土壤矿质氮及其测定方法研究进展

摘要土壤矿质氮是土壤氮素的重要组成部分，在土壤氮素的转化中起重要作用，是反映土壤肥力的一大指标，主要包括硝态氮和铵态氮。土壤矿质氮的累积与土壤微生物、施肥、温度、水分、耕作方式和土地利用方式密切相关。土壤矿质氮的流失可能会造成土壤肥力下降、地表水体富营养化，释放的氧化亚氮会引发温室效应，最终影响人类的生存发展。从土壤矿质氮的组成与来源、影响氮素矿化的因素、矿质氮的提取与测试以及对环境的影响4个方面进行综述，并对各种测试方法进行比较，以期为土壤矿质氮的研究提供依据。

关键词土壤硝态氮；土壤铵态氮；氮素矿化；提取与测试；环境效应

中图分类号S 153文献标识码A文章编号0517-6611（2023）24-0024-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.24.005

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress of Soil Mineral Nitrogen and Its Determination Methods

SU Han， WANG Wei， ZHANG Qiaofeng et al

（Xuzhou Institute of Agricultural Sciences in Xuhuai District in Jiangsu Province， Xuzhou， Jiangsu 221131）

AbstractSoil mineral nitrogen is an important component of soil nitrogen， plays an important role in the transformation of soil nitrogen， and is a major indicator reflecting soil fertility， mainly including nitrate nitrogen and ammonium nitrogen. The accumulation of soil mineral nitrogen is closely related to soil microorganisms， fertilization， temperature， water， tillage and land use. The loss of soil mineral nitrogen may cause the decline of soil fertility， the eutrophication of surface water and the release of nitrous oxide， which will lead to the greenhouse effect and ultimately affect the survival and development of human beings. This paper summarized the composition and source of soil mineral nitrogen， the factors affecting nitrogen mineralization， the extraction and testing of mineral nitrogen， and the impact on the environment， and compared various testing methods in order to provide a basis for the study of soil mineral nitrogen.

Key wordsSoil nitrate nitrogen；Soil ammonium nitrogen；Nitrogen mineralization；Extraction and testing；Environmental effect

土壤氮素是植物生长的大量元素之一，缺氮会导致作物产量下降、品质降低。土壤矿质氮占土壤氮素的1%～5%［1］，是土壤氮素的重要组成部分。土壤矿质氮能够溶于水，可以被大多数植物直接吸收利用，是土壤重要的养分指标，也是反映土壤肥力的一个相对指标［2］。土壤矿质氮的流失会引发一系列的环境问题。因此，一直是国内外科学家的研究重点［3-6］。该研究从土壤矿质氮的组成与来源、影响氮素矿化的因素、矿质氮的提取与测试以及对环境的影响4个方面进行综述，并对各种测试方法进行比较，以期为土壤矿质氮的研究提供依据。

1土壤矿质氮的组成与来源

土壤矿质氮也称土壤无机态氮，主要包括土壤硝态氮、亚硝态氮和铵态氮，其中亚硝态氮被视为土壤氮素转化的中间产物，很容易转化成有机态氮、一氧化氮、氧化亚氮、硝态氮等，在土壤生态系统中很难累积［7］，所以在土壤矿质氮的研究中经常被忽略［8-11］，因此，该研究主要针对硝态氮和铵态氮进行讨论。

有机氮占土壤氮素的95%以上，但是绝大部分的有机氮并不能直接被植物吸收利用，只有矿化为硝态氮和铵态氮，才能保障土壤氮素的有效性［12］。因此，有机氮的矿化是土壤矿质氮的一大来源。除此之外，在农田生态系统中，氮肥的施入是土壤矿质氮的又一重要来源。研究发现，当施氮量远超过作物生长所需要的氮量时，土壤矿质氮会在农田生态系统中累积，引发一系列环境问题［13］。

2影响土壤氮素矿化的因素

土壤氮素的矿化问题是解决农田污染、提高作物产量的瓶颈，对土壤矿质氮的含量变化有重要影响。影响土壤氮素矿化的因素包括生物因素和非生物因素。

2.1生物因素

土壤微生物是土壤生态系统中的重要组成部分，是土壤氮素转化的媒介和驱动力。氮循环的4个主要过程：固氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用均受其驱动［14］。微生物的活性决定氮的矿化速率。氮肥的大量使用，导致土壤微生物的矿化作用在农田生态系统的作用常被忽略，但是在养分贫瘠的自然土壤上，土壤微生物的矿化作用显得至关重要。土壤微生物是养分固定和有机氮矿化分解的核心动力，推动土壤氮循环的整个过程［15-18］。

2.2非生物因素

土壤氮素的矿化不仅受生物因素的影响，也受非生物因素的影响。影响土壤氮素矿化的非生物因素有很多，如温度、水分、施肥、耕作方式、土地利用方式等。温度对土壤矿化的影响比较复杂，一方面，适当的增温会使微生物的活性增加，从而促进土壤氮素的矿化；另一方面，增温使得土壤水分蒸发，可能会使草原生态系统土壤湿度降低，从而抵消了增温对土壤氮矿化的正面效应［19］。王连峰等［20］为了探究水分、温度对硝化细菌与反硝化细菌的影响，采集亚热带季风气候的红黏土和红砂土在不同条件下进行研究。结果表明，低温抑制这2种细菌的活力，不利于氮素的转化；淹水不利于这2种细菌的生存，但有利于保持反硝化细菌的活力。但小倩等［21］采用15N成对标记技术，对亚热带季风气候的江西红壤进行研究，发现红壤中的铵态氮主要是由易分解的有机氮矿化产生的，土壤含水量越大，铵态氮产生越多，该研究结果或许与该区域优势植被的凋落物有关。郎漫等［22］对黑龙江半干旱地区的砂壤土氮素转化进行研究，发现淹水可以抑制土壤硝化，从而降低土壤氮素淋溶损失的风险，与此同时有机氮的固定速率跟矿化速率都明显的提高，该结果对砂壤土农田的管理具有一定的指导意义。武丹丹等［23］研究了温度和降水量对青藏高原地区高寒草甸土壤无机氮的影响，发现增温导致土壤无机氮含量下降，降水量增加则会显著增加土壤无机氮的含量。氮肥的施用种类和施用量对土壤矿质氮的含量和矿质氮的转化也有很大影响［24］。潘飞飞等［25］通过添加外源氮的方式，对不同年限的设施土壤中的矿质氮进行研究，发现种植年限越久，土壤矿质氮含量越高；在同一种植年限下，施氮量越高，土壤矿质氮的含量越高；同一施氮处理条件下，施用无机肥效果强于有机肥，但是随着种植年限的增加，施加氮肥对土壤矿质氮含量的增加效果减弱。不同的耕作方式对土壤硝态氮有一定的影响。地膜覆盖不仅可以改善水热状况，对土壤氮素的矿化也有促进作用，同时减缓土壤硝态氮向下迁移的速度，减小淋溶，对增加作物产量，提高氮肥使用率有重要意义［26］。免耕可以提高土壤水分的利用效率和土壤肥力，但是长期的免耕，可能导致土壤表层养分富集，对作物的生长不利［27］。秸秆覆盖能够有效保温，降低土壤容重，促进土壤肥力的发酵［28］。胡锦昇等［29］通过对旱地春玉米长期定位试验，研究6种耕作措施对土壤水分和硝态氮淋溶的影响，发现不同的耕作方式可以通过对水分的调节减少硝态氮的淋溶，从而提高氮素的利用率。唐江华等［30］研究了秸秆全量还田的情况下北疆地区不同耕作措施对土壤氮素的影响，发现翻耕覆膜和翻耕均能提高土壤氮素的利用效率，更利于大豆的生长，但是覆膜也可能导致残膜滞留土壤，造成新的污染。同一地区，不同土地利用方式氮的收支差异较大，刘明庆等［31］以浙江建德一村为研究对象，分析不同土地利用方式下土壤肥力情况，结果表明旱地土壤氮处于缺乏水平。韩轶才等［32］研究了千岛湖流域的氮的收支特征，采取各种方式评估不同土地利用方式下氮素的收支平衡与差异，结果表明，氮输入量较高的是园地和耕地，输出量最高的是菜地，自然林地氮素的输入、输出量均比较少。

3矿质氮的提取测定

3.1土壤矿质氮的提取

土壤矿质氮可以用氯化钠、氯化钾、氯化钙等溶液浸提，也可以用电超滤法（EUF）提取。电超滤法的工作原理是电超滤仪的正负极在与直流电源相连时，土壤悬浊液中的正负离子会在电场的作用下，向两极迁移，收集两极的滤液，即可以测定不同形态的氮离子。但是EUF提取氮素费时、费力、重复性不好［33］，因此逐渐被化学提取法取代。化学提取法比EUF法更加方便、快速、准确，国内外学者开发了各种土壤矿质氮的浸提剂。大量试验表明，使用氯化钾、氯化钙等温和的浸提剂不会引起土壤性质的巨大改变，能较真实地反映土壤的情况，因此被广泛应用。李生秀等［34］用几种不同的测氮方法比较旱地土壤供氮能力，发现不同浸提剂对土壤铵态氮的浸提能力不同，1.000 mol/L氯化钾的浸提效果最佳，0.001 mol/L氯化钙次之，水浸提的效果最差。刘育红等［35］对浙江嘉兴的稻田土壤氮素矿化进行研究，结合盆栽试验，用KCl加热煮沸法和2种不同的淹水密闭培养法进行比较，结果表明，氯化钾煮沸法能更好地测定土壤供氮能力。王海妹等［36］为了提高浸提土壤硝酸盐的效率，采用超声法对浸提液氯化钾的浓度、提取时间、料液比和样品取样量进行探究，发现称取20 g土壤样品，加入100 mL 1.0 mol/L的氯化钾溶液，超声提取15 min提取效果最好，超声提取法的加标回收率也高于常用的震荡提取法，满足检测需求。潘艳等［37］用氯化钙浸提土壤中的硝酸盐氮，通过单因素试验法，研究氯化钙浓度、浸提时间对硝态氮浸提效果的影响，结果表明氯化钙的浓度对土壤硝态氮的浸提有显著影响，而浸提时间对浸提的影响不明显。我国国家环境标准《HJ 634—2012土壤 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定》也是用1.0 mol/L氯化钾进行浸提，表明可溶性盐作为土壤矿质氮的浸提剂已经得到普遍认可。土壤样品的预处理方式对土壤矿质氮的测定结果也有很大的影响。孟盈等［38］研究烘干、风干对不同热带森林土壤矿质氮测定的影响，结果表明烘干和风干对森林土壤的铵态氮有显著影响，含量显著高于新鲜土，而烘干则会导致土壤的硝态氮含量显著下降。赵瑞芬等［39］研究了大棚土壤处理方式对矿质氮的影响，发现土壤预处理方式对硝态氮、铵态氮均有显著性影响，铵态氮的含量为烘干土>风干土>新鲜土，硝态氮的含量为烘干土>风干土>新鲜土。有研究者认为，升温和干燥会影响土壤有机质的结构，从而释放铵态氮和二氧化碳气体。铵态氮的含量随着温度升高，明显增加，这与已有的报道结论一致［40］。而干燥对硝态氮含量的影响，尚无一致的定论。因此，土壤矿质氮的测定最好采用新鲜土样，然而在现实中，采回来的样品会受到各种客观条件的限制，无法立即浸提、上机测定，土样则需要暂时保存，我国环境标准HJ 634—2012 也对土壤矿质氮的保存条件进行了明确的规定，以减小测试误差。综上所述，在土壤样品的处理过程中，不同的浸提液、土壤预处理方式对土壤矿质氮的浸提有影响，使得测定结果相差较大，因此，应综合考虑土壤有机质的含量、土壤质地，参照标准的保存办法，选用合适的方法对土壤样品进行处理。