不同種類(lèi)有機(jī)肥碳、氮礦化特性研究

周 博，高佳佳，周建斌*

(1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100;2楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100;3農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100)

我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有施用有機(jī)肥的優(yōu)良傳統(tǒng)，有機(jī)肥的施用在提高作物產(chǎn)量、改善土壤肥力方面發(fā)揮了重要作用。近年來(lái)，化肥的大量施用，雖然使得有機(jī)肥占農(nóng)田土壤養(yǎng)分投入的比例逐漸降低，但有機(jī)肥提供養(yǎng)分的數(shù)量還在不斷增加。據(jù)作者在陜西關(guān)中地區(qū)日光溫室的調(diào)查，每年有機(jī)肥平均用量為1.95×106kg/hm2(鮮重)，新建日光溫室有機(jī)肥使用量十分高，最高每年有機(jī)肥用量達(dá)4.80×106kg/hm2(鮮重)。一些研究表明，日光溫室栽培下有機(jī)肥施入的氮量與化肥供應(yīng)的氮素相當(dāng)，或高于化肥提供的氮素［1－2］，但是施入的氮素如果不能被作物吸收利用，會(huì)造成土壤氮素過(guò)量累積，并引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題［3－6］。因此，研究有機(jī)肥的氮素礦化特性，掌握有機(jī)肥的氮素供應(yīng)能力，對(duì)減少肥料用量，提高氮素利用效率，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害具有重要意義。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用的有機(jī)肥種類(lèi)繁多，來(lái)源廣泛，不同有機(jī)肥養(yǎng)分特性存在明顯差異［7－9］;另外，有機(jī)肥礦化受溫度、水分、微生物種類(lèi)、自身理化性質(zhì)等因素的影響［10－13］，因此如何有效評(píng)價(jià)有機(jī)肥的供氮特性是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。室內(nèi)培養(yǎng)法是國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)常采用的研究有機(jī)肥供氮特性的方法，這一方法根據(jù)培養(yǎng)期間釋放的礦質(zhì)氮的含量評(píng)價(jià)有機(jī)肥氮素供應(yīng)特性。有機(jī)肥氮素的礦化釋放是微生物主導(dǎo)的生物化學(xué)過(guò)程，與有機(jī)肥自身的碳、氮含量有密切關(guān)系，但以往的研究往往多集中在有機(jī)肥氮素礦化研究方面［7－15］，關(guān)于有機(jī)肥碳素礦化及其與氮素礦化關(guān)系的研究相對(duì)較少。

本試驗(yàn)以陜西關(guān)中地區(qū)日光溫室栽培中常施用的雞糞、豬糞和牛糞為研究對(duì)象，采用室內(nèi)好氣培養(yǎng)的方法，研究了不同有機(jī)肥碳、氮礦化特性，旨在為合理施用有機(jī)肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

表1 供試有機(jī)肥的基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physicochemical properties of organic manures

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)以上述9種有機(jī)肥為研究對(duì)象，采用室內(nèi)好氣培養(yǎng)法研究有機(jī)肥碳、氮礦化特性。設(shè)不施有機(jī)肥對(duì)照(CK)和施用不同有機(jī)肥處理，共10個(gè)處理，重復(fù)3次。施用有機(jī)肥處理的有機(jī)肥加入量均按純N 100 mg/kg土壤(干基)進(jìn)行折算。

1.2.1 有機(jī)肥氮素礦化培養(yǎng)試驗(yàn) 將400.0 g土(干重)與有機(jī)肥混勻后，將含水量調(diào)到最大持水量的70%。將處理好的土樣裝入1000 mL的廣口塑料瓶中，用帶有通氣孔的塑料薄膜封口，再將廣口塑料瓶放置于培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25℃ ±2℃。從2009年4月23日開(kāi)始培養(yǎng)，每隔5d用重量差減法補(bǔ)充水分。分別在第0、1、2、3、4、6、8、11、14、17、20、23周進(jìn)行破壞性取樣，一部分土樣用以測(cè)定土壤含水量，一部分土樣用以測(cè)定礦質(zhì)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)含量。1.2.2有機(jī)肥碳素礦化培養(yǎng)試驗(yàn) 碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)與氮礦化培養(yǎng)試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。取氮素礦化培養(yǎng)試驗(yàn)中混好的有機(jī)肥、且調(diào)好含水量的培養(yǎng)土30.0 g，將土樣裝入鋁盒，再將鋁盒放入1000 mL的廣口塑料瓶中，同時(shí)放入裝有0.01 mol/L NaOH的三角瓶(考慮到培養(yǎng)前期二氧化碳釋放量高，所用氫氧化鈉的體積為50 mL，隨著碳釋放量的降低體積可以減少，培養(yǎng)后期體積調(diào)整為20 mL)，然后密閉，最后將密閉的廣口塑料瓶放置于培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)時(shí)間、溫度和取樣時(shí)間(將廣口瓶里的三角瓶取出，放入裝有剛配好的0.01 mol/L NaOH的三角瓶)與氮礦化試驗(yàn)相同。換取三角瓶時(shí)，調(diào)節(jié)土壤含水量，取出的三角瓶用稀鹽酸滴定法測(cè)定碳素礦化量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及計(jì)算方法

土壤和有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量均采用常規(guī)分析方法［16］。培養(yǎng)期間土壤礦質(zhì)氮測(cè)定采用1 mol/L KCL溶液提取，提取液中NO3－－N和NH4+－N含量用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定，兩者之和為礦質(zhì)氮含量。有機(jī)肥中的NO3－－N和NH4+－N用0.01 mol/L CaCL2提取［17］，測(cè)定方法同土壤礦質(zhì)氮的測(cè)定。

有機(jī)肥碳礦化量=施有機(jī)肥處理土壤碳釋放量－對(duì)照土壤碳釋放量

有機(jī)肥碳礦化率=有機(jī)肥碳礦化量/施入有機(jī)肥總碳量×100%

有機(jī)肥氮礦化量=施有機(jī)肥處理土壤礦質(zhì)氮量－對(duì)照處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮量

有機(jī)肥氮礦化率=有機(jī)肥氮礦化量/施入有機(jī)肥總氮量×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖;采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 培養(yǎng)過(guò)程中不同有機(jī)肥碳素釋放特性

從圖1可以看出，各處理土壤碳釋放累積量均隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷升高，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，各添加有機(jī)肥處理的土壤碳釋放量均顯著大于對(duì)照土壤。其中雞糞C－1處理土壤的碳釋放量最大，牛糞D－1處理的碳釋放量最小，分別為1.76 g/kg、1.29 g/kg，分別是對(duì)照土壤碳釋放量的1.84、1.36倍。有機(jī)肥加入土壤后，各處理碳釋放量均表現(xiàn)為前期礦化快(前6周)，而且雞糞的平均碳礦化量明顯大于豬糞和牛糞的平均礦化量，后期礦化較慢(后6周)，礦化量明顯降低，三類(lèi)有機(jī)肥間的平均碳礦化量的差異明顯變小。培養(yǎng)第1d平均碳礦化量高達(dá)0.175 g/kg，是整個(gè)培養(yǎng)期平均每天礦化量的18.31倍，是培養(yǎng)結(jié)束時(shí)每天礦化量的41.42倍。這與培養(yǎng)過(guò)程中微生物活動(dòng)所需的能量和養(yǎng)份變化有關(guān)。培養(yǎng)初期微生物可利用的碳、氮豐富，微生物活動(dòng)旺盛，致使碳釋放量較大;隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，可利用有機(jī)碳源不斷減少，碳釋放量減小。

從表2可以看出，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，雞糞C－2處理的碳礦化量最大，達(dá)138.41 g/kg;豬糞P－2的碳礦化量最小，為27.97 g/kg;有機(jī)肥平均碳礦化量為85.74 g/kg，平均礦化率為44.80%，變化范圍為22.24%～78.16%，變異系數(shù)為46.40%。不同類(lèi)型有機(jī)肥的碳釋放量相比，雞糞的平均釋放量顯著高于豬糞和牛糞，豬糞和牛糞間無(wú)顯著差異。同一有機(jī)肥類(lèi)型各處理的碳釋放量相比，三個(gè)雞糞處理間無(wú)顯著差異，而豬糞間和牛糞間均存在顯著差異，其中豬糞P－2處理顯著低于豬糞P－1和豬糞P－3，牛糞D－1顯著低于牛糞D－2和牛糞D－3處理。

圖1 不同處理培養(yǎng)期間碳累積釋放量的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamics of darbon mineralization from the different treatments during the incubation

表2 不同有機(jī)肥碳、氮礦化特性Table 2 C and N mineralization characteristics of different types of organic manures

分析不同有機(jī)肥碳素礦化率的動(dòng)態(tài)變化(圖2)，相同種類(lèi)有機(jī)肥在各培養(yǎng)時(shí)期的碳素礦化率并不相同，但變化趨勢(shì)基本相同，培養(yǎng)前期上升的快，培養(yǎng)14周以后基本保持平緩。不同種類(lèi)有機(jī)肥碳素礦化率的動(dòng)態(tài)相比較，雞糞的碳素礦化率明顯高于豬糞和牛糞，豬糞和牛糞之間的碳素礦化率曲線也有較大差異。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，不同有機(jī)肥的碳素礦化率相比，雞糞C－1處理的最大，牛糞D－1處理的最小，其值分別為78.16%、22.24%。雞糞的平均碳素礦化率顯著高于豬糞和牛糞，豬糞和牛糞間無(wú)顯著差異(表2)。同有機(jī)肥相比，3個(gè)豬糞處理間和3個(gè)牛糞處理間的碳素礦化率分別均無(wú)顯著差異，而3個(gè)雞糞處理間的碳素礦化率存在明顯差異，C－1和C－2處理顯著高于C－3處理(表2)。

圖2 不同有機(jī)肥碳素礦化率的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of C mineralization rates of different types of organic manures during the incubation

2.2 不同有機(jī)肥培養(yǎng)過(guò)程中氮素礦化特性

圖3 不同施肥土壤礦質(zhì)氮含量的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamics of mineral N contents in soil of different treatments

從圖3可以看出，增施有機(jī)肥的土壤礦質(zhì)氮含量高于對(duì)照土壤，表明施用有機(jī)肥顯著提高了土壤礦質(zhì)氮含量。在培養(yǎng)前11周，各處理土壤礦質(zhì)氮含量均隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷升高，增幅明顯;11周之后，各處理土壤的礦質(zhì)氮含量相對(duì)保持穩(wěn)定。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，雞糞各處理土壤礦質(zhì)氮含量均顯著大于對(duì)照土壤，而添加豬糞的P－1處理和添加牛糞的D－2處理的土壤礦質(zhì)氮含量與對(duì)照土壤無(wú)顯著差異，表明不同有機(jī)肥對(duì)提高土壤的礦質(zhì)氮含量的效果不同，雞糞的效果較為明顯。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，供試有機(jī)肥的平均氮素礦化量為4.97 g/kg，變異系數(shù)達(dá)50.61%。不同有機(jī)肥氮素礦化量相比，雞糞C－2處理的最大，為8.33 g/kg;豬糞P－2處理的最小，僅為1.56 g/kg(表2)。三種有機(jī)肥各自的平均氮素礦化量之間相比，雞糞顯著高于豬糞和牛糞，豬糞與牛糞無(wú)顯著差異。同一種類(lèi)有機(jī)肥氮素礦化量相比，3種雞糞間無(wú)顯著性差異，而豬糞P－1處理顯著高于P－2，牛糞D－3處理高于D－1。

從有機(jī)肥氮素礦化率的動(dòng)態(tài)變化(圖4)可以看出，不同種類(lèi)及同一種類(lèi)有機(jī)肥間的氮素礦化率動(dòng)態(tài)均不相同，特別是培養(yǎng)初期差異較大，這與有機(jī)肥自身的理化性質(zhì)差異有關(guān)。在培養(yǎng)第1周結(jié)束時(shí)，雞糞的氮素礦化率出現(xiàn)了負(fù)值，這與微生物對(duì)氮的固持有關(guān)。3種有機(jī)肥的9個(gè)處理的氮素平均礦化率為31.81%，最大為雞糞C－1處理，達(dá)49.23%;最小的為牛糞D－1處理，只有19.61%，氮素礦化率的變異系數(shù)達(dá)34.24%(表2)。雞糞、豬糞、牛糞的平均氮素礦化率相比，雞糞顯著高于豬糞和牛糞，豬糞和牛糞間無(wú)顯著差異。相同種類(lèi)有機(jī)肥間的氮素礦化率相比，雖然動(dòng)態(tài)變化曲線不同，但培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的礦化率均無(wú)顯著差異(表2)。

圖4 不同有機(jī)肥氮素礦化率的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamics of N mineralization rates of different types of organic manures

2.3 有機(jī)肥碳、氮礦化特性與其性質(zhì)間的關(guān)系

從表3可以看出，有機(jī)肥碳、氮礦化量均與有機(jī)肥全氮含量呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)顯著水平，而與全碳含量的線性相關(guān)系數(shù)均不顯著，說(shuō)明有機(jī)肥氮含量是影響有機(jī)肥碳、氮礦化量的主導(dǎo)因子。另外，有機(jī)肥碳礦化率與有機(jī)肥C/N比間的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平(表3)，表明在碳量充足的條件下，有機(jī)肥氮含量越高，碳礦化速率越快。

表3 有機(jī)肥礦化特性的相關(guān)性分析Table 3 Correlation coefficients among the mineralization parameters and the chemical properties of organic manures

3 討論

本研究表明，供試的3種有機(jī)肥的9個(gè)處理培養(yǎng)過(guò)程中碳、氮礦化特性差異較大(圖2，圖4，表2)。有機(jī)肥的碳素平均礦化率為44.80%，變化范圍為22.24% ～78.16%，變異系數(shù)為46.40%;有機(jī)肥的氮素平均礦化率為31.81%，礦化率的變異系數(shù)達(dá)34.24%。這與不同有機(jī)肥的來(lái)源、理化性質(zhì)、畜禽的種類(lèi)等因素有關(guān)。供試的三種類(lèi)型有機(jī)肥碳、氮的平均礦化量和礦化率相比，雞糞的碳、氮平均礦化量和礦化率顯著高于豬糞和牛糞，這與雞糞的C/N比相對(duì)較小(表1)、易激發(fā)土壤微生物活性和易發(fā)生礦化作用有關(guān)［18－20］。

本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，相同種類(lèi)有機(jī)肥其碳、氮含量、礦化量和礦化率相比也存在明顯的差異(表1，表2)。其中以供試的3個(gè)豬糞的碳、氮含量及礦化量的差異最為明顯，培養(yǎng)期間氮素礦化量呈成倍的差異，其原因與動(dòng)物飼料的來(lái)源、畜禽的年齡、有機(jī)肥的積制方式等不同有關(guān)。沈其榮等［21］研究表明，純豬糞與使用墊圈材料收集的豬糞的氮礦化特性明顯不同，前者的氮礦化量顯著高于后者。趙明等［15］對(duì)雞糞、豬糞和牛糞及其對(duì)應(yīng)的堆肥的礦化特性研究表明，有機(jī)肥經(jīng)堆制后其C/N比均顯著上升，而氮素的礦化量均顯著低于不堆制的糞肥。其他學(xué)者研究也發(fā)現(xiàn)，同為雞糞，其C/N存在較大的差異，好氣培養(yǎng)期間釋放的氮量也存在顯著差異［11，22］。由此可見(jiàn)，有機(jī)肥的養(yǎng)分礦化受多種因素的影響，礦化量變異性較大，生產(chǎn)中進(jìn)行有機(jī)肥養(yǎng)分管理時(shí)應(yīng)注意這一特性，否則難免會(huì)帶來(lái)偏差。英國(guó)環(huán)境、食品與鄉(xiāng)村事務(wù)部建立了有效評(píng)價(jià)有機(jī)肥氮素供應(yīng)的管理軟件，輸入有機(jī)肥的性質(zhì)參數(shù)，軟件即可估計(jì)有機(jī)肥氮素供應(yīng)及損失量等。我國(guó)有機(jī)肥種類(lèi)繁多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件千差萬(wàn)別，要實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥養(yǎng)分的科學(xué)管理，還需要做大量的研究工作。

同一種類(lèi)有機(jī)肥的碳、氮礦化量相比，相同時(shí)期的碳礦化量明顯高于氮礦化量，特別是培養(yǎng)初期碳礦化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮礦化量;培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，有機(jī)肥平均碳釋放量是氮釋放量的17.85倍(14.46～22.23倍)，這與微生物分解有機(jī)肥的特點(diǎn)有關(guān)。李世清等研究表明，微生物每吸收1份氮需要吸收4～5份碳以構(gòu)成自身細(xì)胞，同時(shí)將消耗20多份碳作為生命活動(dòng)的能量來(lái)源［23］。由于有機(jī)肥礦化分解過(guò)程中碳損失大而氮損失小，因此其殘留物的C/N比隨分解進(jìn)程而逐漸縮小，最終殘留物的C/N比大抵與土壤腐殖質(zhì)的C/N比相當(dāng)［24］。有機(jī)肥的殘留物是形成土壤腐殖質(zhì)的重要物質(zhì)，是有機(jī)肥培肥土壤的重要指標(biāo)。從本試驗(yàn)結(jié)果看，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)有機(jī)肥有21.8%～77.8%的碳和50.8%～80.4%的氮?dú)埩粼谕寥乐?，氮的平均殘留率高于碳的殘留率，這與柳敏等人的研究結(jié)果相同［25］。不同有機(jī)肥的碳、氮?dú)埩袈时容^，豬糞和牛糞的碳、氮?dú)埩袅看笥陔u糞，表明等量施氮量和同等礦化條件下，豬糞和牛糞培肥效果要好于雞糞。

由于本試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下進(jìn)行的，礦化溫度和水分條件均不同于日光溫室，日光溫室培養(yǎng)條件下有機(jī)肥的礦化特性與實(shí)際生產(chǎn)中日光溫室的礦化特性的差異有待進(jìn)一步研究。

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