土壤無機(jī)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）時空變化研究現(xiàn)狀

焦亞青

摘要：為研究無機(jī)氮在不同條件下的時空變化情況，以土壤類型、植物群落和土地利用方式為條件，研究了不同情況下的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮時空變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，受有機(jī)質(zhì)含量、含水量、溫度以及pH的影響，土壤的理化性質(zhì)和生物活性得到明顯改善，使無機(jī)氮在土壤中出現(xiàn)明顯的時空差異。近年來，有學(xué)者用15N同位素稀釋法、室內(nèi)模擬研究以及凍融模擬實(shí)驗等方法對無機(jī)氮進(jìn)行研究，但是仍具有局限性。

關(guān)鍵詞：土壤;銨態(tài)氮;硝態(tài)氮;影響因素

氮素主要包括有機(jī)氮和無機(jī)氮，而有機(jī)氮素占全氮的90%以上，無機(jī)氮素僅占5%以下，但是土壤供給植物的主要物質(zhì)還是無機(jī)氮。有機(jī)氮不能直接被植物吸收，必須在微生物的礦化作用[1]下形成無機(jī)氮，才能被植物吸收利用。之后通過反硝化作用產(chǎn)生溫室氣體氧化亞氮（N2O）逸散到大氣中，對陸地生態(tài)系統(tǒng)和全球氣候產(chǎn)生影響。礦化作用是一個極其復(fù)雜的過程，土壤中的有機(jī)氮素（如蛋白質(zhì)等）在土壤微生物（如真菌）的作用下，以碳素為能量源，逐漸裂解成簡單的氨基化合物，之后土壤中分解的氨轉(zhuǎn)化為銨離子，大部分銨離子在硝化作用下氧化成硝酸鹽，這是生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)中非常重要的環(huán)節(jié)[2]。隨著科學(xué)研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的研究也成為當(dāng)前土壤學(xué)研究的重點(diǎn)[3]。就土壤本身而言，由于土壤的物理化學(xué)特征不同、有機(jī)質(zhì)以及微生物分布不同，導(dǎo)致氮素轉(zhuǎn)化出現(xiàn)空間變異，使無機(jī)氮在土壤中出現(xiàn)空間差異，并且研究發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換，在土壤氧氣充足的情況下，銨態(tài)氮易轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，在土壤厭氧條件下，硝態(tài)氮易轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，銨態(tài)氮有利于植物生長發(fā)育，而硝態(tài)氮極易淋失，污染環(huán)境[4]。因此，研究銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在不同條件下的時空變化情況，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)都有極其重要的意義。

1 銨態(tài)氮、硝態(tài)氮在不同條件下的時空變化

1.1銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土壤類型的關(guān)系

土壤類型是在土壤發(fā)生過程的基礎(chǔ)上將不同的土壤進(jìn)行分類以及命名，其概括了不同土壤類型的成土過程及其典型特征。由于不同土壤的物理成分以及物理化學(xué)特征不同，導(dǎo)致銨態(tài)氮、硝態(tài)氮在不同的土壤中發(fā)生不一樣的時空變化[5]。李榮等[6]對沙地土壤進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)垂直方向上銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨著沙壤深度的增加而減少;水平方向上均趨于增加;在時間上，受有機(jī)質(zhì)的累積和pH的影響，前期銨態(tài)氮增加，中后期硝態(tài)氮增加。孫志高等[7]以濕地為研究對象，發(fā)現(xiàn)垂直方向上無機(jī)氮遷移能力較強(qiáng)。蘭婷等[8]在研究兩種水稻土?xí)r發(fā)現(xiàn)，在時空上，潮黃土更容易累積硝態(tài)氮。陸紅娜等[9]在研究山前沖積平原時發(fā)現(xiàn)，受土壤質(zhì)地的影響，硝態(tài)氮在垂直方向上各土層含量存在較大差異，在水平方向上東高西低。羅亞晨等[10]認(rèn)為，在時空上，凍融循環(huán)與恒溫相比，會減少銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在大興安嶺落葉松林土壤中的積累，而Grogan等[11]在研究白樺林下層時發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)促進(jìn)了銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的積累。

1.2 銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與不同植物群落的關(guān)系

植物吸收的氮素形態(tài)主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，受環(huán)境和作物種類的影響[12]，植物吸收銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的程度不同，有的植物偏向銨態(tài)氮，比如水稻;有的偏向硝態(tài)氮，比如玉米、棉花等，這勢必影響銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在土壤里的分布。苗艷芳等[3]研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥產(chǎn)量在時間上隨硝態(tài)氮的增加而增加，在不同土層間，硝態(tài)氮累積量與冬小麥產(chǎn)量呈正相關(guān)，而銨態(tài)氮含量最低。肖好燕等[13]在研究亞熱帶不同林分時發(fā)現(xiàn)，林分的類型對銨態(tài)氮含量的影響較小，對硝態(tài)氮含量的影響較大，并且不同林分中硝態(tài)氮的比例也不同。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均有季節(jié)變化，但是硝態(tài)氮含量的季節(jié)變化顯著，銨態(tài)氮變化不明顯。

1.3 銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與土地利用方式的關(guān)系

不同的土地利用方式會對土壤中無機(jī)氮含量造成很大影響，這是因為在不同的土地利用過程中，耕作、施肥等人為活動的影響形成了銨態(tài)氮和硝態(tài)氮時空分布的特點(diǎn)。楊慶等[14]在研究人工草地時發(fā)現(xiàn)，通過沼液澆灌人工草地，會對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮產(chǎn)生影響，垂直方向上對不同土層的銨態(tài)氮含量影響較小，而硝態(tài)氮的含量隨著沼液的增加而增加，并在0～20 cm達(dá)到最高。王峰等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在茶園培養(yǎng)初期，銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)增長趨勢，達(dá)到峰值后逐漸下降，總體呈“J”型變化;而硝態(tài)氮含量在初期增長緩慢，之后逐漸上升。吳綺霏等[16]將江漢平原的農(nóng)田分為5類，這5類農(nóng)田由于不同的土地利用方式，導(dǎo)致氮素在土壤不同深度也有很大差異：稻田中銨態(tài)氮占主要比例，而旱地則以硝態(tài)氮為主，總體上硝態(tài)氮在表層含量較高，而銨態(tài)氮含量在下層不斷增加。

2 影響銨態(tài)氮、硝態(tài)氮時空變化的因素

土壤中的無機(jī)氮含量受有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水量、溫度、pH等因素的影響。

2.1 有機(jī)質(zhì)含量

人為施加化肥可以有效增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量。南鎮(zhèn)武等[17]研究發(fā)現(xiàn)，施加有機(jī)肥和化肥，能提高土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。研究中普遍發(fā)現(xiàn)，在合理施肥的情況下，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加而減少，但是 Siemens等[18]發(fā)現(xiàn)，不合理施肥可導(dǎo)致硝態(tài)氮淋溶以及土壤深層硝態(tài)氮的累積。

2.2 含水量

土壤含水量主要影響了土壤的通氣狀況和氧化還原反應(yīng)。土壤水分與土壤微生物的生長發(fā)育密切相關(guān)。當(dāng)土壤水分較低時，土壤微生物在透氣較好的條件下表現(xiàn)活躍，使硝態(tài)氮含量增加;相反，當(dāng)土壤水分較高時，銨態(tài)氮含量增加。土壤水分通過影響微生物活性，進(jìn)一步影響土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的分布。陳效民等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在垂直方向上，硝態(tài)氮在土壤水分飽和狀態(tài)下的移動速度比非飽和狀態(tài)下的速度快。在土壤水分飽和的情況下，影響硝態(tài)氮垂直移動的因素還是土壤含水量和土壤質(zhì)地。但是陳伏生等[20]研究發(fā)現(xiàn)，硝化細(xì)菌是影響硝態(tài)氮含量的因素。硝化細(xì)菌會隨著土壤含水量的增加而增加，抑制了反硝化作用，使銨態(tài)氮含量小于硝態(tài)氮含量。

2.3 溫度

溫度主要是通過影響微生物活性，進(jìn)而影響土壤的礦化作用和硝化作用，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度和微生物活性呈正相關(guān)，其中，中溫條件下礦化作用最強(qiáng)。蘇濤等[21]研究發(fā)現(xiàn)，受氮素形態(tài)的影響，耕層土壤溫度對礦物質(zhì)氮的影響也不同：0～200 cm土層，銨態(tài)氮與土壤溫度變化一致，在不同時期，硝態(tài)氮含量與土壤溫度呈負(fù)相關(guān);同時指出，大氣溫度在一定程度上會影響土壤溫度，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量與大氣溫度變化趨勢類似。因為凍融作用會破壞土壤結(jié)構(gòu)、影響土壤微生物的活性、限制土壤養(yǎng)分的釋放和吸收，所以在凍融情況下，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量會受到嚴(yán)重影響。雋英華等[22]研究發(fā)現(xiàn)，凍融作用可促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化，增加銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

2.4 pH

由于土壤中pH升高，土壤中硝化細(xì)菌的活性升高，加快了硝化速度。同時， pH升高會加速有機(jī)質(zhì)溶解，進(jìn)而為土壤微生物提供了可能，促進(jìn)了土壤氮素的礦化。 Curtin等[23]研究結(jié)果也指出了土壤pH與礦化速率呈正相關(guān)。

3 土壤無機(jī)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）的研究方法

雋英華等[22]在凍融模擬實(shí)驗中，通過改變凍融頻數(shù)和凍融溫度，并用連續(xù)流動分析儀來研究凍融情況下對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響。劉順國等[24]同樣用流動分析儀測定了棕壤覆膜條件下土壤溶液中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，發(fā)現(xiàn)了此條件下的銨態(tài)氮含量增加，并且減少了硝態(tài)氮的淋失。蘭婷等[8]在室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗中用15N同位素稀釋[25]方法來測定無機(jī)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)，加入標(biāo)記溶液后，硝化作用增強(qiáng)，且與銨態(tài)氮呈正相關(guān)。溫騰等[26]研究發(fā)現(xiàn)，與蒸騰法相比，微擴(kuò)散法能更便捷、精確地測量銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。李勛章等[27]在研究干旱綠洲區(qū)時，用T6可見分光光度計來測定土壤和地下水中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量。羅亞晨等[10]用線性內(nèi)插法計算土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，并用單因素變量多因素方差分析方法研究不同因素對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響。除上述方法外，還有杜馬法：首先快速從樣品中提取NH4+和NO3﹣，其次用質(zhì)譜儀進(jìn)行燃燒，使其進(jìn)一步氧化還原得到N2，最后對得到的物體進(jìn)行15N豐度測量[28]。

4 結(jié)語

無機(jī)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）作為氮素循環(huán)的重要組成部分，其在不同土壤類型、植物群落以及土地利用方式中受含水量、溫度等影響，所形成的時空變化差異非常大，讓人們認(rèn)識到整個土壤生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性。國內(nèi)外在無機(jī)氮研究方法上，主要通過室內(nèi)模擬和原位培養(yǎng)的方法，對無機(jī)氮變化因子進(jìn)行研究。其中，室內(nèi)模擬實(shí)驗容易改變土壤溫度和水分等條件，易得到土壤無機(jī)氮變化規(guī)律，但是由于研究方法和凍融格局的差異，最終的結(jié)果也未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。與室內(nèi)模擬凍融實(shí)驗相比，野外原位實(shí)驗彌補(bǔ)了溫度、水分極端變化的缺陷，極大地還原了無機(jī)氮在自然條件下的變化規(guī)律，但目前野外原位監(jiān)測實(shí)驗較少，研究還僅局限于小尺度環(huán)境下單一因素的影響，并不能全面反映無機(jī)氮在多變的土壤環(huán)境中的變化情況。

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