有机无机肥配施对旱地塿土碳氮的影响

崔全红，孙本华①，吴得峰，郭　芸，皮小敏，高明霞

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌　712100；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌　712100)



有机无机肥配施对旱地塿土碳氮的影响

崔全红1，孙本华1①，吴得峰1，郭芸1，皮小敏1，高明霞2

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌712100；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌712100)

摘要：在陕西关中塿土区，通过田间试验研究旱地小麦-玉米轮作条件下有机无机肥配施对表层土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)和土壤微生物量碳(SMBC)、氮(SMBN)以及土壤剖面硝态氮(NO3--N)分布和累积的影响。结果表明，与单施化肥处理(NP)相比，化肥配施有机肥处理(M1)土壤剖面NO3--N累积量差异不显著，化肥配施生物炭处理(M3)显著降低35.2%，而化肥配施秸秆处理(M2)则显著增加32.1%。与NP和CK处理相比，各有机无机肥配施处理(M1、M2和M3)表层SOC和SMBC、SMBN含量均显著提高(P<0.05)，土壤TN含量和C/N比增加(P>0.05)。与NP处理相比，M3处理SOC含量增加26%，TN含量增加14%；M2处理SMBC和SMBN含量分别增加32%和23%。与CK处理相比，NP、M1和M2处理表层土壤pH值显著降低，而M3处理则无显著差别。在塿土区旱地小麦-玉米轮作条件下，M3处理既可以降低土壤剖面NO3--N累积量和淋溶风险，又可以提高SOC、TN和SMBC、SMBN含量，是一种值得推广的施肥方式。

关键词：有机物料；有机碳；全氮；土壤硝态氮；土壤微生物量

土壤碳库是陆地生态系统的主要碳库,对碳循环有重要作用。土壤有机碳(SOC)是评价土壤肥力的重要指标,增加耕地SOC的固定是现代农业土壤管理的重要目标之一,这不仅可提高土壤肥力和农业生产力,还可降低大气中二氧化碳浓度[1]。提高土壤SOC含量的措施有多种,其中施用有机肥和秸秆还田是增加土壤碳投入、提高农田土壤肥力的直接手段[2]。有机肥的施用对培肥土壤、保证我国农业的可持续发展发挥了重要作用[3]。有机肥矿化过程中,大量微生物的活动使土壤矿质氮被生物固持,从而缓解了土壤剖面深层NO3--N的累积,有效控制NO3--N向下淋溶[4]。薛峰等[5]研究表明长期配施有机肥能显著调节土壤营养环境,提高土壤微生物量碳(SMBC)和氮(SMBN)含量,降低代谢呼吸商值并提高多种土壤酶活力和土壤生物多样性。李娟等[6]研究表明,化肥与猪厩肥或秸秆还田配合施用可提高SMBC、SMBN、TN和SOC等养分含量。潘剑玲等[7]研究表明秸秆还田能刺激微生物活性,提高土壤肥力,同时矿化的秸秆组分能促进土壤氮循环和矿化,提高氮有效性。李世清等[8]研究结果表明有机物料对矿化过程和微生物体氮的影响与有机物料本身性质和组成、土壤肥力水平和施氮与否有关,加入C/N比高的有机物料后微生物对矿质氮的净固定持续时间更长。近年来,生物质炭作为一种土壤改良剂和固碳物质受到国内外的广泛关注[9]。施用生物质炭可提高SOC、SMBC和SMBN含量,增加土壤保肥性和保水性,提高土壤养分有效性,降低土壤酸度，增加作物产量[10-14]。但目前在相同的土壤类型和作物体系下,不同有机物料(有机肥、秸秆和生物炭)投入效应的比较研究相对较少,尤其是在塿土区旱作条件下不同有机物料投入对土壤碳氮的影响研究更少。笔者利用田间试验探讨了不同有机物料投入对土壤碳氮的影响,为选择更好的旱区土壤培肥方式提供科学理论和实践依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地设在陕西省杨凌西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站(34°20′ N，108°24′ E),海拔521 m,属暖温带半湿润季风气候区,全年无霜期221 d,降水多集中在7—10月,年降水量600～680 mm。供试土壤为土垫旱耕人为土,中壤质。耕层土壤养分含量:w(有机碳)为8.14 g·kg-1,w(全氮)为0.95 g·kg-1,w(全磷)为0.83 g·kg-1,w(全钾)为20.42 g·kg-1,w(速效磷)为20.91 mg·kg-1,w(速效钾)为134 mg·kg-1,土壤pH 值为8.20,土壤容重为1.37 g·cm-3。

1.2试验设计

试验于2013年10月开始,设5个处理:(1)对照不施肥(CK);(2)单施氮磷化肥(NP);(3)氮磷+有机肥(M1);(4)氮磷+秸秆(M2);(5)氮磷+生物炭(M3)。每个处理3次重复,随机排列,一共15个小区,每个小区面积为10 m2。作物体系为冬小麦(小偃22)和夏玉米(秦龙11)轮作,一年两熟。冬小麦在2013年10月9日播种,翌年6月5日收获;夏玉米在2014年6月19日播种,10月11日收获。冬小麦行距30 cm,夏玉米行距60 cm,株距40 cm。冬小麦季施肥量(氮肥为尿素,磷肥为过磷酸钙):基肥120 kg·hm-2N和100 kg·hm-2P2O5,拔节期追肥30 kg·hm-2N;夏玉米季施肥量(氮肥为尿素,磷肥为磷酸二铵):基肥225 kg·hm-2N 和90 kg·hm-2P2O5。供试有机肥为西安紫瑞生物科技有限公司生产的佳禾家旺生物有机肥,主要技术指标:有效活菌数(CFU)≥0.2亿·g-1;w(有机质)≥40%(以干基计);含水量w≤30%。秸秆为粉碎小麦秸秆(粒径为5 mm)。生物炭由河南三利新能源有限公司提供,由小麦秸秆550 ℃下无氧热解产生,主要成分:w(灰分)为46.7%,pH值为10.25,过5 mm孔径筛备用。经测定有机肥、秸秆、生物炭的w(TC)分别为18.8%、37.8%和49.0%,w(TN)分别为1.60%、0.76%和1.07%,C/N比分别为11.7、50.0和46.0。各有机物料的施用量均为4 t·hm-2。

1.3测定项目与方法

1.3.1样品采集及测定项目

于试验开始前和夏玉米收获后采集土壤样品。耕层土壤样品分成2份,其中1份鲜样供SMBC、SMBN和可溶性有机氮(DON)测定用;另1份风干、去杂质、过筛后用于SOC和TN含量测定。0～200 cm土壤剖面分为20 cm一层,采样后测定土壤NO3--N、NH4+-N含量和含水量。

1.3.2样品测定方法

有机肥、秸秆和生物炭的组成采用意大利Costech公司生产的ECS4024型元素分析仪(elemental combustion system)测定。SOC含量采用K2Cr2O4容量法[15]30分析测定;TN含量采用凯氏定氮法[15]42测定;SMBC和SMBN含量采用氯仿熏蒸浸提法[16]测定,其中土壤浸提液中的可溶性有机碳含量用TOC-VCPH(日本岛津)分析仪测定,土壤浸提液中的可溶性全氮(TDN)含量采用碱性过硫酸钾氧化-紫外比色法测定;土壤NO3--N和NH4+-N含量用1 mol·L-1KCl浸提,连续流动分析仪测定;土壤含水量采用烘干法测定;土壤pH值采用Sartorius PB-10 pH计测定。

1.4计算方法与数据分析

土壤NO3--N累积量[17]、SMBC和SMBN含量计算方法如下：

ANO3--N=T×D×CNO3--N/10,

(1)

CSMBC=DEC/KEC,

(2)

CSMBN=DEN/KEN。

(3)

式(1)～(3)中,ANO3--N为土壤NO3--N累积量,kg·hm-2;T为土层厚度,cm;D为土壤容重,g·cm-3;CNO3--N为土壤NO3--N含量,mg·kg-1;CSMBC和CSMBN分别为土壤SMBC和SMBN 含量,mg·kg-1;DEC和DEN分别为熏蒸和未熏蒸土壤的可溶性有机碳和可溶性全氮含量的差值,mg·kg-1;KEC和KEN为转化系数,其中KEC=0.45[18],KEN=0.45[19]。

采用Sigmaplot 10.0软件绘图,Microsoft Excel 2007和 SPSS 22.0软件进行数据计算和统计分析。

2结果与分析

2.1有机无机肥配施对土壤NO3--N剖面分布和累积量的影响

不同施肥处理下夏玉米收获后土壤NO3--N含量的剖面分布见图1。

同一组直方柱上方英文小写字母不同表示同一土层不同

在0～200 cm范围内,CK处理土壤NO3--N含量随土层深度的增加而降低,NP、M1、M2和M3处理则均呈先减后增再减的变化趋势。有机无机肥配施处理(M1、M2、M3)0～20 cm土层土壤NO3--N含量均显著大于CK处理(P<0.05),其中M2和M3处理比NP处理分别增加58%和37%;在>80～100 cm土层出现1个较高累积峰,累积峰处土壤w(NO3--N)为M2(29.09 mg·kg-1)>M1(21.74 mg·kg-1)≈NP(21.01 mg·kg-1)>M3(13.32 mg·kg-1)>CK(1.36 mg·kg-1),其中M2处理比NP处理显著增加38%,而M3处理比NP处理显著降低37%(P<0.05)。在>80～140 cm土层,M2处理NO3--N含量显著大于其余处理(P<0.05);>180～200 cm土层M1、M2和M3处理间NO3--N含量差异不显著,这表明夏玉米收获后土壤NO3--N随水分向下淋溶到180 cm处。

有机物料投入对土壤剖面NO3--N累积量有显著影响(表1)。夏玉米收获后0～40、>40～160和>160～200 cm土壤剖面NO3--N累积量分别为13.33～19.74、17.96～247.99和2.43～11.81 kg·hm-2。M1、M2和M3处理0～40 cm土层土壤NO3--N 累积量差异不显著,但均显著大于NP处理(P<0.05),增幅为28%～42%。>40～160 cm土层土壤NO3--N累积量占0～200 cm剖面土壤总累积量的比例为53%～91%,并呈现M2>M1≈NP>M3>CK的趋势。0～200 cm土层土壤NO3--N总累积量的变化趋势与>40～160 cm土层一致,其中与NP处理相比,M1处理差异不显著,M3处理显著降低35.2%(P<0.05),M2处理显著增加32.1%(P<0.05),表明生物炭能减少土壤NO3--N的累积量,降低土壤NO3--N的淋溶风险。

表1不同处理土壤剖面NO3--N累积量

Table 1Accumulation of NO3--N in soil profile relative to fertilization treatment

处理不同土层深度(cm)NO3--N累积量/(kg·hm-2)0～40>40～160>160～2000～200CK13.33±1.08b17.96±4.00d2.43±0.78c33.71±5.52dNP13.86±2.86b180.02±12.93b11.81±1.62a205.69±11.70bM118.67±1.05a195.34±11.64b11.77±2.06a225.78±11.25bM217.70±2.14a247.99±10.14a6.05±1.94b271.74±6.95aM319.74±0.64a104.68±22.88c8.89±5.01ab133.31±20.94c

CK为对照不施肥,NP为单施氮磷化肥,M1为氮磷+有机肥,M2为氮磷+秸秆,M3为氮磷+生物炭。同一列数据后英文小写字母不同表示相同土层不同处理间NO3--N累积量差异显著(P<0.05)。

2.2有机无机肥配施对土壤化学性质的影响

不同施肥处理对土壤碳氮养分含量的影响见表2,各处理w(SOC)为8.84～12.60 g·kg-1,其中NP、M1、M2和M3处理分别较CK处理增加13%、27%、26%和43%。各有机无机肥配施处理土壤w(TN)较CK处理增加0.07～0.12 g·kg-1,但差异均未达显著水平。土壤SOC/TN比为9.20～11.67,其中M3处理较CK处理显著提高27%(P<0.05),其余处理间则差异不显著。各处理间土壤可溶性有机氮(DON)含量均显著大于CK处理,M2处理较NP处理显著提高31%(P<0.05)。除M3处理外,其余处理土壤pH值均显著低于CK处理(P<0.05)。

表2不同处理土壤碳氮养分含量和pH值

Table 2Soil carbon and nitrogen content and soil pH relative to fertilization treatment

处理w(有机碳)/(g·kg-1)w(全氮)/(g·kg-1)有机碳/全氮比值w(可溶性有机氮)/(mg·kg-1)pH值CK8.84±0.12c0.96±0.06a9.20±0.55b11.06±0.70c8.20±0.02aNP10.01±1.05bc0.95±0.15a10.58±0.91ab18.50±2.02b8.12±0.03cM111.22±0.98ab1.03±0.09a10.97±1.10ab21.59±4.21ab8.13±0.03bcM211.12±1.00ab1.04±0.18a10.87±1.79ab24.32±3.53a8.12±0.03cM312.60±0.31a1.08±0.04a11.67±0.39a19.57±1.27ab8.17±0.02ab

CK为对照不施肥,NP为单施氮磷化肥,M1为氮磷+有机肥,M2为氮磷+秸秆,M3为氮磷+生物炭。同一列数据后英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.3有机无机肥配施对土壤微生物特性的影响

土壤微生物量反映土壤同化和矿化能力,是土壤肥力的重要生物学指标[20]。由表3可知,各处理w(SMBC)为214.0～503.3 mg·kg-1,表现为M2>M1≈M3>NP>CK;其中NP、M1、M2和M3处理较CK处理分别增加46%、99%、135%和93%。w(SMBN)为30.3～49.8 mg·kg-1,其变化趋势与SMBC含量基本一致。SMBC/SMBN比为7.10～10.14,其中M2处理显著大于CK处理(P<0.05),其他处理间差异不显著。SMBC含量占土壤SOC含量的百分比为微生物商(qMB)。所有有机无机肥配施处理土壤qMB均显著大于CK处理,其中M2处理最大且显著高于M3和NP处理(P<0.05)。SMBN占土壤TN含量的比例与qMB的变化趋势基本一致。

表3不同施肥处理SMBC和SMBN含量

Table 3Contents of SMBC and SMBN relative to fertilization treatment

处理w(SMBC)/(mg·kg-1)w(SMBN)/(mg·kg-1)SMBC/SMBN比值qMB/%SMBN占TN比例/%CK214.0±25.6d30.3±3.0d7.10±1.06b2.42±0.32c3.15±0.17cNP313.2±56.3c36.4±2.2c8.60±1.53ab3.11±0.27bc3.90±0.71bcM1425.1±14.6b47.1±1.9ab9.03±0.12ab3.81±0.46ab4.62±0.54abM2503.3±49.5a49.8±2.7a10.14±1.75a4.53±0.55a4.86±0.60aM3413.8±49.6b44.8±2.3b9.24±1.13ab3.29±0.48b4.15±0.13ab

CK为对照不施肥,NP为单施氮磷化肥,M1为氮磷+有机肥,M2为氮磷+秸秆,M3为氮磷+生物炭。SMBC为土壤微生物量碳含量,SMBN为土壤微生物量氮含量,qMB为SMBC含量占土壤SOC含量的比例,TN为土壤全氮含量。同一列数据后英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著(P<0.05)。

3讨论

不同有机物料处理(M1、M2和M3)对旱作土壤NO3--N含量分布和累积量产生显著的影响,其土壤表层NO3--N含量显著大于CK处理,>80～100 cm土层出现累积峰。M2处理土壤NO3--N累积量显著高于其余处理,其主要原因可能是秸秆的C/N比(50.0)最大,在冬小麦季未能完全腐解,并导致部分土壤矿质氮被生物固持,在后茬玉米播种后,随着秸秆的进一步腐解,部分生物固持氮被释放,从而提高了玉米季土壤无机氮累积量,这与刘杏认等[21]和张静等[22]的研究结果一致。冬小麦收获后M2处理SMBN含量显著大于其余处理,但0～1 m剖面处土壤NO3--N累积量却显著小于M1处理;夏玉米收获后M2处理土壤NO3--N含量在>80～140 cm土层范围内显著大于其余处理,且表层SMBN含量亦高于其余处理均说明了这点。M1处理总施氮量最高,但其土壤NO3--N累积量与NP处理差异不显著,可能是因为M1处理的作物产量(4 707.0 kg·hm-2)和吸氮量(143.4 kg·hm-2)最大,从而减少了土壤NO3--N的累积。尽管M3处理总施氮量(268 kg·hm-2)也较高,但土壤NO3--N的累积峰含量和0～2 m剖面处总累积量显著低于NP、M1和M2处理,说明生物炭的施用能够减少土壤中NO3--N 的淋失量,这与GÜEREA等[23]、KNOWLES等[24]和周志红等[25]研究结果相一致。一方面可能是生物炭独特的表面特性能吸附土壤水溶液中的NO3--N,通过减少溶解迁移避免淋失[26-27];另一方面有可能是生物炭处理土壤中部分NO3--N被微生物所固持而减少,GÜEREA等[23]的研究发现,施用生物炭使SMBN含量增加。笔者的研究结果也表明,相对于NP处理,M3处理显著增加表层土壤SMBN含量。添加生物炭可降低土壤NO3--N含量和累积量,从而降低土壤NO3--N的淋溶风险,而秸秆还田则增加土壤NO3--N的淋溶风险。

相对于NP处理,M1、M2和M3处理w(SOC)分别提高12%、11%和26%,这与随有机物料而投入的有机碳多少有关,但M2处理表层土壤SOC含量与M1处理无显著差异,这可能是由于秸秆的C/N比(50.0)大,不易被腐解。马永良等[28]研究表明,旱地土壤1 a后秸秆分解率为81.44%～86.8%;张晓雨[29]的研究表明小麦秸秆翻埋还田分解率在第16周达33%～35%,第36周达80%以上。相对于NP和CK处理,施有机物料可提高土壤TN含量,但差异并不显著,这与前人的研究结果[6,11,30-31]一致。与CK处理相比,NP处理TN含量略低，但差异不显著,这可能是由于NP处理籽粒产量(4 440.67 kg·hm-2)及地上部吸氮量(137.42 kg·hm-2)均显著大于CK处理籽粒产量(3 688.34 kg·hm-2)和地上部吸氮量(82.87 kg·hm-2)。各处理土壤C/N比为9.2～11.67,其中M3处理土壤C/N比显著高于CK处理,这与M3处理有机碳投入量最多相一致。各有机无机肥配施处理均能显著提高土壤DON含量,其中M2处理效果最好,这可能是有机物料能提高土壤的碳源,促进可溶性碳、氮的生成,为微生物的生长繁殖及活性的提高创造有益条件[32]。与CK处理相比,M3处理土壤pH值无显著变化,而NP、M1和M2处理pH值均显著降低,这与李娟等[6]和VAN ZWIETEN等[33]的研究结果一致。

土壤微生物是土壤中养分循环和物质转化的驱动者,SMBC和SMBN被认为是土壤活性养分的储存库和植物生长可利用养分的重要来源,是土壤生物活性大小的标志[34]。笔者研究结果表明,SMBC和SMBN含量均表现为有机无机肥配施处理显著高于NP和CK处理,说明大量碳源的输入刺激了微生物的增殖,许多研究也表明施用有机肥、秸秆和生物炭可以提高SMBC和SMBN含量[6,12,35]。不同有机物料处理中,M2处理SMBC含量显著高于M1和M3处理,这与李世清等[8]和张平究等[36]研究结果一致,而李娟等[6]研究结果表明有机肥处理SMBC和SMBN含量大于秸秆还田处理,这可能是由于有机物料用量不同引起的。M3处理土壤微生物量在3种有机物料处理中最低,可能是生物炭的添加明显抑制土壤微生物活性,改变土壤微生物群落结构组成[37-38],该研究结果也表明各有机无机肥配施处理均提高了土壤SMBC/SMBN比,其中M2与CK处理间差异显著,这表明施用有机物料增加了C/N比较大的处理的土壤微生物量。

4结论

塿土旱作条件下,相对于NP处理,M3处理可显著降低土壤NO3--N累积量和淋溶风险,M2处理则加剧了NO3--N的淋溶风险。施用不同有机物料均可提高土壤SOC、TN SMBC和SMBN含量,其中M3处理对提高土壤SOC和TN含量的影响最大,而M2处理则对提高土壤SMBC和SMBN含量的影响最大。在塿土旱作条件下,施用生物炭既可降低土壤剖面NO3--N的累积量和淋溶风险,又可提高土壤SOC、TN、SMBC和SMBN含量,对于促进塿土农田碳截留和供氮能力,减缓温室效应具有重要作用。

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(责任编辑： 陈昕)

Effects of Combined Application of Organic Manure and Chemical Fertilizer on Soil Organic Carbon and Nitrogen in Dryland of Lou Soil.

CUIQuan-hong1，SUNBen-hua1,WUDe-feng1,GUOYun1,PIXiao-min1,GAOMing-xia2

(1.College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;2.College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

Abstract:A field experiment was carried out to explore effects of combined application of organic manure and chemical fertilizations on soil organic carbon, soil total nitrogen and soil microbial biomass C and N in the topsoil layer, and distribution and accumulation of NO3--N in the soil profile of farmlands under wheat-maize rotation on Lou soil in the Guanzhong region, Shaanxi Province. Results show that compared with Treatment NP (application of chemical fertilizers alone), Treatment M1 (combined application of chemical fertilizers and farmyard manure) had no significant effects on accumulation of soil NO3--N in the soil profile (0-200 cm), while Treatment M3 (combined application of chemical fertilizers and biochar) lowered the accumulation by 35.2%, and Treatment M2 (combined application of chemical fertilizers with straw incorporation) increased it by 32.1%. Compared with Treatments NP and CK, Treatments M1, M2 and M3 increased the contents of soil organic carbon (SOC), soil total nitrogen (TN), and soil microbial biomass C (SMBC) & N (SMBN) and C/N ratio in the topsoil layer. Compared with Treatment NP, Treatment M3 increased SOC by 26% and TN by 14%, while Treatment M2 increased SMBC by 32% and SMBN by 23%. And compared with CK, all the treatments significantly lowered soil pH in the topsoil layer, except for Treatment M3, which did not have much effect. Obviously in the upland fields of Lou soil under wheat-maize rotation, Treatment M3 can not only decrease NO3--N accumulation and leaching risk, but also increase the contents of SOC, TN, SMBC and SMBN, therefore, it is a fertilization pattern worth extending.

Key words:organic materials;soil organic carbon;total nitrogen;NO3--N;soil microbial biomass

作者简介：崔全红(1990—),女,甘肃敦煌人,硕士生,研究方向为土壤碳氮循环。E-mail: cuiqh212@163.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.018

中图分类号：X82

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0289-06

通信作者①E-mail: sunbenhua@126.com

基金项目：国家高技术研究发展计划(2013AA1029);高等学校学科创新引智计划(B12007)

收稿日期：2015-06-29