不同种类有机肥碳、氮矿化特性研究

周 博，高佳佳，周建斌*

(1西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100;2杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100;3农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌712100)

我国农业生产中有施用有机肥的优良传统，有机肥的施用在提高作物产量、改善土壤肥力方面发挥了重要作用。近年来，化肥的大量施用，虽然使得有机肥占农田土壤养分投入的比例逐渐降低，但有机肥提供养分的数量还在不断增加。据作者在陕西关中地区日光温室的调查，每年有机肥平均用量为1.95×106kg/hm2(鲜重)，新建日光温室有机肥使用量十分高，最高每年有机肥用量达4.80×106kg/hm2(鲜重)。一些研究表明，日光温室栽培下有机肥施入的氮量与化肥供应的氮素相当，或高于化肥提供的氮素［1－2］，但是施入的氮素如果不能被作物吸收利用，会造成土壤氮素过量累积，并引发一系列的生态环境问题［3－6］。因此，研究有机肥的氮素矿化特性，掌握有机肥的氮素供应能力，对减少肥料用量，提高氮素利用效率，降低对生态环境的危害具有重要意义。

农业生产中施用的有机肥种类繁多，来源广泛，不同有机肥养分特性存在明显差异［7－9］;另外，有机肥矿化受温度、水分、微生物种类、自身理化性质等因素的影响［10－13］，因此如何有效评价有机肥的供氮特性是一个具有挑战性的问题。室内培养法是国内外学者经常采用的研究有机肥供氮特性的方法，这一方法根据培养期间释放的矿质氮的含量评价有机肥氮素供应特性。有机肥氮素的矿化释放是微生物主导的生物化学过程，与有机肥自身的碳、氮含量有密切关系，但以往的研究往往多集中在有机肥氮素矿化研究方面［7－15］，关于有机肥碳素矿化及其与氮素矿化关系的研究相对较少。

本试验以陕西关中地区日光温室栽培中常施用的鸡粪、猪粪和牛粪为研究对象，采用室内好气培养的方法，研究了不同有机肥碳、氮矿化特性，旨在为合理施用有机肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

表1 供试有机肥的基本理化性质Table 1 The basic physicochemical properties of organic manures

1.2 试验设计及方法

试验以上述9种有机肥为研究对象，采用室内好气培养法研究有机肥碳、氮矿化特性。设不施有机肥对照(CK)和施用不同有机肥处理，共10个处理，重复3次。施用有机肥处理的有机肥加入量均按纯N 100 mg/kg土壤(干基)进行折算。

1.2.1 有机肥氮素矿化培养试验 将400.0 g土(干重)与有机肥混匀后，将含水量调到最大持水量的70%。将处理好的土样装入1000 mL的广口塑料瓶中，用带有通气孔的塑料薄膜封口，再将广口塑料瓶放置于培养箱中进行培养，培养温度为25℃ ±2℃。从2009年4月23日开始培养，每隔5d用重量差减法补充水分。分别在第0、1、2、3、4、6、8、11、14、17、20、23周进行破坏性取样，一部分土样用以测定土壤含水量，一部分土样用以测定矿质氮(硝态氮和铵态氮)含量。1.2.2有机肥碳素矿化培养试验 碳矿化培养试验与氮矿化培养试验同时进行。取氮素矿化培养试验中混好的有机肥、且调好含水量的培养土30.0 g，将土样装入铝盒，再将铝盒放入1000 mL的广口塑料瓶中，同时放入装有0.01 mol/L NaOH的三角瓶(考虑到培养前期二氧化碳释放量高，所用氢氧化钠的体积为50 mL，随着碳释放量的降低体积可以减少，培养后期体积调整为20 mL)，然后密闭，最后将密闭的广口塑料瓶放置于培养箱中进行培养。培养时间、温度和取样时间(将广口瓶里的三角瓶取出，放入装有刚配好的0.01 mol/L NaOH的三角瓶)与氮矿化试验相同。换取三角瓶时，调节土壤含水量，取出的三角瓶用稀盐酸滴定法测定碳素矿化量。

1.3 测定项目及计算方法

土壤和有机肥的有机质、全氮、全磷、全钾含量均采用常规分析方法［16］。培养期间土壤矿质氮测定采用1 mol/L KCL溶液提取，提取液中NO3－－N和NH4+－N含量用连续流动分析仪测定，两者之和为矿质氮含量。有机肥中的NO3－－N和NH4+－N用0.01 mol/L CaCL2提取［17］，测定方法同土壤矿质氮的测定。

有机肥碳矿化量=施有机肥处理土壤碳释放量－对照土壤碳释放量

有机肥碳矿化率=有机肥碳矿化量/施入有机肥总碳量×100%

有机肥氮矿化量=施有机肥处理土壤矿质氮量－对照处理土壤矿质态氮量

有机肥氮矿化率=有机肥氮矿化量/施入有机肥总氮量×100%

1.4 数据处理

利用Excel软件进行数据统计和作图;采用SAS统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 培养过程中不同有机肥碳素释放特性

从图1可以看出，各处理土壤碳释放累积量均随培养时间的延长而不断升高，培养结束时，各添加有机肥处理的土壤碳释放量均显著大于对照土壤。其中鸡粪C－1处理土壤的碳释放量最大，牛粪D－1处理的碳释放量最小，分别为1.76 g/kg、1.29 g/kg，分别是对照土壤碳释放量的1.84、1.36倍。有机肥加入土壤后，各处理碳释放量均表现为前期矿化快(前6周)，而且鸡粪的平均碳矿化量明显大于猪粪和牛粪的平均矿化量，后期矿化较慢(后6周)，矿化量明显降低，三类有机肥间的平均碳矿化量的差异明显变小。培养第1d平均碳矿化量高达0.175 g/kg，是整个培养期平均每天矿化量的18.31倍，是培养结束时每天矿化量的41.42倍。这与培养过程中微生物活动所需的能量和养份变化有关。培养初期微生物可利用的碳、氮丰富，微生物活动旺盛，致使碳释放量较大;随着培养时间的延长，可利用有机碳源不断减少，碳释放量减小。

从表2可以看出，培养结束时，鸡粪C－2处理的碳矿化量最大，达138.41 g/kg;猪粪P－2的碳矿化量最小，为27.97 g/kg;有机肥平均碳矿化量为85.74 g/kg，平均矿化率为44.80%，变化范围为22.24%～78.16%，变异系数为46.40%。不同类型有机肥的碳释放量相比，鸡粪的平均释放量显著高于猪粪和牛粪，猪粪和牛粪间无显著差异。同一有机肥类型各处理的碳释放量相比，三个鸡粪处理间无显著差异，而猪粪间和牛粪间均存在显著差异，其中猪粪P－2处理显著低于猪粪P－1和猪粪P－3，牛粪D－1显著低于牛粪D－2和牛粪D－3处理。

图1 不同处理培养期间碳累积释放量的动态变化Fig.1 Dynamics of darbon mineralization from the different treatments during the incubation

表2 不同有机肥碳、氮矿化特性Table 2 C and N mineralization characteristics of different types of organic manures

分析不同有机肥碳素矿化率的动态变化(图2)，相同种类有机肥在各培养时期的碳素矿化率并不相同，但变化趋势基本相同，培养前期上升的快，培养14周以后基本保持平缓。不同种类有机肥碳素矿化率的动态相比较，鸡粪的碳素矿化率明显高于猪粪和牛粪，猪粪和牛粪之间的碳素矿化率曲线也有较大差异。培养结束时，不同有机肥的碳素矿化率相比，鸡粪C－1处理的最大，牛粪D－1处理的最小，其值分别为78.16%、22.24%。鸡粪的平均碳素矿化率显著高于猪粪和牛粪，猪粪和牛粪间无显著差异(表2)。同有机肥相比，3个猪粪处理间和3个牛粪处理间的碳素矿化率分别均无显著差异，而3个鸡粪处理间的碳素矿化率存在明显差异，C－1和C－2处理显著高于C－3处理(表2)。

图2 不同有机肥碳素矿化率的动态变化Fig.2 Dynamics of C mineralization rates of different types of organic manures during the incubation

2.2 不同有机肥培养过程中氮素矿化特性

图3 不同施肥土壤矿质氮含量的动态变化Fig.3 Dynamics of mineral N contents in soil of different treatments

从图3可以看出，增施有机肥的土壤矿质氮含量高于对照土壤，表明施用有机肥显著提高了土壤矿质氮含量。在培养前11周，各处理土壤矿质氮含量均随培养时间的延长而不断升高，增幅明显;11周之后，各处理土壤的矿质氮含量相对保持稳定。培养结束时，鸡粪各处理土壤矿质氮含量均显著大于对照土壤，而添加猪粪的P－1处理和添加牛粪的D－2处理的土壤矿质氮含量与对照土壤无显著差异，表明不同有机肥对提高土壤的矿质氮含量的效果不同，鸡粪的效果较为明显。培养结束时，供试有机肥的平均氮素矿化量为4.97 g/kg，变异系数达50.61%。不同有机肥氮素矿化量相比，鸡粪C－2处理的最大，为8.33 g/kg;猪粪P－2处理的最小，仅为1.56 g/kg(表2)。三种有机肥各自的平均氮素矿化量之间相比，鸡粪显著高于猪粪和牛粪，猪粪与牛粪无显著差异。同一种类有机肥氮素矿化量相比，3种鸡粪间无显著性差异，而猪粪P－1处理显著高于P－2，牛粪D－3处理高于D－1。

从有机肥氮素矿化率的动态变化(图4)可以看出，不同种类及同一种类有机肥间的氮素矿化率动态均不相同，特别是培养初期差异较大，这与有机肥自身的理化性质差异有关。在培养第1周结束时，鸡粪的氮素矿化率出现了负值，这与微生物对氮的固持有关。3种有机肥的9个处理的氮素平均矿化率为31.81%，最大为鸡粪C－1处理，达49.23%;最小的为牛粪D－1处理，只有19.61%，氮素矿化率的变异系数达34.24%(表2)。鸡粪、猪粪、牛粪的平均氮素矿化率相比，鸡粪显著高于猪粪和牛粪，猪粪和牛粪间无显著差异。相同种类有机肥间的氮素矿化率相比，虽然动态变化曲线不同，但培养结束时的矿化率均无显著差异(表2)。

图4 不同有机肥氮素矿化率的动态变化Fig.4 Dynamics of N mineralization rates of different types of organic manures

2.3 有机肥碳、氮矿化特性与其性质间的关系

从表3可以看出，有机肥碳、氮矿化量均与有机肥全氮含量呈线性相关，相关系数达显著水平，而与全碳含量的线性相关系数均不显著，说明有机肥氮含量是影响有机肥碳、氮矿化量的主导因子。另外，有机肥碳矿化率与有机肥C/N比间的线性相关系数达极显著水平(表3)，表明在碳量充足的条件下，有机肥氮含量越高，碳矿化速率越快。

表3 有机肥矿化特性的相关性分析Table 3 Correlation coefficients among the mineralization parameters and the chemical properties of organic manures

3 讨论

本研究表明，供试的3种有机肥的9个处理培养过程中碳、氮矿化特性差异较大(图2，图4，表2)。有机肥的碳素平均矿化率为44.80%，变化范围为22.24% ～78.16%，变异系数为46.40%;有机肥的氮素平均矿化率为31.81%，矿化率的变异系数达34.24%。这与不同有机肥的来源、理化性质、畜禽的种类等因素有关。供试的三种类型有机肥碳、氮的平均矿化量和矿化率相比，鸡粪的碳、氮平均矿化量和矿化率显著高于猪粪和牛粪，这与鸡粪的C/N比相对较小(表1)、易激发土壤微生物活性和易发生矿化作用有关［18－20］。

本研究同时发现，相同种类有机肥其碳、氮含量、矿化量和矿化率相比也存在明显的差异(表1，表2)。其中以供试的3个猪粪的碳、氮含量及矿化量的差异最为明显，培养期间氮素矿化量呈成倍的差异，其原因与动物饲料的来源、畜禽的年龄、有机肥的积制方式等不同有关。沈其荣等［21］研究表明，纯猪粪与使用垫圈材料收集的猪粪的氮矿化特性明显不同，前者的氮矿化量显著高于后者。赵明等［15］对鸡粪、猪粪和牛粪及其对应的堆肥的矿化特性研究表明，有机肥经堆制后其C/N比均显著上升，而氮素的矿化量均显著低于不堆制的粪肥。其他学者研究也发现，同为鸡粪，其C/N存在较大的差异，好气培养期间释放的氮量也存在显著差异［11，22］。由此可见，有机肥的养分矿化受多种因素的影响，矿化量变异性较大，生产中进行有机肥养分管理时应注意这一特性，否则难免会带来偏差。英国环境、食品与乡村事务部建立了有效评价有机肥氮素供应的管理软件，输入有机肥的性质参数，软件即可估计有机肥氮素供应及损失量等。我国有机肥种类繁多，农业生产条件千差万别，要实现有机肥养分的科学管理，还需要做大量的研究工作。

同一种类有机肥的碳、氮矿化量相比，相同时期的碳矿化量明显高于氮矿化量，特别是培养初期碳矿化量远远高于氮矿化量;培养结束时，有机肥平均碳释放量是氮释放量的17.85倍(14.46～22.23倍)，这与微生物分解有机肥的特点有关。李世清等研究表明，微生物每吸收1份氮需要吸收4～5份碳以构成自身细胞，同时将消耗20多份碳作为生命活动的能量来源［23］。由于有机肥矿化分解过程中碳损失大而氮损失小，因此其残留物的C/N比随分解进程而逐渐缩小，最终残留物的C/N比大抵与土壤腐殖质的C/N比相当［24］。有机肥的残留物是形成土壤腐殖质的重要物质，是有机肥培肥土壤的重要指标。从本试验结果看，培养结束时有机肥有21.8%～77.8%的碳和50.8%～80.4%的氮残留在土壤中，氮的平均残留率高于碳的残留率，这与柳敏等人的研究结果相同［25］。不同有机肥的碳、氮残留率比较，猪粪和牛粪的碳、氮残留量大于鸡粪，表明等量施氮量和同等矿化条件下，猪粪和牛粪培肥效果要好于鸡粪。

由于本试验是在实验室培养条件下进行的，矿化温度和水分条件均不同于日光温室，日光温室培养条件下有机肥的矿化特性与实际生产中日光温室的矿化特性的差异有待进一步研究。

［1］Ju X T，Kou C L，Zhang F S，Christie P.Nitrogen balance and groundwater nitrate contamination:compares on among three intensive cropping systems on the North China Plain［J］.Environ.Pol-lut.，2006，143:117 －125.

［2］Zhou J B，Chen Z J，Liu X J et al.Nitrate accumulation in soil profiles under seasonally open‘sunlight greenhouses’in northwest China and potential for leaching loss during summer fallow［J］.Soil Use Manage.，2010，26:332－339.

［3］姚丽贤，周修冲.有机肥对环境的影响及预防研究［J］.中国生态农业学报，2005，13(2):113－115.Yao L X，Zhou X C.Impact of organic manure on the environment and its corresponding preventive researches［J］.Chin.J.Eco －Agric.，2005，13(2):113－115.

［4］金雪霞，范晓晖，蔡贵信.菜地土氮素的主要转化过程及其损失［J］.土壤，2005，37(5):492－499.Jin X X，Fan X H，Cai G X.Nitrogen transformation and losses in soils grown with vegetables［J］.Soils，2005，37(5):492 －499.

［5］袁新民，同延安，杨学云，等.有机肥对土壤NO3－－N累积的影响［J］.土壤与环境，2000，9(3):197－200.Yuan X M，Tong Y A，Yang X Y et al.Effect of organic manure on soil nitrate nitrogen accumulation［J］.Ecol.Environ.Sci.，2000，9(3):197－200.

［6］王朝辉，宗志强，李生秀，陈宝明.蔬菜的硝态氮累积和菜地土壤的硝态氮残留［J］.环境科学，2002，23(3):79－83.Wang Z H，Zhong Z Q，Li S X，Chen B M.Nitrate accumulation in vegetables and its residual in vegetable fields［J］.Environ.Sci.，2002，23(3):79 －83.

［7］叶静，安藤丰，符建荣，等.不同有机肥对土壤中的氮素矿化及对化肥氮固持的影响［J］.浙江农业学报，2008，20(3):176－180.Ye J，Ho Ando，Fu J R et al.Effects of different organic manures on N mineralization and N retention in the soil［J］.Acta Agric.Zhejiangensis，2008，20(3):176－180.

［8］鲁彩艳，陈欣.不同施肥处理土壤及不同C/N比有机物料中有机N的矿化进程［J］.土壤通报，2003，34(4):28－31.Lu C Y，Chen X.Mineralization process of soil organic nitrogen in different fertilizer systems and organic materials with different［J］.Chin.J.Soil Sci.，2003，34(4):28 －31.

［9］巨晓棠，李生秀.培养条件对土壤氮素矿化的影响［J］.西北农业学报，1997，2:12－14.Ju X T，Li S X.The influence of incubation conditions on soil nitrogen mineralization［J］. Acta Agric. Bor.-Occid. Sin.，1997，2:12－14.

［10］Agehara S，Warncke D.Soil moisture and temperature effects on nitrogen release from organic nitrogen sources［J］.Soil Sci.Soc.Am.J.2005，12:69－73.

［11］巨晓棠，边秀举，刘学军，等.旱地土壤氮素矿化参数与氮素形态的关系［J］.植物营养与肥料学报，2000，6(3):251－259.Ju X T，Bian X J，Liu X J et al.Relationship between soil nitrogen mineralization parameter with several nitrogen forms［J］.Plant Nutr.Fert.Sci.，2000，6(3):251 －259.

［12］周才平，欧阳华.温度和湿度对暖温带落叶阔叶林土壤氮矿化的影响［J］.植物生态学报，2001，25(2):204－209.Zhou C P，Ouyang H.Temperature and moisture effects on soil nitrogen mineralization in deciduous broad －leaved forest［J］.J.Plant Ecol.，2001，25(2):204 －209.

［13］巨晓棠，刘学军，张福锁.尿素配施有机物料时土壤不同氮素形态的动态及利用［J］.中国农业大学学报，2002，7(3):52－56.Ju X T，Liu X J，Zhang F S.Dynamics of various nitrogen forms in soil and nitrogen utilization under application urea and different organic materials［J］.J.China Agric.Univ.，2002，7(3):52－56.

［14］马正华，宋维秀，魏国良.菜地土壤有机肥转化试验［J］.青海大学学报(自然科学版)，2002，20(3):10－12.Ma Z H，Song W X，Wei G L.Experiment on transformation of organic manure in vegetable soil［J］.J.Qinghai Univ.，2002，20(3):10－12.

［15］赵明，蔡葵，赵征宇，等.不同有机肥料中氮素的矿化特性研究［J］.农业环境科学学报，2007，26(增刊):146－149.Zhao M，Cai K，Zhao Z Y et al.Characteristics of NO3－－N and NH4+－N mineralization from different organic fertilizers［J］.J.Agro－Environ.Sci.，2007，26(Suppl.):146 －149.

［16］鲍士旦.土壤农化分析(第三版)［M］.北京:中国农业出版社，2000.Bao S D.Chemical analysis in soil and plant(3rd ed.)［M］.Beijing:Chinese Agriculture Press，2000.

［17］赵满兴，周建斌，陈竹君，杨绒.有机肥中可溶性有机碳、氮含量及其特征［J］.生态学报，2007，27(1):397－403.Zhao M X，Zhou J B，Chen Z J，Yang R.Concentration and characteristics of soluble organic nitrogen(son)and carbon(soc)in different types of organicmanures［J］.Acta Ecol.Sin.，2007，27(1):397－403.

［18］韩晓日，郑国砥，刘晓燕，等.有机肥与化肥配合施用土壤微生物量氮动态、来源和供氮特征［J］.中国农业科学，2007，40(4):765－772.Han X R，Zheng G D，Liu X Y et al.Dynamics，sources and supply characteristic of microbial biomass nitrogen in soil applied with manure and fertilizer［J］.Sci.Agric.Sin.，2007，40(4):765－772.

［19］王淑平，周广胜，孙长占，等.土壤微生物量氮的动态及其生物有效性研究［J］.植物营养与肥料学报，2003，9(1):87－90.Wang S P，Zhou G S，Sun C Z et al.The dynamics of soil microbial biomass nitrogen and its biological availability［J］.Plant Nutr.Fert.Sci.2003，9(1):87 －90.

［20］李俊良，东先旺，梁素娥，等.有机肥料不同培养法氮素释放特点及其与作物吸氮关系的研究［J］.莱阳农学院学报，1994，1l(4):245－248.Li J L，Dong X W，Liang S E et al.The study of release law of nitrogen in manure and relation ship between the accumulated amount of release nitrogen in manure and the nitrogen absorbed by crop［J］.J.Laiyang Agric.Coll.，1994，1l(4):245 －248.

［21］沈其荣，沈振国，史瑞和.有机肥氮素的矿化特征及与其化学组成的关系［J］.南京农业大学学报，1992，15(1):59－64.Shen Q R，Shen Z G，Shi R H.The characteristics of mineralization of nitrogen in organic manure and its relation to chemical composition of organic manure［J］.J.Nanjing Agric.Univ.，1992，15(1):59－64.

［22］黄耀，沈雨，周密，马瑞升.木质素和氮含量对植物残体分解的影响［J］.植物生态学报，2003，27(2):183－188.Huang Y，Shen Y，Zhou M，Ma R S.Decomposition of plant residue as influenced by its lignin and nitrogen［J］.J.Plant Ecol.，2003，27(2):183 －188.

［23］李世清，李生秀.有机物料在维持土壤微生物体氮库中的作用［J］.生态学报，2001，21(1):136－142.Li S Q，Li S X.Effects of organic materials on maintaining soil microbial biomass nitrogen［J］.Acta Ecol.Sin.，2001，21(1):136－142 .

［24］史奕，张璐，鲁彩艳，宇万太.不同有机物料在潮棕壤中有机碳分解进程［J］.生态环境，2003，12(1):56－58.Shi Y，Zhang L，Lu C Y，Yu W T.Decomposition process of organic carbon of different organic materials in meadow brown soil［J］.Ecol.Environ.，2003，12(1):56 －58.

［25］柳敏，张璐，宇万太，沈善敏.有机物料中有机碳和有机氮的分解进程及分解残留率［J］.应用生态学报，2007，18(11):2503－2506.Liu M，Zhang L，Yu W T，Shen S M.Decomposition process and residual rate of organic materials C and N in soil［J］.Chin.J.Appl.Ecol.，2007，18(11):2503 －2506.