不同因素交互作用对棕壤硝态氮累积及pH值的影响

沈 月， 依艳丽

(沈阳农业大学土地与环境学院，农业部东北土壤与环境重点开放实验室，沈阳110866)

不同因素交互作用对棕壤硝态氮累积及pH值的影响

沈 月， 依艳丽*

(沈阳农业大学土地与环境学院，农业部东北土壤与环境重点开放实验室，沈阳110866)

本文采用室内恒温好气培养法，研究了温度(10℃和30℃)、水分(田间持水量的70%和100%)及尿素态氮用量(N 0、450、600、750)mg/kg 的交互作用对硝态氮累积和土壤酸化的影响。结果表明， 10℃下硝化作用进行缓慢，最大硝化率(Kmax)与施氮量呈极显著负相关(r=-0.935**)，达到最大硝化率的时间(t0)与尿素态氮用量呈极显著正相关(r=0.876**)。30 ℃下的硝化率随尿素态氮用量的增加而增加。低温环境延长了t0。10 ℃(70%和100%含水量)下，N 750 mg/kg 处理的t0分别相当于30 ℃下该处理的1.9和2.5倍。所有处理土壤的硝态氮累积量均随培养热量的增加呈指数增长趋势， 且70%含水量下的累积量高于100%含水量下的累积量， N 600和750 mg/kg 处理的累积量显著高于其他处理。培养结束后，30 ℃所有处理的pH值均显著低于初始土壤，其中N 600和750 mg/kg 处理的pH<5.1， 酸化明显。通径分析结果表明， 尿素施用量和培养天数是影响硝化率进而影响pH值的重要因素，其次是培养温度和含水量。

温度； 尿素； 含水量； 最大硝化速率； pH

土壤酸化是土壤退化的一个重要方面，可导致盐基离子大量淋失，有毒重金属离子活化，从而影响微生物活动、 养分元素循环，导致土壤贫瘠化[1]。研究引起土壤酸化的原因，探讨其机理，已成为许多学者共同关心的话题[2-3]。

棕壤是辽宁地区的主要耕作土壤类型，呈中性至微酸性反应，长期以来由于不合理施肥等人为因素造成棕壤酸化趋势明显[11-12]，但关于棕壤酸化的机理还需深入研究。本文采用室内恒温恒湿培养方法，应用Logistic及指数函数模型研究了不同因子交互作用对硝态氮累积和棕壤酸化的影响，旨在探讨耕地棕壤酸化机理，为缓解棕壤继续酸化提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.2 风干土尿素态氮硝化作用培养试验

试验设10℃和30℃两个恒定培养温度；相对含水量分别为田间持水量的70%及100%的两种含水量；施氮量分别为N 0、 450、 600、 750 mg/kg 4个施氮水平用CK、 N1、 N2、 N3表示供试肥料为尿素，含氮量46%，采用完全方案，共16个处理，每个处理重复3次。每个处理称取500g供试风干土于塑料瓶中，分别调至相应的含水量后，在室温下预培养1周，激活土壤微生物活性。预培养后，加入相应的尿素，与土壤混匀，分别于10℃和30℃条件下于恒温箱连续培养42 d，塑料瓶口用保鲜膜套紧，并用针戳等量小孔，保证瓶内通气及最小水份损失量，用称重法每2 d补水一次。分别在培养的第7、 14、 21、 28、 42 d取样，测定土壤pH值及硝态氮、铵态氮含量。

1.3 测定项目及方法

土壤基本理化性质采用实验室常规方法测定[7]。硝态氮和铵态氮的测定采用0.01 mol/L CaCl2浸提，AA3连续流动分析仪测定[10]。

土壤硝化率(%)= [(土壤加氮培养后硝态氮含量-原土壤培养后硝态氮含量)/(土壤加氮培养后矿质氮含量-原土壤培养后矿质氮含量)]×100[10]

(1)

(2)

引用通径分析理论对不同培养条件下影响因子与pH值的关系进行通径分析。对于一个相互关联的系统，因变量y与n个自变量xi(i=1,2,3…,n)间存在线性关系，回归方程为：

y=b0+b1x1+b2x2+ … +bnxn

(3)

将实际观测值代入(3)式，通过最小二乘法解方程组，可求得通径系数Pyxi[13]。硝化动力学的非线性回归、方差分析、指数函数及通径分析采用SPSS 17.0， 制图采用Origin 8.0软件。

2 结果与分析

2.1 不同培养条件下棕壤硝化率的变化

两种温度培养条件下，土壤硝化率基本呈现随着培养时间的增加而上升的趋势(图1)。10℃比30℃条件下硝化作用进行的缓慢。当温度为10 ℃时，在培养后21 d，不施氮肥处理在两种含水量下的硝化率分别为48.88%和74.47%，显著高于此温度下N1、 N2、 N3 3个处理，且3个处理随施氮量的增加硝化率依次递减。相反，在30℃培养下，N1、N2、N3处理的硝化率始终高于CK，在培养的第42 d，70%田间持水量下的N2处理硝化率达到92.90%，是培养初期的14.4倍，硝化作用明显。

从图中硝化率的变化可以看出，土壤中硝态氮的累积可分为3个阶段： 1)迟缓阶段(硝化细菌数量的生长时期)； 2)最大速率阶段(硝化速率增长最快的阶段)； 3)停滞阶段(由土壤中铵态氮的减少而引起)[14]。因此，Logistic函数能够较好地描述土壤中硝态氮含量随时间变化的规律[15]。其计算结果如表2所示。

图1 不同培养温度下土壤硝化率的变化Fig.1 Soil nitrification rates under gradient incubation temperatures of 10℃ and 30℃ [注(Note): FMC为田间土壤持水量 Field soil moisture capacity]

处理Treatments相关系数r拟合剩余方差S回归方程Regressionequation最大硝化率Kmax达最大硝化率的时间(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为田间持水量 Field moisture capacity

对回归模型进行求导得出硝化率定量描述不同培养条件下土壤硝化活性的差异，达到最大硝化率对应的时间t0可以表征硝化作用的快慢[7]。从拟合结果可以看出，除10℃对照处理外，其余14组模型的相关系数均达到了0.9以上相关水平，拟合效果较好。整体来看，100%田间持水量条件下达到最大硝化率所需的时间高于70%所需的时间。在10℃条件下，土壤最大硝化率Kmax与施氮量呈极显著负相关(r=-0.935**)，达到最大硝化率的时间与施氮量呈极显著正相关(r=0.876**)。CK处理的最大硝化率均大于30.0，而其他三个施氮处理的土壤最大硝化率均小于3.0。10℃70%和100%两种含水量下，N3处理达到最大硝化率所需的时间分别为29.0和35.8 d，分别相当于30℃条件下N3所需时间的1.9和2.5倍。因此，在低温下，硝化作用进行得缓慢，施氮各处理达到最大硝化率的时间增加。30 ℃条件下达到最大硝化率所需时间最短的为N2处理，在70%和100%两种含水量下，分别为11.6 d和11.8 d，而N3处理则分别需要15.4和14.6 d，说明尿素含量超过一定水平，硝化作用减慢，与图1所示结果一致。

2.2 不同温度对土壤硝态氮累积量的影响

有研究[9]证明，以0℃为基准根据公式：

培养热量=培养温度×培养天数

能够较好地预测土壤硝态氮的累积量。在本研究中，我们分别计算了低温(10℃)和高温(30℃)条件下，土壤热量对硝态氮累积的影响(图2)。如图所示，随着培养热量的增加，所有处理土壤的硝态氮累积量均呈显著增加趋势。

受施入氮含量的影响，高氮处理(N2、 N3)土壤硝态氮累积量显著高于低氮(N1)及不施氮(CK)处理。同时，不同含水量对硝态氮的累积也是不容忽视的。本研究中，我们建立了土壤硝态氮累积量和培养热量之间的函数关系式(表3)，其中大部分预测方程的相关系系数在0.9以上，能较好地预测硝态氮累积量，而10℃100%土壤含水量下CK处理的相关系数为0.4349，预测效果差。

图2 不同培养热量下一元指数方程计算出的土壤硝态氮累积含量Fig.2 Soil N contents calculated with the single exponential function under different incubation temperatures

处理Treatment指数方程式Exponentialmodel相关系数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为田间持水量 Field moisture capacity.

2.3 不同培养条件下棕壤pH值的变化

在不同温度和水分培养条件下，N1、N2和N3三个施肥水平的土壤pH值均出现在第7 d急剧上升，而后下降的现象，在30℃条件下，降幅较大(图3)，而CK处理pH变化则不明显。这是因为尿素施入土壤后迅速水解，造成土壤中铵态氮积累，可引起土壤pH值升高，且pH值随施氮量增大而增加明显。

图3 不同培养温度下(10℃、30℃)土壤pH值的变化Fig.3 Changes of soil pH under gradient incubation temperatures of 10 and 30℃ [注(Note): FMC为田间持水量 Field moisture capacity]

无论在70%还是和100%含水量下，培养后第42 d土壤pH值与开始相比，只有在30℃时显著下降。在10℃培养条件下，尿素分解速率慢，在培养结束时pH值与初始值没有明显差别。在30℃、70%田间持水量培养的N3处理，pH值下降幅度最大，比培养前(6.03)下降了1.37个pH单位，差异显著(表4)。其次为30℃、70%田间持水量培养的N2处理，下降了1.23个pH单位。30℃高温培养下，N2和N3处理的pH值都下降到5.1以下。而10℃ N3处理较初始pH相比，有所上升，尤其在100%田间持水量条件下上升显著，说明田间持水量条件下土壤处于嫌气状态，反硝化作用占主导地位，因其反应过程需消耗H+，而且低温环境下，也影响了尿素水解转化及微生物的活动，导致pH出现上升现象。

表4 供试土壤培养90 d后的pH值Table 4 Soil pH after 90 days’ incubation

注(Note): FMC—田间持水量 Field moisture capacity. 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatment at the 5% level.

2.4不同培养条件下各因子对pH值影响的通径分析

将不同培养条件的影响因素(温度、含水量、培养天数、施氮量、硝化率)与土壤pH值作通径分析，所得结果如表5所示。其中，X1、X2、X3、X4、X5和Y分别代表培养温度、含水量、施氮量、培养天数、硝化率和pH值。对角线上有*号的数据为直接通径系数，未标识的为间接通径系数。

表5 不同因子与土壤pH值的通径系数Table 5 Path coefficients between different factors and soil pH

注(Note): * —直接通径系数 Direct path coefficient.

从不同因子与pH值的直接和间接通系数可分析出不同因子对土壤酸度的影响强度。通过比较直接通径系数的绝对值可知，硝化率对pH值的影响最大，其直接通径系数绝对值q5=0.835；其次为氮肥施用量(q3=0.392)；排在第三位的是培养天数(q4=0.265)；第四位的是培养温度(q1=0.178)；影响最弱的是含水量(q2=0.041)。同时，从间接通径系数中可以得出，温度、含水量、施氮量和培养天数的改变都会间接影响土壤硝化率，从而对pH值产生一定的影响。且该四个因素对硝化率的影响作用大小依次为培养天数>施氮量>培养温度>含水量。因此，尿素施用量和培养天数是影响硝化率从而影响酸度的最重要因素，同时培养温度和含水量的影响也不容忽视。

3 讨论与结论

综上所述，尿素施入土壤后引起的硝态氮累积与土壤pH值密切相关，结合尿素分解转化的时间、外界环境温度来控制好尿素的施用量，及时调节土壤含水量，灌水适宜，可有效地抑制土壤中硝态氮积累速度从而延缓土壤酸化。但在农田中，土壤含水量并非恒定，常会经历干湿交替过程，同时，不同的土壤质地也会影响氮素在土壤中的累积、迁移、损失等过程。因此关于干湿交替过程中，不同类型土壤及水、热、氮梯度下的硝态氮积累转化与土壤酸化的关系仍需深入研究。

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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

高等学校博士学科点专项科研基金(20101045011213)； 国家自然科学基金(41171192)项目资助。

沈月(1984—)，女， 辽宁沈阳人， 博士研究生，主要从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函数对硝态氮含量随时间的变化情况进行描述：