不同氮磷配比對農(nóng)田土壤硝化作用的影響

鄧天天， 張玉珠， 馬 培， 陳 納

(河南工程學院資源與環(huán)境學院，河南鄭州 451191

化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要的增產(chǎn)作用。19世紀以來，世界化肥用量大大增加，我國作為農(nóng)業(yè)大國，化肥用量在世界上也一直占有相當大的份額。1991—2010年，我國化肥使用量從2 805.0萬t增加到5 561.7萬t，年增長率為 3.7%[1-2]。但我國氮肥利用率只有30%～40%，氮肥施入土壤之后，農(nóng)作物在生長過程中能夠吸收利用的比例很少，其余大部分都會通過各種途徑損失于環(huán)境中。

硝化作用是生物圈氮循環(huán)的重要因素，硝化作用一方面促進了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，可以有效減少氨揮發(fā)，增加植物對氮素的利用；另一方面也加速了氮素損失，導(dǎo)致氮肥利用率較低，大量氮素流失[3]。農(nóng)田土壤氮損失的途徑主要有氮的淋溶損失、氮的徑流損失、氮的硝化反硝化損失和氨揮發(fā)。沒有被土壤利用的化肥還會通過地表徑流、淋溶進入地表水和地下水，造成環(huán)境問題[4-5]。反硝化作用的底物NO3-主要來自于硝態(tài)氮或銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，微生物在厭氧或缺氧條件下將底物還原為NO2-、NO、N2O，最終產(chǎn)物為N2，但中間產(chǎn)物也有可能被釋放出來[6-8]。在淹水條件下，反硝化作用是氮素損失的主要途徑，旱地土壤在某些微域環(huán)境中也有可能發(fā)生反硝化作用。

目前國內(nèi)外對硝化反硝化作用以及氨揮發(fā)過程造成的氮

損失已有大量研究[9-12]，結(jié)果表明不同地區(qū)土壤硝化作用和氮素損失有明顯差別，且影響因素也有不同。不同氮磷配施對氨揮發(fā)和反硝化作用氮損失都有重要影響。劉延慧通過土壤培養(yǎng)試驗對氮磷肥配施對氨揮發(fā)的規(guī)律及機制的研究表明，施加等量氮肥之后施加不同量磷肥處理的土壤，氨揮發(fā)速率有一定變化，并且變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性[13]。不同施磷處理土壤氨揮發(fā)速率規(guī)律是先增大，到達最大值后再減小，隨著施磷量的增加，氨揮發(fā)速率的峰值也會變大。氮磷配施對土壤pH值也有一定影響，會直接導(dǎo)致硝化作用結(jié)果的不同。

但是由于反硝化作用需要在厭氧或缺氧條件下進行，目前對反硝化作用影響因素及N2O排放的研究也大多集中在稻田土壤上。河南省作為農(nóng)業(yè)大省，作物種植類型以小麥玉米為主，耕地類型也多為旱田土壤，反硝化作用造成的氮損失并不嚴重，對此地區(qū)硝化作用影響因素及其氮損失的影響少有研究。本試驗通過室內(nèi)土壤培養(yǎng)的方法，研究在土壤中施加不同氮磷比肥料對硝化作用可能產(chǎn)生的影響，找到最佳氮磷比，改善土壤氮磷營養(yǎng)，促進銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，減少硝化過程中的氮素損失。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本試驗所用土樣來自河南省許昌市某麥田。許昌市位于河南省腹地，屬于伏牛山余脈向豫東平原過渡地帶。采樣區(qū)屬暖溫帶亞濕潤季風氣候，雨量較多，光照充足，無霜期長。年平均氣溫15 ℃左右，1月平均氣溫0.7 ℃，7月平均氣溫27.1 ℃，年降水量700 mm左右，無霜期217 d。土樣理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土樣原始理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

試驗以NH4HCO3和KH2PO4為氮源和磷源，設(shè)置5個不同濃度梯度的N、P養(yǎng)分添加比例：4 ∶0、3 ∶1、1 ∶1、1 ∶3、0 ∶4，同時設(shè)置與3 ∶1、1 ∶1、1 ∶3這3組等量加氮不加磷的土樣作為對照組(3 ∶0、2 ∶0、1 ∶0)，以不添加任何養(yǎng)分的原始土樣為空白對照(CK)，共設(shè)置9個試驗組。試驗中所用NH4HCO3含N量為17.0%，KH2PO4含磷量為23.4%。N、P純養(yǎng)分添加總量為100 mg/kg。各N、P加入量如表2所示。

表2 試驗土樣N、P加入量

培養(yǎng)時，分別稱取100.0 g土樣，裝入250 mL錐形瓶中進行土壤培養(yǎng)。根據(jù)原始土樣含水量及表2將肥料分別配制成溶液，加入各不同氮磷比對應(yīng)溶液使土樣含水率為田間最大持水率的60%。攪拌均勻，使肥料和土壤充分混合。瓶口用聚乙烯保鮮膜封口，保持土樣培養(yǎng)時的透氣性，在(25±1) ℃ 的恒溫振蕩箱中培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)的第1、3、5、7、9、11、13、15天取樣，測定土樣中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量和pH值。

1.3 測定方法

土壤pH值的測定：稱取3 g土樣于50 mL燒杯中，加入15 mL蒸餾水，劇烈攪動1 min使土樣充分散開，靜止0.5 h后用pH計測定pH值。

土壤銨態(tài)氮的測定：參照國際標準HJ 634—2012《土壤氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測定 氯化鉀溶液提取-分光光度法》。

土壤硝態(tài)氮的測定：酚二磺酸比色法。

2 結(jié)果與分析

2.1 硝化過程中pH值的變化

大量研究表明，土壤硝化作用的進行受土壤pH值大小變化影響很大。在低pH值的弱酸環(huán)境中，硝化微生物的生長受到抑制，活性降低，不利于硝化作用的進行。pH值在 3～8范圍內(nèi)時，pH值與硝化速率呈正相關(guān)關(guān)系。硝化作用最佳pH值為8，反硝化作用最佳pH值為5～8。

圖1表示不同氮磷比處理土樣在培養(yǎng)過程中pH值的變化。從圖1可以看出，除第1組外，其余單施氮組(第6、7、8組)處理土樣pH值在培養(yǎng)開始時均比原始土樣有所增加，第5天開始下降，第11天左右下降到最低值，之后開始慢慢恢復(fù)，直到接近起始pH值。氮磷配合施用組(第2、3、4組)處理土壤pH值在開始培養(yǎng)時有所下降，隨后呈上升趨勢。

本試驗所用氮肥為NH4HCO3，NH4HCO3加入土壤后發(fā)生分解反應(yīng)生成NH4+，導(dǎo)致土壤開始培養(yǎng)后pH值升高。培養(yǎng)一段時間后，NH4+因硝化作用被分解生成H+，土壤pH值開始下降，第9～11天硝化作用基本完成，土樣中NH4+的分解也已經(jīng)全部完成，pH值開始上升。而氮磷同時施加土樣因為有磷酸鹽的加入，培養(yǎng)開始后pH值有所下降。第3～5天后磷酸鹽加入土樣一定時間，被土壤吸附固定，酸性減弱，土壤pH值開始上升。雖然土壤硝化作用會使pH值變小，但硝化作用造成的pH值下降較少，所以加入磷酸鹽后土壤pH值還是呈緩慢上升趨勢。對比氮磷配合施用處理土樣和加氮不加磷處理土樣可以看出，加入磷酸鹽后土壤pH值的變化幅度明顯變小，磷酸鹽的加入減緩了硝化過程中pH值的變化。

2.2 不同氮磷比對土壤硝化作用中銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化的影響

從圖2、圖3中可以看出，土樣銨態(tài)氮含量在第5～7天后降到最低，相當于空白土樣中的銨態(tài)氮含量，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化完成。不同氮磷比處理土樣中，銨態(tài)氮的剩余量與氮肥加入量無關(guān)，培養(yǎng)第7天后銨態(tài)氮含量都下降到了20 mg/kg以下。而硝態(tài)氮在培養(yǎng)的第7～11天才能達到最大值，硝態(tài)氮含量的增長明顯滯后于銨態(tài)氮含量的減少，說明本試驗所用的土壤硝化作用類型為硝化作用緩慢型。

從圖4可以看出，對比等氮施加量條件下加磷和不加磷處理土樣可以看出，在加入氮量相等的情況下，加磷處理土樣明顯比不加磷處理土樣硝化作用完成率要高。加磷和不加磷處理土樣中銨態(tài)氮在第7～9天基本都能完全分解，之后含量保持穩(wěn)定；而加磷處理土樣比不加磷處理土樣在硝化作用過程中硝態(tài)氮含量明顯要高，硝化作用完成后硝態(tài)氮最大含量也明顯高于不加磷處理土樣。氮磷比為1 ∶1時，加磷、不加磷處理土樣硝化作用后硝態(tài)氮含量差別最大。

這一結(jié)果表明，施加氮肥的同時加入一定的磷肥有助于土壤硝化作用的進行，可以縮短硝化作用結(jié)束時間，促進銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，這可能與磷酸鹽對pH值的緩沖作用有關(guān)。從圖1中pH值的變化可以看出，氮磷同時施加可以減小土壤pH值的變化幅度，而pH值是影響硝化作用和氨揮發(fā)的重要途徑。農(nóng)田氮損失的途徑中，氨揮發(fā)和反硝化過程中的氮損失是其主要部分。反硝化作用需要在厭氧或缺氧條件下進行，而許昌市農(nóng)作物種植以小麥和玉米為主，土壤含水量較低，反硝化作用造成的氮損失比較小。銨態(tài)氮在土壤中含量較高時，容易轉(zhuǎn)化為NH3，氨揮發(fā)造成的氮損失嚴重。氮磷同時施加處理土樣使得銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化率比不加磷處理土樣有很大提高，從而減少了土壤硝化過程中的氮損失。

2.3 不同氮磷比對土壤硝化回收率的影響

硝化持續(xù)時間通常指土壤在硝化作用過程中硝態(tài)氮達到穩(wěn)定所需要的時間，此時，加入銨態(tài)氮土壤中 NO3--N的含量與不加入銨態(tài)氮土壤中硝態(tài)氮含量的差值占加入銨態(tài)氮的含量的百分比為硝化回收率。硝化回收率能夠反映硝化過程中的氮素損失大小，硝化回收率越大，氮素損失量越低。

從表3可以看出，施加不同氮磷比肥料對土壤硝化作用中硝化回收率有較大影響，第1組氮磷比為4 ∶0處理土樣硝化回收率為72.00%，是3個不同氮磷比試驗組中的最低值；第4組氮磷比為1 ∶3處理土樣硝化回收率達到了98.00%，是本試驗結(jié)果中的最高值。

表3 不同氮磷比土壤硝化回收率

對比加磷和不加磷處理土樣結(jié)果(圖5)可知，同時施加氮磷處理土樣在硝化過程中氮素損失量明顯比加等量氮不加磷對照組低。其中氮磷比為1 ∶1處理土樣加磷與不加磷對比土壤硝化回收率差別最大，氮磷同時施加比加氮不加磷處理的土樣硝化回收率增加44百分點。在硝化過程中，氨揮發(fā)是氮素損失的重要途徑，研究表明，氮磷肥同時施加可以有效減少硝化過程中的氨揮發(fā)。對比6、7、8這3組不加磷處理土樣也可以看出，過量施加氮肥會增加土壤硝化作用過程中氮的損失，這與硝化作用中的氨揮發(fā)有關(guān)。微生物在生長過程中都有最佳的營養(yǎng)物質(zhì)比例，保證充足的磷營養(yǎng)元素供應(yīng)是十分有必要的，在最合適的生存環(huán)境，微生物才能保持相當?shù)幕钚?。氮磷同時施加改善了土壤的性質(zhì)，微生物的生長所需的營養(yǎng)元素比例也有所不同，更加適合微生物的生長繁殖，同時還提高了氮素的固定和吸附。施肥時溫度越低，土壤對氮的固定率越高，土壤中存在過多的NH4+，會促進氨揮發(fā)。氮磷同時施加較單獨施加氮肥時溫度降低，土壤固定態(tài)氮的含量升高，氮損失量也會有所增加。雖然第4組氮磷比為1 ∶3時土壤硝化回收率達到最大值，但其氮素施加量比其他組明顯減少，氮磷比不符合植物生長對氮、磷營養(yǎng)元素的需求比例，造成磷肥大量浪費，且硝化回收率對比第8組沒有明顯增加。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，試驗測試所用土壤銨態(tài)氮硝化類型為緩慢型。土壤中NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-速度較快，而NO2-轉(zhuǎn)化為NO3-的速度較慢，銨態(tài)氮的減少明顯快于硝態(tài)氮的增長。氮磷配合施加處理土樣硝化作用時間明顯短于單施氮處理土樣。氮磷配合施用對土壤pH值有一定的緩沖作用，延緩了因硝化作用造成的pH值下降。土壤pH值與NH4+的形態(tài)轉(zhuǎn)化以及硝化過程中微生物的活性和生長繁殖都有密切關(guān)系，氮磷配合施用造成的pH值變化對土壤硝化時間及硝化作用回收率都有一定的影響。

不同氮磷比對土壤硝化作用回收率有較大影響。氮磷配施處理土樣對比其等量加氮不加磷處理土樣硝化回收率有明顯提高，氮磷比為3 ∶1時，硝化回收率提高14.67百分點；氮磷比為 1 ∶1 時，硝化回收率提高44.00百分點，達到90.00%；氮磷比為 1 ∶3 時，硝化回收率提高6.00百分點。氮磷配施大大提高了土壤中銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化效率，可以有效減少氮素損失。氮磷比為1 ∶1時對減少土壤硝化過程中氮損失效果最好。

本研究在一定程度上取得了階段性進展，但還有許多不足之處。試驗研究了不同氮磷比對農(nóng)田土壤硝化作用的影響，表明氮磷配施對土壤硝化速率以及硝化回收率有較好效果。為進一步減少農(nóng)田土壤硝化過程中的氮素損失，改善農(nóng)業(yè)氮肥利用率較低，減少氮損失造成的環(huán)境污染提供了科學依據(jù)。

對反硝化作用過程中氮損失的影響因素及機制目前已有許多研究成果，但大都集中在稻田土壤中。本試驗所用土樣為旱田土壤，且該區(qū)域降水量較少，農(nóng)田土壤反硝化作用較弱。不同氮磷比對氨揮發(fā)以及淋溶作用等對農(nóng)田氮損失的影響還需要做進一步研究。