不同浸提條件對土壤氨氮提取數(shù)量的影響

汪發(fā)勇 白建軍 孫定釗 劉滿義 尹磊

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪院，貴州貴陽 550000；2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽 550000）

1 引言

土壤生態(tài)環(huán)境是一個復(fù)雜的多介質(zhì)多界面體系。溶解性有機質(zhì)（Dissolved Organic Matter，DOM）是這一環(huán)境中最為活躍的化學(xué)組成之一，它將土壤的礦物質(zhì)、有機質(zhì)與生物成分聯(lián)系在一起，具有重要的生態(tài)意義。如作為微生物的底物、通過物理和化學(xué)作用改變金屬與外源性化合物的環(huán)境行為、穩(wěn)定土壤膠體與團聚體、促進溫室氣體的排放等，它還可以用于指示土壤質(zhì)量［1］。同時土壤DOM 在C，N，P 和S等營養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)過程、成土過程、微生物的生長代謝過程、土壤有機質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化過程以及土壤污染物的遷移過程有著重要的作用，因此成為土壤、生態(tài)和環(huán)境科學(xué)研究前沿?zé)狳c之一［2］。關(guān)于土壤有機質(zhì)對DOM 釋放的影響、控制DOM 數(shù)量與質(zhì)量的環(huán)境因素以及溶解性有機碳（DOC）、溶解性有機氮（DON）和溶解性有機磷（DOP）之間的差異的研究也是今后DOM 的研究重點。

DON 是可溶性有機物的重要組成部分之一。近年來出于對DOM 的關(guān)注，科學(xué)家們對森林土壤（特別是溫帶林）中DON 的來源、動態(tài)調(diào)節(jié)、流量等方面做了一些研究，但總體上人們對DON 的了解甚少［3］。有關(guān)DON 在土壤中的動態(tài)報道的結(jié)論很多相互矛盾。由于水文過程的差異，在野外與室內(nèi)研究有關(guān)DON 影響因素時常得到不一致甚至是相反的結(jié)果，在野外條件下，土壤層的水文變化可能比生物因素對DON 的調(diào)節(jié)更為重要，因而，在室內(nèi)研究得出的結(jié)果有待于在室外條件下進一步驗證［4］。為了更好地量化土壤中DON，對于總氮、氨氮、硝態(tài)氮的量化過程就必須有進一步的了解。在對DON 量化的過程中，對氨氮的量化同樣是一個重要的過程，因為DON的推算是通過測試土壤全氮、氨氮和硝態(tài)氮的數(shù)量，然后利用全氮減去氨氮和硝態(tài)氮獲得［5］。對氨氮的測定目前有多種方法可用，如納氏試劑法、電化學(xué)分析方法、流動注射法、儀器分析法等［6-7］。

本試驗主要是浸提土壤中的氨氮，從而量化土壤中的氨氮，其影響因素包括浸提劑、振蕩時間、溫度、土水比。本試驗以提取土壤中氨氮為目的設(shè)計實驗方法，通過控制浸提劑、振蕩時間、溫度、土水比，分別對每一項影響因素的各水平進行研究，分析各水平試驗數(shù)據(jù)，研究單一因素對浸提氨氮數(shù)量的影響，同時得到不同因素對浸提和量化土壤中氨氮的影響程度。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計

本試驗選擇正交試驗設(shè)計。正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平的一種高效設(shè)計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，是一種高數(shù)量、快速、經(jīng)濟的試驗設(shè)計方法。試驗設(shè)計的因素和水平見表1。

表1 試驗因素及水平

2.2 土樣選擇與樣品處理過程

本試驗共涉及4 個土樣，分別是石灰土表層（編號A，深度0～10 cm）與心土層（編號B，深度110～130 cm）、黃壤表層（編號C）與心土層（編號D，深度30 cm 以下）。土樣屬性見表2。

表2 土樣屬性

在制樣過程中，首先去除土樣中攜帶的殘枝落葉等雜質(zhì)，樣品經(jīng)自然風(fēng)干后研磨至過10 目篩子備用。

浸提劑的配置：首先，配制0.5，1，2 mol/L KCl 溶液，分別稱取37.3，74.6，149.1 g KCl 放入燒杯，溶解后轉(zhuǎn)入1 L 的容量瓶，定容到1 L；配制0.2，0.5 mol/L K2SO4溶液，分別稱取34.9，87.1 g K2SO4，操作步驟與配制KCl 溶液相同。其次，根據(jù)試驗設(shè)計控制溶液溫度，再根據(jù)試驗設(shè)計的土水比取土樣和浸提劑裝入50 mL 離心管。其中，土水比為1 ∶1 時取土20 g、進液量20 mL；土水比為1 ∶5 與1 ∶10 時分別取土7.0，3.5 g，進液量均為35 mL。再次，控制振蕩時間，待振蕩完畢，放入離心機進行離心，離心轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，離心時間為10 min。最后，用0.45 μm微孔濾膜過濾，得到土壤測試樣品，裝入棕色瓶中保存，放入冰箱待測。

2.3 化學(xué)分析

氨氮的測定方法通常有分光光度法、電化學(xué)分析方法等。水樣中氨氮的測定方法種類較多，各有特點，分光光度法是最常用的方法。

本試驗使用荷蘭SKALAR 最新推出的濕化學(xué)流動分析儀San++檢測土壤中的氨氮。該儀器是一款匯集了多功能的取樣器、準(zhǔn)確可靠的蠕動泵、有1 000多種已被實踐證明的指標(biāo)模塊、數(shù)字化光度計和應(yīng)用于Windows 界面軟件的分析儀器，可用于水體的總氮、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等指標(biāo)的含量分析。氨的自動分析過程是基于水楊酸鈉—次氯酸鈉光度法；氨被氯化成單氯鹽，單氯鹽與水楊酸鹽和次氯酸鹽（或二氯三聚異氰酸鹽）形成氧化性耦合的一種藍色混合物，可在660 nm 光波下檢測到。反應(yīng)中用亞硝基鐵氰化鈉作為催化劑，酒石酸鉀鈉和檸檬酸鹽作為緩沖液。

分光光度法包括納氏比色法、苯酚—次氯酸鹽（或水楊酸—次氯酸鹽）比色法。納氏試劑比色法原理是碘化汞和碘化鉀的堿性溶液與氨反應(yīng)生成淡紅棕色膠態(tài)化合物，其色度與氨氮含量成正比，通常可在波長410～425 nm 范圍內(nèi)測其吸光度，計算其含量。苯酚—次氯酸鹽（或水楊酸—次氯酸鹽）比色法原理是在亞硝基鐵氰化鈉存在下，銨與水楊酸鹽和次氯酸離子反應(yīng)產(chǎn)生藍色化合物，在波長697 nm 具有最大吸光度。該法具有靈敏、穩(wěn)定等優(yōu)點，干擾情況和消除方法與納氏試劑比色法相同，但對試劑要求嚴(yán)格，操作復(fù)雜。

2.4 試驗結(jié)果分析

本試驗統(tǒng)計分析采用單因素試驗的方差分析和極差分析兩種方法，分析各因素對DON 浸提數(shù)量的影響是否顯著。通過試驗，測得土壤中氨氮的濃度，單位為mg/L。由于浸提劑本身可能含有氨氮，所以先將所測土壤浸提溶液氨氮的濃度減去浸提劑本身所含氨氮的濃度，得到土壤氨氮的濃度。然后先進行單因素試驗方差分析，計算出統(tǒng)計量（F），比較F與臨界值［F0.05（l－1，n－l）］的大小，當(dāng)F≤F0.05（l-1，n－l）時，認為影響不顯著；當(dāng)F0.05（l-1，n－l）＜F≤F0.01（l-1，n－l）時，認為影響顯著；當(dāng)F＞F0.01（l-1，n－l）時，認為影響特別顯著。最后對所得數(shù)據(jù)進行極差分析，通過Excel 表格輸入數(shù)據(jù)，計算各重復(fù)試驗的算術(shù)平均值，求出相同條件下各梯度的極差（D），根據(jù)極差值將各因素對土壤氨氮浸提數(shù)量的影響從大到小排列。因素的極差最大，表示該因素在試驗范圍內(nèi)變化時，試驗指標(biāo)數(shù)值的變化最大。

3 結(jié)果與分析

3.1 浸提劑對氨氮浸提數(shù)量的影響

在以浸提劑為變量時，將其余變量統(tǒng)一控制，即土水比1∶5、振蕩60 min、溫度20 ℃。

在這3 種浸提劑中，除純水外，氯化鉀浸提劑包括3 個濃度，分別為0.5，1，2 mol/L，硫酸鉀浸提劑包括2 個濃度，分別為0.2，0.5 mol/L。通過對這3 種浸提劑梯度數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，表明不同浸提劑不同濃度對氨氮浸提數(shù)量影響極顯著［F＞F0.01（l-1，n－l）］。浸提劑影響氨氮浸提效果如圖1 所示。對數(shù)據(jù)進行簡單的直接對比，由圖1 可以得出，浸提劑對浸提氨氮數(shù)量有明顯差異。在氯化鉀浸提劑和硫酸鉀浸提劑的試驗結(jié)果中，浸提劑濃度越高，對氨氮的浸提數(shù)量越高。而在對這3 種浸提劑進行對比時，以純水作為浸提劑時，對氨氮浸提數(shù)量很低，2 mol/L氯化鉀浸提劑對氨氮的浸提數(shù)量是最高的。同濃度的氯化鉀浸提劑與硫酸鉀浸提劑，0.5 mol/L 硫酸鉀對氨氮浸提數(shù)量大于0.5 mol/L 氯化鉀對氨氮浸提數(shù)量。

圖1 浸提劑影響氨氮浸提效果

3.2 溫度對氨氮浸提數(shù)量的影響

在以溫度為單因素變量時，將其余變量統(tǒng)一控制，即土水比1 ∶5、振蕩60 min，可以得到4 個土樣下3 種浸提劑共12 組溫度梯度數(shù)據(jù)。對這12 組溫度梯度數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，結(jié)果表明，溫度對氨氮浸提數(shù)量存在極顯著影響［F＞F0.01（l-1，n－l）］。對浸提氨氮的數(shù)量進行對比，以D 土樣為例（見圖2），溫度的變化對浸提氨氮的數(shù)量存在明顯的影響。可以清楚地看出，溫度的變化對氨氮的浸提數(shù)量并不像土水比對氨氮的浸提數(shù)量存在明顯的一元線性關(guān)系。在溫度梯度10，20，30，50，70 ℃中，從20 ℃到50 ℃，隨著溫度的上升對氨氮浸提數(shù)量越來越高，當(dāng)浸提溫度為50 ℃時，對氨氮浸提數(shù)量是最高的。溫度在70 ℃時，對氨氮浸提數(shù)量低于50 ℃對氨氮浸提數(shù)量。

圖2 溫度對氨氮浸提效率

3.3 振蕩時間對氨氮浸提數(shù)量的影響

在以振蕩時間為單因素變量時，將其余變量統(tǒng)一控制，即土水比1 ∶5、溫度20 ℃，可以得到4 個土樣下3 種浸提劑共12 組振蕩時間梯度數(shù)據(jù)。對這12 組振蕩時間梯度數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，結(jié)果表明，振蕩時間對氨氮浸提數(shù)量存在顯著影響［F＞F0.01（l-1，n－l）］。

以土樣D（見圖3a）和土樣A（見圖3b）在用硫酸鉀浸提劑對氨氮浸提數(shù)量的分析結(jié)果看，在振蕩時間10，20，60 min 時，對氨氮浸提數(shù)量隨著振蕩時間的增加而增加。在振蕩時間為60 min 時，對氨氮的浸提數(shù)量最高，而在120 min 對氨氮浸提數(shù)量急劇下降，并基本與振蕩時間為20 min 時持平。

圖3 振蕩時間對氨氮浸提效果

3.4 土水比對氨氮浸提數(shù)量的影響

土水比對氨氮浸提數(shù)量的影響很大［F＞F0.01（l-1，n－l）］。在3 種土水比中（1 ∶10，1 ∶5，1 ∶1），關(guān)于濃度的差異的試驗結(jié)果為，在以純水為浸提劑時試驗數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)太大的差異，但氯化鉀浸提劑和硫酸鉀浸提劑變化趨勢完全一致。土水比越大，所測氨氮的含量越大，所以當(dāng)土水比為1 ∶1 時，對氨氮浸提數(shù)量最大。以土樣B 為例，土水比對氨氮的浸提效果見圖4。

圖4 土水比對氨氮浸提效果

3.5 各因素之間的關(guān)系

各因素之間的極差處理見表3。

表3 各因素之間的極差處理

表3 對各因素對氨氮浸提數(shù)量的數(shù)據(jù)進行極差分析，對比在單一因素影響下各組試驗中測試氨氮的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的變化范圍作出評價。某單一因素水平的極差最大，表示該因素的數(shù)值在試驗范圍內(nèi)變化時，使試驗指標(biāo)數(shù)值的變化最大。所以各因素對試驗指標(biāo)的影響從大到小的排列，就是各列極差的數(shù)值從大到小的序列，可以得到土水比＞浸提劑＞振蕩時間＞溫度。因此從單一因素考慮，運用直觀分析的方法，在考慮浸提氨氮的影響因素時，土水比應(yīng)作為首要因素，其后依次為浸提劑、振蕩時間、溫度。

4 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，土水比、不同浸提劑、溫度以及振蕩時間均對氨氮浸提數(shù)量有顯著的影響。不同因素對氨氮浸提數(shù)量影響程度表現(xiàn)為：土水比＞浸提劑＞振蕩時間＞溫度。在土水比1∶10，1∶5，1∶1 中，當(dāng)土水比為1∶1 時對氨氮浸提數(shù)量最大，表明土水比越大對氨氮浸提數(shù)量越大。2 mol/L 氯化鉀的浸提劑對氨氮浸提數(shù)量最大，0.5 mol/L 硫酸鉀對氨氮浸提數(shù)量大于0.5 mol/L 氯化鉀對氨氮浸提數(shù)量，表明氨氮的浸提數(shù)量隨著浸提劑濃度的增大也隨之增大。在振蕩時間為10，20，60 min 中，隨著振蕩時間的增加，對氨氮浸提數(shù)量增大。浸提溫度表現(xiàn)較為復(fù)雜，在20，30，50 ℃中，隨著浸提溫度升高，氨氮浸提數(shù)量增加，浸提溫度為10 ℃和70 ℃對氨氮浸提數(shù)量均低于50 ℃對氨氮浸提數(shù)量。