土壤氮素礦化與固定及其影響因素的研究

摘要土壤有機氮占表土總氮的90%以上。有機氮的礦化和分解是提高氮素利用率的關鍵。掌握土壤中有機氮的礦化與固定問題，對探討減少土壤氮素損失和提高氮素利用率具有重要的理論指導意義。本文簡述了有機氮礦化、礦化氮的固定及礦化與固定的影響因素，展望有機氮礦化研究中存在的問題，以期豐富人們對氮素利用的認識，為合理調控土壤肥力、優化土壤氮施用提供理論依據。

關鍵詞氮；礦化；固定；影響因素

中圖分類號S153.6+1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）21-07005-02

Research of Soil Nitrogen MineralizationFixation and Their Influence Factors

QI Xingguo（Jinan Military Region Technical Demonstration Bases of Agricultural and Sideline Products， Qihe， Shandong 250002）

AbstractSoil organic nitrogen accounts for over 90% of the total topsoil， the key role of increasing N utilization rate is the nitrogen decomposition and mineralization. To master the minerlization and fixation of soil organic nitrogen has an important theoreticalsignificance on exploring the reduction of nitrogen loss and increasing N utilization. The paper describes the nitrogen decomposition and mineralization and their influence factors， and proposes the remaining problems in soil organic nitrogen， so as to enrich the primary understanding of N utilization and provide the theories basis for reasonably regulatation soil fertility and optimization of N application.

Key wordsNitrogen； Decomposition and mineralization； Fixation； Influencing factors

作者簡介齊興國（1967- ），男，山東濱州人，高級農藝師，從事農業技術推廣工作。

收稿日期20140619氮素是土壤肥力中最活躍的因素之一，也是農業生產中的一個主要限制因子。作物吸收的氮素幾乎全部是無機態氮。土壤有機氮必須礦化為無機氮才能被作物吸收。國內外大量研究證實，即使在施用大量氮肥的情況下，作物吸收的氮素至少有50%以上來自土壤[1]。在大多數耕層土壤中，氮素在土壤中主要以有機態存在，有機氮占全氮的90% 以上[2]。土壤氮庫中的有機氮必須通過礦化作用轉化為植物可吸收的有效態氮。氮礦化速率決定了土壤中用于植物生長的氮素可利用性。土壤供氮的實質是殘留并在土壤中積累起來的有機氮的礦化和分解，即土壤氮素的礦化[3]。因此，調控土壤有機氮的礦化是提高氮素利用率的關鍵。

土壤有機氮礦化是指土壤有機碎屑中的氮素在土壤動物和微生物的作用下由難以被植物利用的有機態轉化為可被植物利用的無機態，主要為氨態氮的過程。氮素的固定包括微生物對有效態氮的吸收固定作用以及黏土礦物對銨離子吸附等[1-2]。了解土壤氮素礦化和固定作用，探討土壤中有機氮的礦化和固定作用的影響因素，對正確評價土壤供氮能力，探索提高氮素利用率的有效措施具有重要的理論指導意義。

1土壤有機氮的礦化

在20世紀90年代采用15N固體核磁共振、熱解-色譜/質譜等方法進行的研究表明，無論是新形成的還是自然土壤中的腐殖物質中的氮素約70%以酰胺態存在，80%以上以多肽存在[1]。氨基酸態氮和銨態氮對可礦化氮有著直接的重大貢獻。它是可礦化氮產生的主要來源[4]。氨基酸態氮大部分（99.5%）以聚合態的形式（如蛋白質和肽）存在。游離態氨基酸在土壤中的含量很低。與游離氨基酸的礦化速率相比，聚合態氨基酸（蛋白質）的礦化較慢，是土壤有機氮礦化的瓶頸[5]。

培養法是研究土壤礦化能力（礦化量和礦化進程）的基本方法。培養方法和培養土壤形態與狀態均可影響土壤的礦化過程。通過好氣培養方法，銨態氮與可礦化氮有好的相關性，而采用相同的土樣進行淹水培養試驗，發現銨態氮與可礦化氮沒有好的相關性[4]。測定土壤中固定態銨的結果表明，在好氣條件下，固定態銨釋放；而在淹水條件下，固定態銨并未釋放，有時還有些升高。這說明銨態氮在2種條件下對礦化氮的貢獻有所差異[4]。而且，對土壤磨細的處理降低了黏粒對有機質的保護作用，顯著促進培養中的氮素礦化，對于黏粒/腐殖質的比值越高的土壤，磨細對礦化的促進作用也越強。粒徑越小的團聚體中含有的易分解性氮的比例越大[2]。

雖然培養法是研究土壤礦化能力的基本方法，但田間實際礦化量與培養法所得土壤供氮量有一定的差距。Hadas等[6]研究表明，田間實際礦化量比計算值低13%～26%。培養土壤處理過程和培養溫度是主要原因。土壤風干后再濕潤刺激了氮素的礦化。這是由于風干過程中微生物死亡[7]。死亡的微生物在土壤重新濕潤時被存活的微生物降解，增加了土壤易礦化的氮素[8]。35 ℃的培養溫度被認為是接近硝化作用而低于氨化作用的最適溫度[9]。近期研究表明，在35 ℃下培養所得的礦化勢過高地估計了田間氮素的實際礦化量。當使用礦化氮評價土壤供氮能力時，必須通過田間溫度和水分的校正得到田間實際礦化量，但是不同土壤間的矯正系數如何尚有待進一步研究[10]。

2礦化氮的固定

礦化釋出的銨可被重新固定，主要包括土壤黏土礦物的晶格重新固定和微生物固持2種機制[11]。土壤黏土礦物的晶格固定可暫時或長時間地儲存部分銨態氮；微生物固持也是氮素轉化的重要過程，二者都使得部分礦化氮素不能立刻被作物利用，有不利影響，但二者都是土壤氮素內循環的重要環節之一，與其他氮素轉化過程密切相關，對于減少土壤中氮的損失起著重要的作用。

我國主要類型土壤的固定態銨含量與黏土礦物類型和質地等的關系。對于表層土壤，固定態銨可達全氮含量的10%左右，下層土壤的這一比例更高[1]。母質中含有大量的伊利石、蛭石或云母，固定氨離子的水平很高。高嶺石、埃洛石等黏土礦物幾乎不固定銨[2]。研究表明，固定作用和解固定作用可認為是趨向平衡的反應系統中的2個方向相反的反應。新固定的固定態銨的有效性很高，而土壤固有的固定態銨的有效性則很低。當水溶性和交換性氮量下降到系統特征的某一數值時，固定的氨就將從土壤中釋放出來[1，10]。由此可知，土壤有一個被土壤黏土礦物牢固吸附而不能為作物吸收的固定態銨量的固定值，只有超過這一固定值的那一部分固定態銨才能被植物所利用。還有研究表明，土壤固定外源銨的能力與土壤原固定態銨含量相關。土壤原固定態銨含量越高，新固定外源銨的數量越多。最大固定態銨含量與原土壤固定態銨含量順序一致[12]。

土壤微生物既是氮素礦化和固定的執行者，又是土壤氮素的緩沖器和轉運站。一方面，土壤微生物體氮是土壤中不同的氮組分，是土壤活性氮中的重要組成部分；另一方面，土壤微生物分解土壤有機氮，提供植物營養的活性庫，其礦化氮對植物高度有效。土壤微生物氮與土壤礦化氮量存在密切的聯系。土壤微生物同時參與氮素生物固持和有機氮的礦化是2個方向相反的過程[8]。土壤微生物通過能源物質即有機碳對氮素轉化過程產生影響。一般來說，當土壤中的能量物質較少時，有機氮的礦化速度大于無機氮的生物固定速率，土壤中無機氮得以積累，出現凈礦化作用。當土壤中有過量的能量物質存在時[5]，如有機物料（包括作物殘體 和有機肥）施入土壤后，由于增加了能源物質，礦質氮被微生物固定，土壤微生物體氮相應增加[13]。土壤微生物態氮能夠較好地反映土壤氮素的礦化和供應能力，可以作為土壤氮素的生物有效性指標[14]。

3氮素礦化-固定的影響因素

土壤氮素礦化與固定與土壤本身性質有關。黏土礦物類型和土壤粒級均可影響氮素礦化與固定。細質地土壤中的氮含量比粗質地的土壤高，而且黏土礦物特別是脫石類型的礦物能降低蛋白質和其他含氮化合物被微生物或蛋白酶所分解的速率。為分解黏土礦物而用氫氟酸處理礦質土壤時則導致相當數量的有機氮溶解。這表明一些有機氮可能陷入黏土礦物的晶格結構中，可能是因黏土礦物對有機氮化合物的吸附作用保護了可被分解的分子。對于表層土壤，固定態銨可達全氮含量的10%左右，下層土壤的這一比例更高[1]。Stevenson[15]發現，銨態氮在很多土壤上隨土層深度增加而增加。這部分由于土壤黏土礦物中固定態銨的釋放，部分原因歸因于一些 C/ N 比低的有機物的分解。李菊梅等[4]發現，銨態氮沒有隨深度的增加而增加，在大部分情況下反而減少了。這些差異主要是由不同土壤有機質的本性不同所造成的。徐陽春等[7]通過間隙淋洗培養試驗，研究水旱輪作下有機肥與化肥長期配合施用后土壤、不同粒級中氮的礦化特性。長期施用有機肥培肥土壤，使得各粒級儲存和供氮的能力增加，但土壤供氮能力的提高并非源自某一粒級的單獨作用，而是各粒級綜合作用的結果。

不同施肥處理可影響氮素的礦化過程。第一，不施肥土壤中較易分解的含碳、氮有機物在長期的栽種過程中已被分解殆盡，可供微生物使用的碳/氮少，微生物活性相對較弱，故其礦化比率低[7]。第二，通過15N 同位素標記試驗，發現無機氮肥的施用加速土壤有機氮的分解[5]。這一現象被稱為“激發效應”。然而，朱兆良[1]研究表明，由無機氮所增加的氮素礦化量與被土壤微生物固 持的15N 標記化肥氮量（即化肥氮殘留量）基本相當，二者相抵后大多并無明顯的凈激發或凈殘留；在培養試驗中，加入氮肥并未增加土壤 CO2的釋放，即并未促進土壤有機質的分解。因此，這種激發效應可以被認為是一種表觀現象，是土壤氮與加入的15N 標記化肥氮之間進行的微生物交換作用的結果。第三，長期施用氮肥和有機肥料可能提高氮素礦化潛勢，從而提高土壤的供氮能力。長期施用有機肥可提高可礦化氮，標志著土壤活性有機氮庫的增加[16]，即在作物生長過程中通過礦化作用，土壤可提供較多的氮素，相應地肥料氮的投入應適當減少[7]。總而言之，礦化氮量既取決于有機質、全氮的含量，又取決于其中可礦化部分所占的比例[4]。

環境因子中的土壤溫度和濕度是影響土壤氮礦化的重要因子。在一定溫度范圍內，氮礦化隨溫度的升高而升高，但植物的吸收也增加；氮礦化隨著土壤水分的增加而增加，當土壤水分增加到一定值時，氮礦化迅速下降，且水分波動能增加氮礦化[17]。

不同含氮化合物的礦化速率不同。以土壤中的氨基酸為例，不同種類的氨基酸礦化速率并不相同，異亮氨酸的礦化速率最快，其次是賴氨酸、纈氨酸、組氨酸和亮氨酸，而精氨酸、甘氨酸和酪氨酸的礦化速率較低。土壤中每種氨基酸礦化的相對貢獻與其在土壤中的質量分數有關。甘氨酸不易被微生物利用。這將有利于甘氨酸在土壤中的保存，而亮氨酸易于被微生物代謝。這使得在土壤中的質量分數較低[5]。

4研究展望

土壤是一巨大的生物化學反映系統。土壤中的每種養分也符合生物化學反映的規律。用化學法和生物培養法測定的礦化氮均是土壤中活性有機氮庫的一部分。各指標所占全氮的比例有所不同，且相互之間存在交互作用，具有一定的相關性[10，18]。土壤氮循環也存在反饋調節。這種調控方式在土壤營養元素轉化過程中發揮著特殊的作用，其詳細分子生理機制目前尚未確定。因此，在進行土壤氮素礦化的研究時，綜合考慮其他可能同時進行的轉化過程。

土壤中氮凈礦化是土壤氮素礦化和固持的平衡，是相互作用的總礦化、固定及其他損失過程的綜合表征。土壤固定態銨對表觀氮礦化的影響、土壤中的可溶性有機態氮和硝態氮的淋失等，使得測定結果低估了土壤氮素礦化量。目前，尚沒有充分的根據說明那些指標測得礦化氮就是實際礦化量。這一點有待于進一步研究。

因此，土壤中的主要氮源可以通過礦化不斷地供給作物氮素營養。土壤中氮素的礦化量及礦化能力直接影響氮素的供應狀況。改進施用技術，通過增加土壤礦化量和礦化能力以降低氮肥損失率，是協調農業發展與環境保護工作的著力點，也是國內外有關學者今后長期研究的重點。

參考文獻

[1] 朱兆良.中國土壤氮素研究[J].土壤學報，2008，45（4）：778-783.

[2] 朱兆良，金繼運. 保障我國糧食安全的肥料問題[J]. 植物營養與肥料學報，2013，19（2）：259-273.

[3] 張金波，宋長春. 土壤氮素轉化研究進展[J]. 吉林農業科學，2009，29（1）：38-43，46.

[4] 李菊梅，李生秀. 可礦化氮與各有機氮組分的關系[J]. 植物營養與肥料學報，2003，9（2）：158-164.

[5] 張威，何紅波，解宏圖，等. 東北黑土氨基糖的礦化動態及其對外源物質添加的響應[J]. 應用生態學報，2010，21（10）：2593-2598.

[6] HADAS A，POIGENBANM S，FEIGIN A，et al. Nitrogen mineralization in field at various soil depths[J]. J Soil Sci，1989，40：131-137.

[7] 徐陽春，沈其榮. 有機肥和化肥長期配合施用對土壤及不同粒級供氮特性的影響[J]. 土壤學報，2001，41（1）：87-91.

[8] 武雪萍，王小彬，查燕，等. 施肥對土壤腐殖質總碳和氨基酸氮含量的影響[J]. 中國土壤與肥料，2010（6）：43-49.

[9] STANFORD G. Assessment of soil nitrogen availability[M]//STEVENSON F J. Nitrogen in Agricultural. Soil Am. Soc. Agron.，Madinson，Wis.，1982：651-688.

[10] 巨曉棠，邊秀舉，劉學軍，等. 旱地土壤氮素礦化參數與氮素形態的關系[J]. 植物營養與肥料學報，2000，6（3）：251-259.

[11] 廖曉勇，張楊珠，劉學軍，等. 農田生態系統中土壤氮素行為的研究現狀與展望[J]. 西南農業學報，2001，14（3）：94-99.

[12] 陳家宙，蔡崇法，丘華昌.湖北省幾種主要土壤的固定態銨及其固定與釋放的研究[J]. 華中農業大學學報，2002，21（1）：30-35.

[13] 李世清，李生秀. 有機物料在維持土壤微生物體氮庫中的作用[J]. 生態學報，2001，21（1）：136-142.

[14] 宋建國，林杉，吳文良，等. 土壤易礦化有機態氮和微生物態氮作為土壤氮素生物有效性指標的評價[J]. 生態學報，2001，21（2）：290-294.

[15] STEVENSON F J. Distribution of the forms of nitrogen in some soil profiles[J]. Soil Sci Soc Amer Proc，1957，21（3）：283-287.

[16] 張璐，沈善敏，廉鴻志，等.有機物料中有機碳、氮礦化進程及土壤供氮力研究[J].土壤通報，1997，28（2）：71-73.

[17] SIERRA J. Temperature and soil moisture dependence of N mineralization in intact soil core[J]. Soil Biol Biochem，1997，29（9）：1557-1563.

[18] 巨曉棠，李生秀.土壤氮素礦化的溫度水分效應[J].植物營養與肥料學報，1998，4（1）：37-42.