有机肥与化肥配施下土壤氮组分变化与氮素利用率研究

慕 君，马旭东，张丹丹，王敏鸽，张 霞，张育林，王旭东

(西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

化肥在我国农业生产中具有非常重要的作用[1]，但过量施用化肥引起的土壤退化和环境污染问题也一直是社会普遍关注的问题[2]，有研究发现,长期施用化肥使得土壤pH值降低,造成土壤酸化[3]，进而引起土壤结构退化，而化肥的淋失、颗粒损失、挥发损失等则引起了水环境和大气环境的污染问题[4-5]。化肥减量、化肥的有机替代是避免化肥过量施用的重要途径[6]，近年来将畜禽粪便、作物秸秆等农业废弃物以及经发酵腐熟、加工制成的有机肥进行还田已经成为提高土壤供肥能力和资源有效再利用的重要举措[7-8]。一些研究表明，有机肥代替部分化肥后不仅能增加产量、改善作物品质，还可以提高土壤质量[9-10]、减少环境污染[11]。土壤氮素存在有机和无机两种形态，施用化肥主要增加了土壤中的无机氮素，有机-无机肥配合施用对提高土壤有机氮含量有重要作用[12]。也有研究发现，有机肥与无机肥配合施用可提高土壤氮素的利用效率[13-15]。因饲料及其消化吸收方式的不同，不同种类畜禽粪便中氮素含量差异较大，其氮素组成(如酸水解氮、非酸水解氮等)也存在一定差异。粪肥与化肥配合施用后，土壤氮素组成以及有效性随有机肥种类和性质的不同而不同，但目前这方面的系统研究还较少。为此，本文采用不同种类有机肥与化学氮肥进行配合施用，通过盆栽试验，探究有机肥与化肥配合施用条件下土壤氮素组成变化及供氮特征，从而为有机肥替代化肥提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

土壤采自甘肃省张掖市河西走廊地区，土壤类型为灌漠土，土壤有机质15.21 g·kg-1、全氮1.07 g·kg-1、速效磷12.56 mg·kg-1。供试的有机肥为牛粪、羊粪、鸡粪、猪粪、秸秆以及商品有机肥，其氮、磷养分含量及碳氮比等见表1。

表1 不同有机肥养分含量Table 1 Nutrient content in different organic fertilizers

1.2 试验处理

本试验共设置8个处理，分别为对照处理(CK)、化肥处理(CF)、化肥+牛粪处理(CFCM)、化肥+羊粪处理(CFSM)、化肥+鸡粪处理(CFCHM)、化肥+猪粪处理(CFPM)、化肥+秸秆处理(CFS)和化肥+商品有机肥处理(CFCOM)，每个处理设3次重复。具体操作如下：取过2 mm筛的土壤10 kg装入培养盆(直径25 cm、高25 cm)中，除对照处理外，各试验处理的纯氮用量为0.276 g·kg-1(干土)，有机肥用量为10 g·kg-1(干土)，调节水分为田间持水量的70%，后于10月10日种植天选58号小麦，期间以重量法定期调节水分，于次年6月2日收获，同时将土壤样品混合均匀，然后采集其中的250 g进行风干、研磨处理，用于分析土壤氮素及其他指标。

1.3 相关指标的测定

土壤全氮测定采用凯氏定氮法[16]；土壤碱解氮测定采用碱解扩散法[16]；土壤微生物量氮测定采用氯仿熏蒸法[17]；土壤有机氮分级采用Bremner法[18]；酸水解氮采用6 mol·L-1HCl酸解-凯氏半微量定氮法测定；酸解氨态氮采用MgO氧化蒸馏法测定；酸解氨态氮+氨基糖氮采用磷酸盐-硼酸盐缓冲液蒸馏法测定；酸解氨基酸态氮采用茚三酮氧化、磷酸盐-硼酸盐缓冲液蒸馏法测定；氨基糖氮和非酸解氮通过差减法求得。

1.4 指标计算及数据分析

投入总氮利用率(%)=(施肥处理地上植株吸氮量-不施肥处理地上植株吸氮量)/(化肥施氮量+有机肥带入氮量)×100

运用Microsoft Excel 2016和Origin 2018进行数据处理及制图。统计分析采用SPSS 19.0，多重比较采用LSD (Least significant difference) 法，差异显著水平为0.05(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥配合施用化肥后土壤氮素养分的变化

2.1.1 土壤全氮的变化 不同有机肥配合施用化肥对全氮的影响(图1)显示，与单施化肥处理相比，化肥与羊粪、鸡粪、猪粪或商品有机肥配合施用，土壤全氮含量分别提高了5.56%、6.48%、7.41%和8.33%，差异达到显著水平(P<0.05)，化肥与牛粪或秸秆配合施用，土壤全氮也有提升(分别为2.78%和0.93%)，但差异不显著。相对而言，猪粪、商品有机肥与氮肥配合后土壤全氮含量提升幅度较大。

2.1.2 土壤碱解氮的变化 添加有机肥后碱解氮含量均有不同程度的增加(图2)，与单施化肥处理相比，化肥与羊粪、鸡粪、猪粪或商品有机肥配合施用碱解氮含量分别提高了8.38%、9.20%、9.30%和11.23%，但化肥与牛粪或秸秆配合碱解氮增加不显著。

2.1.3 土壤酸解氮与非酸解氮的变化 土壤有机氮可以分为酸水解氮和非酸水解氮两部分。不同有机肥配合施用化肥对土壤酸水解氮的影响(图3)显示，与单施化肥相比，化肥与猪粪或商品有机肥配合施用，显著提高了土壤酸水解氮含量(分别提高6.27%和7.17%)，配合施用其他有机肥的处理酸水解氮含量差异不明显。

对非酸水解氮来说，与单施化肥相比，有机肥与化肥配合施用的各处理土壤非酸水解氮均显著提高，平均增加了14.36%，其中以化肥与商品有机肥配合施用增幅最大(19.91%)，其余与化肥配合施用增幅由大到小的有机肥依次是鸡粪(17.71%)、羊粪(16.61%)、牛粪(13.30%)、秸秆(11.10%)和猪粪(7.56%)。

2.1.4 土壤微生物量氮的变化 土壤微生物量氮的变化(图4)显示，与单施化肥相比，有机肥与化肥配合施用显著提高了微生物量氮含量，提高幅度为15.38%～23.53%，其中以商品有机肥与化肥配施的提高幅度最高。

2.1.5 土壤酸解铵态氮、氨基酸态氮和氨基糖氮的变化 土壤酸水解氮可以分为酸解铵态氮、氨基酸态氮和氨基糖氮等。不同有机肥配合施用化肥对土壤酸解铵态氮的影响(表2)显示，与单施化肥相比，添加不同有机肥后酸解铵态氮含量均有不同程度的提高，其增加幅度为0.99%～6.18%，其中化肥与猪粪、商品有机肥配合施用达到差异显著水平。

有机肥与化肥配合施用不同程度地提高了氨基酸态氮的含量，化肥与商品有机肥配合施用对氨基酸态氮影响较单施化肥达到差异显著水平(提高9.00%)，其他有机肥处理的差异不显著。

对于氨基糖氮，从表2可以看出，与单施用化肥处理相比，化肥与有机肥配合施用虽然增加了氨基糖氮的含量，但差异并不显著。

表2 各处理土壤酸解铵态氮、氨基酸态氮、氨基糖氮含量Table 2 Soil acidolysis ammonium nitrogen, amino acid nitrogen,and amino sugar nitrogen content in different treatments

2.2 不同有机肥配施化肥对小麦籽粒产量及含氮量的影响

从图5可以看出，与不施肥相比，施肥显著增加了小麦籽粒产量；与单施化肥相比，化肥配合施用有机肥处理的小麦籽粒产量提高了1.39%～10.43%，籽粒产量增幅由高到低的有机肥种类依次是商品有机肥(10.43%)、猪粪(8.30%)、鸡粪(6.90%)、羊粪(5.57%)、牛粪(2.54%)和秸秆(1.39%)，化肥配合施用商品有机肥处理的籽粒产量最高，较单施化肥处理差异达显著水平。图6显示化肥配合施用有机肥较单施化肥的籽粒含氮量有一定的提高，但差异不显著。

2.3 不同有机肥配施化肥后氮素利用率的变化

从不同处理投入总氮利用率的变化(图7)可以看出，商品有机肥或猪粪与化肥配合施用，投入总氮当季利用率与单施化肥处理相当，无显著差异，而其他处理投入总氮利用率均显著下降，下降幅度大小依次是牛粪(18.56%)、秸秆(15.94%)、羊粪(15.64%)、鸡粪(6.84%)。

2.4 不同因子间的相关性分析

由表3可以看出，土壤全氮与碱解氮、酸解氮、铵态氮、氨基酸态氮、微生物量氮显著或极显著相关；土壤碱解氮与土壤全氮、酸解氮、酸解铵态氮、氨基酸态氮、微生物量氮均达到极显著相关水平；酸解氮与土壤全氮、碱解氮、酸解铵态氮、氨基酸态氮、微生物量氮显著或极显著相关；氮素利用率与土壤全氮、碱解氮、酸解氮、酸解铵态氮、氨基酸态氮、微生物量氮呈显著或极显著相关；有机肥输入碳量、有机肥输入氮量、非酸水解氮与氮素各组分以及氮素利用率均未达到显著相关水平。

3 讨 论

土壤全氮是各种形态氮素的总和，作为供作物生长发育稳定的氮源，其含量变化影响着土壤肥力[19]，本研究发现，施化肥前后土壤全氮含量没有显著变化，该结果与唐继伟等[20]的研究结果一致。温延臣等[21]研究表明，施用有机肥可以提高土壤全氮含量；本试验也发现添加有机肥可以不同程度地提高土壤全氮含量。碱解氮是作物生长发育过程中可直接利用的有效氮。杨振兴等[22]研究表明，长期施用化肥可以显著提高土壤中的碱解氮含量，有机肥配施化肥效果更显著；本研究发现，单施化肥对碱解氮含量无显著影响，这可能是施肥周期较短引起的差异，化肥与有机肥配施后土壤碱解氮含量因有机肥种类不同而不同，牛粪和秸秆两个处理的碱解氮含量增加不显著，猪粪、鸡粪、羊粪以及商品有机肥增加显著，反映出不同种类有机肥对碱解氮影响存在差异。酸解铵态氮是植物易吸收利用的有效氮，其含量的高低直接影响土壤供氮潜力[23]，化肥配合施用有机肥可不同程度增加酸解铵态氮含量，这一方面该组分可能直接来源于有机肥，另一方面也可能是施用有机肥后土壤中微生物繁殖过程合成了该组分。唐继伟、Xu等[20,24]发现，施用有机肥后氨基糖态氮和氨基酸态氮有较多增加，本研究发现有机肥与化肥配合施用均不同程度提高了氨基酸态氮含量，而对氨基糖氮含量无显著影响，这可能与氨基糖氮易矿化被微生物利用有关。微生物量氮可以反映土壤的微生物量，在土壤养分转化中具有重要作用[25]，本研究发现添加有机肥后微生物量氮均显著提高，这与徐一兰等[26]研究结果相一致，表明施用有机肥可以增加微生物数量，提高微生物活性。

在测定的土壤氮素指标中，多数有机氮指标含量的大小顺序为商品有机肥>畜禽粪便>秸秆，这是由于商品有机肥经过了堆肥化处理和腐殖化后熟过程，使其有机氮组分在堆肥过程发生了变化，提高酸水解氮及其组分的含量。秸秆还田一方面因其本身氮素含量较低，对土壤有机氮的组成影响较小，另一方面，秸秆的碳/氮比较高，也不利于微生物的活动和氮素的转化[27-28]。几种粪肥对土壤氮素组成的影响呈现出猪粪>鸡粪>羊粪>牛粪的趋势，这与动物因饲料和消化类型的不同对粪肥氮素本身组成影响有关，也与不同粪肥在土壤中氮素转化和矿化特性不同有关。有研究发现，猪粪和鸡粪在有机肥中氮的有效性较高[29]；张帆等[30]也认为鸡粪的氮矿化率显著高于羊粪和牛粪。本研究发现，商品有机肥、猪粪与化肥配合施用后氮素利用率与化肥处理相当，也进一步说明商品有机肥、猪粪中氮素有效性较高。李燕青等[31]发现猪粪以任何比例与化肥配合施用，其氮肥利用率都能达到与单施化肥相当的水平。秸秆、牛粪、羊粪与化肥配施，其氮素当季利用率比单施化肥低，可能与这些有机肥料的碳/氮比较高、有机氮矿化较慢有关。本研究还发现，不同有机肥所带入的碳、氮量与氮素各组分以及氮素利用率的相关性均不显著，因此不同有机肥自身的碳氮含量并不是直接影响土壤氮组分和氮素利用率的主要因素，有机肥配施化肥可能是通过自身的转化如矿质化、腐殖化以及微生物作用等对土壤氮组分和氮素利用率产生影响，其内在机理需要进一步深入研究。

4 结 论

1)与单施化肥相比，有机肥与化肥配合施用不同程度地提高了土壤全氮、碱解氮、酸水解氮、非酸水解氮和微生物量氮的含量，其中以商品有机肥、猪粪、鸡粪等增加的幅度较大。相对而言，秸秆与化肥配施后对土壤有机氮各组分影响较小。

2)与单施化肥相比，商品有机肥、猪粪与化肥配合施用，投入总氮当季利用率与化肥相当，其他处理则低于化肥处理；各处理小麦产量均有不同程度的提高，其中商品有机肥与化肥配合施用产量增加达到显著水平。

3)在化肥与有机肥配合施用情况下，土壤全氮、碱解氮、酸解氮、酸解铵态氮、微生物量氮与投入总氮的利用率呈显著或极显著相关，是影响氮素有效性的主要因子；非酸水解氮与氮素利用率不相关。