水分含量對(duì)黑土和棕鈣土有機(jī)氮礦化作用的影響

辛 亮，王文章，范銳鋒

（陜西博潤(rùn)檢測(cè)服務(wù)有限公司，陜西西安 710199）

土壤有機(jī)氮礦化是眾多氮素轉(zhuǎn)化過程中的一種，決定著農(nóng)田土壤肥力，影響著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的功能和生產(chǎn)力水平[1]。土壤中90%以上的氮素為有機(jī)氮，只有經(jīng)過微生物的礦化作用將其轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)氮，作物才能吸收利用。因此，在作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中，有機(jī)氮向無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化的有效性發(fā)揮著極為重要的作用[2]。所以，探究土壤有機(jī)氮礦化規(guī)律有利于準(zhǔn)確評(píng)估農(nóng)田土壤氮素有效性，可為氮素轉(zhuǎn)化過程的深入研究提供理論依據(jù)。

有機(jī)氮礦化受到土壤溫度[3]、土壤水分含量[4]、土壤理化性質(zhì)[5]、土壤類型[6]及施肥管理[7]等諸多因素的影響。水分作為決定土壤有機(jī)氮礦化過程重要的環(huán)境因素之一，已有不少學(xué)者研究了土壤水分含量對(duì)有機(jī)氮礦化作用的影響[8]。土壤水分的有效性及孔隙狀況，可以直接或者間接影響微生物的數(shù)量和活性，進(jìn)一步影響土壤有機(jī)氮礦化作用[9]。土壤含水量的變化不但可以影響氮素的有效性，還可以影響氮礦化速率和氮礦化潛力[10]。筆者通過采集不同類型土壤，利用室內(nèi)通氣培養(yǎng)方法，重點(diǎn)探討土壤水分（60%田間持水量和100%田間持水量）、土壤類型（黑土、棕鈣土）對(duì)土壤有機(jī)氮礦化的影響，為深入研究土壤氮礦化機(jī)制、影響因素和指導(dǎo)田間氮肥養(yǎng)分管理提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

選取黑土和棕鈣土作為供試土壤，其中黑土采自黑龍江省哈爾濱市，棕鈣土采自新疆庫(kù)爾勒市。田間取樣時(shí)均按S 形線路布點(diǎn)，采取深度0～20 cm 的混合土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室后剔除各種雜物并充分混合，然后磨細(xì)過2 mm篩。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稱取20.00 g 新鮮土樣，裝入100 mL 的藍(lán)色玻璃培養(yǎng)瓶中；加入純水調(diào)節(jié)土壤含水量至100%田間持水量（100%WFPS）和60%田間持水量（60%WFPS），共計(jì)4 種處理，見表1。每個(gè)處理設(shè)置12 個(gè)重復(fù)，共計(jì)48 瓶。試驗(yàn)過程中，將所有培養(yǎng)瓶口套上保鮮膜，避免土壤水分快速蒸發(fā)。為了保證通氣和減少水分損失，用牙簽扎若干小孔，然后放到培養(yǎng)箱中，調(diào)節(jié)溫度至30 ℃，恒溫避光培養(yǎng)，培養(yǎng)期間使用稱重法定期補(bǔ)水。在培育的第0 d、3 d、7 d、14 d，每個(gè)處理取3個(gè)測(cè)試樣，取出后迅速用液氮冷凍并保存于-80 ℃冰箱中。培養(yǎng)結(jié)束后，在實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一測(cè)定土樣中銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）濃度。

表1 試驗(yàn)處理組合

1.3 測(cè)定指標(biāo)與分析方法

培養(yǎng)結(jié)束后，立即用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定土壤中NH4+-N 和NO3--N 的含量。使用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù)并制圖。

土壤有機(jī)氮礦化相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

（1）式中：N為土壤礦質(zhì)氮含量，單位為mg·kg-1；m(NO3--N)為土壤硝態(tài)氮含量，單位為mg·kg-1；m(NH4+-N)為土壤銨態(tài)氮含量，單位為mg·kg-1。

（2）式中：Nt為培養(yǎng)時(shí)間t內(nèi)土壤有機(jī)氮累積礦化量，單位為mg·kg-1；N后為培養(yǎng)后礦質(zhì)氮含量，單位為mg·kg-1；N前為培養(yǎng)前礦質(zhì)氮含量，單位為mg·kg-1。

（3）式中：V為培養(yǎng)時(shí)間t內(nèi)土壤平均礦化速率，單位為mg·kg-1·d-1；Nt為培養(yǎng)時(shí)間t內(nèi)土壤有機(jī)氮累積礦化量，單位為mg·kg-1；t為培養(yǎng)時(shí)間，單位為d。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)氮礦化累積曲線

相同培養(yǎng)條件下，不同土壤類型、不同土壤含水量土壤有機(jī)氮礦化累積量曲線見圖1?？傮w上，不同土樣有機(jī)氮礦化累積量呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，即均隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加。在培養(yǎng)期間（3 d、7 d），不同土樣有機(jī)氮礦化累積量差異顯著（P＜0.05）；培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，4 種不同土樣有機(jī)氮礦化累積量分別為26.45 mg·kg-1（B1）、19.35 mg·kg-1（B2）、14.38 mg·kg-1（X1）、10.22 mg·kg-1（X2）。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，相同含水量條件下，黑土有機(jī)氮礦化累積量顯著高于棕鈣土（P＜0.05，B1 土樣是X1 土樣的1.84 倍，B2 土樣是X2 土樣的1.89 倍）；土壤類型相同時(shí)，100%田間持水量條件下有機(jī)氮礦化累積量顯著高于60%田間持水量條件（P＜0.05，B1 土樣比B2 土樣高36.69%，X1 土樣比X2 土樣高40.70%）。由此可見，黑土、100%田間持水量條件比棕鈣土、60%田間持水量條件更有利于有機(jī)氮礦化。

圖1 不同處理土壤有機(jī)氮礦化累積量曲線

2.2 土壤有機(jī)氮礦化速率

根據(jù)總的礦化趨勢(shì)和有機(jī)氮礦化累積量變化特征，可將整個(gè)礦化過程分為3 個(gè)階段：0～3 d、3～7 d、7～14 d。由圖2 可知，不同土樣間有機(jī)氮礦化速率差異較大，且達(dá)到顯著水平（P＜0.05）?？傮w上，4 個(gè)土樣有機(jī)氮礦化趨勢(shì)均表現(xiàn)為初始礦化速率高，礦化累積量增加較快（0～3 d），后期礦化變得較為平緩（3～7 d、7～14 d）。整個(gè)培養(yǎng)期間，4 種不同土樣有機(jī)氮礦化平均速率大小表現(xiàn)為B1＞B2＞X1＞X2。

圖2 不同處理土壤平均礦化速率

總的來看，相同含水量條件下，黑土平均礦化速率顯著高于棕鈣土（P＜0.05，B1 土樣平均礦化速率是X1 土樣的1.95 倍，B2 土樣平均礦化速率是X2 土樣的1.95 倍）；土壤類型相同時(shí)，100%田間持水量條件下有機(jī)氮礦化速率顯著高于60%田間持水量條件（P＜0.05，B1 土樣比B2 土樣高出37.97%，X1 土樣比X2土樣高出38.27%）。

3 結(jié)論與小結(jié)

培養(yǎng)前期（0～3 d），各土樣有機(jī)氮礦化作用在整個(gè)培養(yǎng)過程中較強(qiáng)，累積礦化量、礦化速率均最大，這是因?yàn)楸驹囼?yàn)所用土壤加水后，土壤環(huán)境得到改善，微生物大量繁殖增長(zhǎng)，礦化速率得到明顯提高[11]。3 d 以后，土壤有機(jī)氮礦化累積量增加幅度減小，礦化速率降低，這是因?yàn)檫B續(xù)培養(yǎng)期間沒有及時(shí)移走生成物，使得礦化的銨態(tài)氮不斷累積，累積的銨態(tài)氮既可以影響酶促反應(yīng)，又是微生物的分解產(chǎn)物，其達(dá)到一定濃度后，就會(huì)抑制氨氧化微生物的活動(dòng)[12]。

水分條件可以改變土壤孔隙狀況，通過影響通氣環(huán)境進(jìn)一步影響微生物，進(jìn)而影響土壤有機(jī)氮礦化作用[13]。在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩個(gè)水分梯度中，無(wú)論是黑土還是棕鈣土，100%田間持水量（100%WFPS）條件都比60%田間持水量（60%WFPS）更有利于土壤有機(jī)氮礦化。但是，王士超等研究表明，隨著含水率的升高，土壤累積礦化氮量逐漸增加；當(dāng)含水量達(dá)到100%WFPS 時(shí)，有機(jī)氮累積礦化量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，80%WFPS 處理下土壤有機(jī)氮礦化累積量顯著高于60%WFPS 和100%WFPS 處理[14]。此外，趙琦齊等、王?；鄣鹊难芯颗c本研究結(jié)果也不同[15-16]。鄭欠等研究表明，當(dāng)含水量超過一定范圍時(shí)，孔隙減小，土壤厭氧微生物作用增強(qiáng)，促進(jìn)土壤反硝化作用，使得無(wú)機(jī)氮以氣體形式損失[17]。出現(xiàn)不同的結(jié)果，可能與本研究使用土壤樣品本身的理化性質(zhì)有關(guān)。另外，雖然本試驗(yàn)結(jié)果表明兩種土壤在100%WFPS 時(shí)的有機(jī)氮礦化作用均強(qiáng)于60%WFPS 條件，但該結(jié)果不能反映出100%WFPS 是土壤有機(jī)氮礦化的最佳水分條件，最佳含水量也有可能出現(xiàn)在60%WFPS 和100%WFPS 之間的某一水分梯度。

相同水熱條件下，兩種類型土壤有機(jī)氮礦化累積量、礦化速率不盡相同，不同水分條件下均表現(xiàn)為黑土有機(jī)氮礦化累積量和礦化速率較大，這是因?yàn)樵囼?yàn)選用的兩種土壤有機(jī)質(zhì)含量不同。與西北棕鈣土相比，水氣更加協(xié)調(diào)的東北黑土結(jié)構(gòu)更好，有機(jī)質(zhì)含量較高，可礦化的有機(jī)氮較為豐富，微生物活性較高，從而進(jìn)一步促進(jìn)土壤氮素礦化[18]。

綜上，在室內(nèi)恒溫（30 ℃）短期培養(yǎng)下，東北黑土和西北棕鈣土培養(yǎng)前期土壤有機(jī)氮礦化累積量和礦化速率較高，后期土壤有機(jī)氮累積礦化量增加幅度變緩，礦化速率下降。土壤類型從一定程度上對(duì)土壤有機(jī)氮礦化具有顯著影響，黑土有機(jī)氮礦化作用明顯強(qiáng)于棕鈣土。土壤水分含量由田間持水量的60%增加到100%，土壤有機(jī)氮礦化累積量和礦化速率均呈增加趨勢(shì)。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)合理對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌水，控制土壤含水量，避免水分不足或者灌水過多影響土壤氮素礦化。