全 文 ：添加玉米残体对土壤2植物系统中氮素转化的影响 3
王淑平1 ,2 　周广胜1 3 3 　姜　岩2 　刘孝义3
(1 中国科学院植物所植被数量生态学重点实验室 ,北京 100093 ;2 吉林农业大学 ,长春 130118 ;3 沈阳农业大学 ,沈阳 110161)
【摘要】　采用盆栽试验和15N 示踪技术对黑土添加玉米残体 (秸秆和根茬)土壤2植物系统中氮素转化进行
了研究. 结果表明 ,玉米残体还田能够增加土壤氮素含量 ,减轻因其作为燃烧材料而造成的氮素损失和对
大气的污染. 玉米残体施入土壤 ,增加了土壤微生物氮含量 ,提高土壤氮活性 ,有利于土壤氮素养分的协调
供应. 玉米残体配施氮肥与氮肥单施相比 ,玉米植株氮素累积量相近 ,但氮素在玉米植株不同器官中的分
配比例不同 ;添加玉米残体能够促进氮素从营养器官向籽粒中转移 ,提高氮素养分的利用效率. 同时 ,添加
玉米残体还可以降低土壤 NO -3 2N 的累积 ,减少肥料氮的损失 417 %～516 %.
关键词 　玉米残体 　氮素转化 　土壤微生物氮 　硝态氮 　15N 示踪
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 03 - 0449 - 04 　中图分类号 　Q945. 1 　文献标识码 　A
Effect of incorporating corn residues into soil on nitrogen transformation in soil2plant ecosystem. WAN G
Shuping1 ,2 ,ZHOU Guangsheng1 ,J IAN G Yan2 ,L IU Xiaoyi3 (1 L aboratory of Quantitative V egetation Ecology ,
Institute of Botany , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100093 , China ; 2 Jilin A gricultural U niversity ,
Changchun 130118 , China ;3 S henyang A gricultural U niversity , S henyang 110161 , China) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2004 ,15 (3) :449～452.
Appropriate field management of crop residues can help to enhance soil productivity and nutrient recycling ,and to
minimize greenhouse gas emission. In this paper ,a 15N tracer pot experiment was installed to study the effect of
incorporating corn stalk and stubble into black soil on the nitrogen transformation in soil2plant ecosystem. The re2
sults indicated that compared with single application of N fertilizer ,incorporation of corn stalk and stubble could
increase soil nitrogen content and enhance its availability ,and increase soil microbial nitrogen content . It also pro2
moted the transfer of nitrogen in corn into its kernel ,so as to increase the nitrogen use efficiency. Simultaneously ,
it reduced the content of soil NO -3 2N ,and decreased the fertilizer nitrogen loss by 4. 7～5. 6 %.
Key words 　Corn residues , Nitrogen transformation , Soil microbial nitrogen , Nitric nitrogen , 15N tracer.3 国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999043407) 、国家自然科学基
金项目(30070642 ,30028001 ,400231018) 、中国科学院知识创新工程项
目( KZCX12SW201212 , KSCX221207)和吉林省科委基金资助项目.3 3 通讯联系人.
2002 - 09 - 23 收稿 ,2003 - 04 - 01 接受.
1 　引 　　言
N 是限制农业生产的营养元素之一 ,也是重要
的生态元素之一. 我国是世界上化学氮肥消费量最
多的国家 ,今后 30 年内 ,随着人口的增加 ,化肥的需
求仍将逐步提高[8 ] . 然而氮肥的施用效益及其利用
率往往较低 [16 ] ,甚至对环境产生一些不利的影
响[4 ,11 ] .因此 ,科学施肥以达到最佳的经济、社会和
生态效益仍是我国农业生产中迫切需要解决的问题
之一.
目前 ,全球每年收获作物残体约 3175 Gt . 作物
残体归还土壤 ,可以丰富土壤有机碳和养分含量 ,提
高土壤水的储存能力 ,防止水土流失 ,减少温室气体
的排放[15 ] . 在美国 ,秸秆还田比率近 90 % ,而我国
秸秆还田比率小于 20 %[6 ] . 长期试验结果表明 ,秸
秆燃烧会加速土壤有机碳的损失 ,降低土壤微生物
活性[12 ] . 国内一些试验结果也表明 ,作物残体还田
可以增加土壤有机碳 ,改善土壤理化性质 ,提高作物
产量[17 ] . 玉米残体包括秸秆和根茬. 玉米残体还田
在土壤中发挥着非腐解有机物作用[2 ,3 ] ,有利于农
田养分的再循环利用. 田间翻埋玉米秸秆土壤微生
物氮数量增加 ,可以引发土壤氮矿化的正激发效
应[7 ] . 而玉米残体还田对植物体中 N 转化的影响报
道很少. 本文借助15 N 示踪技术对黑土添加玉米秸
秆和根茬土壤2植物系统中 N 转化、利用及其生态
效益进行系统研究 ,以期为理解作物残体还田的作
用机理及我国农业持续发展确定合理的施肥模式提
供科学依据.
2 　材料与方法
211 　盆栽试验
盆栽试验在吉林农业大学资源与环境学院温室进行 . 供
试土壤为黑土 ,p H 6126 ,土壤有机质 2611 g·kg - 1 ,全氮
应 用 生 态 学 报 　2004 年 3 月 　第 15 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Mar. 2004 ,15 (3)∶449～452
11143 g·kg - 1 ,碱解氮 119 mg·kg - 1 ,有效磷 1912 mg·kg - 1 ,
有效钾 11819 mg·kg - 1 . 供试玉米秸秆和根茬全 C 分别是
42312 和 42913 g·kg - 1 ,全 N 分别是 7170 和 7103 g·kg - 1 .
供试玉米品种为改良本育九. 试验设 1) CK:对照 ,不施肥 ;2)
NPK:施化肥 ,即尿素 500 mg·kg - 1土 ,重过磷酸钙 (含 P2O5
46 %) 250 mg·kg - 1土 ,硫酸钾 (含 K2O 50 %) 225 mg·kg - 1
土 ;3) NPK + STA :在处理 2 的基础上配施玉米秸秆 10 g·
kg - 1土 ;4) :NPK + STU :在处理 2 的基础上配施玉米根茬
10 g·kg - 1土 44 个处理. 试验中的施肥量 (包括化肥、秸秆和
根茬量)均为前期试验获得的该土壤上玉米的最适施用量 ,
装盆时一次性施入. 本试验选用 30 cm ×25 cm 搪瓷培养盆.
每盆装土 12 kg ,氮肥选用上海化工研究院研制的15 N 标记
尿素 ,含 N 4319 % ,15 N 丰度为 20119 % ,重复 12 次 (每次取
样 3 次重复) . 5 月 10 日播种 ,9 月 23 日收获 ,分别于玉米不
同生育时期 :苗期 (A) 、拔节期 (B) 、大喇叭口期 (C) 和成熟期
(D)采集土壤、植株样本 ,供室内分析.
212 　研究方法
土壤全氮的测定 :采用半微量开氏法 ;土壤有效氮的测
定 :加还原剂 ,碱解扩散法 ;土壤微生物量氮的测定 :采用氯
仿熏蒸 ,硫酸钾溶液提取 ,开氏法定氮 [14 ] ;植株全氮的测定 :
硫酸、过氧化氢消煮 ,开氏法定氮 ;15N 测定 :15 N 丰度在中国
农业科学院原子能研究所 MA T2251 超精度气体同位素质谱
仪上测定.
3 　结果与分析
311 　添加玉米残体对土壤 N 含量及其活性影响
31111 土壤 N 含量 　由图 1 可以看出 ,添加玉米秸
秆和根茬能提高土壤 N 含量 ,与对照相比分别增加
01147 和 01145 g·kg - 1 ( P < 01001) ;与单施化肥相
比 ,分别增加 01096 和 01094 g·kg - 1 . 表明玉米残体
施入土壤中 ,在微生物的作用下分解 ,将玉米残体氮
转变为土壤氮 ,土壤的全 N 含量明显增加 ( P =
01002 ,01003) ,从而减少玉米残体作为燃烧材料而
造成的 N 损失和对环境的污染.
图 1 　玉米收获时土壤全 N 的变化
Fig. 1 Change of soil total nitrogen after corn harvest .
31112 土壤氮活性 　玉米残体施入土壤不仅增加土
壤氮库储量 ,而且提高了土壤氮的活性. 由图 2 可以
看出 ,单施化肥处理由于化学氮肥的施入土壤碱解
氮迅速增加 ,持续到拔节期 ,在大喇叭口期近于原始
值 ,并继续下降 ;而玉米残体配施化学氮肥处理 ,在
播种 —拔节期 ,土壤碱解氮出现低于单施化肥处理 ,
但在拔节期 —成熟 ,土壤碱解氮又高于单施化肥处
理的趋势. 说明玉米残体施入土壤可以提高土壤有
效氮的缓冲能力 ,土壤氮的活性增强. 这可能与土壤
微生物固定作用有关.
图 2 　玉米不同处理土壤碱解氮的变化
Fig. 2 Change of soil alkali2hydrolysable N.
1) NPK;2) NPK + STA ;3) NPK + STU. 下同 The same below.
　　土壤微生物在参与土壤有机物质分解与合成的
同时 ,也同化一些土壤养分构成其自身躯体. 本试验
结果表明 ,添加玉米残体 ,较化肥单施处理土壤微生
物氮的含量增加 (图 3) . 土壤微生物固定的 N 随着
微生物的死亡很快释放到土壤之中 ,具有较高的有
效性[1 ,5 ,9 ,13 ,18 ,19 ] . 由于土壤微生物的固定作用削弱
了由于化肥集中施入而在玉米生育前期产生的土壤
养分强度 ,增强了玉米生育中、后期养分的供应 ,有
利于玉米整个生育期内养分的协调供应. 其有关机
理还需进一步进行研究.
图 3 　玉米不同处理土壤微生物量氮的变化
Fig. 3 Change of soil micrbial biomass N.
312 　添加玉米残体对植株 N 累积量及其分配特征
的影响
31211 玉米植株 N 累积量 　由图 4 可以看出 ,化肥
单施及其与植物残体配合施用 ,玉米不同生育时期
N 累积量相近 ,并且收获时植株 N 累积量明显高于
对照 ( P < 01001) . 玉米收获时所有施 N 处理植株 N
累积量平均为 1188 ±0105 g/ plant .
054 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
图 4 　玉米不同处理不同生育时期 N 累积量
Fig. 4 Contents of N in corn at different growing stages.
31212 玉米植株 N 分配 　玉米根系吸收 N ,一部分
留存于根系中 ,一部分运输到地上其它各器官中. N
在植物中再利用率很高. N 在玉米不同生育时期各
器官中的分配比例不同. 在玉米苗期2大喇叭口期 ,
玉米以营养生长为主 ,其生长中心是茎叶 ,植株体内
70 %～85 %的 N 储存在玉米茎叶中 ,根系中占 15 %
～30 %. 玉米大喇叭口期以后 ,进入生殖生长 ,其生
长中心为玉米籽粒. 玉米根系吸收的 N 优先供给籽
粒 ,到成熟时 ,玉米籽粒中 N 储量占 74134 %～
78124 % ,而茎叶中仅占 14189 %～17120 % ,根系占
5140 %～6130 % ,穗轴占 1156 %～2116 %.
表 1 　玉米植株不同器官中氮的分配
Table 1 Allocation of nitrogen in different organs of corn( %)
处理
Treatment
茎叶
Stalk
根系
Root
籽粒
Kernel
穗轴
Corncob
NPK 17120 (a) 6130 (a) 74134 (a) 2116 (a)
NPK + STA 14198 (b) 5146 (b) 77186 (b) 1170 (ab)
NPK + STU 14180 (b) 5140 (b) 78124 (b) 1156 (b)
The significant levels is P = 01051
　　由表 1 可以看出 ,玉米成熟时 ,玉米残体配施化
肥处理其茎叶、根系及穗轴中 N 比例都小于单施化
肥处理 ,而籽粒中 N 比例却高于单施化肥处理 ,说
明添加玉米残体可以促进植株体内 N 向籽粒中转
移 ,提高 N 养分的利用效率.
313 　添加玉米残体对环境的影响
31311 对土壤 NO -3 2N 含量的影响 　试验结果表明 ,
土壤中 NO -3 2N 含量随施肥量的增加而增加[20 ] . 化
学氮肥的大量使用 ,影响土壤、地下水及作物体内硝
态氮含量[10 ,21 ] . 因此 ,采用合理的施肥制度对于生
态环境的保护具有重要意义.
图 5 是不同施肥处理玉米不同生育时期土壤
NO -3 2N 的含量. 从中可见 ,单施化肥处理在玉米营
养生长时期 ,土壤 NO -3 2N 含量增加 ;植物残体的施
入降低了因施入化肥而造成的土壤 NO -3 2N 的累
积.其原因可能与添加玉米残体土壤微生物固定的
N 量增加有关.
3 1312对化肥损失率的影响 　化学氮肥施入土壤
图 5 　玉米不同处理土壤硝态氮含量
Fig. 5 Contents of soil NO -3 2N at different growing stages of corn.
中 ,其损失途径主要是土壤 NO -3 2N 的淋失、N H -4 2N
的挥发及反硝化损失. 15 N 示踪结果 (表 2) 表明 ,玉
米秸秆和根茬配合施用化肥 ,肥料 N 损失率分别为
4317 %和 4219 % ;而单施化肥 ,肥料 N 损失率为
4815 %.添加玉米残体可以减少肥料 N 损失 417 %
～516 % ,降低肥料 N 对生态环境的污染程度.
表 2 　玉米不同施肥处理肥料 N平衡
Table 2 Balance of 15 N at corn harvest ( %)
处理
Treatment
吸收率
Absorbing rate
残留率
Residual rate
损失率
Loss rate
NPK 3515 (aA) 1611 (aA) 4815 (aA)
NPK + STA 2818 (bB) 2714 (bB) 4317 (bB)
NPK + STU 3010 (cC) 2712 (bB) 4219 (cB)
The significant levels are P = 0105 , P = 01011
4 　讨 　　论
盆栽试验是在特定的环境条件下进行的 ,其试
验结果有一定的局限性 ,但仍能在一定程度上反映
作物生长期间养分循环、转化的趋势与机理. 本研究
表明 ,玉米残体还田能够增加土壤 N 含量 ,减轻因
其作为燃烧材料而造成的 N 损失和对大气的污染 ;
同时 ,由于添加玉米残体为土壤微生物提供了大量
的能源和碳源 ,促进了土壤微生物的增殖 ,土壤微生
物氮含量增加 ,提高了土壤氮活性 ,有利于土壤中 N
的协调供应. 玉米残体配施氮肥和氮肥单施相比 ,玉
米植株 N 累积量相近 ,但 N 在植株各器官中的分配
比例不同. 添加玉米残体能够促进玉米植株体内 N
由营养器官向籽粒中转移 ,提高 N 养分的利用效
率. 这或许是作物残体还田其生育期提前[18 ]的原因
之一. 同时 ,添加玉米残体 ,土壤微生物对 N 的固定
增加 ,减少了 NO -3 2N 在土壤中的累积. 添加玉米残
体 ,肥料 N 的当季损失率降低了 417 %～516 %. 作
物残体的施用具有一定的后续效应. 玉米秸秆还田
3 年累计减少肥料氮的损失约 19 %[16 ] . 由此可见 ,
在当前条件下因地制宜地实行少耕、免耕技术 ,提倡
不同方式的作物残体还田 ,对于提高农业生产、协调
农田生态系统土壤2植物2大气 N 循环及环境保护具
1543 期 　　　　　　　　　　　　王淑平等 :添加玉米残体对土壤2植物系统中氮素转化的影响 　　　　　　　　　　　
有十分重要的意义.
参考文献
1 　Duxbury J M ,Lauren J G , Fruci J R. 1991. Measurement of the bio2
logically active soil nitrogen fraction by 15 N technique. A gric E2
cosyst Envi ron ,34 :121～129
2 　Jiang Y(姜 　岩) . 1988. Effect of corn stubble on soil fertility. J
Jili n A gric U niv (吉林农业大学学报) , 10 (3) : 47～52 (in Chi2
nese)
3 　Jiang Y(姜　岩) . 1988. Effect of non2decomposed organic material
on soil fertility. Chin J Soil Sci (土壤通报) ,19 (4) :147～150 (in
Chinese)
4 　Khalil MA K ,Rasmussen RA. 1983. Increase and seasonal cycles of
nitrous oxide in the earth ,s atmosphere. Tellus ,35B :161～169
5 　Lethbridge G ,Davidson MS. 1983. Microbial biomass as a source of
nitrogen for cereal. Soil Biol Biochem ,15 :375～376
6 　Li C2S(李长生) . 2000. Loss of soil carbon threatens chinese agri2
culture :A comparison on agroecosystem carbon pool in China and
the U. S. Quatern Sci (第四纪研究) , 20 (4) : 345～350 (in Chi2
nese)
7 　Li G2T(李贵桐) ,Zhao Z2J (赵紫娟) ,Huang Y2F(黄元仿) , et al .
2002. Effect of straw returning on soil nitrogen transformation.
Plant N ut r Fert Sci (植物营养与肥料学报) ,8 (2) :162～167 (in
Chinese)
8 　Li J2K(李家康) ,Lin B (林 　葆) ,Liang G2Q (梁国庆) , et al .
2001. Analysis of the prospect of chinese chemical fertilizer applica2
tion. Plant N ut r Fert Sci (植物营养与肥料学报) ,7 (1) :1～10 (in
Chinese)
9 　Marumoto T ,Anderson J PE ,Domsch L H. 1982. Decomposition of
14C2 and 15N2labelled microbial cells in soil. Soil Biol Biochem ,14 :
461～467
10 　Owen LB ,Edwards WM ,van Keuren RW. 1994. Groundwater ni2
trate levels under fertilized grass and grass2legume pastures. J Envi2
ron Qual ,23 :752～758
11 　Peaman GID , Etheridge F , Fraser PJ . 1986. Evidence of changing
concentrations of atmospheric CO2 ,N2O and CH4 from air bubbles
in Antarctic ice. Nat ure ,320 :248～250
12 　Rasmussen PF ,Collins HP. 1991. Long2term impacts of tillage ,fer2
tilizer and crop residue on soil organic matter in temperature semi2
arid regions. A dv A gron ,45 :93～134
13 　Sparling GP. 1993. Release of ninhydrin —Reactive during fumiga2
tion of soil to estimate microbial C and N. Soil Biol Biochem ,25 :
1803～1805
14 　Vance ED ,Brookes PC ,Jenkinson DS. 1987. An extraction method
for measuring soil microbial biomass C. Soil Biol Chem ,19 :703～
707
15 　Vaclav Smil. 1999. Crop residues :Agriculture’s largest harvest . Bi2
ol Sci ,149 (4) :299～308
16 　Wang X2B (王小彬) ,Cai D2X(蔡典雄) ,Zhang J2Q (张镜清) , et
al . 2001. Nitrogen uptake by corn and N recovery in grain in dry
farmland. Sci A gric S in (中国农业科学) , 34 (2) : 179～186 (in
Chinese)
17 　Wu Z2J (武志杰) ,Zhang H2S(张海山) ,Xu G2S(许广山) , et al .
2002. Effect of returning corn straw into soil on soil fertility. Chin
J A ppl Ecol (应用生态学报) ,13 (5) :539～542 (in Chinese)
18 　Zagal E ,Persson J . 1994. Immobilization and remineralization of ni2
trate during glucose decomposition at four rates of nitrogen addi2
tions. Soil Biol Biochem ,26 :1313～1321
19 　Zhou J2B(周建斌) ,Chen Z2J (陈竹君) ,Li S2X (李生秀) . 2001.
Contents of soil microbial biomass nitrogen and its mineralized char2
acteristics and relationships with nitrogen supplying ability of soils.
Acta Ecol S in (生态学报) ,21 (10) :1718～1725 (in Chinese)
20 　Zhou S2L (周顺利) , Zhang F2S (张福锁) , Wang X2Y(王兴仁) .
2002. The spatio2temporal variations of soil NO -3 2N and apparent
budget of soil nitrogen Ⅱ. Summer maize. Acta Ecol S in (生态学
报) ,22 (1) :48～53 (in Chinese)
21 　Zhuang S2Y(庄舜尧) . 1995. Effect of nitrogen fertilizer on nitrate
accumulation in vegetable. Prog Soil Sci (土壤学进展) ,23 (3) :29
～35 (in Chinese)
作者简介 　王淑平 ,女 ,1964 年出生 ,博士 ,主要从事植物营
养生态学与全球变化的研究 ,发表论文 20 余篇. E2mail :
wshuping @163. com
254 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷