碳添加对农田土壤氮转化过程影响的研究进展

王亚萨，邹悦，张晶，郑祥洲，张玉树，丁洪

（1福建农林大学资源与环境学院，福州350002；2福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州350013）

碳添加对农田土壤氮转化过程影响的研究进展

王亚萨1,2，邹悦1,2，张晶2，郑祥洲2，张玉树2，丁洪2

（1福建农林大学资源与环境学院，福州350002；2福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州350013）

在农田土壤中添加碳源会直接或间接的对氮素转化过程产生影响，从而影响氮素利用率。以国内外研究为基础，简述了碳源添加对农田土壤各形态氮含量和氮转化的影响过程，揭示出碳源添加对氮肥损失和利用率的影响机理，并展望了农田碳添加的研究前景，为指导农田合理施肥，提高土壤肥力提供研究基础。指出加强多学科交叉，多因素综合和长期定位研究是推动碳氮研究进展和田间成果转化的关键。

碳源添加；氮素转化；合理施肥；研究进展

0 引言

氮素是植物必需的大量营养元素之一，施氮可以提高作物的产量和品质[1]。农田土壤中的氮素主要来源于含氮肥料的施用。为了满足生产需求，农田化肥施用量逐年增加，单位面积施氮量已远超国际上限标准(225 kg/hm2)，而利用率却不到30%[2-3]。持续大量的氮肥投入不仅不能达到增产的目的，还会加大损失风险，对自然环境和生态系统造成严重威胁[4-6]。由于陆地生态系统中绝大部分的氮都储存于土壤有机质库中，土壤碳含量的多少必然会对氮素转化过程产生一定的影响[7]，进而改变土壤不同形态氮的含量。研究发现碳添加会提高土壤养分有效性[8]，改善土壤理化性质[9]，促进微生物多样性和活性[10]，进而影响氮素利用率[11-15]。笔者综述了当前在农田土壤中不同碳源添加对氮转化影响的研究进展，以期为加强碳氮耦合效应研究，指导农田合理施肥，提高土壤肥力提供研究基础。

1 碳添加对土壤全氮含量的影响

全氮含量的高低能直接反映土壤供应氮素能力的强弱，其含量和储量除了与土壤本身性质相关外，还受到施肥、耕作、作物的影响[16]。施用有机肥能显著提高土壤全氮含量，并且有机肥施用量与土壤全氮提高幅度呈正相关[17-20]。在湖南稻田17年的长期定位试验中发现中低量有机肥处理可以提高45%的全氮含量，而高量有机肥处理的全氮含量可以提高67%[21]。但杜满义等[22]认为土壤有机碳含量与全氮含量遵循三次多项式拟合模型，与之前的正相关线性关系结论不同，这主要是土层深度也会影响它们的相关关系。此外有机肥性质和组成对土壤全氮的影响也存在差异性[23-24]，低C/N比有机肥能迅速提高土壤全氮含量，但随后土壤全氮含量降低速度也较快，而高C/N比有机肥不仅可以通过吸附作用减少氮素流失，还能减缓土壤全氮含量的降低速度[25]。

2 碳添加对土壤氮有效性的影响

农田土壤的特征之一就是营养元素的长期大量施用，碳氮添加会对土壤活性有机氮产生影响[26]，而能被植物和微生物直接利用的水溶性有机氮是土壤中最活跃的氮组分之一，对改善土壤肥力有重要意义。研究表明施肥可以提高土壤可溶性有机氮含量[27-29]，但并不是所有肥料对可溶性有机氮都有增加效果[30]。有研究表明，化肥使用会抑制可溶物的溶出，降低土壤中可溶性有机氮含量，甚至呈现出负相关关系，但是添加秸秆后，在初期阶段能显著提升土壤可溶性有机氮的含量[31]。李雪利等[32]在烟田的研究证明在有一定的有机氮输入条件下，不同外源有机碳输入都可以增加烤烟各生育期土壤活性氮库。目前在不同类型土壤上施用添加碳源对活性有机态氮含量影响的研究还少见报导，因此尚有待于开展这方面的研究。

土壤微生物量氮最易受耕作影响，其周转速率是有机氮的10倍[33]，是最能综合反映微生物对氮素的矿化与固定作用的指标，是土壤活性氮的“库”和“源”[34-35]。施用有机肥能显著增加土壤微生物氮的含量，平均增幅达55.2%，最大平均增幅能达到74.0%[36]。不同C/N比的有机物添加对土壤微生物氮的影响也不相同[37]，王军等[38]研究发现C/N比在25～36的有机肥是提高土壤微生物量氮含量的最佳C/N比值。碳添加量对土壤微生物量氮也表现为正相关效应[39]，但微生物量氮的季节变化特征明显，微生物同时存在同化作用，不同量有机物添加并不能改变微生物的自然变化趋势，只是在一定时空范围内暂时的改变微生物量氮含量[40]。由于土壤微生物的活动受季节、温度和土层深度影响很大[41-42]，因此研究碳添加对氮转化的同时也必须注意秸秆施用深度和秸秆腐熟过程引起微生物量变化的情况。

3 碳添加对土壤氮素转化过程的影响

3.1 对氮素矿化过程的影响

土壤氮素的矿化主要是指土壤有机氮被分解成NH3和NH4+的过程，进入土壤的有机物必须经过矿化作用才能将氮素释放出来供作物吸收。因此，有机氮的矿化率决定了氮素的可利用性[43]，微生物是这一活动的参与主体，微生物在矿化有机物的同时还存在维持自身生命的固持作用，因此有机氮的矿化与固持作用是同时发生的。生物质炭添加对土壤氮素矿化影响的研究结果并不一致[44-46]，但随时间的延长，其对土壤有机氮矿化率的影响呈现出先减小后增大最后趋于平稳的变化趋势[47]。有研究表明，添加葡萄糖后土壤氮素矿化受到抑制，氮素的固持作用加强，硝化作用也受到抑制，但是还与土壤本身肥力水平有关。氮素矿化受有机物料C/N比影响很大[50]，高C/N比的有机物会降低土壤矿化速度，矿化出的氮素容易被固持，而高含氮量的有机物与矿化速度成正相关[51]。赵明等[44]则发现高C/N比的污泥生物质炭土壤平均氮矿化量显著高于C/N比相对较低的牛粪处理，这可能是有机物本身氮素矿化量较低，施入土壤后反而被土壤微生物固定，一定时间后才释放出来。所以有机物对氮循环的影响还可能由输入物的质量决定，输入有机物导致氮矿化量增加可能源于易利用碳的增加和微生物量的增长[52]。进入土壤的有机物在土壤微生物的作用下分解，土壤微生物分解和合成有机物的同时，还需要同化土壤中有机质和矿质元素来构成其躯体，供应自身生长。自养硝化细菌利用CO2作为碳源进行生物合成，异养硝化细菌利用有机碳进行生物量合成，而异养微生物不仅氧化矿质氮还可以氧化有机氮[53]。葛顺峰等[14]发现秸秆和生物质炭的添加可以显著降低氨挥发损失，相对空白对照来讲，秸秆和生物质炭处理的氨挥发损失只占施氮量比例的4.33%和3.04%。同时也降低了土壤耕层的氮素残留量，降低了淋失的风险，提高了氮肥的利用率。研究还表明，碳添加可以促进氮素的微生物同化从而被短暂的储存起来[54-55]，有机肥对矿化的影响虽然还有争议，但是长期施用可以显著提高矿化与固持的周转速率[56]。

3.2 对氮素硝化反硝化的影响

有机物添加会影响土壤物理化性质和微生物活动，也必然会影响到氮素的硝化反硝化过程[57]。硝化反硝化作用的底物分别是铵态氮和硝态氮，一般认为微生物生长过程会优先消耗铵态氮[58]，农田土壤通气良好，硝化过程较快，因而表现出有机物添加对铵态氮变化趋势影响不大，主要是对硝态氮含量的提高。Mǜller等[59]在草地生态系统中利用15N同位素跟踪模型研究施用牛粪稀释液和对照的对比实验发现,使用牛粪稀释液后土壤硝化率为0.78 μmol N/(g·d)，而对照处理的土壤硝化率仅为0.04 μmol N/(g·d)，外源有机质添加明显的提高了草地土壤硝化率。有机物的C/N比也是影响硝化的重要因素，不同C/N比的有机物都可以增加铵态氮含量，但是达到峰值的时间和峰值的高低却随有机物C/N比不同而不同，硝态氮含量也有显著提高，并且硝态氮含量降低速度会随着有机物C/N比的降低而减慢[25]。

有机物的添加影响硝化作用和土壤硝态氮的含量也会对反硝化过程产生影响。酸性红壤上的研究表明，在稳定的氮素输入情况下增加有机碳源可以促进反硝化作用，降低硝态氮含量，随着葡萄糖消耗，反硝化强度降低，铵态氮的转化又促进硝态氮含量，硝态氮含量表现出先降低后增加再稳定的趋势[60]。在黑土上的研究也发现活性碳源添加可以促进反硝化活性，但活性有机碳源对黑土矿化的抑制作用，降低土壤铵态氮含量，通过减少底物抑制硝化作用，进而减小了反硝化损失风险[48]。有研究者在研究有机物添加对氮转化的同时关注了其对氮素利用率的影响情况，发现碳源物质还可以降低硝态氮的淋洗，其中天然木本材料的效果最好[61]。张乐等[49]用葡萄糖作碳源，也发现活性炭源的存在可以降低硝态氮的淋失风险。生物炭具有吸附作用，既是碳源，也是很好的氮素固定材料。但生物质炭其自身的特殊性使得其对土壤硝化反硝化的影响与常规碳源相比又有很大不同,低温制备的秸秆炭添加土壤后并不能显著促进土壤硝化作用，而高温制备的秸秆炭则可以显著促进土壤铵态氮含量的降低和硝态氮含量的增加[62-63]。国外学者[64-65]采用13C或14C标记生物炭手段研究发现生物炭添加后即使培养158天甚至600天也仅有0.4%～1.5%的生物炭成分在微生物体中被发现，说明生物炭的添加可能主要是通过对土壤养分含量和化学性质等的改变间接作用于硝化反硝化过程的[66]，生物炭自身性质和土壤条件均会影响试验过程，其相互关系和内在机制还需要进一步研究探讨。总之添加碳源对无机氮的影响主要是通过其身的吸附作用和影响土壤物理性质实现的，并且还受土壤性质和本身肥力水平影响，因此利用碳源添加减少硝化反硝化损失需要考虑土壤和碳源自身性质，否则可能达不到理想的效果，甚至适得其反。

3.3 对N2O排放的影响

N2O排放主要是来自土壤的硝化反硝化过程，硝化反硝化作用产生N2O受土壤有机质、水分、温度、微生物、pH等因子影响。施用的秸秆在土壤中腐熟过程会影响以上因子，其腐熟物中一些物质也会影响土壤的pH和微生物活性，从而影响到N2O排放[67]。有研究表明，正常施氮肥水平情况下，有机物添加后对N2O排放大多数都表现出促进排放的作用[68-70]。酸性红壤在尿素氮处理下，添加葡萄糖促进了异养硝化作用和土壤反硝化作用，从而促进了N2O排放；而硝态氮处理下N2O排放量也有增加，但排放量远低于尿素处理，说明好氧反硝化是酸性红壤N2O产生的主要途径；铵态氮处理下，有机碳源也显著促进茶园、菜地、稻田和林地的N2O排放总量[60]。刘燕等[71]在长江中游金井小流域典型酸性红壤上研究发现，不同利用方式下土壤N2O排放受碳氮添加影响显著，并探明了不同土地利用方式下碳氮添加对N2O排放影响的机理，菜地添加有机物促进N2O排放，N2O排放主要来自硝化作用，有机物不仅为反硝化微生物提供电子供体和能源，还能被好氧分解，形成厌氧微区，其含量高低可以决定土壤反硝化潜力；而稻田pH较低，硝化作用非常微弱[72]，15N标记显示稻田有机物添加后增加的N2O排放主要来自反硝化作用，碳底物限制会延长N2排放峰值比N2O排放峰值滞后的时间。氮肥水平也会对有机物添加情况下土壤N2O排放有不同的影响，正常氮素水平情况下添加秸秆会在反应初期显著促进N2O排放，高施氮量情况(400 kg N/hm2)下则表现出抑制反硝化和N2O排放的效果，这是因为秸秆施入土壤会对氮进行生物固定，分解过程存在抑制反硝化的化感作用，降低了反硝化产生的N2O排放，并且降低反硝化产物中N2O/N2的比例[73-74]。另外，刘田[74]在研究中发现氮素水平对土壤N2O排放的影响还与有机物的种类和来源有关，棕红壤田地油菜饼和水稻秸秆加入后N2O的排放受土壤氮素水平高低影响显著，而且与上述研究结果一致，但小麦和玉米秸秆添加后，N2O的排放受氮肥水平影响并不显著。当前研究所用碳源中南方地区多为有机肥添加，北方地区秸秆添加较多，有机物料的施用较为单调，研究中应开展多种有机物料添加研究试验和不同有机物料混合添加的效果研究。

4 结语与展望

综上所述，土壤氮素的转化主要是在微生物的参与下完成的，微生物对土壤中碳氮含量、土壤通气性、温度、湿度和pH等变化敏感，外源有机物加入后不仅会直接改变微生物的营养平衡，还会因为自身特性改变微生物生存环境，从而对微生物参与的土壤养分转化过程产生影响。虽然目前对农田土壤碳氮添加的研究很多，但是由于各个区域有机物种类繁多和土壤性质不同以及土地利用方式也不尽相同，研究的局域性致使很多研究成果无法推广。相关研究应该与其他因子结合，进行长期性和连续性的研究。今后重点开展以下几个方面的研究：（1）加强长期施肥对土壤有机碳积累差异的研究，明确有机碳积累量与施肥的关系，（2）加强不同类型土壤外源碳添加对氮素转化影响的研究，探讨碳源添加对氮转化影响与土壤类型的关系；（3）当前碳源多为作物秸秆和生物质炭，腐熟有机物的研究还较缺乏，可以进行不同类型有机物在土壤氮转过程中作用的比较试验以了解有机物对氮转化过程的影响与有机物类型的关系；（4）碳氮存在耦合效应，应加强多因子交叉学科研究，了解碳氮耦合对土壤氮素转化过程影响与传统施肥模式的差异；（5）开展碳氮耦合对土壤氮转化影响的田间试验，寻找并推广合理施肥和维持土壤有机碳库的途径。

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[74]刘田.施加作物秸秆对棕红壤几种温室气体排放的影响[D].武汉:华中农业大学,2013.

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论文编号：cjas16100007

国家自然科学基金“除草剂对土壤氮素循环的影响及其相应机理研究”(31270556)；福建省属公益院所专项“碳氮耦合对农田土壤氮库、碳库的影响极其环境效应研究”(2014R1022-2)；福建省自然科学基金“长期不同施肥定位试验土壤硝化反硝化作用对除草剂的响应机制研究”(2015J01111)；福建省自然科学基金“菜田土壤碳氮养分管理对温室气体排放的影响”(2013J05058)。

王亚萨，男，1989年出生，河南南阳人，在读硕士，主要从氮素生物地球化学循环研究。通信地址：350013福建省福州市晋安区新店镇埔垱100号福建省农业科学院土壤肥料研究所，Tel：0591-87591860，E-mail：ximenxueok@163.com

丁洪，男，1965年出生，江西安福人，研究员，博士，主要从氮素生物地球化学循环研究。通信地址：350013福建省福州市晋安区新店镇埔垱100号福建省农业科学院土壤肥料研究所，Tel：0591-87573597，E-mail：hongding@China.com。

2016-10-10，

2016-12-12。