農(nóng)田土壤氮礦化研究進(jìn)展

王 偉，于興修，劉 航，漢 強(qiáng)

(湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430062)

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農(nóng)田土壤氮礦化研究進(jìn)展

王 偉，于興修，劉 航，漢 強(qiáng)

(湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430062)

農(nóng)田；氮素；礦化

土壤氮礦化對土壤氮循環(huán)和農(nóng)業(yè)非點源污染的發(fā)生機(jī)理具有重要影響，是相關(guān)領(lǐng)域研究的重點?，F(xiàn)有研究表明：土壤水熱條件、土壤理化性質(zhì)和農(nóng)田管理措施是影響農(nóng)田土壤氮礦化的關(guān)鍵因素；實驗室培養(yǎng)和田間原位培養(yǎng)是揭示土壤氮礦化過程的主要途徑，其中田間原位培養(yǎng)因能客觀反映土壤氮礦化條件而受到越來越多的關(guān)注；動力學(xué)模型、環(huán)境效應(yīng)模型和機(jī)理模型是定量研究土壤氮礦化的主要方法。結(jié)合我國研究實際，今后可加強(qiáng)土壤氮礦化過程對比、土壤氮礦化的田間原位培養(yǎng)試驗、土壤氮礦化的水環(huán)境效應(yīng)和特殊天氣條件下的土壤氮礦化研究。

1 土壤氮礦化的影響因素

1.1 水熱條件對土壤氮礦化的影響

1.1.1 土壤含水量

土壤含水量對土壤氮的礦化量和礦化速率均有重要影響。已有研究顯示，土壤氮礦化量和氮礦化速率與其含水量在一定閾值范圍內(nèi)呈正反饋作用。土壤含水量較低，會限制土壤微生物的生長，抑制土壤氮礦化；而土壤含水量較高，嫌氣的土壤環(huán)境反硝化作用較強(qiáng)，可降低土壤氮礦化速率。如Stanford等[3]研究發(fā)現(xiàn)土壤氮礦化量隨土壤水勢升高而顯著增加，當(dāng)土壤水勢在-1.5～-0.03 MPa之間時，兩者呈線性相關(guān)，土壤氮礦化的最佳土壤水勢范圍為-0.03～-0.01 MPa；國內(nèi)也有學(xué)者研究了不同利用類型土壤氮礦化的最佳含水量[4]。

1.1.2 土壤溫度

土壤溫度是影響土壤氮礦化量和礦化速率的重要環(huán)境因子之一。土壤溫度與土壤微生物活性密切相關(guān)，溫度較低，硝化細(xì)菌的硝化功能受阻；溫度較高，土壤的反硝化作用增強(qiáng)，將氮素反硝化為N2O和N2，不利于土壤氮礦化。土壤溫度與土壤氮礦化量、礦化速率在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系，且存在最適溫度。在-4～40 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，土壤氮礦化量和礦化速率增大[3]。當(dāng)土壤含水量適宜時，20～25 ℃是最佳礦化的溫度范圍[5]，不同利用類型土壤氮礦化的最適溫度范圍也有差異[6]。5～35 ℃范圍內(nèi)，在總積溫相同的情況下，溫度的波動狀況對氮礦化總量影響較小[7]。土壤溫度對土壤氮礦化過程也有一定影響，有研究表明，與30 ℃培養(yǎng)條件相比，10 ℃培養(yǎng)條件下土壤氮礦化過程達(dá)到穩(wěn)定所需時間較長，氮礦化量和礦化速率較低；但在培養(yǎng)后期10 ℃培養(yǎng)條件下的礦化速率較30 ℃培養(yǎng)條件下高[8]。

溫度的季節(jié)變化對土壤氮礦化具有較大影響。夏秋季節(jié)氣溫高，降雨較豐富，土壤微生物大量繁殖，土壤氮礦化速率高；冬春季節(jié)氣溫低，土壤含水量較低，抑制了土壤微生物活性，土壤氮素以固持為主[9]。不同海拔梯度和土壤深度的溫度差異可導(dǎo)致土壤氮礦化的變化。如王斌等[10]對賀蘭山不同海拔土壤氮礦化進(jìn)行對比研究后發(fā)現(xiàn)，土壤氮礦化速率在高海拔(2 940 m)處最高,在中海拔(2 100 m)處最低，之后又隨海拔的降低而有所上升。傅民杰等[11]研究表明，隨著土層的加深，礦化速率降低，表層土壤(5 cm)溫度顯著影響礦化速率，而深層土壤(10 cm)溫度對礦化速率影響不顯著。

1.1.3 水熱交互作用

土壤含水量和溫度通過交互作用對土壤氮礦化產(chǎn)生影響。溫度4～35 ℃、含水量15%～35%范圍內(nèi)，以35 ℃、35%含水量條件下土壤氮礦化量最高，二者有明顯的交互作用[7]。石薇等[12]研究發(fā)現(xiàn)，35 ℃和60%含水量條件下土壤氮礦化速率最高，5 ℃和20%含水量條件下土壤氮礦化速率最低。土壤含水量和土壤溫度對土壤氮礦化的交互作用在不同土層有不同表現(xiàn)：0～30 cm土層，水分的作用突出；而30～60和60～90 cm土層，溫度的作用比水分突出[13]。

1.2 土壤理化性質(zhì)對土壤氮礦化的影響

土壤質(zhì)地通過干擾好氧菌(或黏粒)與有機(jī)質(zhì)的結(jié)合而對氮礦化量和礦化速率產(chǎn)生影響。細(xì)質(zhì)土壤比粗質(zhì)土壤能固定更多的碳和氮，因此礦化速率較高。由于砂土中微生物生物量碳和氮高于壤土和黏土，因此砂土的氮礦化量較黏土和壤土高[14]。土壤結(jié)構(gòu)通過影響水熱交換和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的積累影響土壤氮礦化。我國太湖流域土質(zhì)疏松、結(jié)構(gòu)性好的水稻土氮礦化速率明顯高于土塊僵硬、結(jié)構(gòu)性差的水稻土[15]。土壤團(tuán)聚體的大小和穩(wěn)定性對土壤氮礦化也有影響。團(tuán)聚體越小，穩(wěn)定性越弱，土壤有機(jī)質(zhì)越容易被微生物分解，從而對土壤氮礦化產(chǎn)生影響[16]。

有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量對土壤微生物生物量和活性有直接影響。Updegraff等[17]研究表明，相對較小片段和不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)庫對溫度、含水量或其他因子的敏感度要比大片段和難降解的有機(jī)質(zhì)庫高，因此有機(jī)質(zhì)庫的片段大小和穩(wěn)定性往往會導(dǎo)致土壤氮礦化的不同。Chu等[18]研究顯示，土壤氮礦化勢與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。pH值大小不僅影響土壤有機(jī)質(zhì)的可溶性，而且為土壤微生物活動提供富含C、N基團(tuán)的物質(zhì)。有研究認(rèn)為，土壤pH值升高，會促進(jìn)土壤氮礦化，特別是硝化作用會隨著pH值的增加而呈線性增加[19]；也有研究認(rèn)為，pH值與土壤氮礦化速率沒有相關(guān)性[10]。土壤C/N反映了土壤有機(jī)物質(zhì)的分解程度，是土壤微生物正常代謝的必需養(yǎng)分。較高的C/N說明土壤含有較高的C輸入，可增加土壤微生物生物量，使土壤中的部分銨態(tài)氮被固持，降低土壤氮礦化速率[20]。

1.3 農(nóng)田管理模式對土壤氮礦化的影響

種植不同作物對無機(jī)氮的需求具有差異性，土壤氮礦化會受其影響。另外，不同作物的生物特性(如葉面積指數(shù)、生物量等)以及受其影響的土壤溫度、含水量和土壤理化性質(zhì)也會對土壤氮礦化產(chǎn)生作用。與林地土壤相比，農(nóng)田土壤受耕作等因素的影響而具有較高的pH值和較低的土壤C/N，土壤氮礦化速率較高[21]。也有研究認(rèn)為，林地土壤中含有大量的枯枝落葉，具有較高的有機(jī)質(zhì)積累量和C/N，對土壤氮礦化具有抑制作用；而農(nóng)田土壤受施肥等因素的影響會降低土壤C/N，加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解，促進(jìn)土壤氮礦化[22]；菜地土壤的礦化量和礦化率均高于旱作糧地土壤，而低于水田土壤[23]。

耕作可改變土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松緊程度等土壤性質(zhì)，從而對土壤氮礦化產(chǎn)生影響。Pandey等[1]研究顯示，常規(guī)耕作處理的土壤礦化速率明顯高于長期免耕、少耕和短期免耕處理。耕作不僅能改變土壤結(jié)構(gòu)，使土壤保持較高的通氣性，而且能降低雜草對土壤的覆蓋，增強(qiáng)太陽輻射，提高土壤溫度，有利于土壤氮礦化。不同的耕作措施對土壤水熱環(huán)境、理化性質(zhì)的影響有差異。深松可打破土壤犁底層，改變土壤的通氣環(huán)境，提高土壤蓄水能力，配合包膜尿素能夠顯著增強(qiáng)土壤酶活性，提高土壤氮礦化速率[24]。壟作免耕能夠提高土壤全氮和堿解氮的含量，增加土壤可礦化氮庫，促進(jìn)土壤氮礦化[25]。

施肥具有激發(fā)效應(yīng)，既能增加土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和活性，又對土壤pH值和C/N有顯著影響，可豐富土壤可礦化氮的數(shù)量和微生物生物量。與化肥相比，施有機(jī)肥更有利于促進(jìn)土壤氮礦化，原因可能與施有機(jī)肥可降低土壤C/N、增強(qiáng)土壤微生物活性有關(guān)[26]。施肥對不同土層土壤氮礦化的影響有差異。有研究顯示，施有機(jī)肥處理表層(0～20 cm)土壤氮礦化量高于施化肥，而施化肥處理20～30 cm土層土壤氮礦化量高于施有機(jī)肥[8]。土壤氮礦化也會因有機(jī)肥的不同而有差異，如施加以紫花苜蓿為主要成分的有機(jī)物料對土壤氮素礦化的促進(jìn)作用顯著高于施加以長芒草為主要成分的有機(jī)物料[27]。

地膜覆蓋增溫保濕，可有效控制土壤溫度和含水量，對土壤氮礦化產(chǎn)生影響。與未覆膜土壤相比，長期的地膜覆蓋可改變土壤的水熱狀況，引起土壤中養(yǎng)分的有效性和微生物活性的變化，增加土壤氮礦化速率[28]。Zhang Hanyu等[2]研究了花生不同生長期內(nèi)覆膜對礦化的影響，結(jié)果表明全程覆膜土壤氮礦化速率顯著高于各生長期覆膜和不覆膜土壤。但也有研究認(rèn)為，長期全程覆膜會造成土壤有機(jī)質(zhì)的過分礦化，使土壤剖面中硝態(tài)氮殘留累積量顯著增加，容易通過淋溶和反硝化而損失[29]。

2 土壤氮礦化的試驗方法

2.1 實驗室培養(yǎng)方法

常用的實驗室培養(yǎng)方法有好氣培養(yǎng)法和淹水培養(yǎng)法兩種。

2.1.1 好氣培養(yǎng)法

好氣培養(yǎng)法主要用于研究旱地土壤氮素礦化過程，目前以改進(jìn)的好氣間歇淋洗培養(yǎng)法使用較為廣泛[3]。該方法具有以下特點：礦化過程較慢，能使土壤中易分解和難分解的有機(jī)氮均得到礦化[13]；在培養(yǎng)過程中需及時補(bǔ)充土壤水分，導(dǎo)致部分易分解性氮素被淋洗；只測定土壤氮的硝化量，操作較為方便，但不能準(zhǔn)確估算土壤氮礦化量。

2.1.2 淹水培養(yǎng)法

土壤氮礦化是微生物參與的過程，受氣溫、降水和微生物等多種因素的綜合影響。實驗室培養(yǎng)法僅通過控制土壤溫度和含水量對土壤氮礦化進(jìn)行模擬研究，不但忽略了微生物數(shù)量、大小、活性等對土壤氮礦化的影響，而且難以模擬自然條件與農(nóng)田管理模式(耕作、地膜覆蓋)等對土壤環(huán)境的影響，不能客觀反映土壤氮礦化特征。

2.2 田間原位培養(yǎng)法

常用的田間原位培養(yǎng)法主要有封頂埋管培養(yǎng)法和樹脂芯培養(yǎng)法。

2.2.1 封頂埋管培養(yǎng)法

封頂埋管培養(yǎng)也叫頂蓋埋管培養(yǎng)法，該方法既能避免降水對礦質(zhì)氮的淋失，又可最大限度地保持土壤原有的水熱狀況和理化性質(zhì)，能有效估算土壤氮礦化量和氮礦化速率，已在林地土壤和草地土壤上較為廣泛地應(yīng)用[9,21]。但塑料薄膜封頂使礦化管內(nèi)土壤水分和溫度不能及時與周圍土壤保持同步變化，致使測定結(jié)果的精確度降低；同時，礦化管內(nèi)狹小的空間限制了作物根系的生長，抑制作物活根系與硝化細(xì)菌間的競爭，因此可能會高估實際的硝化速率。

2.2.2 樹脂芯培養(yǎng)法

與實驗室培養(yǎng)方法相比，田間原位培養(yǎng)能客觀反映氮礦化的條件，避免實驗室內(nèi)培養(yǎng)氮礦化速率高于田間培養(yǎng)的缺點；但原位培養(yǎng)難以控制多變的礦化條件，使觀測數(shù)據(jù)的精度受到影響。

3 土壤氮礦化模型

自20世紀(jì)70年代開始建立土壤氮礦化模型以來，先后經(jīng)歷了動力學(xué)模型、環(huán)境效應(yīng)模型和機(jī)理模型3個階段。

3.1 動力學(xué)模型

動力學(xué)模型的基本思想為土壤氮礦化量是礦化時間的函數(shù)，兩者之間成正相關(guān)。1972年Stanford創(chuàng)立了一階模型[3]?；谠撃Ｐ瓦€派生出二組分模型、三組分模型、連續(xù)一階模型和混合模型等。一階模型用來模擬不同土壤類型、不同土地利用方式處理下的土壤氮礦化過程，應(yīng)用較廣泛[8]。然而，該模型只研究一個氮庫，不能完整地描述氮素礦化過程，與其他實測結(jié)果存在系統(tǒng)誤差，在培養(yǎng)開始和結(jié)束階段均低估了氮礦化量，而在培養(yǎng)期間高估了氮礦化量?；谝浑A模型來模擬土壤氮礦化速率與溫度的關(guān)系，可建立熱力學(xué)模型[31]和有效積溫模型[8]。這類模型建模所需的參數(shù)較少，易于操作，多用于熱帶、亞熱帶和濕潤地區(qū)[8]。

3.2 環(huán)境效應(yīng)模型

環(huán)境效應(yīng)模型是基于土壤氮礦化受土壤溫度、含水量、有機(jī)質(zhì)含量、土壤深度和培養(yǎng)時間等因素影響而建立的模型，主要有環(huán)境普適模型、溫度效應(yīng)模型、濕度效應(yīng)模型、土壤pH對氮礦化的效應(yīng)模型、單/多氮源礦化模型和單向/循環(huán)氮流礦化模型等[31]。這類模型涉及參數(shù)較多，實際應(yīng)用較為復(fù)雜。如：環(huán)境普適模型涉及方法多，需在特定條件下才可以運用；單/多氮源礦化模型忽略了土壤C/N對氮礦化的影響，模擬結(jié)果不夠精確。

3.3 機(jī)理模型

機(jī)理模型是基于模型設(shè)計者對有機(jī)質(zhì)分解和土壤氮礦化過程的假設(shè)和理解，模擬土壤氮素的礦化和固定過程，并盡可能地準(zhǔn)確描述和推斷這些過程，如土壤氮素礦化—固定周轉(zhuǎn)模擬的機(jī)理模型。土壤氮素礦化機(jī)理模型的建立需要大量的參數(shù)，難度較大，目前還處于探索階段[32]。

4 展 望

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對典型地區(qū)的代表性土壤類型，已經(jīng)從不同角度開展了大量有關(guān)土壤氮礦化的研究，并取得了豐碩成果，但在氮礦化過程、田間原位觀測試驗、氮礦化積累與流失之間的關(guān)系等方面的研究仍需要深入。結(jié)合我國目前在此領(lǐng)域的研究實際，未來應(yīng)著重開展以下幾個方面的研究。

4.1 土壤氮礦化過程的對比研究

準(zhǔn)確刻畫土壤氮礦化過程是深入理解土壤氮礦化機(jī)理乃至非點源氮素污染過程機(jī)理的重要基礎(chǔ)，因而在以往研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)開展不同地區(qū)的土壤氮礦化過程研究尤為必要。目前，可根據(jù)自然環(huán)境條件與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點的差異分別選擇典型區(qū)域，綜合土壤水熱耦合作用、不同耕作層及作物生長等條件，針對代表性土壤開展氮素礦化過程的對比研究。

4.2 土壤氮礦化的田間原位培養(yǎng)試驗

目前國內(nèi)氮礦化試驗方法大多是室內(nèi)控制培養(yǎng)，這與田間土壤氮礦化的實際情況有較大差異。采用原位礦化培養(yǎng)的方法，可以獲取更加接近實際的數(shù)據(jù)。在未來的研究中，應(yīng)更加重視長期田間原位培養(yǎng)試驗，定量觀測不同處理方式下土壤氮素礦化的時空動態(tài)。另外，我國幅員遼闊，土壤類型豐富且差異較大，很有必要建立以原位培養(yǎng)試驗為基礎(chǔ)的土壤氮礦化數(shù)據(jù)庫和適合各區(qū)域的土壤氮礦化模型。

4.3 土壤氮礦化的水環(huán)境效應(yīng)研究

4.4 特殊天氣條件下的土壤氮素礦化研究

氣候通過影響土壤環(huán)境(溫度和含水量等)而對土壤氮礦化產(chǎn)生重要影響，氣候變化尤其是特殊天氣會對土壤環(huán)境產(chǎn)生劇烈影響。近年來，全球氣候變化導(dǎo)致的異常天氣時有發(fā)生，深入研究特殊天氣條件下土壤氮礦化的過程，有助于準(zhǔn)確理解土壤氮的積累與流失機(jī)理。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

國家自然科學(xué)基金項目(41471227)；礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點實驗室開放基金項目(201303)

S153.6

A

1000-0941(2016)10-0067-05

王偉(1990—)，男，甘肅隴西縣人，碩士研究生，主要從事資源利用與環(huán)境效應(yīng)研究；通信作者于興修(1967—)，男，山東莒縣人，教授，博士，主要從事資源利用與環(huán)境效應(yīng)研究。

2015-11-20