添加葡萄糖對紅壤農田肥料氮轉化及其酸化的影響*

李九玉，鄧開英，章 威，桑存星，趙悅彤，徐仁扣?

（1. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008；2. 南京林業大學生物與環境學院，南京 210037）

近年來，人為因素導致我國農田土壤普遍酸化加劇，嚴重制約了土壤農業可持續發展和生態環境安全。研究[1-4]表明，長期過量施用化學氮肥是集約化農業生產條件下加速土壤酸化的主要根源。銨態氮肥的硝化作用和硝酸根攜帶鹽基離子快速淋失是氮肥造成土壤酸化的主要機制。長期施用化學氮肥后的土壤在近20 年時間內，土壤pH 可由5.7 顯著降低至4.2[5]。大量施用化學氮肥不僅加速土壤酸化過程，增加農業生產成本，還導致氮素在土壤中過量累積或發生揮發及淋溶進入水體，由此帶來的一系列生態環境問題，已引起人們廣泛的關注。如何針對氮肥導致土壤酸化的問題找到有效的源頭阻控方法，是目前亟待解決的難題。

已有研究[6]發現，林地土壤添加葡萄糖能夠促進土壤微生物對無機態氮的固持，抑制土壤氮的凈礦化速率，減少氮損失。馬啟翔等[7]研究表明，添加高濃度葡萄糖碳源使油松林土壤微生物對氮的需求增加，傾向于固持更多的無機態氮，而減弱礦化過程；向闊葉林土壤中添加蔗糖，導致原來高礦化和硝化作用也顯著降低，微生物固氮作用增強[8]；甚至添加葡萄糖增加氮的固定效率遠高于樹葉提取物、腐植酸等碳源[9]。以上結果表明，林地土壤中豐富的有機碳源可促進無機氮的微生物同化和土壤固持。根據氮素轉化與質子產消的關系，這種有機碳促進無機氮的微生物同化作用也可減緩氮肥造成的土壤酸化作用[10]。然而，有關葡萄糖等碳源對旱地農田土壤氮素轉化及其酸化作用的研究鮮見報道。

因此，本研究以葡萄糖作為模式碳源，初步分析外加碳源對農田土壤（NH4）2SO4和KNO3等肥料氮的微生物同化作用，及其阻控氮轉化引起土壤酸化的耦合作用。研究結果對提高氮肥利用率、阻控土壤酸化、制定合理的農田土壤氮素管理措施、降低其對環境的負面效應等均具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為第四紀紅黏土發育的紅壤，采自安徽郎溪縣飛鋰鎮（31° 6′N，119° 8′E）紅壤酸化阻控長期定位田間試驗地空白處理的表層土壤（0～20 cm），該旱地主要進行花生或紅薯與油菜輪作，已長達20 多年。土壤基本性狀為：pH（土水比1 ∶2.5）為 4.32，有機質 18.6 g·kg-1，交換性酸55.0 mmol·kg-1，可溶性碳35.6 mg·kg-1，水解性氮有效磷175.7 mg·kg-1，速效鉀3.7 mmol·kg-1；屬于黏質壤土。

1.2 實驗設計

稱取200.0 g 風干土樣（過2 mm 篩）置于塑料杯中，參照Quan 等[11]的實驗方法，用去離子水調節土壤含水量至土壤田間持水量的40%，將土樣充分拌勻，塑料杯用塑料保鮮膜封口，并在保鮮膜中間留一小孔，以便氣體交換并減少水分損失。然后將塑料杯置于25 ℃的恒溫培養箱中預培養7 d，每隔2～3 天稱重1 次并補充水分，以保持土壤含水量恒定。

為研究添加碳源調控土壤酸化的潛力，提供了充足的碳源供應，按照C/N 比為80 的比例添加了葡萄糖和氮肥（NH4）2SO4或KNO3。土壤預培養結束后，設置以下6 個處理：1）對照（CK）；2）（NH4）2SO4（AS）；3）KNO3（PN）；4）葡萄糖（G）；5）（NH4）2SO4+葡萄糖（AS+G）；6）KNO3+葡萄糖（PN+G），每個處理3 次重復。其中葡萄糖粉末添加量為8.0 g·kg-1干土，與土壤混合均勻后添加氮肥（N）量為100.0 mg·kg-1干土，用適量蒸餾水將（NH4）2SO4或KNO3完全溶解加入土樣中，再補充水分至60%田間持水量，空白添加去離子水保持60%田間持水量，土樣充分拌勻。每個處理的樣品再平均分成6 份（鮮土重約53 g）裝在100 mL離心管中，置于25 ℃恒溫培養箱中培養，每隔2～3 天稱重1 次并補充水分，以保持土壤含水量恒定。培養時間為30 d，在培養的第0、2、5、10 、18、30 天分別破壞性采樣，每次各處理取1 份樣品測定新鮮土樣pH 及各種形態N 含量。

1.3 測定方法

pH 的測定：稱取10.0 g 鮮土，按照1∶2.5（風干土∶水）加入去離子水，渦旋攪拌5 min，靜置30 min，用pH 計（Thermo Scientific Orion Star A211，美國）測定樣品上清液。

土壤微生物生物量氮（MBN）的測定：稱取10.0 g 鮮土，參照魯如坤[12]的氯仿熏蒸浸提方法，浸提的全氮采用連續流動分析儀（San++System，SAKLAR，荷蘭）測定，土壤微生物生物量氮含量以熏蒸和不熏蒸土壤浸提液中全氮的差值除以轉化系數（0.45）得到。

土壤中各種形態氮的測定：稱取10.0 g 鮮土于100 mL 塑料離心管中，按1∶4 的干土水比加入0.5 mol·L-1K2SO4溶液32 mL，震蕩1 h，離心，上清液濾膜過濾，濾液-20℃凍存。浸提液中的采用流動分析儀測定，與之和為可溶性無機氮。土樣殘渣風干，研磨過60 目篩，用于測定難提取態氮，包括固相有機態氮、固定態銨、MBN。難提取態氮的測定：稱取提取完可溶性氮的風干殘渣土樣，采用凱氏消煮法，蒸餾定氮測定；用KOBr-KOH 法提取固定態銨[12]，難提取態氮減去固定態銨和MBN 即為固相有機態氮[11]。

1.4 數據處理

采用 SPSS20.0 中鄧肯（Duncan）法對葡萄糖及氮肥處理中不同氮形態的含量以及pH 進行差異顯著性分析，P< 0.05 表示差異顯著。

2 結果與討論

2.1 添加葡萄糖/無機氮肥對土壤 N -N、N-N和總無機氮的影響

而在添加葡萄糖的處理中，與CK 相比，G、PN+G 和AS+G 處理的NN 、N-N 和無機氮積累量均顯著降低，土壤溶液的無機氮濃度從培養開始時的10.0、107.0 和102.0 mg·kg-1，于實驗第2 天降至含量均低于1 mg·kg-1，而且在接下來的28 d 培養期間基本保持在這一低無機氮濃度（圖1）。以上結果說明，充足的葡萄糖能快速促進紅壤無機氮的固持，而且無明顯有機氮的再礦化作用，這對促進土壤保氮具有重要意義。目前，無機氮的微生物同化作用在森林和草地土壤中已被廣泛關注，被認為是這類生態系統氮素相對富集的主要機制[14]。森林和草地土壤的有機質含量高，而農田土壤所含的可利用碳數量較少，可能限制了微生物對硝態氮的利用；在農田生態系統，受微生物優先利用銨態氮這一傳統觀點的影響，人們普遍認為農田土壤微生物不利用硝態氮[15-16]。但本研究結果表明，加入足夠的葡萄糖不僅可快速促進N-N 的微生物同化，而且也可快速促進N-N 的微生物固持。土壤中可利用碳源的數量和質量可能是限制農田土壤N-N同化的關鍵因子，有研究發現當土壤有機碳源不足時，微生物對銨態氮的吸收同化能力強于硝態氮；當有充足的有機碳源時，土壤微生物對這兩種形態氮素的固定能力幾乎相當[8，17]。

2.2 添加葡萄糖/無機氮肥對土壤微生物生物量氮、固相有機態氮和總氮的影響

但隨著培養時間的增長，添加葡萄糖處理中的MBN 量逐漸下降，增幅變小，培養結束時各處理差異不顯著（P>0.05）。這主要是添加碳源后，微生物能夠迅速利用養分進行生命活動和大量繁殖，當碳源或養分被利用完后，微生物無法攝取足夠能源進行生命活動和大量繁殖，遂逐漸死亡，導致MBN含量逐漸降低[18]。

Quan 等[11]將直接用中性鹽難提取的土壤氮進一步區分為微生物生物量氮、固定態銨和固相有機態氮三種類型。發現本研究中固定態銨含量較低（均小于130 mg·kg-1），且不同處理間無明顯差異（數據未列出）。但添加葡萄糖處理顯著提高了土壤固相有機氮的含量，特別是與N-N或N-N配施的處理，土壤固相有機態氮含量在培養前18 d 顯著增加（圖2b））；AS+G 處理在培養第18 天，土壤有機態氮達到最大值1 138 mg·kg-1，較CK 和AS 處理分別增加9.6%和8.2%。培養18 d 后，土壤固相有機態氮含量有下降趨勢，但30 d 培養期結束時，添加葡萄糖的G、AS+G 和PN+G 處理均較相應的CK、AS和PN 處理固相有機態氮分別增加了33.7、84.2 和61.4 mg·kg-1，添加的無機氮28%～50%均轉化為更穩定的固相有機態氮。因此，添加足夠葡萄糖可在短期內促進無機氮的微生物同化，并迅速轉化為土壤固相有機氮。Quan 等[11]的研究表明，綠肥和銨態氮肥同時施入土壤中，無機氮肥初期主要轉化為MBN，但培養3 d 后，微生物生物量碳含量逐漸下降，而固相有機氮含量則明顯增加，最終23%～28%的無機氮轉化為固相有機態氮從而促進土壤中的固持，這與本實驗結果相一致。這一結果也證實了圖2a）中微生物的結果，葡萄糖的添加可快速促進微生物的繁殖，微生物的失活有利于微生物固持的無機氮轉化為更穩定的紅壤固相有機態氮。此外，添加葡萄糖等易利用碳源可促進農田中大量以及的在土壤中的固持，后期有機氮可礦化再被生物利用，這對減少紅壤農田無機氮的損失、提高氮肥利用效率具有重要意義。

此外，從土壤全氮的結果看出，添加肥料氮的處理較不加氮的處理約高100 mg·kg-1，但各處理全氮含量變化不大，添加葡萄糖和肥料氮的處理全氮含量有低于相應不加葡萄糖的趨勢（圖 2c））。這些結果表明添加葡萄糖可在短期內促進無機氮的微生物同化，并進一步轉化為土壤固相有機氮，但葡萄糖的大量添加有導致氮損失的風險，比如反硝化，特別在葡萄糖與硝態氮配施的處理更加明顯，這主要是葡萄糖等易利用碳源可為氮的反硝化提供電子供體[19]。

2.3 添加葡萄糖/無機氮肥處理下土壤pH 的動態變化

由圖3 可知，葡萄糖和氮肥單加或配合施用均對土壤pH 產生不同程度的影響。與培養初始的pH相比，CK、AS 和PN 處理在整個30 d 的培養期間土壤pH 均降低了，特別是培養的第18～30 天內；其中整個培養期內CK 和AS 分別降低了0.41 和0.21個pH 單位，這主要是氮的硝化作用產生了大量質子，這與圖1b））的結果相印證。與CK 相比，單加葡萄糖（G）在培養前5 天并未對pH 產生明顯影響，培養中期（第10～18 天）顯著降低了pH，而18 d后pH 呈增加趨勢，最終pH 略高于對照；AS 和PN加入土壤當天就顯著了降低土壤的pH，由對照處理的4.32 分別降低至4.05 和3.85。葡萄糖和氮肥配合施用與氮肥單施的處理相比，培養當天pH 無明顯差異，但在培養過程中AS+G 較AS 處理更加顯著降低了土壤pH，培養初期差異不斷增大，第5 天pH 差值最大達0.5 個pH 單位，但培養結束時兩個處理的差異不顯著（P>0.05）。與之相反，PN+G 與PN 處理相比，在第2 天就顯著增加了土壤pH，然后pH 差值維持在0.68～0.78 單位之間。

土壤pH 變化與化學氮肥在土壤表面的化學反應以及碳氮轉化過程等相關。首先是（NH4）2SO4和KNO3加入紅壤，和K+會與土壤表面的交換性Al3+和H+發生交換反應，Al 進入溶液很容易水解并釋放出H+，因此這種鹽效應是兩種肥料加入紅壤后土壤pH 在實驗開始當天就顯著降低的主要原因[20]。此外，（NH4）2SO4中的在紅壤中會發生專性吸附，并釋放出OH-，起著一定的酸度中和作用[20]，因此，單加KNO3較單加（NH4）2SO4的土壤pH 更低（圖3）。而土壤pH 在培養過程的波動則主要與碳氮轉化過程有關。在不添加葡萄糖的處理中，由于有機氮的礦化會消耗等當量的質子，而1 mol NH4+-N的硝化會產生2 mol H+，因此各處理中pH 均降低了，特別是第18～30 天的培養期間（圖1b）和圖3）。單純添加葡萄糖在第5～18 天也明顯降低了土壤pH，由于大量葡萄糖分解產生有機酸、促進土壤pH 下降。Rukshana 等[21]的結果表明，土壤中添加葡萄糖后微生物活性增強，葡萄糖分解時糖酵解、三羧酸循環等過程會產生中間產物有機酸，如乳酸、丙酮酸、檸檬酸等，促進土壤pH 下降。而第18～30 天內，主要是有機碳礦化成CO2過程會消耗等當量的H+，因此pH 有明顯的上升趨勢。而在葡萄糖與無機氮配施的處理中，1 mol的微生物同化同樣會產生1 mol H+，因此，培養前5 天微生物同化作用強的階段顯著降低了土壤pH，而后期有機碳的礦化作用同樣提高了土壤pH。雖然葡萄糖與（NH4）2SO4配施處理中基本全被微生物同化固定，而單施（NH4）2SO4處理由于紅壤酸性強，僅有約10%的發生了硝化作用，但兩個處理的pH 相差不明顯。因此，可以想象在硝化作用強烈的土壤中，的微生物同化作用相比大量硝化作用，有明顯抑制土壤酸化的作用。而葡萄糖與的配施處理中微生物同化和有機碳礦化作用均有利于OH-的釋放或H+的消耗，因此，這一處理土壤pH提高0.68～0.78 個單位，顯著降低了土壤酸度。添加葡萄糖與氮肥的處理中，微生物同化作用主要發生在實驗開始的前2 天，而單加葡萄糖處理在培養第5天后才出現有機酸導致土壤pH 降低的現象，因此，推測微生物同化是或轉化與葡萄糖共同作用的結果。而且，利用葡萄糖等碳源促進肥料氮的微生物同化，應該可以減少銨態氮的硝化和硝態氮的淋失造成的土壤酸化作用，促進土壤保氮的作用。但如何調控碳源的數量和質量，達到既促進土壤保氮、氮肥供應與植物需要相匹配，又抑制土壤酸化的作用，尚需更系統、深入的研究。

3 結 論

在強酸性農田紅壤中添加足夠的葡萄糖等易利用碳源，可快速促進微生物對肥料中銨態氮和硝態氮的同化，并同時轉化為土壤固相有機氮。這一過程不但具有提高紅壤保氮能力和氮肥利用率的潛力，同時可削弱由于銨態氮的硝化及硝態氮淋失導致的土壤酸化作用。因此，本研究結果對提高農田氮肥利用和阻控酸化具有重要意義，但實際條件下如何控制有機碳源的數量和質量、實現雙贏的目標尚需系統的研究。