謝志煌,李彥生,于鎮(zhèn)華,劉俊杰,王光華,劉曉冰,金 劍

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150081;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

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秸稈還田與作物氮素利用關(guān)系研究

謝志煌1,2,李彥生1,于鎮(zhèn)華1,劉俊杰1,王光華1,劉曉冰1,金 劍1

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150081;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

秸稈還田改善土壤化學(xué)性質(zhì)，并為作物提供養(yǎng)分，進(jìn)而可減少化肥施用量。開展還田秸稈的氮素轉(zhuǎn)化、量化秸稈的供氮能力，以及作物對(duì)秸稈氮素的利用情況等方面的研究對(duì)于全面評(píng)價(jià)秸稈還田效果是必不可少的。文章綜述了秸稈還田對(duì)氮素循環(huán)和共生固氮的影響，總結(jié)了作物對(duì)秸稈氮素的利用率，以及15N示蹤技術(shù)在秸稈還田后的氮素轉(zhuǎn)化研究中的應(yīng)用。提出今后應(yīng)加強(qiáng)典型土壤上秸稈氮轉(zhuǎn)化及作物利用秸稈氮的研究，尤其是大豆共生固氮與秸稈氮利用的關(guān)系，重點(diǎn)解析作物根際效應(yīng)對(duì)秸稈氮礦化的影響。參83。

秸稈還田；作物氮吸收；氮素利用；15N示蹤技術(shù)

0 引 言

秸稈還田是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)措施，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。秸稈的生物量占作物總量的50%左右，秸稈的去向?qū)r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)影響很大[1]。我國作為糧食生產(chǎn)與油料生產(chǎn)大國，作物秸稈資源豐富，據(jù)估計(jì)全國每年產(chǎn)生秸稈總量超過7億t[2]。然而，由于秸稈的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素被工業(yè)產(chǎn)品所替代，秸稈利用率很低，焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重，這不僅造成資源浪費(fèi)，更造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。大多數(shù)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家都將秸稈還田視為一項(xiàng)重要的農(nóng)業(yè)措施，而在我國秸稈還田卻沒有受到足夠的重視，我國秸稈直接還田量約為9 200萬t，僅占當(dāng)年全國秸稈可收集利用總量的14%左右[3]。

秸稈還田方式可分為直接還田與間接還田。直接還田是處理作物秸稈最便捷高效的途徑[4]，主要有：(1)高茬還田，作物收割時(shí)秸稈留茬較長，機(jī)械翻耕入土。此途徑具有較高投入效益，且翻耕后秸稈分布較為均勻，應(yīng)用較廣[5]；(2)覆蓋還田，作物收割后秸稈直接或粉碎以后覆蓋還田，有利于保水保墑和增加土壤有機(jī)質(zhì)含量；(3)秸稈粉碎翻壓還田，作物收割后將秸稈粉碎后撒入地里，用秸稈還田機(jī)或翻耕機(jī)將秸稈翻入土中。粉碎翻壓還田有利于秸稈腐解，但是機(jī)械化程度較高[1]。間接還田方式主要包括：(1)堆漚還田，是將秸稈與泥土、糞尿等混合腐熟后制成堆肥、漚肥后再施入田間的方法；(2)過腹還田，是將秸稈作為飼料喂養(yǎng)牲畜，經(jīng)牲畜消化吸收后以糞尿形式還田[5]。

秸稈還田是有效的農(nóng)田培肥措施，可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量與養(yǎng)分循環(huán)利用率、平衡作物養(yǎng)分[5-6]，顯著改變作物的源與庫關(guān)系。針對(duì)我國主要農(nóng)區(qū)的秸稈還田調(diào)查表明，秸稈還田普遍具有較好的作物增產(chǎn)效果[7]，并能夠改良土壤、蓄水保墑、調(diào)節(jié)地溫及減少化肥投入量，緩解土壤酸化，改善作物生長的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[8]。因此秸稈還田技術(shù)備受關(guān)注，關(guān)于秸稈還田的研究不斷深入。

氮素是作物所需的重要營養(yǎng)元素，適量施用氮肥是提高作物產(chǎn)量的有效手段[9]。然而，人們?yōu)榱俗非蟾弋a(chǎn)，過量的施用超過植物、微生物需求的氮肥，這些過量的氮主要以硝態(tài)氮的形式流失[10]，使氮肥的利用效率降低、并造成大量浪費(fèi)以及引發(fā)面源污染[11]。作物收獲也是氮素支出的主要途徑，很大程度上決定了氮素的輸出量，從而影響到土壤中的氮素養(yǎng)分循環(huán)[12]。秸稈的浪費(fèi)，加上氮肥的使用不當(dāng)，加快了土壤供氮能力的下降，進(jìn)而破壞農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

秸稈還田、生物群落動(dòng)態(tài)以及氮素有效性3者之間有密切的相關(guān)性[13]，秸稈還田可以通過促進(jìn)微生物生長而減少氮素硝化淋溶[14]。秸稈的添加顯著改變了土壤碳氮比，對(duì)于微生物主導(dǎo)的礦化作用產(chǎn)生一定的影響，從而影響到有機(jī)氮的礦化與礦質(zhì)氮的微生物固持[15]，進(jìn)而影響作物生長。

雖然秸稈還田增產(chǎn)效果與培肥土壤效應(yīng)越來越受到重視[16-17]，但是關(guān)于秸稈還田的增產(chǎn)效果還存在爭(zhēng)議，秸稈還田導(dǎo)致減產(chǎn)的現(xiàn)象時(shí)有報(bào)道[15,18]。主要原因是秸稈能否代替化肥供給作物所需的養(yǎng)分目前還沒有定論。因此，有必要區(qū)分作物從秸稈中吸收的氮量，了解作物對(duì)秸稈氮素養(yǎng)分的利用情況，研究秸稈供氮與土壤供氮能否滿足作物對(duì)氮素的需求，從而為更進(jìn)一步研究解析秸稈還田生態(tài)效應(yīng)提供理論參考。

1 秸稈還田對(duì)氮素循環(huán)的影響

1.1 不同種類秸稈的氮素差異

不同作物秸稈的氮素含量差異很大。魯如坤[19]、趙林萍[20]等針對(duì)幾種主要作物秸稈的氮素養(yǎng)分含量進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明，麥秸、稻草、玉米秸、豆秸和油菜秸的氮素百分比含量分別為0.27～0.86、0.34～1.12、0.48～0.77、0.49～1.3和0.56～0.90，由此提出不同作物秸稈的氮素含量差異明顯。秸稈氮素的差異一方面表現(xiàn)在總氮含量，秸稈氮含量決定了秸稈最終向農(nóng)田系統(tǒng)供應(yīng)的氮含量；另一方面，不同類型秸稈之間木質(zhì)素、纖維素、單寧、蛋白質(zhì)、糖、淀粉及氨基酸等含氮化合物的存在形式及含量也有很大的差異[21-22]。Singh等[23]測(cè)得小麥秸稈中纖維素、木質(zhì)素含量分別為51.2%和21.2%，王金主等[24]報(bào)道了玉米秸稈中纖維素、木質(zhì)素含量分別為32%和15.4%。南雄雄等[25]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈比小麥秸稈更易腐解，秸稈添加32天后，玉米秸稈處理碳累積釋放量達(dá)2.12 g·kg-1，而小麥秸稈處理碳累積釋放量僅有1.56 g·kg-1。秸稈含氮量過高不利于微生物活性的保持[26]，秸稈總氮含量及其化學(xué)組分限制了微生物對(duì)秸稈的降解速度[22]，將影響秸稈還田后的氮素礦化進(jìn)程從而影響下茬作物對(duì)氮素的吸收情況。

1.2 秸稈還田對(duì)作物氮吸收的影響

不同秸稈類型影響作物的氮素吸收量。多數(shù)研究認(rèn)為，秸稈還田對(duì)作物氮吸收起到促進(jìn)作用[27]。嚴(yán)奉君等[28]研究了不同秸稈還田對(duì)稻田氮素利用的影響，結(jié)果表明，秸稈還田可提高水稻干物質(zhì)與氮素積累，小麥秸稈的作用優(yōu)于甜菜秸稈。由于兩者氮素含量相近，還田效果差異可能是由于小麥質(zhì)量與體積較小，更加適應(yīng)稻田的干濕交替的腐熟環(huán)境。盧萍等[29]研究表明，麥秸(碳氮比為72)、綠肥(碳氮比小于36)均能提升作物產(chǎn)量。不施肥處理中，相對(duì)于麥秸不還田，麥秸還田可提升水稻產(chǎn)量10.2%，綠肥還田可提升水稻產(chǎn)量9.4%。而綠肥還田在150 kg·hm-2氮肥施用量下產(chǎn)量明顯高于麥秸還田的各種施肥處理，氮的吸收量也高，兩者差異是由于綠肥分解速度更快，氮礦化率高。張曉雨[30]選用小麥秸稈(碳氮比高于80)和大豆秸稈(碳氮比為46.6)，發(fā)現(xiàn)兩者覆蓋處理對(duì)小麥氮素吸收均具有促進(jìn)作用，且豆秸效果較好。然而，也有研究得出相反結(jié)果。單鶴翔等[15]研究發(fā)現(xiàn)，不施肥前提下施用玉米秸稈顯著降低了冬小麥地上部氮素累積量，同不還田處理相比，高肥力土壤冬小麥地上部氮素累積量減少66.3%，低肥力土壤氮素累積量減少66.0%。張金濤等[18]研究發(fā)現(xiàn)，小麥整個(gè)生育期在單施秸稈條件下氮吸收量下降，與不施肥相比，低氮素土壤秸稈還田小麥生物量減產(chǎn)79%，高氮素土壤減產(chǎn)74%。

秸稈還田對(duì)于作物氮素吸收的影響較為復(fù)雜。微生物所能分解的有機(jī)質(zhì)碳氮比一般為25∶1[31]，大部分作物秸稈的碳氮比均遠(yuǎn)高于微生物活動(dòng)的最適范圍。因此，在秸稈還田初期，微生物的固持作用會(huì)大于礦化作用，此階段微生物的固持作用可以減少氮素硝化淋溶量[32]。隨著微生物生命活動(dòng)的進(jìn)行，碳氮比逐漸降低，凈礦化率將會(huì)逐漸提升，秸稈還田的正激發(fā)效應(yīng)將會(huì)隨之增強(qiáng)以供作物吸收，不同類型的秸稈由于碳氮比值的差異影響到氮礦化與固持的耦合進(jìn)程從而影響到作物的氮素吸收。另一方面，不同類型秸稈的殘?bào)w組分不同[33]，對(duì)秸稈的分解性也產(chǎn)生重要的影響，從而影響到作物對(duì)其氮素的吸收。此外，不同秸稈類型的添加對(duì)土壤粘性、土壤通透性等的影響存在差異[34]，這種差異會(huì)通過影響硝態(tài)氮的淋溶作用與作物的根系發(fā)展而影響到作物的氮素吸收量。

2 作物提高氮素利用率的機(jī)制

2.1 作物根系與氮素利用率關(guān)系

秸稈氮礦化為作物可吸收的氮形態(tài)后，需通過作物根系吸收為植株利用。在以根系為主導(dǎo)的養(yǎng)分吸收活動(dòng)中，氮素的有效性對(duì)根系發(fā)育影響最為顯著[35]。作物根系為維持礦質(zhì)養(yǎng)分的平衡，應(yīng)對(duì)土壤環(huán)境的異質(zhì)性及其養(yǎng)分脅迫，進(jìn)化出了復(fù)雜的根系系統(tǒng)以提高對(duì)養(yǎng)分的吸收效率[36]。在養(yǎng)分充足的區(qū)域作物根系較為發(fā)達(dá)，而在養(yǎng)分貧瘠的區(qū)域作物根系生長情況較差[37]。針對(duì)冬小麥的研究表明，在較深的土層，植物的根系生長并沒有對(duì)土壤氮素含量的改變進(jìn)行響應(yīng)，在較高的氮素供應(yīng)水平下，根系增長有可能是源于其地上部分光合作用的增強(qiáng)[38]。

作物根系的分布情況影響到根系與養(yǎng)分的接觸面積，決定了擴(kuò)散抵達(dá)根際的養(yǎng)分利用效率[39]。黃毅等[40]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈深還田可增強(qiáng)玉米扎根性能，擴(kuò)展根系分布空間。傳統(tǒng)耕作模式玉米的根系主要分布在10 cm～20 cm土層。秸稈深層還田施入秸稈深度為35 cm～40 cm，玉米根系則集中分布在21 cm～30 cm土層。林蔚剛等[41]將耕作深度在10 cm內(nèi)的滅茬還田與免耕模式對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)滅茬還田與免耕模式大豆根系均集中分布在0～10 cm土層，免耕條件下根系大豆生物量最低。10 cm～20 cm免耕模式下大豆根長、根表面積、根體積和根干重比例均低于滅茬還田。慕平等[42]研究發(fā)現(xiàn)淺耕玉米秸稈還田能促進(jìn)玉米根系在較深層次發(fā)育，相比不還田處理，秸稈還田顯著改善了玉米根系在20 cm以下土層的分布情況。秸稈還田促進(jìn)根系的拓展發(fā)育很可能與提高土壤養(yǎng)分，改善耕作層的土壤物理性狀等有關(guān)。

2.2 根系分泌物與氮素有效性的關(guān)系

植物根系分泌物，廣義概念上是指其活體根系所產(chǎn)生的滲出物、粘膠質(zhì)、分泌物及其殘?bào)w與脫落物等的降解物，狹義上僅指植物體根系所分泌的各種化學(xué)物質(zhì)[43]。按其成分可分為兩類，一類為低分子分泌物，其主要成分有糖類、酚類、有機(jī)酸及各種氨基酸等。另一類是高分子分泌物，其主要成分有酶類和粘膠，粘膠主要有多糖和多糖醛酸[44]。

氮素有效性與根系分泌物之間是相互作用的。一方面，氮素有效性影響根系分泌物的數(shù)量及其組成；另一方面，植物可以通過根系分泌物來影響氮素有效性[45]。常二華等[46]研究發(fā)現(xiàn)，低氮或缺氮處理促進(jìn)水稻根系衰老，分泌能力降低，各種分泌物不同程度減少。徐國偉等[47]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田以及中氮處理可以提高水稻根系活性從而利于養(yǎng)分的吸收，但是在高氮處理下其活性反而降低。雍太文等[48]研究發(fā)現(xiàn)，根系分泌物影響土壤中氮素的有效性，可以調(diào)節(jié)作物根際的pH、土壤濕度及NO3--N、NH4+-N等的含量，并通過對(duì)環(huán)境的改善促進(jìn)氮的礦化與作物對(duì)氮素的吸收。

土壤微生物、土壤酶活性是影響秸稈礦化的兩個(gè)關(guān)鍵因素，根系分泌物可以通過影響土壤微生物、土壤酶活性進(jìn)而對(duì)秸稈的礦化進(jìn)程產(chǎn)生影響[49]。根系分泌物對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)有塑造作用，秸稈腐解殘留率與根際微生物群落優(yōu)勢(shì)度顯著相關(guān)[50]，秸稈腐解物為微生物活動(dòng)提供養(yǎng)分，而微生物又決定了秸稈的礦化進(jìn)程。植物根系分泌物和土壤微生物是土壤酶的主要來源[51]，秸稈礦化與土壤酶活性相互反饋，秸稈還田可以刺激土壤酶活性的增強(qiáng)，而土壤酶活性直接影響秸稈的礦化[52]。因此根系分泌物在一定程度上影響秸稈的分解速率。然而，根際分泌物影響秸稈氮的礦化的微生物過程和機(jī)制尚不明確。

2.3 秸稈還田條件下的作物根際

土壤-根系-微生物之間相互作用，共同組成了一個(gè)與養(yǎng)分相互交流的根際微域[53]。根際環(huán)境涉及土壤-根系、土壤-微生物、根系-微生物等多個(gè)相互作用的界面，與植物體相互作用密切。在秸稈還田的作用下，作物根系、根際分泌物以及微生物群落發(fā)生變化，對(duì)作物氮素吸收、作物生長發(fā)育等產(chǎn)生影響。其中，微生物是根際物質(zhì)循環(huán)的主要推動(dòng)力，對(duì)氮素礦化作用起到?jīng)Q定性作用，而根系分泌物又決定了根際的微生物種類及其數(shù)量，對(duì)根際生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)功能起到調(diào)節(jié)作用[54]。氮素的有效性是由土壤與作物相互作用的微域環(huán)境所決定[45]，而微生物群落結(jié)構(gòu)的改變也對(duì)根系分泌物、秸稈腐解、氮素循環(huán)有著重要的影響，進(jìn)而影響到作物根系的生長及對(duì)氮素的吸收利用。

由于根際微域效應(yīng)影響有機(jī)物料氮的礦化作用，從而提升作物對(duì)氮素的吸收以及土壤中氮素的利用效率，減少傳統(tǒng)化學(xué)肥料的施用，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和高效生產(chǎn)意義重大，因此，有關(guān)有機(jī)物料對(duì)化肥的替代作用的研究是目前作物-土壤互作研究的一個(gè)重點(diǎn)。

3 秸稈還田與氮固定

3.1 豆科作物利用秸稈氮前景

秸稈腐解速度緩慢，秸稈中氮素的可利用性以及其對(duì)土壤有機(jī)氮的礦化與礦質(zhì)氮的微生物固持的耦合進(jìn)程的影響是限制秸稈還田技術(shù)推廣的重要原因。合理利用秸稈可以減少氮素淋失，如果還田操作不當(dāng)易導(dǎo)致作物缺乏可利用氮素。Nicholson等[55]研究發(fā)現(xiàn)，添加秸稈會(huì)使土壤速效氮含量降低，秸稈還田量為100 kg·hm-2時(shí)，礦質(zhì)氮減少10 kg·hm-2。閆德智等[56]研究表明，秸稈分解的前兩個(gè)月內(nèi)，秸稈釋放的可供作物利用的氮素僅占土壤礦質(zhì)氮庫的10%～15%。

豆科作物的氮素利用具有與禾本科不同的特點(diǎn)和要求，共生固氮是豆科作物獲取氮素的重要途徑，是豆科作物相對(duì)其他作物的重要優(yōu)勢(shì)。大豆是氮素需求量較高的作物，很大一部分氮素來源是通過與根瘤菌的共生固氮獲得的，共生固氮可以供給大豆50%以上的氮素[57]。而花生生物固氮占到41.3%～56.9%[58]、豌豆的生物固氮量占總氮吸收量的62%～70%[59]。豆科作物每年的共生固氮數(shù)量可達(dá)75 kg·hm-2～150 kg·hm-2[60]，相對(duì)其他作物而言，豆科作物對(duì)土壤氮素的需求比例較小，秸稈還田條件下不易受到氮養(yǎng)分脅迫。因此，秸稈還田技術(shù)在豆科作物的種植產(chǎn)業(yè)中更有推廣應(yīng)用的前景。

3.2 秸稈還田對(duì)大豆氮固定的影響

適量氮肥的施用可以提高大豆產(chǎn)量，然而根瘤對(duì)于氮肥十分敏感，足量的氮素可以對(duì)根瘤原基發(fā)育成根瘤的過程產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而抑制根瘤生長[61]。徐鳳花等[62]研究表明秸稈的添加可有效緩解氮肥對(duì)大豆固氮活性的抑制作用，添加麥秸處理在田間施氮20 kg·hm-2和40 kg·hm-2條件下，大豆產(chǎn)量分別提高了5.1%和23.0%。湯樹德等[63]發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以通過促進(jìn)大豆結(jié)瘤提高固氮活性，進(jìn)而提高大豆的干物質(zhì)積累及其生物學(xué)產(chǎn)量。在白漿土中添加麥秸處理，大豆花莢期單株根瘤數(shù)和單株根瘤干重較不添加秸稈處理分別提高108.1和96.1%，草甸土提高52.4%和92.3%。秸稈異于化學(xué)肥料，一方面其礦化為無機(jī)氮的進(jìn)程較慢，對(duì)根瘤生長的抑制較小，有利于根瘤生長；另一方面，隨著秸稈的分解，微生物活動(dòng)作用減弱，所固持氮素進(jìn)一步礦化成為大豆籽粒發(fā)育時(shí)期的可利用氮素，進(jìn)一步促進(jìn)大豆氮固定效率[64]。然而，秸稈氮和共生固氮的相互關(guān)系以及對(duì)大豆氮吸收的貢獻(xiàn)還有待于進(jìn)一步明確。

大豆在生育初期可以利用種子儲(chǔ)藏的氮素，此時(shí)外源氮素對(duì)大豆并無生理影響[65]。在幼苗時(shí)期大豆共生體系尚未建立，固氮能力較弱，需要土壤為大豆的生長提供氮素[64]。呂曉波[66]研究表明，不施肥前提下，添加秸稈降低土壤中的速效氮有效性，不利于大豆根系從土壤中吸收氮素，大豆容易出現(xiàn)氮素缺乏癥。此外，秸稈對(duì)無機(jī)氮的吸持以及秸稈在粘粒表面的吸附阻礙銨離子遷移通道等非生物固持作用對(duì)大豆生育前期氮素吸收都有一定的限制作用[67-68]。此后隨著根瘤固氮能力的提高，至第4片復(fù)葉展開以后，大豆氮脅迫逐漸得到改善。隨著秸稈的礦化，結(jié)莢初期秸稈礦質(zhì)態(tài)氮的微生物固持作用將達(dá)到最大值，隨后被固定的氮會(huì)重新分解釋放，但是由于大豆在全生育期的氮素吸收量不足，因此產(chǎn)量低于正常施氮水平[68]。湯樹德[69]則認(rèn)為，在不施氮肥前提下，秸稈全生育期處在純固定氮素的過程中，秸稈雖然有利于根瘤形成，但是不利于根系從土壤中吸收氮素，只有當(dāng)補(bǔ)氮量達(dá)到麥秸重量的0.5%才能使麥秸礦化釋放氮素。大豆植株干物質(zhì)積累對(duì)其根瘤固氮活性的依賴是顯著的[63]，但只有根瘤固氮量和土壤供氮量都能滿足大豆需求才能提高大豆生產(chǎn)量。所以，在一定的土壤環(huán)境條件下定量研究大豆全生育期的秸稈供氮能力，以及根瘤固氮量對(duì)提高秸稈還田效益和大豆生產(chǎn)的節(jié)本增效意義重大。

3.3 秸稈還田對(duì)其它豆科作物氮固定的影響

我國秸稈資源豐富，而豆科作物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中歷來占有重要地位，秸稈還田技術(shù)在各類豆科作物種植中均有應(yīng)用。毛桂祥等[70]研究表明，秸稈還田可提高蠶豆產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益，不添加秸稈處理產(chǎn)量僅3 394 kg·hm-2，顯著低于添加秸稈處理的3 884 kg·hm-2。在紅壤旱地的研究表明[71]，僅覆蓋秸稈不施化肥導(dǎo)致花生減產(chǎn)32.2%，不施肥處理在有無秸稈覆蓋下，花生氮素累積量都顯著低于施肥處理?；ㄉ歉弋a(chǎn)喜肥的豆科作物，秸稈還田可以促進(jìn)作物氮素吸收，但是僅靠秸稈供肥無法滿足花生高產(chǎn)要求。

針對(duì)豆科植物氮固定的研究主要集中在間作體系，關(guān)于秸稈還田對(duì)豆科作物氮固定影響的研究較少。Rerkasem等[72]研究表明，玉米與飯豆間作可提高系統(tǒng)固氮量高達(dá)32 kg·hm-2。Xiao等[73]研究表明，小麥-蠶豆間作能夠顯著提高蠶豆的固氮能力，間作地上部分固氮量增加33%。間作體系禾本科作物與豆科植物競(jìng)爭(zhēng)土壤氮素、吸收部分豆科作物根瘤固定的氮素，從而提高豆科作物固氮效率。秸稈還田處理可以促進(jìn)微生物對(duì)氮素的固持作用，同時(shí)秸稈也能吸持部分氮素。因此，秸稈也能緩解豆科作物固氮過程中受到無機(jī)氮的抑制作用。由此，解析秸稈還田對(duì)各種豆科作物固氮作用的影響，具有重大意義。

4 秸稈氮素利用率

還田秸稈所釋放出的氮素去向較為復(fù)雜，大體上可分為支出部分及土壤存留部分。其中，支出部分可分為被當(dāng)季作物所吸收、淋溶作用遷移以及以氣態(tài)形式逸失，土壤存留的氮一部分成為土壤腐殖質(zhì)組分，一部分殘留于秸稈中。

秸稈的施入量、施入方式對(duì)于秸稈還田后氮素的去向以及各去向的氮分配量有很大的影響[69]，外源有機(jī)物料所含氮素大部分以不同形態(tài)殘存在土壤中。徐新宇等[74]應(yīng)用15N示蹤技術(shù)研究麥秸還田中氮的去向，結(jié)果表明鋪施麥秸處理平均約有68%的氮素殘存于土壤中，夏谷地上部對(duì)施入秸稈氮的利用率為28.3%，高于混施麥秸的20.6%，類似現(xiàn)象也出現(xiàn)在籽粒中。王西娜[75]通過15N標(biāo)記法發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋還田下，小麥地上部對(duì)施入秸稈氮的利用率為10.2%，87.9%的氮?dú)埩粲谕寥?。黃婷苗等[76]研究了玉米秸稈氮釋放對(duì)小麥氮吸收的影響，結(jié)果表明小麥地上部分吸收的氮有1.9%～3.4%來自秸稈，68%的氮?dú)埩粼诎敫?、未腐解的秸稈中，地上部分吸收的秸稈氮總量不受施肥水平影響，籽粒所吸收的氮?jiǎng)t顯著受到施氮影響。

作物對(duì)秸稈氮素的吸收量受到較多因素的影響，一方面還田秸稈種類、當(dāng)季作物種類對(duì)秸稈的腐解與作物氮素吸收有較大的影響，另一方面，不同時(shí)期所施肥料類型與施肥量也有較大的差異。以上研究中秸稈的氮素去向表明，秸稈中的氮被作物利用的只有很小一部分，大部分未被作物利用而殘存于土壤中，主要原因可能是秸稈的碳氮比高于微生物活動(dòng)所需的碳氮比，導(dǎo)致微生物以吸收土壤中速效氮為主對(duì)秸稈進(jìn)行分解，因此秸稈的氮素分解速度較慢，下茬作物整個(gè)生長季中秸稈仍有大量氮素未礦化，難以被作物吸收。

有研究認(rèn)為，土壤肥力是秸稈氮素當(dāng)季回收率的主要影響因素，高肥力土壤會(huì)促進(jìn)氮素向作物籽粒中轉(zhuǎn)移，提高秸稈氮素當(dāng)季利用率[15]。秸稈的氮素利用狀況既與秸稈本身物質(zhì)構(gòu)成有關(guān)，也與土壤類型等環(huán)境條件有關(guān)。土壤肥力會(huì)影響到秸稈分解、礦質(zhì)態(tài)氮的固持與礦化，進(jìn)而影響作物對(duì)秸稈氮素的吸收。但是目前這方面的比較研究卻很少。因此，有必要針對(duì)不同土壤類型，開展秸稈還田措施在提高氮素作物利用率，增加產(chǎn)量，減少氮素?fù)p失方面的研究。

5 15N示蹤技術(shù)在氮素轉(zhuǎn)換研究的應(yīng)用

15N示蹤技術(shù)可以研究氮素在生態(tài)系統(tǒng)中的固定、分配及其轉(zhuǎn)化。自上世紀(jì)40年代起，15N示蹤技術(shù)開始得到推廣[77]。同位素15N不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生干擾，保障了實(shí)驗(yàn)開展與測(cè)定的安全性以及結(jié)果的準(zhǔn)確性[78]，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素養(yǎng)分循環(huán)的研究中。借助15N示蹤技術(shù)可以同時(shí)測(cè)定多個(gè)反應(yīng)過程并且進(jìn)行量化，深入了解氮素循環(huán)轉(zhuǎn)化過程。隨著15N示蹤技術(shù)的應(yīng)用，目前的技術(shù)已經(jīng)能夠辨別出有機(jī)氮庫和礦化氮庫中氮的存在形式[79]。

秸稈氮素利用率可以采用測(cè)定氮肥利用率所使用的差值法、示蹤法兩種方法測(cè)定。差值法是假設(shè)施肥作物和不施肥作物吸收的土壤養(yǎng)分量相同，用施肥與不施肥作物收獲養(yǎng)分量的差值與施肥養(yǎng)分量的比值表示肥料養(yǎng)分的作物利用率[80]。在氮肥利用率、秸稈代替氮效率的研究中使用較多，一般用差值法測(cè)定氮肥利用率的結(jié)果高于15N示蹤技術(shù)的結(jié)果，這是由于氮肥促進(jìn)了土壤氮素的吸收[81]。因此，在評(píng)價(jià)氮素供應(yīng)效果時(shí)采用差值法能夠真實(shí)反映作物氮素吸收的實(shí)際增加量。而在研究氮素去向時(shí)只有采用示蹤法才能消除其余因素的干擾。

鑒于15N示蹤技術(shù)安全性與準(zhǔn)確性，許多研究者將15N示蹤技術(shù)應(yīng)用于氮素轉(zhuǎn)化的研究中。Cheng等[82]應(yīng)用15N標(biāo)記不同有機(jī)肥料，研究不同碳氮比的有機(jī)肥料對(duì)根際生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化的影響；黃婷苗[76]應(yīng)用15N示蹤技術(shù)在關(guān)中黃土地區(qū)研究還田玉米秸稈氮釋放對(duì)土壤供氮和冬小麥氮吸收的影響。應(yīng)用15N示蹤技術(shù)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)秸稈氮在植物與根際環(huán)境之間的轉(zhuǎn)化與利用情況，研究秸稈氮素對(duì)作物氮的供應(yīng)，區(qū)別植物吸收利用的氮素來源，準(zhǔn)確地反映植物吸收利用秸稈氮素的情況，既能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的安全可靠，又不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染?；?5N示蹤技術(shù)安全性與準(zhǔn)確性，隨著15N示蹤技術(shù)在標(biāo)記、分析技術(shù)上的不斷突破，15N示蹤技術(shù)必將得到更廣泛的使用。

6 研究展望

不同作物秸稈氮素含量及其存在形式有著顯著差異[33]，而微生物對(duì)秸稈的降解速度受限于秸稈降解的難易程度，作物對(duì)秸稈氮素的吸收利用狀況勢(shì)必因不同秸稈降解進(jìn)程的差異而發(fā)生變化。目前關(guān)于作物對(duì)不同秸稈類型氮素的利用狀況的對(duì)比研究不多。利用15N示蹤技術(shù)進(jìn)行作物對(duì)不同類型秸稈氮素的吸收利用情況的研究十分重要。

雖然秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、補(bǔ)充土壤氮庫，但作物對(duì)秸稈氮素的利用情況受到土壤氮素水平的影響，土壤肥力是影響秸稈氮素利用率的主要因素[15]。土壤氮素水平會(huì)影響秸稈分解、礦質(zhì)態(tài)氮的固持與礦化，進(jìn)而影響作物對(duì)秸稈氮素的吸收。如果土壤氮素含量較低，會(huì)影響秸稈礦化速度，導(dǎo)致秸稈全生育期處在純固定氮素的過程中，將不利于作物對(duì)秸稈氮素的吸收[69]。另外，不同的秸稈還田技術(shù)直接影響秸稈利用效率，雖然有研究者從秸稈粉碎程度、翻耕深度以及翻耕時(shí)間等方面做了不同的研究，在我國不同地區(qū)秸稈還田技術(shù)還存在較大差異，所以應(yīng)針對(duì)不同地區(qū)的土壤和種植作物的特點(diǎn)開展適應(yīng)當(dāng)?shù)氐慕斩掃€田技術(shù)及氮轉(zhuǎn)化利用的研究。

我國很多地區(qū)在農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)中的不合理施用化肥導(dǎo)致土壤供氮能力差異較大，甚至秸稈還田的增產(chǎn)效果比不上傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，有關(guān)作物對(duì)秸稈氮素的利用效率研究變得十分迫切[83]，尤其是在我國東北黑土地區(qū)，土壤氮素水平受到墾殖耕作影響較大，總氮含量低于開墾之前。作物不同生育期需氮情況有所差異，只有秸稈氮素釋放與作物需氮情況相耦合才能達(dá)到秸稈還田的增產(chǎn)目的。所以，在不同地區(qū)，尤其在東北寒地黑土區(qū)上開展關(guān)于秸稈氮素轉(zhuǎn)化季節(jié)性規(guī)律研究，解析作物對(duì)秸稈氮素的利用情況，可為高效秸稈還田技術(shù)提供理論參考。

豆科作物根際氮素循環(huán)過程異于禾本科作物，秸稈在豆科作物根際微域的作用機(jī)理與供氮情況也與禾本科作物有所不同[57]。根瘤固氮作用是豆科作物利用氮素的一大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也是研究豆科作物對(duì)秸稈氮素利用情況的一個(gè)難點(diǎn)。目前關(guān)于小麥等作物對(duì)秸稈氮素的吸收利用情況有所報(bào)導(dǎo)[75]，但是針對(duì)豆科作物對(duì)秸稈氮素的吸收與其分配情況的研究較少。秸稈還田條件下，豆科作物的氮素循環(huán)過程尚不清楚。應(yīng)用15N示蹤技術(shù)探知豆科作物對(duì)秸稈中氮素的吸收利用與分配情況對(duì)種植大豆的輪作和間作體系的養(yǎng)分高效利用有重要意義。

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Impacts of Residue Return on Nitrogen Utilization in Crops:A Review

XIE Zhihuang1,2,LI Yansheng1,YU Zhenhua1,LIU Junjie1,WANG Guanghua1,LIU Xiaobing1,JIN Jian1

(1.KeylaboratoryofMollisolsAgroecology,NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,CAS,Harbin150081,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Residue return can provide nutrients for crops due to residue mineralization,thereby reducing the application of chemical fertilizers.Investigations on the mineralization of residue nitrogen (N) in soil,the supply capability of residue N to crops,and the use efficiency of residue N by crop plants are essential to assess the gain of residue return in agricultural systems.We reviewed the effect of residue return on nitrogen cycling and nitrogen fixation in legumes,and the crop utilization of residue N.The application of15N labeling technique in the studies on the turnover of residue N was also addressed.It is essential to further study the turnover of residue N and crop use efficiency of residue N in typical soils,especially the association of symbiotic N fixation with the utilization of residue N.The rhizospheric effect on the mineralization of residue N would be the most interesting aspect in the mechanisms of the utilization of residue N.

residue return; crops nitrogen uptakes; nitrogen utilization;15N labeling technology

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.04.008

2095-2961(2016)04-0261-08

2016-03-22；

2016-06-03.

中國科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目；黑龍江省杰出青年基金(JC201413)；國家自然科學(xué)基金(41271261).

謝志煌(1992-)，男，福建龍海人，在讀碩士，研究方向?yàn)樽魑锷砩鷳B(tài).

金 劍(1974-)，男，吉林舒蘭人，研究員，主要從事作物生理生態(tài).

S158.3

A