不同施肥处理对石灰性土壤氮素含量的影响

不同施肥处理对石灰性土壤氮素含量的影响

氮是植物必要的养分。土壤中的有机氮约占总氮量的92%98%，但有机氮不能直接用于植物。形成铵氮和硝氮的有机氮，必须通过矿化反应形成。铵态氮主要为交换态,易被胶体吸附而不易流失,有时被固定在粘土矿物的晶格中而成为“固定态铵”,从而对植物无效;硝态氮是植物的速效养分和土壤溶液的主要成分,易随水流失,因而土壤中铵态氮和硝态氮含量的变化影响离子吸收、植物生长和作物产量。微生物氮是土壤氮素的主要“转运站”,推动着氮素转化的过程,大部分的矿化氮来自于微生物量氮,对氮素的矿化有着重要的贡献。土壤氮素的矿化和固持大多是在土壤微生物的参与下进行,一方面,微生物矿化有机质后释放出矿质营养以满足作物和土壤中微生物的需求;另一方面,微生物对无机氮肥的生物固定减少了氮肥的损失。目前,国内关于施用有机肥、无机肥对红壤、褐土、黑土、紫色土、石灰性潮土、水稻土、灌耕灰钙土等土壤中的铵态氮、硝态氮的影响及其时空变化研究较多,而关于土壤铵态氮、硝态氮、微生物氮三者氮素变化及其相关性的研究甚少,尤其是在北方石灰性褐土上更为少见,探讨有机肥、无机肥、生物菌肥对这些氮素含量变化影响及其机理的研究则更少,目前国内关于生物菌肥对这些氮素的影响研究基本没有,这是该试验的创新之处。为此,笔者进行了3年的定位试验,研究在不同施肥处理条件下,石灰性土壤的铵态氮、硝态氮、微生物氮的变化及其相关性,尤其是菌肥和有机无机肥配施条件下对三者氮素的影响机理,旨在改变传统的单施有机肥、无机施肥模式,引入微生物肥料来提高有机无机肥的利用率,为北方干旱气候条件下氮素的合理使用提供科学依据。1试验设计与方法试验在山西农业大学试验田上进行,从2009年4月开始至2011年9月结束。供试作物为玉米(大丰26号),每年4月中下旬进行春玉米播种,9月中旬收获,生育期约140d。试验采用完全随机区组设计,每个小区面积50m2,设5个处理:(1)单施化肥(N);(2)单施有机肥(M);(3)有机肥+化肥(N+M);(4)有机肥+化肥+菌肥(N+M+F);(5)不施肥(CK)。每处理重复5次。化肥使用尿素(N46%)和过磷酸钙(P2O512%);有机肥使用鸡粪,养分含量N为1.20%,P2O5为0.96%,K2O为1.12%;各施肥处理中施入等量养分(N和P2O5),即每1hm2施N150kg,P2O5100kg,菌肥每1hm2(穴)施300kg,所有肥料一次性施入20cm土壤耕层。供试菌肥是从当地石灰性熟土中分离得到的,并经过鉴定的功能性微生物包括解磷细菌(7株)、硝化细菌(3株)、固氮菌(4株),这些菌株经液体扩大培养后,经草炭吸附(草炭∶液体=1∶2),晾干制成菌肥,每1g菌肥含上述活性菌≥107个,草炭含N1.50%,P2O52.00%,K2O0.82%。试验前基础土样的全氮、全磷、有机质含量分别为0.078%,0.20%,0.98%,速效氮、速效磷、速效钾含量分别为19.49,8.80,70.90mg/kg,pH值为8.02。连续3年在玉米苗期(5月)、拔节期(6月)、灌浆期(8月)、收获期(9月),对表层土壤进行采样,取样深度为0-20cm,过2mm筛后进行分析测定。测定项目和方法:称取新鲜土样5.00g,用0.01mol/LCaCl2溶液浸提(液土比=5∶1),在水浴恒温振荡机(温度25℃,频率170Hz)振荡1h,过滤,滤液采用德国产AA3流动分析仪测定硝态氮(λ=550nm)和铵态氮(λ=660nm)含量;微生物量氮测定采用土壤氯仿熏蒸法。数据处理采用SPSS13.0软件。2结果与分析2.1关于玉米菌肥的抗旱作用从表1可以看出,连续3年的施肥,各施肥处理的土壤铵态氮含量得到明显提高,不同处理的土壤铵态氮含量都是在苗期最高,苗期以后各处理土壤铵态氮含量迅速下降,是由于北方地区此时气温升高,同时玉米生长加快,从土壤中吸收了大量的铵态氮。施肥第1年,N处理的含量明显高于其他处理,N+M+F处理和N+M处理则差异不显著,菌肥F的效果不明显,M处理次之。到了第2年,北方遭遇了多年不遇的干旱少雨气候,玉米在苗期生长就受到严重影响,土壤微生物数量锐减,导致微生物氨化作用强度受到明显抑制,铵态氮生成量也相应降低,土壤铵态氮含量比第1年明显偏低,如苗期降低了6.39%~11.58%,但是仍能看出N+M+F处理的效果要好于N+M处理,尤其是在灌浆期差异最显著,二者相差6.56%,说明菌肥有一定的抗旱能力;M处理和N处理差异则变得不显著。第3年,整个玉米生育期菌肥F的作用都很明显,N+M+F处理都要明显好于其他处理,N+M处理次之,在灌浆期二者相差8.43%,增幅明显大于前2年;N处理只是在苗期铵态氮含量较高,到了生育后期明显回落,效果不如M处理好。分析产生上述情况原因,鲁如坤等认为,在干旱条件下,尿素的水解作用进行得相当迅速,在l周的时间内,80%的尿素已转化为碳铵,从此开始就有硝化作用出现,因此,N处理铵态氮含量明显地表现出“前高后低”。在第1年N+M+F处理和N+M处理效果较为一般,N+M+F处理和N+M处理差异开始并不显著,直到第2年玉米灌浆期才显示出来,主要是因为菌肥中的功能微生物施入土壤后,它们适应新环境需要一定时间才能定殖,即所谓的微生物“延滞期”。N+M+F处理和N+M处理的效果都要好于M,N处理,尤其在第2,3年更显著,主要原因在于有机肥和尿素配施能有效增加土壤中的玉米可利用铵态氮含量与时间;另外有机肥处理土壤的有机氮矿化作用要强于NH+4-N的固定和硝化作用,致使NH+4-N在土壤中大量积累。李辉信等认为施用有机肥对氮素矿化的促进作用,一方面是由于土壤速效磷含量和土壤pH的提高;另一方面是施肥期间新形成的土壤有机氮可能比土壤原有的有机氮更易于分解矿化。而F(菌肥)的添加则促进了土壤有机质矿化作用的强度。此外,N+M处理、N+M+F处理中的尿素水解后产生的NH+4-N虽然由于固定和硝化等作用损失了一部分,但又由于有机肥添加使得土壤有机氮不断矿化产生大量的NH+4-N,因此效果还是要好于单施M处理。而有机肥分解速度减慢,因此M处理在第1,2年效果明显不如N处理,但第2年两处理差异明显缩减了,在第3年的玉米灌浆期M处理才赶上并超过了N处理。总的来说,N处理对土壤铵态氮提高不明显,“来得快,去得也快”,含有机肥的处理(N+M+F、N+M、M)虽然效果要慢一些,但随着时间延长,各处理效果的差异逐渐清晰,各处理对铵态氮的影响效果为:N+M+F>N+M>M>N>CK。2.2不同施肥处理对土壤硝化的影响由表2可以看出,施肥后土壤的硝态氮含量也是在逐年上升。与铵态氮明显不同的是,N处理提高硝态氮的作用较为一般,在第1年仅是高于M处理,明显低于N+M+F,N+M处理;N+M+F,N+M处理则是在拔节期、灌浆期效果比较明显,差异不是很显著,但与其余处理差异显著。第2年,M处理的作用要好于其他处理,比上年增加了4.74%~8.04%,但与N+M+F,N+M处理相比差异并不显著,其余处理则明显降低,看来干旱气候对土壤硝态氮影响同样也比较严重,和第1年一样,N+M+F处理和N+M处理差异仍不显著,二者仅相差2.38%~4.94%,二处理的效果基本相当。第3年,M处理硝态氮含量依然是最高的,但是与N+M+F,N+M处理差异仍不明显,各处理含量均达到了最大值;N+M+F处理的含量比上年增加了4.00%~9.58%,但与N+M处理差异不显著,说明菌肥对提高土壤硝态氮含量效果不明显。李世清等发现无论是土壤中本身存在的铵态氮,还是经有机氮矿化产生的铵态氮,都会很快经硝化作用形成硝态氮。单施化肥(N)处理,尿素施入土壤后在脲酶的催化作用下水解为NH+4-N,NH+4-N在土壤硝化、亚硝化细菌等微生物作用下被氧化为NO-3-N,此时,土壤微生物体矿化作用大于同化作用,故导致土壤中氮素的大量损失。有机肥(M)的施用则增加土壤粒径及团聚体含量,增加对NO-3-N的固持,阻碍了NO-3-N向下迁移;此外,有机肥本身含有的其他形态氮素有助于提高土壤硝态氮含量,同时有机肥可以通过影响土壤微生物的活动而对土壤氮素的固定-矿化产生作用。于洪艳等认为有机肥提高了土壤中硝化微生物的数量,增强了硝化活性,有机肥氨化作用产生的NH+4-N是硝化作用所需氧化物的重要来源,有机肥的施用提高了土壤的硝化作用。朱兆良等认为有机质会促进氮素硝化作用强度的原因可能是有机质经氨化作用产生的铵根离子是硝化过程所需氧化基质的来源,同时有机质还可作为碳源促进土壤中自养和异养硝化微生物的繁殖。因此不难得出,M比N更容易提高和保持土壤硝态氮含量。试验发现连续施肥3年以来,N+M+F处理与N+M处理硝态氮含量差异始终都不明显,即F对土壤硝化作用影响不明显,原因可能是菌肥中的硝化细菌为自养微生物,与土壤中数量庞大的异养微生物相比,其增殖速率以及对底物的竞争能力都明显较低,此外干旱气候也是抑制F中的功能性微生物不能发挥功效的一个重要原因,该处理中菌肥F的这种“强铵弱硝”作用,虽然在一定程度上降低了土壤有机氮的矿化能力,消弱了土壤硝态氮的生成和供给,但是却导致了土壤中铵态氮的积累,也是有助于保持土壤肥力的。无机肥配施有机肥显著提高了土壤氮的含量,改善了土壤有机质的特性,增加了土壤的活性有机氮库,故土壤氮素的矿化率和矿化速率均比单施无机肥高。这与郝晓晖等人的研究结论是一致的。不难得出,不同施肥处理对土壤硝态氮含量的影响效果是:M>N+M+F>N+M>N>CK。2.3不同处理的土壤肥力效果从表3看出,各处理土壤微生物氮含量也是保持增长趋势的。在第1年,各处理表现都较为明显,N+M+F,N+M处理的微生物氮含量分别比对照提高了10.11%~41.53%,19.59%~38.33%,N+M+F处理和N+M+F处理的微生物氮含量在玉米不同生育阶段各有高低,不过还是能看出,N+M+F处理要比N+M处理效果好一些,N+M处理不及M处理效果好,N处理效果则最差。第2年,受干旱气候影响,各处理微生物量氮在苗期明显低于第1年,除了N+M+F处理略有增加外,N+M处理下降了8.81%,M处理降幅为10.94%,N+M+F处理效果仍是最明显,M处理次之,二者差异并不明显;N+M+F与N+M差异明显不如第1年大,可能是因为干旱气候抑制了菌肥发挥作用。第3年,各处理的效果明显好于前2年,N+M+F处理的微生物量氮与其余处理差异明显,N+M处理赶上并超过了M处理的微生物氮含量,各处理均明显好于N处理。土壤微生物对氮素的固持与释放,主要受施入的碳(有机肥)和氮所支配。单施化肥处理的微生物生长主要依靠土壤原有有机质的矿化分解提供碳源和能源,微生物量固持的氮主要靠土壤供给,而N处理由于缺少微生物活动所需碳源的养分供应,微生物活动减弱,造成对肥料氮的生物固持减少。李辉信等就发现红粘土经无机施肥后,硝化和反硝化作用增强,氮素损失率显著提高,效果不如有机施肥措施好。单独施用有机肥时,由于有机肥本身就含有大量微生物,所以前期M处理微生物氮含量的升高可能主要来自于有机肥,但是待其生长达到一定高峰后,此时玉米的生长对养分吸收增加,而土壤中氮素营养有一部分以微生物活体的形式固定,随着玉米对氮素要求的数量增多,微生物活体中所固定的氮便逐渐减少。由于M处理的碳氮比较低,且缺少微生物生长的氮和磷等养分,因此微生物的生长繁殖受限。此外有机肥自身的有效氮含量较高,因此M处理对土壤氮素固定作用要相对弱一些。N+M+F处理的微生物氮含量始终要明显高于其余处理,主要是因为菌肥中含有的大量微生物经扩繁后导致微生物种类、数量剧增,微生物氮含量自然会升高,而有机、无机肥料可以为微生物提供丰富的碳源、氮源和能源及微量元素,合适的C/N为其大规模生长繁殖创造了有利条件。同理,N+M处理效果又明显好于M,N处理。不难得出,有机或无机施肥处理能有效提高土壤氮素的矿化量、供氮量以及氮肥的利用率和在土壤中的生物固持,而以有机配合无机效果更优。不同处理对土壤微生物氮的影响效果是:N+M+F>N+M>M>N>CK。2.4土壤铵态氮含量与土壤硝化性质的相关性通过相关性分析研究可以发现,土壤中铵态氮和硝态氮含量呈显著相关性(0.560*),这与前人的研究结果一致。在每年玉米生育期,不同处理的微生物氮呈现先升高后降低的趋势,这与硝态氮的变化基本同步,与铵态氮的变化则不同步,但这种同步性并不能代表3种氮素之间的相关性。土壤铵态氮在硝化细菌作用下可以转化为硝态氮,当土壤中铵态氮含量很高时,硝化作用产生的硝态氮量也会很高,导致土壤硝态氮含量与铵态氮含量呈显著正相关。而铵态氮、硝态氮与土壤微生物氮量的相关性却都不显著,相关系数分别是0.301,0.182,很显然,铵态氮与微生物氮的关系更为密切,而硝态氮与微生物氮则基本没有相关性,因为不同氮素形态对微生物体氮的影响不同,一般认为,微生物常常对铵态氮表现出一定的偏好,微生物对铵态氮的吸收利用能力强于对硝态氮。土壤中仅有少数微生物能吸收同化硝态氮,硝态氮和铵态氮同时存在时,铵态氮会抑制微生物对硝态氮的吸收,硝态氮的同化需要消耗能量,因此当有效态能源物质不足时,会进一步限制硝态氮的微生物固定。由于土壤有机氮的矿化产物和铵态氮肥的挥发及硝态氮的反硝化、淋溶损失等原因,故难以准确评价土壤矿质氮的变化量,造成了各种氮素形态之间相关性不是很明显。而宁建凤等人的研究结果是微生物体氮与一些有效氮指标(铵态氮、硝态氮)之间有良好的相关性,很明显本试验研究结果与前人结论不符,分析原因有可能是配施菌肥后微生物量氮的增幅远大于铵态氮、硝态氮,从而导致这种相关性很不明显。3不同氮素元素含量的土壤肥力学效果连续3年施肥,石灰性土壤的铵态氮、硝态氮、微生物氮的含量都有明显地提高。其中,土壤微生物氮含量增幅最为明显,比对照增加了40.8%~56.8%,显然是因为施肥后土壤中的微生物大量繁殖,并固持了大量的有效态氮,释放到土壤中的铵态氮、硝态氮相对较小,N+M+F处理要明显好于其余处理,F的效果明显,无疑是菌肥中功能性微生物促进了土著微生物的