不同浸提条件对土壤氨氮提取数量的影响

汪发勇 白建军 孙定钊 刘满义 尹磊

（1.贵州省地质矿产勘查开发局测绘院，贵州贵阳 550000；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550000）

1 引言

土壤生态环境是一个复杂的多介质多界面体系。溶解性有机质（Dissolved Organic Matter，DOM）是这一环境中最为活跃的化学组成之一，它将土壤的矿物质、有机质与生物成分联系在一起，具有重要的生态意义。如作为微生物的底物、通过物理和化学作用改变金属与外源性化合物的环境行为、稳定土壤胶体与团聚体、促进温室气体的排放等，它还可以用于指示土壤质量［1］。同时土壤DOM 在C，N，P 和S等营养元素的生物地球化学过程、成土过程、微生物的生长代谢过程、土壤有机质分解和转化过程以及土壤污染物的迁移过程有着重要的作用，因此成为土壤、生态和环境科学研究前沿热点之一［2］。关于土壤有机质对DOM 释放的影响、控制DOM 数量与质量的环境因素以及溶解性有机碳（DOC）、溶解性有机氮（DON）和溶解性有机磷（DOP）之间的差异的研究也是今后DOM 的研究重点。

DON 是可溶性有机物的重要组成部分之一。近年来出于对DOM 的关注，科学家们对森林土壤（特别是温带林）中DON 的来源、动态调节、流量等方面做了一些研究，但总体上人们对DON 的了解甚少［3］。有关DON 在土壤中的动态报道的结论很多相互矛盾。由于水文过程的差异，在野外与室内研究有关DON 影响因素时常得到不一致甚至是相反的结果，在野外条件下，土壤层的水文变化可能比生物因素对DON 的调节更为重要，因而，在室内研究得出的结果有待于在室外条件下进一步验证［4］。为了更好地量化土壤中DON，对于总氮、氨氮、硝态氮的量化过程就必须有进一步的了解。在对DON 量化的过程中，对氨氮的量化同样是一个重要的过程，因为DON的推算是通过测试土壤全氮、氨氮和硝态氮的数量，然后利用全氮减去氨氮和硝态氮获得［5］。对氨氮的测定目前有多种方法可用，如纳氏试剂法、电化学分析方法、流动注射法、仪器分析法等［6-7］。

本试验主要是浸提土壤中的氨氮，从而量化土壤中的氨氮，其影响因素包括浸提剂、振荡时间、温度、土水比。本试验以提取土壤中氨氮为目的设计实验方法，通过控制浸提剂、振荡时间、温度、土水比，分别对每一项影响因素的各水平进行研究，分析各水平试验数据，研究单一因素对浸提氨氮数量的影响，同时得到不同因素对浸提和量化土壤中氨氮的影响程度。

2 材料与方法

2.1 试验设计

本试验选择正交试验设计。正交试验设计是研究多因素多水平的一种高效设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，是一种高数量、快速、经济的试验设计方法。试验设计的因素和水平见表1。

表1 试验因素及水平

2.2 土样选择与样品处理过程

本试验共涉及4 个土样，分别是石灰土表层（编号A，深度0～10 cm）与心土层（编号B，深度110～130 cm）、黄壤表层（编号C）与心土层（编号D，深度30 cm 以下）。土样属性见表2。

表2 土样属性

在制样过程中，首先去除土样中携带的残枝落叶等杂质，样品经自然风干后研磨至过10 目筛子备用。

浸提剂的配置：首先，配制0.5，1，2 mol/L KCl 溶液，分别称取37.3，74.6，149.1 g KCl 放入烧杯，溶解后转入1 L 的容量瓶，定容到1 L；配制0.2，0.5 mol/L K2SO4溶液，分别称取34.9，87.1 g K2SO4，操作步骤与配制KCl 溶液相同。其次，根据试验设计控制溶液温度，再根据试验设计的土水比取土样和浸提剂装入50 mL 离心管。其中，土水比为1 ∶1 时取土20 g、进液量20 mL；土水比为1 ∶5 与1 ∶10 时分别取土7.0，3.5 g，进液量均为35 mL。再次，控制振荡时间，待振荡完毕，放入离心机进行离心，离心转速为10 000 r/min，离心时间为10 min。最后，用0.45 μm微孔滤膜过滤，得到土壤测试样品，装入棕色瓶中保存，放入冰箱待测。

2.3 化学分析

氨氮的测定方法通常有分光光度法、电化学分析方法等。水样中氨氮的测定方法种类较多，各有特点，分光光度法是最常用的方法。

本试验使用荷兰SKALAR 最新推出的湿化学流动分析仪San++检测土壤中的氨氮。该仪器是一款汇集了多功能的取样器、准确可靠的蠕动泵、有1 000多种已被实践证明的指标模块、数字化光度计和应用于Windows 界面软件的分析仪器，可用于水体的总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮等指标的含量分析。氨的自动分析过程是基于水杨酸钠—次氯酸钠光度法；氨被氯化成单氯盐，单氯盐与水杨酸盐和次氯酸盐（或二氯三聚异氰酸盐）形成氧化性耦合的一种蓝色混合物，可在660 nm 光波下检测到。反应中用亚硝基铁氰化钠作为催化剂，酒石酸钾钠和柠檬酸盐作为缓冲液。

分光光度法包括纳氏比色法、苯酚—次氯酸盐（或水杨酸—次氯酸盐）比色法。纳氏试剂比色法原理是碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡红棕色胶态化合物，其色度与氨氮含量成正比，通常可在波长410～425 nm 范围内测其吸光度，计算其含量。苯酚—次氯酸盐（或水杨酸—次氯酸盐）比色法原理是在亚硝基铁氰化钠存在下，铵与水杨酸盐和次氯酸离子反应产生蓝色化合物，在波长697 nm 具有最大吸光度。该法具有灵敏、稳定等优点，干扰情况和消除方法与纳氏试剂比色法相同，但对试剂要求严格，操作复杂。

2.4 试验结果分析

本试验统计分析采用单因素试验的方差分析和极差分析两种方法，分析各因素对DON 浸提数量的影响是否显著。通过试验，测得土壤中氨氮的浓度，单位为mg/L。由于浸提剂本身可能含有氨氮，所以先将所测土壤浸提溶液氨氮的浓度减去浸提剂本身所含氨氮的浓度，得到土壤氨氮的浓度。然后先进行单因素试验方差分析，计算出统计量（F），比较F与临界值［F0.05（l－1，n－l）］的大小，当F≤F0.05（l-1，n－l）时，认为影响不显著；当F0.05（l-1，n－l）＜F≤F0.01（l-1，n－l）时，认为影响显著；当F＞F0.01（l-1，n－l）时，认为影响特别显著。最后对所得数据进行极差分析，通过Excel 表格输入数据，计算各重复试验的算术平均值，求出相同条件下各梯度的极差（D），根据极差值将各因素对土壤氨氮浸提数量的影响从大到小排列。因素的极差最大，表示该因素在试验范围内变化时，试验指标数值的变化最大。

3 结果与分析

3.1 浸提剂对氨氮浸提数量的影响

在以浸提剂为变量时，将其余变量统一控制，即土水比1∶5、振荡60 min、温度20 ℃。

在这3 种浸提剂中，除纯水外，氯化钾浸提剂包括3 个浓度，分别为0.5，1，2 mol/L，硫酸钾浸提剂包括2 个浓度，分别为0.2，0.5 mol/L。通过对这3 种浸提剂梯度数据进行单因素方差分析，表明不同浸提剂不同浓度对氨氮浸提数量影响极显著［F＞F0.01（l-1，n－l）］。浸提剂影响氨氮浸提效果如图1 所示。对数据进行简单的直接对比，由图1 可以得出，浸提剂对浸提氨氮数量有明显差异。在氯化钾浸提剂和硫酸钾浸提剂的试验结果中，浸提剂浓度越高，对氨氮的浸提数量越高。而在对这3 种浸提剂进行对比时，以纯水作为浸提剂时，对氨氮浸提数量很低，2 mol/L氯化钾浸提剂对氨氮的浸提数量是最高的。同浓度的氯化钾浸提剂与硫酸钾浸提剂，0.5 mol/L 硫酸钾对氨氮浸提数量大于0.5 mol/L 氯化钾对氨氮浸提数量。

图1 浸提剂影响氨氮浸提效果

3.2 温度对氨氮浸提数量的影响

在以温度为单因素变量时，将其余变量统一控制，即土水比1 ∶5、振荡60 min，可以得到4 个土样下3 种浸提剂共12 组温度梯度数据。对这12 组温度梯度数据进行单因素方差分析，结果表明，温度对氨氮浸提数量存在极显著影响［F＞F0.01（l-1，n－l）］。对浸提氨氮的数量进行对比，以D 土样为例（见图2），温度的变化对浸提氨氮的数量存在明显的影响。可以清楚地看出，温度的变化对氨氮的浸提数量并不像土水比对氨氮的浸提数量存在明显的一元线性关系。在温度梯度10，20，30，50，70 ℃中，从20 ℃到50 ℃，随着温度的上升对氨氮浸提数量越来越高，当浸提温度为50 ℃时，对氨氮浸提数量是最高的。温度在70 ℃时，对氨氮浸提数量低于50 ℃对氨氮浸提数量。

图2 温度对氨氮浸提效率

3.3 振荡时间对氨氮浸提数量的影响

在以振荡时间为单因素变量时，将其余变量统一控制，即土水比1 ∶5、温度20 ℃，可以得到4 个土样下3 种浸提剂共12 组振荡时间梯度数据。对这12 组振荡时间梯度数据进行单因素方差分析，结果表明，振荡时间对氨氮浸提数量存在显著影响［F＞F0.01（l-1，n－l）］。

以土样D（见图3a）和土样A（见图3b）在用硫酸钾浸提剂对氨氮浸提数量的分析结果看，在振荡时间10，20，60 min 时，对氨氮浸提数量随着振荡时间的增加而增加。在振荡时间为60 min 时，对氨氮的浸提数量最高，而在120 min 对氨氮浸提数量急剧下降，并基本与振荡时间为20 min 时持平。

图3 振荡时间对氨氮浸提效果

3.4 土水比对氨氮浸提数量的影响

土水比对氨氮浸提数量的影响很大［F＞F0.01（l-1，n－l）］。在3 种土水比中（1 ∶10，1 ∶5，1 ∶1），关于浓度的差异的试验结果为，在以纯水为浸提剂时试验数据并未出现太大的差异，但氯化钾浸提剂和硫酸钾浸提剂变化趋势完全一致。土水比越大，所测氨氮的含量越大，所以当土水比为1 ∶1 时，对氨氮浸提数量最大。以土样B 为例，土水比对氨氮的浸提效果见图4。

图4 土水比对氨氮浸提效果

3.5 各因素之间的关系

各因素之间的极差处理见表3。

表3 各因素之间的极差处理

表3 对各因素对氨氮浸提数量的数据进行极差分析，对比在单一因素影响下各组试验中测试氨氮的数据，对数据的变化范围作出评价。某单一因素水平的极差最大，表示该因素的数值在试验范围内变化时，使试验指标数值的变化最大。所以各因素对试验指标的影响从大到小的排列，就是各列极差的数值从大到小的序列，可以得到土水比＞浸提剂＞振荡时间＞温度。因此从单一因素考虑，运用直观分析的方法，在考虑浸提氨氮的影响因素时，土水比应作为首要因素，其后依次为浸提剂、振荡时间、温度。

4 结论

试验结果表明，土水比、不同浸提剂、温度以及振荡时间均对氨氮浸提数量有显著的影响。不同因素对氨氮浸提数量影响程度表现为：土水比＞浸提剂＞振荡时间＞温度。在土水比1∶10，1∶5，1∶1 中，当土水比为1∶1 时对氨氮浸提数量最大，表明土水比越大对氨氮浸提数量越大。2 mol/L 氯化钾的浸提剂对氨氮浸提数量最大，0.5 mol/L 硫酸钾对氨氮浸提数量大于0.5 mol/L 氯化钾对氨氮浸提数量，表明氨氮的浸提数量随着浸提剂浓度的增大也随之增大。在振荡时间为10，20，60 min 中，随着振荡时间的增加，对氨氮浸提数量增大。浸提温度表现较为复杂，在20，30，50 ℃中，随着浸提温度升高，氨氮浸提数量增加，浸提温度为10 ℃和70 ℃对氨氮浸提数量均低于50 ℃对氨氮浸提数量。