木薯茎秆栽培基质氮变化规律研究

李光义　余小兰　徐林　张红燕　邹雨坤

摘要 [目的]探討木薯茎秆栽培基质氮的变化规律。[方法]在未添加外源养分的条件下，以盆栽法对比研究了木薯茎秆栽培基质在种植番茄和不种植番茄2种情况下各形态氮在番茄不同生育期的变化情况。[结果]在番茄整个生育期，“木薯茎秆栽培基质+番茄”的pH为7.48～7.86，“木薯茎秆栽培基质”的pH为7.28～7.88；EC值在幼苗期前从3.28 μS/cm急剧上升至1 371.00 μS/cm，幼苗期之后几乎保持不变；pH、EC值均在理想栽培基质要求范围内。木薯茎秆栽培基质全氮减少幅度为0.276%～0.281%，木薯茎秆栽培基质仍具有较强的供氮潜力。碱解氮含量相对稳定，营养生长期前，“木薯茎秆栽培基质+番茄”碱解氮高于“木薯茎秆栽培基质”，营养生长期后正好相反。铵态氮、硝态氮的大量损失主要发生在番茄营养生长期前；营养生长期后，铵态氮含量保持在35.08～49.93 mg/kg，而“木薯茎秆栽培基质+番茄”硝态氮持续损失直至殆尽，“木薯茎秆栽培基质”硝态氮却有回升，番茄更易吸收硝态氮；矿化氮变化规律与铵态氮、硝态氮变化规律正好相反。氮的转化主要发生在铵态氮、硝态氮和矿化氮之间，但铵态氮、硝态氮的存在会抑制有机氮的矿化。[结论]该研究结果为木薯茎秆作为栽培基质的推广、应用及有机基质栽培养分管理提供了理论依据。

关键词 木薯茎秆；栽培基质；氮释放；氮转化；番茄生育期

中图分类号 S181 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）17-0068-04

Abstract [Objective] The aim was to explore the change rule of nitrogen in cassava stalk cultivation substrate. [Method] Under the condition of no adding exogenous nutrient， the change rules of different forms of nitrogen of cassava stalk substrate were studied by pot culture experiment under two conditions of planting tomato and not planting tomato. [Result] In the whole growing period of planting tomato， the pH value of ‘cassava stalk substrate + tomato was 7.48-7.86， and the pH of ‘cassava stalk cultivation substrate was 7.28-7.88. Before seedling stage， the value of EC increased from 3.28 μS/cm to 1 371.00 μS/cm， and remained almost constant after seedling stage. Both the pH and EC value were within the requirement of ideal substrate. The reducing range of total nitrogen in cassava stalk cultivation substrate was 0.276%-0.281%， and the cassava stalk cultivation substrate still had a strong potential for nitrogen supply. The content of alkali hydrolyzable nitrogen was relatively stable. The alkali hydrolyzable nitrogen of ‘cassava stalk substrate + tomato was higher than ‘cassava stalk cultivation substrate before the vegetative stage， and after the vegetative stage was just the opposite. Heavy losses of NH4+N and NO3-N occurred in tomato vegetative stage， afterwards， the content of NH4+N kept in 35.08-49.93 mg/kg， the NO3-N of ‘cassava stalk cultivation substrate + tomato kept losing until exhausted， but the NO3-N of ‘cassava stalk cultivation substrate picked up， which indicated that NO3-N could be absorbed more easily than NH4+N. The change rule of mineralized nitrogen was adverse to NH4+N and NO3-N. The transformation of nitrogen mainly occurred among NH4+N， NO3-N and mineralized nitrogen. However， the presence of NH4+N and NO3-N could inhibit the mineralization of organic nitrogen. [Conclusion] The result provides reference for promotion and application of cassava stalk as cultivation substrate as well as organic matrix cultivation nutrient management.

Key words Cassava stalk；Cultivation substrate；Nitrogen release；Nitrogen transformation；Growth stages of tomato

有机基质栽培是指将有机物如农作物秸秆、菇渣、畜禽粪便等经高温发酵或高温处理，使有机废弃物成为较好的栽培基质，形成一个稳定并具有缓冲作用的农业生态系统[1]。有机基质是有机基质栽培的核心，除具一般基质的特点外，其本身含有丰富养分，在栽培植物过程中充当“养分库”，因此，研究有机基质本身养分释放、转化规律对作物的施、追肥具有十分重要的现实意义[2-3]。氮是作物必需大量元素，增施氮肥是保证作物高产的重要手段。但由于缺乏科学的施肥技术，植物能吸收利用的氮约为35%，大量的氮以淋洗、氨挥发、反硝化作用而损失[4]。氮虽能以+5价到-3价的各种形态存在，但植物能直接利用的无机氮很少，大量的氮需经土壤动物及微生物的分解和矿化作用才能形成可以被植物直接利用的矿质氮。可见，各形态氮的释放及相互转化影响着氮素的有效性及生态系统的生产力[5]，探明各形态氮的释放、转化规律对提高氮肥利用率、减少环境污染具有重要意义。

木薯茎秆栽培基质是腐熟的木薯茎秆[6]与腐熟鸡粪混配而成的秸秆型基质，其养分含量全且丰富。随着生态循环农业的健康发展和作物秸秆的大量产出，秸秆型栽培基质[7-8]将成为基质栽培选材的新方向。因此，研究秸秆型栽培基质的养分释放、转化规律对促进生态循环农业的健康发展具有重要意义。鉴于此，笔者以木薯茎秆栽培基质种植番茄为例，研究了木薯茎秆栽培基质各形态氮在栽培番茄过程中的变化规律，旨在为木薯茎秆作为栽培基质的推广、应用及有机基质栽培养分管理提供理論依据。

1 材料与方法

1.1 材料

木薯茎秆栽培基质：腐熟木薯茎秆与腐熟鸡粪按体积比1∶1混匀而成；番茄（超级大明星）幼苗（14 d苗）；花盆、盆托。木薯茎秆栽培基质的基本性质：全氮13.62 mg/g，碱解氮0.865 mg/g，铵态氮105.71 mg/kg，硝态氮724.02 mg/kg，矿化氮0 mg/kg，pH 7.48，电导率（EC）值3.28 μS/cm。

1.2 试验方法

将木薯茎秆栽培基质装满花盆（盆口外径27 cm，盆口内经23 cm，高25 cm，盆底直径18 cm），共10盆，盆底垫上盆托。其中5盆种植番茄，每盆1株；其余5盆不种植。种植之后不再施肥，视栽培基质湿润程度定量浇水，保持基质湿润；未种植番茄的处理以相同方式进行管理。分别于番茄幼苗期（植后第20天）、营养生长期（植后第40天）、开花期（植后第70天）、坐果期（植后第100天）、成熟期（植后第150天）用微型取土器采集2种处理基质样品供测定、分析用。

1.3 样品分析

测定木薯茎秆栽培基质样品各形态氮（以风干样计）。全氮用H2SO4-H2O2消煮-靛酚蓝比色法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；铵态氮用2 mol/L KCl浸提-靛酚蓝比色法测定；硝态氮用2 mol/L KCl浸提-“A=A220-2A275”紫外光双波法测定；矿化氮用厌气培养法测定；pH、EC：以鲜样与蒸馏水按1∶5（W∶V）浸提后测定。

2 结果与分析

2.1 栽培基质pH、EC值变化

pH是栽培基质化学性质的一个重要指标，其变化影响着基质的缓冲性能、养分的形态及有效性[9]、微生物活动[10]、有机质的分解及作物的生长等，栽培基质需具备合适的pH[11]。由图1可见，“木薯茎秆栽培基质+番茄”的pH在栽培番茄过程中保持在7.48～7.86，变化幅度较小；营养生长期至成熟期，pH基本保持不变；而“木薯茎秆栽培基质”的pH为7.28～7.88，起伏较大。EC值是反映栽培基质可溶性盐浓度的指标，其大小直接影响营养液的平衡和幼苗生长情况[12]，一般认为EC值为500～3 000 μS/cm均适合作物生长[13]。由图2可见，在栽培番茄过程中，“木薯茎秆栽培基质+番茄”的EC值由3.28 μS/cm升至1 371 μS/cm，符合栽培基质对EC值的要求，具体表现为：幼苗期基质的EC值迅速上升；幼苗期至成熟期，基质的EC值保持在一个相对稳定的数值。“木薯茎秆栽培基质”的EC值变化与“木薯茎秆栽培基质+番茄” 相似。由此可见，无论是否种植番茄，木薯茎秆栽培基质的pH、EC值都符合栽培基质要求。

2.2 栽培基质各形态氮变化

木薯茎秆栽培基质全氮含量反映了基质的供氮潜力，一般认为理想栽培基质的全氮含量为0.25～0.40 g/L[14]。由图3可见，“木薯茎秆栽培基质+番茄”在栽培番茄过程中，其全氮含量总体呈下降趋势，这与植物吸收或淋洗、氨挥发、反硝化作用有关；“木薯茎秆栽培基质+番茄”全氮在番茄不同生育期变化规律不同：幼苗期，全氮含量下降；幼苗期至营养生长期，全氮含量上升；营养生长期至开花期，全氮含量下降，这与相关研究[15]结果有差别，这可能与栽培基质的不同及该研究未施肥有关；开花期至坐果期，全氮含量上升；坐果期至成熟期，全氮含量下降。由图3 可见，“木薯茎秆栽培基质”的全氮含量变化趋势与“木薯茎秆栽培基质+番茄”处理相似，且全氮含量相近，说明木薯茎秆栽培基质全氮的变化主要受基质本身生物生化过程或淋洗、氨挥发、反硝化作用的影响，而因番茄吸收而引起的变化是微小的。对比木薯茎秆栽培基质全氮初始值和最终值可见，全氮减少幅度很小（“木薯茎秆栽培基质”减少0.276%，“木薯茎秆栽培基质+番茄”减少0.281%），说明木薯茎秆栽培基质的氮养分较难被当季作物利用，其仍具有较强的供氮潜力，但大部分氮素可能仍以难以被植物直接利用的有机态氮存在。

碱解氮包括无机态氮（铵态氮、硝态氮）及易水解的有机态氮（氨基酸、酰胺和易水解蛋白质），木薯茎秆栽培基质碱解氮含量能反映基质近期内氮素供应情况。由图4可见，在番茄整个生育期内，“木薯茎秆栽培基质+番茄”的碱解氮含量基本保持不变，表明木薯茎秆栽培基质氮素供应情况比较稳定，保证植物对氮素的吸收，这与已有研究结果[16]一致。“木薯茎秆栽培基质”与“木薯茎秆栽培基质+番茄”相比：营养生长期前，其碱解氮含量降低，可能由于部分氮流失所致；营养生长期至坐果期，其碱解氮含量升高，可能由于“木薯茎秆栽培基质+番茄”因植物吸收而降低所致。

铵态氮是植物能直接利用的主要氮形态之一，木薯茎秆栽培基质铵态氮含量在一定程度上反映了基质直接供氮能力。由图5可见，“木薯茎秆栽培基质+番茄”在栽培番茄过程中：幼苗期，铵态氮含量略微提升；幼苗期至营养生长期，铵态氮含量骤减；营养生长期至成熟期，基质铵态氮含量几乎保持不变；铵态氮变化与朱咏莉等[17]研究结果一致。“木薯茎秆栽培基质”与“木薯茎秆栽培基质+番茄”相比，番茄营养生长期前，基质铵态氮含量急剧下降；营养生长期至成熟期，基质铵态氮含量几乎保持不变，且与“木薯茎秆栽培基质+番茄”铵态氮含量处于同一水平，表明铵态氮含量的骤减并不是因为植物吸收利用所致，而是因淋洗等途径损失所致。

硝態氮是植物能直接利用的主要氮形态之一，且该形态氮不易被土壤（栽培基质）胶体吸附，易流失，硝态氮含量在一定程度上也能指示基质直接供氮能力。由图6可见，幼苗期，“木薯茎秆栽培基质+番茄”硝态氮急剧降低至几乎殆尽，而“木薯茎秆栽培基质”硝态氮仍保持较高含量，说明“木薯茎秆栽培基质+番茄”硝态氮的减少是植物吸收利用和流失共同作用造成的；幼苗期至成熟期，“木薯茎秆栽培基质+番茄”几乎再无硝态氮，而“木薯茎秆栽培基质”硝态氮含量除在成熟期较低外（9.08 mg/kg），其他生育期仍保持在较高水平。硝态氮含量变化结果表明，木薯茎秆栽培基质大部分硝态氮因淋洗等途径而损失。

氮矿化是有机态氮经微生物分解，形成无机态氮的过程，矿化氮是氮矿化的结果。木薯茎秆栽培基质矿化氮含量的高低可反映基质应急供氮能力的大小。由图7可见，在栽培番茄过程中：营养生长期之前，“木薯茎秆栽培基质+番茄”矿化氮含量急剧上升；营养生长期至成熟期，“木薯茎秆栽培基质+番茄”矿化氮含量虽有变化，但变化幅度不大。“木薯茎秆栽培基质”的矿化氮变化趋势与“木薯茎秆栽培基质+番茄”处理相似，但其矿化氮含量要低，这可能与基质中微生物丰富度不同有关。

2.3 栽培基质各形态氮转化规律

木薯茎秆栽培基质各形态氮的转化不仅表明氮素的有效性，还能为各形态氮的调控提供依据。由图8可见，栽培番茄时，木薯茎秆栽培基质各形态氮含量都在不断的变化。在整个番茄生育期，木薯茎秆栽培基质各形态氮的含量是不同的：初始时，碱解氮含量为865 mg/kg，铵态氮含量为105.71 mg/kg，硝态氮为724.02 mg/kg，矿化氮为0；幼苗期，碱解氮略有降低（756 mg/kg），铵态氮基本不变、硝态氮急剧降低殆尽，矿化氮骤升至494.97 mg/kg；营养生长期，碱解氮基本不变（764 mg/kg），铵态氮降至37.08 mg/kg，硝态氮为0，矿化氮升至735.55 mg/kg；开花期，碱解氮仍保持较高的水平（785 mg/kg）、铵态氮为48.51 mg/kg、硝态氮为0、矿化氮为691.39 mg/kg；坐果期，碱解氮升至937 mg/kg、铵态氮为35.08 mg/kg，硝态氮为2.75 mg/kg，矿化氮升至817.91 mg/kg；成熟期，碱解氮为954 mg/kg，铵态氮为45.40 mg/kg，硝态氮为0，矿化氮为758.86 mg/kg。对比木薯茎秆栽培基质各形态氮在番茄各生长期的含量可见，碱解氮一直保持在一个较高水平；铵态氮在幼苗期前保持在较高水平，幼苗期后一直处于较低水平；硝态氮至幼苗期几乎耗尽，这可能与番茄为喜硝态氮植物有关[18-19]；矿化氮从初始值（0）呈逐渐上升趋势。各形态氮含量变化说明，木薯茎秆栽培基质各形态氮的转化主要发生在铵态氮、硝态氮、有机氮（矿化氮）之间：当铵态氮、硝态氮含量高时，矿化作用弱，即无机氮的存在会抑制矿化作用的进行；当铵态氮、硝态氮降低或消耗殆尽时，矿化作用将有机氮分解为无机氮，从而为植物提供有效氮养分。未种植番茄时，木薯茎秆栽培基质各形态氮的转化规律与种植番茄时的转化规律相似（图9）。

3 结论与讨论

有机基质栽培是一个稳定、缓冲性能较强、具有良好根系生长环境的系统，有机基质在系统中除了扮演外来养分“中转站”的角色外，其本身就是一个“养分库”，因此，研究有机基质本身的养分释放、转化规律就显得非常重要。关于有机质栽培系统养分释放、转化规律的研究，已有相关文献报道，也取得了一些具有指导意义的结果，但有的研究只注重有机基质外来养分作为“中转站”的角色[16]，而忽略了有机基质本身“养分库”的角色，这对充分了解有机基质本身养分的释放、转化规律存在局限性；有的研究只研究了未种植植物时有机基质养分释放规律[20]，缺乏种植植物时有机基质养分释放规律的对比研究，无法对养分进行准确调控；该研究在未添加外源养分的情况下，对比研究了木薯茎秆栽培基质在种植番茄和未种植番茄2种情况下木薯茎秆栽培基质氮养分的释放、转化规律，这为施（追）肥量和养分的准确调控提供了更加科学的依据。但该研究只对木薯茎秆栽培基质氮释放、转化规律进行研究，无法为养分的全面调控提供科学指导。

基质pH影响养分的溶解性和植物的有效吸收，应维持在相对稳定状态，最好呈中性或弱酸性状态。木薯茎秆栽培基质在栽培番茄过程中，pH虽有波动，但变化幅度不大，且保持在理想基质要求（pH 6～8）范围内，这与已有有机质栽培研究结果[20]一致；EC值反映基质中可溶性盐分含量，影响营养液的平衡和植物的生长。该研究中，木薯茎秆栽培基质EC值随着番茄生长期的进行而逐渐升高，最后保持在一个相对稳定的数值，且符合理想基质要求（<3 000 μS/cm）。单从木薯茎秆栽培基质的pH和EC值来看，说明木薯茎秆栽培基质可用于大多数植物栽培，可在实际生产中推广利用。

木薯茎秆栽培基质全氮含量前后变化不大，说明当季番茄从基质中吸收的氮养分很少，大部分氮养分仍然储存在基质中，这与基质中大量的氮以有机态存在有关；碱解氮含量在整个栽培过程中始终保持在一个较高含量水平，表明木薯茎秆栽培基质具备持续释放有效氮的能力，但这种“持续释放”可能具“滞后性”，无法为植物的生长及时提供氮养分；铵态氮、硝态氮在营养生长期前锐减，说明铵态氮、硝态氮极易损失；铵态氮减少到一定量后几乎不再减少，而硝态氮持续锐减直至殆尽，说明硝态氮更易损失，同时也说明番茄对铵态氮、硝态氮的吸收具有选择性，更易吸收硝态氮[21]。根据铵态氮、硝态氮的变化规律，建议以木薯茎秆栽培基质种植番茄时，氮养分的补充、调控应以硝态氮为主，但实际效果仍有待进一步研究、验证。

木薯茎秆栽培基质各形态氮转化规律表明，氮形态的转化主要发生在铵态氮、硝态氮和矿化氮（有机氮）之间：铵态氮、硝态氮的存在会抑制有机氮矿化；铵态氮、硝态氮是有机氮矿化的结果：当铵态氮、硝态氮被消耗时，有机氮经矿化作用分解为铵态氮、硝态氮，从而为植物最大限度地提供有效氮。氮矿化一个微生物分解有机氮为无机氮的过程，该过程受基质有机氮含量、基质C/N及微生物数量、种类的影响，矿化氮含量仅反映有效氮的潜在供应能力，并不是有效氮的即时供应能力。因此，以木薯茎秆栽培基质种植番茄或其他植物时，为保证植物的健康生长，及時施肥、追肥是非常有必要的。

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