氮是植物生長的關鍵限制因子，施用氮肥是提高農作物產量的重要措施。但是，當氮肥投入超過了農作物和土壤微生物對氮的需求，不僅對提高產量無益，反而會降低氮肥利用率，同時大量盈余的氮素很容易通過徑流、淋溶、氨揮發和反硝化等途徑損失，引發地下水硝酸鹽污染、水體富營養化及溫室效應等一系列負面環境問題。
目前，單施及過度施用化學氮肥引起的與氮相關的環境問題尤為嚴重，而有機-無機配施措施已被證實在提高農作物產量和改善品質的同時可以降低與氮相關的環境污染。那么，長期施肥究竟影響哪些土壤氮素轉化過程，進而影響土壤的供氮能力和保氮機制呢？長期施有機肥又是如何降低氮損失風險的呢？本文綜述了長期施肥對農田土壤氮素關鍵轉化過程的影響，以期為合理施用氮肥、提高氮肥利用率提供理論依據。
本文主要從土壤氮轉化過程的初級轉化速率角度綜述肥料（有機肥和化學氮肥）對土壤氮素關鍵轉化過程的影響。氮素形態之間的轉化速率控制各種形態的氮在土壤中的含量變化。
依據測定方法，土壤氮素的轉化速率可分為凈轉化速率和初級轉化速率。凈轉化速率是評價土壤供氮能力和環境風險的常用指標。初級轉化速率指的是土壤氮從一種特定的形態轉化為另一種特定形態的實際轉化速率。
在自然條件下，土壤中各種形態氮的凈轉化速率是控制其轉化的多種途徑的初級轉化速率綜合作用的結果。例如，當硝化作用速率與NO3--N 的生物同化速率相等時，土壤中NO3--N 含量保持常數，凈硝化速率為零，但這不等于土壤未進行硝化作用和NO3--N 的同化作用。因此，要闡明無機氮含量變化的過程，并進行針對性地調控，必須認識其初級轉化速率。綜上所述，將反映氮素各種形態含量變化的凈轉化速率研究推進到控制含量變化的過程初級轉化速率研究，對于認識土壤氮素轉化規律、合理施用氮肥、評估氮肥的環境效應等具有極其重要的意義。本文主要綜述長期施肥對土壤氮素各個關鍵轉化過程這方面的研究結果，有助于從土壤氮轉化過程角度深入認識長期施肥對農田土壤氮素轉化過程的影響機制。
1、長期施肥對氮素初級礦化-同化周轉速率的影響
土壤氮素礦化-同化循環是自然界氮循環過程中兩個至關重要的環節，是決定土壤供氮能力的重要因素。土壤有機氮礦化速率越高，可為作物提供的有效態氮可能就越多。土壤氮素初級礦化速率大小由土壤有機碳和有機氮含量決定。大量長期定位施肥試驗表明，施用氮肥可以增加土壤有機碳、氮含量，進而提高土壤氮素初級礦化速率（表1，圖1a）。長期施用有機肥可以增加農作物秸稈在土壤中的殘留量和根系分泌物數量，根系分泌物可以為微生物生長提供營養物質。此外，有機肥本身就含有大量的營養物質，如動物糞肥通常含有一系列易降解的有機碳、氮和無機氮化合物，而作物秸稈則主要含有如木質素、纖維素和半纖維素等較穩定的有機化合物。
與有機肥相比，化學氮肥對土壤氮素初級礦化速率的提高程度與其對作物生長的促進作用密切相關，化學氮肥施入可以提高作物產量，進而提高土壤中根和作物殘體的自然還田量，最終增加土壤有機碳、氮含量。此外，肥料類型可以影響土壤中穩定性和不穩定性有機氮庫的相對礦化速率。Zhang 等對封丘17 年的長期定位試驗研究發現，長期施用化學氮肥可以提高穩定性有機氮庫的礦化速率，而有機肥則刺激了不穩定性有機氮庫的礦化速率。英國希爾斯堡38 年的長期定位實驗數據也發現不施肥處理中銨態氮主要由穩定性有機氮庫礦化而來，而牛糞處理土壤銨態氮主要來自不穩定性氮庫礦化。
土壤氮同化是指無機氮被微生物同化吸收進入有機氮庫的過程，其中微生物同化銨態氮進入有機氮庫的過程即為銨態氮同化，是評價土壤保氮能力的一個重要指標。關于長期施用化學氮肥或有機肥對銨態氮同化的影響，總體表現為有機肥對提高土壤銨態氮同化速率的能力強于化學氮肥（圖1b）。長期施用有機肥提高土壤銨態氮初級同化速率可能是由于有機肥含有大量的有效碳源，可提高微生物生物量和活性，促使微生物同化更多的銨態氮進入土壤活性有機氮庫。相比而言，化學氮肥施入僅僅通過提高土壤中根和作物殘體的自然還田量增加土壤有機碳含量，因而其提供的有效碳源相對有限，對提高土壤銨態氮同化速率的能力也就弱于施入有機氮肥。近期，我們對四川紫色土和太湖水稻土的研究卻發現單施化學氮肥竟能抑制銨態氮同化（表1）。
總體而言，長期施用氮肥，尤其是有機肥能顯著提高初級礦化-同化周轉速率。有機肥施用提高微生物利用銨態氮和硝態氮的能力，致使更多的有效態氮被微生物同化至土壤有機氮庫短暫地儲存起來，隨后這部分氮將會通過再礦化過程轉變為植物有效氮，最終提高土壤氮礦化速率并增加植物有效態氮數量，有效降低氮的損失風險。
2、長期施肥對初級硝化速率的影響
硝化作用通常可分為自養硝化作用（氨氧化菌氧化銨態氮為硝態氮）和異養硝化作用（異養微生物氧化有機氮或銨態氮為硝態氮）。長期施肥可以激發自養硝化作用，且有機肥的激發作用更明顯（圖1c），這可能歸結于有機肥和化學氮肥的不同激發機制。化學氮肥不僅直接為自養硝化提供底物銨態氮，還可以激發土壤氨氧化菌的活性。有研究表明，對于酸性土壤，長期施化學氮肥會激發AOA（ammonia oxidizing archaea，氨氧化古菌）的活性和數量，而中性和偏堿性土壤則是激發AOB（ammonia oxidizing bacteria，氨氧化細菌）的活性和數量。此外，長期施用化學氮肥通常激發自養硝化，而自養硝化過程中產生的大量H+可能會導致土壤酸化，土壤酸化反過來又會抑制自養硝化過程。通常情況下，土壤酸化對硝化的抑制作用會被化學氮肥對自養硝化的刺激作用完全抵消，但土壤酸化到一定程度后，化學氮肥對自養硝化的激發作用就不存在了。
長期施用有機肥刺激自養硝化作用的機制較為復雜。即使在等氮量施肥處理的情況下，有機肥所含的大量有效碳和其他養分還有益于改善土壤的物理化學和生物學性質。有機肥中有機氮的礦化有致堿作用，且有機肥本身含有大量的鹽基離子也可提高土壤pH，而土壤pH 的提高可激發自養硝化。He 等對江西紅壤16 年的長期定位試驗結果也發現，有機-無機配施不僅可以緩沖土壤pH 變化，還能為氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）提供基質、養分及適宜的生存環境。此外，有研究表明有機肥處理土壤的AOB 硝化潛勢和AOB 數量明顯高于化學氮肥處理。因此，長期施用有機肥對自養硝化的激發作用也可能是土壤中AOB 數量和活性增加的結果。
有機肥料種類不同對自養硝化的刺激作用也不同，農作物秸稈對自養硝化的激發作用通常小于動物糞肥。與農作物秸稈相比，動物糞肥的C/N 比較低，致使其對初級氮礦化的激發作用強于初級氮同化，這必然會為自養硝化細菌提供更多可利用的銨態氮。動物糞肥本身含有的較高濃度銨態氮也會快速釋放到土壤中，成為自養硝化微生物的底物。而農作物秸稈C/N 比通常較高，微生物從土壤中吸收更多的無機氮來滿足自身生長需要，致使農作物秸稈施入促進了氮同化并導致自養硝化的底物減少，農作物秸稈處理的NH4+-N 同化/總NH4+-N 消耗比值大于動物糞肥處理也證實了上述觀點。
目前，有關不同施肥措施對硝化速率影響的研究主要關注自養硝化過程，定量研究有機肥對異養硝化速率影響的報道很少。異養硝化分為有機和無機途徑，即氧化有機氮和銨態氮過程。
Müller 等發現有機肥施入促進銨態氮向硝態氮的氧化作用，這是因為提高了異養硝化的無機過程。其研究還發現，長期施用牛糞會刺激有機氮異養硝化為硝態氮。
Zhang 等的研究結果表明，有機物質的種類可以影響異養硝化的途徑。加入氨基酸類有機氮化合物后，硝態氮主要來自于銨態氮和有機氮異養硝化，而對于玉米秸稈這些復雜的化合物，有機氮異養硝化是硝態氮產生的唯一途徑。玉米秸稈處理的異養硝化與總硝化（即自養硝化+異養硝化）的相對比值高達80％～93％，顯著高于氨基酸類的有機氮化合物處理（41％～49％）。在此基礎上，Zhang 等進一步發現有機酸（甘氨酸）濃度并不影響異養硝化與總硝化的相對比值，低濃度的有機酸（20 mg kg-1）足以支持異養硝化作用。異養硝化過程可以提高土壤的供氮能力，同時又是土壤排放N2O 的三個主要來源之一，進一步加強施肥措施對異養硝化過程的研究具有非常重要的意義。
3、長期施肥對硝態氮同化速率的影響
與銨態氮相比，微生物利用硝態氮需要消耗更多的能量，且土壤銨態氮濃度高時會抑制硝態氮的轉運或硝態氮還原酶的合成，因而大多數研究均認為農田土壤不存在硝態氮同化作用。最近的研究表明，C 源不足也是農田土壤微生物不利用硝態氮的重要原因。Recous 和Mary 發現，耕作土壤中只加入KNO3 時，微生物NO3--N 同化幾乎可忽略不計，而在相同KNO3 施用量的基礎上加入C 500 mg kg-1干土的葡萄糖時就立即發生NO3--N 同化。同樣地，在森林生態系統中，葡萄糖的加入量在C 1000 mg kg-1干土以上時才會促進NO3--N 同化。
但是，Shi 和Norton 與Shi 等發現堆肥處理土壤仍然不能進行NO3--N 同化，他們推測這是由于堆肥的C/N 比較低（＜12），有效C 源不足以滿足微生物的生長需求。與低C/N 比的有機物料相比，高C/N 比有機物料的施入則會激發異養微生物吸收更多的外源N 來滿足自身需求，致使微生物在利用NH4+-N 的同時也進行NO3--N 同化。
已有研究表明，農田土壤施用小麥秸稈可以提高NO3--N 同化，而森林、草地和有機農田系統土壤中明顯的NO3--N 同化現象也可能是由于這些土壤中有效碳含量較高的原因。然而，利用數值模型測定土壤氮素轉化速率時卻發現，農田土壤也能發生微生物同化硝態氮作用（表1）。農田土壤中存在的硝態氮同化作用，可能是因為土壤中存在某些銨態氮濃度極低的微域，微生物轉而利用硝態氮。例如，土壤中銨態氮有兩個主要去向：一是通過自養硝化氧化為硝態氮，二是被微生物同化進入有機氮庫，因此不可避免地會發生氨氧化細菌和異養微生物對銨態氮的競爭作用，而競爭的結果可能會使土壤中產生一些銨態氮不足的微域。此外，底物的空間異質性也會形成銨態氮不足的微域。在這些微域中，銨態氮不能滿足微生物自身生長對氮的需求，致使硝態氮成為可被微生物利用的有效氮源。
4、長期施肥對反硝化速率和N2O 排放的影響
反硝化作用是指厭氧條件下NO3 - -N 和NO2--N 逐步還原為NO、N2O 和N2 的過程，是將活性氮轉變為惰性氮（N2）的一個重要的土壤氮循環過程。大量長期定位施肥實驗結果表明，施用化學氮肥和有機肥均能提高反硝化速率，且有機肥的刺激作用高于化學氮肥。化學氮肥可以通過影響硝化過程間接地影響反硝化過程。首先，長期施用化學氮肥可以激發自養硝化，增加土壤中硝態氮的濃度，為反硝化提供充足的底物，最終促進反硝化過程及反硝化中間產物N2O 的排放。其次，化學氮肥的長期施用導致農田土壤酸化， pH 降低會顯著提高反硝化對N2O 產生的貢獻。
Cheng 等的研究發現，控制N2O 排放途徑的pH 閾值約為4.4，低于該閾值時反硝化成為土壤N2O 排放的主要來源。與其他中間過程的反硝化還原酶相比，N2O 還原酶的轉移與合成對低pH 較反硝化過程中其他還原酶更敏感，土壤pH 降低可以顯著抑制N2O 還原酶活性，從而導致反硝化產物中N2O 的比例增加。亦或，與反硝化細菌需要厭氧條件相比，真菌介導的反硝化過程對O2 濃度范圍的要求較寬。主導反硝化的真菌通常缺少N2O 還原酶，N2O 成為反硝化的主要最終產物。一般而言， 酸性土壤中真菌反硝化過程較為顯著。
Yamamoto 等發現酸性土壤中真菌介導的反硝化作用對N2O 產生的貢獻量高達16.9%。因此，土壤pH 的降低使得反硝化成為N2O 排放的主導過程，可能與真菌介導的反硝化過程密切相關。此外，酸性條件下化學反硝化過程可能也會對N2O 排放有一定的貢獻。有研究發現化學反硝化過程在pH 為4.1～4.2 的酸性土壤對N2O 排放有重要貢獻。
與化學氮肥相比，有機肥施用影響反硝化過程的機制較為復雜。首先，有機肥作為C 源，可直接為反硝化細菌提供能量和電子而促進反硝化，進而增加N2O 的產生量。此外，有機肥施用可以激發自養硝化和異養硝化，為反硝化提供底物。再者，有機肥加入還可影響除無機N 外的其他非生物因素，如有機肥激發了微生物活性，進而加劇了土壤孔隙中O2 的耗竭，致使更多的好氧區域轉變為厭氧區域，導致反硝化替代硝化成為一些土壤孔隙中N2O 的主要過程，進而增加N2O 排放。這種異養微生物生長誘導的O2 耗竭可能與有機肥施入量呈正相關關系。
5、基于農學和環境效應的施肥措施
有機肥一直被提倡和實踐用來改善土壤肥力和提高土壤固碳能力。研究表明，無論是單施有機肥還是有機-無機配施，均能有效地減輕硝酸鹽污染，改善土壤肥力并提高作物產量。Kramer 等間接地證明，有機肥施用可以通過增加反硝化過程中的氣態氮損失，來降低蘋果園土壤的NO3--N 淋失。Wang 等的實驗發現，有機肥施入可以增強異養微生物與氨氧化菌對銨態氮的競爭能力，進而降低NO3--N 在土壤中的累積，并減少NO3--N 損失。
硝化作用產生的NO3--N 較NH4+-N 更易遷移和淋失，因此抑制自養硝化過程是降低硝態氮損失的較好手段。目前硝化抑制劑，如雙氰胺、氯甲基吡啶在減少農田氮素流失方面的應用前景廣闊。此外，通過施用有機肥促進微生物對銨態氮和硝態氮的同化作用亦是降低NO3--N 在土壤中累積的手段之一。但是有機肥的施用并不是多多益善，其過多施用也會增加氮損失的風險。本綜述的結果表明，長期施有機肥對自養硝化作用的刺激作用明顯高于化學氮肥（圖1c），會導致土壤中硝態氮的積累。
Masaka 等發現，有機肥施用量超過15 t hm-2時，淋溶液（深度為40 cm）中NO3--N 濃度就超過飲用水標準（10 mg L-1）的15%以上。
而Maeda 等發現，有機肥處理1m 深土壤水中的NO3--N 濃度只在前3 年保持不變，隨后則達到化學氮肥處理相同水平，表明有機肥在短期內可以減少NO3--N 淋溶損失，長期施用下會與化學氮肥一樣導致大量NO3--N 淋溶損失。此外，有機肥還能促進土壤中可溶性有機氮的淋洗。
6、結論與展望
合理施肥、在兼顧生態環境效應的前提下，提高作物產量、維持土壤肥力是農業可持續發展的必由之路，尤其是在農業面源污染日益嚴重的情況下，在不減產的同時降低肥料投入，提高氮肥利用率，降低氮向環境的排放是當前農業研究的熱點和難點。研究長期施肥對土壤氮各個過程的影響，有助于加強我們對長期施肥對土壤供氮能力和保氮能力的影響的認識，可以為合理施用氮肥、提高氮肥利用率、減少與氮相關的環境污染提供理論依據。目前，有待深入開展以下幾方面的研究：
（1）長期施化學氮肥會導致土壤酸化以及大量的氮損失，而施用有機肥可以緩解這些問題，因此有機無機配施是農業肥料投入的正確方式，但是過量的施入有機肥也會造成大量的氮損失，因此亟待明確有機肥投入的閾值以及合理的有機無機肥料投入比例。
（2）無論是有機肥還是化學氮肥投入均顯著刺激硝化過程，造成土壤中大量的硝態氮累積，進而增加硝態氮損失的風險。雖然目前已經開發了硝化抑制劑來抑制或減緩自養硝化過程，并在一定程度上降低了硝態氮淋失以及N2O 排放風險。但是，如何提高土壤中微生物對硝態氮的同化則研究較少，一般認為農業土壤微生物不利用硝態氮。但有限的研究表明，通過加入一些C/N 比較高的外源C 很有可能促進農業土壤中硝態氮同化速率，進而把硝態氮轉變為微生物生物量氮儲存起來，然后通過再礦化作用緩慢釋放出來，增加土壤保氮和供氮能力。但是，外源C 輸入亦可以提高土壤反硝化損失和N2O 排放。因此，需要加強研究能夠提高硝態氮同化能力并盡可能降低反硝化損失的有效措施。
（3）雖然通過對氮各個轉化過程的研究可以知曉同一體系中礦化、同化、硝化和反硝化等過程的關聯作用及交互影響，但是如何整體評價長期施肥對土壤氮循環的影響亟待明確，比如長期施用有機肥可以通過增加反硝化過程中的氣態氮損失，來降低蘋果園土壤的NO3--N 淋失，硝態氮淋失降低的代價是提高溫室效應，這也是得不償失的。再比如，應用硝化抑制劑可以減少農田土壤硝態氮和N2O 損失，但卻可以大量提高氨揮發損失風險。因此，如何做到綜合評估長期施肥下不同種類肥料及其比例對環境的綜合影響也是以后研究的重點。
作者單位：1.南京師范大學地理科學學院 2.土壤與農業可持續發展國家重點實驗室 3.江蘇省物質循環與污染控制重點實驗室 4.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心
中國鄉村發現網轉自：《土壤學報》2016 年02 期
(掃一掃，更多精彩內容！)
