植煙黃壤氮素礦化動(dòng)態(tài)模擬研究

劉青麗,任天志,李志宏*,張?jiān)瀑F,石俊雄

(1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京100081;2貴州省煙草科學(xué)研究所,貴州貴陽(yáng)550000)

土壤氮在烤煙氮素營(yíng)養(yǎng)中占有重要地位,特別是后期土壤氮素礦化量對(duì)煙葉品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用[1-2]。預(yù)測(cè)土壤供氮量,是有效管理養(yǎng)分所必需的。通過(guò)模型預(yù)測(cè)氮素供應(yīng),可以使田間的勞動(dòng)強(qiáng)度、成本等最小化,對(duì)許多研究者及管理者來(lái)說(shuō)不失為一種好的選擇。土壤氮素礦化的模型有許多,Stanford和Smith[3]通過(guò)對(duì)美國(guó) 39個(gè)土壤樣品在35℃下長(zhǎng)期培養(yǎng),擬合了一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,相關(guān)性良好。一些學(xué)者用此方程或稍加修改后描述氮礦化過(guò)程[4-7];還有些學(xué)者將土壤氮庫(kù)分為兩個(gè)或多個(gè),以指數(shù)項(xiàng)的形式描述礦化,拓展了Stanford和Smith方程。此外,一些研究認(rèn)為,N礦化也可以Parabolic方程[8-9]、直線方程或雙曲線方程[10]來(lái)擬合。鑒于環(huán)境對(duì)氮素礦化的重要影響,溫度和水分的環(huán)境模型也得到了應(yīng)用。有研究證明,溫度與水分對(duì)土壤氮礦化速率、礦化量存在明顯的正交互作用,并建立了它們之間的回歸方程。Wu等[11]利用生長(zhǎng)季節(jié)的日積溫和一階動(dòng)力學(xué)方程擬合了累積礦化氮,表明利用田間氣象數(shù)據(jù)來(lái)模擬土壤氮素礦化成為可能。但對(duì)于植煙土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)的模擬研究還較少見(jiàn)。為此,本研究通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)和田間培養(yǎng),模擬植煙黃壤有機(jī)氮礦化,為田間土壤有機(jī)氮礦化的預(yù)測(cè)及煙草氮素營(yíng)養(yǎng)的調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間礦化原位培養(yǎng)試驗(yàn)于2006年5～9月在貴州省金沙縣進(jìn)行。該縣位于貴州省西北部,畢節(jié)地區(qū)東部,地處烏蒙山脈與婁山山脈交匯處,坐落于烏江與赤水河之間。地跨東經(jīng) 105°47′～ 106°44′,北緯27°07′～ 27°46′,地勢(shì)西南高東北低。年均氣溫 12.5～16.5℃,年日照時(shí)數(shù)平均1098 h,年無(wú)霜期平均275 d,年均降雨量1050 mm。屬北亞熱帶溫濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,冬無(wú)嚴(yán)寒,夏無(wú)酷暑,無(wú)霜期長(zhǎng),晝夜溫差大。雨量充沛,適宜多種作物生長(zhǎng)。本研究選擇有機(jī)質(zhì)存在差異的黃壤為供試土壤,田間試驗(yàn)土壤和室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)土壤的基本理化性狀見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)0—20 cm土層土壤基本理化性狀Table 1 Physical and chemical characteristics of the soils in 0-20 cm layer

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn) 包括溫度培養(yǎng)試驗(yàn)和溫度和水分互作試驗(yàn)兩部分。

1)溫度培養(yǎng)試驗(yàn):試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理,(1)35℃恒溫培養(yǎng)20周,2周淋洗1次,收集淋洗液(H35);(2)20℃恒溫培養(yǎng)20周,2周淋洗1次,收集淋洗液(H20);(3)變溫培養(yǎng)20周,2周更換1次溫度,溫度變化依次為5、10、15、20、25、30、35、30、25 、20℃,更換溫度的同時(shí)進(jìn)行淋洗(BW)。每個(gè)處理3次重復(fù)。淋洗液用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Foss sampler)測(cè)定其NH+4-N和NO-3-N含量。

試驗(yàn)采用Stanford和Smith的間歇淋洗好氣培養(yǎng)法[3]。具體操作步驟:稱取 15.0 g風(fēng)干土(?2 mm)和等量石英砂(￠1～2 mm),加少量蒸餾水(3 mL左右),濕潤(rùn)后充分混勻,然后轉(zhuǎn)入60 mL塑料注射器中(底部預(yù)裝有玻璃珠和20 g石英砂,上墊一層玻璃絲),上鋪少量玻璃絲和20 g石英砂。用100 mL 0.01 mol/L CaCl2溶液分4次淋洗土壤,淋洗后加入25 mL無(wú)氮營(yíng)養(yǎng)液(0.002 mol/L CaSO4·2H2O、0.002 mol/L MgSO4、0.005mol/L Ca(H2PO4)2、0.0025 mol/L K2SO4的混合液),蓋橡膠塞,在60mmHg柱的負(fù)壓下抽去多余營(yíng)養(yǎng)液(約1 h),用Parafilm封口膜(此膜具有透氣不透水的特性)包扎頂端,并在其上扎3個(gè)小孔,保持良好通氣,培養(yǎng)期間用重量法維持水分。每隔2周淋洗并收集淋洗液,用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Foss sampler)測(cè)定其NH4+-N和NO3--N含量。

2)溫度和水分互作試驗(yàn):設(shè)8個(gè)土壤含水量水平(風(fēng)干土 、7%、13%、20%、27%、33%、40%、53%)與 7 個(gè)溫度水平(5、15、20、25、30、35、40℃),共 63 個(gè)處理,3次重復(fù)。具體步驟:稱取15.0 g風(fēng)干土(￠2 mm),放入50 mL小燒杯中,稱取9份,然后分加入0、1、2、3、4、5、6、7、8 mL 的蒸餾水,攪拌均勻并用Parafilm封口膜將燒杯口封上。每種土壤含水量樣品分別放置在7個(gè)溫度水平下培養(yǎng)2周。培養(yǎng)完成后將土壤樣品轉(zhuǎn)移至200 mL三角瓶中,加入150 mL的0.01 mol/L CaCl2溶液,振蕩 1 h(200～ 220 r/min),用定性濾紙過(guò)濾后用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Foss sampler)測(cè)定濾液中NH4+-N和NO3--N含量。

1.2.2 田間原位培養(yǎng)試驗(yàn) 選擇兩塊有機(jī)質(zhì)含量不同的植煙土壤(G、D)。每塊試驗(yàn)田設(shè)3個(gè)重復(fù),分別在煙草移栽后0、7 、14、21、35、49、63、77、91、105、119 d取樣。每次取3個(gè)點(diǎn)的混合樣(0—30 cm),分成2份,1份用0.01 mol/L的CaCl2溶液浸提后,測(cè)定NH4+-N和NO3--N;1份土樣裝入封口袋中,選擇取過(guò)土樣的位置,埋于0—30 cm(15 cm)土層中,用塑料軟管保持封口袋與外界通氣。培養(yǎng)1或2周后取出封口袋,放置于冰盒中將樣品帶回浸提,供無(wú)機(jī)氮測(cè)定。同時(shí)采樣并進(jìn)行下一輪的培養(yǎng)。

土壤有機(jī)氮礦化速率(mg/kg,wk)=1周的土壤氮素礦化量;

田間土壤有機(jī)氮礦化量(mg/kg)=培養(yǎng)前土壤無(wú)機(jī)氮量(NH4+-N和NO3--N)-培養(yǎng)后土壤無(wú)機(jī)氮量;

土壤含水量(%,烘干基)=(水分質(zhì)量/烘干土質(zhì)量)×100;

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS16.0軟件進(jìn)行相關(guān)及顯著性檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)分折。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度模式下土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)及模型選擇

2.1.1 不同溫度模式下土壤氮素礦化動(dòng)態(tài) 不同溫度模式培養(yǎng)下,土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)差異顯著。在H35模式培養(yǎng)下,土壤氮素礦化初始速率最高,而后急劇下降,56 d后礦化速率基本平穩(wěn),呈波動(dòng)式變化。在H20條件下,土壤氮素礦化在培養(yǎng)初期有一個(gè)礦化速率上升的過(guò)程,而后開(kāi)始下降,下降的速度較H35緩慢,98 d后下降幅度變得平緩,且培養(yǎng)28 d后礦化速率開(kāi)始高于H35。在變溫模式(BW)下,隨著溫度梯度的上升,礦化速率呈現(xiàn)波動(dòng)上升,溫度降低時(shí),礦化速率迅速下降(圖1A)?？梢?jiàn),變溫條件下,不同時(shí)間的土壤有機(jī)氮礦化速率即使是在相同溫度也是有差異的。

圖1B看出,3種溫度模式培養(yǎng)下的礦化氮累計(jì)曲線差異顯著。恒溫培養(yǎng)的42 d內(nèi),H35的累計(jì)礦化氮高于H20,56 d后H20的累計(jì)礦化氮反而超過(guò)H35。BW的累計(jì)動(dòng)態(tài)與恒溫培養(yǎng)下差異較大,70 d內(nèi),累計(jì)礦化氮小于恒溫培養(yǎng),70 d后,累計(jì)礦化氮顯著高于恒溫培養(yǎng)。經(jīng)過(guò)140 d的好氣培養(yǎng),H20的礦化量是H35的1.14倍,說(shuō)明雖然H35下土壤起始礦化速率最高,但溫度升高并不能增加土壤長(zhǎng)期的礦化量;變溫與恒溫的礦化動(dòng)態(tài)相比較,雖然兩者都出現(xiàn)了礦化速率高峰,且H35高于BW,但是BW的平均礦化速率高于H20和H35,BW的140 d礦化量,分別是H35、H20的 1.36、1.55倍。表明溫度的變化有利于土壤氮素礦化。因此,在預(yù)測(cè)土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)時(shí)需要區(qū)別對(duì)待。

2.1.2 不同溫度模式下土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)的模擬

本研究采用了(1)一階動(dòng)力學(xué)模型;(2)Parabolic經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?(3)有效積溫模型來(lái)擬合不同溫度模式培養(yǎng)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。3種模型分別為:

圖1 不同溫度模式下土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)Fig.1 The dynamics of soil mineralization under various incubations

式中:k為一階相對(duì)礦化速率常數(shù),N0為有機(jī)氮礦化勢(shì),Nt為礦化量,t為時(shí)間;

式中:Nt為礦化量,A、B為常數(shù),t為時(shí)間;

式中:N為氮素礦化量,k為速率常數(shù),T0為基點(diǎn)溫度,T為主土壤溫度(℃),n為參數(shù)。

圖2表明,3種模型對(duì)H35過(guò)程擬合結(jié)果顯示,Parabolic模型及有效積溫的模型擬合結(jié)果較一階動(dòng)力學(xué)模型好,前兩者的判定系數(shù) R2為0.992、殘差為55.2;而后者的判定系數(shù)、殘差分別為0.983、109.8。對(duì)H20的累計(jì)動(dòng)態(tài)擬合以一階動(dòng)力學(xué)為最好(R2=0.992,殘差=122.4)。BW與前兩者不同,以積溫模型的擬合效果最好(R2=0.996,殘差=174.1),其次為Parabolic模型(R2=0.975,殘差=988.6),一級(jí)動(dòng)力學(xué)模(R2=0.974,殘差=1019.3)的擬合效果最差。因此在變溫條件下的土壤有機(jī)氮的礦化過(guò)程描述以選用有效積溫模型為好。

圖2 礦化氮累積動(dòng)態(tài)模擬Fig.2 The simulation on cumulative dynamics of nitrogen mineralized

2.2 土壤含水量對(duì)土壤氮素礦化的影響及模型構(gòu)建

Myers等[12]以加拿大、澳大利亞的土壤樣品為基礎(chǔ)建立一個(gè)較簡(jiǎn)單但實(shí)用的土壤氮素礦化的水分效應(yīng)函數(shù):f(θ)=(θ-θ0)/(θmax-θ0)(θ0為4.0 MPa時(shí)的土壤含水量,θmax為最大氮礦化時(shí)的土壤含水量)。此函數(shù)反映了土壤氮素礦化與土壤水分含量的線性關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn),在不同溫度水平下,土壤氮素礦化對(duì)土壤含水量呈顯著的非線性關(guān)系。圖3A看出,土壤含水量在0～40%范圍內(nèi),土壤含水量與土壤有機(jī)氮礦化量呈顯著正相關(guān),土壤含水量大于40%,礦化量呈下降趨勢(shì)。因此,本研究在Mayers等建立的水分效應(yīng)函數(shù)基礎(chǔ)上做了改動(dòng),即:采用方程(4)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果顯示模擬值與觀測(cè)之間顯著相關(guān)(R2=0.966)(圖3B)。

式中:θ為土壤含水量,θmax為最大礦化時(shí)的土壤含水量),k為常數(shù)。

2.3 田間土壤氮素礦化模型構(gòu)建

基于上述礦化與溫度、水分的關(guān)系,本研究中采用有效積溫模型及方程(4)的組合函數(shù)(5)來(lái)模擬溫度、土壤含水量不斷變化下田間土壤礦化氮的累積動(dòng)態(tài)。

式中:k、m、n為常數(shù);θ為土壤含水量 ;θmax為最大礦化速率時(shí)土壤含水量;T為溫度,為礦化的起點(diǎn)溫度。

2.4 田間土壤氮素礦化模型驗(yàn)證

2.4.1 煙草生長(zhǎng)期間土壤累積動(dòng)態(tài)及影響因子煙草生長(zhǎng)期間日均溫和土壤含水量不斷變化(圖4),影響了土壤微生物活性,致使土壤氮素礦化也出現(xiàn)了較大的波動(dòng)(圖5)。1～5周礦化緩慢,3周時(shí)還出現(xiàn)了凈固定(或凈固持),6～13周礦化迅速增加,14～17周由于溫度及土壤含水量的急劇下降,土壤氮素礦化量迅速下降。兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的礦化動(dòng)態(tài)類似,但從凈礦化氮的累積動(dòng)態(tài)可以看出,G點(diǎn)的礦化量遠(yuǎn)高于D點(diǎn),這可能是由于有機(jī)質(zhì)含量差異造成的。試驗(yàn)點(diǎn)土壤凈礦化氮的累積曲線與變溫下的礦化曲線類似(見(jiàn)圖6觀測(cè)值),且田間條件下土壤水量是不斷變化的,因此采用方程(5)擬合田間土壤礦化氮累積動(dòng)態(tài)。

圖3 溫度和土壤含水量交互作用下土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)及其模擬Fig.3 The dynamics and simulation of soil nitrogen mineralization under interaction between temperature and soil water content

圖4 煙草生長(zhǎng)期間土壤含水量和日均溫度Fig.4 Soil water content and daily average temperature during the growth of tobacco

2.4.2 方程參數(shù)的確定 根據(jù)溫度與土壤含水量互作試驗(yàn)的結(jié)果,黃壤最大礦化時(shí)的土壤含水量為40.0%;從環(huán)境數(shù)據(jù)與土壤氮素礦化數(shù)據(jù)的對(duì)比中可以看出,田間土壤氮素產(chǎn)生凈礦化的有效溫度較室內(nèi)培養(yǎng)高,15℃為產(chǎn)生凈礦化氮的基點(diǎn)溫度。因此在采用方程(5)擬合田間礦化氮累積動(dòng)態(tài)時(shí),其參數(shù)分別為:θ為取樣時(shí)土壤含水量;θmax為40%;T為田間原位培養(yǎng)期間的日均溫度;T0為15℃。

圖5 煙草生長(zhǎng)期間土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)Fig.5 The dynamics of soil nitrogen mineralization during the growth of tobacco

圖6 田間土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)及其模擬Fig.6 The dynamics and its simulation of soil nitrogen mineralization in fields

2.4.3 模擬結(jié)果 由方程(5)擬合田間G、D土壤礦化氮累積動(dòng)態(tài),擬合結(jié)果(圖6)看出,G土壤上,礦化氮擬合值與觀測(cè)值具有較好的一致性,回歸關(guān)系極顯著,回歸方程解釋了觀測(cè)值99.0%的變異;D試驗(yàn)點(diǎn)上,礦化氮擬合值與觀測(cè)值也具有較好的一致性,回歸關(guān)系極顯著,回歸方程解釋了觀測(cè)值95.9%的變異,表明方程對(duì)數(shù)據(jù)的擬合程度非常好。由方程(5)模擬礦化速率動(dòng)態(tài)時(shí),效果并不理想。因?yàn)?由方程(5)擬合的礦化值均為正值,不能顯示土壤礦化氮產(chǎn)生的凈固持作用。

3 討論

溫度和土壤含水量的變化在土壤氮素礦化預(yù)測(cè)中應(yīng)予以考慮。本研究中發(fā)現(xiàn),變溫下的土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)與恒溫條件下的土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)顯著不同,礦化速率隨著溫度的改變,呈波動(dòng)式變化。與以往的恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)相比,變動(dòng)溫度的培養(yǎng)更有利于反應(yīng)大田條件下土壤氮素礦化。Sierra[13]的研究表明,日溫度的波動(dòng)在很大程度上影響了土壤氮素的礦化,但在日溫差較小(27.1～33.2℃)的地區(qū)可以利用日均溫估算土壤氮素礦化。本研究采用了日均溫作為田間礦化模擬參數(shù),田間日溫度變化對(duì)土壤氮素礦化的影響還有待于進(jìn)一步研究。由于變化溫度的順序?qū)ΦV化總量沒(méi)有影響[14],因此在本試驗(yàn)中沒(méi)有予以考慮。

土壤累積礦化氮與有效積溫密切相關(guān)。如本研究看出,變溫條件下土壤礦化氮累積動(dòng)態(tài)以積溫模型擬合效果最好。Wu等[11]通過(guò)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述了土壤累積礦化氮與有效積溫的關(guān)系;Dharmakeerthi等[15]也報(bào)道了累積礦化氮與有效積溫的非線性關(guān)系。但在描述土壤累積礦化氮與有效積溫的關(guān)系時(shí),不同研究采用的模型有所不同,這可能與試驗(yàn)田的環(huán)境條件和土壤類型有關(guān)。因此,Kay等[16]研究認(rèn)為,綜合積溫、累積降雨量等氣象數(shù)據(jù)有效預(yù)測(cè)土壤氮素礦化有可行性。

通過(guò)有效積溫與土壤含水量可以有效預(yù)測(cè)土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)。本試驗(yàn)看出,在兩者的相互影響下,礦化對(duì)溫度和水分均呈非線性反應(yīng),并據(jù)此建立了它們之間的回歸方程(5)。這與以往的研究結(jié)果相一致,但采用的參數(shù)及函數(shù)有所不同。Goncalves等[17]對(duì)不同溫濕度組合的土壤樣品進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng),并擬合了方程(6),其預(yù)測(cè)值解釋了觀測(cè)值95%的變異。

Nmin=1/[a+b(M-c)]+d(礦化對(duì)水分的反應(yīng));

Nmin=exp(a1+b1T)(礦化對(duì)溫度的反應(yīng));

式中:a=1/(asymptotic maximum Nmin-d);M為相對(duì)土壤含水量;d為asymptotic minimum Nmin;c為常數(shù),是Logistic曲線的拐點(diǎn);a1、b1為常數(shù);T為溫度;A為常數(shù);MF、TF分別為溫度、水分方程。

Sierra[18]利用土壤原核培養(yǎng)的方法,研究了溫濕度對(duì)礦化的共同作用,礦化與土壤溫濕度的關(guān)系如方程(7)(R2=0.972)。

式中:m、n、p、Q10為常數(shù),Φ為水勢(shì),T為絕對(duì)溫度。

O’Connell等[19]利用溫濕雙因素組合方程(8)預(yù)測(cè)了澳大利亞?wèn)|南部三個(gè)桉樹(shù)種植園土壤氮素礦化,預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值顯著相關(guān)(R2=0.97)。盡管模型與此受到各種限制因素,但是它被認(rèn)為是評(píng)估土壤氮素礦化的最好方法。

式中:a、b、c為常數(shù),Ti為溫度,Mi為充水空隙百分比,ki為不同土壤層次的度量因子。

本研究中,模型評(píng)估僅在有限的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行。最新的一些研究表明,土壤氮素礦化具有很強(qiáng)的空間變異性,這些變異可能因不同的有機(jī)氮庫(kù)和水熱條件而不同,即各因子的作用都是最終通過(guò)對(duì)可礦化氮庫(kù)的大小、質(zhì)量以及環(huán)境因子的改變來(lái)影響氮礦化。表明溫度、水分等因子的重要影響外,土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)氮素礦化也起到了舉足輕重的作用。因此,土壤肥力與土壤氮素礦化動(dòng)態(tài)的關(guān)系值得進(jìn)一步研究。

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