全 文 ：中国生态农业学报 2016年 5月 第 24卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2016, 24(5): 563571


* 国家自然科学基金项目 (31301281, 31271650)、河南省现代农业 (小麦 )产业技术体系项目 (S2010-01-G04)和河南省科技攻关项目
(30600914)资助
** 通讯作者: 马新明, 主要研究方向为农田氮素高效利用、精准农作与信息技术。E-mail: xinmingma@126.com
熊淑萍, 主要研究方向为农田氮素高效利用和农业模拟模型。E-mail: shupxiong@163.com
收稿日期: 20151117 接受日期: 20160119
* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31301281, 31271650), Henan Agriculture (Wheat)
Research System (No. S2010-01-G04) and Henan Science and Technology Project (No. 30600914).
** Corresponding author, E-mail: xinmingma@126.com
Received Nov. 17, 2015; accepted Jan. 19, 2016
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.151222
影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素
及其对供氮量的响应*
熊淑萍1 丁世杰1 王小纯1,2 马新明1** 吴懿鑫1 杜 盼1 于旭昊1
(1. 河南农业大学农学院/河南粮食作物协同创新中心/小麦玉米作物学国家重点实验室 郑州 450002;
2. 河南农业大学生命科学学院 郑州 450002)
摘 要 砂姜黑土是我国典型的中低产田土壤类型, 研究其在土壤微生物驱动下的氮素转化过程及其机制,
可为定向调控土壤氮素转化过程, 提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据。试验设置 0 kg·hm2、
120 kg·hm2、225 kg·hm2和 330 kg·hm2 4个供氮量, 分别于冬小麦越冬期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆
期和成熟期测定小麦根际土壤氮转化相关微生物作用(氨化作用、硝化作用和反硝化作用)强度和土壤氮素转化
相关酶(脲酶、蛋白酶)活性, 土壤净氮素矿化速率、土壤硝态氮和铵态氮含量的变化, 研究影响砂姜黑土麦田
土壤氮素转化的生物学因素及其对不同供氮量的响应。结果表明, 土壤氮素转化微生物及酶活跃时期为拔节
到灌浆期, 灌浆期之后土壤氨化作用强度、硝化作用强度、脲酶及蛋白酶活性降低; 土壤净氮素矿化速率与土
壤氮素转化微生物作用强度及酶活性的活跃期较为一致, 在开花前后达到最高。除脲酶活性随供氮量增加持
续上升外, 土壤氮素转化微生物作用强度及蛋白酶活性均随供氮量的增加, 在 225 kg·hm2 处理下达到最高,
进一步增加供氮量至 330 kg·hm2, 微生物作用强度及酶活性均表现出不同程度的下降。可见, 砂姜黑土土壤
氮素转化的活跃期与小麦需氮高峰期基本一致, 有利于冬小麦的生长。但由于砂姜黑土中土壤硝化作用强度
较低, 土壤硝化能力有限, 从而降低了氮素可利用性, 且增加了土壤氨挥发损失的潜在风险。在一定范围内增
加供氮量, 有利于土壤氮素的转化, 但供氮过多(330 kg·hm2)则不利于砂姜黑土供氮能力的提高。
关键词 砂姜黑土 小麦 氮素转化 微生物 酶 氮素矿化速率
中图分类号: S154.3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)05-0563-09
Biological factors influencing nitrogen transformation in wheat fields of lime
concreted black soils and their response to different nitrogen supplications*
XIONG Shuping1, DING Shijie1, WANG Xiaochun1,2, MA Xinming1**, WU Yixin1, DU Pan1, YU Xuhao1
(1. College of Agronomy, Henan Agricultural University / Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops / National Key
Laboratory of Wheat and Maize Crop Science, Zhengzhou 450002, China; 2. College of Life Sciences, Henan Agricultural
University, Zhengzhou 450002, China)
Abstract Lime concretion black soil is a typical low-yield field soil in China. It has heavy clay structure and poor
permeability, which cause imbalances in effective nutrient supply, low capacity soil nutrient supply and poor production
performance. In order to improve crop yields, chemical fertilizer (especially nitrogen fertilizer) has been excessively applied
during production seasons. This has led to wastage of agricultural resources and environmental pollution. Soil microbes have
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always played a predominant role in the processes of soil nitrogen transformation. To provide scientific basis for directional
adjustments to control the processes of soil nitrogen transformation, improve nitrogen use efficiency and reduce related
negative effects, the processes and mechanisms of nitrogen transformation driven by soil microorganisms were studied. A filed
experiment was carried out from 2012 to 2015 in Xiangcheng, Henan Province, China. The experimental setup was a single
factorial design with four nitrogen rates (0 kg·hm2, 120 kg·hm2, 225 kg·hm2 and 330 kg·hm2). The biochemical action
intensity of soil nitrogen transformation microorganisms (ammonification, nitrification and denitrification), urease activity,
protease activity, net nitrogen mineralization rate, and content of nitrate and ammonium nitrogen of rhizosphere soil were
determined at different wheat growth stages to explore the biological factors influencing nitrogen transformation and their
response to different nitrogen application in wheat fields of lime concretion black soils. The results showed that the active
period of soil nitrogen transformation microorganisms and enzymes was from jointing stage to grain-filling stage. After that,
the ammonification intensity, nitrification intensity, urease activity and protease activity decreased. Similarly, the soil net
nitrogen mineralization rate reached the highest level at flowering stage. Except for urease activity which increased with
increasing nitrogen application, the intensity of soil nitrogen transformation microorganisms and the enzymes activities
reached the highest point under the 225 kg·hm2 nitrogen treatment, and then, decreased with further increasing nitrogen
application (330 kg·hm2). Consistent with dynamic changes in soil nitrogen transformation microbes and enzymes activities,
the contents of soil ammonium and nitrate reached the highest point at heading stage and flowering stage, respectively. Under
moderate nitrogen application conditions, soil ammonium content had an increasing trend. But under excess nitrogen
application, there was no significant enhancement in soil nitrate content. It was clear that the active period of soil nitrogen
transformation was consistent with the critical period of nitrogen demand for wheat, which was beneficial for winter wheat
growth. However, due to low nitrifying bacteria activity, nitrification capacity was limited. This, in turn, reduced nitrogen
availability and increased potential risk of ammonia volatilization from soil. Increased nitrogen application was beneficial for
soil nitrogen transformation, but only within a certain range. Excess nitrogen application (330 kg·hm2) was not conducive in
terms of improving the capacity of supply or release soil nitrogen in lime concretion black soil.
Keywords Lime concretion black soil; Wheat; Nitrogen transformation; Microorganism; Enzyme; Nitrogen mineralization
rate
砂姜黑土是我国黄淮平原的主要耕作土壤, 因
其质地黏重 , 结构不良 , 通透性差 , 导致其有效养
分供应失调, 土壤供肥能力与生产性能低下, 是我
国典型的中低产田土壤类型[12]。土壤氮素是土壤肥
力中最活跃的因素, 其转化过程与氮素可利用性密
切相关[3]。土壤氮素转化微生物(包括土壤氨化细菌、
硝化细菌、亚硝化细菌及反硝化细菌等)和酶(脲酶、
蛋白酶等)在土壤氮素转化过程中起主导作用, 参与
土壤氮素转化和循环的各个环节, 既是土壤有机质
分解和矿质元素转化的参与者, 也是土壤有效养分
的活性库[4]。因此, 研究土壤微生物驱动的氮素转化
过程及其机制, 可为定向调控土壤氮素转化过程, 提
高氮素利用效率和减少其负面效应提供科学依据[5]。
前人研究表明, 施肥能不同程度增加土壤微生
物生物量和土壤养分含量 [6], 提高土壤微生物群落
的丰富度和功能多样性[7]。改进施肥方法如增施有
机肥 [8]、有机无机肥料配施 [910]和施用包膜控释尿
素 [11]等 , 可以调节土壤C/N, 提供更适宜微生物生
活的环境[7], 从而提高土壤微生物数量或酶活性。不
同施氮模式对砂姜黑土微生物群落丰度和土壤酶活
性影响显著, 陈欢等[12]和朱敏等[13]研究认为化肥与
有机肥配施有利于保持土壤微生物丰度和提高土壤
酶活性, 改善土壤生物化学环境, 进而提高土壤可
持续生产力; 王晓波等[14]认为秸秆还田可有效提高
砂姜黑土脲酶活性, 增加土壤微生物量碳、氮含量
和全氮含量。
可见, 关于砂姜黑土土壤氮素的研究多集中于
不同氮肥调控措施对土壤供氮能力、土壤微生物数
量及土壤酶活性的影响方面, 而对砂姜黑土氮素的
转化过程、参与氮素转化微生物的活性, 特别是氮
素转化相关微生物生化作用强度未给予关注, 尚不
能很好地反映砂姜黑土氮素转化过程及其机制。因
此, 本文在前期不同耕作方式试验 [15]的基础上, 深
入研究了深松条件下砂姜黑土麦田土壤氮素矿化过
程、土壤供氮能力、参与氮素转化的微生物作用强
度和酶活性动态变化特征及其对不同供氮量的响应,
探讨砂姜黑土麦田土壤氮素转化的规律, 旨在为砂
姜黑土麦田氮肥的合理施用, 提高氮肥利用效率提
供理论依据与技术参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料与设计
该试验于 2012—2015 年冬小麦生长季在河南
省项城市秣陵镇(114.25°E, 33.13°N)进行。试验区位
第 5期 熊淑萍等: 影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素及其对供氮量的响应 565


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于黄淮冲积平原的过渡带, 属亚热带向暖温带过渡
区。土壤类型为砂姜黑土, 土壤耕层养分含量为有机
质 13.1 g·kg1、全氮 0.85 g·kg1、铵态氮 4.83 mg·kg1、
硝态氮 4.26 mg·kg1、速效磷 21.52 mg·kg1、速效钾
86.7 mg·kg1、pH为 7.26, 冬小麦生长季主要生育时
期气温与土壤温度见图 1。

图 1 研究区冬小麦生育期气温与土壤温度变化动态
Fig. 1 Dynamic changes of air temperature and soil
temperature during wheat growth period at the study area
每个数据点为当日观测的平均值。Each value is the daily
average of the measurement day.

试验设 N0、N120、N225和 N330共 4个供氮水
平, 分别施纯氮 0 kg·hm2、120 kg·hm2、225 kg·hm2
和 330 kg·hm2。采用随机区组设计, 小区面积 225 m2,
设 3 次重复。冬小麦播种前结合秸秆还田用深松旋
耕一体机进行整地, 耕深 35 cm。播量为 150 kg·hm2,
行距 20 cm。试验所用氮肥为尿素(N含量 46%), 50%
播种时随整地作基肥施入, 50%作为追肥于返青期
(播种后 143 d)结合浇水施入。磷肥施用过磷酸钙
(P2O5含量 14%)857 kg·hm2; 钾肥施用氯化钾(K2O
含量 60%)200 kg·hm2, 全部基施。其他栽培措施按
当地高产田管理方式统一进行。
1.2 测定项目和方法
1.2.1 土样的采集与处理
分别于越冬期(OWS, 播种后 69 d)、拔节期(JS,
播种后 156 d)、抽穗期(HS, 187 d)、开花期(FS, 播
种后 199 d)、灌浆期(GFS, 播种后 214 d)和成熟期
(MS, 播种后 229 d), 每个小区采用五点取样法, 将
0~20 cm根系带土样挖出, 除去表层 5 cm浮土, 用
根际土壤采集方法取土[16], 将 5 个点采集的土样混
匀后组成一个混合样品, 装入无菌纸袋, 放入保鲜
盒, 带回实验室。将新鲜土样过 1 mm筛, 一部分测
定土壤微生物作用强度, 铵态氮、硝态氮含量和土
壤含水量; 另一部分自然风干后测定土壤酶活性。
1.2.2 根际土壤氮素转化微生物作用强度测定
土壤氨化作用强度采用土壤培养法[17]。28 ℃温
度下培养 10 d, 奈氏试剂法测定 NH4+-N 含量, 以
NH4+-N的增加量表示土壤氨化作用强度。
土壤硝化作用强度采用培养基接种土壤悬液法[17]。
28 ℃培养 15 d, 采用格利斯试剂比色法测定NO2-N
含量, 以土壤悬浮液加入灭菌后的培养基中亚硝态
氮的减少量表示硝化作用强度。
土壤反硝化作用强度采用酚二磺比色法 [17]测
定。在真空干燥器中抽真空, 28 ℃培养 2 d, 用酚二
黄比色法测定 NO3-N含量, 用 NO3-N减少量表示反
硝化作用强度。
1.2.3 根际土壤脲酶及蛋白酶活性测定
脲酶活性用苯酚钠比色法[17]测定。蛋白酶活性
用茚三酮比色法测定[17]。
1.2.4 土壤净氮素矿化测定
土壤净氮素矿化采用土壤原位培养法[18]。在小
区内同时插入两个直径 4 cm、长 15 cm的 PVC管,
插入土壤 10 cm, 将其中一根 PVC带回实验室进行
室内土壤分析; 另一根 PVC管留在小区内进行原位
培养, 留在小区内培养的 PVC管底部与顶部各放置
一袋阴离子交换树脂。将培养初期和原位培养后的
PVC管中的新鲜土样全部过 1 mm筛后, 取 10 g土
壤用 100 mL 0.01 mol·L1 CaCl2提取后用全自动连续
流动分析仪测定土壤铵态氮和硝态氮含量。阴离子
交换树脂袋用 50 mL 0.01 mol·L1 CaCl2溶液浸提后
用全自动连续流动分析仪测定其铵态氮和硝态氮含
量。每个小区内随机设置 3 次重复, 于小麦播种日
开始培养, 每两周取样 1 次(其中在越冬期即播种后
的第 100~138 d取样 1次, 返青期—拔节期加强取样
1次), 取样后开始下一周期的培养。
1.2.5 根际土壤铵态氮、硝态氮含量测定
过筛的新鲜土样用 0.01 mol·L1 CaCl2提取, 采
用全自动连续流动分析仪 (AA3, SEAL Analytical,
Germany)测定土壤铵态氮和硝态氮含量。
1.2.6 数据处理
净氮素矿化速率为培养前后无机氮之差。净氮
素矿化速率[R, g(N)·g1·d1]的计算公式为:
R=(Pm1+Bm–Pm0)/T (1)
式中 : Pm1 表示原位培养后的土壤无机氮(NH4+-N+
NO3-N)含量, Pm0 表示原位培养初期的土壤无机氮
(NH4+-N + NO3-N)含量, Bm表示阴离子交换树脂袋内
的无机氮(NH4+-N + NO3-N)含量, T代表培养时间。
数据处理与作图用 Microsoft Office 2010进行,
统计分析用 SPSS20.0进行。
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2 结果与分析
2.1 砂姜黑土区小麦根际土壤氮素转化微生物作
用强度变化及其对供氮量的响应
从图 2A 可以看出, 小麦根际氨化作用强度随
着生育期的推进呈“倒 V”型变化, 峰值出现在开花
期。不同供氮量间比较, 除越冬期(OWS)和抽穗期
(HS)外 , 各时期小麦根际氨化作用强度均表现为
N225>N330>N120>N0, 在开花期(FS)之前 N225 与

图 2 不同施氮量下砂姜黑土小麦根际土壤氨化作用强
度(A)、硝化作用强度(B)和反硝化作用强度(C)的变化
Fig. 2 Changes of ammonification intensity (A), nitrification
intensity (B) and denitrification intensity (C) in rhizosphere soil
of winter wheat planted in lime concretion black soil under
different N application rates
OWS: 越冬期; JS: 拔节期; HS: 抽穗期; FS: 开花期; GFS:
灌浆期 ; MS: 成熟期。N0: 不施氮 ; N120: 施氮 120 kg·hm2;
N225: 施氮 225 kg·hm2; N330: 施氮 330 kg·hm2。下同。OWS:
over wintering stage; JS: jointing stage; HS: heading stage; FS:
flowering stage; GFS: gain filling stage; MS: mature stage. N0: no
N application; N120: 120 kg·hm2 N application; N225: 225 kg·hm2
N application; N330: 330 kg·hm2 N application. The same below.
N330 差异不显著, 之后均表现为 N225 处理下氨化
作用强度显著(P<0.05)高于其他供氮量。
由图 2B可知, 土壤硝化作用强度变化动态与氨
化作用强度较为一致, 从越冬期到成熟期, 呈先升
后降的变化特征, 亦在开花期作用强度最高, 且在
开花期之前呈指数型 (y=52.115e0.2996x, R²=0.962 5;
其中 x表示小麦生育时期, y表示硝化作用强度)增长
趋势。
不同供氮量处理间比较, 表现为随供氮量从 N0
增加至 N225, 各生育时期小麦根际土壤硝化作用
强度增强显著(P<0.05)。特别是在拔节期、抽穗期和
灌浆期 3个时期, N225、N120和 N0 3处理间差异极
显著(P<0.01)。而 N330 和 N225 两者之间差异多不
显著(越冬期 N330 显著高于 N225, 抽穗期 N225 显
著高于 N330除外)。
从图 2C可以看出 , 砂姜黑土上小麦根际土壤
反硝化作用强度较低 , 其作用强度维持在 54.9~
74.2g·g1·d1, 在小麦整个生育时期内分别在拔节
期和成熟期出现两次活跃高峰, 并以拔节期作用强
度最高。
不同供氮量处理对各生育时期反硝化作用强度
影响显著(P<0.05), 表现为 N225>N330>N120>N0。
同硝化作用强度一样, 在 N0~N225 之间, 随着供氮
量的提高, 反硝化作用强度显著增强, 而供氮量从
N225提高至 N330, 其作用强度反而降低。
2.2 砂姜黑土小麦根际土壤酶活性变化动态及其
对供氮量的响应
从图 3A 可以看出, 砂姜黑土小麦根际土壤脲
酶活性随生育时期变化剧烈, 以越冬期最低, 至拔
节期迅速提高达整个生育期最高峰, 之后随生育期
的推进, 呈逐渐下降趋势。
不同供氮量处理对脲酶活性的影响在拔节期至
灌浆期较为显著, 除抽穗期 N225 略高于 N330 外,
均表现为 N330>N225>N120>N0, 且各供氮量处理
间差异显著(P<0.05)。而在成熟期, 除 N0外, 其他 3
供氮量处理间脲酶活性差异多不显著。
由图 3B可知, 随着生育期的推进, 砂姜黑土小
麦根际土壤蛋白酶活性为 178.7~320.9 g·g1·d1, 其
活跃高峰期在拔节期至开花期, 开花期之后迅速降
低, 并在成熟期活性达到最低。
不同供氮量间比较, 除越冬期外, 各供氮量处
理对砂姜黑土小麦根际土壤蛋白酶活性影响显著 ,
表现为 N0(P<0.05), 但供氮量从 N225再增加至 N330, 各生育
时期土壤蛋白酶活性反而显著降低。
第 5期 熊淑萍等: 影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素及其对供氮量的响应 567


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图 3 不同施氮量下砂姜黑土小麦根际土壤脲酶(A)和蛋白酶(B)活性变化
Fig. 3 Changes of activities of urease (A) and protease (B) in rhizosphere soil of winter wheat planted in lime concretion black
soil under different N application rates
2.3 砂姜黑土麦田根际土壤氮转化微生物及酶活
性比较
据表 1可知, 在一定程度内(N0~N225)增加供氮
量, 对氮转化微生物作用强度及酶活性有显著的促
进作用。增加供氮量至 N330时, 脲酶活性继续升高,
硝化作用强度基本上保持在 N225 处理水平, 而氨
化作用强度、反硝化作用强度和蛋白酶活性受到了
抑制。
表 1 施氮量对砂姜黑土冬小麦生育期根际土壤氮素转化微生物生化作用强度及酶活性的影响
Table 1 Effects of N application rate on the biochemical actions intensities of nitrogen transformation microorganisms and the activities of enzymes
in rhizosphere soil of winter wheat in lime concretion black soil (average of wheat six growth stages showed in the figure 3) g·g1·d1
施氮量
N application rate
氨化作用强度
Ammonification
intensity
脲酶活性
Urease
activity
蛋白酶活性
Protease
activity
硝化作用强度
Nitrification
intensity
反硝化作用强度
Denitrification
intensity
N0 142.5±0.90d 585.8±4.90d 230.2±0.85d 108.5±2.40c 61.5±0.40c
N120 159.4±1.65c 630.3±1.31c 243.4±0.75c 120.8±0.60b 64.2±0.55b
N225 172.2±2.00a 660.7±4.90b 257.7±1.85a 133.3±1.05a 66.6±0.55a
N330 166.8±0.95b 686.8±4.25a 247.4±2.05b 133.0±2.25a 64.9±0.57b
同列不同小写字母表示 4个施氮量间差异显著(P<0.05)。Different letters in the same column indicate significant differences (P < 0.05) among
the four N application rates.

2.4 砂姜黑土麦田土壤净氮素矿化速率变化动态
及其对供氮量的响应
在整个小麦生长季, 砂姜黑土麦田土壤净氮素矿
化速率变化显著, 并随生育期的推进, 出现两次高峰,
一次低谷。其中, 第 1次小高峰期在 11月中旬(播后
28 d), 土壤净氮素矿化速率达 0.86~1.05 g·g1·d1,
之后逐渐下降, 在越冬期(播后 70 d)降到最低并停
滞至返青期前(播后 138 d), 之后逐渐升高, 在抽穗
至开花期(182~199 d)升至最高峰, 达冬前高峰期土
壤净氮素矿化速率的 1.7倍(图 4)。
不同供氮量间比较 , 在 N0~N225, 增加供氮
量对土壤净氮素矿化速率多有显著促进作用 , 但
再增加供氮量至 N330后, 土壤净氮素矿化速率在
多数取样时期不再增加 , 且其活性表现为不同程
度的降低。
2.5 砂姜黑土土壤铵态氮、硝态氮含量变化及其对
供氮量的响应
由表 2 可以看出, 随小麦生育时期的推进, 土
壤 NH4+-N、NO3-N和无机氮(NH4+-N+NO3-N)含量均
呈现先升高后降低, 但最高值出现时期不同。其中,
NH4+-N 含量在开花期最高, NO3-N 含量在抽穗期最
高, 而无机氮含量则在抽穗期和开花期维持在较高
水平。
随供氮量的增加, 在各生育时期, 土壤中 NH4+-N
含量大多呈显著性增加, NO3-N 含量对供氮量的响
应与 NH4+-N基本一致, 但其在 N225和 N330处理间
多无显著性差异。无机氮(NH4+-N+ NO3-N)含量在越
冬期、拔节期和灌浆期 N225与 N330处理间无差异,
其他时期各处理间差异均显著。
3 结论与讨论
3.1 砂姜黑土麦田氮转化微生物及酶作用强度和
氮转化特征
土壤中 90%以上的氮是以有机形态存在, 而有
机氮必须通过矿化作用转化为无机氮才能被植物吸
收利用[1920]。土壤氮素矿化是微生物驱动的生物化
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图 4 不同施氮量下砂姜黑土小麦根际土壤净氮素矿化速率变化
Fig. 4 Changes of net N mineralization rate in rhizosphere soil of winter wheat in lime concretion black soil under different
N application rates
表 2 不同施氮量下砂姜黑土土壤铵态氮、硝态氮含量变化
Table 2 Changes of contents of NH4+-N and NO3-N in rhizosphere soil of winter wheat in lime concretion black soil under
different N application rates mg·kg1
生育时期 Growth stage 氮形态
N form
施氮量
N application rate OWS JS HS FS GFS MS
铵态氮 N0 4.75±0.28c 4.29±0.26c 5.32±0.34d 5.96±0.20d 5.24±0.35c 4.87±0.26c
NH4+-N N120 5.45±0.21b 5.07±0.20b 6.85±0.25c 7.28±0.25c 6.65±0.24b 5.69±0.20b
N225 5.97±0.17a 5.60±0.30a 7.31±0.11b 8.16±0.30b 6.86±0.09b 5.84±0.10b
N330 5.89±0.18a 5.77±0.35a 7.74±0.08a 8.57±0.07a 7.31±0.16a 6.20±0.13a
硝态氮 N0 5.43±0.18c 6.47±0.28d 6.82±0.27c 6.49±0.21c 5.50±0.24c 5.33±0.24d
NO3-N N120 6.97±0.19b 8.15±0.17c 9.56±0.23b 9.76±0.15ab 7.53±0.26b 7.10±0.20c
N225 7.87±0.17a 8.91±0.16a 10.31±0.14a 9.52±0.07b 8.32±0.13a 7.59±0.10b
N330 8.19±0.31a 8.53±0.19ab 10.39±0.19a 9.84±0.14a 8.43±0.20a 7.98±0.14a
铵态氮+硝态氮 N0 10.18±0.45c 10.77±0.54c 12.14±0.07d 12.46±0.02d 10.74±0.11c 10.21±0.03d
NH4+-N+NO3-N N120 12.42±0.39b 13.23±0.03b 16.41±0.47c 17.04±0.10c 14.18±0.50b 12.79±0.39c
N225 13.84±0.35a 14.50±0.15a 17.61±0.25b 17.67±0.23b 15.18±0.05a 13.43±0.19b
N330 14.08±0.13a 14.30±0.54a 18.13±0.11a 18.41±0.21a 15.74±0.35a 14.18±0.01a
同列同一氮形态不同小写字母表示 4 个施氮量间差异显著(P<0.05)。Different letters in the same column for the same N form indicate
significant difference (P < 0.05) among four N application rates.

学过程, 土壤氮素转化微生物及酶在土壤氮素矿化
过程中发挥着重要作用, 其中, 脲酶、蛋白酶、氨化
作用将有机氮转化为 NH4+, 硝化作用将土壤中的氨
(或铵)转化为硝酸盐, 反硝化作用将硝酸盐等复杂
的含氮化合物转化为 N2、NO和 N2O[5,21]。本试验结
果表明, 砂姜黑土麦田土壤氨化作用强度、硝化作
用强度及脲酶、蛋白酶活性在整个小麦生长期均呈
现先升后降的趋势, 其活跃高峰期多在拔节期至灌
浆期。土壤中 NH4+-N、NO3-N也呈先升高后降低的
趋势。追肥后土壤氮素转化微生物及酶的作用底物
浓度增大, 且土壤温度的升高, 对氨化作用强度、脲
酶和蛋白酶活性起到了促进作用, 加快了土壤中有
机氮向 NH4+-N的转化, 增加了土壤中 NH4+-N含量。
而 NH4+-N 是硝化作用所需的氧化基质[5], 因而氨化
作用强度、脲酶和蛋白酶活性的增加对硝化作用强
度具有促进作用。从拔节期到开花期, 在土壤氮素
转化微生物及相关酶的作用下, 土壤 NH4+-N、NO3-N
含量也逐渐增加。但随着小麦对氮素的吸收及土壤
氨化作用强度、硝化作用强度、脲酶和蛋白酶活
性的降低和反硝化作用强度的增大 , 在小麦生长
后期 , 土壤 NH4+-N、NO3-N 含量出现下降。这与王
小纯等[22]在黄潮土上的研究结果较为一致。但在本
试验结果中, 脲酶活性下降缓慢, 且在冬小麦成熟
期其活性无反弹现象, 这可能与砂姜黑土土壤水、
第 5期 熊淑萍等: 影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素及其对供氮量的响应 569


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气、热等物理性状的变化相关。由于砂姜黑土质地
黏重 , 结构不良 , 通透性差 , 导致后期通过小麦根
系分泌物和根系凋落物等向根际输入的可被土壤微
生物利用的碳和能量[23]周转缓慢, 同时土壤氮的有
效性降低, 抑制了土壤微生物及酶的活性。与王小
纯等[22]在潮土上的研究结果相比, 小麦进入拔节期
之后, 砂姜黑土小麦根际土壤的氨化作用强度大于
潮土, 但其硝化作用强度、反硝化作用强度、脲酶
和蛋白酶活性明显低于潮土。这与王朝辉等[24]的研
究结果较为一致。而具体氨挥发及反硝化作用所造
成氮素损失的量还有待于通过相应气体的收集与测
定进一步确定。
矿化过程是土壤氮素转化的重要环节, 本试验
结果表明, 砂姜黑土麦田土壤净氮素矿化速率呈现
规律性的波动, 在小麦冬前期和抽穗—开花期两次
出现矿化高峰, 在越冬期(播后 70~138 d)2个月的时
间内几乎无矿化作用发生。其原因可能在于: 1)土壤
温度的影响[2526]。土壤净氮素矿化速率的波动与冬
小麦生育期土壤温度变化一致, 冬小麦生育期温度
为冬前期和抽穗开花期较高, 越冬期最低。2)微生
物及酶活性的影响。在本试验中, 氨化细菌、硝化
细菌及脲酶、蛋白酶等的活跃期正是土壤净氮素矿
化速率的最高峰。
3.2 砂姜黑土小麦根际氮素转化动态对不同供氮
量的响应
Sarathchandra 等[27]认为施肥可提高土壤微生物
数量和多样性。也有研究指出较高的氮的有效性会
降低根际微生物数量和活性[28]。土壤微生物既参与
土壤中的物质转化, 影响土壤的肥力状况, 同时土
壤微生物活性又受土壤养分和土壤质地等因素的影
响[29]。本试验结果表明, 与不施氮相比, 施用氮肥明
显增加了土壤中铵态氮、硝态氮含量。随着施氮量
的增加, 土壤铵态氮含量逐渐升高, 这种趋势从抽
穗到成熟期表现得尤为明显。而硝态氮含量表现为
在供氮量 0~225 kg·hm2范围内, 随施氮量的增加而
升高, 但当施氮量增至 330 kg·hm2时, 对土壤硝态
氮含量的提高效果不再明显。这与土壤氮素转化相
关微生物及酶的作用密切相关。在本试验中, 尿素
供应量的增加直接为脲酶提供了作用底物, 从而激
发了脲酶的活性, 脲酶活性表现出了随供氮量的增
加显著增强。氨化作用强度、硝化作用强度、反硝
化作用强度、蛋白酶活性, 在供氮量 0~225 kg·hm2
范围内, 与供氮量为正相关关系。但当供氮量再增
加至 330 kg·hm2时, 均出现了不同程度的下降。这
与前人的研究结果较为一致[27,30]。这主要是由于在
较高的氮有效性条件下, 根际微生物不需要通过分
解难以利用的土壤有机质获取氮, 减少了用于分解
有机质的胞外酶分泌。同时, 较高的氮有效性还会
减少植物向地下的碳分配, 减小根际微生物数量和
活性。根际微生物量的降低、胞外酶分泌的减少, 以
及微生物对根系分泌物的偏好利用均抑制了土壤的
矿化[31]。
综上所述, 砂姜黑土麦田氮素转化是土壤氮素
转化微生物参与的生物化学过程, 与土壤供氮能力
密切相关。砂姜黑土氮素转化微生物及酶活跃高峰
期、麦田土壤净氮素矿化速率与冬小麦需氮高峰期
较为一致, 多发生在小麦拔节—灌浆期, 这对小麦
的生长有利。但在砂姜黑土中, 由于土壤硝化作用
强度较低, 从而不利于砂姜黑土中氮素的进一步转
化 , 降低了其可利用性 , 同时 , 增加了土壤氨挥发
损失的潜在风险。在 0~225 kg·hm2施氮范围内, 增
加供氮量, 提高了砂姜黑土土壤氮素转化微生物作
用强度及相关酶活性, 促进土壤氮素矿化, 提高了
土壤供氮能力。但当施氮量达到 330 kg·hm2时, 土壤
氮素转化微生物及相关酶活性多受到抑制, 土壤净
氮素矿化速率也出现了一定程度的降低, 而且增加
了土壤中氮素损失的风险, 不利于氮肥的高效利用。
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