鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化的試驗研究

洪明海，胡貴芳，敬 娜，馮楚橋

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550002；2.貴州大學(xué) 土木學(xué)院，貴陽 550025；3.貴陽市云巖區(qū)水務(wù)管理局，貴陽 550001)

1 概 述

土壤鹽漬化是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要限制因素[1]。我國鹽漬土總面積超過1×108hm2，廣泛分布在西北、華北、東北以及沿海地區(qū)，其中西北內(nèi)陸地區(qū)鹽漬化耕地面積占總耕地面積的15%[2-3]。施肥，尤其是增施氮肥是保證鹽漬土地區(qū)糧食產(chǎn)量的重要措施。在一定的鹽度范圍內(nèi)，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(chǎn)量[4]。但是，大量施入氮肥并不能促進作物的持續(xù)增產(chǎn)[5]。Semir等[6]也指出過量施氮會造成浪費，應(yīng)該根據(jù)土壤的鹽度來合理確定施氮量。過高的土壤鹽分會降低土壤相關(guān)酶的活性，抑制氮素的礦化和硝化過程，甚至促進氨的揮發(fā)，降低土壤中無機態(tài)氮的含量，造成作物缺氮。

大量的研究也表明，鹽漬土中過高的鹽分不僅會導(dǎo)致土壤物理化學(xué)性質(zhì)的惡化、孔隙度降低[7]、肥力下降、改變作物的滲透勢[8]、引起生理干旱，從而抑制作物對水分和養(yǎng)分的吸收，還會影響氮素的轉(zhuǎn)化速率，進而影響施入氮肥的有效性。此外，過量施入氮肥還可能會造成次生鹽漬化、農(nóng)業(yè)面源污染等環(huán)境問題。

通常認為，土壤中鹽分能夠抑制氮素轉(zhuǎn)化過程[9]，造成作物缺氮。曾文治等[10]的研究表明，鹽分對氮素總硝化反應(yīng)速率的影響存在臨界值，酸性土壤和堿性土壤的臨界值分別為4.93 和 5.52 dS·m-1。但是有研究表明，氮素轉(zhuǎn)化的抑制作用只是在一定范圍內(nèi)有效并且是短暫的[11]。如李建兵、黃冠華[12]研究中的設(shè)計土壤鹽分濃度上限僅為2.5%，發(fā)現(xiàn)土壤礦化和硝化反應(yīng)勢均隨(NaCl)含量的增加而降低。Pathak、 Rao[13]將實驗設(shè)計的土壤鹽分上限確定為5.1%時發(fā)現(xiàn)，土壤氮素礦化對鹽分的響應(yīng)存在閾值(70 dS·m-1)，即當溶液電導(dǎo)率小于70 dS·m-1時，土壤中銨態(tài)氮因為氮素的礦化不斷積累；大于70 dS·m-1后，銨態(tài)氮累積降低。室內(nèi)培養(yǎng)法結(jié)合同位素稀釋技術(shù)，可以計算出土壤氮素轉(zhuǎn)化不同中間過程(如礦化過程、反硝化過程、微生物的同化過程和氨揮發(fā)等過程)的轉(zhuǎn)化速率[14-15]。如李玉中等[16]通過同位素稀釋方法，計算羊草草地土壤氮總礦化速率和總硝化速率。蘭婷等[17]采用15N同位素稀釋法，研究了水稻土的氮總礦化速率。另一類反映氮素轉(zhuǎn)化的實驗方法是原位培養(yǎng)法，即在研究地點用PVC 管取原狀土，一部分帶回實驗室分析，另一部分重新埋入土壤繼續(xù)培養(yǎng)一段時間后再取出，通過計算培養(yǎng)前后的氮素變化來反映氮素的轉(zhuǎn)化過程[18-19]，與室內(nèi)培養(yǎng)法相比，原位培養(yǎng)法更加接近田間的“實際狀態(tài)”。

本文以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽漬土為研究對象，精確控制土壤水分、鹽分、溫度等環(huán)境因素，采用15N同位素稀釋法開展土壤氮素轉(zhuǎn)化室內(nèi)培養(yǎng)實驗，分析研究土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中的總無機氮、氮素凈轉(zhuǎn)化速率，定量分析鹽漬土壤中不同形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化規(guī)律。

2 材料與方法

2.1 實驗土壤

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)五原縣永聯(lián)實驗基地(E108°00′16.14″，N41°04′11.57″)。該地區(qū)海拔約為1 030 m，地處黃河北岸，是河套灌區(qū)主要的鹽漬土分布區(qū)。供試土樣選取研究區(qū)鹽分含量較低的沙壤土(ECe=2.01 dS·m-1，S1)，pH值8.71～8.80，呈弱堿性，容重為1.35 g·cm-3；土壤中交換性鈣、鎂、鐵3種元素的含量均較高(44.44 、8.03 、12.46 cmol·kg-1)，鉀、鈉元素則較少(0.39 、2.02 cmol·kg-1)，總氮、總碳分別為0.7、20.3 g·kg-1，含量最多的是碳元素，為2.03%。此外，土樣中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮(亞硝態(tài)氮)分別為3.66和33.92 mg·N·kg-1。

2.2 土樣處理和實驗步驟

2.2.1 土樣處理

實驗以基礎(chǔ)土樣的鹽度值為基本處理(S1)，其飽和浸提電導(dǎo)率值ECe為2.01 dS·m-1為S1處理，根據(jù)基礎(chǔ)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-1；S2∶ECe=6 dS·m-1；S3∶ECe=12 dS·m-1；S4∶ECe=16 dS·m-1；S5∶ECe=20 dS·m-1；S6∶ECe=25 dS·m-1)。培養(yǎng)容器為直徑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(yǎng)容器中，以每克干土對應(yīng)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(shù)(atom %)分別為15NH4NO3：10.12、NH415NO3：10.18和15NH415NO3：10.18。

2.2.2 實驗步驟

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

2)填土培養(yǎng)。將培養(yǎng)土填裝進Φ5×10 cm的培養(yǎng)容器，土裝3cm高，按照7.14 μmol·g-1分3層(0.5、1.5、2.5cm)用注射器添加同位素氮。

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

4)氮素浸提。對以上各時間點取出的培養(yǎng)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(diào)轉(zhuǎn)移到離心管(10～12ml)送檢。

3 結(jié)果與分析

3.1 總無機氮

實驗過程中，6個鹽分處理的總無機氮(Ninorg)和標記15N同位素的無機氮(15Ninorg)含量隨時間的變化規(guī)律見圖1。整個培養(yǎng)期內(nèi)，6個鹽分的Ninorg以及15Ninorg均隨著實驗時間的增加而下降。雙標記(添加15NH415NO3的土樣)的15Ninorg含量相比于單標記(添加15NH4NO3和NH415NO3的土樣)的15Ninorg含量在初始時的添加量就不同，單標記的15Ninorg初始時的添加量基本一致(5.42和5.45 mg·N·kg-1)，雙標記的15Ninorg最開始的添加量為10.9 mg·N·kg-1，約為單標記的2倍，因此需要對兩個單標記的進行對比分析。具體而言，添加15NH4NO3和NH415NO3的土樣，初始時刻15Ninorg的添加基本一致，但是實驗開始后各觀測時間點上，4、24、72、144、288 h添加NH415NO3的15Ninorg的含量低于添加15NH4NO3的15Ninorg的含量，見圖1(a)-圖1(f)。這主要是因為添加標記的15NH4NO3和NH415NO3土樣中的銨根在實驗過程中，除了向硝酸根發(fā)生轉(zhuǎn)化外，也在向其它形態(tài)的氮發(fā)生轉(zhuǎn)化；與銨根類似，硝酸根在向銨根發(fā)生轉(zhuǎn)化的過程中，也存在向其它形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化，并且硝酸根向其它形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化量大于銨根向其它形態(tài)氮的轉(zhuǎn)化量。Muller等[20]的研究表明，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在轉(zhuǎn)化過程中會轉(zhuǎn)化為有機氮，同時銨態(tài)氮和硝態(tài)氮還會轉(zhuǎn)化為非活躍態(tài)的氮暫時儲存。Mary等[21]指出銨態(tài)氮會通過銨態(tài)氮同化作用轉(zhuǎn)化為微生物量氮，通過氨揮發(fā)作用離開土壤，而硝態(tài)氮則通過硝態(tài)氮同化作用轉(zhuǎn)化為微生物量氮，通過反硝化作用形成N2O和N2等氣體離開硝態(tài)氮庫。

同時，本研究發(fā)現(xiàn)在添加NH415NO3的土樣培養(yǎng)過程中，15Ninorg的含量變化受土壤鹽分的影響。如在S1中，15Ninorg的含量先降低再增加然后降低，見圖1(a)。S1-4 h的15Ninorg的含量為0.23 mg·N·kg-1，小于初始時刻的(5.45 mg·N·kg-1)，然后15Ninorg的含量開始上升，S1-24 h含量為0.34 mg·N·kg-1、S1-72 h的含量為1.48 mg·N·kg-1，之后開始下降，S1-144 h含量為0.33 mg·N·kg-1、S1-288 h含量為0.32 mg·N·kg-1。而在S5中，15Ninorg的含量先降低再增加，見圖1(e)。在4和24 h時，其15Ninorg含量都在下降，分別為0.27、0.26 mg·N·kg-1，之后逐漸上升， S5-72 h含量為0.28 mg·N·kg-1、S5-144 h含量為0.33 mg·N·kg-1、S5-288 h含量為1.04 mg·N·kg-1。因此，在實驗期內(nèi)，土壤中的Ninorg和15Ninorg與其它形態(tài)氮素發(fā)生轉(zhuǎn)化；某個時段，其它形態(tài)的氮素向無機氮的轉(zhuǎn)化量大于無機氮向其它形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化量。

綜上，整個實驗過程中，土壤中進行著強烈的氮素轉(zhuǎn)化過程，相比最初的添加量，隨著反應(yīng)的進行，Ninorg含量和15Ninorg的含量在不斷減少，表明無機氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)向其他形態(tài)的氮發(fā)生了轉(zhuǎn)化，或為有機氮，或為生物量氮，或者在反應(yīng)中發(fā)生氨揮發(fā)和反硝化作用形成氣態(tài)氮損失掉。同時，在0～4 h的轉(zhuǎn)化速率大于其它時間段的轉(zhuǎn)化速率。另外，從對比添加15NH4NO3和添加NH415NO3的土樣中的15Ninorg，15Ninorg的含量培養(yǎng)過程中會在某個時間段升高，然后再降低。同時，本研究發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮向其它氮素形態(tài)的轉(zhuǎn)化速率小于硝態(tài)氮向其它形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化速率。

圖1 無機氮的變化規(guī)律(折線：左軸，Ninorg；柱狀：右軸，15Ninorg；a-f：S1-S6)

圖2為15NH4NO3中14NH4+和14NO3-隨時間的變化。由圖2可知，288h的培養(yǎng)過程中，3種同位素標記處理(15NH4NO3、NH415NO3、15NH415NO3)的土壤中的銨態(tài)氮(14NH4+、15NH4+)和硝態(tài)氮(14NO3-、15NO3-)較最初(t=0)時總的銨態(tài)氮(15NH4NO3：54 mg·N·kg-1；NH415NO3：53.64 mg·N·kg-1；15NH415NO3：54 mg·N·kg-1)和硝態(tài)氮(15NH4NO3：83.9 mg·N·kg-1；NH415NO3：84.26 mg·N·kg-1；15NH415NO3：84.26 mg·N·kg-1)均在降低。表明氮素在土壤轉(zhuǎn)化過程中，除了銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形態(tài)之外，還存在向其它形式的轉(zhuǎn)化，或為NH3、NO、NO2、有機氮等形態(tài)。

圖2 15NH4NO3中14NH4+和14NO3-隨時間的變化

3.2 氮素凈轉(zhuǎn)化速率

土壤氮素轉(zhuǎn)化速率一般分為凈轉(zhuǎn)化速率和總轉(zhuǎn)化速率。凈轉(zhuǎn)化速率(net transformation rate)是單位時間內(nèi)被轉(zhuǎn)化的氮形態(tài)含量凈下降或者轉(zhuǎn)化生成的氮形態(tài)凈增加量；總轉(zhuǎn)化速率(gross transformation rate)是指土壤中的氮從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)的實際轉(zhuǎn)化率。一種氮形態(tài)的轉(zhuǎn)化有多種輸出和輸入，因此土壤中各種形態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率是控制其總轉(zhuǎn)化速率的綜合結(jié)果[22]。本實驗中，銨態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率計算公式按照式(1)計算，硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率按照式(2)計算，凈礦化速率按照(3)式計算[17]。

(1)

(2)

(3)

實驗過程中，6個鹽分的凈轉(zhuǎn)化速率隨時間的變化見圖3。0～4 h時間段內(nèi)，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率絕對值均大于之后時間段的凈轉(zhuǎn)化速率絕對值，(圖3)。S2鹽分處理添加15NH4NO3標記土樣0～4 h時間段內(nèi)銨態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率為-3.39 mg·N·kg-1·h-1，硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率為-18.35 mg·N·kg-1·h-1，硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率的絕對值大于銨態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率絕對值(圖3b)，表明在這個時間段硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化比銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化強烈； 4～24 h時間段，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率均為正值(0.18和0.17 mg·N·kg-1·h-1)，表明其它形態(tài)的氮均在向銨態(tài)氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，因此銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量較上一時段末期(t=4 h)均在增大；24～72 h時間段內(nèi)，銨態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率為-0.39 mg·N·kg-1·h-1，硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率為-0.27 mg·N·kg-1·h-1，相比上一時段二者的含量均在下降；72～144 h時間段，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量繼續(xù)下降，其凈轉(zhuǎn)化速率分別為-0.06和-0.01 mg·N·kg-1·h-1； 144～288 h時間段內(nèi)，其銨態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率為-0.01 mg·N·kg-1·h-1，硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率為0.003 mg·N·kg-1·h-1，該速率絕對值小于0～4h時間段的凈轉(zhuǎn)化速率的絕對值(圖3)。總的來說，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率絕對值均是在0～4 h時間段最大，一般在144～288 h時間段的凈轉(zhuǎn)化速率最小。如S2鹽分處理添加15NH4NO3標記的土樣在144～288 h時間段的銨態(tài)氮凈轉(zhuǎn)化速率僅為0～4 h時間段的0.31%，硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率則在72～144 h時間段達最小值，約為0～4 h時間段的0.04%，0～4 h時間段內(nèi)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化最為活躍。

圖3 凈轉(zhuǎn)化速率

圖4 凈礦化速率

根據(jù)公式，凈礦化速率是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮與上一時刻之差同時間的比值，客觀反映了土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨時間的轉(zhuǎn)化快慢。當凈礦速率為負值時，表明土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量較上一時刻減少；反之，則表明銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量在增加。實驗過程中，6個鹽分3個標記的凈礦化速率變化情況見圖4。與凈轉(zhuǎn)化速率相類似，凈礦化速率在0～4 h時間段的絕對值大于其它時間段的凈礦化速率絕對值(圖4)。如S5標記NH415NO3的土樣0～4 h時間段的凈礦化速率為-19.63 mg·N·kg-1·h-1(圖4e)，表明這一時間段銨態(tài)氮和硝態(tài)氮向其它形態(tài)氮大量轉(zhuǎn)化，且其絕對值大于其它4個時間段(4～24 h：-0.43 mg·N·kg-1·h-1，24～72 h:0.08 mg·N·kg-1·h-1，72～144 h：-0.08 mg·N·kg-1·h-1，144～288 h：-0.06 mg·N·kg-1·h-1)，其中，在144～288 h時間段，其凈礦化速率最小，約為4～24 h時間段的0.3%。同樣，在24～72 h，其礦化速率為正值，表明銨態(tài)氮和硝態(tài)氮總含量在增加。此外，本研究發(fā)現(xiàn)3種不同標記(15NH4NO3、NH415NO3、15NH415NO3)的土樣凈礦化速率的趨勢是一致的(圖4)。如S5鹽分處理的3個標記在0～4 h時間段的凈礦化速率依次為-18.38、-19.63和-18.94 mg·N·kg-1·h-1，其相對偏差為3.17%、3.4%和0.23%。同時，在24～72 h時間段，三者的凈礦化速率均為正值(0.09、0.08和0.16 mg·N·kg-1·h-1)，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量相對上一時段末均在上升(圖4e)。

4 結(jié) 論

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的整理分析，結(jié)論如下：

1)整個實驗期內(nèi)，土壤中的總無機氮Ninorg(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)含量和標記15N同位素的無機氮(15Ninorg)含量均在下降，除銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間的相互轉(zhuǎn)化，還發(fā)生著銨態(tài)氮和硝態(tài)氮向其它形態(tài)氮素轉(zhuǎn)化過程。同時，土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率絕對值在0～4 h時段最大，在144～288 h時間段最小。

4)6個鹽分的凈轉(zhuǎn)化速率隨時間的變化中，硝態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率的絕對值大于銨態(tài)氮的凈轉(zhuǎn)化速率絕對值，表明在這個時間段硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化比銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化強烈，3種不同標記(15NH4NO3、NH415NO3、15NH415NO3)的土樣的凈礦化速率的趨勢是一致的。