腐熟牛糞在丘陵煙田的碳氮礦化特征及對土壤養(yǎng)分的影響

關(guān)鍵詞：腐熟牛糞；礦化特征；土壤培肥；煙田；滇東北

牛糞是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的一種有機(jī)肥，具有疏松多孔、肥效持久和養(yǎng)分多樣的特點(diǎn)[1-2]。研究[1-4]表明，適量添加牛糞可以提高土壤肥力，改善微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性，降低土壤重金屬含量。然而盲目過量施用牛糞不但不能使作物提質(zhì)增產(chǎn)，還會造成土壤中氮磷養(yǎng)分過量積累，對生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅。此外，牛糞施入土壤后，除部分有機(jī)氮礦化為無機(jī)氮被作物吸收利用外，大部分經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮對環(huán)境造成污染[5]，并且楊蕊等[6]發(fā)現(xiàn)牛糞在礦化過程中釋放大量的磷，長期施用會增強(qiáng)磷素的淋溶。因此，根據(jù)試驗(yàn)研究確定牛糞礦化率，明確其施入土壤后的礦化特征以及養(yǎng)分釋放規(guī)律，對合理、有效施用牛糞具有較為重要的指導(dǎo)意義。

以有機(jī)態(tài)形式存在的有機(jī)肥養(yǎng)分需經(jīng)過礦化作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)后才能被作物吸收利用，該作用一般時(shí)間較長[7]。對牛糞的礦化特征研究多以室內(nèi)培養(yǎng)法為主，不能真實(shí)反映牛糞在田間的礦化情況且研究結(jié)果差異較大[8]。相比室內(nèi)培養(yǎng)法，田間原位培養(yǎng)法可準(zhǔn)確反應(yīng)田間土壤、植物體與環(huán)境交互作用對肥料礦化的特殊影響[9]。王巖等[10]在田間條件下對綠肥礦化特征的研究結(jié)果表明，綠肥中有機(jī)碳礦化主要集中在掩埋后0～28d，有機(jī)氮礦化則主要集中在0～42d；葉協(xié)鋒等[8]認(rèn)為腐熟有機(jī)肥于煙株移栽前20d施入土壤，其碳氮礦化規(guī)律能夠滿足烤煙對養(yǎng)分的需求。但通過田間原位培養(yǎng)法對腐熟牛糞的動態(tài)礦化特征研究報(bào)道相對較少。

曲靖地處滇東北丘陵區(qū)，是全國重要的優(yōu)質(zhì)煙葉原料供應(yīng)基地[11]，但多年連續(xù)種植和不合理施用有機(jī)肥，導(dǎo)致土壤微生物群落失衡，限制了煙葉質(zhì)量的進(jìn)一步提高[12-14]。為準(zhǔn)確反映腐熟牛糞在滇東北丘陵煙田的礦化規(guī)律，本試驗(yàn)采用田間原位培養(yǎng)法，模擬牛糞在大田條件下有機(jī)碳、氮的礦化特征以及土壤培肥效果，旨在為滇東北丘陵煙區(qū)科學(xué)合理施用牛糞提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2023年在云南省曲靖市馬龍區(qū)黃土坡村（25°38′64″N，103°41′81″E，海拔1936.33m）進(jìn)行，該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均溫度為13.4℃，年平均降雨量1023mm，試驗(yàn)地2023年部分氣象指標(biāo)如圖1所示。試驗(yàn)地土壤類型為黃壤，表層土壤（0～20cm）基礎(chǔ)理化性質(zhì)：pH6.00，有機(jī)質(zhì)16.91g/kg，全碳10.05g/kg，全氮0.84g/kg，堿解氮82.99mg/kg，有效磷4.54mg/kg，速效鉀212.00mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用田間原位培養(yǎng)法，共設(shè)置2個處理：CK，移栽時(shí)在尼龍網(wǎng)袋中裝入煙田原位過10目篩土壤200g；T，在CK基礎(chǔ)上每個尼龍網(wǎng)袋中再裝入烘干（40℃）磨碎過10目篩腐熟牛糞20g，埋入前與原位土充分混勻。每個處理設(shè)置3個重復(fù)，各埋45袋，共90袋。

尼龍網(wǎng)袋規(guī)格為300目尼龍紗網(wǎng)制成的15cm×20cm可封口袋子，具有透氣、透水和不易降解的特點(diǎn)，可有效阻隔植物根系對尼龍網(wǎng)袋內(nèi)的養(yǎng)分吸收[10]。供試有機(jī)肥以新鮮牛糞為原料，采用堆漚發(fā)酵方式經(jīng)40d充分腐熟而成。腐熟牛糞養(yǎng)分含量為：C/N（碳氮比）15.01、有機(jī)質(zhì)353.13g/kg，全氮13.79g/kg，全磷3.57g/kg，全鉀28.73g/kg。供試烤煙品種為云煙301。2023年4月5日整地起壟，肥料用量及施肥方式與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)操作保持一致，即穴施純氮97.5kg/hm2，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1.5∶3。起壟時(shí)將尼龍網(wǎng)袋埋入兩煙苗移栽穴之間的壟體上距土表15cm處，埋入后澆少量原土懸濁液于尼龍網(wǎng)袋上，使之與土壤充分接觸。4月8日移栽，種植密度為13500株/hm2。煙田整地后，壟體上覆蓋地膜。根據(jù)試驗(yàn)地降雨量變化，烤煙移栽期滴灌量為2000mL/株，移栽后0～10d（還苗期）滴灌量1000mL/株，10～40d（伸根期）滴灌量2000mL/株，40～70d（旺長期）滴灌量2000mL/株，70d后直至采收結(jié)束為成熟期，該時(shí)期停止滴灌。

1.3測定項(xiàng)目與方法

從尼龍網(wǎng)袋掩埋日算起，每隔10d在兩個處理中各取3個尼龍網(wǎng)袋用于測定土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀和腐殖酸組分，烤煙生育期結(jié)束后停止取樣。每次取樣后分為兩份，一份用于測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，另一份自然風(fēng)干，分別過100目篩（篩孔直徑0.15mm）、60目篩（篩孔直徑0.25mm）和20目篩（篩孔直徑0.85mm），用于測定土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分，包括全氮、有機(jī)碳、有效磷、速效鉀和腐殖酸組分。

牛糞養(yǎng)分含量根據(jù)NY/T525—2012《有機(jī)肥料》方法測定[15]；土壤全氮含量采用凱氏定氮法，有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法，有效磷含量采用0.05mol/LHCl-0.025mol/L（1/2H2SO4）提取法，速效鉀含量采用乙酸銨提取法，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量采用氯化鉀浸提法[16]測定；土壤腐殖酸、胡敏酸和富里酸含量采用焦磷酸鈉-氫氧化鈉提取重鉻酸鉀氧化容量法測定，胡富比參照NY/T1867—2010的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算[17]。

腐熟牛糞中有機(jī)碳、氮礦化率和礦化速率的計(jì)算公式如下：

有機(jī)碳累積礦化量=測定有機(jī)碳含量?初始有機(jī)碳含量（1）

有機(jī)碳礦化速率=有機(jī)碳累積礦化量/掩埋時(shí)間（2）

土壤碳釋放量=該期土壤有機(jī)碳實(shí)測值（3）

有機(jī)碳礦化率=（T處理土壤碳釋放量?CK土壤碳釋放量）/施入有機(jī)碳量×100%（4）

有機(jī)氮含量=全氮含量?無機(jī)氮含量（硝態(tài)氮含量+銨態(tài)氮含量）（5）

有機(jī)氮累積礦化量=測定有機(jī)氮含量?初始有機(jī)氮含量（6）

有機(jī)氮礦化速率=有機(jī)氮累積礦化量/掩埋時(shí)間（7）

有機(jī)氮礦化率=（T處理土壤氮釋放量?CK土壤氮釋放量）/施入有機(jī)氮量×100%[18-19]（8）

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

采用MicrosoftExcel2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用SPSS22.0單因素（one-wayANOVA）對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，Duncan法進(jìn)行事后多重比較；采用Origin21軟件進(jìn)行繪圖。

2結(jié)果

2.1腐熟牛糞有機(jī)碳、氮礦化特征

由圖2和圖3可知，腐熟牛糞有機(jī)碳在掩埋前期分解速度較快，掩埋0～10d時(shí)，有機(jī)碳礦化速率最高0.47g/（kg·d），之后隨掩埋時(shí)間的增加而降低。掩埋10d時(shí)，礦化率達(dá)到25.47%，80d時(shí)有機(jī)碳礦化量占130d累積礦化量的93.49%，80d后礦化率趨于穩(wěn)定，表明腐熟牛糞中易礦化的有機(jī)物質(zhì)基本礦化完畢，進(jìn)入復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)的礦化階段。生育期結(jié)束時(shí)（掩埋后130d），有機(jī)碳礦化率為67.16%。

腐熟牛糞在掩埋10d時(shí)有機(jī)氮礦化速率最高為7.27mg/（kg·d），之后呈波動變化，掩埋后30d有機(jī)氮礦化率僅為10.85%；掩埋后20～40d和50～70d有機(jī)氮礦化速率升高；在掩埋后70d和80d，有機(jī)氮礦化率分別達(dá)到32.33%和39.63%，占掩埋期有機(jī)氮累積礦化量的81.12%和91.92%；掩埋80d后有機(jī)氮礦化速率逐漸放緩；掩埋后130d時(shí)，有機(jī)氮礦化率達(dá)到39.85%。

2.2腐熟牛糞礦化對土壤無機(jī)氮含量的影響

由圖4可知，掩埋過程中，腐熟牛糞處理土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無機(jī)氮總含量均顯著高于CK。硝態(tài)氮含量變化動態(tài)與無機(jī)氮總含量相似，二者均在掩埋0～40d較低并增長緩慢，40d后雖有波動但總體呈快速增長趨勢，至110d左右逐漸趨于平穩(wěn)。銨態(tài)氮含量遠(yuǎn)低于硝態(tài)氮，在掩埋0～10d最高，特別是腐熟牛糞處理遠(yuǎn)高于CK。之后牛糞處理銨態(tài)氮含量迅速下降、CK緩慢下降，二者均在60d時(shí)降至最低。掩埋后60～90d，兩處理銨態(tài)氮含量變化均較平緩，之后牛糞處理和CK分別在110和100d達(dá)到第二個高峰后下降，其中牛糞處理的峰高顯著高于CK，顯示其波動更劇烈。

2.3腐熟牛糞礦化對土壤有效磷、速效鉀含量的影響

由圖5A可知掩埋期內(nèi)T處理有效磷含量均顯著高于CK，CK土壤有效磷含量表現(xiàn)為隨著掩埋時(shí)間的增加呈波動上升趨勢，而T處理有效磷含量隨著時(shí)間的增加波動式下降，但掩埋后100～120d迅速增加，較CK顯著提升1.24～1.86倍。由圖5B可知，掩埋期間T處理速效鉀含量均顯著高于CK。CK處理在掩埋后0～100d土壤速效鉀含量變幅較小，在掩埋后100～130d呈上升趨勢。而T處理在掩埋后20～50d、80～110d含量變化較大，變化范圍分別為425.67～772.33mg/kg和416.00～663.67mg/kg，說明腐熟牛糞中速效鉀的釋放存在不穩(wěn)定性。

2.4腐熟牛糞礦化對土壤腐殖酸組分的影響

由圖6A和6B可知，T處理腐殖酸和胡敏酸含量在掩埋期內(nèi)變化趨勢相近，即在掩埋后10～60d兩者含量逐漸升高，在掩埋后60d時(shí)達(dá)到峰值，分別為7.53和4.27g/kg，在掩埋70d時(shí)分別驟降至5.92和3.13g/kg后趨于穩(wěn)定。由圖6C可知，在掩埋后10～60d，T處理富里酸含量較CK顯著提升36.33%～56.92%，CK土壤富里酸含量在整個掩埋期相對穩(wěn)定，而T處理富里酸含量在掩埋后100～120d上升，這可能與該期試驗(yàn)地降雨量大幅增加有關(guān)。除掩埋后10d和80d外，T處理在掩埋70d內(nèi)土壤胡富比均顯著高于CK（圖6D）；在掩埋后80～100d，T處理胡富比迅速升高，在掩埋后100d時(shí)較CK顯著提升29.85%。在掩埋期內(nèi)，T處理腐殖酸組分含量均顯著高于CK，這說明添加腐熟牛糞可以促進(jìn)土壤腐殖酸組分的積累。

3討論

3.1腐熟牛糞有機(jī)碳、氮礦化特征

本研究表明，腐熟牛糞在掩埋后0～10d有機(jī)碳、氮礦化速率最高，可能是由于掩埋前期土壤養(yǎng)分充足，而牛糞中也存在較多易分解的活性有機(jī)物質(zhì)，使得微生物大量繁殖進(jìn)而促進(jìn)了有機(jī)碳、氮礦化作用[20]。隨著土壤養(yǎng)分不斷被消耗，微生物活性降低以及腐殖質(zhì)的生成，有機(jī)碳、氮的礦化受到抑制，礦化速率下降[20-21]。周博等[18]研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)期內(nèi)牛糞有機(jī)碳累積礦化率為30.31%，與本試驗(yàn)牛糞有機(jī)碳累積礦化率（67.16%）有所差異，這是因?yàn)橹懿┑萚18]的供試材料為新鮮牛糞，其內(nèi)部大分子物質(zhì)較多，而本試驗(yàn)采用的牛糞經(jīng)腐熟后內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，水分含量較低，為好氧微生物繁殖提供了適宜的環(huán)境，提高了有機(jī)碳釋放量[22]。此外，本試驗(yàn)掩埋結(jié)束時(shí)腐熟牛糞有機(jī)氮累積礦化率為39.85%，低于葉協(xié)鋒等[8]對腐熟有機(jī)肥有機(jī)氮礦化率的研究結(jié)果（46.69%），這是由于葉協(xié)鋒等[8]所研究的腐熟有機(jī)肥全氮含量較高（22.34g/kg），且C/N（11.54）低于本試驗(yàn)中經(jīng)堆漚后的腐熟牛糞（15.01）。有研究表明[23]，C/N較小的禽畜糞易激發(fā)土壤微生物活性，容易發(fā)生礦化作用；Calderón等[24]和沈其榮等[25]發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥氮素礦化量及礦化速率與其C/N呈顯著負(fù)相關(guān)；李俊良等[26]對有機(jī)肥C/N與礦化率關(guān)系的研究結(jié)果表明，前者在3種不同培養(yǎng)條件下均與后者呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。

3.2腐熟牛糞礦化對土壤無機(jī)氮含量的影響

微生物通過氮素礦化作用將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成能被植物吸收利用的無機(jī)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮），銨態(tài)氮進(jìn)一步發(fā)生硝化作用生成硝態(tài)氮[27]。在本試驗(yàn)中，硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)高于銨態(tài)氮含量，占據(jù)了無機(jī)氮的大部分比例。掩埋后0～40d，硝態(tài)氮及無機(jī)氮含量均較低，40d后快速增加，期間牛糞處理始終顯著高于對照處理?？緹熢谝圃院?0d對氮素吸收量最多，移栽55d后吸收量急劇減少[28]，牛糞處理顯著增加土壤無機(jī)氮含量的結(jié)果，補(bǔ)充了其生長前期無機(jī)氮不足的缺陷，但也加重了后期無機(jī)氮過高的狀態(tài)。為確保烤煙在生長過程中對氮素的需求得到滿足且符合“少時(shí)富、老來貧、煙株長成肥退勁”的需氮規(guī)律，避免因土壤前期氮素含量不足、后期氮素積累過多而導(dǎo)致烤煙出現(xiàn)貪青晚熟的現(xiàn)象，建議牛糞于移栽前30d施入植煙土壤。

3.3腐熟牛糞礦化對土壤有效磷、速效鉀含量的影響

參照王樹會等[29]對云南植煙土壤有效磷含量的等級劃分，本試驗(yàn)供試土壤有效磷含量偏低（lt;10mg/kg），添加腐熟牛糞可顯著提升土壤有效磷和速效鉀含量，這說明牛糞施入對土壤養(yǎng)分向有效態(tài)轉(zhuǎn)化有明顯促進(jìn)作用，這與楊旖璇[30]和張小棟等[31]的研究結(jié)果一致。在本研究中，CK處理土壤有效磷含量隨時(shí)間的增加呈波動式上升，但施入牛糞后土壤有效磷含量隨著時(shí)間的增加呈波動式下降。這是由于牛糞直接帶入了部分無機(jī)磷[6]，因此在掩埋前期土壤有效磷含量高；但是隨著土壤微生物群落快速增殖過程中對無機(jī)磷的生物固定[32]以及土壤本身的固磷作用[6]，土壤有效磷含量逐漸下降。牛糞在掩埋期間土壤速效鉀含量波動較大，是由于有機(jī)物料在土壤中礦化受有機(jī)物料自身性質(zhì)、土壤類型、溫度和氣候等多種因素影響[9，18]，故對牛糞速效養(yǎng)分釋放規(guī)律還需多年份不同試驗(yàn)點(diǎn)的重復(fù)驗(yàn)證，對造成該現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析。

3.4腐熟牛糞礦化對土壤腐殖酸組分的影響

土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)在土壤中形成的一類特殊的高分子化合物，腐殖質(zhì)的積累在很大程度上影響著土壤肥力和植物的生長[33]。有機(jī)物料作為土壤新鮮有機(jī)質(zhì)的重要來源，其在土壤中的分解是形成新腐殖質(zhì)的前提[9]。作為腐殖質(zhì)中較為活躍的組分，胡敏酸分子結(jié)構(gòu)中包含眾多含氧活性官能團(tuán)，在氧化還原、緩沖性和離子交換等方面具有較強(qiáng)的能力，對優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)及改良土壤肥力具有重要作用；富里酸分子量雖小，但氧化程度和活性較高，其豐度與胡敏酸在土壤中的積累與更新密切相關(guān)[34]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，腐熟牛糞可顯著增加土壤腐殖酸、胡敏酸和富里酸含量，提高土壤胡富比，促進(jìn)腐殖質(zhì)的聚合和穩(wěn)定，這與范文思等[35]在四川會理對腐熟農(nóng)家肥的研究結(jié)果相似。

在本試驗(yàn)中，在腐熟牛糞掩埋后60～70d，土壤腐殖酸和胡敏酸含量下降且掩埋后期均無大幅度提升，這是由于該階段牛糞主要成分為脂溶性物質(zhì)、半纖維素、纖維素和木質(zhì)素等降解率較低的大分子物質(zhì)[36]，此時(shí)試驗(yàn)地正值雨季，土壤透氣量低，而已有研究發(fā)現(xiàn)在低氧高濕環(huán)境下，微生物對牛糞中的大分子物質(zhì)分解受到抑制[37-38]。但富里酸作為一種親水性有機(jī)物，結(jié)構(gòu)單一，主要是芳香族羥基羧酸類物質(zhì)，低氧高濕的環(huán)境有利于富里酸形成，這可能是牛糞掩埋后100～120d富里酸含量上升的原因[39]。此外，腐熟牛糞掩埋后80～100d土壤富里酸含量雖略有下降，但該期胡富比上升，說明此時(shí)土壤腐殖質(zhì)活化度增強(qiáng)，施入腐熟牛糞一定程度上提高了土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量[40]。

4結(jié)論

本研究表明，在滇東北丘陵煙區(qū)大田試驗(yàn)條件下，烤煙生育期內(nèi)腐熟牛糞有機(jī)碳累積礦化率為67.16%，礦化特征表現(xiàn)為前期快、后期慢，掩埋60d時(shí)有機(jī)碳礦化量占總礦化量的84.23%；有機(jī)氮累積礦化率為39.85%，礦化特征表現(xiàn)為前期慢、中期快、后期平緩，掩埋30d時(shí)有機(jī)氮礦化率僅為10.85%。施用腐熟牛糞可顯著提升土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量，促進(jìn)腐殖酸、富里酸和胡敏酸的積累，提高土壤胡富比。綜合考慮腐熟牛糞碳氮礦化規(guī)律和烤煙對養(yǎng)分的需求規(guī)律，可在煙苗移栽前30d施入以滿足烤煙“少時(shí)富老來貧”的需肥規(guī)律。