土壤供氮能力研究方法綜述

河南省土壤肥料站　邢永航

土壤供氮能力研究方法綜述

河南省土壤肥料站邢永航

在土壤中，氮以有機(jī)、無(wú)機(jī)等多種形態(tài)存在，他們之間的相互轉(zhuǎn)化速率控制著各自在土壤中的含量。土壤中氮的轉(zhuǎn)化速率有總轉(zhuǎn)化速率與凈轉(zhuǎn)化速率兩種。在自然條件下，土壤中某一形態(tài)氮凈轉(zhuǎn)化速率是控制其轉(zhuǎn)化的多個(gè)總轉(zhuǎn)化速率相互綜合作用的結(jié)果。

針對(duì)兩種轉(zhuǎn)化速率，分別產(chǎn)生了以研究土壤氮素凈轉(zhuǎn)化速率為主和以研究土壤總轉(zhuǎn)化速率為主的兩套方法，主要包括化學(xué)方法、室內(nèi)培養(yǎng)法和田間原位測(cè)定法3種，以及與之相關(guān)的模型的應(yīng)用，現(xiàn)將常用的研究方法綜述如下：

一、土壤氮素凈轉(zhuǎn)化速率的研究方法

目前，土壤氮素凈轉(zhuǎn)化速率的研究采用較多的方法有室內(nèi)礦化培養(yǎng)法與田間原位測(cè)定法兩種。

根據(jù)培養(yǎng)條件的不同，室內(nèi)礦化培養(yǎng)法又可分為淹水培養(yǎng)法與好氣培養(yǎng)法兩種。Stanford 的間歇淋洗好氣培養(yǎng)法應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)其也可以用于連續(xù)培養(yǎng)。淹水密閉培養(yǎng)由Waring 和Bremner（1964）最早提出，培養(yǎng)溫度為40℃，培養(yǎng)過(guò)程中不考慮水分和通氣狀況，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)僅測(cè)定銨態(tài)氮，可以采用連續(xù)培養(yǎng)和間歇淋洗兩種方式進(jìn)行。

通氣培養(yǎng)有利于硝化細(xì)菌活動(dòng)，又抑制了反硝化細(xì)菌活動(dòng)，礦化的最終產(chǎn)物硝態(tài)氮能夠累積起來(lái)，其數(shù)量占礦化氮的98%～100%（李良謨，1984）；淹水條件培養(yǎng)抑制了硝化細(xì)菌活動(dòng)，但有利于有機(jī)氮的氨化，礦化最終產(chǎn)物銨態(tài)氮占礦質(zhì)氮的95%～100%（李良謨，1984）。室內(nèi)培養(yǎng)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以采用Standford （1972）提出的一階動(dòng)力學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出土壤氮素礦化勢(shì)（N0）和礦化速率常數(shù)（k）。

溫度、水分等條件在室內(nèi)培養(yǎng)時(shí)不僅可控，而且能保持一致，田間土壤異質(zhì)性對(duì)礦化的影響得到有效避免，在應(yīng)用時(shí)較為方便，但室內(nèi)培養(yǎng)條件與田間的各種氣候因子相差很大，因此，室內(nèi)培養(yǎng)的結(jié)果在應(yīng)用于大田時(shí)應(yīng)加以校正。

由于室內(nèi)培養(yǎng)的條件與田間有較大的差異，造成其對(duì)田間氮素礦化量的估算準(zhǔn)確度較低。因此，進(jìn)行氮素礦化的原位測(cè)定是非常有必要的。所采用的方法有乙炔密閉培養(yǎng)法（Hatch et al.， 1990）和RCT法（Bhogal et al.， 1999）。乙炔是硝化抑制劑，培養(yǎng)容器中的乙炔可減少硝化和反硝化引起的氮素?fù)p失。RCT法主要是利用陰離子交換樹(shù)脂吸附原狀土柱向下淋洗的硝態(tài)氮。

二、土壤氮素總轉(zhuǎn)化速率的研究方法

土壤氮素的礦化和固定土壤氮素循環(huán)研究中核心的問(wèn)題，凈轉(zhuǎn)化速率是各個(gè)總轉(zhuǎn)化速率綜合作用的結(jié)果，與氮素凈轉(zhuǎn)化相比，總轉(zhuǎn)化更能深刻揭示土壤氮循環(huán)的過(guò)程，因此，很早科學(xué)家就已經(jīng)采用不同的方法開(kāi)展對(duì)各種土壤氮素總轉(zhuǎn)化速率的研究。

在土壤氮素總轉(zhuǎn)化的量化研究方面，15N同位素稀釋技術(shù)應(yīng)用最廣泛（Stark，2000）。應(yīng)用時(shí)標(biāo)記銨態(tài)氮庫(kù)或硝態(tài)氮庫(kù)，或采用雙標(biāo)記法，即同時(shí)標(biāo)記銨態(tài)氮庫(kù)和硝態(tài)氮庫(kù)。該方法的基本原理為：15N富集庫(kù)豐度的下降僅由15N豐度較低的氮庫(kù)轉(zhuǎn)化引起。利用測(cè)定礦質(zhì)氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）數(shù)據(jù)和其豐度數(shù)據(jù)，采用數(shù)值計(jì)算或模型的方法可以求得土壤氮素的總轉(zhuǎn)化速率。

Kirkham和Bartholomew （1954）兩位科學(xué)家在土壤氮素總轉(zhuǎn)化速率的研究方面進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的工作。最初研究時(shí)只考慮兩個(gè)氮庫(kù)，即1個(gè)無(wú)機(jī)氮庫(kù)和1個(gè)礦質(zhì)氮庫(kù)。在第1篇論文中，他們做了3個(gè)假定：（a）14N和15N在土壤中有同等被利用的幾率；（b）微生物固定后的氮素不會(huì)發(fā)生在礦化；（c）氮素礦化速率遵循零階動(dòng)力學(xué)方程。在第2篇論文 中（Kirkham and Bartholomew，1955）去掉了后兩個(gè)假設(shè)。

Kirkham和Bartholomew （1954）用于計(jì)算土壤氮素總轉(zhuǎn)化速率的公式如下：

其中，m：總礦化速率（mg N kg-1d-1），CA：消耗速率，t：時(shí)間（天數(shù)），APE0：t=0時(shí)的15N的豐度（%）。APEt：t=t時(shí)的15N豐度。時(shí)的 濃 度，時(shí) 的總的濃度。計(jì)算總硝化速率時(shí)把公式中的換為即可。的總固定速率通過(guò)總消耗速率（CA）減去總硝化速率（n）獲得，假設(shè)氨揮發(fā)為零。在50%的 WFPS（Water Filled Pore Space）時(shí)通過(guò)反硝化作用損失忽略不計(jì)（Linn and Doran， 1984），硝態(tài)氮的總固定速率等于其消耗速率。

Kirkham和Bartholomew （1954）對(duì)于土壤氮素總轉(zhuǎn)化速率的計(jì)算采用的是解析的方法，隨著分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)發(fā)展，土壤基于同位素稀釋技術(shù)的氮素轉(zhuǎn)化的概念模型有了很大的發(fā)展。模型所考慮的氮庫(kù)和氮轉(zhuǎn)化過(guò)程逐漸增多，用解析的方法（Analytical solution）已經(jīng)不能計(jì)算模型中同時(shí)出現(xiàn)的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的速率。因此，采用數(shù)值方法（numerical solution）計(jì)算土壤氮轉(zhuǎn)化速率的15N示蹤模型的開(kāi)發(fā)尤為重要（Müller et al.， 2003）。這些模型包含有一系列采用數(shù)值方法（如：龍格-庫(kù)塔法：Runge-Kutta methods）計(jì)算的微分方程。模型中各個(gè)氮轉(zhuǎn)化速率計(jì)算通常采用 Marquard algorithm（MA）方法通過(guò)一次的優(yōu)化得出。這樣模型 有FLUZA模 型（Mary et al.， 1998），Müller等（2004）的15N示蹤模型和Müller（2011）15N示蹤模型等。本文簡(jiǎn)要介紹Müller等（2004）的15N示蹤模型。模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。將培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)輸入模型，經(jīng)過(guò)擬合即可得出土壤氮素的總轉(zhuǎn)化速率。

該模型考慮5個(gè)氮庫(kù)和10個(gè)總轉(zhuǎn)化過(guò)程。5個(gè)氮庫(kù)分別為易分解有機(jī)氮庫(kù)（Nlab）、耐分解有機(jī)氮庫(kù)（Nrec）、銨態(tài)氮庫(kù)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮吸附庫(kù)。10個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程分別為易分解有機(jī)氮庫(kù)向銨態(tài)氮庫(kù)的礦化過(guò)程（MNlab）、耐分解有機(jī)氮庫(kù)向銨態(tài)氮庫(kù)礦化過(guò)程（MNrec）、銨態(tài)氮吸附庫(kù)向銨態(tài)氮庫(kù)釋放銨離子過(guò)程（RNH4a）、硝態(tài)氮異化還原為銨離子的過(guò)程（DNO3或DNRA）、銨態(tài)氮庫(kù)向易分解有機(jī)氮庫(kù)的固定過(guò)程（INH4-Nlab），銨態(tài)氮庫(kù)向耐分解有機(jī)氮庫(kù)的固定過(guò)程（INH4-Nrec）、銨態(tài)氮庫(kù)向銨態(tài)氮吸附庫(kù)的吸附過(guò)程（ANH4）、銨態(tài)氮庫(kù)向硝態(tài)氮庫(kù)的氧化過(guò)程（ONH4）、耐分解有機(jī)氮庫(kù)向硝態(tài)氮庫(kù)的氧化過(guò)程（ONrec）、硝態(tài)氮庫(kù)向耐分解有機(jī)氮庫(kù)的固定過(guò)程（INO3）。若在培養(yǎng)土壤時(shí)栽種植物，模型需要添加植物對(duì)硝態(tài)氮吸收速率（UNO3）和銨態(tài)氮（UNH4）的吸收速率（Inselsbacher et al.，2013）。模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

三、采用同位素稀釋法測(cè)定土壤氮素總礦化的三個(gè)假設(shè)

15N同位素稀釋技術(shù)是定量研究土壤氮素總轉(zhuǎn)化過(guò)程的最有效手段（Stark，2000）。同位素標(biāo)記不僅可以用于研究土壤氮素，還可以用來(lái)研究土壤磷、硫等營(yíng)養(yǎng)元素在土壤中的行為特征。在應(yīng)用時(shí)其基于以下三個(gè)假定：

（一）微生物對(duì)14N和15N利用不存在歧視效應(yīng)（isotopic discrimination）

在自然豐度條件下，研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微生物對(duì)氮同位素的利用會(huì)產(chǎn)生歧視效應(yīng)（Cheng et al.， 1964；Heaton， 1986 ）。但是，在同位素高于自然豐度和培養(yǎng)時(shí)間較短時(shí)，歧視效應(yīng)引起的誤差可以忽略不計(jì)（Davidson et al.， 1991）。Wessel &Tietema（1992）建議土壤中15N的豐度應(yīng)該是自然豐度的好幾倍。如果整個(gè)培養(yǎng)期間15N的豐度稀釋較大，可以降低由歧視效應(yīng)引起的誤差。

（二）添加到土壤中的同位素在土壤中均勻分布，然而完全做到均勻分布實(shí)際上是不可能的

Davidson等（1991）計(jì)算得出，若15N的分布達(dá)不到微生物礦化位點(diǎn)的70%，可引起大約10%的誤差。Monaghan（1995）研究認(rèn)為，若15N在土壤中分布不均勻，氮的消耗速率等于或大于氮的產(chǎn)生速率（即：礦化速率和消化速率）時(shí)所引起的誤差將更大。

（三）添加的標(biāo)記氮與土壤本體氮在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡是不可能的

添加到土壤中的15N與土壤本體氮處于同樣的化學(xué)狀態(tài)和位置，隨后培養(yǎng)期間，土壤中發(fā)生的各個(gè)過(guò)程（如：擴(kuò)散、固定、氣體損失、硝化）等效的影響添加的標(biāo)記氮和土壤本體氮。鑒于土壤的異質(zhì)性和微生物在土壤中分布的異質(zhì)性，添加的標(biāo)記氮與土壤本體氮在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡是不可能的。只有二者達(dá)到平衡后，15N標(biāo)記的硝態(tài)氮或銨態(tài)氮才會(huì)同土壤本體氮以同樣的比例被利用。Barraclough（1995）認(rèn)為避免標(biāo)記氮和本體氮的選擇性吸收是同位素稀釋技術(shù)最棘手的問(wèn)題。

圖1　分析氮總轉(zhuǎn)化速率的15N示蹤模型

圖2　Inselsbacher et al. 15N示蹤模型