氮素形态配比对白浆土活性有机碳的调控影响

2018-03-05李玉玺李兴吉

江苏农业科学 2018年1期

薛明，李玉玺，马超，李兴吉，王语，刘兰，王帅

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130021；2.吉林农业科技学院农学院，吉林吉林 132101)

活性有机碳是指土壤中有效性高且易被微生物分解、可供植物吸收利用的那部分有机碳，水溶性有机碳(water-soluble organic C，简称WSOC)和易氧化有机碳(readily oxidizable organic C，简称ROC)均属土壤总有机碳(total organic C，简称TOC)的活性成分。水溶性有机碳是指可通过0.45 μm滤孔且易溶于水的有机碳成分，通常由碳水化合物、长链脂族化合物和蛋白质构成。而易氧化有机碳是指在微生物及土壤酶作用下能快速氧化分解的有机碳，氨基酸、碳水化合物和一定数量的微生物生物量碳均属该范畴。

有机碳的氧化稳定性可表征土壤中有机矿质复合体的动态趋势，其与有机质抵抗氧化的能力有关，系数越大表明其有机质越稳定[1]。袁可能提出用氧化稳定系数(Kos)来表征有机碳的氧化稳定性，Kos值越大，氧化稳定性越大，反之则越小[2]。有研究表明，长期施用化肥及配施有机肥能显著改善土壤活性有机碳的含量水平，也有一些研究发现，不同氮素形态能通过影响微生物数量及其酶系活性，进而牵涉土壤碳素周转[3-5]。然而，关于不同氮素形态配比对土壤活性有机碳影响的系统报道尚不多见，因此，本研究采用室内培养法，通过在混以玉米秸秆的白浆土中添加不同的氮素形态配比，试图揭示其对土壤活性有机碳组分数量的影响，相关结论能够为氮素形态掺混的新型肥料研制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

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(126°28′46.81″E、43°57′37.80″N)，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0.25 mm筛。

1.2 试验方法

称取9.7 kg白浆土与0.3 kg玉米秸秆粉末充分混匀，基于同等氮素用量、不同氮素形态配比的处理要求(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)将相应的含氮试剂溶解并喷洒于混料中，待混匀后，按照混料干质量150 g装入250 mL塑料烧杯中，用可透气的塑料薄膜封口，置于28 ℃恒温培养箱中培养。培养试验共设3个不同氮素形态配比处理(AD、AN、ND)，每个处理依照相应的7个时间点(0、15、30、60、90、120、180 d)取样，各时间点均下设3个平行样品，共计63个样品。每隔48 h对样品进行称量并补足水分，确保恒湿条件。达到培养时间后，取出各处理条件下的3个样品，迅速转至55 ℃鼓风干燥箱中烘干至恒质量，取出磨碎后过0.25 mm筛，装入磨口瓶，用于活性碳数量分析。

表1 氮素形态间不同配比所对应的具体处理方法及代码

注：NH4Cl、NH4NO3、NaNO3纯氮的有效含量分别为26.17%、34.98%、16.47%。

1.3 测定项目及数据处理方法

轻、重组有机碳采用相对密度分组法进行，以1.8 g/cm3NaI为重液，具体参照鲁如坤的方法[6]进行；易氧化有机碳采用333 mmol/L KMnO4氧化法[7]进行。氧化稳定系数(Kos)=(TOC-ROC)/ROC×100%[2]。试验所得数据均采用Excel 2003及SPSS 18.0软件分析。

2 结果与分析

2.1 氮素形态间不同配比对白浆土WSOC的影响

WSOC是土壤有机物周转及微生物代谢活动的中间产物，尽管含量甚微，但能直接作为微生物可利用的能源物质[8]。由图1可知，在同等氮素用量、不同氮素形态配比的影响下，混以玉米秸秆的白浆土中WSOC含量均随培养的进行而渐趋降低。AD、AN、ND处理下90 d时，WSOC含量的降低幅度分别为65.6%、68.9%、51.1%。这表明无论铵硝间比例如何，氮素添加均有助于矿化过程的进行。夏雪等研究指出，肥料的施入可为微生物提供丰富的营养源和能源，使其快速繁衍[9]。因此，迅速增殖的微生物势必会对混料中较易利用的WSOC成分产生矿化分解作用，使其随培养的进行而渐趋降低，在此方面，铵硝等比例供氮更有利于WSOC成分的分解，其次是以铵态氮占优的供氮处理。据报道，在同等氮素用量、不同形态组合的影响下，土壤微生物呈上升趋势[10]。因此，可能是铵硝等比例供氮对微生物活性的促进作用更为明显，间接有利于WSOC成分的消耗。

此外，为表征其在TOC中所占比例的动态变化，笔者所在课题组又利用折线图对该部分内容进行了描述。从单一处理来看，随着培养的进行，WSOC在TOC中的比例均逐渐降低，以铵态氮为主的供氮形态更有助于降低WSOC在TOC中的份额。陶宝先等在研究中指出，铵态氮可有效抑制TOC的矿化，而硝态氮对其矿化无显著性影响[11]。李嵘等研究认为，铵态氮对TOC累积的促进作用要高于硝态氮[12]；而艾娜研究指出，以难分解的小麦秸秆为碳源基质时，培养期间微生物对铵态氮的固持率要高于硝态氮[13]。由此可推断，铵态氮对TOC矿化作用的抑制使其含量有所累积，加上微生物对铵态氮的偏好，使WSOC的消耗程度增强，进而使WSOC/TOC的含量降低。在0、90 d这2个培养时间点下，微生物利用以铵态氮为主的氮素能削弱微生物对WSOC的消耗，而在培养结束时(180 d)，其可大幅提升微生物对TOC中WSOC组分的消耗。由此可推断，以铵态氮占优的供氮模式更有利于促进微生物在培养后期对TOC中WSOC所占比例的削减。

2.2 氮素形态间不同配比对白浆土易氧化有机碳的影响

由图2可见，在不同氮素形态配比添加的影响下，混以秸秆的白浆土中ROC含量随培养时间的延长表现出相似的规律，即先略有降低后回升再大幅下降。对比培养始末ROC含量的变化情况可知，AD、AN、ND处理的ROC含量降低幅度分别为 39.1%、18.5%、32.5%。

具体来看，在培养15 d内，微生物在氮素充足的条件下，首先对秸秆实施分解，有机碳中的活性组分ROC因较易矿化而含量降低，尤以铵态氮为主要供氮形态时更利于微生物对ROC组分的消耗，促使其降幅达到最大，而后随微生物繁衍增殖，更多活性碳组分进入ROC，使其含量水平有所提升，最终在培养中后期，随微生物活性衰退，对秸秆矿化能力减弱，ROC含量被大量消耗以维系微生物代谢活动直至培养结束[14]。值得注意的是，ND处理在培养60 d时，混料ROC含量再次获得提升，这也许是因为硝态氮占优的供氮处理，其在培养过程中历经反硝化作用，有向N2O和N2转化的趋势，在此过程中硝态氮作为氧化剂，对ROC的形成有促进作用，但最终未能抵御微生物活性衰退所导致的ROC含量降低[15-16]。此外，在整个培养过程中，以铵态氮为主要供氮形态时，微生物对ROC的消耗程度最大，其次是以硝态氮占优的处理，而铵硝等比例氮素投入更利于稳定ROC的含量水平、降低微生物对其含量的消耗。

为了更好地理解供氮形态对ROC含量的影响机制，笔者所在课题组又对混料中ROC与TOC间的相互关系进行了描述，如图3所示。无论添加何种氮素形态，随混料TOC含量的增加，ROC含量均可获得提升，这表明通过氮素形态配比对TOC含量的调控可间接改善ROC的产出环境，两者间呈现较好的正相关关系，这与杨金钰等的研究结果[17]相似。

为进一步探明氮素形态间不同配比对混以玉米秸秆白浆土TOC中ROC含量的变化规律，笔者所在课题组又对ROC含量/TOC含量进行了动态分析，结果见图4。在不同氮素形态配比添加的影响下，ROC含量/TOC含量呈现不同的变化规律。在AD处理下，混料ROC含量/TOC含量在培养前期(0～15 d)呈增加趋势，而后整体逐渐降低；AN处理下，ROC含量/TOC含量有明显的增加趋势，而在ND处理下，ROC含量/TOC含量先增加而后呈波动性下降。

上述结果表明，铵态氮占优的供氮措施可使微生物活性在短期内获得较大提升，并由此改善了ROC的含量水平，而后因硝化作用，铵态氮形式逐渐向硝态氮形态转化[18]。在此过程中，铵态氮可作为还原剂对ROC的形成产生抑制作用，加之后续微生物活性的减弱，致使ROC含量逐渐降低；铵硝等比例投入，氧化还原反应处于平衡、稳定状态，且微生物活跃程度较高，在培养期间更有利于提升ROC在TOC中的分配比例。而以硝态氮占优的供氮模式，其作为氧化剂历经反硝化作用可有效提升ROC的分配比例，而在培养后期，反硝化细菌的扩繁抑制了好氧微生物的活性，使其活性衰退，进而促使ROC所占比例的降低[19]。整体来看，铵硝等比例氮素添加对提升ROC含量，促进土壤功能活化的效果最为明显。

Kos可用于衡量有机碳的氧化稳定性，施肥能通过改变土壤ROC含量进而影响Kos的变化[2，20]。如图5所示，以不同氮素形态配比添加为前提，混以秸秆白浆土的Kos随培养的进行表现出不同的规律。首先，在AD处理下，Kos先有所降低而后逐渐提高并趋于平稳，在AN处理下，Kos在波动中有所下降，而在ND处理下，Kos先降低，在培养达60 d后，Kos值跌至谷底，之后再度增加并趋于平稳。对比培养始末Kos结果可知，AN处理能够在较大程度上降低有机碳的稳定性，ND处理能够在较小幅度内降低有机碳的稳定性，而AD处理能够提高有机碳的稳定性，提高Kos，使其增幅达11.1%。

根据上述规律可知，在以铵态氮为主要氮素形态时，微生物较易获取氮素养分[21]，在矿化分解秸秆方面更具优势，有机碳稳定性易遭破坏，而后随微生物的降解能力衰退，养分呈保蓄状态，Kos有所提升。在添加铵硝等比例氮素后，微生物在相对稳定的电位环境下对秸秆的氧化降解能力逐渐增强，并可延续至培养结束。在以硝态氮占优势的氮素供应下，微生物活性增强效果不明显，致使较为稳定的有机碳成分聚集。随培养进行到后期，硝态氮作为反硝化作用的基质材料，其所扮演的氧化剂角色在某种程度上增大了微生物对秸秆的氧化降解，使Kos再度提升。对比培养前后结果，铵硝等比例氮肥投入更利于微生物对秸秆的矿化分解，使ROC含量和难氧化有机碳成分不断降低，不利于养分的保蓄，反之，以铵态氮为主要氮源时则更利于微生物对ROC的消耗，使养分在某种程度上得到固存。

3 结论

WSOC易受施氮措施影响，无论氮素形态配比如何，其添加均有利于秸秆白浆土混料中WSOC的消耗，使之占TOC的份额降低。其中，铵硝等比例供氮更利于WSOC成分的分解，其次是以铵态氮占优的氮素形态组合，后者在降低WSOC在TOC中比例的作用更为明显，尤其是培养进入中后期(90～180 d)。

ROC可表征土壤所能释放有效肥力的多少。3种不同氮素形态配比皆有利于微生物对ROC的消耗，相比之下，以铵态氮为主要供氮形态时，微生物对ROC的消耗程度最大，其次是以硝态氮为主的处理；通过氮素形态配比对TOC含量的调控可间接改善ROC的产出环境，两者间具有良好的正相关关系。

铵态氮作为还原剂对ROC的形成有抑制作用，而铵硝等比例及以硝态氮为主的供氮形态更有利于提高TOC中ROC的含量，前者效果更佳。

铵硝等比例供氮能够在较大程度上降低混料有机碳的稳定性，而铵态氮占优则更利于Kos的提高，进而有益于养分固存。可见，调控氮素形态配比能够改善白浆土活性有机碳的含量水平，相关规律可作为氮素形态掺混肥研制的理论依据。

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