摘要土壤有機(jī)氮占表土總氮的90%以上。有機(jī)氮的礦化和分解是提高氮素利用率的關(guān)鍵。掌握土壤中有機(jī)氮的礦化與固定問題，對(duì)探討減少土壤氮素?fù)p失和提高氮素利用率具有重要的理論指導(dǎo)意義。本文簡(jiǎn)述了有機(jī)氮礦化、礦化氮的固定及礦化與固定的影響因素，展望有機(jī)氮礦化研究中存在的問題，以期豐富人們對(duì)氮素利用的認(rèn)識(shí)，為合理調(diào)控土壤肥力、優(yōu)化土壤氮施用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞氮；礦化；固定；影響因素

中圖分類號(hào)S153.6+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)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

作者簡(jiǎn)介齊興國（1967- ），男，山東濱州人，高級(jí)農(nóng)藝師，從事農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣工作。

收稿日期20140619氮素是土壤肥力中最活躍的因素之一，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)主要限制因子。作物吸收的氮素幾乎全部是無機(jī)態(tài)氮。土壤有機(jī)氮必須礦化為無機(jī)氮才能被作物吸收。國內(nèi)外大量研究證實(shí)，即使在施用大量氮肥的情況下，作物吸收的氮素至少有50%以上來自土壤[1]。在大多數(shù)耕層土壤中，氮素在土壤中主要以有機(jī)態(tài)存在，有機(jī)氮占全氮的90% 以上[2]。土壤氮庫中的有機(jī)氮必須通過礦化作用轉(zhuǎn)化為植物可吸收的有效態(tài)氮。氮礦化速率決定了土壤中用于植物生長(zhǎng)的氮素可利用性。土壤供氮的實(shí)質(zhì)是殘留并在土壤中積累起來的有機(jī)氮的礦化和分解，即土壤氮素的礦化[3]。因此，調(diào)控土壤有機(jī)氮的礦化是提高氮素利用率的關(guān)鍵。

土壤有機(jī)氮礦化是指土壤有機(jī)碎屑中的氮素在土壤動(dòng)物和微生物的作用下由難以被植物利用的有機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化為可被植物利用的無機(jī)態(tài)，主要為氨態(tài)氮的過程。氮素的固定包括微生物對(duì)有效態(tài)氮的吸收固定作用以及黏土礦物對(duì)銨離子吸附等[1-2]。了解土壤氮素礦化和固定作用，探討土壤中有機(jī)氮的礦化和固定作用的影響因素，對(duì)正確評(píng)價(jià)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導(dǎo)意義。

1土壤有機(jī)氮的礦化

在20世紀(jì)90年代采用15N固體核磁共振、熱解-色譜/質(zhì)譜等方法進(jìn)行的研究表明，無論是新形成的還是自然土壤中的腐殖物質(zhì)中的氮素約70%以酰胺態(tài)存在，80%以上以多肽存在[1]。氨基酸態(tài)氮和銨態(tài)氮對(duì)可礦化氮有著直接的重大貢獻(xiàn)。它是可礦化氮產(chǎn)生的主要來源[4]。氨基酸態(tài)氮大部分（99.5%）以聚合態(tài)的形式（如蛋白質(zhì)和肽）存在。游離態(tài)氨基酸在土壤中的含量很低。與游離氨基酸的礦化速率相比，聚合態(tài)氨基酸（蛋白質(zhì)）的礦化較慢，是土壤有機(jī)氮礦化的瓶頸[5]。

培養(yǎng)法是研究土壤礦化能力（礦化量和礦化進(jìn)程）的基本方法。培養(yǎng)方法和培養(yǎng)土壤形態(tài)與狀態(tài)均可影響土壤的礦化過程。通過好氣培養(yǎng)方法，銨態(tài)氮與可礦化氮有好的相關(guān)性，而采用相同的土樣進(jìn)行淹水培養(yǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮與可礦化氮沒有好的相關(guān)性[4]。測(cè)定土壤中固定態(tài)銨的結(jié)果表明，在好氣條件下，固定態(tài)銨釋放；而在淹水條件下，固定態(tài)銨并未釋放，有時(shí)還有些升高。這說明銨態(tài)氮在2種條件下對(duì)礦化氮的貢獻(xiàn)有所差異[4]。而且，對(duì)土壤磨細(xì)的處理降低了黏粒對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)作用，顯著促進(jìn)培養(yǎng)中的氮素礦化，對(duì)于黏粒/腐殖質(zhì)的比值越高的土壤，磨細(xì)對(duì)礦化的促進(jìn)作用也越強(qiáng)。粒徑越小的團(tuán)聚體中含有的易分解性氮的比例越大[2]。

雖然培養(yǎng)法是研究土壤礦化能力的基本方法，但田間實(shí)際礦化量與培養(yǎng)法所得土壤供氮量有一定的差距。Hadas等[6]研究表明，田間實(shí)際礦化量比計(jì)算值低13%～26%。培養(yǎng)土壤處理過程和培養(yǎng)溫度是主要原因。土壤風(fēng)干后再濕潤刺激了氮素的礦化。這是由于風(fēng)干過程中微生物死亡[7]。死亡的微生物在土壤重新濕潤時(shí)被存活的微生物降解，增加了土壤易礦化的氮素[8]。35 ℃的培養(yǎng)溫度被認(rèn)為是接近硝化作用而低于氨化作用的最適溫度[9]。近期研究表明，在35 ℃下培養(yǎng)所得的礦化勢(shì)過高地估計(jì)了田間氮素的實(shí)際礦化量。當(dāng)使用礦化氮評(píng)價(jià)土壤供氮能力時(shí)，必須通過田間溫度和水分的校正得到田間實(shí)際礦化量，但是不同土壤間的矯正系數(shù)如何尚有待進(jìn)一步研究[10]。

2礦化氮的固定

礦化釋出的銨可被重新固定，主要包括土壤黏土礦物的晶格重新固定和微生物固持2種機(jī)制[11]。土壤黏土礦物的晶格固定可暫時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間地儲(chǔ)存部分銨態(tài)氮；微生物固持也是氮素轉(zhuǎn)化的重要過程，二者都使得部分礦化氮素不能立刻被作物利用，有不利影響，但二者都是土壤氮素內(nèi)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，與其他氮素轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)，對(duì)于減少土壤中氮的損失起著重要的作用。

我國主要類型土壤的固定態(tài)銨含量與黏土礦物類型和質(zhì)地等的關(guān)系。對(duì)于表層土壤，固定態(tài)銨可達(dá)全氮含量的10%左右，下層土壤的這一比例更高[1]。母質(zhì)中含有大量的伊利石、蛭石或云母，固定氨離子的水平很高。高嶺石、埃洛石等黏土礦物幾乎不固定銨[2]。研究表明，固定作用和解固定作用可認(rèn)為是趨向平衡的反應(yīng)系統(tǒng)中的2個(gè)方向相反的反應(yīng)。新固定的固定態(tài)銨的有效性很高，而土壤固有的固定態(tài)銨的有效性則很低。當(dāng)水溶性和交換性氮量下降到系統(tǒng)特征的某一數(shù)值時(shí)，固定的氨就將從土壤中釋放出來[1，10]。由此可知，土壤有一個(gè)被土壤黏土礦物牢固吸附而不能為作物吸收的固定態(tài)銨量的固定值，只有超過這一固定值的那一部分固定態(tài)銨才能被植物所利用。還有研究表明，土壤固定外源銨的能力與土壤原固定態(tài)銨含量相關(guān)。土壤原固定態(tài)銨含量越高，新固定外源銨的數(shù)量越多。最大固定態(tài)銨含量與原土壤固定態(tài)銨含量順序一致[12]。

土壤微生物既是氮素礦化和固定的執(zhí)行者，又是土壤氮素的緩沖器和轉(zhuǎn)運(yùn)站。一方面，土壤微生物體氮是土壤中不同的氮組分，是土壤活性氮中的重要組成部分；另一方面，土壤微生物分解土壤有機(jī)氮，提供植物營養(yǎng)的活性庫，其礦化氮對(duì)植物高度有效。土壤微生物氮與土壤礦化氮量存在密切的聯(lián)系。土壤微生物同時(shí)參與氮素生物固持和有機(jī)氮的礦化是2個(gè)方向相反的過程[8]。土壤微生物通過能源物質(zhì)即有機(jī)碳對(duì)氮素轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生影響。一般來說，當(dāng)土壤中的能量物質(zhì)較少時(shí)，有機(jī)氮的礦化速度大于無機(jī)氮的生物固定速率，土壤中無機(jī)氮得以積累，出現(xiàn)凈礦化作用。當(dāng)土壤中有過量的能量物質(zhì)存在時(shí)[5]，如有機(jī)物料（包括作物殘?bào)w 和有機(jī)肥）施入土壤后，由于增加了能源物質(zhì)，礦質(zhì)氮被微生物固定，土壤微生物體氮相應(yīng)增加[13]。土壤微生物態(tài)氮能夠較好地反映土壤氮素的礦化和供應(yīng)能力，可以作為土壤氮素的生物有效性指標(biāo)[14]。

3氮素礦化-固定的影響因素

土壤氮素礦化與固定與土壤本身性質(zhì)有關(guān)。黏土礦物類型和土壤粒級(jí)均可影響氮素礦化與固定。細(xì)質(zhì)地土壤中的氮含量比粗質(zhì)地的土壤高，而且黏土礦物特別是脫石類型的礦物能降低蛋白質(zhì)和其他含氮化合物被微生物或蛋白酶所分解的速率。為分解黏土礦物而用氫氟酸處理礦質(zhì)土壤時(shí)則導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)氮溶解。這表明一些有機(jī)氮可能陷入黏土礦物的晶格結(jié)構(gòu)中，可能是因黏土礦物對(duì)有機(jī)氮化合物的吸附作用保護(hù)了可被分解的分子。對(duì)于表層土壤，固定態(tài)銨可達(dá)全氮含量的10%左右，下層土壤的這一比例更高[1]。Stevenson[15]發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮在很多土壤上隨土層深度增加而增加。這部分由于土壤黏土礦物中固定態(tài)銨的釋放，部分原因歸因于一些 C/ N 比低的有機(jī)物的分解。李菊梅等[4]發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮沒有隨深度的增加而增加，在大部分情況下反而減少了。這些差異主要是由不同土壤有機(jī)質(zhì)的本性不同所造成的。徐陽春等[7]通過間隙淋洗培養(yǎng)試驗(yàn)，研究水旱輪作下有機(jī)肥與化肥長(zhǎng)期配合施用后土壤、不同粒級(jí)中氮的礦化特性。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥培肥土壤，使得各粒級(jí)儲(chǔ)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級(jí)的單獨(dú)作用，而是各粒級(jí)綜合作用的結(jié)果。

不同施肥處理可影響氮素的礦化過程。第一，不施肥土壤中較易分解的含碳、氮有機(jī)物在長(zhǎng)期的栽種過程中已被分解殆盡，可供微生物使用的碳/氮少，微生物活性相對(duì)較弱，故其礦化比率低[7]。第二，通過15N 同位素標(biāo)記試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無機(jī)氮肥的施用加速土壤有機(jī)氮的分解[5]。這一現(xiàn)象被稱為“激發(fā)效應(yīng)”。然而，朱兆良[1]研究表明，由無機(jī)氮所增加的氮素礦化量與被土壤微生物固 持的15N 標(biāo)記化肥氮量（即化肥氮?dú)埩袅浚┗鞠喈?dāng)，二者相抵后大多并無明顯的凈激發(fā)或凈殘留；在培養(yǎng)試驗(yàn)中，加入氮肥并未增加土壤 CO2的釋放，即并未促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解。因此，這種激發(fā)效應(yīng)可以被認(rèn)為是一種表觀現(xiàn)象，是土壤氮與加入的15N 標(biāo)記化肥氮之間進(jìn)行的微生物交換作用的結(jié)果。第三，長(zhǎng)期施用氮肥和有機(jī)肥料可能提高氮素礦化潛勢(shì)，從而提高土壤的供氮能力。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可提高可礦化氮，標(biāo)志著土壤活性有機(jī)氮庫的增加[16]，即在作物生長(zhǎng)過程中通過礦化作用，土壤可提供較多的氮素，相應(yīng)地肥料氮的投入應(yīng)適當(dāng)減少[7]?？偠灾?，礦化氮量既取決于有機(jī)質(zhì)、全氮的含量，又取決于其中可礦化部分所占的比例[4]。

環(huán)境因子中的土壤溫度和濕度是影響土壤氮礦化的重要因子。在一定溫度范圍內(nèi)，氮礦化隨溫度的升高而升高，但植物的吸收也增加；氮礦化隨著土壤水分的增加而增加，當(dāng)土壤水分增加到一定值時(shí)，氮礦化迅速下降，且水分波動(dòng)能增加氮礦化[17]。

不同含氮化合物的礦化速率不同。以土壤中的氨基酸為例，不同種類的氨基酸礦化速率并不相同，異亮氨酸的礦化速率最快，其次是賴氨酸、纈氨酸、組氨酸和亮氨酸，而精氨酸、甘氨酸和酪氨酸的礦化速率較低。土壤中每種氨基酸礦化的相對(duì)貢獻(xiàn)與其在土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。甘氨酸不易被微生物利用。這將有利于甘氨酸在土壤中的保存，而亮氨酸易于被微生物代謝。這使得在土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低[5]。

4研究展望

土壤是一巨大的生物化學(xué)反映系統(tǒng)。土壤中的每種養(yǎng)分也符合生物化學(xué)反映的規(guī)律。用化學(xué)法和生物培養(yǎng)法測(cè)定的礦化氮均是土壤中活性有機(jī)氮庫的一部分。各指標(biāo)所占全氮的比例有所不同，且相互之間存在交互作用，具有一定的相關(guān)性[10，18]。土壤氮循環(huán)也存在反饋調(diào)節(jié)。這種調(diào)控方式在土壤營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著特殊的作用，其詳細(xì)分子生理機(jī)制目前尚未確定。因此，在進(jìn)行土壤氮素礦化的研究時(shí)，綜合考慮其他可能同時(shí)進(jìn)行的轉(zhuǎn)化過程。

土壤中氮凈礦化是土壤氮素礦化和固持的平衡，是相互作用的總礦化、固定及其他損失過程的綜合表征。土壤固定態(tài)銨對(duì)表觀氮礦化的影響、土壤中的可溶性有機(jī)態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋失等，使得測(cè)定結(jié)果低估了土壤氮素礦化量。目前，尚沒有充分的根據(jù)說明那些指標(biāo)測(cè)得礦化氮就是實(shí)際礦化量。這一點(diǎn)有待于進(jìn)一步研究。

因此，土壤中的主要氮源可以通過礦化不斷地供給作物氮素營養(yǎng)。土壤中氮素的礦化量及礦化能力直接影響氮素的供應(yīng)狀況。改進(jìn)施用技術(shù)，通過增加土壤礦化量和礦化能力以降低氮肥損失率，是協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)工作的著力點(diǎn)，也是國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者今后長(zhǎng)期研究的重點(diǎn)。

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