龍澤華，王晶，侯振安

(石河子大學農學院資環(huán)系，新疆 石河子 832003)

氮是植物的必需營養(yǎng)元素，也是影響作物產量的主要限制因子之一。土壤氮素主要以有機氮形態(tài)存在，占土壤全氮含量的95%以上，是植物所需礦質氮的源和匯[1]。土壤有機氮庫的含量和組成直接影響土壤氮素有效性和供氮能力。因此，深入理解土壤有機氮庫及其組成的變化，對土壤培肥與合理施肥均具有重要意義。有機氮組分研究多采用Bremner酸解分組法[2]，土地利用方式、土壤類型、灌溉、施肥及耕作管理等對土壤有機氮及各組分含量均有顯著影響[3]。研究[4]表明施肥顯著影響土壤有機氮組分，有機無機肥配施可增加土壤有機氮含量，提高土壤供氮能力和土壤肥力水平。秸稈還田(直接還田和炭化還田)是改良土壤培肥地力的重要途徑。研究[5]發(fā)現棉花秸稈長期直接還田既可增加土壤氨基酸態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮，提高土壤供氮能力，又能增加酸解未知態(tài)氮和非酸解氮，增強土壤氮庫穩(wěn)定性。但也有研究[6]表明秸稈直接還田主要是提高了土壤有機氮組分中酸解未知態(tài)氮含量和比例，對其他組分無顯著影響。目前，秸稈炭化還田作為我國重點推廣的秸稈綜合利用技術備受關注。許多研究[7-8]表明，秸稈生物炭可顯著改善土壤肥力狀況，提高作物產量和養(yǎng)分利用率。李玥等[9]研究發(fā)現連續(xù)施用炭基肥或生物炭顯著提高棕壤土酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮含量，活化了土壤氮素。陳坤[10]報道生物炭可以增加土壤有機氮庫容量，提高土壤酸解氨基酸態(tài)氮含量，但降低酸解未知態(tài)氮含量。秸稈還田和施氮肥是農田土壤培肥和作物增產的重要措施，但目前對于土壤有機氮的研究多數針對單一影響因素，關于雙因素或多因素的研究較少[11]。同時，針對秸稈直接還田和炭化還田配施氮肥對土壤有機氮組分影響的比較研究還鮮見報道。因此，本研究通過5 a田間定位試驗，研究棉花秸稈還田(直接還田和炭化還田)和施氮量對滴灌棉田土壤有機氮及各組分含量的影響，為土壤有機氮庫調控以及合理施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在新疆石河子市天業(yè)生態(tài)園區(qū)(44°18′N,86°02′E；海拔443 m)進行。該區(qū)地勢平坦，土壤類型為灌耕灰漠土，質地為壤土。田間定位試驗始于2014年，試驗開始前耕層土壤基礎理化性狀：有機質13.5 g·kg-1，全氮0.89 g·kg-1，堿解氮36.8 mg·kg-1，速效磷22.4 mg·kg-1，速效鉀284 mg·kg-1。供試作物為棉花，品種為新陸早64號。

1.2 供試材料

棉花秸稈采自試驗地上1 a所種植的棉花，每年作物收獲后收取棉花秸稈，帶回室內晾干貯存。秸稈炭由棉花秸稈在450 ℃條件下限氧熱解6 h制成。供試棉花秸稈與秸稈炭在施用前70 ℃烘干至恒重，粉碎過2 mm 篩后密封保存。棉花秸稈有機碳含量385 g·kg-1，全氮含量1.60 g·kg-1；秸稈炭有機碳含量625 g·kg-1，全氮含量0.89 g·kg-1。

1.3 試驗設計

試驗采用秸稈還田方式和施氮量兩因素“3×3”完全隨機區(qū)組設計。秸稈還田方式處理為：對照(秸稈不還田)、秸稈直接還田、秸稈炭化還田(分別以CK、SD、SB表示)；SD處理棉花秸稈的施用量為6 t·hm-2，SB處理秸稈炭的施用量為3.7 t·hm-2(與棉花秸稈的有機碳總量相等)。3個施氮量水平為0、300、450 kg·hm-2(分別以N0、N300、N450表示)。9個處理，每個處理重復3次，共27個小區(qū)，小區(qū)面積30 m2。為防止試驗小區(qū)間的養(yǎng)分側滲，各小區(qū)間設置隔離帶。

棉花秸稈和秸稈炭在每年翻地播種前均勻撒于土壤表面，并翻耕至20 cm土層。棉花種植采用膜下滴灌機采棉模式(66+10 cm)，一膜三管六行，滴灌毛管置于兩行作物之間，棉花株距10 cm，播種密度26.3萬株/hm2。棉花于每年4月中下旬播種，干播濕出，播種后滴出苗水30 mm。棉花生長期間灌水9次，6月上旬開始至8月中下旬結束，灌水周期為7～10 d。各處理磷、鉀肥的施用量相同，分別為P2O5105 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2，全部作基肥在播種前一次性施入。氮肥使用尿素，20%作基肥，剩余80%在棉花生長期間分6次隨水滴施(從第2次灌水開始至第7次灌水結束)。其它栽培管理措施參照當地大田生產。

1.3 土壤樣品采集與測定

2018年(試驗連續(xù)第5年)在棉花吐絮期(9月上旬)采集土壤樣品。在每個小區(qū)隨機選擇5個樣點，采集0～20 cm土壤樣品。新鮮土壤樣品混合均勻后帶回實驗室，自然風干，粉碎后過100目篩，裝于密封袋中保存。

土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，土壤有機氮組分的測定參照 Bremner 法[2]。土壤酸解液采用6 mol·L-1HCl 封管水解方法制備，酸解總氮采用酸解液消煮-凱氏定氮法測定。酸解氨態(tài)氮采用3.5% MgO懸濁液蒸餾法測定；酸解氨態(tài)氮+氨基糖態(tài)氮采用磷酸-硼砂(pH=11.2)緩沖液蒸餾法測定；酸解氨基酸態(tài)氮采用檸檬酸和茚三酮氧化、磷酸-硼砂緩沖液蒸餾法測定。酸解未知態(tài)氮和非酸解氮通過差減法計算得到，其中：

酸解未知態(tài)氮=酸解總氮 -(酸解氨態(tài)氮+氨基糖態(tài)氮+氨基酸態(tài)氮)

(1)

非酸解氮=土壤全氮 - 酸解總氮

(2)

1.4 數據處理和分析

數據處理和圖表制作使用Excel2013。采用 SPSS20.0進行兩因素方差分析(Two-way ANOVA)，多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田模式和施氮量對土壤全氮含量的影響

土壤全氮含量受施氮量影響顯著(P<0.05)，表

現為隨施氮量的增加而增加(圖1)。無論是否施用氮肥，秸稈直接還田(SD)和炭化還田(SB)均能顯著增加土壤全氮含量，但配施氮肥對土壤全氮的提高更顯著。不施氮肥條件下(N0)，SD和SB處理土壤全氮含量較CK分別增加10.8%和6.1%，SD處理土壤全氮含量顯著高于SB處理。在施氮肥條件下(N300、N450)，SD和SB處理土壤全氮含量較CK分別增加32.8%、37.2%和33.4%、38.4%，且SB處理土壤全氮含量顯著高于SD處理。

注：***和ns分別表示施氮量(N)、秸稈還田模式(S)或二者交互作用(N×S)對土壤全氮含量的影響達到0.05、0.01顯著性水平和 不顯著。同一施氮量下不同小寫字母表示不同秸稈還田模式處理間差異顯著(P<0.05)；下同。圖1 不同秸稈還田模式和施氮量處理土壤全氮含量Fig.1 Soil total N content under different straw returning mode and N application rate treatments

圖2 不同秸稈還田模式和施氮量處理土壤酸解總氮(a)和非酸解氮(b)含量Fig.2 Soil acidolysable (a) and non-acidolysable N (b) content under different straw returning mode and N application rate treatments

2.2 秸稈還田模式和施氮量對酸解總氮和非酸解氮含量的影響

施氮量顯著影響土壤酸解總氮含量，而對非酸解氮含量影響不大(圖2)。N450處理土壤酸解總氮含量最高，其次N300處理，分別較N0處理增加33.2%和29.8%(圖2a)。不同秸稈還田模式處理土壤酸解總氮含量在3個施氮量水平下均表現為：SD和SB處理無差異，均顯著高于CK處理；尤其是在施氮肥條件下，SD和SB處理土壤酸解總氮含量較CK增加幅度更大(圖2a)。N0條件下，SD和SB處理土壤酸解總氮含量較CK分別增加7.0%和5.3%；而在N300、N450條件下，SD和SB處理土壤酸解總氮則較CK分別增加36.5%～36.8%和37.0%～40.6%。

N0條件下，SD處理土壤非酸解氮含量最高，SB處理和CK之間差異不顯著(圖2b)。N300條件下，SD和SB處理土壤非酸解氮含量無差異，均顯著高于CK處理，分別較CK處理增加19.0%和26.6%。N450條件下，土壤非酸解氮含量表現為SB>SD>CK，SB和SD處理較CK分別 增加42.8%和23.3%。

2.3 秸稈還田模式和施氮量對酸解氮各組分含量的影響

秸稈還田和增加氮肥量均顯著提高土壤酸解銨態(tài)氮含量(圖3a)。不同秸稈還田模式下，N450和N300處理土壤酸解銨態(tài)氮含量平均較N0處理分別增加25.6%和39.9%。SB處理土壤酸解銨態(tài)氮含量最高，其次是SD處理，3個施氮量下平均較CK分別增加20.3%和8.2%。

綜合3種秸稈還田模式，施氮肥處理(N300和N450)酸解氨基酸態(tài)氮含量顯著高于不施氮肥處理(N0)；但在秸稈不還田條件下，不同施氮量之間差異不顯著(圖3b)。不同秸稈還田模式處理土壤氨基酸態(tài)氮含量在3個施氮量下的變化趨勢一致，SD>SB>CK；SD和SB處理酸解氨基酸態(tài)氮含量較CK分別增加34.4%和17.4%。

圖3 不同秸稈還田模式和施氮量處理土壤酸解氮各組分含量Fig.3 Soil acidolysable-N fractions content under different straw returning mode and N application rate treatments

總體上，施氮肥也顯著影響酸解氨基糖態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量(圖3c,d)。但在秸稈不還田條件下，施氮肥顯著增加了酸解氨基糖態(tài)氮含量，且N300和N450處理間差異不明顯；而對酸解未知態(tài)氮含量無顯著影響(P>0.05)。不施氮肥條件下(N0)，秸稈還田模式對土壤氨基糖態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮含量影響不顯著。施氮肥條件下(N300、N450)，土壤氨基糖態(tài)氮含量表現為SB>SD>CK，SB和SD處理土壤氨基糖態(tài)氮含量較CK分別增加45.2%～47.7%和27.2%～29.4%。秸稈還田配施氮肥顯著增加土壤酸解未知態(tài)氮含量，SD和SB處理分別較CK增加51.0%～56.6%和60.8%～62.9%。

2.4 秸稈還田模式和施氮量對土壤有機氮組成的影響

各處理土壤酸解總氮占全氮的72.25%～78.98%，非酸解氮占全氮的21.02%～27.75%(表1)。施氮肥顯著增加土壤酸解總氮比例，降低非酸解氮比例，但2個施氮處理N300和N450之間差異不顯著。從土壤酸解氮的組成變化來看，施氮肥提高了酸解銨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮的比例，而對酸解氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮的比例無顯著影響。

秸稈還田對土壤酸解總氮和非酸解氮比例沒有影響，但改變了土壤酸解氮各組分的比例(表1)。在不施氮肥條件下(N0)，秸稈還田對土壤酸解氮各組分的比例影響較小，僅SB處理土壤酸解銨態(tài)氮比例顯著增加。施氮肥條件下(N300、N450)，SD處理土壤酸解氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮的比例增加，酸解銨態(tài)氮比例降低；而SB處理僅酸解未知態(tài)氮的比例增加，酸解銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮的比例均顯著降低。

表1 不同秸稈還田模式和施氮量處理土壤有機氮各組分占全氮的比例Tab.1 Percentage of soil organic N fractions in total N under different straw returning mode and N application rate treatments

注：同一列標注不同小寫字母表示不同秸稈還田模式處理間差異顯著(P<0.05)；“平均”表示同一施氮量水平下不同秸稈還田模式處理的平均值；同一列標注不同大寫字母表示不同施氮量處理間差異顯著(P<0.05)；顯著性水平：**，P<0.01；*，P<0.05；ns，P≥0.05。

3 討論

3.1 秸稈還田模式和施氮量對土壤全氮的影響

本研究連續(xù)開展了5 a棉花秸稈直接還田或炭化還田配施不同氮肥量的田間定位試驗。結果顯示，與秸稈不還田-無氮肥的對照相比，施用氮肥(300和450 kg·hm-2)或秸稈還田(直接還田和炭化還田)均能增加土壤全氮含量，尤其是秸稈還田配施氮肥對土壤全氮含量的提高更顯著。李玥等[9]研究也表明生物炭單施或施用炭基肥均有效提高了土壤全氮含量。已有大量長期定位試驗[3,4,12,13]證明有機肥與化肥配施能夠顯著增加土壤有機碳和全氮含量。但也有研究認為長期單施化肥(氮肥)可促進作物生長，增加秸稈直接還田以及有機殘落物量，進而提高土壤有機質含量[14]，但對土壤全氮含量并無直接影響[15]。張永全等[16]報道秸稈直接還田配施氮肥180～270 kg·hm-2對小麥-玉米輪作農田土壤有機碳和全氮含量均無顯著影響。然而，賈倩等[17]研究表明隨著施氮量的增加，棉花-油菜輪作農田的有機殘落物顯著增加；即使在秸稈不還田條件下，施氮量>300 kg·hm-2時，土壤全氮含量也會顯著增加。說明土壤全氮含量受氣候、土壤類型、施肥量和作物種類等的綜合影響。

本研究發(fā)現，在不施氮肥條件下，秸稈直接還田處理土壤全氮含量高于秸稈炭化還田；而在施氮肥條件下(300和450 kg·hm-2)，秸稈炭化還田土壤全氮含量顯著高于秸稈直接還田。這可能是由于秸稈的含氮量(1.60 g·kg-1)明顯高于炭化秸稈(0.89 g·kg-1)，因此在不施氮肥條件下，秸稈直接還田對土壤全氮的提升作用高于秸稈炭化還田。但在施用氮肥條件下，由于秸稈生物炭增強了土壤對氮素的保持能力，減少了氮素損失，進而顯著提高土壤全氮含量。已有研究[18]表明棉花秸稈生物炭可顯著增加肥料15N的土壤殘留率，降低15N淋洗損失率；同時，棉花秸稈生物炭還顯著減少了滴灌棉田的氨揮發(fā)損失，且氨揮發(fā)積累量顯著低于施用棉花秸稈[19]。陳坤[10]連續(xù)7 a的生物炭等有機物料配施化肥定位試驗研究也發(fā)現生物炭富含有機碳氮，可增加土壤有機質和全氮含量，土壤全氮含量表現為豬糞腐肥>生物炭顆粒>秸稈直接還田處理。

3.2 秸稈還田模式和施氮量對土壤有機氮組分的影響

本研究表明秸稈還田模式和施氮量對土壤有機氮組分含量影響顯著，且二者存在明顯的交互效應。綜合3種秸稈還田(秸稈不還田、秸稈直接還田、炭化還田)模式下，施氮肥顯著增加土壤酸解總氮及酸解氮各組分的含量，對非酸解氮含量無顯著影響，這與國內外學者[3,4,17]針對單施化肥(氮肥)對土壤有機氮各組分含量影響的研究結果存在較大差異。但在秸稈不還田條件下(單施化肥)，施氮肥顯著增加了土壤酸解總氮、酸解銨態(tài)氮含量，而對酸解氨基酸態(tài)氮、未知態(tài)氮以及非酸解氮無影響。這與任金鳳等[3]、巨曉棠等[13]的研究結果相類似。

本研究中，秸稈直接還田或炭化還田，尤其是配施氮肥(300和450 kg·hm-2)顯著增加土壤非酸解氮、酸解總氮及酸解氮各組分含量。有研究也發(fā)現棉花秸稈直接還田顯著增加酸解氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮、未知態(tài)氮以及非酸解氮的含量[5]；施用生物炭及炭基肥也能顯著增加土壤酸解總氮及酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮[9]。但也有研究[3,12]認為施用秸稈和生物炭對酸解未知態(tài)氮和非酸解氮沒有顯著影響。這可能是由于氣候條件、土壤特性、施肥量等不同所致。

關于秸稈直接還田和秸稈炭化還田對土壤有機氮組分的研究報道較少。本研究發(fā)現，秸稈直接還田土壤酸解總氮含量與秸稈炭化還田無明顯差異，但酸解銨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮含量表現為秸稈炭化還田>直接還田，氨基酸態(tài)氮為秸稈直接還田>炭化還田，酸解未知態(tài)氮二者之間的差異較小。酸解銨態(tài)氮的一個重要來源是土壤固定態(tài)銨和吸附態(tài)銨，是當季作物可直接吸收利用的有效態(tài)氮，可表征土壤的供氮潛力[20]。酸解氨基糖態(tài)氮主要來源于土壤微生物細胞壁，其含量與土壤微生物數量與群落結構等密切相關。秸稈炭化還田處理酸解銨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮含量高于秸稈直接還田，可能是由于秸稈炭一方面具有極大的比表面和電負性，提高了土壤對銨態(tài)氮的吸持能力[9]；另一方面秸稈炭復雜的孔隙結構，也為微生物提供了良好的生存環(huán)境，促進微生物的生長和繁殖[10]。有研究[19]表明在施氮量較高的情況下，秸稈炭處理土壤銨態(tài)氮含量顯著高于秸稈處理。此外，與秸稈直接還田相比，施用高量生物炭也更有利于增加土壤微生物量，維持較高的微生物活性[21]。酸解氨基酸氮主要來源于土壤中有機物質的降解，使土壤中有效氮的“過渡庫”[20]。秸稈含氮量高且易于降解，可能是造成秸稈直接還田土壤氨基酸態(tài)氮含量高于秸稈炭化還田的主要原因。

3.3 秸稈還田模式和施氮量對土壤有機氮組成的影響

本研究中，不同處理土壤有機氮各組分占全氮的比例為：酸解未知態(tài)氮(31.12%)>非酸解氮(24.14%)>氨基酸態(tài)氮(20.71%)>氨態(tài)氮(18.94%)>氨基糖態(tài)氮(2.09%)，這與前人[5,13,16,22]的研究結果基本一致。徐陽春等[23]也認為土壤酸解有機氮以氨基酸態(tài)氮和酸解未知氮占優(yōu)勢地位，銨態(tài)氮次之，氨基糖態(tài)氮最低。

秸稈還田和施氮肥不僅影響土壤有機氮各組分含量，也改變了土壤有機氮庫的組成。但目前對于秸稈還田和施氮肥對土壤有機氮組成或分布影響的研究結果不盡相同。王媛等[22]研究表明單施化肥降低土壤酸解總氮、銨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮占全氮的比例，非酸解氮增加；秸稈直接還田配施化肥同樣降低了土壤酸解總氮、銨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮的比例，但氨基酸態(tài)氮、未知態(tài)氮和非酸解氮的比例增加。李世清等[24]研究表明單施化肥僅增加了土壤氨基糖態(tài)氮和非酸解氮占全氮的比例，其它組成均有所降低；而秸稈直接還田配施化肥增加了酸解總氮、銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮的比例，僅未知態(tài)氮和非酸解氮降低。馬芳霞等[5]研究表明秸稈直接還田增加了氨基酸態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮占全氮比例，降低了酸解未知態(tài)氮比例。本研究表明增施氮肥提高了酸解總氮、銨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮占全氮的比例，降低了非酸解氮比例；秸稈直接還田配施氮肥顯著增加了酸解氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮的比例，銨態(tài)氮比例降低；秸稈炭化還田配施氮肥則主要增加了酸解未知態(tài)氮的比例，銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮的比例均顯著降低(表1)。肖巧琳等[6]研究也發(fā)現秸稈直接還田顯著增加了酸解未知態(tài)氮占全氮的比例。巨曉棠等[13]認為有機肥增加的酸解氮組分主要是分解程度較低的未知態(tài)氮,而化學氮肥增加的酸解氮組分主要為相對易分解的氨態(tài)氮。

4 結論

施氮肥或秸稈還田(直接還田和炭化還田)均能提高土壤全氮含量，尤其秸稈還田配施氮肥對土壤全氮的提高更顯著，且秸稈炭化還田顯著高于秸稈直接還田。施氮肥增加了酸解總氮含量，尤其是酸解銨態(tài)氮的含量和比例。秸稈還田配施氮肥土壤酸解總氮及各組分含量、非酸解氮含量均明顯增加。其中，秸稈直接還田酸解氨基酸態(tài)氮含量高于炭化還田，而酸解銨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮和非酸解氮含量均低于炭化還田。秸稈還田配施氮肥改變了土壤有機氮庫組成，秸稈直接還田增加了酸解氨基酸態(tài)氮和未知態(tài)氮的比例，銨態(tài)氮比例降低；秸稈炭化還田主要增加了酸解未知態(tài)氮的比例，銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮的比例均顯著降低。因此，秸稈炭化還田配施氮肥一方面可以增加土壤有機氮庫，提高氮素有效性，增強土壤供氮能力；另一方面增加非酸解氮含量和酸解未知態(tài)氮比例，提高土壤有機氮庫的穩(wěn)定性。