有机无机配施体系中有机肥腐熟程度对化肥氮利用率的影响机制*

张 勇,徐 智,王宇蕴,邓亚琴,刘美菊,尹元萍,郑 魁,娄义晟,赵 兵

(云南农业大学资源与环境学院 昆明 650201)

过量施氮不仅会加剧氮素流失、降低氮肥利用效率[1],还会导致土壤养分比例失调、酸化加剧[2]、水体富营养化和温室效应[3]等一系列农业与生态环境问题。大量研究表明,配施有机肥是提高氮肥利用的重要途径之一[4-6]。配施有机肥的实际意义是供给微生物增殖生长所必须的碳源[7],微生物能够协调土壤氮的微生物固持与释放[8],土壤中氮素的生物固持受土壤有效碳含量和质量的影响[9],且土壤氮的微生物固持与土壤中易降解的有机质含量存在显著的正相关关系[10]。已有大量文献表明,有机肥的施入可以增加土壤溶解性有机碳(DOM)等易氧化有机质的含量[11-13],体现有机肥“补碳”的效果,但不同来源或不同种类的有机肥在与化肥氮配施时,对肥料氮利用率的作用效果明显不同[14],这可能与有机肥本身、微生物可直接利用有机质的含量有重要关系。

堆肥过程是有机废弃物转化为有机肥的重要环节[15],堆肥过程中碳的转化既反映了有机物料的腐熟度,也表征了碳源有效性[16],因此有机肥“补碳”的效果可能也与其腐熟程度关系密切。15N示踪技术是研究有机无机配施或单施氮肥影响氮肥利用、土壤氮残留及氮损失等的重要方法[17-19]。近年来,关于配施有机肥提高肥料氮利用效率方面的研究主要集中在有机肥投入的量或有机肥的种类对氮利用效率的影响[20-22]。而未经腐熟后的有机肥在施用后会出现“生粪咬苗”现象,故有机肥腐熟程度对化肥氮利用率影响的研究对有机肥有效施用尤其重要,但相关研究较少。本研究采用15N标记技术,结合有机肥的腐熟度研究不同腐熟度有机肥对化肥氮的转化和吸收利用的影响,探究有机无机配施体系中化肥15N吸收利用的主要影响因素,以期为促进我国有机肥的生产、应用和提高有机无机配施下化肥氮利用率提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 有机肥的制备

采用高温好氧发酵方法,以鸡粪、稻壳为堆肥的基本原料,C/N调节为25,水分调节为55%,进行条垛式堆肥,堆体长约50 m,堆体底部宽约1.6 m,高约0.6 m,堆肥物料共计40 t。采用国际通用的水芹(Lepidium sativumL.)种子测定的种子发芽指数(germination index,GI)代表堆肥腐熟程度,一般认为当GI值达到50%时,堆肥已基本达到腐熟[23]。在堆肥GI值接近50%时,密集取样,继续测定堆肥的GI值(同时留取约50 kg的堆肥物料结束堆肥发酵),最终按照GI值为50%、80%、100%为节点,选择堆肥产物,作为后续研究的有机肥产品。

1.2 试验材料

供试有机肥料为GI值为50%、80%、100%的有机肥,其养分含量如表1所示。供试无机肥料选取15N标记的尿素(N,46.7%,原子百分超10.1%)、过磷酸钙(P2O5,16%)、硫酸钾(K2O,50%)。供试土壤为山原红壤,pH 5.24,有机质13.73 g·kg−1,全氮1.30 g·kg−1,碱解氮44.61 mg·kg−1,速效磷9.04 mg·kg−1,速效钾23.96 mg·kg−1。供试作物为育苗移栽的意大利生菜(Lactuca sativavar.ramosa

表1 不同腐熟度有机肥的养分含量Table 1 Nutrients contents of organic fertilizers with differentmaturity degrees

腐熟度用西芹的发芽率表示。The maturity degree is indicated by the germination rate of cress(Lepidium sativumL.).Hort.),种植前对土地进行翻耕和施肥,再将菜籽均匀地撒入,苗期为25 d,并选取大小相近的生菜进行移栽。

1.3 试验设计

采用有机无机配施的方式,设计施肥处理进行盆栽试验,其中氮施用量的50%来自有机肥、50%来自化学肥料。塑料盆口径约22 cm,高度约15 cm,每盆装土1.5 kg左右。有机肥的施用量为3.3 g·kg−1(土),试验按照纯氮(N)0.2 g·kg−1(土)、纯磷(P2O5)0.2 g·kg−1(土)和纯钾(K2O)0.3 g·kg−1(土),有机肥、氮、磷和钾肥搅拌均匀后一次性施入。以15NPK为对照(CK),设置15NPK+GI 50%有机肥(GI50)、15NPK+GI 80%有机肥(GI80)、15NPK+GI 100%有机肥(GI100)4个处理,每个处理3次重复,每个重复5盆,共60盆。

1.4 采样与测定

1.4.1 样品采集

在盆栽试验的第3 d、第6 d、第12 d、第24 d和第36 d进行破坏性取土样和植株样品。每次选取土样1 kg,分成2份,1份风干研磨,过1 mm筛备用;1份置于−4 ℃冰箱待用。第36 d植株鲜样取回后测定其生物量,烘干研磨后保存。

1.4.2 指标测定与方法

土壤矿质态氮(NH4+-N、NO3--N)使用Auto Analyzer 3 High Resolution连续流动分析仪进行测定。土壤微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸,K2SO4浸提法进行测定[24]。种子发芽指数(germination index,GI)按照Chen等[23]的方法进行,土壤净硝化率按照Persson等[25]的方法计算:

式中:n为净硝化率,mg·kg−1·d−1;n1为土壤硝态氮初始含量,mg·kg−1;n2为培养第t天时土壤硝态氮含量,mg·kg−1;t为培养天数,d。

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

1.5 数据处理与统计分析

数据处理、作图采用Microsoft Excel 2010软件。单因素方差分析、相关分析使用SPSS 20.0软件。RDA分析利用Canoco 5.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同腐熟度有机肥与无机肥配施对生菜生物量、15N吸收量及15N利用率的影响

表2所示,在第36 d,添加有机肥处理较CK处理生菜生物量、15N吸收量和15N利用率分别提高30.5%～56.1%、41.0%～91.0%和15.5%～41.8%(P＜0.05)。GI80和GI100处理较GI50处理生物量分别提高17.1%和19.6%(P＜0.05),GI80和GI100处理间无显著差异;GI80和GI100处理较GI50处理15N吸收量及15N利用率分别提高31.8%、35.4%和15.8%、22.8%(P＜0.05),且GI100较GI80处理15N利用率提高6.0%(P＜0.05)。

表2 不同腐熟度有机肥配施无机肥处理下生菜生物量、15N吸收量及利用率的变化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 不同腐熟度有机肥与无机肥配施对土壤含量的影响

随着时间推移,土壤NH4+-N整体呈缓慢下降趋势(图1a),且GI50、GI80和GI100处理土壤NH4+-N含量均高于CK处理。土壤也表现出下降趋势(图1b)。试验时期,添加有机肥处理较CK处理提高44.9%～74.2%(P＜0.05),GI80处理较GI50处理含量提高7.9%～11.5%,GI100处理较GI50处理含量提高11.5%～26.9%(P＜0.05);第24 d,GI80与GI100处理无显著差异。的比例为70.5%～87.6%。初期各处理间无显著差异,第24 d时,GI50和GI100处理较CK处理其比值提高20.0%和16.6%(P＜0.05)(图1c)。

2.3 不同腐熟度有机肥与无机肥配施对土壤净硝化速率的影响

土壤净硝化速率随时间推移整体呈现下降趋势(图2)。试验期间,添加有机肥处理较CK处理降低10.8%～24.6%(P＜0.05)。至结束时,GI80处理较GI50处理净硝化率降低15.0%,GI100处理较GI50处理净硝化率降低12.5%(P＜0.05),GI80与GI100处理净硝化率无显著差异。

2.4 不同腐熟度有机肥与无机肥配施对土壤MBN和MB15N含量的影响

图3a所示,土壤MBN呈先平稳后上升趋势。至结束时,添加有机肥处理较CK处理MBN含量提高26.8%～53.6%(P＜0.05)。土壤MB15N变化趋势与MBN相一致,添加有机肥处理较CK处理MB15N含量提高67.3%～94.1%(P＜0.05),GI80处理较GI50处理MB15N提高6.0%～23.8%,GI100处理较GI50处理MB15N提高6.9%～25.5%(P＜0.05),而GI80与GI100处理无显著差异(图3b)。图3c中,MB15N占MBN的比例为47.1%%～71.6%。第3 d,MB15N占MBN的比例较高,而第6 d后其比值有所下降,且添加有机肥处理较CK处理提高23.9%～33.4%(P＜0.05)。

2.5 土壤与植物各指标间的相关性

选取第36 d的试验数据进行相关性分析(表3),生菜生物量、15N吸收量及15N利用率与土壤、、MBN、MB15N呈极显著正相关关系,与、、净硝化率呈极显著负相关关系。本研究表明,适当增加有机肥的腐熟度有利于加强微生物固氮作用,增加土壤、、MBN和MB15N含量,降低土壤、含量和净硝化率,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 影响化肥15N吸收利用的主要因素

以15N吸收量和15N利用率为响应变量,标记态铵态氮、标记态硝态氮、标记态微生物量氮(MB15N)、净硝化率为解释变量进行RDA分析(图4)。从图中可以看出,RDA1和RDA2的解释度分别为96.9%、1.1%,双轴共达到98.0%的解释度,并且15N吸收量、15N利用率与、MB15N呈正相关关系,与、净硝化率呈负相关关系,该结果与表3的相关分析结果相互印证。整体来看,标记态微生物量氮(MB15N)是影响化肥15N吸收利用的主要因素(解释度93%、P＜0.01),这可能与较高腐熟度的有机肥加强了微生物对铵态氮的固持作用、提高土壤MB15N含量相关(图3b)。

表3 各指标之间的相关关系Table 3 Correlation between various indicators

3 讨论

3.1 有机无机配施体系中有机肥腐熟度对氮肥吸收利用的影响

有机无机配施对于提高作物对氮肥的吸收利用、增加作物产量具有重要意义[27]。本研究表明,相对CK(施无机肥)处理而言,有机无机配施可以明显提高生菜生物量、15N吸收量和利用率。在不同腐熟度有机肥处理中,与GI50处理比较,GI80和GI100处理显著提高了生物量、15N吸收量和利用率,且GI100处理较GI80处理15N利用率也表现出了显著地增加趋势,而GI100处理与GI80处理间生物量和15N吸收量无显著差异。说明适当提高有机肥的腐熟度(GI≥80%)能够明显促进生菜对氮肥的吸收利用,增加生物量。这可能是因为有机肥腐熟度的不同影响了其“补碳”效果,进而引起土壤氮库容量变化和影响化肥氮的转化过程。

3.2 有机无机配施体系中有机肥腐熟度对土壤矿质态氮和微生物量氮的影响

配施或增施有机肥可增加或改善土壤有机质含量和质量[12],提高微生物利用无机氮的能力[32],协调微生物对肥料氮的固定与释放[16],促进微生物对化肥氮的有效调控[26]。本研究表明,各处理中土壤MBN、MB15N含量呈平稳上升趋势,并且有机无机配施处理较CK处理土壤MB15N含量显著增加,这可能是有机肥的增施为微生物的增殖生长提供了必需的碳源,刺激微生物活性,加强了微生物对无机氮的固持。同时GI80、GI100处理较GI50处理MB15N含量也显著提高,但GI80处理与GI100处理间无明显差异,说明当GI值达80%或100%时,可以明显增加土壤MB15N含量,提升土壤氮素水平。土壤MB15N所占MBN比例较大,这显然与微生物固氮作用相关,而且这一固定作用在第3 d的比值最大,而第6 d后逐渐下降,这可能是土壤矿化作用引起的。此外,土壤净硝化速率总体表现出下降趋势,试验结束时,GI80、GI100处理较GI50处理净硝化率显著降低,GI80处理与GI100处理间净硝化率无明显差异。说明在有机无机配施体系中当有机肥腐熟度为80%或100%时,可以显著抑制土壤硝化作用。土壤净硝化率的下降可能与大量被微生物同化导致硝化作用的底物减少、土壤含量缓慢增加相关[30]。

3.3 有机无机配施体系中有机肥腐熟度对化肥氮利用率的影响机制

有机肥能显著增加土壤溶解性有机碳(DOM)含量[11],为土壤氮素转化关键微生物提供基质、养分及适宜的生存环境[33]。已有研究表明,在去除土壤中DOM的培养试验中,土壤有机氮的累积矿化量显著降低14.8%[34],而通过DOM加富试验表明,添加DOM使得土壤含量缓慢降低,对硝化过程具有一定的抑制效应[35]。另外,当堆肥物料的GI值达50%时,表明堆肥已基本达到腐熟,当GI值达80%时,堆肥的植物毒性已经基本没有[36],而且堆肥的腐熟进程又可与DOM性质建立联系[37-40]。那么,在本研究过程中,有机肥腐熟度达80%或100%时,较50%更能够提高氮肥利用率的原因除了有机肥本身不同的“补碳”效果外,还有可能是不同腐熟度有机肥中DOM性质与有机物料毒性的高低导致的。

本研究通过对各指标进行相关分析发现,生菜的生物量、15N吸收量及利用率与土壤、、MBN、MB15N呈极显著正相关关系,与、、净硝化速率呈极显著负相关关系。进一步说明,适当提高有机肥的腐熟度增加了土壤MBN和含量,减缓了累积,从而提高氮肥利用率。RDA分析发现15N吸收量和利用率的增加主要由MB15N驱动,表明MB15N是影响化肥15N吸收利用的主要因素。其作用机理为:土壤微生物对具有持续固持作用,使得氮素以有机氮形式保存,提高了土壤氮的残留,同时也降低了土壤向的转化速度和净硝化速率,对硝化过程起到一定的抑制作用,减少化肥氮的损失。

4 结论

盆栽试验表明,与GI50处理相比,适当提高有机肥的腐熟度(GI≥80%)能够明显增加土壤含量,加强土壤微生物对的固持作用,提高土壤MB15N含量,降低土壤向的转化速度,减少的累积量,显著降低土壤净硝化速率,从而促进生菜对化肥15N的吸收和利用,增加生物量。相关分析和RDA分析表明,MB15N、对15N吸收量与利用率具有正向影响,其中MB15N含量的增加是有机无机配施提高化肥15N利用率的主要原因。