不同土地利用方式下紫色土和紫色水稻土nh4

不同土地利用方式下紫色土和紫色水稻土nh4

土壤中nh-4的生物和化學(xué)活性及其滲透過程取決于相對應(yīng)的交換點類型。有些NH+4離子位于土壤黏粒表層的吸附位點因而其生物有效性較高,而有些NH+4則處于土壤礦物的層間楔形位點,導(dǎo)致其生物有效性較低。這種有效性的不同通常用交換能力來表示,前者稱為交換性NH+4,后者稱為非交換性NH+4。NH+4有效性的不同顯著影響到土壤中NH+4的生物氧化速率,繼而影響到氮的生物循環(huán)過程。然而,這種采用交換能力來表示NH+4有效性的方法并不能真正反映其有效性,如Steffens和Sparks針對德國Giessen和Hungen的淋溶土和潮濕淋溶土的研究表明,非交換性NH+4亦能從土壤中釋放成為緩效氮,從而對氮循環(huán)和環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響。在農(nóng)業(yè)土壤中,大量含NH+4肥料的施入,能夠增加這類非交換性NH+4的但又是緩效態(tài)氮的含量。例如Thompson等、Thompson和Blackmer早春時向Iowa的玉米地施入15N標記的氮肥后,晚春時發(fā)現(xiàn)部分氮肥以非交換性NH+4的形式存在,但在接下來的生長季節(jié)這部分NH+4消失了。因此,當大量的非交換性NH+4在生物和化學(xué)過程中變得有效時,常用的區(qū)分土壤NH+4的方法變得不再適合。容量強度關(guān)系(quantity-intensityrelationships,Q/I)有別于一般的確定土壤NH+4有效性的方法,它能夠描述土壤溶液和陽離子交換位點間的均衡狀態(tài),從而可以用來科學(xué)地評價土壤的供NH+4狀況。Q/I關(guān)系大量應(yīng)用于描述不同土壤以及耕作、施肥等因素對土壤供鉀狀況的影響。例如張會民等通過該理論研究了長期施肥對土壤K素Q/I關(guān)系的影響。應(yīng)用Q/I關(guān)系研究土壤供NH+4狀況的較少,Pascricha首次應(yīng)用該方法研究了水稻土中NH+4的狀態(tài)并找到了非交換性NH+4釋放的證據(jù)。Evangelou等應(yīng)用該方法分析了管理措施(耕作和施肥)對土壤NH+4交換選擇系數(shù)(KG,PBC/CEC)的影響。農(nóng)田氮的流失不僅僅帶來土壤肥力損失,同時造成水體富營養(yǎng)化以及飲用水的質(zhì)量問題,因此科學(xué)評價土壤的供NH+4狀況對制定農(nóng)田施肥策略更加重要。本文以廣泛分布于四川盆地的紫色土(紫色濕潤雛形土)為研究對象,分析不同利用方式下紫色土的Q/I曲線參數(shù)及其影響因素,并對兩種評價NH+4有效性的方法加以比較,以期為提高NH+4的利用率和制訂最優(yōu)施肥策略提供參考。1材料和方法1.1土地利用類型及用途試驗區(qū)設(shè)在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)國家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測基地。該基地地處北緯30°26′,東經(jīng)106°26′,海拔230m。氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L氣候,年平均氣溫18.3℃,年平均降雨量1105mm,5月～9月的降雨量占全年雨量70%,年日照1277h,無霜期年均約334d,屬“川東平行嶺谷區(qū)”北碚向斜的中部。研究區(qū)內(nèi)土地利用類型主要包括水田、旱地、林地和菜地等。旱地主要為玉米-小麥輪作;水田主要為水稻-油菜輪作;林地主要栽培桑樹;菜地主要為露天種植各類型蔬菜。土壤為中生代侏羅系沙溪廟組灰棕紫色沙泥巖母質(zhì)上發(fā)育的中性紫色土(紫色濕潤雛形土)和紫色水稻土(紫色水耕人為土)。土壤黏土礦物組成以蒙脫石和云母-蒙脫石混層層間礦物為主,水云母次之,此外還含有少量的高嶺石和石英。1.2樣品采集和測定樣品的采集于2009年4月進行。根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)有土地利用類型,選擇水田、旱地、林地和菜地4種,各土地利用類型間距>20m。每種土地利用類型選擇3塊樣地,樣地間距5m。每個樣地挖掘5個剖面,采樣時,先去除地面凋落物,分別采集0～20和20～40cm土壤樣品。土壤基本性質(zhì)采用土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析法測定。土壤粒徑分析采用吸管法;有機碳采用重鉻酸鉀容量法;全氮采用開氏法;土壤電導(dǎo)率在1∶5土水質(zhì)量比下測得;土壤經(jīng)2molL-1KCl浸提后分別通過采用靛酚藍比色法和紫外分光光度法測定交換性NH+4-N和NO-3-N含量(表1)。1.3davies方程的計算方法測定步驟:稱取5g土壤樣品(3次重復(fù))置于100ml的聚苯乙烯離心管中,分別加入含不同濃度NH4Cl(0～0.002molL-1)和含相同濃度CaCl2(0.005molL-1)的溶液25ml,離心管加塞在25(±1)℃下,以90strokesmin-1恒溫震蕩6h,靜置24h,然后在離心機上離心(3000rmin-1)5min并過濾。用靛酚藍比色法測定平衡溶液中NH+4濃度,原子吸收分光光度計測定平衡溶液中Ca2+、Mg2+的濃度。分別測定各平衡溶液的電導(dǎo)率(EC),并推導(dǎo)出離子強度(IS),IS(molL-1)=0.013×EC(dSm-1)。離子活度和活度比為應(yīng)用Davies方程由離子強度和離子濃度數(shù)據(jù)計算得出。計算方法:應(yīng)用Beckett的方法研究土壤中NH+4的Q/I關(guān)系。土壤NH+4的活度比(ARNH4)由式(1)計算。ARNH4=(NH+4)/[(Ca2+)+(Mg2+)]1/2ARΝΗ4=(ΝΗ4+)/[(Ca2+)+(Μg2+)]1/2(1)式中,括號內(nèi)表示的是各離子的活度。平衡前后溶液中NH+4的變化(ΔNH+4)為溶液中NH+4的初始濃度和平衡濃度的差值。以ARNH4為橫坐標,以對應(yīng)的ΔNH+4為縱坐標作圖,就得到一條Q/I曲線(如圖1)。典型的Q/I曲線應(yīng)該包含一個直線和一個曲線部分。Q/I曲線直線部分的斜率表示土壤對NH+4的緩沖能力,用緩沖容量表示(PBC,cmolkg-1(molL-1)-1/2),是衡量土壤保持一定供NH+4強度的能力指標。Q/I曲線直線部分的延長線在縱軸上的截距是土壤供NH+4的容量指標,即活性NH+4(-ΔNH0440,cmolkg-1)。直線部分在橫軸上的截距是土壤供NH+4的強度指標,稱為平衡活度比(AR0NH4ΝΗ40,(molL-1)1/2)表示的是NH+4的有效性。Q/I曲線直線部分和曲線部分在縱軸上的截距之差表示在土壤礦物專性吸附位點上吸附的NH+4,可用于估算非交換性的NH+44+,用NH4-sas(NH4-sas,cmolkg-1)表示。對Q/I曲線的直線部分進行回歸分析,Q/I曲線參數(shù)(PBC,-ΔNH0440,AR0NH4ΝΗ40)由回歸方程式得出。1.4數(shù)據(jù)處理方法文中所有結(jié)果均為3次重復(fù)的平均值。數(shù)據(jù)的顯著性檢驗采用SPSS13.0軟件中的單因素方差分析(ANOVA)方法分析,不同處理之間多重比較采用LSD(LeastSignificantDifferent)方法,然后進行t檢驗(α=0.05)。4種土地利用方式下0～20和20～40cm土層參數(shù)各自的平均值作相關(guān)分析(n=8)。2結(jié)果與討論2.1非交換性nh+4對土壤nh不同土地利用方式下,紫色土NH+4的Q/I曲線形狀類似,即由直線部分(ARNH4較高時)和曲線部分(ARNH4較低時)構(gòu)成,直線部分主要代表土壤有機質(zhì)和黏土礦物吸附力較弱的非專性吸附點位吸附的NH+4,曲線部分則代表吸附力較強的專性吸附點位吸附的NH+4。4種土地利用方式下,紫色土的Q/I曲線的曲線部分均出現(xiàn)在NH+4的活度比(ARNH4)較低時(圖1),這便意味著土壤有非交換性NH+4(或?qū)Ｐ晕降腘H+4)的釋放。土壤中非交換性NH+4的數(shù)量由NH4-sas值計算而來(表2),結(jié)果表明研究中涉及的所有土層都存在NH+4的專性吸附位點,這些吸附位點的固定容量(0.0106～0.1185cmolkg-1)遠高于Wang和Alva針對砂土的研究結(jié)果結(jié)果(0.0027～0.0096cmolkg-1)。土壤溶液中的NH+4通常會趨向于與交換性的、非交換性的NH+4處于一種均衡狀態(tài)。因此,土壤中NH+4的濃度較高時,會占用大量的潛在非交換性NH+4吸附位點。這在水稻土中可能表現(xiàn)尤為明顯,因為水稻土由于淹水導(dǎo)致氧氣匱乏,使硝化作用進行的速率較慢,從而使較高濃度的NH+4持續(xù)存在于土壤溶液中,當將此類樣品用NH+4活度比較低的溶液進行平衡時,便會導(dǎo)致從非交換性吸附位點上釋放。Pascricha首次應(yīng)用Q/I關(guān)系研究了水稻土中NH+4的狀態(tài)并找到了非交換性NH+4釋放的證據(jù)。Thompson和Blackmer,Blackmer等認為旱地土壤由于硝化作用的影響,土壤溶液中含有的NH+4的濃度較低,因此從非交換性吸附位點釋放的NH+4較少甚至沒有。但是本研究的結(jié)果表明,紫色土在作為旱地、林地、菜地利用時,均存在非交換性吸附位點NH+4的釋放,這與水田類似。因此簡單地將非交換性吸附性NH+4的釋放歸因為土壤溶液中NH+4的影響似乎缺乏說服力,需要對紫色土礦物組成以及礦物性質(zhì)做進一步研究后才能做出解釋。2.2不同類型土的q/i曲線特征土壤的NH+4的Q/I曲線參數(shù)主要包括NH+4平衡活度比(AR0NH4ΝΗ40)、土壤活性NH+4(-ΔNH0440)、土壤NH+4緩沖容量(PBC)以及NH+4專性吸附位點(NH4-sas)。不同土地利用方式下紫色土這些參數(shù)的變化特征反應(yīng)了土壤與NH+4結(jié)合緊密程度的不同并進一步會導(dǎo)致土壤供NH+4狀況的變化。試驗中涉及的土壤的NH+4平衡活度比AR0NH4ΝΗ40為0.187×10-3～1.255×10-3(molL-1)1/2;PBC為71.47～203.7cmolkg-1(molL-1)-1/2;土壤活性NH+4(-ΔNH04)為0.0295～0.0897cmolkg-1。這與Lumbanraja和Thompson報道的黏壤土的Q/I曲線參數(shù)較為接近;而與Wang和Alva人報道的砂土的數(shù)據(jù)相比,紫色土的PBC、-ΔNH0440、NH4-sas則高出1～3個數(shù)量級。另一方面,紫色土的AR0NH4ΝΗ40(表2)則僅為砂土的1/10左右,較低的AR0NH4ΝΗ40表明紫色土在平衡狀態(tài)下的NH+4有效性較低。但是紫色土的PBC、-ΔNH0440、NH4-sas值較高表明其對NH+4的固持容量較高。因此需要對紫色土中組分及組分的性質(zhì)作進一步的研究,以弄清其在控制NH+4的去向方面扮演的角色。作為反映土壤活性NH+4的強度或有效性的指標,紫色土0～20cm土層AR0NH4ΝΗ40由高到低的順序為水田>菜地>林地>旱地,20～40cm土層與0～20cm順序相同。這表明水田和菜地NH+4的有效性較高。同時表層土壤AR0NH4ΝΗ40的顯著高于亞表層土壤,表明其活性NH+4的強度或有效性較高。土壤活性NH+4含量(-ΔNH0440)的變化特征與土壤AR0NH4ΝΗ40類似,水稻土由于淹水導(dǎo)致硝化作用速率較慢,從而使較高濃度的NH+4持續(xù)存在于土壤溶液中;而菜地較大的氮肥施用量導(dǎo)致其活性NH+4含量較高。與之相反,除水田外,其他3類土壤的NH+44+PBC亞表層均高于表層,而在表層,旱地土壤的NH+44+PBC顯著高于水田、林地、菜地土壤;但是在亞表層4種紫色土的PBC均存在顯著差異,其中水田最低,菜地最高,菜地的NH+44+PBC約為水田的3倍。此外,旱地、林地、菜地3種旱作土壤20～40cm土層與表層土壤相比,其Q/I曲線的曲線部分的活度比較高。這表明,與其他樣品相比,旱地、林地、菜地3種旱作土壤20～40cm土層的NH+4吸附容量對NH+4在土壤表面的覆蓋范圍所達到的程度更加敏感;這就是說,NH+4的吸附在20～40cm土層可能較其他土層下降得更快。這3種旱作土壤20～40cm土層中交換性NH+4的含量較少,可能有較多的吸附位點未被NH+4占據(jù),因而在吸附試驗的初期,這些土層的吸附位點被NH+4迅速占據(jù),而隨著吸附的進行,這些土層的吸附位點被占據(jù)后,NH+4的吸附便會迅速下降。2.3紫色土中nh+4的變化紫色土活性NH+4(-ΔNH0440)與交換性NH+4的關(guān)系如圖2所示,活性NH+4的含量與土壤中交換性NH+4顯著相關(guān)(p<0.01,n=8)。而且從數(shù)量上看,雖然試驗中涉及的土壤的交換性NH+4略低于活性NH+4,但是總體看來兩者還是較為接近的(表1,表2)。這種現(xiàn)象表明,兩種方法分別測得的-ΔNH04與交換性NH+4可能是紫色土中NH+4的同一部分。雖然圖1表明試驗中涉及的所有土層均存在非交換性NH+4的釋放,但是Q/I關(guān)系試驗中測得的這部分釋放的NH+4對紫色土-ΔNH0440的貢獻可能較小。從另個角度來講,Q/I關(guān)系試驗雖然能夠檢測到的非交換性NH+4釋放,但是本試驗檢測到的釋放的非交換性NH+4的數(shù)量,可能只占能夠釋放的非交換性NH+4的很小一部分。Steffens和Sparks等針對德國Giessen和Hungen的淋溶土和潮濕淋溶土的研究表明,能夠釋放的非交換性NH+4占到總非交換性NH+4的4%～25%;從數(shù)量上講,這部分釋放的非交換性NH+4遠高于土壤交換性NH+44+。紫色土NH+4的平衡活度比(AR0NH4ΝΗ40)與交換性NH+4同樣有較好的相關(guān)性(圖3),達到極顯著水平(p<0.01,n=8)。這種相關(guān)關(guān)系可能表明,紫色土中交換性NH+4與紫色土AR0NH4ΝΗ40是表示土壤NH+4有效性的類似指標。2.4土壤基本性質(zhì)對q/i曲線參數(shù)的影響為了分析紫色土Q/I曲線的影響因素,本研究首先對紫色土的幾項基本性質(zhì)(小于0.002mm黏粒含量、CEC、有機碳、全氮、交換性NH+4)以及紫色土Q/I曲線參數(shù)(PBC、-ΔNH0440、NH4-sas、AR0NH4ΝΗ40)做相關(guān)分析(表3)。結(jié)果表明,PBC與小于0.002mm黏粒含量、CEC呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),而與有機碳和交換性NH+4呈顯著負相關(guān)(p<0.05);-ΔNH04與有機碳、全氮、交換性NH+4均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01);NH4-sas與小于0.002mm黏粒含量、CEC呈顯著正相關(guān),與有機碳、全氮、交換性NH+4均呈極顯著負相關(guān);AR0NH4ΝΗ40則與小于0.002mm黏粒含量、CEC呈顯著負相關(guān),與有機碳、全氮、交換性NH+4均呈極顯著正相關(guān)。許多研究表明,有機碳對土壤交換性NH+4含量有重要的影響,本試驗也證實了這一點。由Q/I關(guān)系推導(dǎo)的NH+4有效性指標同樣與有機碳存在顯著的相關(guān)關(guān)系,而小于0.002mm黏粒含量則是決定PBC和NH4-sas的主要因素。為了進一步分析土壤的基本性質(zhì)對紫色土Q/I參數(shù)的影響,本研究應(yīng)用通徑分析的方法對這類影響進行闡釋。通徑分析最初由數(shù)量遺傳學(xué)家SewallWright于1921年提出,是將自變量與因變量之間的相關(guān)分解為該自變量對因變量的直接影響和通過其他相關(guān)的自變量對因變量的間接影響的分析過程,自變量對因變量的直接影響程度用通徑系數(shù)來度量。在本研究中,土壤小于0.002mm黏粒含量、CEC、有機碳、全氮、交換性NH+4對紫色土Q/I曲線參數(shù)影響的通徑分析如表4所示。對于PBC,土壤小于0.002mm黏粒含量和交換性NH+4對PBC的直接通徑系數(shù)分別為0.397和0.386,表明兩者對PBC的直接影響相近,而兩者的差異表現(xiàn)在通過AR0NH4ΝΗ40對PBC的間接影響(分別為0.960和-1.185);與之類似,雖然CEC對PBC的直接通徑系數(shù)較小(0.025),但其間接通徑系數(shù)之和較大(0.893),表明CEC對PBC的影響主要是間接效應(yīng)。對于-ΔNH0440,小于0.002mm黏粒含量對-ΔNH04有強烈的直接作用(直接通徑系數(shù)為1.727),但是由于其間接影響多為負,導(dǎo)致總的通徑系數(shù)為負(-0.462)。有機碳對-ΔNH0440的直接通徑系數(shù)較大(0.966),而通過其他因素對-ΔNH0440的間接通徑系數(shù)之和較小(-0.018),說明有機碳對-ΔNH0440有強烈的直接效應(yīng)。全氮和交換性NH+4主要通過影響有機碳影響-ΔNH0440。對于NH4-sas,小于0.002mm黏粒含量和有機碳對NH4-sas的直接通徑系數(shù)均較大(分別為2.725和