水分含量對黑土和棕鈣土有機氮礦化作用的影響

辛亮 王文章 范銳鋒

摘 要 為探究土壤水分對不同類型土壤有機氮礦化作用的影響，以東北地區黑土和西北地區棕鈣土為研究對象，通過15 d的短期室內恒溫（30 ℃）培養，分析了兩種土壤在不同含水量（60%和100%田間持水量）條件下，土壤有機氮礦化特征。結果表明，隨著培養的進行，各土樣有機氮礦化累積量逐漸增加，有機氮礦化速率逐漸降低。土壤類型從一定程度上對土壤有機氮礦化影響顯著，100%田間持水量條件下，黑土有機氮礦化累積量和平均礦化速率分別是棕鈣土的1.84倍和1.95倍（P<0.05）;60%田間持水量條件下，分別為棕鈣土的1.89倍和1.95倍（P<0.05）。水分同樣影響著土壤有機氮礦化，與60%田間持水量相比，100%田間持水量條件下黑土和棕鈣土有機氮礦化累積量分別提高36.69%和40.70%（P<0.05），平均礦化速率分別提高37.97%和38.27%（P<0.05）。黑土有機氮礦化作用較強，同時含水量增加會促進有機氮礦化，增加土壤有機氮累積礦化量。因此，建議在實際農業生產中綜合考慮土壤類型與水分條件對土壤有機氮礦化過程的影響。

關鍵詞 土壤水分含量;黑土;棕鈣土;有機氮礦化

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.13.037

土壤有機氮礦化是眾多氮素轉化過程中的一種，決定著農田土壤肥力，影響著農田生態系統的功能和生產力水平[1]。土壤中90%以上的氮素為有機氮，只有經過微生物的礦化作用將其轉化為無機態氮，作物才能吸收利用。因此，在作物生長發育過程中，有機氮向無機氮轉化的有效性發揮著極為重要的作用[2]。所以，探究土壤有機氮礦化規律有利于準確評估農田土壤氮素有效性，可為氮素轉化過程的深入研究提供理論依據。

有機氮礦化受到土壤溫度[3]、土壤水分含量[4]、土壤理化性質[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氮礦化過程重要的環境因素之一，已有不少學者研究了土壤水分含量對有機氮礦化作用的影響[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量和活性，進一步影響土壤有機氮礦化作用[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，利用室內通氣培養方法，重點探討土壤水分（60%田間持水量和100%田間持水量）、土壤類型（黑土、棕鈣土）對土壤有機氮礦化的影響，為深入研究土壤氮礦化機制、影響因素和指導田間氮肥養分管理提供理論和實驗依據。

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，棕鈣土采自新疆庫爾勒市。田間取樣時均按S形線路布點，采取深度0～20 cm的混合土樣，帶回實驗室后剔除各種雜物并充分混合，然后磨細過2 mm篩。

1.2? 試驗設計

稱取20.00 g新鮮土樣，裝入100 mL的藍色玻璃培養瓶中;加入純水調節土壤含水量至100%田間持水量（100%WFPS）和60%田間持水量（60%WFPS），共計4種處理，見表1。每個處理設置12個重復，共計48瓶。試驗過程中，將所有培養瓶口套上保鮮膜，避免土壤水分快速蒸發。為了保證通氣和減少水分損失，用牙簽扎若干小孔，然后放到培養箱中，調節溫度至30 ℃，恒溫避光培養，培養期間使用稱重法定期補水。在培育的第0 d、3 d、7 d、14 d，每個處理取3個測試樣，取出后迅速用液氮冷凍并保存于-80 ℃冰箱中。培養結束后，在實驗室統一測定土樣中銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）濃度。

1.3? 測定指標與分析方法

培養結束后，立即用全自動間斷化學分析儀測定土壤中NH4+-N和NO3--N的含量。使用Microsoft Excel 2016處理數據并制圖。

土壤有機氮礦化相關指標計算公式如下：

N=m（NO3--N）+ m（NH4+-N）? （1）

（1）式中：N為土壤礦質氮含量，單位為mg·kg-1;[mNO-3-N]為土壤硝態氮含量，單位為mg·kg-1;[mNH+4-N]為土壤銨態氮含量，單位為mg·kg-1。

Nt=N后-N前 （2）

（2）式中：Nt為培養時間t內土壤有機氮累積礦化量，單位為mg·kg-1;N后為培養后礦質氮含量，單位為mg·kg-1;N前為培養前礦質氮含量，單位為mg·kg-1。

V= Nt /t? ?（3）

（3）式中：V為培養時間t內土壤平均礦化速率，單位為mg·kg-1·d-1;Nt為培養時間t內土壤有機氮累積礦化量，單位為mg·kg-1;t為培養時間，單位為d。

2? 結果與分析

2.1? 土壤有機氮礦化累積曲線

相同培養條件下，不同土壤類型、不同土壤含水量土壤有機氮礦化累積量曲線見圖1。總體上，不同土樣有機氮礦化累積量呈現相似的變化規律，即均隨著培養時間延長逐漸增加。在培養期間（3 d、7 d），不同土樣有機氮礦化累積量差異顯著（P<0.05）;培養結束時，4種不同土樣有機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）。培養結束時，相同含水量條件下，黑土有機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，100%田間持水量條件下有機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氮礦化。

2.2? 土壤有機氮礦化速率

根據總的礦化趨勢和有機氮礦化累積量變化特征，可將整個礦化過程分為3個階段：0～3 d、3～7 d、7～14 d。由圖2可知，不同土樣間有機氮礦化速率差異較大，且達到顯著水平（P<0.05）。總體上，4個土樣有機氮礦化趨勢均表現為初始礦化速率高，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）。整個培養期間，4種不同土樣有機氮礦化平均速率大小表現為B1>B2>X1>X2。

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，100%田間持水量條件下有機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? 結論與小結

培養前期（0～3 d），各土樣有機氮礦化作用在整個培養過程中較強，累積礦化量、礦化速率均最大，這是因為本試驗所用土壤加水后，土壤環境得到改善，微生物大量繁殖增長，礦化速率得到明顯提高[11]。3 d以后，土壤有機氮礦化累積量增加幅度減小，礦化速率降低，這是因為連續培養期間沒有及時移走生成物，使得礦化的銨態氮不斷累積，累積的銨態氮既可以影響酶促反應，又是微生物的分解產物，其達到一定濃度后，就會抑制氨氧化微生物的活動[12]。

水分條件可以改變土壤孔隙狀況，通過影響通氣環境進一步影響微生物，進而影響土壤有機氮礦化作用[13]。在本試驗設計的兩個水分梯度中，無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;當含水量達到100%WFPS時，有機氮累積礦化量呈現降低趨勢，80%WFPS處理下土壤有機氮礦化累積量顯著高于60%WFPS和100%WFPS處理[14]。此外，趙琦齊等、王常慧等的研究與本研究結果也不同[15-16]。鄭欠等研究表明，當含水量超過一定范圍時，孔隙減小，土壤厭氧微生物作用增強，促進土壤反硝化作用，使得無機氮以氣體形式損失[17]。出現不同的結果，可能與本研究使用土壤樣品本身的理化性質有關。另外，雖然本試驗結果表明兩種土壤在100%WFPS時的有機氮礦化作用均強于60%WFPS條件，但該結果不能反映出100%WFPS是土壤有機氮礦化的最佳水分條件，最佳含水量也有可能出現在60%WFPS和100%WFPS之間的某一水分梯度。

相同水熱條件下，兩種類型土壤有機氮礦化累積量、礦化速率不盡相同，不同水分條件下均表現為黑土有機氮礦化累積量和礦化速率較大，這是因為試驗選用的兩種土壤有機質含量不同。與西北棕鈣土相比，水氣更加協調的東北黑土結構更好，有機質含量較高，可礦化的有機氮較為豐富，微生物活性較高，從而進一步促進土壤氮素礦化[18]。

綜上，在室內恒溫（30 ℃）短期培養下，東北黑土和西北棕鈣土培養前期土壤有機氮礦化累積量和礦化速率較高，后期土壤有機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土壤有機氮礦化具有顯著影響，黑土有機氮礦化作用明顯強于棕鈣土。土壤水分含量由田間持水量的60%增加到100%，土壤有機氮礦化累積量和礦化速率均呈增加趨勢。在實際農業生產中，應合理對農田進行灌水，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。

參考文獻：

[1] 王麗芹，齊玉春，董云社，等.凍融作用對陸地生態系統氮循環關鍵過程的影響效應及其機制[J].應用生態學報，2015，26（11）：3532-3544.

[2] 葛曉敏，王瑞華，唐羅忠，等.不同溫濕度條件下楊樹人工林土壤氮礦化特征研究[J].中國農學通報，2015，31（10）：208-213.

[3] 周旺明，秦勝金，劉景雙，等.沼澤濕地土壤氮礦化對溫度變化及凍融的響應[J].農業環境科學學報，2011，30（4）：806-811.

[4] 田飛飛，紀鴻飛，王樂云，等.施肥類型和水熱變化對農田土壤氮素礦化及可溶性有機氮動態變化的影響[J].環境科學，2018，39（10）：4717-4726.

[5] 李紫燕，李世清，李生秀.黃土高原典型土壤有機氮礦化過程[J].生態學報，2008（10）：4940-4950.

[6] 陳玉真，王峰，尤志明，等.不同類型茶園土壤氮素礦化特性及其與土壤性質的關系[J].福建農業學報，2015，30（7）：679-684.

[7] 方勝志，高佳蕊，王虹橋，等.氮肥與有機肥配施對設施土壤凈礦化氮動態變化的影響[J].土壤通報，2021，52（5）：1173-1181.

[8] 韓曉飛，鄭文冉，徐暢，等.重慶市植煙區不同肥力植煙土壤氮素礦化特性研究[J].中國農學通報，2010，26（24）：188-192.

[9] HU R， WANG X P， PAN Y X， et al. The response mechanisms of soil N mineralization under biological soil crusts to temperature and moisture in temperate desert regions[J]. European Journal of Soil Biology， 2014， 62： 66-73.

[10] 魏麗云.土壤水分動態對氮素凈礦化的影響[D].楊凌：西北農林科技大學，2019.

[11] 巨曉棠，李生秀.培養條件對土壤氮素礦化的影響[J].西北農業學報，1997（2）：67-70.

[12] 李生秀，艾紹英，何華.連續淹水培養條件下土壤氮素的礦化過程[J].西北農業大學學報，1999（1）：4-8.

[13] 田冬，高明，徐暢.土壤水分和氮添加對3種質地紫色土氮礦化及土壤pH的影響[J].水土保持學報，2016，30（1）：255-261.

[14] 王士超，陳竹君，周建斌，等.水分對不同栽培年限日光溫室土壤氮礦化的影響[J].干旱地區農業研究，2019，37（4）：124-131.

[15] 趙琦齊，沈玉娟，李平，等.溫度對太湖湖濱帶不同水分梯度土壤氮礦化的影響[J].南京林業大學學報（自然科學版），2011，35（6）：147-150.

[16] 王常慧，邢雪榮，韓興國.溫度和濕度對我國內蒙古羊草草原土壤凈氮礦化的影響[J].生態學報，2004（11）：2472-2476.

[17] 鄭欠，丁軍軍，李玉中，等.土壤含水量對硝化和反硝化過程N2O排放及同位素特征值的影響[J].中國農業科學，2017，50（24）：4747-4758.

[18] 高佳蕊，方勝志，張玉玲，等.東北黑土不同開墾年限稻田土壤有機氮礦化特征[J].中國農業科學，2022，55（8）：1579-1588.

收稿日期：2022-03-19

作者簡介：辛亮（1983—），男，黑龍江東寧人，碩士，工程師，主要從事養分和污染物在環境中的遷移轉化檢測。E-mail：borunjiance@126.com。