秸秆配施不同形态氮肥改善土壤理化性质及设施土壤改良措施

Research on the improvement of soil physical and chemical properties and soil remediation measures in facilities using different forms of nitrogen fertilizers combined with straw

摘要

选取连续种植15年的设施土壤为试验材料，采用不同种类秸秆和不同形态氮肥双因素随机区组试验，测定秸秆腐解期土壤物理、化学等指标，旨在提出设施栽培土壤改良与培肥技术措施。结果表明：①秸秆与化肥配施在降低土壤pH（尿素配施油菜秸秆土壤pH最低）、提高土壤电导率（在秸秆腐解前期施用水稻秸秆配施硝酸钾显著增加土壤电导率）、增加硝态氮含量（不同搭配均可显著提高土壤硝态氮含量）方面明显优于单施秸秆或单施化肥。②施用油菜秸秆和水稻秸秆较不施秸秆能显著影响土壤有机质含量（+11.59%/+18.05%）、速效钾含量（+44.6%/+25.1%）、速效磷含量（+38.3%/-9.4%）；不同形态氮肥对有机质、速效磷和速效钾的含量无显著影响。③秸秆腐解过程中，铵态氮的释放在不同秸秆种类及氮肥形态搭配下呈现不同释放速率。铵态氮的释放主要发生在前30 d，不施秸秆时尿素释放的铵态氮较多，施用油菜秸秆配施普通或控释型尿素时释放的铵态氮基本相当，施用水稻秸秆配施控释型尿素释放的铵态氮较多。④秸秆配施氮肥均可显著提高土壤硝态氮含量。综合考虑，建议油菜秸秆配施普通尿素进行设施土壤改良与培肥。

Abstract

Using soil from facilities that have been continuously planted for 15 years as the experimental material， a two-factor randomized block experiment was conducted with different types of straw and different forms of nitrogen fertilizers to determine soil physical and chemical indicators during straw decomposition， aiming to propose technical measures for soil improvement and fertilizer application in facility cultivation. The results showed that： ① The combination of straw and chemical fertilizers significantly reduced soil pH （the lowest soil pH was found with urea combined with rapeseed straw）， increased soil electrical conductivity （applying potassium nitrate with rice straw in the early stage of straw decomposition significantly increased soil electrical conductivity）， and increased nitrate nitrogen content （different combinations significantly improved soil nitrate nitrogen content）， which was clearly superior to the application of straw or chemical fertilizer alone. ② The application of rapeseed straw and rice straw significantly influenced soil organic matter content （+11.59%/+18.05%）， available potassium content （+44.6%/+25.1%）， and available phosphorus content （+38.3%/-9.4%） compared to no straw application； different forms of nitrogen fertilizers had no significant effect on the content of organic matter， available phosphorus， and available potassium. ③ The release of ammonium nitrogen during the decomposition of straw showed different release rates due to the combination of different straw types and nitrogen fertilizer forms. The release of ammonium nitrogen mainly occurred in the first 30 days， with more ammonium nitrogen released from urea when no straw was applied， while the release of ammonium nitrogen was basically the same when rapeseed straw was applied with ordinary or controlled-release urea， and more ammonium nitrogen was released when rice straw was applied with controlled-release urea. ④ The combined application of straw and nitrogen fertilizers significantly increased soil nitrate nitrogen content. Considering all factors， it is recommended to use rapeseed straw combined with ordinary urea for soil improvement and fertilization in facilities.

Graphical abstract

关键词

秸秆 / 氮肥形态 / 土壤养分 / 养分释放

Key words

straw / nitrogen fertilizer form / soil nutrients / nutrient release

设施栽培是我国农业产业结构调整后主要的栽培形式之一。西北地区因广阔的地域及充足的光照条件，设施农业快速发展，但与此同时，长期连作和偏重化肥的栽培模式致使设施土壤普遍出现盐渍化、养分不平衡、菌群破坏、土壤酸化和土传病害多发等一系列土壤退化问题，已成为制约设施农业可持续发展的关键因素^[1]。

秸秆还田是改良和培肥土壤的重要技术之一，秸秆配施化肥能显著提高土壤有机质含量，提高土壤固碳速率，扩大土壤碳库的同时还能提高土壤的速效养分含量^[2-4]，从而达到作物增产的效果。另外，农作物秸秆中含有作物必需的碳、氮、磷、钾等营养元素，添加秸秆还能提高土壤微生物生物量碳、氮，从而促进土壤养分的转化和释放^[5]，起到明显改善土壤性质的作用。有关秸秆配施氮肥对土壤及作物影响的研究已取得丰富成果。宁夏地区由于纬度高、光照时间长、昼夜温差大，截至2018年实有设施农业占地面积约为3万hm^2[6]，然而相关研究中对秸秆还田与化肥配施改善连续种植多年设施土壤理化性质及养分特性的报道还较少。秸秆腐解受其初始碳氮比、秸秆类型、化学组成、土壤类型、气候环境及农田管理技术等因素的影响^[7-8]。研究表明，碳氮比处于不同范围时，对秸秆腐解效果不一。当碳氮比为20~30时，微生物最活跃，秸秆腐解最快。土壤类型间由于通气性、机械组成、养分状况等差异，显著影响秸秆分解过程中氮、磷的释放^[9]。小麦和玉米等不同类型秸秆分解期间其养分释放速率大小依次为磷、氮、碳^[10]。农田管理技术，尤其是氮肥用量是影响秸秆分解和养分释放的重要因素^[10]。通过外源添加适量氮素可以调节碳氮比，此外氮素通过影响微生物生物量提高秸秆降解酶活性，促进秸秆降解，从而起到调控还田秸秆的腐解速率和养分释放过程的作用^[11-13]，而不同形态氮肥对秸秆腐解过程中氮素形态变化及土壤理化性质变化过程的影响尚缺乏系统研究。

本试验选取水稻秸秆、油菜秸秆作为还田材料，同时配施不同形态氮肥，研究秸秆配施不同氮肥对设施土壤理化性质、养分特性动态变化规律的影响，旨在为设施土壤培肥改良及养分调控、秸秆资源高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于2023年3—7月在宁夏大学农科实训基地（106°07'41''E、38°03'04''N）连栋玻璃温室中进行。该温室结构为轻钢结构，配置相应的通风、控温、补光、湿度调控设备。室内平均温度为（24±3） ℃（昼）/（15±3） ℃（夜），湿度控制在55%左右。

1.2 供试材料

试验材料取自宁夏贺兰县新平设施栽培园区281号温室中0~20 cm耕层土壤。该温室连续15年种植蔬菜。土壤类型为灌淤土，质地为砂壤土，养分含量（w）：w（有机质）为16.4 g·kg^-1、w（全氮）为1.24 g·kg^-1、w（全磷）为0.88 g·kg^-1、w（全钾）为21.2 g·kg^-1、w（速效磷）为18.5 mg·kg^-1、w（速效钾）为280.5 mg·kg^-1，pH为8.22，EC（电导率）为1.97 mS·cm^-1。

试验所用秸秆性质如表1所示。试验肥料为普通尿素（w_N为46%，宁夏石化集团生产）、硝酸钾（w_N为13.9%，国药生产化学纯试剂）、缓释尿素（w_N为46%，宁夏荣和绿色科技有限公司生产）。使用圆形花盆进行试验，花盆口径为25 cm、高为25 cm。

1.3 试验设计与实施

试验为不同种类秸秆和不同形态氮肥双因素随机区组设计。不同类型秸秆：不施秸秆（R0）、施油菜秸秆（R1）、施水稻秸秆（R2）；不同形态氮肥：不施氮肥（N0）、普通尿素（N1）、硝酸钾（N2）、控释尿素（N3）。共12 个处理，每处理重复3 次，共计36 盆。

每盆按m（秸秆）、m（土壤）分别为0.08、3.50 kg装盆（干基）。不同形态氮肥按每kg干土施入1 g纯N等量施入，全部混匀装盆，装盆后土层表面距盆口约10 cm。将腐解菌剂（哈茨木霉菌、枯草芽孢杆菌）溶于水等体积灌入每个处理。每处理安装1 个土壤温度、水分监测仪（LCD-105型461），每隔6~7 d监测土壤温度及水分1次，监测后进行灌溉。为控制水分对土壤盐分的影响，试验采用自来水和去离子水灌溉，试验期共灌溉15次，灌水总量为8 L。试验期间所有处理采用相同的管理措施同期进行养护。

1.4 测定项目与方法

使用鲜样测定硝态氮和铵态氮（w，mg·kg^-1），利用浓度为1 mol·L^-1 KCl浸提后使用连续流动分析仪进行测定；其余指标使用风干土测定，利用酸度计测定土壤pH（m_土∶m_水为1∶5）；利用电导仪测定土壤EC（m_土∶m_水为1∶5），采用重铬酸钾-外加热法测定有机质含量（w，mg·kg^-1）；采用火焰光度法测定速效钾含量（w，mg·kg^-1）；采用浓度为0.5 mol·L^-1 NaHCO₃法测定速效磷含量（w，mg·kg^-1）。上述测定方法见《土壤农化分析》^[14]。

1.5 数据处理

利用软件Excel 2019和IBM SPSS 27进行数据统计分析及作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆配施氮肥对土壤EC、pH的影响

随着培养时间的推移，施用不同秸秆对土壤EC的影响不同。如图1所示，R1下EC变化不显著，R2的EC呈现波动变化。施用不同形态氮肥均不同程度增加了土壤EC值。在R0下，分别培养30、60、90 d时，不同氮肥处理的EC大小依次为N2、N1、N3、N0，其中N2的EC在腐解后期表现为下降趋势；在R1下，不同氮肥处理EC的变化趋势与R0基本相似；在R2下，腐解前期N2的EC明显高于N0、N1、N3，后期仍高于其他氮肥处理。可见，在秸秆腐解前期施用水稻秸秆对土壤EC的影响较大，不同氮肥处理下施用硝酸钾能大幅提高土壤EC。

如图2所示，培养30 d时，R0、R1、R2的pH均值分别为7.95、8.08、7.96，在培养60 d时分别为7.73、7.95、7.87，在培养至90 d时则分别为7.52、7.71、7.65，pH随着培养时间的推移总体呈下降趋势。不同形态氮肥对土壤pH的影响主要体现在前30 d，N3处理较高而N1处理相对较低。可见，施用秸秆使土壤pH提高，而施用氮肥使pH降低，尿素配施油菜秸秆处理下pH最低。

2.2 秸秆配施不同形态氮肥对设施土壤有机质含量的影响

如图3所示，不同秸秆处理对土壤有机质含量的影响显著。不施秸秆在腐解期总体上降低了土壤有机质含量，R1、R2的有机质含量较R0分别提高11.59%、18.05%，且施用水稻秸秆对土壤有机质含量提升的程度最大。不同形态氮肥处理下，施用水稻秸秆配施N2肥料提升有机质含量的效果均高于其他处理，可见，从土壤有机质角度看，施用水稻秸秆的效果更好。

2.3 秸秆配施不同形态氮肥对土壤氮素（铵态氮、硝态氮）转化特性的影响

如图4所示，不同秸秆处理下，土壤铵态氮含量总体呈现初期快速增长，在第30天增长至最大值，而在腐解中期急剧下降的趋势，至腐解后期铵态氮含量均趋于零。在整个腐解期，N0、N2的铵态氮含量无明显变化。R0下，腐解前期不同形态氮肥处理的铵态氮含量增长速度大小依次为N1、N3、N0、N2，腐解后期N3的铵态氮含量降幅是N0的32.70倍，其他处理的降幅不明显。R1下，整个腐解期不同形态氮肥处理的铵态氮含量增长速度大小依次为N3、N1、N2、N0。R2下，仅N3的铵态氮含量变化显著，在培养30 d时达到最大值，之后呈明显下降趋势，最终趋于零。可见，铵态氮的释放主要发生在前30 d，不施秸秆时尿素释放的铵态氮较多，施用水稻秸秆时控释型尿素释放的铵态氮较多，而施用油菜秸秆时铵态氮释放得相对较少。

不同秸秆处理下，施用不同形态氮肥对硝态氮含量的影响不同（图5）。在腐解前期，各氮肥处理的硝态氮含量大小依次为N2、N1、N3、N0，而在腐解中后期呈现波动变化。R0下，整个腐解期N2的硝态氮含量降幅大于N0，而N1的增幅大于N3，R0N1的硝态氮累计增加量分别为R1N1和R2N1的1.88、1.31倍。R1下，N2的硝态氮含量在腐解前期呈增长趋势，而N0、N1、N3呈下降趋势，且降幅大小依次为N0、N3、N1；在秸秆腐解中后期N2的w（硝态氮）下降速度为7.43 mg·kg^-1·d^-1，而N3的上升速度为7.35 mg·kg^-1·d^-1。R2下，腐解前期N2的硝态氮含量增加值达到最大，分别是R0N2、R1N2的1.19、1.65倍；腐解中后期，各氮肥处理的硝态氮含量与R1的相近。可见，秸秆配施氮肥可以增加土壤硝态氮含量，其中N2处理在腐解前期能较大程度地增加土壤硝态氮含量，且配施水稻秸秆的效果最佳。

2.4 不同形态氮肥对土壤速效磷含量的影响

如图6所示，R0与R2对土壤速效磷含量的影响规律相似，R1的速效磷含量较R0提高了38.3%，而R2的速效磷含量较R0降低了9.4%。从整体看，各处理下，速效磷含量在腐解前期增长较快，在腐解中期则缓慢下降，而在腐解后期又有所上升，且添加外源氮处理的速效磷含量增长速度高于不施氮肥处理。比较不同时期各处理速效磷含量增长的规律，发现腐解前期 N1和N3的促腐效果较好，腐解中期各处理间的差异不明显，腐解后期N3的增长速度最快。可见，油菜秸秆配施普通尿素对提高土壤速效磷含量的效果最佳。

2.5 不同形态氮肥对土壤速效钾含量的影响

随着培养时间的推移，土壤速效钾含量呈递增趋势（图7）。增施秸秆处理增加了土壤速效钾含量，R1较R0增长44.6%，R2较R0增长25.1%。随着培养时间的推移，N2处理下土壤w（速效钾）的增长速度与增幅均持续升高，并在腐解后期达到峰值；而在R0、R1、R2条件下，N0、N1、N3之间w（速效钾）的最大相对差异仅为10.0%、5.7%和13.4%，整体差异较小。可见，施入油菜秸秆对促进土壤速效钾含量增长的作用较大，而对于不同氮肥处理，由于硝酸钾本身含有钾元素，因此N2对土壤速效钾的影响较大，其他不同形态氮肥对土壤速效钾含量的影响并无显著差异。

3 讨论与结论

3.1 施用秸秆对土壤理化性质的影响

试验中，施用油菜或水稻秸秆，均不同程度地提高了土壤的有机质含量^[15]。原因在于土壤微生物在碳循环中起到了重要的支配作用，秸秆的腐解提高了土壤温度，在有利温度的影响下，微生物偏向于代谢碳而非储存碳，导致不稳定有机组分损失，加速了土壤有机碳的矿化，从而增加了土壤有机质含量^[16]。农作物秸秆中含有作物必需的碳、氮、磷、钾等营养元素，在秸秆腐解时，氮、磷、钾元素均会被释放出来。Chen等^[17]的研究显示，秸秆还田后，秸秆向土壤中输入有机磷，补充了磷的同时保持了土壤磷库的相对稳定。钾素主要以离子态存在，作物吸收的钾大部分会被贮存在作物秸秆中，当秸秆腐解时钾很容易被水溶解释放，因此造成土壤速效钾含量的增加^[18]。本试验中，秸秆腐解过程对土壤氮、磷、钾养分的影响显著，速效态氮、钾的含量均显著提高。在设施环境中由于温度、湿度均高于露地，秸秆能够快速腐解，从本试验结果可见，对于设施栽培土壤，油菜秸秆在土壤改良及养分平衡方面优于稻草秸秆，因此油菜秸秆在设施土壤改良培肥方面值得推荐。本试验中，添加秸秆处理相较于不添加秸秆处理增加了盆中土壤含水量，原因是添加秸秆可以使土壤毛管孔隙度扩大，而秸秆覆盖使土壤蒸散降低，抑制消融水蒸发^[19]，从而增加了土壤含水量^[20-21]。土壤含水量会影响秸秆腐解速率，此外，秸秆腐解速率还受气候条件、秸秆种类、土壤类型及水肥气热条件、土壤微生物种类及数量、秸秆埋深等影响^[20]。因此，还需进一步研究各影响因素对秸秆腐解及其改良土壤的综合效应，探明秸秆腐解规律与土壤理化性质、水肥利用等方面的内在联系，以进一步解决设施土壤退化的问题。

3.2 施用氮肥对土壤理化性质的影响

在添加外源氮处理下，随着培养时间的推移，土壤pH降低。原因是土壤中的淋溶、硝化作用以及植物吸收阴、阳离子的不均衡性都有可能造成土壤酸化^[22]。此外，本试验施用了生物菌剂，搭配氮肥调节了秸秆和土壤碳氮化，增加了土壤中微生物菌群的数量及活性，土壤中的微生物菌群在分解有机物的过程中产生的酸类物质和呼吸释放的二氧化碳与水形成的碳酸在土壤中的积累也可能会造成土壤pH降低^[23]，本试验结果与前人的研究结果相符。土壤中可被植物吸收利用的无机氮素形式有硝态氮和铵态氮2 种，常被作为土壤氮素供应水平的重要指标^[24]。本试验中，在不施秸秆情况下，土壤的铵态氮和硝态氮含量有所增长，且N1处理高于N3，可见普通尿素的硝化作用大于控释尿素。但是不同氮素形态表现出的促进作用有显著差异，试验中的2种氮肥（N1、N2）均属于速效肥且易溶于水，硝态氮肥（N2）采用硝酸钾肥料，因此N2的速效钾含量显著高于其他处理。对于土壤EC、有机质、硝态氮和铵态氮，N2对土壤养分的促进作用显著高于N1、N3，而且氮的添加对土壤硝态氮和铵态氮的影响较为明显。因此，外源输入硝态氮在短期内可迅速提高土壤氮含量。对于试验所用的3 种肥料，从投入成本和实际应用考虑，尿素的市场价较低，可优先选择尿素作为氮限制比较明显的土壤氮源。此外，N3的土壤速效磷含量和铵态氮含量相对较高，说明土壤磷素含量与铵态氮含量在一定程度上存在相关性，与酰胺态氮肥相比，N3可短期内同时提高土壤氮、磷含量。

综上所述，秸秆与氮肥配施可有效提高设施土壤有机质含量及氮、磷、钾养分含量^[25]，与单施氮肥相比，施用秸秆后，土壤有机质、速效磷、速效钾等养分含量均有所提升，不同形态速效氮含量也有明显变化。因此，考虑到设施栽培模式、土壤盐渍化及封闭环境易发生氨中毒等情况，选用油菜秸秆配施普通尿素进行设施土壤改良与培肥的效果最佳。

参考文献

[1] 李彬，李跃飞，陶加乐，等.不同改良剂对设施退化土壤的改良效果[J].贵州农业科学，2022，50（12）：35-43.

[2] 马子钰，马文林.秸秆还田对中国农田土壤固碳效应影响的研究[J].土壤，2023，55（1）：205-210.

[3] 田美洁，郭俊丽，黎娟，等.长期施肥对水稻土剖面氨氧化古菌和细菌丰度及组成的影响[J].土壤学报，2022，59（1）：285-296.

[4] 黄巧义，黄建凤，黄旭，等.早稻秸秆还田和减钾对晚稻产量和土壤肥力的影响[J].环境科学，2022，43（10）：4706-4715.

[5] 张旭博，徐明岗，林昌虎，等.施肥对红壤有机碳矿化特征的影响[J].贵州农业科学，2011，39（6）：99-102，106.

[6] 罗健航，赵营，任发春 等.有机无机肥配施对宁夏引黄灌区露地菜田土壤氨挥发的影响[J].干旱地区农业研究，2015，33（4）：75-81.

[7] Yan Z Y， Song Z L， Li D， et al. The effects of initial substrate concentration， C/N ratio， and temperature on solid-state an aerobic digestion from composting rice straw[J]. Bioresource Technology，2015，177：266-273.

[8] 南雄雄，田霄鸿，张琳，等.小麦和玉米秸秆腐解特点及对土壤中碳、氮含量的影响[J].植物营养与肥料学报，2010，16（3）：626-633.

[9] 李昌明，王晓玥，孙波.不同气候和土壤条件下秸秆腐解过程中养分的释放特征及其影响因素[J].土壤学报，2017，54（5）：1206-121.

[10] 张学林，周亚男，李晓立，等.氮肥对室内和大田条件下作物秸秆分解和养分释放的影响[J].中国农业科学，2019，52（10）：1746-1760.

[11] 管浩.外源氮和锰对黑曲霉降解小麦秸秆的影响[D].合肥：安徽农业大学，2023.

[12] 石琳，金梦灿，单旭东，等.不同形态氮素对玉米秸秆腐解与养分释放的影响.农业资源与环境学报，2021，38（2）：277-285.

[13] Li X G， Jia B， Lü J， et al. Nitrogen fertilization decreases the decomposition of soil organic matter and plant residues in planted soils[J]. Soil Biology and Biochemistry，2017：11247-55.

[14] 鲍士旦.土壤农化分析[M].3版.北京：中国农业出版社，2000.

[15] 徐坤,李世忠,周婧蕾,等.秸秆还田对作物功能性状的影响研究综述[J].农业科学研究（中英文），2025，46（3）：68-76.

[16] Wen Y， Zang H D， Freeman B， et al. Microbial utilization of low molecular weight organic carbon substrates in cultivated peats in response to warming and soil degradation[J]. Soil Biology and Biochemistry，2019，139：107629.

[17] Chen L M， Sun S L， Yao B， et al. Effects of straw return and straw biochar on soil properties and crop growth： a review[J]. Frontiers in Plant Science，2022，13：986763.

[18] 刘荣乐，金继运，吴荣贵，等.我国北方土壤作物系统内钾素循环特征及秸秆还田与施钾肥的影响[J].植物营养与肥料学报，2000，6（2）：123-132.

[19] 陈盛，黄达，张力，等.秸秆还田对土壤理化性质及水肥状况影响的研究进展[J].灌溉排水学报，2022，41（6）：1-11.

[20] 宋依依，曹阳，段鑫盈，等.秸秆还田深度对土壤团聚体组成及有机碳含量的影响[J].土壤，2022，54（2）：344-350.

[21] 王治统，凌俊，刘子熙，等.秸秆还田方式对土壤理化性质和玉米产量的影响[J].中国生态农业学报（中英文），2024，32（4）：663-674.

[22] 白翠华，周昌敏，王祥和，等.荔枝钾氮肥滴施比例及施肥方式对土壤pH和盐分的影响[J].土壤通报，2021，52（5）：1104-1113.

[23] 李青璞，白建海，姚拓，等.微生物菌剂与氮肥配施对紫花苜蓿生长及土壤性质的影响[J].草地学报，2024，32（1）：314-321.

[24] 李新鹏，童依平.植物吸收转运无机氮的生理及分子机制[J].植物学通报，2007，24（6）：714-725.

[25] 叶子壮，王松燕，陆潇，等.秸秆还田、覆膜和施氮对旱地麦田土壤质量的影响[J].环境科学，2024，45（4）：2292-2303.

基金资助

国家自然科学基金项目(31960628)

宁夏大学大学生创新创业训练计划自治区级项目(S202210749077)