5種前期水分處理下黑土氮素礦化及硝化反硝化率的變化

王婷,王連峰

(大連交通大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

5種前期水分處理下黑土氮素礦化及硝化反硝化率的變化

王婷,王連峰

(大連交通大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

室內(nèi)培育實(shí)驗(yàn)研究5種不同水分前處理下的黑土(風(fēng)干土D、保鮮土O、低水分土W1、高水分土W2、淹水土S)，在4種不同含水量條件下的礦化率、硝化率及反硝化率變化.結(jié)果顯示，5種前處理下黑土氮素礦化率、硝化率及反硝化率分別在土壤水含量為60%WHC、80%WHC和100%WHC時差異明顯.雖然在4種不同水分含量下，經(jīng)5種不同水分前處理的土壤礦化率差異不顯著，硝化率及反硝化率差異較為顯著.硝化率表現(xiàn)為W1>O>W2>S>D，反硝化率與硝化率的表現(xiàn)截然相反.這表明，土壤水分歷史對硝化反硝化有影響，而對礦化作用的影響不大，水分前處理影響土壤氮素轉(zhuǎn)化.

黑土；前期水分；礦化率；硝化率；反硝化率

0 引言

黑土作為肥沃的高產(chǎn)土壤，是我國主要的土壤資源，東北黑土區(qū)作為世界上僅有的三大黑土區(qū)之一，是我國商品糧和畜產(chǎn)品的生產(chǎn)基地[1].黑土區(qū)農(nóng)業(yè)屬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，絕大多數(shù)黑土區(qū)農(nóng)田水利灌溉措施不到位，基本上是靠天吃飯，降水量的多少決定了黑土水分狀況.而在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于水分管理模式的多樣性[2]，不同水分管理模式也會造成土壤水分歷史狀況的不同.目前，有關(guān)土壤水分因子對土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究主要集中在不同水分含量的效應(yīng)，而對水分含量的研究，通常只考慮了監(jiān)測時的土壤水分狀況，并未考慮自然原因以及管理方式會造成土壤水分歷史狀況的不同，從而造成了監(jiān)測的誤差，故應(yīng)考慮土壤歷史水分狀況.通過設(shè)置經(jīng)5種不同水分前處理的土壤，在4種不同土壤水含量的條件下，研究其礦化率、硝化率即反硝化率的差異，可為建立黑土氮素轉(zhuǎn)化的合理評價并對農(nóng)田養(yǎng)分管理和環(huán)境保護(hù)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黑土肥力長期定位監(jiān)測試驗(yàn)基地(農(nóng)業(yè)部哈爾濱黑土生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站).成土母質(zhì)為洪積黃土狀粘土，氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，其年平均氣溫3.5℃、降雨量533 mm，無霜期135天.樣品均采用的是每個小區(qū)中間位置隨機(jī)5點(diǎn)0～20 cm的耕層土壤，土樣采回后，采用常規(guī)方法處理，測定土壤理化性質(zhì),見表1.

表1 供試黑土主要理化性質(zhì)

1.2 處理方法

將采集回并除去人眼可見的植物殘?bào)w和石子后的新鮮黑土分成5大份.它們分別為：放置4℃冰箱保鮮保存的新鮮黑土(保鮮土O)、經(jīng)風(fēng)干后保存的新鮮黑土(風(fēng)干土D)、浸在去離子水中并使用保鮮膜密封防止水分蒸發(fā)的新鮮黑土(淹水土S)、將水分含量調(diào)至40%WHC并使用保鮮膜密封防止水分蒸發(fā)(低水分土W1)以及將水分含量調(diào)至80%WHC并使用保鮮膜密封防止水分蒸發(fā)的新鮮黑土(高水分土W2).將以上5份新鮮黑土經(jīng)過一個生長季處理后，將處理后的土樣快速風(fēng)干，研磨過篩備用.

1.3 測定方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并使用Origin8.0進(jìn)行繪圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 5種水分前處理對黑土氮素礦化的影響

土壤氮素礦化是微生物驅(qū)動的生物化學(xué)過程，氮素的礦化量是土壤有機(jī)氮含量、時間、生物分解性以及水熱條件等的函數(shù)[5].5種不同水分前處理后的土樣在四種不同水分含量下培育一周后礦化率的變化如圖1所示.土壤水含量為40%WHC與100%WHC時，5種前處理土樣的礦化率沒有明顯差異.在土壤水含量為80%WHC時，高水分土W2礦化率明顯低于其余四種處理土樣，礦化率為4.72%.對不同前處理礦化率響應(yīng)最明顯的為土壤水含量為60%WHC，特別是保鮮土O，礦化率達(dá)到10.4%.有研究表明，旱地土壤礦化作用進(jìn)行的最佳水分范圍在40%～70%WHC[7]，從圖1中可以看出5種水分前處理的礦化率都在40%～60%WHC時達(dá)到最大值.對比圖1中(a),(b),(c),(d)可以發(fā)現(xiàn)，在土壤水分含量為60%WHC時，5種前處理的礦化率差異明顯.雖然在四種不同水分含量下，經(jīng)5種不同水分前處理的土壤礦化率略有差異，但差異并不顯著.

圖1 5種土樣在四個不同水分含量下土壤礦化率的變化

2.2 5種前處理對黑土氮素硝化作用的影響

圖2表示了經(jīng)5種不同水分前處理后的土樣在四種不同水分含量下培育一周后硝化率的變化.經(jīng)5種不同水分前處理的土樣間的硝化活性差異很大，且不論哪種土樣，其硝化率與土壤水分含量均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要是由于水分含量在40%～60%WHC時，更利于土壤微生物的活動，而高水分條件則限制降低了硝化微生物的活性.研究發(fā)現(xiàn)，土壤進(jìn)行硝化作用主要發(fā)生在土壤水含量為60%WHC時，當(dāng)?shù)陀?0%WHC或高于70%WHC時硝化作用明顯下降[8].對比圖2(a),(b),(c),(d)可以發(fā)現(xiàn)，隨著土壤水分含量的變化，不同前處理土樣的土硝化率差異比較明顯，尤以80%WHC時差異最為顯著.5種土樣的平均硝化率大小表現(xiàn)為W1土樣>O土樣>W2土樣>S土樣>D土樣.其中，W1土樣的硝化作用都是最強(qiáng)的，硝化率維持在66.5%～79.8%之間，其次為保鮮土土樣O，硝化率范圍為37.8%～67.5%.平均硝化強(qiáng)度最弱的為S土樣，在土壤水含量為100%WHC時，其硝化率僅有2.56%.風(fēng)干過程經(jīng)常會引起土壤理化性質(zhì)的改變，土壤硝化作用對干土效應(yīng)的響應(yīng)因其利用方式而異，而影響硝化作用最主要的原因是風(fēng)干過程中土壤水分的丟失導(dǎo)致了部分滅菌作用[9].Allison等[10]研究指出，硝化細(xì)菌能夠在干土中存活3個月以上，但恢復(fù)其活性至少需要培養(yǎng)10周以上.D土樣由于長期處于風(fēng)干狀態(tài)下，使得土壤中大量的有機(jī)物礦化以及硝化細(xì)菌的死亡，進(jìn)而導(dǎo)致土壤中銨態(tài)氮含量的增加，抑制了硝化作用，降低了其土壤硝化率.對比其與除淹水土以外的其余土樣，在四種即時水分條件下，其硝化作用都相對較弱.溫度也是影響硝化作用的重要因素之一.王簾里[11]等研究表明，在一定溫度范圍內(nèi)，土壤硝化率隨培養(yǎng)溫度的升高呈上升趨勢. 由于保鮮土土樣在放入冰箱保存時的土壤水含量也為40%WHC，與40%WHC

圖2 5種土樣在四個不同水分含量下土壤硝化率的變化

土樣的水分前處理時的土壤含水量一致，但是40%WHC土樣的硝化率明顯大于保鮮土樣，說明在同一水分份含量前處理?xiàng)l件下，溫度對土壤硝化強(qiáng)度有一定影響.

2.3 5種水分前處理對黑土氮素反硝化作用的影響

土壤反硝化作用是指土壤中硝酸鹽在反硝化微生物的作用下的還原過程.5種土樣在四種不同水分含量下培育一周后土壤反硝化率的變化見圖3，土壤水含量為40%WHC時，保鮮土的反硝化強(qiáng)度最大，反硝化率為4.36%；W1土樣的反硝化強(qiáng)度最小，為負(fù)值，說明此時硝態(tài)氮的濃度較低，不足以供給反硝化菌原料用來進(jìn)行反硝化作用，對比圖2即可看出，在土壤水分含量為60%WHC時，只有W2土樣的反硝化率有略微的下降，其他4種處理土樣的反硝化率均有所提高，其中W1土樣的反硝化率提高了13.8%.而當(dāng)土壤水分含量上升至80%～100%WHC時，所有處理的反硝化率較之前都有了大幅度提高，從圖3(d)中可以看出水含量為100%WHC時，經(jīng)5種不同處理的土樣反硝化率都達(dá)到了峰值.與此同時，對比圖3中(a),(b),(c),(d)可以發(fā)現(xiàn)，反硝化率在土壤水含量為100%WHC時差異最為顯著.反硝化作用是在嫌氣條件下進(jìn)行的微生物學(xué)過程，造成土壤嫌氣環(huán)境的條件之一便是土壤水分狀況.Susana等[12]通過研究地中海河岸森林土壤反硝化

圖3 5種土樣在四個不同水分含量下土壤反硝化率的變化

作用時發(fā)現(xiàn)，整個土壤剖面反硝化作用強(qiáng)度與土壤水分呈極顯著的正相關(guān).從圖中可以看出5種水分前處理的土樣都隨土壤水含量的增加保持上升趨勢，但由于土壤水分歷史的不同，5種土樣的反硝化強(qiáng)度也存在顯著的差異.5種土樣的平均反硝化率大小表現(xiàn)為D土樣>S土樣>W2土樣>O土樣>W1土樣，與其硝化率的表現(xiàn)截然相反.說明隨著水分前處理中土壤含水量的增加，土壤在相同的即時水分條件下硝化率逐漸降低，反硝化率逐漸升高.

3 結(jié)論

土壤水分歷史的差異可能導(dǎo)致其礦化、硝化、反硝化作用對水分條件的響應(yīng)不同.不同水分前處理下的黑土，礦化率、硝化率及反硝化率差異與土壤含水量多少有關(guān).對比5種水分前處理的土樣，W1土樣的硝化率及D土樣的反硝化率受土壤水分歷史影響明顯，礦化率受水分歷史的影響不顯著.說明，水分歷史對土壤氮素轉(zhuǎn)化有一定的影響.

[1]田立生, 谷偉, 王帥. 東北黑土區(qū)水土流失與耕地退化現(xiàn)狀及修復(fù)措施[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2011(21):308- 308.

[2]BEARE M H, GREGORICH E G, ST-GEORGES P. Compaction effects on CO2and N2O production during drying and rewetting of soil[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2009, 41(3):611- 621.

[3]魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000：129- 133.

[4]金雪霞, 范曉暉, 蔡貴信,等. 菜地土壤氮素礦化和硝化作用的特征[J]. 土壤, 2004, 36(4):382- 386.

[5]田冬, 高明, 徐暢. 土壤水分和氮添加對3種質(zhì)地紫色土氮礦化及土壤pH的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2016(1):255- 261.

[6]陳志剛, 劉龍梅, 陳蕾,等. 水分調(diào)控對水稻根際土壤反硝化作用的影響[J]. 水土保持研究, 2015, 22(5):133- 137.

[7]馬樂樂, 夏夢潔, 蔣永吉,等. 旱地夏閑期間土壤氮素礦化特性的變化[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2016(1):87- 92.

[8]UTE S, ABELL G C J, VERANIA H, et al. Nitrifiers and denitrifiers respond rapidly to changed moisture and increasing temperature in a pristine forest soil.[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2010, 72(3):395-406.

[9]錢琛, 蔡祖聰. 亞熱帶紅壤硝化特性的干土效應(yīng)響應(yīng)[J]. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(5):1379- 1386.

[10]ALLISON S M，PROSSER J I. Survival of ammonia oxidizing bacteriain air-dried soil[J]. FEMS Microbiological Letters，1991，79:65- 68.

[11]王簾里, 孫波. 培養(yǎng)溫度和土壤類型對土壤硝化特性的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2011, 48(6):1173- 1179.

[12]CLAUDIA F, SUSANNA H, KLAUS J, et al. N and O isotope fractionation in nitrate during chemolithoautotrophic denitrification by Sulfurimonas gotlandica.[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(22):13229- 13237.

Mineralization, Nitrification and Denitrification Rates in Black Soils Response to the five Antecedent Water Treatments

WANG Ting，WANG Lianfeng

(School of Environmental and Chemical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China )

A incubation experiment is conducted to investigate the black soil after five different water pretreatments (air-dried soil D, fresh soil O, low moisture soil W1, high moisture W2and flooded soil S), and the mineralization, nitrification and denitrification rates under four different instant moisture are determined. The results show that the difference of the nitrogen mineralization, nitrification and denitrification rates under the five pre-treatments is great when the soil water content is respectively. Although the difference of the mineralization rates is not significant, the changes of nitrification rate and denitrification rate are obvious under the five pre-water treatments. The performance of nitrification rate is W1>O>W2>S>D, and the rate of denitrification is opposite to the rate of nitrification. It is showed that the history of soil moisture has a strong influence on nitrification and denitrification, while the effect on mineralization is small. It is indicated that the antecedent water treatment makes a certain effect on nitrogen transformation.

black soil; antecedent water; mineralization rate; nitrification rate; denitrification rate

1673- 9590(2017)03- 0068- 04

2016-03-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41471245)

王婷(1991-)，女，碩士研究生；王連峰(1974-)，男，教授，博士，主要從事土壤環(huán)境學(xué)的研究E- mail:506145216@qq.com.

A