熱帶亞熱帶酸性土壤硝化作用與氮淋溶特征①

趙 旭，蔡思源,2，邢光熹，朱兆良

熱帶亞熱帶酸性土壤硝化作用與氮淋溶特征①

趙 旭1，蔡思源1,2，邢光熹1，朱兆良1

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

通過室內(nèi)好氣培養(yǎng)和土柱模擬淋洗培養(yǎng)試驗，研究了氨基氮肥加入對熱帶亞熱帶4種不同性質(zhì)和利用方式酸性土壤硝化、氮及鹽基離子淋溶、土壤及淋出液酸化的影響。4種土壤分別為采自花崗巖發(fā)育的海南林地磚紅壤(HR)、玄武巖發(fā)育的云南林地磚紅壤(YR)、第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的江西旱地紅壤(RU) 和第四紀(jì)下蜀黃土發(fā)育的江蘇旱地黃棕壤(YU)。結(jié)果表明：4種土壤硝化作用大小表現(xiàn)為YU>RU>YR>HR。HR主要以可溶性有機(jī)氮(DON)和NH4+-N形態(tài)淋失，YU土壤的氮淋溶形態(tài)以NO– 3-N為主，YR和RU土壤的氮淋溶形態(tài)NO– 3-N、NH4+-N和DON兼而有之。鹽基離子總淋失量與NO– 3-N淋失量顯著正相關(guān)，但各鹽基離子淋失由于離子本性和土壤性質(zhì)差異并不完全一致。Ca2+在緩沖外源NH4+-N硝化致酸和平衡NO– 3-N淋失所帶負(fù)電荷過程中起重要作用。在陽離子交換量小、鹽基飽和度低的土壤(如RU土壤)，外源NH4+-N的硝化和淋失不僅導(dǎo)致鹽基離子淋失，而且引發(fā)NH4+-N、甚至是H+淋失。綜上，熱帶亞熱帶地區(qū)土壤上外源氮輸入的增加可能會在更短的時間內(nèi)導(dǎo)致氮素向系統(tǒng)外的流失，引發(fā)環(huán)境問題。

酸性土壤；硝化作用；氮淋溶；鹽基離子

化石燃料燃燒排放的氮氧化物(NO)、農(nóng)田施肥及集約畜牧業(yè)發(fā)展排放的氨(NH)，致使大氣中含氮化合物激增，大氣氮沉降量顯著增加[1-5]。盡管氮沉降可作為土壤氮素?fù)p失的供給源，但過多氮沉降對生態(tài)系統(tǒng)亦存在負(fù)面影響[2,6-8]。由于1 mol NH4+-N在土壤中硝化可產(chǎn)生2 mol H+，同時NO– 3-N淋失又會進(jìn)一步導(dǎo)致鹽基離子的淋溶，土壤緩沖能力下降，因此大氣沉降NH4+-N對土壤的酸化影響較NO– 3-N更大[6,9-10]。

在酸性土壤中，輸入的NH4+-N如果被硝化，就可能導(dǎo)致NO– 3-N大量向下遷移淋溶，污染地下水體；加速土壤酸化，引起鹽基離子淋溶，導(dǎo)致土壤肥力下降；甚至導(dǎo)致H+的直接淋溶，進(jìn)一步影響地下水體[11]。當(dāng)前，對中國廣大熱帶和亞熱帶地區(qū)而言，氨基氮肥的施用和大氣沉降NH4+-N是活化氮輸入土壤的主要途徑[12]。關(guān)于溫帶土壤上的硝化和酸化已有不少研究，但由于氣候條件與成土母質(zhì)等差異，溫帶地區(qū)的土壤氮素轉(zhuǎn)化特征不同于熱帶和亞熱帶地區(qū)土壤[6]。NH4+-N輸入增加后，熱帶和亞熱帶濕熱多雨地區(qū)酸性土壤的硝化及其可能引發(fā)環(huán)境后果的研究格外重要。

以往，對外源NH4+-N輸入酸性土壤的研究大多通過短期和相對封閉的實驗室培養(yǎng)進(jìn)行，其中心議題也都集中在提高的NH4+-N水平對土壤硝化和酸化的影響[13]。曾有一些原位研究結(jié)果表明，土壤硝化強度與NO– 3-N淋洗存在一定的相關(guān)性[14-15]。但由于自然環(huán)境條件下，影響土壤硝化作用的環(huán)境因子很多，很難將NO– 3-N淋洗的不同歸結(jié)于土壤硝化作用的差異，而控制條件下的室內(nèi)淋溶培養(yǎng)試驗是行之有效的方法之一[16]，有利于揭示土壤硝化強度與氮淋溶及土壤酸化的關(guān)系。目前，在長時間的土柱淋洗培養(yǎng)條件下研究外源NH4+-N輸入對土壤硝化、NO– 3-N和鹽基離子淋溶、土壤及淋出液酸化影響的報道尚不多見[16]。

因此，本研究采集了熱帶和亞熱帶的4種不同類型酸性、微酸性土壤，通過56 d的好氣培養(yǎng)試驗和123 d的土柱模擬淋溶試驗，研究了外源NH4+-N加入對酸性土壤硝化、鹽基離子淋溶、土壤及淋出液酸化的影響，分析了不同性質(zhì)熱帶亞熱帶酸性土壤對提高的NH4+-N輸入水平下其硝化、氮淋溶與水土酸化響應(yīng)的差異及可能原因，以期為全面評價日益增加的氨基氮肥施用和大氣沉降NH4+-N在熱帶亞熱帶酸性土壤可能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)提供基礎(chǔ)性資料。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗選取4種不同區(qū)域的熱帶亞熱帶酸性土壤，即采自花崗巖發(fā)育的海南林地磚紅壤(HR)、玄武巖發(fā)育的云南林地磚紅壤(YR)、第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的江西旱地紅壤(RU) 和第四紀(jì)下蜀黃土發(fā)育的江蘇旱地黃棕壤(YU)，分別采集表層(0 ~ 20 cm)土壤，風(fēng)干、磨細(xì)過2 mm篩備用。采樣地點基本情況及土壤理化性狀等見表1。

表1 供試土壤基本信息

注：土壤pH采用風(fēng)干土通過去離子水浸提后電位法直接測定 (水土比2.5︰1)；CEC表示陽離子交換量，BS表示鹽基飽和度。

1.2 試驗設(shè)置

相對封閉好氣培養(yǎng)試驗：用于土壤硝化能力測定。稱取相當(dāng)于15 g 烘干土的風(fēng)干土放入250 ml塑料廣口瓶，按40% 田間持水量(WHC)加水，置于30 ℃培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)一周。之后，均勻加入相當(dāng)于N 4.5 mg的尿素溶液(N含量 300 mg/kg，處理代號U；以不加NH4+-N處理作為對照(CK))，按65% WHC加水后，用橡皮筋將塑料袋扎上封口，其上用針打2 ~ 3孔以滿足好氣培養(yǎng)條件，置于30 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每周稱重一次，補加失去水分。

土柱模擬淋洗培養(yǎng)試驗：研究外源NH4+-N加入對土壤鹽基離子淋溶、土壤及淋出液酸化的影響。試驗所用土柱為內(nèi)徑4.7 cm，高60 cm的白色PVC塑料管。塑料管底部焊接有帶多孔擋板的V型漏斗并接橡皮管以便收集淋洗液。將一定量的玻璃纖維、石英砂、多孔擋板依次放入壓實，總厚度為3 ~ 4 cm，以防止土壤淋失和保證淋出液澄清。將各土壤樣690 g(烘干基)與石英砂(2 mm)345 g按照重量比2︰1混勻，等分成3份，依次裝入土柱。每裝入一份土樣后放入一個直徑0.5 cm的塑料墊環(huán)，以盡量減少管壁效應(yīng)的影響。土樣填裝完畢后，再于表面放置一層石英砂并鋪上濾紙以防止加水淋洗過程中破壞土柱表層土壤。用去離子水按照65% WHC調(diào)節(jié)水分后置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。各土樣均填裝6個柱子。每個土樣均設(shè)置不加NH4+-N對照(CK)和加NH4+-N處理(以尿素形式加入，N含量300 mg/kg，處理代號U)兩個處理，3次重復(fù)。

1.3 樣品采集及測定

土壤基本理化性狀：土壤有機(jī)碳用碳氮元素分析儀(德國Elementar)測定；土壤陽離子交換量(CEC)和土壤交換性鹽基離子通過乙酸銨交換法測定[17]；土壤機(jī)械組成用LS230型激光粒度儀(美國Beckman)測定。

相對封閉好氣培養(yǎng)試驗：分別在培養(yǎng)后的0、7、14、21、28、42、56 d取樣分析NH4+-N和NO– 3-N，NH4+-N含量用靛酚蘭比色法測定，NO– 3-N用紫外分光光度計(日本島津)比色測定。

土柱模擬淋洗培養(yǎng)試驗：預(yù)培養(yǎng)一周后，從土柱頂部加入去離子水150 ml，平衡30 min后通過真空泵底部抽氣形成負(fù)壓，使淋出液流出，收集150 ml后停止，所收淋洗液作為培養(yǎng)0 d樣品。之后，在各土樣的其中3個柱子上分別加入10 ml含有207 mg N的尿素溶液，作為加NH4+-N處理；剩余3個加入10 ml去離子水代替，作為不加NH4+-N對照處理。將所有土柱放入30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)3 d后用同樣方法淋洗并收集淋洗液。隨后每周淋洗一次(除培養(yǎng)80 d樣品和95 d樣品分別間隔10 d和15 d外)，共淋洗18次。培養(yǎng)期間每隔3 d通過稱重法補充因表面蒸發(fā)損失的水分。每次收集淋洗液后置于–20℃冰箱冷凍保存?zhèn)錅y。每次收集淋洗液后直接用Φ255 pH/temp/mV meter測定淋洗液pH。取部分淋洗液過0.45 μm濾膜后測定NH4+-N、NO– 3-N及全氮(TN)濃度。TN通過堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計法(日本島津)測定;可溶性有機(jī)氮(DON)通過TN濃度和無機(jī)氮濃度(NH4+-N+ NO– 3-N)的差值求得。淋洗液中鹽基離子(Ca2+、K+、Mg2+、Na+) 用IRIS-advantage型等離子發(fā)射光譜儀器(美國Thermo Electron)進(jìn)行測定。淋洗18次后按照高度將土柱平均分為上、中、下3層，分層取土。各層土壤pH在加入去離子水25 ml后搖床震蕩 10 min，靜置后用 Φ255 pH/temp/ mV meter 測定。各層土壤風(fēng)干過篩后通過凱氏消煮-蒸餾定氮法測定TN。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行Duncan單因素方差分析，比較各處理之間的差異顯著性(< 0.05)。繪圖采用Sigmaplot 12.5軟件。文中各形態(tài)氮量均以純N量計。

2 結(jié)果與分析

2.1 封閉好氣培養(yǎng)條件下各土壤的硝化作用

4種不同來源土壤在相對封閉好氣培養(yǎng)條件下的硝化作用大小存在差異(圖1A)。在56 d培養(yǎng)期間，HR和YR土壤幾乎沒有發(fā)生硝化作用，始終沒有NO– 3-N凈累積；而YU土壤有明顯的硝化作用，56 d內(nèi)NO– 3-N含量線形增加，培養(yǎng)結(jié)束時的凈硝化量可達(dá) 60 mg/kg(以純N量計，下同)以上；RU土壤也有微弱的硝化。尿素的加入在不同程度促進(jìn)了旱地土壤YU和RU的硝化，但對林地土壤HR和YR的硝化并無促進(jìn)作用。

加入尿素后4種土壤中NH4+-N含量變化曲線也明顯不同(圖1B)。對于HR土壤，培養(yǎng)過程NH4+-N含量逐漸增加，直至結(jié)束時才達(dá)最大；對于YR土壤，NH4+-N含量在培養(yǎng)28 d時達(dá)到峰值；而對于RU和YU土壤，NH4+-N含量分別在培養(yǎng)的14 d和7 d出現(xiàn)峰值，之后便隨著硝化的進(jìn)行而逐漸降低。培養(yǎng)過程中NH4+-N含量變化的差異反映了尿素在4種土壤上水解能力的強弱。

圖 1 海南磚紅壤(HR)、云南磚紅壤(YR)、江西紅壤(RU) 和江蘇黃棕壤(YU)的硝化作用特征

2.2 不同土壤土柱模擬淋洗條件下的氮素淋溶特點

各土壤淋出液在開始淋洗時均具有較高濃度的NO– 3-N，之后慢慢降低，這可能是由于干土效應(yīng)[18]影響，其中以RU和YU土壤最為明顯。YU土壤培養(yǎng)0 d淋出液NO– 3-N含量高達(dá) 100 mg/L以上，RU-U處理土壤NO– 3-N濃度也達(dá)30 mg/L以上(圖2A)。

各土壤淋出液NO– 3-N濃度變化曲線在土柱培養(yǎng)條件下存在差異(圖2)。HR土壤淋出液中NO– 3-N濃度一直維持在較低水平，直到培養(yǎng)末期才有微小增加。其他土壤NO– 3-N濃度則有明顯的波動。除HR土壤外，外源NH4+-N的加入促進(jìn)了土壤硝化，NO– 3-N淋失量增加。各土壤淋出液的NO– 3-N濃度均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，但NO– 3-N濃度出現(xiàn)峰值時間和大小各不相同。其中，YU土壤淋出液中NO– 3-N濃度達(dá)到峰值的時間最短(28 d)，峰值也最大(200 mg/L)；RU土壤則分別為35 d和90 mg/L；YR土壤為95 d和140 mg/L (圖2A)。加NH4+-N處理下，NO– 3-N淋失量從大到小依次為YU-U (214 mg)，YR-U(118 mg)、RU-U(85 mg)和HR-U(25 mg; 圖2D)。

HR-U、YR-U及RU-U處理NH4+-N的淋失相比CK有不同程度增加(圖2D)。HR、YR與RU土壤淋出液在培養(yǎng)3 d后即出現(xiàn)較高濃度的NH4+-N，之后逐漸增加并達(dá)到峰值，隨后降低。其中，以HR和RU土壤淋出液NH4+-N濃度峰值最大，在40 ~ 50 mg/L范圍內(nèi)。相反，對于YU土壤，整個培養(yǎng)期間幾乎沒有NH4+-N淋出(圖2B)。加NH4+-N培養(yǎng)123 d后，HR-U處理NH4+-N淋失量最大，之后依次為YR-U和RU-U處理，YU-U處理NH4+-N淋失量與CK水平相當(dāng)(圖2D)。

CK處理下，各土壤淋出液中DON濃度很低。加NH4+-N后，HR、YR和RU土壤淋出液中DON濃度在培養(yǎng)的前35 d均出現(xiàn)很高的峰值。與此相反，YU土壤淋出液的DON濃度很低，在培養(yǎng)期間保持平穩(wěn)(圖2C)。培養(yǎng)結(jié)束后，DON淋失總量規(guī)律與NH4+-N結(jié)果一致，也以HR土壤最高，RU和YR土壤次之，YU土壤最低(圖2D)。

通過差減法計算得到了加NH4+-N處理下各土壤培養(yǎng)期間凈淋失氮量及占加入氮量的百分比(表2)?？梢钥闯?，HR、YR、RU和YU土壤外源氮的淋失量在167 ~ 176 mg，占加入氮量的81% ~ 85%，其中以HR土壤最高，可占到加入氮量的85%。

圖 2 HR、YR、RU和YU土壤淋出液中NO– 3-N(A)、NH4+-N(B)、DON(C)濃度變化曲線及各形態(tài)氮素累積淋失量(D)

表2 HR、YR、RU 和YU土壤凈淋失氮量及占加氮量的百分比

注：表內(nèi)數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；加入氮量為每柱207 mg。

2.3 不同土壤土柱模擬淋洗條件下的鹽基離子淋溶

淋洗條件下，土壤中鹽基離子常常伴隨著NO– 3-N一起淋出，從而起到平衡電荷和緩沖酸度的作用。淋出液鹽基離子總濃度曲線與NO– 3-N變化曲線相吻合，兩者之間存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(<0.01；圖4)。鹽基離子總淋溶量大小與土壤鹽基飽和度大小(表1)一致，各土壤表現(xiàn)為YU>YR>RU>HR。

各鹽基離子淋溶量在不同土壤之間存在一定差異(圖5)，土壤中交換性鹽基離子含量大小在一定程度可解釋淋失量的大小。Ca2+是淋溶量最大的鹽基離子，除HR土壤外，其他土壤中Ca2+淋溶量大小也與土壤交換性Ca2+含量大小相吻合(表1)。YU土壤K+淋失量較低。RU土壤Mg2+淋失量很低，且RU-U和RU-CK處理并無差異。與上述離子不同，盡管整個培養(yǎng)過程中各土壤均有一定數(shù)量的Na+淋溶，但加NH4+-N處理下其淋溶量和對照相比無明顯差異。

2.4 淋洗柱模擬淋洗條件下土壤及淋出液pH變化

在土柱模擬培養(yǎng)結(jié)束后，對土柱上、中、下3層pH測定結(jié)果(圖5A)表明，土柱各層pH變化因土壤而異。HR-U處理各層土壤pH要高于HR-CK，以上和中層最為明顯。相反，YR-U處理的各層土壤pH要低于YR-CK。由于大部分水解的NH4+-N被淋溶到底層而硝化，使得加NH4+-N處理的土壤pH降幅隨土壤深度增加而增大。培養(yǎng)結(jié)束時，RU土壤各層pH均在4.5左右，低于其他土壤。對于YU土壤，YU-U處理土壤pH均低于YU-CK，以上層最為顯著。

(圖中實線與虛線部分分別表示擬合曲線與95%置信區(qū)間)

(圖中小寫字母不同表示處理間差異在P<0.05水平顯著)

圖5 HR、YR、RU和YU土壤培養(yǎng)結(jié)束后各層土壤pH (A)和淋出液pH變化(B)

土壤淋出液中，HR-CK和HR-U處理土壤pH均在7.0以上，并無明顯差異，且隨培養(yǎng)時間逐漸升高 (圖5B)。在培養(yǎng)前期，YR-U處理的pH略低于YR-CK，之后兩者數(shù)值相當(dāng)；在整個培養(yǎng)過程中，淋出液pH均呈逐漸降低趨勢，從開始時的7.3降低到試驗結(jié)束時的6.5左右。RU-CK處理淋出液pH從7.3逐漸升高到8.0；RU-U處理淋出液pH與RU-CK相比在前21 d無明顯差異，但21 d之后突然下降，顯著低于RU-CK，盡管在56 d后淋出液pH又有所增加，但仍低于RU-CK并保持到培養(yǎng)結(jié)束。YU-U處理淋出液pH與YU-CK相似，在整個培養(yǎng)過程中有緩慢下降的趨勢，培養(yǎng)結(jié)束時為6.5左右。

3 討論

土壤的硝化作用強弱是控制NO– 3-N淋溶的主要因子[16]。YU、RU和HR土壤的NO– 3-N淋溶在淋洗培養(yǎng)試驗中均與封閉好氣培養(yǎng)試驗中土壤硝化作用大小有關(guān)。YU土壤硝化作用強烈，YU-U處理封閉好氣培養(yǎng)56 d后的硝化率(硝態(tài)氮占礦質(zhì)氮含量的百分?jǐn)?shù))可達(dá)88%(圖1A)，而淋洗培養(yǎng)過程中其NO– 3-N淋溶量可占到加入氮量的77%(表2)；RU土壤也有一定的硝化作用，加NH4+-N封閉好氣培養(yǎng)56 d后的硝化率為30%(圖1A)，淋洗培養(yǎng)試驗中其NO– 3-N淋溶量也占到加入氮量的33%(表2)；HR土壤幾乎沒有發(fā)生硝化(圖1A)，因此整個淋洗培養(yǎng)期間其NO– 3-N淋溶很少(表2)。與上述不同，YR土壤在相對封閉的好氣培養(yǎng)試驗中并未有明顯硝化作用，尿素加入也未促進(jìn)其硝化，但在淋溶培養(yǎng)試驗中，YR土壤發(fā)生很強的硝化作用并出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的NO– 3-N淋失 (103 mg)。這可能是56 d的好氣培養(yǎng)不足以恢復(fù)其硝化微生物的活性，而淋洗培養(yǎng)時間較長，加之底部抽氣帶入O2，硝化活性在培養(yǎng)的中后期逐漸增強的緣故。

提高的NH4+-N水平對熱帶亞熱帶酸性土壤硝化能力的影響因土壤類型與土地利用方式不同而存在很大差異。對于微酸性黃棕壤(YU)，NH4+-N的添加極大地促進(jìn)了硝化作用(圖1A)，這與Dancer等[19]發(fā)現(xiàn)在微酸性(pH 5.3 ~ 6.6)環(huán)境下土壤更傾向于硝化的結(jié)果一致。與此相反，磚紅壤 (HR)幾乎不發(fā)生硝化(圖1A),可能的原因是土壤中較低的全碳含量與較高的黏粒含量(表1)導(dǎo)致土壤微生物代謝活性降低[20]。盡管土壤酸度被認(rèn)為是熱帶和亞熱帶酸性土壤硝化作用的主要影響因素之一[13,21]，但在好氣培養(yǎng)研究中，加入NH4+-N促進(jìn)了較低pH(4.18)旱地土壤(RU)的硝化作用(圖1A)，而并未促進(jìn)酸性(pH 4.97)林地土壤(YR)的硝化。這可能是因為RU土壤長期的耕種改善了微生物群落結(jié)構(gòu)，在一定程度促進(jìn)了微生物活性，從而提升了硝化能力。

鹽基離子在本研究中表現(xiàn)出與NO– 3-N相同的淋溶趨勢，淋出液中鹽基離子濃度與NO– 3-N濃度顯著正相關(guān)(圖4)。不同土壤類型及鹽基離子本性差異會影響鹽基離子向下遷移淋溶的表現(xiàn)[22-23]。根據(jù)鹽基離子和土壤膠體之間的靜電作用大小，土壤膠體對鹽基離子的吸附強度一般為Ca2+>Mg2+>K+>Na+[24]，但從離子遷移量來看，所有土壤鹽基離子淋溶量均以Ca2+最大，加NH4+-N處理下Ca2+淋溶顯著增加(圖5)，表明Ca2+在緩沖土壤硝化致酸和平衡NO– 3-N淋失所攜帶負(fù)電荷方面的重要作用。與此不同，在所有土壤上加NH4+-N對Na+淋溶量影響很小。這是因為所研究的4種土壤均為酸性淋溶土壤，根據(jù)元素遷移的地球化學(xué)原理，Na+是最易遷移的元素[25]。Na+的強烈淋溶致使土壤本身含量很低(表1)，所以Na+在上述酸性土壤緩沖H+和平衡NO– 3-N淋失所帶負(fù)電荷中并未起重要作用。Hartikainen[26]指出，土壤中外源H+增加使二價鹽基離子淋溶量大大增加，而對一價陽離子淋溶的影響要小得多。

土壤酸化的基本原因是土壤中產(chǎn)生H+，通常土壤中的H+來源于酸沉降、微生物分解有機(jī)質(zhì)和NH4+-N在土壤中的硝化作用等途徑[27-28]。本研究中外源NH4+-N在土壤的硝化作用是產(chǎn)生H+和加速土壤酸化的最主要途徑。一般情況下，土壤可通過土壤膠體鹽基離子的釋放(鹽基離子與H+交換)來實現(xiàn)緩沖硝化作用產(chǎn)生H+的目的。但大量鹽基離子的釋放和淋失必然使土壤緩沖性能降低，造成土壤酸化[29]。YU土壤CEC很高，且富含鹽基離子(表1)，但由于外源NH4+-N的強烈硝化，大量鹽基離子(以Ca2+和Mg2+為主)隨NO– 3-N一起淋失，致使培養(yǎng)結(jié)束時土壤pH比對照處理降低，上層土壤pH降低更為明顯(圖5)。由于硝化作用的進(jìn)行，YR土壤的pH在培養(yǎng)結(jié)束時也比對照有所降低(圖5)，以下層最為明顯，這可能是YR土壤硝化作用啟動較慢(圖2)，加入的氮絕大多數(shù)被淋洗至下層發(fā)生硝化作用的緣故。與此相反，加入的NH4+-N在HR土壤幾乎不發(fā)生硝化，也不產(chǎn)生H+，至培養(yǎng)結(jié)束時，其土壤pH與對照相比反而有所增加(圖5)，其原因可能是加入尿素水解提高了土壤pH的緣故。對于RU土壤，盡管加入的尿素水解為NH4+-N后部分被硝化，但至培養(yǎng)結(jié)束土壤pH與對照相比并無明顯差異(圖5)，這可能是因為尿素水解引起土壤pH上升抵消了硝化對土壤酸化的影響。

土壤淋出液是否呈酸性主要取決于土壤中是否發(fā)生H+的淋溶，而H+的淋溶與土壤CEC和鹽基飽和度有很大關(guān)系[30-31]。如果土壤鹽基飽和度高，緩沖酸的能力強，H+被充分交換，那么H+的淋溶就很少發(fā)生，土壤淋出液也不會酸化；反之，則淋出液酸化。總體來看，YU土壤CEC很高，鹽基離子總量大，外源NH4+-N加入后，盡管土壤硝化作用顯著提高，NO– 3-N淋溶增加，但鹽基離子可充分交換因硝化產(chǎn)生的大量H+，并且伴隨NO– 3-N淋溶而淋溶，整個過程H+都保持在土壤內(nèi)部，淋溶很少，因此至培養(yǎng)結(jié)束時土壤酸化而淋出液并不酸化。這一結(jié)果與Watanable等[32]的結(jié)果類似，他們發(fā)現(xiàn)陽離子交換反應(yīng)在熱帶土壤中占主導(dǎo)地位。對于RU土壤，其CEC和鹽基離子含量很低，鹽基離子淋溶不足以平衡外源NH4+-N硝化產(chǎn)生的NO– 3-N淋溶所攜帶的負(fù)電荷，最終導(dǎo)致吸附能力較強的NH4+-N甚至是H+淋溶，因此淋出液pH較對照低。YR土壤CEC和鹽基飽和度介于上述兩者之間，鹽基離子和NH4+-N的淋溶可平衡外源NH4+-N硝化產(chǎn)生的NO– 3-N淋溶所攜帶的負(fù)電荷，整個過程H+的淋溶很少，淋出液并不酸化。與上述情況不同，HR土壤外源NH4+-N硝化很弱，H+產(chǎn)生量很少，整個過程對淋出液致酸影響微弱。

4 結(jié)論

綜合來看，外源NH4+-N加入對熱帶亞熱帶酸性土壤NO– 3-N及鹽基離子淋溶、土壤及淋出液酸化的影響因土壤硝化作用強度而異。對于硝化作用較強、養(yǎng)分豐富的耕地土壤(如YU)，長期施用氨基氮肥和日益增加的NH4+-N沉降對土壤NO– 3-N、鹽基離子淋溶及土壤酸化的影響不容忽視。對于硝化作用很弱、養(yǎng)分貧瘠的酸性土壤(如HR)，盡管提高的NH4+-N水平不會進(jìn)一步導(dǎo)致土壤及淋出液酸化，但過量輸入的NH4+-N在土壤中會導(dǎo)致NH4+-N直接淋溶，進(jìn)而污染水體，因此也應(yīng)予以關(guān)注。在陽離子交換量小、鹽基飽和度低的土壤(如RU)上，外源NH4+-N的硝化和淋失不僅導(dǎo)致鹽基離子淋失，而且引發(fā)NH4+-N、甚至是H+淋失。4種熱帶亞熱帶地區(qū)酸性土壤在強熱淋溶條件下，加入氮的淋失率均達(dá)到80%以上，在一定程度上反映，與大多數(shù)氮限制的溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)相比，在熱帶亞熱帶濕熱多雨地區(qū)土壤上外源氮輸入的增加可能會在更短的時間內(nèi)導(dǎo)致氮素向系統(tǒng)外的流失，引發(fā)環(huán)境問題。

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Nitrification and Nitrogen Leaching in Tropical and Subtropical Acid Soils

ZHAO Xu1, CAI Siyuan1,2, XING Guangxi1, ZHU Zhaoliang1

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

An laboratory aerobic incubation and simulated leaching soil column experiment were conducted to investigate the effects of urea addition on nitrification, nitrogen (N) leaching, base cations leaching and soil/leachate acidification in four tropical and subtropical acid soils including latosols in Hainan (HR, granite, forest land), latosols in Yunnan (YR, basalt, forest land), red soil in Jiangxi (RU, quaternary red earth, upland field) and yellow-brown soil in Jiangsu (YU, quaternary Xiashu loess, upland field). The results showed that nitrifying activities in four soils were in the rank of YU>RU>YR>HR. Dissolved organic N (DON) and ammonium N (NH4+-N) were the predominant forms of N leaching, while nitrate N (NO– 3-N) dominated N form of YU leachate. In YR and RU, both NO– 3-N, NH4+-N and DON existed in each leachate. A significant positive linear correlation was observed between total base cations and NO– 3-N in leachates. Nevertheless, leaching of each base cation varied with ionic innate qualities and soil properties. Ca2+played a key role in both buffering H+produced by nitrification and balancing the negative charges of leaching NO– 3-N. Nitrification of exogenous NH4+-N in soil with low cation exchange capacity (CEC) and base cations saturation like RU caused not only base cation leaching but also NH4+-N and H+leaching. Overall, urea addition might cause N leaching in a shorter time in tropical and subtropical soils and thus trigger environmental issues.

Acid soil; Nitrification; N leaching; Base cation

S19

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.01.001

趙旭, 蔡思源, 邢光熹, 等. 熱帶亞熱帶酸性土壤硝化作用與氮淋溶特征. 土壤, 2020, 52(1): 1–9.

國家自然科學(xué)基金重大項目(30390080)資助。

趙旭(1982—)，男，河南三門峽人，博士，研究員，主要從事土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化過程研究。E-mail：zhaoxu@issas.ac.cn