基于15N 示蹤技術(shù)的鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化模擬

洪明海，嚴(yán) 濤，劉 輝，魏文杰，汪仕偉，王興建，馮楚橋

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

土壤鹽漬化是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因素［1］。我國鹽漬土總面積超過1 億hm2，廣泛分布在西北、華北、東北以及沿海地區(qū)，其中西北內(nèi)陸地區(qū)鹽漬化耕地面積占總耕地面積的15%［2］。在一定的鹽度范圍內(nèi)，施加氮肥能夠有效緩解鹽分對作物生長的不利影響，提高作物產(chǎn)量［3］。曾文治等［4］通過田間實驗發(fā)現(xiàn)增施氮肥可提高鹽漬地區(qū)向日葵對氮肥的利用率，得出河套灌區(qū)135 kg/hm2是較合理的施氮水平。

土壤氮素轉(zhuǎn)化研究是作物估產(chǎn)、環(huán)境評價、農(nóng)田管理、農(nóng)業(yè)相關(guān)政策和鹽堿地治理措施的重要依據(jù)，由于各氮素參與的反應(yīng)過程受到土壤水分［5］、鹽分［6］、溫度、微生物活動［7］、通氣等眾多因素影響，監(jiān)測困難。因此，建立氮素轉(zhuǎn)化數(shù)值模型成為十分有效的研究手段［8，9］。最早出現(xiàn)基于單個土壤氮循環(huán)過程方面的報道是1954 年Kirkham 和Bartholomew［10］考慮了礦化氮和有機氮，從解析方程上進(jìn)行分析計算，1955 年他們又對模型的假設(shè)進(jìn)行了修正［11］。60多年來，基于Kirkham 和Bartholomew 的研究出現(xiàn)了大量的土壤氮循環(huán)模型［12-15］。1973 年Stanford 和Smith［16］提出了氮素礦化的一階動力學(xué)反應(yīng)模型，Myrold 和Tiedje［15］首次采用數(shù)值方法計算了氮的總轉(zhuǎn)化速率，Wessel 和Tietema［17］同時考慮了銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的同化，氮的礦化硝化過程，建立了新的概念模型；1998年Marry等［14］人采用同位素氮示蹤的方法開展裸土實驗，開發(fā)了FLUAZ 土壤氮轉(zhuǎn)化模型，從機理上較系統(tǒng)地分析了土壤中存在的主要氮素轉(zhuǎn)化過程并在后續(xù)的實驗中得到驗證，得到了非常廣泛的應(yīng)用；2004 年Muller等［13］人指出FLUAZ模型并不能模擬土壤氮素動態(tài)轉(zhuǎn)化，分別對草原土壤采用標(biāo)記同位素搜集數(shù)據(jù)，開發(fā)了氮素示蹤模型［13，18］，2005 年Jesper Luxhoi［19，20］認(rèn)為Muller 的數(shù)值模型無法同時求解9個過程，并對該模型的部分轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生質(zhì)疑；為了進(jìn)一步完善模型的求解過程，2007 年Muller 等人結(jié)合馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機采樣算法優(yōu)化模型的求解參數(shù)過程［21，22］，提高了氮素總轉(zhuǎn)化速率的計算個數(shù)和精度，使土壤氮的總轉(zhuǎn)化速率計算更加接近真實情形。2013 年Inselsbacher 等［12］人考慮了作物對土壤中氮素的吸收開發(fā)了新一代的氮素示蹤模型，分析和驗證了土壤氮循環(huán)中存在的14個轉(zhuǎn)化過程。

盡管已有的研究反映了氮素轉(zhuǎn)化的部分規(guī)律，推動了土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究，但是一方面，解析模型在推導(dǎo)過程中并未考慮同位素標(biāo)記氮的再礦化或反硝化再次回到標(biāo)記氮庫的影響，難以用于計算發(fā)生這一轉(zhuǎn)化過程之后（時間難以確定）的氮素轉(zhuǎn)化率；另一方面，現(xiàn)有的氮素轉(zhuǎn)化模型多在非鹽漬土地區(qū)獲得，不同地區(qū)對土壤氮素轉(zhuǎn)化的過程不全相同，因此對于鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的數(shù)值模擬方法還有待進(jìn)一步的驗證和完善。

1 實驗與方法

1.1 研究區(qū)概況及實驗土樣

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)五原縣永聯(lián)實驗基地（108°00'16.14″E，41°04'11.57″N）。該地區(qū)海拔約為1 030 m，地處黃河北岸，是河套灌區(qū)主要的鹽漬土分布區(qū)。供試土樣選取研究區(qū)鹽分含量較低的沙壤土（ECe=2.01 dS/m，S1），其pH 值為8.71～8.80，呈弱堿性，容重為1.35 g/cm3；土壤中交換性鈣、鎂、鐵3 種元素含量較高（44.44、8.03、12.46 cmol/kg），鉀、鈉元素則較少（0.39、2.02 cmol/kg），總氮、總碳分別為0.7、20.3 g/kg，含量最多的是碳元素，為2.03%，此外，土樣中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮（亞硝態(tài)氮）的分別為3.66 mg/kg和33.92 mg/kg。

1.2 鹽分設(shè)置和處理

實驗以基礎(chǔ)土樣的鹽度值為基本處理（S1），其飽和浸提電導(dǎo)率值ECe為2.01 dS/m為S1處理，根據(jù)基礎(chǔ)土樣中的交換性鉀、鈉、鈣、鎂等的含量，添加硫酸鉀（K2SO4）、硫酸鎂（MgSO4）、碳酸鈉（Na2CO3）、碳酸氫鈉（NaHCO3）、氯化鈣（CaCl2）5 種鹽分以形成6 個不同的鹽度值（S1：ECe=2.01 dS/m，S2：ECe=6 dS/m，S3：ECe=12 dS/m，S4：ECe=16 dS/m，S5：ECe=20 dS/m，S6：ECe=25 dS/m），其所對應(yīng)的各鹽度的添加值如表1所示。

表1 鹽分設(shè)置情況Tab.1 Setting of salt

培養(yǎng)容器直徑5 cm，高10 cm 的圓柱形有機玻璃容器，每個填土高度為3 cm。各培養(yǎng)容器中以每克干土對應(yīng)7.14 μmol N的比例添加3 種不同15N 標(biāo)記的硝酸銨，其中標(biāo)記15N 的原子百分?jǐn)?shù)（atom %）分別為15NH4NO3：10.12、NH415NO3：10.18 和15NH415NO3：10.18。

1.3 實驗步驟

（1）土樣預(yù)處理。取土，稱取約80 g 相應(yīng)鹽分水平的土，曬干、磨碎、過2 mm篩，按照質(zhì)量含水量為25%添加約20 mL去離子水，充分混勻后封口放入培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h。

（2）填土培養(yǎng)。將培養(yǎng)土填裝進(jìn)Φ5×10 cm 的培養(yǎng)容器，土裝3 cm 高，按照7.14 μmol/g 分3層（0.5、1.5、2.5 cm）用注射器添加同位素氮。

（3）取樣。依次在4、24、72、144、288 h（12 d）5 個時間點取樣，同時測定取樣時培養(yǎng)箱中的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境變量參數(shù)。

（4）氮素浸提。對以上各時間點取出的培養(yǎng)容器9 個（3 個硝酸銨標(biāo)記各3個），按照土水比1∶5用高純度2 mol/L KCl 溶液浸提氮素，將濾液調(diào)轉(zhuǎn)移到離心管（10～12 mL）送檢。

2 氮素轉(zhuǎn)化模型

2.1 同位素稀釋原理

同位素稀釋法是測定土壤中氮素轉(zhuǎn)化速率最重要的方法之一［23］。其基本原理為：某一形態(tài)的氮庫用15N 標(biāo)記后，當(dāng)未標(biāo)記的其他形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為該標(biāo)記狀態(tài)的氮素時，此時，標(biāo)記態(tài)的氮素15N 總量不變，而標(biāo)記狀態(tài)的氮總量增大，這樣就形成分子不變，分母增大，從而導(dǎo)致標(biāo)記態(tài)的氮素15N 被稀釋；當(dāng)標(biāo)記狀態(tài)的氮素向其他形態(tài)的氮素轉(zhuǎn)化時，其14N 和15N 被利用的情況是等可能性的，因此這一轉(zhuǎn)化過程被標(biāo)記狀態(tài)的14N 和15N 同時下降；綜上，標(biāo)記狀態(tài)的14N 增加的同時15N 在減少，因此形成了標(biāo)記狀態(tài)的同位素15N 被稀釋，結(jié)合氮庫的含量變化即可計算土壤氮素的總轉(zhuǎn)化速率。

根據(jù)同位素稀釋原理，可得總礦化速率m、總同化速率i如式（1）、（2）：

當(dāng)i＜m和i=m時，也可推導(dǎo)出相應(yīng)的總礦化速率和總同化速率計算公式［10，11］。

2.2 一階動力學(xué)方程

根據(jù)同位素稀釋原理以及質(zhì)量守恒有：

式中：A、A14、A15、N、N14、N15、Norg、14Norg、15Norg、Nnit、14Nnit、15Nnit分別表示銨態(tài)氮庫、硝態(tài)氮庫、有機氮庫及亞硝態(tài)氮庫的總量、14態(tài)氮的量以及15 態(tài)氮的量（mg/kg）；m、h、v、n1、ia、d1、d2、n2、d0、in分別表示礦化速率、異養(yǎng)硝化速率、氨揮發(fā)速率、第一階段硝化速率、銨態(tài)氮同化速率、異化還原為銨第二階段速率、反硝化第二階段速率、硝化第二階段速率、反硝化或者異化還原為銨第一階段速率、硝態(tài)氮同化速率［mg/（kg·h）］，按照式（12）計算，其中α、β、θ、γ為對應(yīng)的15N/（14N+15N）的比值。

大量研究表明土壤氮素轉(zhuǎn)化過程可以通過一階或者零階動力學(xué)方程進(jìn)行描述［13，14，24］，但是Muller等人建議，在對超過兩個數(shù)據(jù)點的長時間計算和模擬中一階動力學(xué)方程是比較合適的選擇［13］，Watson等［25］也證明了采用零階方程會低估土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中NO3-的消耗量，因此本文均假設(shè)各個過程滿足一階動力學(xué)方程，則有：

式中：Km、Kh、Kv、Kn1、Kia、Kd1、Kd2、Kn2、Kd0、Kin分別為對應(yīng)速率的一階動力學(xué)常數(shù)，也即是所有的一階動力學(xué)常數(shù)k隨時間不變，速率僅和氮庫的狀態(tài)量有關(guān)。

2.3 模型及初始化參數(shù)

因此，最終考慮10個轉(zhuǎn)化過程的模型如圖1所示。

圖1 氮素轉(zhuǎn)化模型Fig.1 Nitrogen transformation model

數(shù)據(jù)的輸入分別為3 種標(biāo)記的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮（包括14N和15N），具體的參數(shù)值請參見表2，模型的建立是利用Matlab R2017b軟件編程完成。

表2 初始的14N和15N輸入 mg/kgTab.2 Initial input 14N and 15N

3 結(jié)果與分析

不同標(biāo)記和不同鹽分的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮觀測值和模擬值的如圖2所示。4幅圖中，其決定系數(shù)R2均大于0.5，說明模型模擬值和觀測值相關(guān)性程度高，而S2銨態(tài)氮（14N+15N 和15N）的觀測值和模擬值、S4（15NH4NO3）硝態(tài)氮（14N+15N 和15N）的觀測值和模擬值其決定系數(shù)均大于0.9，表明模型反映的觀測值和模擬值之間的離散程度很小，效果好；其中，銨態(tài)氮（15N）的觀測值和模擬值的擬合相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.91。從圖2中的所展示的納什系數(shù)來看，它們均大于0，說明模型可以接受［26，27］，且圖2（d）的納什系數(shù)更是達(dá)到了0.71，表明該模型對于S4鹽分處理硝態(tài)氮的模擬效果很好。偏差Bias為模擬值與觀測值的偏差程度，大的偏差值表明模擬值沒有很好地逼近觀測值，模擬效果差，圖2（a）～（d）的偏差依次為-3.46、-0.48、-0.53和1.39。

圖2 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮觀測值和模擬值結(jié)果比較Fig.2 Comparison of observed and simulated values of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen

S6鹽分處理的3 種標(biāo)記的15N 含量與14N+15N 含量的比值如圖3 所示。4 個比值中，α 最小，該比值不僅取決于其15N 的含量，還和總的有機氮含量有關(guān)，如添加15NH415NO3標(biāo)記的土樣，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮通過銨同化過程和硝同化過程轉(zhuǎn)化為帶標(biāo)記的有機氮（即15Norg），因此有機氮庫中15Norg的含量逐漸上升。同時，有機氮也通過礦化（再礦化）和異養(yǎng)硝化過程轉(zhuǎn)化為銨氮和硝氮消耗有機氮庫未標(biāo)記的有機氮，根據(jù)同位素等可能性原則，有機氮庫中的14N 和15N 的消耗比例是相同的，且有機氮庫的14Norg含量（其初值為532 mg/kg）大于15Norg含量（初始含量為0 mg/kg），因此14Norg的含量下降肯定大于15Norg含量的下降，這樣α比值的分子增大，分母減小，引起α增大［圖3（a）～（c）］；又因為有機氮庫中的14Norg含量都比其他3個氮庫中的14N含量多，銨氮庫最初的含量為59.45 mg/kg，僅為有機氮庫的11.18%，亞硝氮庫最初的含量為112 mg/kg，為有機氮庫的21.05%，硝氮庫最初的含量為89.71 mg/kg，占有機氮庫的16.86%，且銨態(tài)氮和硝態(tài)氮還在不斷轉(zhuǎn)化為有機氮，因此α始終最小，15NH4NO3標(biāo)記土樣α的最大值為288 h時的0.07%。

圖3 S6氮庫15N與14N+15N的比值變化Fig.3 Changes in the ratio of 15N to 14N +15N in S6 nitrogen pool

同樣，其他3 個氮庫的參數(shù)β、θ、γ的變化也類似，如添加NH415NO3標(biāo)記土樣中的γ，實驗開始后硝態(tài)氮庫中標(biāo)記態(tài)的氮（15NO3-）通過反硝化、硝氮同化以及異化還原為銨等過程轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)氮素離開硝氮庫，使15NO3-含量減小，另一方面，其他形態(tài)氮素通過硝化、異養(yǎng)硝化等過程不斷轉(zhuǎn)化進(jìn)入硝態(tài)氮庫，但其他氮庫中均不含標(biāo)記氮（15N），結(jié)合氮同位素等可能性原則這樣引起硝氮庫中的14NO3-含量增加，就形成分子減小，分目增大導(dǎo)致γ不斷減小，因此，氮庫中15N 含量與14N+15N 含量的比值變化關(guān)系很好地解釋了同位素稀釋原理。

氮素轉(zhuǎn)化速率是反映土壤中氮素轉(zhuǎn)化過程的實際速率，圖4 是本研究的10 個不同一階動力學(xué)常數(shù)與鹽分之間的擬合曲線及相關(guān)性，雖然氨揮發(fā)過程受到鹽分的促進(jìn)作用，但是其一階動力學(xué)常數(shù)和鹽分之間的擬合關(guān)系的決定系數(shù)R2并不高，只有0.36，可能的原因是氨揮發(fā)過程不僅受到鹽分的影響，同時也和其他本研究沒有涉及的因素存在很大的關(guān)系；而除了氨揮發(fā)的一階動力學(xué)常數(shù)之外，其余9 個一階動力學(xué)常數(shù)和鹽分之間的擬合曲線的R2均在0.65 以上，表明鹽分和一階動力學(xué)常數(shù)之間均有較好的擬合關(guān)系。其中，硝化作用第二階段的一階動力學(xué)常數(shù)Kn2和鹽分之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其擬合決定系數(shù)R20.98是所有擬合關(guān)系中最高的，觀測值和擬合曲線之間也很貼近，其誤差限Δ平均值為0.017，Kn2和鹽分的關(guān)系可以通過公式Kn2=39.59（lnS）2-244.27 lnS+393.86確定。

圖4 一階動力學(xué)常數(shù)和鹽分的擬合關(guān)系Fig.4 Fitting relationship between first order kinetic constant and salinity

4 結(jié)論

以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽漬土為研究對象，采用同位素標(biāo)記法開展室內(nèi)培養(yǎng)實驗，基于同位素稀釋原理和一階動力學(xué)方程建立了包含氨揮發(fā)v、反硝化第一階段或異化還原為銨第一階段d0、異化還原為銨第二階段d1、反硝化第二階段d2、礦化m、硝化第一階段n1、硝化第二階段n2、銨態(tài)氮同化ia、硝態(tài)氮同化in、異養(yǎng)硝化h等10 個土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的模型。通過初始化模型參數(shù)和調(diào)試，使模型較好地反映了同位素稀釋原理以及鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化的各過程，較好地模擬了實驗觀測值的趨勢變化，且對于標(biāo)記的和未標(biāo)記的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均得到了較優(yōu)的評價結(jié)果。