土壤氮（N）素是作物生长的三大营养元素之一，供应了作物吸氮量的50%以上^[1]，是影响作物生长和产量形成的主要限制因子。土壤中的铵态氮（$ {\text{NH}}_4^ + $-N）和硝态氮（$ {\text{NO}}_3^ - $-N）可直接被作物吸收利用，是作物吸收氮素的主要来源；还有一部分土壤氮以微生物生物量氮（MBN）和固定态铵（FN）的形式存在，可以缓慢矿化或释放氮素供作物吸收利用，对氮素循环与转化过程起主要调节作用^[2]；此外，土壤中大部分氮素以有机氮形态存在，过去的研究通常认为这部分氮素很难被作物吸收利用，但是越来越多的研究发现可溶性有机氮（SON）与氮素矿化和土壤微生物氮素显著相关，且一些小分子可溶性有机氮可通过菌根或直接被作物吸收利用，是作物吸氮的重要来源之一^[3]。我国土壤肥力水平变异较大，不同肥力水平土壤中氮素存在形态有明显差异。高肥力土壤上以生物固定为主，在低肥力土壤中以晶格固定为主^[4]。有研究发现，提升土壤肥力可显著提高MBN、$ {\text{NH}}_4^ + $-N、$ {\text{NO}}_3^ - $-N和SON^[5-6]含量，且MBN与SON之间具有显著正相关关系^[7]。这可能是因为随着肥力的提高，土壤能提供充足的碳源和氮源，土壤微生物活性增强，提高了MBN含量^[8]，并且也增加了土壤的硝化势^[6]，从而产生了更多的$ {\text{NO}}_3^ - $-N。但是，不同肥力土壤上氮素形态的分配比例是否相同，不同氮素形态是否影响对作物吸氮量的贡献，尚缺乏深入研究。

土壤中各形态氮在不断进行转化，如铵态氮肥或酰胺态氮肥施入土壤后，土壤溶液中的$ {\text{NH}}_4^ + $-N增加，黏土矿物会将部分$ {\text{NH}}_4^ + $-N固定在晶格里，形成FN；而当作物吸收、微生物同化、硝化消耗交换性铵时，黏土矿物又会释放晶格里的$ {\text{NH}}_4^ + $-N，为作物提供氮源^[9]。此外，土壤中的微生物会吸收利用$ {\text{NH}}_4^ + $-N和$ {\text{NO}}_3^ - $-N来合成自身所需要的氮，同时也会随着死亡、分泌等将固持的氮矿化供给作物吸收利用，其在协调土壤供氮上发挥着重要作用^[10]。巨晓棠等^[11]发现施入土壤中的氮肥显著增加FN含量，但MBN却随小麦生长而下降。沈其荣等^[12]发现施肥后FN和MBN变化相似，均先增加后降低后又有所增加。然而，氮素不同形态之间存在互相转换，那么不同形态氮对作物吸氮起到何种程度的贡献，很难用一种形态氮素来衡量。因此，探明不同有效性氮库之间的关系，将其结合来评估其对作物吸氮量的贡献，对于理解和丰富农田系统氮循环理论和沃土培肥均具有十分重要的理论及实践意义。

本文选取三个肥力梯度红壤，通过田间微区试验，探究不同形态氮素在种植前后的变化及其对玉米吸氮量的贡献，以期阐明不同形态氮素的分配特征及其对玉米吸氮量的贡献，为红壤的肥力培育和氮素的高效利用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验点概况

试验设在湖南祁阳的中国农业科学院红壤实验站（26°02′N~26°51′N，110°35′E~112°14′E）。该地属亚热带季风气候，年均气温18.0℃，年均降水量为1 250 mm，年均蒸发量为1 470 mm，大于等于10℃积温为5 600℃，无霜期为300 d（数据来源于中国气象共享服务系统，http://cdc.cma.gov.cn/）。

1.2 试验设计

供试土壤为红壤，成土母质为第四纪红色黏土。根据土壤有机碳含量^[7]设置3个肥力水平，包括低肥力、中肥力和高肥力。低肥力和中肥力土壤质地为黏土，高肥力土壤为粉黏土，其初始基础理化性状见表 1。肥力梯度试验于2019年开始，种植作物为玉米-小麦轮作，共设2个施氮水平：不施氮肥（N0）和施氮肥（N1）。同一作物每年施肥量均相同，所有处理磷钾肥用量均相同，按照N：P₂O₅：K₂O=1：0.5：0.5的比例施用。玉米的氮肥（N）施用量为150 kg·hm^–2（以N计，下同），磷肥（P₂O₅）和钾肥（K₂O）施用量均为75 kg·hm^–2，小麦的氮肥（N）施用量为75 kg·hm^–2，磷肥（P₂O₅）和钾肥（K₂O）施用量均为38 kg·hm^–2。氮肥为尿素（46%），磷肥为过磷酸钙（P₂O₅ 12.0%），钾肥为氯化钾（K₂O 60%），均作基肥在播种前进行一次性撒施。

1.3 样品采集与测定

本文试验结果为2020年8月第三季作物（玉米）种植前后土壤氮含量及玉米生物量等。在种植前及收获后根据五点取样法，采用直径为2 cm的土钻采集0~20 cm土壤样品，挑除动植物残体，混匀，带回实验室，过2 mm筛并挑根，一部分样品冷藏（4℃），用于测定铵态氮（$ {\text{NH}}_4^ + $-N）、硝态氮（$ {\text{NO}}_3^ - $-N）和微生物生物量氮（MBN），剩余样品风干备用。植株晒干脱粒后，测定籽粒产量、地上部生物量及其全氮含量。

植株和土壤全氮分别采用H₂SO₄-H₂O₂和H₂SO₄消煮，凯氏定氮法测定。$ {\text{NH}}_4^ + $-N和$ {\text{NO}}_3^ - $-N含量采用2 mol·L^–1 KCl浸提，流动分析仪（SA1100，Skalar，荷兰）测定^[13]。微生物生物量碳（MBC）和MBN采用氯仿熏蒸—K₂SO₄浸提法测定^[14]。

土壤固定态铵（FN）的测定采用Silver-Bremner法^[15]。称取1.0000 g过100目筛的风干土置于200 mL烧杯中，加20 mL KBrO₃，盖上盖玻片静置2 h，加60 mL蒸馏水，置于电热板或电炉上，加热暴沸5 min。静置过夜。第二天弃去上清液，用0.5 mol·L^–1 KCl溶液将土壤转移至离心管中，摇匀，离心，去上清液，重复三次，然后加入20 mL HF（5 mol·L^–1）和HCl（1 mol·L^–1）混合溶液，振荡24 h，用凯氏法蒸馏定氮，标准酸（0.00549 mol·L^–1 H₂SO₄）滴定，测定的氮含量即为FN含量。

土壤可溶性有机氮（SON）采用差减法^[16]测定，即土壤可溶性总氮减去土壤矿质氮（$ {\text{NH}}_4^ + $-N、$ {\text{NO}}_3^ - $-N）来计算。称取10 g鲜土于150 mL小白瓶中，用50 mL 2 mol·L^–1 KCl溶液浸提，振荡，过滤，取5 mL滤液于50 mL具塞比色管中，加入1 mL 30 g·L^–1碱性过硫酸钾溶液，立即加塞，充分摇匀后用蒸汽高压灭菌锅，在122℃下氧化30 min后取出，冷却，加入1 mL 1：9 HCl溶液，用超纯水定容至25 mL，摇匀，用流动分析仪测定硝态氮含量，即为可溶性总氮，其余滤液直接用流动分析仪测定$ {\text{NH}}_4^ + $-N和$ {\text{NO}}_3^ - $-N，根据两者的差即可得到SON含量。

1.4 数据计算与统计分析

地上部吸氮量/（kg· hm^–2）=籽粒产量（t·hm^–2）×籽粒氮含量（g·kg^–1）+秸秆产量（t·hm^–2）×秸秆氮含量（g·kg^–1）；

氮素收获指数（NHI）=籽粒吸氮量/植株吸氮量^[17]

氮库含量变化量/（mg·kg^–1）=收获后土壤氮含量（mg·kg^–1）-种植前相应土壤氮含量（mg·kg^–1）

$ 固定态胺含量/(\text{mg}\cdot \text{kg}^{-1})=\frac{(V-{V}_{0})\times \text{c}\times 14.0}{m}\times 1000 $

(1)

式中，V和V₀分别为滴定样品和空白时所用标准酸溶液的体积，mL；c为0.00549 mol·L^–1 H₂SO₄浓度；14.0为氮原子的摩尔质量，g·mol^–1；m为烘干土样的质量，g；1 000为单位换算系数。

采用Excel 2019和SPSS 22.0进行试验数据处理和统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA），邓肯（Duncan）法进行多重比较，分析不同肥力土壤间的差异；采用Origin 2018绘制柱状图；结构方程模型（SEM）可划分一个变量可能对另一个变量产生的直接和间接影响，适合描述各因素间的复杂网络关系。由于作物吸氮量受到土壤各形态氮的影响，本研究将地上部吸氮量与土壤各形态氮素进行了相关和回归分析。在相关和回归分析的基础上，将有显著相关性或回归分析符合要求的因子纳入结构方程模型中，采用Amos Graphics 24.0软件建立了各形态氮素间及其与地上部吸氮量的SEM，阐明各形态氮素变化量对玉米地上部吸氮量的直接或间接效应。

2 结果 2.1 不同肥力红壤上玉米生物量和氮吸收

由图 1可知，在不施氮肥下，玉米籽粒产量（图 1a）、秸秆生物量（图 1b）、地上部生物量（图 1c）和吸氮量（图 1e）均随土壤肥力提高而增加。在不施氮肥下，高肥力土壤的籽粒产量约为中肥力土壤的4.6倍，而低肥力土壤上玉米产量与中肥力土壤上无显著差异。施氮肥下，中肥力土壤上产量是低肥力土壤的4.3倍，但与高肥力土壤无显著差异。与籽粒产量不同，不施氮肥下，中肥力土壤上秸秆生物量明显高于低肥力土壤，因此其地上部总生物量高于低肥力土壤。施氮肥下，中肥力土壤上产量和秸秆生物量及总生物量均与高肥力土壤无显著差异。

不同肥力土壤上玉米籽粒含氮量（图 1d）无显著差异，秸秆中亦如此（数据略）。尽管差异不显著，但是可以看出施氮肥下，高肥力土壤上籽粒含氮量较中肥力土壤上高了23%。因此，地上部吸氮量均在高肥力土壤上最高，中肥力土壤其次，低肥力土壤最低，且施氮高于不施氮肥。氮素收获指数在不施氮肥条件下为0.1~0.3，其中在高肥力土壤上最高；在施氮肥下为0.2~0.5，在高肥力与中肥力土壤中无显著差异，但显著高于低肥力土壤。

2.2 不同肥力红壤铵态氮和硝态氮含量

由表 2可知，经过3季作物种植，本季玉米种植前连续施氮肥（N1）土壤中的$ {\text{NH}}_4^ + $-N明显较高，为$ {\text{NO}}_3^ - $-N的4倍~10倍，而不施氮肥（N0）土壤中$ {\text{NO}}_3^ - $-N和$ {\text{NH}}_4^ + $-N相近。收获后，除中肥力土壤外，其他土壤中的$ {\text{NH}}_4^ + $-N和$ {\text{NO}}_3^ - $-N均较种植前有所降低。其中，N0条件下$ {\text{NH}}_4^ + $-N降低了0.8~1.8 mg·kg^–1，N1条件下降低了23~34 mg·kg^–1。总体而言，N0条件下中肥力土壤上的矿质氮（MN）含量无显著变化，而低肥力和高肥力土壤中降低了约4 mg·kg^–1；N1条件下低肥力和中肥力土壤上MN降低了约23 mg·kg^–1，高肥力土壤上降低了38 mg·kg^–1。

2.3 不同肥力红壤固定态铵含量

玉米种植前，土壤固定态铵含量以中肥力土壤最高（206~208 mg·kg^–1），其次为高肥力土壤（185~194 mg·kg^–1），低肥力土壤中最低（172~177 mg·kg^–1）（图 2a）。玉米收获后，不同肥力红壤中固定态铵含量均呈累积状态，但累积量在肥力间差异较大（图 2b）。N0条件下，中肥力土壤的固定态铵累积量最高（129 mg·kg^–1），较种植前增加了63%，低肥力和高肥力土壤中分别增加了47%和11%。N1条件下，中肥力土壤的固定态铵累积量（96 mg·kg^–1）为低肥力和高肥力的2倍~3倍，而低肥力和高肥力间无显著差异。此外，除了高肥力土壤在两种施肥下无显著差异，固定态铵累积量均为N0条件下高于N1条件下。

2.4 不同肥力红壤微生物生物量氮含量

由图 3a可知，与种植前相比，收获后土壤MBN均有所降低，且在N1条件下降低量高于N0。N0条件下，三个肥力土壤的MBN减少量无显著差异，为4.7~5.8 mg·kg^–1，减少了18%~44%。N1条件下，中肥力土壤的MBN减少量最高（38 mg·kg^–1），减少了72%。而低肥力和高肥力土壤的MBN减少量无显著差异，为12~18 mg·kg^–1。微生物生物量氮与全氮的比例（MBN/TN）在一定程度上表明土壤中氮的生物有效性。MBN/TN在N0条件下随肥力提升显著增加，而在N1下无显著差异（图 3b）。

2.5 不同肥力红壤可溶性有机氮含量

不同肥力红壤可溶性有机氮（SON）含量在收获后均低于种植前（图 4）。N0条件下，SON的减少量为6~18 mg·kg^–1，减少了55%~84%，且其减少量所占比例随肥力提升而增加（P < 0.05）。N1条件下，SON含量较种植前的16~120 mg·kg^–1减少了67%~85%，其减少量随土壤肥力的提高显著增加。其中，高肥力土壤的减少量约为中肥力土壤的2.0倍，为低肥力土壤的9.3倍。但就降低比例而言，中高肥力土壤间无显著差异（82%~85%），显著高于低肥力土壤（67%）。

2.6 地上部吸氮量与土壤氮库变化量的关系

相关分析结果发现，玉米地上部吸氮量与土壤$ {\text{NH}}_4^ + $-N、MN和SON的减少量呈极显著（P < 0.01）相关。图 5建立了玉米地上部吸氮量与土壤$ {\text{NH}}_4^ + $-N、MN和SON变化量的关系。当土壤$ {\text{NH}}_4^ + $-N、MN和SON分别减少1 mg·kg^–1时，玉米地上部吸氮量分别能增加8.36 kg·hm^–2、8.26 kg·hm^–2和3.22 kg·hm^–2。

3 讨论 3.1 不同肥力红壤上作物产量与含氮量的差异

本研究中N0条件下高肥力土壤上玉米产量显著高于中肥力土壤（图 1a），说明高肥力土壤有较强的供氮能力^[18]，可提供更多养分供给作物吸收利用。但在N1条件下，两者产量无显著差异，说明在外源氮肥量较为充足条件下，中肥力土壤已可满足作物生长的需求。张军等^[19]研究表明，低、中和高肥力土壤达到最高产的合理施肥量不同，高肥力土壤仅需260.8 kg·hm^–2，而低肥力土壤则需345.5 kg·hm^–2。在考虑高产和环境效益条件下，应对高肥力农田适当减少氮肥施用量，一方面避免施肥量过低引起的土壤氮耗竭，另一方面可降低过多氮肥造成的环境效应。值得注意的是，N0条件下，高肥力土壤的籽粒产量和地上部吸氮量显著高于中低肥力土壤，籽粒含氮量却略低于中低肥力土壤，说明外源氮素供给不足条件下高肥力土壤上作物吸收的氮素可能更多被用于合成生物体。佟玉欣等^[20]发现，籽粒含氮量随玉米产量的增加而下降，且籽粒氮浓度的稀释较产量的增长速度还要快。李久生等^[21]研究表明，作物吸氮量会随施氮量增加而增加，但对产量无显著影响，主要是因为高肥力土壤中初始的氮素含量在一定程度上满足作物对养分的需求，减轻了施肥不均匀的影响。可见，含氮量和产量并非总是协同耦合关系，在土壤培肥和肥料管理中应增加对作物籽粒含氮量或其他农产品品质指标的关注，综合考虑作物品质、产量和环境效益，确定不同肥力土壤的最佳施氮量。

3.2 不同肥力红壤氮含量的差异

种植一季玉米后，除FN含量增加（图 2）外，MN（表 2）、MBN和SON均降低（图 3和图 4），且高肥力土壤的减少量较高（除MBN），说明高肥力土壤不仅可供应大量的矿质氮，且MBN和SON也可直接或间接转化为MN供作物吸收（图 6）。其主要原因有，一方面，高肥力土壤的养分更充足且均衡，有良好的土壤结构，利于根系生长发育及吸收养分；此外，高肥力土壤的缓冲能力、阳离子交换能力更强，本研究的结果也表明由于土壤中$ {\text{NH}}_4^ + $-N含量的降低使高肥力土壤的FN累积量最小（表 1和图 2）；其次，高肥力土壤有机碳含量较高，含有更多的微生物源组分^[22]，可提高微生物的数量和活性，固持更多氮素，减少氮素损失。本研究也发现，高肥力土壤的MBN减少量最低（图 3），这主要是因为高肥力土壤有利于土壤MBN的保蓄，施氮肥后，土壤微生物初期固持的氮素在其死亡之后又重新被植物吸收利用^[23]。

$ {\text{NO}}_3^ - $-N和$ {\text{NH}}_4^ + $-N是作物可利用的主要氮素形态。收获后，高肥力土壤的矿质氮减少最多，中肥力的减少量最低（表 2）。这可能是因为高肥力土壤作物生物量较大且带走了更多的氮素，而中肥力土壤上生物量虽高，但籽粒氮含量较低，带走的氮素并不多。另一方面可能受到土壤质地的影响，如同延安等^[24]的研究表明，土壤质地显著影响MN的残留量，黏土对MN的吸附能力较强，残留量较高，变化量较小，本研究的中肥力土壤的质地为黏土，高肥力的土壤质地则为粉黏土，结果与其一致。但是，N0条件下，中肥力土壤种植前的$ {\text{NH}}_4^ + $-N和$ {\text{NO}}_3^ - $-N显著低于低肥力土壤，除了作物吸收原因外，低肥力土壤pH（5.35）和中肥力土壤pH（6.04）的差异可能影响了硝化作用强度，进而造成了MN含量的差异，这将是下一步工作的重点。

可溶性氮（SON）是土壤有效养分中最活跃和易被降解的组分之一，可作为土壤微生物的氮源，小分子的氨基酸类物质也可直接被作物吸收利用^[25]。本研究中土壤SON减少量随土壤肥力提升显著增加（图 4），这可能是因为高肥力土壤的有机氮和SON含量显著高于低肥力土壤的含量，且高肥力土壤供给作物的较多，而在低肥力土壤上，作物吸收的氮素更多来源于外源氮，所以SON降低的较少。由于该试验中氮肥未采用¹⁵ N标记，难以准确定量氮库之间的转化过程，明确SON与矿质氮等氮形态之间的转化过程尚需要采用¹⁵ N标记技术深入研究。

3.3 影响作物吸氮量的各形态氮库含量因素

为探明各形态氮素减少量对玉米地上部吸氮量的直接或间接效应，建立了结构方程模型（图 6）。结果发现，$ {\text{NH}}_4^ + $-N和SON减少量对玉米吸氮量有着正向调控（解释率达89%），说明高的$ {\text{NH}}_4^ + $-N和SON变化量有利于玉米对氮素的吸收利用。这主要是因为在氮的累积过程中，主要以酰胺态氮和氨基酸态氮为主，且两者均为可溶性氮，可被作物迅速吸收利用。越来越多研究表明，作物不仅可吸收利用$ {\text{NH}}_4^ + $-N和$ {\text{NO}}_3^ - $-N，还可直接吸收SON，SON在氮素循环和作物吸氮中具有不可忽视的重要作用。玉米根具备一种利用SON的高效机理，SON通过被动运输方式释放，同时可通过活性转运机制重新捕获根外的游离氨基酸^[26]。此外，低分子量的SON在微生物营养方面也具有重要作用，不仅可直接被微生物利用，还能促进矿物风化，直接影响土壤养分的有效性和流动性^[27]，进而影响作物吸收利用氮素。

土壤微生物生物量氮（MBN）和固定态铵（FN）是土壤中的固持氮库，能反映土壤持续供氮的能力。图 6结果表明，MBN和FN可通过调控无机态氮或可溶性小分子有机态氮，进一步调控作物吸收利用氮素。说明一定程度上，高的MBN和FN有利于玉米对氮素的吸收利用。在作物生长过程中，作为土壤易矿化氮的主要来源，微生物体氮的分解可为作物提供大量有效氮^[28]。并且，MBN含量高，在某种程度上可认为土壤微生物数量多，种类丰富，提高了SON含量^[29]，增加了作物可利用的氮源。可见，MBN和SON在作物氮素吸收利用过程中起着关键作用，因此，进一步探究微生物对氮的固持释放机制及其对SON的调控机制，对丰富氮循环理论及作物高效利用氮素、合理施用氮肥具有重要意义。

4 结论

常规施用氮肥150 kg·hm^–2时，高肥力和低肥力红壤上玉米产量无显著差异，说明对肥力较高的红壤可适当减少氮肥施用量。种植一季玉米后，土壤$ {\text{NH}}_4^ + $-N、微生物生物量氮（MBN）和可溶性有机氮（SON）均有所降低，并且与作物吸氮量呈直线正相关关系，说明这三种形态氮在氮素供应上起到重要作用。玉米吸氮量受SON的直接正向调控，并且MBN可通过影响MN和SON含量间接调控玉米吸氮量，可见，SON和MBN在作物吸氮调控过程中发挥着重要作用。因此，在土壤培肥研究和技术上，一方面可更多地关注SON和MBN调控作物氮吸收的机制上，另一方面可采用有机肥替代化肥或使用生物肥来增加土壤中碳含量和微生物生物量，从而提高土壤MBN和SON含量，以促进作物高产和氮肥高效利用。