我国秸秆资源丰富^[1]。作物秸秆含有纤维素、半纤维素、木质素等含碳化合物，在降解过程中，能显著增加土壤有机质含量，增加土壤肥力^[2]。土壤有机质的主要成分是碳和氮的有机化合物^[3]，而且是土壤氮素的主要存在形式，约占全氮90%以上^[4]。土壤无机态氮，包括速效氮和矿物固定态氮，其中水溶性铵、交换性铵和硝态氮是作物可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^[2]。土壤有机质和氮素形态及有效性是影响土壤肥力及作物产量的主要因素。

秸秆还田可以增加土壤有机质含量，增大土壤碳库。Potthoff等^[5]研究认为，秸秆施入土壤可以增加土壤微生物碳，进而增加土壤碳库存；Henriksen等^[6]报道，小麦秸秆施入土壤中发生激发效应，使土壤中矿物氮的含量显著增加，进而促进秸秆碳的矿化，提高土壤有机碳的含量；陈金等^[7]的研究表明，秸秆还田配施氮肥显著提高氮素利用率和作物产量。然而，也有研究显示，秸秆单独还田使当年作物减产。这可能是因为秸秆本身碳氮比高，导致秸秆降解过程中，微生物需吸收土壤中的无机氮以维持其代谢活动^[8]。汪军等^[9]研究证实，秸秆还田显著降低了土壤铵态氮和硝态氮的含量；赵鹏等^[10]研究表明，秸秆还田处理使土壤10~30 cm土层中硝态氮含量下降，降低了耕层土壤氮的有效性；Schmidt-Rohr等^[11]研究表明，水稻秸秆含有的木质素在厌氧条件下被微生物降解后，木质素芳环上的酚羟基可与土壤中的无机氮（铵态氮）结合，形成苯胺，固定土壤中的无机氮，降低土壤氮的有效性和作物产量。已有的研究多关注秸秆还田对土壤物理性状^[12]、土壤肥力和作物产量^[1]、土壤微生物和酶活性^[13]等方面的影响，但对有关小麦-水稻轮作制度下，秸秆连续还田对土壤有机质组成与不同形态氮素含量和有效性的影响及其机理缺乏深入研究。

红外光谱分析是研究物质组成结构、鉴别有机物的常用方法之一，可以对主要官能团如羧酸、酚、酰胺类物质、酯和饱和及不饱和的碳氢化合物进行定量和定性分析，为研究有机化学物质提供一个灵敏、快捷且低成本的方法。利用红外波谱手段对土壤有机质结构的分析，从物质结构角度了解土壤碳循环具有十分重要的意义。本试验研究安徽淮河流域小麦-水稻轮作体系中多年田间定位试验中秸秆还田对土壤全氮、有机氮和无机氮含量的影响，利用元素分析和红外光谱方法分析土壤有机碳、元素组成及其官能团的变化规律，旨在阐明秸秆还田对土壤有机质组成及不同形态氮素含量的影响及其机理，为沿淮地区秸秆还田后氮肥合理运筹提供理论依据。

试验在安徽省霍邱县宋店镇（116°3′E，32°36′N）进行，属亚热带过渡性气候，四季分明，雨水充沛，年降水量在610~1500 mm之间，多年平均降雨量954 mm。无霜期220 d左右，平均积温5623 ℃。日照时数全年平均为2 251.2 h，种植制度为小麦-水稻轮作。供试小麦品种为周麦23，水稻品种为新两优6号。供试土壤为4年小麦-水稻秸秆连续还田的水稻土。土壤砂粒（2~0.02 mm）占28%，粉粒（0.02~0.000 2 mm）占37%，黏粒（ < 0.00 2mm）占35%。耕层土壤（0~15 cm）有机质19.1 g·kg^-1，全氮0.72 g·kg^-1，碱解氮92.6 mg·kg^-1，速效磷22.8 mg·kg^-1，速效钾81.8 mg·kg^-1，pH5.6（土水比1∶2.5），CEC为13.6 cmol·kg^-1。

试验开始于2009年10月，采用随机区组设计，设置五个处理：不施秸秆不施肥（CK）；秸秆还田不施肥（S）；秸秆还田+基肥增施N肥45 kg·hm^-2（SF1，C/N：12∶1）；秸秆还田+基肥正常N肥施用量（SF2，C/N：18∶1）；秸秆还田+基肥减施N肥45 kg·hm^-2（SF3，C/N：24∶1）。每个处理3次重复，小区面积为30 m²。试验处理各施肥量如表 1。

表 1 田间小区试验施肥量 Table 1 Fertilizer application rates in experiment

表选项

秸秆还田方式为粉碎（长度为10 cm左右）翻耕还田。小麦还田秸秆量为6600 kg·hm^-2，水稻还田秸秆量为3300 kg·hm^-2。小麦秸秆C/N比为53∶1，水稻秸秆C/N比为105∶1。秸秆、磷肥、钾肥作为基肥一次性施入，氮肥使用尿素，小麦基肥：拔节肥比例为7∶3，水稻基肥∶返青∶拔节肥比例为4∶3∶3。磷肥选用过磷酸钙（P₂O₅ 12%），钾肥选用氯化钾（KCl 60%）。

在2013年10月水稻收获后，用土钻在各小区内按“S”法采集耕层土壤（0~15 cm）5个点混合，风干过筛后待测。

土壤有机质采用重铬酸钾氧化-浓硫酸外加热法测定^[14]。土壤全氮测定采用半微量凯氏法^[14]。无机氮含量为铵态氮、硝态氮与亚硝态氮含量之和，有机氮数值采用全氮与无机氮之差法确定。铵态氮采用2 mol·L^-1 KCl浸提、靛酚蓝比色法测定^[14]，土壤硝态氮和亚硝态氮参考李立平等^[15]的方法浸提，离子色谱法测定（DIONEX ICS-1100）。浸提方法：称取通过20目筛的风干土样5.0 g（精确到0.001 g）于100 mL 离心管中，加入50 mL超纯水，塞紧瓶塞，在25 ℃恒温振荡器上振荡24 h。振荡后在4000 r·min^-1 下离心15 min，取上清液。用0.45 μm 的滤膜过滤上清液，经此处理后的样品等待上机测定。

土壤全量有机质（SOM）参照Skjemstad等^[16]方法提取。准确称取过0.2 mm筛的土壤5 g放在100 mL离心瓶中，加入50 mL浓度为2%的HF溶液，以120~150 r·min^-1频率往复或者颠倒式振荡（1 h 5次；16 h 3次和64 h 1次）；每次振荡结束后，在2000 r·min^-1下离心10 min，上清液通过Millipor Durapore（5 μm）滤膜过滤，弃过滤后的上清液；离心瓶内土壤继续重复上述振荡、离心和过滤步骤。提取结束后，离心瓶内土壤用0.5 mmol·L^-1的CaCl2冲洗2至3次，把滤膜上的土壤与离心瓶中的土壤合并到锡箔或者铝箔容器中，冷冻干燥后在-40 ℃下保存，备用。

土壤有机质的元素组成采用德国Elementar Vario EL cube型元素分析仪测定，红外光谱特征采用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。

试验数据统计分析采用Origin 8.0和Excel 2003软件进行处理和作图。差异显著性检验（ANOVA）采用 SPSS19.0软件（P < 0.05），多重比较采用Duncan法进行分析。

与对照处理（CK）相比，单独秸秆还田不施肥（S）处理的土壤全氮和有机氮含量显著增加10.6%和10.9%（表 2）。土壤铵态氮含量有所降低，但差异不显著（P < 0.05），土壤硝态氮和无机氮含量分别降低32.2%和17.1%，均达显著差异水平（P < 0.05）。

表 2 土壤不同形态氮含量的变化（mg·kg^-1） Table 2 Content of different nitrogen forms under various treatments

表选项

与单独秸秆还田不施肥（S）处理相比，配施不同化肥后，SF1、SF2、SF3处理的土壤全氮含量分别增加7.2%、15.0%、9.8%，土壤有机氮含量分别增加7.1%、14.7%、9.6%（其中以C/N比值达到18∶1时，土壤全氮和有机氮含量最高）；土壤铵态氮含量分别增加9.8%、20.2%、10.1%，土壤硝态氮含量分别增加28.7%、125.6%、112.8%，土壤无机氮含量分别增加19.2%，51.7%，38.1%（其中当C/N比值达到18∶1时，土壤硝态氮和无机氮含量最高），均达显著差异水平（P < 0.05）。

图 1显示，与对照处理（CK）相比，S、SF1、SF2、SF3处理的土壤有机质分别增加7.8%、13.2%、16.6%、13.5%。秸秆还田配施化肥后，当C/N比值达到18∶1时，SF2处理的土壤有机质含量增加最为显著，达到22.2 g·kg^-1，较对照处理增加16.6%，达到显著水平（P < 0.05）。这表明秸秆还田或秸秆还田配施化肥都可以提高土壤有机质的含量。

图 1 不同处理对土壤有机质含量的影响 Figure 1 Soil organic matter content under different treatments

图选项

元素组成分析是判断有机质结构和性质最简单、最重要的方法之一，通过对元素的分析可以判断有机质可能的组成与结构^[17]。秸秆还田各处理土壤SOM的元素组成以碳、氧所占比例相对较大（表 3）。与对照处理相比，S、SF1、SF2、SF3处理土壤SOM中C，分别增加8.1%、6.2%、35.1%、7.0%，H分别增加4.0%、0.6%、17.1%、1.7%；N分别增加14.7%、15.7%、48.0%、16.7%。而SOM中O比对照处理有所降低，分别降低1.3%、3.0%、7.7%、7.9%。

表 3 不同处理对土壤有机质元素组成的影响 Table 3 Effects of different treatments on elemental composition of SOM

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与对照处理相比，S、SF1、SF2、SF3处理SOM的C/N比值分别降低5.8%、8.2%、9.4%、7.2%，其中以SF2（C/N为18∶1）处理的最低，且N与C均增加，说明有机质中含有较多的含氮官能团。S、SF1、SF2、SF3处理土壤SOM的O/C分别降低8.5%、8.5%、30.9%、13.8%，其中以SF2处理最低，且O下降，C上升，表明土壤SOM氧化度最低，土壤有机质含有较多的烷氧基和羧基，有助于腐殖质的稳定^[18]。S、SF1、SF2和SF3处理土壤SOM的H/C比值分别比CK处理降低了7.1%、7.1%、14.3%、7.1%，其中以SF2处理最低。H/C比值降低，说明土壤SOM的脂肪族成分在不断增加，由于脂肪族化合物是较稳定难分解的组分，意味着土壤有机质的变化朝着更加稳定性的基团转化^[19]。

利用土壤有机质的红外光谱，可以判断土壤有机质的演变程度^{[20, 21]}。不同试验处理土壤SOM的红外光谱谱形相似，表明不同秸秆还田处理条件下形成的SOM具有基本一致的结构（图 2）。根据红外光谱吸收峰的归属特征^{[22, 23]}，1080 cm^-1处为多糖或类多糖物质的C-O振动，1540 cm^-1处为氨基化合物N-H的变形振动或C=N的伸缩振动，1650~1640 cm^-1处为芳香族C=C的骨架振动或醌和氨基化合物的C=O振动，亦或氢键结合共轭酮的C=O振动，2920 cm^-1处为CH2的反对称伸缩振动或C-H的对称伸缩振动，3400 cm^-1为O-H的伸缩振动或氨化物和胺类N-H的伸缩振动。

图 2 不同处理对土壤全量有机质红外光谱（A）及二阶导数图谱（2000~900 cm-1）（B）的影响 Figure 2 Effects of different treatments on IR of soil organic matter（A）,and their second-derivative spectra（2000~900cm-1）（B）

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由表 4可知，与对照处理相比，秸秆还田不施肥（S）处理与配施不同氮肥的SF1、SF2、SF3处理在1080 cm^-1处的吸收峰有减弱的趋势，表明多糖类等小分子物质的减少。1540 cm^-1吸收峰的存在，表明有碳水化合物及蛋白质的存在^[20]。此处吸收峰相对强度的增加，表明氨基化合物的增加^[20]，与对照处理相比，S、SF1、SF2、SF3处理在1650~1640 cm^-1的峰相对强度有增加趋势，表明含氮基团酰胺物质有所增加^[22]。2920 cm^-1处相对吸光度增加，表明脂肪族结构中C-H的伸缩振动增强，说明在秸秆还田作用下，土壤有机质中脂肪族化合物增加及芳香结构成分增加。3400 cm^-1吸收峰是由于酚羟基、羟基或羧基的O-H振动引起的，该吸收峰强度的增加表明有机质中酚羟基、羟基或羧基含量增加。同时，与对照处理相比，S、SF1、SF2、SF3处理的2920 cm^-1/1620 cm^-1比值和1650 cm^-1/1080 cm^-1比值的增加，也表明在秸秆还田条件下，土壤中多糖类成分的减少，芳香性成分的增加。

表 4 SOM的IR 光谱主要吸收峰的相对强度 Table 4 Relative intensity of main absorption peaks in IR spectrum of SOM

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由表 5可以看出，与对照处理相比，秸秆还田不施肥（S）处理籽粒和秸秆氮素含量分别降低4.2%和5.7%，氮素吸收量和水稻实际产量分别降低6.0%和8.8%。与秸秆还田不施肥（S）处理相比，配施化肥后，SF1、SF2、SF3处理籽粒氮素含量分别增加28.6%、37.7%、23.6%，秸秆氮素含量分别增加34.3%、42.3%、31.4%，氮素吸收量分别增加64.3%、85.8%、72.1%。水稻实收产量分别增加23.5%、34.6%、30.6%。其中，当C/N比值达到18∶1时，籽粒和秸秆氮素含量最高，且水稻产量也最高，均达显著差异水平（P < 0.05）。

表 5 秸秆还田对水稻产量的影响 Table 5 Effects of crop straw returning on nitrogen and yield of rice

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土壤氮素主要以有机态氮的形式存在，须经分解和矿化，形成矿质态氮才能够被作物吸收利用^[24]。本文的结果表明，秸秆还田提高了土壤有机质，全氮和有机氮含量，增加了SOM中C和N的含量，与肖伟伟等^[25]的研究结果一致。与对照处理相比，秸秆还田降低了土壤铵态氮和硝态氮的含量，与李宗新等^[26]、唐玉霞等^[27]的研究结果相一致。一方面可能因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，使NH⁴₊转化为NO³_-，同时秸秆还田增加了土壤孔隙度，土壤水流沿土壤大孔隙下渗，致使硝态氮淋失加剧^[26]；另一方面可能是因为微生物利用土壤原有有机碳促进秸秆分解，但分解速度太快，导致部分氮素以气体N₂O损失。此外，秸秆腐解形成的木质素残余物中含有大量的芳香环，而芳香环上的酚羟基能够固定土壤中的无机氮，使之转化为植物较难利用的有机氮如苯胺。秸秆还田（S）处理SOM的红外光谱在1650~1640 cm^-1处的峰强度增加，证明了酰胺类物质的形成，在2920 cm^-1和3400 cm^-1处吸收峰强度的增加，表明脂肪族及芳香族结构成分的增加。这也验证了SOM元素分析结果中C/N和H/C比值下降的变化规律。

秸秆还田与化肥配施，能更好地提升土壤有机质和氮素含量。本实验结果表明，在不同碳氮比条件下，有机质、全氮、无机氮和有机氮含量以C/N比为18∶1（SF2）处理时最高。SOM的元素分析结果以C/N比为18∶1（SF2）处理时，C和N增加最为显著。同时，秸秆还田与化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。FTIR谱图显示，C/N比为18∶1（SF2）处理在1540 cm^-1和3400 cm^-1处吸收峰强度变化最为显著，说明苯酰胺类化合物所占比重增加，芳香碳比例上升，芳香性增强。这表明秸秆还田配施化肥后，增加无机氮含量的同时，更多的无机氮被固定成土壤有机态氮。

秸秆还田不施肥处理降低了当年水稻的产量，可能和秸秆腐解与水稻互相竞争氮素，造成作物可吸收氮素减少有关^[10]。这也验证了秸秆还田后无机氮下降，土壤SOM中C/N下降的变化规律。配施化肥后，SF1、SF2、SF3处理的水稻产量都有所增加，可能是因为秸秆还田配施一定量氮肥，可以调节土壤微生物碳氮比，促进秸秆的分解，同时补充了作物生长需要的氮素^[24]，缓解了土壤微生物与作物争氮源的矛盾。这与赵鹏等^[10]的研究结果一致。同时，在不同碳氮比条件下，当C/N比值为18∶1时，水稻产量最高。这与唐玉霞等^[27]研究表明不同碳氮比秸秆还田与化肥配施，应调整C/N≤20为宜的结果一致。

（1）单独秸秆还田增加土壤有机质和有机氮含量，但降低土壤无机氮含量。秸秆还田与化肥配施能显著提高土壤有机质和氮素含量，当C/N比为18∶1时，土壤有机质和氮素含量增加最为显著。

（2）同时秸秆还田使土壤SOM的C、O和N上升，H下降，C/N和H/C比值均降低，含氮组分增加，酰胺类物质增多，多糖等小分子化合物减少，脂肪族化合物增加及芳香结构成分增加，土壤有机质结构趋于稳定。

（3）单独秸秆还田会降低水稻产量，秸秆还田与化肥配施后能显著提高水稻产量，当碳氮比为18∶1时，产量最高，增产幅度最大。综合考虑，在秸秆还田条件下，建议调整C/N比为18∶1，作为沿淮地区化肥施用的参照指标。