碳添加對農田土壤氮轉化過程影響的研究進展

王亞薩，鄒悅，張晶，鄭祥洲，張玉樹，丁洪

（1福建農林大學資源與環境學院，福州350002；2福建省農業科學院土壤肥料研究所，福州350013）

碳添加對農田土壤氮轉化過程影響的研究進展

王亞薩1,2，鄒悅1,2，張晶2，鄭祥洲2，張玉樹2，丁洪2

（1福建農林大學資源與環境學院，福州350002；2福建省農業科學院土壤肥料研究所，福州350013）

在農田土壤中添加碳源會直接或間接的對氮素轉化過程產生影響，從而影響氮素利用率。以國內外研究為基礎，簡述了碳源添加對農田土壤各形態氮含量和氮轉化的影響過程，揭示出碳源添加對氮肥損失和利用率的影響機理，并展望了農田碳添加的研究前景，為指導農田合理施肥，提高土壤肥力提供研究基礎。指出加強多學科交叉，多因素綜合和長期定位研究是推動碳氮研究進展和田間成果轉化的關鍵。

碳源添加；氮素轉化；合理施肥；研究進展

0 引言

氮素是植物必需的大量營養元素之一，施氮可以提高作物的產量和品質[1]。農田土壤中的氮素主要來源于含氮肥料的施用。為了滿足生產需求，農田化肥施用量逐年增加，單位面積施氮量已遠超國際上限標準(225 kg/hm2)，而利用率卻不到30%[2-3]。持續大量的氮肥投入不僅不能達到增產的目的，還會加大損失風險，對自然環境和生態系統造成嚴重威脅[4-6]。由于陸地生態系統中絕大部分的氮都儲存于土壤有機質庫中，土壤碳含量的多少必然會對氮素轉化過程產生一定的影響[7]，進而改變土壤不同形態氮的含量。研究發現碳添加會提高土壤養分有效性[8]，改善土壤理化性質[9]，促進微生物多樣性和活性[10]，進而影響氮素利用率[11-15]。筆者綜述了當前在農田土壤中不同碳源添加對氮轉化影響的研究進展，以期為加強碳氮耦合效應研究，指導農田合理施肥，提高土壤肥力提供研究基礎。

1 碳添加對土壤全氮含量的影響

全氮含量的高低能直接反映土壤供應氮素能力的強弱，其含量和儲量除了與土壤本身性質相關外，還受到施肥、耕作、作物的影響[16]。施用有機肥能顯著提高土壤全氮含量，并且有機肥施用量與土壤全氮提高幅度呈正相關[17-20]。在湖南稻田17年的長期定位試驗中發現中低量有機肥處理可以提高45%的全氮含量，而高量有機肥處理的全氮含量可以提高67%[21]。但杜滿義等[22]認為土壤有機碳含量與全氮含量遵循三次多項式擬合模型，與之前的正相關線性關系結論不同，這主要是土層深度也會影響它們的相關關系。此外有機肥性質和組成對土壤全氮的影響也存在差異性[23-24]，低C/N比有機肥能迅速提高土壤全氮含量，但隨后土壤全氮含量降低速度也較快，而高C/N比有機肥不僅可以通過吸附作用減少氮素流失，還能減緩土壤全氮含量的降低速度[25]。

2 碳添加對土壤氮有效性的影響

農田土壤的特征之一就是營養元素的長期大量施用，碳氮添加會對土壤活性有機氮產生影響[26]，而能被植物和微生物直接利用的水溶性有機氮是土壤中最活躍的氮組分之一，對改善土壤肥力有重要意義。研究表明施肥可以提高土壤可溶性有機氮含量[27-29]，但并不是所有肥料對可溶性有機氮都有增加效果[30]。有研究表明，化肥使用會抑制可溶物的溶出，降低土壤中可溶性有機氮含量，甚至呈現出負相關關系，但是添加秸稈后，在初期階段能顯著提升土壤可溶性有機氮的含量[31]。李雪利等[32]在煙田的研究證明在有一定的有機氮輸入條件下，不同外源有機碳輸入都可以增加烤煙各生育期土壤活性氮庫。目前在不同類型土壤上施用添加碳源對活性有機態氮含量影響的研究還少見報導，因此尚有待于開展這方面的研究。

土壤微生物量氮最易受耕作影響，其周轉速率是有機氮的10倍[33]，是最能綜合反映微生物對氮素的礦化與固定作用的指標，是土壤活性氮的“庫”和“源”[34-35]。施用有機肥能顯著增加土壤微生物氮的含量，平均增幅達55.2%，最大平均增幅能達到74.0%[36]。不同C/N比的有機物添加對土壤微生物氮的影響也不相同[37]，王軍等[38]研究發現C/N比在25～36的有機肥是提高土壤微生物量氮含量的最佳C/N比值。碳添加量對土壤微生物量氮也表現為正相關效應[39]，但微生物量氮的季節變化特征明顯，微生物同時存在同化作用，不同量有機物添加并不能改變微生物的自然變化趨勢，只是在一定時空范圍內暫時的改變微生物量氮含量[40]。由于土壤微生物的活動受季節、溫度和土層深度影響很大[41-42]，因此研究碳添加對氮轉化的同時也必須注意秸稈施用深度和秸稈腐熟過程引起微生物量變化的情況。

3 碳添加對土壤氮素轉化過程的影響

3.1 對氮素礦化過程的影響

土壤氮素的礦化主要是指土壤有機氮被分解成NH3和NH4+的過程，進入土壤的有機物必須經過礦化作用才能將氮素釋放出來供作物吸收。因此，有機氮的礦化率決定了氮素的可利用性[43]，微生物是這一活動的參與主體，微生物在礦化有機物的同時還存在維持自身生命的固持作用，因此有機氮的礦化與固持作用是同時發生的。生物質炭添加對土壤氮素礦化影響的研究結果并不一致[44-46]，但隨時間的延長，其對土壤有機氮礦化率的影響呈現出先減小后增大最后趨于平穩的變化趨勢[47]。有研究表明，添加葡萄糖后土壤氮素礦化受到抑制，氮素的固持作用加強，硝化作用也受到抑制，但是還與土壤本身肥力水平有關。氮素礦化受有機物料C/N比影響很大[50]，高C/N比的有機物會降低土壤礦化速度，礦化出的氮素容易被固持，而高含氮量的有機物與礦化速度成正相關[51]。趙明等[44]則發現高C/N比的污泥生物質炭土壤平均氮礦化量顯著高于C/N比相對較低的牛糞處理，這可能是有機物本身氮素礦化量較低，施入土壤后反而被土壤微生物固定，一定時間后才釋放出來。所以有機物對氮循環的影響還可能由輸入物的質量決定，輸入有機物導致氮礦化量增加可能源于易利用碳的增加和微生物量的增長[52]。進入土壤的有機物在土壤微生物的作用下分解，土壤微生物分解和合成有機物的同時，還需要同化土壤中有機質和礦質元素來構成其軀體，供應自身生長。自養硝化細菌利用CO2作為碳源進行生物合成，異養硝化細菌利用有機碳進行生物量合成，而異養微生物不僅氧化礦質氮還可以氧化有機氮[53]。葛順峰等[14]發現秸稈和生物質炭的添加可以顯著降低氨揮發損失，相對空白對照來講，秸稈和生物質炭處理的氨揮發損失只占施氮量比例的4.33%和3.04%。同時也降低了土壤耕層的氮素殘留量，降低了淋失的風險，提高了氮肥的利用率。研究還表明，碳添加可以促進氮素的微生物同化從而被短暫的儲存起來[54-55]，有機肥對礦化的影響雖然還有爭議，但是長期施用可以顯著提高礦化與固持的周轉速率[56]。

3.2 對氮素硝化反硝化的影響

有機物添加會影響土壤物理化性質和微生物活動，也必然會影響到氮素的硝化反硝化過程[57]。硝化反硝化作用的底物分別是銨態氮和硝態氮，一般認為微生物生長過程會優先消耗銨態氮[58]，農田土壤通氣良好，硝化過程較快，因而表現出有機物添加對銨態氮變化趨勢影響不大，主要是對硝態氮含量的提高。Mǜller等[59]在草地生態系統中利用15N同位素跟蹤模型研究施用牛糞稀釋液和對照的對比實驗發現,使用牛糞稀釋液后土壤硝化率為0.78 μmol N/(g·d)，而對照處理的土壤硝化率僅為0.04 μmol N/(g·d)，外源有機質添加明顯的提高了草地土壤硝化率。有機物的C/N比也是影響硝化的重要因素，不同C/N比的有機物都可以增加銨態氮含量，但是達到峰值的時間和峰值的高低卻隨有機物C/N比不同而不同，硝態氮含量也有顯著提高，并且硝態氮含量降低速度會隨著有機物C/N比的降低而減慢[25]。

有機物的添加影響硝化作用和土壤硝態氮的含量也會對反硝化過程產生影響。酸性紅壤上的研究表明，在穩定的氮素輸入情況下增加有機碳源可以促進反硝化作用，降低硝態氮含量，隨著葡萄糖消耗，反硝化強度降低，銨態氮的轉化又促進硝態氮含量，硝態氮含量表現出先降低后增加再穩定的趨勢[60]。在黑土上的研究也發現活性碳源添加可以促進反硝化活性，但活性有機碳源對黑土礦化的抑制作用，降低土壤銨態氮含量，通過減少底物抑制硝化作用，進而減小了反硝化損失風險[48]。有研究者在研究有機物添加對氮轉化的同時關注了其對氮素利用率的影響情況，發現碳源物質還可以降低硝態氮的淋洗，其中天然木本材料的效果最好[61]。張樂等[49]用葡萄糖作碳源，也發現活性炭源的存在可以降低硝態氮的淋失風險。生物炭具有吸附作用，既是碳源，也是很好的氮素固定材料。但生物質炭其自身的特殊性使得其對土壤硝化反硝化的影響與常規碳源相比又有很大不同,低溫制備的秸稈炭添加土壤后并不能顯著促進土壤硝化作用，而高溫制備的秸稈炭則可以顯著促進土壤銨態氮含量的降低和硝態氮含量的增加[62-63]。國外學者[64-65]采用13C或14C標記生物炭手段研究發現生物炭添加后即使培養158天甚至600天也僅有0.4%～1.5%的生物炭成分在微生物體中被發現，說明生物炭的添加可能主要是通過對土壤養分含量和化學性質等的改變間接作用于硝化反硝化過程的[66]，生物炭自身性質和土壤條件均會影響試驗過程，其相互關系和內在機制還需要進一步研究探討。總之添加碳源對無機氮的影響主要是通過其身的吸附作用和影響土壤物理性質實現的，并且還受土壤性質和本身肥力水平影響，因此利用碳源添加減少硝化反硝化損失需要考慮土壤和碳源自身性質，否則可能達不到理想的效果，甚至適得其反。

3.3 對N2O排放的影響

N2O排放主要是來自土壤的硝化反硝化過程，硝化反硝化作用產生N2O受土壤有機質、水分、溫度、微生物、pH等因子影響。施用的秸稈在土壤中腐熟過程會影響以上因子，其腐熟物中一些物質也會影響土壤的pH和微生物活性，從而影響到N2O排放[67]。有研究表明，正常施氮肥水平情況下，有機物添加后對N2O排放大多數都表現出促進排放的作用[68-70]。酸性紅壤在尿素氮處理下，添加葡萄糖促進了異養硝化作用和土壤反硝化作用，從而促進了N2O排放；而硝態氮處理下N2O排放量也有增加，但排放量遠低于尿素處理，說明好氧反硝化是酸性紅壤N2O產生的主要途徑；銨態氮處理下，有機碳源也顯著促進茶園、菜地、稻田和林地的N2O排放總量[60]。劉燕等[71]在長江中游金井小流域典型酸性紅壤上研究發現，不同利用方式下土壤N2O排放受碳氮添加影響顯著，并探明了不同土地利用方式下碳氮添加對N2O排放影響的機理，菜地添加有機物促進N2O排放，N2O排放主要來自硝化作用，有機物不僅為反硝化微生物提供電子供體和能源，還能被好氧分解，形成厭氧微區，其含量高低可以決定土壤反硝化潛力；而稻田pH較低，硝化作用非常微弱[72]，15N標記顯示稻田有機物添加后增加的N2O排放主要來自反硝化作用，碳底物限制會延長N2排放峰值比N2O排放峰值滯后的時間。氮肥水平也會對有機物添加情況下土壤N2O排放有不同的影響，正常氮素水平情況下添加秸稈會在反應初期顯著促進N2O排放，高施氮量情況(400 kg N/hm2)下則表現出抑制反硝化和N2O排放的效果，這是因為秸稈施入土壤會對氮進行生物固定，分解過程存在抑制反硝化的化感作用，降低了反硝化產生的N2O排放，并且降低反硝化產物中N2O/N2的比例[73-74]。另外，劉田[74]在研究中發現氮素水平對土壤N2O排放的影響還與有機物的種類和來源有關，棕紅壤田地油菜餅和水稻秸稈加入后N2O的排放受土壤氮素水平高低影響顯著，而且與上述研究結果一致，但小麥和玉米秸稈添加后，N2O的排放受氮肥水平影響并不顯著。當前研究所用碳源中南方地區多為有機肥添加，北方地區秸稈添加較多，有機物料的施用較為單調，研究中應開展多種有機物料添加研究試驗和不同有機物料混合添加的效果研究。

4 結語與展望

綜上所述，土壤氮素的轉化主要是在微生物的參與下完成的，微生物對土壤中碳氮含量、土壤通氣性、溫度、濕度和pH等變化敏感，外源有機物加入后不僅會直接改變微生物的營養平衡，還會因為自身特性改變微生物生存環境，從而對微生物參與的土壤養分轉化過程產生影響。雖然目前對農田土壤碳氮添加的研究很多，但是由于各個區域有機物種類繁多和土壤性質不同以及土地利用方式也不盡相同，研究的局域性致使很多研究成果無法推廣。相關研究應該與其他因子結合，進行長期性和連續性的研究。今后重點開展以下幾個方面的研究：（1）加強長期施肥對土壤有機碳積累差異的研究，明確有機碳積累量與施肥的關系，（2）加強不同類型土壤外源碳添加對氮素轉化影響的研究，探討碳源添加對氮轉化影響與土壤類型的關系；（3）當前碳源多為作物秸稈和生物質炭，腐熟有機物的研究還較缺乏，可以進行不同類型有機物在土壤氮轉過程中作用的比較試驗以了解有機物對氮轉化過程的影響與有機物類型的關系；（4）碳氮存在耦合效應，應加強多因子交叉學科研究，了解碳氮耦合對土壤氮素轉化過程影響與傳統施肥模式的差異；（5）開展碳氮耦合對土壤氮轉化影響的田間試驗，尋找并推廣合理施肥和維持土壤有機碳庫的途徑。

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Effect of Carbon Addition on Farmland Soil Nitrogen Transformation

Wang Yasa1,2,Zou Yue1,2,Zhang Jing2,Zheng Xiangzhou2,Zhang Yushu2,Ding Hong2

(1College of Resource and Environment,Fujian Agriculture and Forest University,Fuzhou 350002,Fujian,China;2Institute of Soil and Fertilizer,Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou 350013,Fujian,China)

Addition of carbon sources to farmland soil could affect nitrogen transformation,thus affect nitrogen use efficiency.Based on domestic and international researches,the authors summarized the effect of carbon addition on soil nitrogen forms and nitrogen transformation,revealed the mechanism of the loss and utilization of nitrogen fertilizer after addition of carbon sources,discussed the prospect of carbon addition in farmland, and provided the research foundation for reasonable fertilization and improvement of soil fertility.Finally,the authors pointed out that strengthening interdisciplinary,comprehensive and long-term orientation research was the key to promote the carbon-nitrogen research and field achievements transformation.

Carbon Addition;Nitrogen Transformation;Rational Fertilization;Research Progress

S147.5

A論文編號：cjas16100007

國家自然科學基金“除草劑對土壤氮素循環的影響及其相應機理研究”(31270556)；福建省屬公益院所專項“碳氮耦合對農田土壤氮庫、碳庫的影響極其環境效應研究”(2014R1022-2)；福建省自然科學基金“長期不同施肥定位試驗土壤硝化反硝化作用對除草劑的響應機制研究”(2015J01111)；福建省自然科學基金“菜田土壤碳氮養分管理對溫室氣體排放的影響”(2013J05058)。

王亞薩，男，1989年出生，河南南陽人，在讀碩士，主要從氮素生物地球化學循環研究。通信地址：350013福建省福州市晉安區新店鎮埔垱100號福建省農業科學院土壤肥料研究所，Tel：0591-87591860，E-mail：ximenxueok@163.com

丁洪，男，1965年出生，江西安福人，研究員，博士，主要從氮素生物地球化學循環研究。通信地址：350013福建省福州市晉安區新店鎮埔垱100號福建省農業科學院土壤肥料研究所，Tel：0591-87573597，E-mail：hongding@China.com。

2016-10-10，

2016-12-12。