全 文 ：中国生态农业学报 2010年 7月 第 18卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, July 2010, 18(4): 683−688


* 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2007CB109301)资助
** 通讯作者: 李忠佩(1962~), 男, 研究员, 博士生导师, 主要从事土壤生物化学、土壤退化与恢复及土壤生态系统保育研究。E-mail:
zhpli@issas.ac.cn
张朝(1984~), 男, 硕士, 主要从事土壤生物化学与生态学研究。E-mail: chzhang@issas.ac.cn
收稿日期: 2009-10-19 接受日期: 2009-12-11
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00683
模拟土柱条件下黑土中肥料氮素的迁移转化特征*
张 朝 1, 2 车玉萍 1 李忠佩 1, 2**
(1. 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室 南京 210008;
2. 中国科学院研究生院 北京 100049)
摘 要 为明确肥料氮素在土壤中的迁移转化动态特征, 利用模拟土柱方法, 研究了 3 倍常规施肥量条件下
不同肥料处理(尿素、硫铵)黑土的矿质氮变化。结果表明: 不同氮肥处理的氮素养分迁移转化特征有明显差异。
对照处理(不施肥)土柱内各层次间 NH4+-N和 NO3−-N含量差异不明显; 施用尿素或硫铵后, 表层 0~50 mm土
层的 NH4+-N和 NO3−-N含量比不施肥对照分别升高 100.8~3 408.1 mg·kg−1、113.4~388.0 mg·kg−1和 126.7~
4 671.1 mg·kg−1、51.4~63.3 mg·kg−1, 且在培养前 14 d内变化最大。在整个培养期内, 施用硫铵处理各层次
NH4+-N平均含量比尿素处理高 2.54~1 423.7 mg·kg−1, NO3−-N平均含量低 4.38~335.1 mg·kg−1; 而尿素处理
各层次的硝化率是硫铵处理的 0.79~9.12倍。表明肥料氮素的迁移与转化集中在 0~50 mm土层内, 尿素处理的
氮素转化速率较硫铵处理高。
关键词 模拟土柱 黑土 肥际微域 肥料氮素 迁移 转化
中图分类号: S158 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)04-0683-06
Migration and transformation of fertilizer nitrogen in
a simulated black soil column
ZHANG Chao1,2, CHE Yu-Ping1, LI Zhong-Pei1,2
(1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences,
Nanjing 210008, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract Urea and ammonium sulfate fertilizer applied with three times application rate of conventional fertilization were used to
simulate the migration and transformation characteristics of fertilizer nitrogen with simulated black soil columns. The results show
that N migration and transformation vary with fertilizer type. NH4+-N or NO3−-N concentration is not significantly different across
different soil layers under CK (zero fertilization). Whereas NH4+-N and NO3−-N respectively increase by 100.8~3 408.1 mg·kg−1 and
113.4~388.0 mg·kg−1 under urea treatment, 126.7~4 671.1 mg·kg−1 and 51.4~63.3 mg·kg−1 under ammonium treatment compared
with CK for the 0~50 mm surface layer. The concentration changes most significantly in the first 14 days after fertilization. Under
ammonium sulfate treatment, the average contents of NH4+-N and NO3−-N in different soil layers are respectively 2.54~1 423.7
mg·kg−1 higher and 4.38~335.1 mg·kg−1 lower than under urea treatment. Nitrification rate of urea in different soil layers for the
whole incubation period is 0.79~9.12 times that for ammonium sulfate. This suggests that migration and transformation of nitrogen
mainly occur in the 0~50 mm soil layer, and that nitrogen transformation rate of urea is higher than that of ammonium sulfate.
Key words Simulated soil column, Black soil, Fertilizer micro-region, Fertilize nitrogen, Migration, Transformation
(Received Oct. 19, 2009; accepted Dec. 11, 2009)
氮肥施用是维持作物生长和提高作物产量的重
要农艺措施[1−2]。近年来, 我国氮肥用量迅速增加[3],
但与此同时, 农田土壤中氮肥不合理施用现象普遍
存在, 特别是在某些经济发达地区和集约化农业利
用区, 大量、过量施用氮肥现象十分严重[4−7]。氮素
在土壤中的迁移转化直接关系到氮肥的利用率和损
684 中国生态农业学报 2010 第 18卷


失状况, 是农业和环境科学研究的重要内容之一。
迄今为止, 已有大量研究报道了不同土壤性质、肥
料种类、施肥方式、水热条件下土壤中氮素的迁移
转化特征[8−16]。但以往的研究主要针对某一土层或
整个土体的变化规律。在集中或大量施用肥料条件
下, 施肥点(区)周围形成了特殊的微域养分环境, 养
分浓度高且变化剧烈, 其迁移转化等反应过程有明
显的特异性, 可能对养分供应和有效利用均产生重
要影响 [17]。研究表明 [18−20], 在尿素肥斑周围区域 ,
越靠近肥料, 土壤含水量、pH、脲酶和过氧化氢酶
活性以及土壤微生物群落结构所受影响越大。不同
肥料磷素在模拟土柱中的迁移距离有明显差异, 迁
移高峰期在 7 d 之内, 各形态有效磷浓度与距施肥
点距离呈极显著线性负相关。可见, 肥料养分在肥
料周围微域内的迁移转化特征与一般土体有明显不
同 , 但目前对这一微域环境中养分的迁移转化特
征认识仍非常薄弱 [21]。本文采用室内模拟土柱方
法, 通过密集切片观测施用氮肥后培养过程中土壤
NH4+-N和NO3−-N的含量变化, 研究肥际微域中氮素
迁移转化特征。结果可为深入认识氮素的转化过程机
制, 进而制订科学合理的施肥方法提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试土壤
供试土样采自吉林省长春市榆树县的代表性耕
作农田, 地处北纬 44°30~45°15, 东经 126°1~127°5,
位于松嫩平原边缘, 属季风区温带半湿润地区。年
平均气温 4.0 ℃, 年活动积温 2 840.7 ℃, 无霜期
144~160 d, 年降雨量 586.0 mm, 且多集中在每年的
生长季(5~9月)。供试土壤为发育于第四纪黄土状沉
积物的典型黑土, 常年采用大豆−玉米轮作。在选定
的玉米田采用多点混合方式采集表层 0~20 cm土壤
样品, 经自然晾干后挑去肉眼可见的细根和石块等,
磨细过 10 目筛保存备用。供试土壤 pH 6.13, 有机
质含量 23.2 g·kg−1, 全氮 1.52 g·kg−1, 碱解氮 147.0
mg·kg−1, 速效磷 29.4 mg·kg−1, 速效钾 122.5
mg·kg−1, NH4+-N含量 4.41 mg·kg−1, NO3−-N含量
43.09 mg·kg−1; 粉粒 (0.002~0.02 mm)含量 381.4
g·kg−1, 黏粒(<0.002 mm)含量 224.1 g·kg−1。
1.2 培育试验
1.2.1 模拟土柱的制作
采用高 250 mm、内径 72 mm PVC管(底部加盖
密封), 按照 1.25 g·cm−3的田间容重装入已处理好
的风干土壤, 形成约 200 mm的模拟土柱。在土柱表
面放置一张直径 70 mm的滤纸片, 以保证加水时表
面平整以及水分能够均匀地向土中渗透[22], 加入一
定量的去离子水 , 调节水分至田间饱和持水量的
60%, 静置 24 h后, 去掉滤纸片, 按照试验设计用量
将肥料平铺于土柱顶端, 在 PVC管上端用塑料薄膜
封口, 以减少培养过程中的水分损失 [23], 并针扎若
干小孔以保证通气, 然后竖置于恒温培养室内培养,
培养期间每周补水 1 次。培养过程中, 不同土层的
土壤含水量均维持在最大持水量的 60%左右并保持
稳定(结果未显示)。
1.2.2 试验处理和取样
试验设对照(不施肥)、施用尿素和施用硫铵 3
个处理, 肥料用量为 360 mg(N)·kg−1(按 3倍田间常
规施肥量)。于培养开始后的第 1 d、3 d、5 d、7 d、
14 d、21 d、28 d、35 d取样, 每处理重复 3次。采
用自制的螺旋推进式土柱切片装置 (图 1), 按 0~
2 mm、2~4 mm、4~6 mm、6~10 mm、10~20 mm、
20~50 mm、50~100 mm、100~150 mm、150~200 mm
距离切片, 样品于 4 ℃下冷藏保存, 并尽快进行相
关指标的分析测定。


图 1 螺旋推进式土柱切片装置
Fig. 1 Slice-cutting device for soil column by spiral pushing

1.2.3 分析方法
NH4+-N、NO3−-N含量采用 2 mol·L−1KCl溶液
提取(水土比为 10︰1), 用 Bran+Luebb 流动分析仪
测定。
1.3 结果计算
整个土柱 NH4+-N、NO3−-N 含量以各个切片厚
度作为权重, 加权平均求得:
Cm=∑(Cn×dn)/(d1+d2+⋯+dn) (1)
式中, Cm为整个土柱 NH4+-N、NO3−-N平均含量, Cn
为各土层 NH4+-N、NO3−-N含量, dn为各土层厚度。
各土层 NH4+-N、NO3−-N 平均含量为整个培养
期内该土层各次采样含量的平均数。
整个土柱土壤硝化率用整个土柱硝态氮平均含
量除以整个土柱无机氮平均含量的总和(均减去不
施肥对照的整个土柱氮素平均含量)。
各土层土壤硝化率为各土层土壤硝态氮平均含
量除以各土层无机氮平均含量的总和(均减去不施
肥对照的各土层氮素平均含量)。
第 4期 张 朝等: 模拟土柱条件下黑土中肥料氮素的迁移转化特征 685


应用 SPSS统计软件进行数据分析, 以 Excel进
行绘图。
2 结果与讨论
2.1 不施肥条件下土壤 NH4+-N和 NO3−-N含量变化
不施肥条件下, 土壤中 NH4+-N 和 NO3−-N 含量
变化是有机氮矿化和 NH4+-N、NO3−-N 之间转化等
综合作用的结果。图 2a 表明, 随培养时间的延长,
NH4+-N含量呈逐渐降低的趋势。在 35 d培养期内,
整个土柱土壤 NH4+-N平均含量从 18.1 mg·kg−1下
降到 4.1 mg·kg−1, 降低 77.6%。培养第 7~14 d下降
最明显, 达 7.6 mg·kg−1, 占 NH4+-N 总减少量的
54.5%。与培养初相比, 第 14 d NH4+-N 含量减少
70.5%, 此后基本趋于稳定。土壤 NO3−-N 含量随培
养时间的延长而逐渐升高, 培养前后整个土柱土壤
NO3−-N 平均含量增加 2.1 倍。变化亦主要发生在培
养的第 7~14 d之间。与培养第 1 d相比, 培养第 7 d
的平均含量仅增加了 0.4 倍, 第 14 d 则增加 1.5 倍,
之后变化缓慢, 至培养第 28 d时达到最大, 培养 28
d之后 NO3−-N平均含量又有所下降, 可能是因为发
生反硝化损失所致。
培养过程中不同土层(图 2b)NH4+-N含量以表层
最高, 随剖面加深而降低, 但不同土层间差异不大,
变化范围在 9.3~12.8 mg·kg−1之间, 而 NO3−-N 含
量有自表层向下逐渐升高的趋势, 但 0~150 mm 土
层间变化幅度亦较小, 在 31.1~46.0 mg·kg−1 之间,
150~200 mm 土层 NO3−-N 含量明显较高, 达 77.5
mg·kg−1, 这可能是由于 NO3−-N 移动性强, 培养过
程中随水分下渗向下淋洗所致。
2.2 施用尿素条件下土壤 NH4+-N 和 NO3−-N 含量
变化
施肥条件下, 肥料氮素在土柱中的迁移转化导
致培养过程中不同土层 NH4+-N、NO3−-N 含量的变
化。图 3a 表明, 施用尿素后, 在 35 d 培养期内,
NH4+-N 含量呈先升高后降低的趋势。培养至第 7 d
时 NH4+-N含量达到最大值(235.4 mg·kg−1), 之后逐
渐降低, 培养至第 28 d后趋于稳定。而 NO3−-N含量
在整个培养期内则呈直线上升趋势 , 培养期间各
周的 NO3−-N 含量增加量分别为 33.8 mg·kg−1、
47.8 mg·kg−1、24.6 mg·kg−1、28.8 mg·kg−1和 31.2
mg·kg−1, 其中, 培养第 2周(7~14 d)NO3−-N含量增
幅最大 , 差异极显著 (P<0.01), 表明硝化作用在第
7~14 d之间最为剧烈。培养前 14 d内 NO3−-N含量
增加量占整个培养期间总增加量的 49.1%。
硝化率变化反映了肥料氮素的转化动态。在模
拟土柱条件下, 培养过程中不同土层间的硝化率其
实是 NH4+-N、NO3−-N 迁移与相互转化作用的综合
反应。图 3a表明, 35 d培养期内硝化率的变化范围
为 7.0%~50.2%, 并随培养时间延长逐渐升高。培养
期间各周的硝化率分别为 13.3%、23.9%、29.2%、
38.4%、50.2%。其中, 在培养的前 7 d内, 硝化率变
化不大, 变化范围为 7.0%~13.6%, 平均 10.2%。7 d
以后, 硝化率迅速升高, 至培养结束, 升高 3.8 倍,
表明在培养 7 d以后, 土壤硝化作用强烈。
施用尿素条件下不同土层 NH4+-N、NO3−-N 含
量变化明显。图 3b 表明, 土柱中 NH4+-N、NO3−-N
含量均随土层深度增加而下降。其中, 0~50 mm土层
内 NH4+-N 含量从 3 420.9 mg·kg−1 下降到 111.8
mg·kg−1, NO3−-N含量从 424.3 mg·kg−1下降到 145.6
mg·kg−1 , 相比对照 , 分别增加 100.8~3 408.1
mg·kg−1、113.4~388.0 mg·kg−1。50 mm以下土层
NH4+-N、NO3−-N 含量变化不明显(P>0.05), 与不施
肥对照相近。表明施用尿素后, 水解释放的 NH4+-N
在土柱内的迁移距离和硝化作用主要发生在 0~50
mm 土层内, 且随土层深度的增加, 硝化量逐渐降
低。从培养过程中不同土层硝化率的变化也可看出,
0~50 mm土层的硝化率从 10.2%上升到 53.0%, 100
mm 以下土层变化较小, 与以往的研究相比[24], 本
研究土柱内硝化率较低。这是因为以往的研究往往
将整个土层作为考察对象 , 忽略了微环境间的差


图 2 不施肥条件下整个土柱(a)和土柱不同层次(b)土壤 NH4+-N和 NO3−-N含量变化
Fig. 2 Changes of NH4+-N and NO3−-N contents in the whole column (a) and different layers (b) of black soil without fertilizer
686 中国生态农业学报 2010 第 18卷



图 3 施用尿素条件下整个土柱(a)和土柱不同层次(b)NH4+-N、NO3−-N含量和硝化率以及 0~50 mm
土层 NH4+-N(c)、NO3--N(d)含量变化
Fig. 3 Changes of NH4+-N and NO3−-N contents and nitrification rate in whole soil column in different times (a), in different layers
during experiment period (b) and changes of NH4+-N (c) and NO3−-N (d) within 0~50 mm soil layers of black soil with urea application

异。由此可得出, 施用尿素后, 试验期内肥料养分的
影响范围主要在 0~50 mm 土层。进一步分析 0~50
mm土层内不同层次 NH4+-N、NO3−-N的含量随培养
时间的变化(图 3c, 图 3d), 结果表明, 随深度增加
NH4+-N含量高峰值出现的时间延长, 从 0~2 mm的
第 1 d 出现到 4~6 mm 以下的第 7 d 出现, 显示了
NH4+-N 向下迁移和积累的动态过程。另外, 与培养
后期相比, 培养前期各土层 NH4+-N 含量差异更显
著。而各土层 NO3−-N含量在培养前 7 d内变化不明
显, 表明前 7 d氮素转化很少, 以 NH4+-N迁移为主,
培养第 2 周(7~14 d)NO3−-N 含量迅速增加, 硝化作
用剧烈。
2.3 施用硫铵条件下土壤 NH4+-N 和 NO3−-N 含量
变化
图 4a表明, 施用硫铵后, 培养过程中前 14 d内,
土柱中 NH4+-N 含量的变化较小, 14 d 后逐渐下降,
至培养末期又有所回升。而 NO3−-N含量在整个培养
期内基本呈逐渐升高的趋势, 培养至第 28 d时达到
最大值(118.5 mg·kg−1)。培养期间前 4周内(0~28 d)
各周的 NO3−-N 含量增加量分别为 21.3 mg·kg−1、
23.1 mg·kg−1、17.2 mg·kg−1、25.9 mg·kg−1, 增幅
相近。
施用硫铵条件下不同土层 NH4+-N 含量变化更
加明显。图 4b 表明, 土柱内不同土层 NH4+-N 含量
随土层深度的增加急剧下降。其中, 0~50 mm土层内
的 NH4+-N 含量从 4 683.9 mg·kg−1 下降到 137.7
mg·kg−1, NO3−-N含量从 89.2 mg·kg−1下降到 83.6
mg· kg−1, 相比对照分别增加 126.7~4 671.1
mg·kg−1、51.4~63.3 mg·kg−1。50 mm 以下土层
NH4+-N和NO3−-N含量变化不明显(P>0.05), 与不施
肥对照相近。表明施用硫铵后, NH4+-N 迁移距离和
硝化作用主要发生在 0~50 mm土层内。进一步分析
0~50 mm 土层内不同层次 NH4+-N、NO3−-N 含量的
变化(图 4c, 图 4d), 结果表明, 在 35 d培养期内, 0~6
mm NH4+-N含量持续
下降 , 其他土层(除最底层)表现为在培养开始
后 7 d内达到最大值, 然后下降。各层次 NO3−-N含
量在前 7 d内变化较小, 随培养时间逐渐升高, 培养
至 28 d时达到最大(6~10 mm土层除外)。
比较而言, 施用硫铵处理土柱中各层次 NH4+-N
平均含量为尿素处理的 1.2~1.6倍, NO3−-N平均含量
尿素处理是硫铵处理的 1.1~4.8倍, 硝化率则尿素处
理是硫铵处理的 0.8~9.1倍。结果还表明, 两种肥料
处理间, NH4+-N 和 NO3−-N 含量以及硝化率的差异
表层较大, 其中 0~50 mm 土层内差异最为明显, 向
下逐渐减小。硫铵在施用 1 d后表层 0~6 mm土层内
NH4+-N 含量便已达到最大并逐渐降低, 而尿素处理
2~6 mm土层内 NH4+-N含量先升高再下降。表明硫
铵处理中氮素养分的迁移速度比尿素快, 可能由于尿
素水解过程需要一定时间[25], 延缓了 NH4+-N迁移。
第 4期 张 朝等: 模拟土柱条件下黑土中肥料氮素的迁移转化特征 687



图 4 施用硫铵条件下整个土柱(a)和土柱不同层次(b)NH4+-N、NO3−-N含量和硝化率以及
0~50 mm土层 NH4+-N(c)、NO3−-N(d)含量变化
Fig. 4 Changes of NH4+-N and NO3−-N contents and nitrification rate in whole soil column in different times (a), in different layers
during experiment period (b) and changes of NH4+-N (c) and NO3−-N (d) within 0~50 mm soil layers of black soil with ammonium
sulfate application

3 讨论
本研究结果表明, 培养过程中, 不施肥、施用尿
素和施用硫铵各处理整个土柱内 NH4+-N 含量随培
养时间逐渐降低, NO3−-N 含量则增加, 但处理之间
差异明显。其中, 培养前后不施肥对照 NH4+-N 和
NO3−-N含量最大变化量分别为 13.4 mg·kg−1和 52.0
mg·kg−1, 变化不明显, 这是由于不施肥时, 氮素转
化所需底物主要为土壤本身有机氮矿化提供, 矿化
量的大小决定了转化量的大小。施用尿素或硫铵后
NH4+-N 含量显著增加 , 但不同培养时间转化速率
(水解、硝化)不同, 硝化作用主要发生在培养开始的
前 14 d内, 且在培养的第 1周(7 d)内以 NH4+-N的迁
移为主, 第 2周(7~14 d)硝化作用剧烈。据研究[26,19],
在氮肥施用后的 1~2 周是土壤硝化反硝化的关键阶
段, 且由于养分浓度较高, 土壤 pH 迅速升高, 硝化
作用受到抑制, 导致 NO3−-N含量增加缓慢, 本研究
结果与其相似。因此, 加强这一阶段对养分的监测
管理对于提高肥效意义重大。
不同土层内, 土壤氮素一方面沿土体逐渐向下
迁移, 另一方面通过硝化作用发生形态转化, 表层
土壤变化更为明显。本研究表明, 培养期间, 不同处
理不同土层 NH4+-N、NO3−-N 含量差异显著。不施
肥对照处理不同土层间 NH4+-N、NO3−-N 含量差异
不明显。施肥后(尿素或硫铵)土柱中 NH4+-N、NO3−-N
含量随土层深度增加而下降, 表层 0~50 mm土壤中
相比对照明显升高, 50 mm以下与对照相近, 表明肥
料养分的影响范围在 0~50 mm土层范围内。有研究
表明, 土壤深度[8,27−28]对硝化作用的影响显著, 随土
层深度增加, 土壤理化性状变差, 硝化作用逐渐减
弱, 同时土壤 NH4+-N浓度迅速降低, 可能与深层土
壤固铵作用 [29]及硝化菌活性 [8]有关, 与本研究结果
相似。另外, 王曙光等[19]研究发现, 潮土中施用尿素
后 7 d内养分扩散基本在 1~100 mm内, 本研究结果
与其略有不同, 这可能与土壤性质(尤其是黏粒含量)
及肥料用量有关。所以, 针对不同土壤类型, 制订合
适的施肥措施将有利于提高肥料利用率。
结果还表明 , 不同肥料处理间土壤 NH4+-N、
NO3−-N含量变化有较大差别。尿素、硫铵处理下氮
素的迁移、转化主要发生在距施肥点 0~50 mm土层
范围内, 且集中在培养开始后的前 14 d, 但硫铵在
整个培养期内缓慢转化, 且转化量明显小于尿素处
理, 尤其在表层 0~50 mm土层内差异更为明显。表
明硫铵转化速率较为缓慢。研究发现, 硫铵属于生
理酸性肥料, 施入土壤后会造成土壤 pH下降, 而自
养硝化细菌在酸性环境中很少或不存在 [15]。冉炜
等[30]研究发现, pH较低时, 硫铵转化为自由 NH3的
量减少是硝化作用微弱的主要原因之一。这些结果
688 中国生态农业学报 2010 第 18卷


与本研究相似。李振高等[31]研究发现, 施用硫铵促
进了亚硝酸细菌的生长, 进而促进硝化作用的进行,
与本研究结果不同 , 可能与土壤类型有关。另外 ,
SO42−的存在也可能对土壤氮素的转化有一定影
响[32], 有关机理还需进一步研究。总之, 在具体农业
生产中 , 选择合适的氮肥品种将有可能减少养分
损失。
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