外源氮素形態(tài)對(duì)植煙土壤酸解有機(jī)態(tài)氮組分的影響

鄧建強(qiáng)，任曉紅，左梅，樊俊，夏鵬亮，黃勇，向必坤

湖北省煙草公司恩施州公司，湖北省恩施市施州大道119號(hào) 445000

土壤有機(jī)氮庫(kù)約占土壤氮庫(kù)的90%，是土壤供氮的主體[1-4]。自Bremner將土壤有機(jī)氮分為酸解有機(jī)態(tài)氮（AON）和非酸解態(tài)氮，AON進(jìn)一步劃分為酸解銨態(tài)氮（AN）、氨基酸態(tài)氮（AAN）、氨基糖態(tài)氮（ASN）和酸解未知態(tài)氮（UAN）以來(lái)[5]，眾多學(xué)者以此分類方法為基礎(chǔ)，研究土壤有機(jī)氮組分的環(huán)境生態(tài)功能，證實(shí)了AON對(duì)植物氮素營(yíng)養(yǎng)具有重要作用，特別是AAN和AN是土壤可礦化氮的主要來(lái)源[6-7]。同時(shí)，較多研究人員也通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)探討了不同施肥類型對(duì)土壤有機(jī)氮組分的影響，基本確定了有機(jī)肥和化肥配施可提高耕層AON含量[8-13]，但不同外源氮素形態(tài)在AON中轉(zhuǎn)化有所差異，無(wú)機(jī)態(tài)氮主要轉(zhuǎn)化為AN和AAN，而有機(jī)態(tài)氮?jiǎng)t主要轉(zhuǎn)化為AAN 或UAN[14-16]，暗示出外源不同氮素形態(tài)可能對(duì)土壤氮庫(kù)組分轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生不同的影響。然而，目前研究主要集中在有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮的比較，對(duì)更為細(xì)化的外源氮素形態(tài)研究甚少，且不同氮源形態(tài)輸入后是通過(guò)直接作用還是間接作用對(duì)土壤氮庫(kù)組分及其轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生影響還未明確。此外，煙葉碳氮代謝對(duì)煙葉品質(zhì)可產(chǎn)生重大影響[17]，通過(guò)什么方法能有效調(diào)控土壤供氮規(guī)律，緩解我國(guó)植煙土壤后期供氮偏旺問(wèn)題，全面提升中上部煙葉質(zhì)量是我國(guó)煙草行業(yè)有待攻克的重大生產(chǎn)難題[18-20]。為此，本文利用15N示蹤技術(shù)，以湖北恩施植煙土壤為研究對(duì)象，采取土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究外源氮素形態(tài)對(duì)植煙土壤AON及其組分轉(zhuǎn)化的影響，旨在為提高中上部煙葉質(zhì)量的土壤定向保育技術(shù)開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土樣及試劑

2018年，在湖北省恩施州宣恩縣椒園煙葉種植區(qū)（E 29.9751°，N 109.3915°，海拔1 050 m）采用5點(diǎn)取樣混合樣品法采集耕作層（0～30 cm）土壤5 kg，自然風(fēng)干后過(guò)2 mm篩備用。該區(qū)域土壤類型為山地黃棕壤，土壤pH 6.20，全氮1.85 g/kg，有機(jī)質(zhì)27.65 g/kg，堿解氮149.36 mg/kg，速效磷30.08 mg/kg，速效鉀224.96 mg/kg。

標(biāo)記試劑：(15NH4)2SO4豐度為99%，Na15NO3豐度為99%，C5H815NO4豐度為98%，試劑均購(gòu)自阿拉丁試劑上海有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：T1氨態(tài)氮-(15NH4) 2SO4，T2硝態(tài)氮-Na15NO3，T3氨基酸態(tài)氮- C5H815NO4和CK。稱10 g過(guò)2 mm篩風(fēng)干土裝入100 mL培養(yǎng)瓶，除CK外加入對(duì)應(yīng)形態(tài)的15N示蹤劑0.02 mmol，用稱重法維持土壤含水率為田間持水量的70%，培養(yǎng)瓶用打孔的塑料膜封蓋，放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)30 d。在培養(yǎng)1 d、3 d、7 d、14 d、30 d取樣，每處理3次重復(fù)，測(cè)定AON組分含量及其15N豐度。AON組分測(cè)定采用Bremner酸水解-蒸餾法[21]，相應(yīng)15N樣品制備參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[22]，通過(guò)MAT-251型質(zhì)譜儀測(cè)定樣品15N豐度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

常規(guī)統(tǒng)計(jì)在EXCEL 2007、SPSS 16.0和AMOS 23.0平臺(tái)上進(jìn)行。多重比較差異性采用LSD法，顯著水平設(shè)為P=0.05。土壤AON各組分15N含量，15N轉(zhuǎn)化率（R值），各組分14N變化值和培養(yǎng)時(shí)期加權(quán)均值的計(jì)算如下：

式中，C15N為AON各組分15N含量（mg/kg），C和C015N分別為15N各處理和對(duì)應(yīng)取樣時(shí)間的CK處理的AON各組分含量（mg/kg），P和P015N分別為15N各處理和對(duì)應(yīng)取樣時(shí)間的CK處理的AON各組分15N占比（%），A為某外源氮素15N豐度（%）。

式中，R為15N轉(zhuǎn)化率，M為培養(yǎng)土壤質(zhì)量（g），F(xiàn)為外源氮添加量（g）。

式中，C14N為AON各組分14N變化值，C0為對(duì)應(yīng)取樣時(shí)間的CK處理AON各組分含量（mg/kg）。

式中，C14N和C15N分別為C14N和C15N培養(yǎng)時(shí)期的加權(quán)變化值，i為培養(yǎng)天數(shù)，Di為當(dāng)前培養(yǎng)天數(shù)與前一取樣培養(yǎng)天數(shù)之差。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)15N轉(zhuǎn)化率的影響

從圖1可知：（1）在0～10 d，T1處理AON的R值最高，為50%～70 %，其次為T3（45%～55%），T2最低，只約為27%～31 %；在10～30 d，T1和T3迅速下降至30%左右，而T2在整個(gè)時(shí)期比較平穩(wěn)，與0～10 d的基本無(wú)差異；（2）各處理的AN的R值變化規(guī)律與AON相似，在0～10 d，T1和T3的R值較高，后迅速降至20%左右，T2在整個(gè)時(shí)期維持在15%～25%；（3）在0～10 d，T1處理AAN的R值逐步降低，T2和T3的先下降后上升，隨后均逐步降低3%～7%，且T3處理在30 d時(shí)又逐步升高；（4）對(duì)于ASN而言，T1和T3在1 d時(shí)的R值高達(dá)17 %左右，而T2只為6%左右，隨后R值均降低至0%～5%；（5）T3在培養(yǎng)3 d后UAN的R值上升至6%左右，而T1和T2的卻基本為0%，即基本無(wú)15N轉(zhuǎn)入。

圖1 外源氮素形態(tài)對(duì)15N轉(zhuǎn)化率的影響（a AON，b AN，c AAN，d ASN和e UAN）Fig. 1 Effects of external nitrogen forms on 15N conversion rate(a AON，b AN，c AAN、d ASN and e UAN)

2.2 對(duì)AON組分中15N和14N轉(zhuǎn)化的影響

相比外源15N帶入的氮素量，不同外源氮素形態(tài)對(duì)AON組分的14N變化值影響明顯（圖2），主要表現(xiàn)為：（1）T1的AON加權(quán)平均15N和14N的變化值分別為9.84 mg/kg和-116.71 mg/kg，14N降低幅度較大，與該處理的AN和UAN的14N變化值分別為-70.75 mg/kg和-33.17 mg/kg有關(guān)，T1主要通過(guò)降低AN和UAN進(jìn)而降低了AON；（2）T2的AON加權(quán)平均15N和14N的變化值為8.40 mg/kg和28.05 mg/kg，其中，AN和UAN的14N的變化值分別為-3.23 mg/kg和-19.48 mg/kg，而AAN和ASN的分別為18.53 mg/kg和32.23 mg/kg，T2更容易提高AAN和ASN；（3）除1 d外，T3的AON的14N變化為正值，其加權(quán)平均15N和14N的變化值分別為10.46 mg/kg和69.84 mg/kg，AN、AAN和ASN加權(quán)平均14N的變化值分別為13.68 mg/kg、30.42 mg/kg和28.29 mg/kg，UAN的為-2.55 mg/kg，說(shuō)明T3更容易提高AON。綜上可知，外源氮輸入15N對(duì)AON組分的直接作用較小，不同外源氮形態(tài)主要影響其土壤本身14N轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響了AON組分含量，且不同外源氮形態(tài)對(duì)其影響方向不同，T1對(duì)AON組分的14N具有降低作用，T2和 T3卻具有提高作用，但T2提高作用強(qiáng)度低于T3。

圖2 外源氮素形態(tài)對(duì)15N和AON組分14N轉(zhuǎn)化的影響（a AON，b AN，c AAN，d ASN和e UAN）Fig. 2 Effects of external nitrogen forms on 15N and 14N transformation of AON fractions (a AON，b AN，c AAN，d ASN and e UAN)

2.3 對(duì)AON組分間轉(zhuǎn)化的影響

采取結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）的路徑分析方法研究外源氮形態(tài)對(duì)AON組分內(nèi)部轉(zhuǎn)化關(guān)系的影響，在AMOS 23.0中采取最大似然估算法進(jìn)行建模分析。AON組分間的轉(zhuǎn)化模式基于如下假說(shuō)：氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程遵循簡(jiǎn)單到復(fù)雜原則，即AN和UAN分別為模型的起點(diǎn)和終點(diǎn)，AN與UAN無(wú)直接聯(lián)系，只能經(jīng)過(guò)AAN或ASN進(jìn)行轉(zhuǎn)化。通過(guò)表1可知，各處理的結(jié)構(gòu)方程模型的評(píng)價(jià)指數(shù)均符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，所建模型合理可靠。

表1 結(jié)構(gòu)方程模型擬合指數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Fitting indices of structural equation model (SEM)

在未添加外源氮源條件下（CK），只有ASN與AAN間的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)（r）通過(guò)檢驗(yàn)，N素轉(zhuǎn)化過(guò)程主要集中在模型的中心位置，但模型的起點(diǎn)AN與其他組分間的r均未通過(guò)檢驗(yàn)，結(jié)構(gòu)方程模型較為穩(wěn)定（圖3d）。但在外源氮輸入條件下，原始結(jié)構(gòu)方程模型中間穩(wěn)定狀態(tài)被打破，即ASN與AAN的r值均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，而邊際間的某些轉(zhuǎn)化過(guò)程被激活。T1的AN-ASN和ASN-UAN的r值均為正值，極顯著地通過(guò)檢驗(yàn)，ASN加速了AN向UAN的轉(zhuǎn)化。T3的AN-AAN和ANN-UAN的r值均為負(fù)值，且顯著地通過(guò)檢驗(yàn)，AAN抑制了AN向UAN的轉(zhuǎn)化，且ASN-UAN的r值也通過(guò)檢驗(yàn)，增強(qiáng)了ASN-UAN的轉(zhuǎn)化過(guò)程；T2的增強(qiáng)路徑與T3相似，如AN-AAN，ASN-UAN的轉(zhuǎn)化過(guò)程被增強(qiáng)，但T2的r值均未通過(guò)檢驗(yàn)（圖3a-c）。

圖3 外源氮素形態(tài)對(duì)AON組分間轉(zhuǎn)化的影響（a T1，b T2，c T3和d CK）Fig.3 Effects of external nitrogen forms on transformation of AON fractions (a T1, b T2, c T3 and d CK)

2.4 對(duì)AON組分含量的影響

通過(guò)圖4可知：（1）10 d前，不同形態(tài)外源氮素對(duì)AON的影響呈現(xiàn)上下波動(dòng)狀態(tài)，隨后，T1大幅下降，在14 d時(shí)顯著低于T3和CK，30 d時(shí)顯著低于T2和T3；（2）對(duì)AN來(lái)講，T1在1 d顯著高于T2和CK，但隨后，其值逐漸較低，14 d時(shí)顯著低于其它處理，30 d顯著低于T3；（3）10 d前各處理的AAN均在上下波動(dòng)階段，且無(wú)顯著差異，但之后，T3顯著高于其它處理；（4）在整個(gè)時(shí)期ASN均不穩(wěn)定，呈現(xiàn)上下波動(dòng)狀態(tài)，T1在培養(yǎng)3 d和7 d顯著高于CK，但隨后迅速下降，顯著低于T2或T3處理；（5）在1 d時(shí)，T1的UAN顯著高于T2，3 d時(shí)，T3顯著高于T1和T2，但與CK無(wú)顯著差異，7 d至30 d，各處理均無(wú)顯著差異。

圖4 外源氮素形態(tài)對(duì)AON組分含量的影響（a AON，b AN，c AAN，d ASN和e UAN）Fig. 4 Effects of external nitrogen forms on AON fractions (a AON，b AN，c AAN，d ASN and e UAN)

3 討論

本研究表明不同外源氮素形態(tài)對(duì)植煙土壤AON組分的影響不同，氨基酸態(tài)氮更有利于提高AON，但氨態(tài)氮?jiǎng)t相反（圖4a），這主要?dú)w因于氨基酸態(tài)氮可顯著提高了占比達(dá)65%～75%的AN和AAN含量（圖4b-c）。從土壤氮素轉(zhuǎn)化量來(lái)看，在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮15N進(jìn)入AON組分的數(shù)量差別不大，加權(quán)均值分別為9.84 mg/kg、8.40 mg/kg和10.49 mg/kg；但14N變化值差別較大，氨態(tài)氮加權(quán)平均值為-116.71 mg/kg，而硝態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮卻為28.05 mg/kg和69.84 mg/kg。從土壤氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)看，氨態(tài)氮主要增強(qiáng)了AN-ASN和ASNUAN間的連續(xù)轉(zhuǎn)化過(guò)程，其r值均為正，可能提高了AN轉(zhuǎn)化概率，進(jìn)而大幅降低了AN含量；而氨基酸態(tài)氮激活了AN-AAN和ANN-UAN間的連通性，但其r值均為負(fù)，AAN可能抑制了AN向UAN連續(xù)性轉(zhuǎn)化過(guò)程，使得AON的積累量顯著增強(qiáng)；硝態(tài)氮雖然降低了ASN-AAN的轉(zhuǎn)化過(guò)程，但邊際的激活效應(yīng)未有明顯增強(qiáng)，模型較為平穩(wěn)，是其AON-14N變化值介于氨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮之間的主要原因。以上說(shuō)明，不同外源氮素形態(tài)誘導(dǎo)土壤本身氮素轉(zhuǎn)化量和轉(zhuǎn)化方向的差異是影響AON組分變化的主要因素，而外源氮素本身帶入量對(duì)其直接影響較少，其中硝態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮更有利于AON-14N的累積，而氨態(tài)氮?jiǎng)t相反。上述結(jié)論與相關(guān)研究結(jié)果基本一致。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外源有機(jī)態(tài)氮更有利于提高AON含量[9-13]，在棕壤常規(guī)施用有機(jī)肥可增加11.68%[9]，在黑土中倍施有機(jī)肥可增加9.11%[11]，在黃棕壤配施有機(jī)肥可增加11.69%[23]。這主要與無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮對(duì)土壤氮素積累和轉(zhuǎn)化影響不同有關(guān)：（1）有機(jī)氮可促使土壤殘留氮向AON轉(zhuǎn)化[24]；（2）化肥氮主要轉(zhuǎn)化為AN和ANN，進(jìn)入土壤0～2 μm的粘粒，而有機(jī)氮?jiǎng)t主要轉(zhuǎn)化為ANN或UAN，同化進(jìn)入各粒級(jí)中的ASN及2 μm以上各粒級(jí)的ANN[14-16,23,25]，有機(jī)氮更利于土壤形成良好結(jié)構(gòu)、培肥土壤。同時(shí)，本文中氨態(tài)氮處理的AON-14N降低可能還與氨態(tài)氮對(duì)土壤氮素的其它循環(huán)作用影響有關(guān)，如氨態(tài)氮肥更容易在非飽和田間持水量條件下提高N2O的排放量[26-27]，在一定程度上提高AON-14N的轉(zhuǎn)出量，但該類方式的14N轉(zhuǎn)出比例還有待于進(jìn)一步探討。

同時(shí)，值得關(guān)注的是，不同形態(tài)外源氮素對(duì)反映土壤微生物的氮素同化吸收利用過(guò)程的重要指標(biāo)ASN[8]的影響結(jié)果不同。其中，氨態(tài)氮處理的15N進(jìn)入ASN的加權(quán)均值為0.60 mg/kg，略高于硝態(tài)氮（0.54 mg/kg）和氨基酸態(tài)氮（0.56 mg/kg），且氨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮10天前的15N轉(zhuǎn)化率均高于硝態(tài)氮（圖1d）。這主要與微生物對(duì)氮素的選擇性同化有關(guān)，氨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮因其被微生物利用時(shí)消耗能量較少容易被微生物快速同化，而硝態(tài)氮?jiǎng)t因需消耗一定量的能量轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮后方可再利用，降低了微生物對(duì)其同化的能力[28-29]。同時(shí)，不同外源氮形態(tài)對(duì)ASN-14N變化值差別較大，硝態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮分別增加了32.23 mg/kg和28.29 mg/kg，而氨態(tài)氮卻使之降低了3.94 mg/kg，這可能與不同氮素形態(tài)對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響差異有關(guān)[30-31]，如氨態(tài)氮可降低真菌的豐度，而硝態(tài)氮對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)速率產(chǎn)生影響[32-34]，使得添加硝態(tài)氮可加速由細(xì)菌向真菌占主導(dǎo)地位的微生物群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[28,35-36]，進(jìn)而可能最終影響到土壤氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程，但其主要機(jī)理機(jī)制仍需深入探究。

4 結(jié)論

外源氮形態(tài)對(duì)土壤AON有一定影響，氨基酸態(tài)氮更有利于提高AON，硝態(tài)氮的提高作用低于氨基酸態(tài)氮，而氨態(tài)氮?jiǎng)t不利于AON的積累。從轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)看，不同外源氮形態(tài)15N轉(zhuǎn)入量差別不明顯，但對(duì)土壤本身14N的轉(zhuǎn)化過(guò)程影響較大，氨基酸態(tài)氮和硝態(tài)氮可通過(guò)增加其它來(lái)源14N轉(zhuǎn)入量提高AON，而氨態(tài)氮?jiǎng)t更有利于AON-14N的轉(zhuǎn)出。這主要可能與外源不同氮素形態(tài)影響了AON組分間的轉(zhuǎn)化過(guò)程有關(guān)，如氨態(tài)氮增強(qiáng)了AN向UAN轉(zhuǎn)化過(guò)程中ASN的促進(jìn)作用，而氨基酸態(tài)氮?jiǎng)t提高了AAN對(duì)上述此轉(zhuǎn)化過(guò)程的抑制作用。