水分含量对黑土和棕钙土有机氮矿化作用的影响

辛亮 王文章 范锐锋

摘 要 为探究土壤水分对不同类型土壤有机氮矿化作用的影响，以东北地区黑土和西北地区棕钙土为研究对象，通过15 d的短期室内恒温（30 ℃）培养，分析了两种土壤在不同含水量（60%和100%田间持水量）条件下，土壤有机氮矿化特征。结果表明，随着培养的进行，各土样有机氮矿化累积量逐渐增加，有机氮矿化速率逐渐降低。土壤类型从一定程度上对土壤有机氮矿化影响显著，100%田间持水量条件下，黑土有机氮矿化累积量和平均矿化速率分别是棕钙土的1.84倍和1.95倍（P<0.05）;60%田间持水量条件下，分别为棕钙土的1.89倍和1.95倍（P<0.05）。水分同样影响着土壤有机氮矿化，与60%田间持水量相比，100%田间持水量条件下黑土和棕钙土有机氮矿化累积量分别提高36.69%和40.70%（P<0.05），平均矿化速率分别提高37.97%和38.27%（P<0.05）。黑土有机氮矿化作用较强，同时含水量增加会促进有机氮矿化，增加土壤有机氮累积矿化量。因此，建议在实际农业生产中综合考虑土壤类型与水分条件对土壤有机氮矿化过程的影响。

关键词 土壤水分含量;黑土;棕钙土;有机氮矿化

中图分类号：S153.6 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.13.037

土壤有机氮矿化是众多氮素转化过程中的一种，决定着农田土壤肥力，影响着农田生态系统的功能和生产力水平[1]。土壤中90%以上的氮素为有机氮，只有经过微生物的矿化作用将其转化为无机态氮，作物才能吸收利用。因此，在作物生长发育过程中，有机氮向无机氮转化的有效性发挥着极为重要的作用[2]。所以，探究土壤有机氮矿化规律有利于准确评估农田土壤氮素有效性，可为氮素转化过程的深入研究提供理论依据。

有机氮矿化受到土壤温度[3]、土壤水分含量[4]、土壤理化性质[5]、土壤类型[6]及施肥管理[7]等诸多因素的影响。水分作为决定土壤有机氮矿化过程重要的环境因素之一，已有不少学者研究了土壤水分含量对有机氮矿化作用的影响[8]。土壤水分的有效性及孔隙状况，可以直接或者间接影响微生物的数量和活性，进一步影响土壤有机氮矿化作用[9]。土壤含水量的变化不但可以影响氮素的有效性，还可以影响氮矿化速率和氮矿化潜力[10]。笔者通过采集不同类型土壤，利用室内通气培养方法，重点探讨土壤水分（60%田间持水量和100%田間持水量）、土壤类型（黑土、棕钙土）对土壤有机氮矿化的影响，为深入研究土壤氮矿化机制、影响因素和指导田间氮肥养分管理提供理论和实验依据。

1  材料与方法

1.1  供试土壤

选取黑土和棕钙土作为供试土壤，其中黑土采自黑龙江省哈尔滨市，棕钙土采自新疆库尔勒市。田间取样时均按S形线路布点，采取深度0～20 cm的混合土样，带回实验室后剔除各种杂物并充分混合，然后磨细过2 mm筛。

1.2  试验设计

称取20.00 g新鲜土样，装入100 mL的蓝色玻璃培养瓶中;加入纯水调节土壤含水量至100%田间持水量（100%WFPS）和60%田间持水量（60%WFPS），共计4种处理，见表1。每个处理设置12个重复，共计48瓶。试验过程中，将所有培养瓶口套上保鲜膜，避免土壤水分快速蒸发。为了保证通气和减少水分损失，用牙签扎若干小孔，然后放到培养箱中，调节温度至30 ℃，恒温避光培养，培养期间使用称重法定期补水。在培育的第0 d、3 d、7 d、14 d，每个处理取3个测试样，取出后迅速用液氮冷冻并保存于-80 ℃冰箱中。培养结束后，在实验室统一测定土样中铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）浓度。

1.3  测定指标与分析方法

培养结束后，立即用全自动间断化学分析仪测定土壤中NH4+-N和NO3--N的含量。使用Microsoft Excel 2016处理数据并制图。

土壤有机氮矿化相关指标计算公式如下：

N=m（NO3--N）+ m（NH4+-N）  （1）

（1）式中：N为土壤矿质氮含量，单位为mg·kg-1;[mNO-3-N]为土壤硝态氮含量，单位为mg·kg-1;[mNH+4-N]为土壤铵态氮含量，单位为mg·kg-1。

Nt=N后-N前 （2）

（2）式中：Nt为培养时间t内土壤有机氮累积矿化量，单位为mg·kg-1;N后为培养后矿质氮含量，单位为mg·kg-1;N前为培养前矿质氮含量，单位为mg·kg-1。

V= Nt /t   （3）

（3）式中：V为培养时间t内土壤平均矿化速率，单位为mg·kg-1·d-1;Nt为培养时间t内土壤有机氮累积矿化量，单位为mg·kg-1;t为培养时间，单位为d。

2  结果与分析

2.1  土壤有机氮矿化累积曲线

相同培养条件下，不同土壤类型、不同土壤含水量土壤有机氮矿化累积量曲线见图1。总体上，不同土样有机氮矿化累积量呈现相似的变化规律，即均随着培养时间延长逐渐增加。在培养期间（3 d、7 d），不同土样有机氮矿化累积量差异显著（P<0.05）;培养结束时，4种不同土样有机氮矿化累积量分别为26.45 mg·kg-1（B1）、19.35 mg·kg-1（B2）、14.38 mg·kg-1（X1）、10.22 mg·kg-1（X2）。培养结束时，相同含水量条件下，黑土有机氮矿化累积量显著高于棕钙土（P<0.05，B1土样是X1土样的1.84倍，B2土样是X2土样的1.89倍）;土壤类型相同时，100%田间持水量条件下有机氮矿化累积量显著高于60%田间持水量条件（P<0.05，B1土样比B2土样高36.69%，X1土样比X2土样高40.70%）。由此可见，黑土、100%田间持水量条件比棕钙土、60%田间持水量条件更有利于有机氮矿化。

2.2  土壤有机氮矿化速率

根据总的矿化趋势和有机氮矿化累积量变化特征，可将整个矿化过程分为3个阶段：0～3 d、3～7 d、7～14 d。由图2可知，不同土样间有机氮矿化速率差异较大，且达到显著水平（P<0.05）。总体上，4个土样有机氮矿化趋势均表现为初始矿化速率高，矿化累积量增加较快（0～3 d），后期矿化变得较为平缓（3～7 d、7～14 d）。整个培养期间，4种不同土样有机氮矿化平均速率大小表现为B1>B2>X1>X2。

总的来看，相同含水量条件下，黑土平均矿化速率显著高于棕钙土（P<0.05，B1土样平均矿化速率是X1土样的1.95倍，B2土样平均矿化速率是X2土样的1.95倍）;土壤类型相同时，100%田间持水量条件下有机氮矿化速率显著高于60%田间持水量条件（P<0.05，B1土样比B2土样高出37.97%，X1土样比X2土样高出38.27%）。

3  结论与小结

培养前期（0～3 d），各土样有机氮矿化作用在整个培养过程中较强，累积矿化量、矿化速率均最大，这是因为本试验所用土壤加水后，土壤环境得到改善，微生物大量繁殖增长，矿化速率得到明显提高[11]。3 d以后，土壤有机氮矿化累积量增加幅度减小，矿化速率降低，这是因为连续培养期间没有及时移走生成物，使得矿化的铵态氮不断累积，累积的铵态氮既可以影响酶促反应，又是微生物的分解产物，其达到一定浓度后，就会抑制氨氧化微生物的活动[12]。

水分条件可以改变土壤孔隙状况，通过影响通气环境进一步影响微生物，进而影响土壤有机氮矿化作用[13]。在本试验设计的两个水分梯度中，无论是黑土还是棕钙土，100%田间持水量（100%WFPS）條件都比60%田间持水量（60%WFPS）更有利于土壤有机氮矿化。但是，王士超等研究表明，随着含水率的升高，土壤累积矿化氮量逐渐增加;当含水量达到100%WFPS时，有机氮累积矿化量呈现降低趋势，80%WFPS处理下土壤有机氮矿化累积量显著高于60%WFPS和100%WFPS处理[14]。此外，赵琦齐等、王常慧等的研究与本研究结果也不同[15-16]。郑欠等研究表明，当含水量超过一定范围时，孔隙减小，土壤厌氧微生物作用增强，促进土壤反硝化作用，使得无机氮以气体形式损失[17]。出现不同的结果，可能与本研究使用土壤样品本身的理化性质有关。另外，虽然本试验结果表明两种土壤在100%WFPS时的有机氮矿化作用均强于60%WFPS条件，但该结果不能反映出100%WFPS是土壤有机氮矿化的最佳水分条件，最佳含水量也有可能出现在60%WFPS和100%WFPS之间的某一水分梯度。

相同水热条件下，两种类型土壤有机氮矿化累积量、矿化速率不尽相同，不同水分条件下均表现为黑土有机氮矿化累积量和矿化速率较大，这是因为试验选用的两种土壤有机质含量不同。与西北棕钙土相比，水气更加协调的东北黑土结构更好，有机质含量较高，可矿化的有机氮较为丰富，微生物活性较高，从而进一步促进土壤氮素矿化[18]。

综上，在室内恒温（30 ℃）短期培养下，东北黑土和西北棕钙土培养前期土壤有机氮矿化累积量和矿化速率较高，后期土壤有机氮累积矿化量增加幅度变缓，矿化速率下降。土壤类型从一定程度上对土壤有机氮矿化具有显著影响，黑土有机氮矿化作用明显强于棕钙土。土壤水分含量由田间持水量的60%增加到100%，土壤有机氮矿化累积量和矿化速率均呈增加趋势。在实际农业生产中，应合理对农田进行灌水，控制土壤含水量，避免水分不足或者灌水过多影响土壤氮素矿化。

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收稿日期：2022-03-19

作者简介：辛亮（1983—），男，黑龙江东宁人，硕士，工程师，主要从事养分和污染物在环境中的迁移转化检测。E-mail：borunjiance@126.com。