梁 萌，王志方，馬 健，李晨華

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)站，新疆阜康 831505；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所/新疆特殊環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國(guó)重要的商品棉基地，2013年的棉秸稈產(chǎn)量達(dá)710.64×104t[1]。秸稈還田可彌補(bǔ)農(nóng)田長(zhǎng)期耕作所造成土壤有機(jī)質(zhì)下降狀況，但棉稈中木質(zhì)素、半纖維素、纖維素成分與其它禾本科秸稈相比含量高，還田過(guò)程中不易腐爛分解，使得棉稈還田質(zhì)量、實(shí)施效果與利用率均不理想[1]。相關(guān)研究表明，秸稈添加適量氮肥能促進(jìn)土壤微生物繁殖、利于還田秸稈降解，提高氮肥利用效率。研究還田棉秸稈配施不同施氮量對(duì)棉稈降解的影響，并分析相應(yīng)的土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)特征，研究既有利于棉稈降解又可培肥土壤的氮肥處理，對(duì)棉稈資源化利用和灰漠土土壤質(zhì)量提升有重要意義?！厩叭搜芯拷Y(jié)果】長(zhǎng)期秸稈還田與有機(jī)、無(wú)機(jī)肥料的配施可提高作物產(chǎn)量，激發(fā)土壤酶活性，進(jìn)一步加速秸稈腐解。李濤等[7]采用網(wǎng)袋法，在玉米秸稈中添加氮肥，通過(guò)提高有機(jī)碳的礦化率來(lái)加速秸稈的分解。Zhang等[8]對(duì)施用27a堆肥和無(wú)機(jī)NPK肥的農(nóng)田土壤的研究表明，麥稈堆腐配施NPK肥相比耕作方式能進(jìn)一步改變微生物群落結(jié)構(gòu)及其代謝活性，加速土壤中C、N循環(huán)能力，促進(jìn)秸稈腐解?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于氮肥配施對(duì)秸稈的腐解研究多集中在作物產(chǎn)量增加，氮素形態(tài)的轉(zhuǎn)化等方面，對(duì)棉稈腐解的研究較少，特別是棉稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的時(shí)間變化特征，有研究表明，施用尿素能加速棉稈分解，但施用過(guò)多會(huì)降低棉稈還田的功效，過(guò)少又降低棉花產(chǎn)量，棉稈還田量與施肥配比亟待科學(xué)化[9]。研究網(wǎng)袋法、堆腐法的棉秸稈降解特征與降解過(guò)程，肥料添加尤其是氮肥加速秸稈腐解，而這些方法中秸稈與大田土壤并不密切接觸，難以反映大田條件下秸稈降解過(guò)程與土壤養(yǎng)分循環(huán)特征。研究還田棉稈腐解與土壤理化性質(zhì)對(duì)氮肥施用的響應(yīng)特征。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】模擬大田環(huán)境，采用棉稈實(shí)際還田方式，分析不同氮肥處理?xiàng)l件下棉稈的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量變化，分析棉稈還田配施氮肥處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2019年11月～2020年10月在中國(guó)科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站進(jìn)行(87°56′E，44°17′N(xiāo))，屬于典型的溫帶大陸性氣候，年均降水量為164 mm，年均蒸發(fā)量為950 mm[10]。土壤質(zhì)地為灰漠土，0～20 cm土層基本性質(zhì)(本底值)：有機(jī)質(zhì)含量3.007 g/kg，全氮含量(TN)0.524 g/kg，碳氮比5.739，pH 8.202，電導(dǎo)率(EC)573.583 μs/cm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

棉稈采自實(shí)驗(yàn)站中的荒漠-綠洲共生平臺(tái)，其中農(nóng)田小區(qū)均由典型灰漠土填充，進(jìn)行滴灌作業(yè)。試驗(yàn)地采用棉花單作，一年一熟制。試驗(yàn)開(kāi)始于2019年10月中旬棉花收獲后，將棉花秸稈剪成3～5 cm，去除地面植被，按照實(shí)際大田中等秸稈還田量(9 kg/hm2)將棉秸稈均勻撒在地表，翻壓于0～20 cm的土層中。

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)置5個(gè)氮水平處理：無(wú)氮(N0:0 kg/hm2) 、低氮(N1:112.5 kg/hm2、N2:225 kg/hm2)、中氮(N3:450 kg/hm2)、高氮(N4:750 kg/hm2)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，并與不施肥不添加秸稈(CK)作為空白對(duì)照，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為2 m×2 m，相鄰小區(qū)有1 m間隔。試驗(yàn)用的氮肥為尿素,磷肥為P2O5和磷酸二銨，鉀肥為K2SO4，棉花生長(zhǎng)期間每個(gè)小區(qū)磷肥、鉀肥用量相等，分別為250和125 kg/hm2?；示诿藁úシN前一次性均勻施入小區(qū)，棉花品種為陸旱72號(hào)。

1.2.2 樣品采集與處理

分別在棉稈還田的第192 d(2020年4月)、265 d(2020年7月)、301 d(2020年8月)、357 d(2020年10月)4個(gè)時(shí)間點(diǎn)，從不同處理的小區(qū)表層土壤中隨機(jī)收集棉秸稈，去除表面的土壤雜質(zhì)，用蒸餾水沖洗干凈，裝入信封袋中，于65℃烘箱中烘48 h，用于測(cè)定棉稈的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量。

與還田棉秸稈采集時(shí)間相同，用土鉆在每個(gè)小區(qū)內(nèi)按照5點(diǎn)采樣法采集，采樣深度0～20 cm。土樣混合均勻裝入無(wú)菌袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣自然風(fēng)干后去除表面的礫石、根系等雜質(zhì)，分別過(guò)1、0.25、0.15 mm篩，用于pH、電導(dǎo)率、有機(jī)碳、全氮的測(cè)定。

1.2.3 棉稈指標(biāo)

棉稈烘干后通過(guò)MM400型球磨儀(Retsch Gmbh, Haan, Germany)將植物樣磨碎，過(guò)1 mm篩子，稱(chēng)取秸稈0.5 g于濾袋中。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素測(cè)定采用范式纖維素方法[11]，通過(guò)ANKOMA200i型半自動(dòng)分析儀(ANKOM Technology，USA)測(cè)定中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、 木質(zhì)素(ADL)。

1.2.4 土壤指標(biāo)

制備土與水1∶5浸提液，用pH計(jì)(PHS-3C)、電導(dǎo)率儀(DDS-11A)測(cè)定土壤pH、EC值；采用重鉻酸鉀-低溫外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳；土壤全氮采用凱氏定氮法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS21.0進(jìn)行雙因素方差分析和多重比較。采用Origin8.0進(jìn)行圖形繪制。圖表中的數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥添加對(duì)還田棉稈木質(zhì)素、纖維素、半纖維的影響

研究表明，不同氮肥處理在棉稈腐解過(guò)程中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的含量變化規(guī)律基本一致，都呈下降趨勢(shì)。隨著腐解時(shí)間的延長(zhǎng)，氮添加條件下木質(zhì)素含量均在腐解前期(第192、265 d)迅速下降，下降率為1.8%～63.5%，腐解后期(第 301、357 d)緩慢下降，下降率為17.3%～36.8%；而棉稈纖維素、半纖維素則前期緩慢下降，下降率分別為2%～11.8%、3%～37.3%，后期下降迅速，下降率分別為9%～77.5%、31%～54.8%。圖1

N1、N2處理下的纖維素含量在腐解中期(第265、301 d)相比其它處理下降最快，第265 d時(shí)分別下降11.79%、10.41%，301 d時(shí)各自降低31.64%、22.15%。N3、N4處理木質(zhì)素含量第265 d降最快，為33.1%、63.4%。N1、N3、N4在棉稈腐解期間半纖維素含量下降規(guī)律相似，尤以N3處理最為顯著，為98%。表1

隨著時(shí)間的推移，棉稈半纖維素含量、木質(zhì)素含量下降最為顯著(P<0.001)。氮處理水平對(duì)棉稈纖維素含量、木質(zhì)素含量影響顯著(P<0.001,P=0.014)，但對(duì)半纖維素含量影響不顯著(P=0.08)。

2.2 氮肥添加對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮含量、pH、電導(dǎo)率的影響

研究表明，棉秸稈降解過(guò)程中，與空白相比，氮肥施用均提高了土壤有機(jī)碳含量。隨著棉稈腐解時(shí)間變化，土壤有機(jī)碳含量先升高、后下降。棉稈降解第265 d，土壤有機(jī)碳含量達(dá)到最高值，特別是N1、N2處理最高，均值分別為20.63、20.68 g/kg，比CK高10個(gè)百分點(diǎn)且差異顯著，秸稈配施氮肥處理顯著提高了土壤有機(jī)碳的含量。土壤有機(jī)碳含量受秸稈腐解時(shí)間和氮肥施入量的雙重影響(P<0.001)。圖2

土壤全氮含量在不同氮處理?xiàng)l件下均隨棉稈腐解時(shí)間的延長(zhǎng)呈小幅度下降趨勢(shì)。腐解第192 d，不同處理土壤全氮含量最高。腐解第265 d時(shí)，N4處理土壤全氮含量最高，為0.6 g/kg；N1處理土壤全氮含量最低為0.39 g/kg。經(jīng)過(guò)1年的棉稈還田實(shí)驗(yàn)，N3處理相比其它處理土壤全氮含量最高，為0.52 g/kg，比CK、No處理分別高30.1%、19.9%。氮水平和腐解時(shí)間對(duì)土壤全氮未達(dá)到顯著影響，且兩者的交互作用也不顯著。表1

N2、N3、N4處理在棉稈堆腐過(guò)程中土壤電導(dǎo)率先升高后下降，而N2處理則呈下降趨勢(shì)且顯著低于CK，秸稈還田配施低氮處理可降低土壤鹽分。圖2

注：N表示不同氮肥施用量。不同小寫(xiě)字母表示不同施氮處理間存在顯著差異(P<0.05)；不同大寫(xiě)字母表示同一處理不同腐解時(shí)間的顯著性水平(P<0.05)

表1 時(shí)間、氮水平及其交互作用下棉稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量、土壤有機(jī)碳、全氮含量的方差Table 1 Analyze of variances of the effects of time,N level and their interaction on cotton stalk cellulose, hemicellulose, lignin content, soil organic carbon, total nitrogen content

注：N表示不同氮肥施用量。不同小寫(xiě)字母表示不同施氮處理間存在顯著差異(P<0.05)

2.3 還田棉稈木質(zhì)素、纖維素、半纖維素與土壤有機(jī)碳的關(guān)系

研究表明，棉稈木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量與土壤有機(jī)碳(SOC)含量多寡密切相關(guān)。特別是秸稈木質(zhì)素、半纖維素與SOC表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05，P<0.01)。表2

表2 土壤有機(jī)碳與棉秸稈主要成分的Pearson相關(guān)關(guān)系Table 2 Relationship between soil organic carbon and main components of cotton straw

3 討 論

纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量變化能表征秸稈腐解狀況[12]。秸稈和氮肥施入土壤后，棉秸稈的木質(zhì)素含量前期(第256 d)快速下降，特別是高氮處理，但后期(第301、357 d)下降緩慢；而纖維素、半纖維素，前期變化緩慢，后期快速下降，尤以半纖維素下降最為劇烈。氮肥在秸稈腐解前期顯著促進(jìn)木質(zhì)素腐解。這與多數(shù)關(guān)于小麥、玉米等C3、C4秸稈腐解規(guī)律研究得出的結(jié)果不一致[13]。研究是按照實(shí)際大田棉稈還田的方式，與其它秸稈的堆腐、凋落物網(wǎng)袋法的實(shí)驗(yàn)有較大區(qū)別；研究對(duì)象不同、降水、氣溫等不同也可導(dǎo)致不一樣的結(jié)果。氮添加后木質(zhì)素在腐解前期快速下降，木質(zhì)素作為秸稈中最堅(jiān)硬的部分最先降解，可能使得棉稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素相互包裹的致密結(jié)構(gòu)被打破，秸稈中的纖維素裸露出來(lái)[14]；而且在腐解第265、301 d (7、8月)，棉稈中木質(zhì)素和半纖維素受高溫影響連接層被打破，易分解的活性基團(tuán)與纖維素酶充分接觸[15-17]。隨著腐解時(shí)間的延長(zhǎng)、氮素的消耗，秸稈中的養(yǎng)分進(jìn)一步釋放，微生物呼吸代謝能力增強(qiáng)，分泌纖維素酶、木聚糖酶等水解酶，從而導(dǎo)致還田棉秸稈中的纖維素，尤其是碳氮比含量最低的半纖維素在后期迅速腐解[18]。同時(shí)在棉稈腐解后期，微生物所需的N被持續(xù)消耗，易分解組分消耗殆盡，即剩下難分解組分不易被微生物腐解，秸稈腐解速率下降[19]。從棉稈纖維素含量來(lái)看，N1、N2處理纖維素含量下降顯著。N4與N0處理相比纖維素含量也有下降但不顯著。從棉稈半纖維素含量變化角度看，N2、N3處理棉稈纖維素含量下降最快。研究認(rèn)為棉稈還田配施低量氮肥利于秸稈的腐解。有關(guān)研究報(bào)道表明，氮肥過(guò)量抑制木質(zhì)素分解酶活性，不利于秸稈的分解[20]。雷寶坤等[21]關(guān)于土壤碳氮耦合效應(yīng)的研究認(rèn)為，土壤中單施氮肥或過(guò)量施肥會(huì)造成土壤氮的積累和淋移，而秸稈還田可增加土壤有機(jī)碳的含量，緩解土壤氮固持、維持土壤C/N的平衡，提高作物產(chǎn)量?？赡茉蚴堑蔬^(guò)量施入，土壤的碳氮共存比降低，共存能力達(dá)到飽和，土壤生產(chǎn)能力下降，進(jìn)而降低秸稈腐解速率。此外，還可能是由于低氮肥力的土壤聚集了大量K策略微生物，例如革蘭氏陰性細(xì)菌通過(guò)消耗多種多樣的有機(jī)碳源供給自身養(yǎng)分，進(jìn)一步加速秸稈腐解[6]。

土壤有機(jī)碳具有改善土壤功能、性質(zhì)的作用，是維持農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量和生態(tài)功能不可或缺的重要組成部分[22]。秸稈降解通過(guò)提升土壤有機(jī)碳的含量來(lái)間接地影響土壤質(zhì)量[23]。研究表明，秸稈木質(zhì)素含量與土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，隨著秸稈木質(zhì)素的快速腐解(第265 d)，添氮處理土壤有機(jī)碳的含量升高，且秸稈還田配施N1處理在整個(gè)腐解期間土壤有機(jī)碳含量最高。因此，秸稈還田配施N1處理氮肥既可提高表層土壤有機(jī)碳含量，也利于秸稈腐解。相關(guān)研究表明，秸稈還田配施減量氮肥處理顯著提高表層土壤有機(jī)碳的質(zhì)量也得出類(lèi)似結(jié)果[24]。張鵬鵬等[25]研究發(fā)現(xiàn)，15年的棉花秸稈還田顯著增加了土壤有機(jī)碳含量，達(dá)18.1%。主要原因是土壤表層提供較多的氧氣供微生物利用，有利于秸稈快速腐解，間接的提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量[22]。其次是外源氮肥施入后，還田秸稈的碳氮比降低，加速秸稈木質(zhì)素的分解過(guò)程，使得木質(zhì)素自身C轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳累積下來(lái)，利于農(nóng)田土壤有機(jī)碳的固存[20]。研究表明，棉稈木質(zhì)素與土壤有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)。木質(zhì)素在腐解前期下降迅速，而土壤有機(jī)碳含量在秸稈腐解前期最高。認(rèn)為木質(zhì)素在腐解前期土壤有機(jī)碳累積中可能起決定作用。

土壤pH、含鹽量影響微生物的群落組成，對(duì)秸稈腐解以及土壤C、N循環(huán)產(chǎn)生間接影響[26]。在實(shí)驗(yàn)中，秸稈還田配施氮肥能夠降低土壤pH和鹽分。這與Cheng等[27]研究認(rèn)為種植制度改變土壤理化性質(zhì)，如土壤pH值降低的結(jié)果相似。主要受秸稈腐解產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)的影響，有機(jī)質(zhì)中的弱酸基團(tuán)與H+結(jié)合，抑制H+向Al3+轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致H+、Al3+在土壤膠體中的吸附數(shù)量減少。其次秸稈腐解過(guò)程中產(chǎn)生腐殖酸，腐殖酸中官能團(tuán)的羧基、酚羧基與H+絡(luò)合使土壤pH值降低[28]。

4 結(jié) 論

4.1在腐解前期氮肥添加后木質(zhì)素對(duì)其響應(yīng)較明顯。棉稈纖維素含量不僅受氮肥處理顯著影響，還對(duì)棉稈腐解時(shí)間敏感。N1處理的土壤有機(jī)碳含量最高，N4氮肥處理?xiàng)l件下有機(jī)碳含量最低，2處理差異顯著。N3處理在一定程度上緩解了土壤氮固持。隨棉稈腐解時(shí)間的推移，不同氮肥處理的土壤pH表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。N4處理土壤pH顯著低于CK，其它處理也都低于CK但不顯著，且不同處理間的土壤pH值差異不顯著。秸稈配施氮肥可使土壤pH值降低。秸稈腐解依賴于土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量，同時(shí)秸稈的腐解過(guò)程中伴隨著養(yǎng)分的釋放，在一定程度上調(diào)節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)的狀況。

4.2還田棉稈配施氮肥處理能顯著降低棉稈的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量，加速棉稈腐解，同時(shí)增加土壤有機(jī)碳含量。