洪明海,嚴(yán) 濤,劉 輝,魏文杰,汪仕偉,王興建,馮楚橋
(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550002)
土壤鹽漬化是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因素[1]。我國鹽漬土總面積超過1 億hm2,廣泛分布在西北、華北、東北以及沿海地區(qū),其中西北內(nèi)陸地區(qū)鹽漬化耕地面積占總耕地面積的15%[2]。在一定的鹽度范圍內(nèi),施加氮肥能夠有效緩解鹽分對作物生長的不利影響,提高作物產(chǎn)量[3]。曾文治等[4]通過田間實驗發(fā)現(xiàn)增施氮肥可提高鹽漬地區(qū)向日葵對氮肥的利用率,得出河套灌區(qū)135 kg/hm2是較合理的施氮水平。
土壤氮素轉(zhuǎn)化研究是作物估產(chǎn)、環(huán)境評價、農(nóng)田管理、農(nóng)業(yè)相關(guān)政策和鹽堿地治理措施的重要依據(jù),由于各氮素參與的反應(yīng)過程受到土壤水分[5]、鹽分[6]、溫度、微生物活動[7]、通氣等眾多因素影響,監(jiān)測困難。因此,建立氮素轉(zhuǎn)化數(shù)值模型成為十分有效的研究手段[8,9]。最早出現(xiàn)基于單個土壤氮循環(huán)過程方面的報道是1954 年Kirkham 和Bartholomew[10]考慮了礦化氮和有機氮,從解析方程上進(jìn)行分析計算,1955 年他們又對模型的假設(shè)進(jìn)行了修正[11]。60多年來,基于Kirkham 和Bartholomew 的研究出現(xiàn)了大量的土壤氮循環(huán)模型[12-15]。1973 年Stanford 和Smith[16]提出了氮素礦化的一階動力學(xué)反應(yīng)模型,Myrold 和Tiedje[15]首次采用數(shù)值方法計算了氮的總轉(zhuǎn)化速率,Wessel 和Tietema[17]同時考慮了銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的同化,氮的礦化硝化過程,建立了新的概念模型;1998年Marry等[14]人采用同位素氮示蹤的方法開展裸土實驗,開發(fā)了FLUAZ 土壤氮轉(zhuǎn)化模型,從機理上較系統(tǒng)地分析了土壤中存在的主要氮素轉(zhuǎn)化過程并在后續(xù)的實驗中得到驗證,得到了非常廣泛的應(yīng)用;2004 年Muller等[13]人指出FLUAZ模型并不能模擬土壤氮素動態(tài)轉(zhuǎn)化,分別對草原土壤采用標(biāo)記同位素搜集數(shù)據(jù),開發(fā)了氮素示蹤模型[13,18],2005 年Jesper Luxhoi[19,20]認(rèn)為Muller 的數(shù)值模型無法同時求解9個過程,并對該模型的部分轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生質(zhì)疑;為了進(jìn)一步完善模型的求解過程,2007 年Muller 等人結(jié)合馬爾科夫鏈蒙特卡洛隨機采樣算法優(yōu)化模型的求解參數(shù)過程[21,22],提高了氮素總轉(zhuǎn)化速率的計算個數(shù)和精度,使土壤氮的總轉(zhuǎn)化速率計算更加接近真實情形。2013 年Inselsbacher 等[12]人考慮了作物對土壤中氮素的吸收開發(fā)了新一代的氮素示蹤模型,分析和驗證了土壤氮循環(huán)中存在的14個轉(zhuǎn)化過程。
盡管已有的研究反映了氮素轉(zhuǎn)化的部分規(guī)律,推動了土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究,但是一方面,解析模型在推導(dǎo)過程中并未考慮同位素標(biāo)記氮的再礦化或反硝化再次回到標(biāo)記氮庫的影響,難以用于計算發(fā)生這一轉(zhuǎn)化過程之后(時間難以確定)的氮素轉(zhuǎn)化率;另一方面,現(xiàn)有的氮素轉(zhuǎn)化模型多在非鹽漬土地區(qū)獲得,不同地區(qū)對土壤氮素轉(zhuǎn)化的過程不全相同,因此對于鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的數(shù)值模擬方法還有待進(jìn)一步的驗證和完善。
研究區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)五原縣永聯(lián)實驗基地(108°00'16.14″E,41°04'11.57″N)。該地區(qū)海拔約為1 030 m,地處黃河北岸,是河套灌區(qū)主要的鹽漬土分布區(qū)。供試土樣選取研究區(qū)鹽分含量較低的沙壤土(ECe=2.01 dS/m,S1),其pH 值為8.71~8.80,呈弱堿性,容重為1.35 g/cm3;土壤中交換性鈣、鎂、鐵3 種元素含量較高(44.44、8.03、12.46 cmol/kg),鉀、鈉元素則較少(0.39、2.02 cmol/kg),總氮、總碳分別為0.7、20.3 g/kg,含量最多的是碳元素,為2.03%,此外,土樣中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮(亞硝態(tài)氮)的分別為3.66 mg/kg和33.92 mg/kg。
實驗以基礎(chǔ)土樣的鹽度值為基本處理(S1),其飽和浸提電導(dǎo)率值ECe為2.01 dS/m為S1處理,根據(jù)基礎(chǔ)土樣中的交換性鉀、鈉、鈣、鎂等的含量,添加硫酸鉀(K2SO4)、硫酸鎂(MgSO4)、碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、氯化鈣(CaCl2)5 種鹽分以形成6 個不同的鹽度值(S1:ECe=2.01 dS/m,S2:ECe=6 dS/m,S3:ECe=12 dS/m,S4:ECe=16 dS/m,S5:ECe=20 dS/m,S6:ECe=25 dS/m),其所對應(yīng)的各鹽度的添加值如表1所示。
表1 鹽分設(shè)置情況Tab.1 Setting of salt
培養(yǎng)容器直徑5 cm,高10 cm 的圓柱形有機玻璃容器,每個填土高度為3 cm。各培養(yǎng)容器中以每克干土對應(yīng)7.14 μmol N的比例添加3 種不同15N 標(biāo)記的硝酸銨,其中標(biāo)記15N 的原子百分?jǐn)?shù)(atom %)分別為15NH4NO3:10.12、NH415NO3:10.18 和15NH415NO3:10.18。
(1)土樣預(yù)處理。取土,稱取約80 g 相應(yīng)鹽分水平的土,曬干、磨碎、過2 mm篩,按照質(zhì)量含水量為25%添加約20 mL去離子水,充分混勻后封口放入培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h。
(2)填土培養(yǎng)。將培養(yǎng)土填裝進(jìn)Φ5×10 cm 的培養(yǎng)容器,土裝3 cm 高,按照7.14 μmol/g 分3層(0.5、1.5、2.5 cm)用注射器添加同位素氮。
(3)取樣。依次在4、24、72、144、288 h(12 d)5 個時間點取樣,同時測定取樣時培養(yǎng)箱中的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境變量參數(shù)。
(4)氮素浸提。對以上各時間點取出的培養(yǎng)容器9 個(3 個硝酸銨標(biāo)記各3個),按照土水比1∶5用高純度2 mol/L KCl 溶液浸提氮素,將濾液調(diào)轉(zhuǎn)移到離心管(10~12 mL)送檢。
同位素稀釋法是測定土壤中氮素轉(zhuǎn)化速率最重要的方法之一[23]。其基本原理為:某一形態(tài)的氮庫用15N 標(biāo)記后,當(dāng)未標(biāo)記的其他形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為該標(biāo)記狀態(tài)的氮素時,此時,標(biāo)記態(tài)的氮素15N 總量不變,而標(biāo)記狀態(tài)的氮總量增大,這樣就形成分子不變,分母增大,從而導(dǎo)致標(biāo)記態(tài)的氮素15N 被稀釋;當(dāng)標(biāo)記狀態(tài)的氮素向其他形態(tài)的氮素轉(zhuǎn)化時,其14N 和15N 被利用的情況是等可能性的,因此這一轉(zhuǎn)化過程被標(biāo)記狀態(tài)的14N 和15N 同時下降;綜上,標(biāo)記狀態(tài)的14N 增加的同時15N 在減少,因此形成了標(biāo)記狀態(tài)的同位素15N 被稀釋,結(jié)合氮庫的含量變化即可計算土壤氮素的總轉(zhuǎn)化速率。
根據(jù)同位素稀釋原理,可得總礦化速率m、總同化速率i如式(1)、(2):
當(dāng)i<m和i=m時,也可推導(dǎo)出相應(yīng)的總礦化速率和總同化速率計算公式[10,11]。
根據(jù)同位素稀釋原理以及質(zhì)量守恒有:
式中:A、A14、A15、N、N14、N15、Norg、14Norg、15Norg、Nnit、14Nnit、15Nnit分別表示銨態(tài)氮庫、硝態(tài)氮庫、有機氮庫及亞硝態(tài)氮庫的總量、14態(tài)氮的量以及15 態(tài)氮的量(mg/kg);m、h、v、n1、ia、d1、d2、n2、d0、in分別表示礦化速率、異養(yǎng)硝化速率、氨揮發(fā)速率、第一階段硝化速率、銨態(tài)氮同化速率、異化還原為銨第二階段速率、反硝化第二階段速率、硝化第二階段速率、反硝化或者異化還原為銨第一階段速率、硝態(tài)氮同化速率[mg/(kg·h)],按照式(12)計算,其中α、β、θ、γ為對應(yīng)的15N/(14N+15N)的比值。
大量研究表明土壤氮素轉(zhuǎn)化過程可以通過一階或者零階動力學(xué)方程進(jìn)行描述[13,14,24],但是Muller等人建議,在對超過兩個數(shù)據(jù)點的長時間計算和模擬中一階動力學(xué)方程是比較合適的選擇[13],Watson等[25]也證明了采用零階方程會低估土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中NO3-的消耗量,因此本文均假設(shè)各個過程滿足一階動力學(xué)方程,則有:
式中:Km、Kh、Kv、Kn1、Kia、Kd1、Kd2、Kn2、Kd0、Kin分別為對應(yīng)速率的一階動力學(xué)常數(shù),也即是所有的一階動力學(xué)常數(shù)k隨時間不變,速率僅和氮庫的狀態(tài)量有關(guān)。
因此,最終考慮10個轉(zhuǎn)化過程的模型如圖1所示。
圖1 氮素轉(zhuǎn)化模型Fig.1 Nitrogen transformation model
數(shù)據(jù)的輸入分別為3 種標(biāo)記的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮(包括14N和15N),具體的參數(shù)值請參見表2,模型的建立是利用Matlab R2017b軟件編程完成。
表2 初始的14N和15N輸入 mg/kgTab.2 Initial input 14N and 15N
不同標(biāo)記和不同鹽分的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮觀測值和模擬值的如圖2所示。4幅圖中,其決定系數(shù)R2均大于0.5,說明模型模擬值和觀測值相關(guān)性程度高,而S2銨態(tài)氮(14N+15N 和15N)的觀測值和模擬值、S4(15NH4NO3)硝態(tài)氮(14N+15N 和15N)的觀測值和模擬值其決定系數(shù)均大于0.9,表明模型反映的觀測值和模擬值之間的離散程度很小,效果好;其中,銨態(tài)氮(15N)的觀測值和模擬值的擬合相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.91。從圖2中的所展示的納什系數(shù)來看,它們均大于0,說明模型可以接受[26,27],且圖2(d)的納什系數(shù)更是達(dá)到了0.71,表明該模型對于S4鹽分處理硝態(tài)氮的模擬效果很好。偏差Bias為模擬值與觀測值的偏差程度,大的偏差值表明模擬值沒有很好地逼近觀測值,模擬效果差,圖2(a)~(d)的偏差依次為-3.46、-0.48、-0.53和1.39。
圖2 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮觀測值和模擬值結(jié)果比較Fig.2 Comparison of observed and simulated values of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen
S6鹽分處理的3 種標(biāo)記的15N 含量與14N+15N 含量的比值如圖3 所示。4 個比值中,α 最小,該比值不僅取決于其15N 的含量,還和總的有機氮含量有關(guān),如添加15NH415NO3標(biāo)記的土樣,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮通過銨同化過程和硝同化過程轉(zhuǎn)化為帶標(biāo)記的有機氮(即15Norg),因此有機氮庫中15Norg的含量逐漸上升。同時,有機氮也通過礦化(再礦化)和異養(yǎng)硝化過程轉(zhuǎn)化為銨氮和硝氮消耗有機氮庫未標(biāo)記的有機氮,根據(jù)同位素等可能性原則,有機氮庫中的14N 和15N 的消耗比例是相同的,且有機氮庫的14Norg含量(其初值為532 mg/kg)大于15Norg含量(初始含量為0 mg/kg),因此14Norg的含量下降肯定大于15Norg含量的下降,這樣α比值的分子增大,分母減小,引起α增大[圖3(a)~(c)];又因為有機氮庫中的14Norg含量都比其他3個氮庫中的14N含量多,銨氮庫最初的含量為59.45 mg/kg,僅為有機氮庫的11.18%,亞硝氮庫最初的含量為112 mg/kg,為有機氮庫的21.05%,硝氮庫最初的含量為89.71 mg/kg,占有機氮庫的16.86%,且銨態(tài)氮和硝態(tài)氮還在不斷轉(zhuǎn)化為有機氮,因此α始終最小,15NH4NO3標(biāo)記土樣α的最大值為288 h時的0.07%。
圖3 S6氮庫15N與14N+15N的比值變化Fig.3 Changes in the ratio of 15N to 14N +15N in S6 nitrogen pool
同樣,其他3 個氮庫的參數(shù)β、θ、γ的變化也類似,如添加NH415NO3標(biāo)記土樣中的γ,實驗開始后硝態(tài)氮庫中標(biāo)記態(tài)的氮(15NO3-)通過反硝化、硝氮同化以及異化還原為銨等過程轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)氮素離開硝氮庫,使15NO3-含量減小,另一方面,其他形態(tài)氮素通過硝化、異養(yǎng)硝化等過程不斷轉(zhuǎn)化進(jìn)入硝態(tài)氮庫,但其他氮庫中均不含標(biāo)記氮(15N),結(jié)合氮同位素等可能性原則這樣引起硝氮庫中的14NO3-含量增加,就形成分子減小,分目增大導(dǎo)致γ不斷減小,因此,氮庫中15N 含量與14N+15N 含量的比值變化關(guān)系很好地解釋了同位素稀釋原理。
氮素轉(zhuǎn)化速率是反映土壤中氮素轉(zhuǎn)化過程的實際速率,圖4 是本研究的10 個不同一階動力學(xué)常數(shù)與鹽分之間的擬合曲線及相關(guān)性,雖然氨揮發(fā)過程受到鹽分的促進(jìn)作用,但是其一階動力學(xué)常數(shù)和鹽分之間的擬合關(guān)系的決定系數(shù)R2并不高,只有0.36,可能的原因是氨揮發(fā)過程不僅受到鹽分的影響,同時也和其他本研究沒有涉及的因素存在很大的關(guān)系;而除了氨揮發(fā)的一階動力學(xué)常數(shù)之外,其余9 個一階動力學(xué)常數(shù)和鹽分之間的擬合曲線的R2均在0.65 以上,表明鹽分和一階動力學(xué)常數(shù)之間均有較好的擬合關(guān)系。其中,硝化作用第二階段的一階動力學(xué)常數(shù)Kn2和鹽分之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其擬合決定系數(shù)R20.98是所有擬合關(guān)系中最高的,觀測值和擬合曲線之間也很貼近,其誤差限Δ平均值為0.017,Kn2和鹽分的關(guān)系可以通過公式Kn2=39.59(lnS)2-244.27 lnS+393.86確定。
圖4 一階動力學(xué)常數(shù)和鹽分的擬合關(guān)系Fig.4 Fitting relationship between first order kinetic constant and salinity
以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽漬土為研究對象,采用同位素標(biāo)記法開展室內(nèi)培養(yǎng)實驗,基于同位素稀釋原理和一階動力學(xué)方程建立了包含氨揮發(fā)v、反硝化第一階段或異化還原為銨第一階段d0、異化還原為銨第二階段d1、反硝化第二階段d2、礦化m、硝化第一階段n1、硝化第二階段n2、銨態(tài)氮同化ia、硝態(tài)氮同化in、異養(yǎng)硝化h等10 個土壤氮素轉(zhuǎn)化過程的模型。通過初始化模型參數(shù)和調(diào)試,使模型較好地反映了同位素稀釋原理以及鹽漬土壤氮素轉(zhuǎn)化的各過程,較好地模擬了實驗觀測值的趨勢變化,且對于標(biāo)記的和未標(biāo)記的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均得到了較優(yōu)的評價結(jié)果。