二茬玉米对残留秸秆氮的回收率为3.75%—5.51%和2.28%—3.18%,秸秆氮对作物吸氮的贡献两茬均小于6%,说明在施用氮肥和其他秸秆进一步还田条件下,残留秸秆氮的有效性和贡献降低。这一结果与其他研究结果类似。JENSEN^[28]和LABERGE等^[29]的田间微区试验表明,豌豆秸秆施到土壤后,连续种植秋季作物大麦、油菜、小麦对豌豆秸秆氮回收率分别为14%、3%和2%,春季种植作物大麦、油菜、小麦对豌豆秸秆氮利用率仅有6%、2%和2%,秸秆氮的贡献小于5%,16.5年后生长2个月的大麦仍可回收到1.7%的残留豌豆秸秆氮。FORTES等^[30]等微区试验发现,第一季甘蔗对上季地上部秸秆氮的当季利用率为13%,随后三茬的利用率分别为7%、3%和5%,而对尿素氮的当季利用率为31%,三季后效分别5%、4%和4%。CHEN等^[27]指出,水稻-小麦轮作体系下不施氮肥时,后四季作物对第一季后残留的水稻秸秆氮的利用率共7.3%,大于从2到6茬作物秸秆还田下对残留肥料氮的利用率（3.12%）。综合以上研究结果说明,秸秆氮的后效不高,但优于或相当于化肥氮的后效。LADHA等^[31]总结多个研究结果指出,连续5季化肥氮的后效共计只有6%。化肥氮的损失较高,平均约45%^[32],而秸秆氮损失率低,大部分以有机氮残留在土壤中^{[24, 30, 33]}。本试验种植3季后约56%—69%的¹⁵N标记玉米秸秆氮残留在土壤中,损失17%—26%,施氮肥越多秸秆氮的损失越多。土壤矿质氮和微生物量氮中来自秸秆氮的比例都小于3%,占残留氮的比例也不到3%,因此,残留的秸秆氮主要增加土壤有机氮库,通过随后的矿化为后季作物提供有效氮。
作物秸秆矿化过程中土壤无机氮水平和秸秆C/N比显著影响微生物对秸秆氮的利用^[34]。VITTI等^[35]微区试验研究甘蔗连续2年对甘蔗秸秆氮吸收指出,不施氮和施氮（150 kg·hm^-2）处理甘蔗第一茬吸收甘蔗秸秆氮7.5%和11.3%,第二茬吸收2.0%和4.9%,表明施氮比不施氮有利于对甘蔗秸秆氮的吸收,尤其对C/N较大的秸秆,有机碳的加入会使氮素发生强烈的生物固持作用,土壤微生物与作物争氮,使土壤有效氮含量降低^[36-38]。本研究表明,不施氮比施氮增加当季和后茬作物吸氮中来自¹⁵N标记玉米秸秆氮的比例,但不施氮对秸秆氮的回收率最低,而施氮增加秸秆氮的回收率,却降低秸秆氮的贡献。这是由于不施氮土壤中的有效氮主要来源于土壤和矿化的秸秆,因此,增加秸秆氮占作物吸收氮的比例,而施氮后增加土壤微生物对氮的固定和秸秆氮的矿化,使作物吸收更多的秸秆氮,但由于植物吸收肥料氮的速率快而多^[39],降低了来自秸秆氮的比例。与80%化肥氮相比,80%化肥氮与20%有机肥氮配施处理增加三季作物对秸秆氮的利用率及当季作物吸收秸秆氮的比例,与100%化肥氮处理相当,说明有机无机配合有利于秸秆氮的转化和有效性,因为有机无机配合施用不仅协调养分供应与作物需求^[40],还改善土壤微生物状况和酶活性^[41-42],有利于提高秸秆氮素转化和有效性。
秸秆腐熟剂可加快作物残茬的分解,因此有助于提高秸秆氮的有效性,但有关腐熟剂对作物秸秆腐解速率和作物生长以及产量的影响研究较多,添加腐熟剂一般促进秸秆腐熟和提高作物产量^[43-45]。但有关腐熟剂对秸秆氮转化和有效性影响很少涉及。本研究表明,添加秸秆腐熟剂显著提高当季冬小麦产量和生物量以及随后第一茬玉米的生物量,提高当季和第一茬对¹⁵N标记玉米秸秆氮的利用率和三茬总利用率,并减少损失率,但对第二茬玉米利用残留¹⁵N标记玉米秸秆氮的影响不明显,说明在秸秆持续还田下,腐熟剂对当季新施入的秸秆氮的促效明显,但对未分解的残留秸秆的分解作用逐渐减弱。因此,秸秆还田配合施用秸秆腐熟剂有助于提高秸秆氮转化和有效性。

4 结论

当季冬小麦和随后两茬玉米吸收的氮来源于第一季施用的¹⁵N标记玉米秸秆氮的比例为6.20%—14.25%、1.13%—3.73%和1.67%—5.97%,利用率为7.14%—10.32%、3.75%—5.51%和2.28%—3.18%。三茬后作物吸收利用13.13%—18.60%,土壤中残留55.63%—69.16%,损失17.26%—26.09%。残留的¹⁵N标记玉米秸秆氮主要以有机态氮存在,矿质氮和微生物量氮均低于3%。施用氮肥提高秸秆氮素的利用率,尤其化肥氮与有机肥氮配合施用提高秸秆氮利用率及其对作物的贡献。添加秸秆腐熟剂提高¹⁵N标记玉米秸秆氮有效性,减少损失,对其后效的影响逐渐下降。因此,在秸秆还田下,有机无机配合并结合施用秸秆腐熟剂是提高秸秆氮转化和有效性的有效措施,有待田间试验验证。
（责任编辑杨鑫浩,李莉）
The authors have declared that no competing interests exist.