不同肥力潮土硝化潛勢及其影響因素*

王萍萍 段英華 徐明崗 張水清 王小利

（1 貴州大學農學院，貴陽 550025）

（2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081）

（3 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，鄭州 450002）

氮素是作物生長所必需的營養元素之一［1］，硝化作用是土壤氮素轉化的重要過程，它將土壤有機氮礦化產生或來源于肥料的銨態氮轉化為硝態氮［2］，從而減少氮素的揮發損失，但是其產生的硝態氮又易通過淋洗或反硝化作用損失，并對水體和大氣環境產生負面影響［3-4］。我國潮土呈弱堿性，硝化作用能力較強，銨態氮肥很容易被硝化成為硝態氮，氮肥通過淋洗和反硝化損失的可能性較大，因此，對我國潮土硝化潛勢及其主要影響因素的研究具有重要的生態學和農學意義，可為農業生產中合理施肥提供理論依據和指導。土壤硝化過程一直是氮素研究的熱點，眾多學者研究了溫度、pH、施肥、土壤類型以及土地利用方式等氣候、環境和農業管理等因子對土壤硝化作用的影響［5-10］。Chu等［11］發現長期施用氮肥能夠增加土壤硝化潛勢。Ai等［12］研究也表明，隨著施氮量的增加，土壤硝化勢也在增加。然而，Verchot等［13］在美國黃石國家公園的研究發現，總硝化速率與全碳、全氮、C/N等土壤理化性質并不存在顯著相關性。此外，有研究表明低C/N的有機糞肥的施用會促進土壤有機氮的礦化作用和硝化作用［2］；而高C/N的作物秸稈還田增加了土壤微生物對無機氮的生物固持作用，使其轉化成微生物體氮［14］，短期內會顯著降低土壤有機氮的礦化作用和硝化作用［15］。

然而，硝化作用作為土壤氮素循環過程中的一個重要環節，其強度是不是受到土壤全氮、速效氮含量或者微生物量影響，即不同肥力梯度土壤上，硝化潛勢是否由于底物濃度差異而形成梯度差異，其主要控制因素有哪些，都尚不清楚。本研究旨在依托長期定位施肥形成了比較穩定的不同肥力土壤，分析土壤氮素循環轉化過程中的各個指標，研究不同肥力梯度下土壤硝化潛勢的差異，并通過現代統計學分析方法闡明其與各氮素形態之間的相互效應關系，為該地區不同肥力土壤上的合理施肥和環境可持續發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點位于鄭州市，國家潮土肥力與肥料效益長期監測基地（113°41′25.5″ E，35°47′31.9″ N）。該基地地處暖溫帶，年均氣溫14.5℃，年均降水量615.1 mm，年均蒸發量1 450 mm，年均日照時數2 324 h。試驗地土壤為潮土，成土母質為黃河沖積物。

試驗始于1990年，試驗開始時的耕層（0～20 cm）土壤主要性狀為有機質10.1 g·kg-1，全氮0.65 g·kg-1，全磷0.64 g·kg-1，全鉀16.9 g·kg-1，堿解氮76.6 mg·kg-1，有效磷（Olsen-P）7.7 mg·kg-1，交換性鉀65 mg·kg-1，pH 8.3。種植制度為一年兩熟，小麥-玉米輪作。

1.2 試驗設計

試驗設置6個處理，分別為：(1)對照（不施肥，CK）；(2)施磷鉀肥（PK）；(3)施氮磷肥（NP）；(4)氮磷鉀平衡配施（NPK）；(5)有機肥與氮磷鉀配施（與NPK施肥量相同，其中70%的N由有機肥提供，MNPK）；(6)1.5倍MNPK（1.5MNPK）。小麥每季氮肥施用量為N165 kg·hm-2，玉米1991年氮肥施用量為165 kg·hm-2，1992年后改為187.5 kg·hm-2；氮肥為尿素，磷肥為普通過磷酸鈣（P2O5含量12%左右），鉀肥為氯化鉀（K2O為60%計算），氮、磷、鉀肥配比為N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.5。有機肥處理，1990—1998 年施用馬糞，1999 年開始牛糞和豬糞隔年輪換施用，有機肥中全氮含量為12.0±4.5 g·kg-1、全磷含量為6.8±2.7 g·kg-1、全鉀含量為7.9±3.4 g·kg-1，有機肥用量根據當年的含氮量和含水量計算，在秋季小麥播種前一次底施，隨有機肥施入的磷、鉀肥未計入施肥量。全部的磷、鉀肥和1/3 的氮肥作基肥底施，2/3 的氮肥在小麥返青期及玉米喇叭口期作追肥。灌水量根據當年的氣候狀況而定；分別在小麥幼苗期、返青期和玉米3～5葉期進行除草管理；根據不同品種小麥、玉米的不同特性，在搞好測報的基礎上，按照防治指標有針對性地進行病蟲害防治工作。2009年前，小區面積為400 m2，無重復；2009年后搬遷至現代農業研究基地，小區面積為43 m2，3次重復，隨機排列。小麥播種量常年在150～180 kg·hm-2，玉米行距60 cm，株距25 cm。

1.3 土壤樣品采集

土壤樣品采集于2016年10月中旬（玉米成熟期），采用“S”形取樣法分別對18 個小區進行取樣（6個處理，3個重復），各小區取5個點，采集0～20 cm耕層土壤組成混合樣品。田間采集的原狀土樣用硬質塑料盒運回實驗室，挑去細根后過2 mm篩，一部分放入4℃冰箱保存，用于土壤微生物生物量的測定；一部分風干，用于土壤基本理化性質的測定。供試土壤各理化性質見表1。

1.4 測定項目與方法

土壤pH用pH計測定，水土比為2.5∶1；土壤全氮（TN）采用半微量凱氏法；有機碳（SOC）用重鉻酸鉀容量法；硝態氮（）和銨態氮（）采用連續流動分析儀測定；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，比色法測定；速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度計法測定［16］。

微生物生物量碳、氮（MBC、MBN）采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法（FE）測定［17］，微生物生物量碳的換算系數為0.38，微生物生物量氮的換算系數為0.45［18］。

土壤固定態銨（Fixed ammonium，FA）采用Silva-Bremner法［19］測定。稱取1g過100目的干土，加入20 mL次溴酸鉀溶液，搖勻后靜置2 h。然后加入60 mL蒸餾水，并在電磁爐上煮沸5 min，煮后冷卻至隔夜。第二天棄上層清液，用0.5 mol·L-1KCl將殘余物洗入離心管中，搖勻，離心10 min（1100 r·min-1）。離心后棄上層清液，再加入0.5 mol·L-1KCl搖勻，離心，以上過程重復3次。之后加入20 mL 5 mol·L-1的HF和1 mol·L-1的HCl混合酸，震蕩24 h以釋放礦物固定的，最后用凱氏法蒸餾定氮，標準酸滴定，測定氮含量。

土壤硝化潛勢（Nitrification potential，NP）測定采用氯酸鹽抑制法［20］。以水土比4∶1向5 g土壤中加入含1 mmol·L-1（NH4）2SO4的磷酸鹽緩沖液（NaCl 8.0 g·L-1，KCl 0.2 g·L-1，Na2HPO40.2 g·L-1；pH 7.4），并加入10mmol·L-1KClO3溶液抑制亞硝酸鹽的氧化。土樣懸濁液于25℃黑暗培養24 h后加入5 mL的2 mol·L-1KCl溶液浸提NO2-N。NO2-N以N-（1-萘基）-乙二胺顯色，在540nm波長下測定，用測得單位時間單位土壤樣品增加的NO2-N含量表示硝化潛勢。

1.5 數據處理與分析

數據統計與分析采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行，所有數據測定結果均以平均值表示。不同施肥處理之間采用Duncan新復極差法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）；逐步回歸分析和路徑分析均采用SPSS 19.0軟件完成；方差分解分析（VDA）采用R語言中的“vegan”程序包處理；所有的圖采用Origin 9.1完成。

2 結 果

2.1 長期不同施肥處理下土壤的肥力梯度

與CK相比，不同施肥處理土壤全氮含量在施肥處理下增加了9.7%～75.8%（表1）。其中，1.5MNPK和MNPK處理最高，NPK和NP處理次之， PK處理較CK處理僅增加9.6%。土壤有機碳含量在不同處理間呈明顯梯度，在MNPK和1.5NPKM處理最高，為9.3～10.0 g·kg-1，NP和NPK處理為7.3～7.7 g·kg-1，在CK和PK處理為6.6～6.7 g·kg-1。土壤銨態氮含量在各處理之間無顯著差異，硝態氮含量和固定態銨含量在MNPK、NPK和CK處理下依次遞減。土壤有效磷含量在1.5NPKM、PK、MNPK處理最高，為43.4～69.8 mg·kg-1，NPK和NP處理次之，為25.4～27.3 mg·kg-1，CK處理含量最低，為2.6 mg·kg-1。土壤速效鉀含量在不同處理間呈明顯梯度，與CK處理相比，速效鉀含量在1.5MNPK、PK、MNPK和NPK處理下增加了4.4%～67.0%，而在NP處理下降低了27.9%。

張水清等［21］和魏猛［22］的研究表明，潮土上1.5MNPK處理肥力最高，MNPK處理為中等偏上肥力，NPK和NP處理為中等偏下肥力，PK處理肥力較低，CK處理肥力最低。土壤有機碳、全氮含量是土壤肥力的重要構成因素［23］，本研究中長期不同施肥處理下土壤有機碳和全氮含量存在顯著差異（P＜0.05），呈明顯的肥力梯度，因此，本試驗根據土壤養分含量將CK和PK定義為低肥力土壤（L）、NP和NPK為中肥力土壤（M）、MNPK和1.5MNPK為高肥力土壤（H）。

2.2 不同肥力梯度土壤的微生物生物量碳和氮

由表2可以看出，潮土微生物生物量碳、氮（MBC、MBN）在不同肥力梯度下差異顯著（P＜0.05）。除NP處理外，不同肥力土壤MBC和MBN均呈現出高肥力土壤＞中肥力土壤＞低肥力土壤的規律。其中，MBC在MNPK處理下為NPK處理下的1.1倍、CK處理下的1.5倍；MBN在MNPK處理下為NPK處理下的1.2倍、CK處理下的2.6倍。

土壤微生物量碳氮比（MBC/MBN）可以反映微生物群落結構信息，其顯著變化預示著土壤微生物群落結構可以直接影響土壤微生物生物量的高低［24］，細菌的MBC/MBN一般在5左右，真菌的MBC/MBN在6左右，放線菌的MBC/MBN在10左右，表2中NPK、MNPK、1.5MNPK處理的MBC/MBN分別為4.6、4.7、4.6，說明其土壤微生物群落可能以細菌為主。MBN/TN的值在一定程度上反映了土壤中氮素的生物有效性，由表3可知，從低肥力到高肥力，其表現為升高趨勢，表明提高土壤肥力增加了氮素的生物有效性。

表1 不同施肥處理土壤的基本理化性狀Table 1 Basic properties of the test soil relative to fertility

表2 不同肥力土壤的微生物生物量碳、氮Table 2 Microbial biomass carbon (MBC) and microbial biomass nitrogen (MBN) in the soil relative to fertility

2.3 不同肥力梯度土壤的硝化潛勢

硝化潛勢在高肥力土壤最高，為1.0～1.1 mg·kg-1·h-1；其次為中肥力土壤，為1.0 mg·kg-1·h-1；低肥力土壤最低，為0.3～0.4 mg·kg-1·h-1（圖1）。其中，高肥力土壤中M N P K處理硝化潛勢顯著高于其他處理，為C K處理的3.2倍，其次1.5MNPK處理，為CK處理的3.0倍；中肥力土壤硝化潛勢顯著高于低肥力，為低肥力土壤的2.4 倍～2.9倍。可見，土壤硝化潛勢在長期不同施肥處理形成的土壤肥力梯度之間有顯著差異（P＜0.05）。

2.4 土壤硝化潛勢的主要影響因素

對土壤NP和其他氮素相關指標的相關分析（表3）可知，NP與TN、SOC、MBC、MBN、FA和含量均呈極顯著正相關關系（P＜0.01）；與pH呈極顯著負相關關系（P＜0.01）；與、AP、AK含量無顯著相關關系。

圖1 不同肥力土壤的硝化潛勢Fig. 1 Soil nitrification potential (NP) in fluvo-aquic soil relative to soil fertility

為了解不同肥力土壤上，土壤理化性質與硝化潛勢之間的關系，以土壤pH（x1）、全氮含量（x2）、有機碳含量（x3）、硝態氮含量（x4）、銨態氮含量（x5）、固定態銨含量（x6）、微生物生物量碳（x7）和微生物生物量氮（x8）為自變量，以土壤硝化潛勢（y）為因變量進行逐步回歸分析，得到最優方程為：y = -0.555 + 0.01 x7+0.087 x4- 3.264 x2+ 0.009 x8，（P＜0.05）。從該方程可知，MBC、、TN和MBN是土壤NP的主要影響因子。

2.5 土壤硝化潛勢的直接和間接影響因素

為進一步揭示土壤硝化潛勢與其主要因素之間的關系，對土壤硝化潛勢的4個主要影響因子進行了路徑分析。從表4可知， MBC、、TN和MBN與NP之間的總效應均為顯著正效應。其中MBC、和MBN與NP之間為直接效應，直接效應系數分別為1.397、0.855和0.539；而TN與NP之間為間接效應（r=2.479）大于直接效應（r=-1.707）。

2.6 土壤硝化潛勢主要影響因素對其變異的貢獻率

為進一步了解硝化潛勢的4個主要影響因素對其變異的貢獻率，對潮土硝化潛勢與其主要影響因素進行了VDA分析。由圖2可知，微生物生物量碳氮（MBC和MBN）、和TN含量對硝化潛勢變異的貢獻率分別為24.3%、18.9%和13.7%。四個主效因子的交互作用對硝化潛勢變異的貢獻率達52.8%，各變量及其交互作用對硝化潛勢變異的總貢獻率達92.9%。

表3 土壤硝化勢與土壤基本理化性質之間的相關系數Table 3 Pearson correlation coefficients between soil nitrification potential and soil basic properties

表4 土壤硝化潛勢主要影響因素的路徑分析Table 4 Path analysis of the main affecting factors of soil nitrification potential

圖2 土壤硝化潛勢主要影響因素的VDA分析圖Fig. 2 VDA analysis diagram of main affecting factors of soil nitrification potential (NP)

3 討 論

3.1 不同肥力潮土全氮與硝化潛勢

有研究表明無論是單施化肥還是有機無機肥配施均能提高土壤全氮含量［25］，在本研究中長期不同施肥處理下土壤全氮含量呈顯著差異（P＜0.05），1.5MNPK和MNPK處理下最高，NPK和NP處理次之，PK和CK處理下最低，土壤全氮含量是土壤肥力的一個重要指標，根據各施肥處理的養分含量將其分為了三種肥力梯度。硝化作用是氮素（N）內循環的重要過程之一，與土壤N素的礦化-生物固持、N素肥力的供應緊密聯系［26-27］。本研究結果顯示，土壤硝化潛勢在肥力梯度之間有顯著差異（P＜0.05），呈高肥力土壤＞中肥力土壤＞低肥力土壤的規律，說明肥力越高硝化潛勢越強。本研究中，土壤硝化潛勢與其主要影響因素的VDA分析結果顯示4個主效因子對硝化潛勢變異的貢獻率分別為24.3%、18.9%和13.7%，而其交互作用對硝化潛勢變異的貢獻率達52.8%，各變量及其交互作用對硝化潛勢變異的總貢獻率達92.9%，并且4個主效因子相互之間存在極顯著相關關系（P＜0.01），這說明土壤硝化潛勢的差異主要是微生物生物量碳氮、全氮和硝態氮協同作用的結果。而有研究表明，土壤pH是影響紅壤各層次土壤硝化潛勢的主要因素，與硝化潛勢呈顯著正相關［4,8］，這可能是因為南方紅壤pH較低，且長期不同施肥后酸度差異較大，在一定范圍內土壤pH的升高有利于促進硝化作用。而本研究中潮土呈弱堿性，各處理之間pH差異較小（8.1～8.4），因此pH非硝化作用的限制因素。潮土上，土壤全氮是硝化潛勢的主要影響因素之一，且全氮對土壤硝化潛勢變異性的解釋率可達13.7%（圖2），此外，路徑分析結果顯示，全氮對硝化潛勢的影響為間接效應（表4，r=2.479）大于直接效應（r=-1.707），而全氮與微生物生物量碳、微生物生物量氮存在極顯著相關關系（P＜0.01），相關系數分別達0.965、0.888（表3），說明全氮可能主要是通過影響微生物生物量來影響硝化潛勢的。總體而言，土壤全氮影響硝化潛勢的原因可能有：(1)施肥或者高量施肥后，全氮含量增加，硝化作用增強，是氨氧化菌基因表達增強的結果。有研究表明［28］，氨氧化細菌（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）數量與土壤全氮含量呈顯著正相關關系，Ai等［12］研究結果發現氮肥明顯增加AOB豐度和土壤硝化潛勢，有機肥則增加氨氧化古菌（Ammonia oxidizing archaea，AOA）的豐度。(2)因為土壤氮素礦化過程受土壤全氮和有機質含量水平的影響［29-30］，土壤肥力的提高導致土壤氮素礦化作用增強［31］，從而使土壤中硝化作用底物濃度增加，硝化作用增強。

3.2 不同肥力潮土微生物量碳、氮與硝化潛勢

土壤微生物量是植物營養物質的源和庫，并積極參加養分循環，是土壤養分的活性部分，其中土壤微生物生物量碳和氮是土壤碳氮庫中最為活躍的部分，是土壤生物學評價的重要指標之一［32］。本研究結果顯示MBC和MBN在不同施肥處理間存在顯著差異（P＜0.05），并且均呈現出高肥力土壤＞中肥力土壤＞低肥力土壤的規律，這可能是因為長期施用化肥改善了土壤團粒結構和養分狀況等，植物生長旺盛從而促進根系分泌物的釋放，還能增加根系殘茬的還田量，進而創造了有利于土壤微生物生存生長的環境，根際土壤微生物的活性增強。此外，Jackson等［33］研究結果也表明，有機肥與化肥配合施用很大程度上提高了土壤微生物的活性，土壤有機碳源得到補充的同時也提高了土壤的有效養分和保水能力，所以有機無機肥配施的土壤微生物生物量碳氮含量較高，與此同時，有機肥中本身含有大量微生物，這也可能是有機無機肥配施處理下土壤微生物量增加的原因之一。與低肥力土壤相比，長期施用含氮化肥形成的中肥力土壤中硝化潛勢顯著提高，土壤微生物生物量碳、氮均與硝化潛勢呈顯著正相關關系（P＜0.05），路徑分析結果也表明微生物生物量碳是影響土壤硝化潛勢最直接的效應因子，微生物生物量碳、氮對硝化潛勢變異性的解釋率可達24.3%。這可能是因為如上所述，化學氮肥的施入不僅可以直接為硝化作用提供底物銨態氮，而且施氮還可激發誘導土壤氨氧化菌的活性和數量。Chu等［11］研究表明，NPK處理下氨氧化細菌的群落多樣性顯著高于CK和PK處理下，楊亞東等［28］也發現，在對華北潮土上，增施化學氮肥可使AOB數量提高0.64倍～1.99倍，對總細菌和AOA數量的影響不顯著。推測土壤微生物量對硝化潛勢的貢獻主要來源于氨氧化菌對硝化潛勢的影響。

有研究表明，無論是單施有機肥還是有機-無機配施，均能有效地培肥地力和提高土壤固氮能力并提高作物產量［34-35］。本研究中，除1.5 M NPK處理之外，長期有機無機肥配合施用形成的高肥力土壤中硝化潛勢顯著高于中肥力土壤的硝化潛勢。長期施用有機肥刺激土壤硝化作用的機制較為復雜，He等［36］研究發現有機-無機肥配施不僅可以緩沖土壤pH變化，還能為AOB和AOA提供基質、養分及適宜的生存環境，從而促進其生長繁殖，而且有機肥在分解礦化的過程中可以產生大量銨態氮，刺激硝化作用的發生。此外，研究表明有機肥處理土壤的AOB硝化潛勢和數量明顯高于化學氮肥處理［37］。Chu等［11］還指出，向土壤中施加有機肥后硝化細菌種屬發生了改變，不施肥土壤中土壤硝化細菌主要是Nitrosospira cluster 9，施用有機糞肥后硝化細菌的主要種屬轉變為Nitrosospira cluster 3，其硝化能力顯著高于前者，這也可能是土壤硝化潛勢升高的原因之一。

3.3 不同肥力潮土硝態氮（）與硝化潛勢

4 結 論

在長期不同施肥處理下，該地區土壤養分含量發生了很大的變化，有機無機肥配施有利于土壤養分的積累和土壤肥力的提高。長期不同施肥處理下不同肥力土壤硝化潛勢存在顯著差異（P＜0.05），呈現高肥力土壤大于中肥力土壤大于低肥力土壤的規律，土壤硝化潛勢的差異主要是微生物生物量碳氮、全氮和硝態氮協同作用的結果，三個因素對硝化潛勢變異性的解釋率分別為24.3%、13.7%和18.9%，三者之間的交互作用可達52.8%，各變量及其交互作用對硝化潛勢變異的總貢獻率達92.9%，這也說明氮素形態之間的轉化過程是影響硝化潛勢的主要因素，值得進一步研究。該地區有機無機肥配施有利于農田土壤肥力的提高，但是高肥力土壤上硝化作用較強，銨態氮肥很容易被氧化為硝態氮，通過淋洗和反硝化途徑損失的風險較高，在農業管理當中應通過改善水肥條件來調控其土壤硝化強度，進而達到構建氮素養分庫和減少氮素損失的目的。