肥热耦合条件下土壤硝态氮转化及其动力学特征研究

李亚娴，郭向红，孙西欢,2，马娟娟，雷 涛(.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004)

氮素是影响农作物生长发育的重要营养元素之一，氮肥的合理施用在农业中起着非常重要的作用[1]。然而，由于氮肥的不合理施用，致使氮肥利用率一直较低，并未达到预期的增产效果。主要是因为氮素在土壤中，容易和土壤发生其他反应，作物还没有吸收，养分挥发、淋溶和随径流流失，对环境也造成危害[2]。氮肥施入土壤后，在微生物的作用下可以转化成NH+4、NO-2、NO-3、NH3、N2、N2O等多种形态，其中NO-3是植物利用氮素的主要形态，但是因为NO-3不容易被土壤胶体吸附，一旦过量的施用氮肥，NO-3就会淋失，造成环境污染[3-5]。许多研究表明，长时间过量施用氮肥，会使硝态氮在土壤中大量累积，并且硝态氮累积量与施氮量之间的关系呈极显著正相关[6]。Sabey等发现硝态氮含量的变化曲线随时间呈“S”形，将其分为迟缓期、最大速率期和停滞期[7]。其他一些研究者用零级动力学方程和一级动力学方程来描述硝态氮累积量随时间的变化过程，但拟合效果较差[8]。近年来，对农田土壤中硝态氮累积的研究较多[9,10]，但是在不同温度和不同施肥处理条件下对NO-3-N的时间动态变化研究较少。因此，本文以山西省太谷县有代表性的果园土壤为研究对象，采用不同温度和不同施肥处理下土壤硝态氮含量随时间的动态变化，运用Logistic生长曲线来定量描述土壤硝态氮随时间的转化过程，为定量预报不同温度及施肥条件下，延缓土壤NO-3-N累积提供了理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为山西省太谷县有代表性的果园土壤，取土时去除枯枝落叶，为尽可能减少土壤本底值对试验的干扰，取土深度为30～200 cm，将各深度土壤混合均匀，过2 mm筛备用。其质地为沙壤土，密度1.47 g/cm3， NH+4-N为0.6 mg/kg，NO-3-N为0.4 mg/kg，含水率3.1%，田间持水量24.7%。供试肥料为尿素。

1.2 试验设计

本试验采用室内培养法，进行不同温度、施肥量间的土壤尿素转化试验，施肥量设3个水平，包括0.08、0.12、0.14 g碾磨过筛(<1 mm)的尿素，分别相当于244、366、427 mg/kg的施氮水平，培养温度设3个水平，分别为15、20和25 ℃，共9个处理，每个处理设置3个重复NO-3为了消除土壤中原有氮素对 的干扰，另设置无尿素对照组，同样重复3次。

1.3 试验过程与方法

称取151 g碾磨过筛(<2 mm)的风干土壤置于500 mL烧杯中，用蒸馏水分别将尿素溶解，并将土壤含水量调至80%田间持水量，以塑料膜将烧杯封口，以防止水分损失，分别置于恒温培养箱中培养，每隔2 d对恒温培养箱中的样品进行随机排列，以减少箱内温度分布不均导致的干扰，并进行适当通风，然后采用称重法补充培养过程中损失的水分。在某一培养温度下，4个不同施肥量的土壤同时培养，并在培养到设计天数(开始培养后的奇数天)后，每次从培养柜中取出12个烧杯(每个施肥量各3个)，进行采样。采样时将烧杯内的土壤倒于干净的塑料纸上，并用洁净的药匙或玻璃棒将其捣碎，直至均匀。将土样称取5 g置于250 mL锥形瓶中，加入100 mL浓度为1 mol/L的氯化钾溶液，塞紧瓶塞，置于往复式振荡器振荡30 min后静置过滤，取一定量的滤液，采用德国产AA3连续性流动分析仪进行硝态氮含量的测定。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2007软件整理统计后，采用SPSS 21.0进行回归分析和显著性、相关性分析。Logistic动力学模型的拟合优度检验为R检验，显著性检验为F检验，变量的显著性和相关分析作T检验。绘图由Excel 2007软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同施肥条件下土壤硝态氮转化特征

尿素施入土壤后，通过水解生成NH+4-N，并进一步通过硝化作用形成NO-3-N、N2、N2O等，这使得土壤中的NO-3-N含量增加。15 ℃时，各施氮处理硝态氮含量的变化曲线见图1。转化初始阶段，随着反应时间的延长，硝态氮含量缓慢上升，曲线比较平缓，而后转化速率显著提高，硝态氮含量增加明显，最后趋于平缓，基本保持稳定，表明尿素水解产生的NH+4-N已向硝态氮转化完毕。各处理中以244 mg/kg施氮水平达到平衡所需时间最短，大约为33 d后保持基本不变；427 mg/kg施氮水平达到平衡所需时间最长，约为51 d。为确保研究条件一致且转化达到充分平衡，后续试验中选择平衡时间为55 d。同一反应时间，244 mg/kg处理的NO-3-N含量最小，427 mg/kg处理的含量最大，说明硝态氮含量随氮肥含量的增大而增大。55 d时，427 mg/kg施氮水平下硝态氮的累积量约是244 mg/kg施氮水平的1.3倍。这是由于尿素水解产生的NH+4-N不断向硝态氮转化，使得施肥量高的处理，硝态氮含量也高。20和25 ℃时，硝态氮含量变化趋势与15 ℃时大致相同，即迟缓阶段、最大速率阶段和停滞阶段。但各处理达到平衡所需时间与15 ℃时有较大差异，20 ℃时，各处理(从低氮处理至高氮处理)达到平衡所需时间分别为21、25和27 d，其对应的最大累积量分别为1.140、1.356和1.466 mg/kg，说明随着施氮量的增加，达到平衡所需时间越来越长，最大累积量也越来越高。这是由于高氮处理的底物含量高，转化时间偏长，较晚达到平衡。25 ℃时，244 mg/kg施氮处理达到平衡时间为19 d，时间最短，427 mg/kg施氮处理达到平衡时间为23 d，366 mg/kg施氮处理居中，为21 d。

图1 不同施肥条件下土壤硝态氮含量变化曲线Fig.1 Soil nitrate-nitrogen content change curve under the condition of different fertilizer

2.2 不同温度条件下土壤硝态氮转化特征

图2为不同温度条件下土壤NO-3-N含量变化情况，从图2中可以看出，当施氮水平为244 mg/kg时，各温度处理硝态氮含量的变化趋势可以分为3个阶段，即迟缓阶段、最大速率阶段和停滞阶段。各处理(从低温至高温)达到平衡所需时间分别为33、21和19 d，其对应的最大累积量分别为1.014、1.140和1.307 mg/kg，可见随着温度的上升，达到平衡所需时间越来越短，而最大累积量越来越高。这说明高温有助于硝化作用的进行，并且能够使硝化作用进行得更加彻底，从而使25 ℃处理达到平衡所需时间较短且硝态氮累积量较高。施氮量为366 mg/kg和427 mg/kg时，各温度处理硝态氮含量变化趋势与244 mg/kg处理大致相同。366 mg/kg施氮水平时，25 ℃处理达到平衡时间为21d，时间最短；15 ℃处理达到平衡时间为45 d；20 ℃处理居中，为25 d。其对应的最大累积量(从低温至高温)分别为1.242、1.356和1.419mg/kg。施氮量为427 mg/kg时，各处理(从低温至高温)达到平衡所需时间分别为51、27和23 d，其对应的最大累积量分别为1.328、1.466和1.615 mg/kg。达到平衡时25℃处理的硝态氮累积量约是15 ℃时的1.2倍。

结合图1、图2可知，各温度、施氮处理之间最大累积量和达到平衡所需时间有较大差异，由上述分析可知，高温高氮处理时的最大累积量约是低温低氮处理时的1.5倍。最早达到平衡时间的是温度为25 ℃和施氮量为244 mg/kg时，为19 d；最晚达到平衡时间的是温度为15 ℃和施氮量为427 mg/kg时，达51 d，高温低氮处理明显小于低温高氮处理的平衡时间。这说明了高温处理有助于硝化作用的进行，氮肥的施入量在很大程度上影响硝化作用的快慢，也显示出了肥热耦合的综合效应。

图2 不同温度条件下土壤硝态氮含量变化曲线Fig.2 Soil nitrate-nitrogen content change curve under the condition of different temperature

2.3 硝态氮转化的动力学模型模拟及统计特征值

土壤NO-3-N累积量的总体趋势是随施氮量、温度的上升而逐渐上升，从试验结果看，土壤中硝态氮累积速率呈“S”形曲线变化(图1、图2)，表现出迟缓阶段、最大速率阶段和停滞阶段。利用SPSS 21.0对其进行Logistic生长曲线的拟合发现，曲线拟合度较好。在以往的研究中，许多学者也应用该生长曲线较好地描述了土壤硝态氮的动力学特性，并对其进行了动力学特征分析，所以为了确定土壤NO-3-N含量的变化规律，引用Logistic生长曲线表示“S”形曲线：

N0=a/(1+ce-b t)

(1)

式中：N0为硝态氮的累积量，mg/kg；a为N0的极限值，即最大累积量；b、c为待估参数，可通过曲线回归求得；t为试验培养时间，d。

由模型拟合的各参数见表1。由表1可知，各组别的相关系数R均为0.897～0.927，F值均在107以上，达到极显著水平(P<0.01)，所以上述Logistic动力学模型能够定量描述室内恒温培养条件下的土壤硝态氮转化过程。

表1 Logistic动力学模型拟合参数及统计特征值Tab.1 Dynamic model parameters and statistical characteristic values of Logistic

注：R表示拟合值与实测值之间线性相关的密切程度，R越大，拟合效果越好；F值、P值是回归模型的显著性检验，P<0.01，表示差异性显著，F值越大，模型拟合效果越好。

2.4 土壤硝化作用Kmax的肥热耦合效应

比较分析不同温度、不同施氮量条件下的土壤最大硝化速率，探究其影响机制，有助于分析土壤氮速的转化速率和土壤硝化作用特征。因此对公式(1)进行求导，可得硝化速率为：

(2)

Sabey等(1959年)报道，当铵态氮浓度不是硝化作用反应速率限制因子时，硝化作用的最大速率依赖于土壤性质，对式(2)求极值，可得最大硝化速率为：

Kmax=ab/4

(3)

土壤最大硝化速率Kmax拟合值见表2。由表2可知，不同处理条件下最大硝化速率变幅为0.236～0.373 mg/(kg·d)。25 ℃下不同施氮处理的Kmax值分别为0.292、0.328、0.373 mg/(kg·d)，其中以427 mg/kg硝化作用最强，说明高施氮量有助于硝化作用的进行；15 ℃下不同施氮处理的Kmax值分别为0.236、0.277、0.297 mg/(kg·d)，其中以244 mg/kg施氮处理硝化作用最弱，与上述描述相符。同一施氮不同温度处理条件下，以366 mg/kg施氮处理举例，各温度下的Kmax分别为0.277、0.291、0.328 mg/(kg·d)，以25 ℃下硝化作用最强，表明温度升高亦有助于硝化作用的进行，其余2个施氮处理也验证了这一结论。低温低施氮处理的 明显低于高温高施氮处理的土壤，这可能是由于低温处理下硝化细菌活性较低，且低施氮处理不能提供给硝化细菌足够的氮源。最大硝化速率间的差异表明不同施肥和温度条件下的土壤硝化作用强弱，亦即显示出温度和施肥对硝化作用综合影响的结果。

表2 最大硝化速率拟合值Tab.2 The fitting values of maximum nitrification rate

由上述可知，最大硝化速率Kmax在很大程度上受土壤温度、施氮量以及它们交互作用的影响，为了全面分析室内恒温培养条件下土壤硝态氮转化过程的温度T和施氮量N的耦合效应，以最大硝化速率Kmax作为考察目标，采用非线性回归和SPSS 21.0软件进行试验数据的处理，去掉不显著项得出回归方程如下：

Kmax=0.103+0.003T+8.872-6TN(R=0.944) (4)

由方程(4)可知，影响室内恒温培养条件下土壤最大硝化速率Kmax的因素有温度以及温度与施氮量的交互作用，其中温度系数最大，说明温度对最大硝化速率的影响最为显著。从表2中可以看出，温度一定时，以施氮量427 mg/kg的Kmax最高。温度对土壤最大硝化速率的影响表现为低氮处理的最大硝化速率 最低出现在15 ℃条件下，高氮处理的最大硝化速率 最低也出现在15 ℃条件下。一般认为，硝化作用最适宜的温度是25～35 ℃，当土壤温度太低时，会抑制硝化作用。温度能激发硝化细菌的活性，当温度在试验水平范围内逐渐升高时，最大硝化速率的总趋势也逐渐增加，温度为25 ℃时的最大硝化速率大约是15 ℃时的1.25倍。在本试验中除了土壤温度对最大硝化速率有影响外，温度与施氮量的耦合效应也有影响，从Kmax的回归方程中可以看出，土壤最大硝化速率与肥热耦合效应呈正相关，这说明虽然施氮量对Kmax的影响在方程中表现为不显著，但对最大硝化速率的影响仍表现为正相关。

2.5 土壤硝化作用延迟期td的肥热耦合效应

硝化作用延迟期为硝化细菌适应新的环境，进入最大速率阶段提供了有力保障。延迟期td可由公式(1)最大斜率直线外推与横坐标的交点确定：

td=1/b(lnc-2)

(5)

由此导出的函数td能表征己知条件下土壤硝化作用的特征。延迟期td拟合值见表3。由表3可知，同一温度，不同施氮条件下，硝化作用延迟期td由低施氮量至高施氮量越来越长。不同处理条件下迟缓期td变幅为1.05～3.15 d。25 ℃下不同施氮处理的td值分别为1.05、1.10和1.80d，其中以427 mg/kg施氮处理延迟期最长，这说明高施氮处理条件下底物浓度较高，使得硝化细菌生长时期较长。其余2个温度处理也验证了这一结论。同一施氮不同温度处理条件下，以366 mg/kg施氮处理举例，各温度下的 分别为2.19、1.72、1.10 d，以25 ℃下延迟期最短，这亦表明了温度升高有助于硝化作用的进行，其余2个施氮处理也验证了这一结论。

表3 延迟期td拟合值Tab.3 The fitting values of period of delay

由上述可知，延迟期td在很大程度上受土壤温度、施氮量以及它们交互作用的影响，为了全面分析硝化作用延迟期td的温度T和施氮量N的耦合效应，采用非线性回归和SPSS 21.0软件进行试验数据的处理，得出回归方程如下：

td=-2.247+0.094T+0.017N-0.001TN

(R=0.928)

(6)

由方程(6)可知，影响延迟期td的因素有温度、施氮量以及它们的交互作用，在本试验水平条件下，温度对延迟期的影响最大，且影响达显著水平。由表3可知，施氮量一定时，温度对延迟期的影响表现为随着温度的升高而降低，低施氮量时由1.42 d降至1.05 d，高施氮量时由3.15 d降至1.80 d。最长延迟期发生在温度为15 ℃和施氮量为427 mg/kg时，达3.15 d，最短的延迟期发生在温度为25 ℃和施氮量为244 mg/kg时，仅为1.05 d。温度一定时，高氮处理的延迟期高于低氮处理的土壤，这可能由于高氮处理的底物含量高，使得转化过程稍有延迟。从td的回归方程中可以看出，延迟期与温度、施氮量的交互作用呈负相关，可能是因为高温、高氮条件下，硝化反应迅速，使得氮源减少，导致延迟期下降。

3 结 语

(1)由本试验可以看出，土壤硝态氮含量与温度和施氮量密切相关。随着培养时间的延长，土壤硝态氮累积量增加，高温高氮处理的硝态氮累积量显著高于低温低氮处理。但高温低氮处理达到平衡时间明显小于低温高氮处理。

(2)恒温培养条件下土壤NO-3-N累积量呈“S”形曲线变化，应用Logistic生长曲线基本上可以定量描述NO-3-N累积量的变化，由模型所获得的最大硝化速率Kmax和延迟期td等拟合参数可用来反映恒温培养条件下土壤NO-3-N转化过程的快慢。

(3)土壤最大硝化速率Kmax和延迟期td受到温度、施氮量及其耦合效应的影响，其中温度对最大硝化速率和延迟期的影响最为显著，土壤在高温高氮处理时硝化作用较强。因此，适当提高温度和增加施氮量对土壤NO-3-N累积有促进作用。

(4)结合动力学模型和非线性回归方程，可一次性确定出恒温培养条件下土壤硝态氮累积量、最大硝化速率Kmax和延迟期td，为定量预报不同温度及施肥条件下，延缓土壤NO-3-N累积提供了一个简便的途径。

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