秸稈還田對(duì)不同氮源轉(zhuǎn)化和殘留的影響

土壤微生物和粘土礦渣氮的混合和積累是提高氮利用率和減少氮損失的重要途徑。這一過程一直是土壤和植物力學(xué)研究的重要課題。盡管土壤微生物生物量氮(microbialbiomassN,BN)通常僅占土壤氮庫的1%—5%,但它是土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和外源氮的同化的直接作用者,并在其中起主導(dǎo)作用。一般認(rèn)為,施肥后相當(dāng)數(shù)量的肥料氮當(dāng)即為微生物所同化,之后微生物同化的氮又釋放出來成為植物可利用的有效氮。影響微生物同化氮素的關(guān)鍵因子包括有機(jī)物料中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和C/N、碳源的有效性等;施肥能增加土壤微生物生物量氮,而有機(jī)肥的效果更加突出。粘土礦物對(duì)外源氮的固持主要是粘土礦物晶格對(duì)NH4+固定(FixedN,固定態(tài)銨),尤其是2∶1型粘土礦物發(fā)育而成的土壤,其對(duì)外源氮的固定數(shù)量大于1∶1型粘土礦物發(fā)育而成的土壤。固定態(tài)銨在作物生長(zhǎng)期間能夠釋放出來被利用,而且“新固定”的固定態(tài)銨的有效性較“原有的”高。而NH4+也是微生物更喜歡固定的氮素形態(tài)。因此許多研究關(guān)心土壤微生物和粘土礦物對(duì)外源氮的競(jìng)爭(zhēng)以及釋放過程。通過小區(qū)試驗(yàn)、盆栽試驗(yàn)和同位素15N標(biāo)記試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),土壤中銨態(tài)氮肥的礦物固定速率快于生物固定速率。沈其榮等發(fā)現(xiàn),水稻生長(zhǎng)期間土壤固定態(tài)銨的變化趨勢(shì)與土壤微生物生物量氮的變化趨勢(shì)相似,而仇少君等研究表明土壤微生物生物量氮和固定態(tài)銨含量與作物的生育期有密切聯(lián)系。此外,有研究表明土壤微生物生物量能防止無機(jī)氮通過硝化作用產(chǎn)生NO3-的淋失。目前秸稈還田已經(jīng)作為有機(jī)無機(jī)配合施用的土壤培肥措施,廣泛應(yīng)用,但大多數(shù)研究集中在有機(jī)無機(jī)肥配施后化肥氮在土壤-微生物-作物中轉(zhuǎn)化和吸收利用,很少重視秸稈還田對(duì)不同氮源轉(zhuǎn)化和殘留氮素形態(tài)的影響。洞庭湖平原是我國重要的水稻生產(chǎn)基地,圍湖造田和近年氮素過度投入等人類活動(dòng)給洞庭湖環(huán)境造成了一定影響。近些年,環(huán)境保護(hù)學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到洞庭湖濕地的生態(tài)重要性,在洞庭湖平原展開了關(guān)于碳匯、氮素循環(huán)等方面的研究,但到目前為止,結(jié)合農(nóng)作物采用15N技術(shù)對(duì)微生物和粘土礦物對(duì)NH4+-N“捕獲”能力和內(nèi)在聯(lián)系等了解甚少。本試驗(yàn)采用15N示蹤技術(shù),對(duì)尿素和水稻秸稈進(jìn)行交叉標(biāo)記,通過盆栽試驗(yàn)研究有機(jī)無機(jī)肥配施條件下紅黃泥和紫潮泥BN、固定態(tài)銨和水稻吸收氮素的動(dòng)態(tài)變化,以及外源氮在土壤中殘留和水稻吸收的平衡賬,力圖為亞熱帶典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素吸收和轉(zhuǎn)化、農(nóng)業(yè)面源污染防治提供一定的數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。1材料和方法1.11水稻秸稈規(guī)劃系統(tǒng)15N標(biāo)記稻草及非標(biāo)記稻草的制備。在標(biāo)記箱內(nèi)放入低肥力土壤,在標(biāo)記箱上方2m處罩透光性較好的塑料薄膜,用原子百分超為29.86%的(15NH4)2SO4作基肥,移栽吸氮能力高的水稻秧苗,并追肥2次,生長(zhǎng)85d后收割秸稈。秸稈在100—105℃殺青30min,60—70℃烘干,粉碎后備用。標(biāo)記稻草有機(jī)碳含量為427.2g/kg,全氮為11.50g/kg,全磷(P)為2.48g/kg,全鉀為(K)15.57g/kg,原子百分超為13.47%;取自大田的非標(biāo)記稻草,分別為406.7g/kg,10.51g/kg,1.23g/kg和17.57g/kg。15N標(biāo)記尿素,上海化工研究院制,原子百分超為9.85%;非標(biāo)記尿素,試驗(yàn)室分析純。1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與取樣試驗(yàn)供試土壤采自洞庭湖區(qū)水稻土耕層,耕作制度均為雙季稻。(1)紅黃泥(R)采自寧鄉(xiāng),母質(zhì)為第四紀(jì)紅土,以1∶1粘土礦物為主,土壤氮素肥力相對(duì)較低。(2)紫潮泥(P)采自沅江市大同鄉(xiāng),母質(zhì)為湖積物,以2∶1粘土礦物為主,土壤氮素肥力相對(duì)較高。其基本理化性狀見表1。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理:(1)CK為PK;(2)15NU為15NPK;(3)15NU+S為15NPK+秸桿;(4)15NS+U為NPK+15N秸桿。試驗(yàn)開始時(shí)每盆裝土3.5kg,并添加CO(NH2)2、NaH2PO4和KCl,使每盆的土樣和各處理施用底物充分混勻。各處理肥料N、P、K用量均相等:N0.15g/kg,P2O50.1g/kg,K2O0.15g/kg,其中化肥+秸桿處理按尿素N與秸桿N為7.5:2.5設(shè)計(jì)。對(duì)照處理除不施用氮肥外磷鉀用量與施肥相同。標(biāo)記尿素原子百分超為9.845%。設(shè)8個(gè)重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,其中3個(gè)為破壞取樣區(qū)。在正常生長(zhǎng)季節(jié)栽植早稻。栽植水稻品種為雜交組合香優(yōu)520S/86-1,每盆插秧3穴,每穴2株。各處理分別在3d(移栽期)、10d(返青期)、30d(分蘗期)、58d(孕穗期)、83d(成熟期)取樣。用鮮樣直接測(cè)定土壤微生物量氮,風(fēng)干土樣測(cè)定固定態(tài)銨,并測(cè)定15N原子百分超。1.3半微量定氮法(1)土壤微生物量氮的測(cè)定用熏蒸浸提-半微量定氮法用適于漬水土壤的“氯仿滅菌-0.5mol/LK2SO4提取法”。對(duì)待測(cè)土壤濾水1h,按1∶4土(烘干土)水比稱取土樣,熏蒸土壤中按每10g鮮土加入1mL氯仿攪勻,在25℃黑暗條件下熏蒸24h,然后用0.5mol/LK2SO4浸提。在-18℃保存,測(cè)定時(shí)再溶解。浸提液用濃H2SO4消化后用半微量定氮法蒸餾。熏蒸浸提液中的氮與不熏蒸浸提可溶性氮值之差(EN)乘一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)(kEN)即為土壤微生物量氮(SMBN=EN/kEN,kEN=0.45)。(2)土壤固定態(tài)銨的測(cè)定用KOBr-KOH法稱2g過0.15mm篩土樣放入離心管中,加入約2mol/LKOBr,然后放入在沸水浴中10—15min,離心,傾去上清液;再加入0.5mol/LKCl振蕩30min,離心,傾去上清液,共進(jìn)行2次;然后加入40mL氫氟酸-鹽酸溶液,振蕩-靜置交替進(jìn)行1周后用半微量定氮法蒸餾。(3)2mol/LKCl溶液浸提測(cè)定法(Bremmer法)。用2mol/LKCl溶液浸提新鮮土壤30min,然后將一定量的浸提液和1gFeSO4和0.2gZn粉于半微量蒸餾管中蒸餾。(4)15N的測(cè)定半微量定氮法前處理,中國科學(xué)院南京土壤研究所質(zhì)譜儀測(cè)定。其它指標(biāo)測(cè)定參照文獻(xiàn)進(jìn)行。1.4發(fā)底物氮生物活性成分變化水稻移栽時(shí)自身攜帶的氮量稱為秧苗氮,水稻秧苗氮百分?jǐn)?shù)=秧苗氮/水稻地上部吸收氮素×100%;水稻尿素(秸稈)氮百分?jǐn)?shù)=(施肥處理水稻地上部氮原子百分超-對(duì)照處理水稻地上部氮原子百分超)/尿素原子百分超×100%;水稻吸收土壤氮百分?jǐn)?shù)=100-秧苗氮百分?jǐn)?shù)-水稻吸收底物氮百分?jǐn)?shù)試驗(yàn)期間,來自標(biāo)記底物氮微生物生物量氮和固定態(tài)銨出現(xiàn)最大值時(shí),可以認(rèn)為是微生物同化和晶格固持外源氮的最大量,最大釋放量是其最大值與出現(xiàn)最大值后的最小值之差;最大固持或釋放率是最大固持或釋放量/(外源氮×外源氮原子百分超)×100%。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析用SPSS11.5軟件。2結(jié)果與分析2.1.1有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響水稻生長(zhǎng)期間吸收的氮來自4種不同的氮源:移栽秧苗帶入的氮,水稻生長(zhǎng)期間吸收的土壤氮、尿素氮和秸稈氮。計(jì)算了水稻植株氮中來自4種不同氮源的百分?jǐn)?shù)。結(jié)果見表2。由表2看出,隨著水稻的生長(zhǎng),吸收土壤氮的比例逐步上升,至成熟期(83d)水稻吸收的氮素均以土壤氮為主(大于60%)。與單施化肥相比,有機(jī)無機(jī)肥配施處理降低了水稻(83d)對(duì)土壤氮的吸收比例;單施化肥情況下,成熟期(83d)水稻吸收土壤氮與尿素氮之比,紅黃泥約為2,紫潮泥其比例約大于3;在有機(jī)無機(jī)配施條件下,成熟期(83d)水稻吸收土壤氮與尿素氮之比紅黃泥約大于2,紫潮泥約為4;而且紅黃泥水稻生長(zhǎng)期間吸收的尿素和秸稈氮的比例均高于紫潮泥,說明土壤氮素肥力相對(duì)較低的紅黃泥水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量主要依靠吸收肥料氮。從表3看出,兩種土壤上水稻對(duì)尿素氮的吸收利用率均高達(dá)50%,水稻對(duì)秸稈氮的利用率達(dá)40%,標(biāo)記底物氮的損失率約在19%—32%。標(biāo)記底物氮的的殘留率,紫潮泥均大于紅黃泥,說明氮素肥力相對(duì)較高的土壤外源肥料氮的殘留較多。兩種土壤上尿素氮在土壤中的殘留率有14%以上,秸稈氮的殘留率是尿素氮?dú)埩袈实?倍以上。尿素與秸稈配施,尿素氮的利用率、殘留率均高于單施化肥,且其損失率小于單施化肥。由此可見尿素與秸稈配施(有機(jī)無機(jī)肥配施)可以提高水稻對(duì)化肥氮的利用,減少化肥氮的損失。2.1.2有機(jī)無機(jī)配施處理從微生物同化的尿素氮占標(biāo)記底物的百分?jǐn)?shù)(表4)可以看出:紅黃泥為1.8%—8.3%,紫潮泥為1.8%—19.2%;微生物同化的秸桿氮占標(biāo)記底物的百分?jǐn)?shù),紅黃泥為1.7%—5.0%,紫潮泥為2.0%—6.2%。有機(jī)無機(jī)配施處理加快或者提高了微生物對(duì)尿素氮的同化。從試驗(yàn)第3天值看,微生物同化的尿素氮量,有機(jī)無機(jī)配施處理紅黃泥、紫潮泥均大于單施化肥;從平均值看,被微生物同化的底物氮百分?jǐn)?shù),有機(jī)無機(jī)配施處理與單施化肥處理相比紅黃泥大2.7%,紫潮泥大3.4%;從最大值看,紅黃泥在第3天即達(dá)最大值,而單施化肥處理在第10天才達(dá)最大值,有機(jī)無機(jī)配施處理加快了紅黃泥微生物對(duì)尿素氮同化速度,相應(yīng)紫潮泥處理均在第3天達(dá)最大值。紅黃泥有機(jī)無機(jī)配施處理的最大值比單施化肥處理的最大值大4.4%,紫潮泥大4.5%;微生物同化的秸稈氮,均在第30天達(dá)最大值,但紫潮泥大于紅黃泥。而粘土礦物固持的尿素氮占標(biāo)記底物的百分?jǐn)?shù)(表4),紅黃泥為0.3%—2.1%,紫潮泥為3.5%—18.7%;粘土礦物固持的秸桿氮占標(biāo)記底物的百分?jǐn)?shù)紅黃泥為0.2%—0.9%,紫潮泥為1.7%—5.0%。有機(jī)無機(jī)配施處理減慢了紅黃泥粘土礦物對(duì)尿素氮固持速度,紅黃泥在第30天才達(dá)最大值,而單施化肥處理在第3天就達(dá)最大值。而且從平均值看,有機(jī)無機(jī)配施處理降低了粘土礦物固持的尿素氮量,有機(jī)無機(jī)配施處理比單施化肥處理粘土礦物固持的秸桿氮占標(biāo)記底物的百分?jǐn)?shù),紅黃泥小0.4%,紫潮泥小0.2%;2.1.3紫潮泥尿素氮的殘留形態(tài)表5看出,水稻成熟期尿素氮的殘留率,紅黃泥15NU處理、15NU-S分別為14.5和17.0%,紫潮泥分別為16.9和17.1%,可以看出,尿素配合施用秸稈一定程度上提高了尿素氮的殘留率。秸稈氮的殘留率(15NS-U、15NS-U)紫潮泥(41.5%)大于紅黃泥(38.8%)。尿素氮的殘留以無機(jī)氮形式存在的僅占17.7%—19.9%(紅黃泥)和21.4%—27.8%(紫潮泥),即尿素氮的殘留形態(tài)以有機(jī)氮為主,紅黃泥為80%以上,紫潮泥72%以上。秸稈氮的殘留形態(tài)更是如此,紅黃泥為95%,紫潮泥92%以上。但值得注意的是紅黃泥尿素氮無機(jī)形態(tài)氮(礦質(zhì)氮+固定態(tài)銨)殘留的主要是礦質(zhì)氮,占總殘留的15%,而紫潮泥尿素氮?dú)埩糁?以固定態(tài)銨形態(tài)存在的達(dá)20%,也是紫潮泥尿素氮的無機(jī)氮?dú)埩舻闹饕螒B(tài)。同時(shí)可以看出,尿素配合施用秸稈一定程度上降低了尿素氮的無機(jī)氮形態(tài)的殘留率。3有機(jī)無機(jī)肥配對(duì)水稻生長(zhǎng)和生育期的影響一般認(rèn)為增施化肥氮,能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化,從而促進(jìn)微生物同化化肥氮;土壤粘土礦物也能迅速固定土壤和化肥中NH4+-N。有機(jī)肥在土壤保肥培肥方面具有重要作用,增施有機(jī)肥能為微生物提供能源,且對(duì)土壤微生物氮提高的效果比單施化肥突出。研究有機(jī)無機(jī)配施肥料氮轉(zhuǎn)化的盆栽試驗(yàn)很多,以往的研究少有有機(jī)無機(jī)處理氮磷鉀等量,且同時(shí)研究微生物同化和粘土礦物固持。本研究采用15N交叉標(biāo)記有機(jī)無機(jī)肥、且有機(jī)無機(jī)處理氮磷鉀等量,同時(shí)研究作物生長(zhǎng)期外源氮的微生物同化和粘土礦物固持,其結(jié)果更有說服力。土壤中加入外源氮后,氮素在作物、土壤微生物、粘土礦物晶格以及游離礦質(zhì)氮氮之間保持動(dòng)態(tài)平衡。BN隨作物的生長(zhǎng)發(fā)育不斷變化,本研究中微生物同化的尿素氮在水稻分蘗期降到最低點(diǎn),其原因可能是水稻在與微生物爭(zhēng)奪氮源中獲勝,微生物死亡或者自身礦化加快,釋放營養(yǎng)物質(zhì)以滿足水稻生長(zhǎng)需要。王淑平等發(fā)現(xiàn)在玉米的大喇叭口期BN有一峰值,說明微生物同化與作物生長(zhǎng)密切相關(guān)。固定態(tài)銨在水稻生長(zhǎng)的前30d維持在較高的水平,而在水稻生長(zhǎng)后期維持在較低的水平。這與廖繼佩等等研究報(bào)道不盡一致。其原因可能是水稻生長(zhǎng)后期需要大量的氮,而微生物在碳源的作用也需要氮肥供給,從而促進(jìn)固定態(tài)銨的釋放,提高了固定態(tài)銨的有效性。沈其榮等研究發(fā)現(xiàn),水稻生長(zhǎng)期間土壤固定態(tài)銨(粘土礦物固持)的變化趨勢(shì)與土壤微生物量氮(微生物同化)相似,這與本研究并不一致,這可能與土壤類型、有機(jī)無機(jī)配合比例、盆栽期間的溫度變化等條件不同有關(guān)。從試驗(yàn)結(jié)果看出,不同處理紫潮泥微生物同化和粘土礦物固持的尿素氮及其同化固持底物氮的比率明顯高于紅黃泥(表4),其在水稻生育期的最大釋放率亦有相同的規(guī)律(表6)。土壤對(duì)秸稈氮的同化、固持量,紫潮泥大于紅黃泥,說明微生物對(duì)秸稈氮的同化能力大于粘土礦物的固持。紅黃泥土壤微生物生物量氮固持尿素氮大于粘土礦物固持的量,說明紅黃泥微生物在與粘土礦物競(jìng)爭(zhēng)尿素氮中占優(yōu)勢(shì);而紫潮泥單施化肥情況下,土壤微生物同化的尿素氮小于粘土礦物固持,而有機(jī)無機(jī)配施情況下土壤微生物同化的尿素氮大于粘土礦物固持的量。有機(jī)無機(jī)肥配施降低了土壤晶格對(duì)外源氮的固定率,孫玉煥等認(rèn)為,有機(jī)肥能夠堵塞NH4+-N進(jìn)入晶格的通道,阻止晶格對(duì)NH4+-N的固定。有機(jī)無機(jī)肥配施提高了BN的最大釋放率,而對(duì)固定態(tài)銨影響不大。紫潮泥粘土礦物固持的尿素氮比率明顯高于紅黃泥,但其在水稻生育期的最大釋放率相近。從試驗(yàn)結(jié)果看,紫潮泥