2016, Vol. 37
2.重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716;
3.重庆市垫江环境监测站, 重庆 408300
2.Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment of Chongqing, Chongqing 400716, China;
3.Chongqing Dianjiang Environmental Protection Monitoring Station, Chongqing 408300, China
随着农业经济的快速发展和农村生活水平的迅速提高，有机废弃物如作物秸秆、 禽畜养殖粪便、 生活垃圾及污水处理站污泥产生量日益增加，给农村生活和生存环境造成巨大压力. 将这些有机废弃物农地利用不仅可以解决对有机废弃物处理不当引起的环境污染问题[1, 2]，还可以促进微生物繁殖、 改善土壤理化性质，从而提高土壤的肥力及促进作物的生长[3, 4]，是化肥减施、 培肥地力、 减少面源污染的主要途径之一[5].
目前，有机物料农地施用量大多情况是根据其含氮量确定的. 有机物料中的氮素有50%以上为有机态氮[6]，需经土壤中微生物的矿化作用转化为无机态氮后才能被植物所吸收利用[7]，研究土壤氮素矿化有助于明确土壤的供氮能力，确定作物的氮肥施用量. 土壤氮的矿化是一个复杂的过程，受多种因素的影响，关于温度、 水分、 土壤理化性质等因素对土壤氮矿化的影响已有大量研究[8~10]，对有机物料施用对土壤氮矿化影响的研究主要集中在有机物料的用量、 C/N、 氮含量等方面[11, 12]，关于有机物料中有机氮组分的影响研究较少，关于不同有机物料种类对不同性质土壤氮矿化影响的差异的研究更少. 紫色土是我国西南地区广为分布的一种主要农业土壤，该土壤普遍存在着氮素缺乏、 有机质含量低的现象[13]，施用有机物料是提高该土壤的肥力的有效方法之一； 根据紫色土的pH和碳酸钙含量可将其分为酸性、 中性和石灰性紫色土[14]. 本研究采用室内恒温好气培养试验，以西南地区有代表性的5种有机物料为材料，通过测定有机物料性质及酸性紫色土和石灰性紫色土中NH4+-N和NO3--N含量的变化，探讨不同有机物料对土壤氮矿化的影响及其在不同土壤中的差异，以期为该地区有机物料的合理施用提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土壤： 供试的2种土壤——酸性紫色土(APS)和石灰性紫色土(CPS)均采自重庆市北碚区西南大学试验农场0～20 cm的土壤. 土壤采回后置于室内风干，挑去细根，磨细过筛2 mm后用于培养试验和基本理化性质分析，其基本理化性质见表 1.
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表 1 供试材料的基本理化性质 Table 1 Basic physiochemical properties of tested materials |
供试有机物料： 猪粪沼渣(PM)、 牛粪沼渣(CM)、 污泥堆肥(SC)、 农村生活垃圾堆肥(堆肥过程中不添加污泥，RWC1)、 农村生活垃圾与污泥的堆肥产物(堆肥过程中添加20%的污泥，RWC2). 其中，PM和CM分别采自重庆某养猪场和某奶牛场，SC和两种RWC由本实验室提供，供试堆肥样品均达到腐熟程度. 有机物料磨细过0.9 mm筛后备用，其基本理化性质见表 1.
1.2 试验设计采用室内好气培养试验研究不同有机物料施入土壤后土壤氮素的矿化动态特征及其与土壤和有机物料的关系[15]. 试验共2种土壤，每种土壤设对照(不施有机物料，CK)和施用不同有机物料处理，共12个处理，每处理3次重复. 有机物料的施用量以1 kg干土添加80 mg氮计，等氮量施入.
称取风干过2 mm筛的土壤1.5 kg，分别与有机物料混匀后，用去离子水将含水量调到田间持水量的60%，装入1000 mL的广口塑料桶中，用塑料薄膜封口，并在塑料薄膜上用针扎适量小孔，再将广口塑料桶放置于培养箱中进行避光培养，培养温度为25℃±2℃. 每隔5 d用重量差减法补充水分使水分含量稳定. 分别于0(培养当天)、 1、 2、 3、 4、 6、 8、 12、 16周采取土样，分成两部分，一部分土用于测定土壤含水率，另一部分土用于测定土壤NH4+-N和NO3--N的含量.
1.3 测定项目与方法供试土壤和有机物料的pH、 全氮、 全磷、 全钾、 有机质的测定按照土壤农化分析常规方法进行[16]； 有机物料的有机氮分级采用Bremner[17]的土壤有机氮分级方法； 土壤和有机物料的NH4+-N用2 mol ·L-1的KCl浸提，采用靛粉蓝比色法[16]测定，NO3--N用1 mol ·L-1的KCl浸提，采用220 nm/275 nm双波长紫外分光光度法[18].
1.4 数据计算及处理方法 1.4.1 矿质氮量的计算[各时段矿质氮量=各时段NH4+-N含量+各时段NO3--N含量.
1.4.2 矿化量的计算[各时段氮素的矿化量=培养后该时段矿质氮量－培养前初始矿质氮量.
1.4.3 数据处理方法利用Excel 2003软件进行数据统计，用Origin 8.6软件作图，采用SPSS 17.0 软件对各指标进行方差分析和相关性分析，用LSD多重比较法进行差异显著性检验，显著水平设为0.05.
2 结果与分析 2.1 不同有机物料的有机氮组分根据Bremner[17]的土壤有机氮素形态分级方法，将有机物料中的有机氮分为酸解氮和非酸解氮，其中酸解氮又包括氨基酸态氮、 氨基糖态氮、 酸解铵态氮和酸解未知氮. 如表 2所示，5种有机物料中酸解氮占全氮的质量分数在80.67%~86.79%之间，以SC最高，CM最低，说明酸解氮是有机物料氮素的主要形态. 而酸解氮中，氨基酸态氮、 酸解未知氮、 酸解铵态氮、 氨基糖态氮占全氮质量分数分别为37.67%~43.79%、 8.63%~25.79%、 18.10%~25.08%、 0.66%~9.29%，4种酸解氮的高低顺序分别为SC＞RWC1＞RWC2＞PM＞CM，PM＞RWC2＞RWC1＞CM＞SC，SC＞RWC1＞PM＞RWC2＞CM，SC＞CM＞RWC2＞PM＞RWC1. 表明同种有机氮组分占全氮比例在不同有机物料中有较大的差异，这可能与有机物料本身性质有关. 除SC外，各种有机物料的有机氮组分占全氮比例的高低顺序为： 氨基酸态氮＞酸解未知氮＞酸解铵态氮＞非酸解氮＞氨基糖态氮，这与土壤有机氮组分的研究结果基本一致[20, 21].
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表 2 不同有机物料有机氮组分含量以及分布 Table 2 Contents and fractions of organic nitrogen in five organic materials |
2.2 有机物料对土壤NH4+-N、 NO3--N含量的影响
土壤中有机氮矿化的第一步是通过氨化作用形成NH4+-N. 从图 1看出，APS中，各处理NH4+-N含量变化趋势基本一致，即在培养的第1周内快速升高并达最大值，1~3周迅速降低，随后降低速度趋缓，第8周后基本趋于稳定； CPS中，不同处理NH4+-N含量的变化趋势存在差异，PM和CK的NH4+-N含量在培养的第1周先迅速升高，并达最大值，而后迅速降低，2周后降低速度趋缓，其余处理均呈现先迅速降低后缓慢降低，8周后趋于稳定的变化趋势. APS中培养初期NH4+-N含量快速升高可能与有机氮的氨化作用有关，而后期NH4+-N下降可能与土壤的硝化作用[22]和微生物的消耗[23]有关.
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图 1 不同有机物料对土壤NH4+-N含量的影响 Fig. 1 Effect of different organic materials on the NH4+-N content in two purple soils |
土壤类型、 有机物料种类及其交互作用对NH4+-N含量存在显著或极显著影响(表 3). 整个培养过程中，除培养起始时外，两种土壤NH4+-N含量均存在极显著差异，表现为APS>CPS，有机物料对NH4+-N含量的影响因土壤的不同而异. APS中，与CK相比，各施肥处理均显著提高了其NH4+-N含量(P＜0.05)，提高幅度为SC＞PM＞CM＞RWC2＞RWC1，其中，SC与PM、 CM与RWC2间的差异显著，而PM与CM，RWC2与RWC1间差异不显著(P＞0.05)； CPS中，PM和SC的NH4+-N含量在整个培养过程中显著高于CK，CM在培养的前6周甚至低于CK，从第8周才显著高于CK，而RWC1、 RWC2与CK差异不显著，各施肥处理中，PM显著高于其余4种施肥处理，SC显著高于CM、 RWC1和RWC2，而CM、 RWC1、 RWC2三者之间差异均不显著.
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表 3 土壤类型和有机物料种类及其交互作用对土壤NH4+-N、 NO3--N、 氮矿化量影响的方差分析 Table 3 Analysis of variance for the effects of soil types,organic materials and their interactions on NH4+-N,NO3--N and nitrogen mineralization |
土壤中的有机氮转化为NH4+-N后，在好氧条件下通过硝化作用转化为NO3--N，因而伴随土壤中NH4+-N含量的降低，土壤中NO3--N含量升高[19]. 从图 2看出，两种土壤的CK在前6周一直处于升高趋势，在第6周后基本趋于稳定； 各施肥处理NO3--N含量的变化趋势基本一致，大致分为3个阶段，先降低，再缓慢回升，后快速升高，但快速升高阶段发生的时间和变化幅度在两种土壤中有一定差异.
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图 2 不同有机物料对土壤NO3--N含量的影响 Fig. 2 Effect of different organic materials on NO3--N content in two purple soils |
方差分析表明(表 3)，培养过程中土壤类型、 有机物料种类及其交互作用对土壤NO3--N含量也存在显著或极显著的影响. 培养起始时，两种土壤NO3--N含量差异不明显，但随着培养试验的进行，APS与CPS中的NO3--N含量差异增大，且表现为APS＞CPS. 不同有机物料对土壤NO3--N含量的影响因土壤的不同而异. APS中，各施肥处理的NO3--N含量在第1周呈降低趋势，且均低于CK，1周后缓慢回升，但不同处理上升的速度不同. CM在16周时才显著高于CK，其余施肥处理从第3周显著高于CK，培养结束时，各施肥处理较CK提高幅度为SC＞RWC1＞RWC2＞PM＞CM，各施肥处理间SC与RWC1差异不显著，其余施肥处理间均达显著水平； CPS中，各施肥处理的NO3--N含量在第1周均呈降低趋势，1周后回升，从第8周开始快速升高，在第12周时PM和SC的NO3--N含量显著高于CK，但CM直至培养结束时，其NO3--N含量仍低于CK，而RWC1和RWC2从第8周开始迅速升高，并在第12周时显著高于CK，至培养结束时，除CM外的其余施肥处理较CK的提高幅度为SC＞RWC1＞RWC2＞PM，各施肥处理间的差异均达显著水平.
2.3 有机物料对土壤氮矿化量的影响土壤氮矿化量是指某一培养时间土壤矿质氮含量减去培养初始土壤矿质氮含量的差值，表示有机肥中有机氮和土壤本身有机氮的净矿化量[19]. 如图 3所示，土壤氮矿化量随培养时间的变化因土壤的不同而异. 在APS中，各处理的氮矿化量在前6周逐渐升高，第6周后，CK和CM处理趋于稳定，其余有机物料处理的氮矿化量快速升高，第16周时升高趋势趋缓； CPS中，CK和PM处理的氮矿化量在培养的前12周变化不明显，12周后，CK氮矿化量趋于稳定，而PM处理持续上升，其余处理的氮矿化量在培养的前4周下降，4周后迅速上升直至培养结束.
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图 3 不同有机物料对土壤氮矿化量的影响 Fig. 3 Effect of different organic materials on nitrogen mineralization in soils |
培养过程中，土壤、 有机物料对土壤氮矿化量存在极显著影响，土壤及有机物料的交互作用除在培养的第2、 3、 4周外也存在显著或极显著的影响(表 3). 培养过程中APS的氮矿化量均高于CPS，表明酸性紫色土中的氮素更易矿化. 有机物料对土壤氮素矿化的影响也因土壤的不同而异. APS中，培养前6周各施肥处理的土壤氮矿化量低于CK，培养第8周起，CM与CK间差异不显著，其余处理氮矿化量显著高于CK和CM处理，培养结束时，施肥处理的土壤氮矿化量较CK提高了0.25~2.22倍，除CM未达到显著水平以外，提高幅度均达显著水平，不同有机物料间土壤氮矿化量表现为SC＞RWC1＞PM＞RWC2＞CM，其中SC与RWC1差异不显著，但显著高于PM，PM与RWC1及RWC2差异均不显著. CPS中，PM处理在培养的前4周与CK差异不显著，培养第6周和第8周显著低于CK，12周后又高于CK； 其余4个有机物料处理在培养的前12周氮矿化量低于CK，培养第12周后逐渐升高，培养结束时，除CM处理低于CK以外，其余处理较CK提高1.80~2.71倍，不同有机物料的氮矿化量的顺序为SC＞RWC2＞PM＞RWC1＞CM，其中，SC、 RWC2、 PM、 RWC1间氮矿化量差异不显著，但均显著高于CM. 酸性紫色土中前期氮矿化量很低，石灰性紫色土中甚至还有固持现象，可能是因为在培养前期微生物增殖过程消耗一定量的矿质氮，导致氮矿化速率相对较慢[24]，或由于有机物料添加量少，微生物固定了大多数氮导致土壤不易释放矿质氮有关[1]. 因此在施用有机物料时，作物生长的前期应补充速效氮肥，根据两种土壤氮矿化量的进程，APS和CPS分别在前6周和12周应配合速效氮肥.
2.4 有机物料和土壤性质对土壤氮矿化量的影响 2.4.1 土壤性质对土壤氮矿化量的影响研究表明，土壤性质对土壤氮矿化有显著或极显著的影响，土壤的氮矿化量因土壤类型不同而异[25]. 赵长盛等[26]、 Asadiyan等[27]、 Jia等[28]报道了土壤氮矿化量与土壤有机质含量呈显著正相关关系，Urakawa等[29]研究表明，土壤pH越低，氮矿化量越多. 李平等[23]发现由于土壤中存在对氮矿化的反馈机制，较高的无机氮初始值会限制土壤氮的矿化，在一定程度上减少氮的矿化量. 本研究中，两种土壤的有机质含量、 C/N和总氮及无机氮总量差异不大(表 1)，同种有机物料处理土壤的氮矿化量表现为APS＞CPS，可能与APS有较低的土壤pH有关. 此外，在碱性环境中NH4+-N会以NH3的形式挥发也可能是CPS氮矿化量较低的原因之一[1].
2.4.2 有机物料性质及有机氮组分对土壤氮矿化量的影响有机物料的性质也是影响土壤氮矿化的重要因素. 有机物料的特性决定了其施入土壤后的矿化行为，因而不同有机物料施用后土壤的氮矿化行为也有差异. 为弄清有机物料性质对土壤氮矿化的影响，本研究对二者进行了相关性分析，结果见表 4，培养16周后，两种土壤的氮矿化量与有机物料的pH、 全氮、 全磷、 全钾、 铵态氮和硝态氮的相关性均未达显著水平，但与有机物料的有机质含量和C/N分别呈显著(P＜0.05)和极显著(P＜0.01)负相关，这与Li等[30]的研究结果一致，表明同种土壤中不同有机物料处理间氮矿化量的差异可能与有机物料的C/N及有机质含量的差异有关[4, 31]. 本研究中，CM的C/N和有机质含量较其他有机物料高，而该处理的氮矿化量较其他有机物料处理低证实了上述结果，这可能是由于其碳源丰富，矿质氮的生物固持作用大于有机氮的矿化作用所致[32].
目前，关于有机物料中有机氮组分对土壤氮矿化影响的研究报道较少. 表 4表明，培养16周后，两种土壤的氮矿化量与有机物料中酸解氮含量呈正相关，与非酸解性氮含量呈负相关，均未达显著水平，但两种土壤的氮矿化量与酸解氮中的氨基酸态氮和酸解铵态氮含量均呈显著正相关，表明添加有机物料后土壤氮矿化量主要来自物料中的氨基酸态氮和酸解铵态氮，这与杜晓玉等[33]、 Li等[34]的研究结果基本一致.
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表 4 土壤氮矿化量与有机物料性质及其有机氮组分的相关分析 1) Table 4 Correlation coefficient between soil nitrogen mineralization and the properties and organic nitrogen forms of organic materials |
3 结论
(1)5种有机物料中酸解氮占全氮的比例在80.67%~86.79%之间. 除污泥堆肥以外，其余有机物料有机氮组分含量及其占全氮比例为： 氨基酸态氮＞酸解未知氮＞酸解铵态氮＞非酸解氮＞氨基糖态氮，且同种有机氮组分占全氮比例在不同有机物料间差异较大.
(2)有机物料对土壤氮矿化的影响因土壤不同而异. 经过16周好气培养，5种有机物料使酸性紫色土的NH4+-N和NO3--N的含量均显著提高，而石灰性紫色土中，猪粪沼渣和污泥堆肥使NH4+-N含量显著提高，牛粪沼渣却使NO3--N含量降低. 牛粪沼渣对酸性紫色土氮矿化量的影响不显著，却使石灰性紫色土的氮矿化量降低，其余4种有机物料均能明显提高两种土壤的氮矿化量. 因此，当牛粪沼渣施用于农地时，应加大作为基肥的比例.
(3)有机物料施入土壤后，酸性紫色土在前6周矿化量较低，石灰性紫色土在前12周都表现为固持. 因此，酸性紫色土和石灰性紫色土分别在前6周和12周应配合速效氮肥. 同一有机物料处理，土壤的氮矿化量表现为酸性紫色土高于石灰性紫色土，这可能与土壤pH有关.
(4)土壤氮矿化量与有机物料的有机质含量和C/N呈显著负相关，与有机物料中的氨基酸态氮和酸解铵态氮呈显著正相关，表明土壤氮矿化量受有机物料的有机质含量、 C/N和氨基酸态氮和酸解铵态氮的影响.