还田棉秆腐解与土壤理化性质对氮肥施用的响应特征

梁 萌，王志方，马 健，李晨华

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲国家重点实验室，乌鲁木齐 830011；2.中国科学院阜康荒漠生态系统国家野外科学观测站，新疆阜康 831505；3.中国科学院大学，北京 100049；4.新疆农业科学院微生物应用研究所/新疆特殊环境微生物实验室，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国重要的商品棉基地，2013年的棉秸秆产量达710.64×104t[1]。秸秆还田可弥补农田长期耕作所造成土壤有机质下降状况，但棉秆中木质素、半纤维素、纤维素成分与其它禾本科秸秆相比含量高，还田过程中不易腐烂分解，使得棉秆还田质量、实施效果与利用率均不理想[1]。相关研究表明，秸秆添加适量氮肥能促进土壤微生物繁殖、利于还田秸秆降解，提高氮肥利用效率。研究还田棉秸秆配施不同施氮量对棉秆降解的影响，并分析相应的土壤理化性质的响应特征，研究既有利于棉秆降解又可培肥土壤的氮肥处理，对棉秆资源化利用和灰漠土土壤质量提升有重要意义。【前人研究结果】长期秸秆还田与有机、无机肥料的配施可提高作物产量，激发土壤酶活性，进一步加速秸秆腐解。李涛等[7]采用网袋法，在玉米秸秆中添加氮肥，通过提高有机碳的矿化率来加速秸秆的分解。Zhang等[8]对施用27a堆肥和无机NPK肥的农田土壤的研究表明，麦秆堆腐配施NPK肥相比耕作方式能进一步改变微生物群落结构及其代谢活性，加速土壤中C、N循环能力，促进秸秆腐解。【本研究切入点】目前关于氮肥配施对秸秆的腐解研究多集中在作物产量增加，氮素形态的转化等方面，对棉秆腐解的研究较少，特别是棉秆纤维素、半纤维素、木质素含量的时间变化特征，有研究表明，施用尿素能加速棉秆分解，但施用过多会降低棉秆还田的功效，过少又降低棉花产量，棉秆还田量与施肥配比亟待科学化[9]。研究网袋法、堆腐法的棉秸秆降解特征与降解过程，肥料添加尤其是氮肥加速秸秆腐解，而这些方法中秸秆与大田土壤并不密切接触，难以反映大田条件下秸秆降解过程与土壤养分循环特征。研究还田棉秆腐解与土壤理化性质对氮肥施用的响应特征。【拟解决的关键问题】模拟大田环境，采用棉秆实际还田方式，分析不同氮肥处理条件下棉秆的纤维素、半纤维素、木质素的含量变化，分析棉秆还田配施氮肥处理对土壤理化性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年11月～2020年10月在中国科学院阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站进行(87°56′E，44°17′N)，属于典型的温带大陆性气候，年均降水量为164 mm，年均蒸发量为950 mm[10]。土壤质地为灰漠土，0～20 cm土层基本性质(本底值)：有机质含量3.007 g/kg，全氮含量(TN)0.524 g/kg，碳氮比5.739，pH 8.202，电导率(EC)573.583 μs/cm。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

棉秆采自实验站中的荒漠-绿洲共生平台，其中农田小区均由典型灰漠土填充，进行滴灌作业。试验地采用棉花单作，一年一熟制。试验开始于2019年10月中旬棉花收获后，将棉花秸秆剪成3～5 cm，去除地面植被，按照实际大田中等秸秆还田量(9 kg/hm2)将棉秸秆均匀撒在地表，翻压于0～20 cm的土层中。

采用随机区组试验设计，共设置5个氮水平处理：无氮(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)，每个处理3个重复，并与不施肥不添加秸秆(CK)作为空白对照，共18个小区，小区面积为2 m×2 m，相邻小区有1 m间隔。试验用的氮肥为尿素,磷肥为P2O5和磷酸二铵，钾肥为K2SO4，棉花生长期间每个小区磷肥、钾肥用量相等，分别为250和125 kg/hm2。化肥均在棉花播种前一次性均匀施入小区，棉花品种为陆旱72号。

1.2.2 样品采集与处理

分别在棉秆还田的第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个时间点，从不同处理的小区表层土壤中随机收集棉秸秆，去除表面的土壤杂质，用蒸馏水冲洗干净，装入信封袋中，于65℃烘箱中烘48 h，用于测定棉秆的纤维素、半纤维素、木质素含量。

与还田棉秸秆采集时间相同，用土钻在每个小区内按照5点采样法采集，采样深度0～20 cm。土样混合均匀装入无菌袋中带回实验室。土样自然风干后去除表面的砾石、根系等杂质，分别过1、0.25、0.15 mm筛，用于pH、电导率、有机碳、全氮的测定。

1.2.3 棉秆指标

棉秆烘干后通过MM400型球磨仪(Retsch Gmbh, Haan, Germany)将植物样磨碎，过1 mm筛子，称取秸秆0.5 g于滤袋中。纤维素、半纤维素、木质素测定采用范式纤维素方法[11]，通过ANKOMA200i型半自动分析仪(ANKOM Technology，USA)测定中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、 木质素(ADL)。

1.2.4 土壤指标

制备土与水1∶5浸提液，用pH计(PHS-3C)、电导率仪(DDS-11A)测定土壤pH、EC值；采用重铬酸钾-低温外加热法测定土壤有机碳；土壤全氮采用凯氏定氮法。

1.3 数据处理

运用SPSS21.0进行双因素方差分析和多重比较。采用Origin8.0进行图形绘制。图表中的数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 氮肥添加对还田棉秆木质素、纤维素、半纤维的影响

研究表明，不同氮肥处理在棉秆腐解过程中木质素、纤维素、半纤维素的含量变化规律基本一致，都呈下降趋势。随着腐解时间的延长，氮添加条件下木质素含量均在腐解前期(第192、265 d)迅速下降，下降率为1.8%～63.5%，腐解后期(第 301、357 d)缓慢下降，下降率为17.3%～36.8%；而棉秆纤维素、半纤维素则前期缓慢下降，下降率分别为2%～11.8%、3%～37.3%，后期下降迅速，下降率分别为9%～77.5%、31%～54.8%。图1

N1、N2处理下的纤维素含量在腐解中期(第265、301 d)相比其它处理下降最快，第265 d时分别下降11.79%、10.41%，301 d时各自降低31.64%、22.15%。N3、N4处理木质素含量第265 d降最快，为33.1%、63.4%。N1、N3、N4在棉秆腐解期间半纤维素含量下降规律相似，尤以N3处理最为显著，为98%。表1

随着时间的推移，棉秆半纤维素含量、木质素含量下降最为显著(P<0.001)。氮处理水平对棉秆纤维素含量、木质素含量影响显著(P<0.001,P=0.014)，但对半纤维素含量影响不显著(P=0.08)。

2.2 氮肥添加对土壤有机碳、全氮含量、pH、电导率的影响

研究表明，棉秸秆降解过程中，与空白相比，氮肥施用均提高了土壤有机碳含量。随着棉秆腐解时间变化，土壤有机碳含量先升高、后下降。棉秆降解第265 d，土壤有机碳含量达到最高值，特别是N1、N2处理最高，均值分别为20.63、20.68 g/kg，比CK高10个百分点且差异显著，秸秆配施氮肥处理显著提高了土壤有机碳的含量。土壤有机碳含量受秸秆腐解时间和氮肥施入量的双重影响(P<0.001)。图2

土壤全氮含量在不同氮处理条件下均随棉秆腐解时间的延长呈小幅度下降趋势。腐解第192 d，不同处理土壤全氮含量最高。腐解第265 d时，N4处理土壤全氮含量最高，为0.6 g/kg；N1处理土壤全氮含量最低为0.39 g/kg。经过1年的棉秆还田实验，N3处理相比其它处理土壤全氮含量最高，为0.52 g/kg，比CK、No处理分别高30.1%、19.9%。氮水平和腐解时间对土壤全氮未达到显著影响，且两者的交互作用也不显著。表1

N2、N3、N4处理在棉秆堆腐过程中土壤电导率先升高后下降，而N2处理则呈下降趋势且显著低于CK，秸秆还田配施低氮处理可降低土壤盐分。图2

注：N表示不同氮肥施用量。不同小写字母表示不同施氮处理间存在显著差异(P<0.05)；不同大写字母表示同一处理不同腐解时间的显著性水平(P<0.05)

表1 时间、氮水平及其交互作用下棉秆纤维素、半纤维素、木质素含量、土壤有机碳、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。不同小写字母表示不同施氮处理间存在显著差异(P<0.05)

2.3 还田棉秆木质素、纤维素、半纤维素与土壤有机碳的关系

研究表明，棉秆木质素、纤维素、半纤维素含量与土壤有机碳(SOC)含量多寡密切相关。特别是秸秆木质素、半纤维素与SOC表现为显著的负相关关系(P<0.05，P<0.01)。表2

表2 土壤有机碳与棉秸秆主要成分的Pearson相关关系Table 2 Relationship between soil organic carbon and main components of cotton straw

3 讨 论

纤维素、半纤维素、木质素含量变化能表征秸秆腐解状况[12]。秸秆和氮肥施入土壤后，棉秸秆的木质素含量前期(第256 d)快速下降，特别是高氮处理，但后期(第301、357 d)下降缓慢；而纤维素、半纤维素，前期变化缓慢，后期快速下降，尤以半纤维素下降最为剧烈。氮肥在秸秆腐解前期显著促进木质素腐解。这与多数关于小麦、玉米等C3、C4秸秆腐解规律研究得出的结果不一致[13]。研究是按照实际大田棉秆还田的方式，与其它秸秆的堆腐、凋落物网袋法的实验有较大区别；研究对象不同、降水、气温等不同也可导致不一样的结果。氮添加后木质素在腐解前期快速下降，木质素作为秸秆中最坚硬的部分最先降解，可能使得棉秆中纤维素、半纤维素、木质素相互包裹的致密结构被打破，秸秆中的纤维素裸露出来[14]；而且在腐解第265、301 d (7、8月)，棉秆中木质素和半纤维素受高温影响连接层被打破，易分解的活性基团与纤维素酶充分接触[15-17]。随着腐解时间的延长、氮素的消耗，秸秆中的养分进一步释放，微生物呼吸代谢能力增强，分泌纤维素酶、木聚糖酶等水解酶，从而导致还田棉秸秆中的纤维素，尤其是碳氮比含量最低的半纤维素在后期迅速腐解[18]。同时在棉秆腐解后期，微生物所需的N被持续消耗，易分解组分消耗殆尽，即剩下难分解组分不易被微生物腐解，秸秆腐解速率下降[19]。从棉秆纤维素含量来看，N1、N2处理纤维素含量下降显著。N4与N0处理相比纤维素含量也有下降但不显著。从棉秆半纤维素含量变化角度看，N2、N3处理棉秆纤维素含量下降最快。研究认为棉秆还田配施低量氮肥利于秸秆的腐解。有关研究报道表明，氮肥过量抑制木质素分解酶活性，不利于秸秆的分解[20]。雷宝坤等[21]关于土壤碳氮耦合效应的研究认为，土壤中单施氮肥或过量施肥会造成土壤氮的积累和淋移，而秸秆还田可增加土壤有机碳的含量，缓解土壤氮固持、维持土壤C/N的平衡，提高作物产量。可能原因是氮肥过量施入，土壤的碳氮共存比降低，共存能力达到饱和，土壤生产能力下降，进而降低秸秆腐解速率。此外，还可能是由于低氮肥力的土壤聚集了大量K策略微生物，例如革兰氏阴性细菌通过消耗多种多样的有机碳源供给自身养分，进一步加速秸秆腐解[6]。

土壤有机碳具有改善土壤功能、性质的作用，是维持农业土壤质量和生态功能不可或缺的重要组成部分[22]。秸秆降解通过提升土壤有机碳的含量来间接地影响土壤质量[23]。研究表明，秸秆木质素含量与土壤有机碳表现为负相关，随着秸秆木质素的快速腐解(第265 d)，添氮处理土壤有机碳的含量升高，且秸秆还田配施N1处理在整个腐解期间土壤有机碳含量最高。因此，秸秆还田配施N1处理氮肥既可提高表层土壤有机碳含量，也利于秸秆腐解。相关研究表明，秸秆还田配施减量氮肥处理显著提高表层土壤有机碳的质量也得出类似结果[24]。张鹏鹏等[25]研究发现，15年的棉花秸秆还田显著增加了土壤有机碳含量，达18.1%。主要原因是土壤表层提供较多的氧气供微生物利用，有利于秸秆快速腐解，间接的提高土壤有机质的含量[22]。其次是外源氮肥施入后，还田秸秆的碳氮比降低，加速秸秆木质素的分解过程，使得木质素自身C转化为土壤有机碳累积下来，利于农田土壤有机碳的固存[20]。研究表明，棉秆木质素与土壤有机碳呈显著负相关。木质素在腐解前期下降迅速，而土壤有机碳含量在秸秆腐解前期最高。认为木质素在腐解前期土壤有机碳累积中可能起决定作用。

土壤pH、含盐量影响微生物的群落组成，对秸秆腐解以及土壤C、N循环产生间接影响[26]。在实验中，秸秆还田配施氮肥能够降低土壤pH和盐分。这与Cheng等[27]研究认为种植制度改变土壤理化性质，如土壤pH值降低的结果相似。主要受秸秆腐解产生有机质的影响，有机质中的弱酸基团与H+结合，抑制H+向Al3+转化，导致H+、Al3+在土壤胶体中的吸附数量减少。其次秸秆腐解过程中产生腐殖酸，腐殖酸中官能团的羧基、酚羧基与H+络合使土壤pH值降低[28]。

4 结 论

4.1在腐解前期氮肥添加后木质素对其响应较明显。棉秆纤维素含量不仅受氮肥处理显著影响，还对棉秆腐解时间敏感。N1处理的土壤有机碳含量最高，N4氮肥处理条件下有机碳含量最低，2处理差异显著。N3处理在一定程度上缓解了土壤氮固持。随棉秆腐解时间的推移，不同氮肥处理的土壤pH表现为下降趋势。N4处理土壤pH显著低于CK，其它处理也都低于CK但不显著，且不同处理间的土壤pH值差异不显著。秸秆配施氮肥可使土壤pH值降低。秸秆腐解依赖于土壤有机质的质量，同时秸秆的腐解过程中伴随着养分的释放，在一定程度上调节土壤有机质的状况。

4.2还田棉秆配施氮肥处理能显著降低棉秆的纤维素、半纤维素、木质素的含量，加速棉秆腐解，同时增加土壤有机碳含量。