盐渍土壤氮素转化的试验研究

洪明海，胡贵芳，敬 娜，冯楚桥

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002；2.贵州大学 土木学院，贵阳 550025；3.贵阳市云岩区水务管理局，贵阳 550001)

1 概 述

土壤盐渍化是干旱半干旱地区农业发展的重要限制因素[1]。我国盐渍土总面积超过1×108hm2，广泛分布在西北、华北、东北以及沿海地区，其中西北内陆地区盐渍化耕地面积占总耕地面积的15%[2-3]。施肥，尤其是增施氮肥是保证盐渍土地区粮食产量的重要措施。在一定的盐度范围内，施加氮肥能够有效缓解盐分对作物生长的不利影响，提高作物产量[4]。但是，大量施入氮肥并不能促进作物的持续增产[5]。Semir等[6]也指出过量施氮会造成浪费，应该根据土壤的盐度来合理确定施氮量。过高的土壤盐分会降低土壤相关酶的活性，抑制氮素的矿化和硝化过程，甚至促进氨的挥发，降低土壤中无机态氮的含量，造成作物缺氮。

大量的研究也表明，盐渍土中过高的盐分不仅会导致土壤物理化学性质的恶化、孔隙度降低[7]、肥力下降、改变作物的渗透势[8]、引起生理干旱，从而抑制作物对水分和养分的吸收，还会影响氮素的转化速率，进而影响施入氮肥的有效性。此外，过量施入氮肥还可能会造成次生盐渍化、农业面源污染等环境问题。

通常认为，土壤中盐分能够抑制氮素转化过程[9]，造成作物缺氮。曾文治等[10]的研究表明，盐分对氮素总硝化反应速率的影响存在临界值，酸性土壤和碱性土壤的临界值分别为4.93 和 5.52 dS·m-1。但是有研究表明，氮素转化的抑制作用只是在一定范围内有效并且是短暂的[11]。如李建兵、黄冠华[12]研究中的设计土壤盐分浓度上限仅为2.5%，发现土壤矿化和硝化反应势均随(NaCl)含量的增加而降低。Pathak、 Rao[13]将实验设计的土壤盐分上限确定为5.1%时发现，土壤氮素矿化对盐分的响应存在阈值(70 dS·m-1)，即当溶液电导率小于70 dS·m-1时，土壤中铵态氮因为氮素的矿化不断积累；大于70 dS·m-1后，铵态氮累积降低。室内培养法结合同位素稀释技术，可以计算出土壤氮素转化不同中间过程(如矿化过程、反硝化过程、微生物的同化过程和氨挥发等过程)的转化速率[14-15]。如李玉中等[16]通过同位素稀释方法，计算羊草草地土壤氮总矿化速率和总硝化速率。兰婷等[17]采用15N同位素稀释法，研究了水稻土的氮总矿化速率。另一类反映氮素转化的实验方法是原位培养法，即在研究地点用PVC 管取原状土，一部分带回实验室分析，另一部分重新埋入土壤继续培养一段时间后再取出，通过计算培养前后的氮素变化来反映氮素的转化过程[18-19]，与室内培养法相比，原位培养法更加接近田间的“实际状态”。

本文以内蒙古河套灌区盐渍土为研究对象，精确控制土壤水分、盐分、温度等环境因素，采用15N同位素稀释法开展土壤氮素转化室内培养实验，分析研究土壤氮素转化过程中的总无机氮、氮素净转化速率，定量分析盐渍土壤中不同形态氮素的转化规律。

2 材料与方法

2.1 实验土壤

研究区位于内蒙古河套灌区五原县永联实验基地(E108°00′16.14″，N41°04′11.57″)。该地区海拔约为1 030 m，地处黄河北岸，是河套灌区主要的盐渍土分布区。供试土样选取研究区盐分含量较低的沙壤土(ECe=2.01 dS·m-1，S1)，pH值8.71～8.80，呈弱碱性，容重为1.35 g·cm-3；土壤中交换性钙、镁、铁3种元素的含量均较高(44.44 、8.03 、12.46 cmol·kg-1)，钾、钠元素则较少(0.39 、2.02 cmol·kg-1)，总氮、总碳分别为0.7、20.3 g·kg-1，含量最多的是碳元素，为2.03%。此外，土样中铵态氮、硝态氮(亚硝态氮)分别为3.66和33.92 mg·N·kg-1。

2.2 土样处理和实验步骤

2.2.1 土样处理

实验以基础土样的盐度值为基本处理(S1)，其饱和浸提电导率值ECe为2.01 dS·m-1为S1处理，根据基础土样中的交换性钾、钠、钙、镁等的含量，添加硫酸钾(K2SO4)、硫酸镁(MgSO4)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、氯化钙(CaCl2)5种盐分，以形成6个不同的盐度值(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)。培养容器为直径5 cm、高10 cm的圆柱形有机玻璃容器，每个填土高度为3 cm。各培养容器中，以每克干土对应7.14 μmol N的比例添加3种不同15N标记的硝酸铵，其中标记15N的原子百分数(atom %)分别为15NH4NO3：10.12、NH415NO3：10.18和15NH415NO3：10.18。

2.2.2 实验步骤

1)土样预处理。取土，称取约80 g相应盐分水平的土，晒干、磨碎、过2 mm筛，按照质量含水量为25%添加约20ml去离子水，充分混匀后封口放入培养箱培养24h。

2)填土培养。将培养土填装进Φ5×10 cm的培养容器，土装3cm高，按照7.14 μmol·g-1分3层(0.5、1.5、2.5cm)用注射器添加同位素氮。

3)取样。依次在4、24、72、144、288h(12d)5个时间点取样，同时测定取样时培养箱中的温度、湿度、二氧化碳浓度等环境变量参数。

4)氮素浸提。对以上各时间点取出的培养容器9个(3个硝酸铵标记各3个)，按照土水比1∶5用高纯度2 mol/L KCl 溶液浸提氮素，将滤液调转移到离心管(10～12ml)送检。

3 结果与分析

3.1 总无机氮

实验过程中，6个盐分处理的总无机氮(Ninorg)和标记15N同位素的无机氮(15Ninorg)含量随时间的变化规律见图1。整个培养期内，6个盐分的Ninorg以及15Ninorg均随着实验时间的增加而下降。双标记(添加15NH415NO3的土样)的15Ninorg含量相比于单标记(添加15NH4NO3和NH415NO3的土样)的15Ninorg含量在初始时的添加量就不同，单标记的15Ninorg初始时的添加量基本一致(5.42和5.45 mg·N·kg-1)，双标记的15Ninorg最开始的添加量为10.9 mg·N·kg-1，约为单标记的2倍，因此需要对两个单标记的进行对比分析。具体而言，添加15NH4NO3和NH415NO3的土样，初始时刻15Ninorg的添加基本一致，但是实验开始后各观测时间点上，4、24、72、144、288 h添加NH415NO3的15Ninorg的含量低于添加15NH4NO3的15Ninorg的含量，见图1(a)-图1(f)。这主要是因为添加标记的15NH4NO3和NH415NO3土样中的铵根在实验过程中，除了向硝酸根发生转化外，也在向其它形态的氮发生转化；与铵根类似，硝酸根在向铵根发生转化的过程中，也存在向其它形态氮素的转化，并且硝酸根向其它形态氮素的转化量大于铵根向其它形态氮的转化量。Muller等[20]的研究表明，铵态氮和硝态氮在转化过程中会转化为有机氮，同时铵态氮和硝态氮还会转化为非活跃态的氮暂时储存。Mary等[21]指出铵态氮会通过铵态氮同化作用转化为微生物量氮，通过氨挥发作用离开土壤，而硝态氮则通过硝态氮同化作用转化为微生物量氮，通过反硝化作用形成N2O和N2等气体离开硝态氮库。

同时，本研究发现在添加NH415NO3的土样培养过程中，15Ninorg的含量变化受土壤盐分的影响。如在S1中，15Ninorg的含量先降低再增加然后降低，见图1(a)。S1-4 h的15Ninorg的含量为0.23 mg·N·kg-1，小于初始时刻的(5.45 mg·N·kg-1)，然后15Ninorg的含量开始上升，S1-24 h含量为0.34 mg·N·kg-1、S1-72 h的含量为1.48 mg·N·kg-1，之后开始下降，S1-144 h含量为0.33 mg·N·kg-1、S1-288 h含量为0.32 mg·N·kg-1。而在S5中，15Ninorg的含量先降低再增加，见图1(e)。在4和24 h时，其15Ninorg含量都在下降，分别为0.27、0.26 mg·N·kg-1，之后逐渐上升， S5-72 h含量为0.28 mg·N·kg-1、S5-144 h含量为0.33 mg·N·kg-1、S5-288 h含量为1.04 mg·N·kg-1。因此，在实验期内，土壤中的Ninorg和15Ninorg与其它形态氮素发生转化；某个时段，其它形态的氮素向无机氮的转化量大于无机氮向其它形态氮素的转化量。

综上，整个实验过程中，土壤中进行着强烈的氮素转化过程，相比最初的添加量，随着反应的进行，Ninorg含量和15Ninorg的含量在不断减少，表明无机氮(铵态氮和硝态氮)向其他形态的氮发生了转化，或为有机氮，或为生物量氮，或者在反应中发生氨挥发和反硝化作用形成气态氮损失掉。同时，在0～4 h的转化速率大于其它时间段的转化速率。另外，从对比添加15NH4NO3和添加NH415NO3的土样中的15Ninorg，15Ninorg的含量培养过程中会在某个时间段升高，然后再降低。同时，本研究发现铵态氮向其它氮素形态的转化速率小于硝态氮向其它形态氮素的转化速率。

图1 无机氮的变化规律(折线：左轴，Ninorg；柱状：右轴，15Ninorg；a-f：S1-S6)

图2为15NH4NO3中14NH4+和14NO3-随时间的变化。由图2可知，288h的培养过程中，3种同位素标记处理(15NH4NO3、NH415NO3、15NH415NO3)的土壤中的铵态氮(14NH4+、15NH4+)和硝态氮(14NO3-、15NO3-)较最初(t=0)时总的铵态氮(15NH4NO3：54 mg·N·kg-1；NH415NO3：53.64 mg·N·kg-1；15NH415NO3：54 mg·N·kg-1)和硝态氮(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。表明氮素在土壤转化过程中，除了铵态氮和硝态氮的形态之外，还存在向其它形式的转化，或为NH3、NO、NO2、有机氮等形态。

图2 15NH4NO3中14NH4+和14NO3-随时间的变化

3.2 氮素净转化速率

土壤氮素转化速率一般分为净转化速率和总转化速率。净转化速率(net transformation rate)是单位时间内被转化的氮形态含量净下降或者转化生成的氮形态净增加量；总转化速率(gross transformation rate)是指土壤中的氮从一种形态转化为另一种形态的实际转化率。一种氮形态的转化有多种输出和输入，因此土壤中各种形态氮的净转化速率是控制其总转化速率的综合结果[22]。本实验中，铵态氮的净转化速率计算公式按照式(1)计算，硝态氮的净转化速率按照式(2)计算，净矿化速率按照(3)式计算[17]。

(1)

(2)

(3)

实验过程中，6个盐分的净转化速率随时间的变化见图3。0～4 h时间段内，铵态氮和硝态氮的净转化速率绝对值均大于之后时间段的净转化速率绝对值，(图3)。S2盐分处理添加15NH4NO3标记土样0～4 h时间段内铵态氮的净转化速率为-3.39 mg·N·kg-1·h-1，硝态氮的净转化速率为-18.35 mg·N·kg-1·h-1，硝态氮的净转化速率的绝对值大于铵态氮的净转化速率绝对值(图3b)，表明在这个时间段硝态氮的转化比铵态氮的转化强烈； 4～24 h时间段，铵态氮和硝态氮的净转化速率均为正值(0.18和0.17 mg·N·kg-1·h-1)，表明其它形态的氮均在向铵态氮和硝态氮转化，因此铵态氮和硝态氮的含量较上一时段末期(t=4 h)均在增大；24～72 h时间段内，铵态氮的净转化速率为-0.39 mg·N·kg-1·h-1，硝态氮的净转化速率为-0.27 mg·N·kg-1·h-1，相比上一时段二者的含量均在下降；72～144 h时间段，铵态氮和硝态氮的含量继续下降，其净转化速率分别为-0.06和-0.01 mg·N·kg-1·h-1； 144～288 h时间段内，其铵态氮的净转化速率为-0.01 mg·N·kg-1·h-1，硝态氮的净转化速率为0.003 mg·N·kg-1·h-1，该速率绝对值小于0～4h时间段的净转化速率的绝对值(图3)。总的来说，铵态氮和硝态氮的净转化速率绝对值均是在0～4 h时间段最大，一般在144～288 h时间段的净转化速率最小。如S2盐分处理添加15NH4NO3标记的土样在144～288 h时间段的铵态氮净转化速率仅为0～4 h时间段的0.31%，硝态氮的净转化速率则在72～144 h时间段达最小值，约为0～4 h时间段的0.04%，0～4 h时间段内铵态氮和硝态氮的转化最为活跃。

图3 净转化速率

图4 净矿化速率

根据公式，净矿化速率是铵态氮和硝态氮与上一时刻之差同时间的比值，客观反映了土壤中铵态氮和硝态氮随时间的转化快慢。当净矿速率为负值时，表明土壤中铵态氮和硝态氮的含量较上一时刻减少；反之，则表明铵态氮和硝态氮的含量在增加。实验过程中，6个盐分3个标记的净矿化速率变化情况见图4。与净转化速率相类似，净矿化速率在0～4 h时间段的绝对值大于其它时间段的净矿化速率绝对值(图4)。如S5标记NH415NO3的土样0～4 h时间段的净矿化速率为-19.63 mg·N·kg-1·h-1(图4e)，表明这一时间段铵态氮和硝态氮向其它形态氮大量转化，且其绝对值大于其它4个时间段(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时间段，其净矿化速率最小，约为4～24 h时间段的0.3%。同样，在24～72 h，其矿化速率为正值，表明铵态氮和硝态氮总含量在增加。此外，本研究发现3种不同标记(15NH4NO3、NH415NO3、15NH415NO3)的土样净矿化速率的趋势是一致的(图4)。如S5盐分处理的3个标记在0～4 h时间段的净矿化速率依次为-18.38、-19.63和-18.94 mg·N·kg-1·h-1，其相对偏差为3.17%、3.4%和0.23%。同时，在24～72 h时间段，三者的净矿化速率均为正值(0.09、0.08和0.16 mg·N·kg-1·h-1)，铵态氮和硝态氮含量相对上一时段末均在上升(图4e)。

4 结 论

根据实验数据的整理分析，结论如下：

1)整个实验期内，土壤中的总无机氮Ninorg(铵态氮和硝态氮)含量和标记15N同位素的无机氮(15Ninorg)含量均在下降，除铵态氮和硝态氮之间的相互转化，还发生着铵态氮和硝态氮向其它形态氮素转化过程。同时，土壤中铵态氮和硝态氮的净转化速率绝对值在0～4 h时段最大，在144～288 h时间段最小。

4)6个盐分的净转化速率随时间的变化中，硝态氮的净转化速率的绝对值大于铵态氮的净转化速率绝对值，表明在这个时间段硝态氮的转化比铵态氮的转化强烈，3种不同标记(15NH4NO3、NH415NO3、15NH415NO3)的土样的净矿化速率的趋势是一致的。