特制有机肥提高贵州黄壤氮矿化和硝化率的研究*

2020-08-25 03:38杨振智符德龙史艺杰徐胜祥王美艳史学正
土壤学报 2020年4期
关键词:特制铵态氮硝态

陈 雪,翟 欣,杨振智,符德龙,史艺杰,徐胜祥†,王美艳,史学正

特制有机肥提高贵州黄壤氮矿化和硝化率的研究*

陈 雪1,翟 欣1,杨振智2,符德龙1,史艺杰3,徐胜祥3†,王美艳3,史学正3

(1. 贵州省烟草公司毕节市公司,贵州毕节551700;2. 贵州毕节市烟草公司金沙公司,贵州金沙551800;3. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所),南京210008)

植烟土壤中的氮素形态比例是优质烟叶生产的关键,合理施用有机肥可以调节土壤中不同形态氮素矿化水平。以贵州植烟黄壤为研究对象,采用Stanford长期好气间歇淋洗培养法,研究并模拟了不同特制有机肥施用量(0(CK),750 kg·hm–2(1F),1 500 kg·hm–2(2F),2 250 kg·hm–2(3F))下的土壤氮素矿化过程。结果表明,供试贵州黄壤培养5 d后硝化率低于10%,后期硝态氮释放比例严重偏低,土壤在烟草旺长期能供给的硝态氮总量为66.89 mg·kg–1,不能满足烟草全生育期内的需氮情况。特制有机肥施用后土壤速效氮矿化速率均呈“前快后慢”趋势,前期矿化量高,后期矿质氮素释放减少并逐渐稳定,符合烟草生长对氮的吸收规律。特制有机肥施用显著提高了土壤速效氮矿化量,速效氮矿化量最多增长420.1%,硝态氮最多增长276.6%。添加特制有机肥显著提高了植烟黄壤硝化率,硝化率增幅范围为8.1%~50.4%。3F处理特制有机肥施用量条件下,土壤硝化率变化范围为43.69%~51.22%,最符合烟草对不同形态氮素的吸收比例,有助于提高烟株产质量。综上所述,每公顷施用2 250 kg特制有机肥最适宜贵州黄壤烟草种植。

有机肥,烟草,氮矿化,硝化率,黄壤

氮素在所有营养元素中对烤烟产质量影响最大,烟草全生育期吸收的氮素2/3来自于土壤矿化氮[1-2]。硝态氮铵态氮均是烟草生长的有效氮源,土壤中不同氮素形态比例对烤烟品质具有重要影响。因此,基于氮素形态比例研究有机肥施用对植烟土壤氮矿化规律的影响,对于指导烟草农业生产具有重要意义[3-4]。

当前,关于农田土壤氮矿化能力的研究已有很多,主要以土壤氮素矿化量和氮矿化速率作为反映土壤氮素供应能力的指标[5],集中反映了土壤氮矿化水平的地域性差异和影响因素。首先,不同地区不同土壤氮矿化势差异明显,中国陆地生态系统土壤氮矿化速率随纬度的增加而降低[6],我国南部主要植烟黄壤、紫色土、红壤、水稻土平均矿化势在150.1 mg·kg–1以上[7-8],其中长江中上游烟区、长江中下游烟区、西南烟区土壤矿化势分别为127.8 mg·kg–1、135.0 mg·kg–1和160.5 mg·kg–1[9]。其次,不同施肥处理的土壤氮矿化过程差异明显[10],石博文等[11]研究发现湖北棕红壤低量(30 t·hm–2)、中量(60 t·hm–2)、高量(120 t·hm–2、150 t·hm–2)有机肥与尿素(N 225 kg·hm–2)与单施尿素相比无机氮最大矿化量增加52.9~246.0 mg·kg–1,有效矿化时间延长5 d;王正银和青长乐[12]在四川重庆北碚的中性紫色土研究发现在空白处理、加猪粪、加牛粪和加鸡粪的不同处理中土壤氮矿化量分别为136.0 mg·kg–1、304.5 mg·kg–1、317.5 mg·kg–1、406.5 mg·kg–1。此外,耕作方式也通过影响空气与水分运移进而影响有机氮矿化过程,刘世平等[13]研究扬州灰潮土不同耕作措施的稻麦轮作地发现土壤矿化氮量大小为:连少耕>连耕和轮耕土,植株总吸氮量为连少耕157.0 kg·hm–2,连耕166.5 kg·hm–2,轮耕182.7 kg·hm–2。以上研究表明不同地区不同管理措施下的土壤供氮能力存在明显差异,不同地区烟草生产中通过增施有机肥提高土壤氮矿化速率,应调节土壤供氮能力与烟草生长的需氮规律相契合。烟草是一种喜硝作物,当土壤中可吸收的硝态氮比例提高可以促进烤烟品质提升。大量研究表明,当烟草吸收的硝态氮和铵态氮各占50%时,烤烟品质最佳[14],所以植烟土壤的硝化率也是决定烟草质量的关键因素[15-16],当前却鲜有关于通过施用有机肥提高植烟土壤硝化率影响的研究[17-18]。

本研究以贵州黄壤为研究对象,采用间接淋洗好气培养法,研究添加不同质量特制有机肥对土壤氮矿化速率、氮矿化量和硝化率的影响,旨在确定植烟黄壤中特制有机肥的合理施用量,在保证烟草产量的同时,提高植烟土壤硝化率,进而提升烟叶质量。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤为贵州毕节金沙科技园耕层土壤,土壤类型为黄壤。试验土风干后磨细过5 mm筛备用。经测定该土壤砂粒(>0.05 mm)含量为17.5%,粉粒(0.05~0.002 mm)含量为35.0%,黏粒(<0.002 mm)含量为47.5%,土壤质地为粉砂质黏壤土;土壤pH为6.4,有机质含量为19.5 g·kg–1,全氮1.3 g·kg–1,速效磷22.7 mg·kg–1,速效钾313 mg·kg–1,有效硫71.4 mg·kg–1。

1.2 试验用有机肥

1.3 试验设计

试验设置4个有机肥施用水平,(1)CK为零添加有机肥的供试土壤;(2)1F为有机肥施用量为750 kg·hm–2;(3)2F为有机肥施用量为1 500 kg·hm–2;(4)3F为有机肥施用量为2 250 kg·hm–2。每个处理设置3个重复。

1.4 样品的采集与测定

土壤含水量采用烘干法;pH采用pH计测定;全氮采用凯氏定氮法;硝态氮和铵态氮采用流动分析仪测定,具体参照《土壤农业化学分析方法》[19]。

Stanford间歇淋洗好气培养实验:利用布氏漏斗为基础拼接柱状PVC管的装置作为矿化容器,容积610 mL,将所有样品放入恒温箱内培养,设定温度为30℃±2℃。培养起始后的第0天、第5天、第15天、第30天、第45天、第60天淋洗样品。采用1 mol·L–1KCl溶液作为淋洗液。取淋洗液保存至15 mL离心管内,用于测定样品矿化过滤液的NH4+-N、NO3–-N含量。

硝化率=各时段内硝态氮矿化量/各时段内硝态氮+铵态氮矿化量

碱解氮矿化量 =从培养时间起至测定时间止的铵态氮含量+硝态氮含量

矿化速率=(培养后速效氮含量-培养前速效氮含量)/培养时间

1.5 数据处理与分析

数据采用IBM SPSS Statistics 22 进行统计分析,采用Duncan法进行显著性检验,采用Microsoft Office Excel 2016进行数据处理及作图。

2 结 果

2.1 贵州黄壤矿化硝化率及氮矿化量较低

土壤不同形态氮素矿化速率呈现波动式变化(图1)。土壤速效氮矿化速率在第5天时最高,此后迅速降低,其中硝态氮矿化速率在第5~15天内降低了90.0%;土壤铵态氮矿化速率在第5~15天和15~30天内降幅分别为73.8%和57.3%,第30~45天内铵态氮矿化速率回升34.0%,45~60 d回落17.7%。

图1 培养期内土壤氮矿化速率变化

由图2可知,CK无有机肥添加的土壤在0~60 d培养期内土壤各形态氮素均呈对数增长。土壤硝态氮矿化量在0~5 d内迅速增加9.7%;5 d后硝态氮矿化量增长缓慢。铵态氮矿化量在0~5 d内迅速增加45.3%,5d后稳定增长。土壤碱解氮矿化量在0~5 d内,5~15 d内分别迅速增加了23.8%和19.2%,15 d后呈稳定增长。

土壤氮矿化硝化率呈对数趋势降低(图3),0 d时土壤硝化率高达60.1%,0~5 d内迅速降低59.9%,5~15 d期间矿化出的氮硝化率为9.2%,与0~5 d内相比降低62.1%,15 d后硝化率稳定降低,至45~60 d时为1.8%。培养期内不同形态矿质氮素比例随培养时间增加变化明显,矿化初期以硝态氮为主,5 d后以铵态氮为主,随着培养时间的增加,硝态氮在矿化出的速效氮中占比接近于零。

2.2 特制有机肥施用提高了土壤矿化硝化率及速效氮矿化量

土壤不同形态氮矿化速率均随有机肥施用量增加而增加(图4),硝态氮矿化速率在0~5 d内以1F处理最低,2F和3F为1F的2倍,5~15 d各处理均明显降低,15 d后趋于稳定,2F和3F为1F硝态氮矿化速率的2倍。铵态氮矿化速率0~5 d时差异显著,从小到大为:1F<3F<2F,5~15 d内迅速降低,30 d后基本稳定。

各处理土壤氮素矿化量随培养时间推进呈对数增长(图5),土壤氮矿化量随有机肥施入量的增加而增加。0 d矿化初期:与CK相比,1F、2F和3F硝态氮矿化量分别增加了107.4%,192.0%和276.6%;铵态氮矿化量分别增加了164.0%,352.6%和640.1%;总速效氮矿化量分别增加了129.7%,255.6%和420.1%。1F、2F、3F处理硝态氮矿化量在30~60 d内趋于稳定,铵态氮和速效氮矿化量在0~60 d内均呈稳步增长趋势。

施用特制有机肥后土壤氮矿化硝化率显著提升(图6)。从不同培养时间来看,除0 d初始矿化时外,各时段内硝化率随特制有机肥施用量增加而增大,硝化率增幅范围为8.1%~50.4%。从不同有机肥施用量来看:1F硝化率在培养期内随时间增长呈先减小后增加的趋势,1F最高达54.5%,0~15 d迅速降低了21.5%,15d时出现谷值21.5%,15~60 d期间硝化率缓慢回升6.8%后达到28.3%;2F硝化率呈先降低后稳定的趋势,在0 d时出现最大值49.6%,相比同时期1F降低了4.9%,5d后2F的硝化率保持在42.0%水平上下波动;3F的硝化率在培养期内呈持续稳定上升趋势,0 d时3F硝化率最低,0~15 d迅速增至51.1%。3F处理土壤硝化率变化范围为43.69%~51.22%,3F在5~60 d内硝化率均保持在50.0%以上。

图2 培养期内土壤氮素矿化量

图3 培养期内土壤矿化硝化率

2.3 特制有机肥施用量增加提高速效氮矿化效率

以CK为土壤氮矿化能力为参照,推算不同处理下单位质量有机肥矿化出的速效氮含量(表1)。由表1可知,随有机肥施用量增加,单位有机肥的硝态氮、铵态氮矿化量均明显增加,其中1F处理的有机肥硝态氮矿化量为1.28 mg·g–1,2F、3F分别为其1.47倍和1.74倍;1F处理铵态氮矿化量为0.57 mg·g–1,2F、3F分别为其2.02倍和2.70倍;1F处理速效氮矿化量为1.84 mg·g–1,2F、3F分别为其1.65倍和2.05倍。有机肥硝态氮和总速效氮矿化能力随有机肥施用量的增加而增加,而有机肥铵态氮矿化能力在2F和3F水平无明显差异。

图4 随有机肥施用量增加氮矿化速率变化

图5 随有机肥施用量增加的氮素矿化量变化

注:不同小写字母表示不同处理间的差异显著或极显著(P<0.05). 下同 Note:Different lowercase letters represent significant or extremely significant of difference between different treatment(P<0.05). The same below

3 讨 论

3.1 黄壤硝化率及氮矿化量难以满足烟草生长需要

烟草吸收的氮素59.8%~90.9%应来源于土壤氮,烤烟生长期内土壤矿化氮量应占烤烟生长季总输入氮量的 22.6%~54.3%[9],土壤硝化率在50%左右为最佳[20]。本研究结果显示,贵州黄壤速效氮总矿化量为167.7 mg·kg–1,仅占总氮含量的13.0%,远低于要求的22.6%,土壤在烟草旺长期内能供给的硝态氮总量仅为66.89 mg·kg–1,培养后土壤硝化率不足10%,不利于提高烟草质量。李建伟等[21]认为贵州烟草生产中适当提高硝态氮比例,烤烟的产量和产值分别能提高2.5%~8.6%和1.5%~20.5%。贵州黄壤氮矿化量和硝化率均较低可能是因为黄壤的黏土矿物以蛭石为主,对氮肥的固定作用强,而且供试土壤偏酸性,硝化作用弱,硝态氮累积量较低,所以氮矿化以铵态氮为主。因此,为了保证烟草生长可利用氮素供应充分,贵州黄壤速效氮矿化量及硝化率有待提高。

3.2 施用特制有机肥后贵州黄壤氮矿化符合烟草需氮规律

烟草理想的硝态氮吸收规律应为在移栽后20 d前吸收少,20~40 d达到高峰,60 d后供应量基本消耗殆尽。本研究中加入特制有机肥后显著提高了土壤氮矿化量,氮矿化速率呈“前快后慢”趋势,前期矿化量高,矿化速率快,后期矿质氮素释放减少并逐渐稳定,满足烟叶吸收规律。特制有机肥在3F(2 250 kg·hm–2)施用水平下,矿化硝化率随培养期推进出现了先增加后减小的趋势,并且硝化率5 d后基本保持在50%水平,符合烟草生长期对硝态氮的需求规律。类似的研究结果显示,云南砂红壤植烟土壤分别施用腐熟猪粪、菜籽饼和腐熟秸秆后与不施有机肥的对照相比,土壤矿化氮量差异显著,35 d时仅腐熟猪粪处理硝态氮和铵态氮含量较对照增加了6.7%和13.6%,菜籽饼和腐熟秸秆处理均低于对照,63 d时腐熟猪粪、菜籽饼和腐熟秸秆处理的硝态氮含量分别较对照高130.6%、34.7%和137.8%,铵态氮含量分别提高46.7%、59.2%和15.8%[22]。对照和施有机肥处理中铵态氮含量均偏低,硝态氮比例过高。与本研究中特制有机肥相比,上述有机肥中的硝态氮缓释时间过长,60 d后才出现供应高峰,未在20~40 d烟草吸收硝态氮的高峰集中供应,并且培养期内铵态氮含量较低,不利于烟草生长。原因可能有以下两点:第一是土壤本身性质的原因,本研究中黏性土本身矿化能力低于砂质土,黏粒对有机质提供了保护作用,所以黏性黄壤高量施用特制有机肥较不施肥处理矿化能力提高显著,而砂红壤上施用有机肥提高作用不明显。第二是因为有机肥C/N比不同,秸秆中多含有木质素、纤维素和半纤维素,C/N最高,复杂碳源被降解后才能刺激氮矿化微生物活动,促进异养硝化作用,所以秸秆类物质施入前期对硝态氮固持作用强,后期释放快,而动物粪肥是含有易降解的有机碳和有机氮,但C/N较低的有机肥料,对有机氮矿化的缓释作用强[23-24]。另有研究对比贵州龙岗黏壤土分别添加酒糟有机肥、炭基酒糟有机肥、竹炭处理和空白处理发现,添加酒糟有机肥的硝态氮含量和氮素累积矿化量均显著高于其他处理,但14 d时氮素矿化量已经占总矿化量的35.15%,矿化速率过快,氮素量供应不稳定,后期供应不足[25],可能同样受到有机肥料中C/N的影响。本研究中特制有机肥经过配方调节和腐熟过程把控,在保证烟草产量的同时,维持土壤硝化率为50%,从而提高烟叶质量。

表1 有机肥速效氮矿化效率

3.3 土壤氮矿化水平随特制有机肥施用量增加而提高

本研究结果显示,特制有机肥施用量增加提高了土壤供氮能力,与施用750 kg·hm–2有机肥相比,1 150 kg·hm–2与2 250 kg·hm–2施用条件下的土壤硝态氮和铵态氮矿化量、矿化速率及单位质量有机肥矿化量均有显著增加,并且随有机肥施用量增加硝化率的增大效果越显著,硝态氮的矿化时间延缓,符合烟草生长期的需氮规律[26]。该结论与张新要等[27]研究结果不同,其认为云南峨山植烟红壤施用20%和40%饼肥代替化肥处理较单施化肥(50%硝态氮+50%铵态氮)对烟叶产质量均未有提升作用,并且随饼肥施用量增加而烟叶产质量有所下降。原因可能与有机肥的腐熟程度有关,若有机肥腐熟度偏低,施入土壤发酵后的水热条件会影响微生物活性及其对有机氮的分解过程,进而使氮矿化量和硝化率偏离预期水平[28]。Bernal等[29]研究发现,46.5% 污泥和53.5%废棉混合的三种不同腐熟程度的堆肥(未腐熟、部分腐熟和完全腐熟)施入土壤70 d后,腐熟有机肥净氮矿化率为8%。部分腐熟有机肥在培养70 d后净氮矿化率为4.7%,未腐熟的有机肥表现为氮的固定,净氮固定率为4.3%。堆肥样品的腐熟程度增加,促进氮矿化过程增强。本研究中特制有机肥腐熟度对黄壤中氮矿化量和硝化率具有显著提高作用,所以在贵州黄壤地区施用该特制有机肥有助于提高土壤供氮能力,保证烟草品质。

4 结 论

供试贵州黄壤矿化硝化率初期较高,5 d后硝态氮释放比例严重偏低,为保证烟草生长可利用氮素供应充分,贵州黄壤土壤速效氮矿化水平有待提高。加入特制有机肥后速效氮矿化量和矿化速率均显著提高,培养期内矿化速率呈“前快后慢”的变化趋势,前期矿化量高、矿化速率快,后期矿质氮素释放减少并逐渐稳定,符合烟草生长对氮的吸收规律。增加特制有机肥施用量提高了土壤供氮效率,对硝态氮矿化效率促进作用最明显。添加特制有机肥提高了植烟黄壤矿化硝化率,特制有机肥施用水平为3F(2 250 kg·hm–2)时,培养期内土壤硝化率可达43.69%~51.22%。在烟草生长期,施用特制有机肥可以保证土壤稳定释放有效态氮,提高土壤硝化率,每公顷施用2 250 kg有机肥最适宜贵州黄壤烟草生产。

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Effect of Customized Organic Manure Improving Mineralization and Nitrification of Soil N in Yellow Soil of Guizhou

CHEN Xue1, ZHAI Xin1, YANG Zhenzhi2, FU Delong1, SHI Yijie3, XU Shengxiang3†, WANG Meiyan3, SHI Xuezheng3

(1. Bijie Tobacco Company of Guizhou Province, Bijie, Guizhou 551700, China; 2. Jinsha Branch of Bijie Tobacco Company, Jinsha, Guizhou 551800, China; 3. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Organic fertilizer; Tobacco; Nitrogen mineralization; Nitrification rate; Yellow soil

S141.5;S153.6;S572

A

10.11766/trxb201905310087

陈雪,翟欣,杨振智,符德龙,史艺杰,徐胜祥,王美艳,史学正. 特制有机肥提高贵州黄壤氮矿化和硝化率的研究[J]. 土壤学报,2020,57(4):878–886.

CHEN Xue,ZHAI Xin,YANG Zhenzhi,FU Delong,SHI Yijie,XU Shengxiang,WANG Meiyan,SHI Xuezheng. Effect of Customized Organic Manure Improving Mineralization and Nitrification of Soil N in Yellow Soil of Guizhou[J]. Acta Pedologica Sinica,2020,57(4):878–886.

* 贵州省烟草公司毕节市公司科技专项(省市院合2015-06;2018-101)和中国烟草总公司贵州省公司科技项目(201703)共同资助 Supported by the Bijie Branch Company,Guizhou Tobacco Company(No. SSY2015-06;No. 2018-101)and the Science and Technology Foundation of Guizhou Tobacco Monopoly Bureau of China(No. 201703)

,E-mail:sxxu@issas.ac.cn

陈雪(1967—),女,贵州黔西人,硕士,高级农艺师,主要从事烤烟生产技术研究。E-mail:248366944@qq.com

2019–05–31;

2019–08–26;

2019–11–11

(责任编辑:檀满枝)

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