2026, Vol. 58
2. 农业农村部东北平原绿色低碳重点实验室, 黑龙江大庆 163319
氮素是限制作物生产力的主要营养元素[1]。目前，除施用氮肥外，秸秆还田也是向土壤输入氮素的重要途径之一。外源施入氮素可能会直接或间接影响微生物活动和土壤氮素有效性，影响土壤有机氮含量和分布[2]，有效提高土壤肥力[3]。土壤有机氮占土壤全氮的90% 以上。其结构和有效性在土壤氮的保留、矿化和氮供应中起着关键作用[4]，对维持土壤氮素肥力和供氮能力起着重要作用[5]。像氨基酸这样的小分子可以被作物完整地直接吸收。然而，大部分土壤有机氮必须先通过矿化转化为矿质氮，才能被作物吸收[6]。土壤供肥能力与土壤酶活性密切相关[7]。土壤蛋白酶、脲酶、蔗糖酶是参与土壤氮素转化的关键酶[8]，其活性高低可以反映土壤中氮素代谢的旺盛程度[9]、土壤氮素转化及供给能力的强弱[10]。
近年来，关于秸秆还田与施氮量对土壤氮素、酶活性的影响已有多项研究。如王克鹏等[11]研究表明，秸秆还田能够增加土壤中氨基糖态氮、氨基酸态氮、酸解总氮的含量，但使酸解铵态氮含量降低。张玉树等[12]通过30年的长期定位试验表明，增施氮肥能够提高土壤全氮、酸解性氮含量。高晓宁等[13]在沈阳地区玉米–玉米–大豆轮作体系下持续29年的定位试验表明，化肥对耕层有机氮及其组分含量无显著影响。且秸秆碳氮比较高，还田后会直接影响土壤酶活性和微生物活动[14]，同时配施氮肥能够增强土壤微生物活动，提高土壤酶活性，促进秸秆腐解释放养分[15]。Hu等[16]研究发现，氮肥施用对土壤酶活性、微生物群落组成和植物分泌物具有重要作用，会直接增加土壤氮素来源。可见土壤中不同形态的有机氮组分对氮肥和秸秆还田的响应并不相同，可能受土壤类型、种植作物和气候环境等因素的影响[17]，虽然前人对秸秆还田、施氮量等对土壤氮组分，土壤酶、作物产量的影响有较多研究，但多集中在秸秆还田或施氮量单一因素下，研究结果也因地域或方法不同而存在差异，特别是在东北黑土旱作区对秸秆还田配施氮肥的相关研究更为鲜见。因此，本研究通过大田试验，立足黑龙江黑土区，以大豆为研究对象，探究秸秆还田与施氮量对土壤氮素形态、含量及酶活性的变化规律，为促进土壤肥力提升及制定精准养分管理措施提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验于2022年和2023年在黑龙江省北大荒集团九三分公司大西江农场(48°58′54″N，124°57′52″E)进行，试验区属寒温带半湿润区，无灌溉，为典型的旱作雨养农业。年平均降水量为526.60 mm，年平均≥10 ℃有效积温为2 312.50 ℃，降水主要集中在7、8月份，年平均日照时数为2 532 h，年平均无霜期为120 d，试验区土壤为黑土，其基本理化性质如表 1所示。玉–豆轮作体系为该地区主要的种植制度，作物一年一熟，还田试验区自2016—2022年连续秸秆还田7年，玉米和大豆秸秆还田方式均为全量粉碎翻埋(翻埋深度30 cm)还田，每年玉米秸秆还田量约为8 500 kg/hm2，大豆秸秆还田量约为2 200 kg/hm2。
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表 1 试验地土壤基本理化性状 Table 1 Basic soil physiochemical properties in experimental site |
供试大豆品种为当地主栽品种“黑河43”，为亚有限结荚习性。由北大荒垦丰种业股份有限公司大西江农场分公司提供种子。试验所用肥料为尿素(N 46%)，重过磷酸钙(P2O5 46%)，磷酸二铵(N 18%，P2O5 46%)，硫酸钾(K2O 50%)。均由北大荒集团统一供肥，各试验地块供试肥料品种均相同。秋季前茬作物收获后，进行秋起垄春施肥，肥料以机械条施的方式施入，所有肥料全部作为基肥一次性施入。
1.2 试验设计试验采用大区对比法，共设置2个试验区，4个处理。秸秆离田试验区：常规施肥(S0N2)处理；秸秆还田试验区：不施氮肥(S1N0)处理、常规减氮30%(S1N1)处理、常规施氮(S1N2)处理，具体施肥措施如表 2所示。大豆种植采用宽台大垄匀密栽培模式，每个处理12垄，垄长550 m，垄宽1.1 m，处理面积7 260 m2。垄上3行种植，种植密度每公顷为36万株，其他田间管理措施同一般生产田。2022年5月7日播种，9月29日收获；2023年4月30日播种，10月1日收获。
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表 2 各处理施肥量 Table 2 Fertilization amount of each treatment |
土壤样品分别于大豆始花期(R1)、始粒期(R5)、成熟期(R8)共计4次取样，2022年因疫情始粒期(R5)未取样。每处理选取3点，每点取耕层(0~20 cm)土壤2 kg，取样后一部分土样进行冷冻保存，另一部分土样风干研磨待测，用于氮组分的测定。大豆成熟期，根据种植面积、地力和大豆长势情况将试验田分成3个测产点。每个测产点采取对角线5点取样法，每个样点离地头5 m，连续调查10株的单株粒数、株数，测定百粒重，并计算籽粒产量。
参照鲍士旦[18]的方法，采用紫外分光光度法测定土壤硝态氮(NO3–-N)；采用靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮(NH4+-N)；采用凯氏定氮法(硫酸–混合催化剂消煮)测定土壤全氮(TN)。
Bremner酸水解法[19]测土壤有机氮素含量。分为：酸解总氮(TAN)，凯氏定氮法(硫酸–混合催化剂)；酸解铵态氮(ANN)，凯氏定氮法(MgO浸提)；酸解氨基糖态氮(ASN)，凯氏定氮法(磷酸–硼砂缓冲液浸提)；酸解氨基酸态氮(AAN)，凯氏定氮法(硼酸–磷酸缓冲液水浴)。
参照关松荫[20]的方法测定，脲酶水解尿素生成的NH3–-N在强碱性介质中与次氯酸钠和苯酚反应后产生的水溶性蓝色染料靛酚蓝在578 nm处吸光值，以37 ℃条件下培养24 h后1 g土样中的NH3–-N质量(mg)表示土壤脲酶(UR)活性；蔗糖酶催化蔗糖降解产生的还原糖与3, 5-二硝基水杨酸反应后产生的棕红色氨基化合物在508 nm处的吸光值，以37 ℃条件下培养24 h后1 g土样中产生的还原糖(mg)表示土壤蔗糖酶(SUC)活性；采用酪素为基质，利用土壤蛋白酶的酶促作用把蛋白物质水解成肽，肽进一步水解为氨基酸，氨基酸与茚三酮共热反应，生成蓝紫色络合物在570 nm处的吸光值，其颜色深浅程度与氨基酸的含量成正比，以30 ℃条件下培养24 h后1 g土壤中氨基酸的质量(mg)表示土壤蛋白酶(PR)活性。
1.4 数据处理采用Excel 2021处理数据，SPSS 17.0进行数据分析。用Duncan法进行差异显著性分析，用Origin 2021对土壤氮组分与土壤酶活性间相关性进行分析。
2 结果与分析 2.1 秸秆还田与施氮量对大豆产量的影响由图 1可知，年份、处理和年份与处理的交互作用对大豆产量的影响均达到极显著水平(P < 0.01)。从秸秆还田来看，2年大豆产量均表现为秸秆还田(S1N2)处理显著高于秸秆离田(S0N2)处理，与S0N2相比，S1N2处理大豆产量提高了19.15%~24.51%。在秸秆还田条件下，从不同施氮量来看，2022年和2023年大豆产量均在S1N1处理达到最大值，分别较S1N2处理增加了1.21% 和1.56%，各处理之间大豆产量无显著差异。综合2年试验结果表明，秸秆还田对大豆产量有显著的促进作用，在秸秆还田条件下施氮肥对大豆产量无显著影响。
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(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)，Y表示年份，T表示处理，*、**分别表示影响显著(P < 0.05)、极显著(P < 0.01)，下同) 图 1 不同处理下的大豆产量 Fig. 1 Soybean yields under different treatments |
由图 2可知，处理和试验年份与处理的交互作用对土壤全氮的影响均达到极显著水平(P < 0.01)。从秸秆还田来看，2022年和2023年秸秆还田对大豆R1和R5土壤全氮含量无显著影响，显著增加了大豆R8土壤全氮含量，分别较S0N2处理显著增加了38.51%和35.77%。在秸秆还田条件下，从不同氮肥施用量来看，施氮肥可以显著提高大豆不同生育时期土壤全氮含量，2年均以大豆R1的增加幅度最大，达到19.82%~41.51%；2022年和2023年在大豆R1、R5和R8各施氮肥处理之间土壤全氮含量无显著差异，均以S1N2处理最大。综合2年试验结果表明，秸秆还田后土壤后期氮素积累能力较强，秸秆还田条件下施用氮肥可以显著提高土壤全氮含量。
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(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)，Y表示年份，T表示处理，NS、**分别表示影响不显著(P > 0.05)、极显著(P < 0.01)，下同) 图 2 不同处理土壤全氮含量 Fig. 2 Soil total nitrogen contents under different treatments |
由图 3A可知，试验年份、处理和试验年份与处理的交互作用对土壤硝态氮、铵态氮的影响均达到极显著水平(P < 0.01)。从秸秆还田来看，除2022年R1秸秆还田(S1N2)土壤硝态氮较秸秆离田(S0N2)显著增加了18.49%外，2022年和2023年其他时期秸秆还田对土壤硝态氮含量均无显著影响。在秸秆还田条件下，施氮肥可以显著提高大豆不同生育时期土壤硝态氮含量，2022年和2023年分别以大豆R1和R5增加幅度最大，分别达到61.56%和69.70%，但2022年和2023年在大豆R1、R5和R8各施用氮肥处理之间土壤硝态氮含量无显著差异，均以S1N2处理达到最大值。
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图 3 不同处理土壤硝态氮、铵态氮含量 Fig. 3 Soil nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents under different treatments |
由图 3B可以看出，秸秆还田对土壤铵态氮含量的影响在年际间存在差异，2022年R1和R8土壤铵态氮含量秸秆还田(S1N2)处理显著高于秸秆离田(S0N2)处理，与S0N2处理相比分别增加了19.16%和22.86%；土壤铵态氮含量在2023年各时期均表现为秸秆还田(S1N2)与秸秆离田(S0N2)处理之间无显著差异，且以秸秆还田(S1N2)处理最高。在秸秆还田条件下，土壤铵态氮含量与土壤硝态氮含量变化趋势一致，以S1N2处理达到最大值，施氮肥可以显著提高大豆不同生育时期土壤铵态氮含量。
2.4 秸秆还田与施氮量对大豆土壤酸解态氮的影响试验年份对土壤酸解总氮的影响达到显著水平(P < 0.05)对酸解铵态氮、酸解氨基酸态氮的影响均达到极显著水平。处理和试验年份与处理的交互作用对土壤酸解总氮、酸解铵态氮、酸解氨基糖态氮、酸解氨基酸态氮的影响均达到极显著水平(P < 0.01)。土壤酸解总氮、酸解铵态氮、酸解氨基糖态氮和酸解氨基酸态氮含量均表现出随施氮量的增加先升高后降低(图 4)，2022年土壤酸解总氮含量变化范围449.31~ 747.19 mg/kg，酸解铵态氮含量变化范围163.28~ 183.07 mg/kg，酸解氨基糖态氮含量变化范围44.61~ 66.67 mg/kg，酸解氨基酸态氮含量变化范围105.47~ 128.54 mg/kg，均以S1N1处理含量最高。2023年土壤酸解总氮含量变化范围469.33~655.03 mg/kg，酸解铵态氮含量变化范围159.60~212.93 mg/kg，酸解氨基糖态氮含量变化范围50.35~86.71 mg/kg，酸解氨基酸态氮含量变化范围79.62~147.44 mg/kg，均以S1N1处理含量最高。2年R1期、R5期和R8期秸秆还田(S1N2)处理土壤酸解总氮、酸解铵态氮、酸解氨基糖态氮和酸解氨基酸态氮含量均高于秸秆离田(S0N2)处理。与S0N2处理相比，土壤酸解总氮含量分别增加了2.03%~4.23%、9.25% 和4.61%~20.50%，土壤酸解铵态氮含量分别增加了2.24%~5.23%、9.06%和6.48%~9.53%。土壤酸解氨基糖态氮含量分别增加了5.68%~5.87%、29.76% 和3.55%~24.05%，土壤酸解氨基酸态氮含量分别增加了1.14%~9.78%、11.31%和5.56%~18.72%。
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图 4 不同处理土壤酸解氮各组分含量 Fig. 4 Contents of soil acid-hydrolyzable nitrogen components under different treatments |
如图 5所示，试验年份对土壤脲酶活性、蛋白酶活性的影响达到显著水平。处理和试验年份与处理的交互作用对土壤蔗糖酶活性、脲酶活性和蛋白酶活性的影响均达到极显著水平(P < 0.01)。2年试验结果均表现为，秸秆离田(S0N2)处理与秸秆还田(S1N2)处理在大豆R1蔗糖酶活性、脲酶活性和蛋白酶活性无显著差异，R5和R8期S1N2处理蔗糖酶活性、脲酶活性和蛋白酶活性显著高于S0N2处理，与S0N2处理相比，S1N2处理土壤蔗糖酶活性分别增加了13.15% 和5.60%~10.29%，S1N2处理土壤脲酶活性分别增加了5.00% 和4.55%~14.29%，S1N2处理土壤蛋白酶活性分别增加了10.53% 和4.26%~5.71%。从施氮量来看，施氮处理蔗糖酶活性、脲酶活性和蛋白酶活性显著高于不施氮处理，但施氮处理间效果不显著。2年R1、R5和R8均以S1N1处理蔗糖酶活性、脲酶活性和蛋白酶活性最高，与S1N2处理相比，S1N1处理土壤蔗糖酶活性分别增加了1.86%~3.52%、2.99% 和1.22%~3.21%，S1N1处理土壤脲酶活性分别增加了3.23%~3.85%、4.76% 和4.35%~12.50%，S1N1处理土壤蛋白酶活性分别增加了3.70%~ 5.00%、14.29% 和10.20%~2.70%。
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图 5 不同处理土壤酶活性 Fig. 5 Soil enzyme activities under different treatments |
由2年数据可知(图 6)，土壤脲酶活性与土壤全氮、酸解总氮、酸解铵态氮、酸解氨基酸态氮、硝态氮、铵态氮含量及土壤蔗糖酶、蛋白酶活性呈极显著正相关，土壤蛋白酶与酸解总氮、酸解氨基酸态氮含量呈极显著正相关，土壤蔗糖酶与酸解总氮、酸解氨基酸态氮、硝态氮含量呈极显著正相关，土壤全氮、酸解总氮、酸解铵态氮、酸解氨基酸态氮四种氮素形态间呈极显著正相关；酸解氨基糖态氮与土壤全氮、酸解总氮、酸解铵态氮、酸解氨基酸态氮、硝态氮、铵态氮含量及土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶活性均未表现出相关性。
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(图中ANN表示土壤酸解氨态氮含量，ASN表示土壤酸解氨基糖态含量，AAN表示土壤酸解氨基糖态含量酸解氨基酸态氮，TAN表示土壤酸解总氮含量，TN表示土壤全氮含量，NH4+-N表示土壤铵态氮含量，NO3–-N表示土壤硝态氮含量，SUC表示土壤蔗糖酶活性，UR表示土壤脲酶活性，PR表示土壤蛋白酶活性。*、**分别表示影响显著(P < 0.05)、极显著(P < 0.01)；右上为2022年土壤氮组分相关性，左下为2023年土壤氮组分相关性，n=24) 图 6 土壤氮各组分及土壤酶活性的相关性 Fig. 6 Correlation between soil nitrogen components and soil enzyme activities |
长期秸秆还田可增加土壤的供氮能力，激发土壤微生物活性，提高作物产量[21]；本研究中，与秸秆离田处理(S0N2)相比，秸秆还田处理(S1N2)大豆产量提高了19.15%~24.51%；秸秆还田条件下，大豆产量随施氮量增加先升高后降低，常规减氮30% (34.4 N kg/hm2，S1N1)处理产量最高为2 912.36 kg/hm2，较常规施氮(49.2 N kg/hm2，S1N2)处理提高了1.21%~ 1.56%。与Jacimovic等[22]研究结果一致，添加氮肥可以减轻秸秆还田的负面影响，为土壤提供有效氮，削弱营养竞争，从而提高大豆产量[23]，但在超过一定施氮量后产量增长缓慢或不再增加[24]。
3.2 秸秆还田与施氮量对土壤氮素的影响秸秆还田对土壤氮素含量的增加具有促进作用[25]，本研究中，与S0N2处理相比，R8期S1N2处理酸解总氮、酸解铵态氮、酸解氨基糖态氮、酸解氨基酸态氮含量均有显著提高，增幅为4.61%~ 20.50%、6.48%~9.53%、3.55%~24.05% 和5.56%~ 18.72%，因为秸秆的投入为土壤微生物活动提供必需的氮，增强了土壤微生物活性，从而释放更多的氮养分[26]。秸秆还田处理硝态氮、铵态氮含量高于秸秆离田处理，一部分原因是未被作物吸收的化肥氮和秸秆氮转化为无机氮[27]，另一部分原因是秸秆作用于部分土壤微生物，促使土壤氮素向土壤无机氮转化[28]。秸秆还田条件下，增施氮肥能优化微生物群落结构及介导氮循环功能，降低有机物矿化强度，从而增加土壤中全氮的积累[29]。但全氮含量超过一定阈值，酸解氮会逐渐降解为无机氮并被作物吸收[30]，还会转化为难于矿化的稳定态有机氮[31]，本文与其研究结果一致。本试验中S1N2处理土壤铵态氮、硝态氮含量均高于S1N1处理，与马兴华等[32]研究结果一致，其原因可能是外源氮素(秸秆和氮肥)氮素进入土壤，经土壤中酶与微生物作用转化成无机态氮储存在土壤中[33]。S1N1处理土壤酸解铵态氮和氨基酸态氮含量较S1N2处理提高了1.59%~5.20% 和1.79%~8.60%，但这可能是由于长期连续施氮通过影响土壤pH、有机质、全氮含量从而影响土壤微生物活动进而决定有机氮转化过程[17]。土壤酸解铵态氮和氨基酸态氮又是土壤中有效氮的“暂存库”和“缓效库”[34]，说明秸秆还田条件下减施氮肥能够提高了土壤氮素的供应强度和容量[35]。
3.3 秸秆还田与施氮量对土壤酶活性的影响土壤酶活性是土壤生物学活性的表现，也是衡量土壤肥力水平的重要指标，能反映土壤养分尤其是N转化能力的强弱，但土壤生物活性又受土壤养分状况、土壤质地等因素的影响[17]。本研究中，在大豆R1和R5秸秆还田对土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶活性影响不显著；R8土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶活性总的趋势是S1N2处理显著高于S0N2处理，较S0N2处理土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶活性提高了5.60%~ 10.29%、4.55%~14.29%、4.26%~5.71%。因为秸秆还田早期微生物适应期延长、活性降低，土壤酶分泌受到抑制[36]。氮肥施用可刺激土壤微生物生长，进而分泌更多的土壤酶，提高了土壤微生物活性[37]，但当施氮量超过一定阈值，过高的氮肥用量会阻碍微生物的合成作用，导致酶活性的减弱[17]，本研究结果与其一致，秸秆还田条件下，土壤酶活性随着施氮量的增加先增加后降低，S1N1处理较S1N2处理土壤脲酶和蔗糖酶活性增加了1.22%~3.52% 和3.85%~ 12.5%，这证明氮素对酶活性的促进作用有一定的限制。土壤蛋白酶活性与土壤脲酶、蔗糖酶趋势一致，较高的土壤无机氮含量抑制了土壤有机氮向无机氮转化，从而降低了土壤蛋白酶活性[38]。综上所述，秸秆还田条件下常规减氮30%有利于土壤活性的提高，可一定程度上提高土壤氮素供应状况[39]。
4 结论氮素合理利用是维持或提高土壤肥力的基础。在本研究中，秸秆还田能显著提高大豆产量和土壤供氮能力；在秸秆还田条件下，土壤酸解氮各组分含量、土壤蛋白酶、蔗糖酶、脲酶活性以及大豆产量随着施氮量的增加先升高后降低，均在S1N1处理达到最大，在此施氮模式下S1N1处理土壤供氮潜力最高。相关性分析表明，全氮是影响有机氮组分变化的最重要因子，土壤酸解铵态氮、酸解氨基酸态氮与土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶活性呈极显著正相关。因此，秸秆还田条件下常规减氮30%(N34.4 kg/hm2，S1N1处理)能有效提高土壤供氮能力，实现黑龙江黑土区大豆节肥稳产的目标。
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2. Key Laboratory of Low-carbon Green Agriculture in Northeastern China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Daqing, Heilongjiang 163319, China