全 文 ：中国生态农业学报 2012年 1月 第 20卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2012, 20(1): 24−27


* 国家科技支撑计划项目(2006BAD05B03)和公益性科研院所基本科研业务费专项(2009-7, 2009-2)资助
** 通讯作者: 张维理(1953—), 女, 博士, 研究员, 研究方向为施肥与环境、数字土壤。E-mail: wlzhang@caas.ac.cn
岳现录(1973—), 男, 博士后, 研究方向为施肥与环境。E-mail: xlyue@caas.ac.cn
收稿日期: 2010-11-29 接受日期: 2011-07-13
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00024
青贮玉米−牛粪尿体系的 15N标记及氮素转化研究*
岳现录1,2 廖上强2 冀宏杰2 张维理2** 左余宝2 荣向农2
(1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081; 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所
农业部作物营养与施肥重点开放实验室 北京 100081)
摘 要 15N示踪技术已开始应用于畜禽粪便氮素循环与利用研究领域, 而 15N在畜禽粪便不同组分和不同形
态氮素中的丰度与数量将直接影响到畜禽粪便 15N 示踪去向与氮素实际去向的一致性。为了解 15N 在畜禽粪
便标记过程的转化特点和在标记粪尿的分布特征, 本文首先采用改进的、含有 15N标记硫酸铵(60 atom% 15N)
的 Hoagland营养液砂培种植 15N玉米, 然后将 15N玉米和普通玉米以 55∶45的氮配比作为混合青贮饲料饲喂
１头已空腹 2 d的 2龄黄牛, 饲喂 4 d后停喂 2 d, 收集全部牛粪尿并对其不同组分和形态氮素的 15N丰度和数
量进行分析。结果表明: 标记玉米、混合青贮饲料、牛粪尿的 15N丰度分别为 48.024%、26.579%和 8.044%; 标
记玉米对硫酸铵 15N 的回收率为 26.3%, 牛粪尿对标记玉米 15N 回收率为 36.0%。在收集的牛粪尿氮中, 牛粪
全氮、牛尿全氮、牛粪铵态氮和牛尿铵态氮量分别占 70.25%、29.75%、5.44%和 0.03%, 其 15N 丰度分别为
9.223%、5.261%、6.505%和 5.419%。在短期内通过饲喂黄牛 15N青贮饲料制备的标记牛粪尿中, 15N丰度在不
同组分和形态氮素中的分布并不相同, 牛尿氮的 15N丰度低于牛粪氮, 矿质态和易于矿化态氮的 15N丰度低于
不易矿化态氮。
关键词 15N标记 硫酸铵 牛粪尿 青贮玉米 氮素回收 氮素转化
中图分类号: S-3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)01-0024-04
Nitrogen-15 labeling and nitrogen transformation in
silage maize-cattle manure system
YUE Xian-Lu1,2, LIAO Shang-Qiang2, JI Hong-Jie2, ZHANG Wei-Li2, ZUO Yu-Bao2, RONG Xiang-Nong2
(1. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing
100081, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences; Key
Laboratory of Crop Nutrition and Fertilization, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)
Abstract 15N tracer technique has been used in N cycling and utilization for livestock manure. The abundance and amount of 15N
in different manure components and N forms affect whether 15N fate is consistent with all manure N. The purpose of this article is to
better understand the characteristics of 15N transformation in silage maize-cattle manure system and distribution in cattle feces and
urine by using 15N tracer technique. First, a sand culturing experiment was conducted by watering improved Hoagland nutrient solu-
tion with 15N labeled ammonium sulfate (AS, 60 atom% 15N) to cultivate 15N labeled maize (“Nongda-108”). Then, 15N labeled
maize was mixed with unlabeled maize at a ratio of 55︰45, according to their amount of nitrogen, to get mixed 15N forage. Finally, a
2-years-old cattle starved for 2 days was fed on the mixed 15N forage for 4 days and starved 2 days again. During the 6 days, cattle
feces and urine were collected and measured separately. The results showed that 15N abundance was 48.024% in labeled maize,
26.579% in mixed silages, and 8.044% in cattle manure. In addition, 26.3% of AS 15N was discovered in maize, 36.0% of silage 15N
was discovered in cattle manure. In all the manure N collected, fecal N, urine N, fecal ammonium N and urine ammonium N ac-
counted for 70.25%, 29.75%, 5.44% and 0.03%, their 15N abundance were 9.223%, 5.261%, 6.505% and 5.419%, respectively. In 15N
labeled manure of cattle fed on 15N labeled silage in a short period, the abundance of 15N in cattle urine and feces, and in different N
forms were different. The 15N abundance of urine was lower than that of feces, and 15N abundance of mineral and easy-mineralized
nitrogen was lower than that of hardly mineralized nitrogen.
Key words 15N labeling, Ammonium sulfate, Cattle manure, Silage maize, Nitrogen recovery, Nitrogen transformation
(Received Nov. 29, 2010; accepted Jul. 13, 2011)
第 1期 岳现录等: 青贮玉米−牛粪尿体系的 15N标记及氮素转化研究 25


在我国, 随着养殖业快速发展, 畜禽粪便产生
量也大幅增长。到 2002年, 我国畜禽粪便氮产生量
已达 1 680 万吨, 相当于当年全国化肥投入氮素总量
(2 506 万吨)的 66%[1], 成为农业生产中的重要养分
来源。因此, 对畜禽粪便氮素利用效率、残留与损
失特征进行研究, 对提高有机肥资源管理与利用效
率、减少环境污染具有重要意义。
许多学者 [2−3]采用传统施肥与不施肥对比方法
研究畜禽粪便氮素循环与利用效率。但是传统方法
不能研究畜禽粪便氮在土壤中的残留形态、数量及
分布特征 , 也不能跟踪研究畜禽粪便氮多年的去
向。而采用 15N 示踪技术能够克服传统研究方法的
局限性, 通过追踪有机肥 15N 在土壤−作物体系的形
态与数量, 精确测算有机肥氮素的去向并正确评估
其生态环境效应。同时, 15N 同位素无放射性, 对人
体没有危害。因此该技术在国内外已被广泛应用于
农业氮素循环与利用研究领域[4−5]。
15N 标记畜禽粪便很难从市场上买到, 只能通
过饲喂动物 15N 标记饲料进行制备。如 Sørensen 和
Powell 等[6−7]通过饲喂 15N 标记黑麦草、15N 标记紫
花苜蓿和 15N标记化肥来制备 15N标记羊、牛粪便。
但是不同动物粪便对 15N 标记饲料的回收利用效率
不同[6−10], 饲喂动物不同 15N标记饲料也影响 15N在
动物粪便各组分的分布与转化[9,11]。目前在我国, 少
数学者 [4,12−13]对猪和兔的粪便进行了标记研究 , 但
对其他动物粪便的 15N 标记尚少见报道。本研究以
占我国畜禽粪便氮排放量比例最高的牛粪[14]为研究
对象, 通过种植并饲喂黄牛 15N标记青贮玉米, 研究
标记畜禽粪便的氮素转化与分布特征。
1 材料与方法
1.1 15N标记饲料制备
15N标记饲料是将 15N玉米和普通玉米以 55︰45
的氮配比混合, 切碎混匀配制而成, 其主要制备过
程在中国农业科学院廊坊试验基地完成。
15N 玉米采用砂培种植, 品种为“农大 108”, 营
养液采用改进的含有 15N标记硫酸铵(60 atom % 15N)
的 Hoagland配方, 铵态氮浓度为 5 mmol·L−1。砂培
容器为高 22 cm、直径 55 cm的圆形塑料盆, 盆底至
盆口上缘 2 cm 处装入经反复清洗并去杂的黄砂(直
径为 0.2~2 mm)。
种植前, 玉米种子在 25 ℃加湿催芽, 露出胚根
后选择发育良好的种芽, 于 2007 年 8 月 10 日移栽
入盆。每盆等距均匀栽培 9 穴, 每穴 3 株。生长期
间根据作物长势、基质持水状况、气温和日照强度
等浇灌含有 15N的营养液。3叶期间苗后, 每穴保留
长势良好的 1株玉米, 间苗玉米作为收获 15N玉米的
一部分晾干保存。玉米于 10 月 12 日收获后, 随机
选取 10株粉碎混匀, 留取 1.2 kg鲜样用于测试分析,
其他部作为饲料用于饲喂试验。
非标记玉米同时在田间种植, 施用普通硫酸铵
并采用常规农田管理技术。
1.2 15N标记牛粪尿制备
制备试验在中国农业科学院山东陵县试验基地
完成。试验从 2007年 10月 14日开始饲喂 1头 2龄
黄牛, 分 3个阶段制备 15N标记牛粪尿。第 1阶段 2 d,
只喂水和少量食盐 , 促使黄牛排空体内原有粪便 ,
以降低牛体内氮素对青贮玉米 15N 的稀释。第 2 阶
段 4 d, 用制备好的 15N 标记饲料饲喂黄牛, 同时饲
喂适量温水及少量食盐, 收集牛粪和牛尿。第 3 阶
段 2 d, 只喂水和少量的食盐, 最后一天饲喂少量普
通玉米秆, 促使牛体内标记粪便排泄干净, 并收集
牛粪和牛尿。把 2、3阶段收集的牛粪、牛尿分别混
匀, 作为牛粪尿样本进行测定。
1.3 测定方法
植株和牛粪尿全氮按凯氏定氮法测定, 凯氏消
煮液蒸馏酸化、浓缩后, 测定 15N丰度。将牛粪用 2
mol·L−1 KCl溶液以 1︰5( ︰粪 溶液)比例浸提、过滤
(牛尿直接过滤), 用 MgO 法蒸馏并测定铵态氮; 再
将蒸馏液酸化、浓缩, 测定铵态氮的 15N丰度。在移
去铵态氮的样液中加入 Devarda 合金, 蒸馏、浓缩,
测定硝态氮的 15N丰度。15N丰度在河北省农林科学
院遗传生理研究所用 ZHT-03质谱仪测定。
2 结果与分析
2.1 15N标记硫酸铵在砂培青贮玉米中的去向
由表 1可知, 通过砂培试验把 15N从硫酸铵转化
到青贮玉米后, 玉米 15N丰度高达 48.024%, 是硫酸
铵 15N 丰度的 80%。不过玉米对硫酸铵 15N 的回收
率仅为 26.3%, 大部分 15N 残留在培养基质(黄砂)
中。从表 1仍可看出有 25.9%的硫酸铵 15N通过各种
途径损失掉, 大棚内高温能增加氨挥发途径损失数
量[15], 是其主要损失方式之一。

表 1 硫酸铵 15N在砂培玉米中的去向
Table 1 Fate of sulfate ammonium labeled 15N in
sand cultured maize
硫酸铵氮素去向
Fate of nitrogen in
sulfate ammonium
15N丰度
15N abundance
(%)
15N数量
Amount of 15N
(g)
15N比例
Percent of 15N fate
(%)
玉米吸收 Maize uptake 48.024 19.5 26.3
砂子残留 Remain in sand 18.832 35.3 47.7
损失 Loss 19.2 25.9
26 中国生态农业学报 2012 第 20卷


2.2 牛粪尿对青贮玉米氮素的回收
由表2可知 , 牛粪尿对青贮玉米氮总回收率为
83.1%, 其中牛粪尿对青贮玉米15N的回收率较低, 对
非标记N的回收率高达93.3%。牛粪、牛尿对青贮玉
米15N的回收率也分别低于对非标记N回收率。这主要
因为部分青贮玉米15N在牛体内与普通氮素交换后减
少了标记15N, 并增加了非标记N的排泄比例。所以,

表 2 青贮玉米标记 15N和非标记 N在牛体−
牛粪尿中的去向
Table 2 Fate of labeled 15N and unlabeled N of silage
maize in cattle-feces/urine system
氮回收率 N recovery (%) 氮种类
N sort 牛尿
Urine
牛粪
Feces
汇总
Total
牛体吸收和损失氮
Loss and cattle uptake
N (%)
标记 15N
Labeled 15N
6.8 29.2 36.0 64.0
非标记 N
Unlabeled N
28.6 64.7 93.3 6.7
汇总 Total 24.7 58.4 83.1 16.9

牛体吸收和损失的15N之和远高于非标记N。
在收集的全部牛粪尿N中, 牛粪N占70.25%, 牛尿
N占29.75%, 牛粪NH4-N占5.44%, 牛尿NH4-N占0.03%
(数据未列出)。牛尿N所占比例尽管不算太高, 但由于
目前我国绝大多数养牛场没有牛尿收集装置, 这部分
氮素损失及由此引发的环境风险却不容小视。
2.3 氮素在牛粪尿不同组分的分布特征
从表3可见, 牛粪尿不同组分的15N丰度不同。牛
粪15N丰度高达9.223%, 大于牛粪铵态氮和牛尿铵态
氮15N丰度, 以水溶态氮为主的牛尿全氮15N丰度最
低。同时15N和非标记N在牛粪尿不同组分的分布比
例也不同。标记15N在牛粪、牛尿分布的相对比例为
81︰19, 非标记N为69︰31。在应用15N标记牛粪尿
进行氮素循环研究时, 标记15N和非标记N在牛粪尿
不同组分的分布比例不同会造成二者矿化比例不一
致, 应加以注意。


表 3 不同形态非标记 N和标记 15N在牛粪、牛尿中的数量与比例
Table 3 Amount and ratio of unlabelled N and labelled 15N with different forms in cattle feces and urine
标记 15N Labelled 15N 非标记 N Unlabelled N 排泄物种类
Component
氮形态
N form
丰度
Abundance (%)
数量
Amount (g)
所占比例
Ratio to total (%)
数量
Amount (g)
所占比例
Ratio of to total (%)
牛粪 Feces 铵态氮 NH4+-N 6.505 299 4.35 4 578 5.5
全氮 Total N 9.223 5 575 81.03 57 379 69.3
牛尿 Urine 铵态氮 NH4+-N 5.419 1.3 0.02 24.7 0
全氮 Total N 5.261 1 305 18.97 25 361 30.7

3 讨论
3.1 15N 丰度及回收率在青贮玉米、牛粪尿标记环
节的变化
本试验硫酸铵 15N 通过砂培转化到青贮玉米后,
15N 丰度降低 20%, 与杜连凤等 [13]的结果相近
(27.3%)。主要因为培养基质(黄砂)中含有少量氮素,
砂培过程中通过矿化被释放, 稀释了溶液 15N 比例;
同时当砂培溶液中 15NH4+丰度较高时, 容易与大气
中 NH3发生交换反应: 15NH4++NH3=15NH3+NH4+。不
过与杜连凤等[13]砂培玉米对15N的回收率高达 61.7%
相比, 本试验玉米对硫酸铵 15N的回收率仅为 26.3%。
这主要因为砂培玉米仅培育 63 d(全生育期为 108 d)
即收获, 砂培营养液中 15N未被充分吸收, 也致使大
部分 15N残留在培养基质中。
15N标记青贮玉米收获后, 与非标记玉米以55︰
45的氮配比混合, 获得丰度为26.579%的15N标记饲
料。标记饲料氮转化到牛粪、牛尿后, 15N丰度分别
下降65%和80%; 以牛粪尿15N丰度8.044%计算, 平
均降幅也高达70%。Sørensen等[8]对猪粪尿的15N标记
结果表明, 饲喂猪丰度为2.368%的15N标记混合饲料
(大麦和豌豆)11 d, 猪粪、猪尿15N丰度比饲料15N丰
度分别仅下降7%和28%, 远低于本试验结果。这主
要因为一方面动物的消化、吸收过程对体内普通氮素
与饲料15N的交换与稀释比例不同, 另一方面本试验
饲喂15N标记饲料时间较短, 仅为4 d。而饲喂时间越
长, 15N稀释比例越小, 收集动物粪便15N丰度越高[8]。
上述原因在影响动物粪便15N丰度的同时也影响到
其对饲料15N回收率。因此本试验对标记15N的回收
尽管与杜连凤等 [13]试验中15N的回收率相似 , 却也
低于Powell等[7]和邢延铣等[12]的研究结果。
在利用 15N 标记畜禽粪便做进一步研究时, 通
过种植 15N 标记青贮饲料并饲喂动物方式把 15N 转
化到畜禽粪便的成本非常昂贵, 而购买 15N 标记化
肥就需一笔很大开销。为以最小的成本获得理想丰
度和数量的 15N标记动物粪便, 选取 15N标记化肥的
丰度和数量时要充分考虑 15N 丰度和数量在上述各
个制备环节的稀释及回收比例。
3.2 15N丰度及数量在牛粪尿中的分布
试验获得的牛粪尿中, 15N丰度在各组分的分布
表现为牛粪全氮>牛粪铵态氮>牛尿全氮。Sørensen
等[8]通过喂猪 15N 标记大麦和豌豆收集的粪尿, 15N
第 1期 岳现录等: 青贮玉米−牛粪尿体系的 15N标记及氮素转化研究 27


丰度在各组分的分布表现为牛粪氮>牛尿氮。其在
15N 标记黑麦草喂羊的试验中[6], 15N 丰度在羊粪尿
中各形态氮的分布表现为水溶态氮>全氮>铵态氮。
表明 15N 在畜禽粪尿中各形态氮的分布比例与全部
氮素的分布比例不一致。这主要因为 15N 标记饲料
向畜禽粪便转化过程中, 标记饲料中难分解态 15N
在动物体内不易被完全消化, 主要通过动物粪便排
出体外; 易分解态和矿质 15N易于被消化、吸收, 并
且通过与体内普通氮素交换降低了 15N 丰度, 主要
通过动物尿液排出。
Powell等[9]对通过饲喂动物 15N饲料、普通饲料
添加 15N 化肥等方法获取的 15N 标记畜禽粪便进行
了比较。通过饲喂 15N 标记紫花苜蓿、标记玉米混
合饲料获得牛粪、牛尿, 牛粪 15N占全部牛粪尿 15N
的 45%~49%, 部分 15N 为未分解饲料; 通过向普通
青贮玉米中填加 15N 标记尿素获得牛粪尿中, 牛粪
15N 占全部牛粪尿 15N 的 23%~32%, 牛尿 15N 占
68%~77%, 并且牛粪中未分解的饲料氮中不含 15N。
因而得出结论: 采用普通饲料添加 15N 化肥方法获
得的低丰度 15N 标记畜禽粪便适合做短期示踪试验,
采用饲喂动物 15N饲料方法获得的较高丰度 15N标记
畜禽粪便适合做长期示踪试验。但是有机氮的矿化
规律表明, C/N较低的氮组分如水溶态有机氮等易于
被矿化, 而 C/N 高的有机氮矿化过程较慢[16−19]。而
15N 丰度和数量在畜禽粪尿各形态氮中的分布不一
致, 会造成畜禽粪便 15N 矿化比例与畜禽粪便氮实
际矿化比例可能不完全一致。尤其是通过向普通饲
料添加 15N 标记化肥方法获取的 15N 标记畜禽粪便,
15N 在各形态氮中的分布比例与普通氮素分布比例
差异更大。因此, 作者并不认同 Powell 等[9]的观点,
而是认为无论采用哪种方法获得的 15N 标记畜禽粪
便, 在用于进一步应用研究时, 最好对粪、尿氮分别
进行研究, 以便获得更准确的示踪结果。
4 结论
用 15N 标记硫酸铵砂培玉米, 再通过饲喂黄牛
收集牛粪尿过程, 15N丰度在砂培玉米、牛粪尿的稀
释倍数依次增加。为获得理想丰度和数量的 15N 标
记动物粪便, 选取 15N 标记化肥的丰度和数量时要
充分考虑各个制备环节 15N 丰度的稀释倍数和 15N
回收率。在短期饲喂条件下, 牛粪尿对饲料非标记 N
素的回收率大幅高于标记 15N回收率, 牛尿氮的 15N
丰度和数量低于牛粪氮, 牛粪尿中矿质态和易于矿
化态氮的 15N丰度也低于不易矿化态氮。因此, 利用
15N 标记畜禽粪便进行氮肥循环与利用等示踪研究
时, 建议对粪、尿氮分别进行研究, 以便获得更准确
的示踪结果。同时, 制备 15N标记的动物粪便时尽量
选用当地常用饲料, 并且通过延长饲喂时间来提高
15N在动物粪便的丰度与回收率。
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