土壤供氮能力研究方法综述

河南省土壤肥料站　邢永航

土壤供氮能力研究方法综述

河南省土壤肥料站邢永航

在土壤中，氮以有机、无机等多种形态存在，他们之间的相互转化速率控制着各自在土壤中的含量。土壤中氮的转化速率有总转化速率与净转化速率两种。在自然条件下，土壤中某一形态氮净转化速率是控制其转化的多个总转化速率相互综合作用的结果。

针对两种转化速率，分别产生了以研究土壤氮素净转化速率为主和以研究土壤总转化速率为主的两套方法，主要包括化学方法、室内培养法和田间原位测定法3种，以及与之相关的模型的应用，现将常用的研究方法综述如下：

一、土壤氮素净转化速率的研究方法

目前，土壤氮素净转化速率的研究采用较多的方法有室内矿化培养法与田间原位测定法两种。

根据培养条件的不同，室内矿化培养法又可分为淹水培养法与好气培养法两种。Stanford 的间歇淋洗好气培养法应用最为广泛，同时其也可以用于连续培养。淹水密闭培养由Waring 和Bremner（1964）最早提出，培养温度为40℃，培养过程中不考虑水分和通气状况，培养结束时仅测定铵态氮，可以采用连续培养和间歇淋洗两种方式进行。

通气培养有利于硝化细菌活动，又抑制了反硝化细菌活动，矿化的最终产物硝态氮能够累积起来，其数量占矿化氮的98%～100%（李良谟，1984）；淹水条件培养抑制了硝化细菌活动，但有利于有机氮的氨化，矿化最终产物铵态氮占矿质氮的95%～100%（李良谟，1984）。室内培养所得实验数据可以采用Standford （1972）提出的一阶动力学模型对实验数据进行拟合，得出土壤氮素矿化势（N0）和矿化速率常数（k）。

温度、水分等条件在室内培养时不仅可控，而且能保持一致，田间土壤异质性对矿化的影响得到有效避免，在应用时较为方便，但室内培养条件与田间的各种气候因子相差很大，因此，室内培养的结果在应用于大田时应加以校正。

由于室内培养的条件与田间有较大的差异，造成其对田间氮素矿化量的估算准确度较低。因此，进行氮素矿化的原位测定是非常有必要的。所采用的方法有乙炔密闭培养法（Hatch et al.， 1990）和RCT法（Bhogal et al.， 1999）。乙炔是硝化抑制剂，培养容器中的乙炔可减少硝化和反硝化引起的氮素损失。RCT法主要是利用阴离子交换树脂吸附原状土柱向下淋洗的硝态氮。

二、土壤氮素总转化速率的研究方法

土壤氮素的矿化和固定土壤氮素循环研究中核心的问题，净转化速率是各个总转化速率综合作用的结果，与氮素净转化相比，总转化更能深刻揭示土壤氮循环的过程，因此，很早科学家就已经采用不同的方法开展对各种土壤氮素总转化速率的研究。

在土壤氮素总转化的量化研究方面，15N同位素稀释技术应用最广泛（Stark，2000）。应用时标记铵态氮库或硝态氮库，或采用双标记法，即同时标记铵态氮库和硝态氮库。该方法的基本原理为：15N富集库丰度的下降仅由15N丰度较低的氮库转化引起。利用测定矿质氮（硝态氮和铵态氮）数据和其丰度数据，采用数值计算或模型的方法可以求得土壤氮素的总转化速率。

Kirkham和Bartholomew （1954）两位科学家在土壤氮素总转化速率的研究方面进行了开创性的工作。最初研究时只考虑两个氮库，即1个无机氮库和1个矿质氮库。在第1篇论文中，他们做了3个假定：（a）14N和15N在土壤中有同等被利用的几率；（b）微生物固定后的氮素不会发生在矿化；（c）氮素矿化速率遵循零阶动力学方程。在第2篇论文 中（Kirkham and Bartholomew，1955）去掉了后两个假设。

Kirkham和Bartholomew （1954）用于计算土壤氮素总转化速率的公式如下：

其中，m：总矿化速率（mg N kg-1d-1），CA：消耗速率，t：时间（天数），APE0：t=0时的15N的丰度（%）。APEt：t=t时的15N丰度。时的 浓 度，时 的总的浓度。计算总硝化速率时把公式中的换为即可。的总固定速率通过总消耗速率（CA）减去总硝化速率（n）获得，假设氨挥发为零。在50%的 WFPS（Water Filled Pore Space）时通过反硝化作用损失忽略不计（Linn and Doran， 1984），硝态氮的总固定速率等于其消耗速率。

Kirkham和Bartholomew （1954）对于土壤氮素总转化速率的计算采用的是解析的方法，随着分析技术和计算机发展，土壤基于同位素稀释技术的氮素转化的概念模型有了很大的发展。模型所考虑的氮库和氮转化过程逐渐增多，用解析的方法（Analytical solution）已经不能计算模型中同时出现的氮转化过程的速率。因此，采用数值方法（numerical solution）计算土壤氮转化速率的15N示踪模型的开发尤为重要（Müller et al.， 2003）。这些模型包含有一系列采用数值方法（如：龙格-库塔法：Runge-Kutta methods）计算的微分方程。模型中各个氮转化速率计算通常采用 Marquard algorithm（MA）方法通过一次的优化得出。这样模型 有FLUZA模 型（Mary et al.， 1998），Müller等（2004）的15N示踪模型和Müller（2011）15N示踪模型等。本文简要介绍Müller等（2004）的15N示踪模型。模型结构如图1所示。将培养实验所得数据输入模型，经过拟合即可得出土壤氮素的总转化速率。

该模型考虑5个氮库和10个总转化过程。5个氮库分别为易分解有机氮库（Nlab）、耐分解有机氮库（Nrec）、铵态氮库、硝态氮和铵态氮吸附库。10个转化过程分别为易分解有机氮库向铵态氮库的矿化过程（MNlab）、耐分解有机氮库向铵态氮库矿化过程（MNrec）、铵态氮吸附库向铵态氮库释放铵离子过程（RNH4a）、硝态氮异化还原为铵离子的过程（DNO3或DNRA）、铵态氮库向易分解有机氮库的固定过程（INH4-Nlab），铵态氮库向耐分解有机氮库的固定过程（INH4-Nrec）、铵态氮库向铵态氮吸附库的吸附过程（ANH4）、铵态氮库向硝态氮库的氧化过程（ONH4）、耐分解有机氮库向硝态氮库的氧化过程（ONrec）、硝态氮库向耐分解有机氮库的固定过程（INO3）。若在培养土壤时栽种植物，模型需要添加植物对硝态氮吸收速率（UNO3）和铵态氮（UNH4）的吸收速率（Inselsbacher et al.，2013）。模型结构如图2所示。

三、采用同位素稀释法测定土壤氮素总矿化的三个假设

15N同位素稀释技术是定量研究土壤氮素总转化过程的最有效手段（Stark，2000）。同位素标记不仅可以用于研究土壤氮素，还可以用来研究土壤磷、硫等营养元素在土壤中的行为特征。在应用时其基于以下三个假定：

（一）微生物对14N和15N利用不存在歧视效应（isotopic discrimination）

在自然丰度条件下，研究已经发现微生物对氮同位素的利用会产生歧视效应（Cheng et al.， 1964；Heaton， 1986 ）。但是，在同位素高于自然丰度和培养时间较短时，歧视效应引起的误差可以忽略不计（Davidson et al.， 1991）。Wessel &Tietema（1992）建议土壤中15N的丰度应该是自然丰度的好几倍。如果整个培养期间15N的丰度稀释较大，可以降低由歧视效应引起的误差。

（二）添加到土壤中的同位素在土壤中均匀分布，然而完全做到均匀分布实际上是不可能的

Davidson等（1991）计算得出，若15N的分布达不到微生物矿化位点的70%，可引起大约10%的误差。Monaghan（1995）研究认为，若15N在土壤中分布不均匀，氮的消耗速率等于或大于氮的产生速率（即：矿化速率和消化速率）时所引起的误差将更大。

（三）添加的标记氮与土壤本体氮在短时间内达到平衡是不可能的

添加到土壤中的15N与土壤本体氮处于同样的化学状态和位置，随后培养期间，土壤中发生的各个过程（如：扩散、固定、气体损失、硝化）等效的影响添加的标记氮和土壤本体氮。鉴于土壤的异质性和微生物在土壤中分布的异质性，添加的标记氮与土壤本体氮在短时间内达到平衡是不可能的。只有二者达到平衡后，15N标记的硝态氮或铵态氮才会同土壤本体氮以同样的比例被利用。Barraclough（1995）认为避免标记氮和本体氮的选择性吸收是同位素稀释技术最棘手的问题。

图1　分析氮总转化速率的15N示踪模型

图2　Inselsbacher et al. 15N示踪模型