焦亚青

摘要：为研究无机氮在不同条件下的时空变化情况，以土壤类型、植物群落和土地利用方式为条件，研究了不同情况下的铵态氮、硝态氮时空变化情况。研究发现，受有机质含量、含水量、温度以及pH的影响，土壤的理化性质和生物活性得到明显改善，使无机氮在土壤中出现明显的时空差异。近年来，有学者用15N同位素稀释法、室内模拟研究以及冻融模拟实验等方法对无机氮进行研究，但是仍具有局限性。

关键词：土壤;铵态氮;硝态氮;影响因素

氮素主要包括有机氮和无机氮，而有机氮素占全氮的90%以上，无机氮素仅占5%以下，但是土壤供给植物的主要物质还是无机氮。有机氮不能直接被植物吸收，必须在微生物的矿化作用[1]下形成无机氮，才能被植物吸收利用。之后通过反硝化作用产生温室气体氧化亚氮（N2O）逸散到大气中，对陆地生态系统和全球气候产生影响。矿化作用是一个极其复杂的过程，土壤中的有机氮素（如蛋白质等）在土壤微生物（如真菌）的作用下，以碳素为能量源，逐渐裂解成简单的氨基化合物，之后土壤中分解的氨转化为铵离子，大部分铵离子在硝化作用下氧化成硝酸盐，这是生态系统氮循环中非常重要的环节[2]。随着科学研究的深入和技术的进步，铵态氮和硝态氮的研究也成为当前土壤学研究的重点[3]。就土壤本身而言，由于土壤的物理化学特征不同、有机质以及微生物分布不同，导致氮素转化出现空間变异，使无机氮在土壤中出现空间差异，并且研究发现，铵态氮和硝态氮在一定条件下可以相互转换，在土壤氧气充足的情况下，铵态氮易转化为硝态氮，在土壤厌氧条件下，硝态氮易转化为铵态氮，铵态氮有利于植物生长发育，而硝态氮极易淋失，污染环境[4]。因此，研究铵态氮和硝态氮在不同条件下的时空变化情况，对农业生产和环境保护都有极其重要的意义。

1 铵态氮、硝态氮在不同条件下的时空变化

1.1铵态氮、硝态氮与土壤类型的关系

土壤类型是在土壤发生过程的基础上将不同的土壤进行分类以及命名，其概括了不同土壤类型的成土过程及其典型特征。由于不同土壤的物理成分以及物理化学特征不同，导致铵态氮、硝态氮在不同的土壤中发生不一样的时空变化[5]。李荣等[6]对沙地土壤进行研究，发现垂直方向上铵态氮和硝态氮随着沙壤深度的增加而减少;水平方向上均趋于增加;在时间上，受有机质的累积和pH的影响，前期铵态氮增加，中后期硝态氮增加。孙志高等[7]以湿地为研究对象，发现垂直方向上无机氮迁移能力较强。兰婷等[8]在研究两种水稻土时发现，在时空上，潮黄土更容易累积硝态氮。陆红娜等[9]在研究山前冲积平原时发现，受土壤质地的影响，硝态氮在垂直方向上各土层含量存在较大差异，在水平方向上东高西低。罗亚晨等[10]认为，在时空上，冻融循环与恒温相比，会减少铵态氮和硝态氮在大兴安岭落叶松林土壤中的积累，而Grogan等[11]在研究白桦林下层时发现，冻融循环促进了铵态氮和硝态氮的积累。

1.2 铵态氮、硝态氮与不同植物群落的关系

植物吸收的氮素形态主要是铵态氮和硝态氮。经研究发现，受环境和作物种类的影响[12]，植物吸收铵态氮和硝态氮的程度不同，有的植物偏向铵态氮，比如水稻;有的偏向硝态氮，比如玉米、棉花等，这势必影响铵态氮和硝态氮在土壤里的分布。苗艳芳等[3]研究发现，冬小麦产量在时间上随硝态氮的增加而增加，在不同土层间，硝态氮累积量与冬小麦产量呈正相关，而铵态氮含量最低。肖好燕等[13]在研究亚热带不同林分时发现，林分的类型对铵态氮含量的影响较小，对硝态氮含量的影响较大，并且不同林分中硝态氮的比例也不同。铵态氮和硝态氮均有季节变化，但是硝态氮含量的季节变化显著，铵态氮变化不明显。

1.3 铵态氮、硝态氮与土地利用方式的关系

不同的土地利用方式会对土壤中无机氮含量造成很大影响，这是因为在不同的土地利用过程中，耕作、施肥等人为活动的影响形成了铵态氮和硝态氮时空分布的特点。杨庆等[14]在研究人工草地时发现，通过沼液浇灌人工草地，会对铵态氮和硝态氮产生影响，垂直方向上对不同土层的铵态氮含量影响较小，而硝态氮的含量随着沼液的增加而增加，并在0～20 cm达到最高。王峰等[15]研究发现，在茶园培养初期，铵态氮含量呈现增长趋势，达到峰值后逐渐下降，总体呈“J”型变化;而硝态氮含量在初期增长缓慢，之后逐渐上升。吴绮霏等[16]将江汉平原的农田分为5类，这5类农田由于不同的土地利用方式，导致氮素在土壤不同深度也有很大差异：稻田中铵态氮占主要比例，而旱地则以硝态氮为主，总体上硝态氮在表层含量较高，而铵态氮含量在下层不断增加。

2 影响铵态氮、硝态氮时空变化的因素

土壤中的无机氮含量受有机质含量、土壤含水量、温度、pH等因素的影响。

2.1 有机质含量

人为施加化肥可以有效增加土壤有机质的含量。南镇武等[17]研究发现，施加有机肥和化肥，能提高土壤中硝态氮和铵态氮含量。研究中普遍发现，在合理施肥的情况下，铵态氮和硝态氮含量随着土层深度的增加而减少，但是 Siemens等[18]发现，不合理施肥可导致硝态氮淋溶以及土壤深层硝态氮的累积。

2.2 含水量

土壤含水量主要影响了土壤的通气状况和氧化还原反应。土壤水分与土壤微生物的生长发育密切相关。当土壤水分较低时，土壤微生物在透气较好的条件下表现活跃，使硝态氮含量增加;相反，当土壤水分较高时，铵态氮含量增加。土壤水分通过影响微生物活性，进一步影响土壤中铵态氮和硝态氮的分布。陈效民等[19]研究发现，在垂直方向上，硝态氮在土壤水分饱和状态下的移动速度比非饱和状态下的速度快。在土壤水分饱和的情况下，影响硝态氮垂直移动的因素还是土壤含水量和土壤质地。但是陈伏生等[20]研究发现，硝化细菌是影响硝态氮含量的因素。硝化细菌会随着土壤含水量的增加而增加，抑制了反硝化作用，使铵态氮含量小于硝态氮含量。

2.3 温度

温度主要是通过影响微生物活性，进而影响土壤的矿化作用和硝化作用，在一定温度范围内，温度和微生物活性呈正相关，其中，中温条件下矿化作用最强。苏涛等[21]研究发现，受氮素形态的影响，耕层土壤温度对矿物质氮的影响也不同：0～200 cm土层，铵态氮与土壤温度变化一致，在不同时期，硝态氮含量与土壤温度呈负相关;同时指出，大气温度在一定程度上会影响土壤温度，铵态氮和硝态氮含量与大气温度变化趋势类似。因为冻融作用会破坏土壤结构、影响土壤微生物的活性、限制土壤养分的释放和吸收，所以在冻融情况下，铵态氮和硝态氮含量会受到严重影响。隽英华等[22]研究发现，冻融作用可促进土壤氮素转化，增加铵态氮和硝态氮含量。

2.4 pH

由于土壤中pH升高，土壤中硝化细菌的活性升高，加快了硝化速度。同时， pH升高会加速有机质溶解，进而为土壤微生物提供了可能，促进了土壤氮素的矿化。 Curtin等[23]研究结果也指出了土壤pH与矿化速率呈正相关。

3 土壤无机氮（铵态氮、硝态氮）的研究方法

隽英华等[22]在冻融模拟实验中，通过改变冻融频数和冻融温度，并用连续流动分析仪来研究冻融情况下对铵态氮和硝态氮的影响。刘顺国等[24]同样用流动分析仪测定了棕壤覆膜条件下土壤溶液中的硝态氮和铵态氮含量，发现了此条件下的铵态氮含量增加，并且减少了硝态氮的淋失。兰婷等[8]在室内培养实验中用15N同位素稀释[25]方法来测定无机氮（铵态氮、硝态氮）的变化情况，研究发现，加入标记溶液后，硝化作用增强，且与铵态氮呈正相关。温腾等[26]研究发现，与蒸腾法相比，微扩散法能更便捷、精确地测量铵态氮和硝态氮。李勋章等[27]在研究干旱绿洲区时，用T6可见分光光度计来测定土壤和地下水中硝态氮和铵态氮的含量。罗亚晨等[10]用线性内插法计算土壤中铵态氮、硝态氮含量，并用单因素变量多因素方差分析方法研究不同因素对铵态氮和硝态氮的影响。除上述方法外，还有杜马法：首先快速从样品中提取NH4+和NO3﹣，其次用质谱仪进行燃烧，使其进一步氧化还原得到N2，最后对得到的物体进行15N丰度测量[28]。

4 结语

无机氮（铵态氮、硝态氮）作为氮素循环的重要组成部分，其在不同土壤类型、植物群落以及土地利用方式中受含水量、温度等影响，所形成的时空变化差异非常大，让人们认识到整个土壤生态系统的复杂性。国内外在无机氮研究方法上，主要通过室内模拟和原位培养的方法，对无機氮变化因子进行研究。其中，室内模拟实验容易改变土壤温度和水分等条件，易得到土壤无机氮变化规律，但是由于研究方法和冻融格局的差异，最终的结果也未实现统一。与室内模拟冻融实验相比，野外原位实验弥补了温度、水分极端变化的缺陷，极大地还原了无机氮在自然条件下的变化规律，但目前野外原位监测实验较少，研究还仅局限于小尺度环境下单一因素的影响，并不能全面反映无机氮在多变的土壤环境中的变化情况。

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