有機無機配施體系中有機肥腐熟程度對化肥氮利用率的影響機制*

張 勇,徐 智,王宇蘊,鄧亞琴,劉美菊,尹元萍,鄭 魁,婁義晟,趙 兵

(云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 昆明 650201)

過量施氮不僅會加劇氮素流失、降低氮肥利用效率[1],還會導致土壤養(yǎng)分比例失調(diào)、酸化加劇[2]、水體富營養(yǎng)化和溫室效應[3]等一系列農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境問題。大量研究表明,配施有機肥是提高氮肥利用的重要途徑之一[4-6]。配施有機肥的實際意義是供給微生物增殖生長所必須的碳源[7],微生物能夠協(xié)調(diào)土壤氮的微生物固持與釋放[8],土壤中氮素的生物固持受土壤有效碳含量和質(zhì)量的影響[9],且土壤氮的微生物固持與土壤中易降解的有機質(zhì)含量存在顯著的正相關關系[10]。已有大量文獻表明,有機肥的施入可以增加土壤溶解性有機碳(DOM)等易氧化有機質(zhì)的含量[11-13],體現(xiàn)有機肥“補碳”的效果,但不同來源或不同種類的有機肥在與化肥氮配施時,對肥料氮利用率的作用效果明顯不同[14],這可能與有機肥本身、微生物可直接利用有機質(zhì)的含量有重要關系。

堆肥過程是有機廢棄物轉(zhuǎn)化為有機肥的重要環(huán)節(jié)[15],堆肥過程中碳的轉(zhuǎn)化既反映了有機物料的腐熟度,也表征了碳源有效性[16],因此有機肥“補碳”的效果可能也與其腐熟程度關系密切。15N示蹤技術(shù)是研究有機無機配施或單施氮肥影響氮肥利用、土壤氮殘留及氮損失等的重要方法[17-19]。近年來,關于配施有機肥提高肥料氮利用效率方面的研究主要集中在有機肥投入的量或有機肥的種類對氮利用效率的影響[20-22]。而未經(jīng)腐熟后的有機肥在施用后會出現(xiàn)“生糞咬苗”現(xiàn)象,故有機肥腐熟程度對化肥氮利用率影響的研究對有機肥有效施用尤其重要,但相關研究較少。本研究采用15N標記技術(shù),結(jié)合有機肥的腐熟度研究不同腐熟度有機肥對化肥氮的轉(zhuǎn)化和吸收利用的影響,探究有機無機配施體系中化肥15N吸收利用的主要影響因素,以期為促進我國有機肥的生產(chǎn)、應用和提高有機無機配施下化肥氮利用率提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 有機肥的制備

采用高溫好氧發(fā)酵方法,以雞糞、稻殼為堆肥的基本原料,C/N調(diào)節(jié)為25,水分調(diào)節(jié)為55%,進行條垛式堆肥,堆體長約50 m,堆體底部寬約1.6 m,高約0.6 m,堆肥物料共計40 t。采用國際通用的水芹(Lepidium sativumL.)種子測定的種子發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)代表堆肥腐熟程度,一般認為當GI值達到50%時,堆肥已基本達到腐熟[23]。在堆肥GI值接近50%時,密集取樣,繼續(xù)測定堆肥的GI值(同時留取約50 kg的堆肥物料結(jié)束堆肥發(fā)酵),最終按照GI值為50%、80%、100%為節(jié)點,選擇堆肥產(chǎn)物,作為后續(xù)研究的有機肥產(chǎn)品。

1.2 試驗材料

供試有機肥料為GI值為50%、80%、100%的有機肥,其養(yǎng)分含量如表1所示。供試無機肥料選取15N標記的尿素(N,46.7%,原子百分超10.1%)、過磷酸鈣(P2O5,16%)、硫酸鉀(K2O,50%)。供試土壤為山原紅壤,pH 5.24,有機質(zhì)13.73 g·kg?1,全氮1.30 g·kg?1,堿解氮44.61 mg·kg?1,速效磷9.04 mg·kg?1,速效鉀23.96 mg·kg?1。供試作物為育苗移栽的意大利生菜(Lactuca sativavar.ramosa

表1 不同腐熟度有機肥的養(yǎng)分含量Table 1 Nutrients contents of organic fertilizers with differentmaturity degrees

腐熟度用西芹的發(fā)芽率表示。The maturity degree is indicated by the germination rate of cress(Lepidium sativumL.).Hort.),種植前對土地進行翻耕和施肥,再將菜籽均勻地撒入,苗期為25 d,并選取大小相近的生菜進行移栽。

1.3 試驗設計

采用有機無機配施的方式,設計施肥處理進行盆栽試驗,其中氮施用量的50%來自有機肥、50%來自化學肥料。塑料盆口徑約22 cm,高度約15 cm,每盆裝土1.5 kg左右。有機肥的施用量為3.3 g·kg?1(土),試驗按照純氮(N)0.2 g·kg?1(土)、純磷(P2O5)0.2 g·kg?1(土)和純鉀(K2O)0.3 g·kg?1(土),有機肥、氮、磷和鉀肥攪拌均勻后一次性施入。以15NPK為對照(CK),設置15NPK+GI 50%有機肥(GI50)、15NPK+GI 80%有機肥(GI80)、15NPK+GI 100%有機肥(GI100)4個處理,每個處理3次重復,每個重復5盆,共60盆。

1.4 采樣與測定

1.4.1 樣品采集

在盆栽試驗的第3 d、第6 d、第12 d、第24 d和第36 d進行破壞性取土樣和植株樣品。每次選取土樣1 kg,分成2份,1份風干研磨,過1 mm篩備用;1份置于?4 ℃冰箱待用。第36 d植株鮮樣取回后測定其生物量,烘干研磨后保存。

1.4.2 指標測定與方法

土壤礦質(zhì)態(tài)氮(NH4+-N、NO3--N)使用Auto Analyzer 3 High Resolution連續(xù)流動分析儀進行測定。土壤微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸,K2SO4浸提法進行測定[24]。種子發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)按照Chen等[23]的方法進行,土壤凈硝化率按照Persson等[25]的方法計算:

式中:n為凈硝化率,mg·kg?1·d?1;n1為土壤硝態(tài)氮初始含量,mg·kg?1;n2為培養(yǎng)第t天時土壤硝態(tài)氮含量,mg·kg?1;t為培養(yǎng)天數(shù),d。

式中:MB15N為微生物生物量氮,FN為熏蒸浸提液中的氮,DN為不熏蒸浸提的可溶性氮。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理、作圖采用Microsoft Excel 2010軟件。單因素方差分析、相關分析使用SPSS 20.0軟件。RDA分析利用Canoco 5.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同腐熟度有機肥與無機肥配施對生菜生物量、15N吸收量及15N利用率的影響

表2所示,在第36 d,添加有機肥處理較CK處理生菜生物量、15N吸收量和15N利用率分別提高30.5%～56.1%、41.0%～91.0%和15.5%～41.8%(P＜0.05)。GI80和GI100處理較GI50處理生物量分別提高17.1%和19.6%(P＜0.05),GI80和GI100處理間無顯著差異;GI80和GI100處理較GI50處理15N吸收量及15N利用率分別提高31.8%、35.4%和15.8%、22.8%(P＜0.05),且GI100較GI80處理15N利用率提高6.0%(P＜0.05)。

表2 不同腐熟度有機肥配施無機肥處理下生菜生物量、15N吸收量及利用率的變化Table 2 Changes of lettuce biomass,15N absorption and utilization rate under different treatments of combined application of chemical fertilizer and organic fertilizers with different maturity degrees

2.2 不同腐熟度有機肥與無機肥配施對土壤含量的影響

隨著時間推移,土壤NH4+-N整體呈緩慢下降趨勢(圖1a),且GI50、GI80和GI100處理土壤NH4+-N含量均高于CK處理。土壤也表現(xiàn)出下降趨勢(圖1b)。試驗時期,添加有機肥處理較CK處理提高44.9%～74.2%(P＜0.05),GI80處理較GI50處理含量提高7.9%～11.5%,GI100處理較GI50處理含量提高11.5%～26.9%(P＜0.05);第24 d,GI80與GI100處理無顯著差異。的比例為70.5%～87.6%。初期各處理間無顯著差異,第24 d時,GI50和GI100處理較CK處理其比值提高20.0%和16.6%(P＜0.05)(圖1c)。

2.3 不同腐熟度有機肥與無機肥配施對土壤凈硝化速率的影響

土壤凈硝化速率隨時間推移整體呈現(xiàn)下降趨勢(圖2)。試驗期間,添加有機肥處理較CK處理降低10.8%～24.6%(P＜0.05)。至結(jié)束時,GI80處理較GI50處理凈硝化率降低15.0%,GI100處理較GI50處理凈硝化率降低12.5%(P＜0.05),GI80與GI100處理凈硝化率無顯著差異。

2.4 不同腐熟度有機肥與無機肥配施對土壤MBN和MB15N含量的影響

圖3a所示,土壤MBN呈先平穩(wěn)后上升趨勢。至結(jié)束時,添加有機肥處理較CK處理MBN含量提高26.8%～53.6%(P＜0.05)。土壤MB15N變化趨勢與MBN相一致,添加有機肥處理較CK處理MB15N含量提高67.3%～94.1%(P＜0.05),GI80處理較GI50處理MB15N提高6.0%～23.8%,GI100處理較GI50處理MB15N提高6.9%～25.5%(P＜0.05),而GI80與GI100處理無顯著差異(圖3b)。圖3c中,MB15N占MBN的比例為47.1%%～71.6%。第3 d,MB15N占MBN的比例較高,而第6 d后其比值有所下降,且添加有機肥處理較CK處理提高23.9%～33.4%(P＜0.05)。

2.5 土壤與植物各指標間的相關性

選取第36 d的試驗數(shù)據(jù)進行相關性分析(表3),生菜生物量、15N吸收量及15N利用率與土壤、、MBN、MB15N呈極顯著正相關關系,與、、凈硝化率呈極顯著負相關關系。本研究表明,適當增加有機肥的腐熟度有利于加強微生物固氮作用,增加土壤、、MBN和MB15N含量,降低土壤、含量和凈硝化率,一定程度上抑制了土壤硝化作用,提高化肥15N的利用效率(表2)。

2.6 影響化肥15N吸收利用的主要因素

以15N吸收量和15N利用率為響應變量,標記態(tài)銨態(tài)氮、標記態(tài)硝態(tài)氮、標記態(tài)微生物量氮(MB15N)、凈硝化率為解釋變量進行RDA分析(圖4)。從圖中可以看出,RDA1和RDA2的解釋度分別為96.9%、1.1%,雙軸共達到98.0%的解釋度,并且15N吸收量、15N利用率與、MB15N呈正相關關系,與、凈硝化率呈負相關關系,該結(jié)果與表3的相關分析結(jié)果相互印證。整體來看,標記態(tài)微生物量氮(MB15N)是影響化肥15N吸收利用的主要因素(解釋度93%、P＜0.01),這可能與較高腐熟度的有機肥加強了微生物對銨態(tài)氮的固持作用、提高土壤MB15N含量相關(圖3b)。

表3 各指標之間的相關關系Table 3 Correlation between various indicators

3 討論

3.1 有機無機配施體系中有機肥腐熟度對氮肥吸收利用的影響

有機無機配施對于提高作物對氮肥的吸收利用、增加作物產(chǎn)量具有重要意義[27]。本研究表明,相對CK(施無機肥)處理而言,有機無機配施可以明顯提高生菜生物量、15N吸收量和利用率。在不同腐熟度有機肥處理中,與GI50處理比較,GI80和GI100處理顯著提高了生物量、15N吸收量和利用率,且GI100處理較GI80處理15N利用率也表現(xiàn)出了顯著地增加趨勢,而GI100處理與GI80處理間生物量和15N吸收量無顯著差異。說明適當提高有機肥的腐熟度(GI≥80%)能夠明顯促進生菜對氮肥的吸收利用,增加生物量。這可能是因為有機肥腐熟度的不同影響了其“補碳”效果,進而引起土壤氮庫容量變化和影響化肥氮的轉(zhuǎn)化過程。

3.2 有機無機配施體系中有機肥腐熟度對土壤礦質(zhì)態(tài)氮和微生物量氮的影響

配施或增施有機肥可增加或改善土壤有機質(zhì)含量和質(zhì)量[12],提高微生物利用無機氮的能力[32],協(xié)調(diào)微生物對肥料氮的固定與釋放[16],促進微生物對化肥氮的有效調(diào)控[26]。本研究表明,各處理中土壤MBN、MB15N含量呈平穩(wěn)上升趨勢,并且有機無機配施處理較CK處理土壤MB15N含量顯著增加,這可能是有機肥的增施為微生物的增殖生長提供了必需的碳源,刺激微生物活性,加強了微生物對無機氮的固持。同時GI80、GI100處理較GI50處理MB15N含量也顯著提高,但GI80處理與GI100處理間無明顯差異,說明當GI值達80%或100%時,可以明顯增加土壤MB15N含量,提升土壤氮素水平。土壤MB15N所占MBN比例較大,這顯然與微生物固氮作用相關,而且這一固定作用在第3 d的比值最大,而第6 d后逐漸下降,這可能是土壤礦化作用引起的。此外,土壤凈硝化速率總體表現(xiàn)出下降趨勢,試驗結(jié)束時,GI80、GI100處理較GI50處理凈硝化率顯著降低,GI80處理與GI100處理間凈硝化率無明顯差異。說明在有機無機配施體系中當有機肥腐熟度為80%或100%時,可以顯著抑制土壤硝化作用。土壤凈硝化率的下降可能與大量被微生物同化導致硝化作用的底物減少、土壤含量緩慢增加相關[30]。

3.3 有機無機配施體系中有機肥腐熟度對化肥氮利用率的影響機制

有機肥能顯著增加土壤溶解性有機碳(DOM)含量[11],為土壤氮素轉(zhuǎn)化關鍵微生物提供基質(zhì)、養(yǎng)分及適宜的生存環(huán)境[33]。已有研究表明,在去除土壤中DOM的培養(yǎng)試驗中,土壤有機氮的累積礦化量顯著降低14.8%[34],而通過DOM加富試驗表明,添加DOM使得土壤含量緩慢降低,對硝化過程具有一定的抑制效應[35]。另外,當堆肥物料的GI值達50%時,表明堆肥已基本達到腐熟,當GI值達80%時,堆肥的植物毒性已經(jīng)基本沒有[36],而且堆肥的腐熟進程又可與DOM性質(zhì)建立聯(lián)系[37-40]。那么,在本研究過程中,有機肥腐熟度達80%或100%時,較50%更能夠提高氮肥利用率的原因除了有機肥本身不同的“補碳”效果外,還有可能是不同腐熟度有機肥中DOM性質(zhì)與有機物料毒性的高低導致的。

本研究通過對各指標進行相關分析發(fā)現(xiàn),生菜的生物量、15N吸收量及利用率與土壤、、MBN、MB15N呈極顯著正相關關系,與、、凈硝化速率呈極顯著負相關關系。進一步說明,適當提高有機肥的腐熟度增加了土壤MBN和含量,減緩了累積,從而提高氮肥利用率。RDA分析發(fā)現(xiàn)15N吸收量和利用率的增加主要由MB15N驅(qū)動,表明MB15N是影響化肥15N吸收利用的主要因素。其作用機理為:土壤微生物對具有持續(xù)固持作用,使得氮素以有機氮形式保存,提高了土壤氮的殘留,同時也降低了土壤向的轉(zhuǎn)化速度和凈硝化速率,對硝化過程起到一定的抑制作用,減少化肥氮的損失。

4 結(jié)論

盆栽試驗表明,與GI50處理相比,適當提高有機肥的腐熟度(GI≥80%)能夠明顯增加土壤含量,加強土壤微生物對的固持作用,提高土壤MB15N含量,降低土壤向的轉(zhuǎn)化速度,減少的累積量,顯著降低土壤凈硝化速率,從而促進生菜對化肥15N的吸收和利用,增加生物量。相關分析和RDA分析表明,MB15N、對15N吸收量與利用率具有正向影響,其中MB15N含量的增加是有機無機配施提高化肥15N利用率的主要原因。