基于四川凉山烟区大田试验的腐熟农家肥矿化规律分析

陈 宇，凌爱芬，李少鹏，李方新，岳东林，卢 剑，叶协锋，武云杰，范文思，于建军*

1. 河南农业大学烟草学院，郑州市金水区文化路95 号 450002

2. 四川省烟草公司凉山州公司，四川省西昌市西郊乡三岔口东路432 号 615000

3. 江苏中烟工业有限责任公司，南京市中山北路406-3 号 210000

4. 甘肃烟草工业有限责任公司，兰州市七里河区南滨河中路1111 号 730000

5. 四川省烟草公司宁南县公司，四川省凉山州宁南县披砂镇洗布坝37 号 615400

四川省凉山彝族自治州宁南县烤烟种植历史悠久，地理环境和生态气候优越，能够满足烤烟喜温、喜光等生长特性[1]，成为卷烟生产的原料供应基地之一。近年来，由于化肥滥用和烟草连作导致植烟土壤环境恶化，烟叶品质下降[2-3]。

农家肥多由家禽粪便和农作物秸秆组成，具有养分全，肥效期较长，含微生物、酶等优点，可改良土壤，增强土壤缓冲能力，维持土壤环境稳定[4-5]。邵兴芳等[6]研究发现，施用农家肥可以提高土壤碳和氮含量，且显著提高土壤氮素的矿化量和矿化率；王朔林等[7]研究表明，长期施用农家肥可增加土壤总有机碳含量，使土壤有机碳组分的分配比例发生改变，颗粒有机碳分配比例增加，而矿物结合态有机碳分配比例降低。但农家肥中未被作物吸收的氮、磷，会造成土壤中氮、磷过量积累，也会引发一系列的生态问题[8-10]。因此，明确农家肥的矿化特性，提高农家肥利用率对烟叶生产具有重要意义。土壤腐殖酸是维持土壤结构稳定的关键物质，其中胡敏酸最为活跃且对土壤结构的形成及土壤肥力有重要作用[11]，富里酸则是分子量较小的物质，活性和氧化程度较高，影响着胡敏酸在土壤中的积累与更新[12]。有研究发现，施用农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，可作为衡量土壤腐殖酸品质优劣的指标。比值越大，腐殖酸品质越好，土壤肥力越高）[13]。但有关腐熟农家肥矿化对植烟土壤腐殖酸组分影响的研究报道较少[14]，目前研究农家肥矿化的室内方法较多[15-16]，而这些方法的缺陷是忽视了田间土壤、植物体与环境的复杂交互作用对农家肥矿化的特殊影响[17-19]。因此，为了准确反映烟叶产区农家肥的矿化规律，采用掩埋砂滤袋的田间原位培养法，研究了腐熟农家肥有机碳、氮的矿化特征，及其对土壤腐殖酸组分的影响，以期为植烟土壤保育和合理施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2016 年在四川省凉山州宁南县进行，试验点属亚热带季风气候，年均气温19.3 ℃，无霜期315 d，年均降雨量960 mm，年均日照时数2 257 h。烤烟供试品种为云烟85，土壤类型为红壤，试验地常规施肥为本试验选用的腐熟农家肥和烟草专用复合肥（四川金叶化肥有限公司），施纯氮量为90 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1.2∶3，腐熟农家肥作为基肥于移栽时条施，烟草专用复合肥作为追肥于移栽后30 d 穴施，基追肥比例为6：4。按当地优质烟叶生产技术规范进行田间管理。试验地土壤耕层（0～20 cm）基本理化性状：pH 5.92、有机质33.27 g/kg、碱解氮125.66 mg/kg、速效磷23.12 mg/kg、速效钾417.93 mg/kg。供试农家肥为玉米秸秆和猪粪混合物，比例为2∶1，经30 d 高温堆沤腐熟而成。腐熟农家肥养分含量：有机质412.14 g/kg、全氮15.67 g/kg、全磷4.73 g/kg、全钾47.10 g/kg、含水率25.05%。在每次取样前记录当地近15 d 的平均气温和天气状况，见表1。

1.2 试验设计

试验设置两个处理。对照（CK）：选取300 g烟田原位耕层土壤，风干过2 mm 筛后装入砂滤袋；处理（T）：在对照的基础上每个砂滤袋中再装入烘干粉碎过2 mm 筛的农家肥30 g，农家肥与土壤混合均匀。每处理埋入12 个砂滤袋，3 次重复，每小区面积为222 m2，各小区采用“S”形布点埋袋。砂滤袋规格为孔径48 μm 尼龙纱网制成的25 cm×25 cm 可封口袋子，耐腐蚀，不易降解，能通气透水，但烟株根系不能伸入。烟苗于5 月8 日移栽，移栽前将砂滤袋埋入两烟株移栽苗穴之间的垄体上，取一定量掩埋位置的原位土壤，加水混合制成原土悬浊液，浇附于砂滤袋上，使砂滤袋与土壤接触，表层覆盖5 cm 厚的细土。大田烟苗移栽后，垄体上覆盖地膜。试验过程中分4 次取样，从砂滤袋掩埋日算起，每隔30 d 在两处理中各取3个砂滤袋，烟叶采收结束时最后一次取样。取样时采用取土铲先铲出1 个耕层断面，尽量不破坏土壤结构，清除砂滤袋表层附着的泥土，取出袋中土壤样品用于各项指标的测定。

表1 天气状况Tab.1 Weather condition

1.3 测定项目与方法

采用重铬酸钾-浓硫酸氧化法（外加热法）测定土壤有机碳；半微量凯氏定氮法测定土壤全氮；碱解扩散法测定土壤碱解氮；KCl 浸提-蒸馏法测定土壤铵态氮；酚二磺酸比色法测定土壤硝态氮；碳酸氢钠浸提-钼锑抗显色分光光度法测定土壤速效磷；NH4OAc 浸提-火焰光度计法测定土壤速效钾[20]。腐殖酸、胡敏酸（HA）和富里酸（FA）采用国际腐殖酸协会（IHSS）推荐的分析方法进行样品的分离和制备[21]，并采用重铬酸钾外加热法进行测定[22]。

碳、氮矿化率的计算[23]：

有机氮含量=全氮含量-无机氮含量（无机氮主要包括硝态氮和铵态氮） （1）

有机碳矿化率=[1-（施有机肥处理有机碳残留量-空白土有机碳含量）/加入的有机碳量]×100% （2）

有机氮矿化率=[1-（施有机肥处理有机氮残留量-空白土有机氮含量）/加入的有机碳量]×100% （3）

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2013 进行数据处理，用SPSS 23.0 统计分析软件Duncan 法进行数据间差异的显著性检验。

2 结果与分析

2.1 腐熟农家肥碳、氮矿化率的变化

腐熟农家肥施入土壤后，碳和氮矿化率的变化趋势基本一致，见图1。表现为肥料施入前期矿化快，后期矿化慢。在掩埋后30 d 时，碳矿化率达50.23%，占矿化全过程（总矿化率）的61.75%。掩埋30 d 后，碳的矿化速率明显减缓，这说明较易分解的有机物质已被分解，将进入复杂有机物的矿化过程。农家肥在掩埋后60 d 时碳矿化率为65.13%，占总矿化率的80.07%。掩埋后120 d 时，碳矿化率达81.34%。与碳矿化相比，氮矿化主要集中于掩埋后60 d 之前。掩埋后30 d 时，氮矿化率快速增长达到30.62%，占总矿化率的61.15%；掩埋后60 d 时氮矿化率为46.26%，占总矿化率的92.39%；掩埋后120 d 时氮矿化率为50.07%。

2.2 土壤速效养分的动态变化

2.2.1 土壤铵态氮含量的变化

由图2 可知，在掩埋后30～120 d 期间T 处理铵态氮含量均显著高于CK。在掩埋后30 d 时，CK 和T 处理铵态氮含量均达到峰值，分别为35.56 mg/kg 和62.30 mg/kg，且此时期两处理铵态氮含量差异最大，为26.74 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 铵态氮含量趋于稳定。在掩埋后90 d 时，T 处理铵态氮含量出现明显回升，之后略有下降，并于掩埋后120 d 时达到46.86 mg/kg。

图1 腐熟农家肥碳、氮矿化率的变化Fig.1 Variations of carbon and nitrogen mineralization rates in well-rotten farmyard manure

图2 土壤铵态氮含量的变化Fig.2 Variation of NH4+-N content in soil

2.2.2 土壤硝态氮含量的变化

CK 和T 处理的硝态氮含量变化见图3。在掩埋后30 d 时，两处理硝态氮含量差异不显著，相差仅为5.97 mg/kg。CK 和T 处理硝态氮含量均在掩埋后30～60 d 和掩埋后90～120 d 时出现两个快速增长期，但施用农家肥提高了硝态氮含量的增长速度，T 处理硝态氮含量在掩埋后30～60 d 和90～120 d 两个阶段分别增加22.13 mg/kg 和19.90 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 和T 处理间差异达到显著水平。

图3 土壤硝态氮含量的变化Fig.3 Variation of -N content in soil

2.2.3 土壤速效钾含量的变化

由图4 可知，在整个掩埋期T 处理速效钾含量均显著高于CK，且两处理速效钾含量变化趋势差异较大，CK 速效钾含量先下降后上升，T 处理速效钾含量在肥料施入前期持续上升，后期趋于稳定。在掩埋后30～60 d 时，CK 速效钾含量由409.17 mg/kg 降低至371.57 mg/kg。T 处理速效钾含量由460.23 mg/kg 升高至549.61 mg/kg。在掩埋60 d 后，CK 速效钾含量不稳定，数值波动较大，而T 处理速效钾含量较为稳定。这说明施用农家肥对速效钾含量的变化起到缓冲效果。

图4 土壤速效钾含量的变化Fig.4 Variation of available potassium content in soil

2.2.4 土壤速效磷含量的变化

由图5 可知，在砂滤袋掩埋期间，CK 和T 处理速效磷含量变化趋势稍有不同。在掩埋后30～60 d，T 处理速效磷含量由36.27 mg/kg 快速增加至49.66 mg/kg，增值达13.39 mg/kg，而此时CK 速效磷含量呈现缓慢下降趋势。在掩埋60 d 后，两处理速效磷含量同时提高，T 处理于掩埋后90 d 时达到峰值，为52.72 mg/kg。在掩埋后120 d 时，CK和T 处理速效磷含量分别达到41.42 mg/kg 和

51.85 mg/kg。

图5 土壤速效磷含量的变化Fig.5 Variation of available phosphorus content in soil

2.3 土壤腐殖酸及其相关组分的变化

2.3.1 土壤腐殖酸含量的变化

由图6 可知，T 处理腐殖酸含量呈现持续上升趋势，且肥料施入前期上升速度快，后期上升速度慢。T 处理腐殖酸含量在掩埋后30～60 d 和60～90 d 分 别增 加10.03 g/kg 和1.19 g/kg；在 掩 埋 后120 d时，T处理腐殖酸含量达到峰值，为34.23 g/kg。而CK 处理腐殖酸含量整个掩埋期内较为稳定，在16.80～20.18 g/kg 范围内波动。掩埋60 d 后，两处理腐殖酸含量间差异均达到显著水平。这说明施用农家肥可以促进土壤腐殖酸的积累。

图6 土壤腐殖酸含量的变化Fig.6 Variation of humus acid content in soil

图7 土壤富里酸含量的变化Fig.7 Variation of fulvic acid content in soil

2.3.2 土壤富里酸含量的变化

由图7 可知，CK 和T 处理土壤富里酸含量总体上均呈现先上升后下降的趋势。在掩埋后30 d时两处理间差异不显著。在掩埋后30～60 d 时CK 和T 处理富里酸含量均升高并达到峰值，分别为12.47 g/kg 和18.90 g/kg。掩埋60 d 后两处理富里酸含量均开始降低。其中在掩埋后90 d 时CK富里酸含量为测试点中的最低值，为9.69 g/kg。在掩埋后120 d 时，CK 和T 处理富里酸含量分别为10.56 g/kg 和14.69 g/kg。

2.3.3 土壤胡敏酸含量的变化

由图8 可知，在掩埋过程中CK 和T 处理胡敏酸含量均呈现上升趋势，但二者上升幅度不尽相同。T 处理胡敏酸含量持续快速提高，而CK 胡敏酸含量变化较缓慢。随着掩埋时间的延长，两处理胡敏酸含量差异逐步增大，在掩埋后60、90 和120 d 时，T 处理胡敏酸含量较CK 增加量分别为5.56、10.46 和10.85 g/kg。这说明随着农家肥掩埋时间的推进土壤腐殖化程度逐步提高，进而促进胡敏酸的形成。掩埋后30～120 d 期间T 处理与CK 胡敏酸含量差异均达到显著水平。

图8 土壤胡敏酸含量的变化Fig.8 Variation of humic acid content in soil

图9 土壤胡富比的变化Fig.9 Variation of HA/FA ratio in soil

2.3.4 土壤胡富比的变化

由图9 可知，掩埋后30～60 d 时，CK 和T 处理胡富比较为接近。在掩埋后60～90 d 时，T 处理胡富比快速升高，达1.22，在掩埋90 d 后，CK 与T处理胡富比差异均达到显著水平。在掩埋后120 d时，T 处理的胡富比为1.33，远高于CK。这说明农家肥能明显提高土壤腐殖酸品质，尤其在掩埋后期，土壤腐殖酸品质对于农家肥施入的响应较为敏感。

3 讨论

腐熟农家肥施入土壤后，为微生物提供了丰富的碳、氮源，此时期微生物活动剧烈，碳、氮矿化速率提高较快，且代谢产物中的有机酸可调节土壤pH 并溶解难溶性矿物，从而释放出有效钾和磷，提高土壤可用钾和磷素水平[24-26]。随着掩埋时间的延长，土壤中可被微生物利用的有机碳源和有机氮源逐渐减少，导致氮、碳矿化速率降低[27]。氮素与烤烟生长发育密切相关[28]，且土壤矿化氮量与烤烟吸收氮素间存在一定关系[29]，本研究中发现，腐熟农家肥在掩埋后60 d 时的氮素矿化率已达46.26%，占掩埋全过程氮素总矿化率的92.39%，符合西南烟区烤烟吸收土壤氮素的规律[30]。说明合理施用腐熟农家肥既能适时提供烤烟所需营养，保证其正常生长发育，又能避免烟株在生长后期吸收过多的氮素，影响烟叶正常成熟落黄。与马兴华等[31]的室内矿化实验结果不同，可能是由于本试验中农家肥矿化受到了当地天气的影响。强降水会造成土壤表面局部缺氧，土壤的硝化作用受到抑制，导致土壤中铵态氮积累[32]。这可能是腐熟农家肥掩埋60～90 d T 处理和CK 土壤硝态氮含量下降，而土壤铵态氮含量没有降低的主要原因。

本研究中腐熟农家肥可增加土壤胡敏酸和富里酸含量，提高土壤的胡富比。与朱青藤等[33]的研究结果施用农家肥未能增加土壤胡敏酸和富里酸含量不一致，这可能是因为朱青藤等的试验所用农家肥未经过充分腐熟，而本试验中四川省凉山州宁南烟区的腐熟农家肥可为土壤微生物提供更充足的能源，各种酶活性显著增强，进而加速了腐殖化进程[34]。掩埋初期T 处理的胡富比较低，一方面是因为刚施入农家肥时，土壤富里酸的增加速度比胡敏酸快[35]；另一方面，在烟株生长初期，土壤营养物质较为丰富，微生物活动加强，呼吸强度大，土壤CO2浓度较高，在高浓度CO2中富里酸比较稳定，不利于转化为胡敏酸，甚至能使胡敏酸分解形成富里酸[36]。掩埋后期，T 处理土壤富里酸含量下降幅度变缓，且胡敏酸上升幅度也随之减慢，这可能是因为随着肥料施入时间的推移，富里酸比胡敏酸更容易“老化”（氧化程度和芳构化程度更高），结构趋向复杂化[35]，富里酸更为稳定，向胡敏酸的转化量减少。由于农家肥矿化与天气条件、农家肥品种和土壤类型等诸多因素有关，本试验仅为四川凉山州宁南烟区大田试验结果，而农家肥的矿化规律还需多年份不同试验点的进一步重复验证。

4 结论

（1）在四川凉山州宁南烟区大田试验条件下，施用充分腐熟农家肥后，土壤有机碳、有机氮快速矿化，而且均表现为肥料施入前期矿化速率快，后期速率变缓的特点。在掩埋后60 d 时，碳和氮的矿化率分别为65.13%和46.26%，分别占烟草全生育期碳、氮矿化率的80.07%和92.39%，符合烤烟“前促后控”的需肥规律。

（2）施用充分腐熟农家肥能提高土壤速效氮、磷、钾含量，且能对土壤速效磷、速效钾的变化起到缓冲作用。在本试验条件下，于烟苗移栽时施入腐熟农家肥，既能保证烤烟前期生长对养分的需求，同时可以降低氮素残留等对环境污染造成的风险。

（3）腐熟农家肥进入土壤后，能促进胡敏酸和富里酸的形成，增加腐殖酸含量，提高土壤胡富比，尤其在烟草生长后期能显著提高土壤腐殖化程度，对提高土壤肥力，以及促进烟草可持续发展具有重要意义。