基于四川涼山煙區大田試驗的腐熟農家肥礦化規律分析

陳 宇，凌愛芬，李少鵬，李方新，岳東林，盧 劍，葉協鋒，武云杰，范文思，于建軍*

1. 河南農業大學煙草學院，鄭州市金水區文化路95 號 450002

2. 四川省煙草公司涼山州公司，四川省西昌市西郊鄉三岔口東路432 號 615000

3. 江蘇中煙工業有限責任公司，南京市中山北路406-3 號 210000

4. 甘肅煙草工業有限責任公司，蘭州市七里河區南濱河中路1111 號 730000

5. 四川省煙草公司寧南縣公司，四川省涼山州寧南縣披砂鎮洗布壩37 號 615400

四川省涼山彝族自治州寧南縣烤煙種植歷史悠久，地理環境和生態氣候優越，能夠滿足烤煙喜溫、喜光等生長特性[1]，成為卷煙生產的原料供應基地之一。近年來，由于化肥濫用和煙草連作導致植煙土壤環境惡化，煙葉品質下降[2-3]。

農家肥多由家禽糞便和農作物秸稈組成，具有養分全，肥效期較長，含微生物、酶等優點，可改良土壤，增強土壤緩沖能力，維持土壤環境穩定[4-5]。邵興芳等[6]研究發現，施用農家肥可以提高土壤碳和氮含量，且顯著提高土壤氮素的礦化量和礦化率；王朔林等[7]研究表明，長期施用農家肥可增加土壤總有機碳含量，使土壤有機碳組分的分配比例發生改變，顆粒有機碳分配比例增加，而礦物結合態有機碳分配比例降低。但農家肥中未被作物吸收的氮、磷，會造成土壤中氮、磷過量積累，也會引發一系列的生態問題[8-10]。因此，明確農家肥的礦化特性，提高農家肥利用率對煙葉生產具有重要意義。土壤腐殖酸是維持土壤結構穩定的關鍵物質，其中胡敏酸最為活躍且對土壤結構的形成及土壤肥力有重要作用[11]，富里酸則是分子量較小的物質，活性和氧化程度較高，影響著胡敏酸在土壤中的積累與更新[12]。有研究發現，施用農家肥能增加土壤胡敏酸和富里酸含量，提高胡富比（胡敏酸和富里酸含量的比值，可作為衡量土壤腐殖酸品質優劣的指標。比值越大，腐殖酸品質越好，土壤肥力越高）[13]。但有關腐熟農家肥礦化對植煙土壤腐殖酸組分影響的研究報道較少[14]，目前研究農家肥礦化的室內方法較多[15-16]，而這些方法的缺陷是忽視了田間土壤、植物體與環境的復雜交互作用對農家肥礦化的特殊影響[17-19]。因此，為了準確反映煙葉產區農家肥的礦化規律，采用掩埋砂濾袋的田間原位培養法，研究了腐熟農家肥有機碳、氮的礦化特征，及其對土壤腐殖酸組分的影響，以期為植煙土壤保育和合理施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2016 年在四川省涼山州寧南縣進行，試驗點屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫19.3 ℃，無霜期315 d，年均降雨量960 mm，年均日照時數2 257 h。烤煙供試品種為云煙85，土壤類型為紅壤，試驗地常規施肥為本試驗選用的腐熟農家肥和煙草專用復合肥（四川金葉化肥有限公司），施純氮量為90 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1.2∶3，腐熟農家肥作為基肥于移栽時條施，煙草專用復合肥作為追肥于移栽后30 d 穴施，基追肥比例為6：4。按當地優質煙葉生產技術規范進行田間管理。試驗地土壤耕層（0～20 cm）基本理化性狀：pH 5.92、有機質33.27 g/kg、堿解氮125.66 mg/kg、速效磷23.12 mg/kg、速效鉀417.93 mg/kg。供試農家肥為玉米秸稈和豬糞混合物，比例為2∶1，經30 d 高溫堆漚腐熟而成。腐熟農家肥養分含量：有機質412.14 g/kg、全氮15.67 g/kg、全磷4.73 g/kg、全鉀47.10 g/kg、含水率25.05%。在每次取樣前記錄當地近15 d 的平均氣溫和天氣狀況，見表1。

1.2 試驗設計

試驗設置兩個處理。對照（CK）：選取300 g煙田原位耕層土壤，風干過2 mm 篩后裝入砂濾袋；處理（T）：在對照的基礎上每個砂濾袋中再裝入烘干粉碎過2 mm 篩的農家肥30 g，農家肥與土壤混合均勻。每處理埋入12 個砂濾袋，3 次重復，每小區面積為222 m2，各小區采用“S”形布點埋袋。砂濾袋規格為孔徑48 μm 尼龍紗網制成的25 cm×25 cm 可封口袋子，耐腐蝕，不易降解，能通氣透水，但煙株根系不能伸入。煙苗于5 月8 日移栽，移栽前將砂濾袋埋入兩煙株移栽苗穴之間的壟體上，取一定量掩埋位置的原位土壤，加水混合制成原土懸濁液，澆附于砂濾袋上，使砂濾袋與土壤接觸，表層覆蓋5 cm 厚的細土。大田煙苗移栽后，壟體上覆蓋地膜。試驗過程中分4 次取樣，從砂濾袋掩埋日算起，每隔30 d 在兩處理中各取3個砂濾袋，煙葉采收結束時最后一次取樣。取樣時采用取土鏟先鏟出1 個耕層斷面，盡量不破壞土壤結構，清除砂濾袋表層附著的泥土，取出袋中土壤樣品用于各項指標的測定。

表1 天氣狀況Tab.1 Weather condition

1.3 測定項目與方法

采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化法（外加熱法）測定土壤有機碳；半微量凱氏定氮法測定土壤全氮；堿解擴散法測定土壤堿解氮；KCl 浸提-蒸餾法測定土壤銨態氮；酚二磺酸比色法測定土壤硝態氮；碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色分光光度法測定土壤速效磷；NH4OAc 浸提-火焰光度計法測定土壤速效鉀[20]。腐殖酸、胡敏酸（HA）和富里酸（FA）采用國際腐殖酸協會（IHSS）推薦的分析方法進行樣品的分離和制備[21]，并采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定[22]。

碳、氮礦化率的計算[23]：

有機氮含量=全氮含量-無機氮含量（無機氮主要包括硝態氮和銨態氮） （1）

有機碳礦化率=[1-（施有機肥處理有機碳殘留量-空白土有機碳含量）/加入的有機碳量]×100% （2）

有機氮礦化率=[1-（施有機肥處理有機氮殘留量-空白土有機氮含量）/加入的有機碳量]×100% （3）

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2013 進行數據處理，用SPSS 23.0 統計分析軟件Duncan 法進行數據間差異的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 腐熟農家肥碳、氮礦化率的變化

腐熟農家肥施入土壤后，碳和氮礦化率的變化趨勢基本一致，見圖1。表現為肥料施入前期礦化快，后期礦化慢。在掩埋后30 d 時，碳礦化率達50.23%，占礦化全過程（總礦化率）的61.75%。掩埋30 d 后，碳的礦化速率明顯減緩，這說明較易分解的有機物質已被分解，將進入復雜有機物的礦化過程。農家肥在掩埋后60 d 時碳礦化率為65.13%，占總礦化率的80.07%。掩埋后120 d 時，碳礦化率達81.34%。與碳礦化相比，氮礦化主要集中于掩埋后60 d 之前。掩埋后30 d 時，氮礦化率快速增長達到30.62%，占總礦化率的61.15%；掩埋后60 d 時氮礦化率為46.26%，占總礦化率的92.39%；掩埋后120 d 時氮礦化率為50.07%。

2.2 土壤速效養分的動態變化

2.2.1 土壤銨態氮含量的變化

由圖2 可知，在掩埋后30～120 d 期間T 處理銨態氮含量均顯著高于CK。在掩埋后30 d 時，CK 和T 處理銨態氮含量均達到峰值，分別為35.56 mg/kg 和62.30 mg/kg，且此時期兩處理銨態氮含量差異最大，為26.74 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 銨態氮含量趨于穩定。在掩埋后90 d 時，T 處理銨態氮含量出現明顯回升，之后略有下降，并于掩埋后120 d 時達到46.86 mg/kg。

圖1 腐熟農家肥碳、氮礦化率的變化Fig.1 Variations of carbon and nitrogen mineralization rates in well-rotten farmyard manure

圖2 土壤銨態氮含量的變化Fig.2 Variation of NH4+-N content in soil

2.2.2 土壤硝態氮含量的變化

CK 和T 處理的硝態氮含量變化見圖3。在掩埋后30 d 時，兩處理硝態氮含量差異不顯著，相差僅為5.97 mg/kg。CK 和T 處理硝態氮含量均在掩埋后30～60 d 和掩埋后90～120 d 時出現兩個快速增長期，但施用農家肥提高了硝態氮含量的增長速度，T 處理硝態氮含量在掩埋后30～60 d 和90～120 d 兩個階段分別增加22.13 mg/kg 和19.90 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 和T 處理間差異達到顯著水平。

圖3 土壤硝態氮含量的變化Fig.3 Variation of -N content in soil

2.2.3 土壤速效鉀含量的變化

由圖4 可知，在整個掩埋期T 處理速效鉀含量均顯著高于CK，且兩處理速效鉀含量變化趨勢差異較大，CK 速效鉀含量先下降后上升，T 處理速效鉀含量在肥料施入前期持續上升，后期趨于穩定。在掩埋后30～60 d 時，CK 速效鉀含量由409.17 mg/kg 降低至371.57 mg/kg。T 處理速效鉀含量由460.23 mg/kg 升高至549.61 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 速效鉀含量不穩定，數值波動較大，而T 處理速效鉀含量較為穩定。這說明施用農家肥對速效鉀含量的變化起到緩沖效果。

圖4 土壤速效鉀含量的變化Fig.4 Variation of available potassium content in soil

2.2.4 土壤速效磷含量的變化

由圖5 可知，在砂濾袋掩埋期間，CK 和T 處理速效磷含量變化趨勢稍有不同。在掩埋后30～60 d，T 處理速效磷含量由36.27 mg/kg 快速增加至49.66 mg/kg，增值達13.39 mg/kg，而此時CK 速效磷含量呈現緩慢下降趨勢。在掩埋60 d 后，兩處理速效磷含量同時提高，T 處理于掩埋后90 d 時達到峰值，為52.72 mg/kg。在掩埋后120 d 時，CK和T 處理速效磷含量分別達到41.42 mg/kg 和

51.85 mg/kg。

圖5 土壤速效磷含量的變化Fig.5 Variation of available phosphorus content in soil

2.3 土壤腐殖酸及其相關組分的變化

2.3.1 土壤腐殖酸含量的變化

由圖6 可知，T 處理腐殖酸含量呈現持續上升趨勢，且肥料施入前期上升速度快，后期上升速度慢。T 處理腐殖酸含量在掩埋后30～60 d 和60～90 d 分 別增 加10.03 g/kg 和1.19 g/kg；在 掩 埋 后120 d時，T處理腐殖酸含量達到峰值，為34.23 g/kg。而CK 處理腐殖酸含量整個掩埋期內較為穩定，在16.80～20.18 g/kg 范圍內波動。掩埋60 d 后，兩處理腐殖酸含量間差異均達到顯著水平。這說明施用農家肥可以促進土壤腐殖酸的積累。

圖6 土壤腐殖酸含量的變化Fig.6 Variation of humus acid content in soil

圖7 土壤富里酸含量的變化Fig.7 Variation of fulvic acid content in soil

2.3.2 土壤富里酸含量的變化

由圖7 可知，CK 和T 處理土壤富里酸含量總體上均呈現先上升后下降的趨勢。在掩埋后30 d時兩處理間差異不顯著。在掩埋后30～60 d 時CK 和T 處理富里酸含量均升高并達到峰值，分別為12.47 g/kg 和18.90 g/kg。掩埋60 d 后兩處理富里酸含量均開始降低。其中在掩埋后90 d 時CK富里酸含量為測試點中的最低值，為9.69 g/kg。在掩埋后120 d 時，CK 和T 處理富里酸含量分別為10.56 g/kg 和14.69 g/kg。

2.3.3 土壤胡敏酸含量的變化

由圖8 可知，在掩埋過程中CK 和T 處理胡敏酸含量均呈現上升趨勢，但二者上升幅度不盡相同。T 處理胡敏酸含量持續快速提高，而CK 胡敏酸含量變化較緩慢。隨著掩埋時間的延長，兩處理胡敏酸含量差異逐步增大，在掩埋后60、90 和120 d 時，T 處理胡敏酸含量較CK 增加量分別為5.56、10.46 和10.85 g/kg。這說明隨著農家肥掩埋時間的推進土壤腐殖化程度逐步提高，進而促進胡敏酸的形成。掩埋后30～120 d 期間T 處理與CK 胡敏酸含量差異均達到顯著水平。

圖8 土壤胡敏酸含量的變化Fig.8 Variation of humic acid content in soil

圖9 土壤胡富比的變化Fig.9 Variation of HA/FA ratio in soil

2.3.4 土壤胡富比的變化

由圖9 可知，掩埋后30～60 d 時，CK 和T 處理胡富比較為接近。在掩埋后60～90 d 時，T 處理胡富比快速升高，達1.22，在掩埋90 d 后，CK 與T處理胡富比差異均達到顯著水平。在掩埋后120 d時，T 處理的胡富比為1.33，遠高于CK。這說明農家肥能明顯提高土壤腐殖酸品質，尤其在掩埋后期，土壤腐殖酸品質對于農家肥施入的響應較為敏感。

3 討論

腐熟農家肥施入土壤后，為微生物提供了豐富的碳、氮源，此時期微生物活動劇烈，碳、氮礦化速率提高較快，且代謝產物中的有機酸可調節土壤pH 并溶解難溶性礦物，從而釋放出有效鉀和磷，提高土壤可用鉀和磷素水平[24-26]。隨著掩埋時間的延長，土壤中可被微生物利用的有機碳源和有機氮源逐漸減少，導致氮、碳礦化速率降低[27]。氮素與烤煙生長發育密切相關[28]，且土壤礦化氮量與烤煙吸收氮素間存在一定關系[29]，本研究中發現，腐熟農家肥在掩埋后60 d 時的氮素礦化率已達46.26%，占掩埋全過程氮素總礦化率的92.39%，符合西南煙區烤煙吸收土壤氮素的規律[30]。說明合理施用腐熟農家肥既能適時提供烤煙所需營養，保證其正常生長發育，又能避免煙株在生長后期吸收過多的氮素，影響煙葉正常成熟落黃。與馬興華等[31]的室內礦化實驗結果不同，可能是由于本試驗中農家肥礦化受到了當地天氣的影響。強降水會造成土壤表面局部缺氧，土壤的硝化作用受到抑制，導致土壤中銨態氮積累[32]。這可能是腐熟農家肥掩埋60～90 d T 處理和CK 土壤硝態氮含量下降，而土壤銨態氮含量沒有降低的主要原因。

本研究中腐熟農家肥可增加土壤胡敏酸和富里酸含量，提高土壤的胡富比。與朱青藤等[33]的研究結果施用農家肥未能增加土壤胡敏酸和富里酸含量不一致，這可能是因為朱青藤等的試驗所用農家肥未經過充分腐熟，而本試驗中四川省涼山州寧南煙區的腐熟農家肥可為土壤微生物提供更充足的能源，各種酶活性顯著增強，進而加速了腐殖化進程[34]。掩埋初期T 處理的胡富比較低，一方面是因為剛施入農家肥時，土壤富里酸的增加速度比胡敏酸快[35]；另一方面，在煙株生長初期，土壤營養物質較為豐富，微生物活動加強，呼吸強度大，土壤CO2濃度較高，在高濃度CO2中富里酸比較穩定，不利于轉化為胡敏酸，甚至能使胡敏酸分解形成富里酸[36]。掩埋后期，T 處理土壤富里酸含量下降幅度變緩，且胡敏酸上升幅度也隨之減慢，這可能是因為隨著肥料施入時間的推移，富里酸比胡敏酸更容易“老化”（氧化程度和芳構化程度更高），結構趨向復雜化[35]，富里酸更為穩定，向胡敏酸的轉化量減少。由于農家肥礦化與天氣條件、農家肥品種和土壤類型等諸多因素有關，本試驗僅為四川涼山州寧南煙區大田試驗結果，而農家肥的礦化規律還需多年份不同試驗點的進一步重復驗證。

4 結論

（1）在四川涼山州寧南煙區大田試驗條件下，施用充分腐熟農家肥后，土壤有機碳、有機氮快速礦化，而且均表現為肥料施入前期礦化速率快，后期速率變緩的特點。在掩埋后60 d 時，碳和氮的礦化率分別為65.13%和46.26%，分別占煙草全生育期碳、氮礦化率的80.07%和92.39%，符合烤煙“前促后控”的需肥規律。

（2）施用充分腐熟農家肥能提高土壤速效氮、磷、鉀含量，且能對土壤速效磷、速效鉀的變化起到緩沖作用。在本試驗條件下，于煙苗移栽時施入腐熟農家肥，既能保證烤煙前期生長對養分的需求，同時可以降低氮素殘留等對環境污染造成的風險。

（3）腐熟農家肥進入土壤后，能促進胡敏酸和富里酸的形成，增加腐殖酸含量，提高土壤胡富比，尤其在煙草生長后期能顯著提高土壤腐殖化程度，對提高土壤肥力，以及促進煙草可持續發展具有重要意義。