秸秆还田对长期连作棉田土壤有机氮组分的影响

马芳霞，王忆芸，燕鹏，魏飞，孙新展，刘建国

新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子大学，新疆 石河子 832003

准确评价土壤的供氮能力以制定合理的培肥制度，是维持土壤的肥力和生产力，降低农业成本，改善生态环境，实现农业可持续发展的重要措施。有机态氮是土壤氮素的主要成分，也是土壤矿质态氮的源和库（彭令发等，2003），同时也是植物可利用氮的重要组成部分（王文颖等，2016）。土壤有机氮的含量、形态及分布状况受到土壤类型（党亚爱等，2011；丛耀辉等，2016）、土地利用（张玉树等，2015；王晋等，2014）、施肥（张电学等，2017；任金凤等，2017；李玥等，2017）及耕作状况（王克鹏等，2016；何传瑞等，2016）等诸多因素的影响。Kwon et al.（2009）通过研究美国伊利诺伊州玉米田土壤有机氮组分的变化特征，发现施有机肥土壤的酸解总氮是996～3022 mg∙kg-1，不施有机肥的为593～1673 mg∙kg-1，说明施用有机肥对提高土壤有机氮含量效果显著。李世清等（2004）研究发现，在施用化肥的基础上配施秸秆和厩肥，可显著增加酸解性氮的含量及比例，而对非酸解性氮的影响则与之相反；而肖伟伟等（2009）研究指出，长期施用有机肥（腐熟的小麦秸秆、大豆饼和棉仁饼）及化肥配施有机肥均显著提高了潮土土壤酸解氨态氮、氨基酸态氮和非酸解性氮的含量，并且施用有机肥后氨基酸态氮、酸解氨态氮占全氮的比例减小；也有研究表明，不同施肥处理各形态有机氮占全氮的比例变化较小，处于动态平衡中（李树山，2013）。由于有机肥添加后有机氮各组分在土壤中的变化受不同土壤环境条件的影响其研究结果不尽相同，因此，对特定农田环境和农作制度下土壤有机氮组分的变化规律进行研究才具有实际意义。

2016年新疆棉花种植面积和产量分别占全国的53.5%和67.3%，成为中国最重要的棉区。新疆绿洲棉花生产集约化、机械化程度高，植棉区棉花种植面积占耕地面积的 55%～80%，导致棉花常年连作，同时秸秆全量粉碎还田，成为绿洲农田有机培肥的主要方式，秸秆还田及长期连作种植下土壤有机氮形态、含量及其氮素的有效性如何变化尚缺乏深入研究，因此本研究以棉花长期连作定位试验为依托，通过研究秸秆还田对长期连作棉田土壤有机氮组分的影响，揭示长期连作及秸秆还田下绿洲棉田土壤有机氮素的演变规律，对于科学评价土壤肥力、合理培肥具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆石河子市石河子大学农学院试验站（86°03′E，45°19′N）长期连作定位试验田。地处天山北坡冲击洪积平原中部，属温带大陆性气候，光照资源丰富而降雨稀少，一年一熟制，为典型的绿洲灌溉农业区。该区海拔443 m，年平均日照时间达2865 h，大于10 ℃积温为3480 ℃，无霜期 165 d，年平均降水量 208 mm，平均蒸发量1660 mm，温度日差较大，供试土壤为灌耕灰漠土。试验田初始土壤基本理化性质见表1。

1.2 田间试验设计

试验在石河子大学农学院试验站棉花长期连作定位试验田进行，分别选取了秸秆还田模式下连作5、10、15和20年棉田小区（分别标记为5、10、15和20 a），无秸秆还田模式下连作5、10、20年棉田小区（分别标记为CK5、CK10和CK20），共计7个处理，每个处理3次重复。棉花秸秆还田连作模式是每年秋季棉花收获后将全部秸秆用铡刀切成5～8 cm小段，即模拟大田生产棉花秸秆机械还田方式，入冬前结合施化肥翻入耕层，然后冬灌。棉花无秸秆还田连作模式是棉花收获后将全部秸秆带出农田，然后施化肥、翻耕、冬灌。棉花秸秆中C、N、P和K平均含量分别约为41.3%、1.69%、0.43%和3.14%（均以干质量计），化肥中含氮（纯N）300 kg∙hm-2，磷（P2O5）150 kg∙hm-2，钾（K2O）75 kg∙hm-2；以氮肥的30%和磷钾肥的100%作为基肥，于棉花收获后结合翻耕施入，其余70%氮肥作追肥随水滴施。棉花品种为“新陆早 46号”，按“30+60+30”宽窄行距配置，采用膜下滴灌，每年4月20日左右播种，留苗密度为每公顷19.8万株，7月10日打顶。全生育期滴灌11次，滴灌总量5400 m3∙hm-2，其他管理措施与一般大田管理一致。

1.3 样品采集与测定

于2016年棉花播种前，在每个小区选择3个代表性区域采集0～20 cm耕层土壤样品，各区域按“S”形取5个点混合组成1个样品。带回实验室自然风干后研磨过100目筛，用于土壤全氮、有机氮组分的测定，3次重复。

土壤全氮采用凯氏定氮法（鲁如坤，2000）测定。

有机氮组分参照Bremner法（Bremner，1965）测定。具体步骤，（1）酸解液的制备：称取约含10 mg氮的土壤样品（过100目筛）于水解瓶中，加入2滴正辛醇和20 mL 6 mol∙L-1HCl溶液混匀，在电热板上(120±3) ℃水解12 h。水解完毕后趁热过滤，多次冲洗水解瓶及土壤残渣直至滤液达 50 mL。碎冰浴下用 1 mol∙L-1和 5 mol∙L-1氢氧化钠溶液调节滤液pH至2左右，再逐滴缓慢加入1 mol∙L-1氢氧化钠溶液，边滴加边搅拌，直至pH为6.5±0.1后定容至100 mL，置于冰箱中备用。同时做空白试验。（2）酸解总氮的测定：吸取5 mL酸解液，加入0.5 g催化剂和2 mL浓硫酸消煮后用凯氏定氮仪蒸馏测定。（3）氨基酸态氮的测定：吸取5 mL酸解液，加入 1 mL 0.5 mol∙L-1氢氧化钠溶液，在100 ℃水浴下加热直至样品浓缩至只剩2～3 mL，冷却后加 0.5 g柠檬酸和 0.2 g水合茚三酮，再在100 ℃下水浴加热10 min，冷却后加入10 mL磷酸盐-硼砂缓冲液和1 mL 5 mol∙L-1氢氧化钠溶液进行蒸馏测定。（4）酸解氨态氮的测定：吸取 10 mL酸解液，加入2.5 mL 3.5 % MgO后用凯氏定氮仪蒸馏测定。（5）酸解氨态氮和氨基糖态氮的测定：吸取10 mL酸解液，加入10 mL磷酸-硼砂缓冲液（pH=11.2）后用凯氏定氮仪蒸馏测定。（6）酸解未知氮为酸解总氮减去酸解氨态氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮3种形态氮后的氮量。非酸解性氮为土壤全氮与酸解总氮的差值。

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 The basic physical and chemical properties of soil investigated

1.4 数据处理和分析

运用Excel 2003和WPS 2016绘制图表，运用SPSS 19.0软件进行方差分析和多重比较（Duncan法）。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对长期连作棉田耕层土壤全氮含量的影响

图1 秸秆还田下长期连作棉田土壤全氮含量的变化Fig. 1 Variation of soil total N in continuous cropping cotton field under straw returning

由图 1可知，长期连作及秸秆还田下耕层土壤全氮质量分数的变化范围在 449.52～725.71 mg∙kg-1之间，无论秸秆还田处理还是无秸秆还田处理，土壤全氮含量均随着连作年限的增加呈现逐渐上升的变化趋势。秸秆还田处理下连作20年的土壤全氮含量达到最高，分别比连作5、10、15年增加了27.00%、16.69%、10.92%，差异达显著水平（P＜0.05）；且随着连作年限的增加，全氮含量增加的幅度逐渐减小。无秸秆还田处理下连作20年的土壤全氮含量分别比连作5年、10年增加了 18.22%、10.71%，差异显著（P＜0.05）。与无秸秆还田处理相比，秸秆还田处理下耕层土壤全氮含量明显高于无秸秆还田处理，连作 5、10和20年分别比CK5、CK10和CK20增加了27.12%、29.56%、36.56%，差异达显著水平（P＜0.05）；且随着连作年限的增加，全氮含量增加的幅度逐渐增大。说明秸秆还田可以显著提高连作棉田耕层土壤全氮含量，且随着连作年限的增加，土壤全氮含量逐渐累积。

2.2 秸秆还田对长期连作棉田耕层土壤有机氮组分含量的影响

由表2可知，长期连作棉田耕层土壤酸解有机氮的质量分数在313.83～509.83 mg∙kg-1之间，占土壤全氮的67.40%～73.16%，是连作棉田耕层土壤氮的主要存在形式。秸秆还田处理下酸解有机氮的含量随着连作年限的增加呈现逐渐上升的变化趋势，连作20年的酸解有机氮含量最高，分别比连作5、10、15年增加了31.23%、12.04%、10.08%，差异达显著水平（P＜0.05）。无秸秆还田处理下的CK5、CK10和CK20的酸解有机氮含量也随连作年限的增加呈逐渐上升的趋势，但差异不显著。秸秆还田处理下酸解有机氮含量显著高于无秸秆还田处理，连作5、10和20年分别比CK5、CK10和CK20增加了23.79%、36.84%和42.35%，差异达显著水平（P＜0.05）。

氨基酸态氮和酸解氨态氮是土壤可矿化氮产生的氮形态（李菊梅等，2003）。氨基酸态氮质量分数为 80.50～169.17 mg∙kg-1，平均为 123.17 mg∙kg-1。秸秆还田处理下氨基酸态氮的含量随着连作年限的增加呈现先增加后下降再上升的变化趋势，连作 20年的氨基酸态氮含量达到最大，分别比连作5、10、15年增加了45.00%、7.41%、16.00%，除连作10年外，其他连作年限差异显著（P＜0.05）。无秸秆还田处理下的氨基酸态氮含量随连作年限的增加而逐渐增加，但差异不显著。与无秸秆还田处理相比，秸秆还田处理下的氨基酸态氮含量明显高于无秸秆还田处理，连作5、10和20年分别比CK5、CK10和 CK20增加了 44.93%、80.00%、61.11%，差异达显著水平（P＜0.05）。酸解氨态氮的质量分数为 75.83～122.50 mg∙kg-1，平均为 100.42 mg∙kg-1。秸秆还田处理下酸解氨态氮的含量随着连作年限的增加呈现逐渐上升的变化趋势，连作 20年的氨态氮含量达到最高，分别比连作 5、10、15年增加了 27.27%、7.69%、2.44%，但除连作 5年外，其他连作年限差异不显著。无秸秆还田处理下酸解氨态氮含量随着连作年限增加也逐渐增加，差异不显著。秸秆还田处理下的酸解氨态氮含量显著高于无秸秆还田处理，连作5、10和20年分别比CK5、CK10和 CK20增加了 26.92%、34.48%和35.48%，差异达显著水平（P＜0.05）。说明秸秆还田可以显著提高耕层土壤氨基酸态氮和酸解氨态氮含量，为有机氮向可矿化氮转化创造了更好的库容。

表2 秸秆还田下长期连作棉田土层有机氮各组分的含量Table 2 Contents of soil organic N fractions in continuous cropping cotton field under straw returning mg∙kg-1

氨基糖态氮主要来自于土壤微生物的生物合成，与土壤微生物量关系密切（徐阳春等，2002）。其质量分数为 20.42～40.83 mg∙kg-1，平均为 30.42 mg∙kg-1。与其他有机氮组分相比，其含量最低。由表 1可知，秸秆还田处理下氨基糖态氮含量随着连作年限的增加而逐渐增加，但差异不显著。相反，无秸秆还田处理下氨基糖态氮含量随连作年限的增加逐渐下降，差异也不显著。与无秸秆还田处理相比，秸秆还田增加了耕层土壤氨基糖态氮含量，连作5、10和20年分别比CK5、CK10和CK20增加了11.11%、62.50%、100%，除连作5年外，其他连作年限差异显著（P＜0.05）。

酸解未知态氮中有 20%～49%是非 α-氨基酸态氮，是酸解液中较不易分解的氮（宋琦，1988）。其质量分数为131.25～177.33 mg∙kg-1，平均为149.00 mg∙kg-1。秸秆还田处理下酸解未知态氮的含量随连作年限的增加呈现波动上升的趋势，连作 20年的酸解未知态氮分别比连作 5、10、15年增加了21.12%、21.60%、8.9%，除连作15年外，其他连作年限差异显著（P＜0.05）。无秸秆还田处理下酸解未知态氮随连作年限的增加而逐渐上升，但差异不显著。与无秸秆还田处理相比，秸秆还田促进了酸解未知态氮的积累，连作5、10和20年分别比CK5、CK10和 CK20增加了11.56%、6.38%、24.59%，仅连作20年差异显著。

非酸解性氮是指残渣氮，主要以杂环氮或与杂环和芳香环结合的稳定性氮化合物存在（宋琦，1988）。其质量分数为 135.69～191.12 mg∙kg-1，平均为173.33 mg∙kg-1。秸秆还田处理下的非酸解性氮含量随连作年限的增加亦呈现波动上升的趋势，连作20年的非酸解性氮含量分别比连作5、10、15年增加了 18.01%、29.34%、12.96%，差异达显著水平（P＜0.05）。无秸秆还田处理下的非酸解性氮也随连作年限的增加而逐渐增加，连作 20年达到显著差异水平。与无秸秆还田处理相比，秸秆还田促进了非酸解性氮的积累，连作5、10和20年分别比CK5、CK10和CK20增加了34.81%、13.16%、24.60%，除连作10年外，其他连作年限差异显著（P＜0.05）。

由图2可知，长期连作及秸秆还田20年后，棉田土壤增加的氮量在氨基酸态氮、非酸解性氮、酸解未知态氮、氨态氮和氨基糖态氮中的分配比例分别为30.07%、25.11%、21.84%、16.30%和6.68%，主要分配于氨基酸态氮和非酸解性氮组分中，占全氮增加量的55.18%。

2.3 秸秆还田对长期连作棉田耕层土壤不同形态有机氮组成的影响

图2 秸秆还田下长期连作棉田土壤全氮与有机氮各组分的关系Fig. 2 Relationship between soil total N and organic N fractions in continuous cropping cotton field under straw returning

图3 秸秆还田下长期连作棉田土壤有机氮各组分占全氮的比例Fig. 3 Percentage of soil organic N fractions in total N in continuouscropping cotton field under straw returning

图3所示为秸秆还田对长期连作棉田耕层土层各组分有机氮占全氮比例的影响，氨基酸态氮占全氮的比例为17.91%～25.33%，平均为21.03%；酸解氨态氮占全氮的比例为 16.84%～18.29%，平均为17.39%；氨基糖态氮占全氮的比例为3.84%～6.10%，平均为 5.25%；酸解未知态氮占全氮的比例为23.45%～29.20%，平均为26.13%；非酸解性氮占全氮的比例为26.84%～32.60%，平均为30.19%。耕层有机氮各形态的分布趋势为：非酸解性氮＞酸解未知态氮＞氨基酸态氮＞酸解氨态氮＞氨基糖态氮。

秸秆还田不仅对土壤各形态氮的含量有影响，同时土壤氮素的组成也发生了变化。从图3可以看出，与无秸秆还田处理相比，秸秆还田增加了耕层土壤氨基酸态氮和氨基糖态氮的比例。连作 5、10和 20年的氨基酸态氮比例分别比 CK5、CK10和CK20增加了14.01%、38.93%、17.80%；氨基糖态氮比例分别增加了-12.59%、25.42%、46.46%。而酸解未知态氮的比例则降低，连作5、10和20年的酸解未知态氮比例分别比 CK5、CK10和 CK20降低了12.24%、17.89%、8.76%。秸秆还田处理下随着连作年限的增加，氨基酸态氮比例波动上升，而非酸解性氮比例波动下降。

3 讨论

秸秆还田对长期连作棉田耕层土壤氮素含量有着重要的影响。本研究结果表明，与无秸秆还田处理相比，秸秆还田显著增加了长期连作棉田土壤全氮和有机氮各组分含量，说明秸秆还田对土壤氮素含量的增加有显著的促进作用，这一结果与多数长期定位试验田研究结果一致（肖伟伟等，2009；Malhi et al.，2011；巨晓棠等，2004；王克鹏等；2008；孙星等，2007；赵士诚，2014）。这主要是由于棉花秸秆本身含有较高的有机碳（黄金花等，2015），高碳氮比情况下秸秆还田后微生物需要从土壤中吸收更多的无机氮来满足自身生长需要（Khalil et al.，2005），从而提高了微生物利用铵态氮和硝态氮的能力（Nishio et al.，2001；Cheng et al.，2012），致使更多的有效态氮被微生物同化进入土壤有机氮库（Luxhøi et al.，2010；Sørensen，2004）；另外，棉花秸秆还田后在土壤中腐解形成新的有机质的过程中，土壤腐殖质对酸解铵态氮的固持也增加（王敬等，2016）。秸秆还田处理下，随着连作年限的增加，土壤全氮及有机氮各组分含量均明显增加，增加的氮量主要被积累在氨基酸态氮和非酸解性氮组分中，故连作 20年的氨基酸态氮和非酸解性氮分别比连作5年增加了45.00%和18.01%。这说明有机肥提高土壤肥力的作用是两个方面的，即同时增加了易矿化和难矿化两部分氮量（韩晓日等，1995）。采用 Bremner酸水解有机氮分级方法测得的非酸解性氮是以杂环氮或与杂环和芳香环结合态存在的（宋琦，1988），而杂环类化合物或芳香环类化合物均为稳定性氮化合物，不易被矿化（Rovira et al.，2002），因此可以认为非酸解性氮主要以难矿化的稳定性有机氮为主。与氨态氮和氨基酸氮相比，非酸解性氮的矿化速率较低，导致其在土壤中累积。此外，刘军（2015）通过研究秸秆还田下连作5、10、15、20、25和 30年的棉田土壤pH值，发现连作15年以后土壤pH值开始明显下降，连作 30年的耕层土壤 pH值比 15年降低了2.58%；相关研究表明，在亚热带地区花岗岩发育的红壤中铁、铝氧化物随着 pH值的降低而增多（Qafoku et al.，2004），导致更多的有机质功能团与铁、铝氧化物结合，且形成较为稳定的结合键（Baldock et al.，1992），使结合产物不易被矿化。这可能也是促进稳定性有机氮积累的原因。长期秸秆还田后氨基酸态氮含量的增加并不能简单地看作有机肥料中氨基酸态氮的迭加，而应归功于秸秆还田后有机物在分解过程中土壤微生物的代谢作用，土壤中氨基酸的成分不同于加入有机物本身的成分，而与微生物细胞壁和结构蛋白中所含的成分相似（黄东迈等，1986）。因此，土壤氨基态氮的变化是与棉田土壤微生物区系的变化紧密联系在一起的。而刘军等（2012）研究发现与秸秆还田处理相比，无秸秆还田处理下棉花连作5、10、15年的土壤细菌和微生物总量分别降低了 42.9%、57.9%、70.6%和41.9%、54.7%、65.7%，说明棉花长期秸秆还田能够增加微生物生物量，改善棉田土壤微生物种群结构，进而促进微生物对铵态氮的固持作用，而微生物的固持是氨基酸态氮的主要来源，从而影响了有机氮中氨基态氮的含量。

由于增加氮量在各组分中的分配比例不同，各有机氮组分在土壤中的累积速率也不一样，导致各有机氮组分比例大小也发生变化。本研究发现，秸秆还田下长期连作棉田耕层土壤不同形态有机氮组成结构中除非酸解性氮之外（30.19%），酸解未知态氮（26.13%）、氨基酸态氮（21.03%）和酸解氨态氮（17.39%）是有机氮的主体。与无秸秆还田处理相比，秸秆还田不仅增加了氨基酸态氮、酸解氨态氮和氨基糖态氮的含量，同时增加了氨基酸态氮和氨基糖态氮（除连作5年）占全氮的比例，连作 5年、10年和 20年的氨基酸态氮比例分别比CK5、CK10和 CK20增加了 14.01%、38.93%、17.80%；氨基糖态氮比例分别增加了-12.59%、25.42%、46.46%，而对酸解氨态氮占全氮的比例并没有影响，说明秸秆还田对氨基酸态氮和氨基糖态氮的贡献高于酸解氨态氮。这与前人的研究结果一致，可能是由于化肥残留氮主要转化为酸解氨态氮，而有机肥和秸秆残留氮主要转化为氨基酸态和氨基糖态氮的原因（富东英等，2005）；其次氨基糖态氮对土壤氮素矿化和植物吸收的贡献最低（李菊梅等，2003），这可能也是氨基糖态氮比例上升的原因。本研究还发现，与无秸秆还田处理相比，秸秆还田降低了酸解未知态氮占全氮比例。高晓宁等（2009）研究也发现施用有机肥可以促进酸解未知态氮向有效态氮转化，而赵士诚等（2014）研究发现秸秆对酸解未知态氮占全氮比例并无明显影响。这可能与不同的土壤质地和有机物料有关。

从本研究结果可看出，连作年限也是影响土壤有机氮组分结构的主要因素，秸秆还田处理下随着连作年限从5年增加到20年，氨基酸态氮占全氮的比例从20.42%上升到23.32%，而非酸解性氮比例从32.01%下降到29.75%。由此证明长期秸秆还田可以起到活化氮素、促进其转化的作用。然而，这与张玉树等（2015）的研究结果不同，他们通过研究不同种植年限果园土壤有机氮组分的变化特征发现灌木林地土壤在种植 30年果树后非酸解性氮比例从13.49%上升到22.35%。这可能是因为棉田土壤与果园的耕作措施相差较大以及研究年限不同所致。而王晋等（2014）研究了 50～700年土壤有机氮组分的变化特征，认为种植年限不是影响有机氮组分结构的主要因素。种植年限对土壤组分结构的影响可能是由于耕作措施改变了土壤微生物群落结构和活性（樊晓刚等，2010）、土壤理化性质（李彤等，2017），影响了土壤氮素矿化-同化过程，从而改变了土壤有机氮组分结构。

4 结论

棉花秸秆还田配施化肥显著增加了长期连作棉田酸解有机氮及非酸解性氮含量，且随着连作年限的增加有机氮各组分氮含量增加。耕层有机氮各形态的分布趋势为：非酸解性氮＞酸解未知态氮＞氨基酸态氮＞酸解氨态氮＞氨基糖态氮。秸秆还田增加了氨基酸态氮和氨基糖态氮占全氮比例，降低了酸解未知态氮比例，且随着连作年限的增加，氨基酸态氮比例上升，而非酸解性氮比例下降。说明长期秸秆还田不仅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、促进其转化的作用；同时秸秆还田增加了不易分解的酸解未知氮和非酸解性氮，维持了土壤氮库的稳定性。