毕节烟田土壤氮素矿化动态模拟

胡玮+邸青+刘吉振+张谊模+田时炳

摘 要：通过田间和室内培养试验相结合的方式，建立植烟土壤矿化动态模型，探讨其对氮素矿化预测的效果。试验采用改进过的Stanford的间歇淋洗好气培养法，研究不同温度（10，15，20，25，30，35，30，25，20 ℃），和温度（5，15，20，25，30，35，40 ℃）与水分（风干土、7%，13%，20%，27%，33%，40%，47%，53%）交互作用下土壤氮素的矿化动态，并以此建立模型，然后采用田间试验数据对该模型进行验证。结果表明：水分和温度对土壤氮素矿化作用的影响均为非线性的响应，以此建立了组合模型N= k[（θ/θMax）]m [∑（T-T0）n ]，用该模型的预测值与田间土壤氮素矿化积累实测值进行回归分析，两个试验点的回归方程相关系数分别为0.987和0.959，说明该模型具有实用价值。

关键词：烟田土壤；氮素矿化动态；累积矿化量；模型

中图分类号：S572.06 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.03.006

Dynamic Simulation of Organic Nitrogen Mineralization in Tobacco Field Soil of Bijie

HU Wei1， DI Qing2，LIU Jizhen2， ZHANG Yimo2， TIAN Shibing2

（1.Bijie Tobacco Company of Guizhou Province， Bijie， Guizhou 551700， China； 2. Institute of Vegetable and Flower，Chongqing Academy of Agricultural Sciences， Chongqing 400055， China）

Abstract： The effect of forecasting soil nitrogen mineralization has been explored by field and laboratory test to established tobacco soil mineralization dynamic model. Intermittent leaching aerobic incubation was adopted to develop dynamic simulation models of organic nitrogen mineralization under different temperature（10，15，20，25，30，35，30，25，20 ℃）and interaction of various temperature（5，15，20，25，30，35，40 ℃）and soil water contents（air-dried soil，7%，13%，20%，27%，33%，40%，47%，53%）. Soil nitrogen mineralization in field was used to validate the simulation. The results showed that the effects of temperature and moisture on soil nitrogen mineralization are nonlinear response， and the combined model N= k[（θ/θMax）]m [∑（T-T0）n ] has been established. The mineralization is also simulated well by using the field measured data. Therefore， the soil nitrogen mineralization in fields can be forecasted well by the model.

Key words： tobacco soil； dynamic of nitrogen mineralization； cumulative mineralization； model

土壤礦化氮是烤烟生长过程中所需氮素的重要来源之一，特别是在生长后期有着左右烟叶品质形成的地位[1-2]。但是，如果土壤矿化氮量过高的话，不仅明显降低氮肥的经济效益，而且会造成严重的农业生态环境问题 [3-4]。因此，通过限定因素的试验，建立模拟土壤氮素矿化的模型，可以指导烟叶生产的管理活动，降低不合理施肥而带来的环境风险。土壤氮素矿化的模型有许多，Stanford和Smith通过对39个土壤样品在35 ℃下的长期培养，拟合了一级动力学方程，相关性良好[5]。以此为衍生，多个描述氮素矿化过程的方程被不同的研究者提出[6-8]。此外，一些研究认为，氮素矿化也可以Parabolic方程[9-10]、直线方程或双曲线方程[11]来拟合。鉴于环境对氮素矿化的重要影响，温度和水分的环境模型也得到了应用。Wu[12]利用生长季节的日积温和一阶动力学方程拟合了累积矿化氮，表明利用田间气象数据来模拟土壤氮素矿化成为可能。然而，以烟田土壤为对象，分析其氮素矿化动态的研究还不多见，本研究以我国的产烟大区—贵州毕节为例，通过田间和室内培养试验相结合的方式，建立植烟土壤矿化动态模型，探讨其对烟田土壤氮素矿化动态的预测效果。

1 材料和方法

1.1 试验时间与地点

田间培养试验于2015年4月至9月在贵州省毕节市开展，试验点分别为中海拔烟区（海拔800 m）的金沙县西洛乡阳灯村开化组和高海拔烟区（海拔1 500 m）的七星关区田坝桥试验站。室内培养试验则在重庆市农科院开展。

1.2 试验材料

试验所用土壤分别为七星关区的黄壤和金沙县的紫色土，基本理化性质见表1。

1.3 试验设计

1.3.1 田间培养试验 两个试验点均设置3个重复，分别在烟叶移栽后0，1，2，3，5，7，9，11， 13，15，17周时采集土壤样品，取样间隔时间固定为7 d。取样时选取3个重复的混合样，分成2份。一份用0.01 mol·L-1的KCl溶液浸提后用流动分析仪（SEAL-AA3）测定NO3--N和NH4+-N的含量，同时测定土壤含水量和温度；另一份装入自封袋中，从3个重复的取样位置里选取一个，埋于15 cm的土层中，用塑料软管保持自封袋与外界的空气流通。培养1周后取出自封袋，测定样品中NO3--N和NH4+-N的含量。

1.3.2 室内温度培养试验 该培养试验采用改进过的Stanford的间歇淋洗好气培养法[5]，淋洗液为100 mL0.01 mol·L-1的KCl溶液，无氮营养液为25 mL 0.002 mol·L-1的CaSO4·2H2O、0.002 mol·L-1 MgSO4、0.005 mol·L-1Ca（ H2PO4） 2、0.002 5 mol·L-1 K2SO4混合液。将两个试验点的土壤样品变温培养18周，每2周更换1次温度，温度依次为10，15，20，25，30，35，30，25，20 ℃，同时收集土壤样品淋洗液，测定样品中NO3--N和NH4+-N的含量。

1.3.3 室内温度和水分交互试验 试验设9个土壤含水量水平（风干土、7%，13%，20%，27%，33%，40%，47%，53%）与7个温度水平（ 5，15，20，25，30， 35，40 ℃）。具体步骤：称取15 g风干土（￠2 mm），放入50 mL小烧杯中，每个试验点称取9份，然后分别加入0，1，2，3，4，5，6，7，8 mL的蒸馏水， 搅拌均匀并用封口膜将烧杯口封闭，将每个样品在7个温度水平下分别培养2周，收集土壤样品淋洗液，测定样品中NO3--N和NH4+-N的含量。

1.4 数据处理

土壤有機氮矿化速率（mg·kg-1， week） = 1周的土壤氮素矿化量

土壤有机氮矿化量（mg·kg-1）=培养前土壤无机氮量（NO3--N和NH4+-N）-培养后土壤无机氮量

数据用Excel进行处理，SPSS 16.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 烟田土壤氮素矿化的温度模型

2.1.1 变温条件下烟田土壤氮素矿化动态 由图1A可见，两个试验点的土壤氮素矿化速率变化趋势基本一致，差异不显著。SI的平均矿化速率为4.67（mg·kg-1， week），KI的平均矿化速率为4.31（mg·kg-1， week）。两者的最高氮素矿化速率都出现在35 ℃时，其中SI为8.27（mg·kg-1， week），而KI为6.44（mg·kg-1， week）；10 ℃两个试验点的氮素矿化速率都为最低，SI为2.13（mg·kg-1， week），而KI为1.86（mg·kg-1， week）。随着温度的升高，两个试验点的土壤氮素矿化速率都呈现出波动上升的态势，而在达到35 ℃之后，随着温度的降低，两者的土壤氮素矿化速率都显著降低。因为温度变化，SI的最高土壤氮素矿化速率与最低时相比提高了288.16%，而KI为246.23%。但值得注意的是，即使在同一温度水平，经过不同的培养时间时，如30 ℃（第10周和14周）、25 ℃（8和16周），土壤氮素矿化速率也是不同的。

由图1B可知，两个试验点的土壤矿化氮累积量曲线上升趋势相似，不仅SI的矿化氮累积总量（42.08 mg·kg-1）高于KI（38.85 mg·kg-1），而且在培养的各个时期均高于KI，且随着时间的推移该差异逐渐拉大。在第2至第8周时，SI和KI的矿化氮累积量上升平缓，在第10至14周时迅速升高，14周以后则又趋于平缓。

2.1.2 变温条件下烟田土壤氮素矿化动态的模拟 温度影响土壤中氮素的矿化过程，主要是通过影响土壤中的微生物分解有机态氮来实现的，而微生物的分解活动由酶动力学性质决定，因此土壤氮素矿化动态遵循一级动力学模式，用指数模型描述矿化过程是可行的。本研究采用one-pool 模型[5] 、logistic 曲线[13] 、有效积温模型[12]3种土壤矿化模拟常用的模型来拟合不同温度条件下的土壤氮素矿化试验数据。3种模型分别为：

N =N0[1-exp（-k1t）] （1）

式中，N为累积矿化量，N0矿化势，k1为一级反应速率，t为时间。

N= （2）

式中，N为累积矿化量，a和b均为常数。

N =k[∑[T-T0]n （3）

式中，T为基点温度，T0为瞬时温度，n为参数。

图2A为SI的3种模型拟合结果，图2B为KI的3种模型拟合结果。两个试验点的模型拟合结果是一致的，都为有效积温模型（TAM）拟合效果最好。其中SI的TAM拟合R2=0.995，残差=87.3，LOM拟合R2=0.982，残差=225.9，效果最差的OPM拟合R2=0.963，残差=471.2；KI的TAM拟合R2=0.991，残差=102.3，LOM拟合R2=0.977，残差=335.1，OPM拟合R2=0.958，残差=622.4。因此，对于该实验所涉及的范围内来说，温度影响下的土壤氮素矿化动态过程最好采用有效积温模型进行描述。

2.2 烟田土壤氮素矿化的温度与水分交互模型

水分在土壤氮素矿化过程中发挥着重要的作用，预测土壤氮素矿化动态时必须将水分的影响考虑进来。Myers[14]通过研究土壤氮素矿化与水分含量之间的关系，建立了土壤氮素矿化的水分效应方程：f（θ）=（θ-θ0 ）/（θMax-θ0） （θ0为土水势4.0 MPa时的土壤含水量， θMAX为最大氮矿化时的土壤含水量）。由于本试验涉及到水分与温度的交互作用，因此将该水分效应方程略作改动，即

f（θ）=k[（θ/θMax）]n （4）

式中，θ为土壤含水量，k为常数，n为参数。

利用方程（4）拟合培养试验数据，同时进行回归分析，结果如图3。由图3可知，观测值与模拟值之间显著相关（R2=0.982）。因此，该改良后的水分效应方程可以描述水分温度交互作用中水分对土壤氮素矿化过程的影响。同时，由图4可知，土壤含水量对土壤氮素矿化速率的影响并非线性关系，在土壤含水率0～40%时，随着土壤含水率上升，土壤氮素矿化速率逐渐升高，而在超过40%后，土壤氮素矿化速率呈下降趋势；而温度对土壤氮素矿化速率的影响与前一节研究结果基本一致。

2.3 烟田土壤氮素矿化动态模型的构建

通过交互作用显著性检验发现，温度和水分这两个因素之间交互作用显著，说明温度和水分对土壤氮素矿化速率的影响并不是简单地加和，而是存在交互作用。基于土壤氮素矿化与温度和水分之间的关系，本研究采用方程（3）和（4）的组合函数来模拟田间条件下土壤氮素矿化动态：

N=k[（θ/θMax）]m [∑[（T-T0）]n ] （5）

式中，k、m、n均为常数，θ为土壤含水量，θMax为最大氮矿化时的土壤含水量，T为基点温度，T0为瞬时温度。

2.4 烟田土壤氮素矿化模型验证

2.4.1 烟草生育期内土壤矿化氮素积累动态及影响因子 由表2可见，烟草生长期内温度和土壤水分含量在不断地变化，使得土壤氮素矿化量也在不断变化（图5）。在4月底至5月初，土壤氮素矿化量较低，甚至在5月中旬出现了净固持。6月初以后，两个试验点的土壤氮素矿化量变化趋势出现了差异，SO的土壤氮素矿化量逐渐升高，7月中旬时达到最高值后迅速回落至净固持；KO的土壤氮素矿化量则在6月初达到最高值后曲折下降至净固持。同时，由图5可以看出，SO的土壤矿化氮净积累量高于KO，这可能是由于2个试验点有机质含量差异所引起的。

2.4.2 模型参数的确定 根据室内温度培养试验、室内温度和水分交互试验的结果，可以確定θMax=40%，而从田间培养试验与室内培养试验的数据比较中可知，要达到氮素净矿化的有效温度，田间土壤氮素矿化所需的温度更高， 15 ℃为产生净矿化氮的基点温度，因此，可以确定T0=15 ℃，T为田间原位培养的日平均温度。同时，根据图6的拟合结果确定了m、n值可分别取0.1和0.5，k值可通过土壤有机质含量进行确定。

2.4.3 模型验证 利用方程（5）拟合七星关和金沙2个试验点田间原位培养试验的各项数据，结果如图6。由图6可以看出，两个试验点的氮素累积矿化量实测值与模拟值具有较好的相关性，回归分析结果均显著相关，其中S的回归方程相关系数为0.987，而K的回归方程相关系数为0.959，拟合效果很好。值得注意的是，在描述土壤氮素矿化速率中，模拟值与实测值的相关性并不好，这是因为土壤氮素矿化速率在田间试验的实测值中有负值，而方程（5）的拟合结果均为正值，不能反映土壤矿化氮的净固持作用。

3 结论与讨论

我国植烟土壤矿化势平均为130.6 mg·kg-1， 0～30 cm表层土壤累积潜在供氮量达到了470.2 kg·hm-2，是我国烟草推荐施氮量（90 kg·hm-2）的5倍，这说明土壤潜在供氮能力较高，这也是烟草后期供氮过量的主要原因。通过分析相关影响因素预测土壤氮素矿化过程对于烟草施肥和种植区划有着重要的意义。本研究发现变温条件下土壤氮素矿化速率随温度改变呈波动式变化，温度的升高有利于土壤氮素的矿化，但该效应在其他因素的影响下亦有可能被抵消。Sierra[15]的研究显示，较大的日温度变化能对氮素矿化产生影响，但在日温差较小的情况下也可以利用日均温度计算氮素矿化量。本文即应用了该研究结果，使用日均温度作为田间矿化模拟参数，而田间日温度变化对土壤氮素矿化的影响还有待于进一步研究。

土壤矿化氮累积过程符合一级动力学方程的要求，本研究通过对3种模型拟合程度的比较发现，在不同温度条件下有效积温模型对土壤矿化氮累积的拟合效果最好。Wu[12]通过一级动力学模型描述了土壤累积矿化氮与有效积温的关系，Dharmakeerthi[16]也报道了累积矿化氮与有效积温的非线性关系。但在描述土壤累积矿化氮与有效积温的关系时， 不同研究采用的模型有所不同， 这与试验田的环境条件和土壤类型有关。

本研究利用室内温度与水分交互培养试验发现，水分和温度对土壤氮素矿化作用的影响均为非线性的响应，并建立了组合模型：N= k[（θ/θMax）]m [∑（T-T0）n ]，同时利用培养试验的数据计算出了模型的相关参数。这与相关的研究结果接近，但采用的函数和参数有所不同。用该模型的预测值与田间土壤氮素矿化积累实测值进行回归分析，两个点的回归方程相关系数分别为0.987和0.959，说明该模型的拟合效果较好。尽管模型预测矿化量与实际矿化量存在着一定的偏差，但模型在烟草种植以前能对矿化量予以估计，并有效指导氮肥用量和种植规划，从这个意义上说，模型预测作用仍是不可低估的。

最新的一些研究表明，土壤氮素矿化具有很强的空间变异性，这些变异可能因不同的有机氮库和水热条件而不同，即通过对可矿化氮库的大小、质量以及环境因子的改变来影响氮矿化。本研究中，模型评估仅在有限的试验点进行，对空间变异性的考虑都有待于下一步的研究。

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