土壤氮素矿化与固定及其影响因素的研究

摘要土壤有机氮占表土总氮的90%以上。有机氮的矿化和分解是提高氮素利用率的关键。掌握土壤中有机氮的矿化与固定问题，对探讨减少土壤氮素损失和提高氮素利用率具有重要的理论指导意义。本文简述了有机氮矿化、矿化氮的固定及矿化与固定的影响因素，展望有机氮矿化研究中存在的问题，以期丰富人们对氮素利用的认识，为合理调控土壤肥力、优化土壤氮施用提供理论依据。

关键词氮；矿化；固定；影响因素

中图分类号S153.6+1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）21-07005-02

Research of Soil Nitrogen MineralizationFixation and Their Influence Factors

QI Xingguo（Jinan Military Region Technical Demonstration Bases of Agricultural and Sideline Products， Qihe， Shandong 250002）

AbstractSoil organic nitrogen accounts for over 90% of the total topsoil， the key role of increasing N utilization rate is the nitrogen decomposition and mineralization. To master the minerlization and fixation of soil organic nitrogen has an important theoreticalsignificance on exploring the reduction of nitrogen loss and increasing N utilization. The paper describes the nitrogen decomposition and mineralization and their influence factors， and proposes the remaining problems in soil organic nitrogen， so as to enrich the primary understanding of N utilization and provide the theories basis for reasonably regulatation soil fertility and optimization of N application.

Key wordsNitrogen； Decomposition and mineralization； Fixation； Influencing factors

作者简介齐兴国（1967- ），男，山东滨州人，高级农艺师，从事农业技术推广工作。

收稿日期20140619氮素是土壤肥力中最活跃的因素之一，也是农业生产中的一个主要限制因子。作物吸收的氮素几乎全部是无机态氮。土壤有机氮必须矿化为无机氮才能被作物吸收。国内外大量研究证实，即使在施用大量氮肥的情况下，作物吸收的氮素至少有50%以上来自土壤[1]。在大多数耕层土壤中，氮素在土壤中主要以有机态存在，有机氮占全氮的90% 以上[2]。土壤氮库中的有机氮必须通过矿化作用转化为植物可吸收的有效态氮。氮矿化速率决定了土壤中用于植物生长的氮素可利用性。土壤供氮的实质是残留并在土壤中积累起来的有机氮的矿化和分解，即土壤氮素的矿化[3]。因此，调控土壤有机氮的矿化是提高氮素利用率的关键。

土壤有机氮矿化是指土壤有机碎屑中的氮素在土壤动物和微生物的作用下由难以被植物利用的有机态转化为可被植物利用的无机态，主要为氨态氮的过程。氮素的固定包括微生物对有效态氮的吸收固定作用以及黏土矿物对铵离子吸附等[1-2]。了解土壤氮素矿化和固定作用，探讨土壤中有机氮的矿化和固定作用的影响因素，对正确评价土壤供氮能力，探索提高氮素利用率的有效措施具有重要的理論指导意义。

1土壤有机氮的矿化

在20世纪90年代采用15N固体核磁共振、热解-色谱/质谱等方法进行的研究表明，无论是新形成的还是自然土壤中的腐殖物质中的氮素约70%以酰胺态存在，80%以上以多肽存在[1]。氨基酸态氮和铵态氮对可矿化氮有着直接的重大贡献。它是可矿化氮产生的主要来源[4]。氨基酸态氮大部分（99.5%）以聚合态的形式（如蛋白质和肽）存在。游离态氨基酸在土壤中的含量很低。与游离氨基酸的矿化速率相比，聚合态氨基酸（蛋白质）的矿化较慢，是土壤有机氮矿化的瓶颈[5]。

培养法是研究土壤矿化能力（矿化量和矿化进程）的基本方法。培养方法和培养土壤形态与状态均可影响土壤的矿化过程。通过好气培养方法，铵态氮与可矿化氮有好的相关性，而采用相同的土样进行淹水培养试验，发现铵态氮与可矿化氮没有好的相关性[4]。测定土壤中固定态铵的结果表明，在好气条件下，固定态铵释放；而在淹水条件下，固定态铵并未释放，有时还有些升高。这说明铵态氮在2种条件下对矿化氮的贡献有所差异[4]。而且，对土壤磨细的处理降低了黏粒对有机质的保护作用，显著促进培养中的氮素矿化，对于黏粒/腐殖质的比值越高的土壤，磨细对矿化的促进作用也越强。粒径越小的团聚体中含有的易分解性氮的比例越大[2]。

虽然培养法是研究土壤矿化能力的基本方法，但田间实际矿化量与培养法所得土壤供氮量有一定的差距。Hadas等[6]研究表明，田间实际矿化量比计算值低13%～26%。培养土壤处理过程和培养温度是主要原因。土壤风干后再湿润刺激了氮素的矿化。这是由于风干过程中微生物死亡[7]。死亡的微生物在土壤重新湿润时被存活的微生物降解，增加了土壤易矿化的氮素[8]。35 ℃的培养温度被认为是接近硝化作用而低于氨化作用的最适温度[9]。近期研究表明，在35 ℃下培养所得的矿化势过高地估计了田间氮素的实际矿化量。当使用矿化氮评价土壤供氮能力时，必须通过田间温度和水分的校正得到田间实际矿化量，但是不同土壤间的矫正系数如何尚有待进一步研究[10]。

2矿化氮的固定

矿化释出的铵可被重新固定，主要包括土壤黏土矿物的晶格重新固定和微生物固持2种机制[11]。土壤黏土矿物的晶格固定可暂时或长时间地储存部分铵态氮；微生物固持也是氮素转化的重要过程，二者都使得部分矿化氮素不能立刻被作物利用，有不利影响，但二者都是土壤氮素内循环的重要环节之一，与其他氮素转化过程密切相关，对于减少土壤中氮的损失起着重要的作用。

我国主要类型土壤的固定态铵含量与黏土矿物类型和质地等的关系。对于表层土壤，固定态铵可达全氮含量的10%左右，下层土壤的这一比例更高[1]。母质中含有大量的伊利石、蛭石或云母，固定氨离子的水平很高。高岭石、埃洛石等黏土矿物几乎不固定铵[2]。研究表明，固定作用和解固定作用可认为是趋向平衡的反应系统中的2个方向相反的反应。新固定的固定态铵的有效性很高，而土壤固有的固定态铵的有效性则很低。当水溶性和交换性氮量下降到系统特征的某一数值时，固定的氨就将从土壤中释放出来[1，10]。由此可知，土壤有一个被土壤黏土矿物牢固吸附而不能为作物吸收的固定态铵量的固定值，只有超过这一固定值的那一部分固定态铵才能被植物所利用。还有研究表明，土壤固定外源铵的能力与土壤原固定态铵含量相关。土壤原固定态铵含量越高，新固定外源铵的数量越多。最大固定态铵含量与原土壤固定态铵含量顺序一致[12]。

土壤微生物既是氮素矿化和固定的执行者，又是土壤氮素的缓冲器和转运站。一方面，土壤微生物体氮是土壤中不同的氮组分，是土壤活性氮中的重要组成部分；另一方面，土壤微生物分解土壤有机氮，提供植物营养的活性库，其矿化氮对植物高度有效。土壤微生物氮与土壤矿化氮量存在密切的联系。土壤微生物同时参与氮素生物固持和有机氮的矿化是2个方向相反的过程[8]。土壤微生物通过能源物质即有机碳对氮素转化过程产生影响。一般来说，当土壤中的能量物质较少时，有机氮的矿化速度大于无机氮的生物固定速率，土壤中无机氮得以积累，出现净矿化作用。当土壤中有过量的能量物质存在时[5]，如有机物料（包括作物残体 和有机肥）施入土壤后，由于增加了能源物质，矿质氮被微生物固定，土壤微生物体氮相应增加[13]。土壤微生物态氮能够较好地反映土壤氮素的矿化和供应能力，可以作为土壤氮素的生物有效性指标[14]。

3氮素矿化-固定的影响因素

土壤氮素矿化与固定与土壤本身性质有关。黏土矿物类型和土壤粒级均可影响氮素矿化与固定。细质地土壤中的氮含量比粗质地的土壤高，而且黏土矿物特别是脱石类型的矿物能降低蛋白质和其他含氮化合物被微生物或蛋白酶所分解的速率。为分解黏土矿物而用氢氟酸处理矿质土壤时则导致相当数量的有机氮溶解。这表明一些有机氮可能陷入黏土矿物的晶格结构中，可能是因黏土矿物对有机氮化合物的吸附作用保护了可被分解的分子。对于表层土壤，固定态铵可达全氮含量的10%左右，下层土壤的这一比例更高[1]。Stevenson[15]发现，铵态氮在很多土壤上随土层深度增加而增加。这部分由于土壤黏土矿物中固定态铵的释放，部分原因归因于一些 C/ N 比低的有机物的分解。李菊梅等[4]发现，铵态氮没有随深度的增加而增加，在大部分情况下反而减少了。这些差异主要是由不同土壤有机质的本性不同所造成的。徐阳春等[7]通过间隙淋洗培养试验，研究水旱轮作下有机肥与化肥长期配合施用后土壤、不同粒级中氮的矿化特性。长期施用有机肥培肥土壤，使得各粒级储存和供氮的能力增加，但土壤供氮能力的提高并非源自某一粒级的单独作用，而是各粒级综合作用的结果。

不同施肥处理可影响氮素的矿化过程。第一，不施肥土壤中较易分解的含碳、氮有机物在长期的栽种过程中已被分解殆尽，可供微生物使用的碳/氮少，微生物活性相对较弱，故其矿化比率低[7]。第二，通过15N 同位素标记试验，发现无机氮肥的施用加速土壤有机氮的分解[5]。这一现象被称为“激发效应”。然而，朱兆良[1]研究表明，由无机氮所增加的氮素礦化量与被土壤微生物固 持的15N 标记化肥氮量（即化肥氮残留量）基本相当，二者相抵后大多并无明显的净激发或净残留；在培养试验中，加入氮肥并未增加土壤 CO2的释放，即并未促进土壤有机质的分解。因此，这种激发效应可以被认为是一种表观现象，是土壤氮与加入的15N 标记化肥氮之间进行的微生物交换作用的结果。第三，长期施用氮肥和有机肥料可能提高氮素矿化潜势，从而提高土壤的供氮能力。长期施用有机肥可提高可矿化氮，标志着土壤活性有机氮库的增加[16]，即在作物生长过程中通过矿化作用，土壤可提供较多的氮素，相应地肥料氮的投入应适当减少[7]。总而言之，矿化氮量既取决于有机质、全氮的含量，又取决于其中可矿化部分所占的比例[4]。

环境因子中的土壤温度和湿度是影响土壤氮矿化的重要因子。在一定温度范围内，氮矿化随温度的升高而升高，但植物的吸收也增加；氮矿化随着土壤水分的增加而增加，当土壤水分增加到一定值时，氮矿化迅速下降，且水分波动能增加氮矿化[17]。

不同含氮化合物的矿化速率不同。以土壤中的氨基酸为例，不同种类的氨基酸矿化速率并不相同，异亮氨酸的矿化速率最快，其次是赖氨酸、缬氨酸、组氨酸和亮氨酸，而精氨酸、甘氨酸和酪氨酸的矿化速率较低。土壤中每种氨基酸矿化的相对贡献与其在土壤中的质量分数有关。甘氨酸不易被微生物利用。这将有利于甘氨酸在土壤中的保存，而亮氨酸易于被微生物代谢。这使得在土壤中的质量分数较低[5]。

4研究展望

土壤是一巨大的生物化学反映系统。土壤中的每种养分也符合生物化学反映的规律。用化学法和生物培养法测定的矿化氮均是土壤中活性有机氮库的一部分。各指标所占全氮的比例有所不同，且相互之间存在交互作用，具有一定的相关性[10，18]。土壤氮循环也存在反馈调节。这种调控方式在土壤营养元素转化过程中发挥着特殊的作用，其详细分子生理机制目前尚未确定。因此，在进行土壤氮素矿化的研究时，综合考虑其他可能同时进行的转化过程。

土壤中氮净矿化是土壤氮素矿化和固持的平衡，是相互作用的总矿化、固定及其他损失过程的综合表征。土壤固定态铵对表观氮矿化的影响、土壤中的可溶性有机态氮和硝态氮的淋失等，使得测定结果低估了土壤氮素矿化量。目前，尚没有充分的根据说明那些指标测得矿化氮就是实际矿化量。这一点有待于进一步研究。

因此，土壤中的主要氮源可以通过矿化不断地供给作物氮素营养。土壤中氮素的矿化量及矿化能力直接影响氮素的供应状况。改进施用技术，通过增加土壤矿化量和矿化能力以降低氮肥损失率，是协调农业发展与环境保护工作的着力点，也是国内外有关学者今后长期研究的重点。

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