陳 雪，翟 欣，楊振智，符德龍，史藝杰，徐勝祥?，王美艷，史學正

特制有機肥提高貴州黃壤氮礦化和硝化率的研究*

陳 雪1，翟 欣1，楊振智2，符德龍1，史藝杰3，徐勝祥3?，王美艷3，史學正3

（1. 貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州畢節(jié)551700；2. 貴州畢節(jié)市煙草公司金沙公司，貴州金沙551800；3. 土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京210008）

植煙土壤中的氮素形態(tài)比例是優(yōu)質煙葉生產的關鍵，合理施用有機肥可以調節(jié)土壤中不同形態(tài)氮素礦化水平。以貴州植煙黃壤為研究對象，采用Stanford長期好氣間歇淋洗培養(yǎng)法，研究并模擬了不同特制有機肥施用量（0（CK），750 kg·hm–2（1F），1 500 kg·hm–2（2F），2 250 kg·hm–2（3F））下的土壤氮素礦化過程。結果表明，供試貴州黃壤培養(yǎng)5 d后硝化率低于10%，后期硝態(tài)氮釋放比例嚴重偏低，土壤在煙草旺長期能供給的硝態(tài)氮總量為66.89 mg·kg–1，不能滿足煙草全生育期內的需氮情況。特制有機肥施用后土壤速效氮礦化速率均呈“前快后慢”趨勢，前期礦化量高，后期礦質氮素釋放減少并逐漸穩(wěn)定，符合煙草生長對氮的吸收規(guī)律。特制有機肥施用顯著提高了土壤速效氮礦化量，速效氮礦化量最多增長420.1%，硝態(tài)氮最多增長276.6%。添加特制有機肥顯著提高了植煙黃壤硝化率，硝化率增幅范圍為8.1%～50.4%。3F處理特制有機肥施用量條件下，土壤硝化率變化范圍為43.69%～51.22%，最符合煙草對不同形態(tài)氮素的吸收比例，有助于提高煙株產質量。綜上所述，每公頃施用2 250 kg特制有機肥最適宜貴州黃壤煙草種植。

有機肥，煙草，氮礦化，硝化率，黃壤

氮素在所有營養(yǎng)元素中對烤煙產質量影響最大，煙草全生育期吸收的氮素2/3來自于土壤礦化氮[1-2]。硝態(tài)氮銨態(tài)氮均是煙草生長的有效氮源，土壤中不同氮素形態(tài)比例對烤煙品質具有重要影響。因此，基于氮素形態(tài)比例研究有機肥施用對植煙土壤氮礦化規(guī)律的影響，對于指導煙草農業(yè)生產具有重要意義[3-4]。

當前，關于農田土壤氮礦化能力的研究已有很多，主要以土壤氮素礦化量和氮礦化速率作為反映土壤氮素供應能力的指標[5]，集中反映了土壤氮礦化水平的地域性差異和影響因素。首先，不同地區(qū)不同土壤氮礦化勢差異明顯，中國陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮礦化速率隨緯度的增加而降低[6]，我國南部主要植煙黃壤、紫色土、紅壤、水稻土平均礦化勢在150.1 mg·kg–1以上[7-8]，其中長江中上游煙區(qū)、長江中下游煙區(qū)、西南煙區(qū)土壤礦化勢分別為127.8 mg·kg–1、135.0 mg·kg–1和160.5 mg·kg–1[9]。其次，不同施肥處理的土壤氮礦化過程差異明顯[10]，石博文等[11]研究發(fā)現湖北棕紅壤低量（30 t·hm–2）、中量（60 t·hm–2）、高量（120 t·hm–2、150 t·hm–2）有機肥與尿素（N 225 kg·hm–2）與單施尿素相比無機氮最大礦化量增加52.9～246.0 mg·kg–1，有效礦化時間延長5 d；王正銀和青長樂[12]在四川重慶北碚的中性紫色土研究發(fā)現在空白處理、加豬糞、加牛糞和加雞糞的不同處理中土壤氮礦化量分別為136.0 mg·kg–1、304.5 mg·kg–1、317.5 mg·kg–1、406.5 mg·kg–1。此外，耕作方式也通過影響空氣與水分運移進而影響有機氮礦化過程，劉世平等[13]研究揚州灰潮土不同耕作措施的稻麥輪作地發(fā)現土壤礦化氮量大小為：連少耕>連耕和輪耕土，植株總吸氮量為連少耕157.0 kg·hm–2，連耕166.5 kg·hm–2，輪耕182.7 kg·hm–2。以上研究表明不同地區(qū)不同管理措施下的土壤供氮能力存在明顯差異，不同地區(qū)煙草生產中通過增施有機肥提高土壤氮礦化速率，應調節(jié)土壤供氮能力與煙草生長的需氮規(guī)律相契合。煙草是一種喜硝作物，當土壤中可吸收的硝態(tài)氮比例提高可以促進烤煙品質提升。大量研究表明，當煙草吸收的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮各占50%時，烤煙品質最佳[14]，所以植煙土壤的硝化率也是決定煙草質量的關鍵因素[15-16]，當前卻鮮有關于通過施用有機肥提高植煙土壤硝化率影響的研究[17-18]。

本研究以貴州黃壤為研究對象，采用間接淋洗好氣培養(yǎng)法，研究添加不同質量特制有機肥對土壤氮礦化速率、氮礦化量和硝化率的影響，旨在確定植煙黃壤中特制有機肥的合理施用量，在保證煙草產量的同時，提高植煙土壤硝化率，進而提升煙葉質量。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為貴州畢節(jié)金沙科技園耕層土壤，土壤類型為黃壤。試驗土風干后磨細過5 mm篩備用。經測定該土壤砂粒（>0.05 mm）含量為17.5%，粉粒（0.05～0.002 mm）含量為35.0%，黏粒（<0.002 mm）含量為47.5%，土壤質地為粉砂質黏壤土；土壤pH為6.4，有機質含量為19.5 g·kg–1，全氮1.3 g·kg–1，速效磷22.7 mg·kg–1，速效鉀313 mg·kg–1，有效硫71.4 mg·kg–1。

1.2 試驗用有機肥

1.3 試驗設計

試驗設置4個有機肥施用水平，（1）CK為零添加有機肥的供試土壤；（2）1F為有機肥施用量為750 kg·hm–2；（3）2F為有機肥施用量為1 500 kg·hm–2；（4）3F為有機肥施用量為2 250 kg·hm–2。每個處理設置3個重復。

1.4 樣品的采集與測定

土壤含水量采用烘干法；pH采用pH計測定；全氮采用凱氏定氮法；硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用流動分析儀測定，具體參照《土壤農業(yè)化學分析方法》[19]。

Stanford間歇淋洗好氣培養(yǎng)實驗：利用布氏漏斗為基礎拼接柱狀PVC管的裝置作為礦化容器，容積610 mL，將所有樣品放入恒溫箱內培養(yǎng)，設定溫度為30℃±2℃。培養(yǎng)起始后的第0天、第5天、第15天、第30天、第45天、第60天淋洗樣品。采用1 mol·L–1KCl溶液作為淋洗液。取淋洗液保存至15 mL離心管內，用于測定樣品礦化過濾液的NH4+-N、NO3–-N含量。

硝化率=各時段內硝態(tài)氮礦化量/各時段內硝態(tài)氮+銨態(tài)氮礦化量

堿解氮礦化量 =從培養(yǎng)時間起至測定時間止的銨態(tài)氮含量+硝態(tài)氮含量

礦化速率＝（培養(yǎng)后速效氮含量－培養(yǎng)前速效氮含量）／培養(yǎng)時間

1.5 數據處理與分析

數據采用IBM SPSS Statistics 22 進行統(tǒng)計分析，采用Duncan法進行顯著性檢驗，采用Microsoft Office Excel 2016進行數據處理及作圖。

2 結 果

2.1 貴州黃壤礦化硝化率及氮礦化量較低

土壤不同形態(tài)氮素礦化速率呈現波動式變化（圖1）。土壤速效氮礦化速率在第5天時最高，此后迅速降低，其中硝態(tài)氮礦化速率在第5～15天內降低了90.0%；土壤銨態(tài)氮礦化速率在第5～15天和15～30天內降幅分別為73.8%和57.3%，第30～45天內銨態(tài)氮礦化速率回升34.0%，45～60 d回落17.7%。

圖1 培養(yǎng)期內土壤氮礦化速率變化

由圖2可知，CK無有機肥添加的土壤在0~60 d培養(yǎng)期內土壤各形態(tài)氮素均呈對數增長。土壤硝態(tài)氮礦化量在0～5 d內迅速增加9.7%；5 d后硝態(tài)氮礦化量增長緩慢。銨態(tài)氮礦化量在0～5 d內迅速增加45.3%，5d后穩(wěn)定增長。土壤堿解氮礦化量在0～5 d內，5～15 d內分別迅速增加了23.8%和19.2%，15 d后呈穩(wěn)定增長。

土壤氮礦化硝化率呈對數趨勢降低（圖3），0 d時土壤硝化率高達60.1%，0～5 d內迅速降低59.9%，5～15 d期間礦化出的氮硝化率為9.2%，與0～5 d內相比降低62.1%，15 d后硝化率穩(wěn)定降低，至45～60 d時為1.8%。培養(yǎng)期內不同形態(tài)礦質氮素比例隨培養(yǎng)時間增加變化明顯，礦化初期以硝態(tài)氮為主，5 d后以銨態(tài)氮為主，隨著培養(yǎng)時間的增加，硝態(tài)氮在礦化出的速效氮中占比接近于零。

2.2 特制有機肥施用提高了土壤礦化硝化率及速效氮礦化量

土壤不同形態(tài)氮礦化速率均隨有機肥施用量增加而增加（圖4），硝態(tài)氮礦化速率在0～5 d內以1F處理最低，2F和3F為1F的2倍，5～15 d各處理均明顯降低，15 d后趨于穩(wěn)定，2F和3F為1F硝態(tài)氮礦化速率的2倍。銨態(tài)氮礦化速率0～5 d時差異顯著，從小到大為：1F<3F<2F，5～15 d內迅速降低，30 d后基本穩(wěn)定。

各處理土壤氮素礦化量隨培養(yǎng)時間推進呈對數增長（圖5），土壤氮礦化量隨有機肥施入量的增加而增加。0 d礦化初期：與CK相比，1F、2F和3F硝態(tài)氮礦化量分別增加了107.4%，192.0%和276.6%；銨態(tài)氮礦化量分別增加了164.0%，352.6%和640.1%；總速效氮礦化量分別增加了129.7%，255.6%和420.1%。1F、2F、3F處理硝態(tài)氮礦化量在30～60 d內趨于穩(wěn)定，銨態(tài)氮和速效氮礦化量在0～60 d內均呈穩(wěn)步增長趨勢。

施用特制有機肥后土壤氮礦化硝化率顯著提升（圖6）。從不同培養(yǎng)時間來看，除0 d初始礦化時外，各時段內硝化率隨特制有機肥施用量增加而增大，硝化率增幅范圍為8.1%～50.4%。從不同有機肥施用量來看：1F硝化率在培養(yǎng)期內隨時間增長呈先減小后增加的趨勢，1F最高達54.5%，0～15 d迅速降低了21.5%，15d時出現谷值21.5%，15～60 d期間硝化率緩慢回升6.8%后達到28.3%；2F硝化率呈先降低后穩(wěn)定的趨勢，在0 d時出現最大值49.6%，相比同時期1F降低了4.9%，5d后2F的硝化率保持在42.0%水平上下波動；3F的硝化率在培養(yǎng)期內呈持續(xù)穩(wěn)定上升趨勢，0 d時3F硝化率最低，0～15 d迅速增至51.1%。3F處理土壤硝化率變化范圍為43.69%～51.22%，3F在5～60 d內硝化率均保持在50.0%以上。

圖2 培養(yǎng)期內土壤氮素礦化量

圖3 培養(yǎng)期內土壤礦化硝化率

2.3 特制有機肥施用量增加提高速效氮礦化效率

以CK為土壤氮礦化能力為參照，推算不同處理下單位質量有機肥礦化出的速效氮含量（表1）。由表1可知，隨有機肥施用量增加，單位有機肥的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮礦化量均明顯增加，其中1F處理的有機肥硝態(tài)氮礦化量為1.28 mg·g–1，2F、3F分別為其1.47倍和1.74倍；1F處理銨態(tài)氮礦化量為0.57 mg·g–1，2F、3F分別為其2.02倍和2.70倍；1F處理速效氮礦化量為1.84 mg·g–1，2F、3F分別為其1.65倍和2.05倍。有機肥硝態(tài)氮和總速效氮礦化能力隨有機肥施用量的增加而增加，而有機肥銨態(tài)氮礦化能力在2F和3F水平無明顯差異。

圖4 隨有機肥施用量增加氮礦化速率變化

圖5 隨有機肥施用量增加的氮素礦化量變化

注：不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著或極顯著（P<0.05）. 下同 Note：Different lowercase letters represent significant or extremely significant of difference between different treatment（P<0.05）. The same below

3 討 論

3.1 黃壤硝化率及氮礦化量難以滿足煙草生長需要

煙草吸收的氮素59.8%～90.9%應來源于土壤氮，烤煙生長期內土壤礦化氮量應占烤煙生長季總輸入氮量的 22.6%～54.3%[9]，土壤硝化率在50%左右為最佳[20]。本研究結果顯示，貴州黃壤速效氮總礦化量為167.7 mg·kg–1，僅占總氮含量的13.0%，遠低于要求的22.6%，土壤在煙草旺長期內能供給的硝態(tài)氮總量僅為66.89 mg·kg–1，培養(yǎng)后土壤硝化率不足10%，不利于提高煙草質量。李建偉等[21]認為貴州煙草生產中適當提高硝態(tài)氮比例，烤煙的產量和產值分別能提高2.5%～8.6%和1.5%～20.5%。貴州黃壤氮礦化量和硝化率均較低可能是因為黃壤的黏土礦物以蛭石為主，對氮肥的固定作用強，而且供試土壤偏酸性，硝化作用弱，硝態(tài)氮累積量較低，所以氮礦化以銨態(tài)氮為主。因此，為了保證煙草生長可利用氮素供應充分，貴州黃壤速效氮礦化量及硝化率有待提高。

3.2 施用特制有機肥后貴州黃壤氮礦化符合煙草需氮規(guī)律

煙草理想的硝態(tài)氮吸收規(guī)律應為在移栽后20 d前吸收少，20～40 d達到高峰，60 d后供應量基本消耗殆盡。本研究中加入特制有機肥后顯著提高了土壤氮礦化量，氮礦化速率呈“前快后慢”趨勢，前期礦化量高，礦化速率快，后期礦質氮素釋放減少并逐漸穩(wěn)定，滿足煙葉吸收規(guī)律。特制有機肥在3F（2 250 kg·hm–2）施用水平下，礦化硝化率隨培養(yǎng)期推進出現了先增加后減小的趨勢，并且硝化率5 d后基本保持在50%水平，符合煙草生長期對硝態(tài)氮的需求規(guī)律。類似的研究結果顯示，云南砂紅壤植煙土壤分別施用腐熟豬糞、菜籽餅和腐熟秸稈后與不施有機肥的對照相比，土壤礦化氮量差異顯著，35 d時僅腐熟豬糞處理硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量較對照增加了6.7%和13.6%，菜籽餅和腐熟秸稈處理均低于對照，63 d時腐熟豬糞、菜籽餅和腐熟秸稈處理的硝態(tài)氮含量分別較對照高130.6%、34.7%和137.8%，銨態(tài)氮含量分別提高46.7%、59.2%和15.8%[22]。對照和施有機肥處理中銨態(tài)氮含量均偏低，硝態(tài)氮比例過高。與本研究中特制有機肥相比，上述有機肥中的硝態(tài)氮緩釋時間過長，60 d后才出現供應高峰，未在20～40 d煙草吸收硝態(tài)氮的高峰集中供應，并且培養(yǎng)期內銨態(tài)氮含量較低，不利于煙草生長。原因可能有以下兩點：第一是土壤本身性質的原因，本研究中黏性土本身礦化能力低于砂質土，黏粒對有機質提供了保護作用，所以黏性黃壤高量施用特制有機肥較不施肥處理礦化能力提高顯著，而砂紅壤上施用有機肥提高作用不明顯。第二是因為有機肥C/N比不同，秸稈中多含有木質素、纖維素和半纖維素，C/N最高，復雜碳源被降解后才能刺激氮礦化微生物活動，促進異養(yǎng)硝化作用，所以秸稈類物質施入前期對硝態(tài)氮固持作用強，后期釋放快，而動物糞肥是含有易降解的有機碳和有機氮，但C/N較低的有機肥料，對有機氮礦化的緩釋作用強[23-24]。另有研究對比貴州龍崗黏壤土分別添加酒糟有機肥、炭基酒糟有機肥、竹炭處理和空白處理發(fā)現，添加酒糟有機肥的硝態(tài)氮含量和氮素累積礦化量均顯著高于其他處理，但14 d時氮素礦化量已經占總礦化量的35.15%，礦化速率過快，氮素量供應不穩(wěn)定，后期供應不足[25]，可能同樣受到有機肥料中C/N的影響。本研究中特制有機肥經過配方調節(jié)和腐熟過程把控，在保證煙草產量的同時，維持土壤硝化率為50%，從而提高煙葉質量。

表1 有機肥速效氮礦化效率

3.3 土壤氮礦化水平隨特制有機肥施用量增加而提高

本研究結果顯示，特制有機肥施用量增加提高了土壤供氮能力，與施用750 kg·hm–2有機肥相比，1 150 kg·hm–2與2 250 kg·hm–2施用條件下的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮礦化量、礦化速率及單位質量有機肥礦化量均有顯著增加，并且隨有機肥施用量增加硝化率的增大效果越顯著，硝態(tài)氮的礦化時間延緩，符合煙草生長期的需氮規(guī)律[26]。該結論與張新要等[27]研究結果不同，其認為云南峨山植煙紅壤施用20%和40%餅肥代替化肥處理較單施化肥（50%硝態(tài)氮+50%銨態(tài)氮）對煙葉產質量均未有提升作用，并且隨餅肥施用量增加而煙葉產質量有所下降。原因可能與有機肥的腐熟程度有關，若有機肥腐熟度偏低，施入土壤發(fā)酵后的水熱條件會影響微生物活性及其對有機氮的分解過程，進而使氮礦化量和硝化率偏離預期水平[28]。Bernal等[29]研究發(fā)現，46.5% 污泥和53.5%廢棉混合的三種不同腐熟程度的堆肥（未腐熟、部分腐熟和完全腐熟）施入土壤70 d后，腐熟有機肥凈氮礦化率為8%。部分腐熟有機肥在培養(yǎng)70 d后凈氮礦化率為4.7%，未腐熟的有機肥表現為氮的固定，凈氮固定率為4.3%。堆肥樣品的腐熟程度增加，促進氮礦化過程增強。本研究中特制有機肥腐熟度對黃壤中氮礦化量和硝化率具有顯著提高作用，所以在貴州黃壤地區(qū)施用該特制有機肥有助于提高土壤供氮能力，保證煙草品質。

4 結 論

供試貴州黃壤礦化硝化率初期較高，5 d后硝態(tài)氮釋放比例嚴重偏低，為保證煙草生長可利用氮素供應充分，貴州黃壤土壤速效氮礦化水平有待提高。加入特制有機肥后速效氮礦化量和礦化速率均顯著提高，培養(yǎng)期內礦化速率呈“前快后慢”的變化趨勢，前期礦化量高、礦化速率快，后期礦質氮素釋放減少并逐漸穩(wěn)定，符合煙草生長對氮的吸收規(guī)律。增加特制有機肥施用量提高了土壤供氮效率，對硝態(tài)氮礦化效率促進作用最明顯。添加特制有機肥提高了植煙黃壤礦化硝化率，特制有機肥施用水平為3F（2 250 kg·hm–2）時，培養(yǎng)期內土壤硝化率可達43.69%～51.22%。在煙草生長期，施用特制有機肥可以保證土壤穩(wěn)定釋放有效態(tài)氮，提高土壤硝化率，每公頃施用2 250 kg有機肥最適宜貴州黃壤煙草生產。

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Effect of Customized Organic Manure Improving Mineralization and Nitrification of Soil N in Yellow Soil of Guizhou

CHEN Xue1, ZHAI Xin1, YANG Zhenzhi2, FU Delong1, SHI Yijie3, XU Shengxiang3?, WANG Meiyan3, SHI Xuezheng3

(1. Bijie Tobacco Company of Guizhou Province, Bijie, Guizhou 551700, China; 2. Jinsha Branch of Bijie Tobacco Company, Jinsha, Guizhou 551800, China; 3. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Organic fertilizer; Tobacco; Nitrogen mineralization; Nitrification rate; Yellow soil

S141.5；S153.6；S572

A

10.11766/trxb201905310087

陳雪，翟欣，楊振智，符德龍，史藝杰，徐勝祥，王美艷，史學正. 特制有機肥提高貴州黃壤氮礦化和硝化率的研究[J]. 土壤學報，2020，57（4）：878–886.

CHEN Xue，ZHAI Xin，YANG Zhenzhi，FU Delong，SHI Yijie，XU Shengxiang，WANG Meiyan，SHI Xuezheng. Effect of Customized Organic Manure Improving Mineralization and Nitrification of Soil N in Yellow Soil of Guizhou[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（4）：878–886.

* 貴州省煙草公司畢節(jié)市公司科技專項（省市院合2015-06；2018-101）和中國煙草總公司貴州省公司科技項目（201703）共同資助 Supported by the Bijie Branch Company，Guizhou Tobacco Company（No. SSY2015-06；No. 2018-101）and the Science and Technology Foundation of Guizhou Tobacco Monopoly Bureau of China（No. 201703）

，E-mail：sxxu@issas.ac.cn

陳雪（1967—），女，貴州黔西人，碩士，高級農藝師，主要從事烤煙生產技術研究。E-mail：248366944@qq.com

2019–05–31；

2019–08–26；

2019–11–11

（責任編輯：檀滿枝）