基于15N 示蹤技術的鹽漬土壤氮素轉化模擬

洪明海，嚴 濤，劉 輝，魏文杰，汪仕偉，王興建，馮楚橋

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

土壤鹽漬化是干旱半干旱地區農業發展的主要限制因素［1］。我國鹽漬土總面積超過1 億hm2，廣泛分布在西北、華北、東北以及沿海地區，其中西北內陸地區鹽漬化耕地面積占總耕地面積的15%［2］。在一定的鹽度范圍內，施加氮肥能夠有效緩解鹽分對作物生長的不利影響，提高作物產量［3］。曾文治等［4］通過田間實驗發現增施氮肥可提高鹽漬地區向日葵對氮肥的利用率，得出河套灌區135 kg/hm2是較合理的施氮水平。

土壤氮素轉化研究是作物估產、環境評價、農田管理、農業相關政策和鹽堿地治理措施的重要依據，由于各氮素參與的反應過程受到土壤水分［5］、鹽分［6］、溫度、微生物活動［7］、通氣等眾多因素影響，監測困難。因此，建立氮素轉化數值模型成為十分有效的研究手段［8，9］。最早出現基于單個土壤氮循環過程方面的報道是1954 年Kirkham 和Bartholomew［10］考慮了礦化氮和有機氮，從解析方程上進行分析計算，1955 年他們又對模型的假設進行了修正［11］。60多年來，基于Kirkham 和Bartholomew 的研究出現了大量的土壤氮循環模型［12-15］。1973 年Stanford 和Smith［16］提出了氮素礦化的一階動力學反應模型，Myrold 和Tiedje［15］首次采用數值方法計算了氮的總轉化速率，Wessel 和Tietema［17］同時考慮了銨態氮和硝態氮的同化，氮的礦化硝化過程，建立了新的概念模型；1998年Marry等［14］人采用同位素氮示蹤的方法開展裸土實驗，開發了FLUAZ 土壤氮轉化模型，從機理上較系統地分析了土壤中存在的主要氮素轉化過程并在后續的實驗中得到驗證，得到了非常廣泛的應用；2004 年Muller等［13］人指出FLUAZ模型并不能模擬土壤氮素動態轉化，分別對草原土壤采用標記同位素搜集數據，開發了氮素示蹤模型［13，18］，2005 年Jesper Luxhoi［19，20］認為Muller 的數值模型無法同時求解9個過程，并對該模型的部分轉化過程產生質疑；為了進一步完善模型的求解過程，2007 年Muller 等人結合馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機采樣算法優化模型的求解參數過程［21，22］，提高了氮素總轉化速率的計算個數和精度，使土壤氮的總轉化速率計算更加接近真實情形。2013 年Inselsbacher 等［12］人考慮了作物對土壤中氮素的吸收開發了新一代的氮素示蹤模型，分析和驗證了土壤氮循環中存在的14個轉化過程。

盡管已有的研究反映了氮素轉化的部分規律，推動了土壤氮素轉化的研究，但是一方面，解析模型在推導過程中并未考慮同位素標記氮的再礦化或反硝化再次回到標記氮庫的影響，難以用于計算發生這一轉化過程之后（時間難以確定）的氮素轉化率；另一方面，現有的氮素轉化模型多在非鹽漬土地區獲得，不同地區對土壤氮素轉化的過程不全相同，因此對于鹽漬土壤氮素轉化過程的數值模擬方法還有待進一步的驗證和完善。

1 實驗與方法

1.1 研究區概況及實驗土樣

研究區位于內蒙古河套灌區五原縣永聯實驗基地（108°00'16.14″E，41°04'11.57″N）。該地區海拔約為1 030 m，地處黃河北岸，是河套灌區主要的鹽漬土分布區。供試土樣選取研究區鹽分含量較低的沙壤土（ECe=2.01 dS/m，S1），其pH 值為8.71～8.80，呈弱堿性，容重為1.35 g/cm3；土壤中交換性鈣、鎂、鐵3 種元素含量較高（44.44、8.03、12.46 cmol/kg），鉀、鈉元素則較少（0.39、2.02 cmol/kg），總氮、總碳分別為0.7、20.3 g/kg，含量最多的是碳元素，為2.03%，此外，土樣中銨態氮、硝態氮（亞硝態氮）的分別為3.66 mg/kg和33.92 mg/kg。

1.2 鹽分設置和處理

實驗以基礎土樣的鹽度值為基本處理（S1），其飽和浸提電導率值ECe為2.01 dS/m為S1處理，根據基礎土樣中的交換性鉀、鈉、鈣、鎂等的含量，添加硫酸鉀（K2SO4）、硫酸鎂（MgSO4）、碳酸鈉（Na2CO3）、碳酸氫鈉（NaHCO3）、氯化鈣（CaCl2）5 種鹽分以形成6 個不同的鹽度值（S1：ECe=2.01 dS/m，S2：ECe=6 dS/m，S3：ECe=12 dS/m，S4：ECe=16 dS/m，S5：ECe=20 dS/m，S6：ECe=25 dS/m），其所對應的各鹽度的添加值如表1所示。

表1 鹽分設置情況Tab.1 Setting of salt

培養容器直徑5 cm，高10 cm 的圓柱形有機玻璃容器，每個填土高度為3 cm。各培養容器中以每克干土對應7.14 μmol N的比例添加3 種不同15N 標記的硝酸銨，其中標記15N 的原子百分數（atom %）分別為15NH4NO3：10.12、NH415NO3：10.18 和15NH415NO3：10.18。

1.3 實驗步驟

（1）土樣預處理。取土，稱取約80 g 相應鹽分水平的土，曬干、磨碎、過2 mm篩，按照質量含水量為25%添加約20 mL去離子水，充分混勻后封口放入培養箱培養24 h。

（2）填土培養。將培養土填裝進Φ5×10 cm 的培養容器，土裝3 cm 高，按照7.14 μmol/g 分3層（0.5、1.5、2.5 cm）用注射器添加同位素氮。

（3）取樣。依次在4、24、72、144、288 h（12 d）5 個時間點取樣，同時測定取樣時培養箱中的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境變量參數。

（4）氮素浸提。對以上各時間點取出的培養容器9 個（3 個硝酸銨標記各3個），按照土水比1∶5用高純度2 mol/L KCl 溶液浸提氮素，將濾液調轉移到離心管（10～12 mL）送檢。

2 氮素轉化模型

2.1 同位素稀釋原理

同位素稀釋法是測定土壤中氮素轉化速率最重要的方法之一［23］。其基本原理為：某一形態的氮庫用15N 標記后，當未標記的其他形態的氮轉化為該標記狀態的氮素時，此時，標記態的氮素15N 總量不變，而標記狀態的氮總量增大，這樣就形成分子不變，分母增大，從而導致標記態的氮素15N 被稀釋；當標記狀態的氮素向其他形態的氮素轉化時，其14N 和15N 被利用的情況是等可能性的，因此這一轉化過程被標記狀態的14N 和15N 同時下降；綜上，標記狀態的14N 增加的同時15N 在減少，因此形成了標記狀態的同位素15N 被稀釋，結合氮庫的含量變化即可計算土壤氮素的總轉化速率。

根據同位素稀釋原理，可得總礦化速率m、總同化速率i如式（1）、（2）：

當i＜m和i=m時，也可推導出相應的總礦化速率和總同化速率計算公式［10，11］。

2.2 一階動力學方程

根據同位素稀釋原理以及質量守恒有：

式中：A、A14、A15、N、N14、N15、Norg、14Norg、15Norg、Nnit、14Nnit、15Nnit分別表示銨態氮庫、硝態氮庫、有機氮庫及亞硝態氮庫的總量、14態氮的量以及15 態氮的量（mg/kg）；m、h、v、n1、ia、d1、d2、n2、d0、in分別表示礦化速率、異養硝化速率、氨揮發速率、第一階段硝化速率、銨態氮同化速率、異化還原為銨第二階段速率、反硝化第二階段速率、硝化第二階段速率、反硝化或者異化還原為銨第一階段速率、硝態氮同化速率［mg/（kg·h）］，按照式（12）計算，其中α、β、θ、γ為對應的15N/（14N+15N）的比值。

大量研究表明土壤氮素轉化過程可以通過一階或者零階動力學方程進行描述［13，14，24］，但是Muller等人建議，在對超過兩個數據點的長時間計算和模擬中一階動力學方程是比較合適的選擇［13］，Watson等［25］也證明了采用零階方程會低估土壤氮素轉化過程中NO3-的消耗量，因此本文均假設各個過程滿足一階動力學方程，則有：

式中：Km、Kh、Kv、Kn1、Kia、Kd1、Kd2、Kn2、Kd0、Kin分別為對應速率的一階動力學常數，也即是所有的一階動力學常數k隨時間不變，速率僅和氮庫的狀態量有關。

2.3 模型及初始化參數

因此，最終考慮10個轉化過程的模型如圖1所示。

圖1 氮素轉化模型Fig.1 Nitrogen transformation model

數據的輸入分別為3 種標記的銨態氮和硝態氮（包括14N和15N），具體的參數值請參見表2，模型的建立是利用Matlab R2017b軟件編程完成。

表2 初始的14N和15N輸入 mg/kgTab.2 Initial input 14N and 15N

3 結果與分析

不同標記和不同鹽分的銨態氮和硝態氮觀測值和模擬值的如圖2所示。4幅圖中，其決定系數R2均大于0.5，說明模型模擬值和觀測值相關性程度高，而S2銨態氮（14N+15N 和15N）的觀測值和模擬值、S4（15NH4NO3）硝態氮（14N+15N 和15N）的觀測值和模擬值其決定系數均大于0.9，表明模型反映的觀測值和模擬值之間的離散程度很小，效果好；其中，銨態氮（15N）的觀測值和模擬值的擬合相關性系數達0.91。從圖2中的所展示的納什系數來看，它們均大于0，說明模型可以接受［26，27］，且圖2（d）的納什系數更是達到了0.71，表明該模型對于S4鹽分處理硝態氮的模擬效果很好。偏差Bias為模擬值與觀測值的偏差程度，大的偏差值表明模擬值沒有很好地逼近觀測值，模擬效果差，圖2（a）～（d）的偏差依次為-3.46、-0.48、-0.53和1.39。

圖2 銨態氮和硝態氮觀測值和模擬值結果比較Fig.2 Comparison of observed and simulated values of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen

S6鹽分處理的3 種標記的15N 含量與14N+15N 含量的比值如圖3 所示。4 個比值中，α 最小，該比值不僅取決于其15N 的含量，還和總的有機氮含量有關，如添加15NH415NO3標記的土樣，銨態氮和硝態氮通過銨同化過程和硝同化過程轉化為帶標記的有機氮（即15Norg），因此有機氮庫中15Norg的含量逐漸上升。同時，有機氮也通過礦化（再礦化）和異養硝化過程轉化為銨氮和硝氮消耗有機氮庫未標記的有機氮，根據同位素等可能性原則，有機氮庫中的14N 和15N 的消耗比例是相同的，且有機氮庫的14Norg含量（其初值為532 mg/kg）大于15Norg含量（初始含量為0 mg/kg），因此14Norg的含量下降肯定大于15Norg含量的下降，這樣α比值的分子增大，分母減小，引起α增大［圖3（a）～（c）］；又因為有機氮庫中的14Norg含量都比其他3個氮庫中的14N含量多，銨氮庫最初的含量為59.45 mg/kg，僅為有機氮庫的11.18%，亞硝氮庫最初的含量為112 mg/kg，為有機氮庫的21.05%，硝氮庫最初的含量為89.71 mg/kg，占有機氮庫的16.86%，且銨態氮和硝態氮還在不斷轉化為有機氮，因此α始終最小，15NH4NO3標記土樣α的最大值為288 h時的0.07%。

圖3 S6氮庫15N與14N+15N的比值變化Fig.3 Changes in the ratio of 15N to 14N +15N in S6 nitrogen pool

同樣，其他3 個氮庫的參數β、θ、γ的變化也類似，如添加NH415NO3標記土樣中的γ，實驗開始后硝態氮庫中標記態的氮（15NO3-）通過反硝化、硝氮同化以及異化還原為銨等過程轉化為其他形態氮素離開硝氮庫，使15NO3-含量減小，另一方面，其他形態氮素通過硝化、異養硝化等過程不斷轉化進入硝態氮庫，但其他氮庫中均不含標記氮（15N），結合氮同位素等可能性原則這樣引起硝氮庫中的14NO3-含量增加，就形成分子減小，分目增大導致γ不斷減小，因此，氮庫中15N 含量與14N+15N 含量的比值變化關系很好地解釋了同位素稀釋原理。

氮素轉化速率是反映土壤中氮素轉化過程的實際速率，圖4 是本研究的10 個不同一階動力學常數與鹽分之間的擬合曲線及相關性，雖然氨揮發過程受到鹽分的促進作用，但是其一階動力學常數和鹽分之間的擬合關系的決定系數R2并不高，只有0.36，可能的原因是氨揮發過程不僅受到鹽分的影響，同時也和其他本研究沒有涉及的因素存在很大的關系；而除了氨揮發的一階動力學常數之外，其余9 個一階動力學常數和鹽分之間的擬合曲線的R2均在0.65 以上，表明鹽分和一階動力學常數之間均有較好的擬合關系。其中，硝化作用第二階段的一階動力學常數Kn2和鹽分之間呈負相關關系，其擬合決定系數R20.98是所有擬合關系中最高的，觀測值和擬合曲線之間也很貼近，其誤差限Δ平均值為0.017，Kn2和鹽分的關系可以通過公式Kn2=39.59（lnS）2-244.27 lnS+393.86確定。

圖4 一階動力學常數和鹽分的擬合關系Fig.4 Fitting relationship between first order kinetic constant and salinity

4 結論

以內蒙古河套灌區鹽漬土為研究對象，采用同位素標記法開展室內培養實驗，基于同位素稀釋原理和一階動力學方程建立了包含氨揮發v、反硝化第一階段或異化還原為銨第一階段d0、異化還原為銨第二階段d1、反硝化第二階段d2、礦化m、硝化第一階段n1、硝化第二階段n2、銨態氮同化ia、硝態氮同化in、異養硝化h等10 個土壤氮素轉化過程的模型。通過初始化模型參數和調試，使模型較好地反映了同位素稀釋原理以及鹽漬土壤氮素轉化的各過程，較好地模擬了實驗觀測值的趨勢變化，且對于標記的和未標記的銨態氮和硝態氮均得到了較優的評價結果。