基于四川涼山煙區(qū)大田試驗(yàn)的腐熟農(nóng)家肥礦化規(guī)律分析

陳 宇，凌愛芬，李少鵬，李方新，岳東林，盧 劍，葉協(xié)鋒，武云杰，范文思，于建軍*

1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州市金水區(qū)文化路95 號 450002

2. 四川省煙草公司涼山州公司，四川省西昌市西郊鄉(xiāng)三岔口東路432 號 615000

3. 江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南京市中山北路406-3 號 210000

4. 甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，蘭州市七里河區(qū)南濱河中路1111 號 730000

5. 四川省煙草公司寧南縣公司，四川省涼山州寧南縣披砂鎮(zhèn)洗布壩37 號 615400

四川省涼山彝族自治州寧南縣烤煙種植歷史悠久，地理環(huán)境和生態(tài)氣候優(yōu)越，能夠滿足烤煙喜溫、喜光等生長特性[1]，成為卷煙生產(chǎn)的原料供應(yīng)基地之一。近年來，由于化肥濫用和煙草連作導(dǎo)致植煙土壤環(huán)境惡化，煙葉品質(zhì)下降[2-3]。

農(nóng)家肥多由家禽糞便和農(nóng)作物秸稈組成，具有養(yǎng)分全，肥效期較長，含微生物、酶等優(yōu)點(diǎn)，可改良土壤，增強(qiáng)土壤緩沖能力，維持土壤環(huán)境穩(wěn)定[4-5]。邵興芳等[6]研究發(fā)現(xiàn)，施用農(nóng)家肥可以提高土壤碳和氮含量，且顯著提高土壤氮素的礦化量和礦化率；王朔林等[7]研究表明，長期施用農(nóng)家肥可增加土壤總有機(jī)碳含量，使土壤有機(jī)碳組分的分配比例發(fā)生改變，顆粒有機(jī)碳分配比例增加，而礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳分配比例降低。但農(nóng)家肥中未被作物吸收的氮、磷，會(huì)造成土壤中氮、磷過量積累，也會(huì)引發(fā)一系列的生態(tài)問題[8-10]。因此，明確農(nóng)家肥的礦化特性，提高農(nóng)家肥利用率對煙葉生產(chǎn)具有重要意義。土壤腐殖酸是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵物質(zhì)，其中胡敏酸最為活躍且對土壤結(jié)構(gòu)的形成及土壤肥力有重要作用[11]，富里酸則是分子量較小的物質(zhì)，活性和氧化程度較高，影響著胡敏酸在土壤中的積累與更新[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，施用農(nóng)家肥能增加土壤胡敏酸和富里酸含量，提高胡富比（胡敏酸和富里酸含量的比值，可作為衡量土壤腐殖酸品質(zhì)優(yōu)劣的指標(biāo)。比值越大，腐殖酸品質(zhì)越好，土壤肥力越高）[13]。但有關(guān)腐熟農(nóng)家肥礦化對植煙土壤腐殖酸組分影響的研究報(bào)道較少[14]，目前研究農(nóng)家肥礦化的室內(nèi)方法較多[15-16]，而這些方法的缺陷是忽視了田間土壤、植物體與環(huán)境的復(fù)雜交互作用對農(nóng)家肥礦化的特殊影響[17-19]。因此，為了準(zhǔn)確反映煙葉產(chǎn)區(qū)農(nóng)家肥的礦化規(guī)律，采用掩埋砂濾袋的田間原位培養(yǎng)法，研究了腐熟農(nóng)家肥有機(jī)碳、氮的礦化特征，及其對土壤腐殖酸組分的影響，以期為植煙土壤保育和合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2016 年在四川省涼山州寧南縣進(jìn)行，試驗(yàn)點(diǎn)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫19.3 ℃，無霜期315 d，年均降雨量960 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 257 h。烤煙供試品種為云煙85，土壤類型為紅壤，試驗(yàn)地常規(guī)施肥為本試驗(yàn)選用的腐熟農(nóng)家肥和煙草專用復(fù)合肥（四川金葉化肥有限公司），施純氮量為90 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1.2∶3，腐熟農(nóng)家肥作為基肥于移栽時(shí)條施，煙草專用復(fù)合肥作為追肥于移栽后30 d 穴施，基追肥比例為6：4。按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行田間管理。試驗(yàn)地土壤耕層（0～20 cm）基本理化性狀：pH 5.92、有機(jī)質(zhì)33.27 g/kg、堿解氮125.66 mg/kg、速效磷23.12 mg/kg、速效鉀417.93 mg/kg。供試農(nóng)家肥為玉米秸稈和豬糞混合物，比例為2∶1，經(jīng)30 d 高溫堆漚腐熟而成。腐熟農(nóng)家肥養(yǎng)分含量：有機(jī)質(zhì)412.14 g/kg、全氮15.67 g/kg、全磷4.73 g/kg、全鉀47.10 g/kg、含水率25.05%。在每次取樣前記錄當(dāng)?shù)亟?5 d 的平均氣溫和天氣狀況，見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)處理。對照（CK）：選取300 g煙田原位耕層土壤，風(fēng)干過2 mm 篩后裝入砂濾袋；處理（T）：在對照的基礎(chǔ)上每個(gè)砂濾袋中再裝入烘干粉碎過2 mm 篩的農(nóng)家肥30 g，農(nóng)家肥與土壤混合均勻。每處理埋入12 個(gè)砂濾袋，3 次重復(fù)，每小區(qū)面積為222 m2，各小區(qū)采用“S”形布點(diǎn)埋袋。砂濾袋規(guī)格為孔徑48 μm 尼龍紗網(wǎng)制成的25 cm×25 cm 可封口袋子，耐腐蝕，不易降解，能通氣透水，但煙株根系不能伸入。煙苗于5 月8 日移栽，移栽前將砂濾袋埋入兩煙株移栽苗穴之間的壟體上，取一定量掩埋位置的原位土壤，加水混合制成原土懸濁液，澆附于砂濾袋上，使砂濾袋與土壤接觸，表層覆蓋5 cm 厚的細(xì)土。大田煙苗移栽后，壟體上覆蓋地膜。試驗(yàn)過程中分4 次取樣，從砂濾袋掩埋日算起，每隔30 d 在兩處理中各取3個(gè)砂濾袋，煙葉采收結(jié)束時(shí)最后一次取樣。取樣時(shí)采用取土鏟先鏟出1 個(gè)耕層斷面，盡量不破壞土壤結(jié)構(gòu)，清除砂濾袋表層附著的泥土，取出袋中土壤樣品用于各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

表1 天氣狀況Tab.1 Weather condition

1.3 測定項(xiàng)目與方法

采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化法（外加熱法）測定土壤有機(jī)碳；半微量凱氏定氮法測定土壤全氮；堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮；KCl 浸提-蒸餾法測定土壤銨態(tài)氮；酚二磺酸比色法測定土壤硝態(tài)氮；碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色分光光度法測定土壤速效磷；NH4OAc 浸提-火焰光度計(jì)法測定土壤速效鉀[20]。腐殖酸、胡敏酸（HA）和富里酸（FA）采用國際腐殖酸協(xié)會(huì)（IHSS）推薦的分析方法進(jìn)行樣品的分離和制備[21]，并采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測定[22]。

碳、氮礦化率的計(jì)算[23]：

有機(jī)氮含量=全氮含量-無機(jī)氮含量（無機(jī)氮主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮） （1）

有機(jī)碳礦化率=[1-（施有機(jī)肥處理有機(jī)碳?xì)埩袅?空白土有機(jī)碳含量）/加入的有機(jī)碳量]×100% （2）

有機(jī)氮礦化率=[1-（施有機(jī)肥處理有機(jī)氮?dú)埩袅?空白土有機(jī)氮含量）/加入的有機(jī)碳量]×100% （3）

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 23.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件Duncan 法進(jìn)行數(shù)據(jù)間差異的顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐熟農(nóng)家肥碳、氮礦化率的變化

腐熟農(nóng)家肥施入土壤后，碳和氮礦化率的變化趨勢基本一致，見圖1。表現(xiàn)為肥料施入前期礦化快，后期礦化慢。在掩埋后30 d 時(shí)，碳礦化率達(dá)50.23%，占礦化全過程（總礦化率）的61.75%。掩埋30 d 后，碳的礦化速率明顯減緩，這說明較易分解的有機(jī)物質(zhì)已被分解，將進(jìn)入復(fù)雜有機(jī)物的礦化過程。農(nóng)家肥在掩埋后60 d 時(shí)碳礦化率為65.13%，占總礦化率的80.07%。掩埋后120 d 時(shí)，碳礦化率達(dá)81.34%。與碳礦化相比，氮礦化主要集中于掩埋后60 d 之前。掩埋后30 d 時(shí)，氮礦化率快速增長達(dá)到30.62%，占總礦化率的61.15%；掩埋后60 d 時(shí)氮礦化率為46.26%，占總礦化率的92.39%；掩埋后120 d 時(shí)氮礦化率為50.07%。

2.2 土壤速效養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 土壤銨態(tài)氮含量的變化

由圖2 可知，在掩埋后30～120 d 期間T 處理銨態(tài)氮含量均顯著高于CK。在掩埋后30 d 時(shí)，CK 和T 處理銨態(tài)氮含量均達(dá)到峰值，分別為35.56 mg/kg 和62.30 mg/kg，且此時(shí)期兩處理銨態(tài)氮含量差異最大，為26.74 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 銨態(tài)氮含量趨于穩(wěn)定。在掩埋后90 d 時(shí)，T 處理銨態(tài)氮含量出現(xiàn)明顯回升，之后略有下降，并于掩埋后120 d 時(shí)達(dá)到46.86 mg/kg。

圖1 腐熟農(nóng)家肥碳、氮礦化率的變化Fig.1 Variations of carbon and nitrogen mineralization rates in well-rotten farmyard manure

圖2 土壤銨態(tài)氮含量的變化Fig.2 Variation of NH4+-N content in soil

2.2.2 土壤硝態(tài)氮含量的變化

CK 和T 處理的硝態(tài)氮含量變化見圖3。在掩埋后30 d 時(shí)，兩處理硝態(tài)氮含量差異不顯著，相差僅為5.97 mg/kg。CK 和T 處理硝態(tài)氮含量均在掩埋后30～60 d 和掩埋后90～120 d 時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)快速增長期，但施用農(nóng)家肥提高了硝態(tài)氮含量的增長速度，T 處理硝態(tài)氮含量在掩埋后30～60 d 和90～120 d 兩個(gè)階段分別增加22.13 mg/kg 和19.90 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 和T 處理間差異達(dá)到顯著水平。

圖3 土壤硝態(tài)氮含量的變化Fig.3 Variation of -N content in soil

2.2.3 土壤速效鉀含量的變化

由圖4 可知，在整個(gè)掩埋期T 處理速效鉀含量均顯著高于CK，且兩處理速效鉀含量變化趨勢差異較大，CK 速效鉀含量先下降后上升，T 處理速效鉀含量在肥料施入前期持續(xù)上升，后期趨于穩(wěn)定。在掩埋后30～60 d 時(shí)，CK 速效鉀含量由409.17 mg/kg 降低至371.57 mg/kg。T 處理速效鉀含量由460.23 mg/kg 升高至549.61 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 速效鉀含量不穩(wěn)定，數(shù)值波動(dòng)較大，而T 處理速效鉀含量較為穩(wěn)定。這說明施用農(nóng)家肥對速效鉀含量的變化起到緩沖效果。

圖4 土壤速效鉀含量的變化Fig.4 Variation of available potassium content in soil

2.2.4 土壤速效磷含量的變化

由圖5 可知，在砂濾袋掩埋期間，CK 和T 處理速效磷含量變化趨勢稍有不同。在掩埋后30～60 d，T 處理速效磷含量由36.27 mg/kg 快速增加至49.66 mg/kg，增值達(dá)13.39 mg/kg，而此時(shí)CK 速效磷含量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。在掩埋60 d 后，兩處理速效磷含量同時(shí)提高，T 處理于掩埋后90 d 時(shí)達(dá)到峰值，為52.72 mg/kg。在掩埋后120 d 時(shí)，CK和T 處理速效磷含量分別達(dá)到41.42 mg/kg 和

51.85 mg/kg。

圖5 土壤速效磷含量的變化Fig.5 Variation of available phosphorus content in soil

2.3 土壤腐殖酸及其相關(guān)組分的變化

2.3.1 土壤腐殖酸含量的變化

由圖6 可知，T 處理腐殖酸含量呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，且肥料施入前期上升速度快，后期上升速度慢。T 處理腐殖酸含量在掩埋后30～60 d 和60～90 d 分 別增 加10.03 g/kg 和1.19 g/kg；在 掩 埋 后120 d時(shí)，T處理腐殖酸含量達(dá)到峰值，為34.23 g/kg。而CK 處理腐殖酸含量整個(gè)掩埋期內(nèi)較為穩(wěn)定，在16.80～20.18 g/kg 范圍內(nèi)波動(dòng)。掩埋60 d 后，兩處理腐殖酸含量間差異均達(dá)到顯著水平。這說明施用農(nóng)家肥可以促進(jìn)土壤腐殖酸的積累。

圖6 土壤腐殖酸含量的變化Fig.6 Variation of humus acid content in soil

圖7 土壤富里酸含量的變化Fig.7 Variation of fulvic acid content in soil

2.3.2 土壤富里酸含量的變化

由圖7 可知，CK 和T 處理土壤富里酸含量總體上均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在掩埋后30 d時(shí)兩處理間差異不顯著。在掩埋后30～60 d 時(shí)CK 和T 處理富里酸含量均升高并達(dá)到峰值，分別為12.47 g/kg 和18.90 g/kg。掩埋60 d 后兩處理富里酸含量均開始降低。其中在掩埋后90 d 時(shí)CK富里酸含量為測試點(diǎn)中的最低值，為9.69 g/kg。在掩埋后120 d 時(shí)，CK 和T 處理富里酸含量分別為10.56 g/kg 和14.69 g/kg。

2.3.3 土壤胡敏酸含量的變化

由圖8 可知，在掩埋過程中CK 和T 處理胡敏酸含量均呈現(xiàn)上升趨勢，但二者上升幅度不盡相同。T 處理胡敏酸含量持續(xù)快速提高，而CK 胡敏酸含量變化較緩慢。隨著掩埋時(shí)間的延長，兩處理胡敏酸含量差異逐步增大，在掩埋后60、90 和120 d 時(shí)，T 處理胡敏酸含量較CK 增加量分別為5.56、10.46 和10.85 g/kg。這說明隨著農(nóng)家肥掩埋時(shí)間的推進(jìn)土壤腐殖化程度逐步提高，進(jìn)而促進(jìn)胡敏酸的形成。掩埋后30～120 d 期間T 處理與CK 胡敏酸含量差異均達(dá)到顯著水平。

圖8 土壤胡敏酸含量的變化Fig.8 Variation of humic acid content in soil

圖9 土壤胡富比的變化Fig.9 Variation of HA/FA ratio in soil

2.3.4 土壤胡富比的變化

由圖9 可知，掩埋后30～60 d 時(shí)，CK 和T 處理胡富比較為接近。在掩埋后60～90 d 時(shí)，T 處理胡富比快速升高，達(dá)1.22，在掩埋90 d 后，CK 與T處理胡富比差異均達(dá)到顯著水平。在掩埋后120 d時(shí)，T 處理的胡富比為1.33，遠(yuǎn)高于CK。這說明農(nóng)家肥能明顯提高土壤腐殖酸品質(zhì)，尤其在掩埋后期，土壤腐殖酸品質(zhì)對于農(nóng)家肥施入的響應(yīng)較為敏感。

3 討論

腐熟農(nóng)家肥施入土壤后，為微生物提供了豐富的碳、氮源，此時(shí)期微生物活動(dòng)劇烈，碳、氮礦化速率提高較快，且代謝產(chǎn)物中的有機(jī)酸可調(diào)節(jié)土壤pH 并溶解難溶性礦物，從而釋放出有效鉀和磷，提高土壤可用鉀和磷素水平[24-26]。隨著掩埋時(shí)間的延長，土壤中可被微生物利用的有機(jī)碳源和有機(jī)氮源逐漸減少，導(dǎo)致氮、碳礦化速率降低[27]。氮素與烤煙生長發(fā)育密切相關(guān)[28]，且土壤礦化氮量與烤煙吸收氮素間存在一定關(guān)系[29]，本研究中發(fā)現(xiàn)，腐熟農(nóng)家肥在掩埋后60 d 時(shí)的氮素礦化率已達(dá)46.26%，占掩埋全過程氮素總礦化率的92.39%，符合西南煙區(qū)烤煙吸收土壤氮素的規(guī)律[30]。說明合理施用腐熟農(nóng)家肥既能適時(shí)提供烤煙所需營養(yǎng)，保證其正常生長發(fā)育，又能避免煙株在生長后期吸收過多的氮素，影響煙葉正常成熟落黃。與馬興華等[31]的室內(nèi)礦化實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，可能是由于本試驗(yàn)中農(nóng)家肥礦化受到了當(dāng)?shù)靥鞖獾挠绊?。?qiáng)降水會(huì)造成土壤表面局部缺氧，土壤的硝化作用受到抑制，導(dǎo)致土壤中銨態(tài)氮積累[32]。這可能是腐熟農(nóng)家肥掩埋60～90 d T 處理和CK 土壤硝態(tài)氮含量下降，而土壤銨態(tài)氮含量沒有降低的主要原因。

本研究中腐熟農(nóng)家肥可增加土壤胡敏酸和富里酸含量，提高土壤的胡富比。與朱青藤等[33]的研究結(jié)果施用農(nóng)家肥未能增加土壤胡敏酸和富里酸含量不一致，這可能是因?yàn)橹烨嗵俚鹊脑囼?yàn)所用農(nóng)家肥未經(jīng)過充分腐熟，而本試驗(yàn)中四川省涼山州寧南煙區(qū)的腐熟農(nóng)家肥可為土壤微生物提供更充足的能源，各種酶活性顯著增強(qiáng)，進(jìn)而加速了腐殖化進(jìn)程[34]。掩埋初期T 處理的胡富比較低，一方面是因?yàn)閯偸┤朕r(nóng)家肥時(shí)，土壤富里酸的增加速度比胡敏酸快[35]；另一方面，在煙株生長初期，土壤營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富，微生物活動(dòng)加強(qiáng)，呼吸強(qiáng)度大，土壤CO2濃度較高，在高濃度CO2中富里酸比較穩(wěn)定，不利于轉(zhuǎn)化為胡敏酸，甚至能使胡敏酸分解形成富里酸[36]。掩埋后期，T 處理土壤富里酸含量下降幅度變緩，且胡敏酸上升幅度也隨之減慢，這可能是因?yàn)殡S著肥料施入時(shí)間的推移，富里酸比胡敏酸更容易“老化”（氧化程度和芳構(gòu)化程度更高），結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化[35]，富里酸更為穩(wěn)定，向胡敏酸的轉(zhuǎn)化量減少。由于農(nóng)家肥礦化與天氣條件、農(nóng)家肥品種和土壤類型等諸多因素有關(guān)，本試驗(yàn)僅為四川涼山州寧南煙區(qū)大田試驗(yàn)結(jié)果，而農(nóng)家肥的礦化規(guī)律還需多年份不同試驗(yàn)點(diǎn)的進(jìn)一步重復(fù)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）在四川涼山州寧南煙區(qū)大田試驗(yàn)條件下，施用充分腐熟農(nóng)家肥后，土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮快速礦化，而且均表現(xiàn)為肥料施入前期礦化速率快，后期速率變緩的特點(diǎn)。在掩埋后60 d 時(shí)，碳和氮的礦化率分別為65.13%和46.26%，分別占煙草全生育期碳、氮礦化率的80.07%和92.39%，符合烤煙“前促后控”的需肥規(guī)律。

（2）施用充分腐熟農(nóng)家肥能提高土壤速效氮、磷、鉀含量，且能對土壤速效磷、速效鉀的變化起到緩沖作用。在本試驗(yàn)條件下，于煙苗移栽時(shí)施入腐熟農(nóng)家肥，既能保證烤煙前期生長對養(yǎng)分的需求，同時(shí)可以降低氮素殘留等對環(huán)境污染造成的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）腐熟農(nóng)家肥進(jìn)入土壤后，能促進(jìn)胡敏酸和富里酸的形成，增加腐殖酸含量，提高土壤胡富比，尤其在煙草生長后期能顯著提高土壤腐殖化程度，對提高土壤肥力，以及促進(jìn)煙草可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。