氮素是作物生长不可或缺的营养元素，土壤有机氮是土壤氮素存在的主要形态，占土壤全氮的 90% 以上^[1]。土壤有机氮及其化学组分是影响土壤活性氮和土壤供氮能力的重要因素，同时也是土壤矿质氮重要的源和库^[2-4]。土壤活性氮作为土壤有机氮中最活跃的组分，影响着土壤有效氮的供应并在土壤氮素循环过程中扮演了至关重要的角色^[5-6]。土壤可溶性有机氮（SON）是土壤活性氮的重要组成部分，它参与土壤氮素循环，并调控土壤有效氮的供应^[7]。土壤微生物生物量氮（MBN）是土壤活性氮的重要组分，同时也是土壤铵态氮、硝态氮以及 SON 氮库相互转化的驱动因素^[8]。土壤微生物活动影响土壤氮素循环，驱动土壤氮素的矿化和同化，进而影响土壤有效氮的供应^[9]。土壤 SON 不仅可以为土壤微生物生长活动提供能量源泉，而且是土壤有机氮矿化和土壤有效氮供应的重要基础^[10]。

施肥是提高土壤氮素供应、补充土壤氮库的重要措施，有机肥的施加是提升土壤有机氮含量的重要手段，相比化肥，有机肥的肥效相对缓慢，但持久性好且不容易流失，对提升土壤肥力、改善土壤质量有重要意义^[11]。研究表明，有机肥和化肥配合施用可以有效提高土壤全氮和各形态酸解有机氮组分的含量，而且在一定程度上降低了非酸解态氮占全氮的比例，酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮等其他形态氮占全氮的比例却有所提高^[12]。肖伟伟等^[13]研究发现长期有机肥配施化肥可以显著提高土壤酸解铵态氮、酸解氨基酸态氮以及非酸解有机氮的含量，并且，有机氮部分替代化学氮肥后，土壤氨基酸态氮和酸解铵态氮占全氮的比例均在一定程度上减小，王媛等^[14]研究结果也证实了这一现象。还有研究表明，长期不同施肥下，各施肥处理间各形态酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮、酸解未知氮占全氮的比例变化很小，且各有机氮组分占全氮的比重始终处于动态平衡中^[15]，这些结果说明不同施肥对土壤有机氮组分影响显著，但由于各个研究的土壤类型、肥料类型、种植制度、气候和环境等因素各不相同，导致目前的研究结果间差异较大。总体而言，目前针对有机氮部分替代化学氮肥下土壤有机氮组分的变化研究不多，因此，研究不同有机替代比例下土壤有机氮组成变化特征和土壤活性氮组分的变化可为调控土壤氮素供应、培肥土壤肥力、促进作物增产提供理论依据。

本研究依托湖南省农业科学院高桥试验基地的不同比例有机氮部分替代化学氮肥定位试验，分析不同施肥处理对土壤活性氮含量和有机氮组分及其占比的影响，进一步探究土壤活性氮和有机氮组分之间的相关关系和有机肥部分替代化肥的供氮潜力，为提升红壤稻田土壤氮素供应能力和综合肥力、指导科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验开始于 2020 年，地点位于湖南省长沙市长沙县高桥镇湖南省农业科学院试验基地（北纬 30°28′，东经 114°25′），为亚热带季风气候区，光照充足、热量丰富、无霜期长、降水充沛。年平均日照时数为 2080 h，日平均气温≥ 10℃的总积温为 5190℃，年降水量 1400 mm，年蒸发量 1500 mm，无霜期 230～300 d。供试土壤为第四纪红土发育而成的红黄泥，其基础理化性状为 pH 5.80、有机质 23.63 g/kg、全氮 1.62 g/kg、全磷 0.56 g/kg、全钾 18.08 g/kg，水解性氮 164 mg/kg、有效磷 6.9 mg/kg、速效钾 86 mg/kg。采用水稻品种为“泰优 390”和“玉针香”。

1.2 试验设计

试验设 5 个处理：100% 氮磷钾化肥（NPK）； 15% 有机肥替代化肥，以氮计（15M）；30% 有机肥替代化肥，以氮计（30M）；45% 有机肥替代化肥，以氮计（45M）；60% 有机肥替代化肥，以氮计（60M）；磷钾不足时以单质化肥补齐。供试化肥为尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P₂O₅ 46%）、氯化钾（K₂O 60%），每季施用量为 N 225 kg/hm²、 P₂O₅ 135 kg/hm²、K₂O 180 kg/hm²，N∶P₂O₅∶ K₂O=5∶3∶4。有机肥为市售商品有机肥，来源于周边某大型有机肥厂，其含水量 30%、干基养分含量为N 26.8 g/kg、P₂O₅ 27 g/kg、K₂O 18 g/kg。有机肥和过磷酸钙作基肥一次性施入，尿素按照 4∶3∶3 比例作基、蘖、穗肥施入，氯化钾预留 150 kg/hm² 作穗肥，其余作基肥施入。耕作模式为一季中稻＋ 冬季绿肥，所有肥料均于水稻季施入，绿肥季每公顷播撒 15 kg 绿肥芍子，翌年 5 月翻入土壤整地备用。

1.3 样品采集与测定

试验于 2021 年 10 月水稻收获后采集耕层（0～20 cm）土壤样品，每个小区 S 型 7 点采样，剔除植物残体、石头和其他杂物后混合均匀，将采集的土壤样品一部分放入自封袋中，置于 4℃保温箱带回实验室保存。土壤可溶性全氮采用紫外分光光度法测定，土壤铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定，土壤硝态氮含量采用酚二磺酸比色法测定^[16]。土壤 SON 的计算公式为：SON= 可溶性全氮-（铵态氮 + 硝态氮）^[17]。根据 Bremner^[18]的方法测定土壤有机氮的组分，采用 MgO 氧化蒸馏法测定土壤酸解铵态氮，采用三酮氧化、磷酸-硼砂缓冲液蒸馏法测定土壤酸解氨基酸氮，酸解铵态氮和酸解氨基糖态氮采用磷酸-硼砂缓冲液蒸馏法进行测定；非酸解性氮为土壤全氮与酸解总氮的差值；酸解未知态氮为酸解总氮与酸解铵态氮、酸解氨基酸氮和酸解氨基糖氮的差值。土壤全氮含量采用浓硫酸消煮半微量凯氏定氮法，在实验室用全自动定氮仪进行测定。土壤 MBN 含量采用氯仿熏蒸法测定^[19]。

1.4 数据处理与分析

利用 Excel2010 和 SPSS 19.0 对试验数据进行分析，运用 Oringe2016 进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤全氮含量的影响

如图1 所示，不同有机氮部分替代化学氮肥施用处理对土壤全氮含量影响差别很大，其中 NPK 处理含量最低，为 1.83 g/kg，而 60M 处理全氮含量最高，达到了 2.11 g/kg，较 NPK 处理增加了 15.30%，各处理全氮含量由低到高为 NPK<15M<30M<45M<60M，说明有机氮部分替代化学氮肥比例提高后，土壤全氮含量也逐步提高，15M 处理相比 NPK 处理，全氮含量增加了 0.05 mg/kg，但差异不显著，而 30M、45M、60M 处理全氮的含量分别为 2.03、 2.04、2.11 g/kg，均显著高于 NPK 处理，相比 NPK 处理分别提高了 0.20、0.21、0.28 g/kg，各处理全氮含量由低到高分别 1.83、1.88、2.03、2.04、2.11 g/kg，较试验开始前 1.62 g/kg 分别提高了 0.21、0.26、0.41、 0.42、0.49 g/kg，说明施肥是提高土壤全氮含量的有效措施，相比单独施用化肥，施用有机肥等氮替代化学氮肥更有利于增加土壤氮储量，且土壤全氮的含量随着有机肥替代比例的增加而同步增加（图1）。

注：柱状图上不同的字母代表处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 不同施肥处理对土壤活性氮含量的影响

如表1 所示，不同施肥处理下，土壤活性氮组分各不相同，不同施肥处理土壤的 SON 和 MBN 含量由大到小均为 60M>45M>30M>15M>NPK。施用有机肥替代化肥的几个处理较 NPK 处理均提高了土壤 SON 含量，低量有机肥（15M）替代处理土壤 SON 含量较 NPK 处理增加了 3.72 mg/kg，但未达到统计学差异，而 30M、45M 和 60M 处理相比 NPK 处理显著提高了 SON 含量（P<0.05）。不同施肥处理下土壤 MBN 含量变化趋势与 SON 一致，低量有机肥（15M）替代处理土壤 MBN 含量较 NPK 处理虽略有增加，但未达到统计学差异，而 30M、45M 和 60M 处理相比 NPK 处理增幅分别达 16.04%、26.71% 和 44.42%，显著高于单施化肥 NPK 处理（表1）。有机肥等氮替代化肥后，土壤 SON 和 MBN 占全氮比例均有提高的趋势，且随着有机替代比例的提高，土壤 SON 和 MBN 占全氮比例也同步提高（表1）。

注：同列数据后不同的字母表示处理间有显著差异（P<0.05）。下同。

2.3 土壤有机氮组分含量及其在全氮中的占比

如表2 所示，有机肥部分替代化肥各处理的酸解总氮含量均高于 NPK 处理，且其中替代比例较高的 3 个处理（30M、45M、60M）显著高于 NPK 处理。除 15M 外，其余有机替代处理的非酸解氮含量均低于 NPK 处理，且其中替代比例较高的 3 个处理（30M、45M、60M）显著低于 NPK 处理，说明随着有机肥替代比例的提高，土壤酸解总氮的含量也随之增加，而土壤非酸解氮的含量却减少。

进一步分析发现，有机氮部分替代化学氮肥可提高土壤酸解氨基酸氮、土壤酸解铵态氮和土壤酸解氨基糖氮，进而提高土壤酸解总氮的含量，但有机替代处理相比单施化肥处理对酸解未知氮含量的影响不大，各处理间无显著差异。与酸解总氮增加趋势相反，有机替代处理降低了土壤非酸解氮的含量，且随着替代比例增加而降低，其中 30M、45M 和 60M 处理的非酸解氮含量显著低于 NPK 处理。有机替代相比单施化肥增加了酸解总氮的比例、降低了非酸解氮的比例，增加了有机氮中活性氮的比重，提高了有机氮的有效性。

如图2 所示，各施肥处理的酸解总氮占土壤全氮的比例为 72.08％～84.89％，说明酸解总氮是红壤稻田氮素的主要来源。本研究中，酸解氨基酸氮、酸解铵态氮、酸解氨基糖氮、酸解未知氮和非酸解氮分别占土壤全氮的 29.08％～36.95％（平均 33.91％）、11.37％～14.33％（平均 12.88％）、 0.50％～2.02％（平均 1.42％）、28.16％～32.58％（平均 30.15％）和 15.11％～27.02％（平均 21.64％），有机氮各形态的分布趋势为酸解氨基酸氮 >酸解未知氮 >非酸解氮 >酸解铵态氮 >酸解氨基糖氮，其中酸解氨基酸氮、酸解未知氮和非酸解氮为有机氮的主要组分（图2）。不同施肥不但显著改变了土壤有机氮各形态含量，而且也对土壤有机氮的各个组成部分产生显著影响。图2 表明，有机替代处理提高了酸解氨基酸氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖氮占全氮的比例，降低了非酸解氮占全氮的比例，对酸解未知氮占全氮的比例没有明显影响。

2.4 不同施肥下土壤全氮、活性氮和有机氮组分相关性分析

相关分析（表3）的结果表明，土壤全氮与土壤活性氮（SON、MBN）含量极显著正相关、相关系数分别为 0.810 和 0.781。SON、MBN 与有机氮各组分（酸解氨基酸氮、酸解铵态氮、酸解氨基糖氮、酸解未知氮）均存在显著的正相关关系 （P<0.05），其中 SON、MBN 与酸解铵态氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮均呈极显著正相关。非酸解氮与酸解未知氮存在极显著负相关，并且与酸解铵态氮、酸解氨基酸氮等其他的氮素形态没有显著性相关。

注：^* 和 ^** 分别表示在 5% 和 1% 水平相关显著。

3 讨论

3.1 不同比例有机氮替代化学氮肥对土壤不同形态氮素的影响

施肥是提升土壤氮素含量的重要手段，肥料的投入有助于维持土壤供氮水平、补充地力^[20]。外源氮素通过施肥措施进入土壤后主要去向包括作物吸收、土壤残留以及各种形态氮素损失。一般情况下，无机氮肥施入土壤后，其中一部分氮素可直接被作物吸收，其他部分氮素一般会通过各种不同的途径损失^[21]。然而，研究表明，有机肥施入土壤后，外源有机氮在土壤中的固持率高达 50％以上，这些残留下来的有机态氮不易流失，固定在土壤中可大幅提高土壤有机氮的供应能力^[22]。MBN 和 SON 是影响土壤活性氮的重要因素，它们对于土壤氮素的循环、土壤有效氮的供应产生重大影响^[23-25]。农业生产中，有机肥料的施入可以大幅提升土壤 SON 的含量^[26]。本研究结果也证实了有机肥替代部分化肥施用可以有效提升土壤 SON 含量，且提升幅度随着替代比例的增加而增加，施用有机肥的各个处理相比单施化肥处理，SON 的含量均增加了 24.54％以上。MBN 也是土壤活性氮库的重要组成部分，它参与并影响土壤氮素的循环过程，进而影响土壤有效氮的供应^[27]。本研究中，有机替代处理较单施化肥处理 MBN 含量均有增加，增幅为 0.92％～44.42％。可以看出，有机氮替代化学氮肥施用对 MBN 的影响非常显著，且随着替代比例的增加而呈增加趋势，这可能是由于施用有机物料增加了土壤的能源物质，为土壤的微生物活动提供有效能源，微生物活性增加，加剧了微生物同化作用，使更多的氮素被微生物同化、吸收、利用，从而在土壤中固持，进而减少了土壤氮素的损失，增加了土壤氮储量^[28]。

土壤有机氮不同形态特征的转化和不同组分的占比都会显著影响土壤氮素的有效供应，而不同施肥处理也会显著影响土壤有机氮总量的含量及其各组分的占比^[29]。本研究中，不同施肥处理下，土壤有机氮的各个组分之间和占全氮的比例差异很大，与单施化肥相比，有机替代可显著提高土壤酸解铵态氮、土壤酸解氨基酸氮和酸解氨基糖氮含量，进而整体提高了土壤酸解总氮的含量，并显著降低了土壤非酸解氮的含量和其占土壤全氮的比例，施用有机肥的处理提高了土壤酸解铵态氮、酸解氨基酸氮和酸解氨基糖氮占全氮的比例，这说明施用有机肥可以显著提高土壤有效氮的供应能力和水平，为作物生长提供有效养分支撑。有研究表明，稻田长期、连续施用有机肥可以显著增加土壤氮素含量并产生累积效应^[22]。还有研究表明，酸解氨基酸氮是土壤优先氮供应的中转站和能量库，是植物可吸收利用氮素的重要支撑^[30-31]，因此，施用有机肥替代部分化肥对提高土壤氮素的矿化和增加土壤有效氮的供应、提高作物产量均具有重要意义。在农业生产中，有机肥部分替代化肥合理配施可以取长补短，既能发挥有机肥肥效持久、提升作物品质的优势，又可发挥化肥见效快、施用方便的特点，进而提升土壤综合肥力，促进作物增产。杨静等^[32]研究表明，有机肥配施无机肥可显著提高土壤全氮和有效氮含量，并增加土壤酸解氨基酸氮和铵态氮、硝态氮等有效形态氮含量，进而提高土壤供氮能力。

3.2 土壤活性氮与土壤有机氮组分的关系

本研究结果表明，土壤 SON 和土壤酸解铵态氮、酸解氨基酸氮及酸解氨基糖氮均呈显著正相关，可能是因为有机肥施入土壤后增加了 SON 和酸解有机氮组分含量；土壤中 SON 含量的动态变化受土壤微生物活动及代谢的影响。相关研究表明，土壤 MBN 含量和土壤有机氮组分之间的关系密切，MBN 含量的变化也影响土壤有机氮组分的变化及其占全氮的比例。党亚爱等^[33]分析了不同母质土壤有机氮的组分，结果表明土壤 MBN 与土壤有机氮组分中的酸解铵态氮、酸解氨基酸氮呈显著正相关，与土壤酸解未知氮没有显著性相关，这与本研究的结果趋于一致。另外的研究表明，长期施肥后土壤 MBN 与土壤酸解氨基酸氮和酸解铵态氮呈显著相关，而与酸解氨基糖氮和酸解未知氮之间没有显著相关^[34]。在湖南水稻土长期试验的结果为，土壤 MBN 与酸解有机氮和酸解氨基酸氮之间存在显著正相关关系^[35]。郝晓晖等^[36]研究结果表明，土壤酸解性氮与土壤 MBN 之间存在极显著正相关关系，且酸解氨基酸氮和酸解未知氮是影响 MBN 的关键因子。本研究中，土壤 MBN 与土壤酸解铵态氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮均呈显著正相关关系，说明土壤 MBN 与土壤酸解有机氮组分显著相关。综上所述，土壤 MBN 与土壤有机氮各组分之间的相关性在不同场景下结果并不相同，这可能与土壤的质地、土壤类型及气候环境等因素有关。

丛耀辉等^[37]研究结果表明，土壤酸解铵态氮是土壤活性氮和土壤可矿化氮的最主要来源。Lu 等^[38]研究发现，在土壤中，酸解铵态氮作为一种不稳定态氮，是影响土壤活性氮的重要组分。本研究中，酸解铵态氮占土壤全氮的 11.37％～14.33％ （平均 12.88％），且与 SON 和 MBN 呈极显著正相关，是影响土壤有效氮供应的重要组分，这与前人研究结果一致。Amelung 等^[39]研究结果表明，酸解氨基酸氮显著影响土壤微生物代谢，对土壤固持氮具有重要意义。Bardgett 等^[40]研究结果也表明，土壤有机氮中的酸解氨基酸氮是植物可吸收利用的有效氮来源。Werdin 等^[41]研究结果表明，土壤有机氮中的酸解氨基酸氮是微生物吸收利用的有效氮。Atanasova 等^[42]研究结果表明，土壤有机氮、土壤酸解氨基酸氮和土壤氨基糖氮均和土壤全氮呈正相关关系，本研究中，酸解氨基酸氮占土壤全氮的 29.08％～36.95％，是土壤有机氮中占比最大的组分，且与土壤 SON 和土壤 MBN 含量呈极显著正相关，是影响土壤有效氮供应的关键组分。Wang 等^[43]研究结果表明，土壤活性氮的供应主要来源于土壤有机氮中的酸解氨基酸氮。He 等^[44]研究结果表明，土壤有机氮中的酸解氨基糖氮与土壤微生物活动密切相关，在一定程度上可以表征微生物残留物的含量。本研究中，酸解氨基糖氮平均仅占土壤全氮的 1.42%，但也显著影响土壤活性氮的供应，可能是因为土壤酸解氨基糖氮的含量与土壤微生物数量及微生物活动紧密相关，微生物活动影响了土壤的碳氮代谢进程，进而影响土壤活性氮含量和供氮能力。

氮素施入土壤后，一部分经过微生物同化作用以有机氮形态暂时固定在土壤中，残留的部分有机氮又经微生物进一步转化，最终以微生物残体方式形成更为稳定的有机氮形态^[45]。本研究结果表明，相比单施化肥，有机氮部分替代化肥氮对土壤酸解未知氮含量的影响不大，但显著增加了土壤酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮和酸解铵态氮的含量，整体增加了酸解总氮的含量。另外，与单施化肥相比，有机养分替代部分化肥对酸解未知氮和酸解铵态氮占全氮的比例影响不大，但显著提升了酸解氨基酸氮和酸解氨基糖氮占全氮的比例，显著降低了土壤非酸解氮与土壤全氮的比值。有机氮替代化学氮肥整体提高了土壤酸解性有机氮组分的含量，尤其是提高了土壤酸解氨基酸氮的含量，说明有机肥替代部分化肥有助于提升土壤供氮能力和土壤肥力，补充了酸解氨基酸氮，增加了土壤易矿化氮含量，对提升土壤易矿化有机氮库具有积极作用，增加了有机氮氮库容量，显著提高了土壤供氮能力^[46]。其中， 60M 处理的土壤全氮、酸解总氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮、酸解铵态氮含量最高且酸解氨基酸氮含量占全氮比例也最高，是本研究中提升土壤氮素积累和供氮能力的最优模式。

4 结论

相比单施化肥，有机氮部分替代化学氮肥增加了土壤全氮的含量，15M、30M、45M 和 60M 处理较 NPK 处理分别提高了 2.73%、10.93%、11.47% 和 20.77%，说明土壤全氮的含量随着有机肥替代比例的增加而增加。

相比单施化肥，有机氮部分替代化学氮肥提高了土壤活性氮含量和 SON 和 MBN 占全氮比例，其中 SON 含量提高了 24.53%～72.89%，MBN 含量提高了 0.92%～44.42%。

土壤全氮与 SON、MBN 呈极显著正相关，土壤酸解铵态氮、酸解氨基酸氮和酸解氨基糖氮是影响土壤 SON 和 MBN 的关键因子。

参考文献