王敬 朱波 张金波

摘要 [目的] 研究不同施肥方式对紫色土中氮素循环特性的影响。[方法]采用室内培养试验研究长期施肥对四川紫色土无机氮的动态变化、矿化作用和硝化作用的影响。[结果]与不施肥对照相比，长期施肥显著提高了紫色土的净矿化速率（P< 0.05），不同施肥处理的平均净矿化速率分别为单施化学氮肥处理（NPK）≥猪粪处理（OM）>猪粪-化肥配施处理（OM-NPK）>秸秆-化肥配施处理（RSD-NPK）>秸秆处理（RSD）。秸秆处理（RSD）、RSD-NPK的平均净矿化速率为负值，表明长期施用秸秆促进了土壤无机氮的同化。与对照相比，长期不同施肥处理均显著刺激了紫色土的平均净硝化速率（P < 0.05），其中以猪粪处理（OM）最高，为16.74 mg/（kg·d），是CK（5.84 mg/（kg·d））的2.87倍。与单施化学氮肥处理（NPK）相比，秸秆处理（RSD）显著抑制了硝化作用，平均净硝化速率下降了1069%，但显著高于对照处理（P< 0.05）。[结论] 该研究为紫色土地区农业生产中肥料的合理施用提供科学依据。

关键词 紫色土;长期施肥;矿化作用;硝化作用

中图分类号 S154.1文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）19-0168-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.049

Abstract [Objective] To analyze the effects of longterm different fertilization application on the nitrogen dynamic in the Sichuan purple soil. [Method] An in situ incubation experiment was conducted to investigate the effects of different N fertilizer regimes on mineralization and nitrification in purple soil. [Result] Longterm repeated applications of mineral or organic N fertilizer significantly stimulated soil net mineralization rates （P < 0.05）， which decreased in the order： mineral fertilizer NPK treatment （NPK） ≥ pig manure treatment （OM） >OM-NPK>RSD-NPK

> crop straw treatment （RSD）. However， the average net mineralization rate was -0.88，-0.39 mg/（kg·d）， less than 0， in the crop straw （RSD）， RSD-NPK treatment， indicating that addition of crop straw into soil promoted the immobilization of inorganic N. Compared with the unfertilized control （CK）， longterm repeated applications of different fertilizer significantly stimulated soil net nitrification rates （P < 005）， with the highest value of 16.74 mg/（kg·d） in the pig manure treatment （OM） which was 2.87 times higher than that in the unfertilized control （CK） （584 mg/（kg·d））. In the crop straw treatment （RSD）， the average net nitrification rate was 10.69% lower than that in the mineral fertilizer NPK treatment （NPK）， but significant higher than that of the unfertilized control （CK）. [Conclusion] The study can provide scientific basis for rational fertilization in the regions of purple soil.

Key words Purple soil;Longterm application;Mineralization;Nitrification

氮是植物生長发育必不可少的三大生命元素之一。氮在土壤中通常以无机态氮和有机态氮2种形态存在，其中有机态氮占土壤全氮的比例高达95%～99%。尽管研究发现植物可以直接利用土壤中的有机氮（如氨基酸等），但可供植物吸收利用的绝大多数氮仍以无机氮（如NH4+-N和NO3--N）为主[1-3]，因此土壤中的有机氮只有不断地矿化成为无机氮才能被植物吸收利用。有机氮的矿化过程是土壤重要的供氮过程之一，是指土壤有机氮在微生物的作用下将有机氮转化为可被植物吸收利用的无机氮的过程，其转化速率决定了土壤中用于植物生长、微生物同化所需氮素的可利用性，对植物氮素利用和维持土壤肥力具有重要意义。硝化作用是硝化微生物将铵态氮氧化成硝态氮和亚硝态氮的过程。硝化作用可以消耗土壤中的铵进而可能减少氨的挥发损失，但会产生少量的N2O，且其终产物硝态氮又易随水淋失而污染水体，更可能通过反硝化作用损失而污染大气，因此硝化作用是生态系统中氮素损失的潜在途径之一。因此，研究土壤氮素矿化和硝化作用具有重要意义。

在湿润亚热带地区，存在面积高达300 000 km2的四川紫色土[4]。与湿润亚热带地区地带性土壤特性相反，四川紫色土通常呈中性或碱性，NH3挥发风险高且自养硝化速率大，土壤无机氮以硝态氮为主，淋溶风险高[5-7]。该地区雨养坡耕地面积占紫色土总耕地面积的65%以上[6]，频繁耕作使得该地区土壤易发生侵蚀和淋溶，由淋溶和径流造成的氮损失又引发了当地和周边地区严重的氮污染问题[8-9]。为解决上述问题，亚热带地区制定了一系列农业管理措施，如梯田耕作、垄沟种植、等高垦植以及施肥管理等，以期减少紫色土地表径流和壤中流氮损失。如该地区有施用猪粪的传统，其主要目的是为了培肥地力。此外，由于化学肥料来源较为广泛，使得单施化学肥料或者有机-无机配施（有机肥包括粪肥和秸秆）也日益普遍[10]。研究表明，单施化学肥料、有机-无机配施或有机肥长期施用条件下土壤有机氮和无机氮含量，作物产量以及淋溶和N2O排放等氮损失间均有差异[5，9，11]，如有机肥（粪肥或秸秆）部分取代化学肥料，即有机-无机配施可以提高作物产量的同时降低土壤中流氮损失[5]，但鲜有研究不同施肥处理对紫色土硝化作用和矿化作用的影响规律及机理。

笔者以长期定位施肥试验紫色土为研究对象，采取室内培养试验，研究不同施肥方式对紫色土中无机氮的动态变化、硝化作用和矿化作用的影响，以期为紫色土地区农业生产中肥料的合理施用、土壤氮素循环的合理调控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为钙质紫色沉积母质发育而成的蓬莱镇组紫色土，质地为中壤，位于中国科学院成都山地灾害与环境研究所盐亭紫色土生态农业试验站（105°28′ E，31°16′ N）内。该地区属于典型的亚热带湿润季风气候，多年平均降雨量为826 mm，降雨季节分布不均，其中90%以上集中在5—9月;多年平均温度为17.3 ℃。主要农作物有水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays L.）、小麦（Triticum aestivum）、甘薯（Ipomoea batatas Lam.）、油菜（Brassica campestris L.）等。

供试猪粪均统一采自附近养猪场，其C/N为15∶1;供试小麦和玉米秸秆的混合样品（C/N为61∶1），切割为<5 cm长的碎末，在播种前一次性施入土壤。猪粪、小麦秸秆和玉米秸秆的含氮量分别为0.4%、0.3%和0.5%。所有肥料混匀后，于播种当天撒施。

1.2 试验设计

紫色土长期施肥试验始于2003年，小区面积为24 m2，坡度为7%，试验小区的土层深度为60 cm。试验共设6个处理：①不施肥处理（CK）;②氮磷钾肥处理（NPK）;③单施有机肥处理（OM）（猪粪）;④有机肥-化肥混施处理（OM-NPK，化肥氮占60%）;⑤秸秆还田处理（RSD，相当于化肥氮量的40%）;⑥秸秆-化肥混施处理（RSD-NPK，化肥氮占60%），每处理3次重复，共18个小区，采用随机区组设计进行布点。除RSD处理外，其他处理的年施氮量均为280 kg/hm2，其中麦季130 kg/hm2、玉米季150 kg/hm2。化学氮肥使用碳酸铵，麦季和玉米季向每个处理施用P2O5 90 kg/hm2（过磷酸钙）和K2O 36 kg/hm2（氯化钾）作为基肥。主要种植制度是冬小麦-夏玉米轮作。

于玉米种植前采集不同处理表层土壤样品（0～20 cm），每个小区采集3个子样品并混合均匀成一個混合样品。采集的新鲜土样即刻去除作物残茬等，过2 mm筛并置于4 ℃冰箱保存备用。称取相当于20 g烘干土重的鲜土样置于250 mL三角瓶中，每个土壤样品共24瓶。用移液管逐滴加入2 mL NH4NO3溶液，使各处理NH4+-N和NO3--N的加入量均为氮 50 mg/kg。调节土壤水分至60% WHC，置于25 ℃黑暗条件下分别培养72 h。分别在添加氮溶液的第05、24、48和72 h随机取出6个土壤样品作为重复进行破坏性取样，测定土壤中的NH4+-N、NO3--N浓度。

1.3 测定项目与方法

土壤pH采用电位法测定，水土质量比为2.5∶1;土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法测定，有机质含量乘以系数0.58得到土壤有机碳含量;土壤全氮采用Se，CuSO4和K2SO4半微量开氏法测定;土壤中NH4+-N和 NO3--N含量采用2 mol/L KCl（按水土质量比5∶1）浸提-MgO-定氮合金蒸馏法测定[7]。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 土壤主要理化性质

与未施肥对照（CK）相比，长期施用氮肥，无论是有机肥、化肥或有机无机配施均未显著影响紫色土的pH，但对紫色土中有机碳的积累有显著促进作用，不同处理有机碳增加表现为CK

2.2 土壤中铵态氮的动态变化

培养期间不同施肥处理土壤铵态氮含量的动态变化见图1。从图1可以看出，不同处理土壤NH4+-N含量在整个培养期间均呈下降趋势。除CK和RSD处理外，NPK、OM、OM-NPK和RSD-NPK处理在培养0～24 h迅速降低，然后降低速率趋缓，并在48 h后趋于平衡。在这4种施肥处理中，土壤NH4+-N含量的下降幅度以OM-NPK处理最高，OM和RSD-NPK次之，NPK最低，但相互间无显著差异。与NPK、OM、OM-NPK和RSD-NPK处理不同的是，CK和RSD处理土壤NH4+-N含量在整个培养期间下降较为缓慢，其中RSD处理的下降速度先快（0～48 h）后慢（48～72 h），而CK处理则是匀速下降。至培养结束，各施肥处理土壤NH4+-N含量无显著差异。

2.3 土壤中硝态氮的动态变化

培养过程中各处理土壤的NO3--N含量变化见图2。从图2可以看出，在好氧和强碱性（pH 7.8左右）条件下，施入土壤中的NH4+-N会被迅速转化为NO3--N，NH4+-N随着培养时间的增加而不断下降，与之相反，NO3--N含量则呈上升趋势。从图2可以看出，NPK、OM、OM-NPK和RSD-NPK处理土壤NO3--N含量在培养0～24 h迅速升高，随后升高速率减缓，表现为OM≥RSD-NPK≥OM-NPK>NPK，且NPK处理与OM、OM-NPK和RSD-NPK处理差异显著（P<0.05）。CK处理NO3--N含量在培养0～24 h略有上升趋势，随后在24～72 h上升速度显著提高（P< 0.05）。对RSD处理而言，其土壤NO3--N含量在培养0～48 h升幅较大，随后速度降低，其升幅显著低于NPK处理（P< 0.05）、高于CK处理（P<0.05）。至培养结束，不同处理土壤NO3--N含量表现为OM≥RSD-NPK≥OM-NPK>NPK>RSD>CK。

2.4 不同施肥处理对土壤矿化作用的影响

不同施肥处理对紫色土矿化作用的影响显著。由图3可知，在培养期间，未施肥对照（CK）、秸秆还田（RSD）处理和秸秆-化肥混施处理（RSD-NPK）的平均净矿化速率分别为-2.14、-0.88和-0.39 mg/（kg·d），且CK处理显著低于RSD和RSD-NPK处理（P<0.05）。CK、RSD和RSD-NPK处理的平均净矿化速率均为负值，说明这3种处理可以促进土壤无机氮的同化。培养期间NPK、OM、OM-NPK处理的平均净矿化速率分别为2.82、2.72、1.98 mg/（kg·d）。与OM-NPK处理相比，NPK、OM处理的平均净硝化速率有增高趋势，其中NPK处理提高幅度最大，为42%，OM处理分别提高了37%，但NPK、OM和OM-NPK处理间均无显著差异。

2.5 不同施肥处理对土壤硝化作用的影响

由图4可知，不同施肥处理对硝化作用的影响显著。不同处理土壤的平均净硝化速率表现为OM> OM-NPK>RSD-NPK> NPK> RSD >CK。无肥对照（CK）的平均净硝化速率最低，长期施用氮肥处理的平均净硝化速率均极显著高于CK处理（P<001）。其中长期施用猪粪处理（OM）的平均净硝化速率最高，为16.74 mg/（kg·d），是CK处理（5.84 mg/（kg·d））的2.87倍，差异极显著（P<0.01）。有机无机配施处理（OM-NPK和RSD-NPK）土壤的平均净硝化速率低于OM处理，分别为15.18和14.61 mg/（kg·d），但处理间差异不显著。与单施化学氮肥（NPK）（平均净硝化速率为13.75 mg/（kg·d））相比，除RSD处理外，施用有机肥或有机无机配施可以提高紫色土的平均净硝化速率。所有施肥处理中，RSD处理对紫色土平均净硝化速率的刺激作用最小，为12.28 mg/（kg·d），显著低于其他施肥处理（P<0.05）。

3 讨论

矿化作用是指土壤有机氮在土壤生物尤其是土壤异养微生物为主导作用下转化为可供植物吸收利用的无机氮的过程，是农田生态系统中重要的生物化学过程。在水、热、气相同的条件下，土壤净矿化速率可以反映土壤供氮能力和供氮强度。土壤氮素的矿化与土壤氮素的供应密切相关[12]。研究表明，土壤氮素矿化速率与土壤有机碳和总氮含量呈正相关关系，有机碳和总氮含量高的土壤通常具有较高的矿化速率[13-14]。该研究发现，长期施用氮肥，无论是有机肥还是化肥，均可顯著提高紫色土的净矿化速率，不同施肥处理土壤氮素净矿化速率与土壤有机碳和总氮含量呈正相关关系，表明施用肥料引起的土壤有机碳和全氮含量的增加可能是土壤氮素净矿化速率提高的原因。有机肥本身（尤其是猪粪）含有大量的有机物质，如易分解有机碳、氮、磷等物质，而猪粪在分解矿化过程中还会释放出一部分水溶性有机碳，为微生物提供最直接的碳源，氮肥的配施为土壤微生物提供了充足的氮素营养，从而促进了土壤微生物的快速繁殖[15-16]，进而促进了土壤原有有机氮的矿化作用。而且猪粪和秸秆本身在分解过程中也会发生矿化作用产生大量矿质氮，也可能是使用有机肥可以提高土壤矿化作用的一个重要原因。此外，研究发现，外加碳、氮的激发效应能促进土壤氮的矿化[17]，特别是尿素的施用，可以增加微生物硝化作用所需要的铵态氮浓度，减少微生物固持NH4+-N激发硝化微生物活性，增加其氮素矿化量，提高矿化速率[18]。因此，该试验发现加氮处理的平均净矿化速率显著提高可能是长期施入碳酸铵将大量NH4+-N带入了土壤中，激发了硝化微生物活性进而提高了净矿化速率的结果。另一方面，施入氮肥可以显著降低土壤环境的C/N，从而提高了土壤微生物的整体活性，从另一层面上继续促进有机氮的矿化[19]。

与其他各施肥处理相比，秸秆还田（RSD）和秸秆-化肥混配（RSD-NPK）处理的平均净矿化速率为-0.88和-0.39 mg/（kg·d），是负值，说明长期施用秸秆可以促进土壤无机氮的同化。这与李平等[20]在黑土上的研究结果一致。这主要是因为添加有机物料土壤的有机氮矿化过程与矿质氮的微生物同化过程的相对强弱将取决于有机物料的C/N。如有机物料的C/N大于30时，微生物需要大量的外源矿质氮来合成自身物质，此时矿质氮的生物固持作用大于有机氮的矿化作用，表现为矿质氮的净同化;当C/N 小于20 时，微生物不需要额外矿质氮来满足自身生长需求，此时主要以有机氮矿化过程为主，有机氮的矿化速率大于矿质氮的生物同化速率，从而表现为净矿化[21]。该研究中所添加的有机物料有低C/N的猪粪（15∶1）和高C/N的秸秆（61∶1）2种，因此猪粪或猪粪配施化学肥（OM、OM-NPK）处理，有机氮的矿化作用大于矿质氮的生物固持作用，在整个培养期间表现为净氮矿化;而秸秆处理增加了土壤有效碳源，刺激微生物对氮的需求，导致净同化[22]。说明外来氮源可能会被同化进入土壤有机氮库，而后通过再矿化成为有效氮，进而导致土壤氮矿化的提高[23]。这种矿化-同化的快速周转，有利于土壤供氮和氮素保持。这与李平等[20]关于猪粪处理刺激黑土的净矿化而秸秆处理则导致净同化的结果一致，而与范晓辉等[24]在红壤和潮土上以及马力等[25]在红壤水稻土上秸秆还田促进了土壤有机氮的矿化作用研究结果相反，可能与施用的是C/N 较低的水稻秸秆有关。

传统观点认为，硝化作用是硝化细菌利用CO2作为碳源，将NH4+-N转化为NO3--N并获得能量的过程，又称为自养硝化作用。近期研究发现，有机氮可以被直接氧化为NO3--N，即异养硝化作用，尤其是在酸性土壤中[26-27]。土壤的硝化作用受到多种因素的影响，其中主要的有土壤的水、气、热、pH、硝化底物和有机物料输入等。土壤硝化速率在很大程度上取决于土壤pH，一般会随pH的升高而增加[28-30]。该研究得到的碱性紫色土（pH 7.8）净硝化速率为5.84 mg/（kg·d），显著高于东北黑土（pH 4.9）[20]、江西8种不同利用方式土壤（平均pH 4.9）[31]。曹彦强等[32]对位于四川省重庆市的3种酸度不同紫色土净硝化速率的测定结果发现，在pH较高的中性（pH 7.2）和石灰性（pH 8.5）土壤中发生了明显的硝化作用，净硝化速率可达8.37、10.23 mg/（kg·d），而酸性紫色土（pH 5.3）的硝化作用很弱（0.036 mg/（kg·d））。该研究中，各处理的pH间无显著差异，显然不是决定紫色土处理间净硝化速率差异的关键因素。

NH4+-N是硝化作用的底物，其浓度也是制约硝化作用强弱的重要因素之一。Khalil等[33]研究发现，即使在pH为8.2的碱性土壤中，不添加外源NH4+-N，净硝化速率也会很低;而加入NH4+-N（80、116和170 mg/（kg·d））会显著提高净硝化速率。该研究中，长期施肥显著提高了紫色土的净硝化速率，其提高程度表现为OM>OM-NPK>RSD-NPK>NPK>RSD。单施化学氮肥（NPK）对紫色土净硝化速率的刺激作用极显著（P<0.01），这与前人对铵态氮肥施用对土壤中硝化作用促进效应的研究结果一致[34-36，20]。这可能是长期施用碳酸铵，可以直接为自养硝化提供底物铵态氮，刺激硝化进而提高净硝化速率的结果。另一方面，向土壤中施用氮肥能够增加硝化细菌的数量和活性，导致施肥土壤中硝化细菌的数量比对照土壤提高了20倍之多[37]，如会激发中性和碱性土壤AOB（ammonia oxidizing bacteria，氨氧化细菌）的数量和活性[38-40]。

与单施氮肥相比，有机肥或有机无机配施（RSD处理除外）可以进一步促进土壤的硝化作用。这与李平等[20]在黑土上和范晓辉等[24]在红壤和潮土上的研究结果一致。施用有机肥可以促进硝化作用，一方面是因为有机肥中通常含有大量有效碳和其他养分，有益于改善土壤的物理化学和生物学性质[41]，增加土壤透气性，提高硝化速率。此外，有机物料中有机氮的矿化有致碱作用，且其本身含有的大量盐基离子也可提高土壤pH，进而刺激自养硝化。有机肥料种类不同对自养硝化的刺激作用也不同，农作物秸秆对自养硝化的激发作用通常小于动物粪肥。动物粪肥的C/N较低，且本身含有较高浓度铵态氮也会快速释放到土壤中，成为自养硝化微生物的底物[42-43]。而农作物秸秆C/N通常较高，微生物需要从土壤中吸收更多的无机氮来满足自身生长需要，致使农作物秸秆施入促进了氮同化并导致硝化底物减少[44-45]。这可能是该研究发现的粪肥（OM）、粪肥-化肥配施（OM-MPK）净硝化速率高于秸秆还田处理（RSD、RSD-NPK）尤其是RSD处理的主要原因。高C/N秸秆与化学氮肥配施带入的外源矿质氮，可以消弱由于秸秆施入提供的丰富碳源引起的微生物对無机氮的生物固持作用，进而增加了硝化底物浓度，从而刺激了硝化作用，这可能也是该研究中秸秆-氮肥配施净硝化速率显著高于秸秆还田处理的原因。所有施肥处理中，RSD处理对紫色土平均净硝化速率的刺激作用最小，为12.28 mg/（kg·d），显著低于其他施肥处理（P<0.05），这可能与RSD处理的施氮量仅为其他施肥处理的60%，硝化作用的底物NH4+-N浓度偏低有关。

值得注意的是，该试验是通过室内培养试验测定了长期施肥处理对紫色土净矿化和硝化速率的影响，但净转化速率是控制其转化多种途径的初级转化速率综合作用的结果，如氮素净矿化速率反映的是氮素初级矿化速率与初级自养硝化速率、初级同化速率的差值，因此，净转化速率不能代表土壤真实的氮素循环状态[46]。当硝化产生速率与NO3--N的生物同化速率相等时，土壤中NO3--N含量保持常数，净硝化速率为零，但这不等于土壤未进行硝化作用和NO3--N的同化作用。因此，要阐明不同施肥处理对紫色土氮素转化规律的研究，并进行针对性地调控，还需开展初级转化速率的研究。

4 结论

长期施肥对四川紫色土有机氮的矿化作用和硝化作用均有显著影响。施用化肥或有机肥均可显著促进有机氮的矿化作用，但施秸秆则表现为净同化;单施化肥可以显著提高紫色土的净硝化速率;与单施化学氮肥相比，有机肥处理（OM、OM-MPK、RSD-NPK）可以进一步刺激硝化作用，单施秸秆处理则会显著抑制硝化作用。

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