土壤供氮能力的衡量指標(biāo)

河南省土壤肥料站 孟繁華

土壤供氮能力的衡量指標(biāo)

河南省土壤肥料站 孟繁華

河南省土壤肥料站 主辦

對(duì)于土壤供氮能力的研究關(guān)鍵在于選用合理的指標(biāo)和有效的研究方法。土壤科學(xué)工作者提出了多種衡量土壤供氮能力的指標(biāo)，主要包括化學(xué)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)，由于指標(biāo)較多，本文僅簡(jiǎn)要介紹幾種。

一、化學(xué)指標(biāo)

（一）有機(jī)質(zhì)和全氮

有機(jī)質(zhì)是土壤表層氮素的重要載體，含80%～97%的土壤氮素；土壤全氮是各種形式氮的總和，綜合表征了土壤的氮素狀況。氮對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)非常重要并且與有機(jī)質(zhì)和全氮關(guān)系密切，后兩者一直被各國(guó)用來(lái)評(píng)價(jià)土壤的供氮水平。但他們含量相對(duì)穩(wěn)定，在較小范圍內(nèi)含量變化不大，不夠敏感，在一定期間內(nèi)難以反映土壤供氮能力的差別，這是其明顯的缺點(diǎn)。

（二）堿解氮

堿解氮目前在我國(guó)已成為推薦施肥的重要肥力指標(biāo)。該方法操作簡(jiǎn)便、迅速、重現(xiàn)性好，不僅能測(cè)定土壤中氮的供應(yīng)強(qiáng)度，也能看出氮的供應(yīng)容量和釋放速率。朱兆良、周鳴錚、李生秀等先后采用堿解氮表征土壤供氮能力，并取得了不錯(cuò)的效果。堿解氮與盆栽試驗(yàn)吸氮量相關(guān)性很高，但其應(yīng)用于大田時(shí)，結(jié)果卻很不理想。張勝恒采用常規(guī)方法測(cè)定的堿解氮量與實(shí)際并不吻合，而用低溫堿解法得到的堿解氮量能較好地反映其土壤供氮能力，測(cè)定值約為常規(guī)堿解氮量的1/3。周鳴錚、朱兆良的研究結(jié)果也表明，堿解氮與大田作物吸氮量相關(guān)性不高。葉優(yōu)良也認(rèn)為，旱地土壤的堿解氮與大田作物吸氮量相關(guān)性不高的原因是土壤起始硝態(tài)氮所導(dǎo)致的。以上研究發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，諸多因素對(duì)堿解氮作為供氮指標(biāo)有一定的限制。盡管如此，堿解氮仍被廣泛應(yīng)用。

（三）KCl浸提氮

Gianello和Bremner2 mol/L KCl 煮沸浸取土壤4 h和Whitehead 1 mol/L KCl 煮沸浸取土壤1 h兩種方法應(yīng)用的較多。Liàava & Waring對(duì)貧瘠土壤的研究表明，2 mol/L KCl 煮沸4 h浸取的氮與40 ℃淹水培養(yǎng)7 d礦化氮密切相關(guān)( r= 0.86)。Canteralla等對(duì)施用石灰的酸性土壤的研究認(rèn)為，2 mol/L KCl 煮沸4 h浸取的氮素能夠較好地解釋玉米氮素吸收量。李生秀等在酸性土壤上應(yīng)用1 mol/L KCl 煮沸法，該法浸取的氮與吸氮量的關(guān)系非常密切，效果優(yōu)于間歇淋洗培養(yǎng)法。但對(duì)于石灰性土壤，該法不能直接應(yīng)用，因?yàn)轱@堿性的浸取液在煮沸過(guò)程中會(huì)引起大量的銨態(tài)氮揮發(fā)， 使得測(cè)定結(jié)果偏低。在避免了此種情況后，兩種方法浸提出來(lái)的NH4+-N與盆栽試驗(yàn)小麥吸氮量密切相關(guān)，可分別解釋小麥總吸氮量的76%和61%。以上表明，在反映酸性土壤供氮能力上，KCl煮沸浸取的銨態(tài)氮較好，能夠作為酸性土壤供氮能力指標(biāo)，而對(duì)于石灰性土壤還有待進(jìn)一步研究。

（四）沸水浸提氮

沸水浸提氮作為土壤供氮能力指標(biāo)最早由Livens提出，沸水浸提的主要物質(zhì)為土壤礦質(zhì)氮和可溶性有機(jī)氮。Keeney和Bremner用水浸提的全氮與黑麥草吸氮量的相關(guān)系數(shù)r=0.77，與培養(yǎng)法r=0.73的結(jié)果接近，其效果比土壤全氮好。此外，其他許多研究結(jié)果也證明了水浸提氮是一個(gè)良好的供氮指標(biāo)。

綜上所述，化學(xué)指標(biāo)測(cè)定迅速、簡(jiǎn)便，而且結(jié)果精確。受土壤樣品的預(yù)處理和儲(chǔ)存的影響較小。但化學(xué)指標(biāo)也存在不少缺點(diǎn)，迄今為止，尚沒(méi)有一種化學(xué)試劑有選擇地釋放那些經(jīng)土壤微生物轉(zhuǎn)化的氮素。沒(méi)有充分考慮到土壤氮素礦化—生物固定循環(huán)轉(zhuǎn)化這一事實(shí)。而且化學(xué)指標(biāo)都是通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)相關(guān)分析得來(lái)的，缺乏足夠的理論基礎(chǔ)，因而都是一些經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)。

（五）起始礦質(zhì)氮

土壤礦質(zhì)氮包括硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量較高，在旱地土壤中，銨態(tài)氮經(jīng)過(guò)硝化作用很快轉(zhuǎn)換為硝態(tài)氮，含量很低。因此，很多研究者試圖用硝態(tài)氮含量作為旱地土壤供氮能力的指標(biāo)。Soper等在加拿大休閑和非休閑地上進(jìn)行了22個(gè)大麥氮肥用量試驗(yàn)，指出加拿大西部谷類(lèi)作物需氮量可采用0～60 cm土層硝態(tài)氮含量來(lái)預(yù)測(cè)。胡田田和李生秀研究表明，旱區(qū)30～60 cm土層和灌區(qū)60～100 cm土層的起始硝態(tài)氮對(duì)作物吸氮貢獻(xiàn)較大。播種前0～60 cm和0～100 cm的起始硝態(tài)氮分別是旱區(qū)和灌區(qū)土壤冬小麥供氮的可靠指標(biāo)。不僅如此，一定深度土壤的起始硝態(tài)氮還決定了作物吸收氮素的多少，可依據(jù)其來(lái)劃分土壤肥力等級(jí)。以上研究表明，一定土壤深度的硝態(tài)氮含量可以表征旱地土壤的供氮能力，是旱地土壤較好的供氮能力指標(biāo)，關(guān)于銨態(tài)氮與土壤供氮水平的關(guān)系，目前尚無(wú)定論。

綜上所述，化學(xué)指標(biāo)測(cè)定迅速、簡(jiǎn)便，而且結(jié)果精確。受土壤樣品的預(yù)處理和儲(chǔ)存的影響較小。但化學(xué)指標(biāo)也存在不少缺點(diǎn)，迄今為止，尚沒(méi)有一種化學(xué)試劑有選擇地釋放那些經(jīng)土壤微生物轉(zhuǎn)化的氮素。沒(méi)有充分考慮到土壤氮素礦化—生物固定循環(huán)轉(zhuǎn)化這一事實(shí)。而且化學(xué)指標(biāo)都是通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)相關(guān)分析得來(lái)的，缺乏足夠的理論基礎(chǔ)，因而都是一些經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)。

二、生物指標(biāo)

（一）短期培養(yǎng)的可礦化氮

針對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在衡量土壤供氮方面的不足，土壤學(xué)家提出了可礦化氮作為衡量土壤供氮能力的指標(biāo)。土壤可礦化氮測(cè)定一般采用生物培養(yǎng)法，即在適宜的溫度和水分條件下，培養(yǎng)一定量的土壤，然后測(cè)定培養(yǎng)過(guò)程中土壤氮素礦化量，以此來(lái)估算土壤潛在可礦化量，來(lái)預(yù)測(cè)土壤供氮能力。根據(jù)培養(yǎng)條件的不同可分為通氣培養(yǎng)和淹水培養(yǎng)，水稻土適合于淹水培養(yǎng)，通氣培養(yǎng)適合于旱地土壤。

（二）土壤氮素礦化勢(shì)

Stanford和Smith研究發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)格控制條件的情況下，短期實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能反映土壤潛在長(zhǎng)期供氮容量。為了解決這種情況，他們采用間歇淋洗通氣培養(yǎng)法進(jìn)行224 d的長(zhǎng)期培養(yǎng)，還根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理建立了一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出礦化勢(shì)N0和礦化速率常數(shù)k來(lái)預(yù)測(cè)土壤供氮能力。該方法雖然原理正確，但其時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)還受溫度、濕度等各種因素的影響，應(yīng)用起來(lái)不方便。因此，Stanford等又提出了14 d的短期培養(yǎng)法來(lái)快速測(cè)定和計(jì)算N0，但在應(yīng)用該方法時(shí)，需預(yù)先培養(yǎng)7天后淋洗除掉產(chǎn)生的礦質(zhì)氮再正式培養(yǎng)，仍太費(fèi)時(shí)間。Stanford和Smith隨后又采用化學(xué)方法估算N0，即在121 ℃的條件下，用0.01 mol/L CaCl2水解土壤16 h后，測(cè)定釋放出來(lái)的銨態(tài)氮量，再進(jìn)一步求N0，這種方法對(duì)N0的估算更為方便。

三、粗有機(jī)質(zhì)(Macro-Organic Matter，MOM)

土壤有機(jī)質(zhì)具有很大的異質(zhì)性，由一系列分解性不同的庫(kù)所組成。在不破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的前提下，有差別研究不同分解特性的有機(jī)質(zhì)養(yǎng)。

這些都為土壤有機(jī)氮的礦化研究開(kāi)辟了新的途徑。分釋放規(guī)律，更有助于我們深刻理解土壤養(yǎng)分的釋放特征。模型是重要的研究手段之一，通常在有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)周轉(zhuǎn)模型中，都把其分解成分解性不同的各個(gè)庫(kù)。主要問(wèn)題之一是模型這些基于有機(jī)質(zhì)化學(xué)或物理穩(wěn)定性定義功能庫(kù)，除了微生物量以外，其他部分不能通過(guò)物理或化學(xué)方法加以確定，因此，測(cè)定技術(shù)進(jìn)步，必將有助于模型的發(fā)展。

Christensen認(rèn)為物理分組方法對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的破壞性較小，采用物理分組方法所得到的研究結(jié)果與田間原位狀態(tài)下有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系更緊密。土壤有機(jī)質(zhì)可以分成兩個(gè)明顯組分，即：粗有機(jī)質(zhì)（Macro-organic Matter＞150μm）和微團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)（organic matter in microaggregates），粗有機(jī)質(zhì)比微團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)分解快。粗有機(jī)質(zhì)包括輕組和重組兩部分，輕組由部分分解的植物殘?jiān)M成，周轉(zhuǎn)速度較快，與土壤黏土礦物結(jié)合度較低，因此其受物理保護(hù)程度也較低。重組由相對(duì)較多的中間產(chǎn)物組成，周轉(zhuǎn)速度較慢，物理保護(hù)程度較高。與之相反，微團(tuán)聚體內(nèi)部和被黏土礦物吸附、包裹的有機(jī)質(zhì)受物理保護(hù)程度較高，抗微生物分解的能力較強(qiáng)。微團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，含有很大比例的穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)，眾所周知，粉粒和粘粒也存在于微團(tuán)聚體內(nèi)。

土壤氮礦化過(guò)程可用于衡量土壤質(zhì)量好壞， 粗有機(jī)質(zhì)（MOM）密度組分對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的總礦化量有著很大的貢獻(xiàn)， 可以作為衡量土壤氮礦化的指標(biāo)之一。Müller等開(kāi)發(fā)了土壤轉(zhuǎn)化的15N示蹤模型，模型采用馬爾科夫蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo， MCMC)的 參數(shù)優(yōu)化方法。模型中將土壤有機(jī)氮分為易分解有機(jī)氮和耐分解有機(jī)氮，測(cè)定方法采用Meijboom等有機(jī)質(zhì)的物理分組方法，參照分組方法，Huygens等定義土壤易分解有機(jī)氮與耐分解有機(jī)氮的組成。這些都為土壤有機(jī)氮的礦化研究開(kāi)辟了新的途徑。