配施有机肥提高化肥氮利用效率的微生物作用机制研究

朱菜红,董彩霞,沈其荣,徐阳春

(南京农业大学资源与环境学院,江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室,江苏南京210095)

我国农田氮肥利用率普遍偏低,通常被作物所截取的不足50%,损失严重[1]。为此,科研工作者相继提出了不少应对措施,如筛选氮高效作物品种[2]、改进氮肥剂型(添加硝化抑制剂[3]、脲酶抑制剂[4]等)、改进施肥方法[5]等。其中,配施有机肥既可增产[6-8],又能变废为宝[9],是长期以来农业生产中的研究热点。但目前国内研究多集中在施用有机肥对农业性状、经济性状的影响方面,而关于有机肥改善氮素供应、影响氮肥利用效率的机制研究却涉及较少。

姚槐应等[10]指出,促进无机氮肥的微生物固定是减少氮肥损失的有效途径。而李世清等[11]证实,施有机肥可促进氮素的微生物固定。据王岩等[12]报道,配施有机肥,土壤微生物量氮增加幅度大于单施硫铵。因此,有理由相信施有机肥影响氮素转化、利用的作用机理与其影响微生物对氮素调控有关。在利用肥料氮的过程中,土壤微生物与植物既相互依存又相互制约。对植物有利的方面是,土壤微生物不但能将有机氮矿化成植物可利用的无机氮而影响土壤对植物的供氮能力[13],还能通过同化作用保存一部分氮[14];对植物不利的方面是,微生物有时与植物竞争有效氮[15]。化肥配施有机肥可使土壤微生物获得充足的碳源和氮源,有利于增加微生物数量、提高微生物活性。这很可能使更多的化肥氮被同化到微生物体内或被转化为较稳定的有机含氮代谢物而得以保存,从而有利于减少化肥氮的损失。但同时,这部分氮若不能有效地被释放或释放率低于化肥单施[16]均会影响植物对其吸收利用。为探究化肥配施有机肥能否协调好微生物与植物间氮素的利用,本试验采用15N标记化肥,研究了其配施不同有机肥对水稻产量、化肥氮利用率的影响,并试图通过对土壤微生物量15N的动态变化与水稻各生育期吸收15N量的关系,揭示化肥配施有机肥提高化肥氮素利用率的微生物作用机制。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为水稻土,基本理化性质为:有机碳含量 16.2 g/kg,全氮1.11g/kg,碱解氮150 mg/kg,有效磷 21.4 mg/kg,土壤微生物量氮 8.2 mg/kg,pH 7.1。供试化肥为(15NH4)2SO4,购自上海化工研究所,原子百分超为10.7%。磷、钾肥选用过磷酸钙和硫酸钾,有机肥选用鸡粪堆肥、猪粪堆肥和酒糟堆肥。酒糟堆肥原料为利用木薯粉生产酒精的副产品。供试水稻品种为武运粳7号。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验设对照(CK,不施肥)、(15NH4)2SO4+(NH4)2SO4(F)、(15NH4)2SO4+鸡粪堆肥(FC)、(15NH4)2SO4+猪粪堆肥(FP)、(15NH4)2SO4+酒糟堆肥(FV)5个处理,各处理重复12次。其中F处理(15NH4)2SO4-N占施氮总量的70%,(NH4)2SO4占30%;FC、FP和FV处理(15NH4)2SO4-N占70%,有机肥-N占30%。试验选用陶瓷盆,每盆装风干土10 kg。除CK外,其他处理均以每盆等养分量(N 1.5 g,P2O52.0 g,K2O 1.5 g)处理,以氮为准,扣除有机肥中磷、钾后用化肥补足。肥料与土壤充分混匀后灌水栽秧,每盆4穴,每穴3株带蘖苗。试验于2008年6～10月在江苏固体废弃物资源化高技术研究重点实验室试验基地进行。

1.2.2 样品采集 分别于栽秧后12 d(苗期)、33 d(分蘖期)、73 d(孕穗期)、104 d(成熟期)采集各处理土壤和水稻植株样品,每次随机毁灭性采样三盆。1.2.3 测定方法 土壤微生物量氮采用氯仿灭菌—0.5 mol/L K2SO4提取法[17-18]。具体步骤如下:1)待测新鲜土样滤水1 h后过5 mm筛;2)称取土样,熏蒸土壤中按每10 g鲜土加入1 mL氯仿搅匀,在25℃黑暗条件下熏蒸24 h,然后按1∶4土水比(烘干土,w∶v)加入0.5 mol/L K2SO4振荡浸提。浸提液消煮后,用半微量凯氏法测定全氮。同时以不灭菌土壤为对照。熏蒸浸提液中的氮(FN)与不熏蒸浸提的可溶性氮(DN)之差(EN)乘转换系数(kEN)即为土壤微生物量氮(SMBN=EN×kEN,kEN=2.22[19-20])。

土壤矿质态氮用新鲜土样,采用2 mol/L KCl溶液浸提,MgO-Devarda合金蒸汽蒸馏法测定[21]。

植株样品全氮用浓硫酸消煮,凯式定氮法测定[22]。

1.3 数据计算与处理

15N测定及标记底物指标氮的计算所有氮测定项目,蒸馏后馏出液用0.5 mol/L H2SO4酸化,在70～80℃的水浴中浓缩至3～5 mL,然后转移至安培瓶中,石蜡密封瓶口,送南京土壤研究所协助测定(质谱仪型号为MAT251)。计算方法为:

标记底物SMBN=(FN×F15N原子百分超-DN×D15N原子百分超)×2.22/标记底物原子百分超;

标记底物植株全氮=植株全氮×植株全氮的15N原子百分超/标记底物原子百分超;

标记底物土壤矿质态氮=土壤矿质态氮×土壤矿质态15N原子百分超/标记底物原子百分超。

所有数据用SAS 9.0软件统计分析。

2 结果与分析

2.1 化肥配施有机肥对水稻干物重和子粒产量的影响

不同施肥处理对水稻总干物重的影响存在阶段性差异(图1)。综观水稻各个生育期,CK处理总干物重始终最低。抽穗期(移栽后73 d)以前,化肥配施各有机肥处理与化肥单施相比,水稻干物重差异并不显著;成熟期,化肥与各有机肥配施处理的水稻干物重均高于化肥单施处理,其中化肥与鸡粪堆肥(FC)和酒糟堆肥(FV)配施处理水稻干物重较化肥单施(F)显著增加。可见,配施有机肥可促进水稻生育后期干物质的积累。

图1 不同施肥处理对水稻干物质积累量的影响Fig.1 Effect of different fertilization on dry weight of rice plant

图2表明,施肥对水稻子粒产量影响很大。单施化肥,水稻子粒产量比对照增加56.3%;化肥与鸡粪堆肥、猪粪堆肥和酒糟堆肥配施,子粒产量分别比单施化肥增加16.4%、8.8%、8.0%。化肥氮与有机肥氮比率为7∶3配合施用时,水稻有增产趋势。

2.2 化肥配施有机肥对水稻氮素吸收的影响

2.2.1 不同生育期水稻总吸氮量 在水稻各生育期,施肥对水稻吸氮量影响较大,且不同施肥处理间阶段性差异不同(图3)。水稻苗期(移栽后12 d),单施化肥较配施有机肥更有利于水稻对氮的吸收。其中,化肥单施(F)处理与化肥与猪粪堆肥(FP)和酒糟堆肥(FV)配施处理间差异达显著水平。分蘖期与抽穗期(移栽后33 d、73 d),单施化肥处理水稻吸氮量仍然最高,但与配施有机肥各处理间差异已不显著。成熟期,化肥与有机肥配施较化肥单施处理增加了水稻吸氮量。可见配施有机肥有利于促进水稻生育后期对氮素的吸收。

图2 不同施肥处理对水稻子粒产量的影响Fig.2 Effect of different fertilization on rice grain yield

图3 不同施肥处理对水稻氮素吸收积累量的影响Fig.3 Effect of different fertilization on N uptake of rice shoots

2.2.2 不同施肥处理下水稻对化肥15N的吸收 苗期,施肥处理间水稻吸15N量无显著差异(表1);苗期至分蘖阶段(移栽后12～33 d),单施化肥处理水稻吸15N量显著高于与有机肥配施处理;但自分蘖至抽穗阶段(移栽后33～73 d),单施化肥处理水稻吸15N量仅为66.2 mg/pot,比同期FC、FP、FV处理分别低48.6%、46.2%、60.7%;抽穗至成熟阶段(移栽后73～104 d),单施化肥处理水稻吸15N量仍比FC、FP和 FV处理分别低 26.0%、12.9%和13.8%。这说明化肥单施处理在水稻生育前期土壤矿质氮(15N)的供应比与有机肥配施处理充足,但自水稻分蘖后矿质氮(15N)供应能力下降;化肥与有机肥配施,氮肥(15N)的肥效较稳。

表1 不同施肥处理水稻各生育阶段15N累积量与15N利用效率Table 1 15N uptake and use efficiency of rice in different growth stages under different fertilizer treatments

施氮总量相等时,当化肥氮与有机肥氮以7∶3配合施用时,化肥氮利用率超过了60%(表1);而当化肥单施时,水稻吸收利用的15N还不到施入总量的2/5,利用率较低。

2.3 不同施肥处理下土壤微生物对化肥氮的调控

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(图4,基础值为8.2 mg/kg),在移栽12 d(苗期)时有个相对高峰;以后随水稻吸氮量的增加,土壤微生物量氮明显下降,并在移栽后73 d(抽穗期)有一个相对谷底;之后,土壤微生物量氮含量微升。所有处理变化趋势一致,与仇少君等报道相符[23]。

图4 不同处理土壤微生物量氮动态变化Fig.4 Dynamics of soil microbial biomass N under different fertilizer treatments

在水稻整个生长季内,单施化肥处理土壤微生物量氮虽比CK处理高,却低于配施有机肥各处理(图4)。水稻苗期,化肥与酒糟配施(FV)处理土壤微生物量氮最高;分蘖期,化肥与酒糟配施(FV)处理土壤微生物量氮含量仍然最高,且显著高于化肥单施处理,这可能与该有机肥C/N值较高有关;随水稻生育期的推进、吸氮量不断增加,至抽穗期化肥单施处理土壤微生物量氮含量仅次于对照;到水稻收获时,土壤微生物量氮顺序为FV＞FC＞FP＞F＞CK。

2.3.2 配施有机肥提高化肥氮素利用率的微生物作用机制 土壤微生物对化肥氮的调控均表现为先固持后释放再固持。施肥后12 d(苗期),所有处理微生物固持的化肥15N都超过同期相应处理水稻吸15N 量(表1、图5);施肥12 d～73 d(分蘖、抽穗期),所有处理微生物固持的化肥15N均被释放,平均释放量占该阶段水稻吸15N量的34%,微生物固持的化肥15N的释放也可由同期土壤矿质15N含量的微升得到佐证(表2);施肥后73～104 d(抽穗～成熟),各处理微生物量15N含量又有所上升。

图5 水稻生育期土壤微生物氮库中15N含量Fig.5 Content of microbial15N during growth stages of rice

苗期,土壤微生物量15N顺序为FC＞FP＞FV＞F,其中FC与F处理差异显著;化肥配施鸡粪堆肥、猪粪堆肥、酒糟堆肥,微生物对化肥氮的固持率分别为15.9%、13.4%、12.5%,比化肥单施分别高93%、62%、51%;而土壤矿质态15N含量顺序为F＞FV＞FP＞FC,与土壤微生物量15N顺序相反。水稻抽穗期,土壤微生物量15N顺序为FP＞FV＞FC＞F,其中,FP、FV处理与F处理差异显著;化肥配施鸡粪、猪粪和酒糟堆肥,微生物固持的15N分别有87%、81%和81%被释放,而单施化肥处理15N释放率为88%,但最大释放量仍然以配施鸡粪处理最高,配施猪粪处理次之,化肥单施和配施酒糟处理最低;土壤矿质15N含量顺序为FC＞FP＞FV＞F。水稻成熟时,化肥配施有机肥各处理,土壤微生物量15N较化肥单施仍占优势,可见水稻收获时有机肥仍能影响土壤微生物活性。

2.3.3 微生物量15N与土壤矿质15N相关性分析土壤微生物量氮虽然只占土壤氮素的一小部分[24-25],但却是氮素养分循环重要的“源”和“库”[26],其基础含量能反映土壤肥力和供氮能力。根据图5和表2结果,水稻生长期间土壤微生物量15N与土壤矿质15N之间呈显著正相关关系(Y=2.9825X-7.452,r=0.609,n=16)。由此可见,土壤微生物量15N可以作为土壤矿质15N的供应能力的指标,并证明了在水稻整个生育期内配施有机肥有利于提高土壤15N的供应能力。

表2 水稻生育期不同施肥处理土壤矿质15N动态变化Table 2 Dynamics of soil mineral15N under different fertilization in growth stages of rice

3 讨论

本研究表明,化肥配施有机肥有利于水稻生育后期干物质积累和氮素吸收,增产效应大于化肥单施处理,这与谢秋发等[27]研究结果类似。化肥单施氮利用率不到 40%,远低于化肥配施有机肥处理。而谢秋发等[27]研究发现,化肥与有机肥配合一次性基施(有机氮∶无机氮=1∶1)与化肥一次性单施,化肥氮利用率相当,只有将有机肥基施,化肥分蘖、穗肥两次等量追施(有机氮∶无机氮=1∶1),化肥氮利用率才比化肥单施高。可能的原因是本研究中配施处理采用的有机氮比例较他们报道的低,有机肥施入比例的增加可能促进了化肥氮的固持,氮素释放率也相对低一些。

土壤微生物量氮是土壤氮素中最活跃的库。很多研究表明,土壤微生物量氮与土壤有机质、全氮、碱解氮以及作物吸氮量间均密切相关[16]。研究土壤微生物量氮的消长和水稻生育期吸氮量的变化有助于考察微生物供氮与作物吸氮间的动态变化关系。本试验结果证明,在水稻生长初期需氮量较低时,土壤微生物可以通过同化作用固持一部分氮;而在水稻生育中后期,微生物又能通过矿化作用释放被固持的氮,供水稻利用。可见,微生物量氮既是氮库又是氮源[26]。此外,化肥配施有机肥,土壤微生物量氮增幅比化肥单施大,这与已有的研究报道基本一致[11,23]。然而水稻苗期,配施鸡粪堆肥、猪粪堆肥和酒糟堆肥较化肥单施土壤微生物量氮增加并不显著。这可能是碳、氮源相互制约微生物增殖的结果[28-29]。赵俊晔等[30]的研究显示,在一定施氮范围内,土壤微生物量氮随施氮量呈增加趋势。配施处理化肥氮施用量比化肥单施处理低30%,是配施处理微生物繁殖生长的限制因素;化肥单施处理土壤微生物繁殖生长虽相对不受氮源的限制,却可能受碳源和能源的限制,并且化肥单施处理土壤微生物量氮较低也反映出碳源对微生物生长的影响大于氮源。

韩晓日等[31]研究表明,土壤微生物量氮在小麦生长季内经历了由肥料氮库到氮源的转变。而本研究通过对微生物体内15N含量的动态监测,发现在水稻生长季内土壤微生物量15N先是化肥氮库,后为氮源,再为氮库。结合水稻生育期不同施肥处理水稻吸15N量不难看出,化肥配施鸡粪堆肥、猪粪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%之间,与王淑平等[16]和韩晓日等[31]报道的结果类似。配施鸡粪堆肥、猪粪堆肥和酒糟堆肥虽然降低了土壤矿质15N含量,但并未影响同期水稻吸15N量。因此,施肥初期促进微生物固持化肥氮对减少化肥氮损失、提高化肥氮利用率具有重要意义。据王淑平等[16]报道,施入有机肥对微生物量氮释放影响较大,释放率比化肥单施低。而本研究却发现化肥配施有机肥处理15N释放率与化肥单施处理相当,这很可能与施入土壤的有机物料的数量和种类、土壤生态环境、作物品种等有关,有待进一步研究。有机肥配施处理中肥料15N的有效释放,使得土壤供15N能力增强(可由同期土壤矿质15N含量微升佐证之)、水稻吸收15N量增加。当然,矿化释放化肥氮也有可能被固定、转化甚至损失,但已有报道证明其有效性近似于无机氮肥或土壤矿质态氮[16,32],加之水稻生长处于旺盛时期,根系吸收能力很强,被释放的15N利用率自然很高。化肥单施处理中虽然肥料15N的释放率不低,土壤矿质态15N含量却很低,15N的吸收(抽穗期)表现受阻,而在后一个生育期其水稻吸15N量又有所增加,原因有待深入研究。

本研究从微生物对化肥氮的调控规律来看,配合施用有机肥的实际意义是供给微生物增殖生长所必需的碳源。在施肥初期水稻需氮不大的情况下,配施有机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;而当水稻需氮较大时,由于碳、氮源均缺乏,微生物生长受抑制,前期固持的化肥氮在中后期大量被释放,水稻吸氮量增加。因此,增强化肥氮供应与水稻氮需求时间上的同步性是化肥与有机肥配施提高化肥氮利用效率的关键。

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