秸秆炭化还田和施氮量对棉田土壤有机氮组分的影响

龙泽华，王晶，侯振安

(石河子大学农学院资环系，新疆 石河子 832003)

氮是植物的必需营养元素，也是影响作物产量的主要限制因子之一。土壤氮素主要以有机氮形态存在，占土壤全氮含量的95%以上，是植物所需矿质氮的源和汇[1]。土壤有机氮库的含量和组成直接影响土壤氮素有效性和供氮能力。因此，深入理解土壤有机氮库及其组成的变化，对土壤培肥与合理施肥均具有重要意义。有机氮组分研究多采用Bremner酸解分组法[2]，土地利用方式、土壤类型、灌溉、施肥及耕作管理等对土壤有机氮及各组分含量均有显著影响[3]。研究[4]表明施肥显著影响土壤有机氮组分，有机无机肥配施可增加土壤有机氮含量，提高土壤供氮能力和土壤肥力水平。秸秆还田(直接还田和炭化还田)是改良土壤培肥地力的重要途径。研究[5]发现棉花秸秆长期直接还田既可增加土壤氨基酸态氮和氨基糖态氮，提高土壤供氮能力，又能增加酸解未知态氮和非酸解氮，增强土壤氮库稳定性。但也有研究[6]表明秸秆直接还田主要是提高了土壤有机氮组分中酸解未知态氮含量和比例，对其他组分无显著影响。目前，秸秆炭化还田作为我国重点推广的秸秆综合利用技术备受关注。许多研究[7-8]表明，秸秆生物炭可显著改善土壤肥力状况，提高作物产量和养分利用率。李玥等[9]研究发现连续施用炭基肥或生物炭显著提高棕壤土酸解铵态氮和氨基酸态氮含量，活化了土壤氮素。陈坤[10]报道生物炭可以增加土壤有机氮库容量，提高土壤酸解氨基酸态氮含量，但降低酸解未知态氮含量。秸秆还田和施氮肥是农田土壤培肥和作物增产的重要措施，但目前对于土壤有机氮的研究多数针对单一影响因素，关于双因素或多因素的研究较少[11]。同时，针对秸秆直接还田和炭化还田配施氮肥对土壤有机氮组分影响的比较研究还鲜见报道。因此，本研究通过5 a田间定位试验，研究棉花秸秆还田(直接还田和炭化还田)和施氮量对滴灌棉田土壤有机氮及各组分含量的影响，为土壤有机氮库调控以及合理施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在新疆石河子市天业生态园区(44°18′N,86°02′E；海拔443 m)进行。该区地势平坦，土壤类型为灌耕灰漠土，质地为壤土。田间定位试验始于2014年，试验开始前耕层土壤基础理化性状：有机质13.5 g·kg-1，全氮0.89 g·kg-1，碱解氮36.8 mg·kg-1，速效磷22.4 mg·kg-1，速效钾284 mg·kg-1。供试作物为棉花，品种为新陆早64号。

1.2 供试材料

棉花秸秆采自试验地上1 a所种植的棉花，每年作物收获后收取棉花秸秆，带回室内晾干贮存。秸秆炭由棉花秸秆在450 ℃条件下限氧热解6 h制成。供试棉花秸秆与秸秆炭在施用前70 ℃烘干至恒重，粉碎过2 mm 筛后密封保存。棉花秸秆有机碳含量385 g·kg-1，全氮含量1.60 g·kg-1；秸秆炭有机碳含量625 g·kg-1，全氮含量0.89 g·kg-1。

1.3 试验设计

试验采用秸秆还田方式和施氮量两因素“3×3”完全随机区组设计。秸秆还田方式处理为：对照(秸秆不还田)、秸秆直接还田、秸秆炭化还田(分别以CK、SD、SB表示)；SD处理棉花秸秆的施用量为6 t·hm-2，SB处理秸秆炭的施用量为3.7 t·hm-2(与棉花秸秆的有机碳总量相等)。3个施氮量水平为0、300、450 kg·hm-2(分别以N0、N300、N450表示)。9个处理，每个处理重复3次，共27个小区，小区面积30 m2。为防止试验小区间的养分侧渗，各小区间设置隔离带。

棉花秸秆和秸秆炭在每年翻地播种前均匀撒于土壤表面，并翻耕至20 cm土层。棉花种植采用膜下滴灌机采棉模式(66+10 cm)，一膜三管六行，滴灌毛管置于两行作物之间，棉花株距10 cm，播种密度26.3万株/hm2。棉花于每年4月中下旬播种，干播湿出，播种后滴出苗水30 mm。棉花生长期间灌水9次，6月上旬开始至8月中下旬结束，灌水周期为7～10 d。各处理磷、钾肥的施用量相同，分别为P2O5105 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2，全部作基肥在播种前一次性施入。氮肥使用尿素，20%作基肥，剩余80%在棉花生长期间分6次随水滴施(从第2次灌水开始至第7次灌水结束)。其它栽培管理措施参照当地大田生产。

1.3 土壤样品采集与测定

2018年(试验连续第5年)在棉花吐絮期(9月上旬)采集土壤样品。在每个小区随机选择5个样点，采集0～20 cm土壤样品。新鲜土壤样品混合均匀后带回实验室，自然风干，粉碎后过100目筛，装于密封袋中保存。

土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定，土壤有机氮组分的测定参照 Bremner 法[2]。土壤酸解液采用6 mol·L-1HCl 封管水解方法制备，酸解总氮采用酸解液消煮-凯氏定氮法测定。酸解氨态氮采用3.5% MgO悬浊液蒸馏法测定；酸解氨态氮+氨基糖态氮采用磷酸-硼砂(pH=11.2)缓冲液蒸馏法测定；酸解氨基酸态氮采用柠檬酸和茚三酮氧化、磷酸-硼砂缓冲液蒸馏法测定。酸解未知态氮和非酸解氮通过差减法计算得到，其中：

酸解未知态氮=酸解总氮 -(酸解氨态氮+氨基糖态氮+氨基酸态氮)

(1)

非酸解氮=土壤全氮 - 酸解总氮

(2)

1.4 数据处理和分析

数据处理和图表制作使用Excel2013。采用 SPSS20.0进行两因素方差分析(Two-way ANOVA)，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田模式和施氮量对土壤全氮含量的影响

土壤全氮含量受施氮量影响显著(P<0.05)，表

现为随施氮量的增加而增加(图1)。无论是否施用氮肥，秸秆直接还田(SD)和炭化还田(SB)均能显著增加土壤全氮含量，但配施氮肥对土壤全氮的提高更显著。不施氮肥条件下(N0)，SD和SB处理土壤全氮含量较CK分别增加10.8%和6.1%，SD处理土壤全氮含量显著高于SB处理。在施氮肥条件下(N300、N450)，SD和SB处理土壤全氮含量较CK分别增加32.8%、37.2%和33.4%、38.4%，且SB处理土壤全氮含量显著高于SD处理。

注：***和ns分别表示施氮量(N)、秸秆还田模式(S)或二者交互作用(N×S)对土壤全氮含量的影响达到0.05、0.01显著性水平和 不显著。同一施氮量下不同小写字母表示不同秸秆还田模式处理间差异显著(P<0.05)；下同。图1 不同秸秆还田模式和施氮量处理土壤全氮含量Fig.1 Soil total N content under different straw returning mode and N application rate treatments

图2 不同秸秆还田模式和施氮量处理土壤酸解总氮(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 秸秆还田模式和施氮量对酸解总氮和非酸解氮含量的影响

施氮量显著影响土壤酸解总氮含量，而对非酸解氮含量影响不大(图2)。N450处理土壤酸解总氮含量最高，其次N300处理，分别较N0处理增加33.2%和29.8%(图2a)。不同秸秆还田模式处理土壤酸解总氮含量在3个施氮量水平下均表现为：SD和SB处理无差异，均显著高于CK处理；尤其是在施氮肥条件下，SD和SB处理土壤酸解总氮含量较CK增加幅度更大(图2a)。N0条件下，SD和SB处理土壤酸解总氮含量较CK分别增加7.0%和5.3%；而在N300、N450条件下，SD和SB处理土壤酸解总氮则较CK分别增加36.5%～36.8%和37.0%～40.6%。

N0条件下，SD处理土壤非酸解氮含量最高，SB处理和CK之间差异不显著(图2b)。N300条件下，SD和SB处理土壤非酸解氮含量无差异，均显著高于CK处理，分别较CK处理增加19.0%和26.6%。N450条件下，土壤非酸解氮含量表现为SB>SD>CK，SB和SD处理较CK分别 增加42.8%和23.3%。

2.3 秸秆还田模式和施氮量对酸解氮各组分含量的影响

秸秆还田和增加氮肥量均显著提高土壤酸解铵态氮含量(图3a)。不同秸秆还田模式下，N450和N300处理土壤酸解铵态氮含量平均较N0处理分别增加25.6%和39.9%。SB处理土壤酸解铵态氮含量最高，其次是SD处理，3个施氮量下平均较CK分别增加20.3%和8.2%。

综合3种秸秆还田模式，施氮肥处理(N300和N450)酸解氨基酸态氮含量显著高于不施氮肥处理(N0)；但在秸秆不还田条件下，不同施氮量之间差异不显著(图3b)。不同秸秆还田模式处理土壤氨基酸态氮含量在3个施氮量下的变化趋势一致，SD>SB>CK；SD和SB处理酸解氨基酸态氮含量较CK分别增加34.4%和17.4%。

图3 不同秸秆还田模式和施氮量处理土壤酸解氮各组分含量Fig.3 Soil acidolysable-N fractions content under different straw returning mode and N application rate treatments

总体上，施氮肥也显著影响酸解氨基糖态氮和酸解未知态氮含量(图3c,d)。但在秸秆不还田条件下，施氮肥显著增加了酸解氨基糖态氮含量，且N300和N450处理间差异不明显；而对酸解未知态氮含量无显著影响(P>0.05)。不施氮肥条件下(N0)，秸秆还田模式对土壤氨基糖态氮和酸解未知态氮含量影响不显著。施氮肥条件下(N300、N450)，土壤氨基糖态氮含量表现为SB>SD>CK，SB和SD处理土壤氨基糖态氮含量较CK分别增加45.2%～47.7%和27.2%～29.4%。秸秆还田配施氮肥显著增加土壤酸解未知态氮含量，SD和SB处理分别较CK增加51.0%～56.6%和60.8%～62.9%。

2.4 秸秆还田模式和施氮量对土壤有机氮组成的影响

各处理土壤酸解总氮占全氮的72.25%～78.98%，非酸解氮占全氮的21.02%～27.75%(表1)。施氮肥显著增加土壤酸解总氮比例，降低非酸解氮比例，但2个施氮处理N300和N450之间差异不显著。从土壤酸解氮的组成变化来看，施氮肥提高了酸解铵态氮和氨基糖态氮的比例，而对酸解氨基酸态氮和未知态氮的比例无显著影响。

秸秆还田对土壤酸解总氮和非酸解氮比例没有影响，但改变了土壤酸解氮各组分的比例(表1)。在不施氮肥条件下(N0)，秸秆还田对土壤酸解氮各组分的比例影响较小，仅SB处理土壤酸解铵态氮比例显著增加。施氮肥条件下(N300、N450)，SD处理土壤酸解氨基酸态氮和未知态氮的比例增加，酸解铵态氮比例降低；而SB处理仅酸解未知态氮的比例增加，酸解铵态氮和氨基酸态氮的比例均显著降低。

表1 不同秸秆还田模式和施氮量处理土壤有机氮各组分占全氮的比例Tab.1 Percentage of soil organic N fractions in total N under different straw returning mode and N application rate treatments

注：同一列标注不同小写字母表示不同秸秆还田模式处理间差异显著(P<0.05)；“平均”表示同一施氮量水平下不同秸秆还田模式处理的平均值；同一列标注不同大写字母表示不同施氮量处理间差异显著(P<0.05)；显著性水平：**，P<0.01；*，P<0.05；ns，P≥0.05。

3 讨论

3.1 秸秆还田模式和施氮量对土壤全氮的影响

本研究连续开展了5 a棉花秸秆直接还田或炭化还田配施不同氮肥量的田间定位试验。结果显示，与秸秆不还田-无氮肥的对照相比，施用氮肥(300和450 kg·hm-2)或秸秆还田(直接还田和炭化还田)均能增加土壤全氮含量，尤其是秸秆还田配施氮肥对土壤全氮含量的提高更显著。李玥等[9]研究也表明生物炭单施或施用炭基肥均有效提高了土壤全氮含量。已有大量长期定位试验[3,4,12,13]证明有机肥与化肥配施能够显著增加土壤有机碳和全氮含量。但也有研究认为长期单施化肥(氮肥)可促进作物生长，增加秸秆直接还田以及有机残落物量，进而提高土壤有机质含量[14]，但对土壤全氮含量并无直接影响[15]。张永全等[16]报道秸秆直接还田配施氮肥180～270 kg·hm-2对小麦-玉米轮作农田土壤有机碳和全氮含量均无显著影响。然而，贾倩等[17]研究表明随着施氮量的增加，棉花-油菜轮作农田的有机残落物显著增加；即使在秸秆不还田条件下，施氮量>300 kg·hm-2时，土壤全氮含量也会显著增加。说明土壤全氮含量受气候、土壤类型、施肥量和作物种类等的综合影响。

本研究发现，在不施氮肥条件下，秸秆直接还田处理土壤全氮含量高于秸秆炭化还田；而在施氮肥条件下(300和450 kg·hm-2)，秸秆炭化还田土壤全氮含量显著高于秸秆直接还田。这可能是由于秸秆的含氮量(1.60 g·kg-1)明显高于炭化秸秆(0.89 g·kg-1)，因此在不施氮肥条件下，秸秆直接还田对土壤全氮的提升作用高于秸秆炭化还田。但在施用氮肥条件下，由于秸秆生物炭增强了土壤对氮素的保持能力，减少了氮素损失，进而显著提高土壤全氮含量。已有研究[18]表明棉花秸秆生物炭可显著增加肥料15N的土壤残留率，降低15N淋洗损失率；同时，棉花秸秆生物炭还显著减少了滴灌棉田的氨挥发损失，且氨挥发积累量显著低于施用棉花秸秆[19]。陈坤[10]连续7 a的生物炭等有机物料配施化肥定位试验研究也发现生物炭富含有机碳氮，可增加土壤有机质和全氮含量，土壤全氮含量表现为猪粪腐肥>生物炭颗粒>秸秆直接还田处理。

3.2 秸秆还田模式和施氮量对土壤有机氮组分的影响

本研究表明秸秆还田模式和施氮量对土壤有机氮组分含量影响显著，且二者存在明显的交互效应。综合3种秸秆还田(秸秆不还田、秸秆直接还田、炭化还田)模式下，施氮肥显著增加土壤酸解总氮及酸解氮各组分的含量，对非酸解氮含量无显著影响，这与国内外学者[3,4,17]针对单施化肥(氮肥)对土壤有机氮各组分含量影响的研究结果存在较大差异。但在秸秆不还田条件下(单施化肥)，施氮肥显著增加了土壤酸解总氮、酸解铵态氮含量，而对酸解氨基酸态氮、未知态氮以及非酸解氮无影响。这与任金凤等[3]、巨晓棠等[13]的研究结果相类似。

本研究中，秸秆直接还田或炭化还田，尤其是配施氮肥(300和450 kg·hm-2)显著增加土壤非酸解氮、酸解总氮及酸解氮各组分含量。有研究也发现棉花秸秆直接还田显著增加酸解氨基酸态氮、氨态氮、氨基糖态氮、未知态氮以及非酸解氮的含量[5]；施用生物炭及炭基肥也能显著增加土壤酸解总氮及酸解铵态氮、氨基酸态氮[9]。但也有研究[3,12]认为施用秸秆和生物炭对酸解未知态氮和非酸解氮没有显著影响。这可能是由于气候条件、土壤特性、施肥量等不同所致。

关于秸秆直接还田和秸秆炭化还田对土壤有机氮组分的研究报道较少。本研究发现，秸秆直接还田土壤酸解总氮含量与秸秆炭化还田无明显差异，但酸解铵态氮、氨基糖态氮含量表现为秸秆炭化还田>直接还田，氨基酸态氮为秸秆直接还田>炭化还田，酸解未知态氮二者之间的差异较小。酸解铵态氮的一个重要来源是土壤固定态铵和吸附态铵，是当季作物可直接吸收利用的有效态氮，可表征土壤的供氮潜力[20]。酸解氨基糖态氮主要来源于土壤微生物细胞壁，其含量与土壤微生物数量与群落结构等密切相关。秸秆炭化还田处理酸解铵态氮、氨基糖态氮含量高于秸秆直接还田，可能是由于秸秆炭一方面具有极大的比表面和电负性，提高了土壤对铵态氮的吸持能力[9]；另一方面秸秆炭复杂的孔隙结构，也为微生物提供了良好的生存环境，促进微生物的生长和繁殖[10]。有研究[19]表明在施氮量较高的情况下，秸秆炭处理土壤铵态氮含量显著高于秸秆处理。此外，与秸秆直接还田相比，施用高量生物炭也更有利于增加土壤微生物量，维持较高的微生物活性[21]。酸解氨基酸氮主要来源于土壤中有机物质的降解，使土壤中有效氮的“过渡库”[20]。秸秆含氮量高且易于降解，可能是造成秸秆直接还田土壤氨基酸态氮含量高于秸秆炭化还田的主要原因。

3.3 秸秆还田模式和施氮量对土壤有机氮组成的影响

本研究中，不同处理土壤有机氮各组分占全氮的比例为：酸解未知态氮(31.12%)>非酸解氮(24.14%)>氨基酸态氮(20.71%)>氨态氮(18.94%)>氨基糖态氮(2.09%)，这与前人[5,13,16,22]的研究结果基本一致。徐阳春等[23]也认为土壤酸解有机氮以氨基酸态氮和酸解未知氮占优势地位，铵态氮次之，氨基糖态氮最低。

秸秆还田和施氮肥不仅影响土壤有机氮各组分含量，也改变了土壤有机氮库的组成。但目前对于秸秆还田和施氮肥对土壤有机氮组成或分布影响的研究结果不尽相同。王媛等[22]研究表明单施化肥降低土壤酸解总氮、铵态氮、氨基糖态氮占全氮的比例，非酸解氮增加；秸秆直接还田配施化肥同样降低了土壤酸解总氮、铵态氮、氨基糖态氮的比例，但氨基酸态氮、未知态氮和非酸解氮的比例增加。李世清等[24]研究表明单施化肥仅增加了土壤氨基糖态氮和非酸解氮占全氮的比例，其它组成均有所降低；而秸秆直接还田配施化肥增加了酸解总氮、铵态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮的比例，仅未知态氮和非酸解氮降低。马芳霞等[5]研究表明秸秆直接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。本研究表明增施氮肥提高了酸解总氮、铵态氮、氨基糖态氮占全氮的比例，降低了非酸解氮比例；秸秆直接还田配施氮肥显著增加了酸解氨基酸态氮和未知态氮的比例，铵态氮比例降低；秸秆炭化还田配施氮肥则主要增加了酸解未知态氮的比例，铵态氮和氨基酸态氮的比例均显著降低(表1)。肖巧琳等[6]研究也发现秸秆直接还田显著增加了酸解未知态氮占全氮的比例。巨晓棠等[13]认为有机肥增加的酸解氮组分主要是分解程度较低的未知态氮,而化学氮肥增加的酸解氮组分主要为相对易分解的氨态氮。

4 结论

施氮肥或秸秆还田(直接还田和炭化还田)均能提高土壤全氮含量，尤其秸秆还田配施氮肥对土壤全氮的提高更显著，且秸秆炭化还田显著高于秸秆直接还田。施氮肥增加了酸解总氮含量，尤其是酸解铵态氮的含量和比例。秸秆还田配施氮肥土壤酸解总氮及各组分含量、非酸解氮含量均明显增加。其中，秸秆直接还田酸解氨基酸态氮含量高于炭化还田，而酸解铵态氮、氨基糖态氮和非酸解氮含量均低于炭化还田。秸秆还田配施氮肥改变了土壤有机氮库组成，秸秆直接还田增加了酸解氨基酸态氮和未知态氮的比例，铵态氮比例降低；秸秆炭化还田主要增加了酸解未知态氮的比例，铵态氮和氨基酸态氮的比例均显著降低。因此，秸秆炭化还田配施氮肥一方面可以增加土壤有机氮库，提高氮素有效性，增强土壤供氮能力；另一方面增加非酸解氮含量和酸解未知态氮比例，提高土壤有机氮库的稳定性。