氮素不同形态配比对白浆土养分性状的调控

王楠　姚凯　赵志祎　徐俊平+李玉玺+王帅

摘要：铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）是无机氮素的2种形态，其不同配比势必会通过影响土壤微生物活性进而影响土壤的养分性状。通过同等氮素用量、不同氮素形态配比（NH4+ ∶NO3-摩尔比分别为4 ∶1、1 ∶1、1 ∶4）处理，试图揭示其对添加玉米秸秆白浆土养分性状的影响。结果表明：无论何种氮素形态占优，添加玉米秸秆白浆土的有机质含量均随培养时间的延长而呈现波动式下降。铵态氮在培养初期对于矿化作用的促进最为明显，硝态氮的优势在于培养中段，而铵态氮、硝态氮等比例供氮则可使微生物的矿化能力延续更久；矿化等量玉米秸秆，硝态氮占优处理下全氮含量丧失的幅度最大，而铵态氮则有利于全氮含量水平的稳定；速效养分含量在外源氮素供应下均降低明显。铵态氮、硝态氮等比例供氮更易使微生物消耗混料的碱解氮含量，从其所占全氮的比例来看，铵态氮更易降低白浆土中可利用氮素的含量，同样其对于有效磷含量的消耗亦有促进作用，因氨态氮对秸秆K+有替代作用而使速效钾含量的下降趋势相对平稳。

关键词：氮素形态配比；白浆土；玉米秸秆；养分性状；铵态氮；硝态氮

中图分类号： S1431；S1585文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0301-04

收稿日期：2016-05-29

基金项目：国家自然科学基金（编号：41401251）；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（编号：吉教科合字2015]第375号）；吉林农业科技学院重点学科培育项目（编号：吉农院合字2015]第X004号）。

作者简介：王楠（1982—），女，吉林九台人，博士，讲师，研究方向为土壤肥力调控。E-mail：wangnan664806@126com。

通信作者：王帅，博士，副教授，硕士生导师，主要从事土壤生物及环境化学研究。E-mail：wangshuai419@126com。

土壤作为具有生命活性的类生物体，在其复杂的生命现象和特殊的代谢过程中，微生物能够推动土壤中各类生化反应1]。铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）是土壤氮素中最为活跃、植物可利用的主要形态，2类电荷恰好相反，两者间丰度的比例变化势必会引起微生物不同的生物偏好性，间接对土壤养分性状产生影响2]。NO3--N是相对于 NH4+-N 更为耗能的一种无机氮源，其过量施用会引起氮素流失，而NH4+-N数量较大会间接抑制植物对土壤K+、Ca2+的吸收3]，间接保蓄了土壤中的阳离子养分。据报道，混合氮源供应要比单一NH4+或NO3-更有利于植物生长，在NH4+营养中适当施加NO3-可以缓解NH4+引起的代谢失调现象，而在NO3-营养中适量增加NH4+的比例，又会减少较高浓度NO3-消耗的大量还原力和光量子能量4]。作为多种氮源的混合体系，土壤中不同氮素形态间的相互作用必然会对植物营养供应产生一定影响5-6]。另有报道指出，不同形态氮肥混施可有效改善土壤微生物区系，硝态氮肥对作物根际土壤细菌和放线菌数量有明显的促进作用7]，而铵态氮肥比例的增加则提高了土壤真菌数量和土壤脲酶、中性磷酸酶活性3]。关于氮素形态不同配比对植物生理效应的影响有诸多报道8-9]，对于氮素形态调控土壤微生物数量及酶活性的规律也不乏研究3]。本研究以相同氮素用量、不同氮素形态配比为影响因素，针对混以玉米秸秆的白浆土，在室内培养条件下研究不同氮素形态配比影响下的土壤养分性状动态变化，试图揭示氮素形态对于土壤养分性状的影响规律，旨在为减量施氮理论的构建及氮素形态配方肥的研制提供科学依据。

1材料与方法

11试验材料

白浆土于2015年3月取自吉林农业科技学院北大地玉米试验田，经风干、粉碎后过1 mm筛；玉米秸秆于2015年11月采收于吉林农业科技学院西侧玉米试验田，带回实验室后在55 ℃条件下烘干至恒质量，粉碎过025 mm筛。

称取一定数量白浆土与混料总质量3%的玉米秸秆粉末充分混匀，根据同等氮素用量、不同氮素形态组合的处理要求（表1），用计量的蒸馏水（根据混合培养体系田间持水量的50%来计算用水量）将相应处理对应的含氮试剂溶解并喷洒于混料中，待混匀后，将干质量150 g的混料装入250 mL塑料烧杯中，用可透气的塑料薄膜封口，置于28 ℃培养箱中恒温培养，每个处理重复3次，每隔2 d称质量并补足水分，分别于0、15、30、60、90、120、180 d取样，而后迅速转至55 ℃培养箱中烘干至恒质量，取出磨碎后过025 mm筛，装入磨口瓶，置于玻璃干燥器中。

12试验及数据处理方法

土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别采用重铬酸钾氧化法、凯氏定氮法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、乙酸铵浸提-火焰光度法测定10]。

相关数据及图谱采用Excel 2003、SPSS 170软件处理。

2结果与分析

21氮素形态对有机质、全氮含量的影响

211有机质含量

由圖1可知，基于恒温培养条件，在不同氮素形态组合影响下，添加玉米秸秆白浆土中有机质含量均随试验进行而表现为“波动中下降”的规律。培养15 d，铵态氮占优的施氮处理（AD）更有利于白浆土有机质含量的降低（降幅达144%），其次为铵态氮、硝态氮等比例的AN处理，ND处理对有机质消耗程度最差，降幅仅为73%。李响等认为，与NO3-相比，微生物会优先代谢NH4+进而促进有机碳的矿化11]。随培养时间的延长，硝态氮占优的ND处理分解有机质能力骤然提升，远大于AD、AN处理。90 d直至结束的培养后期，AN处理消耗的有机质含量最多，这与刘卫群等提出的结论12]相似。对比培养始末结果，AD、AN、ND处理下，有机质含量的降低幅度分别为316%、401%、334%。该规律表明，添加氮素后，微生物首先对正价的NH4+产生较强的亲和性，在短期内即可参与白浆土中秸秆的矿化分解，矿化过程产生的铵态氮使NH4+浓度不断扩增，高浓度的NH4+可能会对微生物及其酶系产生一定的毒害作用，减缓了微生物对有机质的进一步矿化。NO3--N是一种相对于NH4+-N更为耗能的无机氮源，培养至30～60 d时，NO3--N改善了微生物分解秸秆的能力；培养90 d后，硝化细菌的活性再次提升，氮含量由于反硝化作用而损失。培养后期（60～180 d），铵态氮、硝态氮等比例供氮在改善微生物活性方面的能力更为持久。endprint

由图2可知，在不同氮素形态配比处理下，添加玉米秸秆白浆土中全氮含量的变化具有相似性，即先大幅降低，而后再缓慢升高，再降低。AD处理下白浆土中全氮含量始终大于AN、ND处理，这可能与全氮检测方法的选择有关，该方法对于硝态氮、亚硝态氮含量的检出水平较弱。微生物首先利用铵态氮繁衍自身并参与秸秆的矿化分解，在此过程中，铵态氮遭致损失。ND处理下，全氮含量的降幅最大，达到了186%，这表明较少量的铵态氮供应使微生物利用了土壤本底的铵态氮成分，另外，培养15 d内，铵态氮不断向硝态氮转化也促使全氮含量明显降低。培养30 d后，AD处理下白浆土中全氮含量有所增加，AN、ND处理下，全氮含量在60 d培养后有所回升。培养后期，各氮素混配添加条件下，白浆土全氮含量均随培养时间延长而渐趋降低。培养结束时，AD、AN、ND處理下全氮含量降低幅度分别达到 212%、239%、255%。上述结果表明，硝态氮占优的供氮措施，其在矿化等量玉米秸秆过程中丧失全氮含量的幅度最大，这与王小纯等研究结论13]相一致。其次是铵态氮、硝态氮等比例，铵态氮占优对于稳定全氮含量水平具有一定促进作用。

22氮素形态对速效养分含量的影响

221碱解氮含量

图3表明，ND处理下，0～30 d培养期，添加玉米秸秆白浆土碱解氮含量变化相对稳定，仅由 2684 mgkg 降至2521 mgkg，培养30 d后，碱解氮含量大幅降低并逐渐趋于稳定。AD、AN处理下碱解氮含量的变化规律较为相似，即培养15 d时，碱解氮含量略有提升，而后大幅降低并趋于平稳。AD处理下碱解氮含量水平在整个培养过程中均为最高，培养90 d后，ND处理下白浆土碱解氮含量稳定，大于AN处理。培养结束后，AD、AN、ND处理下白浆土碱解氮含量降低幅度分别达347%、531%、448%。

上述规律表明，含有半数以上铵态氮比例的施氮形态（AN、AD处理）更易使微生物在培养15 d获得较高活性13]。据悉，铵态氮处理能显著改善硝化细菌活性，而土壤硝化细菌活性与土壤碱解氮含量呈显著正相关14]。相反，硝态氮占优处理下，微生物利用硝态氮对秸秆的矿化能力相对较小，其所释放的无机氮仅能满足微生物活动的需要。培养60 d后，3个处理下土壤碱解氮含量均表现为渐趋降低的趋势。在整个培养过程中，铵态氮、硝态氮等比例添加更易促进微生物对混料碱解氮的消耗，其次是硝态氮占优的处理，铵态氮比例较高则更易于稳定碱解氮的含量水平。

由图4可知，3个氮素形态组合下，碱解氮在全氮中比例的变化规律较为相似，均呈先增后减、整体趋势降低的规律。这表明，微生物获得外源氮素供应后，对白浆土秸秆混料进行矿化分解，尽管降解秸秆可获取一定数量的无机氮素，但仍无法弥补微生物矿化所需的氮素营养，因此在培养结束后，碱解氮在全氮中所占份额均不同程度降低，其中铵态氮、硝态氮等比例对其降低的程度最大，其次是硝态氮占优的ND处理。

222有效磷含量

图5为氮素形态不同配比对添加玉米秸秆白浆土中有效磷含量的影响。3个处理下，有效磷含量的变化规律大体相同，均表现为先增后减并渐趋平稳的规律，培养结束后，混料有效磷含量均呈不同程度损失。铵态氮占优更有利于白浆土中有效磷含量的消耗。培养15 d内，添加秸秆白浆土在引入氮素后，微生物活性得以激发，秸秆类物质被矿化分解，释放一定数量的有效磷成分，随着培养时间延长，有效磷含量不断参与有机物的再合成（腐殖化作用），加之秸秆腐解残留物对游离有效磷的吸附作用，有效磷向缓效或无效态磷过渡。

以铵态氮为主的供氮方式，培养60 d内对混料有效磷含量的提升作用最为显著，其次是硝态氮占优的处理；培养60 d后，该规律发生变化，以铵态氮为主的AD处理更有利于混料有效磷含量的消耗，其次是铵态氮、硝态氮等比例处理，而以硝态氮为主的供氮处理在培养后期更有利于减缓有效磷含量的降低走势。整体看来，铵态氮更有利于促进微生物对有效磷成分的利用，这与磷酸酶活性受铵态氮占优处理的促进作用有关15]，该酶活性水平可直接影响土壤中有机磷的分解转化16]，反之，硝态氮占优则可减弱微生物对有效磷含量的消耗。

223速效钾含量

由图6可知，在氮素形态不同配比添加的情况下，白浆土中速效钾含量的变化均表现为先缓慢升高、再渐趋降低的规律，培养15 d内，3个氮素形态配比处理均有利于速效钾水平的提升，AD、AN、ND处理下速效钾含量增幅分别达25%、12%、04%，在此阶段，微生物利用外源氮素对混入白浆土中的秸秆进行降解，秸秆中无效钾或缓效钾成分在降解过程中部分转化为速效钾，间接提升了土壤的供钾水平，其中以铵态氮为主的供氮方式更能驱动微生物对秸秆中钾素的释放。然而，随着培养时间的延长，秸秆的腐解残体对游离态钾离子所产生的电性吸附，使其有效性受到抑制，进而降低了混料中速效钾的含量水平，这与李强等得出不同氮素形态配比对冬小麦田根际土壤速效钾含量具有消耗作用的结论17]相似。

3结论与讨论

31氮素不同形态配比对白浆土有机质及全氮含量的影响

本研究表明，无论何种氮素形态占优，白浆土中有机质含量均呈渐趋降低的走势，可见外源氮素对于微生物活性的促进可间接促进有机质的矿化进程。在此过程，铵态氮、硝态氮等比例处理更有利于有机质的矿化分解，其原因也许是因为当NH4+ ∶NO3-为1 ∶1时微生物数量可获得较大程度提升15]。氮素形态不同配比处理下，混料全氮含量波动下降，这是由于所选择的全氮检测方法不包括硝态氮和亚硝态氮的消煮，其对于硝态氮部分检出率较低。基于等量玉米秸秆在硝态氮占优情况下混料丧失全氮的幅度较大，铵态氮占优更有利于混料全氮水平的稳定。微生物首先利用铵态氮繁衍自身并参与秸秆的矿化分解，使得铵态氮含量明显下降，另外，铵态氮不断向硝态氮转化也促使全氮含量下降，秸秆不断降解所释放的铵态氮成分又提升了全氮水平，所以铵态氮占优更有利于维系混料全氮水平。endprint

32氮素不同形态配比对白浆土速效养分含量的影响

铵态氮、硝态氮等比例供氮有利于混料碱解氮成分的消耗，铵态氮占优则更易于稳定碱解氮含量。微生物利用氮素形态中的硝态氮可对秸秆产生较弱的矿化能力，其所释放的无机氮仅能满足自身活动需要，致使土壤中碱解氮含量有所减少。铵态氮能够显著提高土壤硝化细菌活性，其作用的结果是减少碱解氮的损失。无论何种氮素形态占优，白浆土有效磷含量均表现为先增后减并渐趋平稳的规律，铵态氮占优更有利于白浆土有效磷的消耗，这与铵态氮改善磷酸酶活性的作用有关。土壤速效钾含量在3种氮素形态配比添加的影响下皆表现为先增后减的变化规律，以铵态氮为主的供氮方式更能驱动微生物对秸秆中钾素的释放，一方面激发微生物活性使秸秆矿化分解，另一方面NH4+活性高于K+，可替代一部分秸秆中的K+，相反，硝态氮占优的氮素处理则更易促进微生物矿化释钾作用，最终秸秆残体对K+的静电吸附使其有效性再度降低，间接减少了混料中速效钾的供应水平。

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