全 文 ：中国生态农业学报 2015年 8月 第 23卷 第 8期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Aug. 2015, 23(8): 973978


* 国家自然科学基金项目(31328020)和国家科技支撑计划项目(2013BAD07B08, 2012BAD04B09)资助
** 通讯作者: 郜红建, 主要从事植物营养与施肥研究。E-mail: gaohongjian2@163.com
陈曦, 主要研究方向为养分资源高效利用。E-mail: coco19890910@sina.com
收稿日期: 20150213 接受日期: 20150505
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150220
小麦玉米秸秆连续还田对土壤有机质红外光谱
特征及氮素形态的影响*
陈 曦 张敬智 张雅洁 常 江 章力干 郜红建**
(安徽农业大学资源与环境学院 合肥 230036)
摘 要 通过 6 年的田间定位试验, 探讨了 CK(不施肥, 秸秆不还田)、SF(施肥, 秸秆不还田)、T1(施肥, 玉
米秸秆还田)、T2(施肥, 小麦秸秆还田)、T3(施肥, 玉米小麦秸秆还田)5种处理对土壤氮素形态和有机质红外
光谱特征的影响。结果显示: 与 SF相比较, T1、T2、T3处理使土壤有机氮含量分别增加 3.7%、15.9%和 18.5%,
土壤无机氮含量分别减少 15.5%、15.9%和 24.0%, 其中铵态氮分别降低 11.3%、6.0%和 12.0%, 土壤硝态氮含
量分别降低 19.3%、22.9%和 32.1%; 与 SF相比较, T1、T3处理土壤有机质(SOM)的 C/N分别降低 2.8%和 1.4%,
T2处理 SOM的 C/N提高 1.4%; C/O分别提高 9.2%、12.8%和 12.1%; 而 H/C分别降低 4.6%、5.5%和 4.6%。
红外图谱分析显示, T1、T2、T3处理引起 3 500~3 200 cm1处的吸收峰增加, 2 924 cm1处出现了新的弱峰, 表
明 SOM的脂肪族特征增加 , 且以 1 630 cm1处为中心的宽带吸收峰强度明显增加 , SOM芳构化程度增强。
研究表明, 施肥显著提高了土壤有机氮、无机氮含量, 以及土壤有机质的 C/N和 C/O。而秸秆还田降低了土
壤无机氮, 提高了土壤有机氮, 使 SOM 的 C/N、H/C 下降, C/O 上升, 同时提高了 SOM 中酚基、羟基、羧
基、芳香碳和酰胺含量, 其中以小麦、玉米秸秆双季还田的效果最为显著。
关键词 施肥 秸秆连续还田 土壤有机质 氮素形态 元素组成 红外光谱分析
中图分类号: S158.3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)08-0973-06
Effect of continuous wheat and maize straw incorporation on soil nitrogen
and Fourier transform infrared spectroscopic (FTIR) characterization of
soil organic matter
CHEN Xi, ZHANG Jingzhi, ZHANG Yajie, CHANG Jiang, ZHANG Ligan, GAO Hongjian
(School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China)
Abstract A 6-year field experiment was conducted to study the changes in the forms of soil nitrogen under the treatments of SF
(chemical fertilizer application without straw incorporation), T1 (chemical fertilizer application with smashed maize straw
incorporation), T2 (chemical fertilizer application with smashed wheat straw incorporation), T3 (chemical fertilizer application with
smashed maize and wheat straws incorporation), with no fertilization and no straw incorporation (CK) as the control. Change in FTIR
(Fourier transform infrared spectroscopic) characteristics of soil organic matter was also analyzed. The results showed that compared
with SF, soil organic nitrogen under T1, T2 and T3 treatments increased respectively by 3.7%, 15.9% and 18.5% and soil inorganic
nitrogen decreased by 15.5%, 15.9% and 24.0%. And the ammonium nitrogen content in the treatment of T1, T2, T3 decreased
respectively by 11.3%, 6.0% and 12.0% and nitrate nitrogen decreased by 19.3%, 22.9% and 32.1%. The C/N ratio in SOM
under T1 and T3 treatments decreased respectively by 2.8% and 1.4%, but the C/N ratio in T2 treatment increased by 1.4%,
compared with those under SF treatment. And the ratio of C/O in SOM increased respectively by 9.2%, 12.8% and 12.1% and
H/C ratio decreased by 4.6%, 5.5% and 4.6% under T1, T2 and T3 treatments compared with under SF. FTIR spectrum analysis
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showed that SOM absorption intensity in the 3 5003 200 cm1 band increased under T1, T2 and T3 treatments, with a new band
at the 2 924 cm1 band. This suggested an increase in aliphatic compounds of SOM. The absorption intensity at the 1 630 cm1
band strengthened, suggesting increase in aromatic compounds content. The results verified that fertilization significantly
increased the soil contents of organic and inorganic nitrogen as well as the ratios of C/N and C/O in SOM. The incorporation of
crop straw residue decreased inorganic nitrogen as well as the ratios of C/N, H/C in SOM. It also increased the content of organic
nitrogen and the ratio of C/O in SOM. Meanwhile, the incorporation of straw residue (under T1, T2 and T3 treatments) increased
the contents of alcohols, phenols and carboxylic acids, aromatic carbon and amide groups of SOM. The incorporation of both
wheat and maize straw residues had more obvious effect.
Keywords Fertilizer application; Continuous straw incorporation; Soil organic matter; Nitrogen form; Element component;
FTIR spectra analysis
(Received Feb. 13, 2015; accepted May 5, 2015)
土壤有机质水平是衡量土壤肥力的重要指标 ,
秸秆还田可增加土壤有机质含量。农作物秸秆含有
的碳、氮、磷、钾等营养元素, 还田后具有改善土
壤理化性状, 提高土壤肥力和作物产量等作用[12]。
土壤氮包括有机态氮和无机态氮, 前者主要指存在
于未分解或半分解动植物残体和有机质中的氮, 是
土壤氮素的主要存在形态和主体 [3]; 后者包括速效
氮和矿物固定态氮, 一般占全氮的 1%~5%。水溶性
铵、交换性铵和硝态氮是能够被作物直接吸收利用
的速效氮, 而矿物晶格固定态铵则很难被植物直接
利用[4]。土壤有机质和氮素的消长, 主要决定于生物
积累和分解作用的相对强弱、气候、植被、耕作制
度诸因素, 特别是水热条件, 对土壤有机质和氮素
含量有显著影响[5]。有研究表明, 碳氮比(C/N)大的
秸秆单独施加到土壤后, 在秸秆被微生物腐解期间,
平均每添加 1 000 kg秸秆, 就有 10 kg(N)hm2a1的
矿质态氮被微生物固定 ,因此土壤矿质氮含量反而
比无秸秆添加处理低[67]。秸秆还田后土壤氮有效性
降低, 作物出现缺氮症状, 但究其原因尚不明确。目
前研究主要集中在以下两方面: 1)作物与微生物争
氮: 闫德智等[8]发现, 在添加秸秆后前 2 周, 微生物
固持一定比例的氮素, 而这部分微生物氮量的增加
量大部分来自于土壤中原有的矿质氮素或培养期间
由土壤矿化出来的氮素。2)土壤氮被秸秆腐解后形
成的木质素所固定 : Schmidt-Rohr 等 [9]研究表明 ,
作物秸秆在厌气条件下腐解形成的木质素残余物
中含有大量的芳香环, 而芳香环能够固定土壤中的
有效态氮, 形成苯酰胺, 从而降低了土壤中能够被
植物直接吸收利用的有效态氮, 而这部分氮素大部
分转化为有机态氮, 直接或间接导致了作物产量的
降低[9]。
土壤有机质和氮素有效性对作物产量和农业生
产有直接或间接作用[10]。慕平等[11]研究发现, 连续
多年全量玉米秸秆还田可显著提高土壤养分, 改善
耕层土壤的物理性状。汪军等[12]研究发现, 秸秆还
田合理配施氮肥, 可以降低农田养分流失, 减小其
对地下水污染的威胁, 降低磷的淋溶风险。了解秸
秆还田对土壤有机质及氮素有效性的影响, 对我国
开展秸秆还田和有效回收利用有机肥料均有重要意
义[10]。目前我国关于此方面的研究较少, 特别是缺
乏长期定位试验。本试验以安徽省蒙城县小麦玉米
两熟制秸秆还田土壤为对象, 通过 6 年田间定位试
验 , 研究小麦玉米秸秆连续还田对土壤氮素形态
及有机质元素组成和结构的影响, 阐明秸秆还田影
响土壤氮素形态及有机质结构的化学机制, 为秸秆
还田后氮肥合理施用提供科学依据。
1 试验地概况与研究方法
1.1 试验地概况
试验于 2007—2013年在安徽省蒙城县农业示范场
(33°16′N、116°55′E)进行, 该地年均气温 14.3~16.7 ℃,
年平均降水量 850 mm。土壤类型为砂姜黑土, 0~
20 cm土层 pH 6.38, CEC 28.84 cmolkg1, 有机质
13.57 gkg1, 全氮 0.76 gkg1, 碱解氮 55.13 mgkg1,
有效磷 21.57 mgkg1, 速效钾 197.46 mgkg1, 铵态
氮 3.63 mgkg1, 硝态氮 10.43 mgkg1。小麦玉米
轮作一年两熟制, 供试小麦和玉米品种分别为‘烟农
19’和‘郑单 958’。
1.2 试验设置及研究方法
试验设置 5 个处理: CK, 秸秆不还田+不施肥;
SF, 秸秆不还田+施肥; Tl, 玉米秸秆全量粉碎翻埋还
田+施肥; T2, 小麦秸秆全量粉碎翻埋还田+施肥; T3,
小麦秸秆全量粉碎翻埋还田+玉米秸秆全量粉碎翻埋
还田+施肥。试验处理设置和各处理施肥量见表 1。
小区面积 5.4 m×8.5 m, 3 次重复。秸秆不还田
处理在收割后将秸秆运出试验地。小麦播种采用
带状旋播机 , 播种带宽 12 cm, 带距 24 cm, 播种
量为 135 kghm2; 小麦全生育期每公顷施纯氮(N)
第 8期 陈 曦等: 小麦玉米秸秆连续还田对土壤有机质红外光谱特征及氮素形态的影响 975


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240.0 kg、磷(P2O5)、钾(K2O)均为 90 kg; 氮肥选用
尿素(46.3% N) , 磷、钾肥和 55%的氮肥于小麦播种
前基施, 45%的氮肥于拔节期追施。玉米等行距播种,
行距 60 cm, 密度为 67 500株hm2; 玉米全生育期
每公顷施纯氮(N)300 kg、磷(P2O5) 67.5 kg、钾(K2O)
67.5 kg; 氮肥选用尿素(46.3% N) , 在播种时基施复
合肥(N-P2O5-K2O:15-15-15)450 kghm2, 6叶展期配
合降雨追施纯 N 112.5 kghm2, 12叶展期配合降雨
追施纯 N 120 kghm2。
于 2013年玉米收获后, 按对角线法用土钻取耕
层土壤(0~20 cm) , 每小区采集 5个点组成 1个混合
样品 , 然后用四分法取出足够的样品 , 风干 , 过筛
备用。全量有机质(SOM)提取参照 Skjemstad 等[13]
方法。土壤有机碳、全氮、铵态氮测定参照鲍士旦[14]
的方法 , 土壤硝态氮测定参照李立平等 [15]的方法 ,
用离子色谱进行测定 , 元素组成用德国 Elementar
Vario EL cube型元素分析仪进行 CHNO的测定, 红
外光谱采用 KBr压片后用 Nicolet8700傅立叶变换红
外光谱仪(fourier transform infrared spectrometer, FTIR,
美国热电公司)进行分析, 分辨率 4 cm1, 透射模式扫
描 32 次。
1.3 数据分析
试验数据采用Origin 8.0和Microsoft Excel 2007
软件进行处理。差异显著性检验(ANOVA)采用SPSS
19.0软件分析。
2 结果与分析
2.1 秸秆还田对土壤氮形态的影响
从表 1 可知, 与秸秆不还田不施用化肥的对照
(CK)相比, 施肥处理(SF)能显著提高土壤中不同形
态氮的含量。SF处理后土壤全氮、有机氮、无机氮
含量分别提高 15.3%、14.5%和 52.3%, 其中铵态氮
和硝态氮含量分别提高 84.6%和 37.3%。
与单施化肥处理(SF)相比, 秸秆还田(T1、T2、
T3)增加了土壤全氮和有机氮含量, 降低了土壤无机
氮含量。T1、T2和T3处理土壤全氮含量分别提高
3.1%、14.9%和17.2%, 有机氮含量分别提高3.7%、
15.9%和18.5%, 无机氮含量分别降低15.5%、15.9%
和24.0%。其中土壤铵态氮含量分别降低11.3%、6.0%
和12.0%, 土壤硝态氮含量分别降低19.3%、22.9%和
32.1%。而T3处理效果最为显著 , 土壤无机氮降低
24.0%, 有机氮提升18.5%。
表 1 不同秸秆还田处理土壤不同形态氮素含量变化
Table 1 Changes of soil contents of different forms of N under different straw incorporation treatments mgkg1
处理 Treatment 全氮 Total N 铵态氮 NH4+-N 硝态氮 NO3-N 无机氮 Inorganic N 有机氮 Organic N
CK 667.4±2.38c 4.95±0.47b 10.2±1.42b 15.3±1.84c 652.1±0.54c
SF 769.8±12.9b 9.14±0.51a 14.0±2.48a 23.3±2.92a 746.5±11.3b
T1 793.8±46.3b 8.11±0.46a 11.3±0.84b 19.7±0.66b 774.2±46.6b
T2 884.4±35.7a 8.59±0.86a 10.8±0.61b 19.6±1.40b 864.9±35.0a
T3 902.3±41.2a 8.04±0.39a 9.5±0.98b 17.7±0.95bc 884.7±40.9a
CK: 秸秆不还田, 不施肥; SF: 秸秆不还田, 施肥; T1: 玉米秸秆还田, 施肥; T2:小麦秸秆还田, 施肥; T3: 小麦玉米秸秆还田, 施肥。同列
数据后不同字母表示在 0.05水平上差异显著差异(Duncan Test)。下同。CK: no straw incorporation and no fertilization; SF: chemical fertilizer
application without straw incorporation; T1: chemical fertilizer application with smashed maize straw incorporation; T2: chemical fertilizer
application with smashed wheat straw incorporation; T3: chemical fertilizer application with smashed maize and wheat straws incorporation. Chemical
fertilizer application rates are 240 kg(N)·hm2, 90 kg(P2O5)·hm2, 90 kg(K2O)·hm2 for wheat, and 300 kg(N)·hm2, 67.5 kg(P2O5)·hm2, 67.5 kg(K2O)·hm2
for maize. Values followed by different small letters in each column mean significant difference at 0.05 level among treatments according to Duncan
Test. The same below.

2.2 秸秆还田对土壤 SOM含量及元素组成的影响
与对照(CK)相比, SF处理提升了 SOM含量, 且
提高了 SOM 的元素含量。其中有机质含量提高
14.1%, C、N、H、O含量分别提高 31.2%、24.6%、
25.2%和 22.6%, C/N提高 3.6%, C/O提高 6.8%, H/C
降低 4.4%(表 2)。
与施肥(SF)相比, T1、T2和 T3处理后土壤有机
质含量分别提高 4.1%、13.5%和 15.9%, SOM中的 C
含量分别提高 23.8%、62.4%和 37.6%, N含量分别提
高 28.4%、61.7%和 42.0%, H含量分别提高 18.8%、
55.6%和 31.9%, O 含量分别提高 12.9%、44.0%和
22.4%。T1、T3处理 SOM的 C/N分别降低 2.8%和
1.4%, T2 处理 SOM的 C/N 提高 1.4%, 但差异不显
著(P<0.05); C/O分别提高 9.2%、12.8%和 12.1%; 而
H/C分别降低 4.6%、5.2%和 4.6%。
2.3 秸秆还田对土壤 SOM官能团的影响
SOM 的红外光谱谱图表明(图 1), 不同处理的
土壤有机质红外光谱基本相似。根据红外光谱吸收
976 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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表 2 不同秸秆还田处理下土壤有机质及其元素含量和原子比分析
Table 2 Contents of soil organic matter and its elements and atomic ratios of elements under different straw incorporation treatments
元素含量 Elemental content (wt%) 原子比 Atomic ratio 编号
Code
有机质
Organic matter (gkg1) C N H O C/N H/C C/O
CK 14.9±0.76c 7.7±0.73e 0.65±0.06e 1.15±0.08e 7.78±0.12d 13.9±0.04c 1.80±0.05a 1.32±0.11b
SF 17.0±0.78b 10.1±1.17d 0.81±0.08d 1.44±0.13d 9.54±0.11c 14.4±0.31ab 1.72±0.05b 1.41±0.16bc
T1 17.7±1.83ab 12.5±0.22c 1.04±0.01c 1.71±0.02c 10.77±0.34b 14.0±0.09c 1.64±0.01c 1.54±0.02ab
T2 19.3±1.06a 16.4±0.59a 1.31±0.06a 2.24±0.04a 13.74±1.06a 14.6±0.14a 1.63±0.03c 1.59±0.06a
T3 19.7±0.09a 13.9±0.73b 1.15±0.04b 1.90±0.04b 11.68±0.61b 14.2±0.11bc 1.64±0.01c 1.58±0.04a

峰的归属特征[1619]进行归属, 3 500~3 200 cm1处的
吸收峰是羟基的氢键伸缩振动, 一部分是有机物中
碳水化合物的羟基吸收, 另一部分是样品中所含水
分的羟基吸收和氨基酸中的N—H伸缩振动吸收[20];
2 924 cm1处的吸收峰为脂肪族结构中C—H的伸缩
振动; 1 720 cm1处的吸收峰为羧基的C=O伸缩振动;
1 630 cm1处的宽带吸收峰主要为芳烃C=C的骨架
振动、羧酸盐中COO—的反对称伸缩振动等相互叠
加的吸收峰 ; 1 515 cm1处的肩吸收峰为C=O, 芳
环 , β(N—H)的伸缩振动即酰胺化合物的特征吸收
谱带 [21]; 1 100~1 000 cm1处的强吸收峰为硅酸盐矿
物和多糖C-O的伸缩振动[20]。总体来看, 某些波峰的
峰形和峰强有一定区别, 体现出SOM特征官能团的
性质差异[22]。与对照(CK)相比较, SF处理后SOM的
3 500~3 200 cm1处的吸收峰增加, 表明施肥后SOM
中酚羟基、羟基或羧基含量增加。与SF相比较, T1、
T2、T3处理后SOM 3 500~3 200 cm1处的吸收峰明显
增加, 2 924 cm1处出现了新的弱峰, 且以1 630 cm1
处为中心的宽带吸收峰明显增加, 分别表明SOM中
的羟基, —CH2—, 芳烃C=C、C=O、β(N-H)官能团
的增加。

图 1 不同秸秆还田处理土壤有机质的红外光谱分析
Fig. 1 FTIR spectra of soil organic matter under different
straw incorporation treatments
3 讨论与结论
施肥与秸秆还田均能增加土壤有机质和土壤氮
素含量, 但单施氮肥对土壤有机碳储量和全氮的提
升作用[2325], 不及秸秆还田与氮肥配施效果显著。
与对照CK相比, 施肥处理(SF)能显著提高土壤中的
氮素含量, 包括全氮、有机氮、无机氮。但与单施
肥处理(SF)相比, 秸秆还田处理(T1、T2、T3)降低了
土壤无机氮含量, 提高了土壤有机氮含量。赵士诚
等 [4]研究认为 , 秸秆还田降低了土壤容重 , 提高了
土壤的通透性, 有助于氮的硝化, 促使 NH4+ 转化为
NO3。本文研究结果显示, 秸秆还田后土壤 NO3 含
量没有增加, 反而降低.。李宗新 [25]等的研究认为,
秸秆还田后土壤 NO3 含量没有增加, 反而降低, 可
能与秸秆还田后致使土壤大孔隙增加, 水流沿土壤
大孔隙下渗, 硝态氮淋失加剧有关。而 Schmidt-Rohr
等 [9]研究认为, 秸秆腐解后形成的木质素残余物中
含有大量的芳香环, 而芳香碳能够固定土壤中有效
态氮形成苯酰胺, 从而致使秸秆还田后土壤无机态
氮含量降低, 有机态氮含量增加。
肖伟伟等[26]研究发现, 秸秆还田能够提高土壤
有机氮 , 且有机氮与有机碳呈显著正相关 , 这与
SOM 的元素分析结果相一致。随着土壤中 SOM 含
量的提高, SOM中的 N含量随之增加。与 CK相比,
施肥使 SOM的 C/N增加。与 SF相比, 全量秸秆还
田后 SOM 的 C/N 有所降低, 其中 T1、T3 处理后
SOM 的 C/N 显著降低(P<0.05), T2 处理后 SOM 的
C/N 略有增加, 但差异不显著(P<0.05), 分析原因可
能由于小麦秸秆的 C/N 比(86.5∶1)要远大于玉米秸
秆的 C/N 比(58.1∶1)。秸秆还田与施肥的配合施用
降低了 SOM的 C/N和 H/C, 表明 SOM中含氮组分
增加, 芳香碳所占比例提高。
不同试验处理的 SOM 组分各吸收峰的强度有
明显差异。其中特征峰吸收强度的多少可反映官能
团量的相对多少。与 SF 相比, T1、T2、T3 处理的
第 8期 陈 曦等: 小麦玉米秸秆连续还田对土壤有机质红外光谱特征及氮素形态的影响 977


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SOM中 3 400 cm1处相对吸光度的增加, 说明酚基、
羟基或羧基结构的增加, 这与 SOM元素分析结果中,
氢、氧元素含量的增加相一致。SOM中 2 924 cm1
处新出现的弱峰表明秸秆还田后 SOM 的脂肪族
(–CH2)结构略有增加。SOM中 1 630 cm1为中心的
宽带吸收峰的相对吸光度的增加, 反映了秸秆还田
后 SOM中芳烃 C=C结构的增加, 表明 SOM结构中
的芳香碳比例上升, 芳香性趋于升高和增强, 也验
证了 SOM元素分析结果中 H/C下降的变化规律。这
与吴景贵等研究结果一致[18,20]。SOM 中 1 515 cm1
处的肩吸收峰相对吸光度的明显增加, 表明秸秆还
田后 SOM的(C=O)、芳环、β(N—H)结构的增加, 这
与 Cao等[27]通过固态核磁技术所得到的秸秆还田土
壤中 SOM 含有大量的芳香 C、COO 和 N—C=O 官
能团, 结果相符。
本研究表明: 秸秆还田与肥料的配合施用能够
增加土壤中有机碳、全氮、无机氮和有机态氮。与
施肥相比较, 秸秆还田降低土壤中的无机态氮, 增
加土壤中有机氮; 同时, 秸秆还田使土壤中 SOM的
C/N 下降, C/H 上升, 土壤 SOM 中含氮组分所占比
重提高; 提高了 SOM 的芳香性, 增加了 SOM 中的
酰胺结构, 促进了有机态氮的形成, 降低了土壤中
无机态氮的含量 , 从而减少土壤氮素的环境风险 ,
增强了其稳定性。作物秸秆还田后, 土壤无机氮的
降低是由于土壤孔隙增加而造成氮的淋失, 还是被
土壤微生物利用 , 或者被土壤木质素固氮造成的 ,
还有待于进一步研究。
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