氮是植物生长的关键限制因子，施用氮肥是提高农作物产量的重要措施。但是，当氮肥投入超过了农作物和土壤微生物对氮的需求，不仅对提高产量无益，反而会降低氮肥利用率，同时大量盈余的氮素很容易通过径流、淋溶、氨挥发和反硝化等途径损失，引发地下水硝酸盐污染、水体富营养化及温室效应等一系列负面环境问题。
目前，单施及过度施用化学氮肥引起的与氮相关的环境问题尤为严重，而有机-无机配施措施已被证实在提高农作物产量和改善品质的同时可以降低与氮相关的环境污染。那么，长期施肥究竟影响哪些土壤氮素转化过程，进而影响土壤的供氮能力和保氮机制呢？长期施有机肥又是如何降低氮损失风险的呢？本文综述了长期施肥对农田土壤氮素关键转化过程的影响，以期为合理施用氮肥、提高氮肥利用率提供理论依据。
本文主要从土壤氮转化过程的初级转化速率角度综述肥料（有机肥和化学氮肥）对土壤氮素关键转化过程的影响。氮素形态之间的转化速率控制各种形态的氮在土壤中的含量变化。
依据测定方法，土壤氮素的转化速率可分为净转化速率和初级转化速率。净转化速率是评价土壤供氮能力和环境风险的常用指标。初级转化速率指的是土壤氮从一种特定的形态转化为另一种特定形态的实际转化速率。
在自然条件下，土壤中各种形态氮的净转化速率是控制其转化的多种途径的初级转化速率综合作用的结果。例如，当硝化作用速率与NO3--N 的生物同化速率相等时，土壤中NO3--N 含量保持常数，净硝化速率为零，但这不等于土壤未进行硝化作用和NO3--N 的同化作用。因此，要阐明无机氮含量变化的过程，并进行针对性地调控，必须认识其初级转化速率。综上所述，将反映氮素各种形态含量变化的净转化速率研究推进到控制含量变化的过程初级转化速率研究，对于认识土壤氮素转化规律、合理施用氮肥、评估氮肥的环境效应等具有极其重要的意义。本文主要综述长期施肥对土壤氮素各个关键转化过程这方面的研究结果，有助于从土壤氮转化过程角度深入认识长期施肥对农田土壤氮素转化过程的影响机制。
1、长期施肥对氮素初级矿化-同化周转速率的影响
土壤氮素矿化-同化循环是自然界氮循环过程中两个至关重要的环节，是决定土壤供氮能力的重要因素。土壤有机氮矿化速率越高，可为作物提供的有效态氮可能就越多。土壤氮素初级矿化速率大小由土壤有机碳和有机氮含量决定。大量长期定位施肥试验表明，施用氮肥可以增加土壤有机碳、氮含量，进而提高土壤氮素初级矿化速率（表1，图1a）。长期施用有机肥可以增加农作物秸秆在土壤中的残留量和根系分泌物数量，根系分泌物可以为微生物生长提供营养物质。此外，有机肥本身就含有大量的营养物质，如动物粪肥通常含有一系列易降解的有机碳、氮和无机氮化合物，而作物秸秆则主要含有如木质素、纤维素和半纤维素等较稳定的有机化合物。
与有机肥相比，化学氮肥对土壤氮素初级矿化速率的提高程度与其对作物生长的促进作用密切相关，化学氮肥施入可以提高作物产量，进而提高土壤中根和作物残体的自然还田量，最终增加土壤有机碳、氮含量。此外，肥料类型可以影响土壤中稳定性和不稳定性有机氮库的相对矿化速率。Zhang 等对封丘17 年的长期定位试验研究发现，长期施用化学氮肥可以提高稳定性有机氮库的矿化速率，而有机肥则刺激了不稳定性有机氮库的矿化速率。英国希尔斯堡38 年的长期定位实验数据也发现不施肥处理中铵态氮主要由稳定性有机氮库矿化而来，而牛粪处理土壤铵态氮主要来自不稳定性氮库矿化。
土壤氮同化是指无机氮被微生物同化吸收进入有机氮库的过程，其中微生物同化铵态氮进入有机氮库的过程即为铵态氮同化，是评价土壤保氮能力的一个重要指标。关于长期施用化学氮肥或有机肥对铵态氮同化的影响，总体表现为有机肥对提高土壤铵态氮同化速率的能力强于化学氮肥（图1b）。长期施用有机肥提高土壤铵态氮初级同化速率可能是由于有机肥含有大量的有效碳源，可提高微生物生物量和活性，促使微生物同化更多的铵态氮进入土壤活性有机氮库。相比而言，化学氮肥施入仅仅通过提高土壤中根和作物残体的自然还田量增加土壤有机碳含量，因而其提供的有效碳源相对有限，对提高土壤铵态氮同化速率的能力也就弱于施入有机氮肥。近期，我们对四川紫色土和太湖水稻土的研究却发现单施化学氮肥竟能抑制铵态氮同化（表1）。
总体而言，长期施用氮肥，尤其是有机肥能显著提高初级矿化-同化周转速率。有机肥施用提高微生物利用铵态氮和硝态氮的能力，致使更多的有效态氮被微生物同化至土壤有机氮库短暂地储存起来，随后这部分氮将会通过再矿化过程转变为植物有效氮，最终提高土壤氮矿化速率并增加植物有效态氮数量，有效降低氮的损失风险。
2、长期施肥对初级硝化速率的影响
硝化作用通常可分为自养硝化作用（氨氧化菌氧化铵态氮为硝态氮）和异养硝化作用（异养微生物氧化有机氮或铵态氮为硝态氮）。长期施肥可以激发自养硝化作用，且有机肥的激发作用更明显（图1c），这可能归结于有机肥和化学氮肥的不同激发机制。化学氮肥不仅直接为自养硝化提供底物铵态氮，还可以激发土壤氨氧化菌的活性。有研究表明，对于酸性土壤，长期施化学氮肥会激发AOA（ammonia oxidizing archaea，氨氧化古菌）的活性和数量，而中性和偏碱性土壤则是激发AOB（ammonia oxidizing bacteria，氨氧化细菌）的活性和数量。此外，长期施用化学氮肥通常激发自养硝化，而自养硝化过程中产生的大量H+可能会导致土壤酸化，土壤酸化反过来又会抑制自养硝化过程。通常情况下，土壤酸化对硝化的抑制作用会被化学氮肥对自养硝化的刺激作用完全抵消，但土壤酸化到一定程度后，化学氮肥对自养硝化的激发作用就不存在了。
长期施用有机肥刺激自养硝化作用的机制较为复杂。即使在等氮量施肥处理的情况下，有机肥所含的大量有效碳和其他养分还有益于改善土壤的物理化学和生物学性质。有机肥中有机氮的矿化有致碱作用，且有机肥本身含有大量的盐基离子也可提高土壤pH，而土壤pH 的提高可激发自养硝化。He 等对江西红壤16 年的长期定位试验结果也发现，有机-无机配施不仅可以缓冲土壤pH 变化，还能为氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）提供基质、养分及适宜的生存环境。此外，有研究表明有机肥处理土壤的AOB 硝化潜势和AOB 数量明显高于化学氮肥处理。因此，长期施用有机肥对自养硝化的激发作用也可能是土壤中AOB 数量和活性增加的结果。
有机肥料种类不同对自养硝化的刺激作用也不同，农作物秸秆对自养硝化的激发作用通常小于动物粪肥。与农作物秸秆相比，动物粪肥的C/N 比较低，致使其对初级氮矿化的激发作用强于初级氮同化，这必然会为自养硝化细菌提供更多可利用的铵态氮。动物粪肥本身含有的较高浓度铵态氮也会快速释放到土壤中，成为自养硝化微生物的底物。而农作物秸秆C/N 比通常较高，微生物从土壤中吸收更多的无机氮来满足自身生长需要，致使农作物秸秆施入促进了氮同化并导致自养硝化的底物减少，农作物秸秆处理的NH4+-N 同化/总NH4+-N 消耗比值大于动物粪肥处理也证实了上述观点。
目前，有关不同施肥措施对硝化速率影响的研究主要关注自养硝化过程，定量研究有机肥对异养硝化速率影响的报道很少。异养硝化分为有机和无机途径，即氧化有机氮和铵态氮过程。
Müller 等发现有机肥施入促进铵态氮向硝态氮的氧化作用，这是因为提高了异养硝化的无机过程。其研究还发现，长期施用牛粪会刺激有机氮异养硝化为硝态氮。
Zhang 等的研究结果表明，有机物质的种类可以影响异养硝化的途径。加入氨基酸类有机氮化合物后，硝态氮主要来自于铵态氮和有机氮异养硝化，而对于玉米秸秆这些复杂的化合物，有机氮异养硝化是硝态氮产生的唯一途径。玉米秸秆处理的异养硝化与总硝化（即自养硝化+异养硝化）的相对比值高达80％～93％，显著高于氨基酸类的有机氮化合物处理（41％～49％）。在此基础上，Zhang 等进一步发现有机酸（甘氨酸）浓度并不影响异养硝化与总硝化的相对比值，低浓度的有机酸（20 mg kg-1）足以支持异养硝化作用。异养硝化过程可以提高土壤的供氮能力，同时又是土壤排放N2O 的三个主要来源之一，进一步加强施肥措施对异养硝化过程的研究具有非常重要的意义。
3、长期施肥对硝态氮同化速率的影响
与铵态氮相比，微生物利用硝态氮需要消耗更多的能量，且土壤铵态氮浓度高时会抑制硝态氮的转运或硝态氮还原酶的合成，因而大多数研究均认为农田土壤不存在硝态氮同化作用。最近的研究表明，C 源不足也是农田土壤微生物不利用硝态氮的重要原因。Recous 和Mary 发现，耕作土壤中只加入KNO3 时，微生物NO3--N 同化几乎可忽略不计，而在相同KNO3 施用量的基础上加入C 500 mg kg-1干土的葡萄糖时就立即发生NO3--N 同化。同样地，在森林生态系统中，葡萄糖的加入量在C 1000 mg kg-1干土以上时才会促进NO3--N 同化。
但是，Shi 和Norton 与Shi 等发现堆肥处理土壤仍然不能进行NO3--N 同化，他们推测这是由于堆肥的C/N 比较低（＜12），有效C 源不足以满足微生物的生长需求。与低C/N 比的有机物料相比，高C/N 比有机物料的施入则会激发异养微生物吸收更多的外源N 来满足自身需求，致使微生物在利用NH4+-N 的同时也进行NO3--N 同化。
已有研究表明，农田土壤施用小麦秸秆可以提高NO3--N 同化，而森林、草地和有机农田系统土壤中明显的NO3--N 同化现象也可能是由于这些土壤中有效碳含量较高的原因。然而，利用数值模型测定土壤氮素转化速率时却发现，农田土壤也能发生微生物同化硝态氮作用（表1）。农田土壤中存在的硝态氮同化作用，可能是因为土壤中存在某些铵态氮浓度极低的微域，微生物转而利用硝态氮。例如，土壤中铵态氮有两个主要去向：一是通过自养硝化氧化为硝态氮，二是被微生物同化进入有机氮库，因此不可避免地会发生氨氧化细菌和异养微生物对铵态氮的竞争作用，而竞争的结果可能会使土壤中产生一些铵态氮不足的微域。此外，底物的空间异质性也会形成铵态氮不足的微域。在这些微域中，铵态氮不能满足微生物自身生长对氮的需求，致使硝态氮成为可被微生物利用的有效氮源。
4、长期施肥对反硝化速率和N2O 排放的影响
反硝化作用是指厌氧条件下NO3 - -N 和NO2--N 逐步还原为NO、N2O 和N2 的过程，是将活性氮转变为惰性氮（N2）的一个重要的土壤氮循环过程。大量长期定位施肥实验结果表明，施用化学氮肥和有机肥均能提高反硝化速率，且有机肥的刺激作用高于化学氮肥。化学氮肥可以通过影响硝化过程间接地影响反硝化过程。首先，长期施用化学氮肥可以激发自养硝化，增加土壤中硝态氮的浓度，为反硝化提供充足的底物，最终促进反硝化过程及反硝化中间产物N2O 的排放。其次，化学氮肥的长期施用导致农田土壤酸化， pH 降低会显著提高反硝化对N2O 产生的贡献。
Cheng 等的研究发现，控制N2O 排放途径的pH 阈值约为4.4，低于该阈值时反硝化成为土壤N2O 排放的主要来源。与其他中间过程的反硝化还原酶相比，N2O 还原酶的转移与合成对低pH 较反硝化过程中其他还原酶更敏感，土壤pH 降低可以显著抑制N2O 还原酶活性，从而导致反硝化产物中N2O 的比例增加。亦或，与反硝化细菌需要厌氧条件相比，真菌介导的反硝化过程对O2 浓度范围的要求较宽。主导反硝化的真菌通常缺少N2O 还原酶，N2O 成为反硝化的主要最终产物。一般而言， 酸性土壤中真菌反硝化过程较为显著。
Yamamoto 等发现酸性土壤中真菌介导的反硝化作用对N2O 产生的贡献量高达16.9%。因此，土壤pH 的降低使得反硝化成为N2O 排放的主导过程，可能与真菌介导的反硝化过程密切相关。此外，酸性条件下化学反硝化过程可能也会对N2O 排放有一定的贡献。有研究发现化学反硝化过程在pH 为4.1～4.2 的酸性土壤对N2O 排放有重要贡献。
与化学氮肥相比，有机肥施用影响反硝化过程的机制较为复杂。首先，有机肥作为C 源，可直接为反硝化细菌提供能量和电子而促进反硝化，进而增加N2O 的产生量。此外，有机肥施用可以激发自养硝化和异养硝化，为反硝化提供底物。再者，有机肥加入还可影响除无机N 外的其他非生物因素，如有机肥激发了微生物活性，进而加剧了土壤孔隙中O2 的耗竭，致使更多的好氧区域转变为厌氧区域，导致反硝化替代硝化成为一些土壤孔隙中N2O 的主要过程，进而增加N2O 排放。这种异养微生物生长诱导的O2 耗竭可能与有机肥施入量呈正相关关系。
5、基于农学和环境效应的施肥措施
有机肥一直被提倡和实践用来改善土壤肥力和提高土壤固碳能力。研究表明，无论是单施有机肥还是有机-无机配施，均能有效地减轻硝酸盐污染，改善土壤肥力并提高作物产量。Kramer 等间接地证明，有机肥施用可以通过增加反硝化过程中的气态氮损失，来降低苹果园土壤的NO3--N 淋失。Wang 等的实验发现，有机肥施入可以增强异养微生物与氨氧化菌对铵态氮的竞争能力，进而降低NO3--N 在土壤中的累积，并减少NO3--N 损失。
硝化作用产生的NO3--N 较NH4+-N 更易迁移和淋失，因此抑制自养硝化过程是降低硝态氮损失的较好手段。目前硝化抑制剂，如双氰胺、氯甲基吡啶在减少农田氮素流失方面的应用前景广阔。此外，通过施用有机肥促进微生物对铵态氮和硝态氮的同化作用亦是降低NO3--N 在土壤中累积的手段之一。但是有机肥的施用并不是多多益善，其过多施用也会增加氮损失的风险。本综述的结果表明，长期施有机肥对自养硝化作用的刺激作用明显高于化学氮肥（图1c），会导致土壤中硝态氮的积累。
Masaka 等发现，有机肥施用量超过15 t hm-2时，淋溶液（深度为40 cm）中NO3--N 浓度就超过饮用水标准（10 mg L-1）的15%以上。
而Maeda 等发现，有机肥处理1m 深土壤水中的NO3--N 浓度只在前3 年保持不变，随后则达到化学氮肥处理相同水平，表明有机肥在短期内可以减少NO3--N 淋溶损失，长期施用下会与化学氮肥一样导致大量NO3--N 淋溶损失。此外，有机肥还能促进土壤中可溶性有机氮的淋洗。
6、结论与展望
合理施肥、在兼顾生态环境效应的前提下，提高作物产量、维持土壤肥力是农业可持续发展的必由之路，尤其是在农业面源污染日益严重的情况下，在不减产的同时降低肥料投入，提高氮肥利用率，降低氮向环境的排放是当前农业研究的热点和难点。研究长期施肥对土壤氮各个过程的影响，有助于加强我们对长期施肥对土壤供氮能力和保氮能力的影响的认识，可以为合理施用氮肥、提高氮肥利用率、减少与氮相关的环境污染提供理论依据。目前，有待深入开展以下几方面的研究：
（1）长期施化学氮肥会导致土壤酸化以及大量的氮损失，而施用有机肥可以缓解这些问题，因此有机无机配施是农业肥料投入的正确方式，但是过量的施入有机肥也会造成大量的氮损失，因此亟待明确有机肥投入的阈值以及合理的有机无机肥料投入比例。
（2）无论是有机肥还是化学氮肥投入均显著刺激硝化过程，造成土壤中大量的硝态氮累积，进而增加硝态氮损失的风险。虽然目前已经开发了硝化抑制剂来抑制或减缓自养硝化过程，并在一定程度上降低了硝态氮淋失以及N2O 排放风险。但是，如何提高土壤中微生物对硝态氮的同化则研究较少，一般认为农业土壤微生物不利用硝态氮。但有限的研究表明，通过加入一些C/N 比较高的外源C 很有可能促进农业土壤中硝态氮同化速率，进而把硝态氮转变为微生物生物量氮储存起来，然后通过再矿化作用缓慢释放出来，增加土壤保氮和供氮能力。但是，外源C 输入亦可以提高土壤反硝化损失和N2O 排放。因此，需要加强研究能够提高硝态氮同化能力并尽可能降低反硝化损失的有效措施。
（3）虽然通过对氮各个转化过程的研究可以知晓同一体系中矿化、同化、硝化和反硝化等过程的关联作用及交互影响，但是如何整体评价长期施肥对土壤氮循环的影响亟待明确，比如长期施用有机肥可以通过增加反硝化过程中的气态氮损失，来降低苹果园土壤的NO3--N 淋失，硝态氮淋失降低的代价是提高温室效应，这也是得不偿失的。再比如，应用硝化抑制剂可以减少农田土壤硝态氮和N2O 损失，但却可以大量提高氨挥发损失风险。因此，如何做到综合评估长期施肥下不同种类肥料及其比例对环境的综合影响也是以后研究的重点。
作者单位：1.南京师范大学地理科学学院 2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室 3.江苏省物质循环与污染控制重点实验室 4.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心
中国乡村发现网转自：《土壤学报》2016 年02 期
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