腐熟牛糞在丘陵煙田的碳氮礦化特征及對土壤養分的影響

關鍵詞：腐熟牛糞；礦化特征；土壤培肥；煙田；滇東北

牛糞是農業生產中普遍使用的一種有機肥，具有疏松多孔、肥效持久和養分多樣的特點[1-2]。研究[1-4]表明，適量添加牛糞可以提高土壤肥力，改善微生物群落結構多樣性，降低土壤重金屬含量。然而盲目過量施用牛糞不但不能使作物提質增產，還會造成土壤中氮磷養分過量積累，對生態環境造成潛在威脅。此外，牛糞施入土壤后，除部分有機氮礦化為無機氮被作物吸收利用外，大部分經硝化作用轉化為硝態氮對環境造成污染[5]，并且楊蕊等[6]發現牛糞在礦化過程中釋放大量的磷，長期施用會增強磷素的淋溶。因此，根據試驗研究確定牛糞礦化率，明確其施入土壤后的礦化特征以及養分釋放規律，對合理、有效施用牛糞具有較為重要的指導意義。

以有機態形式存在的有機肥養分需經過礦化作用轉化為無機態后才能被作物吸收利用，該作用一般時間較長[7]。對牛糞的礦化特征研究多以室內培養法為主，不能真實反映牛糞在田間的礦化情況且研究結果差異較大[8]。相比室內培養法，田間原位培養法可準確反應田間土壤、植物體與環境交互作用對肥料礦化的特殊影響[9]。王巖等[10]在田間條件下對綠肥礦化特征的研究結果表明，綠肥中有機碳礦化主要集中在掩埋后0～28d，有機氮礦化則主要集中在0～42d；葉協鋒等[8]認為腐熟有機肥于煙株移栽前20d施入土壤，其碳氮礦化規律能夠滿足烤煙對養分的需求。但通過田間原位培養法對腐熟牛糞的動態礦化特征研究報道相對較少。

曲靖地處滇東北丘陵區，是全國重要的優質煙葉原料供應基地[11]，但多年連續種植和不合理施用有機肥，導致土壤微生物群落失衡，限制了煙葉質量的進一步提高[12-14]。為準確反映腐熟牛糞在滇東北丘陵煙田的礦化規律，本試驗采用田間原位培養法，模擬牛糞在大田條件下有機碳、氮的礦化特征以及土壤培肥效果，旨在為滇東北丘陵煙區科學合理施用牛糞提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2023年在云南省曲靖市馬龍區黃土坡村（25°38′64″N，103°41′81″E，海拔1936.33m）進行，該地區為亞熱帶季風性氣候，年平均溫度為13.4℃，年平均降雨量1023mm，試驗地2023年部分氣象指標如圖1所示。試驗地土壤類型為黃壤，表層土壤（0～20cm）基礎理化性質：pH6.00，有機質16.91g/kg，全碳10.05g/kg，全氮0.84g/kg，堿解氮82.99mg/kg，有效磷4.54mg/kg，速效鉀212.00mg/kg。

1.2試驗設計

試驗采用田間原位培養法，共設置2個處理：CK，移栽時在尼龍網袋中裝入煙田原位過10目篩土壤200g；T，在CK基礎上每個尼龍網袋中再裝入烘干（40℃）磨碎過10目篩腐熟牛糞20g，埋入前與原位土充分混勻。每個處理設置3個重復，各埋45袋，共90袋。

尼龍網袋規格為300目尼龍紗網制成的15cm×20cm可封口袋子，具有透氣、透水和不易降解的特點，可有效阻隔植物根系對尼龍網袋內的養分吸收[10]。供試有機肥以新鮮牛糞為原料，采用堆漚發酵方式經40d充分腐熟而成。腐熟牛糞養分含量為：C/N（碳氮比）15.01、有機質353.13g/kg，全氮13.79g/kg，全磷3.57g/kg，全鉀28.73g/kg。供試烤煙品種為云煙301。2023年4月5日整地起壟，肥料用量及施肥方式與當地常規生產操作保持一致，即穴施純氮97.5kg/hm2，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1.5∶3。起壟時將尼龍網袋埋入兩煙苗移栽穴之間的壟體上距土表15cm處，埋入后澆少量原土懸濁液于尼龍網袋上，使之與土壤充分接觸。4月8日移栽，種植密度為13500株/hm2。煙田整地后，壟體上覆蓋地膜。根據試驗地降雨量變化，烤煙移栽期滴灌量為2000mL/株，移栽后0～10d（還苗期）滴灌量1000mL/株，10～40d（伸根期）滴灌量2000mL/株，40～70d（旺長期）滴灌量2000mL/株，70d后直至采收結束為成熟期，該時期停止滴灌。

1.3測定項目與方法

從尼龍網袋掩埋日算起，每隔10d在兩個處理中各取3個尼龍網袋用于測定土壤有機碳、全氮、硝態氮、銨態氮、有效磷、速效鉀和腐殖酸組分，烤煙生育期結束后停止取樣。每次取樣后分為兩份，一份用于測定土壤硝態氮和銨態氮含量，另一份自然風干，分別過100目篩（篩孔直徑0.15mm）、60目篩（篩孔直徑0.25mm）和20目篩（篩孔直徑0.85mm），用于測定土壤基礎養分，包括全氮、有機碳、有效磷、速效鉀和腐殖酸組分。

牛糞養分含量根據NY/T525—2012《有機肥料》方法測定[15]；土壤全氮含量采用凱氏定氮法，有機碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法，有效磷含量采用0.05mol/LHCl-0.025mol/L（1/2H2SO4）提取法，速效鉀含量采用乙酸銨提取法，硝態氮和銨態氮含量采用氯化鉀浸提法[16]測定；土壤腐殖酸、胡敏酸和富里酸含量采用焦磷酸鈉-氫氧化鈉提取重鉻酸鉀氧化容量法測定，胡富比參照NY/T1867—2010的標準進行計算[17]。

腐熟牛糞中有機碳、氮礦化率和礦化速率的計算公式如下：

有機碳累積礦化量=測定有機碳含量?初始有機碳含量（1）

有機碳礦化速率=有機碳累積礦化量/掩埋時間（2）

土壤碳釋放量=該期土壤有機碳實測值（3）

有機碳礦化率=（T處理土壤碳釋放量?CK土壤碳釋放量）/施入有機碳量×100%（4）

有機氮含量=全氮含量?無機氮含量（硝態氮含量+銨態氮含量）（5）

有機氮累積礦化量=測定有機氮含量?初始有機氮含量（6）

有機氮礦化速率=有機氮累積礦化量/掩埋時間（7）

有機氮礦化率=（T處理土壤氮釋放量?CK土壤氮釋放量）/施入有機氮量×100%[18-19]（8）

1.4數據處理與分析

采用MicrosoftExcel2019進行數據處理；采用SPSS22.0單因素（one-wayANOVA）對數據進行方差分析，Duncan法進行事后多重比較；采用Origin21軟件進行繪圖。

2結果

2.1腐熟牛糞有機碳、氮礦化特征

由圖2和圖3可知，腐熟牛糞有機碳在掩埋前期分解速度較快，掩埋0～10d時，有機碳礦化速率最高0.47g/（kg·d），之后隨掩埋時間的增加而降低。掩埋10d時，礦化率達到25.47%，80d時有機碳礦化量占130d累積礦化量的93.49%，80d后礦化率趨于穩定，表明腐熟牛糞中易礦化的有機物質基本礦化完畢，進入復雜有機物質的礦化階段。生育期結束時（掩埋后130d），有機碳礦化率為67.16%。

腐熟牛糞在掩埋10d時有機氮礦化速率最高為7.27mg/（kg·d），之后呈波動變化，掩埋后30d有機氮礦化率僅為10.85%；掩埋后20～40d和50～70d有機氮礦化速率升高；在掩埋后70d和80d，有機氮礦化率分別達到32.33%和39.63%，占掩埋期有機氮累積礦化量的81.12%和91.92%；掩埋80d后有機氮礦化速率逐漸放緩；掩埋后130d時，有機氮礦化率達到39.85%。

2.2腐熟牛糞礦化對土壤無機氮含量的影響

由圖4可知，掩埋過程中，腐熟牛糞處理土壤中銨態氮、硝態氮和無機氮總含量均顯著高于CK。硝態氮含量變化動態與無機氮總含量相似，二者均在掩埋0～40d較低并增長緩慢，40d后雖有波動但總體呈快速增長趨勢，至110d左右逐漸趨于平穩。銨態氮含量遠低于硝態氮，在掩埋0～10d最高，特別是腐熟牛糞處理遠高于CK。之后牛糞處理銨態氮含量迅速下降、CK緩慢下降，二者均在60d時降至最低。掩埋后60～90d，兩處理銨態氮含量變化均較平緩，之后牛糞處理和CK分別在110和100d達到第二個高峰后下降，其中牛糞處理的峰高顯著高于CK，顯示其波動更劇烈。

2.3腐熟牛糞礦化對土壤有效磷、速效鉀含量的影響

由圖5A可知掩埋期內T處理有效磷含量均顯著高于CK，CK土壤有效磷含量表現為隨著掩埋時間的增加呈波動上升趨勢，而T處理有效磷含量隨著時間的增加波動式下降，但掩埋后100～120d迅速增加，較CK顯著提升1.24～1.86倍。由圖5B可知，掩埋期間T處理速效鉀含量均顯著高于CK。CK處理在掩埋后0～100d土壤速效鉀含量變幅較小，在掩埋后100～130d呈上升趨勢。而T處理在掩埋后20～50d、80～110d含量變化較大，變化范圍分別為425.67～772.33mg/kg和416.00～663.67mg/kg，說明腐熟牛糞中速效鉀的釋放存在不穩定性。

2.4腐熟牛糞礦化對土壤腐殖酸組分的影響

由圖6A和6B可知，T處理腐殖酸和胡敏酸含量在掩埋期內變化趨勢相近，即在掩埋后10～60d兩者含量逐漸升高，在掩埋后60d時達到峰值，分別為7.53和4.27g/kg，在掩埋70d時分別驟降至5.92和3.13g/kg后趨于穩定。由圖6C可知，在掩埋后10～60d，T處理富里酸含量較CK顯著提升36.33%～56.92%，CK土壤富里酸含量在整個掩埋期相對穩定，而T處理富里酸含量在掩埋后100～120d上升，這可能與該期試驗地降雨量大幅增加有關。除掩埋后10d和80d外，T處理在掩埋70d內土壤胡富比均顯著高于CK（圖6D）；在掩埋后80～100d，T處理胡富比迅速升高，在掩埋后100d時較CK顯著提升29.85%。在掩埋期內，T處理腐殖酸組分含量均顯著高于CK，這說明添加腐熟牛糞可以促進土壤腐殖酸組分的積累。

3討論

3.1腐熟牛糞有機碳、氮礦化特征

本研究表明，腐熟牛糞在掩埋后0～10d有機碳、氮礦化速率最高，可能是由于掩埋前期土壤養分充足，而牛糞中也存在較多易分解的活性有機物質，使得微生物大量繁殖進而促進了有機碳、氮礦化作用[20]。隨著土壤養分不斷被消耗，微生物活性降低以及腐殖質的生成，有機碳、氮的礦化受到抑制，礦化速率下降[20-21]。周博等[18]研究發現，培養期內牛糞有機碳累積礦化率為30.31%，與本試驗牛糞有機碳累積礦化率（67.16%）有所差異，這是因為周博等[18]的供試材料為新鮮牛糞，其內部大分子物質較多，而本試驗采用的牛糞經腐熟后內部結構松散，水分含量較低，為好氧微生物繁殖提供了適宜的環境，提高了有機碳釋放量[22]。此外，本試驗掩埋結束時腐熟牛糞有機氮累積礦化率為39.85%，低于葉協鋒等[8]對腐熟有機肥有機氮礦化率的研究結果（46.69%），這是由于葉協鋒等[8]所研究的腐熟有機肥全氮含量較高（22.34g/kg），且C/N（11.54）低于本試驗中經堆漚后的腐熟牛糞（15.01）。有研究表明[23]，C/N較小的禽畜糞易激發土壤微生物活性，容易發生礦化作用；Calderón等[24]和沈其榮等[25]發現有機肥氮素礦化量及礦化速率與其C/N呈顯著負相關；李俊良等[26]對有機肥C/N與礦化率關系的研究結果表明，前者在3種不同培養條件下均與后者呈負線性相關關系。

3.2腐熟牛糞礦化對土壤無機氮含量的影響

微生物通過氮素礦化作用將有機氮轉化成能被植物吸收利用的無機氮（銨態氮和硝態氮），銨態氮進一步發生硝化作用生成硝態氮[27]。在本試驗中，硝態氮含量遠高于銨態氮含量，占據了無機氮的大部分比例。掩埋后0～40d，硝態氮及無機氮含量均較低，40d后快速增加，期間牛糞處理始終顯著高于對照處理。烤煙在移栽后40d對氮素吸收量最多，移栽55d后吸收量急劇減少[28]，牛糞處理顯著增加土壤無機氮含量的結果，補充了其生長前期無機氮不足的缺陷，但也加重了后期無機氮過高的狀態。為確保烤煙在生長過程中對氮素的需求得到滿足且符合“少時富、老來貧、煙株長成肥退勁”的需氮規律，避免因土壤前期氮素含量不足、后期氮素積累過多而導致烤煙出現貪青晚熟的現象，建議牛糞于移栽前30d施入植煙土壤。

3.3腐熟牛糞礦化對土壤有效磷、速效鉀含量的影響

參照王樹會等[29]對云南植煙土壤有效磷含量的等級劃分，本試驗供試土壤有效磷含量偏低（lt;10mg/kg），添加腐熟牛糞可顯著提升土壤有效磷和速效鉀含量，這說明牛糞施入對土壤養分向有效態轉化有明顯促進作用，這與楊旖璇[30]和張小棟等[31]的研究結果一致。在本研究中，CK處理土壤有效磷含量隨時間的增加呈波動式上升，但施入牛糞后土壤有效磷含量隨著時間的增加呈波動式下降。這是由于牛糞直接帶入了部分無機磷[6]，因此在掩埋前期土壤有效磷含量高；但是隨著土壤微生物群落快速增殖過程中對無機磷的生物固定[32]以及土壤本身的固磷作用[6]，土壤有效磷含量逐漸下降。牛糞在掩埋期間土壤速效鉀含量波動較大，是由于有機物料在土壤中礦化受有機物料自身性質、土壤類型、溫度和氣候等多種因素影響[9，18]，故對牛糞速效養分釋放規律還需多年份不同試驗點的重復驗證，對造成該現象的原因進行分析。

3.4腐熟牛糞礦化對土壤腐殖酸組分的影響

土壤腐殖質是土壤有機質在土壤中形成的一類特殊的高分子化合物，腐殖質的積累在很大程度上影響著土壤肥力和植物的生長[33]。有機物料作為土壤新鮮有機質的重要來源，其在土壤中的分解是形成新腐殖質的前提[9]。作為腐殖質中較為活躍的組分，胡敏酸分子結構中包含眾多含氧活性官能團，在氧化還原、緩沖性和離子交換等方面具有較強的能力，對優化土壤結構及改良土壤肥力具有重要作用；富里酸分子量雖小，但氧化程度和活性較高，其豐度與胡敏酸在土壤中的積累與更新密切相關[34]。本試驗結果表明，腐熟牛糞可顯著增加土壤腐殖酸、胡敏酸和富里酸含量，提高土壤胡富比，促進腐殖質的聚合和穩定，這與范文思等[35]在四川會理對腐熟農家肥的研究結果相似。

在本試驗中，在腐熟牛糞掩埋后60～70d，土壤腐殖酸和胡敏酸含量下降且掩埋后期均無大幅度提升，這是由于該階段牛糞主要成分為脂溶性物質、半纖維素、纖維素和木質素等降解率較低的大分子物質[36]，此時試驗地正值雨季，土壤透氣量低，而已有研究發現在低氧高濕環境下，微生物對牛糞中的大分子物質分解受到抑制[37-38]。但富里酸作為一種親水性有機物，結構單一，主要是芳香族羥基羧酸類物質，低氧高濕的環境有利于富里酸形成，這可能是牛糞掩埋后100～120d富里酸含量上升的原因[39]。此外，腐熟牛糞掩埋后80～100d土壤富里酸含量雖略有下降，但該期胡富比上升，說明此時土壤腐殖質活化度增強，施入腐熟牛糞一定程度上提高了土壤有機質的質量[40]。

4結論

本研究表明，在滇東北丘陵煙區大田試驗條件下，烤煙生育期內腐熟牛糞有機碳累積礦化率為67.16%，礦化特征表現為前期快、后期慢，掩埋60d時有機碳礦化量占總礦化量的84.23%；有機氮累積礦化率為39.85%，礦化特征表現為前期慢、中期快、后期平緩，掩埋30d時有機氮礦化率僅為10.85%。施用腐熟牛糞可顯著提升土壤銨態氮、硝態氮、有效磷和速效鉀含量，促進腐殖酸、富里酸和胡敏酸的積累，提高土壤胡富比。綜合考慮腐熟牛糞碳氮礦化規律和烤煙對養分的需求規律，可在煙苗移栽前30d施入以滿足烤煙“少時富老來貧”的需肥規律。