氮素形態(tài)配比對白漿土活性有機(jī)碳的調(diào)控影響

薛 明，李玉璽，馬 超，李興吉，王 語，劉 蘭，王 帥

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林長春 130021；2.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院，吉林吉林 132101)

活性有機(jī)碳是指土壤中有效性高且易被微生物分解、可供植物吸收利用的那部分有機(jī)碳，水溶性有機(jī)碳(water-soluble organic C，簡稱WSOC)和易氧化有機(jī)碳(readily oxidizable organic C，簡稱ROC)均屬土壤總有機(jī)碳(total organic C，簡稱TOC)的活性成分。水溶性有機(jī)碳是指可通過0.45 μm濾孔且易溶于水的有機(jī)碳成分，通常由碳水化合物、長鏈脂族化合物和蛋白質(zhì)構(gòu)成。而易氧化有機(jī)碳是指在微生物及土壤酶作用下能快速氧化分解的有機(jī)碳，氨基酸、碳水化合物和一定數(shù)量的微生物生物量碳均屬該范疇。

有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性可表征土壤中有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體的動(dòng)態(tài)趨勢，其與有機(jī)質(zhì)抵抗氧化的能力有關(guān)，系數(shù)越大表明其有機(jī)質(zhì)越穩(wěn)定[1]。袁可能提出用氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)來表征有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性，Kos值越大，氧化穩(wěn)定性越大，反之則越小[2]。有研究表明，長期施用化肥及配施有機(jī)肥能顯著改善土壤活性有機(jī)碳的含量水平，也有一些研究發(fā)現(xiàn)，不同氮素形態(tài)能通過影響微生物數(shù)量及其酶系活性，進(jìn)而牽涉土壤碳素周轉(zhuǎn)[3-5]。然而，關(guān)于不同氮素形態(tài)配比對土壤活性有機(jī)碳影響的系統(tǒng)報(bào)道尚不多見，因此，本研究采用室內(nèi)培養(yǎng)法，通過在混以玉米秸稈的白漿土中添加不同的氮素形態(tài)配比，試圖揭示其對土壤活性有機(jī)碳組分?jǐn)?shù)量的影響，相關(guān)結(jié)論能夠?yàn)榈匦螒B(tài)摻混的新型肥料研制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

白漿土于2015年3月取自吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院北大地玉米試驗(yàn)田(126°28′46.81″E、43°57′37.80″N)，經(jīng)風(fēng)干、粉碎后過1 mm篩；玉米秸稈于2015年11月采收于吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院西側(cè)玉米試驗(yàn)田，帶回實(shí)驗(yàn)室后在55 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，粉碎過0.25 mm篩。

1.2 試驗(yàn)方法

稱取9.7 kg白漿土與0.3 kg玉米秸稈粉末充分混勻，基于同等氮素用量、不同氮素形態(tài)配比的處理要求(表1)，用計(jì)量的蒸餾水(根據(jù)混合培養(yǎng)體系田間持水量的50%來計(jì)算用水量)將相應(yīng)的含氮試劑溶解并噴灑于混料中，待混勻后，按照混料干質(zhì)量150 g裝入250 mL塑料燒杯中，用可透氣的塑料薄膜封口，置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)不同氮素形態(tài)配比處理(AD、AN、ND)，每個(gè)處理依照相應(yīng)的7個(gè)時(shí)間點(diǎn)(0、15、30、60、90、120、180 d)取樣，各時(shí)間點(diǎn)均下設(shè)3個(gè)平行樣品，共計(jì)63個(gè)樣品。每隔48 h對樣品進(jìn)行稱量并補(bǔ)足水分，確保恒濕條件。達(dá)到培養(yǎng)時(shí)間后，取出各處理?xiàng)l件下的3個(gè)樣品，迅速轉(zhuǎn)至55 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒質(zhì)量，取出磨碎后過0.25 mm篩，裝入磨口瓶，用于活性碳數(shù)量分析。

表1 氮素形態(tài)間不同配比所對應(yīng)的具體處理方法及代碼

注：NH4Cl、NH4NO3、NaNO3純氮的有效含量分別為26.17%、34.98%、16.47%。

1.3 測定項(xiàng)目及數(shù)據(jù)處理方法

輕、重組有機(jī)碳采用相對密度分組法進(jìn)行，以1.8 g/cm3NaI為重液，具體參照魯如坤的方法[6]進(jìn)行；易氧化有機(jī)碳采用333 mmol/L KMnO4氧化法[7]進(jìn)行。氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)=(TOC-ROC)/ROC×100%[2]。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用Excel 2003及SPSS 18.0軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素形態(tài)間不同配比對白漿土WSOC的影響

WSOC是土壤有機(jī)物周轉(zhuǎn)及微生物代謝活動(dòng)的中間產(chǎn)物，盡管含量甚微，但能直接作為微生物可利用的能源物質(zhì)[8]。由圖1可知，在同等氮素用量、不同氮素形態(tài)配比的影響下，混以玉米秸稈的白漿土中WSOC含量均隨培養(yǎng)的進(jìn)行而漸趨降低。AD、AN、ND處理下90 d時(shí)，WSOC含量的降低幅度分別為65.6%、68.9%、51.1%。這表明無論銨硝間比例如何，氮素添加均有助于礦化過程的進(jìn)行。夏雪等研究指出，肥料的施入可為微生物提供豐富的營養(yǎng)源和能源，使其快速繁衍[9]。因此，迅速增殖的微生物勢必會對混料中較易利用的WSOC成分產(chǎn)生礦化分解作用，使其隨培養(yǎng)的進(jìn)行而漸趨降低，在此方面，銨硝等比例供氮更有利于WSOC成分的分解，其次是以銨態(tài)氮占優(yōu)的供氮處理。據(jù)報(bào)道，在同等氮素用量、不同形態(tài)組合的影響下，土壤微生物呈上升趨勢[10]。因此，可能是銨硝等比例供氮對微生物活性的促進(jìn)作用更為明顯，間接有利于WSOC成分的消耗。

此外，為表征其在TOC中所占比例的動(dòng)態(tài)變化，筆者所在課題組又利用折線圖對該部分內(nèi)容進(jìn)行了描述。從單一處理來看，隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，WSOC在TOC中的比例均逐漸降低，以銨態(tài)氮為主的供氮形態(tài)更有助于降低WSOC在TOC中的份額。陶寶先等在研究中指出，銨態(tài)氮可有效抑制TOC的礦化，而硝態(tài)氮對其礦化無顯著性影響[11]。李嶸等研究認(rèn)為，銨態(tài)氮對TOC累積的促進(jìn)作用要高于硝態(tài)氮[12]；而艾娜研究指出，以難分解的小麥秸稈為碳源基質(zhì)時(shí)，培養(yǎng)期間微生物對銨態(tài)氮的固持率要高于硝態(tài)氮[13]。由此可推斷，銨態(tài)氮對TOC礦化作用的抑制使其含量有所累積，加上微生物對銨態(tài)氮的偏好，使WSOC的消耗程度增強(qiáng)，進(jìn)而使WSOC/TOC的含量降低。在0、90 d這2個(gè)培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)下，微生物利用以銨態(tài)氮為主的氮素能削弱微生物對WSOC的消耗，而在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)(180 d)，其可大幅提升微生物對TOC中WSOC組分的消耗。由此可推斷，以銨態(tài)氮占優(yōu)的供氮模式更有利于促進(jìn)微生物在培養(yǎng)后期對TOC中WSOC所占比例的削減。

2.2 氮素形態(tài)間不同配比對白漿土易氧化有機(jī)碳的影響

由圖2可見，在不同氮素形態(tài)配比添加的影響下，混以秸稈的白漿土中ROC含量隨培養(yǎng)時(shí)間的延長表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即先略有降低后回升再大幅下降。對比培養(yǎng)始末ROC含量的變化情況可知，AD、AN、ND處理的ROC含量降低幅度分別為 39.1%、18.5%、32.5%。

具體來看，在培養(yǎng)15 d內(nèi)，微生物在氮素充足的條件下，首先對秸稈實(shí)施分解，有機(jī)碳中的活性組分ROC因較易礦化而含量降低，尤以銨態(tài)氮為主要供氮形態(tài)時(shí)更利于微生物對ROC組分的消耗，促使其降幅達(dá)到最大，而后隨微生物繁衍增殖，更多活性碳組分進(jìn)入ROC，使其含量水平有所提升，最終在培養(yǎng)中后期，隨微生物活性衰退，對秸稈礦化能力減弱，ROC含量被大量消耗以維系微生物代謝活動(dòng)直至培養(yǎng)結(jié)束[14]。值得注意的是，ND處理在培養(yǎng)60 d時(shí)，混料ROC含量再次獲得提升，這也許是因?yàn)橄鯌B(tài)氮占優(yōu)的供氮處理，其在培養(yǎng)過程中歷經(jīng)反硝化作用，有向N2O和N2轉(zhuǎn)化的趨勢，在此過程中硝態(tài)氮作為氧化劑，對ROC的形成有促進(jìn)作用，但最終未能抵御微生物活性衰退所導(dǎo)致的ROC含量降低[15-16]。此外，在整個(gè)培養(yǎng)過程中，以銨態(tài)氮為主要供氮形態(tài)時(shí)，微生物對ROC的消耗程度最大，其次是以硝態(tài)氮占優(yōu)的處理，而銨硝等比例氮素投入更利于穩(wěn)定ROC的含量水平、降低微生物對其含量的消耗。

為了更好地理解供氮形態(tài)對ROC含量的影響機(jī)制，筆者所在課題組又對混料中ROC與TOC間的相互關(guān)系進(jìn)行了描述，如圖3所示。無論添加何種氮素形態(tài)，隨混料TOC含量的增加，ROC含量均可獲得提升，這表明通過氮素形態(tài)配比對TOC含量的調(diào)控可間接改善ROC的產(chǎn)出環(huán)境，兩者間呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，這與楊金鈺等的研究結(jié)果[17]相似。

為進(jìn)一步探明氮素形態(tài)間不同配比對混以玉米秸稈白漿土TOC中ROC含量的變化規(guī)律，筆者所在課題組又對ROC含量/TOC含量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，結(jié)果見圖4。在不同氮素形態(tài)配比添加的影響下，ROC含量/TOC含量呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。在AD處理下，混料ROC含量/TOC含量在培養(yǎng)前期(0～15 d)呈增加趨勢，而后整體逐漸降低；AN處理下，ROC含量/TOC含量有明顯的增加趨勢，而在ND處理下，ROC含量/TOC含量先增加而后呈波動(dòng)性下降。

上述結(jié)果表明，銨態(tài)氮占優(yōu)的供氮措施可使微生物活性在短期內(nèi)獲得較大提升，并由此改善了ROC的含量水平，而后因硝化作用，銨態(tài)氮形式逐漸向硝態(tài)氮形態(tài)轉(zhuǎn)化[18]。在此過程中，銨態(tài)氮可作為還原劑對ROC的形成產(chǎn)生抑制作用，加之后續(xù)微生物活性的減弱，致使ROC含量逐漸降低；銨硝等比例投入，氧化還原反應(yīng)處于平衡、穩(wěn)定狀態(tài)，且微生物活躍程度較高，在培養(yǎng)期間更有利于提升ROC在TOC中的分配比例。而以硝態(tài)氮占優(yōu)的供氮模式，其作為氧化劑歷經(jīng)反硝化作用可有效提升ROC的分配比例，而在培養(yǎng)后期，反硝化細(xì)菌的擴(kuò)繁抑制了好氧微生物的活性，使其活性衰退，進(jìn)而促使ROC所占比例的降低[19]。整體來看，銨硝等比例氮素添加對提升ROC含量，促進(jìn)土壤功能活化的效果最為明顯。

Kos可用于衡量有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性，施肥能通過改變土壤ROC含量進(jìn)而影響Kos的變化[2，20]。如圖5所示，以不同氮素形態(tài)配比添加為前提，混以秸稈白漿土的Kos隨培養(yǎng)的進(jìn)行表現(xiàn)出不同的規(guī)律。首先，在AD處理下，Kos先有所降低而后逐漸提高并趨于平穩(wěn)，在AN處理下，Kos在波動(dòng)中有所下降，而在ND處理下，Kos先降低，在培養(yǎng)達(dá)60 d后，Kos值跌至谷底，之后再度增加并趨于平穩(wěn)。對比培養(yǎng)始末Kos結(jié)果可知，AN處理能夠在較大程度上降低有機(jī)碳的穩(wěn)定性，ND處理能夠在較小幅度內(nèi)降低有機(jī)碳的穩(wěn)定性，而AD處理能夠提高有機(jī)碳的穩(wěn)定性，提高Kos，使其增幅達(dá)11.1%。

根據(jù)上述規(guī)律可知，在以銨態(tài)氮為主要氮素形態(tài)時(shí)，微生物較易獲取氮素養(yǎng)分[21]，在礦化分解秸稈方面更具優(yōu)勢，有機(jī)碳穩(wěn)定性易遭破壞，而后隨微生物的降解能力衰退，養(yǎng)分呈保蓄狀態(tài)，Kos有所提升。在添加銨硝等比例氮素后，微生物在相對穩(wěn)定的電位環(huán)境下對秸稈的氧化降解能力逐漸增強(qiáng)，并可延續(xù)至培養(yǎng)結(jié)束。在以硝態(tài)氮占優(yōu)勢的氮素供應(yīng)下，微生物活性增強(qiáng)效果不明顯，致使較為穩(wěn)定的有機(jī)碳成分聚集。隨培養(yǎng)進(jìn)行到后期，硝態(tài)氮作為反硝化作用的基質(zhì)材料，其所扮演的氧化劑角色在某種程度上增大了微生物對秸稈的氧化降解，使Kos再度提升。對比培養(yǎng)前后結(jié)果，銨硝等比例氮肥投入更利于微生物對秸稈的礦化分解，使ROC含量和難氧化有機(jī)碳成分不斷降低，不利于養(yǎng)分的保蓄，反之，以銨態(tài)氮為主要氮源時(shí)則更利于微生物對ROC的消耗，使養(yǎng)分在某種程度上得到固存。

3 結(jié)論

WSOC易受施氮措施影響，無論氮素形態(tài)配比如何，其添加均有利于秸稈白漿土混料中WSOC的消耗，使之占TOC的份額降低。其中，銨硝等比例供氮更利于WSOC成分的分解，其次是以銨態(tài)氮占優(yōu)的氮素形態(tài)組合，后者在降低WSOC在TOC中比例的作用更為明顯，尤其是培養(yǎng)進(jìn)入中后期(90～180 d)。

ROC可表征土壤所能釋放有效肥力的多少。3種不同氮素形態(tài)配比皆有利于微生物對ROC的消耗，相比之下，以銨態(tài)氮為主要供氮形態(tài)時(shí)，微生物對ROC的消耗程度最大，其次是以硝態(tài)氮為主的處理；通過氮素形態(tài)配比對TOC含量的調(diào)控可間接改善ROC的產(chǎn)出環(huán)境，兩者間具有良好的正相關(guān)關(guān)系。

銨態(tài)氮作為還原劑對ROC的形成有抑制作用，而銨硝等比例及以硝態(tài)氮為主的供氮形態(tài)更有利于提高TOC中ROC的含量，前者效果更佳。

銨硝等比例供氮能夠在較大程度上降低混料有機(jī)碳的穩(wěn)定性，而銨態(tài)氮占優(yōu)則更利于Kos的提高，進(jìn)而有益于養(yǎng)分固存?？梢姡{(diào)控氮素形態(tài)配比能夠改善白漿土活性有機(jī)碳的含量水平，相關(guān)規(guī)律可作為氮素形態(tài)摻混肥研制的理論依據(jù)。

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