土壤氮监测试验研究

土壤氮素测定是农田水氮管理和调控的基础，传统的直接取土测试法费时、费力又具有破坏性，且无法实现连续监测，难以捕捉到土壤养分变化的关键阶段。随着计算机和测试技术的快速发展，通过自动监测某些关键参数快速估算土壤氮素质量分数的测试技术受到重视。目前的快速测量方法多基于时域反射（TDR）、频率反射（FDR）或电容原理（Capacitance）［1］，监测的主要参数包括土壤水分、温度和电导率。利用自动监测技术估算土壤氮素质量分数的核心是建立氮素质量分数与监测参数之间的经验关系。很多学者对土壤电导率与土壤溶液电导率的关系进行了大量研究［2］，提出了线性模型、非线性模型和经验模型等［3］，然后通过土壤溶液电导率与土壤溶质质量浓度的线性关系来预测土壤氮素，但是土壤溶液电导率的获取过程复杂、费时、费力。土壤电导率通常作为土壤盐渍化程度高低的指标，但对于非盐渍化土壤，利用土壤电导率来反映土壤养分特别是氮素的研究较少。硝态氮作为相对稳定的氮素形态，直接影响作物生长和产量的形成，近年来利用土壤电导率预测土壤硝态氮变化动态的研究越来越受到人们的重视，Payero等［4］通过室内试验得出土壤含水率和温度对土壤电导率的影响达到显著水平，并尝试建立了田间硝态氮质量分数与土壤电导率、含水率和温度的多元线性回归模型，预测效果较好；栗岩峰等［5］在日光温室条件下，建立了不同深度土壤电导率、含水率和温度与土壤硝态氮质量分数的经验模型，结果显示在15cm深度土层的回归模型达到了极显著水平。二者的研究成果给人以极大得鼓舞，为土壤硝态氮的快速预测提供了一种简单、快捷的方法，但是土壤氮素质量分数与监测参数之间的关系因受土壤质地、结构、盐分和有机质质量分数等因素的影响而极其复杂，监测参数之间又相互影响，并遵循一定的规律变化，因此根据各参数之间的关系模型来探讨土壤硝态氮质量分数与土壤参数的经验关系更具有实际意义。

1材料和方法

1．1试验区概况

试验分为室内和田间试验二部分，均在国家节水灌溉北京工程技术研究中心大兴试验基地（东经116°15′，北纬39°39′）进行，属于暖温带半湿润大陆季风气候，多年平均温度11．6℃，多年平均降水量556mm。土柱试验土壤取自田间试验保护区内的10～60cm深度土样，自然风干后，磨细、过2mm筛，充分混合均匀以备用。据国际制土壤质地分类标准，试验田块0～100cm剖面土壤质地为砂质壤土，平均土壤密度为1．47g／cm3［6］。

1．2ECH2O－TE传感器工作原理

选用Decagon　Devices公司的ECH2O－TE传感器和EM50土壤多参数自动监测系统（Decagon　DevicesInc．，Pullman，Washington，USA）实时监测土壤的含水率νs、温度Ts和电导率ECb。传感器长、宽、厚分别为10、3．2、0．7cm，探针长度为5．2cm［7］。土壤多参数自动监测系统通过测量土壤介电常数，利用含水率与介电常数的关系输出土壤含水率；通过镶嵌在传感器里的热敏电阻测量土壤温度；三探针ECH2O－TE传感器的2个探针上排放的4条金属丝（电极）组成电路，利用电流－电压4端法测定土壤电导率，这种方法的测试系统包括2个电流端和2个电压端，作为测量激励信号的恒定电流经过2个电流端流入大地，通过检测2个电压端的电势差，根据欧姆定律和电阻定律就可换算出介电材料（土壤）的电导率［8］。

1．3室内试验

室内试验于2009年8月15日—10月20日进行，自制内径40cm、高40cm的PVC土柱，在土柱侧面20cm高度处沿周长等间距预留4个直径3cm的孔，分别用于安装3支ECH2O－TE传感器和1个土壤溶液提取器。根据土壤密度分层（每5cm一层）装填至土柱30cm高度，装填完毕后，稳定24h，使土壤水分均匀分布。土壤初始含水率控制在0．07cm3／cm3左右。试验选用NH4NO3分析纯为溶质，共进行了7个溶液质量浓度（0、0．2、0．5、1、2、5、10g／L）的土柱试验。通过预试验可知土壤电导率和含水率稳定时间大概在灌水后90min，此后二者慢慢呈递减趋势。为使土柱内土壤水分达到饱和状态，按7．54L（60mm）灌水量瞬时注入土柱，试验计时开始，约90min后，用真空泵抽取土壤抽提液（≥30mL），用便携式电导率计（Sension5，Hach）测量溶液的电导率（ECw）。抽取溶液停止后，迅速将探头上部的土壤除去，在探头埋置处取土样，一部分用烘干法测量土壤含水率，另一部分土样用浓度1mol／L的KCl溶液浸提，然后用流动分析仪（Auto　Analyzer－Ⅲ，Bran＋Luebbe，Germany）测量土壤硝态氮质量分数。试验中数据采集器的取样间隔设为5min，试验过程中准确记录抽取溶液的起始和结束时间及取土时间。

1．4田间试验

田间试验于2009年4月26日—8月24日和2010年5月3日—8月28日春玉米生育期内进行。试验设置3个小区，每小区的尺寸为32m×3m，每小区种植6行春玉米，行距50cm，株距40cm，小区间预留50cm宽的观测通道。灌水方式采用滴灌，灌水器流量为1．65L／h（0．1MPa），间距为40cm（Super　Typhoon，Netafim，Israel）。每小区沿春玉米行向安装3条间距100cm的毛管（滴灌带），每条毛管控制2行春玉米（图1）。每小区沿中间毛管按均匀分布的原则水平安装5支ECH2O－TE传感器（总计15支），埋设深度35cm，数据采集间隔设置为30min。当监测的土壤体积含水率达到田间持水率60％～70％时进行灌溉，3个小区的灌水量分别采用灌溉需水量（生育阶段作物需水量（ET）扣除有效降雨量（P0））的50％（I1）、75％（I2）和100％（I3）。生育期内2009年共灌水4次（5月20日、6月14日、6月29日和7月14日），最大总灌水量为85mm，施氮量为180kg／hm2（25％作为基肥施入，其余75％随灌水施入）；2010年共灌水4次（6月22日、7月1日、7月23日和8月8日），最大总灌水量为100mm，施氮量为162kg／hm2（全部随灌水施入）。肥料选用尿素，利用水动比例式施肥泵（Mis　Rite　Model　2504，Tefen）采用“1／4W—1／2N—1／4W”的模式（前1／4时间灌清水，中间1／2时间施肥，后1／4时间灌清水冲洗管网）注入［9］。每个试验小区首部均单独安装水表和阀门，用以监控灌水量。在播种前、灌溉、施肥后2d和收获后（2009年4月27日、5月23日、6月16日、7月16日、7月20日、8月28日；2010年5月3日、6月24日、7月25日和8月30日）在距传感器约1m、在20～40cm深度土层取土，一部分土样用以测量土壤含水率（烘干法），另一部用来测试硝态氮质量分数，土样处理、浸提及测试方法与室内试验相同。

1．5统计分析

利用PASW　Statistics　18．0软件对试验数据进行分析，对同一土柱不同传感器测量的数据进行方差分析，检验传感器之间是否存在显著差异（P＝0．05），用多元回归寻求土壤硝态氮质量分数与电导率、含水率和温度之间的定量关系，并对回归方程进行F检验和对回归系数进行t检验（P＝0．05）。

2结果与分析

2．1室内试验

土壤电导率随硝酸铵溶液质量浓度和硝酸铵溶液电导率线性增加，斜率和截距分别为4．58、4．81和－1．51、0．93，判定系数分别为0．99和0．96，这与文献［4］室内试验的结论相同。说明在假定其他条件不变的情况下（例如温度和含水率），通过正确的校正，土壤电导率能较好的反映土壤溶液质量浓度的变化，但是在实际应用时，土壤电导率受土壤水分、温度、质地和盐分等因素的影响。不同硝酸铵溶液质量浓度下的土壤电导率随土壤含水率的变化情况绘于图2。硝酸铵溶液质量浓度较低时，土壤电导率随含水率呈明显的非线性变化特征，先随含水率的增大而增大，但当含水率超过0．3cm3／cm3左右时，电导率随含水率的继续增加而减小。当硝酸铵溶液中的硝态氮质量浓度低于土壤溶液的初始硝态氮质量浓度时，随灌水的进行，含水率不断增加的同时，会对土壤中的硝态氮产生淋洗作用，致使土壤电导率有所降低，这是产生上述现象的主要原因。按照Rhoades线性经验模型（式1）对土壤电导率与土壤含水率和提取液电导率的关系进行拟合［2，10］，结果列于表1，表1中S为剩余标准差。由表1可知，不同传感器的回归方程的偏回归系数相差不大，说明在此土壤结构条件下传感器不需要特殊校正；不同传感器的回归方程的判定系数均大于0．99，且所有传感器数据联合的回归方程的判定系数也大于0．99，说明式（1）能较好地反映试验条件下土壤电导率和土壤溶液电导率的关系，且统计分析结果表明回归方程达到了极显著水平（P≤0．01，下同）。土壤硝态氮质量分数与提取液电导率具有很强的线性关系（0．997），以式（1）为基础，对土壤硝态氮质量分数与土壤含水率和电导率的关系也进行拟合，得出：由式（2）可知，当含水率一定时，土壤硝态氮质量分数随土壤电导率的增加而线性增加；对式（2）变量的统计检验结果指出，土壤电导率对硝态氮质量分数的影响达到极显著水平，说明土壤电导率是表征土壤硝态氮质量分数的一个重要指标。

2．2田间试验结果

由于室内试验的土壤经过了风干研磨等处理，不能完全反应田间土壤的结构，且田间土壤溶质的变化又受降雨、根系吸收等因素的影响，所以在田间需要对模型参数作进一步率定。田间试验的结果表明，土壤电导率、含水率、温度对灌水、施肥和降雨过程表现出明显的响应特征，不同传感器监测的变化趋势基本一致，作为示例，图3给出了I3处理2009、2010年春玉米生育期内一个传感器的监测结果。土壤含水率和电导率具有相同的变化趋势，遇到降雨、灌水或施肥时，二者都会剧烈增加，降雨、灌水或施肥结束后，受土壤蒸发或根系吸收的影响，二者又逐渐降低。土壤含水率的变幅一般与降雨或灌水的大小成比例，而土壤电导率的变化比较复杂，很大程度上受土壤电导率初始值、降雨、施肥状况和作物吸收的影响。如2009年5月20日第一次施肥灌溉后，5月21日遇7．4mm降雨，土壤含水率和电导率急剧增加，而后逐渐降低；6月8日降雨58．4mm，含水率迅速增加（由0．16升至0．29），但是电导率经历了短时间的稳定阶段后再迅速下降（由0．20dS／m降至0．12dS／m），说明此次降雨可能引起了土壤氮素淋失。6月14日第二次灌水施肥与6月16日的降雨过程（11．4mm）中土壤含水率和电导率均没有明显变化，这可能是由于此阶段正处于作物水肥需求高峰期，施入土壤的水肥适时满足了作物需求。生育期内土壤温度主要随气温而变化。

2009年和2010年土壤硝态氮质量分数及土壤多参数自动监测系统监测的土壤电导率、含水率和温度统计特征值见表2。由表2可知，2年的土壤含水率和硝态氮质量分数的极差均相差不大（0．25和0．24；18．72和19．55），但是土壤温度和电导率却相差较大（13．39和9．97；0．53和0．74）。土壤中的水分、温度和溶质之间相互作用、相互影响，是一个不断变化的动态过程，因此，以室内试验建立的土壤硝态氮质量分数与土壤含水率、电导率的二次关系为基础，同时兼顾土壤温度对硝态氮质量分数的影响得出式（3），利用式（3）分别对2009年、2010年以及2年的总体结果进行了拟合，结果列于表3。

从表3可知，土壤电导率、含水率和温度对土壤硝态氮质量分数的影响在总体上均达到了极显著水平，其中土壤温度影响水平最大，主要由季节温差较大引起的。对比土壤电导率和土壤含水率对土壤硝态氮质量分数的影响程度可知，2009年土壤电导率影响较大，而2010年土壤含水率影响较大，这主要是2年的试验条件差异引起的，例如2009年较大的施氮量（2009年180kg／hm2，2010年162kg／hm2）及降雨量（2009年384mm，2010年260mm），增强了土壤电导率对硝态氮质量分数的响应程度；另一方面，2010年生育阶段前期较大的降雨（截止6月中旬，降雨量占2010年生育期内总降雨量的40％）增强了土壤硝态氮的淋洗作用，从而降低了土壤电导率对硝态氮质量分数的响应程度。利用2年所有数据进行拟合的结果显示（表3），虽然土壤电导率、含水率和温度对土壤硝态氮质量分数的影响在总体上均达到了极显著水平，但回归方程的剩余标准差比单独使用一年数据略大，Payero也曾得到相同的结论，这说明土壤硝态氮质量分数对电导率、含水率和温度的定量关系还受土壤初始条件、气象条件和作物生长情况影响，因此为了获得较高硝态氮质量分数的预测精度，一般应针对具体试验条件进行田间标定。

对比表3和式（2）可以看出，田间试验拟合方程的判定系数小于室内试验，一方面是室内试验中，土壤硝态氮质量分数变化范围（0．44～113．27mg／kg）远大于田间试验（4．11～27．04mg／kg），同时田间土壤空间变异性、作物对水分和养分吸收的个体差异等也会降低回归方程的精度。相同土壤质地情况下，栗岩峰［5］得出15cm深度土层的回归模型的判定系数（0．54）略大于本次试验的判定系数（0．40～0．53），一是由于前者的试验是在日光温室内进行的，降雨等干扰因素相对较小；二者研究的深度（15和35cm）和种植作物（番茄和春玉米）不同可能也是原因之一。

Payero［4］在30cm深度土层得出的回归模型的判定系数（0．14～1．00）大部分大于本次试验的判定系数，可能是由于前者研究的土壤硝态氮质量分数的变化范围较大（8．0～55．9mg／kg），同时可以看出，Payero得到的多元线性回归模型的判定系数变化范围较大，说明进行回归分析时自变量对因变量的解释程度不稳定，与此相比，本次试验的判定系数变化范围较小（0．40～0．53），说明以概念性模型为基础而建立的二次多项式回归模型的稳定性相对较好。

3结论

利用土壤多参数自动测试系统，通过室内和田间试验，建立了土壤硝态氮质量分数与土壤电导率、含水率和温度的回归模型，主要结论如下：1）土壤电导率能较好的反映土壤硝态氮质量分数的变化，含水率一定时，二者呈较好的线性关系。2）土壤硝态氮质量分数与土壤电导率、含水率和温度之间的关系可用二次多项式描述，且3个土壤参数对土壤硝态氮质量分数的影响达到了极显著水平（P≤0．01）。3）根据建立的关系模型，可以利用自动监测系统监测的3个土壤参数快速预测土壤硝态氮质量分数，但是受土壤水肥状况、气候条件和作物生长状况等影响，该模型仅适用于华北平原半湿润地区的砂质壤土，不同地区、不同土壤质地的土壤硝态氮质量分数预测模型的建立需进一步深入研究。