不同類型作物生長對土壤有效氮構(gòu)成和氮肥轉(zhuǎn)化利用的影響

曾 科，楊蘭芳，于 婧，李彬波，汪正祥

（湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430062）

不同類型作物生長對土壤有效氮構(gòu)成和氮肥轉(zhuǎn)化利用的影響

曾 科，楊蘭芳*，于 婧，李彬波，汪正祥

（湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430062）

采用高、低氮處理研究盆栽種植大豆、棉花、玉米和高粱對土壤有效氮構(gòu)成和氮肥轉(zhuǎn)化利用的影響，以期為不同類型作物的氮肥合理利用及其利用率的提高提供技術(shù)指導(dǎo)。結(jié)果表明，與施氮肥不種植作物（對照）相比，種大豆、棉花、玉米、高粱使土壤有效氮含量分別顯著降低53.48%、51.54%、33.10%、55.03%，并影響有效氮構(gòu)成。其中，種大豆、棉花、玉米、高粱使土壤無機氮含量分別顯著降低85.41%、83.09%、70.89%、83.35%，水解有機氮含量分別顯著增加1.41、1.53、2.11、1.28倍；種大豆、棉花、玉米、高粱使無機氮所占比例分別顯著降低68.61%、65.09%、56.47%、63.00%，水解有機氮所占比例分別顯著增加4.18、4.21、3.66、4.08倍。與對照相比，種大豆、棉花、玉米、高粱使銨態(tài)氮肥轉(zhuǎn)化率分別顯著提高93.66%、38.19%、32.58%、38.31%，以種大豆增幅最高；種大豆、棉花、玉米、高粱處理的銨態(tài)氮肥硝化率都變?yōu)樨撝?，以種大豆降幅最大。種大豆、棉花、玉米、高粱處理的氮肥利用率分別為52.01%、28.31%、24.16%、28.40%，以種大豆處理的氮肥利用率最高。綜上，作物生長通過對氮素的吸收利用和對土壤環(huán)境的改變，抑制土壤硝化作用，并促進土壤水解有機氮的形成，從而影響土壤有效氮的構(gòu)成和施入土壤氮的轉(zhuǎn)化利用。豆類作物較非豆類作物抑制土壤硝化作用的能力強，對土壤銨態(tài)氮的利用效率高。

作物生長；有效氮；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；水解有機氮；氮肥利用率

氮是植物營養(yǎng)三要素，也是肥料三要素之一，土壤氮素不足會影響作物生長，從而降低產(chǎn)量和品質(zhì)［1］。土壤中的氮素是有限的，農(nóng)作物需要的氮素主要靠施用氮肥來補充，但是氮肥施用過多，不僅不利于植物生長，而且會污染環(huán)境［2］。氮肥施入土壤后，會向各種形態(tài)的氮素轉(zhuǎn)化，氮肥在土壤中的轉(zhuǎn)化不僅影響著氮肥的利用率，也影響生態(tài)環(huán)境。植物生長一方面要吸收利用土壤中的氮素和水分，同時也會向土壤中輸入光合產(chǎn)物，從而影響土壤環(huán)境的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)［3-4］，最終影響氮在土壤中的轉(zhuǎn)化。不同植物對土壤環(huán)境的影響不同［5］，導(dǎo)致其對土壤氮素的轉(zhuǎn)化利用率也不同。豆類作物因其能共生固氮可以利用大氣中的氮，是土壤中氮素的重要自然來源［6］。在自然狀態(tài)下，共生固氮每年可以為陸地土壤提供0.9～1.3億t的氮素［7］。豆類作物固氮消耗的能量來自其光合產(chǎn)物［8］。如：在相同條件下，大豆土壤呼吸總量及呼吸速率均顯著高于棉花［9］。同工業(yè)固氮相比，豆類作物固定的氮素是環(huán)境友好型氮。當(dāng)前有關(guān)豆類作物與非豆類作物生長對土壤氮素形態(tài)和氮肥轉(zhuǎn)化利用影響的研究還比較薄弱。為此，采用盆栽試驗，研究不同類型作物（大豆、玉米、棉花、高粱）生長對土壤有效氮構(gòu)成和氮肥轉(zhuǎn)化利用的影響，以期為不同類型作物生長下氮肥的合理利用及其利用效率的提高提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用土壤為長江沉積物發(fā)育的潮土，土壤采自湖北大學(xué)校園內(nèi)三號體育館外的荒草地。土壤采回后攤開，挑出石塊和植物殘體后于陰涼處自然風(fēng)干，然后過5 mm篩，用于盆栽試驗。土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。試驗所用作物有4種，分別是大豆（中黃13）、玉米（雅玉12）、棉花（鄂抗棉9）、高粱（紅高粱）。其中，大豆種子購于武漢大東門種子市場，棉花、玉米和高粱種子由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置7個處理，分別為：不施氮不種植作物（原土，OR）、低氮不種植作物（對照1，LN）、高氮不種植作物（對照2，HN）、低氮種大豆（SB）、高氮種棉花（CT）、高氮種玉米（MZ）、高氮種高粱（SG），每個處理重復(fù)3次。每盆裝過5 mm篩的風(fēng)干土4.5 kg，低氮處理施用150 mg/kg N、75 mg/kg P2O5、150 mg/kg K2O，高氮處理施用300 mg/kg N、75 mg/kg P2O、150 mg/kg K2O。分別以（NH4）2SO4、KH2PO4和K2SO4為肥源，肥料一次性作基肥施入。于2014年4月30日播種，每盆播種3粒，出苗后每盆保留1株，至作物完全成熟時（2014年10月1日）全部收獲。

1.3 土樣處理及項目測定

作物收獲后，將土壤帶回實驗室，轉(zhuǎn)入干凈的塑料盤中，室內(nèi)自然風(fēng)干，然后剔除作物殘根，混合均勻，用四分法選取約500 g磨細過1 mm篩，裝瓶，用于分析有效氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。其中，土壤有效氮含量采用鐵鋅粉還原—堿解擴散法測定，銨態(tài)氮含量采用氯化鉀浸提—靛酚藍分光光度法測定，硝態(tài)氮含量采用酚二磺酸分光光度法測定［10］。

1.4 指標計算與數(shù)據(jù)處理

1.4.1 指標計算 無機氮含量=硝態(tài)氮含量+銨態(tài)氮含量；水解有機氮含量=有效氮含量-無機氮含量；氮肥轉(zhuǎn)化率=（施入土壤氮量+原土無機氮含量-收獲后土壤無機氮含量）/施入土壤氮量；氮肥硝化率=（收獲后土壤硝態(tài)氮含量-原土硝態(tài)氮含量）/施入土壤氮量；氮肥利用率=種植作物土壤的氮肥轉(zhuǎn)化率-不種植作物土壤的氮肥轉(zhuǎn)化率。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007計算，采用Origin 9.1軟件進行作圖，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析，采用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型作物生長對土壤有效氮含量的影響

土壤的供氮能力取決于土壤有效氮含量，有效氮主要包括無機氮和水解有機氮，其中無機氮主要包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮［11-12］。由表2可見，對照土壤的有效氮含量顯著高于原土和種植作物的土壤，高氮對照的土壤有效氮含量比低氮對照高11.00%。與對照土壤相比，種大豆、棉花、玉米、高粱土壤有效氮含量分別降低了53.48%、51.54%、33.10%、55.03%。與原土相比，種大豆、高粱土壤有效氮含量與之無顯著差異，種玉米、棉花土壤有效氮含量分別顯著提高了54.01%、11.57%。

對照土壤的硝態(tài)氮含量顯著高于原土和種植作物的土壤，高氮對照的土壤硝態(tài)氮含量比低氮對照高12.62%。與對照土壤相比，種大豆、棉花、玉米、高粱土壤硝態(tài)氮含量分別降低了94.96%、93.21%、97. 86%、94.35%。與原土相比，種大豆、棉花、玉米、高粱土壤硝態(tài)氮含量分別降低了71.05%、56.07%、86. 16%、63.49%。

與對照土壤相比，種玉米、高粱土壤銨態(tài)氮含量分別增加了162.26%、11.79%，而種大豆和棉花土壤銨態(tài)氮含量與之無顯著差異，且2種對照土壤間的銨態(tài)氮含量也無顯著差異。同原土相比，種大豆土壤銨態(tài)氮含量顯著降低了11.93%，種玉米、高粱土壤銨態(tài)氮含量分別顯著增加了165.27%和13.07%，而種棉花和對照土壤的銨態(tài)氮含量與原土相比無顯著差異。

對照土壤的無機氮含量顯著高于原土和種植作物土壤，高氮對照土壤的無機氮含量比低氮對照高11.91%。與對照土壤相比，種大豆、棉花、玉米、高粱土壤無機氮含量分別降低了85.41%、83.09%、70. 89%、83.35%，種大豆土壤的降低幅度最大。同原土相比，種玉米土壤無機氮含量顯著增加20.78%，而種大豆、棉花、高粱土壤無機氮含量分別顯著降低45.90%、29.83%、30.93%。

種植作物土壤的水解有機氮含量均顯著高于對照土壤和原土，而對照土壤的水解有機氮含量顯著低于原土，2種不同氮肥施用量對照土壤之間的水解有機氮含量無顯著差異。同對照土壤相比，種大豆、棉花、玉米、高粱土壤水解有機氮含量分別增加了1.41、1.53、2.11、1.28倍，以種玉米增加最多。同原土相比，種玉米、棉花、大豆、高粱土壤水解有機氮含量分別增加了84.75%、49.87%、35.67%、35.41%，對照土壤的水解有機氮含量比原土分別下降了40. 67%和43.75%。

2.2 不同類型作物生長對土壤有效氮構(gòu)成的影響

由表3可知，不同處理有效氮的構(gòu)成即各形態(tài)氮占有效氮的比例不同。原土中，水解有機氮所占比例略高于無機氮，無機氮中硝態(tài)氮所占比例高于銨態(tài)氮。對照土壤中，無機氮所占比例遠遠高于水解有機氮，無機氮中硝態(tài)氮所占比例遠高于銨態(tài)氮。所有種植作物土壤的水解有機氮所占比例遠高于無機氮，無機氮中銨態(tài)氮所占比例遠高于硝態(tài)氮。

與對照土壤相比，種大豆、棉花、玉米、高粱土壤無機氮所占比例分別顯著降低了68.61%、65.09%、56. 47%、63.00%，以種大豆土壤降低幅度最高，種玉米土壤降低幅度最小。其中，種植作物土壤硝態(tài)氮所占比例顯著降低了85.99%～96.81%，以種玉米土壤的降低幅度最大，種棉花土壤的降低幅度最小，種大豆土壤的降低幅度分別比種棉花、高粱土壤降幅提高3.67%、1.94%，但比種玉米土壤降幅降低7.91%；種植作物土壤銨態(tài)氮所占比例顯著增加了98.83%～292.32%，以種大豆土壤增加幅度最低，分別比種棉花、玉米、高粱土壤增幅低14.43%、66.17%、33. 39%。與對照土壤相比，種大豆、棉花、玉米、高粱土壤水解有機氮所占比例分別顯著增加4.18、4.21、3. 66、4.08倍，以種棉花土壤增幅最高，種玉米土壤增幅最低，種大豆土壤的增幅與種棉花土壤增幅相近，但高于種玉米、高粱土壤增幅。

同原土相比，不種植作物低氮對照土壤和高氮對照土壤的無機氮所占比例分別顯著增加了78.70%和80.16%，種大豆、棉花、玉米、高粱土壤無機氮所占比例分別顯著降低了43.91%、37.10%、21. 57%、33.34%，以種大豆土壤降低幅度最高。其中，不種植作物的低氮、高氮對照土壤硝態(tài)氮所占比例顯著增加了1.77、1.81倍，而種植作物土壤顯著降低了60.61%～91.02%，種大豆土壤的降幅分別比種棉花、高粱土壤降幅提高15.41%、8.05%，但比種玉米土壤降幅降低23.15%；不種植物的低氮和高氮對照土壤銨態(tài)氮所占比例顯著降低了54.11%和56. 11%，種大豆和棉花使土壤銨態(tài)氮所占比例降低了8.75%和5.38%，而種玉米和高粱則使其增加了72. 19%和9.04%。同原土相比，不種植作物的低氮對照和高氮對照土壤水解有機氮所占比例分別顯著降低了72.86%和74.23%，種大豆、棉花、玉米、高粱土壤水解有機氮所占比例分別顯著增加了40.66%、34.36%、19.97%、30.87%，以種大豆土壤的增幅最高。

2.3 不同類型作物生長對銨態(tài)氮肥轉(zhuǎn)化的影響

2.3.1 不同類型作物生長對銨態(tài)氮肥轉(zhuǎn)化率的影響 由圖1可知，與對照相比，種大豆、棉花、玉米、高粱處理的銨態(tài)氮肥轉(zhuǎn)化率分別顯著提高93.66%、38.19%、32.58%、38.31%，種大豆處理提高幅度最高，其分別比種棉花、玉米、高粱處理增幅高1.45、1.87、1.44倍。對照中，高氮處理的銨態(tài)氮肥轉(zhuǎn)化率是低氮處理的1.44倍。

2.3.2 不同類型作物生長對銨態(tài)氮肥硝化率的影響 由圖2可見，作物生長改變了銨態(tài)氮肥在土壤中的硝化作用，與對照相比，種大豆、棉花、玉米、高粱處理的銨態(tài)氮肥硝化率都變?yōu)樨撝?，以種大豆處理降幅最大，種玉米處理次之，種棉花、高粱處理降幅較小。對照銨態(tài)氮肥硝化率均為正值，且低氮對照銨態(tài)氮肥硝化率是高氮對照的1.73倍。

2.4 不同類型作物生長對銨態(tài)氮肥利用率的影響

由圖3可見，不同作物對銨態(tài)氮肥的利用率不同，種大豆、棉花、玉米、高粱處理的銨態(tài)氮肥利用率分別為52.01%、28.31%、24.16%、28.40%，種大豆處理的銨態(tài)氮肥利用率最高，分別比種棉花、玉米、高粱處理提高83.72%、115.27%、83.13%。

3 結(jié)論與討論

土壤有效氮是供應(yīng)作物生長的主要氮源，也稱為土壤速效氮［13］。在種有作物的土壤中，銨態(tài)氮肥施入土壤后的去向一是被作物吸收利用，二是成為有效氮，三是被土壤固定，四是從土壤中損失掉。不種植作物的土壤中銨態(tài)氮除了沒有被作物吸收利用外，其余方面都相同。本研究結(jié)果表明，不同處理土壤有效氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和水解有機氮的含量及其占土壤有效氮的比例均不同，說明作物生長不僅影響土壤有效氮含量，也影響土壤有效氮的構(gòu)成。不同處理下銨態(tài)氮肥的轉(zhuǎn)化率、硝化率和利用率均不同，表明作物生長影響土壤氮肥的轉(zhuǎn)化利用和土壤的硝化作用。無論是同原土相比，還是同不種植作物的對照土壤相比，種植作物土壤的硝態(tài)氮含量都顯著降低，而銨態(tài)氮含量除了種玉米土壤外，其余土壤之間差異較小，銨態(tài)氮肥的硝化率顯著降低，表明作物生長能顯著抑制土壤硝化作用。作物生長抑制土壤硝化作用的原因主要有2個方面，一是作物生長過程中吸收利用了土壤有效氮，降低了土壤有效氮源；二是作物的生長活動即生理過程，影響了土壤根際環(huán)境，從而影響土壤的生物化學(xué)過程。土壤硝化作用是銨態(tài)氮在微生物作用下，先轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，然后再轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過程［14］，而土壤硝化作用必須在一定條件下才能進行。影響土壤硝化作用的因素主要有土壤pH值、水分、通氣條件、溫度、有機質(zhì)含量、C/N、質(zhì)地、氮素水平、肥料類型及其數(shù)量、植物根系、耕作和利用方式等［15-17］。土壤硝化作用必須有適量銨態(tài)氮源才能順利進行。作物生長下，由于作物對土壤有效氮利用使土壤有效氮含量降低而抑制土壤硝化作用；不種植作物條件下，因為有充足的有效氮源，硝化作用強，所以其硝態(tài)氮含量和氮肥硝化率均顯著高于種植作物的土壤。高氮對照土壤的銨態(tài)氮肥施用量是低氮對照的2倍，但是其硝態(tài)氮含量只高出低氮對照12.62%，而低氮對照氮肥硝化率反而是其1.73倍，這是因為只有在一定施肥量范圍內(nèi)，氮肥硝化率才會與施氮量成比例，過高的銨態(tài)氮肥則抑制硝化作用［18］。如Hayatsu等［19］對茶園土壤不同施肥處理硝化作用的差異進行研究表明，以（NH4）2SO4作氮肥時，高氮處理土壤［N 1 200 kg/（hm2.a）］的硝化速率卻低于對照土壤［N 400 kg/（hm2.a）］。

肥料利用率是指肥料施入土壤后，被作物利用的養(yǎng)分占所施入肥料養(yǎng)分的比例。測定氮肥利用率的方法有2種，一是差減法，就是指施肥區(qū)與不施肥區(qū)當(dāng)季作物吸氮量之差占施氮量的百分數(shù)；二是同位素稀釋法，就是指施肥區(qū)作物吸收肥料氮占施氮量百分比［20］。氮肥利用率變化大，有的可達80%，但大多數(shù)情況下小于50%［21］。當(dāng)前很多觀點認為，我國氮肥利用率平均為35%，而國外多在50%［22］，其實不同方法計算出的肥料利用率不同［23］，同時對氮肥利用率的理解也存在誤區(qū)，氮肥利用率低，并不能表示氮肥損失率高，因為氮肥利用率沒有考慮到土壤氮素平衡方面［24］。通用的2種方法計算氮肥利用率都比較麻煩，差減法不僅要設(shè)置施氮和不施氮區(qū)，還要測定作物含氮量；同位素法需要昂貴的試劑和檢測設(shè)備。本研究結(jié)果表明，不同處理的氮肥利用率不同，介于24.16%～52.01%，大豆的氮肥利用率最高，其原因之一是大豆氮肥施用量少，而非豆類作物氮肥施用量高。一般施氮量高，氮肥利用率反而低。大豆是固氮植物，其生長中所需要的氮有50%～60%來自于共生固氮［25］。因此，大豆施肥量不能與非豆類作物一樣。原因之二是大豆生長對土壤硝化作用的抑制能力比非豆類作物強，從而使得施入土壤中的銨態(tài)氮不容易轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，直接以銨態(tài)氮的形式被根系吸收，有利于氮素同化而提高了氮肥利用率。雖然作物也能吸收硝態(tài)氮，但是吸收的硝態(tài)氮需要在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為銨后才能進一步被同化。

本研究結(jié)果表明，同原土相比，不種植作物的對照土壤水解有機氮含量及其所占比例均顯著降低，而種植作物土壤水解有機氮含量及其所占比例均顯著增加，這證實了作物根系對土壤環(huán)境有影響，這也正是植物根際沉積物［26］和根系分泌物［27］對土壤作用的體現(xiàn)。不同作物對土壤水解有機氮含量及其所占比例影響不同，種大豆土壤中水解有機氮含量及所占比例高于種棉花、玉米、高粱土壤，證明豆類作物生長更有利于土壤水解有機氮含量及所占比例的提升。一方面是豆類作物根系殘體含氮量比非豆類作物高，另一方面是豆類根系生長中能分泌含氮有機化合物［28］。

總之，作物生長改變了土壤有效氮的含量和構(gòu)成，顯著降低了硝態(tài)氮含量及其占有效氮的比例，增加了水解有機氮的含量及其所占比例，抑制了銨態(tài)氮肥在土壤中的硝化作用，不同作物的影響不同。豆類作物生長對土壤環(huán)境的影響不同于非豆類作物的主要機制是豆類作物抑制土壤硝化作用的能力強，對土壤銨態(tài)氮的利用效率高。

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Effects of Growing of Different Types of Crops on Constitution of Soil Available Nitrogen and Transformation and Utilization of Nitrogen Fertilizer

ZENG Ke，YANG Lanfang*，YU Jing，LIBinbo，WANG Zhengxiang
（School of Resource and Environmental Science，Hubei University，Wuhan 430062，China）

The soybean，cotton，maize and sorghum were p lanted in pot under low nitrogen，high nitrogen treatments，the soil available nitrogen constitution and transformation and utilization of nitrogen fertilizer were determined，so as to provide technical guidance for reasonable use and improving use efficiency of nitrogen fertilizer for different types of crops.Compared with the control w ith nitrogen but unp lanted crop，growing soybean，cotton，maize，sorghum significantly decreased the soil available N contents by 53.48%，51. 54%，33.10%，55.03%，and influenced the constitution of soil available N.Thereinto，growing soybean，cotton，maize and sorghum significantly decreased soil inorganic N contents by 85.41%，83.09%，70.89% and 83.35%，but increased soil hydrolysable organic N contents by 1.41，1.53，2.11 and 1.28 times，respectively；growing soybean，cotton，maize and sorghum significantly decreased the rate of soil inorganic N to available N by 68.61%，65.09%，56.47%and 63.00%，but increased the rate of soil hydrolysable organicN to available N by 4.18，4.21，3.66 and 4.08 times，respectively.Compared with the control，growing soybean，cotton，maize and sorghum significantly increased the transform rate of ammonium nitrogen fertilizer by 93.66%，38.19%，32.58%and 38.31%respectively，and grow ing soybean treatment had the highest increasing range；the nitrification rates of ammonium nitrogen fertilizer of growing soybean，cotton，maize and sorghum treatments were negative values，and growing soybean treatment had the highest decreasing amplitude.The ammonium nitrogen fertilizer use efficiency of growing soybean，cotton，maize and sorghum treatments were 52.01%，28.31%，24.16%and 28.40%respectively，and growing soybean treatment had the highest value.In conclusion，grow ing crops suppressed the soil nitrification and accelerated the development of soil hydrolysable organic nitrogen by the utilization of soil available nitrogen and the alteration of soil environment，and hence impacted the constitution of soil available nitrogen and the transform and use of ammonium nitrogen app lied in soil.Leguminous crops had stronger ability of suppressing nitrification，making use of ammonium compared w ith non-Leguminous crops.

growing of crops；available nitrogen；ammonium nitrogen；nitrate nitrogen；hydrolysable organic nitrogen；nitrogen fertilizer use efficiency

S158；S143.1

A

1004-3268（2017）01-0058-06

2016-07-20

國家自然科學(xué)基金面上項目（41371259）；湖北省自然科學(xué)基金面上項目（2014CFB545）

曾 科（1991-），男，湖北京山人，在讀碩士研究生，研究方向：土壤氮素循環(huán)。E-mail：15927133716@163.com

*通訊作者：楊蘭芳（1964-），男，湖北來鳳人，教授，博士，主要從事土壤營養(yǎng)循環(huán)與溫室氣體排放方面的研究。E-mail：lfyang@hubu.edu.cn