氮素不同形態配比對白漿土養分性狀的調控

王楠　姚凱　趙志祎　徐俊平+李玉璽+王帥

摘要：銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）是無機氮素的2種形態，其不同配比勢必會通過影響土壤微生物活性進而影響土壤的養分性狀。通過同等氮素用量、不同氮素形態配比（NH4+ ∶NO3-摩爾比分別為4 ∶1、1 ∶1、1 ∶4）處理，試圖揭示其對添加玉米秸稈白漿土養分性狀的影響。結果表明：無論何種氮素形態占優，添加玉米秸稈白漿土的有機質含量均隨培養時間的延長而呈現波動式下降。銨態氮在培養初期對于礦化作用的促進最為明顯，硝態氮的優勢在于培養中段，而銨態氮、硝態氮等比例供氮則可使微生物的礦化能力延續更久；礦化等量玉米秸稈，硝態氮占優處理下全氮含量喪失的幅度最大，而銨態氮則有利于全氮含量水平的穩定；速效養分含量在外源氮素供應下均降低明顯。銨態氮、硝態氮等比例供氮更易使微生物消耗混料的堿解氮含量，從其所占全氮的比例來看，銨態氮更易降低白漿土中可利用氮素的含量，同樣其對于有效磷含量的消耗亦有促進作用，因氨態氮對秸稈K+有替代作用而使速效鉀含量的下降趨勢相對平穩。

關鍵詞：氮素形態配比；白漿土；玉米秸稈；養分性狀；銨態氮；硝態氮

中圖分類號： S1431；S1585文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0301-04

收稿日期：2016-05-29

基金項目：國家自然科學基金（編號：41401251）；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（編號：吉教科合字2015]第375號）；吉林農業科技學院重點學科培育項目（編號：吉農院合字2015]第X004號）。

作者簡介：王楠（1982—），女，吉林九臺人，博士，講師，研究方向為土壤肥力調控。E-mail：wangnan664806@126com。

通信作者：王帥，博士，副教授，碩士生導師，主要從事土壤生物及環境化學研究。E-mail：wangshuai419@126com。

土壤作為具有生命活性的類生物體，在其復雜的生命現象和特殊的代謝過程中，微生物能夠推動土壤中各類生化反應1]。銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）是土壤氮素中最為活躍、植物可利用的主要形態，2類電荷恰好相反，兩者間豐度的比例變化勢必會引起微生物不同的生物偏好性，間接對土壤養分性狀產生影響2]。NO3--N是相對于 NH4+-N 更為耗能的一種無機氮源，其過量施用會引起氮素流失，而NH4+-N數量較大會間接抑制植物對土壤K+、Ca2+的吸收3]，間接保蓄了土壤中的陽離子養分。據報道，混合氮源供應要比單一NH4+或NO3-更有利于植物生長，在NH4+營養中適當施加NO3-可以緩解NH4+引起的代謝失調現象，而在NO3-營養中適量增加NH4+的比例，又會減少較高濃度NO3-消耗的大量還原力和光量子能量4]。作為多種氮源的混合體系，土壤中不同氮素形態間的相互作用必然會對植物營養供應產生一定影響5-6]。另有報道指出，不同形態氮肥混施可有效改善土壤微生物區系，硝態氮肥對作物根際土壤細菌和放線菌數量有明顯的促進作用7]，而銨態氮肥比例的增加則提高了土壤真菌數量和土壤脲酶、中性磷酸酶活性3]。關于氮素形態不同配比對植物生理效應的影響有諸多報道8-9]，對于氮素形態調控土壤微生物數量及酶活性的規律也不乏研究3]。本研究以相同氮素用量、不同氮素形態配比為影響因素，針對混以玉米秸稈的白漿土，在室內培養條件下研究不同氮素形態配比影響下的土壤養分性狀動態變化，試圖揭示氮素形態對于土壤養分性狀的影響規律，旨在為減量施氮理論的構建及氮素形態配方肥的研制提供科學依據。

1材料與方法

11試驗材料

白漿土于2015年3月取自吉林農業科技學院北大地玉米試驗田，經風干、粉碎后過1 mm篩；玉米秸稈于2015年11月采收于吉林農業科技學院西側玉米試驗田，帶回實驗室后在55 ℃條件下烘干至恒質量，粉碎過025 mm篩。

稱取一定數量白漿土與混料總質量3%的玉米秸稈粉末充分混勻，根據同等氮素用量、不同氮素形態組合的處理要求（表1），用計量的蒸餾水（根據混合培養體系田間持水量的50%來計算用水量）將相應處理對應的含氮試劑溶解并噴灑于混料中，待混勻后，將干質量150 g的混料裝入250 mL塑料燒杯中，用可透氣的塑料薄膜封口，置于28 ℃培養箱中恒溫培養，每個處理重復3次，每隔2 d稱質量并補足水分，分別于0、15、30、60、90、120、180 d取樣，而后迅速轉至55 ℃培養箱中烘干至恒質量，取出磨碎后過025 mm篩，裝入磨口瓶，置于玻璃干燥器中。

12試驗及數據處理方法

土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別采用重鉻酸鉀氧化法、凱氏定氮法、堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提-火焰光度法測定10]。

相關數據及圖譜采用Excel 2003、SPSS 170軟件處理。

2結果與分析

21氮素形態對有機質、全氮含量的影響

211有機質含量

由圖1可知，基于恒溫培養條件，在不同氮素形態組合影響下，添加玉米秸稈白漿土中有機質含量均隨試驗進行而表現為“波動中下降”的規律。培養15 d，銨態氮占優的施氮處理（AD）更有利于白漿土有機質含量的降低（降幅達144%），其次為銨態氮、硝態氮等比例的AN處理，ND處理對有機質消耗程度最差，降幅僅為73%。李響等認為，與NO3-相比，微生物會優先代謝NH4+進而促進有機碳的礦化11]。隨培養時間的延長，硝態氮占優的ND處理分解有機質能力驟然提升，遠大于AD、AN處理。90 d直至結束的培養后期，AN處理消耗的有機質含量最多，這與劉衛群等提出的結論12]相似。對比培養始末結果，AD、AN、ND處理下，有機質含量的降低幅度分別為316%、401%、334%。該規律表明，添加氮素后，微生物首先對正價的NH4+產生較強的親和性，在短期內即可參與白漿土中秸稈的礦化分解，礦化過程產生的銨態氮使NH4+濃度不斷擴增，高濃度的NH4+可能會對微生物及其酶系產生一定的毒害作用，減緩了微生物對有機質的進一步礦化。NO3--N是一種相對于NH4+-N更為耗能的無機氮源，培養至30～60 d時，NO3--N改善了微生物分解秸稈的能力；培養90 d后，硝化細菌的活性再次提升，氮含量由于反硝化作用而損失。培養后期（60～180 d），銨態氮、硝態氮等比例供氮在改善微生物活性方面的能力更為持久。endprint

由圖2可知，在不同氮素形態配比處理下，添加玉米秸稈白漿土中全氮含量的變化具有相似性，即先大幅降低，而后再緩慢升高，再降低。AD處理下白漿土中全氮含量始終大于AN、ND處理，這可能與全氮檢測方法的選擇有關，該方法對于硝態氮、亞硝態氮含量的檢出水平較弱。微生物首先利用銨態氮繁衍自身并參與秸稈的礦化分解，在此過程中，銨態氮遭致損失。ND處理下，全氮含量的降幅最大，達到了186%，這表明較少量的銨態氮供應使微生物利用了土壤本底的銨態氮成分，另外，培養15 d內，銨態氮不斷向硝態氮轉化也促使全氮含量明顯降低。培養30 d后，AD處理下白漿土中全氮含量有所增加，AN、ND處理下，全氮含量在60 d培養后有所回升。培養后期，各氮素混配添加條件下，白漿土全氮含量均隨培養時間延長而漸趨降低。培養結束時，AD、AN、ND處理下全氮含量降低幅度分別達到 212%、239%、255%。上述結果表明，硝態氮占優的供氮措施，其在礦化等量玉米秸稈過程中喪失全氮含量的幅度最大，這與王小純等研究結論13]相一致。其次是銨態氮、硝態氮等比例，銨態氮占優對于穩定全氮含量水平具有一定促進作用。

22氮素形態對速效養分含量的影響

221堿解氮含量

圖3表明，ND處理下，0～30 d培養期，添加玉米秸稈白漿土堿解氮含量變化相對穩定，僅由 2684 mgkg 降至2521 mgkg，培養30 d后，堿解氮含量大幅降低并逐漸趨于穩定。AD、AN處理下堿解氮含量的變化規律較為相似，即培養15 d時，堿解氮含量略有提升，而后大幅降低并趨于平穩。AD處理下堿解氮含量水平在整個培養過程中均為最高，培養90 d后，ND處理下白漿土堿解氮含量穩定，大于AN處理。培養結束后，AD、AN、ND處理下白漿土堿解氮含量降低幅度分別達347%、531%、448%。

上述規律表明，含有半數以上銨態氮比例的施氮形態（AN、AD處理）更易使微生物在培養15 d獲得較高活性13]。據悉，銨態氮處理能顯著改善硝化細菌活性，而土壤硝化細菌活性與土壤堿解氮含量呈顯著正相關14]。相反，硝態氮占優處理下，微生物利用硝態氮對秸稈的礦化能力相對較小，其所釋放的無機氮僅能滿足微生物活動的需要。培養60 d后，3個處理下土壤堿解氮含量均表現為漸趨降低的趨勢。在整個培養過程中，銨態氮、硝態氮等比例添加更易促進微生物對混料堿解氮的消耗，其次是硝態氮占優的處理，銨態氮比例較高則更易于穩定堿解氮的含量水平。

由圖4可知，3個氮素形態組合下，堿解氮在全氮中比例的變化規律較為相似，均呈先增后減、整體趨勢降低的規律。這表明，微生物獲得外源氮素供應后，對白漿土秸稈混料進行礦化分解，盡管降解秸稈可獲取一定數量的無機氮素，但仍無法彌補微生物礦化所需的氮素營養，因此在培養結束后，堿解氮在全氮中所占份額均不同程度降低，其中銨態氮、硝態氮等比例對其降低的程度最大，其次是硝態氮占優的ND處理。

222有效磷含量

圖5為氮素形態不同配比對添加玉米秸稈白漿土中有效磷含量的影響。3個處理下，有效磷含量的變化規律大體相同，均表現為先增后減并漸趨平穩的規律，培養結束后，混料有效磷含量均呈不同程度損失。銨態氮占優更有利于白漿土中有效磷含量的消耗。培養15 d內，添加秸稈白漿土在引入氮素后，微生物活性得以激發，秸稈類物質被礦化分解，釋放一定數量的有效磷成分，隨著培養時間延長，有效磷含量不斷參與有機物的再合成（腐殖化作用），加之秸稈腐解殘留物對游離有效磷的吸附作用，有效磷向緩效或無效態磷過渡。

以銨態氮為主的供氮方式，培養60 d內對混料有效磷含量的提升作用最為顯著，其次是硝態氮占優的處理；培養60 d后，該規律發生變化，以銨態氮為主的AD處理更有利于混料有效磷含量的消耗，其次是銨態氮、硝態氮等比例處理，而以硝態氮為主的供氮處理在培養后期更有利于減緩有效磷含量的降低走勢。整體看來，銨態氮更有利于促進微生物對有效磷成分的利用，這與磷酸酶活性受銨態氮占優處理的促進作用有關15]，該酶活性水平可直接影響土壤中有機磷的分解轉化16]，反之，硝態氮占優則可減弱微生物對有效磷含量的消耗。

223速效鉀含量

由圖6可知，在氮素形態不同配比添加的情況下，白漿土中速效鉀含量的變化均表現為先緩慢升高、再漸趨降低的規律，培養15 d內，3個氮素形態配比處理均有利于速效鉀水平的提升，AD、AN、ND處理下速效鉀含量增幅分別達25%、12%、04%，在此階段，微生物利用外源氮素對混入白漿土中的秸稈進行降解，秸稈中無效鉀或緩效鉀成分在降解過程中部分轉化為速效鉀，間接提升了土壤的供鉀水平，其中以銨態氮為主的供氮方式更能驅動微生物對秸稈中鉀素的釋放。然而，隨著培養時間的延長，秸稈的腐解殘體對游離態鉀離子所產生的電性吸附，使其有效性受到抑制，進而降低了混料中速效鉀的含量水平，這與李強等得出不同氮素形態配比對冬小麥田根際土壤速效鉀含量具有消耗作用的結論17]相似。

3結論與討論

31氮素不同形態配比對白漿土有機質及全氮含量的影響

本研究表明，無論何種氮素形態占優，白漿土中有機質含量均呈漸趨降低的走勢，可見外源氮素對于微生物活性的促進可間接促進有機質的礦化進程。在此過程，銨態氮、硝態氮等比例處理更有利于有機質的礦化分解，其原因也許是因為當NH4+ ∶NO3-為1 ∶1時微生物數量可獲得較大程度提升15]。氮素形態不同配比處理下，混料全氮含量波動下降，這是由于所選擇的全氮檢測方法不包括硝態氮和亞硝態氮的消煮，其對于硝態氮部分檢出率較低。基于等量玉米秸稈在硝態氮占優情況下混料喪失全氮的幅度較大，銨態氮占優更有利于混料全氮水平的穩定。微生物首先利用銨態氮繁衍自身并參與秸稈的礦化分解，使得銨態氮含量明顯下降，另外，銨態氮不斷向硝態氮轉化也促使全氮含量下降，秸稈不斷降解所釋放的銨態氮成分又提升了全氮水平，所以銨態氮占優更有利于維系混料全氮水平。endprint

32氮素不同形態配比對白漿土速效養分含量的影響

銨態氮、硝態氮等比例供氮有利于混料堿解氮成分的消耗，銨態氮占優則更易于穩定堿解氮含量。微生物利用氮素形態中的硝態氮可對秸稈產生較弱的礦化能力，其所釋放的無機氮僅能滿足自身活動需要，致使土壤中堿解氮含量有所減少。銨態氮能夠顯著提高土壤硝化細菌活性，其作用的結果是減少堿解氮的損失。無論何種氮素形態占優，白漿土有效磷含量均表現為先增后減并漸趨平穩的規律，銨態氮占優更有利于白漿土有效磷的消耗，這與銨態氮改善磷酸酶活性的作用有關。土壤速效鉀含量在3種氮素形態配比添加的影響下皆表現為先增后減的變化規律，以銨態氮為主的供氮方式更能驅動微生物對秸稈中鉀素的釋放，一方面激發微生物活性使秸稈礦化分解，另一方面NH4+活性高于K+，可替代一部分秸稈中的K+，相反，硝態氮占優的氮素處理則更易促進微生物礦化釋鉀作用，最終秸稈殘體對K+的靜電吸附使其有效性再度降低，間接減少了混料中速效鉀的供應水平。

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