采用微型滲漏計(jì)原位測定設(shè)施菜田有機(jī)肥氮素礦化特征

任珊露 張彥才 翟彩霞 陳麗莉 李若楠 王麗英，* 陳 清

（1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北石家莊 050051）

隨著我國集約化蔬菜生產(chǎn)的快速發(fā)展，人們更加重視食品安全和質(zhì)量。過量施用有機(jī)肥不僅帶來肥料的浪費(fèi)，而且可能出現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題。有機(jī)肥的施用可提高土壤的疏松程度，使土壤形成較好的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)（張艷潔和耿文，2010），增加孔隙度，有利于根系發(fā)育和下扎（Soumare et al.，2003）。施用有機(jī)肥不僅能改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)，也是減少作物氮素養(yǎng)分損失的有效方式（Gilly ＆ Eghball，2002）。我國設(shè)施蔬菜過量有機(jī)肥和化肥投入現(xiàn)象突出，有機(jī)肥帶入氮量為氮素投入總量的 40%～50%（宋賀 等，2011）。山東壽光多年試驗(yàn)表明，只施有機(jī)肥的處理氮素供應(yīng)能保證蔬菜產(chǎn)量不降低，而農(nóng)民常規(guī)施用有機(jī)肥和化肥的處理氮素表觀損失明顯增加，平均每季為852 kg·hm-2，約占氮素總投入的81%（Ren et al.，2010）。因此，菜田養(yǎng)分管理中有機(jī)肥氮素礦化的作用不容忽視。

施入土壤的有機(jī)肥經(jīng)降解后成為有機(jī)態(tài)氮進(jìn)入土壤中，而有機(jī)態(tài)氮必須通過土壤微生物的礦化作用才能轉(zhuǎn)化為可以被植物直接利用的無機(jī)氮。有機(jī)氮降解導(dǎo)致的無機(jī)氮增加通常被稱為凈礦化。定量有機(jī)肥的氮素有效性將為根層土壤氮素供應(yīng)、準(zhǔn)確推薦氮肥用量和施肥時期提供重要依據(jù)。有機(jī)肥氮素礦化受有機(jī)肥種類、含氮量、碳氮比、溫度和濕度等多種因素的影響，目前研究有機(jī)肥氮素礦化的方法有室內(nèi)培養(yǎng)法、植物吸收法、埋袋法和微型滲漏計(jì)法。微型滲漏計(jì)原位培養(yǎng)接近田間實(shí)際，以淋洗氮素作為礦化的有效氮。

本試驗(yàn)采用微滲漏計(jì)原位培養(yǎng)的方法，研究了不同用量的發(fā)酵雞糞、雞糞與秸稈配施以及堆肥等幾種有機(jī)物料的有機(jī)肥氮素礦化特征，以期為設(shè)施蔬菜有機(jī)肥管理及根層氮素調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2010年11月至2011年3月在河北省農(nóng)林科學(xué)院大河試驗(yàn)園區(qū)進(jìn)行，屬于溫帶季風(fēng)性氣候，年降水量550 mm，年平均氣溫13.3 ℃。供試溫室為帶保溫層的磚制后墻、無水泥柱的拱形結(jié)構(gòu)，外表面覆0.8 mm厚的聚乙烯棚膜，冬季棚膜上覆蓋草簾，沒有增溫措施。供試土壤來源于河北省辛集馬莊農(nóng)場，棚內(nèi)表層菜地粘質(zhì)壤土（0～20 cm），其有機(jī)碳含量為15.2 g·kg-1，全氮為0.96 g·kg-1，無機(jī)氮含量為161.32 mg·kg-1，土壤容重為1.35 g·cm-3。供試有機(jī)肥養(yǎng)分含量見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)采用微型滲漏計(jì)的方法（Nendel et al.，2005），裝置為田間微型滲漏計(jì)（Micro-lysimeter裝置，圖1）。該裝置分3部分：內(nèi)部的PVC管直徑20 cm，長40 cm，用于取原狀土柱，下部為可卸堵頭，堵頭內(nèi)為過濾層，下部有多個小孔便于滲水；外部PVC管直徑24 cm，長45 cm，底部為斜面，管壁粘有通到斜面底部的小管，用于取濾液；第三部分為外接抽濾裝置，可采用注射器或者真空抽氣泵。2010年6月首先將內(nèi)部的PVC管砸入土壤中取土，然后小心將 PVC管從土中取出，將內(nèi)管堵頭塞入石英砂，將內(nèi)管小心旋入堵頭，然后用螺絲固定。內(nèi)管按隨機(jī)區(qū)組排列放入外管。然后將整個試驗(yàn)裝置埋到田里。試驗(yàn)裝置在田里放置近6個月后（2010年11月）開始試驗(yàn)，將表層15 cm的土取出與有機(jī)肥混勻后施入，15～30 cm仍保持原狀土。為防止地表水進(jìn)入滲漏計(jì)，上沿須高出表土5 cm。

表1 供試有機(jī)肥養(yǎng)分含量

圖1 微型滲漏計(jì)構(gòu)造

1.2.2 試驗(yàn)處理 本試驗(yàn)設(shè)6個處理，5次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列。

① 對照（CK），不施用有機(jī)肥。

② 堆肥處理（CC1），施用有機(jī)肥200 kg·hm-2，折合每個滲漏計(jì)施氮量為628 mg。

③ 堆肥造粒處理（CC2），施用有機(jī)肥200 kg·hm-2，折合每個滲漏計(jì)施氮量為628 mg。

④ 低量雞糞處理（CML），施用有機(jī)肥200 kg·hm-2，折合每個滲漏計(jì)施氮量為628 mg。

⑤ 高量雞糞處理（CMH），施用有機(jī)肥400 kg·hm-2，折合每個滲漏計(jì)施氮量為1256 mg。

⑥ 高量雞糞加秸稈（CMHS），施用有機(jī)肥400 kg·hm-2，折合每個滲漏計(jì)施氮量為1256 mg，雞糞與玉米秸稈的氮素投入總量為400 kg·hm-2，并調(diào)節(jié)有機(jī)物料的C/N比為25∶1。

施肥前用清水淋洗所有土柱，使淋出液中無機(jī)氮濃度（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和）不超過 5 mg·L-1，認(rèn)為土柱中土壤礦化氮被完全淋洗。有機(jī)肥均為底施，施肥后將表層土壤與滲漏計(jì)四周管壁充分接觸，每個滲漏計(jì)灌水550 mL，使肥料與土壤充分濕潤但不產(chǎn)生淋洗，同時防止灌溉水沿管壁流下。以土壤容重計(jì)算土壤質(zhì)量含水量，按照田間持水量130%的灌溉量計(jì)算每次灌水量，灌溉量=田間持水量130%-灌溉前土壤質(zhì)量含水量，土壤含水量由氣象站測定（0～15 cm）。培養(yǎng)期間共進(jìn)行7次灌溉，用上述方法計(jì)算出灌溉量分別為18、32、51、41、76、51、70 mm。

2010年6月用滲漏計(jì)內(nèi)部的PVC管采集菜田土壤，埋入溫室內(nèi)，用水充分淋洗。有機(jī)肥礦化試驗(yàn)分為兩個階段，第一個階段為2010年11月23日到2011年3月16日，滲漏計(jì)中沒有種植作物。由于前期培養(yǎng)過程中低溫時期沒有作物蒸騰，導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)很慢，灌溉間隔時間長，而且氣溫升高時滲漏計(jì)內(nèi)土壤容易裂縫，導(dǎo)致灌溉水沿桶壁直接滲漏。為保證土壤不出現(xiàn)干裂，調(diào)整土壤水分，試驗(yàn)期間種植兩批普通白菜〔Brassica campestrisL.ssp. chinensis（L.）Makino var.communisTsen et Lee〕，第一批2011年3月17日定植，4月21日收獲；第二批5月16日定植，7月6日收獲。普通白菜生長期間只進(jìn)行灌溉，拔除雜草，培養(yǎng)期間普通白菜沒有發(fā)生病蟲害。采用自動氣象站自動記錄大棚內(nèi)空氣溫度、10 cm土壤溫度（AV-10T，AVALON，US）及土壤濕度（ECH2O-10，AVALON，US）。

1.3 測定項(xiàng)目及計(jì)算方法

每次灌溉結(jié)束后24 h收集抽取淋洗液，量筒測定淋洗液體積，然后用濾紙過濾；無機(jī)氮淋洗量采用連續(xù)流動分析儀（TRAACS2000）測定。普通白菜全氮含量（即普通白菜氮素吸收量）采用凱氏法測定（鮑士旦，2000）。

礦化量=有機(jī)肥處理淋洗液無機(jī)氮量+有機(jī)肥處理普通白菜氮素吸收量-對照淋洗液無機(jī)氮量-

數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行處理，用SAS 6.0進(jìn)行單因素方差分析與多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)肥處理無機(jī)氮淋洗量

從圖2-a可以看出，隨著培養(yǎng)時間的推進(jìn)，各處理有機(jī)肥的無機(jī)氮淋洗量表現(xiàn)出前期（0～9 d，為第一次取樣的生長階段）較低，中期（10～90 d）快速上升，后期（91～113 d）逐漸降低的趨勢。培養(yǎng)開始的0～9 d，各處理淋洗量約等于或低于對照，表現(xiàn)氮素固定現(xiàn)象，其中高量雞糞加秸稈處理的淋洗量顯著低于對照，固定效果最明顯；培養(yǎng)10～90 d，各處理氮素礦化量快速增加，高量雞糞處理的無機(jī)氮淋洗量為36.44 mg·柱-1，高量雞糞加秸稈處理無機(jī)氮淋洗量為33.15 mg·柱-1，略低于高量雞糞處理，顯著高于低量雞糞處理（26.48 mg·柱-1）、對照（21.72 mg·柱-1）、堆肥處理（20.61 mg·柱-1）和堆肥造粒處理（16.38 mg·柱-1），說明增加氮素投入量能提高有機(jī)肥氮素礦化量；培養(yǎng)91～113 d，各處理的無機(jī)氮淋洗量較前階段有下降趨勢。

圖2 不同有機(jī)肥處理對無機(jī)氮階段淋洗量和礦化量的影響

種植普通白菜后，采用淋洗液和植物吸收法相結(jié)合，有機(jī)肥氮素礦化量為無機(jī)氮淋洗量與植物氮素吸收量之和。從圖2-b可以看出，與種植普通白菜前相比，有機(jī)肥氮素礦化量大幅度增加。低量雞糞處理在培養(yǎng)114～152 d的無機(jī)氮淋洗量為37.22 mg·柱-1，該階段普通白菜的氮素吸收量為184.05 mg·柱-1，即該處理氮素礦化量為221.27 mg·柱-1，約為培養(yǎng)91～113 d該處理有機(jī)肥氮素礦化量的41倍。對照的無機(jī)氮淋洗量也有所增加，原因可能是種植普通白菜階段的棚內(nèi)溫度升高有利于有機(jī)肥氮素礦化；另外，也可能是普通白菜根系刺激土壤微生物加速了有機(jī)肥氮素礦化。隨著有機(jī)肥投入量的增加，有機(jī)肥氮素礦化量增加，高量雞糞處理顯著高于低量雞糞和高量雞糞加秸稈處理，添加秸稈增加了對有機(jī)肥氮素的礦化固定作用，降低了氮素礦化量。堆肥處理和堆肥造粒處理的無機(jī)氮淋洗量顯著低于低量雞糞處理，可能是堆肥處理提高了有機(jī)肥的碳氮比，降低了有機(jī)肥氮素礦化；堆肥和堆肥造粒處理間的差異不顯著，表明有機(jī)肥堆肥造粒與不造粒對有機(jī)肥氮素礦化的影響沒有顯著差異。

從圖3可以看出，從開始培養(yǎng)至113 d（2011年3月16日），氮素礦化累積量較低，但種植普通白菜后明顯增高，且各處理間氮素礦化量的差異增加。培養(yǎng)到152 d，高量雞糞處理的無機(jī)氮累積量與低量雞糞、堆肥、堆肥造粒處理和對照之間有顯著差異，但與高量雞糞加秸稈處理之間無顯著差異；高量雞糞加秸稈處理與堆肥、堆肥造粒和對照之間有顯著差異。低量雞糞處理也與堆肥、堆肥造粒處理和對照有顯著差異。這表明添加雞糞顯著增加了有機(jī)肥的氮素礦化量，且隨著有機(jī)肥施用量的增加，有機(jī)肥氮素礦化量加大。培養(yǎng)結(jié)束時，高量雞糞處理與高量雞糞加秸稈處理差異顯著，說明添加秸稈能固定氮素，顯著降低有機(jī)肥氮素礦化量。

2.2 不同有機(jī)肥處理氮素礦化速率

有機(jī)肥氮素礦化速率反映了有機(jī)肥階段時間內(nèi)氮素礦化的快慢，且受有機(jī)物料難易分解組分、環(huán)境因素（如溫度、水分）的影響。從圖4-a可以看出，培養(yǎng)0～9 d各處理都表現(xiàn)出氮素固定現(xiàn)象，高量雞糞加秸稈處理最為明顯。培養(yǎng)10～90 d，隨著培養(yǎng)時間的增加，各處理有機(jī)肥氮素礦化速率明顯增加；低量雞糞處理、高量雞糞處理和高量雞糞加秸稈處理的礦化速率顯著高于堆肥和堆肥造粒處理；高量雞糞處理的有機(jī)肥氮素礦化速率顯著高于低量雞糞處理，約為其氮素礦化速率的3倍。培養(yǎng)91～113 d也表現(xiàn)出類似的趨勢。

種植普通白菜后，培養(yǎng)114～152 d，雞糞各處理的氮素礦化速率迅速增加，其中高量雞糞處理約為培養(yǎng)91～113 d的6倍。高量雞糞處理最大，高量雞糞加秸稈處理和低量雞糞處理次之，堆肥和堆肥造粒處理最低。培養(yǎng)153～230 d，各處理的氮素礦化速率明顯降低（圖4-b）。

2.3 不同有機(jī)肥處理的氮素礦化量及礦化系數(shù)

氮素階段礦化量能直觀反映不同處理的階段氮素礦化特征。從表2可以看出，高量雞糞處理的各階段氮素礦化量均處于最高水平。培養(yǎng)10～90 d，高量雞糞處理的階段氮素礦化量比高量雞糞加秸稈處理和低量雞糞處理分別高28.9%和209.2%；在培養(yǎng)91～113 d，高量雞糞處理的氮素礦化量比高量雞糞加秸稈和低量雞糞處理分別高17.8%和211.3%，說明增加雞糞投入顯著增加其氮素礦化量；與不種普通白菜相比，第一茬普通白菜種植階段（114～152 d），雞糞 3個處理的氮素礦化量大幅增加，堆肥和堆肥造粒處理的增加幅度不明顯；第二茬普通白菜種植階段（153～230 d），雞糞處理的氮素礦化量比第一茬普通白菜低，但堆肥處理的氮素礦化量反而有所增加，表明堆肥在培養(yǎng)后期的氮素礦化量比前期大，而雞糞在培養(yǎng) 3個多月后開始進(jìn)入有機(jī)氮緩慢礦化時期。

圖3 不同有機(jī)肥處理的無機(jī)氮累積量

圖4 不同有機(jī)肥處理的階段氮素礦化速率

從表 3可以看出，培養(yǎng)結(jié)束時，高量雞糞處理的氮素投入量為低量雞糞處理的兩倍，其礦化系數(shù)為 53.22%，顯著高于低量雞糞處理的 24.16%，因此，增加氮素投入量顯著增加了氮素礦化系數(shù)；同等氮素投入條件下堆肥的氮素礦化量和礦化系數(shù)顯著小于低量雞糞處理；高量雞糞處理和高量雞糞加秸稈處理的氮素礦化系數(shù)分別為 53.22%和 37.90%，添加秸稈顯著降低了氮素的礦化系數(shù)。結(jié)合植物吸收法比較（114～230 d），普通白菜種植后提高了有機(jī)肥氮素礦化系數(shù)。

表2 不同有機(jī)肥處理的氮素礦化量（2010-11-23至2011-07-11）

表3 不同有機(jī)肥處理的累積氮素礦化量及礦化系數(shù)

3 結(jié)論與討論

在本試驗(yàn)條件下，雞糞和秸稈作為速效養(yǎng)分，其氮素礦化速率和礦化系數(shù)顯著高于堆肥處理。增加氮素的投入量顯著增大了有機(jī)肥的氮素礦化速率和礦化系數(shù)，高量雞糞加秸稈處理和高量雞糞處理的氮素礦化系數(shù)分別為37.90%和53.22%，高量雞糞處理的氮素礦化系數(shù)為低量雞糞處理的兩倍多。?？×岬龋?010）研究指出，C/N比為 17～21，可作為有機(jī)肥料中氮素固定和礦化的臨界值，同等條件下，隨著物料C/N比的增加，土壤中迅速分解有效氮比例降低。

一般認(rèn)為雞糞施入土壤后第一年的礦化率為50%（Pettygrove et al.，2009）。試驗(yàn)未種植普通白菜前，雞糞處理的礦化系數(shù)僅為1.60%～2.67%，這個階段設(shè)施內(nèi)溫度較低，氮素礦化量低，而且可能是沒有種植作物不能感受根系對于有機(jī)物料礦化的刺激，無機(jī)氮庫很難處于良好的流通狀態(tài)。而種植普通白菜后，不同用量雞糞處理的氮礦化系數(shù)增加到24.16%～53.22%?？赡苁窃O(shè)施內(nèi)溫度升高，隨著有效積溫的升高，氮素礦化系數(shù)增加。李俊良和韓瑯豐（1996）室內(nèi)培養(yǎng)也得出有機(jī)肥氮素礦化量與有效積溫呈直線相關(guān)的結(jié)論；Griffin和Honeycutt（2000）研究表明，30～35 ℃是有機(jī)肥氮素礦化最適宜的溫度，因此，本試驗(yàn)中不同培養(yǎng)階段的氮素礦化量和礦化系數(shù)也受溫度的影響，與有效積溫的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。微型滲漏計(jì)原位培養(yǎng)方法能較好地模擬田間環(huán)境，反映設(shè)施菜田體系下的氮素礦化動態(tài)，但本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它的測定值明顯低于田間實(shí)際的有機(jī)物料氮素礦化量。

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