畢節煙田土壤氮素礦化動態模擬

胡瑋+邸青+劉吉振+張誼模+田時炳

摘 要：通過田間和室內培養試驗相結合的方式，建立植煙土壤礦化動態模型，探討其對氮素礦化預測的效果。試驗采用改進過的Stanford的間歇淋洗好氣培養法，研究不同溫度（10，15，20，25，30，35，30，25，20 ℃），和溫度（5，15，20，25，30，35，40 ℃）與水分（風干土、7%，13%，20%，27%，33%，40%，47%，53%）交互作用下土壤氮素的礦化動態，并以此建立模型，然后采用田間試驗數據對該模型進行驗證。結果表明：水分和溫度對土壤氮素礦化作用的影響均為非線性的響應，以此建立了組合模型N= k[（θ/θMax）]m [∑（T-T0）n ]，用該模型的預測值與田間土壤氮素礦化積累實測值進行回歸分析，兩個試驗點的回歸方程相關系數分別為0.987和0.959，說明該模型具有實用價值。

關鍵詞：煙田土壤；氮素礦化動態；累積礦化量；模型

中圖分類號：S572.06 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.03.006

Dynamic Simulation of Organic Nitrogen Mineralization in Tobacco Field Soil of Bijie

HU Wei1， DI Qing2，LIU Jizhen2， ZHANG Yimo2， TIAN Shibing2

（1.Bijie Tobacco Company of Guizhou Province， Bijie， Guizhou 551700， China； 2. Institute of Vegetable and Flower，Chongqing Academy of Agricultural Sciences， Chongqing 400055， China）

Abstract： The effect of forecasting soil nitrogen mineralization has been explored by field and laboratory test to established tobacco soil mineralization dynamic model. Intermittent leaching aerobic incubation was adopted to develop dynamic simulation models of organic nitrogen mineralization under different temperature（10，15，20，25，30，35，30，25，20 ℃）and interaction of various temperature（5，15，20，25，30，35，40 ℃）and soil water contents（air-dried soil，7%，13%，20%，27%，33%，40%，47%，53%）. Soil nitrogen mineralization in field was used to validate the simulation. The results showed that the effects of temperature and moisture on soil nitrogen mineralization are nonlinear response， and the combined model N= k[（θ/θMax）]m [∑（T-T0）n ] has been established. The mineralization is also simulated well by using the field measured data. Therefore， the soil nitrogen mineralization in fields can be forecasted well by the model.

Key words： tobacco soil； dynamic of nitrogen mineralization； cumulative mineralization； model

土壤礦化氮是烤煙生長過程中所需氮素的重要來源之一，特別是在生長后期有著左右煙葉品質形成的地位[1-2]。但是，如果土壤礦化氮量過高的話，不僅明顯降低氮肥的經濟效益，而且會造成嚴重的農業生態環境問題 [3-4]。因此，通過限定因素的試驗，建立模擬土壤氮素礦化的模型，可以指導煙葉生產的管理活動，降低不合理施肥而帶來的環境風險。土壤氮素礦化的模型有許多，Stanford和Smith通過對39個土壤樣品在35 ℃下的長期培養，擬合了一級動力學方程，相關性良好[5]。以此為衍生，多個描述氮素礦化過程的方程被不同的研究者提出[6-8]。此外，一些研究認為，氮素礦化也可以Parabolic方程[9-10]、直線方程或雙曲線方程[11]來擬合。鑒于環境對氮素礦化的重要影響，溫度和水分的環境模型也得到了應用。Wu[12]利用生長季節的日積溫和一階動力學方程擬合了累積礦化氮，表明利用田間氣象數據來模擬土壤氮素礦化成為可能。然而，以煙田土壤為對象，分析其氮素礦化動態的研究還不多見，本研究以我國的產煙大區—貴州畢節為例，通過田間和室內培養試驗相結合的方式，建立植煙土壤礦化動態模型，探討其對煙田土壤氮素礦化動態的預測效果。

1 材料和方法

1.1 試驗時間與地點

田間培養試驗于2015年4月至9月在貴州省畢節市開展，試驗點分別為中海拔煙區（海拔800 m）的金沙縣西洛鄉陽燈村開化組和高海拔煙區（海拔1 500 m）的七星關區田壩橋試驗站。室內培養試驗則在重慶市農科院開展。

1.2 試驗材料

試驗所用土壤分別為七星關區的黃壤和金沙縣的紫色土，基本理化性質見表1。

1.3 試驗設計

1.3.1 田間培養試驗 兩個試驗點均設置3個重復，分別在煙葉移栽后0，1，2，3，5，7，9，11， 13，15，17周時采集土壤樣品，取樣間隔時間固定為7 d。取樣時選取3個重復的混合樣，分成2份。一份用0.01 mol·L-1的KCl溶液浸提后用流動分析儀（SEAL-AA3）測定NO3--N和NH4+-N的含量，同時測定土壤含水量和溫度；另一份裝入自封袋中，從3個重復的取樣位置里選取一個，埋于15 cm的土層中，用塑料軟管保持自封袋與外界的空氣流通。培養1周后取出自封袋，測定樣品中NO3--N和NH4+-N的含量。

1.3.2 室內溫度培養試驗 該培養試驗采用改進過的Stanford的間歇淋洗好氣培養法[5]，淋洗液為100 mL0.01 mol·L-1的KCl溶液，無氮營養液為25 mL 0.002 mol·L-1的CaSO4·2H2O、0.002 mol·L-1 MgSO4、0.005 mol·L-1Ca（ H2PO4） 2、0.002 5 mol·L-1 K2SO4混合液。將兩個試驗點的土壤樣品變溫培養18周，每2周更換1次溫度，溫度依次為10，15，20，25，30，35，30，25，20 ℃，同時收集土壤樣品淋洗液，測定樣品中NO3--N和NH4+-N的含量。

1.3.3 室內溫度和水分交互試驗 試驗設9個土壤含水量水平（風干土、7%，13%，20%，27%，33%，40%，47%，53%）與7個溫度水平（ 5，15，20，25，30， 35，40 ℃）。具體步驟：稱取15 g風干土（￠2 mm），放入50 mL小燒杯中，每個試驗點稱取9份，然后分別加入0，1，2，3，4，5，6，7，8 mL的蒸餾水， 攪拌均勻并用封口膜將燒杯口封閉，將每個樣品在7個溫度水平下分別培養2周，收集土壤樣品淋洗液，測定樣品中NO3--N和NH4+-N的含量。

1.4 數據處理

土壤有機氮礦化速率（mg·kg-1， week） = 1周的土壤氮素礦化量

土壤有機氮礦化量（mg·kg-1）=培養前土壤無機氮量（NO3--N和NH4+-N）-培養后土壤無機氮量

數據用Excel進行處理，SPSS 16.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 煙田土壤氮素礦化的溫度模型

2.1.1 變溫條件下煙田土壤氮素礦化動態 由圖1A可見，兩個試驗點的土壤氮素礦化速率變化趨勢基本一致，差異不顯著。SI的平均礦化速率為4.67（mg·kg-1， week），KI的平均礦化速率為4.31（mg·kg-1， week）。兩者的最高氮素礦化速率都出現在35 ℃時，其中SI為8.27（mg·kg-1， week），而KI為6.44（mg·kg-1， week）；10 ℃兩個試驗點的氮素礦化速率都為最低，SI為2.13（mg·kg-1， week），而KI為1.86（mg·kg-1， week）。隨著溫度的升高，兩個試驗點的土壤氮素礦化速率都呈現出波動上升的態勢，而在達到35 ℃之后，隨著溫度的降低，兩者的土壤氮素礦化速率都顯著降低。因為溫度變化，SI的最高土壤氮素礦化速率與最低時相比提高了288.16%，而KI為246.23%。但值得注意的是，即使在同一溫度水平，經過不同的培養時間時，如30 ℃（第10周和14周）、25 ℃（8和16周），土壤氮素礦化速率也是不同的。

由圖1B可知，兩個試驗點的土壤礦化氮累積量曲線上升趨勢相似，不僅SI的礦化氮累積總量（42.08 mg·kg-1）高于KI（38.85 mg·kg-1），而且在培養的各個時期均高于KI，且隨著時間的推移該差異逐漸拉大。在第2至第8周時，SI和KI的礦化氮累積量上升平緩，在第10至14周時迅速升高，14周以后則又趨于平緩。

2.1.2 變溫條件下煙田土壤氮素礦化動態的模擬 溫度影響土壤中氮素的礦化過程，主要是通過影響土壤中的微生物分解有機態氮來實現的，而微生物的分解活動由酶動力學性質決定，因此土壤氮素礦化動態遵循一級動力學模式，用指數模型描述礦化過程是可行的。本研究采用one-pool 模型[5] 、logistic 曲線[13] 、有效積溫模型[12]3種土壤礦化模擬常用的模型來擬合不同溫度條件下的土壤氮素礦化試驗數據。3種模型分別為：

N =N0[1-exp（-k1t）] （1）

式中，N為累積礦化量，N0礦化勢，k1為一級反應速率，t為時間。

N= （2）

式中，N為累積礦化量，a和b均為常數。

N =k[∑[T-T0]n （3）

式中，T為基點溫度，T0為瞬時溫度，n為參數。

圖2A為SI的3種模型擬合結果，圖2B為KI的3種模型擬合結果。兩個試驗點的模型擬合結果是一致的，都為有效積溫模型（TAM）擬合效果最好。其中SI的TAM擬合R2=0.995，殘差=87.3，LOM擬合R2=0.982，殘差=225.9，效果最差的OPM擬合R2=0.963，殘差=471.2；KI的TAM擬合R2=0.991，殘差=102.3，LOM擬合R2=0.977，殘差=335.1，OPM擬合R2=0.958，殘差=622.4。因此，對于該實驗所涉及的范圍內來說，溫度影響下的土壤氮素礦化動態過程最好采用有效積溫模型進行描述。

2.2 煙田土壤氮素礦化的溫度與水分交互模型

水分在土壤氮素礦化過程中發揮著重要的作用，預測土壤氮素礦化動態時必須將水分的影響考慮進來。Myers[14]通過研究土壤氮素礦化與水分含量之間的關系，建立了土壤氮素礦化的水分效應方程：f（θ）=（θ-θ0 ）/（θMax-θ0） （θ0為土水勢4.0 MPa時的土壤含水量， θMAX為最大氮礦化時的土壤含水量）。由于本試驗涉及到水分與溫度的交互作用，因此將該水分效應方程略作改動，即

f（θ）=k[（θ/θMax）]n （4）

式中，θ為土壤含水量，k為常數，n為參數。

利用方程（4）擬合培養試驗數據，同時進行回歸分析，結果如圖3。由圖3可知，觀測值與模擬值之間顯著相關（R2=0.982）。因此，該改良后的水分效應方程可以描述水分溫度交互作用中水分對土壤氮素礦化過程的影響。同時，由圖4可知，土壤含水量對土壤氮素礦化速率的影響并非線性關系，在土壤含水率0～40%時，隨著土壤含水率上升，土壤氮素礦化速率逐漸升高，而在超過40%后，土壤氮素礦化速率呈下降趨勢；而溫度對土壤氮素礦化速率的影響與前一節研究結果基本一致。

2.3 煙田土壤氮素礦化動態模型的構建

通過交互作用顯著性檢驗發現，溫度和水分這兩個因素之間交互作用顯著，說明溫度和水分對土壤氮素礦化速率的影響并不是簡單地加和，而是存在交互作用。基于土壤氮素礦化與溫度和水分之間的關系，本研究采用方程（3）和（4）的組合函數來模擬田間條件下土壤氮素礦化動態：

N=k[（θ/θMax）]m [∑[（T-T0）]n ] （5）

式中，k、m、n均為常數，θ為土壤含水量，θMax為最大氮礦化時的土壤含水量，T為基點溫度，T0為瞬時溫度。

2.4 煙田土壤氮素礦化模型驗證

2.4.1 煙草生育期內土壤礦化氮素積累動態及影響因子 由表2可見，煙草生長期內溫度和土壤水分含量在不斷地變化，使得土壤氮素礦化量也在不斷變化（圖5）。在4月底至5月初，土壤氮素礦化量較低，甚至在5月中旬出現了凈固持。6月初以后，兩個試驗點的土壤氮素礦化量變化趨勢出現了差異，SO的土壤氮素礦化量逐漸升高，7月中旬時達到最高值后迅速回落至凈固持；KO的土壤氮素礦化量則在6月初達到最高值后曲折下降至凈固持。同時，由圖5可以看出，SO的土壤礦化氮凈積累量高于KO，這可能是由于2個試驗點有機質含量差異所引起的。

2.4.2 模型參數的確定 根據室內溫度培養試驗、室內溫度和水分交互試驗的結果，可以確定θMax=40%，而從田間培養試驗與室內培養試驗的數據比較中可知，要達到氮素凈礦化的有效溫度，田間土壤氮素礦化所需的溫度更高， 15 ℃為產生凈礦化氮的基點溫度，因此，可以確定T0=15 ℃，T為田間原位培養的日平均溫度。同時，根據圖6的擬合結果確定了m、n值可分別取0.1和0.5，k值可通過土壤有機質含量進行確定。

2.4.3 模型驗證 利用方程（5）擬合七星關和金沙2個試驗點田間原位培養試驗的各項數據，結果如圖6。由圖6可以看出，兩個試驗點的氮素累積礦化量實測值與模擬值具有較好的相關性，回歸分析結果均顯著相關，其中S的回歸方程相關系數為0.987，而K的回歸方程相關系數為0.959，擬合效果很好。值得注意的是，在描述土壤氮素礦化速率中，模擬值與實測值的相關性并不好，這是因為土壤氮素礦化速率在田間試驗的實測值中有負值，而方程（5）的擬合結果均為正值，不能反映土壤礦化氮的凈固持作用。

3 結論與討論

我國植煙土壤礦化勢平均為130.6 mg·kg-1， 0～30 cm表層土壤累積潛在供氮量達到了470.2 kg·hm-2，是我國煙草推薦施氮量（90 kg·hm-2）的5倍，這說明土壤潛在供氮能力較高，這也是煙草后期供氮過量的主要原因。通過分析相關影響因素預測土壤氮素礦化過程對于煙草施肥和種植區劃有著重要的意義。本研究發現變溫條件下土壤氮素礦化速率隨溫度改變呈波動式變化，溫度的升高有利于土壤氮素的礦化，但該效應在其他因素的影響下亦有可能被抵消。Sierra[15]的研究顯示，較大的日溫度變化能對氮素礦化產生影響，但在日溫差較小的情況下也可以利用日均溫度計算氮素礦化量。本文即應用了該研究結果，使用日均溫度作為田間礦化模擬參數，而田間日溫度變化對土壤氮素礦化的影響還有待于進一步研究。

土壤礦化氮累積過程符合一級動力學方程的要求，本研究通過對3種模型擬合程度的比較發現，在不同溫度條件下有效積溫模型對土壤礦化氮累積的擬合效果最好。Wu[12]通過一級動力學模型描述了土壤累積礦化氮與有效積溫的關系，Dharmakeerthi[16]也報道了累積礦化氮與有效積溫的非線性關系。但在描述土壤累積礦化氮與有效積溫的關系時， 不同研究采用的模型有所不同， 這與試驗田的環境條件和土壤類型有關。

本研究利用室內溫度與水分交互培養試驗發現，水分和溫度對土壤氮素礦化作用的影響均為非線性的響應，并建立了組合模型：N= k[（θ/θMax）]m [∑（T-T0）n ]，同時利用培養試驗的數據計算出了模型的相關參數。這與相關的研究結果接近，但采用的函數和參數有所不同。用該模型的預測值與田間土壤氮素礦化積累實測值進行回歸分析，兩個點的回歸方程相關系數分別為0.987和0.959，說明該模型的擬合效果較好。盡管模型預測礦化量與實際礦化量存在著一定的偏差，但模型在煙草種植以前能對礦化量予以估計，并有效指導氮肥用量和種植規劃，從這個意義上說，模型預測作用仍是不可低估的。

最新的一些研究表明，土壤氮素礦化具有很強的空間變異性，這些變異可能因不同的有機氮庫和水熱條件而不同，即通過對可礦化氮庫的大小、質量以及環境因子的改變來影響氮礦化。本研究中，模型評估僅在有限的試驗點進行，對空間變異性的考慮都有待于下一步的研究。

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