有機肥與化肥配施下土壤氮組分變化與氮素利用率研究

慕 君，馬旭東，張丹丹，王敏鴿，張 霞，張育林，王旭東

(西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

化肥在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的作用[1]，但過量施用化肥引起的土壤退化和環(huán)境污染問題也一直是社會普遍關(guān)注的問題[2]，有研究發(fā)現(xiàn),長期施用化肥使得土壤pH值降低,造成土壤酸化[3]，進而引起土壤結(jié)構(gòu)退化，而化肥的淋失、顆粒損失、揮發(fā)損失等則引起了水環(huán)境和大氣環(huán)境的污染問題[4-5]?；蕼p量、化肥的有機替代是避免化肥過量施用的重要途徑[6]，近年來將畜禽糞便、作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物以及經(jīng)發(fā)酵腐熟、加工制成的有機肥進行還田已經(jīng)成為提高土壤供肥能力和資源有效再利用的重要舉措[7-8]。一些研究表明，有機肥代替部分化肥后不僅能增加產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)，還可以提高土壤質(zhì)量[9-10]、減少環(huán)境污染[11]。土壤氮素存在有機和無機兩種形態(tài)，施用化肥主要增加了土壤中的無機氮素，有機-無機肥配合施用對提高土壤有機氮含量有重要作用[12]。也有研究發(fā)現(xiàn)，有機肥與無機肥配合施用可提高土壤氮素的利用效率[13-15]。因飼料及其消化吸收方式的不同，不同種類畜禽糞便中氮素含量差異較大，其氮素組成(如酸水解氮、非酸水解氮等)也存在一定差異。糞肥與化肥配合施用后，土壤氮素組成以及有效性隨有機肥種類和性質(zhì)的不同而不同，但目前這方面的系統(tǒng)研究還較少。為此，本文采用不同種類有機肥與化學氮肥進行配合施用，通過盆栽試驗，探究有機肥與化肥配合施用條件下土壤氮素組成變化及供氮特征，從而為有機肥替代化肥提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤采自甘肅省張掖市河西走廊地區(qū)，土壤類型為灌漠土，土壤有機質(zhì)15.21 g·kg-1、全氮1.07 g·kg-1、速效磷12.56 mg·kg-1。供試的有機肥為牛糞、羊糞、雞糞、豬糞、秸稈以及商品有機肥，其氮、磷養(yǎng)分含量及碳氮比等見表1。

表1 不同有機肥養(yǎng)分含量Table 1 Nutrient content in different organic fertilizers

1.2 試驗處理

本試驗共設置8個處理，分別為對照處理(CK)、化肥處理(CF)、化肥+牛糞處理(CFCM)、化肥+羊糞處理(CFSM)、化肥+雞糞處理(CFCHM)、化肥+豬糞處理(CFPM)、化肥+秸稈處理(CFS)和化肥+商品有機肥處理(CFCOM)，每個處理設3次重復。具體操作如下：取過2 mm篩的土壤10 kg裝入培養(yǎng)盆(直徑25 cm、高25 cm)中，除對照處理外，各試驗處理的純氮用量為0.276 g·kg-1(干土)，有機肥用量為10 g·kg-1(干土)，調(diào)節(jié)水分為田間持水量的70%，后于10月10日種植天選58號小麥，期間以重量法定期調(diào)節(jié)水分，于次年6月2日收獲，同時將土壤樣品混合均勻，然后采集其中的250 g進行風干、研磨處理，用于分析土壤氮素及其他指標。

1.3 相關(guān)指標的測定

土壤全氮測定采用凱氏定氮法[16]；土壤堿解氮測定采用堿解擴散法[16]；土壤微生物量氮測定采用氯仿熏蒸法[17]；土壤有機氮分級采用Bremner法[18]；酸水解氮采用6 mol·L-1HCl酸解-凱氏半微量定氮法測定；酸解氨態(tài)氮采用MgO氧化蒸餾法測定；酸解氨態(tài)氮+氨基糖氮采用磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸餾法測定；酸解氨基酸態(tài)氮采用茚三酮氧化、磷酸鹽-硼酸鹽緩沖液蒸餾法測定；氨基糖氮和非酸解氮通過差減法求得。

1.4 指標計算及數(shù)據(jù)分析

投入總氮利用率(%)=(施肥處理地上植株吸氮量-不施肥處理地上植株吸氮量)/(化肥施氮量+有機肥帶入氮量)×100

運用Microsoft Excel 2016和Origin 2018進行數(shù)據(jù)處理及制圖。統(tǒng)計分析采用SPSS 19.0，多重比較采用LSD (Least significant difference) 法，差異顯著水平為0.05(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機肥配合施用化肥后土壤氮素養(yǎng)分的變化

2.1.1 土壤全氮的變化 不同有機肥配合施用化肥對全氮的影響(圖1)顯示，與單施化肥處理相比，化肥與羊糞、雞糞、豬糞或商品有機肥配合施用，土壤全氮含量分別提高了5.56%、6.48%、7.41%和8.33%，差異達到顯著水平(P<0.05)，化肥與牛糞或秸稈配合施用，土壤全氮也有提升(分別為2.78%和0.93%)，但差異不顯著。相對而言，豬糞、商品有機肥與氮肥配合后土壤全氮含量提升幅度較大。

2.1.2 土壤堿解氮的變化 添加有機肥后堿解氮含量均有不同程度的增加(圖2)，與單施化肥處理相比，化肥與羊糞、雞糞、豬糞或商品有機肥配合施用堿解氮含量分別提高了8.38%、9.20%、9.30%和11.23%，但化肥與牛糞或秸稈配合堿解氮增加不顯著。

2.1.3 土壤酸解氮與非酸解氮的變化 土壤有機氮可以分為酸水解氮和非酸水解氮兩部分。不同有機肥配合施用化肥對土壤酸水解氮的影響(圖3)顯示，與單施化肥相比，化肥與豬糞或商品有機肥配合施用，顯著提高了土壤酸水解氮含量(分別提高6.27%和7.17%)，配合施用其他有機肥的處理酸水解氮含量差異不明顯。

對非酸水解氮來說，與單施化肥相比，有機肥與化肥配合施用的各處理土壤非酸水解氮均顯著提高，平均增加了14.36%，其中以化肥與商品有機肥配合施用增幅最大(19.91%)，其余與化肥配合施用增幅由大到小的有機肥依次是雞糞(17.71%)、羊糞(16.61%)、牛糞(13.30%)、秸稈(11.10%)和豬糞(7.56%)。

2.1.4 土壤微生物量氮的變化 土壤微生物量氮的變化(圖4)顯示，與單施化肥相比，有機肥與化肥配合施用顯著提高了微生物量氮含量，提高幅度為15.38%～23.53%，其中以商品有機肥與化肥配施的提高幅度最高。

2.1.5 土壤酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和氨基糖氮的變化 土壤酸水解氮可以分為酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮和氨基糖氮等。不同有機肥配合施用化肥對土壤酸解銨態(tài)氮的影響(表2)顯示，與單施化肥相比，添加不同有機肥后酸解銨態(tài)氮含量均有不同程度的提高，其增加幅度為0.99%～6.18%，其中化肥與豬糞、商品有機肥配合施用達到差異顯著水平。

有機肥與化肥配合施用不同程度地提高了氨基酸態(tài)氮的含量，化肥與商品有機肥配合施用對氨基酸態(tài)氮影響較單施化肥達到差異顯著水平(提高9.00%)，其他有機肥處理的差異不顯著。

對于氨基糖氮，從表2可以看出，與單施用化肥處理相比，化肥與有機肥配合施用雖然增加了氨基糖氮的含量，但差異并不顯著。

表2 各處理土壤酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖氮含量Table 2 Soil acidolysis ammonium nitrogen, amino acid nitrogen,and amino sugar nitrogen content in different treatments

2.2 不同有機肥配施化肥對小麥籽粒產(chǎn)量及含氮量的影響

從圖5可以看出，與不施肥相比，施肥顯著增加了小麥籽粒產(chǎn)量；與單施化肥相比，化肥配合施用有機肥處理的小麥籽粒產(chǎn)量提高了1.39%～10.43%，籽粒產(chǎn)量增幅由高到低的有機肥種類依次是商品有機肥(10.43%)、豬糞(8.30%)、雞糞(6.90%)、羊糞(5.57%)、牛糞(2.54%)和秸稈(1.39%)，化肥配合施用商品有機肥處理的籽粒產(chǎn)量最高，較單施化肥處理差異達顯著水平。圖6顯示化肥配合施用有機肥較單施化肥的籽粒含氮量有一定的提高，但差異不顯著。

2.3 不同有機肥配施化肥后氮素利用率的變化

從不同處理投入總氮利用率的變化(圖7)可以看出，商品有機肥或豬糞與化肥配合施用，投入總氮當季利用率與單施化肥處理相當，無顯著差異，而其他處理投入總氮利用率均顯著下降，下降幅度大小依次是牛糞(18.56%)、秸稈(15.94%)、羊糞(15.64%)、雞糞(6.84%)。

2.4 不同因子間的相關(guān)性分析

由表3可以看出，土壤全氮與堿解氮、酸解氮、銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、微生物量氮顯著或極顯著相關(guān)；土壤堿解氮與土壤全氮、酸解氮、酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、微生物量氮均達到極顯著相關(guān)水平；酸解氮與土壤全氮、堿解氮、酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、微生物量氮顯著或極顯著相關(guān)；氮素利用率與土壤全氮、堿解氮、酸解氮、酸解銨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、微生物量氮呈顯著或極顯著相關(guān)；有機肥輸入碳量、有機肥輸入氮量、非酸水解氮與氮素各組分以及氮素利用率均未達到顯著相關(guān)水平。

3 討 論

土壤全氮是各種形態(tài)氮素的總和，作為供作物生長發(fā)育穩(wěn)定的氮源，其含量變化影響著土壤肥力[19]，本研究發(fā)現(xiàn)，施化肥前后土壤全氮含量沒有顯著變化，該結(jié)果與唐繼偉等[20]的研究結(jié)果一致。溫延臣等[21]研究表明，施用有機肥可以提高土壤全氮含量；本試驗也發(fā)現(xiàn)添加有機肥可以不同程度地提高土壤全氮含量。堿解氮是作物生長發(fā)育過程中可直接利用的有效氮。楊振興等[22]研究表明，長期施用化肥可以顯著提高土壤中的堿解氮含量，有機肥配施化肥效果更顯著；本研究發(fā)現(xiàn)，單施化肥對堿解氮含量無顯著影響，這可能是施肥周期較短引起的差異，化肥與有機肥配施后土壤堿解氮含量因有機肥種類不同而不同，牛糞和秸稈兩個處理的堿解氮含量增加不顯著，豬糞、雞糞、羊糞以及商品有機肥增加顯著，反映出不同種類有機肥對堿解氮影響存在差異。酸解銨態(tài)氮是植物易吸收利用的有效氮，其含量的高低直接影響土壤供氮潛力[23]，化肥配合施用有機肥可不同程度增加酸解銨態(tài)氮含量，這一方面該組分可能直接來源于有機肥，另一方面也可能是施用有機肥后土壤中微生物繁殖過程合成了該組分。唐繼偉、Xu等[20,24]發(fā)現(xiàn)，施用有機肥后氨基糖態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮有較多增加，本研究發(fā)現(xiàn)有機肥與化肥配合施用均不同程度提高了氨基酸態(tài)氮含量，而對氨基糖氮含量無顯著影響，這可能與氨基糖氮易礦化被微生物利用有關(guān)。微生物量氮可以反映土壤的微生物量，在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中具有重要作用[25]，本研究發(fā)現(xiàn)添加有機肥后微生物量氮均顯著提高，這與徐一蘭等[26]研究結(jié)果相一致，表明施用有機肥可以增加微生物數(shù)量，提高微生物活性。

在測定的土壤氮素指標中，多數(shù)有機氮指標含量的大小順序為商品有機肥>畜禽糞便>秸稈，這是由于商品有機肥經(jīng)過了堆肥化處理和腐殖化后熟過程，使其有機氮組分在堆肥過程發(fā)生了變化，提高酸水解氮及其組分的含量。秸稈還田一方面因其本身氮素含量較低，對土壤有機氮的組成影響較小，另一方面，秸稈的碳/氮比較高，也不利于微生物的活動和氮素的轉(zhuǎn)化[27-28]。幾種糞肥對土壤氮素組成的影響呈現(xiàn)出豬糞>雞糞>羊糞>牛糞的趨勢，這與動物因飼料和消化類型的不同對糞肥氮素本身組成影響有關(guān)，也與不同糞肥在土壤中氮素轉(zhuǎn)化和礦化特性不同有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，豬糞和雞糞在有機肥中氮的有效性較高[29]；張帆等[30]也認為雞糞的氮礦化率顯著高于羊糞和牛糞。本研究發(fā)現(xiàn)，商品有機肥、豬糞與化肥配合施用后氮素利用率與化肥處理相當，也進一步說明商品有機肥、豬糞中氮素有效性較高。李燕青等[31]發(fā)現(xiàn)豬糞以任何比例與化肥配合施用，其氮肥利用率都能達到與單施化肥相當?shù)乃健＝斩?、牛糞、羊糞與化肥配施，其氮素當季利用率比單施化肥低，可能與這些有機肥料的碳/氮比較高、有機氮礦化較慢有關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同有機肥所帶入的碳、氮量與氮素各組分以及氮素利用率的相關(guān)性均不顯著，因此不同有機肥自身的碳氮含量并不是直接影響土壤氮組分和氮素利用率的主要因素，有機肥配施化肥可能是通過自身的轉(zhuǎn)化如礦質(zhì)化、腐殖化以及微生物作用等對土壤氮組分和氮素利用率產(chǎn)生影響，其內(nèi)在機理需要進一步深入研究。

4 結(jié) 論

1)與單施化肥相比，有機肥與化肥配合施用不同程度地提高了土壤全氮、堿解氮、酸水解氮、非酸水解氮和微生物量氮的含量，其中以商品有機肥、豬糞、雞糞等增加的幅度較大。相對而言，秸稈與化肥配施后對土壤有機氮各組分影響較小。

2)與單施化肥相比，商品有機肥、豬糞與化肥配合施用，投入總氮當季利用率與化肥相當，其他處理則低于化肥處理；各處理小麥產(chǎn)量均有不同程度的提高，其中商品有機肥與化肥配合施用產(chǎn)量增加達到顯著水平。

3)在化肥與有機肥配合施用情況下，土壤全氮、堿解氮、酸解氮、酸解銨態(tài)氮、微生物量氮與投入總氮的利用率呈顯著或極顯著相關(guān)，是影響氮素有效性的主要因子；非酸水解氮與氮素利用率不相關(guān)。