不同有机肥替代20%化肥氮的稻田土壤有机氮组分积累特征 

2024-12-31 00:00:00刘华彭复细陈俊林娇周玉安NaderSaad张振华夏银行
湖南农业科学 2024年8期
关键词:酶活性

摘要:为了探明不同有机肥等比例替代化肥下土壤有机氮各组分积累特征,依托长期施肥定位试验,以不施氮肥(CK)和施用化肥氮(NPK)为对照,检测分析了猪粪(PM)、商品有机肥(OM)和早稻紫云英+晚稻水稻秸秆(RMS)替代20%化肥氮处理下土壤有机氮组分含量及其占全氮的比例。结果表明:全氮和有机氮组分含量在NPK和CK处理之间差异不明显;与NPK处理相比,有机肥替代化肥各处理的土壤全氮含量提高了5.2%~8.5%,尤其是PM处理;且3种有机肥替代化肥的酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮的含量分别显著提高了11.0%~18.8%、10.8%~18.5%和16.7%~31.1%,其占全氮比例分别提高了4.4%~11.1%、2.1%~12.6%和7.5%~24.5%,增加了土壤速效氮含量,尤其是RMS处理;其原因可能是有机肥替代化肥不同程度地增加了微生物生物量碳氮,增强了氮转化相关酶活性,促进了难分解有机氮组分向易分解有机氮组分的转化。综上,有机肥等比例替代化肥均能有效提高土壤氮素积累和供应,其中猪粪更有利于氮素积累,秸秆更有利于增强氮素供应潜力。

关键词:等比例替代;有机氮组分;微生物生物量;酶活性;稻田土壤

中图分类号:S158 文献标识码:A 文章编号:1006-060X(2024)08-0029-07

Accumulation Characteristics of Organic Nitrogen Fractions in Paddy Soil upon Replacement of 20% Chemical Nitrogen Fertilizer with Different Organic Fertilizers

LIU Hua1,PENG Fu-xi2,3,CHEN Jun2,3,LIN Jiao2,3,ZHOU Yu-an2,3,Nader Saad2,3,

ZHANG Zhen-hua2,3,XIA Yin-hang2,3

(1. Cili Bureau of Agriculture and Rural Affairs, Cili 427200, PRC; 2. College of Resources, Hunan Agricultural University,"Changsha 410128, PRC; 3. Yuelushan Laboratory, Changsha 410128, PRC)

Abstract: This study aims to unveil the accumulation characteristics of soil organic nitrogen (N) fractions upon replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer at the same proportion based on a long-term fixed-location fertilization experiment. With no N fertilizer (CK) and chemical N fertilizer (NPK) as the control groups, we measured the content and proportions of organic N fractions in total N under three replacement treatments: pig manure replacing 20% chemical N fertilizer (PM), commercial organic fertilizer replacing 20% chemical N fertilizer (OM), and Chinese milk vetch in early rice and rice straw in late rice replacing 20% chemical N fertilizer (RMS). The results indicated that the content of total N and organic N fractions presented no significant differences between NPK and CK. Compared with NPK, the three replacement treatments increased soil total N content by 5.2%-8.5%, with the highest increase in the PM treatment. The three replacement treatments increased the content of acid-hydrolyzed amino acid N, acid-hydrolyzed ammonium N, and acid-hydrolyzed amino sugar N by 11.0%-18.8%, 10.8%-18.5%, and 16.7%-31.1%, respectively. Meanwhile, the three treatments increased the proportions of the three organic N fractions above in total N by 4.4%-11.1%, 2.1%-12.6%, and 7.5%-24.5%,"respectively. The data suggested that the replacement treatments, especially RMS, increased the available N in soil. Possible causes of these results were that organic fertilizer replacing chemical fertilizer increased the contents of microbial biomass C and N, as well as the activity of N-related enzymes, and promoted the conversion of difficultly decomposable oragnic N fractions into easily decomposable"organic N fractions. In summary, replacing chemical N fertilizer with different organic fertilizers at the same proportion can effectively increase the accumulation and supply of soil N. Pig manure and straw are conducive to N accumulation and supply, respectively.

Key words: replacement at the same proportion; organic nitrogen fractions; microbial biomass; enzyme activity; paddy soil

氮是影响作物生长的重要元素。作物生长吸收的氮素50%以上来自土壤,且以无机氮为主[1-2]。土壤有机氮占全氮90%以上,主要存在于腐殖质和未完全分解的动植物残体中[3-4],需矿化为无机氮才能被作物吸收利用[5]。有机氮库的大小和赋存形态是影响土壤氮素有效性的重要因子[6]。根据有机氮化学形态,可将土壤有机氮划分为非酸解氮和酸解氮,酸解氮又包括酸解氨基酸氮、酸解铵态氮、酸解氨基糖氮和酸解未知氮[7]。其中,酸解氨基酸氮是有机氮矿化为无机氮的重要中间产物,与微生物代谢活动联系紧密,可以表征土壤供氮潜力[8];酸解铵态氮以固定态铵为主,是土壤可矿化氮的主要的直接来源,其含量的高低直接影响着土壤供氮潜力[9];酸解氨基糖氮是一类相对稳定的有机氮,来源于微生物的细胞壁成分,反映土壤微生物对氮素同化吸收利用过程[10-11];酸解未知氮是酸解过程中未被鉴别的含氮化合物[3,9];非酸解氮指氨基酸和氨基糖通过缩合作用形成的复杂化合物,性质稳定[3,9]。因此,研究土壤有机氮组分含量及积累特征对探明土壤氮素有效性和供氮潜力具有重要的意义。

施肥是土壤中氮素补给的主要来源,能够改变土壤中氮组分的积累,影响作物生长。研究表明,施用化肥或者有机肥替代化肥均能显著促进土壤氮素积累,且不同有机肥不同比例替代化肥对土壤全氮含量的影响差异较大[12]。相比秸秆替代20%化肥氮,猪粪替代30%或60%化肥氮的处理均具有较高的土壤全氮含量,但其降低了微生物残体氮对全氮积累的贡献[12]。鸡粪替代30%化肥氮和秸秆替代化肥氮均能显著改变土壤有机氮组分,提高酸解总氮的含量,且鸡粪替代化肥具有更高含量的酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮和酸解未知氮,而秸秆替代化肥氮处理更有利于酸解铵态氮的积累[13]。利用商品有机肥替代15%至60%的化肥氮各处理均能有效地增加土壤全氮含量,促进酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮等易分解有机氮组分的积累,降低了土壤非酸解氮含量[14]。上述研究结果表明,有机肥种类不同、替代化肥氮比例不同均会改变土壤全氮及有机氮各组分的积累。以往研究主要关注于不同有机肥或者同一有机肥不同比例替代化肥氮之间的比较,缺乏有机肥等比例替代化肥氮对土壤氮积累影响的研究。不同的有机肥性质、碳氮含量和碳氮比均具有较大的差异,其等比例替代化肥氮条件下如何影响土壤有机氮组分分布仍需要深入研究。

稻田作为我国主要的耕地类型之一,长期淹水环境形成了其特有的土壤性质,有机肥等比例替代化肥氮对土壤有机氮组分的影响鲜有报道。基于此,本研究依托长期有机肥替代化肥定位试验,探究猪粪、商品有机肥和秸秆等有机肥等比例替代化肥氮条件下稻田土壤全氮及有机氮各组分积累特征,以期制定合理的施肥模式,充分利用有机肥,促进土壤有机氮各组分积累,进而提高土壤的氮素供应能力。

1 材料与方法

1.1 定位试验设计

试验地位于湖南农业大学浏阳市沿溪镇实验基地(28°19′N,113°49′E),该区域属于亚热带季风性湿润气候,年平均温度和降雨量分别为17.5℃和1551.3 mm。供试土壤为河流冲积物发育的潮沙泥田。试验开始前的土壤理化性质为:pH 值5.61;有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为16.6、1.21、0.54和11.5 g/kg;碱解氮、有效磷和速效钾的含量分别为48.9、21.3和155.7 mg/kg。定位试验始于2013年,采用双季稻种植模式,共包括5个处理:不施氮肥(CK)、施用化肥氮(NPK)、猪粪替代20%化肥氮(PM)、商品有机肥替代20%化肥氮(OM)、早稻紫云英和晚稻水稻秸秆替代20%化肥氮(RMS)。每个处理设置3个重复小区,每个小区面积为20 m2,采用随机区组排列。早稻季,CK处理P2O5和K2O施肥量分别为72和90 kg/hm2, 其余各处理施肥总量一致,N、P2O5和K2O的施肥总量分别为120、72和90 kg/hm2;晚稻季,CK处理P2O5和K2O施肥量分别为60和105 kg/hm2, 其余各处理施肥总量一致,N、P2O5和K2O的施肥总量分别为135、60和105 kg/hm2;氮磷钾化肥分别采用尿素、过磷酸钙和氯化钾,猪粪碳氮比为13.3,商品有机肥碳氮比为22.9,紫云英碳氮比为16.2,水稻秸秆碳氮比为42.1;在早晚稻季,有机肥和磷肥做基肥,氮、钾肥60%做基肥,40%做分蘖肥。早稻品种是金早香1号,晚稻品种是荃早优1606。

1.2 土壤样品采集

连续施肥10 a后,于2022年晚稻收割后采集土壤样品,利用土钻在每个小区按照“S”形采集土壤样品,每个小区采集5个点,充分混匀后作为一个土壤样品,挑除可见的石砾和动植物残体后,按照四分法分取一部分土壤样品风干,测定有机碳、全氮、有机氮组分和土壤pH等土壤指标;另一部分土壤样品作为鲜样保存于4℃冰箱,用于测定微生物生物量碳氮(MBC和MBN)和酶活性,以及速效氮含量。

1.3 土壤指标的测定

土壤有机碳、全氮和pH值利用《土壤农化分析》中的方法测定[15]。MBC和MBN采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法提取,利用TOC分析仪和连续流动注射仪测定[16],其中未熏蒸的溶液用于测定土壤铵态氮和硝态氮含量,两者之和作为土壤速效氮含量。土壤蛋白酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶均采用比色法测定,其中底物分别为酪蛋白酸钠和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷[17-18]。

土壤有机氮各组分采用Bremner法进行测定[7]。具体为:称取含有0.25 mg N的风干土样放入水解瓶中,加入6 mol/L的HCl,在105 ℃下水解12 h后获得酸解液。其中,酸解总氮是酸解液加入硫酸钾和硫酸铜混合的催化剂以及浓硫酸加热消煮后测定;酸解氨基酸氮是酸解液利用柠檬酸盐缓冲液和茚三酮氧化、磷酸-硼砂缓冲液蒸馏法后测定;酸解铵态氮是酸解液加入3.5% MgO蒸馏后测定;酸解氨基糖氮是酸解液利用磷酸-硼砂缓冲液蒸馏后,利用凯氏定氮仪测定,然后减去酸解铵态氮含量获得;酸解未知氮是利用酸解总氮减去酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮的差值;非酸解氮是土壤全氮和酸解总氮的差值。

1.4 数据处理

采用SPSS18.0进行数据处理和统计分析。在进行数据分析之前利用Shapro-Wilk方法和Leven’s方法对数据进行正态分布和方差齐性检验,均符合。各处理之间的差异性利用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验,Duncan法进行比较,P<0.05时作为显著影响。有机氮组分和各环境因子之间的相关性利用Pearson相关进行分析。所有图形利用Origin 8.5制得。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下水稻产量和土壤理化性质

施肥各处理均不同程度地提高了水稻产量(表1)。在2022年晚稻季和2023年早稻季,相对于CK处理,NPK、PM、OM和RMS处理分别使水稻产量提高了2.7%~4.7%、8.0%~17.7%、4.5%~14.5%和7.2%~17.7%,其中PM和RMS在两季均达到了显著性,而OM仅在2023年早稻季达到了显著性(P<0.05)。

经过10 a替代施肥后,与CK相比,NPK处理并没有显著改变土壤有机碳和全氮含量(表2)。相对于NPK处理,有机肥替代化肥各处理使土壤有机碳含量显著提高了4.0%~7.0%(P<0.05);且3种有机肥处理之间无显著差异(表2);3种有机肥替代化肥使土壤全氮显著提高了5.2%~8.5%(P<0.05),尤其是PM处理。与NPK处理相比,有机肥替代化肥各处理使土壤速效氮含量提高了7.4%~10.5%(P<0.05),其中RSM处理最高。这些结果表明了不同有机肥等氮替代化肥条件下均能促进土壤碳氮的积累,提高土壤的氮素供应能力。

进一步分析表明,施肥各处理对土壤碳氮比无显著的影响(表2)。NPK和RSM处理均显著降低了土壤pH值,尤其是RSM处理(P<0.05);而PM处理显著提高了土壤的pH值(P<0.05)。

2.2 不同施肥处理下土壤有机氮组分含量及其占全氮的比例

施肥各处理不同程度地改变了土壤有机氮组分的含量(图1)。与CK相比,NPK处理仅提高了酸解氨基酸氮含量(P<0.05)。相对NPK处理,PM处理使非酸解氮、酸解总氮、酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮含量分别提高13.1%、5.8%、18.8%、10.8%和16.7%(P<0.05),使酸解未知氮含量降低了7.0%;OM处理使非酸解氮、酸解总氮、酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮含量分别显著提高9.2%、4.7%、11.0%、15.5%和22.0%(P<0.05),酸解未知氮含量降低了6.7%;RMS处理使酸解总氮、酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮分别显著提高了10.3%、16.9%、18.5%和31.1%(P<0.05)。

由图2可知,相对于CK,NPK处理仅提高了酸解氨基酸氮的占比(P<0.05)。与NPK处理相比,3种有机肥替代化肥处理使酸解氨基酸氮占全氮的比例显著提高了4.4%~11.1%,均达到了显著水平(P<0.05),其中RMS处理最显著;使酸解铵态氮占全氮比例提高了2.1%~12.6%,其中OM和RMS处理达到了显著水平(P<0.05),且RMS>OM处理;使酸解氨基糖氮占全氮比例显著提高了7.5%~24.5%(P<0.05),其中RMS>OM>PM处理;使酸解未知氮占全氮比例降低了5.3%~14.3%,其中PM和OM达到了显著水平(P<0.05)。与CK和NPK处理相比,RSM处理显著降低了非酸解氮占全氮的比例(P<0.05)。这些结果表明了有机肥等比例替代化肥氮均不同程度地提高了土壤的供氮潜力,尤其是RSM处理。

2.3 不同施肥处理下土壤微生物生物量和酶活性

与CK和NPK处理相比,有机肥替代化肥各处理均增加了土壤MBC和MBN含量(P<0.05),其中RSM处理中MBC含量最高,PM处理中MBN含量最高(图3a,b);此外,有机肥替代化肥各处理均提高了土壤蛋白酶和N-乙酰-β-D葡萄糖苷酶活性(P< 0.05),尤其是RSM处理(图3c,d)。

相关性分析表明,土壤非酸解氮和酸解总氮占全氮比例与土壤性质之间均无显著相关性;土壤酸解氨基酸氮和酸解氨基糖氮占全氮比例与土壤性质之间均呈现显著正相关关系;土壤酸解铵态氮占全氮比例与速效氮含量、MBC含量、蛋白酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性之间均呈现显著正相关关系;土壤酸解未知氮占全氮比例与有机氮、全氮、速效氮和MBN含量,以及与蛋白酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性均呈现显著负相关关系(表3)。

3 讨论

3.1 不同有机肥等比例替代化肥对土壤碳氮积累及其他性质的影响

有机物料输入是土壤中有机质的主要来源,有助于提高土壤碳氮的积累,进而提升土壤肥力[19-20]。在研究中发现,施肥各处理均不同程度地提高了水稻产量,尤其是猪粪和秸秆替代化肥处理,与以往的研究结果相似[12],这可能是肥料投入提高了土壤肥力所致。以往大多数学者探究有机肥输入对土壤碳氮积累的影响多集中于不同比例替代之间的比较[21-23],很少关注不同有机肥等比例替代化肥氮条件下土壤碳氮的积累规律,进而难以评价有机肥之间的碳氮固定效果。在本研究中,施用化肥氮与不施氮肥相比并没有显著改变土壤氮素积累,这可能是由于施用化肥氮在一定程度上提高了水稻产量,可能通过水稻秸秆和籽粒带走了大量的氮导致,此外,化肥氮易流失也可能是其氮素积累无显著变化的原因。相对于施用化肥氮处理,猪粪、商品有机肥和秸秆3种有机肥等比例替代化肥氮均显著提高了土壤有机碳和全氮含量,证实了有机物料输入有利于促进土壤碳氮积累的观点[24]。3种有机肥具有不同的碳氮比,在等比例替代化肥氮条件下向土壤输入碳的总量差异较大。然而,3种有机肥处理之间对土壤有机碳的积累并无显著影响,这与以往探明的猪粪替代30%化肥氮相比于秸秆替代20%化肥氮更有利于土壤有机碳积累的研究结果不同[22]。这也表明了不同有机肥等比例替代化肥对土壤有机碳积累的结果可能是相同的,但具有低碳氮比的猪粪还田表现出了最高的固碳效率。同时,发现猪粪替代化肥处理中土壤全氮含量显著高于另外2种有机肥替代化肥处理。这与猪粪和秸秆不同比例替代化肥氮条件下的研究结果一致[12],表明了猪粪替代化肥也具有较高的土壤氮素固定效率。

有机肥替代化肥不仅能够促进土壤碳氮的积累,同时也提高了土壤中的速效氮含量,表现出较高的土壤氮素供应能力[13]。有机肥替代化肥相比于施用化肥氮处理也不同程度地提高了土壤速效氮含量,尤其是秸秆替代20%化肥氮处理,这可能与有机肥输入土壤后改变了有机氮组分的分布特征有关。值得一提的是,不同的有机肥替代化肥对土壤pH的影响结果不同。与不施氮肥和施用化肥氮处理相比,猪粪替代20%化肥氮显著提高了土壤pH值,秸秆替代20%化肥氮显著降低了土壤pH值,而商品有机肥替代20%化肥氮对土壤pH值无显著影响,证实了粪肥替代化肥具有降酸效果,而秸秆还田在一定程度上可能导致土壤酸化[12,25]。这对南方红黄壤酸化治理具有重要的施肥指导意义。

3.2 不同有机肥等比例替代化肥对土壤有机氮组分的影响

作为土壤全氮的重要组成部分,有机氮组分是土壤有效氮的源和库,研究其分布特征对探明土壤氮素有效性和供应能力具有重要的意义。本研究表明,与不施氮肥相比,施用化肥氮对大部分有机氮组分含量无显著影响,仅提高了酸解氨基酸氮含量,其原因可能是施用化肥氮对土壤全氮无显著影响,但是提高了土壤蛋白酶活性,这可能促进土壤大分子有机氮解聚成小分子有机氮组分,如氨基酸氮[26]。进一步分析发现,与施用化肥氮相比,不同有机肥等比例替代化肥氮不同程度地影响了土壤有机氮各组分的积累。猪粪和商品有机肥替代20%化肥氮处理同时促进了土壤非酸解氮和酸解总氮的积累,而秸秆替代20%化肥氮处理仅提高了酸解总氮含量。其原因可能是有机肥替代化肥向土壤输入了大量的碳和氮提高了土壤微生物生物量,增强了氮转化相关的酶活性,促进了输入的氮向土壤有机氮各组分的转化积累;而秸秆替代20%化肥处理中氮转化酶活性最高,促使了难分解有机氮组分向易分解有机氮组分的转化[27-28],提高了酸解总氮含量。进一步分析发现,有机肥替代化肥处理主要是促进了酸解有机氮中的酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮等组分的积累,这与其他有机肥替代不同比例化肥氮的结果相似[13-14, 29]。其中,酸解氨基酸氮,尤其是小分子氨基酸氮是土壤有机氮可以被微生物吸收转化为无机氮的过渡态氮库[30];酸解铵态氮是土壤可矿化氮的最主要直接来源,是一种含有大量易矿化有机氮的临时氮库[8,31];两者含量的提高表明了土壤具有较高的土壤供氮潜力[9],这与有机肥替代化肥处理中速效氮含量较高的结果相对应。酸解未知氮作为未鉴别的含氮化合物,其在本研究中对有机肥替代化肥的响应与以往研究结果不同,具体原因还需要进一步研究。

深入分析发现,3种有机肥替代化肥处理中,仅秸秆替代20%化肥氮显著降低了非酸解氮占全氮的比例,表明了在等比例替代化肥氮的条件下,猪粪和商品有机肥对土壤非酸解氮和酸解总氮积累的促进是同步的,而秸秆替代化肥更能激活土壤有机氮库的活性。尽管如此,3种有机肥替代化肥均不同程度地提高了酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮的占比,尤其是秸秆替代20%化肥氮处理,进一步证实了有机肥代替化肥氮的处理提高了土壤氮素的供应潜力,进而增加了土壤速效氮含量。这些结果与微生物生物量和氮转化相关酶活性的提高紧密相关。酸解氨基糖氮作为微生物残留物的重要成分[11],其含量和占比在秸秆替代20%化肥氮处理中显著高于猪粪替代20%化肥氮处理,表明了秸秆相对于猪粪替代化肥氮更有利于微生物残体氮的积累,这与前期的研究结果相符[12, 24]。因此,3种有机肥等比例替代化肥氮均能不同程度地提高酸解有机氮中酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮的含量及其占全氮的比例,提高土壤氮素供应潜力,尤其是秸秆替代20%化肥氮处理。

4 结论

长期以猪粪、商品有机肥、早稻紫云英和晚稻水稻秸秆替代20%化肥氮均能有效地促进稻田土壤碳氮积累,其中猪粪替代化肥氮对提高土壤全氮含量的效果最明显。3种有机肥均显著增加了酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮的含量;同时,不同程度地提高了这3种酸解氮组分占全氮的比例,增强了土壤氮素供应潜力,其中秸秆替代化肥氮的效果最显著。因此,在等比例替代化肥氮条件下,猪粪更有利于土壤氮素积累,秸秆则更有利于土壤氮素供应,但需要防止秸秆还田引起土壤酸化。

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(责任编辑:高国赋)

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不同处理菌糠对油菜生长及土壤理化性质的影响
百香果总糖含量及抗氧化酶活性的测定研究
利用实验教学培养学生的科学素养
中学生物学(2016年6期)2016-07-04 10:48:21
利用初榨草莓汁探究pH对果胶酶活性的影响
中学生物学(2016年5期)2016-05-26 11:01:46
木质素降解酶系在毕赤酵母中的表达及降解木质素的活性
棉花—孜然间作模式对土壤微生物数量及酶活性的影响
氮磷钾配施比例对晒红烟碳氮代谢关键酶活性及化学成分的影响
基于氢键诱导的纳米金比色传感器实时检测脂肪酶活性
分析化学(2015年4期)2015-06-08 07:41:51