紫色土氮素礦化作用和硝化作用對長期施肥的響應

王敬 朱波 張金波

摘要 [目的] 研究不同施肥方式對紫色土中氮素循環特性的影響。[方法]采用室內培養試驗研究長期施肥對四川紫色土無機氮的動態變化、礦化作用和硝化作用的影響。[結果]與不施肥對照相比，長期施肥顯著提高了紫色土的凈礦化速率（P< 0.05），不同施肥處理的平均凈礦化速率分別為單施化學氮肥處理（NPK）≥豬糞處理（OM）>豬糞-化肥配施處理（OM-NPK）>秸稈-化肥配施處理（RSD-NPK）>秸稈處理（RSD）。秸稈處理（RSD）、RSD-NPK的平均凈礦化速率為負值，表明長期施用秸稈促進了土壤無機氮的同化。與對照相比，長期不同施肥處理均顯著刺激了紫色土的平均凈硝化速率（P < 0.05），其中以豬糞處理（OM）最高，為16.74 mg/（kg·d），是CK（5.84 mg/（kg·d））的2.87倍。與單施化學氮肥處理（NPK）相比，秸稈處理（RSD）顯著抑制了硝化作用，平均凈硝化速率下降了1069%，但顯著高于對照處理（P< 0.05）。[結論] 該研究為紫色土地區農業生產中肥料的合理施用提供科學依據。

關鍵詞 紫色土;長期施肥;礦化作用;硝化作用

中圖分類號 S154.1文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）19-0168-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.049

Abstract [Objective] To analyze the effects of longterm different fertilization application on the nitrogen dynamic in the Sichuan purple soil. [Method] An in situ incubation experiment was conducted to investigate the effects of different N fertilizer regimes on mineralization and nitrification in purple soil. [Result] Longterm repeated applications of mineral or organic N fertilizer significantly stimulated soil net mineralization rates （P < 0.05）， which decreased in the order： mineral fertilizer NPK treatment （NPK） ≥ pig manure treatment （OM） >OM-NPK>RSD-NPK

> crop straw treatment （RSD）. However， the average net mineralization rate was -0.88，-0.39 mg/（kg·d）， less than 0， in the crop straw （RSD）， RSD-NPK treatment， indicating that addition of crop straw into soil promoted the immobilization of inorganic N. Compared with the unfertilized control （CK）， longterm repeated applications of different fertilizer significantly stimulated soil net nitrification rates （P < 005）， with the highest value of 16.74 mg/（kg·d） in the pig manure treatment （OM） which was 2.87 times higher than that in the unfertilized control （CK） （584 mg/（kg·d））. In the crop straw treatment （RSD）， the average net nitrification rate was 10.69% lower than that in the mineral fertilizer NPK treatment （NPK）， but significant higher than that of the unfertilized control （CK）. [Conclusion] The study can provide scientific basis for rational fertilization in the regions of purple soil.

Key words Purple soil;Longterm application;Mineralization;Nitrification

氮是植物生長發育必不可少的三大生命元素之一。氮在土壤中通常以無機態氮和有機態氮2種形態存在，其中有機態氮占土壤全氮的比例高達95%～99%。盡管研究發現植物可以直接利用土壤中的有機氮（如氨基酸等），但可供植物吸收利用的絕大多數氮仍以無機氮（如NH4+-N和NO3--N）為主[1-3]，因此土壤中的有機氮只有不斷地礦化成為無機氮才能被植物吸收利用。有機氮的礦化過程是土壤重要的供氮過程之一，是指土壤有機氮在微生物的作用下將有機氮轉化為可被植物吸收利用的無機氮的過程，其轉化速率決定了土壤中用于植物生長、微生物同化所需氮素的可利用性，對植物氮素利用和維持土壤肥力具有重要意義。硝化作用是硝化微生物將銨態氮氧化成硝態氮和亞硝態氮的過程。硝化作用可以消耗土壤中的銨進而可能減少氨的揮發損失，但會產生少量的N2O，且其終產物硝態氮又易隨水淋失而污染水體，更可能通過反硝化作用損失而污染大氣，因此硝化作用是生態系統中氮素損失的潛在途徑之一。因此，研究土壤氮素礦化和硝化作用具有重要意義。

在濕潤亞熱帶地區，存在面積高達300 000 km2的四川紫色土[4]。與濕潤亞熱帶地區地帶性土壤特性相反，四川紫色土通常呈中性或堿性，NH3揮發風險高且自養硝化速率大，土壤無機氮以硝態氮為主，淋溶風險高[5-7]。該地區雨養坡耕地面積占紫色土總耕地面積的65%以上[6]，頻繁耕作使得該地區土壤易發生侵蝕和淋溶，由淋溶和徑流造成的氮損失又引發了當地和周邊地區嚴重的氮污染問題[8-9]。為解決上述問題，亞熱帶地區制定了一系列農業管理措施，如梯田耕作、壟溝種植、等高墾植以及施肥管理等，以期減少紫色土地表徑流和壤中流氮損失。如該地區有施用豬糞的傳統，其主要目的是為了培肥地力。此外，由于化學肥料來源較為廣泛，使得單施化學肥料或者有機-無機配施（有機肥包括糞肥和秸稈）也日益普遍[10]。研究表明，單施化學肥料、有機-無機配施或有機肥長期施用條件下土壤有機氮和無機氮含量，作物產量以及淋溶和N2O排放等氮損失間均有差異[5，9，11]，如有機肥（糞肥或秸稈）部分取代化學肥料，即有機-無機配施可以提高作物產量的同時降低土壤中流氮損失[5]，但鮮有研究不同施肥處理對紫色土硝化作用和礦化作用的影響規律及機理。

筆者以長期定位施肥試驗紫色土為研究對象，采取室內培養試驗，研究不同施肥方式對紫色土中無機氮的動態變化、硝化作用和礦化作用的影響，以期為紫色土地區農業生產中肥料的合理施用、土壤氮素循環的合理調控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為鈣質紫色沉積母質發育而成的蓬萊鎮組紫色土，質地為中壤，位于中國科學院成都山地災害與環境研究所鹽亭紫色土生態農業試驗站（105°28′ E，31°16′ N）內。該地區屬于典型的亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降雨量為826 mm，降雨季節分布不均，其中90%以上集中在5—9月;多年平均溫度為17.3 ℃。主要農作物有水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays L.）、小麥（Triticum aestivum）、甘薯（Ipomoea batatas Lam.）、油菜（Brassica campestris L.）等。

供試豬糞均統一采自附近養豬場，其C/N為15∶1;供試小麥和玉米秸稈的混合樣品（C/N為61∶1），切割為<5 cm長的碎末，在播種前一次性施入土壤。豬糞、小麥秸稈和玉米秸稈的含氮量分別為0.4%、0.3%和0.5%。所有肥料混勻后，于播種當天撒施。

1.2 試驗設計

紫色土長期施肥試驗始于2003年，小區面積為24 m2，坡度為7%，試驗小區的土層深度為60 cm。試驗共設6個處理：①不施肥處理（CK）;②氮磷鉀肥處理（NPK）;③單施有機肥處理（OM）（豬糞）;④有機肥-化肥混施處理（OM-NPK，化肥氮占60%）;⑤秸稈還田處理（RSD，相當于化肥氮量的40%）;⑥秸稈-化肥混施處理（RSD-NPK，化肥氮占60%），每處理3次重復，共18個小區，采用隨機區組設計進行布點。除RSD處理外，其他處理的年施氮量均為280 kg/hm2，其中麥季130 kg/hm2、玉米季150 kg/hm2?；瘜W氮肥使用碳酸銨，麥季和玉米季向每個處理施用P2O5 90 kg/hm2（過磷酸鈣）和K2O 36 kg/hm2（氯化鉀）作為基肥。主要種植制度是冬小麥-夏玉米輪作。

于玉米種植前采集不同處理表層土壤樣品（0～20 cm），每個小區采集3個子樣品并混合均勻成一個混合樣品。采集的新鮮土樣即刻去除作物殘茬等，過2 mm篩并置于4 ℃冰箱保存備用。稱取相當于20 g烘干土重的鮮土樣置于250 mL三角瓶中，每個土壤樣品共24瓶。用移液管逐滴加入2 mL NH4NO3溶液，使各處理NH4+-N和NO3--N的加入量均為氮 50 mg/kg。調節土壤水分至60% WHC，置于25 ℃黑暗條件下分別培養72 h。分別在添加氮溶液的第05、24、48和72 h隨機取出6個土壤樣品作為重復進行破壞性取樣，測定土壤中的NH4+-N、NO3--N濃度。

1.3 測定項目與方法

土壤pH采用電位法測定，水土質量比為2.5∶1;土壤有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，有機質含量乘以系數0.58得到土壤有機碳含量;土壤全氮采用Se，CuSO4和K2SO4半微量開氏法測定;土壤中NH4+-N和 NO3--N含量采用2 mol/L KCl（按水土質量比5∶1）浸提-MgO-定氮合金蒸餾法測定[7]。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 土壤主要理化性質

與未施肥對照（CK）相比，長期施用氮肥，無論是有機肥、化肥或有機無機配施均未顯著影響紫色土的pH，但對紫色土中有機碳的積累有顯著促進作用，不同處理有機碳增加表現為CK

2.2 土壤中銨態氮的動態變化

培養期間不同施肥處理土壤銨態氮含量的動態變化見圖1。從圖1可以看出，不同處理土壤NH4+-N含量在整個培養期間均呈下降趨勢。除CK和RSD處理外，NPK、OM、OM-NPK和RSD-NPK處理在培養0～24 h迅速降低，然后降低速率趨緩，并在48 h后趨于平衡。在這4種施肥處理中，土壤NH4+-N含量的下降幅度以OM-NPK處理最高，OM和RSD-NPK次之，NPK最低，但相互間無顯著差異。與NPK、OM、OM-NPK和RSD-NPK處理不同的是，CK和RSD處理土壤NH4+-N含量在整個培養期間下降較為緩慢，其中RSD處理的下降速度先快（0～48 h）后慢（48～72 h），而CK處理則是勻速下降。至培養結束，各施肥處理土壤NH4+-N含量無顯著差異。

2.3 土壤中硝態氮的動態變化

培養過程中各處理土壤的NO3--N含量變化見圖2。從圖2可以看出，在好氧和強堿性（pH 7.8左右）條件下，施入土壤中的NH4+-N會被迅速轉化為NO3--N，NH4+-N隨著培養時間的增加而不斷下降，與之相反，NO3--N含量則呈上升趨勢。從圖2可以看出，NPK、OM、OM-NPK和RSD-NPK處理土壤NO3--N含量在培養0～24 h迅速升高，隨后升高速率減緩，表現為OM≥RSD-NPK≥OM-NPK>NPK，且NPK處理與OM、OM-NPK和RSD-NPK處理差異顯著（P<0.05）。CK處理NO3--N含量在培養0～24 h略有上升趨勢，隨后在24～72 h上升速度顯著提高（P< 0.05）。對RSD處理而言，其土壤NO3--N含量在培養0～48 h升幅較大，隨后速度降低，其升幅顯著低于NPK處理（P< 0.05）、高于CK處理（P<0.05）。至培養結束，不同處理土壤NO3--N含量表現為OM≥RSD-NPK≥OM-NPK>NPK>RSD>CK。

2.4 不同施肥處理對土壤礦化作用的影響

不同施肥處理對紫色土礦化作用的影響顯著。由圖3可知，在培養期間，未施肥對照（CK）、秸稈還田（RSD）處理和秸稈-化肥混施處理（RSD-NPK）的平均凈礦化速率分別為-2.14、-0.88和-0.39 mg/（kg·d），且CK處理顯著低于RSD和RSD-NPK處理（P<0.05）。CK、RSD和RSD-NPK處理的平均凈礦化速率均為負值，說明這3種處理可以促進土壤無機氮的同化。培養期間NPK、OM、OM-NPK處理的平均凈礦化速率分別為2.82、2.72、1.98 mg/（kg·d）。與OM-NPK處理相比，NPK、OM處理的平均凈硝化速率有增高趨勢，其中NPK處理提高幅度最大，為42%，OM處理分別提高了37%，但NPK、OM和OM-NPK處理間均無顯著差異。

2.5 不同施肥處理對土壤硝化作用的影響

由圖4可知，不同施肥處理對硝化作用的影響顯著。不同處理土壤的平均凈硝化速率表現為OM> OM-NPK>RSD-NPK> NPK> RSD >CK。無肥對照（CK）的平均凈硝化速率最低，長期施用氮肥處理的平均凈硝化速率均極顯著高于CK處理（P<001）。其中長期施用豬糞處理（OM）的平均凈硝化速率最高，為16.74 mg/（kg·d），是CK處理（5.84 mg/（kg·d））的2.87倍，差異極顯著（P<0.01）。有機無機配施處理（OM-NPK和RSD-NPK）土壤的平均凈硝化速率低于OM處理，分別為15.18和14.61 mg/（kg·d），但處理間差異不顯著。與單施化學氮肥（NPK）（平均凈硝化速率為13.75 mg/（kg·d））相比，除RSD處理外，施用有機肥或有機無機配施可以提高紫色土的平均凈硝化速率。所有施肥處理中，RSD處理對紫色土平均凈硝化速率的刺激作用最小，為12.28 mg/（kg·d），顯著低于其他施肥處理（P<0.05）。

3 討論

礦化作用是指土壤有機氮在土壤生物尤其是土壤異養微生物為主導作用下轉化為可供植物吸收利用的無機氮的過程，是農田生態系統中重要的生物化學過程。在水、熱、氣相同的條件下，土壤凈礦化速率可以反映土壤供氮能力和供氮強度。土壤氮素的礦化與土壤氮素的供應密切相關[12]。研究表明，土壤氮素礦化速率與土壤有機碳和總氮含量呈正相關關系，有機碳和總氮含量高的土壤通常具有較高的礦化速率[13-14]。該研究發現，長期施用氮肥，無論是有機肥還是化肥，均可顯著提高紫色土的凈礦化速率，不同施肥處理土壤氮素凈礦化速率與土壤有機碳和總氮含量呈正相關關系，表明施用肥料引起的土壤有機碳和全氮含量的增加可能是土壤氮素凈礦化速率提高的原因。有機肥本身（尤其是豬糞）含有大量的有機物質，如易分解有機碳、氮、磷等物質，而豬糞在分解礦化過程中還會釋放出一部分水溶性有機碳，為微生物提供最直接的碳源，氮肥的配施為土壤微生物提供了充足的氮素營養，從而促進了土壤微生物的快速繁殖[15-16]，進而促進了土壤原有有機氮的礦化作用。而且豬糞和秸稈本身在分解過程中也會發生礦化作用產生大量礦質氮，也可能是使用有機肥可以提高土壤礦化作用的一個重要原因。此外，研究發現，外加碳、氮的激發效應能促進土壤氮的礦化[17]，特別是尿素的施用，可以增加微生物硝化作用所需要的銨態氮濃度，減少微生物固持NH4+-N激發硝化微生物活性，增加其氮素礦化量，提高礦化速率[18]。因此，該試驗發現加氮處理的平均凈礦化速率顯著提高可能是長期施入碳酸銨將大量NH4+-N帶入了土壤中，激發了硝化微生物活性進而提高了凈礦化速率的結果。另一方面，施入氮肥可以顯著降低土壤環境的C/N，從而提高了土壤微生物的整體活性，從另一層面上繼續促進有機氮的礦化[19]。

與其他各施肥處理相比，秸稈還田（RSD）和秸稈-化肥混配（RSD-NPK）處理的平均凈礦化速率為-0.88和-0.39 mg/（kg·d），是負值，說明長期施用秸稈可以促進土壤無機氮的同化。這與李平等[20]在黑土上的研究結果一致。這主要是因為添加有機物料土壤的有機氮礦化過程與礦質氮的微生物同化過程的相對強弱將取決于有機物料的C/N。如有機物料的C/N大于30時，微生物需要大量的外源礦質氮來合成自身物質，此時礦質氮的生物固持作用大于有機氮的礦化作用，表現為礦質氮的凈同化;當C/N 小于20 時，微生物不需要額外礦質氮來滿足自身生長需求，此時主要以有機氮礦化過程為主，有機氮的礦化速率大于礦質氮的生物同化速率，從而表現為凈礦化[21]。該研究中所添加的有機物料有低C/N的豬糞（15∶1）和高C/N的秸稈（61∶1）2種，因此豬糞或豬糞配施化學肥（OM、OM-NPK）處理，有機氮的礦化作用大于礦質氮的生物固持作用，在整個培養期間表現為凈氮礦化;而秸稈處理增加了土壤有效碳源，刺激微生物對氮的需求，導致凈同化[22]。說明外來氮源可能會被同化進入土壤有機氮庫，而后通過再礦化成為有效氮，進而導致土壤氮礦化的提高[23]。這種礦化-同化的快速周轉，有利于土壤供氮和氮素保持。這與李平等[20]關于豬糞處理刺激黑土的凈礦化而秸稈處理則導致凈同化的結果一致，而與范曉輝等[24]在紅壤和潮土上以及馬力等[25]在紅壤水稻土上秸稈還田促進了土壤有機氮的礦化作用研究結果相反，可能與施用的是C/N 較低的水稻秸稈有關。

傳統觀點認為，硝化作用是硝化細菌利用CO2作為碳源，將NH4+-N轉化為NO3--N并獲得能量的過程，又稱為自養硝化作用。近期研究發現，有機氮可以被直接氧化為NO3--N，即異養硝化作用，尤其是在酸性土壤中[26-27]。土壤的硝化作用受到多種因素的影響，其中主要的有土壤的水、氣、熱、pH、硝化底物和有機物料輸入等。土壤硝化速率在很大程度上取決于土壤pH，一般會隨pH的升高而增加[28-30]。該研究得到的堿性紫色土（pH 7.8）凈硝化速率為5.84 mg/（kg·d），顯著高于東北黑土（pH 4.9）[20]、江西8種不同利用方式土壤（平均pH 4.9）[31]。曹彥強等[32]對位于四川省重慶市的3種酸度不同紫色土凈硝化速率的測定結果發現，在pH較高的中性（pH 7.2）和石灰性（pH 8.5）土壤中發生了明顯的硝化作用，凈硝化速率可達8.37、10.23 mg/（kg·d），而酸性紫色土（pH 5.3）的硝化作用很弱（0.036 mg/（kg·d））。該研究中，各處理的pH間無顯著差異，顯然不是決定紫色土處理間凈硝化速率差異的關鍵因素。

NH4+-N是硝化作用的底物，其濃度也是制約硝化作用強弱的重要因素之一。Khalil等[33]研究發現，即使在pH為8.2的堿性土壤中，不添加外源NH4+-N，凈硝化速率也會很低;而加入NH4+-N（80、116和170 mg/（kg·d））會顯著提高凈硝化速率。該研究中，長期施肥顯著提高了紫色土的凈硝化速率，其提高程度表現為OM>OM-NPK>RSD-NPK>NPK>RSD。單施化學氮肥（NPK）對紫色土凈硝化速率的刺激作用極顯著（P<0.01），這與前人對銨態氮肥施用對土壤中硝化作用促進效應的研究結果一致[34-36，20]。這可能是長期施用碳酸銨，可以直接為自養硝化提供底物銨態氮，刺激硝化進而提高凈硝化速率的結果。另一方面，向土壤中施用氮肥能夠增加硝化細菌的數量和活性，導致施肥土壤中硝化細菌的數量比對照土壤提高了20倍之多[37]，如會激發中性和堿性土壤AOB（ammonia oxidizing bacteria，氨氧化細菌）的數量和活性[38-40]。

與單施氮肥相比，有機肥或有機無機配施（RSD處理除外）可以進一步促進土壤的硝化作用。這與李平等[20]在黑土上和范曉輝等[24]在紅壤和潮土上的研究結果一致。施用有機肥可以促進硝化作用，一方面是因為有機肥中通常含有大量有效碳和其他養分，有益于改善土壤的物理化學和生物學性質[41]，增加土壤透氣性，提高硝化速率。此外，有機物料中有機氮的礦化有致堿作用，且其本身含有的大量鹽基離子也可提高土壤pH，進而刺激自養硝化。有機肥料種類不同對自養硝化的刺激作用也不同，農作物秸稈對自養硝化的激發作用通常小于動物糞肥。動物糞肥的C/N較低，且本身含有較高濃度銨態氮也會快速釋放到土壤中，成為自養硝化微生物的底物[42-43]。而農作物秸稈C/N通常較高，微生物需要從土壤中吸收更多的無機氮來滿足自身生長需要，致使農作物秸稈施入促進了氮同化并導致硝化底物減少[44-45]。這可能是該研究發現的糞肥（OM）、糞肥-化肥配施（OM-MPK）凈硝化速率高于秸稈還田處理（RSD、RSD-NPK）尤其是RSD處理的主要原因。高C/N秸稈與化學氮肥配施帶入的外源礦質氮，可以消弱由于秸稈施入提供的豐富碳源引起的微生物對無機氮的生物固持作用，進而增加了硝化底物濃度，從而刺激了硝化作用，這可能也是該研究中秸稈-氮肥配施凈硝化速率顯著高于秸稈還田處理的原因。所有施肥處理中，RSD處理對紫色土平均凈硝化速率的刺激作用最小，為12.28 mg/（kg·d），顯著低于其他施肥處理（P<0.05），這可能與RSD處理的施氮量僅為其他施肥處理的60%，硝化作用的底物NH4+-N濃度偏低有關。

值得注意的是，該試驗是通過室內培養試驗測定了長期施肥處理對紫色土凈礦化和硝化速率的影響，但凈轉化速率是控制其轉化多種途徑的初級轉化速率綜合作用的結果，如氮素凈礦化速率反映的是氮素初級礦化速率與初級自養硝化速率、初級同化速率的差值，因此，凈轉化速率不能代表土壤真實的氮素循環狀態[46]。當硝化產生速率與NO3--N的生物同化速率相等時，土壤中NO3--N含量保持常數，凈硝化速率為零，但這不等于土壤未進行硝化作用和NO3--N的同化作用。因此，要闡明不同施肥處理對紫色土氮素轉化規律的研究，并進行針對性地調控，還需開展初級轉化速率的研究。

4 結論

長期施肥對四川紫色土有機氮的礦化作用和硝化作用均有顯著影響。施用化肥或有機肥均可顯著促進有機氮的礦化作用，但施秸稈則表現為凈同化;單施化肥可以顯著提高紫色土的凈硝化速率;與單施化學氮肥相比，有機肥處理（OM、OM-MPK、RSD-NPK）可以進一步刺激硝化作用，單施秸稈處理則會顯著抑制硝化作用。

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