生物炭基肥对反季节蔬菜地土壤可溶性氮动态的影响

杨 静, 杨文浩,2, 李思苇, 周碧青,2, 毛艳玲,2, 邢世和,2

(1.福建农林大学资源与环境学院；2.土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

可溶性氮(soluble nitrogen, SN)是指土壤中可以溶于水或盐溶液的氮，包括可溶性有机氮(soluble organic nitrogen, SON)和可溶性无机氮(soluble inorganic nitrogen, SIN)，是土壤氮库最活跃的组分之一[1].一方面，SN是土壤的有效养分，可直接或通过转化后被植物吸收[2]；另一方面，SN的移动性强，易随着降水和地表水进入水体，引起环境污染[3].近年来，国内外对土壤中SIN的含量、迁移、转化及其对生态环境的影响等进行了大量研究[4-6]，而对SON转化的研究则相对较少.土壤SON在土壤氮库中占有重要地位，参与了土壤氮素矿化过程，是土壤有机质矿化和SIN固定过程的中间氮库，其含量可作为土壤供氮能力的基础指标[5].因此，要准确地评价土壤供氮能力，应综合考虑土壤SON和SIN的动态变化及其相关关系.

随着我国经济的快速发展及人们对自身健康的重视，对反季节蔬菜的需求量日益增加.莴苣是经济效益相对较高的反季节蔬菜之一，在生长过程中对氮钾元素的需求量大，而我国南方反季节蔬菜基地多处高山地区，新垦基地土壤中有机质和速效氮的含量普遍偏低，不利于莴苣的生长发育.因此，本研究以新垦的高山反季节蔬菜地为研究对象，根据莴苣的需肥特征，设计莴苣专用炭基肥，探讨莴苣生长期间施用不同用量炭基肥后土壤SON、SIN、可溶性有机氮转化率(soluble organic nitrogen conversion rate,Vk)的动态变化及相关关系，揭示施用炭基肥后土壤SN组成的变化及影响因素，旨在为反季节蔬菜地合理施肥、提高氮素的利用效率提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省宁德市古田县泮洋乡丰融果蔬专业合作社(118°90′29″E，26°52′69″N)，海拔1 050 m，夏日平均气温14～24 ℃，日照长，昼夜温差大，利于反季节蔬菜生长.供试土壤为山地红壤，土壤pH为6.24，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量分别为16.70 g·kg-1、64.14 mg·kg-1、36.56 mg·kg-1和518.36 mg·kg-1.

1.2 炭基肥的制备

本试验施用的炭基肥由银耳废菌棒生物炭与化肥混合制备而成.以银耳废菌棒为原料，在生物炭化炉中于600 ℃厌氧条件下热解1.5 h制备成生物炭，供试生物炭的养分含量为：31 g·kg-1全氮量、19 g·kg-1全磷量、21 g·kg-1全钾量.选用的化肥分别为尿素(460 g·kg-1N)、钙镁磷肥(160 g·kg-1P)和氯化钾(600 g·kg-1K)，粘结剂为羟丙基二淀粉磷酸酯.具体制备流程如下：根据莴苣的养分需求，将33.0%生物炭、22.0%尿素、31.0%钙镁磷肥、13.0%氯化钾以及1%粘结剂放入混匀机中，添加8%水，充分混匀后将混合料缓缓地放入造粒机中造粒，造粒机转速为600～800 r·min-1，直至混合料成型为止.将造粒好的炭基肥晾干备用，炭基肥中N、P2O5和K2O的含量分别为111.43、232.51和182.77 g·kg-1，pH为8.90，含水量为8.0%.

1.3 试验设计

本试验种植的蔬菜为莴苣，于2018年3月17日移栽，5月17日收获.莴苣种植密度为80 040株·hm-2，行距40 cm，株距33 cm，每小区种植20行.试验设置如下4个处理.(1)常规施肥(CK)：750 kg·hm-2化肥+2.5 t·hm-2有机肥；(2)低量炭基肥(T1)：375 kg·hm-2炭基肥+2.5 t·hm-2有机肥；(3)中量炭基肥(T2)：750 kg·hm-2炭基肥+2.5 t·hm-2有机肥；(4)高量炭基肥(T3)：1 500 kg·hm-2炭基肥+2.5 t·hm-2有机肥，每个处理3个重复，小区面积为10 m2，采用随机区组排列.供试有机肥中有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量分别为239 g·kg-1、177 mg·kg-1、142.1 mg·kg-1和783 mg·kg-1.供试化肥为山东沃特夫复合肥有限公司生产的“硫酸钾”型复合肥，总养分≥45%(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15).各处理肥料在莴笋移栽前作为基肥一次性施入.

1.4 样品的采集与分析

分别于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日采集各处理耕层(0～20 cm)土壤混合样品，一部分鲜样直接用于生化指标的测定，另一部分经风干过筛后用于土壤理化性质的测定.土壤理化性质采用土壤农化常规分析方法[12]测定；土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法[13]测定；土壤SON采用70 ℃热水浸提，SN与SIN差减法[14]获得，其中，SN和SIN的含量分别采用TOC-L CHP CN200型总有机碳分析仪(日本岛津仪器有限公司)和San++连续流动分析仪(荷兰SKALAR仪器有限公司)测定；土壤细菌总量采用荧光定量PCR分析方法[15]测定.

1.5 数据处理与计算

有关参数按以下公式计算：

2 结果与分析

2.1 施用炭基肥对土壤SN含量的影响

莴苣生长期间不同用量炭基肥处理土壤中的SN含量均呈“M”形的变化趋势，而CK处理则呈“∧”形的变化趋势(图1).0～20 d，不同施肥处理土壤中的SN含量逐渐增加，表现为：CK处理>T3处理>T2处理>T1处理，CK处理的SN含量在莴苣移栽20 d后达到峰值，显著高于施用炭基肥处理(P<0.05)，分别较T1、T2和T3处理提高37.65%、30.87%和5.23%.20～30 d，不同施肥处理土壤中的SN含量有所降低，表现为：CK处理>T3处理>T2处理>T1处理.30～40 d，CK处理土壤中的SN含量继续呈下降趋势，但施用炭基肥处理的SN含量则快速增加，在莴苣移栽40 d后达到峰值，此时T3处理的SN含量最高，与CK相比提高39.04%，差异达显著水平(P<0.05).40～60 d，不同施肥处理土壤中的SN含量均逐渐降低，表现为：T3处理>T2处理>CK处理>T1处理.可见，与常规施肥相比，施用高量炭基肥(T3)处理在整个莴苣生长期间，尤其在莴苣生长的中后期更有利于提高土壤中的SN含量.

2.2 施用炭基肥对土壤SIN含量的影响

图1 不同采样期不同施肥处理土壤SN含量的动态变化

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

2.3 施用炭基肥对土壤SON含量的影响

莴苣生长期间不同用量炭基肥处理土壤中的SON含量总体呈现升高的变化趋势，而CK处理则表现为先增加后降低的变化趋势(图4).0～20 d，不同施肥处理土壤中的SON含量逐渐增加，表现为：CK处理>T3处理>T2处理>T1处理，CK处理的SON含量在莴苣移栽20 d后达到峰值，显著高于施用中、低量炭基肥处理(P<0.05)，较T1和T2处理分别提高26.13%和23.21%，但与T3处理的差异不显著.20～30 d，不同施肥处理土壤中的SON含量有所降低，表现为：T3处理>CK处理>T2处理>T1处理.30～60 d，CK处理土壤中的SON含量继续逐渐降低，而施用炭基肥处理则逐渐增加，在莴苣移栽60 d后达到峰值.与CK处理相比，莴苣移栽60 d后施用炭基肥处理显著提高土壤中的SON含量(P<0.05)，T1、T2和T3处理的SON含量分别较CK处理提高25.85%、33.31%和89.51%，T3处理的SON含量显著高于T1和T2处理，但T1处理与T2处理间的差异不显著.可见，等量施肥的前提下，施用炭基肥处理更有利于土壤SON的累积，尤其是施用高量炭基肥(T3)处理在莴苣生长的中后期显著提高土壤SON含量.

2.4 施用炭基肥对土壤SN转化的影响

不同施肥处理显著影响土壤SN的转化过程(图5).CK处理土壤中的Vk随着莴苣的生长逐渐降低，而施用炭基肥处理的Vk则随着莴苣生长呈“M”形的变化趋势.10～20 d，施用炭基肥处理土壤中的Vk逐渐提高，莴苣移栽20 d后，T1、T2和T3处理的Vk分别比CK处理低3.81、3.40和1.55 mg·kg-1·d-1，且CK处理与施用炭基肥处理间均有显著差异.20～30 d，施用炭基肥处理土壤中的Vk逐渐降低，莴苣移栽30 d后，T1和T2处理的Vk降至负值，且显著低于CK处理，说明该时期T1和T2处理土壤氮素的固定量大于矿化量，而T3处理与CK处理间的差异不显著.30～40 d，施用炭基肥处理土壤中的Vk快速上升，至40 d达到峰值.莴苣移栽40 d后， T3处理土壤中的Vk显著大于CK，是CK处理的2.22倍，T2处理与CK处理间的差异不显著，但T1处理显著低于CK处理.40～60 d，不同施肥处理土壤中的Vk逐渐降低并趋于0，期间T3处理的Vk显著高于CK处理，T2、T1处理与CK处理间的差异不显著.至莴苣成熟采摘时不同施肥处理土壤累积净氮矿化量为8.72～80.91 mg·kg-1，不同施肥处理土壤累积净氮矿化量的变化趋势为：T3处理>T2处理>CK处理>T1处理.与CK处理相比，T3处理显著提高土壤累积净氮矿化量(P<0.05)，较CK处理提高145.66%；T2处理的土壤累积净氮矿化量较CK处理提高42.55%，但差异未到显著水平；T1处理的土壤累积净氮矿化量仅为CK处理的26.47%，差异达显著水平.可见，莴苣生长前期CK处理土壤中的Vk较高，但在等量施肥的前提下，施用炭基肥处理在莴苣生长后期更有利于土壤SON的转化，尤其是高量炭基肥(T3)处理显著增加土壤累积净氮矿化量.

图4 不同采样期不同施肥处理土壤SON含量的动态变化

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

2.5 不同用量炭基肥条件下土壤SN转化的影响因素

采用灰色斜率关联分析模型探讨不同炭基肥处理土壤Vk、SIN含量、SON含量与气温、土壤性质等可能影响因子的关系(图6)，揭示莴苣生长期间不同炭基肥处理土壤SN转化的影响因子.结果表明，脲酶活性、细菌数量与土壤SON含量的关联系数分别为0.832和0.826，在所有可能的影响因子中与SON含量的关联度最高，其次为土壤有机质含量，关联系数为0.804.土壤SIN含量与脲酶活性的关联度最高，关联系数为0.825，其次为土壤有机质含量和细菌数量，分别为0.760和0.753.莴苣生长期间不同炭基肥处理土壤Vk的影响因子与SIN含量大致相同.土壤脲酶活性对Vk的影响最为显著，关联系数为0.822，其次为细菌数量和土壤有机质含量，关联系数分别为0.783和0.780.可见，在莴苣生长期间不同炭基肥处理土壤SN的转化过程受气温和土壤性质等一系列因素的影响，并主要受土壤脲酶活性、细菌数量和有机质含量的显著影响.

3 讨论

3.1 施用炭基肥对土壤SN库的影响

本研究中，莴苣生长期间不同施肥处理土壤SN的动态变化规律有所不同.莴苣生长前期，CK处理土壤中SN组分的含量快速增加，后期快速下降，而施用炭基肥处理的SN组分含量在莴苣生长前期均有所增加，中后期则更有利于SON的累积.这可能是由于莴苣对氮素的吸收及所施用肥料的分解速率不同所致.0～20 d，各处理有机肥中易矿化的有机物质不断矿化，释放出的SIN和SON含量相对较高[25]，而莴苣定植后的一段时期内植株较小，根系不发达，吸收利用的氮素较少，导致该阶段土壤中的SN含量较高；此外，CK处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，释放出大量SN[8]，因此，CK处理0～20 d的土壤SN各组分含量均维持在较高的水平.20～30 d，施入土壤的有机肥中易分解的有机物质已基本分解，分解速率降低；此外，此时期为莴苣处于生长旺盛的莲座期，对氮素的吸收利用增强[26]，导致土壤SN含量降低.30～40 d，CK处理土壤中的SN各组分含量均继续下降，而施用炭基肥处理则大幅度增加，这主要是由于炭基肥对养分具有缓释作用[27].40～60 d，莴苣处于肥茎期，茎部逐渐伸长并加粗，是生长量最大的时期，对氮素的需求量也最大，致使该时期土壤中的SIN含量快速降低.但该时期试验区的气温较高(22～26 ℃)，土壤中的有机质仍维持较高的矿化能力[28]，T1、T2和T3处理土壤中的有机质含量分别为 28.35～29.54、29.28～31.29和30.03～33.84 g·kg-1，微生物丰富，其数量和活性均处于较高的水平(每克土细菌的拷贝数为6.85×107～4.08×108)，促进复杂的大分子有机氮降解产生小分子的SON[23]；此外，该时期各处理的Vk趋于0(图5)，致使40～60 d施用炭基肥处理土壤中的SON含量有所增加.

3.2 施用炭基肥后土壤SN转化的关键因素

土壤SN的转化过程主要是由微生物参与的生物化学过程，向土壤中施入氮肥会改变土壤的理化性质和生物学性质，影响土壤SN转化的过程[29].本研究结果表明，不同施肥处理土壤Vk有所不同(图5)，莴苣生长前期CK处理的Vk较高，而在等量施肥的前提下莴苣生长中后期则表现为炭基肥处理的Vk更高，这主要是因为土壤氮素转化是由土壤微生物和酶参与的有机氮分解过程.灰色斜率关联分析结果表明：土壤中的细菌数量、脲酶活性与Vk的关联度较高，关联系数分别为0.783和0.822；CK处理中施用的尿素被优先分解转化为SIN，显著提高土壤的Vk，而炭基肥的施用增加了土壤有机碳含量(平均较CK提高16.84%)，为土壤微生物的活动和繁殖带来了丰富的碳源和能量，土壤中的SIN被微生物吸收同化而固持，进而提高土壤的固氮能力，减缓土壤氮素的矿化速率[8].随着莴苣种植时间的延长，CK处理易分解的有机氮逐渐被转化，能量和营养物质逐渐被消耗，微生物的数量和活性逐渐降低(每克土细菌的拷贝数由施肥时期的7.32×107降至3.37×106)，导致有机氮的矿化速率逐渐降低；而施用的炭基肥具有氮素矿化缓释作用[8]，在莴苣生长的中后期持续缓慢地矿化.因此，在莴苣生长的中后期施用炭基肥有利于土壤SN的转化.

土壤净氮矿化量是指一定时间内土壤SIN含量的净变化量，可以反映土壤的供氮能力[30].本研究结果表明，在等量施肥的前提下，施用炭基肥有利于有机氮转化为SIN，尤其是施用高量炭基肥.这主要是由于在一定时间内，SIN含量主要取决于有机氮源的量并受微生物活动的影响[31].灰色斜率关联分析结果表明，土壤SIN含量主要受脲酶活性、细菌数量和有机质含量的影响，关联系数分别为0.825、0.753和0.760.高量炭基肥处理为供试土壤提供丰富的碳源(673.13 kg·hm-2)和氮源(178.70 kg·hm-2)，碳源和氮源分别较CK处理提高326.55和54.60 kg·hm-2，有利于土壤微生物的繁殖，从而提高土壤中的细菌数量和脲酶活性，莴苣生长期间高量炭基肥处理土壤中的细菌数量和脲酶活性较CK处理分别提高211.41%和83.32%，从而促进土壤有机氮转化为SIN.此外，炭基肥可对氮素矿化产生缓释作用且炭基肥的多孔结构有利于氮素吸持，可以减少氮的淋溶损失[32]，从而利于SIN的累积.

4 结论

本试验在莴苣生长期间施用炭基肥，研究耕层土壤SN含量和组分的动态变化，探讨了影响SN转化的影响因素，主要结论有：(1)在莴苣生长期间施用炭基肥可提高土壤SN及其组分的含量，尤其是在莴苣生长的中后期，可以显著提高土壤SON含量.(2)在等量施肥的前提下，施用炭基肥有利于土壤SN的转化，尤其是施用高量炭基肥处理，其土壤累积净氮矿化量显著高于CK处理.(3)土壤SN的转化过程主要受脲酶活性、细菌数量和有机质含量的影响.

由于炭基肥的肥效较长，而莴苣的生长周期较短，故本研究尚未针对炭基肥整个分解过程对土壤SN的含量、组成、转化以及对后作氮素吸收的影响等开展深入研究，未来应重视炭基肥的养分释放规律、施用后对土壤氮库及作物吸收的长期影响等领域的研究，从而为炭基肥的推广应用提供基础科学依据.