采用微型渗漏计原位测定设施菜田有机肥氮素矿化特征

任珊露 张彦才 翟彩霞 陈丽莉 李若楠 王丽英，* 陈 清

（1中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北石家庄 050051）

随着我国集约化蔬菜生产的快速发展，人们更加重视食品安全和质量。过量施用有机肥不仅带来肥料的浪费，而且可能出现农产品质量问题。有机肥的施用可提高土壤的疏松程度，使土壤形成较好的团聚体结构（张艳洁和耿文，2010），增加孔隙度，有利于根系发育和下扎（Soumare et al.，2003）。施用有机肥不仅能改善土壤物理化学性质，也是减少作物氮素养分损失的有效方式（Gilly ＆ Eghball，2002）。我国设施蔬菜过量有机肥和化肥投入现象突出，有机肥带入氮量为氮素投入总量的 40%～50%（宋贺 等，2011）。山东寿光多年试验表明，只施有机肥的处理氮素供应能保证蔬菜产量不降低，而农民常规施用有机肥和化肥的处理氮素表观损失明显增加，平均每季为852 kg·hm-2，约占氮素总投入的81%（Ren et al.，2010）。因此，菜田养分管理中有机肥氮素矿化的作用不容忽视。

施入土壤的有机肥经降解后成为有机态氮进入土壤中，而有机态氮必须通过土壤微生物的矿化作用才能转化为可以被植物直接利用的无机氮。有机氮降解导致的无机氮增加通常被称为净矿化。定量有机肥的氮素有效性将为根层土壤氮素供应、准确推荐氮肥用量和施肥时期提供重要依据。有机肥氮素矿化受有机肥种类、含氮量、碳氮比、温度和湿度等多种因素的影响，目前研究有机肥氮素矿化的方法有室内培养法、植物吸收法、埋袋法和微型渗漏计法。微型渗漏计原位培养接近田间实际，以淋洗氮素作为矿化的有效氮。

本试验采用微渗漏计原位培养的方法，研究了不同用量的发酵鸡粪、鸡粪与秸秆配施以及堆肥等几种有机物料的有机肥氮素矿化特征，以期为设施蔬菜有机肥管理及根层氮素调控提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2010年11月至2011年3月在河北省农林科学院大河试验园区进行，属于温带季风性气候，年降水量550 mm，年平均气温13.3 ℃。供试温室为带保温层的砖制后墙、无水泥柱的拱形结构，外表面覆0.8 mm厚的聚乙烯棚膜，冬季棚膜上覆盖草帘，没有增温措施。供试土壤来源于河北省辛集马庄农场，棚内表层菜地粘质壤土（0～20 cm），其有机碳含量为15.2 g·kg-1，全氮为0.96 g·kg-1，无机氮含量为161.32 mg·kg-1，土壤容重为1.35 g·cm-3。供试有机肥养分含量见表1。

1.2 试验设计及方法

1.2.1 试验装置 试验采用微型渗漏计的方法（Nendel et al.，2005），装置为田间微型渗漏计（Micro-lysimeter装置，图1）。该装置分3部分：内部的PVC管直径20 cm，长40 cm，用于取原状土柱，下部为可卸堵头，堵头内为过滤层，下部有多个小孔便于渗水；外部PVC管直径24 cm，长45 cm，底部为斜面，管壁粘有通到斜面底部的小管，用于取滤液；第三部分为外接抽滤装置，可采用注射器或者真空抽气泵。2010年6月首先将内部的PVC管砸入土壤中取土，然后小心将 PVC管从土中取出，将内管堵头塞入石英砂，将内管小心旋入堵头，然后用螺丝固定。内管按随机区组排列放入外管。然后将整个试验装置埋到田里。试验装置在田里放置近6个月后（2010年11月）开始试验，将表层15 cm的土取出与有机肥混匀后施入，15～30 cm仍保持原状土。为防止地表水进入渗漏计，上沿须高出表土5 cm。

表1 供试有机肥养分含量

图1 微型渗漏计构造

1.2.2 试验处理 本试验设6个处理，5次重复，完全随机区组排列。

① 对照（CK），不施用有机肥。

② 堆肥处理（CC1），施用有机肥200 kg·hm-2，折合每个渗漏计施氮量为628 mg。

③ 堆肥造粒处理（CC2），施用有机肥200 kg·hm-2，折合每个渗漏计施氮量为628 mg。

④ 低量鸡粪处理（CML），施用有机肥200 kg·hm-2，折合每个渗漏计施氮量为628 mg。

⑤ 高量鸡粪处理（CMH），施用有机肥400 kg·hm-2，折合每个渗漏计施氮量为1256 mg。

⑥ 高量鸡粪加秸秆（CMHS），施用有机肥400 kg·hm-2，折合每个渗漏计施氮量为1256 mg，鸡粪与玉米秸秆的氮素投入总量为400 kg·hm-2，并调节有机物料的C/N比为25∶1。

施肥前用清水淋洗所有土柱，使淋出液中无机氮浓度（硝态氮和铵态氮之和）不超过 5 mg·L-1，认为土柱中土壤矿化氮被完全淋洗。有机肥均为底施，施肥后将表层土壤与渗漏计四周管壁充分接触，每个渗漏计灌水550 mL，使肥料与土壤充分湿润但不产生淋洗，同时防止灌溉水沿管壁流下。以土壤容重计算土壤质量含水量，按照田间持水量130%的灌溉量计算每次灌水量，灌溉量=田间持水量130%-灌溉前土壤质量含水量，土壤含水量由气象站测定（0～15 cm）。培养期间共进行7次灌溉，用上述方法计算出灌溉量分别为18、32、51、41、76、51、70 mm。

2010年6月用渗漏计内部的PVC管采集菜田土壤，埋入温室内，用水充分淋洗。有机肥矿化试验分为两个阶段，第一个阶段为2010年11月23日到2011年3月16日，渗漏计中没有种植作物。由于前期培养过程中低温时期没有作物蒸腾，导致土壤水分蒸发很慢，灌溉间隔时间长，而且气温升高时渗漏计内土壤容易裂缝，导致灌溉水沿桶壁直接渗漏。为保证土壤不出现干裂，调整土壤水分，试验期间种植两批普通白菜〔Brassica campestrisL.ssp. chinensis（L.）Makino var.communisTsen et Lee〕，第一批2011年3月17日定植，4月21日收获；第二批5月16日定植，7月6日收获。普通白菜生长期间只进行灌溉，拔除杂草，培养期间普通白菜没有发生病虫害。采用自动气象站自动记录大棚内空气温度、10 cm土壤温度（AV-10T，AVALON，US）及土壤湿度（ECH2O-10，AVALON，US）。

1.3 测定项目及计算方法

每次灌溉结束后24 h收集抽取淋洗液，量筒测定淋洗液体积，然后用滤纸过滤；无机氮淋洗量采用连续流动分析仪（TRAACS2000）测定。普通白菜全氮含量（即普通白菜氮素吸收量）采用凯氏法测定（鲍士旦，2000）。

矿化量=有机肥处理淋洗液无机氮量+有机肥处理普通白菜氮素吸收量-对照淋洗液无机氮量-

数据采用Excel进行处理，用SAS 6.0进行单因素方差分析与多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥处理无机氮淋洗量

从图2-a可以看出，随着培养时间的推进，各处理有机肥的无机氮淋洗量表现出前期（0～9 d，为第一次取样的生长阶段）较低，中期（10～90 d）快速上升，后期（91～113 d）逐渐降低的趋势。培养开始的0～9 d，各处理淋洗量约等于或低于对照，表现氮素固定现象，其中高量鸡粪加秸秆处理的淋洗量显著低于对照，固定效果最明显；培养10～90 d，各处理氮素矿化量快速增加，高量鸡粪处理的无机氮淋洗量为36.44 mg·柱-1，高量鸡粪加秸秆处理无机氮淋洗量为33.15 mg·柱-1，略低于高量鸡粪处理，显著高于低量鸡粪处理（26.48 mg·柱-1）、对照（21.72 mg·柱-1）、堆肥处理（20.61 mg·柱-1）和堆肥造粒处理（16.38 mg·柱-1），说明增加氮素投入量能提高有机肥氮素矿化量；培养91～113 d，各处理的无机氮淋洗量较前阶段有下降趋势。

图2 不同有机肥处理对无机氮阶段淋洗量和矿化量的影响

种植普通白菜后，采用淋洗液和植物吸收法相结合，有机肥氮素矿化量为无机氮淋洗量与植物氮素吸收量之和。从图2-b可以看出，与种植普通白菜前相比，有机肥氮素矿化量大幅度增加。低量鸡粪处理在培养114～152 d的无机氮淋洗量为37.22 mg·柱-1，该阶段普通白菜的氮素吸收量为184.05 mg·柱-1，即该处理氮素矿化量为221.27 mg·柱-1，约为培养91～113 d该处理有机肥氮素矿化量的41倍。对照的无机氮淋洗量也有所增加，原因可能是种植普通白菜阶段的棚内温度升高有利于有机肥氮素矿化；另外，也可能是普通白菜根系刺激土壤微生物加速了有机肥氮素矿化。随着有机肥投入量的增加，有机肥氮素矿化量增加，高量鸡粪处理显著高于低量鸡粪和高量鸡粪加秸秆处理，添加秸秆增加了对有机肥氮素的矿化固定作用，降低了氮素矿化量。堆肥处理和堆肥造粒处理的无机氮淋洗量显著低于低量鸡粪处理，可能是堆肥处理提高了有机肥的碳氮比，降低了有机肥氮素矿化；堆肥和堆肥造粒处理间的差异不显著，表明有机肥堆肥造粒与不造粒对有机肥氮素矿化的影响没有显著差异。

从图3可以看出，从开始培养至113 d（2011年3月16日），氮素矿化累积量较低，但种植普通白菜后明显增高，且各处理间氮素矿化量的差异增加。培养到152 d，高量鸡粪处理的无机氮累积量与低量鸡粪、堆肥、堆肥造粒处理和对照之间有显著差异，但与高量鸡粪加秸秆处理之间无显著差异；高量鸡粪加秸秆处理与堆肥、堆肥造粒和对照之间有显著差异。低量鸡粪处理也与堆肥、堆肥造粒处理和对照有显著差异。这表明添加鸡粪显著增加了有机肥的氮素矿化量，且随着有机肥施用量的增加，有机肥氮素矿化量加大。培养结束时，高量鸡粪处理与高量鸡粪加秸秆处理差异显著，说明添加秸秆能固定氮素，显著降低有机肥氮素矿化量。

2.2 不同有机肥处理氮素矿化速率

有机肥氮素矿化速率反映了有机肥阶段时间内氮素矿化的快慢，且受有机物料难易分解组分、环境因素（如温度、水分）的影响。从图4-a可以看出，培养0～9 d各处理都表现出氮素固定现象，高量鸡粪加秸秆处理最为明显。培养10～90 d，随着培养时间的增加，各处理有机肥氮素矿化速率明显增加；低量鸡粪处理、高量鸡粪处理和高量鸡粪加秸秆处理的矿化速率显著高于堆肥和堆肥造粒处理；高量鸡粪处理的有机肥氮素矿化速率显著高于低量鸡粪处理，约为其氮素矿化速率的3倍。培养91～113 d也表现出类似的趋势。

种植普通白菜后，培养114～152 d，鸡粪各处理的氮素矿化速率迅速增加，其中高量鸡粪处理约为培养91～113 d的6倍。高量鸡粪处理最大，高量鸡粪加秸秆处理和低量鸡粪处理次之，堆肥和堆肥造粒处理最低。培养153～230 d，各处理的氮素矿化速率明显降低（图4-b）。

2.3 不同有机肥处理的氮素矿化量及矿化系数

氮素阶段矿化量能直观反映不同处理的阶段氮素矿化特征。从表2可以看出，高量鸡粪处理的各阶段氮素矿化量均处于最高水平。培养10～90 d，高量鸡粪处理的阶段氮素矿化量比高量鸡粪加秸秆处理和低量鸡粪处理分别高28.9%和209.2%；在培养91～113 d，高量鸡粪处理的氮素矿化量比高量鸡粪加秸秆和低量鸡粪处理分别高17.8%和211.3%，说明增加鸡粪投入显著增加其氮素矿化量；与不种普通白菜相比，第一茬普通白菜种植阶段（114～152 d），鸡粪 3个处理的氮素矿化量大幅增加，堆肥和堆肥造粒处理的增加幅度不明显；第二茬普通白菜种植阶段（153～230 d），鸡粪处理的氮素矿化量比第一茬普通白菜低，但堆肥处理的氮素矿化量反而有所增加，表明堆肥在培养后期的氮素矿化量比前期大，而鸡粪在培养 3个多月后开始进入有机氮缓慢矿化时期。

图3 不同有机肥处理的无机氮累积量

图4 不同有机肥处理的阶段氮素矿化速率

从表 3可以看出，培养结束时，高量鸡粪处理的氮素投入量为低量鸡粪处理的两倍，其矿化系数为 53.22%，显著高于低量鸡粪处理的 24.16%，因此，增加氮素投入量显著增加了氮素矿化系数；同等氮素投入条件下堆肥的氮素矿化量和矿化系数显著小于低量鸡粪处理；高量鸡粪处理和高量鸡粪加秸秆处理的氮素矿化系数分别为 53.22%和 37.90%，添加秸秆显著降低了氮素的矿化系数。结合植物吸收法比较（114～230 d），普通白菜种植后提高了有机肥氮素矿化系数。

表2 不同有机肥处理的氮素矿化量（2010-11-23至2011-07-11）

表3 不同有机肥处理的累积氮素矿化量及矿化系数

3 结论与讨论

在本试验条件下，鸡粪和秸秆作为速效养分，其氮素矿化速率和矿化系数显著高于堆肥处理。增加氮素的投入量显著增大了有机肥的氮素矿化速率和矿化系数，高量鸡粪加秸秆处理和高量鸡粪处理的氮素矿化系数分别为37.90%和53.22%，高量鸡粪处理的氮素矿化系数为低量鸡粪处理的两倍多。牛俊玲等（2010）研究指出，C/N比为 17～21，可作为有机肥料中氮素固定和矿化的临界值，同等条件下，随着物料C/N比的增加，土壤中迅速分解有效氮比例降低。

一般认为鸡粪施入土壤后第一年的矿化率为50%（Pettygrove et al.，2009）。试验未种植普通白菜前，鸡粪处理的矿化系数仅为1.60%～2.67%，这个阶段设施内温度较低，氮素矿化量低，而且可能是没有种植作物不能感受根系对于有机物料矿化的刺激，无机氮库很难处于良好的流通状态。而种植普通白菜后，不同用量鸡粪处理的氮矿化系数增加到24.16%～53.22%。可能是设施内温度升高，随着有效积温的升高，氮素矿化系数增加。李俊良和韩琅丰（1996）室内培养也得出有机肥氮素矿化量与有效积温呈直线相关的结论；Griffin和Honeycutt（2000）研究表明，30～35 ℃是有机肥氮素矿化最适宜的温度，因此，本试验中不同培养阶段的氮素矿化量和矿化系数也受温度的影响，与有效积温的关系还需要进一步研究。微型渗漏计原位培养方法能较好地模拟田间环境，反映设施菜田体系下的氮素矿化动态，但本试验结果发现，它的测定值明显低于田间实际的有机物料氮素矿化量。

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