氨化-硝化复合菌剂对油枯有机肥氮氨化和硝化作用的影响

戴 勋， 王月悦， 谢新乔， 李湘伟， 王一明， 田育天， 杨继周， 朱云聪， 胡保文， 林先贵， 李 晶

(1.红塔烟草<集团>有限责任公司，云南 玉溪 653100； 2.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008)

油枯是油菜籽压榨去油后所剩的残渣，富含氮、有机质及多种中微量元素，是一种优良的有机肥原料。云贵烟区的烟农将油枯作为烟草的有机肥料施用，不仅能够提高烟草的产量、品质，而且合理利用了油菜籽残渣，实现了有机废弃物的资源化再利用。在施用到农田之前，油枯需要经过充分的堆沤/堆肥腐熟，使其中的养分分解成作物可利用的水溶态[1]。研究施入土壤中的油枯有机肥的氮养分动态矿化过程，对于有机肥的合理、高效利用具有重大意义。目前，国内外研究者对有机肥氮矿化做了大量研究工作，并取得了一定成果[2-7]。然而，目前关于添加复合菌剂的有机肥对有机肥氮矿化影响的研究较少。本研究以油枯商品有机肥为原料，以贵州习水地区的黄壤土为供试土壤，研究具有氨化、硝化功能的2种复合菌剂对油枯商品有机肥氮在土壤中矿化速率及硝化强度的改变趋势，以期为有机肥的高效、合理利用提供理论和技术指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试有机肥为市售油枯商品有机肥，由习水县某肥料厂生产，其基本理化性质如下：3.16%全氮，21.25 g/kg可溶性碳(DOC)，4 860 mg/kg铵态氮，10 mg/kg亚硝态氮，20 mg/kg硝态氮。供试菌剂为复合菌剂1和复合菌剂2，由中国科学院南京土壤研究所研究人员从污泥中分离并保藏。

1.2 试验设计

采用室内土壤温育培养法[8-11]进行试验。共设如下4个处理：(1)无肥对照(CK)；(2)油枯有机肥(YK)；(3)油枯有机肥+菌剂1(YK+J1)；(4)油枯有机肥+菌剂2(YK+J2)。每个处理35个重复，有机肥添加量均为4 g/kg，菌剂添加量为有机肥添加量的5%。取100 g过10目筛的土壤装入200 ml广口玻璃培养瓶中，按照上述不同处理添加有机肥和菌剂，加水调节其持水量为田间最大持水量的60%，充分混匀后，瓶口用塑料薄膜封口以保持水分，置于(25±2) ℃恒温室内培养。在培养期间每隔3 d采取称质量法加水，以保持土壤水分为其田间最大持水量的60%。分别于培养后的0 d、1 d、2 d、4 d、7 d、10 d、16 d、22 d、30 d、39 d、60 d进行破坏性取样，每个处理每次3个重复，对土壤水分、铵态氮及硝态氮含量进行测定分析。

1.3 分析项目与方法

△t=tj-ti

NNR=Anit/△t

NMR=(Aamm+Anit)/△t

NM=(Aamm+Anit)org-(Aamm+Anit)CK

OMR=NM/Norg×100%

1.4 数据处理方法

本试验中的相关数据用Excel 2013计算其平均值和标准差，图表用Origin 8.0进行绘制，用SPSS 20进行统计分析，并使用Duncan’s检验进行多重比较(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 氨化-硝化复合菌剂对有机肥氮矿化后铵态氮累积量的影响

微生物分解含氮有机物生成氨的过程称为氨化作用[15]。由图1A可以看出，油枯有机肥加入土壤后随即快速氨化，1 d后各个含有机肥处理的铵态氮累积量提高了1倍以上,之后由于土壤颗粒吸附和微生物的硝化作用，纯有机肥处理(YK)的铵态氮累积量开始波动下降。在培养期前10 d，添加氨化-硝化复合菌剂的2个处理(YK+J1和YK+J2)土壤铵态氮累积量呈波动上升趋势，并在培养10 d时分别达最高值77.76 mg/kg和75.06 mg/kg，分别比YK处理高35.51 mg/kg和32.81 mg/kg。同时，在培养期前10 d，氨化作用和硝化作用同时存在，有机肥带入的有机氮不断被氨化成铵态氮，铵态氮在硝化作用下快速转化为硝态氮并在土壤中累积。添加有机肥的3个处理土壤中的铵态氮累积量均在培养10 d后大幅度下降，YK、YK+J1、YK+J2处理分别在培养22 d、30 d和30 d下降到与CK(无肥对照)基本一致并接近本底水平。

在试验过程中，土壤内源有机氮的氨化过程也同时在进行。土壤内源有机氮的氨化过程也会影响施入的有机肥氮的氨化作用。为了分析有机肥氮矿化后铵态氮累积动态，本研究用添加有机肥处理培养期间的铵态氮量扣除培养前土壤本身含有的铵态氮量和有机肥带入土壤中的铵态氮量以及培养过程中土壤内源有机氮矿化后铵态氮量表示有机肥氮矿化后铵态氮累积量，同时用无肥对照培养期间铵态氮量扣除刚开始培养时土壤中的铵态氮量表示土壤内源有机氮矿化后铵态氮累积量。由图1B可知，在培养10 d时，CK土壤内源有机氮矿化后铵态氮含量达到11.17 mg/kg，表明供试土壤自身有机氮的矿化也是不容忽视的。相关研究结果也证实了这一点，即植物所吸收的氮素大部分来自土壤，土壤中的有机氮通过矿化后被植物吸收[16-18]。从图1B中有机肥氮矿化后铵态氮累积量的变化趋势可以看出，在培养10 d后，YK处理的有机肥氮矿化后铵态氮累积量变为负值，表明此时在扣除土壤内源氮矿化后铵态氮累积量后，有机肥氮氨化作用生成的铵态氮量已经低于硝化作用消耗的铵态氮量；而此时添加氨化-硝化复合菌剂的土壤中氨化作用强度仍然大于硝化作用强度，直到培养22 d，有机肥氮矿化后铵态氮累积量才变为负值。

A:土壤铵态氮累积量；B:有机肥氮矿化后铵态氮累积量。CK:无肥对照；YK:施油枯有机肥；YK+J1:施油枯有机肥+氨化-硝化复合菌剂1；YK+J2:施油枯有机肥+氨化-硝化复合菌剂2。图1 氨化-硝化复合菌剂对土壤铵态氮累积量和有机肥氮矿化后铵态氮累积量的影响Fig.1 Effects of multiple species inoculants with the capacities of ammoniation and nitrification on ammonium nitrogen accumulation in soil and ammonium nitrogen accumulation after nitrogen mineralization of organic fertilizer

2.2 氨化-硝化复合菌剂对有机肥氮硝化作用的影响

土壤中的铵态氮在微生物的作用下被部分或大部分氧化为硝态氮的过程称为硝化作用[15]，在本研究中用土壤中硝态氮的累积量来表征硝化作用强弱。如图2A所示，各处理的硝态氮累积量均从培养初期的最低点开始逐步上升，培养至4 d时，硝态氮累积量的增加幅度开始变大，并于培养10 d时开始大幅度增加，各个处理之间的差异也逐步拉大，YK+J1、YK+J2处理的硝态氮累积量远高于YK处理。由图1可以看出，土壤铵态氮累积量在培养4 d时有下降趋势，说明培养4 d时，微生物的硝化作用开始增强，土壤中的铵态氮转化为硝态氮。培养至10 d时，土壤中的硝态氮累积量快速上升并累积，此时YK、YK+J1、YK+J2处理的硝化速率分别达到4.64 mg/(kg·d)、4.78 mg/(kg·d)和4.58 mg/(kg·d)，说明在此阶段土壤中微生物的硝化作用很剧烈。

由图2A还可以看出，YK处理与YK+J1、YK+J2处理硝态氮累积量的增加趋势分别在培养16 d和22 d时开始趋于平缓，经计算，其硝化速率稳定在0.4～1.0 mg/(kg·d)；在培养40～60 d时，YK+J1、YK+J2处理的硝化速率略有增加，而此时YK处理的硝化速率却略有下降。初步分析得出，添加氨化-硝化复合菌剂可以持续促进硝化作用，从而为氨化-硝化复合菌剂的田间应用及提升有机肥的硝态氮供应提供了可能。

采用与图1B相同的计算方法，用添加有机肥处理培养期间的硝态氮量扣除培养前土壤中原有的硝态氮量、有机肥带入土壤中的硝态氮量以及培养过程中土壤内源氮硝化产生的硝态氮量表示有机肥氮硝化作用产生的硝态氮累积量，同时用无肥对照中扣除刚开始培养时土壤中的硝态氮表示土壤内源氮硝化作用产生的硝态氮累积量。如图2B所示，在培养期前10 d，CK处理土壤内源氮硝化作用产生的硝态氮量高于YK处理有机肥氮硝化作用产生的硝态氮，接近YK+J1和YK+J2处理有机肥氮硝化作用产生的硝态氮，说明在培养前期，土壤内源氮是各处理土壤硝态氮的主要来源。培养10 d后，3种有机肥处理的由有机肥氮硝化作用产生的硝态氮量开始超过土壤内源氮硝化作用产生的硝态氮量，成为土壤硝态氮的主要来源，并且YK+J1处理硝态氮累积量高于YK+J2处理，二者均远高于YK处理。

CK、YK、YK+J1、YK+J2见图1注。A:土壤硝态氮累积量；B:有机肥氮硝化后硝态氮累积量。图2 氨化-硝化复合菌剂对土壤硝态氮和有机肥氮硝化后硝态氮累积量的影响Fig.2 Effects of multiple species inoculants with the capacities of ammoniation and nitrification on nitrate nitrogen accumulation

2.3 氨化-硝化复合菌剂对有机肥氮矿化作用的影响

土壤中有机态氮向无机态氮的转化称为矿化作用[15]，在本研究中用土壤中矿质氮的累积量(即铵态氮与硝态氮累积量之和)来表征矿化量。由图3A可以看出，土壤中矿质氮累积量总体呈上升趋势。添加油枯有机肥的3个处理的矿质氮累积速率在培养前期比较高，至培养10 d时，矿质氮累积量的上升幅度开始趋于平缓。上述研究结果表明，施用油枯有机肥可以提高土壤中的矿质氮含量，这与周博等[19]的研究结果一致。结合图2、图3可以看出，在培养期前10 d，氮的矿化速率最高，表明油枯有机肥中易分解的有机氮能在施入土壤后迅速矿化。樊立辉等[20]在研究发酵油枯对烟草品质与产量的影响时也发现，油枯有机肥施入土壤后分解快，易被作物吸收。

由图3B可以看出，YK+J1和YK+J2处理的有机肥氮矿化后矿质氮累积量一直远高于YK处理，培养60 d时YK+J1和YK+J2处理分别比YK处理提高了62.2 mg/kg和57.9 mg/kg。同时发现，CK土壤内源有机氮也存在矿化作用，且在培养期间矿化后矿质氮累积量最高可达24.97 mg/kg，占土壤总氮含量的0.15%，表明土壤内源有机氮的矿化是不容忽视的。

CK、YK、YK+J1、YK+J2见图1注。A:土壤矿质氮累积量；B:有机肥氮矿化后矿质氮累积量。图3 氨化-硝化复合菌剂对土壤矿质氮和有机肥氮矿化后矿质氮累积量的影响Fig.3 Effects of multiple species inoculants with the capacities of ammoniation and nitrification on mineral nitrogen accumulation

2.4 氨化-硝化复合菌剂对土壤氮矿化、硝化规律的影响

由图4A可以看出，各个处理的NNR均在培养期前4 d达到1个峰值；培养4～7 d时，再次出现1个峰值；在培养8～39 d期间，施加油枯有机肥的3个处理出现1个大峰值；YK+J1处理的高硝化势维持时间长达32 d，YK+J2处理则长达53 d；YK处理的峰值较小，持续的时间较短；在培养末期(60 d)，各个处理的NNR开始趋于一致。图4B分5个时间段(0～2 d、3～4 d、5～16 d、17～22 d、23～60 d)对各处理间的平均硝化速率进行了对比，可以看出，在培养初期(0～2 d)，各处理的平均硝化速率间无显著差异；在培养的3～4 d，各处理的平均硝化速率开始提高，YK+J1和YK+J2处理的增幅较大，平均硝化速率显著高于YK处理(P<0.05)；YK、YK+J1、YK+J2处理的硝化速率均在培养的5～16 d达到峰值，而CK则在培养末期(23～60 d)达到峰值；在培养中后期(17～22 d)，YK+J1、YK+J2处理继续维持较高的硝化速率，而YK处理则迅速下降至与CK处理间无显著差异。以上结果说明，添加氨化-硝化复合菌剂能够提高油枯有机肥施用后土壤中氮的硝化速率，并使土壤中硝化微生物维持较高的活性。

CK、YK、YK+J1、YK+J2见图1注。A:土壤氮硝化速率；B:各时间段平均硝化速率。同一时间段的不同处理间标有不同小写字母的表示有显著差异(P<0.05)。图4 氨化-硝化复合菌剂对土壤氮硝化速率(NNR)和各时间段平均硝化速率的影响Fig.4 Effects of multiple species inoculants with the capacities of ammoniation and nitrification on nitrogen nitrification rate (NNR) and average nitrification rate in each period

对有机肥处理土壤氮矿化速率(NMR)和有机肥中有机氮的矿化率进行计算，如图5A所示，各处理的NMR在培养1～2 d时达到峰值；YK+J1和YK+J2处理最先到达峰值，其土壤氮矿化速率分别是YK处理最大峰值的1.6倍和1.5倍；不同处理的NMR在前期波动较大，在后期趋于平缓。比较不同处理有机肥中有机氮的矿化率(图5B)可知，YK处理油枯有机肥中矿化出的矿质氮量占有机肥全氮量的25.65%；添加氨化-硝化复合菌剂1和氨化-硝化复合菌剂2后，YK+J1、YK+J2处理油枯有机肥中矿化出的矿质氮量分别占有机肥全氮量的64.95%和61.53%，分别是纯油枯有机肥处理(YK处理)的2.5倍和2.4倍。

CK、YK、YK+J1、YK+J2见图1注。A:土壤氮矿化速率；B:有机肥氮的矿化率。图5 氨化-硝化复合菌剂对土壤氮矿化速率(NMR)和有机肥氮矿化率(OMR)的影响Fig.5 Effects of multiple species inoculants with the capacities of ammoniation and nitrification on soil nitrogen mineralization rate(NMR) and organic fertilizer nitrogen mineralization rate(OMR)

3 结 论

在培养过程中，油枯有机肥带入土壤中的铵态氮首先在土壤硝化菌群的作用下被转化为硝态氮，使土壤NNR达到小的峰值。然后，土壤和油枯有机肥中较易分解的有机氮氨化生成的铵态氮在土壤中累积，促进硝化作用的再次加剧，NNR再次出现1个峰值。最后，油枯有机肥带入土壤中的不易分解的有机氮氨化生成铵态氮并在土壤中累积，再次促进硝化作用，使得NNR再次出现1个峰值，其中YK处理的峰值较小，持续的时间较短。YK+J1和YK+J2处理的高硝化势维持时间长达32 d，而YK+J2处理的高硝化势维持时间长达53 d，表明添加氨化-硝化复合菌剂可以提高有机肥氮矿化过程的硝化势，提升硝化菌群的硝化活性，并延长菌群的活跃期。

油枯有机肥氮矿化过程表现为在培养的最初几天快速释放矿质氮，之后释放速率减慢。添加氨化-硝化复合菌剂对油枯有机肥氮矿化作用有较大促进效果，主要表现如下：(1)提高有机肥氮矿化后矿质氮累积量，培养60 d时YK+J1和YK+J2处理分别比YK处理高62.2 mg/kg和57.9 mg/kg；(2)提高有机肥氮矿化率，YK+J1和YK+J2处理分别比YK处理高2.5倍和2.4倍。

由本试验结果可以看出，添加氨化-硝化复合菌剂可以明显加速油枯有机肥氮氨化和硝化过程，提高作物对有机肥氮的吸收，能更好地满足烟草前富后贫的氮素需求，解决油枯商品有机肥在有机烟种植和生态烟种植过程中氮素释放缓慢的问题。