干濕交替下氮肥施用對土壤有機氮庫轉化的影響

崔宏卓，廖世鵬，張洋洋，李小坤，叢日環，任 濤*，魯劍巍

（1.華中農業大學資源與環境學院，湖北 武漢 430070；2.農業農村部長江中下游耕地保育重點實驗室，湖北 武漢 430070）

水旱輪作是我國長江流域的主要種植模式，其季節性的干濕交替會促進土壤中氧化還原反應的進行，從而影響土壤中各類養分的形態及其轉化［1］。氮素作為植物生長發育所必需的大量元素，是限制作物產量和品質的關鍵因子，氮肥的施用是提高作物和土壤氮素含量的重要手段［2-3］。土壤中的無機氮庫是體現旱地土壤供氮能力的重要指標，然而在水田土壤中，土壤無機氮含量并不能有效表征土壤的氮素供應［4］。宿敏敏［5］在研究稻麥輪作系統中土壤無機氮（0～20 cm）的動態變化規律時發現，在水稻季施用氮肥后，土壤銨態氮含量在短期內明顯提升，經過一個月后又逐漸下降，最后與不施肥處理的銨態氮含量無明顯差異，均維持在較低水平，但水稻的最終產量卻明顯高于不施肥處理。可見，氮肥在施用到水田后優先以無機氮形態存在，經過一段時間后逐漸轉化并儲存為其他有效的氮素形態。

有機氮庫是土壤氮素的重要組成部分，其占土壤全氮含量的90%以上，并且可以通過土壤微生物的礦化作用轉化為無機氮，是土壤無機氮的重要補充。研究表明［6-7］，土壤對作物的供氮量可占到作物吸氮量的45%～82%，土壤中無機氮含量因作物吸收而明顯降低，土壤中有機氮便會通過氨化作用分解成NH4+，部分NH4+再通過硝化作用形成NO3-，從而補充土壤無機氮含量。近年來發現，土壤有機氮組分受植被、耕地類型、灌溉和施肥等農業措施顯著影響。其中，施用氮肥是補充土壤氮素和維持土壤生產力的主要措施，也是土壤有機氮的重要來源［8］。張電學等［9］通過小麥/玉米輪作試驗發現，氮肥施用主要進入土壤酸解銨態氮和氨基酸態氮庫。而王巖等［10］的研究表明，土壤中殘留的化肥氮主要轉化為未知態氮和氨基酸態氮。此外，吳漢卿等［11］研究發現，灌水下限、施氮量和水氮交互均顯著影響土壤有機氮組分。通過以上研究有利于分析土壤有機氮庫的最終變化，但忽略了土壤有機氮庫的動態轉化過程，從而導致不同研究者的結果不盡相同，而且目前關于水旱輪作體系的研究更是少之又少。

因此，為了明確水旱輪作條件下土壤氮庫，尤其是有機氮庫的轉化，本研究利用室內培養試驗，模擬了不同水分條件下氮肥施用對土壤氮素形態的影響，剖析了不同形態氮庫之間的相互關系，以期揭示水分和氮肥相互作用對土壤有機氮庫的影響，為水旱輪作體系氮肥的合理施用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自湖北省武漢市華中農業大學校內定位試驗基地（30°28′10″N，114°21′21″E），土壤類型為黃棕壤（鐵質濕潤淋溶土），質地屬于黏壤土。供試土壤基礎理化性質為pH 6.51，有機質15.27 g/kg，全氮0.71 g/kg，有效磷6.24 mg/kg，速效鉀130.9 mg/kg。

1.2 試驗設計

培養試驗采用兩因素（氮素和水分）試驗設計，包括2個氮素水平（N0：不施氮；N64：施氮N 64 mg/kg）和4種水分條件（SF：模擬淹水；FD：水改旱；SD：模擬旱地；DF：旱改水），氮素和水分完全組合共8個處理，每個處理4次重復，完全隨機排列，于華中農業大學校盆栽場進行。試驗采用土培法，每盆裝土15.0 kg，供試氮素為尿素，水為自來水（NH4+-N和NO3--N含量分別為0.2、3.0 mg/L）。其中模擬淹水條件為土壤與肥料混合均勻后淹水，整個培養階段水面深度保持在5 cm左右；而水改旱條件在培養前期與模擬淹水條件相同，當培養87 d后進行落干，將土壤水分含量維持在田間持水量的80%左右繼續培養3個月；模擬旱地條件為土壤與肥料混合均勻后加水，調整土壤含水量為田間持水量的80%左右；而旱改水條件在培養前期與模擬旱地處理相同，87 d后淹水，保持水面深度在5 cm左右繼續培養3個月。各處理每隔2 d采用稱重法加水以保證各處理水分條件的一致。對于模擬旱地處理，首次澆水采用2/3注射+1/3漫灌的方式，之后均采用注射的方式；模擬淹水處理的桶內壁做好刻度以保證桶內水面在0.5 cm內變化。

1.3 樣品采集與測定

分別在施肥后第1、7、15、27、55、87、103（水分條件轉換完成）、109、117、129、157、189 d采用直徑為2 cm的土鉆在每個盆內取土，每盆土取5鉆，鉆眼利用其周圍表層土壤填充，將其適當風干至土壤中沒有明顯水分后，立即過2 mm篩并混勻，部分土樣采用1 mol/L KCl浸提-連續流動分析儀（AA3，Seal公司，德國）測定土壤無機氮（NH4+-N和NO3--N）含量，剩余土樣進行風干處理。風干后選取27、129 d土壤樣品測定其全氮和有機氮組分含量。土壤全氮采用濃硫酸消煮-半微量凱氏定氮法測定；土壤有機氮組分采用Bremner酸解-分級法［5］測定。

1.4 數據處理

數據采用Excel 2010進行計算，采用SPSS 20.0進行方差分析、多重比較（LSD）和相關性分析，利用Origin Pro 8.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同水分條件下土壤含水量的動態變化

由圖1所示，土壤培養前87 d內，模擬淹水與水改旱處理土壤含水量為30%，而模擬旱地與旱改水處理土壤含水量為24%，經過水分條件轉換（87 d）后，水改旱處理土壤含水量低于模擬淹水處理，而旱改水處理土壤含水量高于模擬旱地處理。

圖1 培養階段不同處理土壤含水量動態變化

2.2 不同水分條件和氮肥用量下土壤無機氮含量的動態變化

根據圖2可知，模擬淹水條件下土壤銨態氮含量顯著高于模擬旱地條件，且模擬淹水條件下土壤銨態氮含量隨氮肥用量的增加而增加，而模擬旱地條件下土壤銨態氮含量受氮肥用量的影響并不顯著。當培養至27 d時，模擬淹水條件下土壤銨態氮含量達到穩定，與不施肥相比，氮肥施用提高土壤銨態氮20.1 mg/kg，提升幅度為232.5%。經水分條件轉換（87 d）后，水改旱條件下土壤銨態氮含量開始下降，而其他水分條件均無明顯變化。當培養至129 d時，與模擬淹水條件相比，水改旱條件下不施肥和施肥處理中土壤銨態氮含量分別降低0.2和7.7 mg/kg，降低幅度分別為2.5%和29.9%。氮肥施用后模擬旱地條件下土壤硝態氮含量顯著高于模擬淹水條件，且模擬旱地條件下土壤硝態氮含量隨氮肥用量的增加而增加，而模擬淹水條件下土壤硝態氮含量受氮肥用量的影響并不顯著。當培養至27 d時，模擬旱地條件下土壤銨態氮含量達到峰值，與不施肥相比，氮肥施用提高土壤硝態氮26.3 mg/kg，提升幅度為228.7%。經水分條件轉換（87 d）后，各種水分條件下土壤硝態氮含量并無明顯變化，并且隨著時間的延續，土壤硝態氮含量均呈現降低的趨勢，當培養至187 d時，各種水分條件下土壤硝態氮無明顯差異，均維持在較低水平。

圖2 不同水分條件和氮肥用量下土壤無機氮含量動態變化

2.3 不同水分條件和氮肥用量下土壤酸解態總氮與未酸解態氮含量的變化

氮肥施用能夠顯著提高土壤酸解態總氮含量，而水分條件與培養時間對土壤酸解態總氮含量均無顯著影響，氮肥施用、水分條件與培養時間三者之間均無顯著交互作用（表1）。當培養至27 d時，與不施肥處理相比，模擬淹水、水改旱、模擬旱地、旱改水處理在施用氮肥后土壤酸解態總氮含量分別增加51.4、55.8、52.3、58.4 mg/kg，增幅分別為11.5%、12.6%、11.9%、13.4%。進行水分條件轉換并培養至129 d時，施用氮肥與不施肥處理相比，模擬淹水、水改旱、模擬旱地、旱改水處理土壤酸解態總氮分別增加56.8、41.3、52.5、47.7 mg/kg，增幅分別為12.9%、9.4%、12.1%、10.5%。土壤未酸解態氮含量在培養過程中比較穩定，在整個培養階段，各種水分條件與氮肥處理中土壤未酸解態氮含量均維持在261.2～301.0 mg/kg范圍內，水分條件、氮肥用量與培養時間均未對土壤未酸解態氮含量產生顯著影響。

表1 不同水分條件和氮肥用量下土壤酸解態總氮與未酸解態氮含量

2.4 不同水分條件和氮肥用量下土壤酸解態氮各組分含量變化

氮肥施用不僅提高土壤酸解態總氮含量，對土壤酸解態氮各組分含量也有顯著影響（圖3），不同水分條件下施入氮肥，土壤酸解態氮各組分含量變化具有一定差異。當培養至27 d時，與不施肥處理相比，模擬淹水、水改旱、模擬旱地、旱改水條件下施用氮肥后土壤酸解銨態氮含量分別增加21.8、20.3、8.0、7.1 mg/kg，氨基酸態氮含量分別增加5.5、4.9、19.0、17.8 mg/kg，未知態氮含量分別增加18.0、14.2、16.9、15.5 mg/kg，而氨基糖態氮含量無明顯變化。進行水分條件轉換并培養至129 d時，與27 d相比，模擬淹水與水改旱條件下施用氮肥處理中土壤酸解銨態氮含量分別降低22.7、20.5 mg/kg，氨基糖態氮含量分別提高29.7、23.7 mg/kg，而模擬旱地與旱改水條件下施用氮肥處理中土壤氨基酸態氮含量分別降低25.2、31.9 mg/kg，未知態氮含量分別提高24.9、22.3 mg/kg。

圖3 不同水分條件和氮肥用量下土壤酸解態氮各組分含量

將第27 d土壤酸解態總氮和酸解態氮各組分含量進行線性回歸分析可知（圖4），不同水分條件下施用氮肥土壤酸解態氮在酸解態氮各組分的分布略有不同，模擬淹水條件下土壤酸解態氮主要以酸解銨態氮和未知態氮形式存在，分配比例分別為40.2%、33.7%，而模擬旱地條件下主要以氨基酸態氮和未知態氮形式存在，分配比例分別為40.7%、31.5%。進行水分條件轉換并培養至129 d時（圖5），與培養27 d時相比，模擬淹水條件下土壤酸解銨態氮分配比例降低14.1%，而氨基糖態氮分配比例明顯提高10.5%；模擬旱地條件下土壤氨基酸態氮分配比例降低10.0%，而未知態氮分配比例提高9.7%；與模擬淹水條件相比，水改旱條件下土壤氨基糖態氮分配比例降低5.7%；旱改水條件較模擬旱地條件下土壤未知態氮分配比例降低6.2%。

圖4 27 d時不同水分條件下土壤酸解態總氮與酸解氮各組分的關系

圖5 129 d時不同水分條件下土壤酸解態總氮與酸解氮各組分的關系

2.5 不同水分條件和氮肥用量下土壤無機氮與有機氮組分的相關性分析

氮肥用量與土壤無機氮、有機氮各組分的相關性分析結果如圖6所示，隨氮肥用量的增加，土壤銨態氮、酸解態總氮、酸解銨態氮、氨基酸態氮及未知態氮含量均極顯著增加（P＜0.01）。土壤銨態氮與硝態氮之間無顯著相關關系，而土壤酸解態氮中除氨基糖態氮外各酸解態氮組分均隨酸解態總氮含量的增加而增加（P＜0.01）。土壤銨態氮與酸解銨態氮、酸解態總氮均存在極顯著正相關性（P＜0.01），而土壤硝態氮與酸解氨基酸態氮之間也存在極顯著正相關性（P＜0.01）。

圖6 不同水分和氮肥用量下土壤氮組分間的相關關系矩陣圖

3 討論

3.1 水分條件和氮肥用量對土壤無機氮組分的影響

水分和氮肥是影響土壤無機氮含量的重要因素，本研究中，不同水分條件下施用氮肥對土壤無機氮含量產生不同的影響。模擬淹水條件下，施用氮肥有利于土壤銨態氮含量的明顯提高，而對土壤硝態氮含量無明顯影響。這與已報道的研究結果［12-13］類似，當尿素等化肥施入水田后會優先轉化為銨態氮，其中在第1 d時銨態氮占總氮濃度比例達到50.6%～92.8%，而硝態氮僅占3.8%～22.6%。相反，模擬旱地條件下施用氮肥有利于土壤硝態氮含量的提高，而對土壤銨態氮含量無明顯影響。范曉暉等［14］和Flowers等［15］研究表明，硝化微生物為好氧微生物，受土壤水分與氧分壓的強烈影響，旱地條件下硝化作用明顯強于淹水條件。王西娜等［16］也通過研究發現，硝態氮是旱地作物吸收的主要氮素形態，旱地土壤無論施入酰胺態氮肥尿素，還是銨態氮肥碳酸氫銨，最終都將轉化成硝態氮。

3.2 水分條件和氮肥用量對土壤有機氮組分的影響

本研究發現氮肥施用能明顯提高土壤酸解態總氮含量，但未酸解態氮含量無明顯增加，水分條件對于土壤酸解態總氮與未酸解態氮含量均無明顯影響。賈倩等［17］對不同輪作模式下氮肥用量對土壤有機氮組分影響的研究中也得出類似結論，經過3年種植后，不同輪作模式下土壤全氮和酸解態總氮含量均明顯增加，而未酸解態氮在3年內并未發生明顯變化。其原因可能是：采用Bremner酸水解有機氮分級法測得的未酸解態氮可能以雜環或芳香環類化合物存在，而這兩種均為穩定性氮化合物，不易被礦化，因此可以認為未酸解態氮主要以難礦化的穩定性有機氮為主，而土壤酸解態氮則較為活躍，與土壤供氮能力緊密相關，其酸解態氮各個組分在一定程度上可作為土壤供氮潛力的表征［18-19］。

通過對酸解態氮各組分含量變化的進一步分析可知，在施用氮肥的初始培養階段，模擬淹水與模擬旱地條件下土壤酸解銨態氮、氨基酸態氮、未知態氮含量均會提高，這與前人研究結果基本一致［9-11］。但兩種水分條件下酸解氮組分增加程度不同，其中模擬淹水條件下主要提高酸解銨態氮含量，而模擬旱地條件下主要提高酸解氨基酸態氮含量，并且隨著培養時間的延長，各處理土壤酸解銨態氮、氨基酸態氮含量均開始逐漸降低。以上表明，氮肥在施用到土壤中后會優先轉化為酸解銨態氮與氨基酸態氮，而隨著生育期的推進，這兩種組分會分解向其他有機氮組分轉化。姜慧敏等［20］通過15N標記化肥研究氮在土壤中轉化時也發現，利用外源化肥氮合成的酸解銨態氮和氨基酸態氮相對不穩定，容易被土壤微生物轉化為其他形態保存在土壤中，可分別定義為“暫時庫”和“過渡庫”。當經過水分條件轉變后發現，模擬淹水、水改旱條件下，土壤氨基糖態氮含量明顯提高，而模擬旱地、旱改水條件下的未知態氮含量有所增加。其原因可能是土壤水分含量較高的條件下有利于提高微生物量，且氨基糖態氮主要存在于真菌的幾丁質結構中，來源于微生物細胞壁物質，隨微生物量的提高，土壤氨基糖態氮含量也隨之增加［21-22］。而未知態氮是由雜環態氮、土壤腐殖化過程的產物等生物有效性低的物質組成，不易分解，因而容易在土壤中聚集［23］。因此，在水分含量較高的條件下，土壤不穩定有機氮組分主要向氨基糖態氮轉化，而水分含量低的條件下，主要向未知態氮轉化。

3.3 土壤無機氮與有機氮組分之間的關系

多年研究表明［24］，無機氮的同化和有機氮的礦化是土壤中同時進行的兩個方向相反的過程，它們的強弱程度主要取決于能源物質的種類和數量，當易分解的能源物質大量存在時，無機氮的同化作用就會大于有機氮的礦化作用，從而表現為無機氮的凈生物同化作用，反之則為凈礦化作用。因此，在本試驗中施用氮肥處理的土壤無機氮含量在整個培養階段呈降低的趨勢，主要表現為無機氮的生物同化作用。同時，由于酸解銨態氮和氨基酸態氮組分在有機氮庫中相對不穩定，會逐漸分解轉化為比較穩定的氨基糖態氮和未知態氮組分。通過將無機氮與有機氮組分進行相關性分析發現，土壤銨態氮與酸解銨態氮呈顯著的正相關，而土壤硝態氮與酸解氨基酸態氮也存在顯著正相關性。有研究表明，酸解銨態氮主要成分為土壤吸附態銨、固定態銨、脫氨基作用及分解轉化的銨態氮，因此土壤銨態氮與酸解銨態氮之間存在緊密的聯系［25］。而目前關于氨基酸態氮成分的研究相對較少，尚且無法印證土壤硝態氮與氨基酸態氮之間的關系，該問題有待于進一步研究。

因此，水田中施入氮肥短期內有利于提高土壤銨態氮和酸解銨態氮含量，但隨著時間的延長，兩種氮組分會逐漸降低，而氨基糖態氮含量逐漸增加，這就解釋了為什么氮肥在施入水田后短期內提高田面水和土壤無機氮含量，當經過一個月的時間后，不同氮肥處理之間土壤無機氮并無明顯差異的問題。卜容燕等［26］在研究水稻-油菜輪作體系中發現，僅在稻田中施用氮肥可以提高當季水稻產量，水稻收獲后土壤無機氮含量無顯著提升，但仍對下季油菜產生顯著的后效。這是因為水稻季施入的氮肥顯著提高了土壤氨基糖態氮組分含量，因作物吸收影響，土壤氨基糖態氮通過礦化作用轉化為植物吸收的硝態氮以滿足作物的需求。可見，土壤氨基糖態氮可有效表征水田土壤的供氮能力，是水旱輪作體系肥料氮素的重要“中轉庫”（圖7）。

圖7 氮肥施用在水旱輪作體系下土壤氮庫內的轉化

4 結論

不同水分條件下施入氮肥顯著影響土壤無機氮與有機氮的含量。培養初期，模擬淹水條件下施入氮肥有利于提高土壤銨態氮和酸解銨態氮的含量，而模擬旱地條件下有利于提高土壤硝態氮與氨基酸態氮的含量。

隨培養時間的延長，各種水分條件下土壤無機氮、酸解銨態氮及氨基酸態氮含量逐漸降低，而模擬淹水、水改旱條件下氨基糖態氮含量則明顯提高，模擬旱地、旱改水條件下未知態氮含量明顯提高。

氮肥施入水田初期促進了土壤銨態氮和酸解銨態氮含量的提高，隨后這兩種氮組分逐漸分解轉化，而氨基糖態氮含量逐漸提升，氨基糖態氮是水旱輪作體系肥料氮素的重要“中轉庫”。