土壤礦質氮及其測定方法研究進展

蘇涵 王維 張巧鳳 侯會 耿曉月 董韋 徐振

摘要土壤礦質氮是土壤氮素的重要組成部分，在土壤氮素的轉化中起重要作用，是反映土壤肥力的一大指標，主要包括硝態氮和銨態氮。土壤礦質氮的累積與土壤微生物、施肥、溫度、水分、耕作方式和土地利用方式密切相關。土壤礦質氮的流失可能會造成土壤肥力下降、地表水體富營養化，釋放的氧化亞氮會引發溫室效應，最終影響人類的生存發展。從土壤礦質氮的組成與來源、影響氮素礦化的因素、礦質氮的提取與測試以及對環境的影響4個方面進行綜述，并對各種測試方法進行比較，以期為土壤礦質氮的研究提供依據。

關鍵詞土壤硝態氮；土壤銨態氮；氮素礦化；提取與測試；環境效應

中圖分類號S 153文獻標識碼A文章編號0517-6611（2023）24-0024-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.24.005

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress of Soil Mineral Nitrogen and Its Determination Methods

SU Han， WANG Wei， ZHANG Qiaofeng et al

（Xuzhou Institute of Agricultural Sciences in Xuhuai District in Jiangsu Province， Xuzhou， Jiangsu 221131）

AbstractSoil mineral nitrogen is an important component of soil nitrogen， plays an important role in the transformation of soil nitrogen， and is a major indicator reflecting soil fertility， mainly including nitrate nitrogen and ammonium nitrogen. The accumulation of soil mineral nitrogen is closely related to soil microorganisms， fertilization， temperature， water， tillage and land use. The loss of soil mineral nitrogen may cause the decline of soil fertility， the eutrophication of surface water and the release of nitrous oxide， which will lead to the greenhouse effect and ultimately affect the survival and development of human beings. This paper summarized the composition and source of soil mineral nitrogen， the factors affecting nitrogen mineralization， the extraction and testing of mineral nitrogen， and the impact on the environment， and compared various testing methods in order to provide a basis for the study of soil mineral nitrogen.

Key wordsSoil nitrate nitrogen；Soil ammonium nitrogen；Nitrogen mineralization；Extraction and testing；Environmental effect

土壤氮素是植物生長的大量元素之一，缺氮會導致作物產量下降、品質降低。土壤礦質氮占土壤氮素的1%～5%［1］，是土壤氮素的重要組成部分。土壤礦質氮能夠溶于水，可以被大多數植物直接吸收利用，是土壤重要的養分指標，也是反映土壤肥力的一個相對指標［2］。土壤礦質氮的流失會引發一系列的環境問題。因此，一直是國內外科學家的研究重點［3-6］。該研究從土壤礦質氮的組成與來源、影響氮素礦化的因素、礦質氮的提取與測試以及對環境的影響4個方面進行綜述，并對各種測試方法進行比較，以期為土壤礦質氮的研究提供依據。

1土壤礦質氮的組成與來源

土壤礦質氮也稱土壤無機態氮，主要包括土壤硝態氮、亞硝態氮和銨態氮，其中亞硝態氮被視為土壤氮素轉化的中間產物，很容易轉化成有機態氮、一氧化氮、氧化亞氮、硝態氮等，在土壤生態系統中很難累積［7］，所以在土壤礦質氮的研究中經常被忽略［8-11］，因此，該研究主要針對硝態氮和銨態氮進行討論。

有機氮占土壤氮素的95%以上，但是絕大部分的有機氮并不能直接被植物吸收利用，只有礦化為硝態氮和銨態氮，才能保障土壤氮素的有效性［12］。因此，有機氮的礦化是土壤礦質氮的一大來源。除此之外，在農田生態系統中，氮肥的施入是土壤礦質氮的又一重要來源。研究發現，當施氮量遠超過作物生長所需要的氮量時，土壤礦質氮會在農田生態系統中累積，引發一系列環境問題［13］。

2影響土壤氮素礦化的因素

土壤氮素的礦化問題是解決農田污染、提高作物產量的瓶頸，對土壤礦質氮的含量變化有重要影響。影響土壤氮素礦化的因素包括生物因素和非生物因素。

2.1生物因素

土壤微生物是土壤生態系統中的重要組成部分，是土壤氮素轉化的媒介和驅動力。氮循環的4個主要過程：固氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用均受其驅動［14］。微生物的活性決定氮的礦化速率。氮肥的大量使用，導致土壤微生物的礦化作用在農田生態系統的作用常被忽略，但是在養分貧瘠的自然土壤上，土壤微生物的礦化作用顯得至關重要。土壤微生物是養分固定和有機氮礦化分解的核心動力，推動土壤氮循環的整個過程［15-18］。

2.2非生物因素

土壤氮素的礦化不僅受生物因素的影響，也受非生物因素的影響。影響土壤氮素礦化的非生物因素有很多，如溫度、水分、施肥、耕作方式、土地利用方式等。溫度對土壤礦化的影響比較復雜，一方面，適當的增溫會使微生物的活性增加，從而促進土壤氮素的礦化；另一方面，增溫使得土壤水分蒸發，可能會使草原生態系統土壤濕度降低，從而抵消了增溫對土壤氮礦化的正面效應［19］。王連峰等［20］為了探究水分、溫度對硝化細菌與反硝化細菌的影響，采集亞熱帶季風氣候的紅黏土和紅砂土在不同條件下進行研究。結果表明，低溫抑制這2種細菌的活力，不利于氮素的轉化；淹水不利于這2種細菌的生存，但有利于保持反硝化細菌的活力。但小倩等［21］采用15N成對標記技術，對亞熱帶季風氣候的江西紅壤進行研究，發現紅壤中的銨態氮主要是由易分解的有機氮礦化產生的，土壤含水量越大，銨態氮產生越多，該研究結果或許與該區域優勢植被的凋落物有關。郎漫等［22］對黑龍江半干旱地區的砂壤土氮素轉化進行研究，發現淹水可以抑制土壤硝化，從而降低土壤氮素淋溶損失的風險，與此同時有機氮的固定速率跟礦化速率都明顯的提高，該結果對砂壤土農田的管理具有一定的指導意義。武丹丹等［23］研究了溫度和降水量對青藏高原地區高寒草甸土壤無機氮的影響，發現增溫導致土壤無機氮含量下降，降水量增加則會顯著增加土壤無機氮的含量。氮肥的施用種類和施用量對土壤礦質氮的含量和礦質氮的轉化也有很大影響［24］。潘飛飛等［25］通過添加外源氮的方式，對不同年限的設施土壤中的礦質氮進行研究，發現種植年限越久，土壤礦質氮含量越高；在同一種植年限下，施氮量越高，土壤礦質氮的含量越高；同一施氮處理條件下，施用無機肥效果強于有機肥，但是隨著種植年限的增加，施加氮肥對土壤礦質氮含量的增加效果減弱。不同的耕作方式對土壤硝態氮有一定的影響。地膜覆蓋不僅可以改善水熱狀況，對土壤氮素的礦化也有促進作用，同時減緩土壤硝態氮向下遷移的速度，減小淋溶，對增加作物產量，提高氮肥使用率有重要意義［26］。免耕可以提高土壤水分的利用效率和土壤肥力，但是長期的免耕，可能導致土壤表層養分富集，對作物的生長不利［27］。秸稈覆蓋能夠有效保溫，降低土壤容重，促進土壤肥力的發酵［28］。胡錦昇等［29］通過對旱地春玉米長期定位試驗，研究6種耕作措施對土壤水分和硝態氮淋溶的影響，發現不同的耕作方式可以通過對水分的調節減少硝態氮的淋溶，從而提高氮素的利用率。唐江華等［30］研究了秸稈全量還田的情況下北疆地區不同耕作措施對土壤氮素的影響，發現翻耕覆膜和翻耕均能提高土壤氮素的利用效率，更利于大豆的生長，但是覆膜也可能導致殘膜滯留土壤，造成新的污染。同一地區，不同土地利用方式氮的收支差異較大，劉明慶等［31］以浙江建德一村為研究對象，分析不同土地利用方式下土壤肥力情況，結果表明旱地土壤氮處于缺乏水平。韓軼才等［32］研究了千島湖流域的氮的收支特征，采取各種方式評估不同土地利用方式下氮素的收支平衡與差異，結果表明，氮輸入量較高的是園地和耕地，輸出量最高的是菜地，自然林地氮素的輸入、輸出量均比較少。

3礦質氮的提取測定

3.1土壤礦質氮的提取

土壤礦質氮可以用氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣等溶液浸提，也可以用電超濾法（EUF）提取。電超濾法的工作原理是電超濾儀的正負極在與直流電源相連時，土壤懸濁液中的正負離子會在電場的作用下，向兩極遷移，收集兩極的濾液，即可以測定不同形態的氮離子。但是EUF提取氮素費時、費力、重復性不好［33］，因此逐漸被化學提取法取代?；瘜W提取法比EUF法更加方便、快速、準確，國內外學者開發了各種土壤礦質氮的浸提劑。大量試驗表明，使用氯化鉀、氯化鈣等溫和的浸提劑不會引起土壤性質的巨大改變，能較真實地反映土壤的情況，因此被廣泛應用。李生秀等［34］用幾種不同的測氮方法比較旱地土壤供氮能力，發現不同浸提劑對土壤銨態氮的浸提能力不同，1.000 mol/L氯化鉀的浸提效果最佳，0.001 mol/L氯化鈣次之，水浸提的效果最差。劉育紅等［35］對浙江嘉興的稻田土壤氮素礦化進行研究，結合盆栽試驗，用KCl加熱煮沸法和2種不同的淹水密閉培養法進行比較，結果表明，氯化鉀煮沸法能更好地測定土壤供氮能力。王海妹等［36］為了提高浸提土壤硝酸鹽的效率，采用超聲法對浸提液氯化鉀的濃度、提取時間、料液比和樣品取樣量進行探究，發現稱取20 g土壤樣品，加入100 mL 1.0 mol/L的氯化鉀溶液，超聲提取15 min提取效果最好，超聲提取法的加標回收率也高于常用的震蕩提取法，滿足檢測需求。潘艷等［37］用氯化鈣浸提土壤中的硝酸鹽氮，通過單因素試驗法，研究氯化鈣濃度、浸提時間對硝態氮浸提效果的影響，結果表明氯化鈣的濃度對土壤硝態氮的浸提有顯著影響，而浸提時間對浸提的影響不明顯。我國國家環境標準《HJ 634—2012土壤 氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測定》也是用1.0 mol/L氯化鉀進行浸提，表明可溶性鹽作為土壤礦質氮的浸提劑已經得到普遍認可。土壤樣品的預處理方式對土壤礦質氮的測定結果也有很大的影響。孟盈等［38］研究烘干、風干對不同熱帶森林土壤礦質氮測定的影響，結果表明烘干和風干對森林土壤的銨態氮有顯著影響，含量顯著高于新鮮土，而烘干則會導致土壤的硝態氮含量顯著下降。趙瑞芬等［39］研究了大棚土壤處理方式對礦質氮的影響，發現土壤預處理方式對硝態氮、銨態氮均有顯著性影響，銨態氮的含量為烘干土>風干土>新鮮土，硝態氮的含量為烘干土>風干土>新鮮土。有研究者認為，升溫和干燥會影響土壤有機質的結構，從而釋放銨態氮和二氧化碳氣體。銨態氮的含量隨著溫度升高，明顯增加，這與已有的報道結論一致［40］。而干燥對硝態氮含量的影響，尚無一致的定論。因此，土壤礦質氮的測定最好采用新鮮土樣，然而在現實中，采回來的樣品會受到各種客觀條件的限制，無法立即浸提、上機測定，土樣則需要暫時保存，我國環境標準HJ 634—2012 也對土壤礦質氮的保存條件進行了明確的規定，以減小測試誤差。綜上所述，在土壤樣品的處理過程中，不同的浸提液、土壤預處理方式對土壤礦質氮的浸提有影響，使得測定結果相差較大，因此，應綜合考慮土壤有機質的含量、土壤質地，參照標準的保存辦法，選用合適的方法對土壤樣品進行處理。

3.2土壤礦質氮的測定

3.2.1土壤浸提液中硝態氮的測定。

土壤浸提液中硝態氮的測定主要有酚二磺酸法、還原蒸餾法、電極法、紫外分光光度法、離子色譜法、氣相分子吸收光譜法等。前2種是測定土壤硝態氮的經典方法［41］。酚二磺酸法具有顯色穩定、測定范圍寬、靈敏度高的優點，但是操作復雜，易受其他離子的干擾，不適合樣品的批量測定。還原蒸餾法不易受其他離子干擾，結果準確可靠但是滴定終點的判定容易出現誤差，不適合對顏色不敏感的實驗人員和新手，也不適合大量樣品的測定。離子選擇電極法作為一種快速、低成本檢測硝態氮的方法應時而生，但電極本身的干擾和背景噪音無法避免，易引起誤差，影響檢測結果的準確性。因此，精確度高、適用于大批量樣品測定的儀器逐漸被開發利用，如紫外分光光度法、離子色譜法、氣相分子吸收光譜法、連續流動分析法等。紫外分光光度法操作簡單、測定速度快，但是對于有機質含量高的土壤樣品校正因數不好確認。離子色譜法、氣相分子吸收光譜法、連續流動分析法均可以測定多種形態的氮素，操作簡單、分析速度快、精確度高、重復性好、自動化程度高，但是儀器價格昂貴。同時，連續流動分析法是《LY/T 1228—2015森林土壤氮的測定》中硝態氮測定的經典方法。

3.2.2土壤浸提液中銨態氮的測定。

土壤浸提液中銨態氮的測定方法主要有離子色譜法、氣相分子吸收光譜法、連續流動儀法、靛酚藍分光光度法、納氏試劑比色法等。離子色譜法、氣相分子吸收光譜法、連續流動儀法自動化程度高、分析速度快、檢測準確，但成本相對較高；靛酚藍分光光度法的檢測成本相對較低，但是檢測結果易受外界因素的影響，如試劑、溫度、顯色劑等。納氏試劑比色法易受土壤中金屬離子的影響、操作相對復雜且用到的試劑毒性較大，不利于檢測人員的身體健康，逐漸被其他方法取代。靛酚藍比色法和連續流動分析儀法是林業標準中森林土壤銨態氮測定的經典方法。

4土壤礦質氮的環境影響

土壤礦質氮的流失主要有淋溶損失和溫室氣體的釋放2種方式。淋溶導致土壤肥力下降，水體富營養化。土壤中礦質氮淋溶損失需滿足2個基本條件：①土壤中有易移動的氮源的累積（主要是硝態氮）；②土壤中有水分運動的存在，土壤水分運動是土壤礦質氮淋溶的發動機。土壤礦質氮的淋溶損失受這2個因素影響［42］。大量研究表明，硝態氮難以被土壤顆粒吸附，在降水或灌溉水的作用下容易向下遷移，到達一定深度后，植物難以吸收利用，最終進入水體環境，對水體環境造成污染。因此，科學家們對降低土壤氮素的損失，減少水土氣的污染進行了不斷研究和各種探索［43-45］。李宗新等［46］研究了山東地區棕壤土在不同施肥條件下的養分淋溶規律，證實了硝態氮淋溶是土壤氮素淋溶的主要形式，與任麗萍等［47］、王少平等［48］的研究是一致的。研究發現，華北平原地區地下水的硝酸鹽含量超標19.3%，有些地區甚至更高［49］，直接影響人類的健康，過量的硝酸鹽在人體內積存，會轉化成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽不僅會引發高鐵血紅蛋白癥，還能生成致癌物質——亞硝胺。研究表明，硝化過程跟反硝化過程均會產生氧化亞氮。在對全球溫室氣體排放源的調查中發現，農業生產排放的溫室氣體占全球溫室氣體排放總量的1/4［50］，其中1/2來自耕地土壤氮肥脫氮產生的氧化亞氮，因此作物施肥是溫室氣體氧化亞氮排放的重要來源［51］。氧化亞氮對溫室效應的貢獻率雖僅為二氧化碳的1/12，甲烷的1/3，但是其增溫效應卻是二氧化碳的296～310倍［52-54］，對臭氧層也有很強的破壞性［55］。綜上所述，應該加強土壤礦質氮的研究，減少礦質氮的淋溶損失，同時加強礦質氮轉化的機理研究，為氧化亞氮排放量的估算提供更準確、更全面、更有價值的數據支撐。

5結語

土壤礦質氮作為土壤氮素的重要組成部分，在生態系統的氮循環過程中起著重要作用。因此，研究土壤礦質氮對生態系統的平衡、化肥的使用、作物的生長發育、生態環境等有重要意義。應當更深一步地探索土壤礦質氮化學屬性和生物學屬性，加強土壤微生物的機理研究，進一步明確土壤礦質氮的轉化機制，開發檢測土壤礦質氮的新方法，揭示土壤礦質氮在土壤氮循環中的角色，在促進農業經濟發展的同時，減少其帶來的生態環境問題。

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