秸稈還田對長期連作棉田土壤有機氮組分的影響

馬芳霞，王憶蕓，燕鵬，魏飛，孫新展，劉建國

新疆兵團綠洲生態農業重點實驗室，石河子大學，新疆 石河子 832003

準確評價土壤的供氮能力以制定合理的培肥制度，是維持土壤的肥力和生產力，降低農業成本，改善生態環境，實現農業可持續發展的重要措施。有機態氮是土壤氮素的主要成分，也是土壤礦質態氮的源和庫（彭令發等，2003），同時也是植物可利用氮的重要組成部分（王文穎等，2016）。土壤有機氮的含量、形態及分布狀況受到土壤類型（黨亞愛等，2011；叢耀輝等，2016）、土地利用（張玉樹等，2015；王晉等，2014）、施肥（張電學等，2017；任金鳳等，2017；李玥等，2017）及耕作狀況（王克鵬等，2016；何傳瑞等，2016）等諸多因素的影響。Kwon et al.（2009）通過研究美國伊利諾伊州玉米田土壤有機氮組分的變化特征，發現施有機肥土壤的酸解總氮是996～3022 mg?kg-1，不施有機肥的為593～1673 mg?kg-1，說明施用有機肥對提高土壤有機氮含量效果顯著。李世清等（2004）研究發現，在施用化肥的基礎上配施秸稈和廄肥，可顯著增加酸解性氮的含量及比例，而對非酸解性氮的影響則與之相反；而肖偉偉等（2009）研究指出，長期施用有機肥（腐熟的小麥秸稈、大豆餅和棉仁餅）及化肥配施有機肥均顯著提高了潮土土壤酸解氨態氮、氨基酸態氮和非酸解性氮的含量，并且施用有機肥后氨基酸態氮、酸解氨態氮占全氮的比例減??；也有研究表明，不同施肥處理各形態有機氮占全氮的比例變化較小，處于動態平衡中（李樹山，2013）。由于有機肥添加后有機氮各組分在土壤中的變化受不同土壤環境條件的影響其研究結果不盡相同，因此，對特定農田環境和農作制度下土壤有機氮組分的變化規律進行研究才具有實際意義。

2016年新疆棉花種植面積和產量分別占全國的53.5%和67.3%，成為中國最重要的棉區。新疆綠洲棉花生產集約化、機械化程度高，植棉區棉花種植面積占耕地面積的 55%～80%，導致棉花常年連作，同時秸稈全量粉碎還田，成為綠洲農田有機培肥的主要方式，秸稈還田及長期連作種植下土壤有機氮形態、含量及其氮素的有效性如何變化尚缺乏深入研究，因此本研究以棉花長期連作定位試驗為依托，通過研究秸稈還田對長期連作棉田土壤有機氮組分的影響，揭示長期連作及秸稈還田下綠洲棉田土壤有機氮素的演變規律，對于科學評價土壤肥力、合理培肥具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于新疆石河子市石河子大學農學院試驗站（86°03′E，45°19′N）長期連作定位試驗田。地處天山北坡沖擊洪積平原中部，屬溫帶大陸性氣候，光照資源豐富而降雨稀少，一年一熟制，為典型的綠洲灌溉農業區。該區海拔443 m，年平均日照時間達2865 h，大于10 ℃積溫為3480 ℃，無霜期 165 d，年平均降水量 208 mm，平均蒸發量1660 mm，溫度日差較大，供試土壤為灌耕灰漠土。試驗田初始土壤基本理化性質見表1。

1.2 田間試驗設計

試驗在石河子大學農學院試驗站棉花長期連作定位試驗田進行，分別選取了秸稈還田模式下連作5、10、15和20年棉田小區（分別標記為5、10、15和20 a），無秸稈還田模式下連作5、10、20年棉田小區（分別標記為CK5、CK10和CK20），共計7個處理，每個處理3次重復。棉花秸稈還田連作模式是每年秋季棉花收獲后將全部秸稈用鍘刀切成5～8 cm小段，即模擬大田生產棉花秸稈機械還田方式，入冬前結合施化肥翻入耕層，然后冬灌。棉花無秸稈還田連作模式是棉花收獲后將全部秸稈帶出農田，然后施化肥、翻耕、冬灌。棉花秸稈中C、N、P和K平均含量分別約為41.3%、1.69%、0.43%和3.14%（均以干質量計），化肥中含氮（純N）300 kg?hm-2，磷（P2O5）150 kg?hm-2，鉀（K2O）75 kg?hm-2；以氮肥的30%和磷鉀肥的100%作為基肥，于棉花收獲后結合翻耕施入，其余70%氮肥作追肥隨水滴施。棉花品種為“新陸早 46號”，按“30+60+30”寬窄行距配置，采用膜下滴灌，每年4月20日左右播種，留苗密度為每公頃19.8萬株，7月10日打頂。全生育期滴灌11次，滴灌總量5400 m3?hm-2，其他管理措施與一般大田管理一致。

1.3 樣品采集與測定

于2016年棉花播種前，在每個小區選擇3個代表性區域采集0～20 cm耕層土壤樣品，各區域按“S”形取5個點混合組成1個樣品。帶回實驗室自然風干后研磨過100目篩，用于土壤全氮、有機氮組分的測定，3次重復。

土壤全氮采用凱氏定氮法（魯如坤，2000）測定。

有機氮組分參照Bremner法（Bremner，1965）測定。具體步驟，（1）酸解液的制備：稱取約含10 mg氮的土壤樣品（過100目篩）于水解瓶中，加入2滴正辛醇和20 mL 6 mol?L-1HCl溶液混勻，在電熱板上(120±3) ℃水解12 h。水解完畢后趁熱過濾，多次沖洗水解瓶及土壤殘渣直至濾液達 50 mL。碎冰浴下用 1 mol?L-1和 5 mol?L-1氫氧化鈉溶液調節濾液pH至2左右，再逐滴緩慢加入1 mol?L-1氫氧化鈉溶液，邊滴加邊攪拌，直至pH為6.5±0.1后定容至100 mL，置于冰箱中備用。同時做空白試驗。（2）酸解總氮的測定：吸取5 mL酸解液，加入0.5 g催化劑和2 mL濃硫酸消煮后用凱氏定氮儀蒸餾測定。（3）氨基酸態氮的測定：吸取5 mL酸解液，加入 1 mL 0.5 mol?L-1氫氧化鈉溶液，在100 ℃水浴下加熱直至樣品濃縮至只剩2～3 mL，冷卻后加 0.5 g檸檬酸和 0.2 g水合茚三酮，再在100 ℃下水浴加熱10 min，冷卻后加入10 mL磷酸鹽-硼砂緩沖液和1 mL 5 mol?L-1氫氧化鈉溶液進行蒸餾測定。（4）酸解氨態氮的測定：吸取 10 mL酸解液，加入2.5 mL 3.5 % MgO后用凱氏定氮儀蒸餾測定。（5）酸解氨態氮和氨基糖態氮的測定：吸取10 mL酸解液，加入10 mL磷酸-硼砂緩沖液（pH=11.2）后用凱氏定氮儀蒸餾測定。（6）酸解未知氮為酸解總氮減去酸解氨態氮、氨基酸態氮和氨基糖態氮3種形態氮后的氮量。非酸解性氮為土壤全氮與酸解總氮的差值。

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 The basic physical and chemical properties of soil investigated

1.4 數據處理和分析

運用Excel 2003和WPS 2016繪制圖表，運用SPSS 19.0軟件進行方差分析和多重比較（Duncan法）。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對長期連作棉田耕層土壤全氮含量的影響

圖1 秸稈還田下長期連作棉田土壤全氮含量的變化Fig. 1 Variation of soil total N in continuous cropping cotton field under straw returning

由圖 1可知，長期連作及秸稈還田下耕層土壤全氮質量分數的變化范圍在 449.52～725.71 mg?kg-1之間，無論秸稈還田處理還是無秸稈還田處理，土壤全氮含量均隨著連作年限的增加呈現逐漸上升的變化趨勢。秸稈還田處理下連作20年的土壤全氮含量達到最高，分別比連作5、10、15年增加了27.00%、16.69%、10.92%，差異達顯著水平（P＜0.05）；且隨著連作年限的增加，全氮含量增加的幅度逐漸減小。無秸稈還田處理下連作20年的土壤全氮含量分別比連作5年、10年增加了 18.22%、10.71%，差異顯著（P＜0.05）。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田處理下耕層土壤全氮含量明顯高于無秸稈還田處理，連作 5、10和20年分別比CK5、CK10和CK20增加了27.12%、29.56%、36.56%，差異達顯著水平（P＜0.05）；且隨著連作年限的增加，全氮含量增加的幅度逐漸增大。說明秸稈還田可以顯著提高連作棉田耕層土壤全氮含量，且隨著連作年限的增加，土壤全氮含量逐漸累積。

2.2 秸稈還田對長期連作棉田耕層土壤有機氮組分含量的影響

由表2可知，長期連作棉田耕層土壤酸解有機氮的質量分數在313.83～509.83 mg?kg-1之間，占土壤全氮的67.40%～73.16%，是連作棉田耕層土壤氮的主要存在形式。秸稈還田處理下酸解有機氮的含量隨著連作年限的增加呈現逐漸上升的變化趨勢，連作20年的酸解有機氮含量最高，分別比連作5、10、15年增加了31.23%、12.04%、10.08%，差異達顯著水平（P＜0.05）。無秸稈還田處理下的CK5、CK10和CK20的酸解有機氮含量也隨連作年限的增加呈逐漸上升的趨勢，但差異不顯著。秸稈還田處理下酸解有機氮含量顯著高于無秸稈還田處理，連作5、10和20年分別比CK5、CK10和CK20增加了23.79%、36.84%和42.35%，差異達顯著水平（P＜0.05）。

氨基酸態氮和酸解氨態氮是土壤可礦化氮產生的氮形態（李菊梅等，2003）。氨基酸態氮質量分數為 80.50～169.17 mg?kg-1，平均為 123.17 mg?kg-1。秸稈還田處理下氨基酸態氮的含量隨著連作年限的增加呈現先增加后下降再上升的變化趨勢，連作 20年的氨基酸態氮含量達到最大，分別比連作5、10、15年增加了45.00%、7.41%、16.00%，除連作10年外，其他連作年限差異顯著（P＜0.05）。無秸稈還田處理下的氨基酸態氮含量隨連作年限的增加而逐漸增加，但差異不顯著。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田處理下的氨基酸態氮含量明顯高于無秸稈還田處理，連作5、10和20年分別比CK5、CK10和 CK20增加了 44.93%、80.00%、61.11%，差異達顯著水平（P＜0.05）。酸解氨態氮的質量分數為 75.83～122.50 mg?kg-1，平均為 100.42 mg?kg-1。秸稈還田處理下酸解氨態氮的含量隨著連作年限的增加呈現逐漸上升的變化趨勢，連作 20年的氨態氮含量達到最高，分別比連作 5、10、15年增加了 27.27%、7.69%、2.44%，但除連作 5年外，其他連作年限差異不顯著。無秸稈還田處理下酸解氨態氮含量隨著連作年限增加也逐漸增加，差異不顯著。秸稈還田處理下的酸解氨態氮含量顯著高于無秸稈還田處理，連作5、10和20年分別比CK5、CK10和 CK20增加了 26.92%、34.48%和35.48%，差異達顯著水平（P＜0.05）。說明秸稈還田可以顯著提高耕層土壤氨基酸態氮和酸解氨態氮含量，為有機氮向可礦化氮轉化創造了更好的庫容。

表2 秸稈還田下長期連作棉田土層有機氮各組分的含量Table 2 Contents of soil organic N fractions in continuous cropping cotton field under straw returning mg?kg-1

氨基糖態氮主要來自于土壤微生物的生物合成，與土壤微生物量關系密切（徐陽春等，2002）。其質量分數為 20.42～40.83 mg?kg-1，平均為 30.42 mg?kg-1。與其他有機氮組分相比，其含量最低。由表 1可知，秸稈還田處理下氨基糖態氮含量隨著連作年限的增加而逐漸增加，但差異不顯著。相反，無秸稈還田處理下氨基糖態氮含量隨連作年限的增加逐漸下降，差異也不顯著。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田增加了耕層土壤氨基糖態氮含量，連作5、10和20年分別比CK5、CK10和CK20增加了11.11%、62.50%、100%，除連作5年外，其他連作年限差異顯著（P＜0.05）。

酸解未知態氮中有 20%～49%是非 α-氨基酸態氮，是酸解液中較不易分解的氮（宋琦，1988）。其質量分數為131.25～177.33 mg?kg-1，平均為149.00 mg?kg-1。秸稈還田處理下酸解未知態氮的含量隨連作年限的增加呈現波動上升的趨勢，連作 20年的酸解未知態氮分別比連作 5、10、15年增加了21.12%、21.60%、8.9%，除連作15年外，其他連作年限差異顯著（P＜0.05）。無秸稈還田處理下酸解未知態氮隨連作年限的增加而逐漸上升，但差異不顯著。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田促進了酸解未知態氮的積累，連作5、10和20年分別比CK5、CK10和 CK20增加了11.56%、6.38%、24.59%，僅連作20年差異顯著。

非酸解性氮是指殘渣氮，主要以雜環氮或與雜環和芳香環結合的穩定性氮化合物存在（宋琦，1988）。其質量分數為 135.69～191.12 mg?kg-1，平均為173.33 mg?kg-1。秸稈還田處理下的非酸解性氮含量隨連作年限的增加亦呈現波動上升的趨勢，連作20年的非酸解性氮含量分別比連作5、10、15年增加了 18.01%、29.34%、12.96%，差異達顯著水平（P＜0.05）。無秸稈還田處理下的非酸解性氮也隨連作年限的增加而逐漸增加，連作 20年達到顯著差異水平。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田促進了非酸解性氮的積累，連作5、10和20年分別比CK5、CK10和CK20增加了34.81%、13.16%、24.60%，除連作10年外，其他連作年限差異顯著（P＜0.05）。

由圖2可知，長期連作及秸稈還田20年后，棉田土壤增加的氮量在氨基酸態氮、非酸解性氮、酸解未知態氮、氨態氮和氨基糖態氮中的分配比例分別為30.07%、25.11%、21.84%、16.30%和6.68%，主要分配于氨基酸態氮和非酸解性氮組分中，占全氮增加量的55.18%。

2.3 秸稈還田對長期連作棉田耕層土壤不同形態有機氮組成的影響

圖2 秸稈還田下長期連作棉田土壤全氮與有機氮各組分的關系Fig. 2 Relationship between soil total N and organic N fractions in continuous cropping cotton field under straw returning

圖3 秸稈還田下長期連作棉田土壤有機氮各組分占全氮的比例Fig. 3 Percentage of soil organic N fractions in total N in continuouscropping cotton field under straw returning

圖3所示為秸稈還田對長期連作棉田耕層土層各組分有機氮占全氮比例的影響，氨基酸態氮占全氮的比例為17.91%～25.33%，平均為21.03%；酸解氨態氮占全氮的比例為 16.84%～18.29%，平均為17.39%；氨基糖態氮占全氮的比例為3.84%～6.10%，平均為 5.25%；酸解未知態氮占全氮的比例為23.45%～29.20%，平均為26.13%；非酸解性氮占全氮的比例為26.84%～32.60%，平均為30.19%。耕層有機氮各形態的分布趨勢為：非酸解性氮＞酸解未知態氮＞氨基酸態氮＞酸解氨態氮＞氨基糖態氮。

秸稈還田不僅對土壤各形態氮的含量有影響，同時土壤氮素的組成也發生了變化。從圖3可以看出，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田增加了耕層土壤氨基酸態氮和氨基糖態氮的比例。連作 5、10和 20年的氨基酸態氮比例分別比 CK5、CK10和CK20增加了14.01%、38.93%、17.80%；氨基糖態氮比例分別增加了-12.59%、25.42%、46.46%。而酸解未知態氮的比例則降低，連作5、10和20年的酸解未知態氮比例分別比 CK5、CK10和 CK20降低了12.24%、17.89%、8.76%。秸稈還田處理下隨著連作年限的增加，氨基酸態氮比例波動上升，而非酸解性氮比例波動下降。

3 討論

秸稈還田對長期連作棉田耕層土壤氮素含量有著重要的影響。本研究結果表明，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田顯著增加了長期連作棉田土壤全氮和有機氮各組分含量，說明秸稈還田對土壤氮素含量的增加有顯著的促進作用，這一結果與多數長期定位試驗田研究結果一致（肖偉偉等，2009；Malhi et al.，2011；巨曉棠等，2004；王克鵬等；2008；孫星等，2007；趙士誠，2014）。這主要是由于棉花秸稈本身含有較高的有機碳（黃金花等，2015），高碳氮比情況下秸稈還田后微生物需要從土壤中吸收更多的無機氮來滿足自身生長需要（Khalil et al.，2005），從而提高了微生物利用銨態氮和硝態氮的能力（Nishio et al.，2001；Cheng et al.，2012），致使更多的有效態氮被微生物同化進入土壤有機氮庫（Luxh?i et al.，2010；S?rensen，2004）；另外，棉花秸稈還田后在土壤中腐解形成新的有機質的過程中，土壤腐殖質對酸解銨態氮的固持也增加（王敬等，2016）。秸稈還田處理下，隨著連作年限的增加，土壤全氮及有機氮各組分含量均明顯增加，增加的氮量主要被積累在氨基酸態氮和非酸解性氮組分中，故連作 20年的氨基酸態氮和非酸解性氮分別比連作5年增加了45.00%和18.01%。這說明有機肥提高土壤肥力的作用是兩個方面的，即同時增加了易礦化和難礦化兩部分氮量（韓曉日等，1995）。采用 Bremner酸水解有機氮分級方法測得的非酸解性氮是以雜環氮或與雜環和芳香環結合態存在的（宋琦，1988），而雜環類化合物或芳香環類化合物均為穩定性氮化合物，不易被礦化（Rovira et al.，2002），因此可以認為非酸解性氮主要以難礦化的穩定性有機氮為主。與氨態氮和氨基酸氮相比，非酸解性氮的礦化速率較低，導致其在土壤中累積。此外，劉軍（2015）通過研究秸稈還田下連作5、10、15、20、25和 30年的棉田土壤pH值，發現連作15年以后土壤pH值開始明顯下降，連作 30年的耕層土壤 pH值比 15年降低了2.58%；相關研究表明，在亞熱帶地區花崗巖發育的紅壤中鐵、鋁氧化物隨著 pH值的降低而增多（Qafoku et al.，2004），導致更多的有機質功能團與鐵、鋁氧化物結合，且形成較為穩定的結合鍵（Baldock et al.，1992），使結合產物不易被礦化。這可能也是促進穩定性有機氮積累的原因。長期秸稈還田后氨基酸態氮含量的增加并不能簡單地看作有機肥料中氨基酸態氮的迭加，而應歸功于秸稈還田后有機物在分解過程中土壤微生物的代謝作用，土壤中氨基酸的成分不同于加入有機物本身的成分，而與微生物細胞壁和結構蛋白中所含的成分相似（黃東邁等，1986）。因此，土壤氨基態氮的變化是與棉田土壤微生物區系的變化緊密聯系在一起的。而劉軍等（2012）研究發現與秸稈還田處理相比，無秸稈還田處理下棉花連作5、10、15年的土壤細菌和微生物總量分別降低了 42.9%、57.9%、70.6%和41.9%、54.7%、65.7%，說明棉花長期秸稈還田能夠增加微生物生物量，改善棉田土壤微生物種群結構，進而促進微生物對銨態氮的固持作用，而微生物的固持是氨基酸態氮的主要來源，從而影響了有機氮中氨基態氮的含量。

由于增加氮量在各組分中的分配比例不同，各有機氮組分在土壤中的累積速率也不一樣，導致各有機氮組分比例大小也發生變化。本研究發現，秸稈還田下長期連作棉田耕層土壤不同形態有機氮組成結構中除非酸解性氮之外（30.19%），酸解未知態氮（26.13%）、氨基酸態氮（21.03%）和酸解氨態氮（17.39%）是有機氮的主體。與無秸稈還田處理相比，秸稈還田不僅增加了氨基酸態氮、酸解氨態氮和氨基糖態氮的含量，同時增加了氨基酸態氮和氨基糖態氮（除連作5年）占全氮的比例，連作 5年、10年和 20年的氨基酸態氮比例分別比CK5、CK10和 CK20增加了 14.01%、38.93%、17.80%；氨基糖態氮比例分別增加了-12.59%、25.42%、46.46%，而對酸解氨態氮占全氮的比例并沒有影響，說明秸稈還田對氨基酸態氮和氨基糖態氮的貢獻高于酸解氨態氮。這與前人的研究結果一致，可能是由于化肥殘留氮主要轉化為酸解氨態氮，而有機肥和秸稈殘留氮主要轉化為氨基酸態和氨基糖態氮的原因（富東英等，2005）；其次氨基糖態氮對土壤氮素礦化和植物吸收的貢獻最低（李菊梅等，2003），這可能也是氨基糖態氮比例上升的原因。本研究還發現，與無秸稈還田處理相比，秸稈還田降低了酸解未知態氮占全氮比例。高曉寧等（2009）研究也發現施用有機肥可以促進酸解未知態氮向有效態氮轉化，而趙士誠等（2014）研究發現秸稈對酸解未知態氮占全氮比例并無明顯影響。這可能與不同的土壤質地和有機物料有關。

從本研究結果可看出，連作年限也是影響土壤有機氮組分結構的主要因素，秸稈還田處理下隨著連作年限從5年增加到20年，氨基酸態氮占全氮的比例從20.42%上升到23.32%，而非酸解性氮比例從32.01%下降到29.75%。由此證明長期秸稈還田可以起到活化氮素、促進其轉化的作用。然而，這與張玉樹等（2015）的研究結果不同，他們通過研究不同種植年限果園土壤有機氮組分的變化特征發現灌木林地土壤在種植 30年果樹后非酸解性氮比例從13.49%上升到22.35%。這可能是因為棉田土壤與果園的耕作措施相差較大以及研究年限不同所致。而王晉等（2014）研究了 50～700年土壤有機氮組分的變化特征，認為種植年限不是影響有機氮組分結構的主要因素。種植年限對土壤組分結構的影響可能是由于耕作措施改變了土壤微生物群落結構和活性（樊曉剛等，2010）、土壤理化性質（李彤等，2017），影響了土壤氮素礦化-同化過程，從而改變了土壤有機氮組分結構。

4 結論

棉花秸稈還田配施化肥顯著增加了長期連作棉田酸解有機氮及非酸解性氮含量，且隨著連作年限的增加有機氮各組分氮含量增加。耕層有機氮各形態的分布趨勢為：非酸解性氮＞酸解未知態氮＞氨基酸態氮＞酸解氨態氮＞氨基糖態氮。秸稈還田增加了氨基酸態氮和氨基糖態氮占全氮比例，降低了酸解未知態氮比例，且隨著連作年限的增加，氨基酸態氮比例上升，而非酸解性氮比例下降。說明長期秸稈還田不僅提高了土壤氮素的有效性，增加了土壤的供氮能力；而且可以起到活化氮素、促進其轉化的作用；同時秸稈還田增加了不易分解的酸解未知氮和非酸解性氮，維持了土壤氮庫的穩定性。