土壤礦質(zhì)氮及其測(cè)定方法研究進(jìn)展

蘇涵 王維 張巧鳳 侯會(huì) 耿曉月 董韋 徐振

摘要土壤礦質(zhì)氮是土壤氮素的重要組成部分，在土壤氮素的轉(zhuǎn)化中起重要作用，是反映土壤肥力的一大指標(biāo)，主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。土壤礦質(zhì)氮的累積與土壤微生物、施肥、溫度、水分、耕作方式和土地利用方式密切相關(guān)。土壤礦質(zhì)氮的流失可能會(huì)造成土壤肥力下降、地表水體富營(yíng)養(yǎng)化，釋放的氧化亞氮會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)，最終影響人類的生存發(fā)展。從土壤礦質(zhì)氮的組成與來源、影響氮素礦化的因素、礦質(zhì)氮的提取與測(cè)試以及對(duì)環(huán)境的影響4個(gè)方面進(jìn)行綜述，并對(duì)各種測(cè)試方法進(jìn)行比較，以期為土壤礦質(zhì)氮的研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞土壤硝態(tài)氮；土壤銨態(tài)氮；氮素礦化；提取與測(cè)試；環(huán)境效應(yīng)

中圖分類號(hào)S 153文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2023）24-0024-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.24.005

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research Progress of Soil Mineral Nitrogen and Its Determination Methods

SU Han， WANG Wei， ZHANG Qiaofeng et al

（Xuzhou Institute of Agricultural Sciences in Xuhuai District in Jiangsu Province， Xuzhou， Jiangsu 221131）

AbstractSoil mineral nitrogen is an important component of soil nitrogen， plays an important role in the transformation of soil nitrogen， and is a major indicator reflecting soil fertility， mainly including nitrate nitrogen and ammonium nitrogen. The accumulation of soil mineral nitrogen is closely related to soil microorganisms， fertilization， temperature， water， tillage and land use. The loss of soil mineral nitrogen may cause the decline of soil fertility， the eutrophication of surface water and the release of nitrous oxide， which will lead to the greenhouse effect and ultimately affect the survival and development of human beings. This paper summarized the composition and source of soil mineral nitrogen， the factors affecting nitrogen mineralization， the extraction and testing of mineral nitrogen， and the impact on the environment， and compared various testing methods in order to provide a basis for the study of soil mineral nitrogen.

Key wordsSoil nitrate nitrogen；Soil ammonium nitrogen；Nitrogen mineralization；Extraction and testing；Environmental effect

土壤氮素是植物生長(zhǎng)的大量元素之一，缺氮會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低。土壤礦質(zhì)氮占土壤氮素的1%～5%［1］，是土壤氮素的重要組成部分。土壤礦質(zhì)氮能夠溶于水，可以被大多數(shù)植物直接吸收利用，是土壤重要的養(yǎng)分指標(biāo)，也是反映土壤肥力的一個(gè)相對(duì)指標(biāo)［2］。土壤礦質(zhì)氮的流失會(huì)引發(fā)一系列的環(huán)境問題。因此，一直是國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的研究重點(diǎn)［3-6］。該研究從土壤礦質(zhì)氮的組成與來源、影響氮素礦化的因素、礦質(zhì)氮的提取與測(cè)試以及對(duì)環(huán)境的影響4個(gè)方面進(jìn)行綜述，并對(duì)各種測(cè)試方法進(jìn)行比較，以期為土壤礦質(zhì)氮的研究提供依據(jù)。

1土壤礦質(zhì)氮的組成與來源

土壤礦質(zhì)氮也稱土壤無機(jī)態(tài)氮，主要包括土壤硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，其中亞硝態(tài)氮被視為土壤氮素轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物，很容易轉(zhuǎn)化成有機(jī)態(tài)氮、一氧化氮、氧化亞氮、硝態(tài)氮等，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中很難累積［7］，所以在土壤礦質(zhì)氮的研究中經(jīng)常被忽略［8-11］，因此，該研究主要針對(duì)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮進(jìn)行討論。

有機(jī)氮占土壤氮素的95%以上，但是絕大部分的有機(jī)氮并不能直接被植物吸收利用，只有礦化為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，才能保障土壤氮素的有效性［12］。因此，有機(jī)氮的礦化是土壤礦質(zhì)氮的一大來源。除此之外，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，氮肥的施入是土壤礦質(zhì)氮的又一重要來源。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量遠(yuǎn)超過作物生長(zhǎng)所需要的氮量時(shí)，土壤礦質(zhì)氮會(huì)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中累積，引發(fā)一系列環(huán)境問題［13］。

2影響土壤氮素礦化的因素

土壤氮素的礦化問題是解決農(nóng)田污染、提高作物產(chǎn)量的瓶頸，對(duì)土壤礦質(zhì)氮的含量變化有重要影響。影響土壤氮素礦化的因素包括生物因素和非生物因素。

2.1生物因素

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是土壤氮素轉(zhuǎn)化的媒介和驅(qū)動(dòng)力。氮循環(huán)的4個(gè)主要過程：固氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用均受其驅(qū)動(dòng)［14］。微生物的活性決定氮的礦化速率。氮肥的大量使用，導(dǎo)致土壤微生物的礦化作用在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的作用常被忽略，但是在養(yǎng)分貧瘠的自然土壤上，土壤微生物的礦化作用顯得至關(guān)重要。土壤微生物是養(yǎng)分固定和有機(jī)氮礦化分解的核心動(dòng)力，推動(dòng)土壤氮循環(huán)的整個(gè)過程［15-18］。

2.2非生物因素

土壤氮素的礦化不僅受生物因素的影響，也受非生物因素的影響。影響土壤氮素礦化的非生物因素有很多，如溫度、水分、施肥、耕作方式、土地利用方式等。溫度對(duì)土壤礦化的影響比較復(fù)雜，一方面，適當(dāng)?shù)脑鰷貢?huì)使微生物的活性增加，從而促進(jìn)土壤氮素的礦化；另一方面，增溫使得土壤水分蒸發(fā)，可能會(huì)使草原生態(tài)系統(tǒng)土壤濕度降低，從而抵消了增溫對(duì)土壤氮礦化的正面效應(yīng)［19］。王連峰等［20］為了探究水分、溫度對(duì)硝化細(xì)菌與反硝化細(xì)菌的影響，采集亞熱帶季風(fēng)氣候的紅黏土和紅砂土在不同條件下進(jìn)行研究。結(jié)果表明，低溫抑制這2種細(xì)菌的活力，不利于氮素的轉(zhuǎn)化；淹水不利于這2種細(xì)菌的生存，但有利于保持反硝化細(xì)菌的活力。但小倩等［21］采用15N成對(duì)標(biāo)記技術(shù)，對(duì)亞熱帶季風(fēng)氣候的江西紅壤進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)紅壤中的銨態(tài)氮主要是由易分解的有機(jī)氮礦化產(chǎn)生的，土壤含水量越大，銨態(tài)氮產(chǎn)生越多，該研究結(jié)果或許與該區(qū)域優(yōu)勢(shì)植被的凋落物有關(guān)。郎漫等［22］對(duì)黑龍江半干旱地區(qū)的砂壤土氮素轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)淹水可以抑制土壤硝化，從而降低土壤氮素淋溶損失的風(fēng)險(xiǎn)，與此同時(shí)有機(jī)氮的固定速率跟礦化速率都明顯的提高，該結(jié)果對(duì)砂壤土農(nóng)田的管理具有一定的指導(dǎo)意義。武丹丹等［23］研究了溫度和降水量對(duì)青藏高原地區(qū)高寒草甸土壤無機(jī)氮的影響，發(fā)現(xiàn)增溫導(dǎo)致土壤無機(jī)氮含量下降，降水量增加則會(huì)顯著增加土壤無機(jī)氮的含量。氮肥的施用種類和施用量對(duì)土壤礦質(zhì)氮的含量和礦質(zhì)氮的轉(zhuǎn)化也有很大影響［24］。潘飛飛等［25］通過添加外源氮的方式，對(duì)不同年限的設(shè)施土壤中的礦質(zhì)氮進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)種植年限越久，土壤礦質(zhì)氮含量越高；在同一種植年限下，施氮量越高，土壤礦質(zhì)氮的含量越高；同一施氮處理?xiàng)l件下，施用無機(jī)肥效果強(qiáng)于有機(jī)肥，但是隨著種植年限的增加，施加氮肥對(duì)土壤礦質(zhì)氮含量的增加效果減弱。不同的耕作方式對(duì)土壤硝態(tài)氮有一定的影響。地膜覆蓋不僅可以改善水熱狀況，對(duì)土壤氮素的礦化也有促進(jìn)作用，同時(shí)減緩?fù)寥老鯌B(tài)氮向下遷移的速度，減小淋溶，對(duì)增加作物產(chǎn)量，提高氮肥使用率有重要意義［26］。免耕可以提高土壤水分的利用效率和土壤肥力，但是長(zhǎng)期的免耕，可能導(dǎo)致土壤表層養(yǎng)分富集，對(duì)作物的生長(zhǎng)不利［27］。秸稈覆蓋能夠有效保溫，降低土壤容重，促進(jìn)土壤肥力的發(fā)酵［28］。胡錦昇等［29］通過對(duì)旱地春玉米長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究6種耕作措施對(duì)土壤水分和硝態(tài)氮淋溶的影響，發(fā)現(xiàn)不同的耕作方式可以通過對(duì)水分的調(diào)節(jié)減少硝態(tài)氮的淋溶，從而提高氮素的利用率。唐江華等［30］研究了秸稈全量還田的情況下北疆地區(qū)不同耕作措施對(duì)土壤氮素的影響，發(fā)現(xiàn)翻耕覆膜和翻耕均能提高土壤氮素的利用效率，更利于大豆的生長(zhǎng)，但是覆膜也可能導(dǎo)致殘膜滯留土壤，造成新的污染。同一地區(qū)，不同土地利用方式氮的收支差異較大，劉明慶等［31］以浙江建德一村為研究對(duì)象，分析不同土地利用方式下土壤肥力情況，結(jié)果表明旱地土壤氮處于缺乏水平。韓軼才等［32］研究了千島湖流域的氮的收支特征，采取各種方式評(píng)估不同土地利用方式下氮素的收支平衡與差異，結(jié)果表明，氮輸入量較高的是園地和耕地，輸出量最高的是菜地，自然林地氮素的輸入、輸出量均比較少。

3礦質(zhì)氮的提取測(cè)定

3.1土壤礦質(zhì)氮的提取

土壤礦質(zhì)氮可以用氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣等溶液浸提，也可以用電超濾法（EUF）提取。電超濾法的工作原理是電超濾儀的正負(fù)極在與直流電源相連時(shí)，土壤懸濁液中的正負(fù)離子會(huì)在電場(chǎng)的作用下，向兩極遷移，收集兩極的濾液，即可以測(cè)定不同形態(tài)的氮離子。但是EUF提取氮素費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、重復(fù)性不好［33］，因此逐漸被化學(xué)提取法取代?；瘜W(xué)提取法比EUF法更加方便、快速、準(zhǔn)確，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了各種土壤礦質(zhì)氮的浸提劑。大量試驗(yàn)表明，使用氯化鉀、氯化鈣等溫和的浸提劑不會(huì)引起土壤性質(zhì)的巨大改變，能較真實(shí)地反映土壤的情況，因此被廣泛應(yīng)用。李生秀等［34］用幾種不同的測(cè)氮方法比較旱地土壤供氮能力，發(fā)現(xiàn)不同浸提劑對(duì)土壤銨態(tài)氮的浸提能力不同，1.000 mol/L氯化鉀的浸提效果最佳，0.001 mol/L氯化鈣次之，水浸提的效果最差。劉育紅等［35］對(duì)浙江嘉興的稻田土壤氮素礦化進(jìn)行研究，結(jié)合盆栽試驗(yàn)，用KCl加熱煮沸法和2種不同的淹水密閉培養(yǎng)法進(jìn)行比較，結(jié)果表明，氯化鉀煮沸法能更好地測(cè)定土壤供氮能力。王海妹等［36］為了提高浸提土壤硝酸鹽的效率，采用超聲法對(duì)浸提液氯化鉀的濃度、提取時(shí)間、料液比和樣品取樣量進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)稱取20 g土壤樣品，加入100 mL 1.0 mol/L的氯化鉀溶液，超聲提取15 min提取效果最好，超聲提取法的加標(biāo)回收率也高于常用的震蕩提取法，滿足檢測(cè)需求。潘艷等［37］用氯化鈣浸提土壤中的硝酸鹽氮，通過單因素試驗(yàn)法，研究氯化鈣濃度、浸提時(shí)間對(duì)硝態(tài)氮浸提效果的影響，結(jié)果表明氯化鈣的濃度對(duì)土壤硝態(tài)氮的浸提有顯著影響，而浸提時(shí)間對(duì)浸提的影響不明顯。我國(guó)國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)《HJ 634—2012土壤 氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測(cè)定》也是用1.0 mol/L氯化鉀進(jìn)行浸提，表明可溶性鹽作為土壤礦質(zhì)氮的浸提劑已經(jīng)得到普遍認(rèn)可。土壤樣品的預(yù)處理方式對(duì)土壤礦質(zhì)氮的測(cè)定結(jié)果也有很大的影響。孟盈等［38］研究烘干、風(fēng)干對(duì)不同熱帶森林土壤礦質(zhì)氮測(cè)定的影響，結(jié)果表明烘干和風(fēng)干對(duì)森林土壤的銨態(tài)氮有顯著影響，含量顯著高于新鮮土，而烘干則會(huì)導(dǎo)致土壤的硝態(tài)氮含量顯著下降。趙瑞芬等［39］研究了大棚土壤處理方式對(duì)礦質(zhì)氮的影響，發(fā)現(xiàn)土壤預(yù)處理方式對(duì)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮均有顯著性影響，銨態(tài)氮的含量為烘干土>風(fēng)干土>新鮮土，硝態(tài)氮的含量為烘干土>風(fēng)干土>新鮮土。有研究者認(rèn)為，升溫和干燥會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而釋放銨態(tài)氮和二氧化碳?xì)怏w。銨態(tài)氮的含量隨著溫度升高，明顯增加，這與已有的報(bào)道結(jié)論一致［40］。而干燥對(duì)硝態(tài)氮含量的影響，尚無一致的定論。因此，土壤礦質(zhì)氮的測(cè)定最好采用新鮮土樣，然而在現(xiàn)實(shí)中，采回來的樣品會(huì)受到各種客觀條件的限制，無法立即浸提、上機(jī)測(cè)定，土樣則需要暫時(shí)保存，我國(guó)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)HJ 634—2012 也對(duì)土壤礦質(zhì)氮的保存條件進(jìn)行了明確的規(guī)定，以減小測(cè)試誤差。綜上所述，在土壤樣品的處理過程中，不同的浸提液、土壤預(yù)處理方式對(duì)土壤礦質(zhì)氮的浸提有影響，使得測(cè)定結(jié)果相差較大，因此，應(yīng)綜合考慮土壤有機(jī)質(zhì)的含量、土壤質(zhì)地，參照標(biāo)準(zhǔn)的保存辦法，選用合適的方法對(duì)土壤樣品進(jìn)行處理。

3.2土壤礦質(zhì)氮的測(cè)定

3.2.1土壤浸提液中硝態(tài)氮的測(cè)定。

土壤浸提液中硝態(tài)氮的測(cè)定主要有酚二磺酸法、還原蒸餾法、電極法、紫外分光光度法、離子色譜法、氣相分子吸收光譜法等。前2種是測(cè)定土壤硝態(tài)氮的經(jīng)典方法［41］。酚二磺酸法具有顯色穩(wěn)定、測(cè)定范圍寬、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但是操作復(fù)雜，易受其他離子的干擾，不適合樣品的批量測(cè)定。還原蒸餾法不易受其他離子干擾，結(jié)果準(zhǔn)確可靠但是滴定終點(diǎn)的判定容易出現(xiàn)誤差，不適合對(duì)顏色不敏感的實(shí)驗(yàn)人員和新手，也不適合大量樣品的測(cè)定。離子選擇電極法作為一種快速、低成本檢測(cè)硝態(tài)氮的方法應(yīng)時(shí)而生，但電極本身的干擾和背景噪音無法避免，易引起誤差，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，精確度高、適用于大批量樣品測(cè)定的儀器逐漸被開發(fā)利用，如紫外分光光度法、離子色譜法、氣相分子吸收光譜法、連續(xù)流動(dòng)分析法等。紫外分光光度法操作簡(jiǎn)單、測(cè)定速度快，但是對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量高的土壤樣品校正因數(shù)不好確認(rèn)。離子色譜法、氣相分子吸收光譜法、連續(xù)流動(dòng)分析法均可以測(cè)定多種形態(tài)的氮素，操作簡(jiǎn)單、分析速度快、精確度高、重復(fù)性好、自動(dòng)化程度高，但是儀器價(jià)格昂貴。同時(shí)，連續(xù)流動(dòng)分析法是《LY/T 1228—2015森林土壤氮的測(cè)定》中硝態(tài)氮測(cè)定的經(jīng)典方法。

3.2.2土壤浸提液中銨態(tài)氮的測(cè)定。

土壤浸提液中銨態(tài)氮的測(cè)定方法主要有離子色譜法、氣相分子吸收光譜法、連續(xù)流動(dòng)儀法、靛酚藍(lán)分光光度法、納氏試劑比色法等。離子色譜法、氣相分子吸收光譜法、連續(xù)流動(dòng)儀法自動(dòng)化程度高、分析速度快、檢測(cè)準(zhǔn)確，但成本相對(duì)較高；靛酚藍(lán)分光光度法的檢測(cè)成本相對(duì)較低，但是檢測(cè)結(jié)果易受外界因素的影響，如試劑、溫度、顯色劑等。納氏試劑比色法易受土壤中金屬離子的影響、操作相對(duì)復(fù)雜且用到的試劑毒性較大，不利于檢測(cè)人員的身體健康，逐漸被其他方法取代。靛酚藍(lán)比色法和連續(xù)流動(dòng)分析儀法是林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中森林土壤銨態(tài)氮測(cè)定的經(jīng)典方法。

4土壤礦質(zhì)氮的環(huán)境影響

土壤礦質(zhì)氮的流失主要有淋溶損失和溫室氣體的釋放2種方式。淋溶導(dǎo)致土壤肥力下降，水體富營(yíng)養(yǎng)化。土壤中礦質(zhì)氮淋溶損失需滿足2個(gè)基本條件：①土壤中有易移動(dòng)的氮源的累積（主要是硝態(tài)氮）；②土壤中有水分運(yùn)動(dòng)的存在，土壤水分運(yùn)動(dòng)是土壤礦質(zhì)氮淋溶的發(fā)動(dòng)機(jī)。土壤礦質(zhì)氮的淋溶損失受這2個(gè)因素影響［42］。大量研究表明，硝態(tài)氮難以被土壤顆粒吸附，在降水或灌溉水的作用下容易向下遷移，到達(dá)一定深度后，植物難以吸收利用，最終進(jìn)入水體環(huán)境，對(duì)水體環(huán)境造成污染。因此，科學(xué)家們對(duì)降低土壤氮素的損失，減少水土氣的污染進(jìn)行了不斷研究和各種探索［43-45］。李宗新等［46］研究了山東地區(qū)棕壤土在不同施肥條件下的養(yǎng)分淋溶規(guī)律，證實(shí)了硝態(tài)氮淋溶是土壤氮素淋溶的主要形式，與任麗萍等［47］、王少平等［48］的研究是一致的。研究發(fā)現(xiàn)，華北平原地區(qū)地下水的硝酸鹽含量超標(biāo)19.3%，有些地區(qū)甚至更高［49］，直接影響人類的健康，過量的硝酸鹽在人體內(nèi)積存，會(huì)轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽不僅會(huì)引發(fā)高鐵血紅蛋白癥，還能生成致癌物質(zhì)——亞硝胺。研究表明，硝化過程跟反硝化過程均會(huì)產(chǎn)生氧化亞氮。在對(duì)全球溫室氣體排放源的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的溫室氣體占全球溫室氣體排放總量的1/4［50］，其中1/2來自耕地土壤氮肥脫氮產(chǎn)生的氧化亞氮，因此作物施肥是溫室氣體氧化亞氮排放的重要來源［51］。氧化亞氮對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率雖僅為二氧化碳的1/12，甲烷的1/3，但是其增溫效應(yīng)卻是二氧化碳的296～310倍［52-54］，對(duì)臭氧層也有很強(qiáng)的破壞性［55］。綜上所述，應(yīng)該加強(qiáng)土壤礦質(zhì)氮的研究，減少礦質(zhì)氮的淋溶損失，同時(shí)加強(qiáng)礦質(zhì)氮轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究，為氧化亞氮排放量的估算提供更準(zhǔn)確、更全面、更有價(jià)值的數(shù)據(jù)支撐。

5結(jié)語(yǔ)

土壤礦質(zhì)氮作為土壤氮素的重要組成部分，在生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程中起著重要作用。因此，研究土壤礦質(zhì)氮對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的平衡、化肥的使用、作物的生長(zhǎng)發(fā)育、生態(tài)環(huán)境等有重要意義。應(yīng)當(dāng)更深一步地探索土壤礦質(zhì)氮化學(xué)屬性和生物學(xué)屬性，加強(qiáng)土壤微生物的機(jī)理研究，進(jìn)一步明確土壤礦質(zhì)氮的轉(zhuǎn)化機(jī)制，開發(fā)檢測(cè)土壤礦質(zhì)氮的新方法，揭示土壤礦質(zhì)氮在土壤氮循環(huán)中的角色，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，減少其帶來的生態(tài)環(huán)境問題。

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