減氮及有機替代對新疆棉田土壤氮素有效性和利用效率的影響

關鍵詞： 棉花； 氮肥減施； 有機肥替代； 活性有機氮組分； 無機氮； 氮肥利用率

氮肥投入是農(nóng)田氮輸入的主要來源。如何合理施用氮肥保障作物高產(chǎn)和氮素高效利用，一直以來都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的熱點關注問題。新疆晝夜溫差大且光熱資源充足，具備棉花生長的優(yōu)勢條件，自2000 年以來新疆植棉面積、單位面積產(chǎn)量都穩(wěn)居全國第一。隨著新疆棉花種植面積、單產(chǎn)的不斷增加，化肥施用強度也逐年增加，2016 年新疆棉花種植農(nóng)戶的化肥施用量（折純量） 平均達到610.20 kg/hm2，過量施用率占到59.6%[1]。且數(shù)據(jù)資料顯示自2010 年起持續(xù)增加化肥用量與棉花單產(chǎn)間就已呈現(xiàn)負向效應[2]。向棉田中每多施100 kg/hm2 氮肥（N），氮肥的農(nóng)學效率下降0.9 kg/kg，氮肥利用率下降2.0%[3]。化肥用量的持續(xù)增加不僅沒有提升棉花產(chǎn)量反而加大了生產(chǎn)投入成本，降低了氮肥利用率，還易造成環(huán)境污染問題。

有機肥養(yǎng)分替代與秸稈還田是實現(xiàn)我國化肥零增長的重要技術手段，有機無機肥混合施用或替代部分化肥施用的方式能夠改善棉田土壤結構、增加土壤養(yǎng)分、提升作物產(chǎn)量[4]。新疆棉花生產(chǎn)集約化、機械化程度高，重化肥、輕有機肥及連作現(xiàn)象十分普遍。目前，秸稈還田是新疆連作棉田主要的有機培肥方式，然而長期持續(xù)秸稈還田會促進土壤有機質(zhì)的積累與微生物固持增強，導致土壤中有效氮含量下降[5]。因此，基于當下新疆棉田多元背景探究相對科學的氮肥運籌和氮素高效利用的機制，對指導實現(xiàn)新疆棉田減施化肥和提升氮素利用率具有重要意義。

前人研究表明，植株氮素來源于土壤氮的比例為66.35%～81.87%[6]，在保證作物產(chǎn)量的基礎上，減少氮肥投入，充分發(fā)揮土壤氮庫的作用，可以提高氮肥利用率，同時減少氮素損失，滿足高產(chǎn)和環(huán)境友好的需求。土壤中活性有機氮庫是無機氮的主要來源氮庫，其含量變化及各組分分配占比顯著影響土壤氮素轉(zhuǎn)化利用及其存儲狀況[7]，添加有機肥使土壤活性有機氮各組分含量顯著提高，且隨著有機肥施用量的增加而增加[8]。有機無機肥的混合施用能夠加速土壤有機氮礦化過程，顯著提高土壤氮素有效性[9]，土壤氮素有效性由氮轉(zhuǎn)化相關的酶進行調(diào)控，對土壤中氮素礦化、硝化、反硝化過程的發(fā)生起促進作用[10]。有機無機肥配施下土壤中無機氮含量及脲酶活性達到最高，有機肥的配合施用能夠促進土壤微生物活性升高和土壤氮轉(zhuǎn)化[11]，且連續(xù)配合施用有機氮肥棉花氮肥利用率和產(chǎn)量也顯著增加，同時有利于氮肥向土壤有機氮庫轉(zhuǎn)化，提高氮肥在滴灌棉田中的持留性和穩(wěn)定性[ 1 2 ]。近年來， 化肥減量配施有機肥對新疆棉田土壤肥力[13]、微生物群落結構[14]、棉花生長發(fā)育及產(chǎn)量構成因素[15]的影響已有相關報道，但針對化肥減量、有機肥替代對新疆棉田土壤氮素有效性及氮素轉(zhuǎn)化指標間關系的報道仍然較少。因此，本研究基于當前新疆綠洲棉區(qū)“連作+棉稈還田+高化肥投入”現(xiàn)狀，探究減氮及有機肥替代部分化學氮肥對棉田土壤理化性狀、活性有機氮組分及氮轉(zhuǎn)化酶活性的影響，揭示有機肥輸入對棉田土壤氮素有效性的調(diào)控效應，以期探尋氮素更高效利用的棉田施肥措施。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2021 年和2022 年在石河子大學農(nóng)試場（85°48′E，44°44′N） 進行。供試土壤為灌耕灰漠土，質(zhì)地為中壤，土壤基本理化性質(zhì)見表1。供試棉花品種為‘惠遠720’，試驗地塊常年連續(xù)種植棉花，每年機采收獲時棉稈全量粉碎還田。供試化肥包括尿素（N 46%），磷酸一銨（N 12%、P2O5 60%），硫酸鉀（K2O 51%）。有機肥為以羊糞為主的商品有機肥（含N 4%）。

1.2 試驗設計

采用隨機區(qū)組設計，共設置8 個處理，包括不施氮肥對照（CK）；常規(guī)施氮量對照（CF）；3 個氮肥減施處理：減施比例分別為 8%、16%、24%，分別記為CF-8%、CF-16%、CF-24%；3 個有機肥替代比例處理，以有機肥替代8%、16%、24% 的化肥氮，分別記為8%OF、16%OF、24%OF。具體施肥量見表2。采用膜下滴灌，一膜3 管6 行寬窄行種植模式，行距66 cm+10 cm，株距10 cm。有機肥全部一次性基施，均勻撒施后翻耕，深度20—25 cm，氮、磷、鉀化肥全部追施。生育期共灌水量為4500 m3/hm2，灌水9 次，灌水周期7～10 天，化肥均隨水滴施，施用比例見表3。試驗分別于2021-04-25 與2022-04-13播種，理論播種密度為26 萬株/hm2；分別于2021-07-07 與2022-07-02 人工打頂，其他田間管理措施同一般大田。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤樣品采集 于2021 和2022 年棉花播種前和機械采收后，在試驗小區(qū)內(nèi)采用“之”字形選取5 個點，用土鉆分別鉆取0—20、20—40、40—60 cm 土層土樣，剔除動植物殘體與其他雜物后同一土層深度土樣進行混勻，一部分土樣經(jīng)風干磨細后用于土壤顆粒有機氮及酶活性測定；另一部分冷凍保存，用于無機氮、可溶性有機氮及微生物量氮（MBN） 含量的分析。

1.3.2 測定方法 土壤電導率（EC） 采用2.5∶1 水土比混合電位法測定；pH 采用5∶1 水土比電位法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—外加熱法測定；NH4+-N采用2 mol/L KCl 靛酚藍比色法測定；NO3?-N 含量采用紫外雙波長法測定[ 1 6 ]；顆粒有機氮（PON） 采用5 g/L 六偏磷酸鈉提取[17]，半微量凱氏定氮法測定；輕組有機氮（LFON） 與可溶性有機氮（DON） 含量的測定參照李子玉[18]的方法；微生物量氮（MBN） 采用氯仿熏蒸滅菌—0.5 mol/L K2SO4 浸提法[16]測定；土壤脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶（NR） 與亞硝酸還原酶（NiR） 活性分別采用苯酚鈉?次氯酸鈉比色法、永加勒斯江法提取，酚二磺酸比色法和苯磺酸?醋酸?α-萘胺比色法測定[19]。

1.3.3 棉花產(chǎn)量及氮肥利用效率的計算 于棉花吐絮期，在各小區(qū)內(nèi)選擇長勢均勻的連續(xù)20 株棉花，調(diào)查單株成鈴數(shù)并計算平均單株成鈴數(shù)；每小區(qū)收取吐絮鈴100 個，曬干后稱重，計算單鈴重；各小區(qū)內(nèi)選擇1 m2 面積，收獲所有籽棉并曬干稱重，計算籽棉產(chǎn)量，每個小區(qū)重復3 次。

氮肥效率計算方法如下：

氮肥農(nóng)學利用率（NAE，kg/kg）=（施氮區(qū)產(chǎn)量–不施氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力（NPFP，kg/kg）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

氮肥貢獻率（NCR，%）=（施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量–不施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量）/施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量×100。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用 Microsoft Excel 2010 軟件處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 17.0 軟件進行LSD 多重比較（Plt;0.05）、單因素方差分析與雙因素相關性分析，利用Origin 22.0 與sigmaplot 12.5 軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 減氮及有機替代對棉田土壤基礎理化性質(zhì)的影響

由表4 可以看出，氮肥處理、土層深度和年份三者對土壤pH、EC 值、有機質(zhì)含量產(chǎn)生影響并有顯著交互作用。2021 年3 個減氮處理土壤pH 與CF無明顯差異，2 0 2 2 年C F - 2 4% 處理0—2 0 土層pH 較CF 處理顯著降低。2021 年和2022 年16%OF處理20—40 cm 土層、24%OF 處理20—60 cm 土層pH 與CF 差異達到顯著性水平，土壤pH 得到顯著提升。

棉田土壤有機質(zhì)含量在0—40 cm 土層較高，40—60 cm 土層較低。2021、2022 年CF-24% 處理0—60 cm 各土層有機質(zhì)總量分別較CF 下降了3.57%、4.45%。隨著減氮配施有機肥比例的增大，0—20、20—40 cm 土層有機質(zhì)含量逐漸增加，16%OF 和2 4 % O F 較C F 兩年平均分別增加了2 3 . 4 4% 和31.74%、12.99% 和20.14%。

2021、2022 年0—20 和20—40 cm 土層CF-16%、CF-24%、16%OF、24%OF 處理EC 值較CF 均降低，兩年平均分別下降了9.92%、11.16%、7.74%、5.64% 和9.92%、17.11%、4.72%、7.02%，2022 年40—60 cm CF-16%、CF-24%、24%OF 處理較CF 也顯著降低。

2.2 減氮及有機替代對棉田土壤全氮、活性有機氮組分含量及其占比的影響

由圖1 可知，土壤中顆粒有機氮、輕組有機氮、可溶性有機氮、微生物量氮含量變化受不同氮肥舉措及土層深度影響顯著，不同氮肥處理下土壤活性有機氮各組分含量隨著土層深度的加深不斷減少。減氮配施有機肥處理0—20、20—40 cm 土層中顆粒有機氮含量較CF 處理均增加，16%OF 處理增幅最高，2021 和2022 年分別高出22.41% 和25.61%、14.29% 和23.61%，兩年平均增加24.01%、18.95%。

在0—20、20—40 cm 土層，各減氮處理間輕組有機氮含量無明顯變化規(guī)律，而隨著有機肥施用比例的增加而逐漸增加。其中0—20 cm 土層變化幅度較大，2021、2022 年24%OF 和16%OF 處理分別較CF 提高了88.24% 和64.71%、47.37% 和42.11%，兩年平均分別提高67.80% 和53.41%。

0—60 cm 各土層可溶性有機氮含量變化趨勢同顆粒有機氮相一致。0—20 cm 土層中減氮處理差異不顯著，20—40 cm CF-16% 較CF 處理增幅最高，2021和2022 年分別為38.58% 和12.03%。2021、2022 年施用有機肥處理可溶性有機氮含量0—20 和20—40 cm 土層均表現(xiàn)為16%OFgt;24%OFgt;8%OFgt;CF，16%OF 較CF 處理分別增加了22.34% 和75.75%、35.96% 和34.90%，兩年平均增加29.15% 和55.32%。

0—20 cm 土層CF-24% 處理微生物量氮含量2 0 2 1、2 0 2 2 年分別較C F 處理減少了1 0 . 8 4 %、10.73%，其他減氮處理間無顯著變化。2021 年20—40 cm 土層微生物量氮含量CF-8%、CF-16%、CF-24% 分別較CF 處理增加了8.76%、21.63%、35.93%，2022 年CF-16% 較CF 處理增加7.18%。2021、2022 年0—20和20—40 cm 土層16%OF 較CF 處理分別高出48.94% 和91.31%、18.66% 和18.42%，兩年平均提高33.80% 和54.86%。

從表5 可以看出，有機替代處理各有機氮組分含量占比均高于化肥減施處理和CK 處理。2021、2022 年16%OF 處理全氮含量顯著高于其他非常規(guī)施氮處理。2021 年各減氮處理間顆粒有機氮、輕組有機氮、可溶性有機氮占比無明顯差異，2022 年CF-16% 處理顆粒有機氮占比高于CF-8% 和CF-24% 處理，可溶性有機氮高于CF-8%。2021 年3 個減氮處理微生物量氮占比均顯著高于CF 處理，而2022 年只有CF-16% 依然顯著高于CF 處理。表明減氮對提高土壤有機氮組分占比和微生物量氮占比的影響時間較短，但CF-16% 表現(xiàn)出較好的效果。

隨著有機肥施用量的增多，輕組有機氮、微生物量氮占比逐漸增加，顆粒有機氮、可溶性有機氮占比先增加后下降，以16%OF 處理的顆粒有機氮、可溶性有機氮占比最高，2021 和2022 年分別較CF 處理增加了11.43% 和21.20%、、35.44% 和29.41%，兩年平均提升16.32%、32.42%。24%OF 處理輕組有機氮的占比最高，2021 和2022 年較CF 處理分別增加56.21% 和51.47%，兩年平均提升53.84%。

2.3 減氮及有機替代對棉田土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性垂直分布的影響

由表6 可知，減施氮肥、土層深度和年份三者互作對土壤脲酶、蛋白酶、亞硝酸還原酶活性產(chǎn)生顯著影響。除CF-24% 處理外，2021、2022 年0—20 cm 土層減氮與有機替代各處理土壤脲酶、蛋白酶活性較CF 均升高，16%OF、24%OF 處理差異均達到顯著性水平，CF-16% 蛋白酶活性較CF 也顯著升高。2022 年20—40 cm 土層中，16%OF、24%OF 脲酶活性較CF 顯著升高，CF-8%、CF-16%、8%OF、16%OF 蛋白酶活性較CF 顯著提升，而40—60 cm土層CF-24% 脲酶、蛋白酶活性較CF 均顯著降低。

0—20 cm 土層， CF-24% 處理硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性較C F 兩年平均分別下降了16.88%、6.25%，2021 年CF-16% 處理分別增加了23.45%、2.50%，16%OF、24%OF 較CF 均顯著增加。20—40 cm 土層，2021 年配施有機肥各處理硝酸還原酶活性、2021 和2022 年16%OF 處理亞硝酸還原酶活性均顯著高于CF。

2.4 減氮及有機替代對棉田土壤NH4+-N、NO3?-N含量垂直分布的影響

由圖2 可知，2021 和2022 年不同施氮水平、土層深度及兩者交互作用對土壤中NH4+-N、NO3?-N 含量均產(chǎn)生顯著影響。0—20 cm、20—40 cm 土層，CF-24% 處理NH4+-N 含量較CF 均顯著降低，CF 與CF-8% 處理間差異不顯著，隨著減氮配施有機肥比例的增加， N H 4+ - N 含量不斷增加。0 — 2 0 c m24%OF 顯著高于8%OF、CF 處理，40—60 cm 土層NH4+-N 含量無顯著差異。

棉田收獲后各減氮處理NO3?-N 含量變化同NH4+-N，2021、2022 年0—20、40—60 cm CF-16%、CF-24% 較CF、CF-8% 顯著降低。2021 年0—20 cm 土層16%OF 處理NO3? -N 含量較8%OF、24%OF、CF 顯著增加，2022 年20—40 cm 16%OF 較8%OF、24%OF 也顯著升高，40—60 cm NO3?-N 含量隨著配施有機肥比例的增加顯著降低。

2.5 減氮及有機替代下棉花產(chǎn)量與氮肥利用率變化

表7 顯示，2021、2022 年不同施肥處理間單株結鈴數(shù)、單鈴重、籽棉產(chǎn)量均表現(xiàn)為減氮配施有機肥處理最高，其次為減氮處理，再次為CF，CK處理最低。2021 年16%OF 處理單株結鈴數(shù)顯著高于CF。16%OF、24%OF 處理間單鈴重差異不明顯，但均顯著高于減氮處理、CF。8%OF、16%OF、24%OF、CF-16% 處理棉花籽棉產(chǎn)量較CF 均顯著提升，2021 和2022 年分別提升9.75%、17.96%、15.24%、6.22% 和12.07%、16.35%、11.61%、6 . 9 6 %，兩年平均分別提升1 0 . 9 1 %、1 7 . 1 6 %、13.42%、6.59%。2021 年CF-24% 與CF 間籽棉產(chǎn)量無明顯差異，但2022 年較CF 處理下降了2.02%。

通過建立不同施氮量、有機肥替代比例與棉花產(chǎn)量、氮肥效率的回歸方程模型（圖3） 發(fā)現(xiàn)，棉田籽棉產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學利用率、氮肥貢獻率與化學施氮量間均表現(xiàn)為二次拋物線關系，拋物線頂點即最佳施氮量分別為314.0、324.2、309.2 kg/hm2，而氮肥偏生產(chǎn)力則表現(xiàn)為減氮0%～24% 范圍內(nèi)逐漸降低，故在減氮9.9%～14.1% 范圍內(nèi)產(chǎn)量與氮肥利用效率均達到最佳，為本試驗中最佳減氮比例。減氮配施有機肥處理中不同有機肥替代化肥用量與籽棉產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學利用率、氮肥貢獻率間決定系數(shù)均高于減氮處理、CF，表明有機肥替代對上述指標作用影響程度高于單施化肥。隨著有機肥替代量的增多籽棉產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥貢獻率先增加后下降，峰值依次為61.6、59.9、59.9、63.3 kg/hm2，即替代最優(yōu)比例為16.6%～17.6%。

2.6 不同氮素相關指標間的關聯(lián)性分析

從圖4 可知，施肥處理下土壤全氮、無機氮、活性有機氮各組分、氮轉(zhuǎn)化酶與有機質(zhì)間均表現(xiàn)出極顯著正相關關系，全氮、NH4+-N、NO3?-N 與活性有機氮、氮轉(zhuǎn)化酶也顯著正向相關，NH4+ -N 與NO3? -N 間、有機氮各組分間也具有顯著相關關系（Plt;0.01）。

基于上述情況進一步對棉田土壤理化性質(zhì)、活性有機氮及氮轉(zhuǎn)化酶與全氮、NH4+-N、NO3?-N 間進行了偏相關分析（表8）。當以其他指標為控制變量分析單個因素對土壤全氮、NH4+-N 與NO3?-N 影響時發(fā)現(xiàn)，在減氮和有機肥替代兩種氮肥調(diào)控下土壤pH、EC 值、土壤有機質(zhì)對棉田土壤中全氮、NH4+ -N、NO3?-N 含量均產(chǎn)生顯著影響。

以活性有機氮為例，控制土壤理化性質(zhì)、全氮與氮轉(zhuǎn)化酶等其他內(nèi)容指標變量帶來的影響，分析顆粒有機氮、輕組有機氮、可溶性有機氮、微生物量氮對全氮、NH4+-N、NO3?-N 的相關性變化。不同氮肥調(diào)控下土壤中全氮、NH4+-N、NO3?-N 受檢測指標影響結果不一。與相關性結果（活性有機氮與土壤有機質(zhì)、全氮、NH4+-N、NO3?-N 含量及氮轉(zhuǎn)化酶極顯著正相關） 對比發(fā)現(xiàn)，排除土壤理化性質(zhì)、氮轉(zhuǎn)化酶指標變量影響后，有機肥替代下除輕組有機氮外，活性有機氮各組分與全氮、NH4+-N、NO3?-N 間均無顯著偏相關性，說明有機肥替代處理下土壤理化性質(zhì)、氮轉(zhuǎn)化酶活性是影響活性有機氮向無機氮養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的關鍵影響因素，通過對理化性質(zhì)與氮轉(zhuǎn)化酶的改善與提升促進了活性有機氮的分解利用。單施化肥處理下土壤理化性質(zhì)與氮轉(zhuǎn)化酶活性變化對全氮、NH4+-N、NO3?-N 的影響高于活性有機氮，而有機肥替代下則表現(xiàn)為氮轉(zhuǎn)化酶活性對NH4+-N 的影響高于土壤理化性質(zhì)與活性有機氮。

進一步對土壤全氮、NH4+-N、NO3?-N 與棉花產(chǎn)量及氮肥利用效率間進行相關性分析（表9），發(fā)現(xiàn)在減施氮量0 %～2 4% 范圍中，0—2 0、2 0—4 0、40—60 cm 土層NH4+-N、NO3?-N 含量均與棉田籽棉產(chǎn)量、NAE、NPFP、NCR 表現(xiàn)出顯著正相關關系，僅表層土壤中全氮對產(chǎn)量及氮肥利用效率產(chǎn)生顯著正向影響。而有機肥替代0%～24% 化肥處理中，籽棉產(chǎn)量、NPFP、NCR 與20—40、40—60 cm 全氮、NO3?-N 含量和40—60 cm 全氮含量表現(xiàn)為極顯著負相關，與0—20 cm 土層中NO3?-N 含量無顯著相關關系。說明與單施化肥相比，施用有機肥替代部分化肥氮素對棉花產(chǎn)量及氮肥利用效率的促進效果主要是通過減少深層土層中NO3?-N、全氮含量途徑來實現(xiàn)的。

3 討論

3.1 減氮及有機替代對棉田土壤理化性質(zhì)的影響

農(nóng)田土壤理化性質(zhì)直接決定了土壤微生物及其參與的各種物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化發(fā)生環(huán)境，其中土壤鹽度與pH 的波動變化對土壤氮素有效性產(chǎn)生顯著影響[20]。前人研究表明，pH 波動在7.5～8.5 范圍內(nèi)硝化活性最佳[21]，過酸會抑制土壤中還原N2O 酶類的表達，反硝化作用的發(fā)生強烈[22]。本試驗中施肥處理下pH 波動范圍在7.74～8.06，為土壤中硝化作用發(fā)生創(chuàng)造了一個有利環(huán)境。0—20、20—40 cm 16%OF、24%OF 處理土壤pH 較常規(guī)施肥有所增加，pH 的升高一方面有利于激發(fā)土壤中自養(yǎng)硝化作用的進行，提升NO3?-N 含量[23]，另一方面可以緩解棉田土壤酸化，這與前人研究結果[24]相一致。隨著土壤中鹽分含量的增加土壤微生物及酶活性下降，土壤微生物對外源碳的利用率降低，會導致土壤中氮素礦化與硝化過程受到的抑制程度增高[ 2 5 ? 2 6 ]。本研究中CF-16%、CF-24% 與16%OF、24%OF 處理土壤EC 值均下降，表明適量減施無機氮肥與減氮配施有機肥這兩種氮肥調(diào)控均有利于促進土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的發(fā)生，營造一個良好的土壤生境，同時16%OF、24%OF處理能夠顯著提高土壤中有機質(zhì)的含量，改善土壤肥力狀況。由表8 可知兩種氮肥調(diào)控下棉田土壤理化性質(zhì)對土壤無機氮含量均產(chǎn)生顯著影響，而有機肥替代方式能夠改善棉田土壤狀況，有利于促進土壤中可供植物吸收利用的無機氮養(yǎng)分含量增多，進一步增大棉田土壤的供氮潛力。而在本試驗氮素受限條件（CF-24%） 下，有機質(zhì)總量下降，可能與農(nóng)田土壤中較高的植株殘體投入與C/N 值導致了土壤微生物對氮素需求量增大，進而促進土壤微生物對有機質(zhì)的分解有關[27]。

3.2 減氮及有機替代對棉田土壤全氮、活性有機氮組分及其分配占比的影響

活性有機氮組分中顆粒有機氮、微生物量氮對氮素儲備起到重要作用，而輕組有機氮與可溶性有機氮較顆粒有機氮、微生物量氮更易被植株根系、微生物體代謝利用[8]。本試驗中外源氮素添加主要為棉稈還田與氮肥施用，盡管減施氮肥處理土壤全氮含量下降，但微生物量氮、可溶性有機氮含量增加，最終引起各減氮處理組分分配占比提高，有利于土壤供氮潛力增強，提升棉田土壤氮素可利用性，CF-16% 處理提升效果較為顯著。減施化肥對土壤中輕組有機氮、顆粒有機氮含量變化影響甚微。減氮配施有機肥能夠提高土壤中活性有機氮各組分含量，與戚瑞敏等[17]研究結果一致。添加有機物料不僅可以促進植株根系生長，與化肥配施還有利于根茬向顆粒有機氮與輕組有機氮發(fā)生轉(zhuǎn)變[28]，并且為土壤微生物的繁殖提供充足碳源，有利于土壤微生物對氮素固定，一方面減小氮素損失，另一方面增加微生物量氮。

活性有機氮是參與土壤礦化過程的活躍組分之一，易被土壤微生物、植株分解利用，在土壤中含量較少，然而本試驗中隨著有機肥替代量的增多0—20、20—40 cm 土層全氮、顆粒有機氮和可溶性有機氮含量及顆粒有機氮、可溶性有機氮占全氮的比例均表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢（16%OF 處理最高），而高量有機肥替代處理（24%OF） 在土壤中輕組有機氮、微生物量氮累積開始增多，分析原因可能為當土壤中活性有機氮含量增加時，土壤微生物從惰性氮庫中獲取養(yǎng)分基質(zhì)的能力減弱，從而使得土壤中惰性氮含量增加，更有利于土壤氮固存[ 2 9 ]。Powlson 等[30]也研究表明，在有機肥培肥土壤過程中，有機氮主要以惰性有機氮組分存在，而隨著有機肥的持續(xù)增多土壤氮庫更加穩(wěn)定，更有利于氮素存儲。因而有機肥替代化肥用量的持續(xù)增加并不與土壤中的氮素養(yǎng)分成正比。

有機肥的替代施用對促進活性有機氮的分解轉(zhuǎn)化也存在一定影響。林偉等[31]認為，外源氮素添加的效應主要通過影響土壤中速效養(yǎng)分如NH4+-N、NO3?-N含量，為土壤微生物的生長及活性提供能量來源，對活性有機氮組分的分解和轉(zhuǎn)化發(fā)揮作用。例如，氮添加可以增加土壤微生物可利用氮源，促進土壤微生物數(shù)量及活性的增加，進一步提高微生物量氮含量[32]。本試驗也表明，土壤有機質(zhì)、全氮、NH4+-N、NO3?-N 及氮轉(zhuǎn)化酶與活性有機氮間均顯著正向相關，其中在有機肥替代下土壤理化性質(zhì)的改善與氮轉(zhuǎn)化酶活性的提高對活性有機氮向土壤NH4+-N、NO3?-N 轉(zhuǎn)變起關鍵影響作用，表明有機肥的替代施用可以通過改善棉田土壤理化性質(zhì)、提高土壤碳氮源與氮轉(zhuǎn)化酶活性進一步促進有機氮分解轉(zhuǎn)化，推動氮礦化進程加快。

3.3 減氮及有機替代對棉田土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性的影響

土壤脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶與亞硝酸還原酶是土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中的關鍵酶，其活性高低對氮素轉(zhuǎn)化能力及土壤供應根系養(yǎng)分能力發(fā)揮重要作用。與CF 相比較，0—20 cm 土層CF-16% 兩年蛋白酶活性和2021 年硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性有較顯著提升，說明施用氮肥對土壤酶活性的促進作用存在閾值，過量增施化肥可能會抑制土壤微生物合成作用，引起酶活性降低[19]。不同于單施化肥，有機肥的施入對土壤微生物的生長與繁殖起促進作用，對土壤中大多數(shù)酶活性均具有提升效果[8]。本研究中有機氮肥替代16%、24% 無機氮肥均能夠提高表層土壤中氮轉(zhuǎn)化酶活性，隨著有機肥的施入土壤有機質(zhì)含量增加，一方面能夠有效改善土壤結構、調(diào)節(jié)土壤通氣狀況，有利于NH4+-N 與氧氣結合形成NO3?-N，為硝酸還原酶提供底物，另一方面還能夠提高土壤中微生物活性，增加微生物可利用碳氮底物，最終引起土壤中硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性提升[33]。氮轉(zhuǎn)化酶活性的增加能夠促使土壤中氮素的轉(zhuǎn)變過程加快，提高氮素利用的有效性。然而針對有機肥的施用量，連文力等[34]從分子水平氮代謝相關酶基因表達結果，表明施用有機肥處理下氮代謝相關酶基因的表達明顯受到抑制，且氮代謝相關酶的表達量與有機肥施用量呈負相關關系，有機肥施用量過高氮代謝活動反而減弱。

3.4 減氮及有機替代對土壤無機氮含量的影響

植株從土壤中吸收利用的主要氮素來源為無機態(tài)氮，無機氮含量的高低對植株吸收氮素養(yǎng)分起關鍵影響作用。目前單施化肥對土層中NH4+-N、NO3?-N 含量變化報道較為統(tǒng)一，NH4+-N 和NO3?-N 含量隨著化肥施用量的增加而增加[35]。本研究中，0—20、20—40 cm CF-24% 處理NH4+ -N 與NO3? -N 含量較CF 處理均顯著下降。不同于單施化肥，Li 等[36]認為向土壤中施入有機肥，土壤C/N 升高，有利于促進土壤有機氮礦化過程，使得NH4+ -N 含量增加，而NH4+-N 作為硝化作用的底物，其濃度的增加也使得NO3?-N 含量上升。不同的是，NH4+-N 與NO3?-N 之間存在轉(zhuǎn)換關系，土壤中C/N 值越高，土壤中微生物對氮的固定量越大，氮的釋放率會降低，故又抑制了NO3?-N 含量增長[37]。總的來看，本試驗中有機肥替代處理下，0—20、20—40 cm 土層土壤中 NH4+-N含量隨著有機肥替代化肥比例的增加而逐漸增加，40—60 cm NO3?-N 含量顯著降低。這一方面有利于增加土壤中的無機氮含量，為植株提供更多的氮素養(yǎng)分，另一方面減少了深層土壤NO3?-N 的累積，降低了NO3?-N 淋失風險，能夠提升棉田土壤氮素利用的有效性。

3.5 減氮及有機替代對棉花產(chǎn)量構成及產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

化肥施用量往往與棉田產(chǎn)量間表現(xiàn)為單峰拋物線關系，有學者通過連續(xù)多年定點定量進行低中高肥料試驗，表明隨著化肥施用年限的不斷增加，同一施氮量處理在不同年限間產(chǎn)量也表現(xiàn)出較大差異，而高氮處理連續(xù)年限越長對產(chǎn)量抑制作用越強[38]。本試驗中高量氮肥投入對棉田產(chǎn)量產(chǎn)生抑制作用，而CF-24% 處理較CF 處理籽棉產(chǎn)量下降不顯著，可能由于棉稈還田分解致使土壤養(yǎng)分得到補充。減施氮肥處理CF-16% 單株結鈴數(shù)與單鈴重較CF 處理差異未達到顯著水平，其氮肥農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥貢獻率較CF 處理明顯提升，產(chǎn)量也得到顯著增加，CF-16% 處理下活性有機氮、氮轉(zhuǎn)化酶活性與無機氮含量等其他指標表現(xiàn)也較好，說明合理的氮肥投入能夠提升土壤的供氮能力，促進土壤氮素轉(zhuǎn)化過程，增強土壤氮素的有效性與氮肥利用率，最終實現(xiàn)增產(chǎn)。

本研究中減氮配施有機肥較常規(guī)施肥均能夠不同程度地提高棉田產(chǎn)量與氮肥利用率，其中16%OF處理表現(xiàn)最佳，顯著提升了棉花的單鈴重與籽棉產(chǎn)量。而繼續(xù)提高有機肥施用比例（化肥施用量下降），土壤中微生物數(shù)量、活性及其可利用的碳源隨之增加，而土壤微生物分解有機質(zhì)過程中如氮素受限，易引起土壤微生物與植物爭奪氮養(yǎng)分，不利于植株的生長發(fā)育和進一步提升產(chǎn)量。

4 結論

在新疆棉花“連作+棉稈全量還田+高氮肥投入”農(nóng)作制度下，與常規(guī)施氮處理相比，減施無機氮肥不僅能夠改變土壤活性有機氮組分在土壤氮庫中的分配比例，還能夠減少無機氮在土壤中的累積，降低氮素流失風險，提高氮肥利用率，以CF-16% 處理效果最佳。有機肥替代部分化肥一方面能夠改善棉田土壤環(huán)境，增大土壤供氮潛力；另一方面能夠促進土壤氮素轉(zhuǎn)化，并通過降低20—60 cm 深層土壤NO3?-N 含量實現(xiàn)氮肥利用率的提升，增加棉花的單鈴重與籽棉產(chǎn)量，與單施化肥相比有機肥替代處理的提升效果更顯著。綜合考慮氮肥利用率、產(chǎn)量構成與產(chǎn)量表現(xiàn)，16%OF 處理為本試驗最優(yōu)處理，增產(chǎn)率達17.16%，有機肥替代比例過高，氮肥利用率反而下降。依據(jù)回歸模型，在減施氮肥9.9%～14.1%、有機肥替代16.6%～17.6% 化肥范