朱菜紅,董彩霞,沈其榮,徐陽(yáng)春

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇省固體有機(jī)廢棄物資源化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210095)

我國(guó)農(nóng)田氮肥利用率普遍偏低,通常被作物所截取的不足50%,損失嚴(yán)重[1]。為此,科研工作者相繼提出了不少應(yīng)對(duì)措施,如篩選氮高效作物品種[2]、改進(jìn)氮肥劑型(添加硝化抑制劑[3]、脲酶抑制劑[4]等)、改進(jìn)施肥方法[5]等。其中,配施有機(jī)肥既可增產(chǎn)[6-8],又能變廢為寶[9],是長(zhǎng)期以來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的研究熱點(diǎn)。但目前國(guó)內(nèi)研究多集中在施用有機(jī)肥對(duì)農(nóng)業(yè)性狀、經(jīng)濟(jì)性狀的影響方面,而關(guān)于有機(jī)肥改善氮素供應(yīng)、影響氮肥利用效率的機(jī)制研究卻涉及較少。

姚槐應(yīng)等[10]指出,促進(jìn)無(wú)機(jī)氮肥的微生物固定是減少氮肥損失的有效途徑。而李世清等[11]證實(shí),施有機(jī)肥可促進(jìn)氮素的微生物固定。據(jù)王巖等[12]報(bào)道,配施有機(jī)肥,土壤微生物量氮增加幅度大于單施硫銨。因此,有理由相信施有機(jī)肥影響氮素轉(zhuǎn)化、利用的作用機(jī)理與其影響微生物對(duì)氮素調(diào)控有關(guān)。在利用肥料氮的過程中,土壤微生物與植物既相互依存又相互制約。對(duì)植物有利的方面是,土壤微生物不但能將有機(jī)氮礦化成植物可利用的無(wú)機(jī)氮而影響土壤對(duì)植物的供氮能力[13],還能通過同化作用保存一部分氮[14];對(duì)植物不利的方面是,微生物有時(shí)與植物競(jìng)爭(zhēng)有效氮[15]。化肥配施有機(jī)肥可使土壤微生物獲得充足的碳源和氮源,有利于增加微生物數(shù)量、提高微生物活性。這很可能使更多的化肥氮被同化到微生物體內(nèi)或被轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的有機(jī)含氮代謝物而得以保存,從而有利于減少化肥氮的損失。但同時(shí),這部分氮若不能有效地被釋放或釋放率低于化肥單施[16]均會(huì)影響植物對(duì)其吸收利用。為探究化肥配施有機(jī)肥能否協(xié)調(diào)好微生物與植物間氮素的利用,本試驗(yàn)采用15N標(biāo)記化肥,研究了其配施不同有機(jī)肥對(duì)水稻產(chǎn)量、化肥氮利用率的影響,并試圖通過對(duì)土壤微生物量15N的動(dòng)態(tài)變化與水稻各生育期吸收15N量的關(guān)系,揭示化肥配施有機(jī)肥提高化肥氮素利用率的微生物作用機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為水稻土,基本理化性質(zhì)為:有機(jī)碳含量 16.2 g/kg,全氮1.11g/kg,堿解氮150 mg/kg,有效磷 21.4 mg/kg,土壤微生物量氮 8.2 mg/kg,pH 7.1。供試化肥為(15NH4)2SO4,購(gòu)自上?；ぱ芯克?原子百分超為10.7%。磷、鉀肥選用過磷酸鈣和硫酸鉀,有機(jī)肥選用雞糞堆肥、豬糞堆肥和酒糟堆肥。酒糟堆肥原料為利用木薯粉生產(chǎn)酒精的副產(chǎn)品。供試水稻品種為武運(yùn)粳7號(hào)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)對(duì)照(CK,不施肥)、(15NH4)2SO4+(NH4)2SO4(F)、(15NH4)2SO4+雞糞堆肥(FC)、(15NH4)2SO4+豬糞堆肥(FP)、(15NH4)2SO4+酒糟堆肥(FV)5個(gè)處理,各處理重復(fù)12次。其中F處理(15NH4)2SO4-N占施氮總量的70%,(NH4)2SO4占30%;FC、FP和FV處理(15NH4)2SO4-N占70%,有機(jī)肥-N占30%。試驗(yàn)選用陶瓷盆,每盆裝風(fēng)干土10 kg。除CK外,其他處理均以每盆等養(yǎng)分量(N 1.5 g,P2O52.0 g,K2O 1.5 g)處理,以氮為準(zhǔn),扣除有機(jī)肥中磷、鉀后用化肥補(bǔ)足。肥料與土壤充分混勻后灌水栽秧,每盆4穴,每穴3株帶蘗苗。試驗(yàn)于2008年6～10月在江蘇固體廢棄物資源化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基地進(jìn)行。

1.2.2 樣品采集 分別于栽秧后12 d(苗期)、33 d(分蘗期)、73 d(孕穗期)、104 d(成熟期)采集各處理土壤和水稻植株樣品,每次隨機(jī)毀滅性采樣三盆。1.2.3 測(cè)定方法 土壤微生物量氮采用氯仿滅菌—0.5 mol/L K2SO4提取法[17-18]。具體步驟如下:1)待測(cè)新鮮土樣濾水1 h后過5 mm篩;2)稱取土樣,熏蒸土壤中按每10 g鮮土加入1 mL氯仿攪勻,在25℃黑暗條件下熏蒸24 h,然后按1∶4土水比(烘干土,w∶v)加入0.5 mol/L K2SO4振蕩浸提。浸提液消煮后,用半微量凱氏法測(cè)定全氮。同時(shí)以不滅菌土壤為對(duì)照。熏蒸浸提液中的氮(FN)與不熏蒸浸提的可溶性氮(DN)之差(EN)乘轉(zhuǎn)換系數(shù)(kEN)即為土壤微生物量氮(SMBN=EN×kEN,kEN=2.22[19-20])。

土壤礦質(zhì)態(tài)氮用新鮮土樣,采用2 mol/L KCl溶液浸提,MgO-Devarda合金蒸汽蒸餾法測(cè)定[21]。

植株樣品全氮用濃硫酸消煮,凱式定氮法測(cè)定[22]。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

15N測(cè)定及標(biāo)記底物指標(biāo)氮的計(jì)算所有氮測(cè)定項(xiàng)目,蒸餾后餾出液用0.5 mol/L H2SO4酸化,在70～80℃的水浴中濃縮至3～5 mL,然后轉(zhuǎn)移至安培瓶中,石蠟密封瓶口,送南京土壤研究所協(xié)助測(cè)定(質(zhì)譜儀型號(hào)為MAT251)。計(jì)算方法為:

標(biāo)記底物SMBN=(FN×F15N原子百分超-DN×D15N原子百分超)×2.22/標(biāo)記底物原子百分超;

標(biāo)記底物植株全氮=植株全氮×植株全氮的15N原子百分超/標(biāo)記底物原子百分超;

標(biāo)記底物土壤礦質(zhì)態(tài)氮=土壤礦質(zhì)態(tài)氮×土壤礦質(zhì)態(tài)15N原子百分超/標(biāo)記底物原子百分超。

所有數(shù)據(jù)用SAS 9.0軟件統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥配施有機(jī)肥對(duì)水稻干物重和子粒產(chǎn)量的影響

不同施肥處理對(duì)水稻總干物重的影響存在階段性差異(圖1)。綜觀水稻各個(gè)生育期,CK處理總干物重始終最低。抽穗期(移栽后73 d)以前,化肥配施各有機(jī)肥處理與化肥單施相比,水稻干物重差異并不顯著;成熟期,化肥與各有機(jī)肥配施處理的水稻干物重均高于化肥單施處理,其中化肥與雞糞堆肥(FC)和酒糟堆肥(FV)配施處理水稻干物重較化肥單施(F)顯著增加。可見,配施有機(jī)肥可促進(jìn)水稻生育后期干物質(zhì)的積累。

圖1 不同施肥處理對(duì)水稻干物質(zhì)積累量的影響Fig.1 Effect of different fertilization on dry weight of rice plant

圖2表明,施肥對(duì)水稻子粒產(chǎn)量影響很大。單施化肥,水稻子粒產(chǎn)量比對(duì)照增加56.3%;化肥與雞糞堆肥、豬糞堆肥和酒糟堆肥配施,子粒產(chǎn)量分別比單施化肥增加16.4%、8.8%、8.0%?；实c有機(jī)肥氮比率為7∶3配合施用時(shí),水稻有增產(chǎn)趨勢(shì)。

2.2 化肥配施有機(jī)肥對(duì)水稻氮素吸收的影響

2.2.1 不同生育期水稻總吸氮量 在水稻各生育期,施肥對(duì)水稻吸氮量影響較大,且不同施肥處理間階段性差異不同(圖3)。水稻苗期(移栽后12 d),單施化肥較配施有機(jī)肥更有利于水稻對(duì)氮的吸收。其中,化肥單施(F)處理與化肥與豬糞堆肥(FP)和酒糟堆肥(FV)配施處理間差異達(dá)顯著水平。分蘗期與抽穗期(移栽后33 d、73 d),單施化肥處理水稻吸氮量仍然最高,但與配施有機(jī)肥各處理間差異已不顯著。成熟期,化肥與有機(jī)肥配施較化肥單施處理增加了水稻吸氮量?？梢娕涫┯袡C(jī)肥有利于促進(jìn)水稻生育后期對(duì)氮素的吸收。

圖2 不同施肥處理對(duì)水稻子粒產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of different fertilization on rice grain yield

圖3 不同施肥處理對(duì)水稻氮素吸收積累量的影響Fig.3 Effect of different fertilization on N uptake of rice shoots

2.2.2 不同施肥處理下水稻對(duì)化肥15N的吸收 苗期,施肥處理間水稻吸15N量無(wú)顯著差異(表1);苗期至分蘗階段(移栽后12～33 d),單施化肥處理水稻吸15N量顯著高于與有機(jī)肥配施處理;但自分蘗至抽穗階段(移栽后33～73 d),單施化肥處理水稻吸15N量?jī)H為66.2 mg/pot,比同期FC、FP、FV處理分別低48.6%、46.2%、60.7%;抽穗至成熟階段(移栽后73～104 d),單施化肥處理水稻吸15N量仍比FC、FP和 FV處理分別低 26.0%、12.9%和13.8%。這說明化肥單施處理在水稻生育前期土壤礦質(zhì)氮(15N)的供應(yīng)比與有機(jī)肥配施處理充足,但自水稻分蘗后礦質(zhì)氮(15N)供應(yīng)能力下降;化肥與有機(jī)肥配施,氮肥(15N)的肥效較穩(wěn)。

表1 不同施肥處理水稻各生育階段15N累積量與15N利用效率Table 1 15N uptake and use efficiency of rice in different growth stages under different fertilizer treatments

施氮總量相等時(shí),當(dāng)化肥氮與有機(jī)肥氮以7∶3配合施用時(shí),化肥氮利用率超過了60%(表1);而當(dāng)化肥單施時(shí),水稻吸收利用的15N還不到施入總量的2/5,利用率較低。

2.3 不同施肥處理下土壤微生物對(duì)化肥氮的調(diào)控

2.3.1 水稻不同生育期土壤微生物量氮含量 水稻移栽后土壤微生物量氮迅速增加(圖4,基礎(chǔ)值為8.2 mg/kg),在移栽12 d(苗期)時(shí)有個(gè)相對(duì)高峰;以后隨水稻吸氮量的增加,土壤微生物量氮明顯下降,并在移栽后73 d(抽穗期)有一個(gè)相對(duì)谷底;之后,土壤微生物量氮含量微升。所有處理變化趨勢(shì)一致,與仇少君等報(bào)道相符[23]。

圖4 不同處理土壤微生物量氮?jiǎng)討B(tài)變化Fig.4 Dynamics of soil microbial biomass N under different fertilizer treatments

在水稻整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi),單施化肥處理土壤微生物量氮雖比CK處理高,卻低于配施有機(jī)肥各處理(圖4)。水稻苗期,化肥與酒糟配施(FV)處理土壤微生物量氮最高;分蘗期,化肥與酒糟配施(FV)處理土壤微生物量氮含量仍然最高,且顯著高于化肥單施處理,這可能與該有機(jī)肥C/N值較高有關(guān);隨水稻生育期的推進(jìn)、吸氮量不斷增加,至抽穗期化肥單施處理土壤微生物量氮含量?jī)H次于對(duì)照;到水稻收獲時(shí),土壤微生物量氮順序?yàn)镕V＞FC＞FP＞F＞CK。

2.3.2 配施有機(jī)肥提高化肥氮素利用率的微生物作用機(jī)制 土壤微生物對(duì)化肥氮的調(diào)控均表現(xiàn)為先固持后釋放再固持。施肥后12 d(苗期),所有處理微生物固持的化肥15N都超過同期相應(yīng)處理水稻吸15N 量(表1、圖5);施肥12 d～73 d(分蘗、抽穗期),所有處理微生物固持的化肥15N均被釋放,平均釋放量占該階段水稻吸15N量的34%,微生物固持的化肥15N的釋放也可由同期土壤礦質(zhì)15N含量的微升得到佐證(表2);施肥后73～104 d(抽穗～成熟),各處理微生物量15N含量又有所上升。

圖5 水稻生育期土壤微生物氮庫(kù)中15N含量Fig.5 Content of microbial15N during growth stages of rice

苗期,土壤微生物量15N順序?yàn)镕C＞FP＞FV＞F,其中FC與F處理差異顯著;化肥配施雞糞堆肥、豬糞堆肥、酒糟堆肥,微生物對(duì)化肥氮的固持率分別為15.9%、13.4%、12.5%,比化肥單施分別高93%、62%、51%;而土壤礦質(zhì)態(tài)15N含量順序?yàn)镕＞FV＞FP＞FC,與土壤微生物量15N順序相反。水稻抽穗期,土壤微生物量15N順序?yàn)镕P＞FV＞FC＞F,其中,FP、FV處理與F處理差異顯著;化肥配施雞糞、豬糞和酒糟堆肥,微生物固持的15N分別有87%、81%和81%被釋放,而單施化肥處理15N釋放率為88%,但最大釋放量仍然以配施雞糞處理最高,配施豬糞處理次之,化肥單施和配施酒糟處理最低;土壤礦質(zhì)15N含量順序?yàn)镕C＞FP＞FV＞F。水稻成熟時(shí),化肥配施有機(jī)肥各處理,土壤微生物量15N較化肥單施仍占優(yōu)勢(shì),可見水稻收獲時(shí)有機(jī)肥仍能影響土壤微生物活性。

2.3.3 微生物量15N與土壤礦質(zhì)15N相關(guān)性分析土壤微生物量氮雖然只占土壤氮素的一小部分[24-25],但卻是氮素養(yǎng)分循環(huán)重要的“源”和“庫(kù)”[26],其基礎(chǔ)含量能反映土壤肥力和供氮能力。根據(jù)圖5和表2結(jié)果,水稻生長(zhǎng)期間土壤微生物量15N與土壤礦質(zhì)15N之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(Y=2.9825X-7.452,r=0.609,n=16)。由此可見,土壤微生物量15N可以作為土壤礦質(zhì)15N的供應(yīng)能力的指標(biāo),并證明了在水稻整個(gè)生育期內(nèi)配施有機(jī)肥有利于提高土壤15N的供應(yīng)能力。

表2 水稻生育期不同施肥處理土壤礦質(zhì)15N動(dòng)態(tài)變化Table 2 Dynamics of soil mineral15N under different fertilization in growth stages of rice

3 討論

本研究表明,化肥配施有機(jī)肥有利于水稻生育后期干物質(zhì)積累和氮素吸收,增產(chǎn)效應(yīng)大于化肥單施處理,這與謝秋發(fā)等[27]研究結(jié)果類似。化肥單施氮利用率不到 40%,遠(yuǎn)低于化肥配施有機(jī)肥處理。而謝秋發(fā)等[27]研究發(fā)現(xiàn),化肥與有機(jī)肥配合一次性基施(有機(jī)氮∶無(wú)機(jī)氮=1∶1)與化肥一次性單施,化肥氮利用率相當(dāng),只有將有機(jī)肥基施,化肥分蘗、穗肥兩次等量追施(有機(jī)氮∶無(wú)機(jī)氮=1∶1),化肥氮利用率才比化肥單施高。可能的原因是本研究中配施處理采用的有機(jī)氮比例較他們報(bào)道的低,有機(jī)肥施入比例的增加可能促進(jìn)了化肥氮的固持,氮素釋放率也相對(duì)低一些。

土壤微生物量氮是土壤氮素中最活躍的庫(kù)。很多研究表明,土壤微生物量氮與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮以及作物吸氮量間均密切相關(guān)[16]。研究土壤微生物量氮的消長(zhǎng)和水稻生育期吸氮量的變化有助于考察微生物供氮與作物吸氮間的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。本試驗(yàn)結(jié)果證明,在水稻生長(zhǎng)初期需氮量較低時(shí),土壤微生物可以通過同化作用固持一部分氮;而在水稻生育中后期,微生物又能通過礦化作用釋放被固持的氮,供水稻利用。可見,微生物量氮既是氮庫(kù)又是氮源[26]。此外,化肥配施有機(jī)肥,土壤微生物量氮增幅比化肥單施大,這與已有的研究報(bào)道基本一致[11,23]。然而水稻苗期,配施雞糞堆肥、豬糞堆肥和酒糟堆肥較化肥單施土壤微生物量氮增加并不顯著。這可能是碳、氮源相互制約微生物增殖的結(jié)果[28-29]。趙俊曄等[30]的研究顯示,在一定施氮范圍內(nèi),土壤微生物量氮隨施氮量呈增加趨勢(shì)。配施處理化肥氮施用量比化肥單施處理低30%,是配施處理微生物繁殖生長(zhǎng)的限制因素;化肥單施處理土壤微生物繁殖生長(zhǎng)雖相對(duì)不受氮源的限制,卻可能受碳源和能源的限制,并且化肥單施處理土壤微生物量氮較低也反映出碳源對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響大于氮源。

韓曉日等[31]研究表明,土壤微生物量氮在小麥生長(zhǎng)季內(nèi)經(jīng)歷了由肥料氮庫(kù)到氮源的轉(zhuǎn)變。而本研究通過對(duì)微生物體內(nèi)15N含量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)季內(nèi)土壤微生物量15N先是化肥氮庫(kù),后為氮源,再為氮庫(kù)。結(jié)合水稻生育期不同施肥處理水稻吸15N量不難看出,化肥配施雞糞堆肥、豬糞堆肥和酒糟堆肥更有利于施肥初期微生物“保15N”,化肥15N固持率在12%～16%之間,與王淑平等[16]和韓曉日等[31]報(bào)道的結(jié)果類似。配施雞糞堆肥、豬糞堆肥和酒糟堆肥雖然降低了土壤礦質(zhì)15N含量,但并未影響同期水稻吸15N量。因此,施肥初期促進(jìn)微生物固持化肥氮對(duì)減少化肥氮損失、提高化肥氮利用率具有重要意義。據(jù)王淑平等[16]報(bào)道,施入有機(jī)肥對(duì)微生物量氮釋放影響較大,釋放率比化肥單施低。而本研究卻發(fā)現(xiàn)化肥配施有機(jī)肥處理15N釋放率與化肥單施處理相當(dāng),這很可能與施入土壤的有機(jī)物料的數(shù)量和種類、土壤生態(tài)環(huán)境、作物品種等有關(guān),有待進(jìn)一步研究。有機(jī)肥配施處理中肥料15N的有效釋放,使得土壤供15N能力增強(qiáng)(可由同期土壤礦質(zhì)15N含量微升佐證之)、水稻吸收15N量增加。當(dāng)然,礦化釋放化肥氮也有可能被固定、轉(zhuǎn)化甚至損失,但已有報(bào)道證明其有效性近似于無(wú)機(jī)氮肥或土壤礦質(zhì)態(tài)氮[16,32],加之水稻生長(zhǎng)處于旺盛時(shí)期,根系吸收能力很強(qiáng),被釋放的15N利用率自然很高?；蕟问┨幚碇须m然肥料15N的釋放率不低,土壤礦質(zhì)態(tài)15N含量卻很低,15N的吸收(抽穗期)表現(xiàn)受阻,而在后一個(gè)生育期其水稻吸15N量又有所增加,原因有待深入研究。

本研究從微生物對(duì)化肥氮的調(diào)控規(guī)律來(lái)看,配合施用有機(jī)肥的實(shí)際意義是供給微生物增殖生長(zhǎng)所必需的碳源。在施肥初期水稻需氮不大的情況下,配施有機(jī)肥增加土壤微生物活性,使得更多的化肥氮被固持而得以保存;而當(dāng)水稻需氮較大時(shí),由于碳、氮源均缺乏,微生物生長(zhǎng)受抑制,前期固持的化肥氮在中后期大量被釋放,水稻吸氮量增加。因此,增強(qiáng)化肥氮供應(yīng)與水稻氮需求時(shí)間上的同步性是化肥與有機(jī)肥配施提高化肥氮利用效率的關(guān)鍵。

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