還田棉稈腐解與土壤理化性質對氮肥施用的響應特征

梁 萌，王志方，馬 健，李晨華

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲國家重點實驗室，烏魯木齊 830011；2.中國科學院阜康荒漠生態系統國家野外科學觀測站，新疆阜康 831505；3.中國科學院大學，北京 100049；4.新疆農業科學院微生物應用研究所/新疆特殊環境微生物實驗室，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國重要的商品棉基地，2013年的棉秸稈產量達710.64×104t[1]。秸稈還田可彌補農田長期耕作所造成土壤有機質下降狀況，但棉稈中木質素、半纖維素、纖維素成分與其它禾本科秸稈相比含量高，還田過程中不易腐爛分解，使得棉稈還田質量、實施效果與利用率均不理想[1]。相關研究表明，秸稈添加適量氮肥能促進土壤微生物繁殖、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棉稈降解的影響，并分析相應的土壤理化性質的響應特征，研究既有利于棉稈降解又可培肥土壤的氮肥處理，對棉稈資源化利用和灰漠土土壤質量提升有重要意義?！厩叭搜芯拷Y果】長期秸稈還田與有機、無機肥料的配施可提高作物產量，激發土壤酶活性，進一步加速秸稈腐解。李濤等[7]采用網袋法，在玉米秸稈中添加氮肥，通過提高有機碳的礦化率來加速秸稈的分解。Zhang等[8]對施用27a堆肥和無機NPK肥的農田土壤的研究表明，麥稈堆腐配施NPK肥相比耕作方式能進一步改變微生物群落結構及其代謝活性，加速土壤中C、N循環能力，促進秸稈腐解。【本研究切入點】目前關于氮肥配施對秸稈的腐解研究多集中在作物產量增加，氮素形態的轉化等方面，對棉稈腐解的研究較少，特別是棉稈纖維素、半纖維素、木質素含量的時間變化特征，有研究表明，施用尿素能加速棉稈分解，但施用過多會降低棉稈還田的功效，過少又降低棉花產量，棉稈還田量與施肥配比亟待科學化[9]。研究網袋法、堆腐法的棉秸稈降解特征與降解過程，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程與土壤養分循環特征。研究還田棉稈腐解與土壤理化性質對氮肥施用的響應特征?！緮M解決的關鍵問題】模擬大田環境，采用棉稈實際還田方式，分析不同氮肥處理條件下棉稈的纖維素、半纖維素、木質素的含量變化，分析棉稈還田配施氮肥處理對土壤理化性質的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年11月～2020年10月在中國科學院阜康荒漠生態系統國家野外科學觀測研究站進行(87°56′E，44°17′N)，屬于典型的溫帶大陸性氣候，年均降水量為164 mm，年均蒸發量為950 mm[10]。土壤質地為灰漠土，0～20 cm土層基本性質(本底值)：有機質含量3.007 g/kg，全氮含量(TN)0.524 g/kg，碳氮比5.739，pH 8.202，電導率(EC)573.583 μs/cm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

棉稈采自實驗站中的荒漠-綠洲共生平臺，其中農田小區均由典型灰漠土填充，進行滴灌作業。試驗地采用棉花單作，一年一熟制。試驗開始于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。

采用隨機區組試驗設計，共設置5個氮水平處理：無氮(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)，每個處理3個重復，并與不施肥不添加秸稈(CK)作為空白對照，共18個小區，小區面積為2 m×2 m，相鄰小區有1 m間隔。試驗用的氮肥為尿素,磷肥為P2O5和磷酸二銨，鉀肥為K2SO4，棉花生長期間每個小區磷肥、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，棉花品種為陸旱72號。

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個時間點，從不同處理的小區表層土壤中隨機收集棉秸稈，去除表面的土壤雜質，用蒸餾水沖洗干凈，裝入信封袋中，于65℃烘箱中烘48 h，用于測定棉稈的纖維素、半纖維素、木質素含量。

與還田棉秸稈采集時間相同，用土鉆在每個小區內按照5點采樣法采集，采樣深度0～20 cm。土樣混合均勻裝入無菌袋中帶回實驗室。土樣自然風干后去除表面的礫石、根系等雜質，分別過1、0.25、0.15 mm篩，用于pH、電導率、有機碳、全氮的測定。

1.2.3 棉稈指標

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

1.2.4 土壤指標

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

1.3 數據處理

運用SPSS21.0進行雙因素方差分析和多重比較。采用Origin8.0進行圖形繪制。圖表中的數據均為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 氮肥添加對還田棉稈木質素、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程中木質素、纖維素、半纖維素的含量變化規律基本一致，都呈下降趨勢。隨著腐解時間的延長，氮添加條件下木質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時分別下降11.79%、10.41%，301 d時各自降低31.64%、22.15%。N3、N4處理木質素含量第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律相似，尤以N3處理最為顯著，為98%。表1

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

2.2 氮肥添加對土壤有機碳、全氮含量、pH、電導率的影響

研究表明，棉秸稈降解過程中，與空白相比，氮肥施用均提高了土壤有機碳含量。隨著棉稈腐解時間變化，土壤有機碳含量先升高、后下降。棉稈降解第265 d，土壤有機碳含量達到最高值，特別是N1、N2處理最高，均值分別為20.63、20.68 g/kg，比CK高10個百分點且差異顯著，秸稈配施氮肥處理顯著提高了土壤有機碳的含量。土壤有機碳含量受秸稈腐解時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條件下均隨棉稈腐解時間的延長呈小幅度下降趨勢。腐解第192 d，不同處理土壤全氮含量最高。腐解第265 d時，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。經過1年的棉稈還田實驗，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%。氮水平和腐解時間對土壤全氮未達到顯著影響，且兩者的交互作用也不顯著。表1

N2、N3、N4處理在棉稈堆腐過程中土壤電導率先升高后下降，而N2處理則呈下降趨勢且顯著低于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。不同小寫字母表示不同施氮處理間存在顯著差異(P<0.05)；不同大寫字母表示同一處理不同腐解時間的顯著性水平(P<0.05)

表1 時間、氮水平及其交互作用下棉稈纖維素、半纖維素、木質素含量、土壤有機碳、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 還田棉稈木質素、纖維素、半纖維素與土壤有機碳的關系

研究表明，棉稈木質素、纖維素、半纖維素含量與土壤有機碳(SOC)含量多寡密切相關。特別是秸稈木質素、半纖維素與SOC表現為顯著的負相關關系(P<0.05，P<0.01)。表2

表2 土壤有機碳與棉秸稈主要成分的Pearson相關關系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木質素腐解。這與多數關于小麥、玉米等C3、C4秸稈腐解規律研究得出的結果不一致[13]。研究是按照實際大田棉稈還田的方式，與其它秸稈的堆腐、凋落物網袋法的實驗有較大區別；研究對象不同、降水、氣溫等不同也可導致不一樣的結果。氮添加后木質素在腐解前期快速下降，木質素作為秸稈中最堅硬的部分最先降解，可能使得棉稈中纖維素、半纖維素、木質素相互包裹的致密結構被打破，秸稈中的纖維素裸露出來[14]；而且在腐解第265、301 d (7、8月)，棉稈中木質素和半纖維素受高溫影響連接層被打破，易分解的活性基團與纖維素酶充分接觸[15-17]。隨著腐解時間的延長、氮素的消耗，秸稈中的養分進一步釋放，微生物呼吸代謝能力增強，分泌纖維素酶、木聚糖酶等水解酶，從而導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]。同時在棉稈腐解后期，微生物所需的N被持續消耗，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。研究認為棉稈還田配施低量氮肥利于秸稈的腐解。有關研究報道表明，氮肥過量抑制木質素分解酶活性，不利于秸稈的分解[20]。雷寶坤等[21]關于土壤碳氮耦合效應的研究認為，土壤中單施氮肥或過量施肥會造成土壤氮的積累和淋移，而秸稈還田可增加土壤有機碳的含量，緩解土壤氮固持、維持土壤C/N的平衡，提高作物產量?？赡茉蚴堑蔬^量施入，土壤的碳氮共存比降低，共存能力達到飽和，土壤生產能力下降，進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，例如革蘭氏陰性細菌通過消耗多種多樣的有機碳源供給自身養分，進一步加速秸稈腐解[6]。

土壤有機碳具有改善土壤功能、性質的作用，是維持農業土壤質量和生態功能不可或缺的重要組成部分[22]。秸稈降解通過提升土壤有機碳的含量來間接地影響土壤質量[23]。研究表明，秸稈木質素含量與土壤有機碳表現為負相關，隨著秸稈木質素的快速腐解(第265 d)，添氮處理土壤有機碳的含量升高，且秸稈還田配施N1處理在整個腐解期間土壤有機碳含量最高。因此，秸稈還田配施N1處理氮肥既可提高表層土壤有機碳含量，也利于秸稈腐解。相關研究表明，秸稈還田配施減量氮肥處理顯著提高表層土壤有機碳的質量也得出類似結果[24]。張鵬鵬等[25]研究發現，15年的棉花秸稈還田顯著增加了土壤有機碳含量，達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質的含量[22]。其次是外源氮肥施入后，還田秸稈的碳氮比降低，加速秸稈木質素的分解過程，使得木質素自身C轉化為土壤有機碳累積下來，利于農田土壤有機碳的固存[20]。研究表明，棉稈木質素與土壤有機碳呈顯著負相關。木質素在腐解前期下降迅速，而土壤有機碳含量在秸稈腐解前期最高。認為木質素在腐解前期土壤有機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，對秸稈腐解以及土壤C、N循環產生間接影響[26]。在實驗中，秸稈還田配施氮肥能夠降低土壤pH和鹽分。這與Cheng等[27]研究認為種植制度改變土壤理化性質，如土壤pH值降低的結果相似。主要受秸稈腐解產生有機質的影響，有機質中的弱酸基團與H+結合，抑制H+向Al3+轉化，導致H+、Al3+在土壤膠體中的吸附數量減少。其次秸稈腐解過程中產生腐殖酸，腐殖酸中官能團的羧基、酚羧基與H+絡合使土壤pH值降低[28]。

4 結 論

4.1在腐解前期氮肥添加后木質素對其響應較明顯。棉稈纖維素含量不僅受氮肥處理顯著影響，還對棉稈腐解時間敏感。N1處理的土壤有機碳含量最高，N4氮肥處理條件下有機碳含量最低，2處理差異顯著。N3處理在一定程度上緩解了土壤氮固持。隨棉稈腐解時間的推移，不同氮肥處理的土壤pH表現為下降趨勢。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質的質量，同時秸稈的腐解過程中伴隨著養分的釋放，在一定程度上調節土壤有機質的狀況。

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、木質素的含量，加速棉稈腐解，同時增加土壤有機碳含量。