5种前期水分处理下黑土氮素矿化及硝化反硝化率的变化

王婷,王连峰

(大连交通大学 环境与化学工程学院，辽宁 大连 116028)*

5种前期水分处理下黑土氮素矿化及硝化反硝化率的变化

王婷,王连峰

(大连交通大学 环境与化学工程学院，辽宁 大连 116028)*

室内培育实验研究5种不同水分前处理下的黑土(风干土D、保鲜土O、低水分土W1、高水分土W2、淹水土S)，在4种不同含水量条件下的矿化率、硝化率及反硝化率变化.结果显示，5种前处理下黑土氮素矿化率、硝化率及反硝化率分别在土壤水含量为60%WHC、80%WHC和100%WHC时差异明显.虽然在4种不同水分含量下，经5种不同水分前处理的土壤矿化率差异不显著，硝化率及反硝化率差异较为显著.硝化率表现为W1>O>W2>S>D，反硝化率与硝化率的表现截然相反.这表明，土壤水分历史对硝化反硝化有影响，而对矿化作用的影响不大，水分前处理影响土壤氮素转化.

黑土；前期水分；矿化率；硝化率；反硝化率

0 引言

黑土作为肥沃的高产土壤，是我国主要的土壤资源，东北黑土区作为世界上仅有的三大黑土区之一，是我国商品粮和畜产品的生产基地[1].黑土区农业属雨养农业，绝大多数黑土区农田水利灌溉措施不到位，基本上是靠天吃饭，降水量的多少决定了黑土水分状况.而在生产实践中，由于水分管理模式的多样性[2]，不同水分管理模式也会造成土壤水分历史状况的不同.目前，有关土壤水分因子对土壤氮素转化的研究主要集中在不同水分含量的效应，而对水分含量的研究，通常只考虑了监测时的土壤水分状况，并未考虑自然原因以及管理方式会造成土壤水分历史状况的不同，从而造成了监测的误差，故应考虑土壤历史水分状况.通过设置经5种不同水分前处理的土壤，在4种不同土壤水含量的条件下，研究其矿化率、硝化率即反硝化率的差异，可为建立黑土氮素转化的合理评价并对农田养分管理和环境保护提供依据.

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采于黑龙江省农业科学院黑土肥力长期定位监测试验基地(农业部哈尔滨黑土生态环境重点野外科学观测试验站).成土母质为洪积黄土状粘土，气候属中温带大陆性季风气候，其年平均气温3.5℃、降雨量533 mm，无霜期135天.样品均采用的是每个小区中间位置随机5点0～20 cm的耕层土壤，土样采回后，采用常规方法处理，测定土壤理化性质,见表1.

表1 供试黑土主要理化性质

1.2 处理方法

将采集回并除去人眼可见的植物残体和石子后的新鲜黑土分成5大份.它们分别为：放置4℃冰箱保鲜保存的新鲜黑土(保鲜土O)、经风干后保存的新鲜黑土(风干土D)、浸在去离子水中并使用保鲜膜密封防止水分蒸发的新鲜黑土(淹水土S)、将水分含量调至40%WHC并使用保鲜膜密封防止水分蒸发(低水分土W1)以及将水分含量调至80%WHC并使用保鲜膜密封防止水分蒸发的新鲜黑土(高水分土W2).将以上5份新鲜黑土经过一个生长季处理后，将处理后的土样快速风干，研磨过筛备用.

1.3 测定方法

1.4 数据处理

使用Excel软件进行数据处理，并使用Origin8.0进行绘图.

2 结果与讨论

2.1 5种水分前处理对黑土氮素矿化的影响

土壤氮素矿化是微生物驱动的生物化学过程，氮素的矿化量是土壤有机氮含量、时间、生物分解性以及水热条件等的函数[5].5种不同水分前处理后的土样在四种不同水分含量下培育一周后矿化率的变化如图1所示.土壤水含量为40%WHC与100%WHC时，5种前处理土样的矿化率没有明显差异.在土壤水含量为80%WHC时，高水分土W2矿化率明显低于其余四种处理土样，矿化率为4.72%.对不同前处理矿化率响应最明显的为土壤水含量为60%WHC，特别是保鲜土O，矿化率达到10.4%.有研究表明，旱地土壤矿化作用进行的最佳水分范围在40%～70%WHC[7]，从图1中可以看出5种水分前处理的矿化率都在40%～60%WHC时达到最大值.对比图1中(a),(b),(c),(d)可以发现，在土壤水分含量为60%WHC时，5种前处理的矿化率差异明显.虽然在四种不同水分含量下，经5种不同水分前处理的土壤矿化率略有差异，但差异并不显著.

图1 5种土样在四个不同水分含量下土壤矿化率的变化

2.2 5种前处理对黑土氮素硝化作用的影响

图2表示了经5种不同水分前处理后的土样在四种不同水分含量下培育一周后硝化率的变化.经5种不同水分前处理的土样间的硝化活性差异很大，且不论哪种土样，其硝化率与土壤水分含量均呈现负相关关系，主要是由于水分含量在40%～60%WHC时，更利于土壤微生物的活动，而高水分条件则限制降低了硝化微生物的活性.研究发现，土壤进行硝化作用主要发生在土壤水含量为60%WHC时，当低于30%WHC或高于70%WHC时硝化作用明显下降[8].对比图2(a),(b),(c),(d)可以发现，随着土壤水分含量的变化，不同前处理土样的土硝化率差异比较明显，尤以80%WHC时差异最为显著.5种土样的平均硝化率大小表现为W1土样>O土样>W2土样>S土样>D土样.其中，W1土样的硝化作用都是最强的，硝化率维持在66.5%～79.8%之间，其次为保鲜土土样O，硝化率范围为37.8%～67.5%.平均硝化强度最弱的为S土样，在土壤水含量为100%WHC时，其硝化率仅有2.56%.风干过程经常会引起土壤理化性质的改变，土壤硝化作用对干土效应的响应因其利用方式而异，而影响硝化作用最主要的原因是风干过程中土壤水分的丢失导致了部分灭菌作用[9].Allison等[10]研究指出，硝化细菌能够在干土中存活3个月以上，但恢复其活性至少需要培养10周以上.D土样由于长期处于风干状态下，使得土壤中大量的有机物矿化以及硝化细菌的死亡，进而导致土壤中铵态氮含量的增加，抑制了硝化作用，降低了其土壤硝化率.对比其与除淹水土以外的其余土样，在四种即时水分条件下，其硝化作用都相对较弱.温度也是影响硝化作用的重要因素之一.王帘里[11]等研究表明，在一定温度范围内，土壤硝化率随培养温度的升高呈上升趋势. 由于保鲜土土样在放入冰箱保存时的土壤水含量也为40%WHC，与40%WHC

图2 5种土样在四个不同水分含量下土壤硝化率的变化

土样的水分前处理时的土壤含水量一致，但是40%WHC土样的硝化率明显大于保鲜土样，说明在同一水分份含量前处理条件下，温度对土壤硝化强度有一定影响.

2.3 5种水分前处理对黑土氮素反硝化作用的影响

土壤反硝化作用是指土壤中硝酸盐在反硝化微生物的作用下的还原过程.5种土样在四种不同水分含量下培育一周后土壤反硝化率的变化见图3，土壤水含量为40%WHC时，保鲜土的反硝化强度最大，反硝化率为4.36%；W1土样的反硝化强度最小，为负值，说明此时硝态氮的浓度较低，不足以供给反硝化菌原料用来进行反硝化作用，对比图2即可看出，在土壤水分含量为60%WHC时，只有W2土样的反硝化率有略微的下降，其他4种处理土样的反硝化率均有所提高，其中W1土样的反硝化率提高了13.8%.而当土壤水分含量上升至80%～100%WHC时，所有处理的反硝化率较之前都有了大幅度提高，从图3(d)中可以看出水含量为100%WHC时，经5种不同处理的土样反硝化率都达到了峰值.与此同时，对比图3中(a),(b),(c),(d)可以发现，反硝化率在土壤水含量为100%WHC时差异最为显著.反硝化作用是在嫌气条件下进行的微生物学过程，造成土壤嫌气环境的条件之一便是土壤水分状况.Susana等[12]通过研究地中海河岸森林土壤反硝化

图3 5种土样在四个不同水分含量下土壤反硝化率的变化

作用时发现，整个土壤剖面反硝化作用强度与土壤水分呈极显著的正相关.从图中可以看出5种水分前处理的土样都随土壤水含量的增加保持上升趋势，但由于土壤水分历史的不同，5种土样的反硝化强度也存在显著的差异.5种土样的平均反硝化率大小表现为D土样>S土样>W2土样>O土样>W1土样，与其硝化率的表现截然相反.说明随着水分前处理中土壤含水量的增加，土壤在相同的即时水分条件下硝化率逐渐降低，反硝化率逐渐升高.

3 结论

土壤水分历史的差异可能导致其矿化、硝化、反硝化作用对水分条件的响应不同.不同水分前处理下的黑土，矿化率、硝化率及反硝化率差异与土壤含水量多少有关.对比5种水分前处理的土样，W1土样的硝化率及D土样的反硝化率受土壤水分历史影响明显，矿化率受水分历史的影响不显著.说明，水分历史对土壤氮素转化有一定的影响.

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[12]CLAUDIA F, SUSANNA H, KLAUS J, et al. N and O isotope fractionation in nitrate during chemolithoautotrophic denitrification by Sulfurimonas gotlandica.[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(22):13229- 13237.

Mineralization, Nitrification and Denitrification Rates in Black Soils Response to the five Antecedent Water Treatments

WANG Ting，WANG Lianfeng

(School of Environmental and Chemical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China )

A incubation experiment is conducted to investigate the black soil after five different water pretreatments (air-dried soil D, fresh soil O, low moisture soil W1, high moisture W2and flooded soil S), and the mineralization, nitrification and denitrification rates under four different instant moisture are determined. The results show that the difference of the nitrogen mineralization, nitrification and denitrification rates under the five pre-treatments is great when the soil water content is respectively. Although the difference of the mineralization rates is not significant, the changes of nitrification rate and denitrification rate are obvious under the five pre-water treatments. The performance of nitrification rate is W1>O>W2>S>D, and the rate of denitrification is opposite to the rate of nitrification. It is showed that the history of soil moisture has a strong influence on nitrification and denitrification, while the effect on mineralization is small. It is indicated that the antecedent water treatment makes a certain effect on nitrogen transformation.

black soil; antecedent water; mineralization rate; nitrification rate; denitrification rate

1673- 9590(2017)03- 0068- 04

2016-03-24

国家自然科学基金资助项目(41471245)

王婷(1991-)，女，硕士研究生；王连峰(1974-)，男，教授，博士，主要从事土壤环境学的研究E- mail:506145216@qq.com.

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