氮素矿化动态对有机残留物和合成肥料投入的响应

《Soil Science Society of America Journal》：Nitrogen mineralization dynamics in response to organic residue and synthetic fertilizer inputs

玉米残体分解过程中矿质氮添加对两种不同氮供应能力土壤的影响研究。通过60天实验室培养监测二氧化碳生产与氮矿化，发现矿质氮（KNO3或(NH4)2SO4）显著促进残体分解，但氮矿化速率在两种土壤中无显著差异，且与二氧化碳生产无直接关联。微生物生物量氮（MBN）、蛋白酶和脱氨酶活性均随残体添加及矿质氮输入增加，但未形成与氮矿化的显著线性关系。研究指出，短期培养可能不足以检测外源碳与氮的微生物循环效应，长期田间试验更具说服力。

　　现代玉米生产依赖于大量的合成氮肥施用，这不仅提高了作物产量，也带来了大量的残留有机碳。本文通过一项为期60天的实验室培养实验，持续监测二氧化碳的产生，并结合定期取样分析土壤中的氮素矿化速率、微生物生物量氮（MBN）以及蛋白酶和脱氨酶活性，研究了这些输入对两种氮素供应能力不同的土壤中氮矿化过程的短期影响。研究发现，无论添加的是硝酸钾（PN）还是硫酸铵（AS），残渣的分解都得到了促进，但在低氮供应土壤（LNS）中分解速度更快，而在高氮供应土壤（HNS）中，MBN和两种酶活性却呈现出相反的趋势。此外，研究还指出，使用15N池稀释法测量总氮矿化速率时，并未观察到土壤或处理之间的显著差异。由于氮素容易被微生物循环利用，短期培养实验可能无法有效揭示氮矿化过程受有机或矿物输入的影响。

### 土壤与残渣特性

研究中所使用的两种土壤均为Birkbeck系列，但其氮素供应能力存在显著差异。高氮供应土壤（HNS）曾被管理为放牧草地，之后转为连续种植玉米和大豆的轮作体系，而低氮供应土壤（LNS）则自1948年起一直进行连续种植。两种土壤在有机碳含量、总氮含量、C:N比、交换性铵氮、硝酸盐氮、潜在矿化氮（PMN）以及生物有效磷（Bioavailable P）等方面均存在显著差异。HNS的有机碳含量和总氮含量均高于LNS，这可能与其长期的养分管理有关。此外，HNS的阳离子交换容量（CEC）也较高，这有助于其更好地缓冲酸碱变化，维持微生物活性。相比之下，LNS的团聚体稳定性较低，表明其土壤结构较为脆弱，可能对氮素循环产生一定的影响。

玉米残渣由叶片、茎秆、壳和穗组成，其C:N比为130，意味着残渣含有丰富的碳，但氮含量相对较低。这种特性使得残渣在分解过程中，能够为微生物提供充足的碳源，但对氮素供应有限。因此，残渣的分解可能受到土壤中氮素供应能力的限制，尤其是在氮素供应不足的土壤中，微生物可能更倾向于利用残渣中的氮素进行生长和代谢活动，从而加速氮素矿化。然而，在高氮供应土壤中，由于氮素供应充足，微生物可能更倾向于将氮素保留于自身生物量中，而非释放到土壤溶液中，这可能导致氮素矿化速率相对较低。

### 实验设计与方法

为了比较不同处理对土壤氮素矿化的影响，研究者将两种土壤分别进行168次培养实验，每种土壤设置六个处理：对照（无添加）、硝酸钾（PN）、硫酸铵（AS）、残渣（R）、残渣+硝酸钾（R+PN）、残渣+硫酸铵（R+AS）。每组实验中，土壤样品的含水量被调节至40%的持水能力（WHC），以确保实验条件的一致性。实验过程中，通过持续监测二氧化碳的释放量，研究者能够评估残渣分解过程中的碳释放情况，同时通过定期取样分析MBN和酶活性，进一步探讨氮素矿化和微生物活动之间的关系。

在测定MBN时，研究者采用氯仿熏蒸-提取法，通过比较熏蒸和未熏蒸土壤中的氮含量差异来计算微生物生物量氮。该方法能够有效反映土壤中微生物对氮素的利用情况。蛋白酶活性则通过以酪蛋白为底物的实验方法进行测定，其原理是利用蛋白酶将蛋白质分解为氨基酸和小肽，最终通过显色反应测定产物的浓度。脱氨酶活性的测定则基于L-精氨酸的分解过程，通过检测分解后生成的铵氮来评估其活性水平。这些酶活性的变化能够反映土壤中微生物对氮素的利用效率以及其对不同氮源的偏好。

### 实验结果与讨论

实验结果表明，无论添加哪种氮源，残渣的分解都会显著促进二氧化碳的释放，尤其是在添加了硝酸钾或硫酸铵的情况下，这种效应更为明显。然而，这种促进作用在两种土壤中表现出不同的趋势。在高氮供应土壤中，由于其较高的C:N比和较强的缓冲能力，残渣分解过程中微生物对氮素的利用更为高效，导致MBN和酶活性的显著提升。相比之下，在低氮供应土壤中，尽管残渣的分解速度较快，但微生物对氮素的利用能力有限，MBN和酶活性的增长幅度较小。

研究还发现，无论是高氮还是低氮土壤，添加氮肥（PN或AS）都会显著提高蛋白酶和脱氨酶的活性。然而，这些酶活性的变化在两种土壤中并不一致，尤其是在添加不同氮源的情况下。例如，在高氮土壤中，添加硫酸铵（AS）会显著抑制土壤酸化，从而促进微生物活动，而硝酸钾（PN）则可能由于其较强的酸化作用，导致微生物活性下降。这一现象在低氮土壤中更为明显，因为其较低的CEC限制了土壤对酸碱变化的缓冲能力，使得氮肥的酸化效应更加显著。

此外，研究者还分析了两种土壤中氮素矿化速率的变化。结果显示，尽管高氮土壤在总氮含量上高于低氮土壤，但在短期培养实验中，两种土壤的氮矿化速率并无显著差异。这可能与氮素的微生物循环有关，即氮素在土壤中被微生物吸收和再释放，导致其矿化速率的变化难以在短期内显现。相比之下，二氧化碳的释放则呈现出更明显的差异，尤其是在添加了残渣和氮肥的处理中，其释放速率显著高于对照组。

### 酶活性与微生物代谢

在实验中，蛋白酶和脱氨酶的活性被作为衡量土壤中氮素循环的关键指标。研究发现，残渣的添加显著提高了这两种酶的活性，表明残渣为微生物提供了丰富的氮素来源，从而促进了氮素矿化过程。然而，当氮源（PN或AS）单独添加时，酶活性的变化则取决于土壤的氮素供应能力。在高氮土壤中，由于氮素供应充足，微生物可能更倾向于利用残渣中的碳源进行生长，而非依赖外源氮素，因此氮源的添加对酶活性的影响较小。而在低氮土壤中，氮源的添加则显著提高了酶活性，表明微生物对氮素的利用需求较高，且其代谢活动受到氮素供应的限制。

此外，实验还发现，氮素矿化速率与二氧化碳释放之间并无显著相关性。这可能与两种土壤中残渣的组成和分解特性有关。高氮土壤中，由于其较高的C:N比和较强的缓冲能力，残渣的分解主要依赖于微生物对碳的利用，而非氮素的供应。因此，氮素矿化速率的变化可能与二氧化碳释放的速率无关。而在低氮土壤中，由于氮素供应不足，微生物可能更倾向于利用残渣中的氮素进行生长，从而导致氮素矿化速率与二氧化碳释放之间存在一定的关联性。

### 结论

综上所述，本研究发现，短期实验室培养实验可能无法有效揭示氮素矿化过程受有机或矿物输入的影响。由于氮素容易被微生物循环利用，其矿化速率的变化可能受到土壤中氮素供应能力、微生物活动以及氮素来源等因素的共同影响。因此，长期田间实验可能更适用于研究氮素矿化过程的动态变化。此外，实验还表明，残渣的分解不仅受到氮素供应的影响，还与土壤的物理化学特性密切相关。例如，高氮土壤的缓冲能力较强，能够维持微生物的活性，从而促进氮素矿化。而低氮土壤由于其较低的CEC和较差的团聚体稳定性，可能对氮素循环产生更大的限制。

### 微生物活动与氮素循环

微生物在土壤氮素循环中扮演着至关重要的角色。它们不仅能够将有机氮转化为无机氮（如铵和硝酸盐），还能够通过自身生长和代谢活动影响氮素的供应和利用。实验结果显示，无论添加哪种氮源，微生物生物量氮（MBN）均有所增加，表明氮素的输入促进了微生物的生长。然而，这种增长在两种土壤中表现出不同的趋势，尤其是在高氮土壤中，由于其较高的氮素供应能力，微生物可能更倾向于将氮素保留于自身生物量中，而非释放到土壤溶液中。

此外，研究还发现，氮素矿化速率与微生物活动之间存在复杂的相互作用。例如，当土壤中氮素供应充足时，微生物可能更倾向于利用残渣中的碳源进行生长，而非依赖外源氮素，从而导致氮素矿化速率较低。而在氮素供应不足的土壤中，外源氮素的添加可能显著提高微生物的活性，进而促进氮素矿化。这一现象在实验中得到了验证，尤其是在低氮土壤中，添加硝酸钾（PN）显著提高了氮素矿化速率，而添加硫酸铵（AS）则由于其酸化效应，对氮素矿化速率的影响较小。

### 长期影响与未来研究方向

尽管短期实验能够提供关于氮素矿化和微生物活动的初步信息，但其结果可能无法全面反映氮素循环的长期趋势。由于氮素在土壤中存在复杂的微生物循环过程，其矿化速率的变化可能受到多种因素的影响，包括土壤的物理化学特性、微生物的种类和数量、以及氮素来源的类型。因此，未来的研究应更多关注长期田间实验，以更全面地了解氮素矿化过程的动态变化及其对土壤肥力和碳氮循环的影响。

此外，研究还指出，残渣的分解可能受到土壤中氮素供应能力的显著影响。在氮素供应不足的土壤中，残渣的分解速度较快，但其对氮素的利用能力有限，导致氮素矿化速率较低。而在氮素供应充足的土壤中，残渣的分解速度较慢，但其对氮素的利用效率较高，从而促进氮素矿化。这一现象表明，土壤的氮素供应能力是影响残渣分解和氮素矿化的重要因素，因此在农业实践中，应根据土壤的氮素状况合理选择氮肥施用策略，以提高氮素利用效率并减少氮素损失。

### 未来研究与应用建议

为了更好地理解氮素矿化过程及其与碳循环的相互作用，未来的研究应结合长期田间实验和实验室培养实验，以全面评估氮素输入对土壤肥力和生态系统功能的影响。同时，研究还应关注不同氮源对土壤微生物群落结构和功能的影响，以期找到更有效的氮肥管理策略。此外，土壤的物理化学特性，如阳离子交换容量（CEC）、持水能力（WHC）和团聚体稳定性，也是影响氮素矿化的重要因素，因此在农业实践中，应综合考虑这些因素，以优化氮肥施用和残渣管理策略。

总之，本研究为理解氮素矿化过程及其与碳循环的相互作用提供了重要的实验依据，同时也指出了短期实验的局限性。未来的研究应更加注重长期观察和综合分析，以更全面地揭示氮素循环的复杂机制及其对土壤肥力和生态系统功能的影响。