土壤氮素礦化研究進(jìn)展

1、土壤氮素礦化研究進(jìn)展楊路華 1,2, 沈榮開 2, 覃奇志 2(11河北農(nóng)業(yè)大學(xué) , 河北 保定 071001;21武漢大學(xué) , 湖北 武漢 ,430072 摘 要 :本文總結(jié)了有機(jī)氮礦化方面的研究成果 , 對土壤有機(jī)氮礦化不同數(shù)學(xué)模式進(jìn)行了歸納和分類 , 分析了模型的 適用條件 , 提出了今后研究的思路 。關(guān) 鍵 詞 :氮素礦化過程 ; 數(shù)學(xué)模型 ; 研究進(jìn)展中圖分類號 :S 153 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :056423945(2003 0620569203 氮素礦化過程指土壤有機(jī)氮在微生物作用下分解 成無機(jī)氮的過程 , 包括氨基化和銨化二個階段 。礦化過程是土壤中氮素循環(huán)的重要組成環(huán)

2、節(jié) , 許多模型在 模擬土壤 -作物氮素轉(zhuǎn)化運(yùn)移時 , 均考慮礦化作用 。 土壤有機(jī)氮礦化問題的研究是一個從宏觀到微觀 、 從 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷綑C(jī)理模型的過程 。 從不同角度建立的礦化 模型各式各樣 。 從有機(jī)氮分解過程來分 , 有零階動力 學(xué)反應(yīng)方程式 、 一階動力學(xué)反應(yīng)方程式 、 混階動力學(xué)反 應(yīng)方程式 ; 從建模的方法可分為 :經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、 機(jī)理模型 ; 型 、 多氮源模型 ; C/N ?？紤]的因素越多 , , 相應(yīng)地模型越復(fù)雜 。1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂紤]影響礦化作用的某一主要因素 , 通過特定條 件下的試驗(yàn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù) , 采用統(tǒng)計方法進(jìn)行擬合 , 建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。 1. 1 單因素模型Myers

3、(1982 對 Stanford &Smith (1973 提出土 壤氮素礦化量與含水率的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正 4。 并 認(rèn)為從作物允許的土壤含水量下限到田間持水量 , 礦 化速率與土壤濕度呈線性正相關(guān)關(guān)系 ; 從田間持水量 到飽和含水量 , 土壤礦化速率逐步下降 。y =bx +(1-b x2(1 y =Y m ax , x =W m ax -W 0(2 式中 :Y 土壤實(shí)際凈礦化量 ; Y m ax :土壤最大凈礦化量 (當(dāng)土水勢等于 -0. 03Mpa 時 ; W :計算土壤礦化 率時的土壤重量含水量 ; W 0、 W m ax 分別是土壤最小含水量 (相當(dāng)于土水勢為 -4. 0M

4、pa 時含水率 和最大含水量 (相當(dāng)于土水勢為 -0. 03Mpa 時含水量 ; b 是修 正經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 。 1. 2 雙因素模型Rausch (1985 式 , =(3Q =a -(T +273(4式中 :N t 、 N 0分別是土壤實(shí)際礦化量與潛在礦化量 (kg/hm 2 ; W t 、 W FC 分別是土壤實(shí)際含水量和田間持水量 (% ; T 是土壤溫度 ; a 、 b 是二個參數(shù) 。單因素模型反映出礦化量與土壤含水量的關(guān)系 , 參數(shù) Y m ax 土壤最大凈礦化量反映了土壤固有特性 , 與 土壤質(zhì)地 、 有機(jī)氮含量 、 碳氮比等因素有關(guān) , 參數(shù) b 反 映含水量對礦化速率的影響 。 雙

5、因素模型考慮土壤含 水量 、 溫度二個因素對礦化的影響 , 比單因素模型考慮 因素更為詳細(xì) , 可適用于不同土壤不同含水量情況 。 但沒有考慮有機(jī)氮 、 C/N 以及 p H 值的影響因素 , 應(yīng)用 條件受到一定限制 。2 基于礦化勢 (N 0 的礦化模型土壤潛在礦化勢代表了土壤的潛在礦化能力 , 是 土壤有機(jī)氮含量 、 生物活性及分解能力以及礦化的水 熱條件等諸多因素的綜合反映 。 假定土壤有機(jī)氮礦化 量與潛在礦化勢成正比 , 便可利用礦化勢計算礦化量 。 常用的模型有雙曲線模型 :N t=N 0+t(5 指數(shù)模型 :N t =N 0(1-e-kt(6收稿日期 :2002208225; 修訂

6、日期 :2002210229基金項(xiàng)目 :國家自然科學(xué)基金九五重點(diǎn)項(xiàng)目 (59839320 資助作者簡介 :楊路華 (1970- , 男 , 河北內(nèi)邱人 , 副教授 , 主要從事節(jié)水灌溉與農(nóng)田溶質(zhì)運(yùn)移研究。 E -Mail :yangluhua21cn. com第 34卷第 6期2003年 12月 土 壤 通 報 Chinese Journal of S oil Science Vol. 34,No. 6Dec. ,2003雙項(xiàng)指數(shù)模型 :N t =N 1(1-e-k 1t+N 2(1-e -k 2t(7式中 :N t 是實(shí)際礦化量 (kg/hm 2 ; N 0、 N 1、 N 2是土壤 不同有

7、機(jī)氮的潛在礦化量 (kg/hm 2 ; k 、 k 1、 k 2是礦化速率 常 數(shù) (1/d ; t 是 礦 化 時 間 (d ; b 為 常 數(shù) (kg/hm 2 。雙曲線模型是零階模型 , 指數(shù)模型是一階模型 , 零 階模型適用于培養(yǎng)時間短 、 礦化勢和礦化常數(shù)較固定 的情況 。 一階反應(yīng)方程式更適用于非擾動土 。 因?yàn)樵?長期培養(yǎng)過程中 , 礦化勢和礦化常數(shù)不斷變小 , 需要修 正 (C J Smith ,1994 。 J Manguiat &Watanabe (1996 在研究土壤性質(zhì)對礦化作用影響時 , 發(fā)現(xiàn)礦化量與土 壤結(jié)構(gòu)有關(guān) , 主要因素是水溶性碳水化合物 、 全氮 、

8、 有 機(jī)碳 。同時還認(rèn)為單項(xiàng)模型適用于土壤粘粒少于 30%, 砂粒大于 20%的土壤 。 雙項(xiàng)模型中第二項(xiàng)實(shí)際上是生物固持項(xiàng) 。礦化勢可通過實(shí)驗(yàn)測定或經(jīng)驗(yàn)公式估算 4, 也可 通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求得 。這類模型可以加入溫度 、 含 水率 、 p H 值等因素的響應(yīng)系數(shù) , 按不同 C/N 分別考慮影響因素 晰 , 模型簡單 , 3 土壤有機(jī)氮含量與類型是影響礦化作用的主要因 素 , 以有機(jī)氮含量為主導(dǎo)變量的礦化模型主要有以下 幾種 :3. 1 單氮源礦化模型將土壤所有的有機(jī)氮視為一個氮源 , 統(tǒng)一考慮其 礦化過程 , 單氮源礦化流程圖如圖 1所示 。假定其礦 化過程遵從一階反應(yīng)模式 (lafol

9、ie ,1991 :9C N H 9t=K m f m ( g m (T s C OM(8 式中 :C N H 4是土壤 N H 4+-N 濃度 (mg/kg ; K m 是一階反應(yīng)礦化速率常數(shù) ; f m ( 、 g m (T 分別代表土壤水分和溫度的影響因素 ; 、 T 分別是土壤水分和絕對溫 度 ; T 0是最適宜土壤有機(jī)氮礦化時的絕對溫度 ; s 是土壤容重 (kg/m 3 ; C OM 是土壤有機(jī)氮含量 (%。 圖 1 單氮源礦化示意圖Fig. 1 Single pool nitrogen mineralization process3. 2 多氮源礦化模型對土壤有機(jī)氮進(jìn)行分類 ,

10、分別考慮各個氮源的礦 化過 程 , 然 后 將 各 礦 化 結(jié) 果 簡 單 相 加 (B. Huuwe , 1991 , 建立了以下模型 :C N H 4= ni =1C OM , i (1-e(1-k it (9式中 :C OM , i 是第 i 種土壤有機(jī)氮含量 (% ; i 是土壤 有機(jī)氮類型數(shù) , 其它符號同上 。上述模型考慮了土壤水分和溫度對礦化的影響 , 并給出溫度因素的計算公式 。 模型中沒有體現(xiàn)碳氮比 的影響因素 , 也沒有考慮不同有機(jī)氮之間的碳氮轉(zhuǎn)移 問題 。 模型與考慮礦化勢的指數(shù)礦化模型數(shù)學(xué)形式相 同 , 但其物理意義不同 。 從籠統(tǒng)地考慮礦化勢 , 到考慮 土壤有機(jī)氮及

11、不同分類 , 是一個進(jìn)步 。4 基于碳氮比 (C/N 和碳氮流的礦化模型。 (氮流 取決于碳 , 考慮不同有 , 利用氮素平衡原理就 。 基于這一思想建立多氮源的 。 4. 1 單向氮流礦化模型將土壤有機(jī)氮劃分為植物殘留物和土壤原有的有 機(jī)氮 。 假定礦化遵從一階反應(yīng)方程式 (Groot ,1991 , 則植物殘留物礦化過程 :C d 、 p =dt=k d f t 、 m C e (10 C d 、 p=dt =CN s(11N req 、 b =b CN b(12式中 :C d 、 p 、 N d 、 p 是植物殘留物中碳和氮的分解礦化量 (kg/hm 2/d ; Ce 是土壤中植物殘留物

12、含量 (kg/hm 2 ; N req , b 是微生物合成需氮量 (kg/hm 2/d ; K d 是 植物殘留物礦化系數(shù) (d -1 ; f t , m 是土壤溫度與含水率 對礦化過程的耦合作用 ; CN s 、 CN b 分別是土壤有機(jī)氮 和微生物中碳氮比 ; b 是微生物的生長速率 ;當(dāng) N d 、 p 小于 N req 、 b 時 , 即植物殘留物的礦化速率小 于微生物的合成速率 , 土壤表現(xiàn)為固持。 當(dāng)土壤無機(jī)氮 滿足不了固持時 , 礦化速率受到影響 , 其影響公式為 :N d =N rep , bN d 、 p(13原有有機(jī)氮的礦化過程 :N d , 0=k OM f t , m

13、 f C/N C OM(14土壤總礦化過程 :N d =N rep , bN d , p +N d , 0(15 式中 :N d , 0是原有有機(jī)氮的礦化速率 (kg/hm 2/d 、 N i 是土壤無機(jī)氮礦化速率 (kg/hm 2/d ; N req , b 是微生物 合成所需的氮的速率 (kg/hm 2/d ; N d 是考慮固持作 用后的植物殘留物礦化速率 (kg/hm 2/d ; K OM 是原有 有機(jī)氮的礦化系數(shù) (d -1 ; f t , m 、 f C/N 分別是土壤溫度 與含水率 、 C/N 對礦化過程的耦合作用 。模型假定一般土壤原有有機(jī)氮的 C/N 在 815, 微生物的

14、C/N 和合成速率分別是 10和 0. 33, 凈固持 現(xiàn)象不可能發(fā)生 。該模型考慮微生物的合成作用 、 呼 吸作用以及植物殘留物的二次礦化過程 。 但所需參數(shù) 較多 , 應(yīng)用受到限制 。 4. 2 循環(huán)氮流礦化模型土壤有機(jī)氮劃分為二類即植物殘留物和腐殖質(zhì) , 同時考慮碳流和氮流 。植物殘留物碳分解時 , 碳的流 向?yàn)?CO 2、 腐殖質(zhì)中碳 、 新的植物殘留物碳 ; 而氮流則 是礦化為無機(jī)氮或進(jìn)入腐殖質(zhì) (如圖 2 (Holger ,1987、 Jinzhong Yang ,1998、 Lars Bergstrom ,1987 。植物殘 留物和腐殖質(zhì)的分解礦化過程均遵從一階動力學(xué)反應(yīng) 方程式

15、。 圖 2 雙氮源礦化流程圖Fig. 2 Two pools nitrogen mineralization process based on nitrogen and carbon flow該與單向模型的區(qū)別是 :土壤有機(jī)氮礦化分解產(chǎn)生無機(jī)氮的同時 , 會產(chǎn)生新的有機(jī)氮 , 形成循環(huán) , 而且 不同有機(jī)質(zhì)之間存在氮的轉(zhuǎn)化 。 此模型從有機(jī)氮分解 機(jī)理入手 , 遵從有機(jī)氮分解的物理化學(xué)過程 , 考慮了各 有機(jī)氮之間的碳氮流交換 , 以及微生物合成作用 、 呼吸 作用的影響 。 考慮因素較多 , 結(jié)構(gòu)也復(fù)雜一些 , 但所需 參數(shù)較多 。 一般條件下 , 其中的一些參數(shù)難以確定 , 在 一定程度上

16、妨礙了模型的應(yīng)用 。5 結(jié) 語在北方節(jié)水灌溉農(nóng)田條件下 , 忽略亞硝化過程是可行的 , 不會引起較大誤差 。土壤孔隙中氮?dú)鉂舛然?土壤通氣性對礦化的影響也是不能忽略的 , 土壤水分 能否代替通氣性 , 需要進(jìn)一步研究 。隨著研究問題研 究的深入 , 礦化模型越來越復(fù)雜 、 精確 , 但每個礦化模 型都有其一定的適用條件 。 在 1990年 ISFR (Institute of Soil Fertility Research 成立百年學(xué)術(shù)會議上提交的 14個氮素轉(zhuǎn)化運(yùn)移模型 , 驗(yàn)證結(jié)果表明 , 復(fù)雜的機(jī)理 模型未必比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼫?zhǔn)確地與實(shí)試驗(yàn)結(jié)果吻合 。 在 機(jī)理模型研究一步步深化的過程中 ,

17、參數(shù)的研究顯得 非常重要 。 參考文獻(xiàn) :1 張瑜芳 , 張蔚榛 , 沈榮開 . 排水農(nóng)田中氮素轉(zhuǎn)化運(yùn)移和流失 M .武漢 :中國地質(zhì)大學(xué)出版社 ,1997.2 楊金忠 . Nitrogen transport and transformation in two -demensionalsaturated and unsaturated soils. CSIRO Land and WaterM .1998. 3 楊路華 , 王 康 , 謝 華 . 作物吸氮效率的試驗(yàn)研究 J.土壤通報 ,2002,33(2 :117-120.4 楊路華 , 沈榮開 . J, 河北, (4 5R , , rela

18、tionshipmoisture content of soilsJ.J. ,62:111-124, 1982.6M Blackmer , C J Green. Nitrogen turnover by sequentialimmobilization and mineralization during residue decomposition in soilsJ.Soil Sci. Soc. Am. J. , 1995,59, 1052-1058.7 E L J Verberne , J Hassink , P D Willigen , et al. Modeling organicmat

19、ter dynamics in different soils J .Netherlands Journal of Agricultural Science , 1990,38, 221-238.8 W Mirschel , H Kretschmer , E Matthaus ,R K oitzsch. Simulation ofthe effects of nitrogen supply on yield formation processes in winter wheat with the model TRITSIMM .Fertilizer Research ,1991, 27, 29

20、3-304.9 M L Cabrera , D E K issel. Evaluation of a method to predict nitrogenmineralized from soil organic matter under field conditions J.Soil Sci. Soc. Am. J. ,1988. 52, 1027-1031.10 C J Smith , P M Chalk , D M Crawford , J T Wood. Estimatinggross nitrogen mineralization and immobilization rates in anaerobic and aerobic soil suspensionsJ.Soil Sci. Soc. Am. J. ,1994,58; 1652-1660.11 F Lafolie. Modeling water flow , nitrogen transport and root uptakeincluding physical non -equilibrium and optimization of the root water potentialJ.Fertilizer Research , Vol. 199