孟凡非，付 雨，楊 成，袁華冠，彭 艷，劉濤澤，羅緒強

(1.貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025；2.貴州省職業(yè)教育公共實訓(xùn)中心,貴陽 551400；3.貴州師范學(xué)院地理與資源學(xué)院,貴陽 550018)

【研究意義】氮素是植物生命活動必需的營養(yǎng)元素，不同形態(tài)的氮對植物的生長發(fā)育均具有重要的調(diào)節(jié)作用[1-2]。稻田作為我國耕地的主要利用方式之一，其生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染一直備受關(guān)注[3]。稻田土壤和水接觸密切，不同形態(tài)氮之間的轉(zhuǎn)化也較為密切，開展不同肥料施用后稻田土壤中各形態(tài)氮的研究，揭示肥料施加對土壤中氮形態(tài)的影響，對提高肥料利用率，從源頭減少稻田氮素流失，控制農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。【前人研究進展】在農(nóng)業(yè)活動過程中，為提高作物產(chǎn)量，大量的氮素被投放到土壤中。已有研究表明，我國氮肥的利用率較低，僅30%～35%，每年造成1000多萬t的氮素流失[4-6]。肥料的大量流失造成我國63%以上的河流處于富營養(yǎng)化狀態(tài)[7]，地表水中50%以上的氮營養(yǎng)鹽來自于農(nóng)業(yè)面源污染[8]。然而并非所有形態(tài)的氮素都易于參與到土壤—水體中的氮循環(huán)，氮的賦存形態(tài)決定氮流失的難易程度與氮的流失量[9-10]。【本研究切入點】目前針對氮賦存形態(tài)的研究主要集中在土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性氮、總氮等方面[11-13]，而對于不同肥料施用后土壤可轉(zhuǎn)化態(tài)氮及非可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的研究相對較少[14]。因此，以雞糞、豬糞、牛糞、化肥施用后的稻田土壤為研究對象，采用馬紅波等[15]提出的逐級分離浸取的方法，對不同肥料施用后稻田土壤中氮的賦存形態(tài)進行研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探究不同類型肥料施用后稻田土壤中不同形態(tài)氮含量差異，揭示不同肥料施用對稻田土壤氮形態(tài)的影響。通過研究，更好地了解不同肥料施用后稻田土壤氮素形態(tài)變化特征，為農(nóng)田土壤氮素流失的控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤選自貴州民族大學(xué)校園內(nèi)一荒草地，土壤類型主要為黃壤。土壤的基本理化性質(zhì)：pH為5.72，電導(dǎo)率(EC)為106.30 μS/cm，有機質(zhì)(OM)含量為80.75 g/kg，總氮含量(TN)為0.97 g/kg，總磷含量(TP)為1.70 g/kg，有效磷含量(A-P)為11.87 mg/kg，總鉀(TK)含量為6.45 g/kg。供試化肥為湖北某公司生產(chǎn)，其氮磷鉀含量分別為25%、10%和16%；有機肥為腐熟的雞糞、豬糞和牛糞，均為附近農(nóng)戶提供，其有效成分含量見表1。

表1 供試有機肥的有效成分含量

1.2 試驗設(shè)計

參考汪吉東等[16]在水稻種植試驗時的施肥量，按照等氮量原則施純氮270 kg/hm2，分別施用雞糞46 232.77 kg/hm2、豬糞65 540.82 kg/hm2、牛糞54 683.59 kg/hm2及化肥1080.00 kg/hm2，以不施肥為對照，共設(shè)5個處理，每處理3次重復(fù)。將供試土壤混合均勻后過5 mm土壤篩，稱取過篩后的土壤50 kg，裝入半徑為50 cm、深度為30 cm的不銹鋼盆中，每盆加入40 L收集好的雨水，將盆中土壤攪拌均勻，按試驗設(shè)計分別盆施計算好的雞糞3.63 kg、豬糞5.14 kg、牛糞4.29 kg及化肥0.085 kg，施肥1周后移栽水稻，種植時只施一次基肥，不施追肥。每隔一段時間補入等量雨水，水稻成熟后等水分自然蒸發(fā)，土壤變干后采集盆中土壤測定。

1.3 土壤測定指標與方法

水稻成熟土壤變干后，每盆按梅花形5點取樣，采集表層0～20 cm土壤混合均勻后，采用四分法獲得1個土壤樣品，共采集15個樣品。樣品自然風(fēng)干，將每處理土壤混合均勻后用四分法取1/4用研缽進行研磨，過60目和100目篩，60目用于土壤pH和電導(dǎo)率(EC)的測定，100目用于土壤有機質(zhì)(OM)、土壤中的氮素及土壤總氮(TN)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理，Origin 9.0軟件進行圖件的繪制，SPSS 18.0軟件進行差異性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤的基本理化性質(zhì)

從表2看出，未施肥處理的稻田土壤pH為5.60，為偏酸性土壤；不同肥料施用后稻田土壤整體呈現(xiàn)弱酸性，pH在5.47～6.58，雞糞、豬糞、牛糞施用后土壤的pH均有所提高，表明有機肥具有提高酸性土壤pH的作用。土壤有機質(zhì)含量是判斷土壤肥力的重要指標之一，與對照相比，雞糞、豬糞、牛糞施用后土壤有機質(zhì)含量提升較高，分別提高1.18%、9.00%和0.91%，其中，施用牛糞的處理有機質(zhì)含量最高，為95.87 g/kg，顯著高于其他處理；化肥施用后有機質(zhì)含量提升較低，僅0.19%；除施用牛糞外，各處理間有機質(zhì)含量差異均不顯著。與不施肥組相比，各施用處理的土壤電導(dǎo)率均高于對照，其中，化肥施用的土壤電導(dǎo)率增加較低，施用3種有機肥施用后土壤的電導(dǎo)率則明顯增加，各處理土壤電導(dǎo)率為雞糞>牛糞>豬糞>化肥>CK，表明施肥有可能會增加稻田土壤的鹽漬化程度，土壤總磷含量在1.68～1.86 g/kg，以施用牛糞的最高，各處理表現(xiàn)為牛糞>雞糞>豬糞>化肥>空白，但處理間土壤總磷含量差異不顯著。土壤中總鉀含量在10.16～11.45 g/kg，以化肥施用的最高，為11.45 g/kg，這主要是由于化肥中鉀含量較高造成。

表2 水稻不同施肥處理土壤的基本理化性質(zhì)

2.2 土壤各形態(tài)氮的含量

2.2.1 土壤總氮含量 從圖1看出，稻田土壤總氮含量排序依次為牛糞>雞糞>豬糞>化肥>CK，各施肥處理土壤總氮含量均高于CK。雞糞、豬糞、牛糞3種有機肥施用后土壤總氮含量存在差異性，以施用牛糞的稻田土壤總氮含量最高，達1.90 g/kg，較CK高77.07%，這可能與有機肥中的有機物料本身性質(zhì)有關(guān)，牛糞中含有較多雜草，雜草腐爛較慢，產(chǎn)生的氮降解率較低，發(fā)現(xiàn)植物殘骸使得大量難降解態(tài)氮保留在土壤中所致[20]；施用雞糞和豬糞的稻田土壤總氮含量顯著低于牛糞的。施用3種有機的土壤總氮含量均高于化肥，表明化肥對土壤總氮貢獻較小。施用化肥的稻田土壤總氮含量較CK高6.68%，兩者間差異不顯著。

圖1 不同施肥處理稻田土壤的總氮含量

圖2 不同施肥處理稻田土壤的可轉(zhuǎn)換態(tài)氮含量

2.2.3 土壤不可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量 從圖3看出，NTF-N含量在753.56～1931.86 mg/kg，平均為1162.22 mg/kg，各處理土壤中NTF-N平均含量為牛糞(1803.20 mg/kg)>豬糞(1154.80 mg/kg)>雞糞(1098.41 mg/kg)>化肥(942.92 mg/kg)>CK(811.74 mg/kg)，施肥處理土壤NTF-N均高于CK(811.74 mg/kg)，表明施肥后，部分TF-N轉(zhuǎn)化成NTF-N保存在土壤氮庫中。整體看，稻田土壤中的氮主要以NTF-N形態(tài)存在。

圖3 不同施肥處理稻田土壤中的不可轉(zhuǎn)換態(tài)含量

2.3 土壤各形態(tài)氮組分

從表3看出，各施肥處理的IEF-N占TF-N比例為13.28%～50.22%，均高于CK(7.52%)，表明施肥后IEF-N所占比例呈增加趨勢，以雞糞占比例最高，其次是化肥，豬糞較低。各處理WAEF-N占TF-N比例最低，為4.61%～7.07%，以牛糞的最高，其余依次為豬糞>CK>化肥>雞糞。IMOF-N、OSF-N占TF-N比例較高，分別為17.78%～40.23%和27.38%～46.18%，其中，IMOF-N占TF-N的排序為化肥(CK>牛糞>豬糞>雞糞，OSF-N為CK>豬糞>牛糞>化肥>雞糞，表明施肥后IMOF-N、OSF-N所占TF-N的比例呈降低的趨勢。施肥后稻田土壤TF-N形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化，向產(chǎn)生IEE-N或NTF-N形態(tài)轉(zhuǎn)化。各施肥處理中TF-N占TN的比例為5.06%～13.60%，除雞糞外均低于CK，表明種植水稻后TF-N含量降低，排序為雞糞>CK>化肥>豬糞>牛糞。各處理NTF-N占TN比例最高，為86.40%～94.94%，說明施肥后土壤 TN 的增加主要來自于NTF-N，各處理排序為牛糞>豬糞>化肥>CK>雞糞。

表3 不同施肥處理稻田土壤中各形態(tài)氮占比

2.4 不同氮形態(tài)間的相關(guān)性

從表4看出，IEF-N和IMOF-N具有較好負相關(guān)關(guān)系(R=-0.524，P<0.05)，結(jié)合IEF-N和IMOF-N的含量與組分特征，得出稻田土壤中施加肥料后，導(dǎo)致部分IMOF-N向IEF-N轉(zhuǎn)變。IEF-N和TF-N具有顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.905，P<0.01)，一方面表明IEF-N對TF-N影響較大，另一方面表明TF-N 與WAEF-N、IMOF-N、OSF-N相關(guān)性較差，WAEF-N、IMOF-N、OSF-N對TF-N影響較小，主要是由于IEF-N相對于其他3種可轉(zhuǎn)換態(tài)氮形態(tài)最不穩(wěn)定，IMOF-N、OSF-N含量較高，但變化趨勢較小，對TF-N含量影響較小。WAEF-N、IMOF-N、OSF-N 之間相關(guān)性較差，表明三者來源可能不相同。NTF-N和TN具極顯著相關(guān)性(R=0.997，P<0.01)，表明NTF-N對土壤TN貢獻較大。

表4 各形態(tài)氮之間的相關(guān)性

3 討 論

雞糞、豬糞、牛糞施用后土壤的pH均有所提高，表明有機肥具有提高酸性土壤pH的作用。李猛等[23]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥土壤具有提高酸性土壤pH和維持土壤pH的作用。賈立輝等[24]研究得出，施用有機肥能防止黑土土壤的酸化，有機肥和化肥混施的土壤 pH 基本維持穩(wěn)定。不同有機肥對土壤 pH 的影響與有機物料本身性質(zhì)有關(guān)[25]。施用化肥會使土壤pH降低。汪吉東等[16]研究表明，土壤pH隨化肥施用量的增加呈顯著降低趨勢。唐冬等[19]研究也發(fā)現(xiàn)，化肥施用會使土壤出現(xiàn)一定程度的酸化，和本研究的結(jié)論相一致。土壤 pH 降低由自然因素或人為活動導(dǎo)致的土壤酸中和容量的減少等原因引起[26]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，只關(guān)注作物產(chǎn)量，化肥的過量施用會影響耕地土壤，導(dǎo)致或加重H+循環(huán)脫節(jié)引起土壤pH降低[27]。施肥也有可能會增加稻田土壤的鹽漬化程度，趙偉等[28-29]研究表明，有機肥不合理施用也可能會引起土壤次生鹽漬化，導(dǎo)致土壤鹽分累積。土壤次生鹽漬化主要是由于設(shè)施環(huán)境的封閉性、盲目施肥、不合理灌溉和管理不當?shù)仍蛞餥30]，特別是在水稻種植時，大量有機肥施用后為了減少肥料的流失，避免水分的循環(huán)，導(dǎo)致大量硝酸鹽聚集，施加生物有機肥除增加土壤氮磷鉀含量外，特別是糞肥Na+和Cl-含量較高，長期不合理的使用有機肥使得Na+和Cl-在土壤中聚集，也可能會增加土壤的次生鹽漬化程度。

有機肥中有機氮所占總氮比例較高，有研究者發(fā)現(xiàn)植物殘骸在腐爛過程中產(chǎn)生的有機氮占總氮的65%[31]，導(dǎo)致大量有機氮儲存在土壤中。此外，施用雞糞、豬糞、牛糞等有機肥后土壤總氮含量也存在差異性，牛糞施用后的土壤總氮含量明顯高于雞糞、豬糞施用后的土壤，這可能與有機肥中的有機物料本身性質(zhì)有關(guān)。牛糞中含有較多雜草，雜草腐爛較慢，在腐爛過程中主要產(chǎn)生有機氮，Seitzinger等[20]發(fā)現(xiàn)植物殘骸產(chǎn)生的氮降解率較低，僅為30%左右，使得大量難降解態(tài)氮保留在土壤中。

土壤中氮素形態(tài)除受到多種外界環(huán)境因素的影響[32]，同時也會受到土壤本身理化性質(zhì)的影響[33]。肥料的施用會改變土壤的理化性質(zhì)，促進土壤中氮形態(tài)的轉(zhuǎn)換，引起不同形態(tài)氮含量的變化。研究結(jié)果表明，施用化肥和有機肥后，稻田土壤中有機質(zhì)含量均有所增加，但是有機肥的施用對土壤有機質(zhì)含量的提高顯著，化肥施用對土壤有機質(zhì)含量提高較小。張奇等[34]也研究表明，單施化肥與空白對照組相比，土壤有機質(zhì)含量無顯著差異，而施用有機肥土壤有機質(zhì)含量顯著提高，與本研究得出的結(jié)論一致。李彥等[35]研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥土壤有機質(zhì)含量增加，但隨著使用年限的增加，土壤有機質(zhì)增加速率呈先增后減的趨勢。土壤pH成為評價土壤生產(chǎn)潛力的重要因子，孟紅旗等[36]研究發(fā)現(xiàn)，施加有機肥對土壤pH的影響與土壤的原始pH以及有機物料自身的性質(zhì)有關(guān)，以Na+、Cl-、SO42-為主要鹽基組分的畜禽糞便類物質(zhì)更容易導(dǎo)致土壤酸化的加速[37]，而以Ca2+、Mg2+、SO42-為主要組分的畜禽糞便則可能減緩?fù)寥浪峄乃俣萚38]，本研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥能緩解土壤酸化，而施用化肥會加劇土壤的酸化，其中，所用雞糞以Ca2+、Mg2+、SO42-為主，這也是雞糞施用稻田土壤電導(dǎo)率較高的主要原因。

土壤中氮的賦存形態(tài)將直接影響其在環(huán)境中的生物地球化學(xué)行為進程和途徑，由于氮形態(tài)的差異，導(dǎo)致其參與生物地球化學(xué)循環(huán)的作用也不相同[39]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同肥料施用后土壤中氮形態(tài)及含量發(fā)生較大變化。施用肥料能提高土壤總氮含量，特別是部分有機肥能顯著提高土壤總氮含量。除施用雞糞外，其他施肥條件下TF-N含量降低，NTF-N含量升高，表明施肥促進土壤中氮素的積累，加速土壤中氮的礦化進程。當外部環(huán)境發(fā)生變化時，TF-N可以釋放氮并重新參與氮循環(huán)[40]，施肥后，IEF-N含量升高，WAEF-N含量變化較小，這主要與肥料的性質(zhì)有關(guān)，IMOF-N、OSF-N含量降低，這可能是由于稻田土壤質(zhì)地緊實，黏重，通氣性較差有關(guān)造成的[41]。通過氮素之間的相關(guān)性分析表明，IEF-N和IMOF-N具有顯著的負相關(guān)關(guān)系，表明IMOF-N可能部分轉(zhuǎn)化為IEF-N；NTF-N與TN具有極顯著相關(guān)性，表明NTF-N對TN貢獻較大，氮素主要以NTF-N形態(tài)存在。

4 結(jié) 論

施用有機肥能顯著提高土壤有機質(zhì)含量，施用化肥土壤有機質(zhì)含量提高較小。有機肥具有提高酸性土壤pH的作用，施用化肥在一定程度上會導(dǎo)致土壤酸化?；实氖┯脮鰪娡寥赖柠}漬化程度，而有機肥的不當施用也可能會使土壤鹽漬化，其影響有可能會高于化肥。肥料的施用對土壤氮素產(chǎn)生較大影響，施肥能提高土壤總氮含量，施用有機肥造成土壤總氮含量的提升高于化肥。肥料施用后TF-N含量變化較大(95.30～171.67 mg/kg)，IMOF-N、OSF-N含量降低，NTF-N含量升高，表明施肥導(dǎo)致部分TF-N向NTF-N轉(zhuǎn)換化。所有施肥處理均可提高IEF-N含量，施用雞糞使得土壤中TF-N含量升高，但是 IMOF-N、OSF-N含量降低；施用牛糞與豬糞可降低TF-N含量，也會使得IMOF-N、OSF-N含量降低，促使氮素向非可轉(zhuǎn)化態(tài)氮轉(zhuǎn)化；施用化肥可以提高土壤IEF-N含量，降低OSF-N含量。NTF-N與TN具有較好相關(guān)性(R=0.997，P<0.01)，表明NTF-N對土壤TN貢獻較大。