郭康莉，張水勤，冀拯宇，劉 曉，周吉祥，姜慧敏，楊俊誠(chéng)，李桂花，張建峰

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

活性有機(jī)氮與土壤氮素供應(yīng)狀況密切相關(guān)，其組成、含量及動(dòng)態(tài)變化特征對(duì)認(rèn)識(shí)農(nóng)業(yè)管理措施，調(diào)節(jié)土壤氮供應(yīng)具有重要意義[1-2]。根據(jù)不同周轉(zhuǎn)活性，土壤活性有機(jī)氮庫(kù)主要包括輕組有機(jī)氮(light fraction organic matter nitrogen, LFON)、顆粒態(tài)有機(jī)氮(particulate organic matter nitrogen, PON)、溶解性有機(jī)氮(dissolved organic nitrogen, DON)和土壤微生物量氮(microbial biomass nitrogen, SMBN)等活性有機(jī)氮組分，Carter等[3]指出，因活性有機(jī)氮組分生物活性高、周轉(zhuǎn)周期短，比土壤總氮對(duì)環(huán)境條件變化響應(yīng)更為迅速，可用于指示土壤質(zhì)量變化特征。同時(shí)，研究表明，土壤氮同位素組成特征能有效揭示土壤有機(jī)質(zhì)的分解程度、土壤氮?jiǎng)討B(tài)和含量的微小遷移，通過(guò)氮同位素技術(shù)對(duì)各氮庫(kù)中氮元素的遷移具有很好的指示作用，能為氮轉(zhuǎn)化過(guò)程提供有力證據(jù)[4-5]?；诖?，諸多研究者利用有機(jī)質(zhì)同位素組成特征評(píng)價(jià)管理措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響情況。劉敏等[6]通過(guò)測(cè)定長(zhǎng)江口灘涂有機(jī)質(zhì)中C、N穩(wěn)定性同位素組成示蹤有機(jī)質(zhì)來(lái)源，確定土壤氮同位素受地區(qū)分布及季節(jié)影響顯著；楊廣容等[7]發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田集約化生產(chǎn)可加速土壤氮循環(huán)，土壤物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)土壤微生物的硝化作用和氨化作用影響顯著，使得土壤氮素以多種組分形態(tài)及性質(zhì)存在，從而導(dǎo)致土壤氮同位素組成存在較大差異[8-10]。目前利用穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜技術(shù)評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)過(guò)程已成為研究熱點(diǎn)，因此，通過(guò)測(cè)定土壤活性氮素組成、含量及穩(wěn)定性同位素組成，可評(píng)價(jià)人為管理措施對(duì)農(nóng)田生態(tài)土壤氮素組成及供應(yīng)的影響特征。

經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理最終符合土地利用標(biāo)準(zhǔn)的污泥堆肥能改善土壤物理結(jié)構(gòu)[11]，提升土壤肥力[12]，提高土壤生物代謝活性及物種多樣性[13-14]。Tian[15-16]指出，污泥堆肥含大量難降解(惰性)有機(jī)物，能顯著增加土壤碳氮庫(kù)存，是 一種很好的土壤培肥材料。迄今為止，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)污泥堆肥的土地利用集中在土壤養(yǎng)分的總量變化及作物產(chǎn)量響應(yīng)特征上，Cogger等[12,17]研究表明，長(zhǎng)期施入污泥堆肥提高土壤碳氮儲(chǔ)量，增加土壤微生物豐度及代謝活性。然而，目前尚未深入研究污泥堆肥提升土壤質(zhì)量過(guò)程中，土壤活性氮組分及土壤穩(wěn)定性同位素組成特征，尤其是障礙性沙質(zhì)潮土。

河南省是我國(guó)重要糧食生產(chǎn)基地，當(dāng)前土壤沙化問(wèn)題嚴(yán)重制約了國(guó)家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[18]。因此，本研究采用田間連續(xù)定位試驗(yàn)，以河南省沙質(zhì)潮土為研究對(duì)象，通過(guò)連續(xù)4年施用不同量的污泥堆肥，研究多組分活性有機(jī)氮及δ15N對(duì)農(nóng)田施用污泥堆肥的響應(yīng)特征，以期為合理利用污泥堆肥培肥沙質(zhì)潮土提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

本試驗(yàn)設(shè)在河南省開封市農(nóng)林科學(xué)研究院試驗(yàn)基地(E 114°27′，N 34°77′)，地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，無(wú)霜期年均221 d，2012-2015年當(dāng)?shù)亟涤昙皻鉁貫椋?012年，平均降雨467.1 mm，平均氣溫15.38 ℃；2013年，平均降雨335.3 mm，平均氣溫15.66 ℃；2014年平均降雨508.1 mm，平均氣溫15.87 ℃；2015年平均降雨583.6 mm，平均氣溫15.42 ℃。土壤類型為沙質(zhì)潮土[19]。試驗(yàn)前土壤耕層0～20 cm基本理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果列于表1，土壤重金屬本底含量列于表2。

1.2 供試產(chǎn)品

試驗(yàn)所用產(chǎn)品為無(wú)害化污泥堆肥(簡(jiǎn)稱堆肥)，以鄭州市污水管網(wǎng)分開后單獨(dú)處理生活污水產(chǎn)生的污泥與秸稈-花生殼(1∶1)混合輔料按體積比5∶1進(jìn)行混合，接入枯草芽孢桿菌、 黑曲霉和嗜熱側(cè)胞酶等混合菌劑，在有效體積為326.7 m3的堆肥倉(cāng)中，通過(guò)靜態(tài)發(fā)酵、動(dòng)態(tài)翻堆等處理后制成，其中堆肥周期共9 d，發(fā)酵溫度55～60 ℃。所得污泥堆肥基本理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果列于表1，土壤δ15N為0.068‰。堆肥中主要有機(jī)污染物含量未測(cè)出，主要重金屬含量列于表2，符合《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—84)農(nóng)田利用標(biāo)準(zhǔn)。

表1 供試土壤和污泥堆肥基本特性Table 1 Basic properties of test soils and non-hazardous composted sewage sludge

表2 土壤和污泥堆肥重金屬含量Table 2 Content of heavy metals in the test soils (initial values) and non-hazardous composted sewage sludge

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，分別為：(1) 單施化肥(CK)，(2) 化肥配施15 t·hm-2堆肥(SW1)，(3) 化肥配施30 t·hm-2堆肥(SW2)，(4) 化肥配施45 t·hm-2堆肥(SW3)，堆肥施入量按濕重形式計(jì)算。試驗(yàn)小區(qū)面積為5 m2(2 m×2.5 m)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，為防止施肥、灌溉干擾，小區(qū)之間用1 m水泥墻分隔，作物種植行距15 cm。采用冬小麥—夏玉米輪作制度，供試作物小麥品種選用“開麥18”，玉米品種選用“開玉15”， 均為當(dāng)?shù)刂髟云贩N。施肥模式按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥水平N∶P2O5∶K2O=112.6∶42.51∶6.9，在小麥季和玉米季每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)均施N 225 kg·hm-2、P2O586 kg·hm-2和K2O 113 kg·hm-2，供試肥料分別為尿素、磷酸一銨和氯化鉀。在種植小麥和玉米之前，堆肥和化肥以基肥的形式采用撒施法均勻施入到土壤耕層，人工翻耕措施將基肥與耕層土壤混合均勻。作物種植和收割過(guò)程均采用人工播種和人工收割方式，其他大田管理措施如灌溉，病蟲害防治等均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣保持一致。

1.4 樣品采集與分析

1.4.1土壤樣品采集

土壤樣品于2016年9月26日(第8季玉米收獲期)用四分法采集耕層0～20 cm土壤樣品，混合均勻的土樣分為兩部分保存，一份自然風(fēng)干后分別過(guò)2 mm和0.149 mm篩；一份置-20 ℃保存供土壤微生物量氮及土壤水溶性有機(jī)氮測(cè)定用。

1.4.2試驗(yàn)分析及測(cè)試方法

(1) 土壤pH、含水率、有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)等常規(guī)指標(biāo)采用土壤農(nóng)化分析常量分析法測(cè)定[20]。

(2) 土壤活性有機(jī)氮組分測(cè)定

顆粒有機(jī)氮(PON)：采用5 g·L-1六偏磷酸鈉溶液分散，顆粒態(tài)部分有機(jī)氮含量采用半微量凱氏法測(cè)定[21]。

輕組有機(jī)氮(LFON)：采用密度為1.7 g·cm-3NaI進(jìn)行提取，用元素分析儀(意大利EuroEA3000)測(cè)定輕組有機(jī)物中氮含量[22]。

微生物量氮(SMBN)：采用氯仿培養(yǎng)熏蒸-K2SO4提取，采用TOC/N儀(德國(guó)耶拿Multi N/C 2100)測(cè)定分析[23]。

水溶性有機(jī)氮(DON)：土壤可溶性總氮與無(wú)機(jī)氮測(cè)定差值即為土壤水溶性有機(jī)氮含量[24]。

(3) 氮同位素豐度測(cè)定

采用本所MAT-251型質(zhì)譜儀測(cè)定土壤氮穩(wěn)定性同位素的δ15N值，分析誤差小于±0.2‰測(cè)定[5]。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算

(1) 土壤綜合肥力指數(shù)(soil integrated fertility index, IFI)：為綜合評(píng)價(jià)堆肥施入對(duì)土壤肥力提升效果，本研究選取土壤pH、有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀作為評(píng)價(jià)土壤肥力的分肥力指標(biāo)，參照張雪凌等[25]計(jì)算方法對(duì)土壤土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照全國(guó)第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn)(表3)劃分土壤肥力屬性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，消除土壤肥力參數(shù)之間量綱差異，計(jì)算分肥力系數(shù)IFIi。

表3 土壤肥力指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The grading standards of soil fertility properties

再采用修正的內(nèi)梅羅(Nemoro)指數(shù)法計(jì)算土壤綜合肥力IFI:

(1)

(2) 土壤活性氮組分在土壤全氮中的分配比例：

LFON分配比例(%)=LFON含量/TN含量×102

PON分配比例(%)=PON含量/TN含量×102

SMBN分配比例(%)=SMBN含量/TN含量×102

DON分配比例(%)= DON含量/TN含量×102

(3) 氮同位素以δ值的形式給出，計(jì)算公式為：

δ15N(‰)=[(15N/14N樣品-15N/14N標(biāo)準(zhǔn))/

15N/14N標(biāo)準(zhǔn)]×103

(2)

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算；采用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊次性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)通過(guò)后，采用單因素方差分析LSD方法檢驗(yàn)處理間數(shù)據(jù)差異性，同時(shí)采用SPSS 做通徑分析，并用Microsoft Office Visio 2007繪制通徑圖； Canoco 5.0做主成分分析(principal component analysis, PCA)和冗余分析(redundancy analysis, RDA)以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析；最后采用Origin 8.0進(jìn)行其余圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥對(duì)沙質(zhì)潮土總氮、有機(jī)碳及δ15N的影響

無(wú)害化污泥堆肥對(duì)土壤SOC、TN和δ15N影響示于圖1。由圖1結(jié)果可知，施用堆肥產(chǎn)品顯著增加了土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量。較CK處理，SW1、SW2和SW3處理土壤SOC含量分別增加了121.23%、163.18%和265.83%(P<0.05)，土壤TN含量分別增加了93.12%、148.73%和284.31%(P<0.05)，并且SOC和TN含量隨堆肥施入量增加而顯著增加，SW3處理較SW1和SW2處理達(dá)到顯著性水平；土壤δ15N分別降低了41.39%、47.71%和59.93%，顯著低于CK處理，說(shuō)明施入堆肥產(chǎn)品是降低土壤δ15N的直接原因。

圖1 無(wú)害化污泥堆肥對(duì)土壤SOC、 TN和δ15N的影響Fig.1 Effect of nonhazardous composted sewage sludge treatments on the soil organic carbon, total nitrogen and δ15N values

2.2 堆肥對(duì)土壤活性氮組分及其分配比例的影響

無(wú)害化污泥堆肥對(duì)土壤活性氮組分的影響示于圖2。由圖2結(jié)果可知，與CK相比，施用堆肥顯著提高PON組分含量，SW1、SW2和SW3處理PON含量分別達(dá)到0.761 g/kg、1.203 g/kg和1.417 g/kg，增加幅度達(dá)104.57%～280.91%(P<0.05)。LFON和SMBN變化趨勢(shì)與PON保持一致，各處理由高到低依次為SW3>SW2>SW1>CK，于SW2和SW3處理下均達(dá)到顯著性水平(P<0.05)。土壤DON組分受堆肥影響較其余氮組分弱，較CK處理增加幅度不存在顯著性差異(P>0.05)?；钚缘M分含量PON>LFON>DON>SMBN，說(shuō)明土壤中活性氮主要以PON形式存在，PON含量的高低對(duì)土壤活性氮庫(kù)高低及氮供應(yīng)能力貢獻(xiàn)巨大。

圖2 無(wú)害化污泥堆肥對(duì)土壤活性氮組分的影響Fig.2 Effect of nonhazardous composted sewage sludge on soil active organic nitrogen

圖3 無(wú)害化污泥堆肥對(duì) 土壤活性氮組分分配比例的影響Fig.3 Effect of nonhazardous composted sewage sludge on soil active organic nitrogen allocation proportion

無(wú)害化污泥堆肥對(duì)土壤活性氮組分分配比例的影響示于圖3。由圖3結(jié)果可知，施入堆肥改變各活性氮組分在TN中的分配。較CK處理，施入堆肥增加PON/TN和SMBN/TN分配，其中PON/TN增加了1.77%～12.27%，SMBN/TN受處理影響顯著，較CK處理顯著增加了83.82%～539.93%(P<0.05)。施入堆肥顯著降低LFON/TN和DON/TN分配比例(P<0.05)，降低幅度分別達(dá)17.25%～33.38%和38.50%～71.27%，其中LFON/TN在堆肥處理間不存在顯著差異(P>0.05)?？傮w而言，土壤活性氮組分分配比例呈現(xiàn)：PON/TN>LFON/TN>DON/TN>SMBN/TN，說(shuō)明PON對(duì)土壤氮庫(kù)貢獻(xiàn)最大，SMBN貢獻(xiàn)最小。同時(shí)，隨著堆肥施入量增加，活性有機(jī)氮組分在土壤TN中的總體分配量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，說(shuō)明隨著堆肥施入量的增加，促進(jìn)土壤中氮組分以惰性有機(jī)氮組分形式存在。

2.3 堆肥處理下土壤δ15N指示土壤氮組分的變化特征

土壤δ15N與土壤TN、LFON、PON、SMBN及DON的曲線擬合(圖4)發(fā)現(xiàn)，δ15N與TN之間呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性(R2=0.999，n=12，P<0.01)，與PON及LFON之間呈顯著相關(guān)性(分別為R2=0.873，n=12，P<0.05和R2=0.998，n=12，P<0.05)。SMBN和DON與δ15N擬合曲線未能達(dá)到顯著性水平。由此可以看出，土壤δ15N可表征土壤氮素儲(chǔ)量及活性氮組分含量受堆肥施用的影響特征。

圖4 δ15N與土壤活性氮組分的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation of the soil active organic nitrogen fractions and δ15N

土壤氮庫(kù)存對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)起著重要作用，通過(guò)通徑分析(圖5)，可以明確活性有機(jī)氮組分對(duì)土壤氮庫(kù)的貢獻(xiàn)作用。以y代表土壤TN含量，x1代表LFON含量，x2代表PON含量，x3代表SMBN含量，x4代表DON含量，x5代表土壤δ15N，通過(guò)逐步回歸，建立最優(yōu)回歸方程：y=0.355+3.46x1+0.094x2-3.085x5，決定系數(shù)R2=0.951，說(shuō)明對(duì)土壤TN含量有影響的變量為L(zhǎng)FON、PON活性氮組分含量和土壤δ15N。通過(guò)圖5可得，LFON和δ15N對(duì)TN含量的直接貢獻(xiàn)達(dá)到顯著水平，直接通徑系數(shù)分別為0.431和-0.517(P<0.05)。間接通徑分析表明，x1和x2通過(guò)x5對(duì)TN貢獻(xiàn)達(dá)到0.402和-0.491，x2和x5通過(guò)x1對(duì)TN的間接貢獻(xiàn)同樣較大，達(dá)0.365和0.335，說(shuō)明土壤活性氮含量對(duì)土壤TN含量產(chǎn)生直接及間接貢獻(xiàn)作用，而土壤δ15N對(duì)土壤TN含量受堆肥施入同樣具有表征作用。

實(shí)線表示土壤活性氮組分及δ15N與 土壤TN直接及間接通徑系數(shù); 虛線表示土壤氮指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)圖5 簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)的分解 Solid line means the direct and indirect path coefficient; dash line means the correlation coefficient Fig.5 Disassembling of simple correlation coefficient

2.4 堆肥處理影響土壤活性氮組分及δ15N的分布特征

將收獲期4個(gè)處理12個(gè)樣本活性氮組分及δ15N進(jìn)行主成分分析(PCA)，通過(guò)PCA可知活性有機(jī)氮組分及δ15N在二維平面上的分布特征及與處理間的關(guān)系(圖6)。結(jié)果表明，第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)方差貢獻(xiàn)率分別為93.57%和5.14%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)98.71%，即PCA前兩個(gè)排序軸可涵蓋樣本絕大部分信息，其中，土壤δ15N在CK處理下具有較高載荷，在SW2和SW3處理下載荷值低；DON在SW1處理下載荷較高，但對(duì)PC1貢獻(xiàn)較弱；其余活性氮組分、SOC和TN含量在SW2和SW3上具有較高載荷。PCA圖中CK、SW1、SW2和SW3處理點(diǎn)從右到左依次分開，說(shuō)明土壤氮含量受處理影響顯著，高施入量堆肥顯著降低了土壤δ15N、增加土壤氮組分含量。

圖6 不同土壤氮組分主成分分析Fig.6 Principal component analyses of different fractions of soil active organic nitrogen under nonhazardous composted sewage sludge treatments

2.5 土壤活性氮組分及δ15N與環(huán)境因子間關(guān)系

冗余分析(RDA)揭示土壤活性氮組分和δ15N受土壤環(huán)境條件的影響情況分析結(jié)果示于圖7。圖7結(jié)果表明，第一排序軸(PC1)解釋48.58%，第二排序軸(PC2)解釋22.11%，前兩個(gè)排序軸累積解釋70.69%的活性氮組分及δ15N與環(huán)境因子的關(guān)系，其中，δ15N與土壤pH呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤水分含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤活性氮組分、SOC和TN(除DON外)均與土壤pH呈負(fù)相關(guān)，與其余環(huán)境指標(biāo)密切正相關(guān)。進(jìn)一步利用RDA內(nèi)置偏蒙特卡羅置換檢驗(yàn)可知每個(gè)環(huán)境指標(biāo)解釋的變化量，其中土壤綜合肥力指數(shù)IFI和土壤pH對(duì)土壤活性氮組分及δ15N含量解釋能力最強(qiáng)，分別解釋48.2%和17.5%(P<0.05)，說(shuō)明環(huán)境條件的改變對(duì)土壤活性氮組分含量及土壤穩(wěn)定性氮同位素組成影響顯著。

實(shí)心箭頭代表土壤活性有機(jī)碳組分及δ15N豐度；空心箭頭代表環(huán)境因子圖7 土壤活性氮組分及δ15N豐度與土壤理化指標(biāo)的冗余分析 Solid arrow means the soil active organic nitrogen fractions content and δ15N; Hollow arrow mean physico-chemical parametersFig.7 Redundancy analysis between soil active organic nitrogen and δ15N and soil physico-chemical parameters

3 討論

3.1 堆肥對(duì)土壤活性氮組分、δ15N及氮組分分配比例的影響

土壤碳素和氮素是反映土壤有機(jī)培肥效果的重要指標(biāo)，本研究結(jié)果表明，連續(xù)施用堆肥4年后土壤SOC和TN含量顯著增加，根據(jù)土壤肥力分級(jí)參考標(biāo)準(zhǔn)：旱地土壤SOC>15 g·kg-1為Ⅰ級(jí)；10～15 g·kg-1為Ⅱ級(jí)；SOC<10 g·kg-1為Ⅲ級(jí)[26]，目前CK的肥力質(zhì)量為Ⅲ級(jí)，隨著堆肥的施用， SW1和SW2處理的土壤肥力質(zhì)量上升至Ⅱ級(jí)，SW3處理土壤肥力質(zhì)量上升至Ⅰ級(jí)，可見，土壤質(zhì)量提升效果顯著。土壤穩(wěn)定性同位素δ15N可以表征土壤質(zhì)量的變化過(guò)程[4]，結(jié)果表明堆肥自身δ15N低(δ15N=0.068‰)，進(jìn)入土壤后的堆肥對(duì)土壤氮組分進(jìn)行稀釋，從而降低土壤δ15N，通過(guò)氮穩(wěn)定性同位素δ15N比值分析方法進(jìn)一步證實(shí)直接向土壤施入有機(jī)物料是增加土壤氮儲(chǔ)量、提升土壤質(zhì)量最直接的農(nóng)田管理措施[14]。

堆肥施入提高PON、LFON和SMBN組分含量，隨堆肥施入量增加，活性氮組分含量增加顯著，主要因?yàn)闊o(wú)害化污泥經(jīng)堆肥處理后富含活性氮相似組分，施入土壤后能直接增加土壤PON和LFON含量[27]，同時(shí)，堆肥提供養(yǎng)分能夠促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)，配施化肥促進(jìn)植物根茬以PON和LFON形式歸還到土壤根層。由于堆肥產(chǎn)品含有豐富的惰性有機(jī)物組分，自身C/N值低，施入土壤后增加土壤中穩(wěn)定態(tài)有機(jī)物含量，而穩(wěn)定性有機(jī)物短期或長(zhǎng)期內(nèi)主要以PON形態(tài)儲(chǔ)存[28-29,19]。富含有機(jī)物的堆肥為土壤微生物提供大量代謝基質(zhì)，微生物以適宜的C/N值將氮素整合到生物體內(nèi)，同時(shí)，堆肥施入能促進(jìn)根系生長(zhǎng)及根系物質(zhì)分泌，調(diào)節(jié)微生物生長(zhǎng)環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)微生物生長(zhǎng)代謝活性，從而增加土壤SMBN含量[30]。土壤DON組分主要由可溶于水或鹽溶液的小分子有機(jī)氮組成，可直接或經(jīng)轉(zhuǎn)化后被植物及微生物吸收利用，微生物代謝活性增加，促進(jìn)了對(duì)DON的吸收利用[31]，因此施入堆肥對(duì)土壤DON含量影響較小，處理間不存在顯著差異。本研究發(fā)現(xiàn)堆肥處理下，土壤LFON和PON響應(yīng)特征比土壤TN更明顯，說(shuō)明土壤LFON和PON組分較土壤TN對(duì)土地管理方式的改變更敏感，可用作評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤活性有機(jī)物及土壤質(zhì)量影響的指示指標(biāo)[32]。

研究表明，土壤活性有機(jī)氮占土壤總氮的比值可表征土壤各氮素組分的分配情況，且土壤活性氮組分占土壤總氮含量的百分比較TN和活性氮組分的絕對(duì)值對(duì)土壤氮庫(kù)質(zhì)量的變化更敏感，可用以指示土壤質(zhì)量的變化[33-34]。PON和LFON是其他活性氮庫(kù)、微生物代謝主要物質(zhì)和能量來(lái)源，其在TN中的分配比例能反映土壤過(guò)渡態(tài)有機(jī)氮庫(kù)儲(chǔ)存情況，本研究發(fā)現(xiàn)，施用堆肥能顯著促進(jìn)PON/TN分配，因?yàn)槎逊手谢钚缘M分主要以PON形式存在，Yan等[35]研究表明，與秸稈相比，施入堆肥產(chǎn)品可促進(jìn)土壤有機(jī)物料整合到土壤顆粒態(tài)中，增加PON含量及其分配。土壤微生物活性與土壤SMBN/TN分配比例密切聯(lián)系，堆肥培肥土壤過(guò)程中降低土壤pH，增加土壤水分含量，同時(shí)速效養(yǎng)分含量增加促進(jìn)植物生長(zhǎng)及根系分泌，從而為微生物生長(zhǎng)代謝提供良好環(huán)境條件，促進(jìn)微生物將土壤氮素整合到微生物氮庫(kù)中[15]，Liu 等[14]研究也發(fā)現(xiàn)，施入污泥堆肥可影響土壤微生物的生物量，增加參與土壤養(yǎng)分循環(huán)的物種豐度。堆肥處理降低了LFON/TN和DON/TN分配，隨著施入量增加，LFON/TN和DON/TN分配比例逐漸降低，一方面，堆肥處理后未顯著增加土壤DON和LFON含量，另一方面，LFON和DON較PON更容易被微生物及根系代謝轉(zhuǎn)化利用，堆肥處理顯著增加微生物代謝活性，從而降低LFON/TN和DON/TN分配比例。整體而言，施入堆肥降低土壤活性氮組分在全氮中的分配，SW3處理時(shí)活性氮組分分配比例達(dá)到最低，主要因?yàn)槲勰嘟?jīng)堆肥處理后主要以惰性有機(jī)物形式存在，同時(shí)，活性有機(jī)氮組分分配比例綜合小于100%，說(shuō)明其余部分氮組分可能以惰性有機(jī)氮形式殘留的木質(zhì)素衍生物、碳水化合物及脂肪族有機(jī)組分短時(shí)間內(nèi)難降解，施入土壤后整合到沙礫土壤中，暫時(shí)以物理保護(hù)態(tài)組分形式存在[35]。為了充分表征活性氮組分受堆肥處理的影響特征，有必要對(duì)更多的活性氮組分及惰性有機(jī)氮含量進(jìn)行分析。

3.2 土壤δ15N變化過(guò)程與土壤氮組分含量的關(guān)系

本試驗(yàn)連續(xù)四年8季施用堆肥，借助δ15N特征可以識(shí)別連續(xù)施用有機(jī)堆肥處理下土壤氮同位素分餾過(guò)程[26,36]，結(jié)果表明，土壤δ15N變化主要受農(nóng)田有機(jī)物料施入驅(qū)動(dòng)，堆肥自身較低的δ15N進(jìn)入到土壤，從而對(duì)土壤氮同位素組分產(chǎn)生稀釋作用。通過(guò)土壤δ15N與土壤TN及活性氮組分的曲線擬合發(fā)現(xiàn)，TN與δ15N可通過(guò)一元二次方程擬合達(dá)到極顯著相關(guān)性，因此通過(guò)δ15N變化特征可以指示土壤氮庫(kù)受農(nóng)田管理措施的影響[20]。同時(shí)，土壤δ15N與土壤PON和LFON達(dá)到顯著的相關(guān)性，與SMBN和DON不存在顯著的相關(guān)性，主要因?yàn)橥寥乐蠵ON和LFON組分含量受堆肥施入量顯著，土壤DON和SMBN含量受微生物及植物根系代謝活性影響顯著，從而影響其組分賦存形態(tài)和含量，受堆肥施用直接影響作用較弱[35]。通徑分析表明，δ15N與土壤TN含量有顯著的直接相關(guān)性和間接作用，同時(shí)逐步回歸分析表明PON和LFON對(duì)土壤TN含量貢獻(xiàn)顯著，這與土壤活性氮組分含量及其分配比例響應(yīng)特征一致，說(shuō)明PON和LFON含量可以表征土壤氮素供應(yīng)能力。

3.3 土壤理化性狀及肥力水平與土壤活性氮組分及δ15N間關(guān)系

冗余分析顯示，堆肥處理后，土壤理化條件對(duì)土壤活性氮組分含量及δ15N影響顯著。結(jié)果表明，土壤δ15N與pH(CK 9.02, SW1 8.61, SW2 8.19, SW3 8.13)呈正相關(guān)關(guān)系，隨著堆肥施入量增加，土壤含水率(CK 3.62%, SW1 5.49%, SW2 9.80%, SW3 10.97%)和土壤綜合肥力水平(CK 0.75, SW1 0.94, SW2 1.03, SW3 1.16)增加促進(jìn)活性氮組分含量并降低土壤δ15N，分析其主要原因是：1) 堆肥施入增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，堆肥貧15N有機(jī)質(zhì)成分以活性氮組分大量進(jìn)入到土壤中，經(jīng)礦化分解對(duì)土壤自身氮同位素組分進(jìn)行稀釋，從而降低土壤δ15N；2) 與Cogger等[12]和Liu等[14]的研究結(jié)果一致，堆肥施入顯著增加土壤含水量，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，適宜的土壤環(huán)境條件促進(jìn)微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化分解作用，導(dǎo)致土壤氮素有多種庫(kù)存形態(tài)和性質(zhì)，造成同位素組成存在差異；3) 高pH值時(shí)降低微生物的代謝活性，降低土壤微生物硝化作用及反硝化作用對(duì)土壤15N的損失作用，從而利于15N的富集，因此，土壤環(huán)境條件改變后，由土壤礦化作用、硝化作用、反硝化作用及氨化作用協(xié)同引起氮同位素的分餾會(huì)反饋到堆肥培肥土壤活性有機(jī)氮組分含量及其有機(jī)質(zhì)氮同位素組成上[7,37]。因此，在人為措施有機(jī)質(zhì)施入-轉(zhuǎn)化-輸出養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中，土壤活性氮組分含量及其氮同位素分餾效應(yīng)受環(huán)境條件影響顯著，利用活性氮組分含量及土壤δ15N可用于評(píng)估土壤堆肥對(duì)沙質(zhì)潮土土壤質(zhì)量的提升效果。

4 結(jié)論

1) 施用污泥堆肥顯著增加了土壤碳氮儲(chǔ)量，促進(jìn)土壤活性有機(jī)氮以PON、LFON和SMBN形式存在；堆肥施入量增加土壤碳氮儲(chǔ)量、提高土壤活性氮組分含量的同時(shí)，促進(jìn)土壤氮組分以穩(wěn)定氮組分形式存在，有利于提升沙質(zhì)土壤質(zhì)量，在本試驗(yàn)中，45 t·hm-2時(shí)效果最佳。

2) 相關(guān)性分析結(jié)果表明，污泥堆肥施入后，土壤活性氮組分含量與土壤δ15N存在顯著相關(guān)性。進(jìn)一步冗余分析表明，土壤理化條件受堆肥處理影響顯著，土壤環(huán)境條件的改善促進(jìn)堆肥有機(jī)質(zhì)以活性氮組分的形式進(jìn)入到土壤各氮庫(kù)中，導(dǎo)致土壤15N貧化, 可見，利用土壤穩(wěn)定性同位素δ15N變化特征可作為堆肥對(duì)沙質(zhì)土壤質(zhì)量提升效果的指示指標(biāo)。

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