香蕉多酚对土壤硝化作用的影响
2014-12-25高乐韦家少吴炳孙何鹏吴敏
高乐+韦家少+吴炳孙+何鹏+吴敏
摘要：本研究通过室内土壤硝化势和硝化强度培养试验，研究了香蕉多酚（Banana Polyphenols，BP）对土壤硝化作用的影响。结果表明：香蕉多酚对土壤硝化作用有着较好的抑制效果，能显著降低土壤硝化势和减少土壤硝态氮的产生，并能较长时间在土壤中保持较高水平的铵态氮和有效氮含量。对比发现，整个培养期间，香蕉多酚处理3（BP3）的硝化强度、氮损失量等与双氰胺（DCD）处理差异不显著，在硝化作用抑制效果方面也与DCD接近。该研究结果表明，香蕉多酚可以作为硝化抑制剂应用于氮素施肥管理。
关键词：香蕉多酚;硝化势;硝化强度
基金项目：农业技术试验示范专项（D964）、海南省重点科技计划项目（ZDXM2014055）和中国热带农业科学院橡胶研究所基本科研业务费项目（NO.1630022013006）资助
中图分类号： S143 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.24.0023
氮是植物生长发育所必须的大量元素之一，在农业生产中需要施用大量的氮肥来促进作物增产。然而，我国在氮肥施用过程中存在利用效率低以及肥效期短等诸多问题，为了满足不同作物生育期的需肥特性，需要多次追肥，这些措施又会带来劳动力投入增加和环境污染等新的问题[1]。因此，如何在农业生产中进行科学的氮素施肥管理是一个亟需解决的问题[2]。
硝化抑制剂是一类能够抑制土壤中亚硝化细菌等微生物活性的物质总称[3]，其进入土壤后能抑制土壤中亚硝化、硝化和反硝化过程，从而阻碍铵态氮（NH4+）向亚硝态氮（NO2-）和硝态氮（NO3-）的转化，使施入土壤中的氮源能够较长时间以NH4+-N的形态存在以供作物吸收利用，同时减少NO2--N和NO3--N的淋溶及反硝化造成的氮肥损失和环境污染。迄今为止，已经有多种硝化抑制剂被开发应用到农业生产中以减少氮素损失，但大多属于化学合成产品，容易对作物生长和土壤环境产生不良影响 [4-6]。
近年来的研究发现，植物多酚可以抑制土壤中的硝化作用 [7-9]。因此，从农业生产废弃物中开发植物源硝化抑制剂成为新的研究方向。环境友好的植物源抑制剂不但可以消除化学抑制剂的多种不良影响，还可以变废为宝，增加农业产出，提高农民收入。香蕉是四大热带水果之一，我国香蕉种植中的副产品香蕉假茎的年生物量接近1000 万吨，其中含有丰富的多酚，但多被作为废弃物堆沤在地头。本研究通过三种不同的加工工艺提取了香蕉假茎中的多酚，并在室内进行了硝化势和硝化强度培养试验，以期了解香蕉多酚对土壤硝化作用的影响，为进一步开发相关植物源硝化抑制剂提供研究基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试土壤采自中国热带农业科学院橡胶研究所试验基地，其基本理化性质为有机质含量3.51克/公斤、全氮含量0.22克/公斤、全磷含量0.94克/公斤、全钾含量17.16克/公斤、硝态氮含量8.87毫克/公斤、铵态氮含量4.13克/公斤、有效磷（P2O5）含量19.6克/公斤、有效钾（K2O）含量56.1克/公斤、pH 5.4。
供试香蕉多酚由采自中国热带农业科学院橡胶研究所试验基地的香蕉假茎经三种不同加工工艺提取而成，分别命名为：BP1，BP2和BP3。
供试肥料硫酸铵和硝化抑制剂双氰胺（DCD）均为分析纯。
1.2 试验方法
硝化势和硝化强度培养试验按完全随机区组设计，各设5个处理，水的加入量以调节土壤含水量至田间持水量（25%）为原则（见表1）。
1.2.1 硝化势培养试验 称取风干土样100克放置于250毫升烧杯中，按表1设计与处理分别加入试剂，并使之与土壤充分混匀，盖上黑色塑料薄膜，在25℃下避光培养3周;期间及时补足水分保持恒重;培养结束后，测定各处理的全氮、NO3--N、NH4+-N含量后，扣除净土壤培养的本底值，即为各处理的测定值结果。
1.2.2 硝化强度培养试验 称取土样500克放置于1升的大烧杯中，按表1分别加入试剂，并使之与土壤充分混匀，，盖上薄膜以避免水分损失，在25℃下培养，按0、1、2、4、8、17、32天分批取样。分别测定全氮、NO3--N、NH4+-N含量后，扣除净土壤培养的本底值，即为各处理的测定值结果。
表1培养试验的设计与处理
1.3 分析项目与分析方法
试验中所取土壤样品硝态氮和铵态氮含量分别用紫外分光光度法、靛酚蓝比色法测定，全氮用开氏法测定。同时，土壤有效氮为土壤铵态氮、硝态氮之和，土壤氮损失量为培养前后土壤全氮的差值。
2 结果分析
2.1 香蕉多酚对土壤硝化势的影响
硝化势培养试验结果表明（图1），不同香蕉多酚处理均能显著改变土壤硝化作用，使土壤硝化势平均值低于对照（CK），且达到1%差异显著性水平。可见，香蕉多酚同茶多酚等其他植物多酚一样，具有抑制土壤硝化作用的能力。此外，从图1还可以看出，不同香蕉多酚处理组的硝化势与处理4（即DCD处理）相比，均未达5%差异显著水平，且处理1和3的土壤硝化势低于处理4。
2.2 香蕉多酚对土壤中氮素的影响
从图2可以看出，处理1～3在硝化势培养试验结束后，土壤铵态氮含量、有效氮含量均显著高于CK，而土壤硝态氮含量则明显低于CK，说明添加香蕉多酚可以使供试土壤在较长时间内保持较高水平的铵态氮和有效氮含量。此外，从图2还可以看出，处理3（香蕉多酚BP3）与处理4（DCD）相比，铵态氮、硝态氮和有效氮含量均达到差异不显著水平。
2.3 香蕉多酚对土壤硝化强度的影响
从图3可以看出，随着培养时间的增加，各处理组的硝化强度均呈上升趋势。而香蕉多酚各处理（处理1～3）与DCD处理均显著低于CK，表明不同香蕉多酚处理组均呈现较好的硝化抑制效果，且整个培养期间，处理3与DCD处理差异不显著。
2.4 不同培养时间内香蕉多酚对土壤铵态氮含量的影响
图4反映了香蕉多酚在不同硝化强度培养时间内对土壤铵态氮含量的变化。随着培养时间的增加，对照的铵态氮含量快速下降，各处理也呈下降趋势，但幅度较缓。培养4天后，各处理的铵态氮含量显著高于CK。培养4天时，各多酚处理与DCD处理差异不显著，到培养17天时，香蕉多酚处理3仍然与DCD处理差异不显著（P>0.05）。
2.5 不同培养时间内香蕉多酚对土壤氮损失量的影响
图5反映了香蕉多酚在不同硝化强度培养时间内对土壤氮损失量的变化。随着培养时间的增加，对照的氮损失量快速升高，各处理的铵态氮也逐渐升高，但幅度较缓。培养4天后，各处理的氮损失量显著低于对照。培养8天时，各香蕉多酚处理与DCD处理无显著差异，到培养32天时，香蕉多酚处理3和DCD处理相比，土壤氮损失量表现为差异不显著（P>0.05）。
3 讨论与结论
土壤硝化作用是铵态氮通过生物氧化过程转化为亚硝态氮和硝态氮的过程，是氮素循环的重要环节，也是生态系统中氮素损失的主要途径之一。铵态氮的硝化作用不仅可以产生少量N2O，而且所形成的硝态氮还易于发生反硝化作用和淋洗而损失。因此，对铵态氮肥及能形成铵的氮肥来说，延缓或抑制硝化作用的进行是减少损失、提高利用率和降低环境影响的重要途径之一。土壤硝化势反应了当条件合适时硝化作用的最大潜力，而土壤硝化强度则反映了单位时间内土壤硝态氮的产生量，是反映土壤硝化作用的重要指标。本试验结果表明：与对照相比，香蕉多酚能显著降低土壤硝化势和硝化强度，对土壤硝化作用有很好的抑制效果。
在降雨量大、高渗透性、低阳离子交换量的土壤上，淋失作用是导致氮肥利用率低的主要原因。研究表明，铵态氮由于其能被土壤胶体吸附，淋洗的损失较小，而经过土壤微生物硝化作用形成NO3-N 后，则淋洗损失严重。有效的硝化抑制剂抑制了土壤中硝化过程后，氮肥在一定时间内将以NH4+-N的形式保持在土壤中，从而减少了NO2-和NO3-的淋溶损失以及反硝化造成的氮的释放[4-6]。化学抑制剂如DCD等虽然在生产中有较好的硝化抑制效果，但是施用不当容易对植物造成毒害作用。因此，植物源硝化抑制剂的研究越来越受到重视。Castaldi等发现草莓残留物中释放酚类化合物可以抑制土壤硝化作用并减少N2O的排放，彭仁等的研究发现茶叶多酚能有效抑制土壤硝化作用。同样，本试验研究结果发现香蕉多酚能维持较高水平的土壤铵态氮和有效氮含量，降低土壤硝态氮含量和氮损失量，表明香蕉多酚有效抑制了土壤硝化作用。相比较其他植物源硝化抑制剂，香蕉多酚提取所需材料（香蕉假茎）成本低，来源丰富，作为硝化抑制剂有较好的应用前景。
参考文献
[1] 石元亮，王玲莉，刘世彬，等.中国化学肥料发展及其对农业的作用[J].土壤学报，2008，45（5）：852-864.
[2] 闫湘，金继运，何萍，等.提高肥料利用率技术研究进展[J]. 中国农业科学，2008，02：450-459.
[3] 孙爱文，石元亮，张德生，等.硝化、脲酶抑制剂在农业中的应用[J].土壤通报，2004，35（3）：357-361.
[4] 黄益宗，冯宗炜，王效科，等.硝化抑制剂在农业上应用的研究进展[J].土壤通报，2002，33（4）：310-315.
[5] 倪秀菊，李玉中，徐春英，等.土壤脲酶抑制剂和硝化抑制剂的研究进展[J].中国农学通报，2009，12：145-149.
[6] 孙志梅，武志杰，陈利军，等.土壤硝化作用的抑制剂调控及其机理[J].应用生态学报，2008，06：1389-1395.
[7] 邱业先，汪金莲，陈尚钘，等.茶多酚抑制红壤稻田脲酶及其对水稻生长的影响[J].土壤学报，2003，40（3）：460-464.
[8] 邱业先，汪金莲，陈尚钘，等.茶多酚对产脲酶菌生长和脲酶分泌的影响[J].植物营养与肥料学报，2002，8（1）：119-121.
[9] 王桃云，邱业先，汪金莲，等.响应面法优化银杏叶多酚提取工艺及对脲酶抑制活性的研究[J].化学研究与应用，2013，25（7）：999-1005.
作者简介：高乐，博士，中国热带农业科学院橡胶研究所，助理研究员，研究方向：植物营养和土壤资源管理。
通讯作者：吴敏，博士，中国热带农业科学院橡胶研究所，副研究员，研究方向：植物营养与土壤农化。
2.3 香蕉多酚对土壤硝化强度的影响
从图3可以看出，随着培养时间的增加，各处理组的硝化强度均呈上升趋势。而香蕉多酚各处理（处理1～3）与DCD处理均显著低于CK，表明不同香蕉多酚处理组均呈现较好的硝化抑制效果，且整个培养期间，处理3与DCD处理差异不显著。
2.4 不同培养时间内香蕉多酚对土壤铵态氮含量的影响
图4反映了香蕉多酚在不同硝化强度培养时间内对土壤铵态氮含量的变化。随着培养时间的增加，对照的铵态氮含量快速下降，各处理也呈下降趋势，但幅度较缓。培养4天后，各处理的铵态氮含量显著高于CK。培养4天时，各多酚处理与DCD处理差异不显著，到培养17天时，香蕉多酚处理3仍然与DCD处理差异不显著（P>0.05）。
2.5 不同培养时间内香蕉多酚对土壤氮损失量的影响
图5反映了香蕉多酚在不同硝化强度培养时间内对土壤氮损失量的变化。随着培养时间的增加，对照的氮损失量快速升高，各处理的铵态氮也逐渐升高，但幅度较缓。培养4天后，各处理的氮损失量显著低于对照。培养8天时，各香蕉多酚处理与DCD处理无显著差异，到培养32天时，香蕉多酚处理3和DCD处理相比，土壤氮损失量表现为差异不显著（P>0.05）。
3 讨论与结论
土壤硝化作用是铵态氮通过生物氧化过程转化为亚硝态氮和硝态氮的过程，是氮素循环的重要环节，也是生态系统中氮素损失的主要途径之一。铵态氮的硝化作用不仅可以产生少量N2O，而且所形成的硝态氮还易于发生反硝化作用和淋洗而损失。因此，对铵态氮肥及能形成铵的氮肥来说，延缓或抑制硝化作用的进行是减少损失、提高利用率和降低环境影响的重要途径之一。土壤硝化势反应了当条件合适时硝化作用的最大潜力，而土壤硝化强度则反映了单位时间内土壤硝态氮的产生量，是反映土壤硝化作用的重要指标。本试验结果表明：与对照相比，香蕉多酚能显著降低土壤硝化势和硝化强度，对土壤硝化作用有很好的抑制效果。
在降雨量大、高渗透性、低阳离子交换量的土壤上，淋失作用是导致氮肥利用率低的主要原因。研究表明，铵态氮由于其能被土壤胶体吸附，淋洗的损失较小，而经过土壤微生物硝化作用形成NO3-N 后，则淋洗损失严重。有效的硝化抑制剂抑制了土壤中硝化过程后，氮肥在一定时间内将以NH4+-N的形式保持在土壤中，从而减少了NO2-和NO3-的淋溶损失以及反硝化造成的氮的释放[4-6]。化学抑制剂如DCD等虽然在生产中有较好的硝化抑制效果，但是施用不当容易对植物造成毒害作用。因此，植物源硝化抑制剂的研究越来越受到重视。Castaldi等发现草莓残留物中释放酚类化合物可以抑制土壤硝化作用并减少N2O的排放，彭仁等的研究发现茶叶多酚能有效抑制土壤硝化作用。同样，本试验研究结果发现香蕉多酚能维持较高水平的土壤铵态氮和有效氮含量，降低土壤硝态氮含量和氮损失量，表明香蕉多酚有效抑制了土壤硝化作用。相比较其他植物源硝化抑制剂，香蕉多酚提取所需材料（香蕉假茎）成本低，来源丰富，作为硝化抑制剂有较好的应用前景。
参考文献
[1] 石元亮，王玲莉，刘世彬，等.中国化学肥料发展及其对农业的作用[J].土壤学报，2008，45（5）：852-864.
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[3] 孙爱文，石元亮，张德生，等.硝化、脲酶抑制剂在农业中的应用[J].土壤通报，2004，35（3）：357-361.
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[7] 邱业先，汪金莲，陈尚钘，等.茶多酚抑制红壤稻田脲酶及其对水稻生长的影响[J].土壤学报，2003，40（3）：460-464.
[8] 邱业先，汪金莲，陈尚钘，等.茶多酚对产脲酶菌生长和脲酶分泌的影响[J].植物营养与肥料学报，2002，8（1）：119-121.
[9] 王桃云，邱业先，汪金莲，等.响应面法优化银杏叶多酚提取工艺及对脲酶抑制活性的研究[J].化学研究与应用，2013，25（7）：999-1005.
作者简介：高乐，博士，中国热带农业科学院橡胶研究所，助理研究员，研究方向：植物营养和土壤资源管理。
通讯作者：吴敏，博士，中国热带农业科学院橡胶研究所，副研究员，研究方向：植物营养与土壤农化。
2.3 香蕉多酚对土壤硝化强度的影响
从图3可以看出，随着培养时间的增加，各处理组的硝化强度均呈上升趋势。而香蕉多酚各处理（处理1～3）与DCD处理均显著低于CK，表明不同香蕉多酚处理组均呈现较好的硝化抑制效果，且整个培养期间，处理3与DCD处理差异不显著。
2.4 不同培养时间内香蕉多酚对土壤铵态氮含量的影响
图4反映了香蕉多酚在不同硝化强度培养时间内对土壤铵态氮含量的变化。随着培养时间的增加，对照的铵态氮含量快速下降，各处理也呈下降趋势，但幅度较缓。培养4天后，各处理的铵态氮含量显著高于CK。培养4天时，各多酚处理与DCD处理差异不显著，到培养17天时，香蕉多酚处理3仍然与DCD处理差异不显著（P>0.05）。
2.5 不同培养时间内香蕉多酚对土壤氮损失量的影响
图5反映了香蕉多酚在不同硝化强度培养时间内对土壤氮损失量的变化。随着培养时间的增加，对照的氮损失量快速升高，各处理的铵态氮也逐渐升高，但幅度较缓。培养4天后，各处理的氮损失量显著低于对照。培养8天时，各香蕉多酚处理与DCD处理无显著差异，到培养32天时，香蕉多酚处理3和DCD处理相比，土壤氮损失量表现为差异不显著（P>0.05）。
3 讨论与结论
土壤硝化作用是铵态氮通过生物氧化过程转化为亚硝态氮和硝态氮的过程，是氮素循环的重要环节，也是生态系统中氮素损失的主要途径之一。铵态氮的硝化作用不仅可以产生少量N2O，而且所形成的硝态氮还易于发生反硝化作用和淋洗而损失。因此，对铵态氮肥及能形成铵的氮肥来说，延缓或抑制硝化作用的进行是减少损失、提高利用率和降低环境影响的重要途径之一。土壤硝化势反应了当条件合适时硝化作用的最大潜力，而土壤硝化强度则反映了单位时间内土壤硝态氮的产生量，是反映土壤硝化作用的重要指标。本试验结果表明：与对照相比，香蕉多酚能显著降低土壤硝化势和硝化强度，对土壤硝化作用有很好的抑制效果。
在降雨量大、高渗透性、低阳离子交换量的土壤上，淋失作用是导致氮肥利用率低的主要原因。研究表明，铵态氮由于其能被土壤胶体吸附，淋洗的损失较小，而经过土壤微生物硝化作用形成NO3-N 后，则淋洗损失严重。有效的硝化抑制剂抑制了土壤中硝化过程后，氮肥在一定时间内将以NH4+-N的形式保持在土壤中，从而减少了NO2-和NO3-的淋溶损失以及反硝化造成的氮的释放[4-6]。化学抑制剂如DCD等虽然在生产中有较好的硝化抑制效果，但是施用不当容易对植物造成毒害作用。因此，植物源硝化抑制剂的研究越来越受到重视。Castaldi等发现草莓残留物中释放酚类化合物可以抑制土壤硝化作用并减少N2O的排放，彭仁等的研究发现茶叶多酚能有效抑制土壤硝化作用。同样，本试验研究结果发现香蕉多酚能维持较高水平的土壤铵态氮和有效氮含量，降低土壤硝态氮含量和氮损失量，表明香蕉多酚有效抑制了土壤硝化作用。相比较其他植物源硝化抑制剂，香蕉多酚提取所需材料（香蕉假茎）成本低，来源丰富，作为硝化抑制剂有较好的应用前景。
参考文献
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[3] 孙爱文，石元亮，张德生，等.硝化、脲酶抑制剂在农业中的应用[J].土壤通报，2004，35（3）：357-361.
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[6] 孙志梅，武志杰，陈利军，等.土壤硝化作用的抑制剂调控及其机理[J].应用生态学报，2008，06：1389-1395.
[7] 邱业先，汪金莲，陈尚钘，等.茶多酚抑制红壤稻田脲酶及其对水稻生长的影响[J].土壤学报，2003，40（3）：460-464.
[8] 邱业先，汪金莲，陈尚钘，等.茶多酚对产脲酶菌生长和脲酶分泌的影响[J].植物营养与肥料学报，2002，8（1）：119-121.
[9] 王桃云，邱业先，汪金莲，等.响应面法优化银杏叶多酚提取工艺及对脲酶抑制活性的研究[J].化学研究与应用，2013，25（7）：999-1005.
作者简介：高乐，博士，中国热带农业科学院橡胶研究所，助理研究员，研究方向：植物营养和土壤资源管理。
通讯作者：吴敏，博士，中国热带农业科学院橡胶研究所，副研究员，研究方向：植物营养与土壤农化。
