施用不同肥料对土壤氮形态的影响

孟凡非，付 雨，杨 成，袁华冠，彭 艳，刘涛泽，罗绪强

(1.贵州民族大学生态环境工程学院,贵阳 550025；2.贵州省职业教育公共实训中心,贵阳 551400；3.贵州师范学院地理与资源学院,贵阳 550018)

【研究意义】氮素是植物生命活动必需的营养元素，不同形态的氮对植物的生长发育均具有重要的调节作用[1-2]。稻田作为我国耕地的主要利用方式之一，其生产过程中所产生的农业面源污染一直备受关注[3]。稻田土壤和水接触密切，不同形态氮之间的转化也较为密切，开展不同肥料施用后稻田土壤中各形态氮的研究，揭示肥料施加对土壤中氮形态的影响，对提高肥料利用率，从源头减少稻田氮素流失，控制农业面源污染具有重要意义。【前人研究进展】在农业活动过程中，为提高作物产量，大量的氮素被投放到土壤中。已有研究表明，我国氮肥的利用率较低，仅30%～35%，每年造成1000多万t的氮素流失[4-6]。肥料的大量流失造成我国63%以上的河流处于富营养化状态[7]，地表水中50%以上的氮营养盐来自于农业面源污染[8]。然而并非所有形态的氮素都易于参与到土壤—水体中的氮循环，氮的赋存形态决定氮流失的难易程度与氮的流失量[9-10]。【本研究切入点】目前针对氮赋存形态的研究主要集中在土壤铵态氮、硝态氮、可溶性氮、总氮等方面[11-13]，而对于不同肥料施用后土壤可转化态氮及非可转化态氮的研究相对较少[14]。因此，以鸡粪、猪粪、牛粪、化肥施用后的稻田土壤为研究对象，采用马红波等[15]提出的逐级分离浸取的方法，对不同肥料施用后稻田土壤中氮的赋存形态进行研究。【拟解决的关键问题】探究不同类型肥料施用后稻田土壤中不同形态氮含量差异，揭示不同肥料施用对稻田土壤氮形态的影响。通过研究，更好地了解不同肥料施用后稻田土壤氮素形态变化特征，为农田土壤氮素流失的控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤选自贵州民族大学校园内一荒草地，土壤类型主要为黄壤。土壤的基本理化性质：pH为5.72，电导率(EC)为106.30 μS/cm，有机质(OM)含量为80.75 g/kg，总氮含量(TN)为0.97 g/kg，总磷含量(TP)为1.70 g/kg，有效磷含量(A-P)为11.87 mg/kg，总钾(TK)含量为6.45 g/kg。供试化肥为湖北某公司生产，其氮磷钾含量分别为25%、10%和16%；有机肥为腐熟的鸡粪、猪粪和牛粪，均为附近农户提供，其有效成分含量见表1。

表1 供试有机肥的有效成分含量

1.2 试验设计

参考汪吉东等[16]在水稻种植试验时的施肥量，按照等氮量原则施纯氮270 kg/hm2，分别施用鸡粪46 232.77 kg/hm2、猪粪65 540.82 kg/hm2、牛粪54 683.59 kg/hm2及化肥1080.00 kg/hm2，以不施肥为对照，共设5个处理，每处理3次重复。将供试土壤混合均匀后过5 mm土壤筛，称取过筛后的土壤50 kg，装入半径为50 cm、深度为30 cm的不锈钢盆中，每盆加入40 L收集好的雨水，将盆中土壤搅拌均匀，按试验设计分别盆施计算好的鸡粪3.63 kg、猪粪5.14 kg、牛粪4.29 kg及化肥0.085 kg，施肥1周后移栽水稻，种植时只施一次基肥，不施追肥。每隔一段时间补入等量雨水，水稻成熟后等水分自然蒸发，土壤变干后采集盆中土壤测定。

1.3 土壤测定指标与方法

水稻成熟土壤变干后，每盆按梅花形5点取样，采集表层0～20 cm土壤混合均匀后，采用四分法获得1个土壤样品，共采集15个样品。样品自然风干，将每处理土壤混合均匀后用四分法取1/4用研钵进行研磨，过60目和100目筛，60目用于土壤pH和电导率(EC)的测定，100目用于土壤有机质(OM)、土壤中的氮素及土壤总氮(TN)测定。

1.4 数据处理

利用Excel 2010进行数据统计与处理，Origin 9.0软件进行图件的绘制，SPSS 18.0软件进行差异性分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤的基本理化性质

从表2看出，未施肥处理的稻田土壤pH为5.60，为偏酸性土壤；不同肥料施用后稻田土壤整体呈现弱酸性，pH在5.47～6.58，鸡粪、猪粪、牛粪施用后土壤的pH均有所提高，表明有机肥具有提高酸性土壤pH的作用。土壤有机质含量是判断土壤肥力的重要指标之一，与对照相比，鸡粪、猪粪、牛粪施用后土壤有机质含量提升较高，分别提高1.18%、9.00%和0.91%，其中，施用牛粪的处理有机质含量最高，为95.87 g/kg，显著高于其他处理；化肥施用后有机质含量提升较低，仅0.19%；除施用牛粪外，各处理间有机质含量差异均不显著。与不施肥组相比，各施用处理的土壤电导率均高于对照，其中，化肥施用的土壤电导率增加较低，施用3种有机肥施用后土壤的电导率则明显增加，各处理土壤电导率为鸡粪>牛粪>猪粪>化肥>CK，表明施肥有可能会增加稻田土壤的盐渍化程度，土壤总磷含量在1.68～1.86 g/kg，以施用牛粪的最高，各处理表现为牛粪>鸡粪>猪粪>化肥>空白，但处理间土壤总磷含量差异不显著。土壤中总钾含量在10.16～11.45 g/kg，以化肥施用的最高，为11.45 g/kg，这主要是由于化肥中钾含量较高造成。

表2 水稻不同施肥处理土壤的基本理化性质

2.2 土壤各形态氮的含量

2.2.1 土壤总氮含量 从图1看出，稻田土壤总氮含量排序依次为牛粪>鸡粪>猪粪>化肥>CK，各施肥处理土壤总氮含量均高于CK。鸡粪、猪粪、牛粪3种有机肥施用后土壤总氮含量存在差异性，以施用牛粪的稻田土壤总氮含量最高，达1.90 g/kg，较CK高77.07%，这可能与有机肥中的有机物料本身性质有关，牛粪中含有较多杂草，杂草腐烂较慢，产生的氮降解率较低，发现植物残骸使得大量难降解态氮保留在土壤中所致[20]；施用鸡粪和猪粪的稻田土壤总氮含量显著低于牛粪的。施用3种有机的土壤总氮含量均高于化肥，表明化肥对土壤总氮贡献较小。施用化肥的稻田土壤总氮含量较CK高6.68%，两者间差异不显著。

图1 不同施肥处理稻田土壤的总氮含量

图2 不同施肥处理稻田土壤的可转换态氮含量

2.2.3 土壤不可转化态氮含量 从图3看出，NTF-N含量在753.56～1931.86 mg/kg，平均为1162.22 mg/kg，各处理土壤中NTF-N平均含量为牛粪(1803.20 mg/kg)>猪粪(1154.80 mg/kg)>鸡粪(1098.41 mg/kg)>化肥(942.92 mg/kg)>CK(811.74 mg/kg)，施肥处理土壤NTF-N均高于CK(811.74 mg/kg)，表明施肥后，部分TF-N转化成NTF-N保存在土壤氮库中。整体看，稻田土壤中的氮主要以NTF-N形态存在。

图3 不同施肥处理稻田土壤中的不可转换态含量

2.3 土壤各形态氮组分

从表3看出，各施肥处理的IEF-N占TF-N比例为13.28%～50.22%，均高于CK(7.52%)，表明施肥后IEF-N所占比例呈增加趋势，以鸡粪占比例最高，其次是化肥，猪粪较低。各处理WAEF-N占TF-N比例最低，为4.61%～7.07%，以牛粪的最高，其余依次为猪粪>CK>化肥>鸡粪。IMOF-N、OSF-N占TF-N比例较高，分别为17.78%～40.23%和27.38%～46.18%，其中，IMOF-N占TF-N的排序为化肥(CK>牛粪>猪粪>鸡粪，OSF-N为CK>猪粪>牛粪>化肥>鸡粪，表明施肥后IMOF-N、OSF-N所占TF-N的比例呈降低的趋势。施肥后稻田土壤TF-N形态发生转化，向产生IEE-N或NTF-N形态转化。各施肥处理中TF-N占TN的比例为5.06%～13.60%，除鸡粪外均低于CK，表明种植水稻后TF-N含量降低，排序为鸡粪>CK>化肥>猪粪>牛粪。各处理NTF-N占TN比例最高，为86.40%～94.94%，说明施肥后土壤 TN 的增加主要来自于NTF-N，各处理排序为牛粪>猪粪>化肥>CK>鸡粪。

表3 不同施肥处理稻田土壤中各形态氮占比

2.4 不同氮形态间的相关性

从表4看出，IEF-N和IMOF-N具有较好负相关关系(R=-0.524，P<0.05)，结合IEF-N和IMOF-N的含量与组分特征，得出稻田土壤中施加肥料后，导致部分IMOF-N向IEF-N转变。IEF-N和TF-N具有显著正相关关系(R=0.905，P<0.01)，一方面表明IEF-N对TF-N影响较大，另一方面表明TF-N 与WAEF-N、IMOF-N、OSF-N相关性较差，WAEF-N、IMOF-N、OSF-N对TF-N影响较小，主要是由于IEF-N相对于其他3种可转换态氮形态最不稳定，IMOF-N、OSF-N含量较高，但变化趋势较小，对TF-N含量影响较小。WAEF-N、IMOF-N、OSF-N 之间相关性较差，表明三者来源可能不相同。NTF-N和TN具极显著相关性(R=0.997，P<0.01)，表明NTF-N对土壤TN贡献较大。

表4 各形态氮之间的相关性

3 讨 论

鸡粪、猪粪、牛粪施用后土壤的pH均有所提高，表明有机肥具有提高酸性土壤pH的作用。李猛等[23]研究发现，有机肥土壤具有提高酸性土壤pH和维持土壤pH的作用。贾立辉等[24]研究得出，施用有机肥能防止黑土土壤的酸化，有机肥和化肥混施的土壤 pH 基本维持稳定。不同有机肥对土壤 pH 的影响与有机物料本身性质有关[25]。施用化肥会使土壤pH降低。汪吉东等[16]研究表明，土壤pH随化肥施用量的增加呈显著降低趋势。唐冬等[19]研究也发现，化肥施用会使土壤出现一定程度的酸化，和本研究的结论相一致。土壤 pH 降低由自然因素或人为活动导致的土壤酸中和容量的减少等原因引起[26]，在农业生产过程中，只关注作物产量，化肥的过量施用会影响耕地土壤，导致或加重H+循环脱节引起土壤pH降低[27]。施肥也有可能会增加稻田土壤的盐渍化程度，赵伟等[28-29]研究表明，有机肥不合理施用也可能会引起土壤次生盐渍化，导致土壤盐分累积。土壤次生盐渍化主要是由于设施环境的封闭性、盲目施肥、不合理灌溉和管理不当等原因引起[30]，特别是在水稻种植时，大量有机肥施用后为了减少肥料的流失，避免水分的循环，导致大量硝酸盐聚集，施加生物有机肥除增加土壤氮磷钾含量外，特别是粪肥Na+和Cl-含量较高，长期不合理的使用有机肥使得Na+和Cl-在土壤中聚集，也可能会增加土壤的次生盐渍化程度。

有机肥中有机氮所占总氮比例较高，有研究者发现植物残骸在腐烂过程中产生的有机氮占总氮的65%[31]，导致大量有机氮储存在土壤中。此外，施用鸡粪、猪粪、牛粪等有机肥后土壤总氮含量也存在差异性，牛粪施用后的土壤总氮含量明显高于鸡粪、猪粪施用后的土壤，这可能与有机肥中的有机物料本身性质有关。牛粪中含有较多杂草，杂草腐烂较慢，在腐烂过程中主要产生有机氮，Seitzinger等[20]发现植物残骸产生的氮降解率较低，仅为30%左右，使得大量难降解态氮保留在土壤中。

土壤中氮素形态除受到多种外界环境因素的影响[32]，同时也会受到土壤本身理化性质的影响[33]。肥料的施用会改变土壤的理化性质，促进土壤中氮形态的转换，引起不同形态氮含量的变化。研究结果表明，施用化肥和有机肥后，稻田土壤中有机质含量均有所增加，但是有机肥的施用对土壤有机质含量的提高显著，化肥施用对土壤有机质含量提高较小。张奇等[34]也研究表明，单施化肥与空白对照组相比，土壤有机质含量无显著差异，而施用有机肥土壤有机质含量显著提高，与本研究得出的结论一致。李彦等[35]研究发现，施用有机肥土壤有机质含量增加，但随着使用年限的增加，土壤有机质增加速率呈先增后减的趋势。土壤pH成为评价土壤生产潜力的重要因子，孟红旗等[36]研究发现，施加有机肥对土壤pH的影响与土壤的原始pH以及有机物料自身的性质有关，以Na+、Cl-、SO42-为主要盐基组分的畜禽粪便类物质更容易导致土壤酸化的加速[37]，而以Ca2+、Mg2+、SO42-为主要组分的畜禽粪便则可能减缓土壤酸化的速度[38]，本研究发现，施用有机肥能缓解土壤酸化，而施用化肥会加剧土壤的酸化，其中，所用鸡粪以Ca2+、Mg2+、SO42-为主，这也是鸡粪施用稻田土壤电导率较高的主要原因。

土壤中氮的赋存形态将直接影响其在环境中的生物地球化学行为进程和途径，由于氮形态的差异，导致其参与生物地球化学循环的作用也不相同[39]。研究结果发现，不同肥料施用后土壤中氮形态及含量发生较大变化。施用肥料能提高土壤总氮含量，特别是部分有机肥能显著提高土壤总氮含量。除施用鸡粪外，其他施肥条件下TF-N含量降低，NTF-N含量升高，表明施肥促进土壤中氮素的积累，加速土壤中氮的矿化进程。当外部环境发生变化时，TF-N可以释放氮并重新参与氮循环[40]，施肥后，IEF-N含量升高，WAEF-N含量变化较小，这主要与肥料的性质有关，IMOF-N、OSF-N含量降低，这可能是由于稻田土壤质地紧实，黏重，通气性较差有关造成的[41]。通过氮素之间的相关性分析表明，IEF-N和IMOF-N具有显著的负相关关系，表明IMOF-N可能部分转化为IEF-N；NTF-N与TN具有极显著相关性，表明NTF-N对TN贡献较大，氮素主要以NTF-N形态存在。

4 结 论

施用有机肥能显著提高土壤有机质含量，施用化肥土壤有机质含量提高较小。有机肥具有提高酸性土壤pH的作用，施用化肥在一定程度上会导致土壤酸化。化肥的施用会增强土壤的盐渍化程度，而有机肥的不当施用也可能会使土壤盐渍化，其影响有可能会高于化肥。肥料的施用对土壤氮素产生较大影响，施肥能提高土壤总氮含量，施用有机肥造成土壤总氮含量的提升高于化肥。肥料施用后TF-N含量变化较大(95.30～171.67 mg/kg)，IMOF-N、OSF-N含量降低，NTF-N含量升高，表明施肥导致部分TF-N向NTF-N转换化。所有施肥处理均可提高IEF-N含量，施用鸡粪使得土壤中TF-N含量升高，但是 IMOF-N、OSF-N含量降低；施用牛粪与猪粪可降低TF-N含量，也会使得IMOF-N、OSF-N含量降低，促使氮素向非可转化态氮转化；施用化肥可以提高土壤IEF-N含量，降低OSF-N含量。NTF-N与TN具有较好相关性(R=0.997，P<0.01)，表明NTF-N对土壤TN贡献较大。