不同氮肥对咖啡园砖红壤硝化作用的影响

林兴军　陈鹏　孙燕　黄丽芳　董云萍

摘 要 为提高咖啡园砖红壤肥料有效性，采用土壤好气培养法进行试验，以尿素和硫酸铵为氮肥，研究了砖红壤区不同咖啡园土壤硝化作用特征。结果表明，土壤性质、氮肥种类和环境温度显著影响砖红壤硝化速率。在3种因素共同作用下，硝化速率呈“S”型变化曲线；土壤性质中土壤pH是影响咖啡园砖红壤硝化特性的主要因素，pH值越高的土壤硝化速率越快（酸性土壤），21 d后土壤硝化率达到100%；不同氮肥的硝化过程有明显差异，施尿素的土壤硝化速率显著高于施硫酸铵的土壤（p<0.05）；温度会影响硝化速率，30 ℃土壤硝化速率显著大于25 ℃土壤。因此，针对不同土壤特性和环境温度，应选择不同种类氮肥，以提高肥料利用率。

关键词 咖啡园；氮肥；砖红壤；硝化作用

中图分类号 S663.9 文献标识码 A

Abstract In order to improve fertilizer effectiveness of latosol in the coffee plantation， using urea and ammonia sulfate as nitrogen fertilizer， an incubation experiment was conducted to study the effects of different fertilization on the nitrification of latosol in different coffee plantation. The results showed that soil properties， nitrogen types and environmental temperature significantly influenced the soil nitrification rate. Under the combined action of soil properties， nitrogen types and environmental temperature， changing tendency of the soil nitrification rate showed as‘Stype. Among soil properties， the soil pH was the main factor which affecting the soil nitrification in the coffee plantation. The faster the soil nitrification rate occurred， the higher the pH value was， and the nitrification rate reached 100% after 21days. The nitrification process of different nitrogen fertilizer was obviously different， and the nitrification rate in the soil which applied urea fertilizer was significantly higher than that which applied ammonia sulfate（p<0.05）. The temperature changed the nitrification rate， and the nitrification rate under 30 ℃ was significantly higher than that under 25 ℃（p<0.05）. Therefore， it is recommended that different types of nitrogen fertilizers should be applied according to soil properties and the temperature of the environment to improve the fertilizer use efficiency.

Key words Coffee； Nitrogen fertilization； Latosal； Nitrification

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.11.003

硝态氮是田间条件下生长的大多数栽培植物的主要无机氮化合物来源。在自然土壤中，土壤溶液的硝态氮浓度通常低于1 mol/m3，而在农业土壤中，由于施肥而造成的土壤硝态氮浓度可高达20 mol/m3以上[1]。氮肥施入土壤后会导致酸化，其机制中最重要的过程是硝化作用的发生。硝化作用是自然界中氮素循环的重要环节，是土壤中的铵态氮在微生物作用下转化为硝态氮的重要微生物过程，被认为是土壤氮素循环的核心和提供植物有效氮的主要过程[2-3]。土壤硝化过程受土壤水分[4]、土壤温度[5]、土壤肥力[6]、土壤pH[7]、土地利用类型[8]、耕作方式[9]等多种因素的影响，但各种影响因素在不同条件下的反应不尽相同。

传统理论认为酸性条件下硝化作用受到抑制[10-11]。近年来的研究表明，亚热带地区的酸性红壤，在一定条件下硝化作用受到抑制[12-13]，但也有研究发现，在农田和茶园中，即使土壤pH达到很低水平仍可发生硝化作用[14-15]。土壤施用氮肥后，由于硝化作用而向环境释放H+是引起土壤酸化的主要机制[16]。

作为硝化作用的底物，氮肥对硝化作用的影响受到广泛的关注。部分研究者[17-18]认为，氮肥的施用并未显著影响到土壤硝化作用；也有研究结果[13]表明不同氮肥种类对土壤硝化作用的影响有显著差异，尿素的施用可能促进硝化作用，硫酸銨的施用对土壤硝化作用的影响仍存在争议[13，19-20]。海南是中国主要的咖啡种植区之一，咖啡主要种植在酸性强、阳离子交换量低的砖红壤上，同时由于地处热带北缘、温度高、雨量大而集中，造成土壤持水保肥性能较差，NO3--N等营养元素易遭淋失。中国咖啡园普遍存在重施氮肥的现象，肥料利用率低。因此如何提高氮肥利用率，已经成为咖啡园可持续发展必须解决的问题。本研究选取尿素和硫酸铵2种常用氮肥，通过室内土壤培养试验，研究砖红壤区不同咖啡园土壤施用不同氮肥后的硝化作用特征，为咖啡园土壤氮素保存及提高咖啡树氮肥利用率提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

土壤样品采自中国热带农业科学院香料饮料研究所琼海大路试验基地（东经：110°27′29″，北纬：19°26′44″）和香饮所试验基地（东经：110°12′56″，北纬：18°45′39″）。3种土壤分别为：（1）种植1 a的咖啡园土壤（X）；（2）种植20 a胡椒后改种咖啡半年的土壤（Y）；（3）种植20 a的老咖啡园土壤（Z）。咖啡为中粒种咖啡。

土壤样品于2014年10月16～17日采集，采用多点混合取样法采集0～20 cm深土壤耕层；样品采回后稍凉干，剔去其中的石块、草根等杂物，将其充分混匀，过2 mm筛；取部分新鲜土样测定其铵态氮、硝态氮含量，部分土样作为土壤硝化势培养试验的供试土样，其余土样待风干后测定其部分理化性质（表1）。

1.2 方法

采用好气培养法培养.分别称取相当于10 g干土的新鲜土样X、Y、Z若干份，放置于50 mL离心管中，试验以尿素、硫酸铵为氮源，以清水为对照。（1）对照：加入2 mL水至田间持水量进行培养，作为空白对照以扣除试验中土壤有效氮的原始含量；（2）处理：加入2 mL纯氮浓度为1.0 g/L的尿素或硫酸铵溶液，然后加入0.2～0.4 mL的水至田间持水量（田间持水量为22%～24%）进行培养。管口用塑料薄膜（Parafilm）封闭，并在膜上面用针均匀地戳小孔以保证培养过程的氧气供给，称重并记录，分别在25 ℃和30 ℃恒温培养箱中避光培养56 d，每周称重并及时补足水分以保持恒重。分别于培养1、2、4、7、14、21、28、35、42、49、56 d时取样，每个土样各取3管作为3个重复，同时取空白对照样品，分别测定土壤铵态氮、硝态氮含量。

1.3 数据处理

土壤硝化率/%=（土壤加氮培养后硝态氮含量-原土壤培养后硝态氮含量）/（土壤加氮培养后矿质氮含量-原土壤培养后矿质氮含量）×100（忽略加入氮对土壤氮素的激发效应）

铵态氮和硝态氮分别用靛酚兰比色法、紫外分光光度法测定，用Excel办公软件作图，并用SAS（9.2）软件对数据进行统计和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同培养温度下尿素对土壤硝化作用的影响

2.1.1 30 ℃下尿素对土壤硝化作用的影响 培养初期，尿素发生水解作用，土壤中NH4+-N含量迅速增加，而后硝化作用的发生使NH4+-N转化为NO3--N（图1-A）。不同土壤铵态氮增加和降低速率不同，土壤Z水解最快（第2天水解完全），其次为土壤Y（第3天水解完全），最慢为土壤X（第4天水解完全）。而后土壤铵态氮含量下降，土壤Z下降最快（14 d后NH4+-N含量接近于0），变化曲线呈不对称的“抛物线”型；土壤X和土壤Y下降速率小于土壤Z，且21 d后土壤X下降速率大于土壤Y，变化曲线呈倒“S”型。结果表明在30 ℃条件下，尿素在咖啡园土壤中水解都较快，4 d内就基本水解完全。土壤Z在第2天就发生硝化作用，产生少量硝态氮，第4天后NO3--N含量迅速增加（图1-B），第21天后逐渐趋于稳定；土壤X和土壤Y 的NO3--N量在0～7 d时几乎为零，說明在此期间土壤硝化作用很弱，7 d后土壤Y开始进行较强的硝化作用。21 d后土壤X的NO3--N增加速率大于土壤Y，第42天时达到最高值，说明土壤X在21 d后才开始进行较强的硝化作用；硝化反应完成后，土壤硝态氮中氮的最大含量低于尿素水解后铵态氮中氮的最大含量，且硝化速率较慢的土壤硝态氮含量较低，这可能是由于土壤Z中尿素水解快，铵态氮挥发损失少，而土壤Y中尿素水解慢，铵态氮挥发损失相对较多。

2.1.2 25 ℃下尿素对土壤硝化作用的影响 25 ℃下土壤中NH4+-N含量变化均呈不对称的“抛物线”型（图2-A），且NH4+-N下降速率低于30 ℃下。各土壤间的变化趋势与30 ℃下的变化趋势一致。25 ℃下土壤Z的硝化速率仍高于土壤X和土壤Y（图2-B）；土壤X在56 d时仍未完成硝化作用，说明温度对土壤硝化速率产生一定的影响；土壤Z中硝态氮的最高含量在25 ℃条件下大于30 ℃条件下，说明温度低可以减少铵态氮的挥发。

从以上分析可知，施入尿素后土壤在25 ℃下硝化速率比30 ℃慢且平缓，温度低抑制土壤硝化作用；土壤Z的硝化作用潜力显著大于其他2种土壤，且尿素在土壤Z中水解快，易造成养分挥发。

2.2 不同培养温度下硫酸铵对土壤硝化作用的影响

2.2.1 30 ℃下硫酸铵对土壤硝化作用的影响 第4天后土壤Z中NH4+-N含量迅速下降（图3-A），21 d后其中的NH4+-N含量接近于0；土壤X和土壤Y中的NH4+-N含量均缓慢下降，并且土壤X下降速率高于土壤Y。加入硫酸铵后土壤硝化速率呈现倒“S”型变化（图3-B），土壤Z在第4天时有少量硝态氮产生，第7天后硝态氮含量迅速增加，第35天时达到最高；土壤Y的NO3--N含量在0～14 d时几乎为零，14 d后土壤开始进行较弱的硝化作用，第28天后NO3--N含量才开始迅速增加。结果表明，加入硫酸铵后各土壤硝化速率大小顺序为：土壤Z>土壤X>土壤Y，各土壤之间差异明显，土壤Z硝化速率最大，迟缓期最小。

2.2.2 25 ℃下硫酸铵对土壤硝化作用的影响 第14天后土壤Z中的NH4+-N含量迅速下降（图4-A），35 d后NH4+-N含量接近于0；土壤X和土壤Y中的NH4+-N含量均缓慢下降，并且土壤Y下降速率低于土壤X。土壤Z在第7天才有少量硝态氮，第14天后硝态氮含量迅速增加（图4-B），第42天时达到最高；土壤Y在前60 d内一直保持较弱的硝化作用，而土壤X在前21 d硝化作用较弱，然后迅速增加，49 d后硝化作用显著增强。结果表明，25 ℃下土壤间硝化速率变化趋势与30 ℃下变化趋势一致，各土壤硝化速率大小顺序为：土壤Z>土壤X>土壤Y。

从以上分析可知，不同肥料会对土壤硝化作用产生影响，相比硫酸铵，尿素可以提高土壤硝化速率，这可能是因为尿素水解时可以提高周围环境的pH，同时产生底物氨，从而促进土壤硝化作用；而硫酸铵为酸性肥料，可以降低土壤pH，抑制土壤硝化作用。

2.3 不同氮肥对土壤硝化率的影响

从表2可以看出，氮肥种类和土壤温度对土壤硝化速率产生显著影响，在相同温度下，相同氮肥条件下土壤Z的硝化率均最高，最大硝化率达到100%；土壤Y硝化率最低，最低的仅有4.1%（以硫酸铵为氮肥，25 ℃温度下）。说明土壤Z硝化潜力最强，土壤Y硝化潜力最弱。在相同氮肥、相同土壤条件下，30 ℃土壤硝化潜力显著大于25 ℃土壤硝化潜力，说明低温抑制土壤硝化速率。在相同温度、相同土壤条件下，施尿素后土壤硝化速率显著大于施硫酸铵的土壤硝化速率，说明施入不同氮肥，土壤硝化速率不同。

从结果中可以看出土壤硝化速率变化呈“S”型曲线，可将硝化阶段分为延迟阶段、最大速率阶段以及停滞阶段。但不同氮肥和温度条件下，土壤延迟阶段所需时间不同。土壤Z所需时间较短，土壤X所需时间较长，土壤Y所需时间最长。

3 讨论与结论

硝态氮的吸收是主动消耗能量的过程，根系硝酸盐的吸收所需要的代谢能和碳骨架由从茎运输的糖提供。在咖啡植株中，根系生长和硝酸盐吸收竞争碳水化合物。另外，增加外部硝态氮含量会使根系中硝酸还原酶活性显著增加[21]，导致根系过度消耗糖。尤其在冬春季，咖啡果实成熟的时候，增加硝态氮有效性会降低咖啡长势，因此土壤硝化速率快慢会直接影响咖啡生长。

本研究结果表明，在相同温度和氮肥条件下，土壤Z（pH6.2）硝化潜力最强，铵态氮肥相对容易被硝化成硝态氮，而土壤X（pH4.96）和土壤Y（pH4.86）硝化作用较弱，完成硝化作用所需时间较长，并且两者无显著差异。本研究中造成相同肥料不同硝化速率的主要因素是土壤的酸碱度，土壤酸性越强，土壤硝化速率越低。有研究表明土壤pH是影响硝化特性的主控因素[22-23]，土壤硝化率与土壤pH呈极显著的正相关[10]，这与本研究结果相一致。土壤pH低限制了硝化微生物的生长，从而抑制了土壤硝化作用的进行[24]，这可能也是咖啡园砖红壤硝化势极低的重要原因。

本研究结果表明，氮肥种类对土壤硝化速率产生显著影响。施尿素的土壤硝化速率高于施硫酸铵的土壤硝化速率，施尿素能显著提高土壤硝化速率。这是因为硫酸铵为酸性肥，施入土壤后降低土壤pH值，从而降低土壤硝化速率；而尿素水解时可以提高周围环境的pH。3种土壤相比，土壤Z硝化速率受氮肥种类影响较小，土壤X和Y受肥料种类影响较大。有研究表明，施氮显著促进红壤（pH=6.27）硝化作用，降低土壤pH 值[12]；氮肥显著抑制了初始pH 值小于5的2种土壤硝化作用，但显著促进了初始pH值大于5的红壤的硝化速率[25]。由此可见，氮肥对土壤硝化作用的影响与土壤pH 值显著相关。

本研究结果表明，土壤温度对硝化作用产生显著影响。温度对施硫酸铵的土壤硝化速率影响大于对施尿素的土壤硝化速率；土壤温度为30 ℃时硝化速率最高，土壤温度为25 ℃时，对3种土壤硝化作用都有不同程度的抑制，這与张树兰等[26]、Keeney[27]研究结果一致。但Avrahami等[28]的研究结果发现，当土壤水分含量、铵浓度和pH保持相对稳定时，15～25 ℃时土壤硝化速率最高，这可能是由于土壤性质不同，温度会对土壤中铵浓度、pH和土壤湿度等有影响[29]，从而影响土壤硝化速率。

在土壤温度、氮肥种类和土壤类型共同影响下，土壤硝化速率呈“S”型变化曲线。整个硝化过程可分为延迟阶段（硝化微生物数量的生长阶段）、最大速率阶段以及停滞阶段[30]，这从一方面也说明土壤中添加NH4+-N以后，刺激了硝化微生物的生长，从而导致土壤硝化作用增强。近年来的研究表明硝化作用的直接底物是NH3，NH4+为氨氧化细菌的间接底物，所以土壤硝化过程中氨氧化微生物种类和数量都受铵浓度的影响。当往原有硝化微生物数量较少的土壤中加入铵态氮后，土壤硝化微生物迅速增加。

以上结果说明，土壤性质、氮肥种类和环境温度等显著影响土壤硝化速率。土壤性质中土壤pH是影响硝化作用的主要因素，因此针对咖啡生长的季节性、不同土壤特性和环境温度，应选择不同种类肥料。在温度低的冬春季，宜选择尿素作为氮肥；在夏季，宜选择硫酸铵等酸性肥作为氮肥，以降低土壤硝化速率。若土壤pH高，硝化能力强，则应进行少量多次施肥，以提高肥料利用率及降低水环境污染风险；如果土壤pH低，硝化能力弱，那么可以用石灰适当提高土壤pH，以提升土壤硝化能力，促进铵态氮肥的转化和被吸收，进而提高砖红壤生产力。

参考文献

[1] Andrews M. The partitioning of nitrate assimilation between root and shoot of higher plants[J]. Plant， Cell & Environment， 1986， 9（7）： 511-519.

[2] Abera G， Wolde-Meskel E， Bakken L R. Carbon and nitrogen mineralization dynamics in different soils of the tropics amended with legume residues and contrasting soil moisture contents[J]. Biology and Fertility of Soils， 2012， 48（1）： 51-66.

[3] 田红灯， 田大伦， 闫文德， 等. 贵阳市4种森林类型土壤氮矿化的研究[J]. 中南林业科技大学学报， 2013， 32（11）： 100-104.

[4] Ye C， Cheng X L， Zhang Y L， et al. Soil nitrogen dynamics following short-term revegetation in the water level fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir， China[J]. Ecol Eng， 2012， 38（1）： 37-44.

[5] Dessureault-Rompré J， Zebarth B J， Georgallas A， et al. Temperature dependence of soil nitrogen mineralization rate： Comparison of mathematical models， reference temperatures and origin of the soils[J]. Geoderma， 2010， 157（3）： 97-108.

[6]賈俊仙， 李忠佩， 刘 明， 等. 施用氮肥对不同肥力红壤性水稻土硝化作用的影响[J]. 生态与农村环境学报， 2010， 26（4）： 329-333.

[7] Xiao K C， Xu J M， Tang C X， et al. Differences in carbon and nitrogen mineralization in soils of differing initial pH induced by electrokinesis and receiving crop residue amendments[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2013， 67： 70-84.

[8] 李 铭， 朱利川， 张全发， 等. 不同土地利用类型对丹江口库区土壤氮矿化的影响[J]. 植物生态学报， 2012， 36（6）： 530-538.

[9]余 泺， 高 明， 慈 恩， 等. 不同耕作方式下土壤氮素矿化和硝化特征研究[J]. 生态环境学报， 2010， 19（3）： 733-738.

[10] Katyal J C， Carter M F， Vlek P L G. Nitrification activity in submerged soils and its relation to denitrification loss[J]. Biology and Fertility of Soils， 1988， 7（1）： 16-22.

[11] Stein L Y， Arp D J， Hyman M R. Regulation of the Synthesis and Activity of Ammonia Monooxygenase in Nitrosomonas europaea by altering pH to affect NH3 availability[J]. Applied and environmental microbiology， 1997， 63（11）： 4 588-4 592.

[12] Zhao W， Xu Z， Zhi H. Does ammonium-based N addition influence nitrification and acidification in humid subtropical soils of China？[J]. Plant and Soil， 2007， 297（12）： 213-221.

[13] Zhao X， Xing G X. Variation in the relationship between nitrification and acidification of subtropical soils as affected by the addition of urea or ammonium sulfate[J]. Soil Biol & Biochem.， 2009， 41（12）： 2 584-2 587.

[14] Dong X， Gao Y M， Yao H Y， et al. Nitrification potentials of Chinese tea orchard soils and their adjacent wasteland and forest soils[J]. Journal of Environmental Sciences， 2009， 21（9）： 1 225-1 229.

[15] Yao H Y， Campbell C D， Qiao X R. Soil pH controls nitrification and carbon substrate utilization more than urea or charcoal in some highly acidic soils[J]. Biology and Fertility of Soils， 2011， 47（5）： 515-522.

[16] De Vries W， Breeuwsma A. The relation between soil acidification and element cycling[J]. Water， Air， and Soil Pollution， 1987， 35（3-4）： 293-310.

[17] De Boer W， Duyts H， Laanbroek H J. Autotrophic nitrification in a fertilized acid heath soil[J]. Soil Biology & Biochemistry， 1988， 20（6）： 845-850.

[18] Strong D T， Sale P W G， Helyar K R. Initial soil pH affects the pH at which nitrification ceases due to self-induced acidification of microbial microsites[J]. Australian Journal of Soil Research， 1997， 35（3）： 565-570.

[19] 钱 琛， 蔡祖聪. 硝化作用驱动下红壤渗漏液的酸化[J]. 土壤学报， 2010， 47（1）： 77-83.

[20] 佟德利， 徐仁扣. 三种氮肥对红壤硝化作用及酸化过程.影响的研究[J]. 植物营养与肥料学报， 2012， 18（4）： 853-859.

[21] Carelli M L C， Fahl J I. Distribuicao da assimilacao de nitrato e de matéria seca em plantas jovens de café cultivadas em diferentes níveis de nitrogênio[J]. Bragantia， 1991， 50： 29-37.

[22] Dancer W S， Peterson L A， Chester G. of Ν as influenced by soil pH and previous Ν treatments[J]. Soil Science Society of America Journal， 1973， 37： 67-69.

[23] 李良謨， 潘映华， 周秀如， 等. 太湖地区主要类型土壤的硝化作用及其影响因素[J]. 土壤， 1987（6）： 289-293.

[24] 朱兆良， 文启孝. 中国土壤氮素[M]. 南京： 江苏科技出版社， 1992： 145-170.

[25]佟德利， 徐仁扣. 三种氮肥对红壤硝化作用及酸化过程影响的研究[J]. 植物营养与肥料学报， 2012， 18（4）： 853-859.

[26] 张树兰， 杨学云， 吕殿青， 等. 温度水分及不同氮源对土壤硝化作用的影响[J]. 生态学报， 2001， 2（12）： 2 147-2 153.

[27] Keeney D R. Prediction of soil nitrogen availability in forest ecosystems： Aliterature review[J]. Forest Science， 1980， 26（1）： 159-171.

[28] Avrahami S， Conrad R， Braker G. Effects of ammonium concentration on N2O release and on the community structure of ammonia oxidizers and denitlfiers[J]. Applied and Environmental Microbiology， 2002， 68（11）： 5 685-5 692.

[29] 董莲华， 杨金水， 袁红莉. 氨氧化细菌的分子生态学研究进展[J]. 应用生态学报， 2008， 19（6）： 1 381-1 388.

[30] 张树兰， 杨学云， 吕殿青， 等. 几种土壤剖面的硝化作用及其动力学特征[J]. 土壤学报， 2000， 37（3）： 372-379.