豬糞替代氮肥對稻麥輪作條件下土壤有機氮組分的影響①

李 萌，王昌全*，李 冰，楊 娟，李喜喜，游來勇，2，李一丁（ 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 630；2 自貢市國土資源局，四川自貢 643000）

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豬糞替代氮肥對稻麥輪作條件下土壤有機氮組分的影響①

李 萌1，王昌全1*，李 冰1，楊 娟1，李喜喜1，游來勇1，2，李一丁1
（1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2 自貢市國土資源局，四川自貢 643000）

摘 要：合理的有機肥投入水平對于保障土壤肥力和糧食生產(chǎn)有重要的意義。因此，本試驗以豬糞作為試驗材料，采用田間小區(qū)定位試驗，通過設(shè)置對照（T0）、不施氮（T1）、100%化肥氮（T2）、25%豬糞氮+75%化肥氮（T3）、50%豬糞氮+50%化肥氮（T4）、100%豬糞氮（T5）6個不同施肥處理，探討稻麥輪作體系下不同豬糞氮替代氮肥對土壤有機氮組分的影響。結(jié)果表明：豬糞替代氮肥可以提高稻麥輪作體系下土壤酸解性總氮、非酸解性總氮和酸解性氮各個組分的含量，在水稻季，T4處理的土壤酸解性總氮、氨基酸態(tài)氮和酸解未知氮的含量相較T0處理提高了17%、8%、133%；在小麥季，T3處理的土壤酸解性總氮、氨基酸態(tài)氮和酸解未知氮的含量相較T0處理分別增加了11%、8%、127%；各個豬糞替代氮水平對稻麥兩季的土壤氨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮含量的影響均不顯著。總體而言，水稻季50%豬糞替代氮肥和小麥季25%豬糞替代氮肥可以提高稻麥輪作條件下土壤酸解性總氮、氨基酸態(tài)氮和酸解未知氮的含量，進而增加土壤供氮潛力。

關(guān)鍵詞：豬糞；稻麥輪作；土壤有機氮；氮組分

氮是作物生長必須營養(yǎng)元素之一，且吸收的氮素大部分來自于土壤，而表土層中的氮素92% ～ 98% 以有機氮形態(tài)存在［1-2］。土壤有機氮包括有機殘體中的氮和土壤有機質(zhì)或腐殖質(zhì)中的氮［3］，其化學(xué)形態(tài)及其存在狀況是影響土壤氮素有效性的重要因子［4］，也是礦質(zhì)態(tài)氮的源和庫［5］。有機氮在土壤中的過度積累有可能帶來環(huán)境污染等一系列負面效應(yīng)［6］，但由于土壤有機氮在氮素的循環(huán)、土壤肥力和環(huán)境保護中具有重要的意義和地位，所以得到了廣泛關(guān)注［7-8］。1964—1965年，Keeney和 Bremner先后提出了采用酸解法將土壤有機氮分組，對土壤有機氮組分的研究有極大的促進作用［9-10］。巨曉棠等［5］的研究表明，長期施用化肥和有機肥對土壤全氮和有機氮組成具有顯著的影響。張玉樹等［11］的研究表明，長期施用不同肥料均提高了耕層土壤全氮和有機氮的含量。王晉等［12］研究發(fā)現(xiàn)，水田種植較旱地種植更有利于土壤中氮素的保存及利用。由此可以看出，土壤有機氮組分及其有效性的研究是土壤氮素肥力研究的重點。

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，規(guī)模不斷擴大，畜禽數(shù)量猛增，進而帶來的是養(yǎng)殖廢棄物的增加和污染。因此，養(yǎng)殖廢棄物的合理利用引起了廣泛的關(guān)注。宗海英等［13］的研究表明，有機氮無機氮配施對土壤有機氮的影響顯著，有利于氮素的積累。而過多的投入則不利于作物產(chǎn)量的提高，會降低品質(zhì)，增加土壤的碳氮排放，以及養(yǎng)分流失而引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染［14-16］。本實驗通過開展田間定位試驗，探討豬糞氮替代氮肥對土壤有機氮及其形態(tài)變化的影響，以為實現(xiàn)豬糞合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗地點位于都江堰天馬鎮(zhèn)（30°574′0.99′N，103°44′3.69′E，海拔648.04 m），地處成都平原的西北邊緣，屬四川盆地中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫15.2℃，年均降水量近1 200 mm，年均無霜期280天，歷年平均日照時數(shù)1 016.9 h。供試地塊土壤為灰色沖積物發(fā)育的淹育水稻土，土壤肥力均勻，灌排方便。0 ～ 20 cm土層土壤基本化學(xué)性質(zhì)為：pH 6.98，有機質(zhì)28.40 g/kg，全氮1.87 g/kg，全磷0.86 g/kg，全鉀32.2 g/kg，堿解氮176 mg/kg，有效磷11.6 mg/kg，速效鉀58.2 mg/kg。供試豬糞由都江堰德宏農(nóng)業(yè)公司提供（水稻季：含N 17.5 g/kg、P2O568.7 g/kg、K2O 15.6 g/kg，小麥季：含N 16.0 g/kg、P2O559.5 g/kg、K2O 14.4 g/kg）；無機肥料分別為市售尿素（含N 464 g/kg），過磷酸鈣（含P2O5120 g/kg），氯化鉀（含K2O 600 g/kg）；水稻品種為F優(yōu)498。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗為田間定位試驗，從2013年5月開始，為冬小麥-水稻輪作體系，水稻季與小麥季所有處理均一致。試驗共設(shè)對照（T0）、不施氮（T1）、常規(guī)100%化肥氮（T2）、75%化肥氮+ 25%豬糞氮（T3）、50%化肥氮+50%豬糞氮（T4）、50%豬糞氮（T5） 6個處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積20.0 m2，各區(qū)組隨機排列。小區(qū)間田埂用塑料薄膜覆蓋，以防肥、水相互滲透，四周設(shè)保護行，每個小區(qū)均設(shè)進、排水口。水稻在2013年5月30日移栽，株行距分別為13 cm和28.5 cm，每穴定植2株；小麥在2013年10月28日播種，各區(qū)組所用小麥品種和用量統(tǒng)一，由工人均勻撒施播種。所有肥料均作為基肥一次性施入，豬糞施用量按照常規(guī)化肥施氮量折算，不足養(yǎng)分用化肥補充。具體的施肥處理見表1。

表1 試驗施肥情況（kg/hm2）Table 1 Fertilization treatments in experiment

1.3 采樣及測定

本試驗分別采集小麥和水稻成熟期土壤的表層土樣（0 ～ 20 cm），用5點法分別在每個小區(qū)內(nèi)采集土壤樣品，分別混合后帶回室內(nèi)風(fēng)干，經(jīng)晾干后磨細過篩，測定土壤全氮、水解氮、有機氮。其中全氮采用凱氏定氮法；有機氮素組分采用 Bremner法［17］，即將待測土樣用6 mol/L HCl于120℃水解12 h，然后分別測出水解液中氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮及未知態(tài)氮。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析利用Microsoft Excel 2007 和SPSS19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

表2 豬糞替代氮肥對水稻收獲期土壤全氮、酸解性總氮和非酸解性總氮的影響Table 2 Effects of pig manure replacing nitrogen fertilizer on soil total nitrogen， total hydrolysable nitrogen and non-hydrolysable nitrogen in rice harvest stage

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮、酸解性總氮和非酸解性總氮

2.1.1 水稻季 從表2可以看出，水稻季，土壤中酸解性總氮是全氮的主體，在不同的施肥處理下酸解氮的變幅為 867 ～ 1 024 mg/kg，占全氮的56.8% ～ 61.4%；非酸解性總氮的變幅范圍為560 ～760 mg/kg，占全氮的36.1% ～ 43.3%。其中在T1處理下酸解總氮占全氮的比例最小，而在T4處理下酸解性總氮占全氮的比例最高，為 61.4%，T4處理酸解性總氮含量較T1處理顯著提高，T3和T4處理能有效地提高酸解性總氮占全氮的比例；當(dāng)單施豬糞時，酸解性總氮占全氮的比例反而降低，這可能是由于施用豬糞替代氮肥促進了酸解性氮礦化作用［18］。T3、T4和T5處理較T2處理全氮含量分別增加了2.6%、7.6%、13.4%，說明較施用化肥，豬糞替代氮肥可以提高土壤全氮的含量；T1、T2、T3、T4和T5處理較T0處理均提高了土壤全氮的含量，但是各施肥處理均不顯著；與T2處理比較，T3處理減少了酸解氮的含量，而T4和T5均增加了土壤酸解性總氮的含量，分別增加了 3.4% 和 0.7%，T3、T4和T5處理較T2處理均增加了非酸解性總氮的含量。因此，施用豬糞可以有效地增加酸解性總氮、非酸解性總氮和土壤總氮的含量，但各個施氮處理結(jié)果并不顯著；T4處理酸解性總氮含量達到最大；T5處理土壤總氮和非酸解性總氮含量均有所增加，其酸解性總氮較T4處理降低了2.6%。表明水稻季土壤酸解性總氮、非酸解性總氮和土壤全氮含量主要受豬糞替代水平的影響。

2.1.2 小麥季 由表3可見，小麥季，酸解性總氮是土壤全氮的主體。T2、T3、T4和T5處理均增加了土壤酸解性總氮、非酸解性總氮和全氮的含量，T2、T3、T4和T5處理酸解性總氮含量較T0處理分別增加了24.9%、11.3%、5.8%、0%，非酸解氮含量較T0處理分別增加了9%、18%、2.2%、17.5%，全氮含量較T0處理分別增加了11.3%、6.8%、-2.1%、0.2%。各施肥處理土壤酸解性總氮、非酸解性總氮和全氮含量的差異不顯著；隨著豬糞替代氮肥量的增加，酸解性氮和全氮含量較T2處理有所降低，可能是由于豬糞替代氮肥增加了土壤酸解氮的礦化能力，使得隨著豬糞替代氮肥量的增加酸解性總氮出現(xiàn)降低趨勢。各施肥處理下酸解氮含量的變幅范圍為906 ～1 137 mg/kg，占全氮的56.9% ～ 64.0%；非酸解氮含量的變幅范圍為587 ～ 693 mg/kg，占全氮的36% ～43.1%；T2、T3、T4和T5處理下，土壤酸解性總氮占全氮的比例分別為64%、59.4%、61.5%、56.9%。可以發(fā)現(xiàn)，在小麥季施用豬糞替代化肥效果并不好，這可能是由于在旱作條件相對較穩(wěn)定，使得施用豬糞后土壤的氮素動態(tài)效果沒有表現(xiàn)出來。

2.2 土壤有機氮組分

2.2.1 水稻季 土壤有機氮組分可以分為酸解氮和非酸解氮，其中酸解氮包括了氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮和酸解未知氮［19］。從表 4可以看出，在水稻季，單施化肥、豬糞和化肥配施和單施豬糞均可以提高土壤有機氮組分氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮和酸解未知氮的含量，但從各個處理來看，氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮差異均沒有達到顯著水平。氨基酸態(tài)氮是酸解性氮中主要的可鑒別的含氮有機化合物，所有處理的氨基酸態(tài)氮含量在428 ～ 511 mg/kg，占全氮的25.8% ～ 33%。不施氮處理T1較T0處理氨基酸態(tài)氮含量有所降低，單施化肥處理 T2、豬糞和化肥配施處理T3和T4及單施豬糞處理T5均使氨基酸態(tài)氮有所提高，但效果不顯著。氨態(tài)氮占全氮的范圍為19.8% ～ 23.5%，氨態(tài)氮含量的范圍為314 ～367 mg/kg，可以看出豬糞與化肥配施可以增加有機氮組分中氨態(tài)氮的含量。從各有機氮組分所占全氮的比例可以看出，豬糞氮代替化肥降低了稻季土壤氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮占全氮的百分比，增加了酸解未知氮占全氮的百分比，T3、T4處理增加了氨基糖態(tài)氮占全氮的百分比。從豬糞的施用量考慮，水稻季施用50%的豬糞替代氮肥對土壤有機氮組分的影響效果最佳。

表3 豬糞替代氮肥對小麥?zhǔn)斋@期土壤全氮、酸解性總氮和非酸解性總氮的影響Table 3 Effects of pig manure replacing nitrogen fertilizer on soil total nitrogen， total hydrolysable nitrogen and non-hydrolysable nitrogen in wheat harvest stage

表4 豬糞替代氮肥后水稻成熟期土壤有機氮組分的含量以及分布Table 4 Contents and fractions of soil organic nitrogen after pig manure replacing nitrogen fertilizer in rice harvest stage

2.2.2 小麥季 由表5可得，小麥季氨基酸態(tài)氮的含量為417 ～ 594 mg/kg，占全氮的25% ～ 33.4%；單施化肥氨基酸態(tài)氮的含量達最大，當(dāng)豬糞替代氮肥直至單施豬糞時，氨基酸態(tài)氮的含量呈現(xiàn)下降的趨勢。在T2處理下，氨態(tài)氮含量增量最大，當(dāng)豬糞替代氮肥時其含量呈下降趨勢。氨基糖態(tài)氮含量在各個施肥處理下有增有降，單施豬糞時較T0處理有所降低，其他處理均增加。從試驗結(jié)果來看，T1處理降低了酸解未知氮的含量，而T2、T3、T4和T5處理均增加了酸解未知氮的含量，且T3和T4處理分別與T0處理在P＜0.05水平下差異顯著。豬糞替代氮肥，當(dāng)豬糞替代氮肥為25% 時，氨基酸態(tài)氮和酸解未知氮占全氮的百分比最大；當(dāng)豬糞替代氮肥超過25% 時，氨基酸態(tài)氮和酸解未知氮含量及其占全氮的百分比出現(xiàn)了降低趨勢；在T3、T4和T5處理下土壤非酸解氮、酸解未知氮的含量仍處于增加。從豬糞的施用量考慮，小麥季施用25% 的豬糞替代氮肥對土壤有機氮組分的影響效果最佳。

表5 豬糞替代氮肥后小麥成熟期土壤有機氮組分的含量以及分布Table 5 Contents and fractions of soil organic nitrogen after pig manure replacing nitrogen fertilizer in wheat harvest stage

3 討論

3.1 土壤全氮、酸解性總氮和非酸解性總氮

本試驗研究豬糞替代氮肥對稻麥輪作條件下土壤有機氮組分的影響，與不施肥處理比較，單施化肥、豬糞與化肥配施和單施豬糞均增加了稻麥輪作條件下土壤酸解性總氮、非酸解性總氮和全氮的含量，這與王克鵬等［20］的研究結(jié)果一致。叢耀輝等［21］的研究表明，土壤酸解氮含量大于非酸解氮，與本研究結(jié)果一致。水稻季，隨著使用豬糞替代氮肥含量的增加土壤全氮的含量大幅增加，這可能是由于施用一定量的豬糞有利于土壤有機氮的積累；小麥季，隨著豬糞替代氮肥施用量的增加，土壤酸解性氮、非酸解氮和全氮均出現(xiàn)了降低趨勢，并且酸解氮的含量逐漸趨近于不施肥處理時酸解氮的含量。研究發(fā)現(xiàn)，施用豬糞替代氮肥水稻季和小麥季土壤酸解性總氮、非酸解性總氮和全氮的影響是不同的，可能是因為旱地土壤比水旱交替土壤更加穩(wěn)定造成的［22］。從各個施肥處理的結(jié)果來看，豬糞替代氮肥對土壤酸解性氮、非酸解氮和全氮的影響差異并不顯著，這可能是由于稻麥輪作周期比較短，實驗效果并不顯著。

3.2 土壤有機氮組分

王媛等［9］研究表明，化肥配施有機肥或秸稈是提高土壤供氮潛力的有效手段，氨基酸態(tài)氮是土壤可礦化態(tài)氮的主要貢獻者。Li等［23］研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機氮組分中氨基酸態(tài)氮的含量最大，其次是非水解氮、水解氮，酸解未知態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮。姜慧敏等［24］和李樹山等［25］的研究表明，有機肥可以明顯增加土壤中氨基酸態(tài)氮的含量。張永全等［26］的研究表明，施用有機肥對有機氮各組分均有極顯著影響，從潮土中有機氮組分上來看，酸解未知氮＞基酸氮＞酸解氨態(tài)氮＞氨基糖態(tài)氮，與本研究結(jié)果有所不同。李強等［4］的研究表明，水稻土中全氮及有機氮各組分含量無明顯規(guī)律，這可能與區(qū)域性的施肥等管理措施和氣候因素綜合作用相關(guān)。黨亞愛等［27］的研究表明，黃土高原從北到南典型土壤全氮與微生物生物量氮、固定態(tài)銨及酸解有機氮各組分含量之間的相關(guān)性均達到極顯著水平。本研究發(fā)現(xiàn)，在水稻季，單施化肥、豬糞和化肥配施和單施豬糞均可以提高土壤有機氮組分中氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮和酸解未知氮的含量，施用豬糞替代氮肥對氨基酸態(tài)氮、酸解未知氮和非酸解氮的影響較大；在小麥季，施用豬糞替代氮肥對酸解未知氮的影響比較大，對氨基酸態(tài)氮、氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮和非酸解氮均無明顯的影響。各個施肥處理下差異不顯著，主要原因是土壤在稻麥輪作下所處的環(huán)境不同，且稻麥輪作周期較短。

4 結(jié)論

1） 水稻季，當(dāng)豬糞替代氮肥量占50% 時為最佳豬糞替代量，土壤酸解性總氮和全氮含量增加到最大，氨基酸態(tài)氮和酸解未知氮增量達最大，但是豬糞替代氮肥對氨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮影響不顯著。

2） 小麥季，當(dāng)豬糞施用量占25% 時為最佳施用量，土壤全氮、氨基酸態(tài)氮和酸解未知氮含量較高，豬糞替代氮肥對氨態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮的影響不顯著。

3） 土壤氮素中有機氮占主體，施用豬糞對稻麥輪作表層土壤（0 ～ 20 cm）酸解性總氮、非酸解性總氮、全氮和酸解性總氮各組分的含量均有不同程度的增加，而差異不顯著；不同量豬糞替代氮肥處理土壤有機氮組分的含量占全氮的比例具體表現(xiàn)為：非酸解性總氮＞氨基酸態(tài)氮＞氨態(tài)氮＞酸解未知氮＞氨基糖態(tài)氮。

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中圖分類號：S153.6

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.005

基金項目：①國家科技支撐計劃項目（2012BAD14B18）和四川省科技支撐計劃項目（2012JZ0003， 2013NZ0028）資助。

* 通訊作者（w.changquan@163.com）

作者簡介：李萌（1990—），男，陜西漢中人，碩士研究生，主要從事土壤質(zhì)量與環(huán)境可持續(xù)研究。E-mail：374112517@qq.com

Effects of Pig Manure Replacing Nitrogen Fertilizer on Soil Organic Nitrogen Components Under Rice-Wheat Rotation

LI Meng1， WANG Changquan1*， LI Bing1， YANG Juan1， LI Xixi1， YOU Laiyong1，2， LI Yiding1
（1 College of Resources， Sichuan Agricultural University， Chengdu 611130， China； 2 Zigong Land Resources Bureau， Zigong，Sichuan 643000， China）

Abstract:The reasonable level of organic fertilizer is important for the protection of soil fertility and grain production.Therefore， a field experiment was conducted to study the effects of pig manure replacing nitrogen fertilizer on soil organic nitrogen components under rice-wheat rotation， six treatments were designed which included no fertilization （T0）， no nitrogen （T1）， single application of chemical fertilizer （T2）， 25% pig manure nitrogen and 75% chemical fertilizer nitrogen（T3）， 50% pig manure nitrogen and 50% chemical fertilizer nitrogen （T4）， 100% pig manure nitrogen （T5）.The results showed that pig manure replacing nitrogen fertilizer increased total hydrolysable nitrogen， non-hydrolysable nitrogen and acid solution nitrogen of each component content.Compared with T0， in rice season， the contents of soil total hydrolysable nitrogen， amino acid nitrogen and hydrolysable unidentified nitrogen under T4 treatment increased by 17%， 8% and 133%， respectively； in wheat season， the contents of soil total hydrolysable nitrogen， amino acid nitrogen and hydrolysable unidentified nitrogen under T3 treatment increased by 11%， 8% and 127%， respectively， compared with T0 treatment； however， the effects of each treatment were not significant on the contents of ammonia nitrogen and amino sugar nitrogen both in rice season and wheat season.In general， in rice season 50% pig manure replacing nitrogen fertilizer and in wheat season 25% pig manure replacing nitrogen fertilizer can increase the contents of soil total hydrolysable nitrogen， amino acid nitrogen and hydrolysable unidentified nitrogen， thereby can increase soil nitrogen supplying capacity.

Key words:Pig manure； Rice-wheat rotation； Soil organic nitrogen； Nitrogen component