楊 靜, 楊文浩,2, 李思葦, 周碧青,2, 毛艷玲,2, 邢世和,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2.土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002)

可溶性氮(soluble nitrogen, SN)是指土壤中可以溶于水或鹽溶液的氮，包括可溶性有機(jī)氮(soluble organic nitrogen, SON)和可溶性無機(jī)氮(soluble inorganic nitrogen, SIN)，是土壤氮庫最活躍的組分之一[1].一方面，SN是土壤的有效養(yǎng)分，可直接或通過轉(zhuǎn)化后被植物吸收[2]；另一方面，SN的移動性強(qiáng)，易隨著降水和地表水進(jìn)入水體，引起環(huán)境污染[3].近年來，國內(nèi)外對土壤中SIN的含量、遷移、轉(zhuǎn)化及其對生態(tài)環(huán)境的影響等進(jìn)行了大量研究[4-6]，而對SON轉(zhuǎn)化的研究則相對較少.土壤SON在土壤氮庫中占有重要地位，參與了土壤氮素礦化過程，是土壤有機(jī)質(zhì)礦化和SIN固定過程的中間氮庫，其含量可作為土壤供氮能力的基礎(chǔ)指標(biāo)[5].因此，要準(zhǔn)確地評價土壤供氮能力，應(yīng)綜合考慮土壤SON和SIN的動態(tài)變化及其相關(guān)關(guān)系.

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人們對自身健康的重視，對反季節(jié)蔬菜的需求量日益增加.萵苣是經(jīng)濟(jì)效益相對較高的反季節(jié)蔬菜之一，在生長過程中對氮鉀元素的需求量大，而我國南方反季節(jié)蔬菜基地多處高山地區(qū)，新墾基地土壤中有機(jī)質(zhì)和速效氮的含量普遍偏低，不利于萵苣的生長發(fā)育.因此，本研究以新墾的高山反季節(jié)蔬菜地為研究對象，根據(jù)萵苣的需肥特征，設(shè)計(jì)萵苣專用炭基肥，探討萵苣生長期間施用不同用量炭基肥后土壤SON、SIN、可溶性有機(jī)氮轉(zhuǎn)化率(soluble organic nitrogen conversion rate,Vk)的動態(tài)變化及相關(guān)關(guān)系，揭示施用炭基肥后土壤SN組成的變化及影響因素，旨在為反季節(jié)蔬菜地合理施肥、提高氮素的利用效率提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省寧德市古田縣泮洋鄉(xiāng)豐融果蔬專業(yè)合作社(118°90′29″E，26°52′69″N)，海拔1 050 m，夏日平均氣溫14～24 ℃，日照長，晝夜溫差大，利于反季節(jié)蔬菜生長.供試土壤為山地紅壤，土壤pH為6.24，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量分別為16.70 g·kg-1、64.14 mg·kg-1、36.56 mg·kg-1和518.36 mg·kg-1.

1.2 炭基肥的制備

本試驗(yàn)施用的炭基肥由銀耳廢菌棒生物炭與化肥混合制備而成.以銀耳廢菌棒為原料，在生物炭化爐中于600 ℃厭氧條件下熱解1.5 h制備成生物炭，供試生物炭的養(yǎng)分含量為：31 g·kg-1全氮量、19 g·kg-1全磷量、21 g·kg-1全鉀量.選用的化肥分別為尿素(460 g·kg-1N)、鈣鎂磷肥(160 g·kg-1P)和氯化鉀(600 g·kg-1K)，粘結(jié)劑為羥丙基二淀粉磷酸酯.具體制備流程如下：根據(jù)萵苣的養(yǎng)分需求，將33.0%生物炭、22.0%尿素、31.0%鈣鎂磷肥、13.0%氯化鉀以及1%粘結(jié)劑放入混勻機(jī)中，添加8%水，充分混勻后將混合料緩緩地放入造粒機(jī)中造粒，造粒機(jī)轉(zhuǎn)速為600～800 r·min-1，直至混合料成型為止.將造粒好的炭基肥晾干備用，炭基肥中N、P2O5和K2O的含量分別為111.43、232.51和182.77 g·kg-1，pH為8.90，含水量為8.0%.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)種植的蔬菜為萵苣，于2018年3月17日移栽，5月17日收獲.萵苣種植密度為80 040株·hm-2，行距40 cm，株距33 cm，每小區(qū)種植20行.試驗(yàn)設(shè)置如下4個處理.(1)常規(guī)施肥(CK)：750 kg·hm-2化肥+2.5 t·hm-2有機(jī)肥；(2)低量炭基肥(T1)：375 kg·hm-2炭基肥+2.5 t·hm-2有機(jī)肥；(3)中量炭基肥(T2)：750 kg·hm-2炭基肥+2.5 t·hm-2有機(jī)肥；(4)高量炭基肥(T3)：1 500 kg·hm-2炭基肥+2.5 t·hm-2有機(jī)肥，每個處理3個重復(fù)，小區(qū)面積為10 m2，采用隨機(jī)區(qū)組排列.供試有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量分別為239 g·kg-1、177 mg·kg-1、142.1 mg·kg-1和783 mg·kg-1.供試化肥為山東沃特夫復(fù)合肥有限公司生產(chǎn)的“硫酸鉀”型復(fù)合肥，總養(yǎng)分≥45%(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15).各處理肥料在萵筍移栽前作為基肥一次性施入.

1.4 樣品的采集與分析

分別于2018年3月27日、4月7日、4月17日、4月27日、5月7日、5月17日采集各處理耕層(0～20 cm)土壤混合樣品，一部分鮮樣直接用于生化指標(biāo)的測定，另一部分經(jīng)風(fēng)干過篩后用于土壤理化性質(zhì)的測定.土壤理化性質(zhì)采用土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法[12]測定；土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法[13]測定；土壤SON采用70 ℃熱水浸提，SN與SIN差減法[14]獲得，其中，SN和SIN的含量分別采用TOC-L CHP CN200型總有機(jī)碳分析儀(日本島津儀器有限公司)和San++連續(xù)流動分析儀(荷蘭SKALAR儀器有限公司)測定；土壤細(xì)菌總量采用熒光定量PCR分析方法[15]測定.

1.5 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

有關(guān)參數(shù)按以下公式計(jì)算：

2 結(jié)果與分析

2.1 施用炭基肥對土壤SN含量的影響

萵苣生長期間不同用量炭基肥處理土壤中的SN含量均呈“M”形的變化趨勢，而CK處理則呈“∧”形的變化趨勢(圖1).0～20 d，不同施肥處理土壤中的SN含量逐漸增加，表現(xiàn)為：CK處理>T3處理>T2處理>T1處理，CK處理的SN含量在萵苣移栽20 d后達(dá)到峰值，顯著高于施用炭基肥處理(P<0.05)，分別較T1、T2和T3處理提高37.65%、30.87%和5.23%.20～30 d，不同施肥處理土壤中的SN含量有所降低，表現(xiàn)為：CK處理>T3處理>T2處理>T1處理.30～40 d，CK處理土壤中的SN含量繼續(xù)呈下降趨勢，但施用炭基肥處理的SN含量則快速增加，在萵苣移栽40 d后達(dá)到峰值，此時T3處理的SN含量最高，與CK相比提高39.04%，差異達(dá)顯著水平(P<0.05).40～60 d，不同施肥處理土壤中的SN含量均逐漸降低，表現(xiàn)為：T3處理>T2處理>CK處理>T1處理.可見，與常規(guī)施肥相比，施用高量炭基肥(T3)處理在整個萵苣生長期間，尤其在萵苣生長的中后期更有利于提高土壤中的SN含量.

2.2 施用炭基肥對土壤SIN含量的影響

圖1 不同采樣期不同施肥處理土壤SN含量的動態(tài)變化

Fig.1 Dynamic changes of soil SN content under different fertilization treatments over different sampling periods

2.3 施用炭基肥對土壤SON含量的影響

萵苣生長期間不同用量炭基肥處理土壤中的SON含量總體呈現(xiàn)升高的變化趨勢，而CK處理則表現(xiàn)為先增加后降低的變化趨勢(圖4).0～20 d，不同施肥處理土壤中的SON含量逐漸增加，表現(xiàn)為：CK處理>T3處理>T2處理>T1處理，CK處理的SON含量在萵苣移栽20 d后達(dá)到峰值，顯著高于施用中、低量炭基肥處理(P<0.05)，較T1和T2處理分別提高26.13%和23.21%，但與T3處理的差異不顯著.20～30 d，不同施肥處理土壤中的SON含量有所降低，表現(xiàn)為：T3處理>CK處理>T2處理>T1處理.30～60 d，CK處理土壤中的SON含量繼續(xù)逐漸降低，而施用炭基肥處理則逐漸增加，在萵苣移栽60 d后達(dá)到峰值.與CK處理相比，萵苣移栽60 d后施用炭基肥處理顯著提高土壤中的SON含量(P<0.05)，T1、T2和T3處理的SON含量分別較CK處理提高25.85%、33.31%和89.51%，T3處理的SON含量顯著高于T1和T2處理，但T1處理與T2處理間的差異不顯著.可見，等量施肥的前提下，施用炭基肥處理更有利于土壤SON的累積，尤其是施用高量炭基肥(T3)處理在萵苣生長的中后期顯著提高土壤SON含量.

2.4 施用炭基肥對土壤SN轉(zhuǎn)化的影響

不同施肥處理顯著影響土壤SN的轉(zhuǎn)化過程(圖5).CK處理土壤中的Vk隨著萵苣的生長逐漸降低，而施用炭基肥處理的Vk則隨著萵苣生長呈“M”形的變化趨勢.10～20 d，施用炭基肥處理土壤中的Vk逐漸提高，萵苣移栽20 d后，T1、T2和T3處理的Vk分別比CK處理低3.81、3.40和1.55 mg·kg-1·d-1，且CK處理與施用炭基肥處理間均有顯著差異.20～30 d，施用炭基肥處理土壤中的Vk逐漸降低，萵苣移栽30 d后，T1和T2處理的Vk降至負(fù)值，且顯著低于CK處理，說明該時期T1和T2處理土壤氮素的固定量大于礦化量，而T3處理與CK處理間的差異不顯著.30～40 d，施用炭基肥處理土壤中的Vk快速上升，至40 d達(dá)到峰值.萵苣移栽40 d后， T3處理土壤中的Vk顯著大于CK，是CK處理的2.22倍，T2處理與CK處理間的差異不顯著，但T1處理顯著低于CK處理.40～60 d，不同施肥處理土壤中的Vk逐漸降低并趨于0，期間T3處理的Vk顯著高于CK處理，T2、T1處理與CK處理間的差異不顯著.至萵苣成熟采摘時不同施肥處理土壤累積凈氮礦化量為8.72～80.91 mg·kg-1，不同施肥處理土壤累積凈氮礦化量的變化趨勢為：T3處理>T2處理>CK處理>T1處理.與CK處理相比，T3處理顯著提高土壤累積凈氮礦化量(P<0.05)，較CK處理提高145.66%；T2處理的土壤累積凈氮礦化量較CK處理提高42.55%，但差異未到顯著水平；T1處理的土壤累積凈氮礦化量僅為CK處理的26.47%，差異達(dá)顯著水平.可見，萵苣生長前期CK處理土壤中的Vk較高，但在等量施肥的前提下，施用炭基肥處理在萵苣生長后期更有利于土壤SON的轉(zhuǎn)化，尤其是高量炭基肥(T3)處理顯著增加土壤累積凈氮礦化量.

圖4 不同采樣期不同施肥處理土壤SON含量的動態(tài)變化

Fig.4 Dynamic changes of soil SON content under different fertilization treatments over different sampling periods

2.5 不同用量炭基肥條件下土壤SN轉(zhuǎn)化的影響因素

采用灰色斜率關(guān)聯(lián)分析模型探討不同炭基肥處理土壤Vk、SIN含量、SON含量與氣溫、土壤性質(zhì)等可能影響因子的關(guān)系(圖6)，揭示萵苣生長期間不同炭基肥處理土壤SN轉(zhuǎn)化的影響因子.結(jié)果表明，脲酶活性、細(xì)菌數(shù)量與土壤SON含量的關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.832和0.826，在所有可能的影響因子中與SON含量的關(guān)聯(lián)度最高，其次為土壤有機(jī)質(zhì)含量，關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.804.土壤SIN含量與脲酶活性的關(guān)聯(lián)度最高，關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.825，其次為土壤有機(jī)質(zhì)含量和細(xì)菌數(shù)量，分別為0.760和0.753.萵苣生長期間不同炭基肥處理土壤Vk的影響因子與SIN含量大致相同.土壤脲酶活性對Vk的影響最為顯著，關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.822，其次為細(xì)菌數(shù)量和土壤有機(jī)質(zhì)含量，關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.783和0.780.可見，在萵苣生長期間不同炭基肥處理土壤SN的轉(zhuǎn)化過程受氣溫和土壤性質(zhì)等一系列因素的影響，并主要受土壤脲酶活性、細(xì)菌數(shù)量和有機(jī)質(zhì)含量的顯著影響.

3 討論

3.1 施用炭基肥對土壤SN庫的影響

本研究中，萵苣生長期間不同施肥處理土壤SN的動態(tài)變化規(guī)律有所不同.萵苣生長前期，CK處理土壤中SN組分的含量快速增加，后期快速下降，而施用炭基肥處理的SN組分含量在萵苣生長前期均有所增加，中后期則更有利于SON的累積.這可能是由于萵苣對氮素的吸收及所施用肥料的分解速率不同所致.0～20 d，各處理有機(jī)肥中易礦化的有機(jī)物質(zhì)不斷礦化，釋放出的SIN和SON含量相對較高[25]，而萵苣定植后的一段時期內(nèi)植株較小，根系不發(fā)達(dá)，吸收利用的氮素較少，導(dǎo)致該階段土壤中的SN含量較高；此外，CK處理中的尿素施入土壤后在微生物和脲酶的作用下快速分解，釋放出大量SN[8]，因此，CK處理0～20 d的土壤SN各組分含量均維持在較高的水平.20～30 d，施入土壤的有機(jī)肥中易分解的有機(jī)物質(zhì)已基本分解，分解速率降低；此外，此時期為萵苣處于生長旺盛的蓮座期，對氮素的吸收利用增強(qiáng)[26]，導(dǎo)致土壤SN含量降低.30～40 d，CK處理土壤中的SN各組分含量均繼續(xù)下降，而施用炭基肥處理則大幅度增加，這主要是由于炭基肥對養(yǎng)分具有緩釋作用[27].40～60 d，萵苣處于肥莖期，莖部逐漸伸長并加粗，是生長量最大的時期，對氮素的需求量也最大，致使該時期土壤中的SIN含量快速降低.但該時期試驗(yàn)區(qū)的氣溫較高(22～26 ℃)，土壤中的有機(jī)質(zhì)仍維持較高的礦化能力[28]，T1、T2和T3處理土壤中的有機(jī)質(zhì)含量分別為 28.35～29.54、29.28～31.29和30.03～33.84 g·kg-1，微生物豐富，其數(shù)量和活性均處于較高的水平(每克土細(xì)菌的拷貝數(shù)為6.85×107～4.08×108)，促進(jìn)復(fù)雜的大分子有機(jī)氮降解產(chǎn)生小分子的SON[23]；此外，該時期各處理的Vk趨于0(圖5)，致使40～60 d施用炭基肥處理土壤中的SON含量有所增加.

3.2 施用炭基肥后土壤SN轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素

土壤SN的轉(zhuǎn)化過程主要是由微生物參與的生物化學(xué)過程，向土壤中施入氮肥會改變土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)，影響土壤SN轉(zhuǎn)化的過程[29].本研究結(jié)果表明，不同施肥處理土壤Vk有所不同(圖5)，萵苣生長前期CK處理的Vk較高，而在等量施肥的前提下萵苣生長中后期則表現(xiàn)為炭基肥處理的Vk更高，這主要是因?yàn)橥寥赖剞D(zhuǎn)化是由土壤微生物和酶參與的有機(jī)氮分解過程.灰色斜率關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明：土壤中的細(xì)菌數(shù)量、脲酶活性與Vk的關(guān)聯(lián)度較高，關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.783和0.822；CK處理中施用的尿素被優(yōu)先分解轉(zhuǎn)化為SIN，顯著提高土壤的Vk，而炭基肥的施用增加了土壤有機(jī)碳含量(平均較CK提高16.84%)，為土壤微生物的活動和繁殖帶來了豐富的碳源和能量，土壤中的SIN被微生物吸收同化而固持，進(jìn)而提高土壤的固氮能力，減緩?fù)寥赖氐牡V化速率[8].隨著萵苣種植時間的延長，CK處理易分解的有機(jī)氮逐漸被轉(zhuǎn)化，能量和營養(yǎng)物質(zhì)逐漸被消耗，微生物的數(shù)量和活性逐漸降低(每克土細(xì)菌的拷貝數(shù)由施肥時期的7.32×107降至3.37×106)，導(dǎo)致有機(jī)氮的礦化速率逐漸降低；而施用的炭基肥具有氮素礦化緩釋作用[8]，在萵苣生長的中后期持續(xù)緩慢地礦化.因此，在萵苣生長的中后期施用炭基肥有利于土壤SN的轉(zhuǎn)化.

土壤凈氮礦化量是指一定時間內(nèi)土壤SIN含量的凈變化量，可以反映土壤的供氮能力[30].本研究結(jié)果表明，在等量施肥的前提下，施用炭基肥有利于有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為SIN，尤其是施用高量炭基肥.這主要是由于在一定時間內(nèi)，SIN含量主要取決于有機(jī)氮源的量并受微生物活動的影響[31].灰色斜率關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，土壤SIN含量主要受脲酶活性、細(xì)菌數(shù)量和有機(jī)質(zhì)含量的影響，關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.825、0.753和0.760.高量炭基肥處理為供試土壤提供豐富的碳源(673.13 kg·hm-2)和氮源(178.70 kg·hm-2)，碳源和氮源分別較CK處理提高326.55和54.60 kg·hm-2，有利于土壤微生物的繁殖，從而提高土壤中的細(xì)菌數(shù)量和脲酶活性，萵苣生長期間高量炭基肥處理土壤中的細(xì)菌數(shù)量和脲酶活性較CK處理分別提高211.41%和83.32%，從而促進(jìn)土壤有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為SIN.此外，炭基肥可對氮素礦化產(chǎn)生緩釋作用且炭基肥的多孔結(jié)構(gòu)有利于氮素吸持，可以減少氮的淋溶損失[32]，從而利于SIN的累積.

4 結(jié)論

本試驗(yàn)在萵苣生長期間施用炭基肥，研究耕層土壤SN含量和組分的動態(tài)變化，探討了影響SN轉(zhuǎn)化的影響因素，主要結(jié)論有：(1)在萵苣生長期間施用炭基肥可提高土壤SN及其組分的含量，尤其是在萵苣生長的中后期，可以顯著提高土壤SON含量.(2)在等量施肥的前提下，施用炭基肥有利于土壤SN的轉(zhuǎn)化，尤其是施用高量炭基肥處理，其土壤累積凈氮礦化量顯著高于CK處理.(3)土壤SN的轉(zhuǎn)化過程主要受脲酶活性、細(xì)菌數(shù)量和有機(jī)質(zhì)含量的影響.

由于炭基肥的肥效較長，而萵苣的生長周期較短，故本研究尚未針對炭基肥整個分解過程對土壤SN的含量、組成、轉(zhuǎn)化以及對后作氮素吸收的影響等開展深入研究，未來應(yīng)重視炭基肥的養(yǎng)分釋放規(guī)律、施用后對土壤氮庫及作物吸收的長期影響等領(lǐng)域的研究，從而為炭基肥的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù).