基于四川涼山煙區(qū)大田試驗的腐熟農(nóng)家肥礦化規(guī)律分析

陳 宇，凌愛芬，李少鵬，李方新，岳東林，盧 劍，葉協(xié)鋒，武云杰，范文思，于建軍*

1. 河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，鄭州市金水區(qū)文化路95 號 450002

2. 四川省煙草公司涼山州公司，四川省西昌市西郊鄉(xiāng)三岔口東路432 號 615000

3. 江蘇中煙工業(yè)有限責任公司，南京市中山北路406-3 號 210000

4. 甘肅煙草工業(yè)有限責任公司，蘭州市七里河區(qū)南濱河中路1111 號 730000

5. 四川省煙草公司寧南縣公司，四川省涼山州寧南縣披砂鎮(zhèn)洗布壩37 號 615400

四川省涼山彝族自治州寧南縣烤煙種植歷史悠久，地理環(huán)境和生態(tài)氣候優(yōu)越，能夠滿足烤煙喜溫、喜光等生長特性[1]，成為卷煙生產(chǎn)的原料供應基地之一。近年來，由于化肥濫用和煙草連作導致植煙土壤環(huán)境惡化，煙葉品質下降[2-3]。

農(nóng)家肥多由家禽糞便和農(nóng)作物秸稈組成，具有養(yǎng)分全，肥效期較長，含微生物、酶等優(yōu)點，可改良土壤，增強土壤緩沖能力，維持土壤環(huán)境穩(wěn)定[4-5]。邵興芳等[6]研究發(fā)現(xiàn)，施用農(nóng)家肥可以提高土壤碳和氮含量，且顯著提高土壤氮素的礦化量和礦化率；王朔林等[7]研究表明，長期施用農(nóng)家肥可增加土壤總有機碳含量，使土壤有機碳組分的分配比例發(fā)生改變，顆粒有機碳分配比例增加，而礦物結合態(tài)有機碳分配比例降低。但農(nóng)家肥中未被作物吸收的氮、磷，會造成土壤中氮、磷過量積累，也會引發(fā)一系列的生態(tài)問題[8-10]。因此，明確農(nóng)家肥的礦化特性，提高農(nóng)家肥利用率對煙葉生產(chǎn)具有重要意義。土壤腐殖酸是維持土壤結構穩(wěn)定的關鍵物質，其中胡敏酸最為活躍且對土壤結構的形成及土壤肥力有重要作用[11]，富里酸則是分子量較小的物質，活性和氧化程度較高，影響著胡敏酸在土壤中的積累與更新[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，施用農(nóng)家肥能增加土壤胡敏酸和富里酸含量，提高胡富比（胡敏酸和富里酸含量的比值，可作為衡量土壤腐殖酸品質優(yōu)劣的指標。比值越大，腐殖酸品質越好，土壤肥力越高）[13]。但有關腐熟農(nóng)家肥礦化對植煙土壤腐殖酸組分影響的研究報道較少[14]，目前研究農(nóng)家肥礦化的室內(nèi)方法較多[15-16]，而這些方法的缺陷是忽視了田間土壤、植物體與環(huán)境的復雜交互作用對農(nóng)家肥礦化的特殊影響[17-19]。因此，為了準確反映煙葉產(chǎn)區(qū)農(nóng)家肥的礦化規(guī)律，采用掩埋砂濾袋的田間原位培養(yǎng)法，研究了腐熟農(nóng)家肥有機碳、氮的礦化特征，及其對土壤腐殖酸組分的影響，以期為植煙土壤保育和合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2016 年在四川省涼山州寧南縣進行，試驗點屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫19.3 ℃，無霜期315 d，年均降雨量960 mm，年均日照時數(shù)2 257 h。烤煙供試品種為云煙85，土壤類型為紅壤，試驗地常規(guī)施肥為本試驗選用的腐熟農(nóng)家肥和煙草專用復合肥（四川金葉化肥有限公司），施純氮量為90 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1.2∶3，腐熟農(nóng)家肥作為基肥于移栽時條施，煙草專用復合肥作為追肥于移栽后30 d 穴施，基追肥比例為6：4。按當?shù)貎?yōu)質煙葉生產(chǎn)技術規(guī)范進行田間管理。試驗地土壤耕層（0～20 cm）基本理化性狀：pH 5.92、有機質33.27 g/kg、堿解氮125.66 mg/kg、速效磷23.12 mg/kg、速效鉀417.93 mg/kg。供試農(nóng)家肥為玉米秸稈和豬糞混合物，比例為2∶1，經(jīng)30 d 高溫堆漚腐熟而成。腐熟農(nóng)家肥養(yǎng)分含量：有機質412.14 g/kg、全氮15.67 g/kg、全磷4.73 g/kg、全鉀47.10 g/kg、含水率25.05%。在每次取樣前記錄當?shù)亟?5 d 的平均氣溫和天氣狀況，見表1。

1.2 試驗設計

試驗設置兩個處理。對照（CK）：選取300 g煙田原位耕層土壤，風干過2 mm 篩后裝入砂濾袋；處理（T）：在對照的基礎上每個砂濾袋中再裝入烘干粉碎過2 mm 篩的農(nóng)家肥30 g，農(nóng)家肥與土壤混合均勻。每處理埋入12 個砂濾袋，3 次重復，每小區(qū)面積為222 m2，各小區(qū)采用“S”形布點埋袋。砂濾袋規(guī)格為孔徑48 μm 尼龍紗網(wǎng)制成的25 cm×25 cm 可封口袋子，耐腐蝕，不易降解，能通氣透水，但煙株根系不能伸入。煙苗于5 月8 日移栽，移栽前將砂濾袋埋入兩煙株移栽苗穴之間的壟體上，取一定量掩埋位置的原位土壤，加水混合制成原土懸濁液，澆附于砂濾袋上，使砂濾袋與土壤接觸，表層覆蓋5 cm 厚的細土。大田煙苗移栽后，壟體上覆蓋地膜。試驗過程中分4 次取樣，從砂濾袋掩埋日算起，每隔30 d 在兩處理中各取3個砂濾袋，煙葉采收結束時最后一次取樣。取樣時采用取土鏟先鏟出1 個耕層斷面，盡量不破壞土壤結構，清除砂濾袋表層附著的泥土，取出袋中土壤樣品用于各項指標的測定。

表1 天氣狀況Tab.1 Weather condition

1.3 測定項目與方法

采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化法（外加熱法）測定土壤有機碳；半微量凱氏定氮法測定土壤全氮；堿解擴散法測定土壤堿解氮；KCl 浸提-蒸餾法測定土壤銨態(tài)氮；酚二磺酸比色法測定土壤硝態(tài)氮；碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色分光光度法測定土壤速效磷；NH4OAc 浸提-火焰光度計法測定土壤速效鉀[20]。腐殖酸、胡敏酸（HA）和富里酸（FA）采用國際腐殖酸協(xié)會（IHSS）推薦的分析方法進行樣品的分離和制備[21]，并采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定[22]。

碳、氮礦化率的計算[23]：

有機氮含量=全氮含量-無機氮含量（無機氮主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮） （1）

有機碳礦化率=[1-（施有機肥處理有機碳殘留量-空白土有機碳含量）/加入的有機碳量]×100% （2）

有機氮礦化率=[1-（施有機肥處理有機氮殘留量-空白土有機氮含量）/加入的有機碳量]×100% （3）

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013 進行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 23.0 統(tǒng)計分析軟件Duncan 法進行數(shù)據(jù)間差異的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 腐熟農(nóng)家肥碳、氮礦化率的變化

腐熟農(nóng)家肥施入土壤后，碳和氮礦化率的變化趨勢基本一致，見圖1。表現(xiàn)為肥料施入前期礦化快，后期礦化慢。在掩埋后30 d 時，碳礦化率達50.23%，占礦化全過程（總礦化率）的61.75%。掩埋30 d 后，碳的礦化速率明顯減緩，這說明較易分解的有機物質已被分解，將進入復雜有機物的礦化過程。農(nóng)家肥在掩埋后60 d 時碳礦化率為65.13%，占總礦化率的80.07%。掩埋后120 d 時，碳礦化率達81.34%。與碳礦化相比，氮礦化主要集中于掩埋后60 d 之前。掩埋后30 d 時，氮礦化率快速增長達到30.62%，占總礦化率的61.15%；掩埋后60 d 時氮礦化率為46.26%，占總礦化率的92.39%；掩埋后120 d 時氮礦化率為50.07%。

2.2 土壤速效養(yǎng)分的動態(tài)變化

2.2.1 土壤銨態(tài)氮含量的變化

由圖2 可知，在掩埋后30～120 d 期間T 處理銨態(tài)氮含量均顯著高于CK。在掩埋后30 d 時，CK 和T 處理銨態(tài)氮含量均達到峰值，分別為35.56 mg/kg 和62.30 mg/kg，且此時期兩處理銨態(tài)氮含量差異最大，為26.74 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 銨態(tài)氮含量趨于穩(wěn)定。在掩埋后90 d 時，T 處理銨態(tài)氮含量出現(xiàn)明顯回升，之后略有下降，并于掩埋后120 d 時達到46.86 mg/kg。

圖1 腐熟農(nóng)家肥碳、氮礦化率的變化Fig.1 Variations of carbon and nitrogen mineralization rates in well-rotten farmyard manure

圖2 土壤銨態(tài)氮含量的變化Fig.2 Variation of NH4+-N content in soil

2.2.2 土壤硝態(tài)氮含量的變化

CK 和T 處理的硝態(tài)氮含量變化見圖3。在掩埋后30 d 時，兩處理硝態(tài)氮含量差異不顯著，相差僅為5.97 mg/kg。CK 和T 處理硝態(tài)氮含量均在掩埋后30～60 d 和掩埋后90～120 d 時出現(xiàn)兩個快速增長期，但施用農(nóng)家肥提高了硝態(tài)氮含量的增長速度，T 處理硝態(tài)氮含量在掩埋后30～60 d 和90～120 d 兩個階段分別增加22.13 mg/kg 和19.90 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 和T 處理間差異達到顯著水平。

圖3 土壤硝態(tài)氮含量的變化Fig.3 Variation of -N content in soil

2.2.3 土壤速效鉀含量的變化

由圖4 可知，在整個掩埋期T 處理速效鉀含量均顯著高于CK，且兩處理速效鉀含量變化趨勢差異較大，CK 速效鉀含量先下降后上升，T 處理速效鉀含量在肥料施入前期持續(xù)上升，后期趨于穩(wěn)定。在掩埋后30～60 d 時，CK 速效鉀含量由409.17 mg/kg 降低至371.57 mg/kg。T 處理速效鉀含量由460.23 mg/kg 升高至549.61 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 速效鉀含量不穩(wěn)定，數(shù)值波動較大，而T 處理速效鉀含量較為穩(wěn)定。這說明施用農(nóng)家肥對速效鉀含量的變化起到緩沖效果。

圖4 土壤速效鉀含量的變化Fig.4 Variation of available potassium content in soil

2.2.4 土壤速效磷含量的變化

由圖5 可知，在砂濾袋掩埋期間，CK 和T 處理速效磷含量變化趨勢稍有不同。在掩埋后30～60 d，T 處理速效磷含量由36.27 mg/kg 快速增加至49.66 mg/kg，增值達13.39 mg/kg，而此時CK 速效磷含量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。在掩埋60 d 后，兩處理速效磷含量同時提高，T 處理于掩埋后90 d 時達到峰值，為52.72 mg/kg。在掩埋后120 d 時，CK和T 處理速效磷含量分別達到41.42 mg/kg 和

51.85 mg/kg。

圖5 土壤速效磷含量的變化Fig.5 Variation of available phosphorus content in soil

2.3 土壤腐殖酸及其相關組分的變化

2.3.1 土壤腐殖酸含量的變化

由圖6 可知，T 處理腐殖酸含量呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，且肥料施入前期上升速度快，后期上升速度慢。T 處理腐殖酸含量在掩埋后30～60 d 和60～90 d 分 別增 加10.03 g/kg 和1.19 g/kg；在 掩 埋 后120 d時，T處理腐殖酸含量達到峰值，為34.23 g/kg。而CK 處理腐殖酸含量整個掩埋期內(nèi)較為穩(wěn)定，在16.80～20.18 g/kg 范圍內(nèi)波動。掩埋60 d 后，兩處理腐殖酸含量間差異均達到顯著水平。這說明施用農(nóng)家肥可以促進土壤腐殖酸的積累。

圖6 土壤腐殖酸含量的變化Fig.6 Variation of humus acid content in soil

圖7 土壤富里酸含量的變化Fig.7 Variation of fulvic acid content in soil

2.3.2 土壤富里酸含量的變化

由圖7 可知，CK 和T 處理土壤富里酸含量總體上均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在掩埋后30 d時兩處理間差異不顯著。在掩埋后30～60 d 時CK 和T 處理富里酸含量均升高并達到峰值，分別為12.47 g/kg 和18.90 g/kg。掩埋60 d 后兩處理富里酸含量均開始降低。其中在掩埋后90 d 時CK富里酸含量為測試點中的最低值，為9.69 g/kg。在掩埋后120 d 時，CK 和T 處理富里酸含量分別為10.56 g/kg 和14.69 g/kg。

2.3.3 土壤胡敏酸含量的變化

由圖8 可知，在掩埋過程中CK 和T 處理胡敏酸含量均呈現(xiàn)上升趨勢，但二者上升幅度不盡相同。T 處理胡敏酸含量持續(xù)快速提高，而CK 胡敏酸含量變化較緩慢。隨著掩埋時間的延長，兩處理胡敏酸含量差異逐步增大，在掩埋后60、90 和120 d 時，T 處理胡敏酸含量較CK 增加量分別為5.56、10.46 和10.85 g/kg。這說明隨著農(nóng)家肥掩埋時間的推進土壤腐殖化程度逐步提高，進而促進胡敏酸的形成。掩埋后30～120 d 期間T 處理與CK 胡敏酸含量差異均達到顯著水平。

圖8 土壤胡敏酸含量的變化Fig.8 Variation of humic acid content in soil

圖9 土壤胡富比的變化Fig.9 Variation of HA/FA ratio in soil

2.3.4 土壤胡富比的變化

由圖9 可知，掩埋后30～60 d 時，CK 和T 處理胡富比較為接近。在掩埋后60～90 d 時，T 處理胡富比快速升高，達1.22，在掩埋90 d 后，CK 與T處理胡富比差異均達到顯著水平。在掩埋后120 d時，T 處理的胡富比為1.33，遠高于CK。這說明農(nóng)家肥能明顯提高土壤腐殖酸品質，尤其在掩埋后期，土壤腐殖酸品質對于農(nóng)家肥施入的響應較為敏感。

3 討論

腐熟農(nóng)家肥施入土壤后，為微生物提供了豐富的碳、氮源，此時期微生物活動劇烈，碳、氮礦化速率提高較快，且代謝產(chǎn)物中的有機酸可調(diào)節(jié)土壤pH 并溶解難溶性礦物，從而釋放出有效鉀和磷，提高土壤可用鉀和磷素水平[24-26]。隨著掩埋時間的延長，土壤中可被微生物利用的有機碳源和有機氮源逐漸減少，導致氮、碳礦化速率降低[27]。氮素與烤煙生長發(fā)育密切相關[28]，且土壤礦化氮量與烤煙吸收氮素間存在一定關系[29]，本研究中發(fā)現(xiàn)，腐熟農(nóng)家肥在掩埋后60 d 時的氮素礦化率已達46.26%，占掩埋全過程氮素總礦化率的92.39%，符合西南煙區(qū)烤煙吸收土壤氮素的規(guī)律[30]。說明合理施用腐熟農(nóng)家肥既能適時提供烤煙所需營養(yǎng)，保證其正常生長發(fā)育，又能避免煙株在生長后期吸收過多的氮素，影響煙葉正常成熟落黃。與馬興華等[31]的室內(nèi)礦化實驗結果不同，可能是由于本試驗中農(nóng)家肥礦化受到了當?shù)靥鞖獾挠绊憽娊邓畷斐赏寥辣砻婢植咳毖酰寥赖南趸饔檬艿揭种疲瑢е峦寥乐袖@態(tài)氮積累[32]。這可能是腐熟農(nóng)家肥掩埋60～90 d T 處理和CK 土壤硝態(tài)氮含量下降，而土壤銨態(tài)氮含量沒有降低的主要原因。

本研究中腐熟農(nóng)家肥可增加土壤胡敏酸和富里酸含量，提高土壤的胡富比。與朱青藤等[33]的研究結果施用農(nóng)家肥未能增加土壤胡敏酸和富里酸含量不一致，這可能是因為朱青藤等的試驗所用農(nóng)家肥未經(jīng)過充分腐熟，而本試驗中四川省涼山州寧南煙區(qū)的腐熟農(nóng)家肥可為土壤微生物提供更充足的能源，各種酶活性顯著增強，進而加速了腐殖化進程[34]。掩埋初期T 處理的胡富比較低，一方面是因為剛施入農(nóng)家肥時，土壤富里酸的增加速度比胡敏酸快[35]；另一方面，在煙株生長初期，土壤營養(yǎng)物質較為豐富，微生物活動加強，呼吸強度大，土壤CO2濃度較高，在高濃度CO2中富里酸比較穩(wěn)定，不利于轉化為胡敏酸，甚至能使胡敏酸分解形成富里酸[36]。掩埋后期，T 處理土壤富里酸含量下降幅度變緩，且胡敏酸上升幅度也隨之減慢，這可能是因為隨著肥料施入時間的推移，富里酸比胡敏酸更容易“老化”（氧化程度和芳構化程度更高），結構趨向復雜化[35]，富里酸更為穩(wěn)定，向胡敏酸的轉化量減少。由于農(nóng)家肥礦化與天氣條件、農(nóng)家肥品種和土壤類型等諸多因素有關，本試驗僅為四川涼山州寧南煙區(qū)大田試驗結果，而農(nóng)家肥的礦化規(guī)律還需多年份不同試驗點的進一步重復驗證。

4 結論

（1）在四川涼山州寧南煙區(qū)大田試驗條件下，施用充分腐熟農(nóng)家肥后，土壤有機碳、有機氮快速礦化，而且均表現(xiàn)為肥料施入前期礦化速率快，后期速率變緩的特點。在掩埋后60 d 時，碳和氮的礦化率分別為65.13%和46.26%，分別占煙草全生育期碳、氮礦化率的80.07%和92.39%，符合烤煙“前促后控”的需肥規(guī)律。

（2）施用充分腐熟農(nóng)家肥能提高土壤速效氮、磷、鉀含量，且能對土壤速效磷、速效鉀的變化起到緩沖作用。在本試驗條件下，于煙苗移栽時施入腐熟農(nóng)家肥，既能保證烤煙前期生長對養(yǎng)分的需求，同時可以降低氮素殘留等對環(huán)境污染造成的風險。

（3）腐熟農(nóng)家肥進入土壤后，能促進胡敏酸和富里酸的形成，增加腐殖酸含量，提高土壤胡富比，尤其在煙草生長后期能顯著提高土壤腐殖化程度，對提高土壤肥力，以及促進煙草可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。