有機肥施用量對植煙黃壤碳氮礦化的影響

周之蔚 李青山 王德權 彭玉龍 萬軍 章琲琨 苗壯 徐秀紅

周之蔚，李青山，王德權，等. 有機肥施用量對植煙黃壤碳氮礦化的影響［J］. 江蘇農業科學，2024，52（7）：240-247.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.07.032

（1.中國農業科學院煙草研究所/農業農村部煙草生物學與加工重點實驗室，山東青島 266101； 2.中國農業科學院研究生院，北京 100081； 3. 安慶師范大學資源環境學院，安徽安慶，246133； 4. 山東濰坊煙草有限公司，山東濰坊 261205； 5.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州遵義 563000； 6.上海煙草集團有限責任公司，上海 200082）

摘要：以典型植煙黃壤為研究對象，選取雞糞和菜籽餅肥2種有機肥，采用室內恒溫好氣培養法，在有機肥不同用量（0、37.5、75.0、150.0、375.0 mg/kg）下培養56 d，比較處理間氮凈礦化速率、凈硝化速率、碳氮礦化特性和溫室氣體排放的差異。結果表明，與對照相比，增加雞糞和菜籽餅施用量均可提高土壤凈礦化速率和凈硝化速率。相比于雞糞，添加菜籽餅能延長硝態氮的釋放時間。土壤氮凈礦化量隨雞糞和菜籽餅施用量的增加顯著增大，但土壤氮礦化率隨雞糞施用量的增加呈不斷增大趨勢，而隨菜籽餅施用量的增加呈不斷降低趨勢。土壤碳礦化率隨雞糞和菜籽餅施用量的增加均呈不斷降低趨勢。N2O排放量隨有機肥施用量的增加而增大，相較于雞糞，菜籽餅能以較低用量顯著增大N2O排放量。相較于雞糞，添加菜籽餅更符合優質烤煙對硝態氮的需求規律；考慮到氮礦化率，雞糞的用量不宜超過337.5 kg/hm2，而菜籽餅不宜超過84.4 kg/hm2。

關鍵詞：有機肥；施用量；植煙黃壤；碳氮礦化；硝化

中圖分類號：S158.2；S572.06? 文獻標志碼：A? 文章編號：1002-1302（2024）07-0240-08

有機無機肥配施措施已在我國大部分植煙區得到普遍認可和應用。有機肥施用量不合理易導致植煙土壤在煙株成熟期礦化出較多無機氮，從而造成烤煙上部葉貪青晚熟［1］，增大后續鮮煙葉烘烤難度，降低烤后煙葉品質。目前，關于烤煙生產中有機肥施用的研究，多集中在有機肥種類、碳氮比（C/N）、腐熟程度和溫度等因素影響氮素礦化方面［2-4］，而有關有機肥施用量影響植煙土壤氮凈礦化和硝化速率的研究相對較少。另外，煙草作為喜硝作物，在其整個生育期內表現出偏向吸收硝態氮（NO-3-N）的特性，導致銨態氮（NH+4-N）肥效相比硝態氮表現出一定的滯后性，且吸收積累量相對較少［5］。提高硝態氮在土壤無機氮中的比例可促進煙葉品質提升。大量研究表明，當煙株對硝態氮和銨態氮的吸收比例為1 ∶[KG-*3]1時，煙葉品質最佳［6］，所以植煙土壤氮硝化速率也是影響煙草質量的關鍵因素之一［7-8］。然而目前，關于配施有機肥影響植煙土壤氮硝化速率的研究鮮有報道［9-10］。因此，研究有機肥施用量增加下植煙土壤有機碳、氮礦化特征以及對硝化率的影響，對于指導煙草農業健康可持續發展具有重要意義［11-12］。

當今世界面臨的重要挑戰之一便是全球氣候變暖，其重要驅動因子是溫室氣體（CO2、CH4和N2O等）濃度的增大［13］，而農田生態系統是溫室氣體的重要排放源。施加有機物料到土壤中雖可替代部分化肥，減少化肥用量，增大氮素利用率，提高土壤質量，但會因有機物料所含成分存在差異使其施用到農田后溫室氣體排放存在差異［14］。目前，關于有機物料還田后對農田土壤溫室氣體排放的影響仍存在爭議［15-16］，且主要以水田為研究對象，關于旱地土壤的研究較少，而針對植煙土壤的研究更少。據國家統計局統計［17］，我國2020年植煙面積達88.7萬hm2，因此探究有機肥施用量增加下土壤溫室氣體的排放變化，對合理利用農業資源和控制化肥投入具有實際指導意義。

本研究以典型植煙黃壤為研究對象，選擇雞糞和菜籽餅2種有機肥開展室內培養試驗，揭示有機肥施用量增加下土壤礦質氮的變化規律、碳氮礦化率的變化規律以及溫室氣體的排放差異，以期為我國植煙黃壤區制定科學合理的有機物料施用規范和提高烤煙產質量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與有機物料

土壤樣品采自我國西南典型植煙黃壤區，采樣點的位置、氣候條件、后續處理方式和土壤理化性質詳見文獻［18］。2021年于中國農業科學院煙草研究所/農業農村部生物學與加工重點實驗室開展室內培養試驗。

供試有機材料為雞糞（CM）和菜籽餅（RC）。將雞糞和菜籽餅在65 ℃烘箱中烘干，磨碎后過80目篩，置于自封袋中保存備用。雞糞和菜籽餅的基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

選取250 mL透明玻璃瓶作為培養瓶，每瓶盛等量新鮮土樣（質量相當于20 g干土），用保鮮膜將瓶口密封住，于25 ℃恒溫培養箱中預培養1 d，激活土壤微生物活性。待預培養結束后添加不同有機肥。試驗共設9個處理，CMN1、RCN1（雞糞和菜籽餅添加水平為37.5 mg/kg，以純氮計，下同），[JP3]CMN2、RCN2（雞糞和菜籽餅添加水平為75.0 mg/kg），CMN3、RCN3（雞糞和菜籽餅添加水平為150.0 mg/kg），[JP]CMN4、RCN4（雞糞和菜籽餅添加水平為 375.0 mg/kg），CK（不添加有機肥，純土壤培養）；雞糞和菜籽餅的實際添加量根據其含氮量進行計算。將土壤和有機肥的混合物搖勻，使其均勻地平鋪在瓶底（厚度盡量保持一致），后續處理步驟同文獻［18］中室內好氧培養方法。

1.3 樣品采集與測定

分別在培養1、3、5、7、9、14、28、56 d時采集氣體樣品，在培養1、3、7、14、28、56 d時采集土壤樣品（隨機從各處理中取出3個樣品作為3次重復，破壞性采樣），氣體和土壤樣品的采集參照文獻［18］中的方法進行。

1.4 數據處理與分析

凈礦化速率參照文獻［18］中的方法進行計算，凈硝化速率參照文獻［19］中的方法進行計算，有機肥的碳、氮礦化量和礦化率參照文獻［20］中的方法進行計算，N2O和CO2的排放速率和累計排放量的計算參照文獻［18］中的方法進行。

利用軟件SPSS 26.0和Excel 2021進行數據處理和統計分析，采用one-way ANOVA和最小顯著差數（LSD）法進行顯著性檢驗，采用Origin 2023b進行線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 增大有機肥用量對土壤碳礦化量的影響

由圖1可知，在培養1 d或3 d時，各處理土壤CO2排放速率達到最大值，之后逐漸降低并趨于平緩。與CK相比，添加CM和RC的處理土壤CO2排放速率均得到提高，且隨CM和RC施用量的增大呈增大趨勢。與CK相比，添加CM和RC的處理CO2累計排放量分別增加1.17～1.58倍和 1.30～2.01倍，且差異均達到顯著水平（P<0.05）。

2.2 增大有機肥用量土壤銨態氮和硝態氮含量變化

由圖2可知， 各處理土壤銨態氮含量總體隨培養時間的推進呈快速下降并趨于平緩的趨勢（除RCN4處理外）。在培養1 d或3 d時，添加CM的處理土壤銨態氮含量達到最大值；除CMN1處理外，CMN2、CMN3、CMN4處理在培養初期（前 7 d）較CK顯著提高了土壤銨態氮含量（P<0.05）。隨培養時間的推進，添加RC與CM的處理土壤銨態氮含量變化趨勢并不一致，在整個培養過程中，RC處理與CM處理相比土壤銨態氮含量一直偏低。在整個培養過程中，RCN1、RCN2、RCN3處理土壤銨態氮含量與CK變化趨勢一致，且RCN1、RCN2處理與CK間的差異并不明顯，而RCN4處理的變化趨勢則為先快速增大后快速降低并趨于平緩。

添加CM的處理硝態氮含量隨培養時間的推進呈不斷增大并趨于平緩趨勢，與銨態氮含量的變化趨勢相反。添加CM提高了土壤硝態氮含量，硝態氮的累積主要集中在培養1～14 d。添加RC的處理硝態氮含量隨培養時間的推進呈不斷增大趨勢，但增幅不斷減小。

2.3 增大有機肥用量提高了土壤凈礦化速率和凈礦化量

由圖3可知，添加CM處理的土壤氮凈礦化速率隨培養時間的推進呈不斷降低并趨于平緩的趨勢，均在培養1 d時達到最大值。當CM施用量增加2～10倍時，凈礦化速率最大值則增大1.98～9.81倍。與CK相比，CMN2、CMN3、CMN4處理提高了整個培養階段的土壤氮凈礦化速率，且土壤氮凈礦化速率隨CM施用量的增加而增大。在培養結束時，土壤氮凈礦化量隨CM施用量的增加而增大，兩者的關系可用線性方程較好地擬合（r2=0.99，P＜0.001）。RC處理與CM處理、CK的土壤氮凈礦化速率變化趨勢不一致，RCN1、RCN2、RCN3、RCN4處理的土壤氮凈礦化速率呈不斷增大后逐漸減小的趨勢，均在培養7 d達到最大值。RC施用量增加2～10倍時，凈礦化速率最大值則增大 0.85～1.78倍。在培養結束時，土壤氮凈礦化量隨RC施用量的增加而增大，兩者的關系也可用線性方程較好地擬合（r2=0.98，P＜0.001）。

2.4 增大有機肥用量提高了土壤凈硝化速率

由圖4可知，CK和有機肥處理的土壤凈硝化速率隨培養時間的推進呈快速增大后降低趨勢。土壤凈硝化速率隨有機肥施用量的增加呈不斷增大趨勢，當CM施用量增加2～4倍時，土壤凈硝化速率最大值增大2.46～9.29倍。與CK相比，CMN2、CMN3、CMN4處理增大培養7～14 d的土壤凈硝化速率。同添加CM處理一樣，RCN1、RCN2、RCN3處理土壤凈硝化速率均在培養3～7 d達到最大值，而RCN4處理在培養14 d達到最大值。當RC施用量增加2～10倍時，土壤凈硝化速率最大值增大0.85～1.80倍。與CK相比，RCN1、RCN2處理顯著提高了培養3～14 d的土壤凈硝化速率，RCN3、RCN4處理則顯著提高培養7～56 d的土壤凈硝化速率。

2.5 增大有機肥用量對土壤碳、氮礦化率的影響

由圖5可知，增加CM施用量可顯著提高土壤氮礦化率（P＜0.05），土壤氮礦化率隨CM施用量增加而增大，CMN2、CMN3、CMN4處理較CMN1處理分別提高157%、143%、229%；而增加CM施用量則降低土壤碳礦化率，其中CMN1、CMN2處理顯著大于CMN3、CMN4處理（P＜0.05）。增加RC施用量降低土壤氮礦化率（P＜0.05），RCN2、RCN3、RCN4處理較RCN1處理分別降低51%、59%、68%；同時，增加RC施用量也降低土壤碳礦化率，其中RCN1處理顯著大于RCN2、RCN3、RCN4處理，且RCN2處理顯著大于RCN4處理（P＜0.05）。

2.6 增大有機肥用量提高了N2O排放速率和累計排放量

由圖6可知，各處理土壤N2O排放速率均在培養1 d時達到峰值，且隨培養時間的推進總體上呈波動降低趨勢。與CK相比，CMN1、CMN2、CMN3處理降低土壤N2O最大排放速率，CMN4處理明顯增大整個培養階段土壤N2O排放速率。CMN3處理和CMN4處理較CK顯著增加了N2O累計排放量（P＜0.05），增幅分別為36.30%和145.84%。RCN1、RCN2、RCN3處理明顯提高培養3～28 d的土壤N2O排放速率，RCN4處理則顯著增大整個培養階段土壤N2O排放速率。與CK相比，添加RC顯著增加了N2O累計排放量（P＜0.05），增幅為213.69%～413.06%。

3 討論

3.1 增大有機肥用量對土壤氮素礦化的影響

添加雞糞處理在培養1～7 d較CK顯著提高土壤銨態氮含量，而硝態氮含量則在培養7 d開始明顯高于CK。在培養1～14 d，添加雞糞處理的銨態氮含量呈不斷減小趨勢，銨態氮含量與培養時間呈負相關關系，14 d之后的趨勢為維持穩定且波動上升，這與楊蕊的研究結果［21］一致，也與張若楊等的研究結果［22］相同， 其研究結果同樣發現添加雞糞2周后土壤中銨態氮含量呈現維持在較低水平且呈波動上升的趨勢。薛玉晨等的研究結果表明，添加雞糞處理土壤硝態氮含量在培養0～56 d呈緩慢增加趨勢，56～84 d呈快速增加趨勢［23］，且張若楊等也得出相同結果［22］，而在本研究中，添加雞糞處理的硝態氮含量在培養1～7 d（CMN1、CMN2、CMN3）和1～14 d（CMN4）快速增加后呈波動增長趨勢，原因可能是張若楊等的研究對象為礦區復墾土壤，而本研究對象則為植煙黃壤，土壤本身的有機質含量（19.20 g/kg）高于礦區復墾土壤（5.45 g/kg），可提供相對充足的碳源，增強土壤微生物活性［24］，從而促進有機氮的礦化進程。

本研究中添加菜籽餅處理（RCN1、RCN2、RCN3）銨態氮含量的變化趨勢呈先減小后平緩趨勢，這與羅春燕的研究結果［25］不一致，在其研究中添加菜籽餅處理的銨態氮含量隨培養時間的推進呈先增加后減小趨勢，有機質添加量的不一致可能是引起差異的其中一方面原因，RCN1、RCN2、RCN3處理添加菜籽餅中的有機質總量分別為0.30、0.61、1.21 g/kg，均少于羅春燕試驗中添加菜籽餅中的有機質總量（1.72 g/kg）［25］，這可能是因為有機質添加量較小時，在培養前期可降低微生物對氮素的固持。RCN4處理有機質添加總量（3.04 g/kg）[JP]高于1.72 g/kg，對應的銨態氮含量變化趨勢則與羅春燕的研究結果基本一致，表現為先快速增大后快速減小并趨于平緩的趨勢。另一方面可能是由于所用菜籽餅C/N的不同，本試驗中所用菜籽餅的C/N（8.1）小于羅春燕試驗中所用菜籽餅的C/N（13.3），C/N越小越易激發微生物活性［26-27］，促進有機氮礦化。李孝剛的等研究也表明，向不同有機質含量的土壤中添加有機物料時，高有機質土壤中的銨態氮含量呈逐漸下降趨勢，而低有機質土壤中的銨態氮含量則呈現先上升后下降趨勢［5］。可以看出，在培養前期（1～3 d），與CK相比，RCN1、RCN2、RCN3處理的銨態氮含量并未明顯降低，而RCN4處理的銨態氮含量則顯著降低，這與羅春燕的研究結果［25］不一致，原因可能為在其研究中供試土壤為沙壤土，[JP3]土壤有機質含量較低（1.88 g/kg），而本研究對象為植煙黃壤，有機質含量為19.20 g/kg。

3.2 增大有機肥用量對土壤凈礦化、硝化速率及凈礦化量的影響

烤煙品質隨土壤中可供煙株吸收的硝態氮含量的增高而提升［6］，尤其當煙株吸收銨態氮和硝態氮的比例為1 ∶[KG-*3]1時，獲得的烤煙煙葉品質最佳［28］，但不容忽視的是，不同植煙區域合適的硝態氮、銨態氮比例具有很強的地域性差異［29］。煙株吸收硝態氮的量在移栽后前20 d相對較少，20～40 d內達到高峰，60 d后基本趨于零，這是煙草理想的硝態氮吸收規律［6］。本研究中，添加雞糞和菜籽餅處理的土壤凈硝化速率呈先快速增大后減小趨勢，且凈硝化速率隨有機肥施用量增加而增大。但添加菜籽餅處理的硝態氮含量變化趨勢不同于添加雞糞處理，可以看出，添加雞糞處理的硝態氮含量的增幅主要發生在培養1～14 d，而添加菜籽餅處理的硝態氮含量在前14 d的增幅分別占整個培養過程內硝態氮累計量的63%（RCN1）、77%（RCN2）、58%（RCN3）和55%（RCN4）。從土壤硝態氮含量的動態變化趨勢來看，相較于雞糞，添加菜籽餅處理延長了硝態氮的釋放時間，相對更契合煙草生長發育的需氮規律［30］。

在本研究中，添加雞糞和菜籽餅處理均提高了土壤的凈礦化速率，且有機肥施用量越大，有機氮的凈礦化速率增大幅度越大，區別在于添加雞糞處理的凈礦化速率呈不斷降低趨勢，而添加菜籽餅處理的凈礦化速率則呈先增大后減小趨勢。從添加雞糞處理的氮礦化速率來看，本研究中雞糞的氮礦化主要集中在培養前期，這與王正銀的研究結果［31］一致，而與添加雞糞處理不同的是，添加菜籽餅處理的氮礦化稍顯滯后，主要集中在培養中期，礦化速率較慢且礦化過程相對較長。可以看出，添加菜籽餅處理（RCN2、RCN3、RCN4）在培養前期的凈礦化速率為-0.94～12.64 mg/（kg·d），這可能是由微生物對氮素的固持作用導致的［32］，至于培養后期凈礦化速率的降低，原因可能是易礦化有機物質逐漸減少，微生物活性降低，從而降低了礦化速率，進而導致凈礦化量降低。與CK相比，隨著雞糞施用量的增加，凈礦化氮含量呈增大趨勢，這與婁燕宏等的研究結果［33］基本一致。楊蕊通過研究不同施氮量下雞糞礦化特征同樣發現，土壤中礦質氮含量隨著施氮量的增加而升高［21］。周博等的研究也表明，氮礦化量與有機肥全氮呈顯著線性相關［20］。本試驗也得出一致結果，雞糞凈礦化氮含量與其有機氮添加量呈極顯著正相關（r2=0.99，n=12，P<0.001）。添加菜籽餅處理同雞糞處理一致，隨菜籽餅施用量的增加，凈礦化氮含量也呈不斷增大趨勢，兩者也呈極顯著正相關（r2=0.98，n=12，P<0.001）。

3.3 增大有機肥用量對土壤碳氮礦化率的影響

研究表明，當土壤及有機物料中易分解組分被微生物消耗完全后，微生物將轉向去分解較難分解組分，碳組分將隨有機物料的進一步分解轉化為土壤有機組分，致使碳礦化速率減緩［34］。在本試驗中，各處理土壤有機碳礦化規律表現為在培養初期土壤碳礦化速率最大，之后碳礦化速率隨著時間的延長呈波動性降低至平緩變化趨勢。在培養前 28 d，各處理有機碳累計礦化量占整個培養過程有機碳累計礦化量的63.27%（CK）、65.08%～74.60%（雞糞）和60.00%～72.30%（菜籽餅），這與龐飛等的研究結果［35］基本一致。在本研究中，碳礦化速率的相對值和累計碳礦化量隨有機物料施加量的增加而增大，這與嚴紅等的研究結果［36-37］一致。另外，本研究發現，隨有機物料施加量的增加，碳累計礦化量雖呈增大趨勢，但碳礦化率則呈降低趨勢。

婁燕宏等通過室內好氧培養試驗研究發現，蘑菇渣、牛糞和雞糞的分解殘留率與其添加量呈顯著正相關［33］，說明其碳氮礦化率與施用量呈顯著負相關關系。而本研究中，雞糞氮礦化率隨施用量增加而增加，而菜籽餅氮礦化率則隨施用量增加呈降低趨勢，引起結果差異的原因可能是有機物料C/N不同，本研究中雞糞的C/N為4.8，而婁燕宏等研究中所用雞糞的C/N為16.93，其余2種物料的C/N分別為7.46和98.20。因此，在分析同種有機物料的氮礦化特性時，除考慮施用量外，還應該注重有機物料的C/N。

4 結論

土壤氮凈礦化量隨雞糞和菜籽餅施用量增加而增大，兩者呈極顯著正相關。土壤凈礦化和硝化速率隨有機肥施用量的增加呈增大趨勢。土壤氮礦化率隨雞糞施用量的增加而增大，而隨菜籽餅施用量的增加呈降低趨勢；土壤碳礦化率隨雞糞和菜籽餅施用量的增加均降低。N2O排放量隨有機肥施用量的增加而增大，相較于雞糞，菜籽餅能以較低用量顯著增大N2O排放量。添加菜籽餅較雞糞更符合優質烤煙對銨態氮、硝態氮的需求規律；考慮到氮礦化率，雞糞的施用量不宜超過337.5 kg/hm2，而菜籽餅的施用量不宜超過84.4 kg/hm2。

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基金項目：[JP3]中國農業科學院科技創新工程項目（編號：ASTIP-TRIC03）；中國煙草總公司貴州省公司科技項目（編號：2022MX19）；山東濰坊煙草有限公司科技項目（編號：濰煙技2022-38）；上海煙草集團有限責任公司科技項目（編號：20223100001-40576）。

作者簡介：周之蔚（1989—），男，上海人，碩士，主要從事煙草栽培、煙葉評級研究。E-mail：zhouzw@sh.tobacco.com.cn。

通信作者：徐秀紅，碩士，研究員，主要從事煙葉調制加工研究。E-mail：xuxiuhong@caas.cn。