不同因素交互作用對(duì)棕壤硝態(tài)氮累積及pH值的影響

沈 月， 依艷麗

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部東北土壤與環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110866)

不同因素交互作用對(duì)棕壤硝態(tài)氮累積及pH值的影響

沈 月， 依艷麗*

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部東北土壤與環(huán)境重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110866)

本文采用室內(nèi)恒溫好氣培養(yǎng)法，研究了溫度(10℃和30℃)、水分(田間持水量的70%和100%)及尿素態(tài)氮用量(N 0、450、600、750)mg/kg 的交互作用對(duì)硝態(tài)氮累積和土壤酸化的影響。結(jié)果表明， 10℃下硝化作用進(jìn)行緩慢，最大硝化率(Kmax)與施氮量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.935**)，達(dá)到最大硝化率的時(shí)間(t0)與尿素態(tài)氮用量呈極顯著正相關(guān)(r=0.876**)。30 ℃下的硝化率隨尿素態(tài)氮用量的增加而增加。低溫環(huán)境延長(zhǎng)了t0。10 ℃(70%和100%含水量)下，N 750 mg/kg 處理的t0分別相當(dāng)于30 ℃下該處理的1.9和2.5倍。所有處理土壤的硝態(tài)氮累積量均隨培養(yǎng)熱量的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)， 且70%含水量下的累積量高于100%含水量下的累積量， N 600和750 mg/kg 處理的累積量顯著高于其他處理。培養(yǎng)結(jié)束后，30 ℃所有處理的pH值均顯著低于初始土壤，其中N 600和750 mg/kg 處理的pH<5.1， 酸化明顯。通徑分析結(jié)果表明， 尿素施用量和培養(yǎng)天數(shù)是影響硝化率進(jìn)而影響pH值的重要因素，其次是培養(yǎng)溫度和含水量。

溫度； 尿素； 含水量； 最大硝化速率； pH

土壤酸化是土壤退化的一個(gè)重要方面，可導(dǎo)致鹽基離子大量淋失，有毒重金屬離子活化，從而影響微生物活動(dòng)、 養(yǎng)分元素循環(huán)，導(dǎo)致土壤貧瘠化[1]。研究引起土壤酸化的原因，探討其機(jī)理，已成為許多學(xué)者共同關(guān)心的話(huà)題[2-3]。

棕壤是遼寧地區(qū)的主要耕作土壤類(lèi)型，呈中性至微酸性反應(yīng)，長(zhǎng)期以來(lái)由于不合理施肥等人為因素造成棕壤酸化趨勢(shì)明顯[11-12]，但關(guān)于棕壤酸化的機(jī)理還需深入研究。本文采用室內(nèi)恒溫恒濕培養(yǎng)方法，應(yīng)用Logistic及指數(shù)函數(shù)模型研究了不同因子交互作用對(duì)硝態(tài)氮累積和棕壤酸化的影響，旨在探討耕地棕壤酸化機(jī)理，為緩解棕壤繼續(xù)酸化提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.2 風(fēng)干土尿素態(tài)氮硝化作用培養(yǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)10℃和30℃兩個(gè)恒定培養(yǎng)溫度；相對(duì)含水量分別為田間持水量的70%及100%的兩種含水量；施氮量分別為N 0、 450、 600、 750 mg/kg 4個(gè)施氮水平用CK、 N1、 N2、 N3表示供試肥料為尿素，含氮量46%，采用完全方案，共16個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)處理稱(chēng)取500g供試風(fēng)干土于塑料瓶中，分別調(diào)至相應(yīng)的含水量后，在室溫下預(yù)培養(yǎng)1周，激活土壤微生物活性。預(yù)培養(yǎng)后，加入相應(yīng)的尿素，與土壤混勻，分別于10℃和30℃條件下于恒溫箱連續(xù)培養(yǎng)42 d，塑料瓶口用保鮮膜套緊，并用針戳等量小孔，保證瓶?jī)?nèi)通氣及最小水份損失量，用稱(chēng)重法每2 d補(bǔ)水一次。分別在培養(yǎng)的第7、 14、 21、 28、 42 d取樣，測(cè)定土壤pH值及硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤基本理化性質(zhì)采用實(shí)驗(yàn)室常規(guī)方法測(cè)定[7]。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測(cè)定采用0.01 mol/L CaCl2浸提，AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定[10]。

土壤硝化率(%)= [(土壤加氮培養(yǎng)后硝態(tài)氮含量-原土壤培養(yǎng)后硝態(tài)氮含量)/(土壤加氮培養(yǎng)后礦質(zhì)氮含量-原土壤培養(yǎng)后礦質(zhì)氮含量)]×100[10]

(1)

(2)

引用通徑分析理論對(duì)不同培養(yǎng)條件下影響因子與pH值的關(guān)系進(jìn)行通徑分析。對(duì)于一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，因變量y與n個(gè)自變量xi(i=1,2,3…,n)間存在線(xiàn)性關(guān)系，回歸方程為：

y=b0+b1x1+b2x2+ … +bnxn

(3)

將實(shí)際觀測(cè)值代入(3)式，通過(guò)最小二乘法解方程組，可求得通徑系數(shù)Pyxi[13]。硝化動(dòng)力學(xué)的非線(xiàn)性回歸、方差分析、指數(shù)函數(shù)及通徑分析采用SPSS 17.0， 制圖采用Origin 8.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同培養(yǎng)條件下棕壤硝化率的變化

兩種溫度培養(yǎng)條件下，土壤硝化率基本呈現(xiàn)隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而上升的趨勢(shì)(圖1)。10℃比30℃條件下硝化作用進(jìn)行的緩慢。當(dāng)溫度為10 ℃時(shí)，在培養(yǎng)后21 d，不施氮肥處理在兩種含水量下的硝化率分別為48.88%和74.47%，顯著高于此溫度下N1、 N2、 N3 3個(gè)處理，且3個(gè)處理隨施氮量的增加硝化率依次遞減。相反，在30℃培養(yǎng)下，N1、N2、N3處理的硝化率始終高于CK，在培養(yǎng)的第42 d，70%田間持水量下的N2處理硝化率達(dá)到92.90%，是培養(yǎng)初期的14.4倍，硝化作用明顯。

從圖中硝化率的變化可以看出，土壤中硝態(tài)氮的累積可分為3個(gè)階段： 1)遲緩階段(硝化細(xì)菌數(shù)量的生長(zhǎng)時(shí)期)； 2)最大速率階段(硝化速率增長(zhǎng)最快的階段)； 3)停滯階段(由土壤中銨態(tài)氮的減少而引起)[14]。因此，Logistic函數(shù)能夠較好地描述土壤中硝態(tài)氮含量隨時(shí)間變化的規(guī)律[15]。其計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖1 不同培養(yǎng)溫度下土壤硝化率的變化Fig.1 Soil nitrification rates under gradient incubation temperatures of 10℃ and 30℃ [注(Note): FMC為田間土壤持水量 Field soil moisture capacity]

處理Treatments相關(guān)系數(shù)r擬合剩余方差S回歸方程Regressionequation最大硝化率Kmax達(dá)最大硝化率的時(shí)間(d)t010℃70%FMCCK0644714659NNO=26100/[1+EXP(33332-4930t)]321768N1096546537NNO=53629/[1+EXP(3982-0227t)]304175N2099834513NNO=81168/[1+EXP(2725-0096t)]195284N3099352230NNO=50932/[1+EXP(2871-0099t)]126290100%FMCCK0565526409NNO=35388/[1+EXP(68079-4543t)]4019150N1098295082NNO=58045/[1+EXP(4665-0251t)]364186N2099052258NNO=70602/[1+EXP(2828-0079t)]139358N3099251779NNO=60327/[1+EXP(3082-0086t)]13035830℃70%FMCCK097785435NNO=49830/[1+EXP(14837-0954t)]1188156N1099067001NNO=78590/[1+EXP(3000-0203t)]399148N2099624622NNO=94056/[1+EXP(1850-0160t)]376116N3099752615NNO=91839/[1+EXP(2533-0164t)]377154100%FMCCK099152683NNO=55428/[1+EXP(3471-0135t)]187257N1098695212NNO=61732/[1+EXP(56586-3989t)]6156142N2098037212NNO=83258/[1+EXP(2472-0209t)]435118N3099454074NNO=85258/[1+EXP(3188-0219t)]467146

注(Note): FMC為田間持水量 Field moisture capacity

對(duì)回歸模型進(jìn)行求導(dǎo)得出硝化率定量描述不同培養(yǎng)條件下土壤硝化活性的差異，達(dá)到最大硝化率對(duì)應(yīng)的時(shí)間t0可以表征硝化作用的快慢[7]。從擬合結(jié)果可以看出，除10℃對(duì)照處理外，其余14組模型的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.9以上相關(guān)水平，擬合效果較好。整體來(lái)看，100%田間持水量條件下達(dá)到最大硝化率所需的時(shí)間高于70%所需的時(shí)間。在10℃條件下，土壤最大硝化率Kmax與施氮量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.935**)，達(dá)到最大硝化率的時(shí)間與施氮量呈極顯著正相關(guān)(r=0.876**)。CK處理的最大硝化率均大于30.0，而其他三個(gè)施氮處理的土壤最大硝化率均小于3.0。10℃70%和100%兩種含水量下，N3處理達(dá)到最大硝化率所需的時(shí)間分別為29.0和35.8 d，分別相當(dāng)于30℃條件下N3所需時(shí)間的1.9和2.5倍。因此，在低溫下，硝化作用進(jìn)行得緩慢，施氮各處理達(dá)到最大硝化率的時(shí)間增加。30 ℃條件下達(dá)到最大硝化率所需時(shí)間最短的為N2處理，在70%和100%兩種含水量下，分別為11.6 d和11.8 d，而N3處理則分別需要15.4和14.6 d，說(shuō)明尿素含量超過(guò)一定水平，硝化作用減慢，與圖1所示結(jié)果一致。

2.2 不同溫度對(duì)土壤硝態(tài)氮累積量的影響

有研究[9]證明，以0℃為基準(zhǔn)根據(jù)公式：

培養(yǎng)熱量=培養(yǎng)溫度×培養(yǎng)天數(shù)

能夠較好地預(yù)測(cè)土壤硝態(tài)氮的累積量。在本研究中，我們分別計(jì)算了低溫(10℃)和高溫(30℃)條件下，土壤熱量對(duì)硝態(tài)氮累積的影響(圖2)。如圖所示，隨著培養(yǎng)熱量的增加，所有處理土壤的硝態(tài)氮累積量均呈顯著增加趨勢(shì)。

受施入氮含量的影響，高氮處理(N2、 N3)土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于低氮(N1)及不施氮(CK)處理。同時(shí)，不同含水量對(duì)硝態(tài)氮的累積也是不容忽視的。本研究中，我們建立了土壤硝態(tài)氮累積量和培養(yǎng)熱量之間的函數(shù)關(guān)系式(表3)，其中大部分預(yù)測(cè)方程的相關(guān)系系數(shù)在0.9以上，能較好地預(yù)測(cè)硝態(tài)氮累積量，而10℃100%土壤含水量下CK處理的相關(guān)系數(shù)為0.4349，預(yù)測(cè)效果差。

圖2 不同培養(yǎng)熱量下一元指數(shù)方程計(jì)算出的土壤硝態(tài)氮累積含量Fig.2 Soil N contents calculated with the single exponential function under different incubation temperatures

處理Treatment指數(shù)方程式Exponentialmodel相關(guān)系數(shù)rCorrelationcoefficient10℃70%FMCCKy=-10317×exp(-x/28142)+1344708722N1y=-59187×exp(-x/348851)+6182609810N2y=18400×exp(x/183707)-278409934N3y=12171×exp(x/144334)+200009986100%FMCCKy=-6846×exp(-x/1608)+1091604349N1y=-52523×exp(-x/330029)+5790109991N2y=21718×exp(x/276561)-984509810N3y=18578×exp(x/203182)-63550985930℃70%FMCCKy=-17422×exp(-x/106092)+2052209581N1y=-77055×exp(-x/243581)+7614707813N2y=340946×exp(x/1462919)-30632809863N3y=3405788×exp(x/7952111)-337961909942100%FMCCKy=-8916×exp(-x/73256)+1298109425N1y=-68676×exp(-x/255615)+6785506578N2y=-193279×exp(-x/173918)+19842207663N3y=-434711×exp(-x/507174)+42586109743

注(Note): FMC為田間持水量 Field moisture capacity.

2.3 不同培養(yǎng)條件下棕壤pH值的變化

在不同溫度和水分培養(yǎng)條件下，N1、N2和N3三個(gè)施肥水平的土壤pH值均出現(xiàn)在第7 d急劇上升，而后下降的現(xiàn)象，在30℃條件下，降幅較大(圖3)，而CK處理pH變化則不明顯。這是因?yàn)槟蛩厥┤胪寥篮笱杆偎?，造成土壤中銨態(tài)氮積累，可引起土壤pH值升高，且pH值隨施氮量增大而增加明顯。

圖3 不同培養(yǎng)溫度下(10℃、30℃)土壤pH值的變化Fig.3 Changes of soil pH under gradient incubation temperatures of 10 and 30℃ [注(Note): FMC為田間持水量 Field moisture capacity]

無(wú)論在70%還是和100%含水量下，培養(yǎng)后第42 d土壤pH值與開(kāi)始相比，只有在30℃時(shí)顯著下降。在10℃培養(yǎng)條件下，尿素分解速率慢，在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)pH值與初始值沒(méi)有明顯差別。在30℃、70%田間持水量培養(yǎng)的N3處理，pH值下降幅度最大，比培養(yǎng)前(6.03)下降了1.37個(gè)pH單位，差異顯著(表4)。其次為30℃、70%田間持水量培養(yǎng)的N2處理，下降了1.23個(gè)pH單位。30℃高溫培養(yǎng)下，N2和N3處理的pH值都下降到5.1以下。而10℃ N3處理較初始pH相比，有所上升，尤其在100%田間持水量條件下上升顯著，說(shuō)明田間持水量條件下土壤處于嫌氣狀態(tài)，反硝化作用占主導(dǎo)地位，因其反應(yīng)過(guò)程需消耗H+，而且低溫環(huán)境下，也影響了尿素水解轉(zhuǎn)化及微生物的活動(dòng)，導(dǎo)致pH出現(xiàn)上升現(xiàn)象。

表4 供試土壤培養(yǎng)90 d后的pH值Table 4 Soil pH after 90 days’ incubation

注(Note): FMC—田間持水量 Field moisture capacity. 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatment at the 5% level.

2.4不同培養(yǎng)條件下各因子對(duì)pH值影響的通徑分析

將不同培養(yǎng)條件的影響因素(溫度、含水量、培養(yǎng)天數(shù)、施氮量、硝化率)與土壤pH值作通徑分析，所得結(jié)果如表5所示。其中，X1、X2、X3、X4、X5和Y分別代表培養(yǎng)溫度、含水量、施氮量、培養(yǎng)天數(shù)、硝化率和pH值。對(duì)角線(xiàn)上有*號(hào)的數(shù)據(jù)為直接通徑系數(shù)，未標(biāo)識(shí)的為間接通徑系數(shù)。

表5 不同因子與土壤pH值的通徑系數(shù)Table 5 Path coefficients between different factors and soil pH

注(Note): * —直接通徑系數(shù) Direct path coefficient.

從不同因子與pH值的直接和間接通系數(shù)可分析出不同因子對(duì)土壤酸度的影響強(qiáng)度。通過(guò)比較直接通徑系數(shù)的絕對(duì)值可知，硝化率對(duì)pH值的影響最大，其直接通徑系數(shù)絕對(duì)值q5=0.835；其次為氮肥施用量(q3=0.392)；排在第三位的是培養(yǎng)天數(shù)(q4=0.265)；第四位的是培養(yǎng)溫度(q1=0.178)；影響最弱的是含水量(q2=0.041)。同時(shí)，從間接通徑系數(shù)中可以得出，溫度、含水量、施氮量和培養(yǎng)天數(shù)的改變都會(huì)間接影響土壤硝化率，從而對(duì)pH值產(chǎn)生一定的影響。且該四個(gè)因素對(duì)硝化率的影響作用大小依次為培養(yǎng)天數(shù)>施氮量>培養(yǎng)溫度>含水量。因此，尿素施用量和培養(yǎng)天數(shù)是影響硝化率從而影響酸度的最重要因素，同時(shí)培養(yǎng)溫度和含水量的影響也不容忽視。

3 討論與結(jié)論

綜上所述，尿素施入土壤后引起的硝態(tài)氮累積與土壤pH值密切相關(guān)，結(jié)合尿素分解轉(zhuǎn)化的時(shí)間、外界環(huán)境溫度來(lái)控制好尿素的施用量，及時(shí)調(diào)節(jié)土壤含水量，灌水適宜，可有效地抑制土壤中硝態(tài)氮積累速度從而延緩?fù)寥浪峄?。但在農(nóng)田中，土壤含水量并非恒定，常會(huì)經(jīng)歷干濕交替過(guò)程，同時(shí)，不同的土壤質(zhì)地也會(huì)影響氮素在土壤中的累積、遷移、損失等過(guò)程。因此關(guān)于干濕交替過(guò)程中，不同類(lèi)型土壤及水、熱、氮梯度下的硝態(tài)氮積累轉(zhuǎn)化與土壤酸化的關(guān)系仍需深入研究。

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EffectsofinteractionofdifferentfactorsonnitratenitrogenaccumulationandpHofbrownsoil

SHEN Yue, YI Yan-li*

(CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofNortheastSoilandEnvironment,MinistryofAgriculture,Shenyang110866,China)

A constant temperature incubation experiment was conducted to evaluate effects of temperature (10℃ and 30℃), soil moisture content (70% and 100%), urea-nitrogen rate (0, 450, 600 and 750 mg/kg) and their interaction on nitrate-nitrogen accumulation and soil acidification. The results show that nitrification is slowly under 10℃, and significantly negative and positive correlations are found betweenKmax(maximal nitrification rate) and urea-nitrogen rate (r=-0.935**),t0(time of maximal nitrification rate) and urea-nitrogen rate (r=0.876**), respectively. The nitrification rate is increased as the increase of the urea-nitrogen rate under 30℃. Days oft0are prolonged under the low temperature. Thet0values of the urea-nitrogen rate of 750 mg/kg under 10℃ are 1.9 and 2.5 times larger than those under 30℃ with soil moisture of 70% and 100%, respectively. An exponent increasing trend is found between the nitrate nitrogen accumulation and the degree days after urea application in all treatments, and the accumulation amount is higher with soil moisture content of 70% than that of 100%. Significant accumulations are found under the urea-nitrogen rates of 600 and 750 mg/kg. Soil pH values of all treatments are lower than that of the initial soil under 30℃, and pH values of urea-nitrogen rates of 600 and 750 mg/kg are less than 5.1, which shows a significant acidification. Results of the path analysis show that amount of urea-nitrogen and incubation day are two key factors that affected nitrification rate and then affected soil pH, and the other factors are incubation temperature and soil moisture content.

temperature; urea; soil moisture content; maximal nitrification rate (Kmax); pH

2013-03-14接受日期2013-05-23

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20101045011213)； 國(guó)家自然科學(xué)基金(41171192)項(xiàng)目資助。

沈月(1984—)，女， 遼寧沈陽(yáng)人， 博士研究生，主要從事土壤酸化方面研究。E-mail:shenyue211@126.com *通信作者 E-mail: yiyanli@126.com

S153.4; S152.3

A

1008-505X(2013)05-1174-09

Logistic函數(shù)對(duì)硝態(tài)氮含量隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行描述：