氮素是植物生长发育所必需的营养元素，长期大量施用氮肥会引起土壤微生物群落结构失衡、土壤质量下降等一系列问题[1-2]。当前，农业生产对氮肥的依赖度较高，同时氮肥利用率相对较低[3-4]。鉴于此，为降低氮肥损失、提升氮肥利用率并保护土壤生态环境，氮素转化过程影响因素成为农业科学研究领域的研究热点之一[5-6]。
对土壤硝化过程的调控是提高氮肥利用率的重要途径。已有研究表明，通过添加硝化抑制剂、脲酶抑制剂等方法，可有效抑制土壤硝化过程，降低氮肥损失，提高氮肥利用率[7-9]。前期研究发现，农田施药对土壤微生物群落结构和数量有显著影响[10]，可通过调控微生物的活力，实现与硝化抑制剂相似的作用，进而抑制土壤硝化作用。目前，关于除草剂对土壤硝化作用影响的研究尚显不足。除草剂施用对土壤微生物物种多样性、活性以及物质循环等方面的影响，在不同类型的土壤中表现出明显差异。Kara等[11]研究发现，在3种不同类型土壤中，除草剂特丁津均可抑制硝化菌活性，有效抑制土壤硝化过程。前期试验也表明，草甘膦、丁草胺2种除草剂对福建灰泥土壤的硝化过程具有不同程度的抑制效果[12]。张昀等[13]关于除草剂吡嘧磺隆的研究显示，在培养前20 d内，吡嘧磺隆对土壤硝化作用产生抑制效果。王峰等[14]室内培养试验结果表明，草甘膦钾盐、草甘膦异丙胺盐、草甘膦和百草枯4种除草剂均显著抑制土壤硝化作用（P<0.05），硝化抑制率在38.42%～58.08%。Csitári等[15]研究表明，当外源添加氮量在50～200 mg/kg时，除草剂莠去津对土壤硝化过程有一定的抑制效果，在整个培养试验期间，与不添加除草剂的对照组相比，施用除草剂处理的土壤硝态氮含量较低。Tu[16]在砂壤土上施用4种除草剂的培养试验结果显示，在培养试验初期，所有供试除草剂对土壤硝化作用均无明显抑制效果，但在第14天时抑制效果开始显现。
乙草胺、骠马和2，4-D丁酯是目前广泛施用的除草剂品种，其对不同类型土壤硝化过程的影响的相关研究相对较少。基于此，本研究选取南北方较具代表性的石灰性潮土和旱地红壤作为研究对象，在室内培养条件下，研究分别施用乙草胺、骠马和2，4-D丁酯3种除草剂后土壤铵态氮和硝态氮的动态变化规律，旨在探究除草剂对不同类型土壤硝化作用的影响差异，为可持续农业生产中除草剂的合理应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 供试材料
1.1.1 土样样品
供试土壤分别取自福建省将乐县（26°45' N，117°26' E）的旱地红壤和河南省封丘县（35°00' N，114°24′ E）的石灰性潮土。2种土壤的基础理化性质：旱地红壤pH 5.66、全氮含量1.39 g/kg、有机质含量21.66 g/kg、铵态氮含量5.99 mg/kg、硝态氮含量19.95 mg/kg；石灰性潮土pH 8.09、全氮含量0.95 g/kg、有机质含量10.60 g/kg、铵态氮含量1.02 mg/kg、硝态氮含量28.46 mg/kg。于2020年5月（作物收获后）采集耕层（0～20 cm）土壤样品，取样后经半风干，剔除根茎等杂物，过2 mm孔径筛，备用。
1.1.2 供试药剂
尿素，无色结晶，有效成分含量99.5%，由国药集团化学试剂有限公司生产；乙草胺乳油，有效成分含量50%，由山东侨昌化学有限公司生产；骠马水乳剂，有效成分含量6.9%，由拜耳作物科学（中国）有限公司生产；2，4-D丁酯乳油，有效成分含量6.9%，由大连松辽化工有限公司生产。
1.2 试验设计
试验共设计4个处理，每个处理设置4次重复，具体如下：（1）对照组，仅施用氮肥（尿素）200 mg N/kg土；（2）乙草胺处理，在对照组基础上加施乙草胺10 mg/kg土；（3）骠马处理，在对照组基础上加施骠马10 mg/kg土；（4）2，4-D丁酯处理，在对照组基础上加施2，4-D丁酯10 mg/kg土。所有除草剂添加量均指其有效成分。
具体操作步骤：称取相当于100 g干土重的供试土壤鲜样，置于300 mL广口瓶中。将尿素与3种除草剂的混合液分别均匀施加到土壤中，调节土壤含水量至田间最大持水量的60%。封口后将广口瓶置于25 ℃恒温黑暗环境中培养。旱地红壤于培养0.5、1、2、4、6、8、12、16、21、26、32、38 d取样；石灰性潮土于培养0.5、1、2、3、5、7、10 d取样。每次取20瓶，从瓶中取出土壤，做好标记并将土壤混合均匀后，称取20 g鲜土置于250 mL三角瓶中，加入100 mL 2 mol/L KCl溶液，200 r/min振荡1 h后，使用定量滤纸过滤，所得滤液用于土壤铵态氮和硝态氮含量测定。
1.3 测定项目及方法
表观硝化率（%）
式中，A为对照组以及3种除草剂处理的土壤硝态氮含量（mg/kg），B为CK处理土壤硝态氮含量（mg/kg），C为各处理土壤中氮肥添加量（以纯N量计，mg/kg）。
1.4 数据处理
采用Excel 2003、SPSS 19.0以及Origin 2024软件进行数据统计分析。通过单因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncan检验判定处理间的显著性差异。图表中的数据呈现为各处理组4次重复试验的平均值±标准差。
2 结果与分析
2.1 除草剂对不同类型土壤铵态氮浓度的影响
不同处理条件下，石灰性潮土和旱地红壤中的铵态氮含量变化均呈先增后减趋势，峰值出现时间不同。由图1A可知，在培养前3 d内，石灰性潮土的铵态氮含量随培养时间推移而逐渐升高，并在第3天达到峰值，至第5天迅速降低。相较于第3天，对照组、乙草胺、骠马和2,4-D丁酯处理第5天的土壤铵态氮含量分别降低79.3%、93.1%、65.9%和61.4%，其中乙草胺处理的降幅最大，处理第5天时土壤铵态氮含量显著低于对照组（P<0.05）。第7—10天各处理的土壤铵态氮含量逐渐接近对照处理，降幅趋于平稳。
图1B结果显示，在不同除草剂处理下，旱地红壤的铵态氮含量于培养第2天达到最大值。这一现象说明此时施入土壤中的尿素氮几乎完全水解，各除草剂处理对土壤中尿素氮的水解过程影响不明显。随后，土壤铵态氮含量随培养时间延长呈逐渐下降趋势，不同处理间土壤铵态氮含量降幅存在明显差异，具体表现为对照组>乙草胺处理>骠马处理>2，4-D丁酯处理。培养期结束时（第38天），与对照组相比，乙草胺、骠马和2，4-D丁酯处理的土壤铵态氮含量分别高出10.0、23.1和39.5 mg/kg。在整个培养期间，2，4-D丁酯处理的土壤铵态氮含量显著高于对照处理（P<0.05）。
2.2 除草剂对不同类型土壤硝态氮浓度的影响
对于石灰性潮土（图2A），在培养期间，随培养时间延长各处理的土壤硝态氮含量总体呈先上升后下降趋势。土壤硝化作用活性在第3—5天最强，在此期间硝态氮含量增幅最大，与第3天相比，各处理第5天的硝态氮含量分别增加139.0、162.4、145.5和111.9 mg/kg，增幅分别为1.9倍、2.9倍、2.2倍和1.7倍。2，4-D丁酯处理的土壤硝态氮含量增加相对缓慢，乙草胺处理在第5天出现峰值且高于对照组。骠马和2，4-D丁酯处理的土壤硝态氮含量峰值出现在第7天，较乙草胺处理延迟2 d。随后各处理土壤硝态氮含量趋于稳定，铵态氮基本硝化完全。
对于旱地红壤（图2B），在培养期间，各处理的土壤硝态氮含量均随着培养时间的延长而逐渐升高，相较于石灰性潮土，旱地红壤中硝态氮含量变化趋势相对较缓。对照组中，土壤硝态氮含量由23.8 mg/kg（0.5 d）增加到190.3 mg/kg（38 d），增加了约8.0倍；乙草胺、骠马和2，4-D丁酯处理的土壤硝态氮含量在培养期间分别增加了168.3、163.4和153.7 mg/kg，增幅分别为10.0倍、8.6倍和6.1倍。培养结束时，乙草胺、骠马和2，4-D丁酯处理的土壤硝态氮含量分别较对照组低5.1、7.8和11.2 mg/kg。硝化作用主要发生在第4—32天，2，4-D丁酯和骠马处理的土壤硝态氮含量显著低于对照（P<0.05），骠马的效果次之，乙草胺效果不明显。
2.3 除草剂对不同土壤硝化速率的影响
表1数据显示，各处理石灰性潮土的硝化率随培养时间推移总体呈升高趋势，各处理间增幅略有差异。整个培养期间各处理的土壤硝化率大小表现为对照组和乙草胺处理高于2，4-D丁酯和骠马处理；进一步分析发现，在第2—3天培养期间，骠马处理土壤硝化率显著低于对照组、乙草胺和2，4-D丁酯处理（P<0.05）；第3—5天培养期间，相较于对照组和乙草胺处理，2，4-D丁酯处理有抑制土壤硝化的趋势，尤其在第5天时，2，4-D丁酯处理硝化率明显低于对照和乙草胺处理（P<0.05）。这一结果表明2，4-D丁酯和骠马在短期内对石灰性潮土硝化过程具有一定的抑制效果。
表1 添加不同除草剂条件下的石灰性潮土硝化率 (%) |
| 处理 | 培养时间 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 d | 1 d | 2 d | 3 d | 5 d | 7 d | 10 d | |
| 对照 | 1.89 ab | 0.05 a | 11.79 a | 22.74 ab | 89.66 b | 98.07 a | 102.52 a |
| 乙草胺 | 3.42 a | 0.34 a | 11.49 a | 23.52 a | 94.00 a | 97.76 a | 104.69 a |
| 骠马 | 1.40 bc | 0.02 a | 6.58 b | 11.27 c | 83.45 bc | 93.65 a | 101.38 a |
| 2，4-D丁酯 | 0.12 c | 0.03 a | 13.43 a | 19.66 b | 75.03 c | 98.43 a | 101.57 a |
|
针对旱地红壤（表2），不同处理的土壤硝化率提升幅度依次为乙草胺处理>对照组>骠马处理>2，4-D丁酯处理。在第4—32天培养期间，2，4-D丁酯和骠马处理的土壤硝化率显著低于对照组和乙草胺处理（P<0.05）；在第16—21天培养期间，2，4-D丁酯处理的土壤硝化率显著低于骠马处理（P<0.05），而在第26天时，骠马与2，4-D丁酯处理差异无统计学意义，可能是由于两种除草剂抑制作用均减弱、硝化微生物同步恢复；培养至32天时，2，4-D丁酯对旱地红壤硝化作用的持续抑制效应高于骠马处理（P<0.05）。这说明2，4-D丁酯对旱地红壤硝化作用具有显著抑制效果。
表2 添加不同除草剂条件下的旱地红壤硝化率 (%) |
| 处理 | 培养时间 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 d | 1 d | 2 d | 4 d | 6 d | 8 d | 12 d | 16 d | 21 d | 26 d | 32 d | 38 d | |
| 对照 | 5.48 a | 3.48 a | 3.70 a | 16.22 a | 18.37 a | 33.44 a | 58.24 a | 63.16 b | 68.81 a | 74.81 a | 79.69 a | 83.30 a |
| 乙草胺 | 2.01 b | 3.79 a | 5.79 a | 15.46 a | 18.29 a | 32.85 a | 55.05 a | 67.10 a | 71.00 a | 75.25 a | 77.72 a | 80.76 a |
| 骠马 | 3.07 b | 5.29 a | 5.02 a | 5.62 c | 5.58 b | 11.98 b | 34.35 b | 53.81 c | 59.14 b | 64.82 b | 69.89 b | 79.38 a |
| 2，4-D丁酯 | 6.25 a | 4.29 a | 4.77 a | 8.37 b | 7.02 b | 13.53 b | 30.63 b | 41.00 d | 50.05 c | 62.68 b | 62.31 c | 77.68 a |
3 结论与讨论
本试验中，石灰性潮土和旱地红壤各处理的铵态氮含量在培养初期均出现峰值，这一现象与土壤氮素转化过程及外源物质添加密切相关。尿素施入土壤后，在脲酶催化作用下迅速水解为铵态氮[19]，使得培养初期土壤中铵态氮含量呈上升趋势。随着培养时间的延长，土壤微生物驱动的硝化作用逐步增强，促使铵态氮向硝态氮转化，导致土壤中铵态氮含量逐渐降低，硝态氮含量相应升高。
石灰性潮土是一种受人为活动影响较大的半水成土壤，具有较高的pH，这种弱碱性环境为硝化细菌的生长与代谢提供了适宜条件[20-21]，使得石灰性潮土的硝化速率相对较快，因此本试验在培养7 d时硝化过程基本完成。对比乙草胺处理与对照组发现，培养前期乙草胺处理的土壤硝态氮含量与对照组基本持平；至第5天，乙草胺处理的土壤硝态氮含量出现峰值，且含量高于对照组，这表明乙草胺处理对石灰性潮土硝化作用的抑制效果不显著。值得注意的是，前期研究显示，在施氮量为300 mg/kg时，乙草胺对福建灰泥土的硝化过程表现为先促进后抑制，这种差异可能源于试验土壤类型（pH、有机质含量及微生物群落结构等）及施氮量不同等因素影响[22]。此外，在培养第5天时，2，4-D丁酯处理与对照组土壤硝化率差异具有统计学意义（P<0.05），相较于乙草胺和骠马，2，4-D丁酯对石灰性潮土硝化作用的抑制效果更为突出。
福建旱地红壤属于富铝土壤，呈酸性，较低的pH一定程度上抑制了硝化细菌的活性，导致其硝化速率相对较慢，因此本试验在培养38 d后，硝化过程仍未完全结束。在旱地红壤培养试验结束时，乙草胺、骠马和2，4-D丁酯处理的土壤铵态氮含量大小表现为2，4-D丁酯处理>骠马处理>乙草胺处理>对照组，且2，4-D丁酯处理的土壤硝态氮含量最低（除对照组外），土壤硝化率也最低。由此可见，在福建酸性红壤中，2，4-D丁酯对土壤硝化作用的抑制效果最为显著，骠马次之，乙草胺的抑制效果较弱。
综上，对比3种除草剂对河南石灰性潮土和福建旱地红壤硝化作用的影响发现，不同除草剂对不同类型土壤硝化作用的抑制效果存在明显差异。其中，2，4-D丁酯对这2种类型土壤的硝化作用均有不同程度的抑制效果，但其抑制程度随着培养时间的延长而减弱。2，4-D丁酯对旱地红壤硝化作用的抑制效果可持续38 d左右，而对碱性潮土硝化作用的抑制效果可维持3～9 d。施用2，4-D丁酯除草剂，能够有效抑制土壤中铵态氮向硝态氮转化，进而减少因硝态氮淋溶、反硝化等过程造成的氮素损失与环境污染。尽管2，4-D丁酯因环境风险问题在农业生产中已被限制使用，但其作为2，4-D系列除草剂的代表性化合物，本研究的结果仍可为同类衍生物的硝化抑制特性评估提供科学参考。目前，关于除草剂施入土壤后对土壤硝化过程的作用机理尚不明确。在今后的研究中，仍需围绕不同品种除草剂对土壤微生物物种多样性及其活性的影响展开深入探究，解析除草剂与土壤微生物之间的互作机制，明确其对土壤氮素循环关键功能基因表达的调控作用，为合理施用除草剂、保护土壤生态环境提供依据。