添加葡萄糖對(duì)紅壤農(nóng)田肥料氮轉(zhuǎn)化及其酸化的影響*

李九玉，鄧開英，章 威，桑存星，趙悅彤，徐仁扣?

（1. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008；2. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037）

近年來，人為因素導(dǎo)致我國農(nóng)田土壤普遍酸化加劇，嚴(yán)重制約了土壤農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全。研究[1-4]表明，長期過量施用化學(xué)氮肥是集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下加速土壤酸化的主要根源。銨態(tài)氮肥的硝化作用和硝酸根攜帶鹽基離子快速淋失是氮肥造成土壤酸化的主要機(jī)制。長期施用化學(xué)氮肥后的土壤在近20 年時(shí)間內(nèi)，土壤pH 可由5.7 顯著降低至4.2[5]。大量施用化學(xué)氮肥不僅加速土壤酸化過程，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還導(dǎo)致氮素在土壤中過量累積或發(fā)生揮發(fā)及淋溶進(jìn)入水體，由此帶來的一系列生態(tài)環(huán)境問題，已引起人們廣泛的關(guān)注。如何針對(duì)氮肥導(dǎo)致土壤酸化的問題找到有效的源頭阻控方法，是目前亟待解決的難題。

已有研究[6]發(fā)現(xiàn)，林地土壤添加葡萄糖能夠促進(jìn)土壤微生物對(duì)無機(jī)態(tài)氮的固持，抑制土壤氮的凈礦化速率，減少氮損失。馬啟翔等[7]研究表明，添加高濃度葡萄糖碳源使油松林土壤微生物對(duì)氮的需求增加，傾向于固持更多的無機(jī)態(tài)氮，而減弱礦化過程；向闊葉林土壤中添加蔗糖，導(dǎo)致原來高礦化和硝化作用也顯著降低，微生物固氮作用增強(qiáng)[8]；甚至添加葡萄糖增加氮的固定效率遠(yuǎn)高于樹葉提取物、腐植酸等碳源[9]。以上結(jié)果表明，林地土壤中豐富的有機(jī)碳源可促進(jìn)無機(jī)氮的微生物同化和土壤固持。根據(jù)氮素轉(zhuǎn)化與質(zhì)子產(chǎn)消的關(guān)系，這種有機(jī)碳促進(jìn)無機(jī)氮的微生物同化作用也可減緩氮肥造成的土壤酸化作用[10]。然而，有關(guān)葡萄糖等碳源對(duì)旱地農(nóng)田土壤氮素轉(zhuǎn)化及其酸化作用的研究鮮見報(bào)道。

因此，本研究以葡萄糖作為模式碳源，初步分析外加碳源對(duì)農(nóng)田土壤（NH4）2SO4和KNO3等肥料氮的微生物同化作用，及其阻控氮轉(zhuǎn)化引起土壤酸化的耦合作用。研究結(jié)果對(duì)提高氮肥利用率、阻控土壤酸化、制定合理的農(nóng)田土壤氮素管理措施、降低其對(duì)環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)等均具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤，采自安徽郎溪縣飛鋰鎮(zhèn)（31° 6′N，119° 8′E）紅壤酸化阻控長期定位田間試驗(yàn)地空白處理的表層土壤（0～20 cm），該旱地主要進(jìn)行花生或紅薯與油菜輪作，已長達(dá)20 多年。土壤基本性狀為：pH（土水比1 ∶2.5）為 4.32，有機(jī)質(zhì) 18.6 g·kg-1，交換性酸55.0 mmol·kg-1，可溶性碳35.6 mg·kg-1，水解性氮有效磷175.7 mg·kg-1，速效鉀3.7 mmol·kg-1；屬于黏質(zhì)壤土。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

稱取200.0 g 風(fēng)干土樣（過2 mm 篩）置于塑料杯中，參照Quan 等[11]的實(shí)驗(yàn)方法，用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至土壤田間持水量的40%，將土樣充分拌勻，塑料杯用塑料保鮮膜封口，并在保鮮膜中間留一小孔，以便氣體交換并減少水分損失。然后將塑料杯置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)7 d，每隔2～3 天稱重1 次并補(bǔ)充水分，以保持土壤含水量恒定。

為研究添加碳源調(diào)控土壤酸化的潛力，提供了充足的碳源供應(yīng)，按照C/N 比為80 的比例添加了葡萄糖和氮肥（NH4）2SO4或KNO3。土壤預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，設(shè)置以下6 個(gè)處理：1）對(duì)照（CK）；2）（NH4）2SO4（AS）；3）KNO3（PN）；4）葡萄糖（G）；5）（NH4）2SO4+葡萄糖（AS+G）；6）KNO3+葡萄糖（PN+G），每個(gè)處理3 次重復(fù)。其中葡萄糖粉末添加量為8.0 g·kg-1干土，與土壤混合均勻后添加氮肥（N）量為100.0 mg·kg-1干土，用適量蒸餾水將（NH4）2SO4或KNO3完全溶解加入土樣中，再補(bǔ)充水分至60%田間持水量，空白添加去離子水保持60%田間持水量，土樣充分拌勻。每個(gè)處理的樣品再平均分成6 份（鮮土重約53 g）裝在100 mL離心管中，置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每隔2～3 天稱重1 次并補(bǔ)充水分，以保持土壤含水量恒定。培養(yǎng)時(shí)間為30 d，在培養(yǎng)的第0、2、5、10 、18、30 天分別破壞性采樣，每次各處理取1 份樣品測(cè)定新鮮土樣pH 及各種形態(tài)N 含量。

1.3 測(cè)定方法

pH 的測(cè)定：稱取10.0 g 鮮土，按照1∶2.5（風(fēng)干土∶水）加入去離子水，渦旋攪拌5 min，靜置30 min，用pH 計(jì)（Thermo Scientific Orion Star A211，美國）測(cè)定樣品上清液。

土壤微生物生物量氮（MBN）的測(cè)定：稱取10.0 g 鮮土，參照魯如坤[12]的氯仿熏蒸浸提方法，浸提的全氮采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（San++System，SAKLAR，荷蘭）測(cè)定，土壤微生物生物量氮含量以熏蒸和不熏蒸土壤浸提液中全氮的差值除以轉(zhuǎn)化系數(shù)（0.45）得到。

土壤中各種形態(tài)氮的測(cè)定：稱取10.0 g 鮮土于100 mL 塑料離心管中，按1∶4 的干土水比加入0.5 mol·L-1K2SO4溶液32 mL，震蕩1 h，離心，上清液濾膜過濾，濾液-20℃凍存。浸提液中的采用流動(dòng)分析儀測(cè)定，與之和為可溶性無機(jī)氮。土樣殘?jiān)L(fēng)干，研磨過60 目篩，用于測(cè)定難提取態(tài)氮，包括固相有機(jī)態(tài)氮、固定態(tài)銨、MBN。難提取態(tài)氮的測(cè)定：稱取提取完可溶性氮的風(fēng)干殘?jiān)翗?，采用凱氏消煮法，蒸餾定氮測(cè)定；用KOBr-KOH 法提取固定態(tài)銨[12]，難提取態(tài)氮減去固定態(tài)銨和MBN 即為固相有機(jī)態(tài)氮[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS20.0 中鄧肯（Duncan）法對(duì)葡萄糖及氮肥處理中不同氮形態(tài)的含量以及pH 進(jìn)行差異顯著性分析，P< 0.05 表示差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加葡萄糖/無機(jī)氮肥對(duì)土壤 N -N、N-N和總無機(jī)氮的影響

而在添加葡萄糖的處理中，與CK 相比，G、PN+G 和AS+G 處理的NN 、N-N 和無機(jī)氮積累量均顯著降低，土壤溶液的無機(jī)氮濃度從培養(yǎng)開始時(shí)的10.0、107.0 和102.0 mg·kg-1，于實(shí)驗(yàn)第2 天降至含量均低于1 mg·kg-1，而且在接下來的28 d 培養(yǎng)期間基本保持在這一低無機(jī)氮濃度（圖1）。以上結(jié)果說明，充足的葡萄糖能快速促進(jìn)紅壤無機(jī)氮的固持，而且無明顯有機(jī)氮的再礦化作用，這對(duì)促進(jìn)土壤保氮具有重要意義。目前，無機(jī)氮的微生物同化作用在森林和草地土壤中已被廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是這類生態(tài)系統(tǒng)氮素相對(duì)富集的主要機(jī)制[14]。森林和草地土壤的有機(jī)質(zhì)含量高，而農(nóng)田土壤所含的可利用碳數(shù)量較少，可能限制了微生物對(duì)硝態(tài)氮的利用；在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，受微生物優(yōu)先利用銨態(tài)氮這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)的影響，人們普遍認(rèn)為農(nóng)田土壤微生物不利用硝態(tài)氮[15-16]。但本研究結(jié)果表明，加入足夠的葡萄糖不僅可快速促進(jìn)N-N 的微生物同化，而且也可快速促進(jìn)N-N 的微生物固持。土壤中可利用碳源的數(shù)量和質(zhì)量可能是限制農(nóng)田土壤N-N同化的關(guān)鍵因子，有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤有機(jī)碳源不足時(shí)，微生物對(duì)銨態(tài)氮的吸收同化能力強(qiáng)于硝態(tài)氮；當(dāng)有充足的有機(jī)碳源時(shí)，土壤微生物對(duì)這兩種形態(tài)氮素的固定能力幾乎相當(dāng)[8，17]。

2.2 添加葡萄糖/無機(jī)氮肥對(duì)土壤微生物生物量氮、固相有機(jī)態(tài)氮和總氮的影響

但隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長，添加葡萄糖處理中的MBN 量逐漸下降，增幅變小，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)各處理差異不顯著（P>0.05）。這主要是添加碳源后，微生物能夠迅速利用養(yǎng)分進(jìn)行生命活動(dòng)和大量繁殖，當(dāng)碳源或養(yǎng)分被利用完后，微生物無法攝取足夠能源進(jìn)行生命活動(dòng)和大量繁殖，遂逐漸死亡，導(dǎo)致MBN含量逐漸降低[18]。

Quan 等[11]將直接用中性鹽難提取的土壤氮進(jìn)一步區(qū)分為微生物生物量氮、固定態(tài)銨和固相有機(jī)態(tài)氮三種類型。發(fā)現(xiàn)本研究中固定態(tài)銨含量較低（均小于130 mg·kg-1），且不同處理間無明顯差異（數(shù)據(jù)未列出）。但添加葡萄糖處理顯著提高了土壤固相有機(jī)氮的含量，特別是與N-N或N-N配施的處理，土壤固相有機(jī)態(tài)氮含量在培養(yǎng)前18 d 顯著增加（圖2b））；AS+G 處理在培養(yǎng)第18 天，土壤有機(jī)態(tài)氮達(dá)到最大值1 138 mg·kg-1，較CK 和AS 處理分別增加9.6%和8.2%。培養(yǎng)18 d 后，土壤固相有機(jī)態(tài)氮含量有下降趨勢(shì)，但30 d 培養(yǎng)期結(jié)束時(shí)，添加葡萄糖的G、AS+G 和PN+G 處理均較相應(yīng)的CK、AS和PN 處理固相有機(jī)態(tài)氮分別增加了33.7、84.2 和61.4 mg·kg-1，添加的無機(jī)氮28%～50%均轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的固相有機(jī)態(tài)氮。因此，添加足夠葡萄糖可在短期內(nèi)促進(jìn)無機(jī)氮的微生物同化，并迅速轉(zhuǎn)化為土壤固相有機(jī)氮。Quan 等[11]的研究表明，綠肥和銨態(tài)氮肥同時(shí)施入土壤中，無機(jī)氮肥初期主要轉(zhuǎn)化為MBN，但培養(yǎng)3 d 后，微生物生物量碳含量逐漸下降，而固相有機(jī)氮含量則明顯增加，最終23%～28%的無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為固相有機(jī)態(tài)氮從而促進(jìn)土壤中的固持，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。這一結(jié)果也證實(shí)了圖2a）中微生物的結(jié)果，葡萄糖的添加可快速促進(jìn)微生物的繁殖，微生物的失活有利于微生物固持的無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的紅壤固相有機(jī)態(tài)氮。此外，添加葡萄糖等易利用碳源可促進(jìn)農(nóng)田中大量以及的在土壤中的固持，后期有機(jī)氮可礦化再被生物利用，這對(duì)減少紅壤農(nóng)田無機(jī)氮的損失、提高氮肥利用效率具有重要意義。

此外，從土壤全氮的結(jié)果看出，添加肥料氮的處理較不加氮的處理約高100 mg·kg-1，但各處理全氮含量變化不大，添加葡萄糖和肥料氮的處理全氮含量有低于相應(yīng)不加葡萄糖的趨勢(shì)（圖 2c））。這些結(jié)果表明添加葡萄糖可在短期內(nèi)促進(jìn)無機(jī)氮的微生物同化，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為土壤固相有機(jī)氮，但葡萄糖的大量添加有導(dǎo)致氮損失的風(fēng)險(xiǎn)，比如反硝化，特別在葡萄糖與硝態(tài)氮配施的處理更加明顯，這主要是葡萄糖等易利用碳源可為氮的反硝化提供電子供體[19]。

2.3 添加葡萄糖/無機(jī)氮肥處理下土壤pH 的動(dòng)態(tài)變化

由圖3 可知，葡萄糖和氮肥單加或配合施用均對(duì)土壤pH 產(chǎn)生不同程度的影響。與培養(yǎng)初始的pH相比，CK、AS 和PN 處理在整個(gè)30 d 的培養(yǎng)期間土壤pH 均降低了，特別是培養(yǎng)的第18～30 天內(nèi)；其中整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)CK 和AS 分別降低了0.41 和0.21個(gè)pH 單位，這主要是氮的硝化作用產(chǎn)生了大量質(zhì)子，這與圖1b））的結(jié)果相印證。與CK 相比，單加葡萄糖（G）在培養(yǎng)前5 天并未對(duì)pH 產(chǎn)生明顯影響，培養(yǎng)中期（第10～18 天）顯著降低了pH，而18 d后pH 呈增加趨勢(shì)，最終pH 略高于對(duì)照；AS 和PN加入土壤當(dāng)天就顯著了降低土壤的pH，由對(duì)照處理的4.32 分別降低至4.05 和3.85。葡萄糖和氮肥配合施用與氮肥單施的處理相比，培養(yǎng)當(dāng)天pH 無明顯差異，但在培養(yǎng)過程中AS+G 較AS 處理更加顯著降低了土壤pH，培養(yǎng)初期差異不斷增大，第5 天pH 差值最大達(dá)0.5 個(gè)pH 單位，但培養(yǎng)結(jié)束時(shí)兩個(gè)處理的差異不顯著（P>0.05）。與之相反，PN+G 與PN 處理相比，在第2 天就顯著增加了土壤pH，然后pH 差值維持在0.68～0.78 單位之間。

土壤pH 變化與化學(xué)氮肥在土壤表面的化學(xué)反應(yīng)以及碳氮轉(zhuǎn)化過程等相關(guān)。首先是（NH4）2SO4和KNO3加入紅壤，和K+會(huì)與土壤表面的交換性Al3+和H+發(fā)生交換反應(yīng)，Al 進(jìn)入溶液很容易水解并釋放出H+，因此這種鹽效應(yīng)是兩種肥料加入紅壤后土壤pH 在實(shí)驗(yàn)開始當(dāng)天就顯著降低的主要原因[20]。此外，（NH4）2SO4中的在紅壤中會(huì)發(fā)生專性吸附，并釋放出OH-，起著一定的酸度中和作用[20]，因此，單加KNO3較單加（NH4）2SO4的土壤pH 更低（圖3）。而土壤pH 在培養(yǎng)過程的波動(dòng)則主要與碳氮轉(zhuǎn)化過程有關(guān)。在不添加葡萄糖的處理中，由于有機(jī)氮的礦化會(huì)消耗等當(dāng)量的質(zhì)子，而1 mol NH4+-N的硝化會(huì)產(chǎn)生2 mol H+，因此各處理中pH 均降低了，特別是第18～30 天的培養(yǎng)期間（圖1b）和圖3）。單純添加葡萄糖在第5～18 天也明顯降低了土壤pH，由于大量葡萄糖分解產(chǎn)生有機(jī)酸、促進(jìn)土壤pH 下降。Rukshana 等[21]的結(jié)果表明，土壤中添加葡萄糖后微生物活性增強(qiáng)，葡萄糖分解時(shí)糖酵解、三羧酸循環(huán)等過程會(huì)產(chǎn)生中間產(chǎn)物有機(jī)酸，如乳酸、丙酮酸、檸檬酸等，促進(jìn)土壤pH 下降。而第18～30 天內(nèi)，主要是有機(jī)碳礦化成CO2過程會(huì)消耗等當(dāng)量的H+，因此pH 有明顯的上升趨勢(shì)。而在葡萄糖與無機(jī)氮配施的處理中，1 mol的微生物同化同樣會(huì)產(chǎn)生1 mol H+，因此，培養(yǎng)前5 天微生物同化作用強(qiáng)的階段顯著降低了土壤pH，而后期有機(jī)碳的礦化作用同樣提高了土壤pH。雖然葡萄糖與（NH4）2SO4配施處理中基本全被微生物同化固定，而單施（NH4）2SO4處理由于紅壤酸性強(qiáng)，僅有約10%的發(fā)生了硝化作用，但兩個(gè)處理的pH 相差不明顯。因此，可以想象在硝化作用強(qiáng)烈的土壤中，的微生物同化作用相比大量硝化作用，有明顯抑制土壤酸化的作用。而葡萄糖與的配施處理中微生物同化和有機(jī)碳礦化作用均有利于OH-的釋放或H+的消耗，因此，這一處理土壤pH提高0.68～0.78 個(gè)單位，顯著降低了土壤酸度。添加葡萄糖與氮肥的處理中，微生物同化作用主要發(fā)生在實(shí)驗(yàn)開始的前2 天，而單加葡萄糖處理在培養(yǎng)第5天后才出現(xiàn)有機(jī)酸導(dǎo)致土壤pH 降低的現(xiàn)象，因此，推測(cè)微生物同化是或轉(zhuǎn)化與葡萄糖共同作用的結(jié)果。而且，利用葡萄糖等碳源促進(jìn)肥料氮的微生物同化，應(yīng)該可以減少銨態(tài)氮的硝化和硝態(tài)氮的淋失造成的土壤酸化作用，促進(jìn)土壤保氮的作用。但如何調(diào)控碳源的數(shù)量和質(zhì)量，達(dá)到既促進(jìn)土壤保氮、氮肥供應(yīng)與植物需要相匹配，又抑制土壤酸化的作用，尚需更系統(tǒng)、深入的研究。

3 結(jié) 論

在強(qiáng)酸性農(nóng)田紅壤中添加足夠的葡萄糖等易利用碳源，可快速促進(jìn)微生物對(duì)肥料中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的同化，并同時(shí)轉(zhuǎn)化為土壤固相有機(jī)氮。這一過程不但具有提高紅壤保氮能力和氮肥利用率的潛力，同時(shí)可削弱由于銨態(tài)氮的硝化及硝態(tài)氮淋失導(dǎo)致的土壤酸化作用。因此，本研究結(jié)果對(duì)提高農(nóng)田氮肥利用和阻控酸化具有重要意義，但實(shí)際條件下如何控制有機(jī)碳源的數(shù)量和質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)雙贏的目標(biāo)尚需系統(tǒng)的研究。