土壤無機氮（銨態氮、硝態氮）時空變化研究現狀

焦亞青

摘要：為研究無機氮在不同條件下的時空變化情況，以土壤類型、植物群落和土地利用方式為條件，研究了不同情況下的銨態氮、硝態氮時空變化情況。研究發現，受有機質含量、含水量、溫度以及pH的影響，土壤的理化性質和生物活性得到明顯改善，使無機氮在土壤中出現明顯的時空差異。近年來，有學者用15N同位素稀釋法、室內模擬研究以及凍融模擬實驗等方法對無機氮進行研究，但是仍具有局限性。

關鍵詞：土壤;銨態氮;硝態氮;影響因素

氮素主要包括有機氮和無機氮，而有機氮素占全氮的90%以上，無機氮素僅占5%以下，但是土壤供給植物的主要物質還是無機氮。有機氮不能直接被植物吸收，必須在微生物的礦化作用[1]下形成無機氮，才能被植物吸收利用。之后通過反硝化作用產生溫室氣體氧化亞氮（N2O）逸散到大氣中，對陸地生態系統和全球氣候產生影響。礦化作用是一個極其復雜的過程，土壤中的有機氮素（如蛋白質等）在土壤微生物（如真菌）的作用下，以碳素為能量源，逐漸裂解成簡單的氨基化合物，之后土壤中分解的氨轉化為銨離子，大部分銨離子在硝化作用下氧化成硝酸鹽，這是生態系統氮循環中非常重要的環節[2]。隨著科學研究的深入和技術的進步，銨態氮和硝態氮的研究也成為當前土壤學研究的重點[3]。就土壤本身而言，由于土壤的物理化學特征不同、有機質以及微生物分布不同，導致氮素轉化出現空間變異，使無機氮在土壤中出現空間差異，并且研究發現，銨態氮和硝態氮在一定條件下可以相互轉換，在土壤氧氣充足的情況下，銨態氮易轉化為硝態氮，在土壤厭氧條件下，硝態氮易轉化為銨態氮，銨態氮有利于植物生長發育，而硝態氮極易淋失，污染環境[4]。因此，研究銨態氮和硝態氮在不同條件下的時空變化情況，對農業生產和環境保護都有極其重要的意義。

1 銨態氮、硝態氮在不同條件下的時空變化

1.1銨態氮、硝態氮與土壤類型的關系

土壤類型是在土壤發生過程的基礎上將不同的土壤進行分類以及命名，其概括了不同土壤類型的成土過程及其典型特征。由于不同土壤的物理成分以及物理化學特征不同，導致銨態氮、硝態氮在不同的土壤中發生不一樣的時空變化[5]。李榮等[6]對沙地土壤進行研究，發現垂直方向上銨態氮和硝態氮隨著沙壤深度的增加而減少;水平方向上均趨于增加;在時間上，受有機質的累積和pH的影響，前期銨態氮增加，中后期硝態氮增加。孫志高等[7]以濕地為研究對象，發現垂直方向上無機氮遷移能力較強。蘭婷等[8]在研究兩種水稻土時發現，在時空上，潮黃土更容易累積硝態氮。陸紅娜等[9]在研究山前沖積平原時發現，受土壤質地的影響，硝態氮在垂直方向上各土層含量存在較大差異，在水平方向上東高西低。羅亞晨等[10]認為，在時空上，凍融循環與恒溫相比，會減少銨態氮和硝態氮在大興安嶺落葉松林土壤中的積累，而Grogan等[11]在研究白樺林下層時發現，凍融循環促進了銨態氮和硝態氮的積累。

1.2 銨態氮、硝態氮與不同植物群落的關系

植物吸收的氮素形態主要是銨態氮和硝態氮。經研究發現，受環境和作物種類的影響[12]，植物吸收銨態氮和硝態氮的程度不同，有的植物偏向銨態氮，比如水稻;有的偏向硝態氮，比如玉米、棉花等，這勢必影響銨態氮和硝態氮在土壤里的分布。苗艷芳等[3]研究發現，冬小麥產量在時間上隨硝態氮的增加而增加，在不同土層間，硝態氮累積量與冬小麥產量呈正相關，而銨態氮含量最低。肖好燕等[13]在研究亞熱帶不同林分時發現，林分的類型對銨態氮含量的影響較小，對硝態氮含量的影響較大，并且不同林分中硝態氮的比例也不同。銨態氮和硝態氮均有季節變化，但是硝態氮含量的季節變化顯著，銨態氮變化不明顯。

1.3 銨態氮、硝態氮與土地利用方式的關系

不同的土地利用方式會對土壤中無機氮含量造成很大影響，這是因為在不同的土地利用過程中，耕作、施肥等人為活動的影響形成了銨態氮和硝態氮時空分布的特點。楊慶等[14]在研究人工草地時發現，通過沼液澆灌人工草地，會對銨態氮和硝態氮產生影響，垂直方向上對不同土層的銨態氮含量影響較小，而硝態氮的含量隨著沼液的增加而增加，并在0～20 cm達到最高。王峰等[15]研究發現，在茶園培養初期，銨態氮含量呈現增長趨勢，達到峰值后逐漸下降，總體呈“J”型變化;而硝態氮含量在初期增長緩慢，之后逐漸上升。吳綺霏等[16]將江漢平原的農田分為5類，這5類農田由于不同的土地利用方式，導致氮素在土壤不同深度也有很大差異：稻田中銨態氮占主要比例，而旱地則以硝態氮為主，總體上硝態氮在表層含量較高，而銨態氮含量在下層不斷增加。

2 影響銨態氮、硝態氮時空變化的因素

土壤中的無機氮含量受有機質含量、土壤含水量、溫度、pH等因素的影響。

2.1 有機質含量

人為施加化肥可以有效增加土壤有機質的含量。南鎮武等[17]研究發現，施加有機肥和化肥，能提高土壤中硝態氮和銨態氮含量。研究中普遍發現，在合理施肥的情況下，銨態氮和硝態氮含量隨著土層深度的增加而減少，但是 Siemens等[18]發現，不合理施肥可導致硝態氮淋溶以及土壤深層硝態氮的累積。

2.2 含水量

土壤含水量主要影響了土壤的通氣狀況和氧化還原反應。土壤水分與土壤微生物的生長發育密切相關。當土壤水分較低時，土壤微生物在透氣較好的條件下表現活躍，使硝態氮含量增加;相反，當土壤水分較高時，銨態氮含量增加。土壤水分通過影響微生物活性，進一步影響土壤中銨態氮和硝態氮的分布。陳效民等[19]研究發現，在垂直方向上，硝態氮在土壤水分飽和狀態下的移動速度比非飽和狀態下的速度快。在土壤水分飽和的情況下，影響硝態氮垂直移動的因素還是土壤含水量和土壤質地。但是陳伏生等[20]研究發現，硝化細菌是影響硝態氮含量的因素。硝化細菌會隨著土壤含水量的增加而增加，抑制了反硝化作用，使銨態氮含量小于硝態氮含量。

2.3 溫度

溫度主要是通過影響微生物活性，進而影響土壤的礦化作用和硝化作用，在一定溫度范圍內，溫度和微生物活性呈正相關，其中，中溫條件下礦化作用最強。蘇濤等[21]研究發現，受氮素形態的影響，耕層土壤溫度對礦物質氮的影響也不同：0～200 cm土層，銨態氮與土壤溫度變化一致，在不同時期，硝態氮含量與土壤溫度呈負相關;同時指出，大氣溫度在一定程度上會影響土壤溫度，銨態氮和硝態氮含量與大氣溫度變化趨勢類似。因為凍融作用會破壞土壤結構、影響土壤微生物的活性、限制土壤養分的釋放和吸收，所以在凍融情況下，銨態氮和硝態氮含量會受到嚴重影響。雋英華等[22]研究發現，凍融作用可促進土壤氮素轉化，增加銨態氮和硝態氮含量。

2.4 pH

由于土壤中pH升高，土壤中硝化細菌的活性升高，加快了硝化速度。同時， pH升高會加速有機質溶解，進而為土壤微生物提供了可能，促進了土壤氮素的礦化。 Curtin等[23]研究結果也指出了土壤pH與礦化速率呈正相關。

3 土壤無機氮（銨態氮、硝態氮）的研究方法

雋英華等[22]在凍融模擬實驗中，通過改變凍融頻數和凍融溫度，并用連續流動分析儀來研究凍融情況下對銨態氮和硝態氮的影響。劉順國等[24]同樣用流動分析儀測定了棕壤覆膜條件下土壤溶液中的硝態氮和銨態氮含量，發現了此條件下的銨態氮含量增加，并且減少了硝態氮的淋失。蘭婷等[8]在室內培養實驗中用15N同位素稀釋[25]方法來測定無機氮（銨態氮、硝態氮）的變化情況，研究發現，加入標記溶液后，硝化作用增強，且與銨態氮呈正相關。溫騰等[26]研究發現，與蒸騰法相比，微擴散法能更便捷、精確地測量銨態氮和硝態氮。李勛章等[27]在研究干旱綠洲區時，用T6可見分光光度計來測定土壤和地下水中硝態氮和銨態氮的含量。羅亞晨等[10]用線性內插法計算土壤中銨態氮、硝態氮含量，并用單因素變量多因素方差分析方法研究不同因素對銨態氮和硝態氮的影響。除上述方法外，還有杜馬法：首先快速從樣品中提取NH4+和NO3﹣，其次用質譜儀進行燃燒，使其進一步氧化還原得到N2，最后對得到的物體進行15N豐度測量[28]。

4 結語

無機氮（銨態氮、硝態氮）作為氮素循環的重要組成部分，其在不同土壤類型、植物群落以及土地利用方式中受含水量、溫度等影響，所形成的時空變化差異非常大，讓人們認識到整個土壤生態系統的復雜性。國內外在無機氮研究方法上，主要通過室內模擬和原位培養的方法，對無機氮變化因子進行研究。其中，室內模擬實驗容易改變土壤溫度和水分等條件，易得到土壤無機氮變化規律，但是由于研究方法和凍融格局的差異，最終的結果也未實現統一。與室內模擬凍融實驗相比，野外原位實驗彌補了溫度、水分極端變化的缺陷，極大地還原了無機氮在自然條件下的變化規律，但目前野外原位監測實驗較少，研究還僅局限于小尺度環境下單一因素的影響，并不能全面反映無機氮在多變的土壤環境中的變化情況。

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