鹽漬土壤氮素轉化的試驗研究

洪明海，胡貴芳，敬 娜，馮楚橋

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002；2.貴州大學 土木學院，貴陽 550025；3.貴陽市云巖區水務管理局，貴陽 550001)

1 概 述

土壤鹽漬化是干旱半干旱地區農業發展的重要限制因素[1]。我國鹽漬土總面積超過1×108hm2，廣泛分布在西北、華北、東北以及沿海地區，其中西北內陸地區鹽漬化耕地面積占總耕地面積的15%[2-3]。施肥，尤其是增施氮肥是保證鹽漬土地區糧食產量的重要措施。在一定的鹽度范圍內，施加氮肥能夠有效緩解鹽分對作物生長的不利影響，提高作物產量[4]。但是，大量施入氮肥并不能促進作物的持續增產[5]。Semir等[6]也指出過量施氮會造成浪費，應該根據土壤的鹽度來合理確定施氮量。過高的土壤鹽分會降低土壤相關酶的活性，抑制氮素的礦化和硝化過程，甚至促進氨的揮發，降低土壤中無機態氮的含量，造成作物缺氮。

大量的研究也表明，鹽漬土中過高的鹽分不僅會導致土壤物理化學性質的惡化、孔隙度降低[7]、肥力下降、改變作物的滲透勢[8]、引起生理干旱，從而抑制作物對水分和養分的吸收，還會影響氮素的轉化速率，進而影響施入氮肥的有效性。此外，過量施入氮肥還可能會造成次生鹽漬化、農業面源污染等環境問題。

通常認為，土壤中鹽分能夠抑制氮素轉化過程[9]，造成作物缺氮。曾文治等[10]的研究表明，鹽分對氮素總硝化反應速率的影響存在臨界值，酸性土壤和堿性土壤的臨界值分別為4.93 和 5.52 dS·m-1。但是有研究表明，氮素轉化的抑制作用只是在一定范圍內有效并且是短暫的[11]。如李建兵、黃冠華[12]研究中的設計土壤鹽分濃度上限僅為2.5%，發現土壤礦化和硝化反應勢均隨(NaCl)含量的增加而降低。Pathak、 Rao[13]將實驗設計的土壤鹽分上限確定為5.1%時發現，土壤氮素礦化對鹽分的響應存在閾值(70 dS·m-1)，即當溶液電導率小于70 dS·m-1時，土壤中銨態氮因為氮素的礦化不斷積累；大于70 dS·m-1后，銨態氮累積降低。室內培養法結合同位素稀釋技術，可以計算出土壤氮素轉化不同中間過程(如礦化過程、反硝化過程、微生物的同化過程和氨揮發等過程)的轉化速率[14-15]。如李玉中等[16]通過同位素稀釋方法，計算羊草草地土壤氮總礦化速率和總硝化速率。蘭婷等[17]采用15N同位素稀釋法，研究了水稻土的氮總礦化速率。另一類反映氮素轉化的實驗方法是原位培養法，即在研究地點用PVC 管取原狀土，一部分帶回實驗室分析，另一部分重新埋入土壤繼續培養一段時間后再取出，通過計算培養前后的氮素變化來反映氮素的轉化過程[18-19]，與室內培養法相比，原位培養法更加接近田間的“實際狀態”。

本文以內蒙古河套灌區鹽漬土為研究對象，精確控制土壤水分、鹽分、溫度等環境因素，采用15N同位素稀釋法開展土壤氮素轉化室內培養實驗，分析研究土壤氮素轉化過程中的總無機氮、氮素凈轉化速率，定量分析鹽漬土壤中不同形態氮素的轉化規律。

2 材料與方法

2.1 實驗土壤

研究區位于內蒙古河套灌區五原縣永聯實驗基地(E108°00′16.14″，N41°04′11.57″)。該地區海拔約為1 030 m，地處黃河北岸，是河套灌區主要的鹽漬土分布區。供試土樣選取研究區鹽分含量較低的沙壤土(ECe=2.01 dS·m-1，S1)，pH值8.71～8.80，呈弱堿性，容重為1.35 g·cm-3；土壤中交換性鈣、鎂、鐵3種元素的含量均較高(44.44 、8.03 、12.46 cmol·kg-1)，鉀、鈉元素則較少(0.39 、2.02 cmol·kg-1)，總氮、總碳分別為0.7、20.3 g·kg-1，含量最多的是碳元素，為2.03%。此外，土樣中銨態氮、硝態氮(亞硝態氮)分別為3.66和33.92 mg·N·kg-1。

2.2 土樣處理和實驗步驟

2.2.1 土樣處理

實驗以基礎土樣的鹽度值為基本處理(S1)，其飽和浸提電導率值ECe為2.01 dS·m-1為S1處理，根據基礎土樣中的交換性鉀、鈉、鈣、鎂等的含量，添加硫酸鉀(K2SO4)、硫酸鎂(MgSO4)、碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、氯化鈣(CaCl2)5種鹽分，以形成6個不同的鹽度值(S1∶ECe=2.01 dS·m-1；S2∶ECe=6 dS·m-1；S3∶ECe=12 dS·m-1；S4∶ECe=16 dS·m-1；S5∶ECe=20 dS·m-1；S6∶ECe=25 dS·m-1)。培養容器為直徑5 cm、高10 cm的圓柱形有機玻璃容器，每個填土高度為3 cm。各培養容器中，以每克干土對應7.14 μmol N的比例添加3種不同15N標記的硝酸銨，其中標記15N的原子百分數(atom %)分別為15NH4NO3：10.12、NH415NO3：10.18和15NH415NO3：10.18。

2.2.2 實驗步驟

1)土樣預處理。取土，稱取約80 g相應鹽分水平的土，曬干、磨碎、過2 mm篩，按照質量含水量為25%添加約20ml去離子水，充分混勻后封口放入培養箱培養24h。

2)填土培養。將培養土填裝進Φ5×10 cm的培養容器，土裝3cm高，按照7.14 μmol·g-1分3層(0.5、1.5、2.5cm)用注射器添加同位素氮。

3)取樣。依次在4、24、72、144、288h(12d)5個時間點取樣，同時測定取樣時培養箱中的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境變量參數。

4)氮素浸提。對以上各時間點取出的培養容器9個(3個硝酸銨標記各3個)，按照土水比1∶5用高純度2 mol/L KCl 溶液浸提氮素，將濾液調轉移到離心管(10～12ml)送檢。

3 結果與分析

3.1 總無機氮

實驗過程中，6個鹽分處理的總無機氮(Ninorg)和標記15N同位素的無機氮(15Ninorg)含量隨時間的變化規律見圖1。整個培養期內，6個鹽分的Ninorg以及15Ninorg均隨著實驗時間的增加而下降。雙標記(添加15NH415NO3的土樣)的15Ninorg含量相比于單標記(添加15NH4NO3和NH415NO3的土樣)的15Ninorg含量在初始時的添加量就不同，單標記的15Ninorg初始時的添加量基本一致(5.42和5.45 mg·N·kg-1)，雙標記的15Ninorg最開始的添加量為10.9 mg·N·kg-1，約為單標記的2倍，因此需要對兩個單標記的進行對比分析。具體而言，添加15NH4NO3和NH415NO3的土樣，初始時刻15Ninorg的添加基本一致，但是實驗開始后各觀測時間點上，4、24、72、144、288 h添加NH415NO3的15Ninorg的含量低于添加15NH4NO3的15Ninorg的含量，見圖1(a)-圖1(f)。這主要是因為添加標記的15NH4NO3和NH415NO3土樣中的銨根在實驗過程中，除了向硝酸根發生轉化外，也在向其它形態的氮發生轉化；與銨根類似，硝酸根在向銨根發生轉化的過程中，也存在向其它形態氮素的轉化，并且硝酸根向其它形態氮素的轉化量大于銨根向其它形態氮的轉化量。Muller等[20]的研究表明，銨態氮和硝態氮在轉化過程中會轉化為有機氮，同時銨態氮和硝態氮還會轉化為非活躍態的氮暫時儲存。Mary等[21]指出銨態氮會通過銨態氮同化作用轉化為微生物量氮，通過氨揮發作用離開土壤，而硝態氮則通過硝態氮同化作用轉化為微生物量氮，通過反硝化作用形成N2O和N2等氣體離開硝態氮庫。

同時，本研究發現在添加NH415NO3的土樣培養過程中，15Ninorg的含量變化受土壤鹽分的影響。如在S1中，15Ninorg的含量先降低再增加然后降低，見圖1(a)。S1-4 h的15Ninorg的含量為0.23 mg·N·kg-1，小于初始時刻的(5.45 mg·N·kg-1)，然后15Ninorg的含量開始上升，S1-24 h含量為0.34 mg·N·kg-1、S1-72 h的含量為1.48 mg·N·kg-1，之后開始下降，S1-144 h含量為0.33 mg·N·kg-1、S1-288 h含量為0.32 mg·N·kg-1。而在S5中，15Ninorg的含量先降低再增加，見圖1(e)。在4和24 h時，其15Ninorg含量都在下降，分別為0.27、0.26 mg·N·kg-1，之后逐漸上升， S5-72 h含量為0.28 mg·N·kg-1、S5-144 h含量為0.33 mg·N·kg-1、S5-288 h含量為1.04 mg·N·kg-1。因此，在實驗期內，土壤中的Ninorg和15Ninorg與其它形態氮素發生轉化；某個時段，其它形態的氮素向無機氮的轉化量大于無機氮向其它形態氮素的轉化量。

綜上，整個實驗過程中，土壤中進行著強烈的氮素轉化過程，相比最初的添加量，隨著反應的進行，Ninorg含量和15Ninorg的含量在不斷減少，表明無機氮(銨態氮和硝態氮)向其他形態的氮發生了轉化，或為有機氮，或為生物量氮，或者在反應中發生氨揮發和反硝化作用形成氣態氮損失掉。同時，在0～4 h的轉化速率大于其它時間段的轉化速率。另外，從對比添加15NH4NO3和添加NH415NO3的土樣中的15Ninorg，15Ninorg的含量培養過程中會在某個時間段升高，然后再降低。同時，本研究發現銨態氮向其它氮素形態的轉化速率小于硝態氮向其它形態氮素的轉化速率。

圖1 無機氮的變化規律(折線：左軸，Ninorg；柱狀：右軸，15Ninorg；a-f：S1-S6)

圖2為15NH4NO3中14NH4+和14NO3-隨時間的變化。由圖2可知，288h的培養過程中，3種同位素標記處理(15NH4NO3、NH415NO3、15NH415NO3)的土壤中的銨態氮(14NH4+、15NH4+)和硝態氮(14NO3-、15NO3-)較最初(t=0)時總的銨態氮(15NH4NO3：54 mg·N·kg-1；NH415NO3：53.64 mg·N·kg-1；15NH415NO3：54 mg·N·kg-1)和硝態氮(15NH4NO3：83.9 mg·N·kg-1；NH415NO3：84.26 mg·N·kg-1；15NH415NO3：84.26 mg·N·kg-1)均在降低。表明氮素在土壤轉化過程中，除了銨態氮和硝態氮的形態之外，還存在向其它形式的轉化，或為NH3、NO、NO2、有機氮等形態。

圖2 15NH4NO3中14NH4+和14NO3-隨時間的變化

3.2 氮素凈轉化速率

土壤氮素轉化速率一般分為凈轉化速率和總轉化速率。凈轉化速率(net transformation rate)是單位時間內被轉化的氮形態含量凈下降或者轉化生成的氮形態凈增加量；總轉化速率(gross transformation rate)是指土壤中的氮從一種形態轉化為另一種形態的實際轉化率。一種氮形態的轉化有多種輸出和輸入，因此土壤中各種形態氮的凈轉化速率是控制其總轉化速率的綜合結果[22]。本實驗中，銨態氮的凈轉化速率計算公式按照式(1)計算，硝態氮的凈轉化速率按照式(2)計算，凈礦化速率按照(3)式計算[17]。

(1)

(2)

(3)

實驗過程中，6個鹽分的凈轉化速率隨時間的變化見圖3。0～4 h時間段內，銨態氮和硝態氮的凈轉化速率絕對值均大于之后時間段的凈轉化速率絕對值，(圖3)。S2鹽分處理添加15NH4NO3標記土樣0～4 h時間段內銨態氮的凈轉化速率為-3.39 mg·N·kg-1·h-1，硝態氮的凈轉化速率為-18.35 mg·N·kg-1·h-1，硝態氮的凈轉化速率的絕對值大于銨態氮的凈轉化速率絕對值(圖3b)，表明在這個時間段硝態氮的轉化比銨態氮的轉化強烈； 4～24 h時間段，銨態氮和硝態氮的凈轉化速率均為正值(0.18和0.17 mg·N·kg-1·h-1)，表明其它形態的氮均在向銨態氮和硝態氮轉化，因此銨態氮和硝態氮的含量較上一時段末期(t=4 h)均在增大；24～72 h時間段內，銨態氮的凈轉化速率為-0.39 mg·N·kg-1·h-1，硝態氮的凈轉化速率為-0.27 mg·N·kg-1·h-1，相比上一時段二者的含量均在下降；72～144 h時間段，銨態氮和硝態氮的含量繼續下降，其凈轉化速率分別為-0.06和-0.01 mg·N·kg-1·h-1； 144～288 h時間段內，其銨態氮的凈轉化速率為-0.01 mg·N·kg-1·h-1，硝態氮的凈轉化速率為0.003 mg·N·kg-1·h-1，該速率絕對值小于0～4h時間段的凈轉化速率的絕對值(圖3)。總的來說，銨態氮和硝態氮的凈轉化速率絕對值均是在0～4 h時間段最大，一般在144～288 h時間段的凈轉化速率最小。如S2鹽分處理添加15NH4NO3標記的土樣在144～288 h時間段的銨態氮凈轉化速率僅為0～4 h時間段的0.31%，硝態氮的凈轉化速率則在72～144 h時間段達最小值，約為0～4 h時間段的0.04%，0～4 h時間段內銨態氮和硝態氮的轉化最為活躍。

圖3 凈轉化速率

圖4 凈礦化速率

根據公式，凈礦化速率是銨態氮和硝態氮與上一時刻之差同時間的比值，客觀反映了土壤中銨態氮和硝態氮隨時間的轉化快慢。當凈礦速率為負值時，表明土壤中銨態氮和硝態氮的含量較上一時刻減少；反之，則表明銨態氮和硝態氮的含量在增加。實驗過程中，6個鹽分3個標記的凈礦化速率變化情況見圖4。與凈轉化速率相類似，凈礦化速率在0～4 h時間段的絕對值大于其它時間段的凈礦化速率絕對值(圖4)。如S5標記NH415NO3的土樣0～4 h時間段的凈礦化速率為-19.63 mg·N·kg-1·h-1(圖4e)，表明這一時間段銨態氮和硝態氮向其它形態氮大量轉化，且其絕對值大于其它4個時間段(4～24 h：-0.43 mg·N·kg-1·h-1，24～72 h:0.08 mg·N·kg-1·h-1，72～144 h：-0.08 mg·N·kg-1·h-1，144～288 h：-0.06 mg·N·kg-1·h-1)，其中，在144～288 h時間段，其凈礦化速率最小，約為4～24 h時間段的0.3%。同樣，在24～72 h，其礦化速率為正值，表明銨態氮和硝態氮總含量在增加。此外，本研究發現3種不同標記(15NH4NO3、NH415NO3、15NH415NO3)的土樣凈礦化速率的趨勢是一致的(圖4)。如S5鹽分處理的3個標記在0～4 h時間段的凈礦化速率依次為-18.38、-19.63和-18.94 mg·N·kg-1·h-1，其相對偏差為3.17%、3.4%和0.23%。同時，在24～72 h時間段，三者的凈礦化速率均為正值(0.09、0.08和0.16 mg·N·kg-1·h-1)，銨態氮和硝態氮含量相對上一時段末均在上升(圖4e)。

4 結 論

根據實驗數據的整理分析，結論如下：

1)整個實驗期內，土壤中的總無機氮Ninorg(銨態氮和硝態氮)含量和標記15N同位素的無機氮(15Ninorg)含量均在下降，除銨態氮和硝態氮之間的相互轉化，還發生著銨態氮和硝態氮向其它形態氮素轉化過程。同時，土壤中銨態氮和硝態氮的凈轉化速率絕對值在0～4 h時段最大，在144～288 h時間段最小。

4)6個鹽分的凈轉化速率隨時間的變化中，硝態氮的凈轉化速率的絕對值大于銨態氮的凈轉化速率絕對值，表明在這個時間段硝態氮的轉化比銨態氮的轉化強烈，3種不同標記(15NH4NO3、NH415NO3、15NH415NO3)的土樣的凈礦化速率的趨勢是一致的。