不同类型作物生长对土壤有效氮构成和氮肥转化利用的影响

曾 科，杨兰芳，于 婧，李彬波，汪正祥

（湖北大学资源环境学院，湖北武汉430062）

不同类型作物生长对土壤有效氮构成和氮肥转化利用的影响

曾 科，杨兰芳*，于 婧，李彬波，汪正祥

（湖北大学资源环境学院，湖北武汉430062）

采用高、低氮处理研究盆栽种植大豆、棉花、玉米和高粱对土壤有效氮构成和氮肥转化利用的影响，以期为不同类型作物的氮肥合理利用及其利用率的提高提供技术指导。结果表明，与施氮肥不种植作物（对照）相比，种大豆、棉花、玉米、高粱使土壤有效氮含量分别显著降低53.48%、51.54%、33.10%、55.03%，并影响有效氮构成。其中，种大豆、棉花、玉米、高粱使土壤无机氮含量分别显著降低85.41%、83.09%、70.89%、83.35%，水解有机氮含量分别显著增加1.41、1.53、2.11、1.28倍；种大豆、棉花、玉米、高粱使无机氮所占比例分别显著降低68.61%、65.09%、56.47%、63.00%，水解有机氮所占比例分别显著增加4.18、4.21、3.66、4.08倍。与对照相比，种大豆、棉花、玉米、高粱使铵态氮肥转化率分别显著提高93.66%、38.19%、32.58%、38.31%，以种大豆增幅最高；种大豆、棉花、玉米、高粱处理的铵态氮肥硝化率都变为负值，以种大豆降幅最大。种大豆、棉花、玉米、高粱处理的氮肥利用率分别为52.01%、28.31%、24.16%、28.40%，以种大豆处理的氮肥利用率最高。综上，作物生长通过对氮素的吸收利用和对土壤环境的改变，抑制土壤硝化作用，并促进土壤水解有机氮的形成，从而影响土壤有效氮的构成和施入土壤氮的转化利用。豆类作物较非豆类作物抑制土壤硝化作用的能力强，对土壤铵态氮的利用效率高。

作物生长；有效氮；铵态氮；硝态氮；水解有机氮；氮肥利用率

氮是植物营养三要素，也是肥料三要素之一，土壤氮素不足会影响作物生长，从而降低产量和品质［1］。土壤中的氮素是有限的，农作物需要的氮素主要靠施用氮肥来补充，但是氮肥施用过多，不仅不利于植物生长，而且会污染环境［2］。氮肥施入土壤后，会向各种形态的氮素转化，氮肥在土壤中的转化不仅影响着氮肥的利用率，也影响生态环境。植物生长一方面要吸收利用土壤中的氮素和水分，同时也会向土壤中输入光合产物，从而影响土壤环境的物理、化学和生物学性质［3-4］，最终影响氮在土壤中的转化。不同植物对土壤环境的影响不同［5］，导致其对土壤氮素的转化利用率也不同。豆类作物因其能共生固氮可以利用大气中的氮，是土壤中氮素的重要自然来源［6］。在自然状态下，共生固氮每年可以为陆地土壤提供0.9～1.3亿t的氮素［7］。豆类作物固氮消耗的能量来自其光合产物［8］。如：在相同条件下，大豆土壤呼吸总量及呼吸速率均显著高于棉花［9］。同工业固氮相比，豆类作物固定的氮素是环境友好型氮。当前有关豆类作物与非豆类作物生长对土壤氮素形态和氮肥转化利用影响的研究还比较薄弱。为此，采用盆栽试验，研究不同类型作物（大豆、玉米、棉花、高粱）生长对土壤有效氮构成和氮肥转化利用的影响，以期为不同类型作物生长下氮肥的合理利用及其利用效率的提高提供技术指导。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用土壤为长江沉积物发育的潮土，土壤采自湖北大学校园内三号体育馆外的荒草地。土壤采回后摊开，挑出石块和植物残体后于阴凉处自然风干，然后过5 mm筛，用于盆栽试验。土壤基本理化性质如表1所示。试验所用作物有4种，分别是大豆（中黄13）、玉米（雅玉12）、棉花（鄂抗棉9）、高粱（红高粱）。其中，大豆种子购于武汉大东门种子市场，棉花、玉米和高粱种子由中国农业科学院油料作物研究所提供。

1.2 试验设计

试验共设置7个处理，分别为：不施氮不种植作物（原土，OR）、低氮不种植作物（对照1，LN）、高氮不种植作物（对照2，HN）、低氮种大豆（SB）、高氮种棉花（CT）、高氮种玉米（MZ）、高氮种高粱（SG），每个处理重复3次。每盆装过5 mm筛的风干土4.5 kg，低氮处理施用150 mg/kg N、75 mg/kg P2O5、150 mg/kg K2O，高氮处理施用300 mg/kg N、75 mg/kg P2O、150 mg/kg K2O。分别以（NH4）2SO4、KH2PO4和K2SO4为肥源，肥料一次性作基肥施入。于2014年4月30日播种，每盆播种3粒，出苗后每盆保留1株，至作物完全成熟时（2014年10月1日）全部收获。

1.3 土样处理及项目测定

作物收获后，将土壤带回实验室，转入干净的塑料盘中，室内自然风干，然后剔除作物残根，混合均匀，用四分法选取约500 g磨细过1 mm筛，装瓶，用于分析有效氮、铵态氮、硝态氮含量。其中，土壤有效氮含量采用铁锌粉还原—碱解扩散法测定，铵态氮含量采用氯化钾浸提—靛酚蓝分光光度法测定，硝态氮含量采用酚二磺酸分光光度法测定［10］。

1.4 指标计算与数据处理

1.4.1 指标计算 无机氮含量=硝态氮含量+铵态氮含量；水解有机氮含量=有效氮含量-无机氮含量；氮肥转化率=（施入土壤氮量+原土无机氮含量-收获后土壤无机氮含量）/施入土壤氮量；氮肥硝化率=（收获后土壤硝态氮含量-原土硝态氮含量）/施入土壤氮量；氮肥利用率=种植作物土壤的氮肥转化率-不种植作物土壤的氮肥转化率。

1.4.2 数据处理 试验数据采用Excel 2007计算，采用Origin 9.1软件进行作图，采用SPSS 19.0软件进行方差分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同类型作物生长对土壤有效氮含量的影响

土壤的供氮能力取决于土壤有效氮含量，有效氮主要包括无机氮和水解有机氮，其中无机氮主要包括铵态氮和硝态氮［11-12］。由表2可见，对照土壤的有效氮含量显著高于原土和种植作物的土壤，高氮对照的土壤有效氮含量比低氮对照高11.00%。与对照土壤相比，种大豆、棉花、玉米、高粱土壤有效氮含量分别降低了53.48%、51.54%、33.10%、55.03%。与原土相比，种大豆、高粱土壤有效氮含量与之无显著差异，种玉米、棉花土壤有效氮含量分别显著提高了54.01%、11.57%。

对照土壤的硝态氮含量显著高于原土和种植作物的土壤，高氮对照的土壤硝态氮含量比低氮对照高12.62%。与对照土壤相比，种大豆、棉花、玉米、高粱土壤硝态氮含量分别降低了94.96%、93.21%、97. 86%、94.35%。与原土相比，种大豆、棉花、玉米、高粱土壤硝态氮含量分别降低了71.05%、56.07%、86. 16%、63.49%。

与对照土壤相比，种玉米、高粱土壤铵态氮含量分别增加了162.26%、11.79%，而种大豆和棉花土壤铵态氮含量与之无显著差异，且2种对照土壤间的铵态氮含量也无显著差异。同原土相比，种大豆土壤铵态氮含量显著降低了11.93%，种玉米、高粱土壤铵态氮含量分别显著增加了165.27%和13.07%，而种棉花和对照土壤的铵态氮含量与原土相比无显著差异。

对照土壤的无机氮含量显著高于原土和种植作物土壤，高氮对照土壤的无机氮含量比低氮对照高11.91%。与对照土壤相比，种大豆、棉花、玉米、高粱土壤无机氮含量分别降低了85.41%、83.09%、70. 89%、83.35%，种大豆土壤的降低幅度最大。同原土相比，种玉米土壤无机氮含量显著增加20.78%，而种大豆、棉花、高粱土壤无机氮含量分别显著降低45.90%、29.83%、30.93%。

种植作物土壤的水解有机氮含量均显著高于对照土壤和原土，而对照土壤的水解有机氮含量显著低于原土，2种不同氮肥施用量对照土壤之间的水解有机氮含量无显著差异。同对照土壤相比，种大豆、棉花、玉米、高粱土壤水解有机氮含量分别增加了1.41、1.53、2.11、1.28倍，以种玉米增加最多。同原土相比，种玉米、棉花、大豆、高粱土壤水解有机氮含量分别增加了84.75%、49.87%、35.67%、35.41%，对照土壤的水解有机氮含量比原土分别下降了40. 67%和43.75%。

2.2 不同类型作物生长对土壤有效氮构成的影响

由表3可知，不同处理有效氮的构成即各形态氮占有效氮的比例不同。原土中，水解有机氮所占比例略高于无机氮，无机氮中硝态氮所占比例高于铵态氮。对照土壤中，无机氮所占比例远远高于水解有机氮，无机氮中硝态氮所占比例远高于铵态氮。所有种植作物土壤的水解有机氮所占比例远高于无机氮，无机氮中铵态氮所占比例远高于硝态氮。

与对照土壤相比，种大豆、棉花、玉米、高粱土壤无机氮所占比例分别显著降低了68.61%、65.09%、56. 47%、63.00%，以种大豆土壤降低幅度最高，种玉米土壤降低幅度最小。其中，种植作物土壤硝态氮所占比例显著降低了85.99%～96.81%，以种玉米土壤的降低幅度最大，种棉花土壤的降低幅度最小，种大豆土壤的降低幅度分别比种棉花、高粱土壤降幅提高3.67%、1.94%，但比种玉米土壤降幅降低7.91%；种植作物土壤铵态氮所占比例显著增加了98.83%～292.32%，以种大豆土壤增加幅度最低，分别比种棉花、玉米、高粱土壤增幅低14.43%、66.17%、33. 39%。与对照土壤相比，种大豆、棉花、玉米、高粱土壤水解有机氮所占比例分别显著增加4.18、4.21、3. 66、4.08倍，以种棉花土壤增幅最高，种玉米土壤增幅最低，种大豆土壤的增幅与种棉花土壤增幅相近，但高于种玉米、高粱土壤增幅。

同原土相比，不种植作物低氮对照土壤和高氮对照土壤的无机氮所占比例分别显著增加了78.70%和80.16%，种大豆、棉花、玉米、高粱土壤无机氮所占比例分别显著降低了43.91%、37.10%、21. 57%、33.34%，以种大豆土壤降低幅度最高。其中，不种植作物的低氮、高氮对照土壤硝态氮所占比例显著增加了1.77、1.81倍，而种植作物土壤显著降低了60.61%～91.02%，种大豆土壤的降幅分别比种棉花、高粱土壤降幅提高15.41%、8.05%，但比种玉米土壤降幅降低23.15%；不种植物的低氮和高氮对照土壤铵态氮所占比例显著降低了54.11%和56. 11%，种大豆和棉花使土壤铵态氮所占比例降低了8.75%和5.38%，而种玉米和高粱则使其增加了72. 19%和9.04%。同原土相比，不种植作物的低氮对照和高氮对照土壤水解有机氮所占比例分别显著降低了72.86%和74.23%，种大豆、棉花、玉米、高粱土壤水解有机氮所占比例分别显著增加了40.66%、34.36%、19.97%、30.87%，以种大豆土壤的增幅最高。

2.3 不同类型作物生长对铵态氮肥转化的影响

2.3.1 不同类型作物生长对铵态氮肥转化率的影响 由图1可知，与对照相比，种大豆、棉花、玉米、高粱处理的铵态氮肥转化率分别显著提高93.66%、38.19%、32.58%、38.31%，种大豆处理提高幅度最高，其分别比种棉花、玉米、高粱处理增幅高1.45、1.87、1.44倍。对照中，高氮处理的铵态氮肥转化率是低氮处理的1.44倍。

2.3.2 不同类型作物生长对铵态氮肥硝化率的影响 由图2可见，作物生长改变了铵态氮肥在土壤中的硝化作用，与对照相比，种大豆、棉花、玉米、高粱处理的铵态氮肥硝化率都变为负值，以种大豆处理降幅最大，种玉米处理次之，种棉花、高粱处理降幅较小。对照铵态氮肥硝化率均为正值，且低氮对照铵态氮肥硝化率是高氮对照的1.73倍。

2.4 不同类型作物生长对铵态氮肥利用率的影响

由图3可见，不同作物对铵态氮肥的利用率不同，种大豆、棉花、玉米、高粱处理的铵态氮肥利用率分别为52.01%、28.31%、24.16%、28.40%，种大豆处理的铵态氮肥利用率最高，分别比种棉花、玉米、高粱处理提高83.72%、115.27%、83.13%。

3 结论与讨论

土壤有效氮是供应作物生长的主要氮源，也称为土壤速效氮［13］。在种有作物的土壤中，铵态氮肥施入土壤后的去向一是被作物吸收利用，二是成为有效氮，三是被土壤固定，四是从土壤中损失掉。不种植作物的土壤中铵态氮除了没有被作物吸收利用外，其余方面都相同。本研究结果表明，不同处理土壤有效氮、铵态氮、硝态氮和水解有机氮的含量及其占土壤有效氮的比例均不同，说明作物生长不仅影响土壤有效氮含量，也影响土壤有效氮的构成。不同处理下铵态氮肥的转化率、硝化率和利用率均不同，表明作物生长影响土壤氮肥的转化利用和土壤的硝化作用。无论是同原土相比，还是同不种植作物的对照土壤相比，种植作物土壤的硝态氮含量都显著降低，而铵态氮含量除了种玉米土壤外，其余土壤之间差异较小，铵态氮肥的硝化率显著降低，表明作物生长能显著抑制土壤硝化作用。作物生长抑制土壤硝化作用的原因主要有2个方面，一是作物生长过程中吸收利用了土壤有效氮，降低了土壤有效氮源；二是作物的生长活动即生理过程，影响了土壤根际环境，从而影响土壤的生物化学过程。土壤硝化作用是铵态氮在微生物作用下，先转化为亚硝态氮，然后再转化为硝态氮的过程［14］，而土壤硝化作用必须在一定条件下才能进行。影响土壤硝化作用的因素主要有土壤pH值、水分、通气条件、温度、有机质含量、C/N、质地、氮素水平、肥料类型及其数量、植物根系、耕作和利用方式等［15-17］。土壤硝化作用必须有适量铵态氮源才能顺利进行。作物生长下，由于作物对土壤有效氮利用使土壤有效氮含量降低而抑制土壤硝化作用；不种植作物条件下，因为有充足的有效氮源，硝化作用强，所以其硝态氮含量和氮肥硝化率均显著高于种植作物的土壤。高氮对照土壤的铵态氮肥施用量是低氮对照的2倍，但是其硝态氮含量只高出低氮对照12.62%，而低氮对照氮肥硝化率反而是其1.73倍，这是因为只有在一定施肥量范围内，氮肥硝化率才会与施氮量成比例，过高的铵态氮肥则抑制硝化作用［18］。如Hayatsu等［19］对茶园土壤不同施肥处理硝化作用的差异进行研究表明，以（NH4）2SO4作氮肥时，高氮处理土壤［N 1 200 kg/（hm2.a）］的硝化速率却低于对照土壤［N 400 kg/（hm2.a）］。

肥料利用率是指肥料施入土壤后，被作物利用的养分占所施入肥料养分的比例。测定氮肥利用率的方法有2种，一是差减法，就是指施肥区与不施肥区当季作物吸氮量之差占施氮量的百分数；二是同位素稀释法，就是指施肥区作物吸收肥料氮占施氮量百分比［20］。氮肥利用率变化大，有的可达80%，但大多数情况下小于50%［21］。当前很多观点认为，我国氮肥利用率平均为35%，而国外多在50%［22］，其实不同方法计算出的肥料利用率不同［23］，同时对氮肥利用率的理解也存在误区，氮肥利用率低，并不能表示氮肥损失率高，因为氮肥利用率没有考虑到土壤氮素平衡方面［24］。通用的2种方法计算氮肥利用率都比较麻烦，差减法不仅要设置施氮和不施氮区，还要测定作物含氮量；同位素法需要昂贵的试剂和检测设备。本研究结果表明，不同处理的氮肥利用率不同，介于24.16%～52.01%，大豆的氮肥利用率最高，其原因之一是大豆氮肥施用量少，而非豆类作物氮肥施用量高。一般施氮量高，氮肥利用率反而低。大豆是固氮植物，其生长中所需要的氮有50%～60%来自于共生固氮［25］。因此，大豆施肥量不能与非豆类作物一样。原因之二是大豆生长对土壤硝化作用的抑制能力比非豆类作物强，从而使得施入土壤中的铵态氮不容易转化为硝态氮，直接以铵态氮的形式被根系吸收，有利于氮素同化而提高了氮肥利用率。虽然作物也能吸收硝态氮，但是吸收的硝态氮需要在植物体内转化为铵后才能进一步被同化。

本研究结果表明，同原土相比，不种植作物的对照土壤水解有机氮含量及其所占比例均显著降低，而种植作物土壤水解有机氮含量及其所占比例均显著增加，这证实了作物根系对土壤环境有影响，这也正是植物根际沉积物［26］和根系分泌物［27］对土壤作用的体现。不同作物对土壤水解有机氮含量及其所占比例影响不同，种大豆土壤中水解有机氮含量及所占比例高于种棉花、玉米、高粱土壤，证明豆类作物生长更有利于土壤水解有机氮含量及所占比例的提升。一方面是豆类作物根系残体含氮量比非豆类作物高，另一方面是豆类根系生长中能分泌含氮有机化合物［28］。

总之，作物生长改变了土壤有效氮的含量和构成，显著降低了硝态氮含量及其占有效氮的比例，增加了水解有机氮的含量及其所占比例，抑制了铵态氮肥在土壤中的硝化作用，不同作物的影响不同。豆类作物生长对土壤环境的影响不同于非豆类作物的主要机制是豆类作物抑制土壤硝化作用的能力强，对土壤铵态氮的利用效率高。

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Effects of Growing of Different Types of Crops on Constitution of Soil Available Nitrogen and Transformation and Utilization of Nitrogen Fertilizer

ZENG Ke，YANG Lanfang*，YU Jing，LIBinbo，WANG Zhengxiang
（School of Resource and Environmental Science，Hubei University，Wuhan 430062，China）

The soybean，cotton，maize and sorghum were p lanted in pot under low nitrogen，high nitrogen treatments，the soil available nitrogen constitution and transformation and utilization of nitrogen fertilizer were determined，so as to provide technical guidance for reasonable use and improving use efficiency of nitrogen fertilizer for different types of crops.Compared with the control w ith nitrogen but unp lanted crop，growing soybean，cotton，maize，sorghum significantly decreased the soil available N contents by 53.48%，51. 54%，33.10%，55.03%，and influenced the constitution of soil available N.Thereinto，growing soybean，cotton，maize and sorghum significantly decreased soil inorganic N contents by 85.41%，83.09%，70.89% and 83.35%，but increased soil hydrolysable organic N contents by 1.41，1.53，2.11 and 1.28 times，respectively；growing soybean，cotton，maize and sorghum significantly decreased the rate of soil inorganic N to available N by 68.61%，65.09%，56.47%and 63.00%，but increased the rate of soil hydrolysable organicN to available N by 4.18，4.21，3.66 and 4.08 times，respectively.Compared with the control，growing soybean，cotton，maize and sorghum significantly increased the transform rate of ammonium nitrogen fertilizer by 93.66%，38.19%，32.58%and 38.31%respectively，and grow ing soybean treatment had the highest increasing range；the nitrification rates of ammonium nitrogen fertilizer of growing soybean，cotton，maize and sorghum treatments were negative values，and growing soybean treatment had the highest decreasing amplitude.The ammonium nitrogen fertilizer use efficiency of growing soybean，cotton，maize and sorghum treatments were 52.01%，28.31%，24.16%and 28.40%respectively，and growing soybean treatment had the highest value.In conclusion，grow ing crops suppressed the soil nitrification and accelerated the development of soil hydrolysable organic nitrogen by the utilization of soil available nitrogen and the alteration of soil environment，and hence impacted the constitution of soil available nitrogen and the transform and use of ammonium nitrogen app lied in soil.Leguminous crops had stronger ability of suppressing nitrification，making use of ammonium compared w ith non-Leguminous crops.

growing of crops；available nitrogen；ammonium nitrogen；nitrate nitrogen；hydrolysable organic nitrogen；nitrogen fertilizer use efficiency

S158；S143.1

A

1004-3268（2017）01-0058-06

2016-07-20

国家自然科学基金面上项目（41371259）；湖北省自然科学基金面上项目（2014CFB545）

曾 科（1991-），男，湖北京山人，在读硕士研究生，研究方向：土壤氮素循环。E-mail：15927133716@163.com

*通讯作者：杨兰芳（1964-），男，湖北来凤人，教授，博士，主要从事土壤营养循环与温室气体排放方面的研究。E-mail：lfyang@hubu.edu.cn