云南红壤氮素形态分布研究

刘 丹，罕丽华，谭 伟，张永芝，杨永军，王红斌

(云南民族大学 民族药资源化学国家民委-教育部重点实验室，云南 昆明 650500)

氮素是影响作物生长最主要的营养元素之一, 通常被认为是作物产量的限制因子[1].植物吸收的氮元素有一半以上是源自土壤[2],而氮素以不同形态存在于土壤中，且不同形态氮在土壤中存在的条件不同，被植物吸收利用的量和比例也不同.通常土壤中90%以上的氮元素是以有机氮的形式存在[3]，其余为无机氮.而有机氮不能被植物直接吸收利用，在一定条件下转化成无机氮才能被利用.土壤中不同形态的氮含量受人工施肥和自然环境的影响，在一定程度上反映了地理环境情况.因此通过一定方法提取不同形态的氮，研究氮含量与地理环境之间的关系，可以更好地把握土壤中氮的分布和迁移转化情况，也是准确理解生态系统中氮生物地球化学循环及其环境效应的必要前提[4].

目前对土壤中氮素的研究多见于总氮、有机氮和无机氮等常见的形态分析，或是研究环境因素与这些氮形态之间的关系[5-8]，采用分级连续浸取分离法对土壤中各形态氮分析研究的报道较少.分级连续浸取分离法是用不同溶液对固体样品中的待测物质进行分离提取，近几年来，马红波[9]、王圣瑞[10]等用该方法对海洋和湖泊沉积物中的氮进行提取和研究，为固体介质中氮形态分析提供了新的思路.本文采用该方法对云南红壤中氮形态进行系统分析研究，对土壤氮形态分布研究具有一定的指导性意义.

1 材料与方法

1.1 实验材料

样品采集：以云南省陆良县4个具有代表性耕地作为样品采集点，按照NY/T 1121.1—2006土壤检测第1部分：土壤样品的采集、处理和贮存的要求，采用梅花形布点采样，分别采集5个取样点的土壤混合，每个取样点取土深度在10～20 cm，充分混合后用四分法弃取，最后保留1 kg左右土样作为该点混合样品，自然风干后装入样品袋.

样品前处理：取土样适量粉碎，过0.172 mm筛，置于干燥器中备用.

1.2 实验仪器和试剂

800电动离心沉淀器，LXJ-Ⅱ离心沉淀器，THZ-92B气浴恒温振荡器，752紫外-可见分光光度计，XFS-280B手提式压力蒸汽灭菌锅.

1.3 实验方法

1.3.1 土壤的理化性质分析

按照NY/T 1121.1—2006土壤检测的要求，分别对土壤的含水量、pH值、机械组成、有机质进行了分析测试.

1.3.2 各级形态氮的含量测定

提取方法：根据文献[9]的研究，可转化态氮包括4种形态：离子交换态氮(IEF-N)、弱酸可浸取态氮(WAEF-N)、强碱可浸取态氮(SAEF-F)和强氧化剂可浸取态氮(SOEF-N).而强氧化剂可浸取态氮的含量即为可转化态氮中有机氮含量，其余3种氮含量即为无机氮含量.土壤中可转化态氮分析方法采用改进的沉积物中氮的分级浸取分离法[11],参考海洋沉积物所使用的方法[9，12-14]，对土壤中的氮形态进行分析(见图1).

具体分析过程如下：

总氮与可转化态氮含量的差值即为非可转化态氮的含量.

分析方法：4种形态氮含量分别以氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮含量的总和计算，而氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮分别用纳氏分光光度法[15]、紫外分光光度法[16]和N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定[15].样品中总氮含量测定采用过硫酸钾氧化后分光光度计进行测量[15].

2 结果与分析

2.1 土壤的理化性质分析

按照NY/T 1121.1—2006所测的土壤理化性质如表1所示：

表1 土壤理化性质表

从理化性质来看，4类土壤中T1含水量最低，T2含水量最高；T2、T4呈酸性，T1、T3呈弱碱性；T3有机质含量最高，T2有机质最少；T1砂粒组成最多，T3的黏粒最大.

2.2 标准曲线

按照试验方法对标准溶液进行测定，以质量分数(μg/g)对吸光度(A)绘制标准曲线，氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的回归方程、相关系数、线性范围见表2.

表2 标准曲线线性方程、相关系数、线性范围

2.3 土壤氮形态分析结果与讨论

2.3.1 可转化态氮与非可转化态氮含量分布

可转化态氮是能够真正参与到氮循环的那部分氮，其结合能力较弱，而非可转化态氮被包裹在矿物晶格或颗粒内层，无法参与氮循环，这部分氮成分复杂，包括各种结合形态[9,17-18].4个采样点的可转化态和非可转化态氮的分布如图2所示.由图2可知，4个采样点均是可转化态氮占较大比例，因此土壤中可利用的氮含量较高.本研究对各采样点非可转化态氮的形成原因和具体形态未做详细分析，只对其总量做了初步研究.

2.3.2 可转化态氮中有机态氮和无机态氮含量分布

土壤中的氮素95%为有机氮[19]，是陆生生物重要的氮来源，有机氮和无机氮之间存在着一定的转化关系，如图3所示.转化途径有多种，各转化途径之间也是相互影响.土壤中有机氮的矿化和无机氮的生物吸收是土壤中氮素转化的重要方面.当土壤中没有足够的碳能源物质时氮素的矿化作用相对于生物固定较强，则此过程表现为净矿化，土壤中的无机氮得到积累;相反，当能源物质较充足时则生物固定作用强于矿化作用，无机氮的含量则相对较少[19].

4个采样点可转化态氮中无机氮和有机氮含量如图4所示，无机氮含量皆高于有机氮.而根据表1数据，土壤有机质含量较高，因此有机氮含量相对较高，从而可得出土样中的有机氮主要以非可转化态氮的形式存在.这部分有机氮被包裹在矿物晶格或颗粒内层，较难转化利用.在一般情况下，温度较高时更有利于矿化作用，低温则更有利于生物固定[19].陆良县位于云南省东部，终年气候温和，年均气温14.7 ℃，因此矿化作用强于生物固定，导致可转化态氮中无机氮含量高于有机氮含量.

2.3.3 离子交换态氮含量分布

离子交换态氮作为一种吸附态氮，与土壤别的结合能力最弱，因此在土壤中最为活跃[20].多种因素会对土壤中的离子交换态氮分布产生影响，含水率、有机质含量、硫化物含量和pH值等[19]，除此之外，还与土壤本身的结构、性质及粒度都有直接的关系.

由图5可观察到，各采样点可转化态氮含量中离子交换态氮含量最少，约占可转化态氮总量的9%，各个采样点离子交换态氮含量也存在差异.呈现这样的分布状况，是因为离子交换态氮本身结合能力较弱，其含量容易受到其他多种因素的影响，如土壤含水量和有机质含量等.陆良县四面环山，中间是开阔平坦的湖积盆地，年降雨量较大，达 979.6 mm，土壤中离子交换态氮移动性较大，受到雨水淋洗而损失较多，常年积累，导致该地区离子交换态氮含量明显减少.

由表3可知：在离子交换态氮的3种存在形式当中，除一号采样点外其余3个采样点的硝酸盐氮含量均最高，高出亚硝酸盐氮含量数百倍.亚硝酸盐氮含量最少，氨氮含量居中.这是因为陆良地区终年气候温和，有利于矿化作用最终形成硝酸盐，而且在通气性较好的情况下，硝化细菌含量较大，硝化速率大，硝化作用很容易进行.而无论是在硝化作用还是反硝化作用过程中亚硝酸盐都是中间产物且很不稳定，亚硝酸盐很难得到积累，因此，硝酸盐氮含量最高而亚硝酸盐氮含量最低.

表3 各取样点可转化态氮3种存在形式(氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮)含量 μg/g

2.3.4 弱酸可浸取态氮含量分布

弱酸可提取态氮的含量直接反映了碳酸盐结合态氮含量的高低[20]，与有机碳含量、土壤粒度都呈正相关.在酸性环境下，该形态的氮易从土壤中转移到间隙水，造成土壤中该类氮含量降低.由图5可知各采样点弱酸可浸取态氮，平均含量为769.3 μg/g，占可转化态氮总量的29%.T3采样点弱酸可浸取态氮的含量最高，而T2的最少，这是因为，T3的土壤有机质含量最高，且pH相对较大，而T2的有机质含量和T3的正好相反.因此，T2土壤中弱酸可浸取态氮流失较多，但转移到间隙水的氮反而更有利于植物的吸收.

2.3.5 强碱可浸取态氮含量分布

土壤中的强碱可浸取态氮主要是铁锰氧化物结合态氮，其形成和分布主要受土壤氧化还原环境影响[13].一般认为氧化环境有利于沉积物中强碱可浸取态氮的稳定存在，而还原环境则有利于强碱可浸取态氮的释放[14].

由图5可知，各采样点强碱可浸取态氮平均含量为885.57 μg/g,占可转化态氮含量的31.6%，平均含量最高.4个采样点中，T2的强碱可浸取态氮含量最高，这可能是因为T2土壤的有机质含量最少，因此有机质分解消耗的溶解氧少，土壤氧化作用较强，导致该形态氮在土壤中的稳定存在.

2.3.6 强氧化剂可浸取态氮含量分布

强氧化剂可浸取态氮主要是指有机氮，其分布也受有机质含量、氧化还原环境、沉积物粒度、有机质向沉积物输送的速度等因素的影响[13].强氧化剂可浸取态氮的含量在一定程度上反映了土壤有机质的矿化程度.其含量越高说明土壤的矿化作用越弱.

研究结果表明，4个采样点强氧化剂可浸取态氮的平均含量为866.26 μg/g,占可转化态氮含量的30.2%.由表1可知，T3土壤的有机质含量最高，所以该采样点土壤的强氧化剂可浸取态氮含量最高.

综上，4个采样点的4种可转化氮含量高低各有不同，与自然环境和地理因素有很大关系.该研究与张彬等[21]对三峡库区淹没消落区的土壤氮素形态分布研究结果相比较，离子交换态氮含量最少是一致的，但其他3种形态氮的含量稍有不同，这是因为本研究的采样点地理位置、气候状况、土壤理化性质等因素与三峡库区淹没消落区有较大差别，也从侧面证明了土壤中氮的形态分布与自然因素显著相关.本研究对云南陆良地区土壤氮素形态分布做了初步的分析，但几种形态氮分布横向差异性的原因有待于做进一步研究.

3 结语

本文采用分级连续浸取法对云南红壤中的各种形态氮进行提取，主要得到可转化态、非可转化态、离子交换态、弱酸可浸取态、强碱可浸取态和强氧化剂可浸取态等几种形态氮，通过对几种形态氮分布研究可知，氮形态受土壤pH、有机质含量、粒度等地理环境因素影响较大.该地区的氮形态主要有以下特征：

1) 土壤中可转化态氮含量占较大比例，因此可利用的氮含量较高，在种植农作物时可适当减少氮肥的施用；

2) 气温等地理环境导致可转化态氮中的无机氮含量高于有机氮,大部分有机氮以非可转化态的形式存在；

3) 气候湿润多雨导致土壤可转化态氮含量中离子交换态氮含量最少；其他3种形态的氮含量因采样点的地理环境因素的不同而呈现显著差异.

参考文献:

[1] 王巧兰.氮形态对水稻植株氮损失的影响[J].华中农业大学报, 2010, 29 (3): 312 -316.

[2] 彭银燕,黄运湘,尹力初,等.湖南省稻田土壤氮素肥力及氮矿化特征[J].中国农学通报,2013,29(12):109-114.

[3] 王圣瑞,焦立新,金相灿,等.长江中下游浅水湖泊沉积物总氮、可交换态氮与固定态铵的赋存特征[J]．环境科学学报,2008,28(1) :37-43.

[4] 王雨春,万国江,黄荣贵,等.红枫湖、百花湖沉积物全氮、可交换态氮和固定铵的赋存特征[J].湖泊科学,2002,14(4) : 301-309．

[5] 张继舟,倪红伟,王建波,等. 模拟氮沉降和CO2浓度增加对三江平原小叶章群落土壤总有机碳和氮素含量的影响[J].地球与环境,2013,41(3):216-225.

[6] 彭畅,刘晓斌,尹彩侠,等.不同形态氮肥及其运筹对春玉米产量和农艺性状的影响[J].核农学报,2013,27 (4):509-514.

[7] 张翠英,徐德兰,万蕾,等.骆马湖滨岸带4种植物氮磷与土壤氮磷含量关系[J].水土保持研究,2013,20(2): 38-42.

[8] 刘海军,李艳,张睿昊,等.北京市集约化种植土壤硝态氮分布和迁移速率研究[J].北京师范大学学报：自然科学版，2013,49(2/3):266-270.

[9] 马红波,宋金明,吕晓霞,等.渤海沉积物中氮的形态及其在循环中的作用[J].地球化学, 2003,32(1)：48-54.

[10] 王圣瑞,何宗健,赵海超,等.洱海表层沉积物中总氮含量及氨氮的释放特征[J].环境科学研究,2013,26(3):256-261.

[11] RUTTENBURG K C .Development of a sediment extraction method for different forms in marine sediments [J].Limnol Oceanogr，1992,37:1460-1482.

[12] 王圣瑞,金相灿,焦立新.不同污染程度湖泊沉积物中不同粒级可转化态氮分布[J].环境科学研究, 2007,20(3):52 - 57.

[13] 戴纪翠,宋金明,李学刚,等.胶州湾沉积物中氮的地球化学特征及其环境意义[J].第四纪研究,2007, 27 (3):347-356.

[14] 何桐,谢健,余汉生,等.大亚湾表层沉积物中氮的形态分布特征[J].热带海洋学报,2009,28(2):86-91.

[15] 国家环保总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[16] 黄郁.紫外分光光度法测定水中硝酸盐氮[J].甘肃环境研究与监测,1998,11(3):19-20.

[17] MÜLLER P J. CN ratios in Pacific deep-sea sediments: Effect of inorganic ammonium and organic nitrogen compounds sorbed by clays[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1977, 41(6): 765-776.

[18] LEE C,WAKEHAM S G, HEDGES J I. Composition and flux of particulate amino acids and chloropigments in equatorial Pacific seawater and sediments[J].Deep-Sea Res,2000,47(8):1535-1568.

[19] 钟玲玲.关于土壤中氮素转化规律的研究[J].北方环境,2002,3:50-53.

[20] 王禄仕,柴蓓蓓,刘虹.水源水库沉积物中氮的形态分布特征研究[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版,2010,42(5):734-740.

[21] 张彬,陈猷鹏,方芳,等.三峡库区淹没消落区土壤氮素形态及分布特征[J].环境科学学报,32(5):1126-1133.