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土壤水分对黑土壤氮素转化的影响

添加时间:2019-01-31 14:21

  摘    要: 以黑龙江省哈尔滨市的黑土为研究对象, 采用室内培育实验, 研究不同水分变化模式 (恒定40%WHC、恒定80%WHC、40%变为80%WHC、80%变为40%WHC) 下, 黑土中铵态氮、硝态氮含量的变化及矿化率、硝化率、反硝化率的响应规律.结果表明, 硝化率与土壤水分呈正相关, 80%WHC为硝化作用的最适水分含量;由低到高的水分变化模式刺激硝化作用发生, 促进硝态氮积累, 矿化量增加.四种水分变化模式下, 黑土氮素转化以硝化作用为主, 不同水分变化模式对黑土的氮素转化具有显着影响.

  关键词: 黑土; 土壤水分变化模式; 矿化率; 硝化率; 反硝化率;

  Abstract: An incubation experiment is conducted to investigate the black soil in Harbin city under four different patterns of moisture variation (constant 40%WHC, constant 80%WHC, 40%to 80%WHC, 80%to40%WHC) , the changes of ammonium nitrogen and the response of nitrate nitrogen, mineralization rate, nitrification rate and denitrification rate.The results show that there is a positive correlation between nitrification rate and soil moisture content, and 80%WHC is the optimum soil moisture content for nitrification.The moisture models from low to high are more favorable for nitrification, promoting the accumulation of nitrate nitrogen and increasing mineralization.Under four different moisture variation patterns, black soil in Harbin city is dominated by nitrification, which indicates that different patterns of moisture variation have a significant effect on nitrogen migration and transformation.

  Keyword: black soil; variation pattern of soil moisture; mineralization rate; nitrification rate; denitrification rate;

  黑土是我国主要的土壤资源, 其土壤肥力高, 黑龙江省黑土面积占全省总耕地面积约43%, 是我国重要的商品粮和畜产品的生产区[1].农田土壤中的氮素是衡量土壤肥力的重要因子之一, 土壤中的氮素大多以有机氮的形式存在, 只有在微生物作用下矿化为无机氮才可被植物吸收利用[2], 但过度的矿化作用将导致过量的无机氮通过淋溶等方式进入水体, 造成氮损失及环境污染.氨化作用是指有机氮化物被微生物分解进而形成氨的过程, 硝化作用则是在通气良好条件下, 通过微生物作用, 将土壤中铵态氮转化为硝态氮的过程, 硝化作用可以消耗铵, 从而减少氨的挥发损失, 但是硝化作用所形成的硝态氮不但易遭淋失, 而且在土壤水分含量较高情况下可通过反硝化作用而损失并产生N2O等温室气体[3].因此, 研究土壤水分对土壤氮素转化的影响具有重要的科学意义.

  目前, 针对农田、森林、草地土壤干湿交替过程中土壤物质迁移转化已有大量研究, 但针对不同水分变化模式下, 土壤中元素本身的形态转化及氮素转化率的研究还相对薄弱.本文研究了4种不同土壤水分变化模式下, 土壤中铵态氮和硝态氮的变化情况, 以及矿化率、硝化率、反硝化率的响应规律, 为农田水分管理模式提供依据.

  1 材料与方法

  1.1 土壤样品

  供试黑土样品采自农业部哈尔滨黑土生态环境重点野外科学观测试验站, 该试验站始建于1979年, 处于东经126°35', 北纬45°40', 海拔151 m, 属松花江二级阶地, 土壤为洪积黄土状粘土, 气候属中温带大陆性季风气候, 年平均气温为3.5℃、年平均降雨量533 mm, 无霜期135天.由于该地区冷季长、暖季短, 土壤中微生物活动相对较小, 黑土中积累了大量有机物和腐殖质.2010年冬该试验站整体原位搬迁至距原址40 km处的新址, 新址土壤条件、气候条件等与原址一致, 对长期定位实验数据统计结果的影响较小.土样取自深度为0~20 cm的耕层土壤, 土壤疏松呈棕褐色, 有小粒状结构, 含较多植物根系, 较湿, 土样运回实验室后室温风干保存.
 

土壤水分对黑土壤氮素转化的影响
 

  该土样基本理化性质如下:p H值为7.22, 有机质26.7 g/kg, 全氮1.47 g/kg, NH4+-N 1.12 mg/kg, NO3--N 1.03 mg/kg, 全钾25.16 g/kg, 碱解氮151.1 mg/kg, 速效磷51.0 mg/kg, 速效钾200.0 mg/kg.

  1.2 实验处理

  将风干土壤样品中残留的叶子和根除去, 研磨土壤并用2 mm (10目) 筛过滤后分成四组预培养一周.将预培养后的土壤进行如下水分处理 (土壤水分含量以最大持水能力, 即WHC表示) , 第一组恒定40%WHC的土壤水分含量培养四周 (W1) ;第二组恒定80%WHC的土壤水分含量培养四周 (W2) ;第三组40%WHC培养两周后加水至80%WHC继续培养两周 (W3) ;第四组80%WHC培养两周后通过真空泵快速抽走瓶内气体以将土壤水分降至40%WHC, 继续培养两周 (W4) .每组处理设置3个重复, 培养温度为25℃, 培养后的土壤进行破坏性取样.

  取25 g土壤样品放入120 m L玻璃瓶中, 并对其编号.向土壤中均匀滴加无菌水使土壤水分含量为20%WHC, 并置于25℃预培养1周, 以使风干土壤恢复活性.由于土壤中铵态氮和硝态氮的本底值较低, 氮素转化过程相对较弱, 且实际生产中施加氮肥的现象普遍存在, 因此, 预培养后, 向每个玻璃瓶中加入2 m L经精确计算的硝酸钾和碳酸氢铵混合溶液, 使25 g土壤中外加铵态氮、硝态氮含量各50 ppm.随后将四组样品调至相应的土壤含水量.每天监控含水量变化并用无菌水补水至恒重, 按时对需测定样品进行破坏性取样, 其余样品调至相应水分后继续培养.

  1.3 测定方法

  NH4+-N、NO3--N含量使用流动注射分析仪 (SAN++, Skalar) 测定.

  1.4 数据处理

  本文所涉及的计算公式如下:

  (1) 土壤氮素矿化量:培养后与培养前矿质氮 (NH4+-N+NO3--N) 之差[5];

  (2) 土壤氮素矿化率 (%) =土壤氮素矿化量/土壤全氮×100%[4];

  (3) 土壤氮素硝化率 (%) = (培养后硝态氮含量-培养前硝态氮含量) /土壤矿质氮量×100%[3,5];

  (4) 土壤氮素反硝化率 (%) = (培养前硝态氮含量-培养后硝态氮含量) /培养前硝态氮含量×100%[6].

  数据采用Excel软件分析处理, 使用软件Origin9.0作图.

  2 结果与讨论

  2.1 不同水分变化模式对黑土无机氮含量的影响

  不同水分变化模式下, 土壤中铵态氮和硝态氮的含量变化情况如图1所示.图中*代表P<0.05水平的显着性差异, **代表P<0.01水平的显着性差异.图1 (a) 中四种水分变化模式下, 随培养时间的延长, 土壤中铵态氮含量整体呈下降趋势.四组处理培养初期土壤铵态氮含量相同, 经前两周不同水分模式的培养, 表现为W1=W3 (53.7 mg/kg) >W2=W4 (44.2 mg/kg) , 接下来两周, 各处理继续消耗土壤中的铵态氮, 土壤中铵态氮含量表现为W 3 (42.7 mg/kg) >W4 (40.5 mg/kg) >W1 (37.0 mg/kg) >W 2 (32.9 mg/kg) , W4处理仅有微小降低.可见, 不同水分变化模式对土壤铵态氮含量影响显着 (P<0.05) .

  图1 不同水分变化模式对黑土无机氮含量的影响
图1 不同水分变化模式对黑土无机氮含量的影响

  图1 (b) 土壤中硝态氮含量在整个培养周期内的变化趋势与铵态氮截然不同, 从整个培养周期来看, 四种水分变化模式下, W2和W3处理土壤中硝态氮含量总体呈上升趋势, W1和W4表现为先增加后减少的趋势.在培养的前两周内, W2和W4处理 (即土壤含水量为80%WHC) 的硝态氮含量上升量较大, 为113.2 mg/kg (P<0.05) , 这与该时间节点处土壤中铵态氮消耗最多相一致.随培养时间延长, 后两周不同水分变化模式下, 土壤硝态氮含量差异较大, W2和W3处理在后两周呈上升趋势, 其中W3处理 (土壤含水量由40%WHC增加至80%WHC) 土壤中硝态氮含量增加显着 (P<0.01) , 但培养结束时W2和W3处理的土壤硝态氮含量无明显差异.W1和W4处理在培养后两周, 硝态氮含量呈下降趋势, 其中W1处理下降较明显, 培养结束时土壤中硝态氮含量为88.3 mg/kg (P<0.01) .可见, 土壤硝态氮含量与土壤水分含量具有明显正相关性, 这与孙波[7]等人的研究结果相一致.

  土壤中氮素的转化受多种因素综合作用的影响, 众多研究表明土壤水分含量是影响有机质和氮化合物迁移转化的重要因素[8].影响土壤中铵态氮含量变化的原因可分为两方面, 一是氨挥发、硝化等作用造成铵态氮的损失;二是在营养物质充足的条件下, 有利于矿化作用微生物的繁殖, 使这种作用加强, 铵态氮含量增加[8].土壤中硝态氮含量的增加是通过硝化作用将铵态氮转化而来, 同时, 反硝化作用将抑制硝态氮的增加.本实验前两周, 土壤硝化作用较强, 土壤中铵态氮通过硝化作用转化为硝态氮, 导致铵态氮消耗硝态氮积累.培养前两周, W2和W4处理的铵态氮消耗量较大, 同时硝态氮积累量较大, 说明与40%WHC相比, 80%WHC的土壤水分含量下, 硝化作用更强, 土壤环境硝化作用的增强将促进氨氧化细菌的繁殖, 进而加快铵态氮的消耗[9].由于每次培养时间为两周, 土壤中微生物能逐渐适宜该水分模式, 土壤中微生物活动处于相对稳定的状态, 说明80%WHC的水分条件更适合硝化微生物的生长繁殖.培养后两周, 铵态氮含量继续下降, 一方面可能是土壤中营养物质耗尽, 促进了微生物的死亡, 另一方面可能是有机氮向铵态氮转化的能力下降, 二者综合作用的结果.对于硝态氮而言, W2和W3处理的硝态氮含量持续增加, 再次证明了80%WHC为硝化作用的最适土壤水分含量, 且经过两周适宜条件的稳定培养, 培养结束硝态氮含量几乎相等, 说明由低到高变化的水分模式, 刺激了硝化作用的增强, 从而促进了硝态氮积累量的增加.W1和W4处理的硝态氮含量先增加后减少, 对应铵态氮含量减少速率变缓, 对于W1而言, 此条件下, 微生物活动相对较弱, 营养物质消耗且硝化作用较弱, 对于W4而言, 由80%WHC降到40%WHC的过程增加了土壤矿物对无机氮的固定, 因此, 硝态氮含量降低[10].整个培养周期内不同水分条件下, 土壤中铵态氮和硝态氮含量的总体变化趋势与刘若萱[11]等人的研究结果一致.

  2.2 不同水分变化模式对黑土主要氮素转化过程的影响

  不同水分变化模式下, 土壤中氮素转化率变化如图2.不同水分处理模式下土壤的矿化率、硝化率及反硝化率差异较大, 说明土壤水分变化对土壤氮素转化具有重要影响.

  图2 不同水分变化模式对黑土氮素转化的影响
图2 不同水分变化模式对黑土氮素转化的影响

  矿化作用是为植物生长提供氮素和其他养分的重要过程.如图2 (a) 所示, 不同水分模式下, 土壤氮素矿化率变化较大.培养前两周, 土壤含水量为40%WHC和80%WHC时, 土样的矿化率均为负值, 这是由于土壤铵态氮的大量消耗.

  尽管土壤中存在强烈的硝化作用, 但由于NH4+-N的减少, 即土壤中净氨化作用持续降低使得土壤中积累的净矿化氮量仍为负值.矿化率只有在W2和W3处理培养后期为正值, 分别为0.13%和0.59%, 说明较高的土壤水分含量促进矿化作用的发生.有研究表明, 矿化量随土壤含水量的增加而增加[12], 这一点在W3处理中水分由40%WHC增加至80%WHC后表现的尤其明显.马芬[13]等对亚热带森林红壤的研究也表现出相似结论, 含水量在70%WHC时净矿化率最高, 40%WHC时最低.W1处理培养后期, 矿化率出现显着负增加, 这可能与土壤中无机氮的固持作用有关, 且持续较低的土壤水分含量 (40%WHC) 促进了这一作用的发生, 土壤微生物将无机态氮同化并将其转化成细胞体内有机态氮.有研究表明[14], 较高的C/N将有利于氮素矿化, 这一点还有待研究.W4处理的矿化率在培养后期也表现出负增加, 一方面是较低的土壤含水量不利于矿化作用的发生, 另一方面可能是因为, 由80%WHC降到40%WHC时, 部分土壤中微生物无法适应突然降低水分含量而死亡, 从而导致微生物活动减慢.

  硝化作用是土壤中氮素转化的另一重要过程, 硝化率从一定程度上反应了土壤中潜在的氮素损失.硝化率的变化趋势与土壤中硝态氮含量有一定的相关性, 硝态氮含量的积累与消耗决定了硝化率的正负, 当硝态氮含量增加时, 硝化率为正值;当土壤中硝态氮含量降低时, 硝化率为负值.如图2 (b) 所示, 培养前两周, 硝化率表现为W2和W4 (15.34%) >W1和W3 (11.22%) , 与硝态氮含量变化结果相一致, 土壤含水量80%WHC下硝化作用强度大于40%WHC时, 土壤硝化率与土壤水分含量呈正相关, 钱琛[15]等的研究也发现硝化率随土壤水分增加而增加.除W3处理外, 不同水分变化模式下硝化率的整体变化呈现为随培养时间延长, 硝化率减慢的趋势, 说明土壤中可以被转化的铵态氮含量逐渐减少.培养后两周, 40%到80%WHC的水分变化模式下, 硝化率略微增加, 为11.68%, 说明由低到高水分模式较恒湿水分模式更有助于硝化作用的发生, 但W2处理 (恒定80%水分含量) 硝化速率却降低, 这是由于在持续水分含量较高时, 伴随着反硝化作用的发生, 将NO3-还原为N2O和N2, 从而降低了硝化率.对比矿化率与硝化率变化图可以发现, 硝化率与矿化率表现出相似的变化趋势, 说明试验土壤的矿化率主要以硝化率的变化为主导.

  以土壤样品中硝态氮的消失率来表征土壤反硝化率.图2 (c) 中不同水分变化模式下, 反硝化率的变化规律与硝化率截然相反, 除W1、W4外, 四种水分变化模式下反硝化率始终为负值, 可以判断土样中氮素转化的方向是以硝化作用为主.不同水分变化模式下, 反硝化率都有增加趋势, 以W1增加最为显着, 恒定40%WHC的土壤含水量下, 在培养后两周反硝化强度最大, 反硝化率为17.56%, 一般认为反硝化作用只发生在高水分厌氧的土壤环境中, 但已有研究表明, 很多微生物的硝酸盐还原酶 (Nap) 对氧气不敏感, 因此反硝化作用也可在好氧条件下发生[16], 这主要受有机质和硝酸盐影响较大.W4处理 (80%WHC变为40%WHC) 在培养后期反硝化率也表现出明显增加.

  3 结论

  (1) 土壤含水量是影响有机质和氮化合物迁移转化的重要因素, 土壤硝态氮含量与土壤水分呈正相关;且硝化率的变化趋势与硝态氮含量具有相关性;

  (2) 黑土在不同水分变化模式下硝化活性均较强, 其硝化率与土壤水分含量呈正相关.80%WHC为硝化作用的最适土壤水分含量, 由低到高变化的水分模式, 比恒定的水分模式更适宜微生物的繁衍, 刺激硝化作用的发生, 硝态氮积累量的增加;

  (3) 普遍认为较高的土壤含水量下, 土壤环境处于厌氧状态反硝化作用较强, 但本研究发现反硝化作用也可以在好氧条件下发生, 通常情况下土壤中硝化反硝化作用相伴发生.

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