肥熱耦合條件下土壤硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化及其動(dòng)力學(xué)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(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004)

氮素是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一，氮肥的合理施用在農(nóng)業(yè)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(dá)到預(yù)期的增產(chǎn)效果。主要是因?yàn)榈卦谕寥乐校菀缀屯寥腊l(fā)生其他反應(yīng)，作物還沒(méi)有吸收，養(yǎng)分揮發(fā)、淋溶和隨徑流流失，對(duì)環(huán)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(zhuǎn)化成NH+4、NO-2、NO-3、NH3、N2、N2O等多種形態(tài)，其中NO-3是植物利用氮素的主要形態(tài)，但是因?yàn)镹O-3不容易被土壤膠體吸附，一旦過(guò)量的施用氮肥，NO-3就會(huì)淋失，造成環(huán)境污染[3-5]。許多研究表明，長(zhǎng)時(shí)間過(guò)量施用氮肥，會(huì)使硝態(tài)氮在土壤中大量累積，并且硝態(tài)氮累積量與施氮量之間的關(guān)系呈極顯著正相關(guān)[6]。Sabey等發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮含量的變化曲線隨時(shí)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(jí)動(dòng)力學(xué)方程和一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述硝態(tài)氮累積量隨時(shí)間的變化過(guò)程，但擬合效果較差[8]。近年來(lái)，對(duì)農(nóng)田土壤中硝態(tài)氮累積的研究較多[9,10]，但是在不同溫度和不同施肥處理?xiàng)l件下對(duì)NO-3-N的時(shí)間動(dòng)態(tài)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(duì)象，采用不同溫度和不同施肥處理下土壤硝態(tài)氮含量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，運(yùn)用Logistic生長(zhǎng)曲線來(lái)定量描述土壤硝態(tài)氮隨時(shí)間的轉(zhuǎn)化過(guò)程，為定量預(yù)報(bào)不同溫度及施肥條件下，延緩?fù)寥繬O-3-N累積提供了理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為山西省太谷縣有代表性的果園土壤，取土?xí)r去除枯枝落葉，為盡可能減少土壤本底值對(duì)試驗(yàn)的干擾，取土深度為30～200 cm，將各深度土壤混合均勻，過(guò)2 mm篩備用。其質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用室內(nèi)培養(yǎng)法，進(jìn)行不同溫度、施肥量間的土壤尿素轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，施肥量設(shè)3個(gè)水平，包括0.08、0.12、0.14 g碾磨過(guò)篩(<1 mm)的尿素，分別相當(dāng)于244、366、427 mg/kg的施氮水平，培養(yǎng)溫度設(shè)3個(gè)水平，分別為15、20和25 ℃，共9個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)NO-3為了消除土壤中原有氮素對(duì) 的干擾，另設(shè)置無(wú)尿素對(duì)照組，同樣重復(fù)3次。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程與方法

稱取151 g碾磨過(guò)篩(<2 mm)的風(fēng)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(diào)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(yǎng)箱中培養(yǎng)，每隔2 d對(duì)恒溫培養(yǎng)箱中的樣品進(jìn)行隨機(jī)排列，以減少箱內(nèi)溫度分布不均導(dǎo)致的干擾，并進(jìn)行適當(dāng)通風(fēng)，然后采用稱重法補(bǔ)充培養(yǎng)過(guò)程中損失的水分。在某一培養(yǎng)溫度下，4個(gè)不同施肥量的土壤同時(shí)培養(yǎng)，并在培養(yǎng)到設(shè)計(jì)天數(shù)(開始培養(yǎng)后的奇數(shù)天)后，每次從培養(yǎng)柜中取出12個(gè)燒杯(每個(gè)施肥量各3個(gè))，進(jìn)行采樣。采樣時(shí)將燒杯內(nèi)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(fù)式振蕩器振蕩30 min后靜置過(guò)濾，取一定量的濾液，采用德國(guó)產(chǎn)AA3連續(xù)性流動(dòng)分析儀進(jìn)行硝態(tài)氮含量的測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007軟件整理統(tǒng)計(jì)后，采用SPSS 21.0進(jìn)行回歸分析和顯著性、相關(guān)性分析。Logistic動(dòng)力學(xué)模型的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)為R檢驗(yàn)，顯著性檢驗(yàn)為F檢驗(yàn)，變量的顯著性和相關(guān)分析作T檢驗(yàn)。繪圖由Excel 2007軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥條件下土壤硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化特征

尿素施入土壤后，通過(guò)水解生成NH+4-N，并進(jìn)一步通過(guò)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(shí)，各施氮處理硝態(tài)氮含量的變化曲線見(jiàn)圖1。轉(zhuǎn)化初始階段，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，硝態(tài)氮含量緩慢上升，曲線比較平緩，而后轉(zhuǎn)化速率顯著提高，硝態(tài)氮含量增加明顯，最后趨于平緩，基本保持穩(wěn)定，表明尿素水解產(chǎn)生的NH+4-N已向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化完畢。各處理中以244 mg/kg施氮水平達(dá)到平衡所需時(shí)間最短，大約為33 d后保持基本不變；427 mg/kg施氮水平達(dá)到平衡所需時(shí)間最長(zhǎng)，約為51 d。為確保研究條件一致且轉(zhuǎn)化達(dá)到充分平衡，后續(xù)試驗(yàn)中選擇平衡時(shí)間為55 d。同一反應(yīng)時(shí)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(shuō)明硝態(tài)氮含量隨氮肥含量的增大而增大。55 d時(shí)，427 mg/kg施氮水平下硝態(tài)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(chǎn)生的NH+4-N不斷向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，使得施肥量高的處理，硝態(tài)氮含量也高。20和25 ℃時(shí)，硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)與15 ℃時(shí)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(dá)到平衡所需時(shí)間與15 ℃時(shí)有較大差異，20 ℃時(shí)，各處理(從低氮處理至高氮處理)達(dá)到平衡所需時(shí)間分別為21、25和27 d，其對(duì)應(yīng)的最大累積量分別為1.140、1.356和1.466 mg/kg，說(shuō)明隨著施氮量的增加，達(dá)到平衡所需時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，最大累積量也越來(lái)越高。這是由于高氮處理的底物含量高，轉(zhuǎn)化時(shí)間偏長(zhǎng)，較晚達(dá)到平衡。25 ℃時(shí)，244 mg/kg施氮處理達(dá)到平衡時(shí)間為19 d，時(shí)間最短，427 mg/kg施氮處理達(dá)到平衡時(shí)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(tài)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(tài)氮轉(zhuǎn)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(dāng)施氮水平為244 mg/kg時(shí)，各溫度處理硝態(tài)氮含量的變化趨勢(shì)可以分為3個(gè)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(dá)到平衡所需時(shí)間分別為33、21和19 d，其對(duì)應(yīng)的最大累積量分別為1.014、1.140和1.307 mg/kg，可見(jiàn)隨著溫度的上升，達(dá)到平衡所需時(shí)間越來(lái)越短，而最大累積量越來(lái)越高。這說(shuō)明高溫有助于硝化作用的進(jìn)行，并且能夠使硝化作用進(jìn)行得更加徹底，從而使25 ℃處理達(dá)到平衡所需時(shí)間較短且硝態(tài)氮累積量較高。施氮量為366 mg/kg和427 mg/kg時(shí)，各溫度處理硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)與244 mg/kg處理大致相同。366 mg/kg施氮水平時(shí)，25 ℃處理達(dá)到平衡時(shí)間為21d，時(shí)間最短；15 ℃處理達(dá)到平衡時(shí)間為45 d；20 ℃處理居中，為25 d。其對(duì)應(yīng)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(shí)，各處理(從低溫至高溫)達(dá)到平衡所需時(shí)間分別為51、27和23 d，其對(duì)應(yīng)的最大累積量分別為1.328、1.466和1.615 mg/kg。達(dá)到平衡時(shí)25℃處理的硝態(tài)氮累積量約是15 ℃時(shí)的1.2倍。

結(jié)合圖1、圖2可知，各溫度、施氮處理之間最大累積量和達(dá)到平衡所需時(shí)間有較大差異，由上述分析可知，高溫高氮處理時(shí)的最大累積量約是低溫低氮處理時(shí)的1.5倍。最早達(dá)到平衡時(shí)間的是溫度為25 ℃和施氮量為244 mg/kg時(shí)，為19 d；最晚達(dá)到平衡時(shí)間的是溫度為15 ℃和施氮量為427 mg/kg時(shí)，達(dá)51 d，高溫低氮處理明顯小于低溫高氮處理的平衡時(shí)間。這說(shuō)明了高溫處理有助于硝化作用的進(jìn)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(yīng)。

圖2 不同溫度條件下土壤硝態(tài)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(tài)氮轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型模擬及統(tǒng)計(jì)特征值

土壤NO-3-N累積量的總體趨勢(shì)是隨施氮量、溫度的上升而逐漸上升，從試驗(yàn)結(jié)果看，土壤中硝態(tài)氮累積速率呈“S”形曲線變化(圖1、圖2)，表現(xiàn)出遲緩階段、最大速率階段和停滯階段。利用SPSS 21.0對(duì)其進(jìn)行Logistic生長(zhǎng)曲線的擬合發(fā)現(xiàn)，曲線擬合度較好。在以往的研究中，許多學(xué)者也應(yīng)用該生長(zhǎng)曲線較好地描述了土壤硝態(tài)氮的動(dòng)力學(xué)特性，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特征分析，所以為了確定土壤NO-3-N含量的變化規(guī)律，引用Logistic生長(zhǎng)曲線表示“S”形曲線：

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

(1)

式中：N0為硝態(tài)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(shù)，可通過(guò)曲線回歸求得；t為試驗(yàn)培養(yǎng)時(shí)間，d。

由模型擬合的各參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，各組別的相關(guān)系數(shù)R均為0.897～0.927，F(xiàn)值均在107以上，達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，所以上述Logistic動(dòng)力學(xué)模型能夠定量描述室內(nèi)恒溫培養(yǎng)條件下的土壤硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程。

表1 Logistic動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)及統(tǒng)計(jì)特征值Tab.1 Dynamic model parameters and statistical characteristic values of Logistic

注：R表示擬合值與實(shí)測(cè)值之間線性相關(guān)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(yàn)，P<0.01，表示差異性顯著，F(xiàn)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(yīng)

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(jī)制，有助于分析土壤氮速的轉(zhuǎn)化速率和土壤硝化作用特征。因此對(duì)公式(1)進(jìn)行求導(dǎo)，可得硝化速率為：

(2)

Sabey等(1959年)報(bào)道，當(dāng)銨態(tài)氮濃度不是硝化作用反應(yīng)速率限制因子時(shí)，硝化作用的最大速率依賴于土壤性質(zhì)，對(duì)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(jiàn)表2。由表2可知，不同處理?xiàng)l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(qiáng)，說(shuō)明高施氮量有助于硝化作用的進(jìn)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?xiàng)l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(qiáng)，表明溫度升高亦有助于硝化作用的進(jìn)行，其余2個(gè)施氮處理也驗(yàn)證了這一結(jié)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(xì)菌活性較低，且低施氮處理不能提供給硝化細(xì)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(qiáng)弱，亦即顯示出溫度和施肥對(duì)硝化作用綜合影響的結(jié)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(nèi)恒溫培養(yǎng)條件下土壤硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的溫度T和施氮量N的耦合效應(yīng)，以最大硝化速率Kmax作為考察目標(biāo)，采用非線性回歸和SPSS 21.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，去掉不顯著項(xiàng)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(nèi)恒溫培養(yǎng)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(shù)最大，說(shuō)明溫度對(duì)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(shí)，以施氮量427 mg/kg的Kmax最高。溫度對(duì)土壤最大硝化速率的影響表現(xiàn)為低氮處理的最大硝化速率 最低出現(xiàn)在15 ℃條件下，高氮處理的最大硝化速率 最低也出現(xiàn)在15 ℃條件下。一般認(rèn)為，硝化作用最適宜的溫度是25～35 ℃，當(dāng)土壤溫度太低時(shí)，會(huì)抑制硝化作用。溫度能激發(fā)硝化細(xì)菌的活性，當(dāng)溫度在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)逐漸升高時(shí)，最大硝化速率的總趨勢(shì)也逐漸增加，溫度為25 ℃時(shí)的最大硝化速率大約是15 ℃時(shí)的1.25倍。在本試驗(yàn)中除了土壤溫度對(duì)最大硝化速率有影響外，溫度與施氮量的耦合效應(yīng)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(yīng)呈正相關(guān)，這說(shuō)明雖然施氮量對(duì)Kmax的影響在方程中表現(xiàn)為不顯著，但對(duì)最大硝化速率的影響仍表現(xiàn)為正相關(guān)。

2.5 土壤硝化作用延遲期td的肥熱耦合效應(yīng)

硝化作用延遲期為硝化細(xì)菌適應(yīng)新的環(huán)境，進(jìn)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(biāo)的交點(diǎn)確定：

td=1/b(lnc-2)

(5)

由此導(dǎo)出的函數(shù)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(jiàn)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(lái)越長(zhǎng)。不同處理?xiàng)l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(zhǎng)，這說(shuō)明高施氮處理?xiàng)l件下底物濃度較高，使得硝化細(xì)菌生長(zhǎng)時(shí)期較長(zhǎng)。其余2個(gè)溫度處理也驗(yàn)證了這一結(jié)論。同一施氮不同溫度處理?xiàng)l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(jìn)行，其余2個(gè)施氮處理也驗(yàn)證了這一結(jié)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(yīng)，采用非線性回歸和SPSS 21.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yàn)水平條件下，溫度對(duì)延遲期的影響最大，且影響達(dá)顯著水平。由表3可知，施氮量一定時(shí)，溫度對(duì)延遲期的影響表現(xiàn)為隨著溫度的升高而降低，低施氮量時(shí)由1.42 d降至1.05 d，高施氮量時(shí)由3.15 d降至1.80 d。最長(zhǎng)延遲期發(fā)生在溫度為15 ℃和施氮量為427 mg/kg時(shí)，達(dá)3.15 d，最短的延遲期發(fā)生在溫度為25 ℃和施氮量為244 mg/kg時(shí)，僅為1.05 d。溫度一定時(shí)，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(zhuǎn)化過(guò)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(fù)相關(guān)，可能是因?yàn)楦邷?、高氮條件下，硝化反應(yīng)迅速，使得氮源減少，導(dǎo)致延遲期下降。

3 結(jié) 語(yǔ)

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

(2)恒溫培養(yǎng)條件下土壤NO-3-N累積量呈“S”形曲線變化，應(yīng)用Logistic生長(zhǎng)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(shù)可用來(lái)反映恒溫培養(yǎng)條件下土壤NO-3-N轉(zhuǎn)化過(guò)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(yīng)的影響，其中溫度對(duì)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(shí)硝化作用較強(qiáng)。因此，適當(dāng)提高溫度和增加施氮量對(duì)土壤NO-3-N累積有促進(jìn)作用。

(4)結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型和非線性回歸方程，可一次性確定出恒溫培養(yǎng)條件下土壤硝態(tài)氮累積量、最大硝化速率Kmax和延遲期td，為定量預(yù)報(bào)不同溫度及施肥條件下，延緩?fù)寥繬O-3-N累積提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的途徑。

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