施用不同肥料對土壤氮形態的影響

孟凡非，付 雨，楊 成，袁華冠，彭 艷，劉濤澤，羅緒強

(1.貴州民族大學生態環境工程學院,貴陽 550025；2.貴州省職業教育公共實訓中心,貴陽 551400；3.貴州師范學院地理與資源學院,貴陽 550018)

【研究意義】氮素是植物生命活動必需的營養元素，不同形態的氮對植物的生長發育均具有重要的調節作用[1-2]。稻田作為我國耕地的主要利用方式之一，其生產過程中所產生的農業面源污染一直備受關注[3]。稻田土壤和水接觸密切，不同形態氮之間的轉化也較為密切，開展不同肥料施用后稻田土壤中各形態氮的研究，揭示肥料施加對土壤中氮形態的影響，對提高肥料利用率，從源頭減少稻田氮素流失，控制農業面源污染具有重要意義。【前人研究進展】在農業活動過程中，為提高作物產量，大量的氮素被投放到土壤中。已有研究表明，我國氮肥的利用率較低，僅30%～35%，每年造成1000多萬t的氮素流失[4-6]。肥料的大量流失造成我國63%以上的河流處于富營養化狀態[7]，地表水中50%以上的氮營養鹽來自于農業面源污染[8]。然而并非所有形態的氮素都易于參與到土壤—水體中的氮循環，氮的賦存形態決定氮流失的難易程度與氮的流失量[9-10]。【本研究切入點】目前針對氮賦存形態的研究主要集中在土壤銨態氮、硝態氮、可溶性氮、總氮等方面[11-13]，而對于不同肥料施用后土壤可轉化態氮及非可轉化態氮的研究相對較少[14]。因此，以雞糞、豬糞、牛糞、化肥施用后的稻田土壤為研究對象，采用馬紅波等[15]提出的逐級分離浸取的方法，對不同肥料施用后稻田土壤中氮的賦存形態進行研究。【擬解決的關鍵問題】探究不同類型肥料施用后稻田土壤中不同形態氮含量差異，揭示不同肥料施用對稻田土壤氮形態的影響。通過研究，更好地了解不同肥料施用后稻田土壤氮素形態變化特征，為農田土壤氮素流失的控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤選自貴州民族大學校園內一荒草地，土壤類型主要為黃壤。土壤的基本理化性質：pH為5.72，電導率(EC)為106.30 μS/cm，有機質(OM)含量為80.75 g/kg，總氮含量(TN)為0.97 g/kg，總磷含量(TP)為1.70 g/kg，有效磷含量(A-P)為11.87 mg/kg，總鉀(TK)含量為6.45 g/kg。供試化肥為湖北某公司生產，其氮磷鉀含量分別為25%、10%和16%；有機肥為腐熟的雞糞、豬糞和牛糞，均為附近農戶提供，其有效成分含量見表1。

表1 供試有機肥的有效成分含量

1.2 試驗設計

參考汪吉東等[16]在水稻種植試驗時的施肥量，按照等氮量原則施純氮270 kg/hm2，分別施用雞糞46 232.77 kg/hm2、豬糞65 540.82 kg/hm2、牛糞54 683.59 kg/hm2及化肥1080.00 kg/hm2，以不施肥為對照，共設5個處理，每處理3次重復。將供試土壤混合均勻后過5 mm土壤篩，稱取過篩后的土壤50 kg，裝入半徑為50 cm、深度為30 cm的不銹鋼盆中，每盆加入40 L收集好的雨水，將盆中土壤攪拌均勻，按試驗設計分別盆施計算好的雞糞3.63 kg、豬糞5.14 kg、牛糞4.29 kg及化肥0.085 kg，施肥1周后移栽水稻，種植時只施一次基肥，不施追肥。每隔一段時間補入等量雨水，水稻成熟后等水分自然蒸發，土壤變干后采集盆中土壤測定。

1.3 土壤測定指標與方法

水稻成熟土壤變干后，每盆按梅花形5點取樣，采集表層0～20 cm土壤混合均勻后，采用四分法獲得1個土壤樣品，共采集15個樣品。樣品自然風干，將每處理土壤混合均勻后用四分法取1/4用研缽進行研磨，過60目和100目篩，60目用于土壤pH和電導率(EC)的測定，100目用于土壤有機質(OM)、土壤中的氮素及土壤總氮(TN)測定。

1.4 數據處理

利用Excel 2010進行數據統計與處理，Origin 9.0軟件進行圖件的繪制，SPSS 18.0軟件進行差異性分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤的基本理化性質

從表2看出，未施肥處理的稻田土壤pH為5.60，為偏酸性土壤；不同肥料施用后稻田土壤整體呈現弱酸性，pH在5.47～6.58，雞糞、豬糞、牛糞施用后土壤的pH均有所提高，表明有機肥具有提高酸性土壤pH的作用。土壤有機質含量是判斷土壤肥力的重要指標之一，與對照相比，雞糞、豬糞、牛糞施用后土壤有機質含量提升較高，分別提高1.18%、9.00%和0.91%，其中，施用牛糞的處理有機質含量最高，為95.87 g/kg，顯著高于其他處理；化肥施用后有機質含量提升較低，僅0.19%；除施用牛糞外，各處理間有機質含量差異均不顯著。與不施肥組相比，各施用處理的土壤電導率均高于對照，其中，化肥施用的土壤電導率增加較低，施用3種有機肥施用后土壤的電導率則明顯增加，各處理土壤電導率為雞糞>牛糞>豬糞>化肥>CK，表明施肥有可能會增加稻田土壤的鹽漬化程度，土壤總磷含量在1.68～1.86 g/kg，以施用牛糞的最高，各處理表現為牛糞>雞糞>豬糞>化肥>空白，但處理間土壤總磷含量差異不顯著。土壤中總鉀含量在10.16～11.45 g/kg，以化肥施用的最高，為11.45 g/kg，這主要是由于化肥中鉀含量較高造成。

表2 水稻不同施肥處理土壤的基本理化性質

2.2 土壤各形態氮的含量

2.2.1 土壤總氮含量 從圖1看出，稻田土壤總氮含量排序依次為牛糞>雞糞>豬糞>化肥>CK，各施肥處理土壤總氮含量均高于CK。雞糞、豬糞、牛糞3種有機肥施用后土壤總氮含量存在差異性，以施用牛糞的稻田土壤總氮含量最高，達1.90 g/kg，較CK高77.07%，這可能與有機肥中的有機物料本身性質有關，牛糞中含有較多雜草，雜草腐爛較慢，產生的氮降解率較低，發現植物殘骸使得大量難降解態氮保留在土壤中所致[20]；施用雞糞和豬糞的稻田土壤總氮含量顯著低于牛糞的。施用3種有機的土壤總氮含量均高于化肥，表明化肥對土壤總氮貢獻較小。施用化肥的稻田土壤總氮含量較CK高6.68%，兩者間差異不顯著。

圖1 不同施肥處理稻田土壤的總氮含量

圖2 不同施肥處理稻田土壤的可轉換態氮含量

2.2.3 土壤不可轉化態氮含量 從圖3看出，NTF-N含量在753.56～1931.86 mg/kg，平均為1162.22 mg/kg，各處理土壤中NTF-N平均含量為牛糞(1803.20 mg/kg)>豬糞(1154.80 mg/kg)>雞糞(1098.41 mg/kg)>化肥(942.92 mg/kg)>CK(811.74 mg/kg)，施肥處理土壤NTF-N均高于CK(811.74 mg/kg)，表明施肥后，部分TF-N轉化成NTF-N保存在土壤氮庫中。整體看，稻田土壤中的氮主要以NTF-N形態存在。

圖3 不同施肥處理稻田土壤中的不可轉換態含量

2.3 土壤各形態氮組分

從表3看出，各施肥處理的IEF-N占TF-N比例為13.28%～50.22%，均高于CK(7.52%)，表明施肥后IEF-N所占比例呈增加趨勢，以雞糞占比例最高，其次是化肥，豬糞較低。各處理WAEF-N占TF-N比例最低，為4.61%～7.07%，以牛糞的最高，其余依次為豬糞>CK>化肥>雞糞。IMOF-N、OSF-N占TF-N比例較高，分別為17.78%～40.23%和27.38%～46.18%，其中，IMOF-N占TF-N的排序為化肥(CK>牛糞>豬糞>雞糞，OSF-N為CK>豬糞>牛糞>化肥>雞糞，表明施肥后IMOF-N、OSF-N所占TF-N的比例呈降低的趨勢。施肥后稻田土壤TF-N形態發生轉化，向產生IEE-N或NTF-N形態轉化。各施肥處理中TF-N占TN的比例為5.06%～13.60%，除雞糞外均低于CK，表明種植水稻后TF-N含量降低，排序為雞糞>CK>化肥>豬糞>牛糞。各處理NTF-N占TN比例最高，為86.40%～94.94%，說明施肥后土壤 TN 的增加主要來自于NTF-N，各處理排序為牛糞>豬糞>化肥>CK>雞糞。

表3 不同施肥處理稻田土壤中各形態氮占比

2.4 不同氮形態間的相關性

從表4看出，IEF-N和IMOF-N具有較好負相關關系(R=-0.524，P<0.05)，結合IEF-N和IMOF-N的含量與組分特征，得出稻田土壤中施加肥料后，導致部分IMOF-N向IEF-N轉變。IEF-N和TF-N具有顯著正相關關系(R=0.905，P<0.01)，一方面表明IEF-N對TF-N影響較大，另一方面表明TF-N 與WAEF-N、IMOF-N、OSF-N相關性較差，WAEF-N、IMOF-N、OSF-N對TF-N影響較小，主要是由于IEF-N相對于其他3種可轉換態氮形態最不穩定，IMOF-N、OSF-N含量較高，但變化趨勢較小，對TF-N含量影響較小。WAEF-N、IMOF-N、OSF-N 之間相關性較差，表明三者來源可能不相同。NTF-N和TN具極顯著相關性(R=0.997，P<0.01)，表明NTF-N對土壤TN貢獻較大。

表4 各形態氮之間的相關性

3 討 論

雞糞、豬糞、牛糞施用后土壤的pH均有所提高，表明有機肥具有提高酸性土壤pH的作用。李猛等[23]研究發現，有機肥土壤具有提高酸性土壤pH和維持土壤pH的作用。賈立輝等[24]研究得出，施用有機肥能防止黑土土壤的酸化，有機肥和化肥混施的土壤 pH 基本維持穩定。不同有機肥對土壤 pH 的影響與有機物料本身性質有關[25]。施用化肥會使土壤pH降低。汪吉東等[16]研究表明，土壤pH隨化肥施用量的增加呈顯著降低趨勢。唐冬等[19]研究也發現，化肥施用會使土壤出現一定程度的酸化，和本研究的結論相一致。土壤 pH 降低由自然因素或人為活動導致的土壤酸中和容量的減少等原因引起[26]，在農業生產過程中，只關注作物產量，化肥的過量施用會影響耕地土壤，導致或加重H+循環脫節引起土壤pH降低[27]。施肥也有可能會增加稻田土壤的鹽漬化程度，趙偉等[28-29]研究表明，有機肥不合理施用也可能會引起土壤次生鹽漬化，導致土壤鹽分累積。土壤次生鹽漬化主要是由于設施環境的封閉性、盲目施肥、不合理灌溉和管理不當等原因引起[30]，特別是在水稻種植時，大量有機肥施用后為了減少肥料的流失，避免水分的循環，導致大量硝酸鹽聚集，施加生物有機肥除增加土壤氮磷鉀含量外，特別是糞肥Na+和Cl-含量較高，長期不合理的使用有機肥使得Na+和Cl-在土壤中聚集，也可能會增加土壤的次生鹽漬化程度。

有機肥中有機氮所占總氮比例較高，有研究者發現植物殘骸在腐爛過程中產生的有機氮占總氮的65%[31]，導致大量有機氮儲存在土壤中。此外，施用雞糞、豬糞、牛糞等有機肥后土壤總氮含量也存在差異性，牛糞施用后的土壤總氮含量明顯高于雞糞、豬糞施用后的土壤，這可能與有機肥中的有機物料本身性質有關。牛糞中含有較多雜草，雜草腐爛較慢，在腐爛過程中主要產生有機氮，Seitzinger等[20]發現植物殘骸產生的氮降解率較低，僅為30%左右，使得大量難降解態氮保留在土壤中。

土壤中氮素形態除受到多種外界環境因素的影響[32]，同時也會受到土壤本身理化性質的影響[33]。肥料的施用會改變土壤的理化性質，促進土壤中氮形態的轉換，引起不同形態氮含量的變化。研究結果表明，施用化肥和有機肥后，稻田土壤中有機質含量均有所增加，但是有機肥的施用對土壤有機質含量的提高顯著，化肥施用對土壤有機質含量提高較小。張奇等[34]也研究表明，單施化肥與空白對照組相比，土壤有機質含量無顯著差異，而施用有機肥土壤有機質含量顯著提高，與本研究得出的結論一致。李彥等[35]研究發現，施用有機肥土壤有機質含量增加，但隨著使用年限的增加，土壤有機質增加速率呈先增后減的趨勢。土壤pH成為評價土壤生產潛力的重要因子，孟紅旗等[36]研究發現，施加有機肥對土壤pH的影響與土壤的原始pH以及有機物料自身的性質有關，以Na+、Cl-、SO42-為主要鹽基組分的畜禽糞便類物質更容易導致土壤酸化的加速[37]，而以Ca2+、Mg2+、SO42-為主要組分的畜禽糞便則可能減緩土壤酸化的速度[38]，本研究發現，施用有機肥能緩解土壤酸化，而施用化肥會加劇土壤的酸化，其中，所用雞糞以Ca2+、Mg2+、SO42-為主，這也是雞糞施用稻田土壤電導率較高的主要原因。

土壤中氮的賦存形態將直接影響其在環境中的生物地球化學行為進程和途徑，由于氮形態的差異，導致其參與生物地球化學循環的作用也不相同[39]。研究結果發現，不同肥料施用后土壤中氮形態及含量發生較大變化。施用肥料能提高土壤總氮含量，特別是部分有機肥能顯著提高土壤總氮含量。除施用雞糞外，其他施肥條件下TF-N含量降低，NTF-N含量升高，表明施肥促進土壤中氮素的積累，加速土壤中氮的礦化進程。當外部環境發生變化時，TF-N可以釋放氮并重新參與氮循環[40]，施肥后，IEF-N含量升高，WAEF-N含量變化較小，這主要與肥料的性質有關，IMOF-N、OSF-N含量降低，這可能是由于稻田土壤質地緊實，黏重，通氣性較差有關造成的[41]。通過氮素之間的相關性分析表明，IEF-N和IMOF-N具有顯著的負相關關系，表明IMOF-N可能部分轉化為IEF-N；NTF-N與TN具有極顯著相關性，表明NTF-N對TN貢獻較大，氮素主要以NTF-N形態存在。

4 結 論

施用有機肥能顯著提高土壤有機質含量，施用化肥土壤有機質含量提高較小。有機肥具有提高酸性土壤pH的作用，施用化肥在一定程度上會導致土壤酸化。化肥的施用會增強土壤的鹽漬化程度，而有機肥的不當施用也可能會使土壤鹽漬化，其影響有可能會高于化肥。肥料的施用對土壤氮素產生較大影響，施肥能提高土壤總氮含量，施用有機肥造成土壤總氮含量的提升高于化肥。肥料施用后TF-N含量變化較大(95.30～171.67 mg/kg)，IMOF-N、OSF-N含量降低，NTF-N含量升高，表明施肥導致部分TF-N向NTF-N轉換化。所有施肥處理均可提高IEF-N含量，施用雞糞使得土壤中TF-N含量升高，但是 IMOF-N、OSF-N含量降低；施用牛糞與豬糞可降低TF-N含量，也會使得IMOF-N、OSF-N含量降低，促使氮素向非可轉化態氮轉化；施用化肥可以提高土壤IEF-N含量，降低OSF-N含量。NTF-N與TN具有較好相關性(R=0.997，P<0.01)，表明NTF-N對土壤TN貢獻較大。