肥熱耦合條件下土壤硝態氮轉化及其動力學特征研究

李亞嫻，郭向紅，孫西歡,2，馬娟娟，雷 濤(.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西水利職業技術學院，山西 運城 044004)

氮素是影響農作物生長發育的重要營養元素之一，氮肥的合理施用在農業中起著非常重要的作用[1]。然而，由于氮肥的不合理施用，致使氮肥利用率一直較低，并未達到預期的增產效果。主要是因為氮素在土壤中，容易和土壤發生其他反應，作物還沒有吸收，養分揮發、淋溶和隨徑流流失，對環境也造成危害[2]。氮肥施入土壤后，在微生物的作用下可以轉化成NH+4、NO-2、NO-3、NH3、N2、N2O等多種形態，其中NO-3是植物利用氮素的主要形態，但是因為NO-3不容易被土壤膠體吸附，一旦過量的施用氮肥，NO-3就會淋失，造成環境污染[3-5]。許多研究表明，長時間過量施用氮肥，會使硝態氮在土壤中大量累積，并且硝態氮累積量與施氮量之間的關系呈極顯著正相關[6]。Sabey等發現硝態氮含量的變化曲線隨時間呈“S”形，將其分為遲緩期、最大速率期和停滯期[7]。其他一些研究者用零級動力學方程和一級動力學方程來描述硝態氮累積量隨時間的變化過程，但擬合效果較差[8]。近年來，對農田土壤中硝態氮累積的研究較多[9,10]，但是在不同溫度和不同施肥處理條件下對NO-3-N的時間動態變化研究較少。因此，本文以山西省太谷縣有代表性的果園土壤為研究對象，采用不同溫度和不同施肥處理下土壤硝態氮含量隨時間的動態變化，運用Logistic生長曲線來定量描述土壤硝態氮隨時間的轉化過程，為定量預報不同溫度及施肥條件下，延緩土壤NO-3-N累積提供了理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為山西省太谷縣有代表性的果園土壤，取土時去除枯枝落葉，為盡可能減少土壤本底值對試驗的干擾，取土深度為30～200 cm，將各深度土壤混合均勻，過2 mm篩備用。其質地為沙壤土，密度1.47 g/cm3， NH+4-N為0.6 mg/kg，NO-3-N為0.4 mg/kg，含水率3.1%，田間持水量24.7%。供試肥料為尿素。

1.2 試驗設計

本試驗采用室內培養法，進行不同溫度、施肥量間的土壤尿素轉化試驗，施肥量設3個水平，包括0.08、0.12、0.14 g碾磨過篩(<1 mm)的尿素，分別相當于244、366、427 mg/kg的施氮水平，培養溫度設3個水平，分別為15、20和25 ℃，共9個處理，每個處理設置3個重復NO-3為了消除土壤中原有氮素對 的干擾，另設置無尿素對照組，同樣重復3次。

1.3 試驗過程與方法

稱取151 g碾磨過篩(<2 mm)的風干土壤置于500 mL燒杯中，用蒸餾水分別將尿素溶解，并將土壤含水量調至80%田間持水量，以塑料膜將燒杯封口，以防止水分損失，分別置于恒溫培養箱中培養，每隔2 d對恒溫培養箱中的樣品進行隨機排列，以減少箱內溫度分布不均導致的干擾，并進行適當通風，然后采用稱重法補充培養過程中損失的水分。在某一培養溫度下，4個不同施肥量的土壤同時培養，并在培養到設計天數(開始培養后的奇數天)后，每次從培養柜中取出12個燒杯(每個施肥量各3個)，進行采樣。采樣時將燒杯內的土壤倒于干凈的塑料紙上，并用潔凈的藥匙或玻璃棒將其搗碎，直至均勻。將土樣稱取5 g置于250 mL錐形瓶中，加入100 mL濃度為1 mol/L的氯化鉀溶液，塞緊瓶塞，置于往復式振蕩器振蕩30 min后靜置過濾，取一定量的濾液，采用德國產AA3連續性流動分析儀進行硝態氮含量的測定。

1.4 數據處理

試驗數據用Excel 2007軟件整理統計后，采用SPSS 21.0進行回歸分析和顯著性、相關性分析。Logistic動力學模型的擬合優度檢驗為R檢驗，顯著性檢驗為F檢驗，變量的顯著性和相關分析作T檢驗。繪圖由Excel 2007軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同施肥條件下土壤硝態氮轉化特征

尿素施入土壤后，通過水解生成NH+4-N，并進一步通過硝化作用形成NO-3-N、N2、N2O等，這使得土壤中的NO-3-N含量增加。15 ℃時，各施氮處理硝態氮含量的變化曲線見圖1。轉化初始階段，隨著反應時間的延長，硝態氮含量緩慢上升，曲線比較平緩，而后轉化速率顯著提高，硝態氮含量增加明顯，最后趨于平緩，基本保持穩定，表明尿素水解產生的NH+4-N已向硝態氮轉化完畢。各處理中以244 mg/kg施氮水平達到平衡所需時間最短，大約為33 d后保持基本不變；427 mg/kg施氮水平達到平衡所需時間最長，約為51 d。為確保研究條件一致且轉化達到充分平衡，后續試驗中選擇平衡時間為55 d。同一反應時間，244 mg/kg處理的NO-3-N含量最小，427 mg/kg處理的含量最大，說明硝態氮含量隨氮肥含量的增大而增大。55 d時，427 mg/kg施氮水平下硝態氮的累積量約是244 mg/kg施氮水平的1.3倍。這是由于尿素水解產生的NH+4-N不斷向硝態氮轉化，使得施肥量高的處理，硝態氮含量也高。20和25 ℃時，硝態氮含量變化趨勢與15 ℃時大致相同，即遲緩階段、最大速率階段和停滯階段。但各處理達到平衡所需時間與15 ℃時有較大差異，20 ℃時，各處理(從低氮處理至高氮處理)達到平衡所需時間分別為21、25和27 d，其對應的最大累積量分別為1.140、1.356和1.466 mg/kg，說明隨著施氮量的增加，達到平衡所需時間越來越長，最大累積量也越來越高。這是由于高氮處理的底物含量高，轉化時間偏長，較晚達到平衡。25 ℃時，244 mg/kg施氮處理達到平衡時間為19 d，時間最短，427 mg/kg施氮處理達到平衡時間為23 d，366 mg/kg施氮處理居中，為21 d。

圖1 不同施肥條件下土壤硝態氮含量變化曲線Fig.1 Soil nitrate-nitrogen content change curve under the condition of different fertilizer

2.2 不同溫度條件下土壤硝態氮轉化特征

圖2為不同溫度條件下土壤NO-3-N含量變化情況，從圖2中可以看出，當施氮水平為244 mg/kg時，各溫度處理硝態氮含量的變化趨勢可以分為3個階段，即遲緩階段、最大速率階段和停滯階段。各處理(從低溫至高溫)達到平衡所需時間分別為33、21和19 d，其對應的最大累積量分別為1.014、1.140和1.307 mg/kg，可見隨著溫度的上升，達到平衡所需時間越來越短，而最大累積量越來越高。這說明高溫有助于硝化作用的進行，并且能夠使硝化作用進行得更加徹底，從而使25 ℃處理達到平衡所需時間較短且硝態氮累積量較高。施氮量為366 mg/kg和427 mg/kg時，各溫度處理硝態氮含量變化趨勢與244 mg/kg處理大致相同。366 mg/kg施氮水平時，25 ℃處理達到平衡時間為21d，時間最短；15 ℃處理達到平衡時間為45 d；20 ℃處理居中，為25 d。其對應的最大累積量(從低溫至高溫)分別為1.242、1.356和1.419mg/kg。施氮量為427 mg/kg時，各處理(從低溫至高溫)達到平衡所需時間分別為51、27和23 d，其對應的最大累積量分別為1.328、1.466和1.615 mg/kg。達到平衡時25℃處理的硝態氮累積量約是15 ℃時的1.2倍。

結合圖1、圖2可知，各溫度、施氮處理之間最大累積量和達到平衡所需時間有較大差異，由上述分析可知，高溫高氮處理時的最大累積量約是低溫低氮處理時的1.5倍。最早達到平衡時間的是溫度為25 ℃和施氮量為244 mg/kg時，為19 d；最晚達到平衡時間的是溫度為15 ℃和施氮量為427 mg/kg時，達51 d，高溫低氮處理明顯小于低溫高氮處理的平衡時間。這說明了高溫處理有助于硝化作用的進行，氮肥的施入量在很大程度上影響硝化作用的快慢，也顯示出了肥熱耦合的綜合效應。

圖2 不同溫度條件下土壤硝態氮含量變化曲線Fig.2 Soil nitrate-nitrogen content change curve under the condition of different temperature

2.3 硝態氮轉化的動力學模型模擬及統計特征值

土壤NO-3-N累積量的總體趨勢是隨施氮量、溫度的上升而逐漸上升，從試驗結果看，土壤中硝態氮累積速率呈“S”形曲線變化(圖1、圖2)，表現出遲緩階段、最大速率階段和停滯階段。利用SPSS 21.0對其進行Logistic生長曲線的擬合發現，曲線擬合度較好。在以往的研究中，許多學者也應用該生長曲線較好地描述了土壤硝態氮的動力學特性，并對其進行了動力學特征分析，所以為了確定土壤NO-3-N含量的變化規律，引用Logistic生長曲線表示“S”形曲線：

N0=a/(1+ce-b t)

(1)

式中：N0為硝態氮的累積量，mg/kg；a為N0的極限值，即最大累積量；b、c為待估參數，可通過曲線回歸求得；t為試驗培養時間，d。

由模型擬合的各參數見表1。由表1可知，各組別的相關系數R均為0.897～0.927，F值均在107以上，達到極顯著水平(P<0.01)，所以上述Logistic動力學模型能夠定量描述室內恒溫培養條件下的土壤硝態氮轉化過程。

表1 Logistic動力學模型擬合參數及統計特征值Tab.1 Dynamic model parameters and statistical characteristic values of Logistic

注：R表示擬合值與實測值之間線性相關的密切程度，R越大，擬合效果越好；F值、P值是回歸模型的顯著性檢驗，P<0.01，表示差異性顯著，F值越大，模型擬合效果越好。

2.4 土壤硝化作用Kmax的肥熱耦合效應

比較分析不同溫度、不同施氮量條件下的土壤最大硝化速率，探究其影響機制，有助于分析土壤氮速的轉化速率和土壤硝化作用特征。因此對公式(1)進行求導，可得硝化速率為：

(2)

Sabey等(1959年)報道，當銨態氮濃度不是硝化作用反應速率限制因子時，硝化作用的最大速率依賴于土壤性質，對式(2)求極值，可得最大硝化速率為：

Kmax=ab/4

(3)

土壤最大硝化速率Kmax擬合值見表2。由表2可知，不同處理條件下最大硝化速率變幅為0.236～0.373 mg/(kg·d)。25 ℃下不同施氮處理的Kmax值分別為0.292、0.328、0.373 mg/(kg·d)，其中以427 mg/kg硝化作用最強，說明高施氮量有助于硝化作用的進行；15 ℃下不同施氮處理的Kmax值分別為0.236、0.277、0.297 mg/(kg·d)，其中以244 mg/kg施氮處理硝化作用最弱，與上述描述相符。同一施氮不同溫度處理條件下，以366 mg/kg施氮處理舉例，各溫度下的Kmax分別為0.277、0.291、0.328 mg/(kg·d)，以25 ℃下硝化作用最強，表明溫度升高亦有助于硝化作用的進行，其余2個施氮處理也驗證了這一結論。低溫低施氮處理的 明顯低于高溫高施氮處理的土壤，這可能是由于低溫處理下硝化細菌活性較低，且低施氮處理不能提供給硝化細菌足夠的氮源。最大硝化速率間的差異表明不同施肥和溫度條件下的土壤硝化作用強弱，亦即顯示出溫度和施肥對硝化作用綜合影響的結果。

表2 最大硝化速率擬合值Tab.2 The fitting values of maximum nitrification rate

由上述可知，最大硝化速率Kmax在很大程度上受土壤溫度、施氮量以及它們交互作用的影響，為了全面分析室內恒溫培養條件下土壤硝態氮轉化過程的溫度T和施氮量N的耦合效應，以最大硝化速率Kmax作為考察目標，采用非線性回歸和SPSS 21.0軟件進行試驗數據的處理，去掉不顯著項得出回歸方程如下：

Kmax=0.103+0.003T+8.872-6TN(R=0.944) (4)

由方程(4)可知，影響室內恒溫培養條件下土壤最大硝化速率Kmax的因素有溫度以及溫度與施氮量的交互作用，其中溫度系數最大，說明溫度對最大硝化速率的影響最為顯著。從表2中可以看出，溫度一定時，以施氮量427 mg/kg的Kmax最高。溫度對土壤最大硝化速率的影響表現為低氮處理的最大硝化速率 最低出現在15 ℃條件下，高氮處理的最大硝化速率 最低也出現在15 ℃條件下。一般認為，硝化作用最適宜的溫度是25～35 ℃，當土壤溫度太低時，會抑制硝化作用。溫度能激發硝化細菌的活性，當溫度在試驗水平范圍內逐漸升高時，最大硝化速率的總趨勢也逐漸增加，溫度為25 ℃時的最大硝化速率大約是15 ℃時的1.25倍。在本試驗中除了土壤溫度對最大硝化速率有影響外，溫度與施氮量的耦合效應也有影響，從Kmax的回歸方程中可以看出，土壤最大硝化速率與肥熱耦合效應呈正相關，這說明雖然施氮量對Kmax的影響在方程中表現為不顯著，但對最大硝化速率的影響仍表現為正相關。

2.5 土壤硝化作用延遲期td的肥熱耦合效應

硝化作用延遲期為硝化細菌適應新的環境，進入最大速率階段提供了有力保障。延遲期td可由公式(1)最大斜率直線外推與橫坐標的交點確定：

td=1/b(lnc-2)

(5)

由此導出的函數td能表征己知條件下土壤硝化作用的特征。延遲期td擬合值見表3。由表3可知，同一溫度，不同施氮條件下，硝化作用延遲期td由低施氮量至高施氮量越來越長。不同處理條件下遲緩期td變幅為1.05～3.15 d。25 ℃下不同施氮處理的td值分別為1.05、1.10和1.80d，其中以427 mg/kg施氮處理延遲期最長，這說明高施氮處理條件下底物濃度較高，使得硝化細菌生長時期較長。其余2個溫度處理也驗證了這一結論。同一施氮不同溫度處理條件下，以366 mg/kg施氮處理舉例，各溫度下的 分別為2.19、1.72、1.10 d，以25 ℃下延遲期最短，這亦表明了溫度升高有助于硝化作用的進行，其余2個施氮處理也驗證了這一結論。

表3 延遲期td擬合值Tab.3 The fitting values of period of delay

由上述可知，延遲期td在很大程度上受土壤溫度、施氮量以及它們交互作用的影響，為了全面分析硝化作用延遲期td的溫度T和施氮量N的耦合效應，采用非線性回歸和SPSS 21.0軟件進行試驗數據的處理，得出回歸方程如下：

td=-2.247+0.094T+0.017N-0.001TN

(R=0.928)

(6)

由方程(6)可知，影響延遲期td的因素有溫度、施氮量以及它們的交互作用，在本試驗水平條件下，溫度對延遲期的影響最大，且影響達顯著水平。由表3可知，施氮量一定時，溫度對延遲期的影響表現為隨著溫度的升高而降低，低施氮量時由1.42 d降至1.05 d，高施氮量時由3.15 d降至1.80 d。最長延遲期發生在溫度為15 ℃和施氮量為427 mg/kg時，達3.15 d，最短的延遲期發生在溫度為25 ℃和施氮量為244 mg/kg時，僅為1.05 d。溫度一定時，高氮處理的延遲期高于低氮處理的土壤，這可能由于高氮處理的底物含量高，使得轉化過程稍有延遲。從td的回歸方程中可以看出，延遲期與溫度、施氮量的交互作用呈負相關，可能是因為高溫、高氮條件下，硝化反應迅速，使得氮源減少，導致延遲期下降。

3 結 語

(1)由本試驗可以看出，土壤硝態氮含量與溫度和施氮量密切相關。隨著培養時間的延長，土壤硝態氮累積量增加，高溫高氮處理的硝態氮累積量顯著高于低溫低氮處理。但高溫低氮處理達到平衡時間明顯小于低溫高氮處理。

(2)恒溫培養條件下土壤NO-3-N累積量呈“S”形曲線變化，應用Logistic生長曲線基本上可以定量描述NO-3-N累積量的變化，由模型所獲得的最大硝化速率Kmax和延遲期td等擬合參數可用來反映恒溫培養條件下土壤NO-3-N轉化過程的快慢。

(3)土壤最大硝化速率Kmax和延遲期td受到溫度、施氮量及其耦合效應的影響，其中溫度對最大硝化速率和延遲期的影響最為顯著，土壤在高溫高氮處理時硝化作用較強。因此，適當提高溫度和增加施氮量對土壤NO-3-N累積有促進作用。

(4)結合動力學模型和非線性回歸方程，可一次性確定出恒溫培養條件下土壤硝態氮累積量、最大硝化速率Kmax和延遲期td，為定量預報不同溫度及施肥條件下，延緩土壤NO-3-N累積提供了一個簡便的途徑。

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